馬鞍山市城市化與生態(tài)環(huán)境耦合協(xié)調(diào)發(fā)展研究

陶長交, 夏安桃, 李大鵬

馬鞍山市城市化與生態(tài)環(huán)境耦合協(xié)調(diào)發(fā)展研究

陶長交, 夏安桃*, 李大鵬

湖南師范大學(xué)資源與環(huán)境科學(xué)學(xué)院, 長沙 410081

伴隨城市化的快速推進(jìn), 生態(tài)環(huán)境面臨日益嚴(yán)峻的挑戰(zhàn), 因此研究城市化與生態(tài)環(huán)境的耦合協(xié)調(diào)發(fā)展顯得尤為重要。以安徽省馬鞍山市的街道及鄉(xiāng)鎮(zhèn)為研究對象, 利用DMSP/OLS夜間燈光數(shù)據(jù)和Landsat遙感影像數(shù)據(jù), 建立夜間燈光指數(shù)和遙感生態(tài)指數(shù), 并引入耦合協(xié)調(diào)模型, 對1993—2013年馬鞍山市城市化與生態(tài)環(huán)境耦合協(xié)調(diào)關(guān)系進(jìn)行探索。結(jié)果表明: (1)1993—2013年馬鞍山市城市化水平提高, 但城市化水平存在地區(qū)差異, 城市化水平高的地方主要集中在花山區(qū)和雨山區(qū); (2)1993—2013年馬鞍山市生態(tài)環(huán)境質(zhì)量呈現(xiàn)先上升再下降的趨勢, 生態(tài)環(huán)境較好的地區(qū)主要分布在西部丘陵地區(qū)如含山縣的清溪鎮(zhèn)、仙蹤鎮(zhèn)、昭關(guān)鎮(zhèn)等地方; (3)1993—2013年馬鞍山市城市化與生態(tài)環(huán)境耦合協(xié)調(diào)發(fā)展水平提升, 耦合度和耦合協(xié)調(diào)度不斷提高, 耦合協(xié)調(diào)類型由低度協(xié)調(diào)階段轉(zhuǎn)向中度協(xié)調(diào)階段; 在馬鞍山市東西和南北方向耦合協(xié)調(diào)度空間演變趨勢皆呈倒U型。該研究結(jié)果可為馬鞍山市城市的發(fā)展和生態(tài)環(huán)境的保護(hù)提供科學(xué)參考。

夜間燈光指數(shù); 遙感生態(tài)指數(shù); 耦合協(xié)調(diào)模型; 趨勢面分析; 城市化與生態(tài)環(huán)境; 馬鞍山市

0 前言

在空間的集聚擴(kuò)散機(jī)制作用下, 城市可以促進(jìn)區(qū)域產(chǎn)業(yè)結(jié)構(gòu)轉(zhuǎn)型升級和經(jīng)濟(jì)高質(zhì)量發(fā)展。城市化是指人口向城市區(qū)域聚集、城市地域空間擴(kuò)張、城市經(jīng)濟(jì)輻射效應(yīng)增強(qiáng)、城市生活方式及價(jià)值觀念擴(kuò)散等一系列的過程[1]。城市化是衡量經(jīng)濟(jì)發(fā)展水平的重要指標(biāo), 在一定程度上可以代表經(jīng)濟(jì)發(fā)展程度。但隨著城市化的推進(jìn), 一些區(qū)域出現(xiàn)了資源過度性開發(fā)和環(huán)境污染等一系列問題, 生態(tài)環(huán)境受到巨大的影響。生態(tài)環(huán)境是城市居民生存與進(jìn)行經(jīng)濟(jì)活動(dòng)的重要基礎(chǔ)。生態(tài)環(huán)境的破壞使城市經(jīng)濟(jì)的可持續(xù)發(fā)展面臨潛在的威脅。城市化和生態(tài)環(huán)境之間的矛盾日益凸顯, 甚至阻礙了經(jīng)濟(jì)的發(fā)展, 因此如何協(xié)調(diào)兩者之間的關(guān)系是亟需解決的問題。

關(guān)于城市化與生態(tài)環(huán)境的耦合協(xié)調(diào)發(fā)展研究, 不同專業(yè)領(lǐng)域的學(xué)者對此方面皆做了深層次的研究。梁龍武等[2]利用系統(tǒng)指數(shù)評估模型對京津冀城市群的城市化與生態(tài)環(huán)境系統(tǒng)及其子系統(tǒng)指數(shù)值進(jìn)行探析, 進(jìn)而研究城市化與生態(tài)環(huán)境協(xié)同發(fā)展格局; 史戈[3]運(yùn)用關(guān)聯(lián)度和耦合協(xié)調(diào)模型, 闡述了中國海岸帶地區(qū)城市化與生態(tài)環(huán)境耦合協(xié)調(diào)的時(shí)空演變機(jī)制; 陳曉紅等[4]剖析了城市化與生態(tài)環(huán)境耦合的脆弱性與協(xié)調(diào)性之間的作用機(jī)制與規(guī)律, 以推動(dòng)城市化與生態(tài)環(huán)境的可持續(xù)發(fā)展; 曾浩等[5]利用層次分析法來定量測度關(guān)于武漢市城市化水平與生態(tài)環(huán)境質(zhì)量的指標(biāo)體系, 分析武漢市城市化與生態(tài)環(huán)境的協(xié)調(diào)發(fā)展?fàn)顩r。但許多學(xué)者主要是通過構(gòu)建經(jīng)濟(jì)社會(huì)指標(biāo)體系, 對城市化與生態(tài)環(huán)境兩者之間的協(xié)調(diào)關(guān)系進(jìn)行研究。隨著地理信息技術(shù)的發(fā)展, 有些學(xué)者利用DMSP/OLS夜間燈光數(shù)據(jù)研究城市化水平, 遙感影像數(shù)據(jù)研究生態(tài)環(huán)境質(zhì)量, 并在這兩方面進(jìn)行了大量的實(shí)證研究。Imhoff等[6–7]利用燈光數(shù)據(jù), 估計(jì)城市面積和城市擴(kuò)張, 進(jìn)而研究城市化進(jìn)程對土壤資源的影響; 陳昕等[8]通過引力模型測算京津冀城市空間關(guān)聯(lián)強(qiáng)度, 利用DMSP/OLS夜間燈光亮度表示城市化的水平, 進(jìn)一步分析京津冀城市群城市社會(huì)經(jīng)濟(jì)區(qū)位度的時(shí)空變化趨勢; 徐夢潔等[9]以燈光數(shù)據(jù)為基礎(chǔ), 構(gòu)建城市化水平指數(shù), 并且結(jié)合經(jīng)濟(jì)社會(huì)統(tǒng)計(jì)數(shù)據(jù), 探究長三角城市群城市化進(jìn)程