基于地理探測器的江蘇省城市人居環(huán)境適宜性時空變化研究

夏小園， 陳顥明,,3， 郜 晴， 邵海燕， 曹志洪， 趙言文

(1.南京農(nóng)業(yè)大學 資源與環(huán)境科學學院， 江蘇 南京 210095; 2.南京農(nóng)業(yè)大學 園藝學院， 江蘇 南京 210095;3.南京理工大學 環(huán)境與生物工程學院, 江蘇 南京 210094; 4.中國科學院 南京土壤研究所, 江蘇 南京 210008)

隨著城市化、工業(yè)化進程推進，人類活動范圍強度增加，城市環(huán)境污染問題愈來愈突出。例如：城市人口集中化導致城區(qū)地表溫度上升和霧霾現(xiàn)象加重，從而加劇城市熱島效應、大氣污染等環(huán)境污染現(xiàn)象[1-2]。人類居住地擴張造成植被破壞和地表反照率增加，削弱森林碳匯功能和加劇全球變暖趨勢[3-4]。因此，人居環(huán)境問題日益成為全球性關注的焦點問題[5]。此外，人居環(huán)境評價作為衡量人居環(huán)境質(zhì)量的一種重要手段，已被許多學科所研究，如：人口地理學、城市規(guī)劃學、環(huán)境學和心理學等。

人居環(huán)境是人類在大自然中生存的基地，是人類進行工作、生活和社交等活動的空間場所[6]。國外對城市人居環(huán)境的研究開展得較早，起初其對人居環(huán)境的研究思想主要蘊含在城市規(guī)劃學內(nèi)容里。20世紀50年代，希臘學者Doxiadis[7]創(chuàng)立“人類聚居學”概念，探索人類聚居的發(fā)展規(guī)律，這為人居環(huán)境研究奠定了基礎。Yanistky和Register分別基于生態(tài)學原理和居民的身心健康提出了“生態(tài)城市”模式，使人居環(huán)境研究理論得以豐富，并進入系統(tǒng)性的快速發(fā)展階段[8]。如：Jenerette[9]以鳳凰城為例，探究氣候、植被和人類居住模式之間的關系，發(fā)現(xiàn)人口密度與城區(qū)地表溫度呈負相關，與植被覆蓋度呈正相關。 Komeily等[10]綜合考慮環(huán)境、經(jīng)濟、社會和機構(gòu)四個方面，創(chuàng)建居住社區(qū)可持續(xù)性評估工具，確定哪些標準通常被忽視，以求解決社區(qū)人居迫在眉睫問題。國外研究側(cè)重于綜合運用生態(tài)學、規(guī)劃學等多學科方法研究人居環(huán)境，這為中國的人居環(huán)境研究提供了理論思考。

國內(nèi)人居環(huán)境研究起步較晚，20世紀90年代，吳良鏞[11]將人類聚居學理論引入中國并提出了人居環(huán)境科學這一理念。此后，許多國內(nèi)學者以人居環(huán)境評價作為人居環(huán)境研究的新視角開展相關研究。其中，有關城市人居環(huán)境的研究內(nèi)容主要集中于構(gòu)建“指標—評價”體系和人居環(huán)境耦合協(xié)調(diào)發(fā)展評價體系兩個方面?！爸笜恕u價”體系，多通過構(gòu)建由經(jīng)濟、生態(tài)、居住、公共服務與社會建設環(huán)境等多方面組成的綜合評價指標體系對人居環(huán)境進行定量評價[12]。人居環(huán)境耦合協(xié)調(diào)發(fā)展評價體系，則多研究人居環(huán)境內(nèi)部子系統(tǒng)的耦合協(xié)調(diào)發(fā)展及人居環(huán)境與區(qū)域要素的耦合關系[13-14]。在研究尺度上主要包括以區(qū)域、省域為單元的宏觀尺度和以市域、鎮(zhèn)域為單元的微觀尺度兩個方面[15-18]。研究方法上，多采用層次分析法、主成分分析法、德爾菲法、人工神經(jīng)網(wǎng)絡法、熵值法及GIS空間自相關[19-21,12]等方法。

江蘇省是中國人口密度最高的省份，人口聚居特征顯著，其居住用地緊張、交通擁擠、環(huán)境污染嚴重等人居環(huán)境問題十分突出。已有不少學者對江蘇省人居環(huán)境有所研究，其主要集中于通過構(gòu)建指標體系對江蘇省城市人居環(huán)境的空間格局進行定量評價，而對江蘇省人居環(huán)境時空分異特征和利用地理探測器技術探討其演變驅(qū)動影響因素的研究較少。本研究嘗試深化人居時空尺度研究內(nèi)容，將社會、經(jīng)濟、生態(tài)、建設環(huán)境納入同一個分析框架，利用熵值法、趨勢分析法、自然間斷點分級法分析江蘇省城市人居環(huán)境時空演變過程，運用地理探測器對各個單項指標進行探測，識別驅(qū)動因素強度及其作用方向，分析江蘇省城市人居環(huán)境演變機理，以期為城市建設和人居環(huán)境改善提供理論依據(jù)和建議。

1 研究數(shù)據(jù)和方法

1.1 研究區(qū)概況

江蘇省位于中國大陸東部沿海中心，介于116°18′—121°57′E，30°45′—35°20′N之間，屬東亞季風氣候區(qū)，處在亞熱帶和暖溫帶的氣候過渡地帶。其中地形以平原為主，占江蘇省面積的86.89%；河渠縱橫，水網(wǎng)稠密；低山丘陵集中在西南部。其基本氣候特點是：雨熱同季、雨量充沛、降水集中、梅雨顯著，光熱充沛。

1.2 數(shù)據(jù)來源

研究數(shù)據(jù)來源于《江蘇省統(tǒng)計年鑒》《中國城市統(tǒng)計年鑒》《中國環(huán)境統(tǒng)計年鑒》《中國民政統(tǒng)計年鑒》《中國縣域統(tǒng)計年鑒》、江蘇省各市縣統(tǒng)計年鑒、生態(tài)環(huán)境部環(huán)境工程評估中心等，部分數(shù)據(jù)來自于中國氣象數(shù)據(jù)網(wǎng)和文獻資料。

1.3 評價指標體系建立與指標說明

人居環(huán)境是一個受社會、經(jīng)濟、文化和生態(tài)環(huán)境等多重因素影響的復雜多元系統(tǒng)，其評價因子具有多樣性和復雜性。所以，對人居環(huán)境的評價需要遵循可行性、全面性以及客觀性原則，建立出一個直觀明確的評價指標體系。本文結(jié)合江蘇省的實際情況，以縣域為研究單元，從社會、經(jīng)濟、生態(tài)、建設環(huán)境4個維度(準則層)上選取24個單項指標定量評價江蘇省人居環(huán)境適宜性(見表1)。

表1 江蘇省人居環(huán)境適宜性指標體系

根據(jù)各單項指標對人居環(huán)境的不同屬性，將各單項指標分為正向指標和負向指標。由于各單項指標數(shù)據(jù)單位不一，需要對原始數(shù)據(jù)進行無量綱化處理。

正向指標：

(1)

負向指標：

(2)

1.4 研究方法

(1) 賦值方法。確定指標權重是評價人居環(huán)境適宜性工作的基礎。本研究采用熵值法確定各指標權重，它通過計算指標的信息熵，根據(jù)指標相對變化程度對系統(tǒng)整體的影響來決定指標的權重，能夠很好的避免人為因素對指標權重的影響。最后，通過建立綜合評價模型，得出江蘇省人居環(huán)境適宜性綜合得分。

具步驟如下：

①計算第ε年第i個縣域第j項指標值的比重：

(3)

②計算出第j個指標的熵值：

(4)

③計算第j指標的差異系數(shù)為：

gj=1-ej

(5)

④第j個指標的權重為：

(6)

(2) 自然間斷點分級法。借助ArcGIS中的自然間斷點分級法對江蘇省城市人居環(huán)境適宜性得分進行空間可視化。自然間斷點分級法是基于數(shù)據(jù)中固有的自然分組和數(shù)據(jù)本身的特點對分類間隔加以識別，對相似值進行最恰當?shù)胤纸M，當達到組間方差最大、組內(nèi)方差最小時聚類結(jié)束，可使各個類之間的差異最大化[16,22]。

(3) 趨勢分析?；跁r間序列數(shù)據(jù)集，計算每個縣域?qū)傩灾?人居環(huán)境適宜性得分和排名)的變化斜率，根據(jù)斜率值的正負和大小情況，直觀地反映研究期內(nèi)時間序列數(shù)據(jù)集的變化趨勢和變化幅度。將計算結(jié)果借助ArcGIS中的自然間斷點分級法對其進行空間可視化。公式如下：

(7)

式中：變量i為2009—2017年的年序號；mi表示經(jīng)均值或求和處理后第i年的值；slope即這條趨勢線的斜率，如slope>0則說明數(shù)值的變化趨勢是增加的，反之亦然[22]。

(4) 地理探測。運用因子探測模塊計算探測因子(各單項指標得分)X對人居環(huán)境適宜性Y的影響程度(q值)。使用相關分析為每個探測因子確定影響方向，如果探測因子與人居環(huán)境適宜性呈正相關，則認為該因子呈正向影響，q值為正值，反之亦然[23]。公式如下：

(8)

2 結(jié)果與討論

2.1 江蘇省人居環(huán)境適宜性的空間分異特征分析

計算得到江蘇省人居環(huán)境適宜性得分(見表2)，根據(jù)自然間斷點分級法將人居環(huán)境適宜性水平分為高水平、中高水平、中水平和低水平4種類型，并進行空間可視化分析(見圖1)。

表2 江蘇省城市人居環(huán)境總適宜性得分情況

圖1 2009-2017年江蘇省城市人居環(huán)境總適宜性水平的空間格局

如圖1所示，江蘇省人居環(huán)境適宜性空間分異現(xiàn)象顯著，總體呈現(xiàn)出“局部連片”，自南至北逐漸遞減的空間分布特征。人居適宜性高水平地區(qū)主要集中分布在蘇南及蘇中地區(qū)的地級市區(qū)，中高水平地區(qū)多集中于蘇中及蘇北地區(qū)的地級市區(qū)，中水平和低水平地區(qū)集中于蘇北地區(qū)的所轄縣級市、縣。因此，從空間分異來看，江蘇省人居環(huán)境受經(jīng)濟發(fā)展水平影響較大。蘇南地區(qū)因其區(qū)位優(yōu)越、市場廣闊、經(jīng)濟發(fā)達及對城市建設和公共服務投入力度相對較大，人居環(huán)境優(yōu)勢地位顯著。蘇中地區(qū)雖然不是省內(nèi)經(jīng)濟發(fā)展的核心地區(qū)，但其區(qū)位交通便利，為資源、資本、人才交流提供了便捷條件，對醫(yī)療、教育、就業(yè)、環(huán)保等基礎服務的投入力度較大，使其人居環(huán)境具有相對優(yōu)勢。蘇北地區(qū)則因其城市化、工業(yè)化水平低，區(qū)位不優(yōu)，經(jīng)濟發(fā)展和基礎城市建設投入不足，其各方面人居環(huán)境質(zhì)量得分均不高。

空間變化上，人居環(huán)境適宜性中高水平、中水平和低水平地區(qū)連片分布趨勢減弱，人居環(huán)境適宜性自南至北遞減的空間分層現(xiàn)象顯著度降低。主要因為蘇北地區(qū)部分縣域的人居環(huán)境適宜性的升級。例如，2009—2017年，徐州銅山區(qū)、新沂市、東?？h等城市的人居環(huán)境適宜性由低水平晉升為中水平，鹽城市區(qū)、大豐區(qū)、淮安市區(qū)等城市則由中水平晉升為中高水平。

蘇北地區(qū)地級市市區(qū)、所轄縣級市與所轄縣的人居環(huán)境適宜性水平梯度差異顯著，地級市區(qū)、縣級市指向性特征愈加顯著。2017年，蘇北地級市區(qū)的人居環(huán)境適宜性多屬中高水平，所轄縣級市人居環(huán)境適宜性屬中高水平和中水平，所轄縣人居環(huán)境適宜性則多為低水平。與蘇南、蘇中地區(qū)相比，蘇北最顯著的差距反映在經(jīng)濟上，因此，蘇北地區(qū)受經(jīng)濟發(fā)展限制的影響更大。地級市市區(qū)、所轄縣級市相對于所轄縣，其經(jīng)濟總量要大，社會保障、公共就業(yè)服務、醫(yī)療衛(wèi)生等基本社會公共服務及交通、水利、電力基礎設施相對完善，對其人居環(huán)境適宜性的改善有著重要的助推和保障支撐作用。

2.2 江蘇省人居環(huán)境適宜性的時間變化規(guī)律

江蘇省人居環(huán)境適宜性的時間變化規(guī)律主要體現(xiàn)在這九年內(nèi)的分值變化情況及各水平人居環(huán)境適宜性城市數(shù)量的比重變化情況(見圖1和圖2)。

圖2 2009-2017年江蘇省人居環(huán)境適宜性得分的變化分布

2009—2013年，在江蘇省人居環(huán)境適宜性得分變化上，下降的城市占比12.3%，上升的城市占比87.7%，平均得分由0.432上升至0.475，變異系數(shù)由0.179上升至0.191。高水平和中高水平城市占比由50.76%上升至52.31%。2013—2017年，人居環(huán)境適宜性得分下降的城市占比21.53%，上升的城市占比78.47%，平均得分由0.475上升至0.494，變異系數(shù)由0.191下降至0.165。高水平和中高水平城市占比由52.31%上升至56.92%。2009—2017年，占比95.38%縣域的人居環(huán)境適宜性得分上升，平均得分上升0.062，變異系數(shù)下降0.014?？偟膩碚f，江蘇省人居環(huán)境演變的主旋律為上升發(fā)展。人居環(huán)境適宜性縣級之間的區(qū)域性差異減小，但存在階段性變化。

江蘇省人居環(huán)境適宜性的排名變化能夠反映不同縣域人居環(huán)境適宜性的穩(wěn)定情況(見圖3)。排名顯著上升的縣域說明其人居環(huán)境適宜性相對其他縣域?qū)傧陆敌统鞘?，排名略微上升和略微下降的縣域?qū)俜€(wěn)定型，排名顯著下降的縣域?qū)偕仙?。如圖3所示，2009—2013年，排名顯著變化的縣域，蘇北省11個，蘇中省6個，蘇南省1個，分別占蘇北、蘇中、蘇南縣域總量的37.93%，35.29%和5.26%。2013—2017年，排名顯著變化的縣域，蘇北占6個，蘇中占6個，無蘇南縣域，分別占蘇北、蘇中縣域總量的20.68%和35.29%?？偟膩碚f，不同縣域的人居環(huán)境穩(wěn)定性有所差異，但在各個時間段內(nèi)，下降型和上升型人居環(huán)境縣域集中分布在蘇北和蘇中地區(qū)，蘇南地區(qū)多為穩(wěn)定型。

圖3 2009-2017年江蘇省人居環(huán)境適宜性排名的變化分布

2.3 江蘇省城市人居環(huán)境演變驅(qū)動影響因素分析

采用地理探測器方法計算探測因子(各單項指標)對江蘇省人居環(huán)境適宜性的影響力q值(表3)。從時序上看，不同時期江蘇省人居環(huán)境適宜性受各指標驅(qū)動強度及方向具有一定的差異。在通過顯著性檢驗的指標中，q值排序前4位均是經(jīng)濟環(huán)境單項指標。未通過顯著性檢測的指標中，約一半是生態(tài)環(huán)境指標，且其通過顯著性檢測的指標的q值不高。表明江蘇省人居環(huán)境適宜性的空間分異主要受經(jīng)濟發(fā)展水平影響，生態(tài)環(huán)境影響水平較小。

表3 地理探測器分析結(jié)果

經(jīng)濟環(huán)境是江蘇省人居環(huán)境演變發(fā)展的主導動力。在3個時間段中，經(jīng)濟環(huán)境中通過顯著性檢驗的指標的q值均較大，且呈正向影響?，F(xiàn)階段，江蘇省經(jīng)濟總量的增長，一方面直接帶動廣大人民生活質(zhì)量的提高。另一方面可促進醫(yī)療、教育、社會文化等基礎社會公共服務的發(fā)展，但其對環(huán)境質(zhì)量改善較小。如：南京、蘇州、無錫等經(jīng)濟環(huán)境發(fā)展水平較高的城市，多擁有較完善的醫(yī)療等社會服務環(huán)境，但其環(huán)境質(zhì)量并無明顯優(yōu)勢。環(huán)境質(zhì)量不優(yōu)與城市人口密度過大，產(chǎn)生大量生活、生產(chǎn)廢氣有明顯直接關系。

社會環(huán)境和建設環(huán)境是江蘇省人居環(huán)境演變發(fā)展的關鍵動力。從各單項指標來看，除社會環(huán)境中的“每萬人擁有普通中學在校學生數(shù)”和建設環(huán)境中的“人均公共綠地面積”未通過顯著性檢測，其余指標均通過了顯著性檢測。此外，離結(jié)率、老齡化率和人口密度對人居環(huán)境適宜性的負向驅(qū)動強度均逐漸增大，說明三者對江蘇省人居環(huán)境適宜性的負面影響越來越大。其主要是通過降低城市的幸福度、增加城市社會壓力和環(huán)境壓力來削弱人居環(huán)境適宜性。人民生活水平的提高必然會對人居環(huán)境提出更高的要求，由滿足生理物質(zhì)需求向自我精神生活實現(xiàn)層逐級遞升。社會和建設環(huán)境主要將從發(fā)展教育事業(yè)、醫(yī)療衛(wèi)生、社會保障、文化事業(yè)等方面來優(yōu)化社會結(jié)構(gòu)，保障和改善民生、加強和創(chuàng)新社會治理，完善城市基礎設施建設，提升人民獲得感、幸福感、安全感，從而提高人居環(huán)境質(zhì)量，并促使城市的更新。

生態(tài)環(huán)境是江蘇省人居環(huán)境演變發(fā)展的次要動力。3個時間段中，空氣質(zhì)量達標率、工業(yè)固體廢物綜合利用率和人均二氧化硫排放量均未通過顯著性檢測，說明生態(tài)環(huán)境對人居環(huán)境適宜性的影響不大。可能是因為現(xiàn)階段江蘇省經(jīng)濟發(fā)展對生態(tài)環(huán)境的改善幫助較小，即使經(jīng)濟較發(fā)達的城市其經(jīng)濟結(jié)構(gòu)也在優(yōu)化調(diào)整時期，對工業(yè)的依賴度仍然不低，且其城市人口密集，生產(chǎn)、生活廢氣產(chǎn)生量較大，導致生態(tài)環(huán)境對人居環(huán)境適宜性的空間差異性區(qū)分度不高。因此，江蘇省生態(tài)環(huán)境中的環(huán)境質(zhì)量狀況現(xiàn)存問題也是其人居環(huán)境建設的一塊短板。

3 結(jié) 論

本研究以江蘇省為研究對象，深化人居時空尺度研究內(nèi)容，通過構(gòu)建人居環(huán)境適宜性評價指標體系，對65個縣域的人居環(huán)境適宜性進行綜合評價，并用地理探測器技術探究其演變驅(qū)動因素。對促進江蘇省人居環(huán)境建設有著重要意義。

(1) 江蘇省人居環(huán)境適宜性空間分異現(xiàn)象顯著，總體呈現(xiàn)出“局部連片”，自南至北逐漸遞減的空間分布特征，與城市發(fā)達程度呈現(xiàn)一致性?？臻g變化上，人居環(huán)境適宜性中高水平、中水平和低水平地區(qū)連片分布趨勢減弱，人居環(huán)境適宜性自南至北遞減空間分層現(xiàn)象顯著度降低。蘇北地區(qū)地級市市區(qū)、所轄縣級市與所轄縣的人居環(huán)境適宜性水平梯度差異顯著，具有地級市區(qū)、縣級市指向性特征，受城市發(fā)達程度限制影響更顯著。

(2) 在研究期間，江蘇省人居環(huán)境演變的主旋律為上升發(fā)展。人居環(huán)境適宜性縣級區(qū)域之間的差異存在階段性變化，在研究末期其差異性減小。蘇南地區(qū)多為穩(wěn)定型人居環(huán)境適宜性城市，人居環(huán)境適宜性波動較大的城市主要分布在蘇北和蘇中地區(qū)。

(3) 在研究期間，江蘇省人居環(huán)境受各方面因素綜合影響，人居環(huán)境演變受各維度的驅(qū)動力程度各異，其中經(jīng)濟環(huán)境是江蘇省人居環(huán)境演變發(fā)展的主要驅(qū)動力，社會和建設環(huán)境是關鍵動力，生態(tài)環(huán)境是次要動力。

(4) 立足于江蘇省現(xiàn)階段人居環(huán)境建設的基本訴求，各驅(qū)動指標對人居環(huán)境演變的影響力度，對優(yōu)化江蘇省人居環(huán)境提出3點建議。

①加快經(jīng)濟體制創(chuàng)新，擴大經(jīng)濟規(guī)模，加速市場化進程，刺激消費水平，促進經(jīng)濟發(fā)展及均等化。

②積極采取一定的措施緩解老齡化危機和降低離結(jié)率，發(fā)揮區(qū)位優(yōu)勢，增強城市輻射帶動作用，加強區(qū)域互動和人口資源流動。

③提升生態(tài)環(huán)境驅(qū)動，繼續(xù)優(yōu)化產(chǎn)業(yè)結(jié)構(gòu)調(diào)整，降低SO2等工業(yè)污染物的排放，提高環(huán)境質(zhì)量。鑒于城市人居環(huán)境系統(tǒng)的復雜性，本文僅就江蘇省65個縣域2009，2013和2017年3個時間段數(shù)據(jù)進行了分析，時間序列上的縱向分析和細化程度不夠深入。但本文結(jié)合地理探測器、GIS在縣域尺度上對江蘇省人居環(huán)境時空差異進行階段性評價的研究成果，對研究城市人居環(huán)境適宜性具有一定的參考價值。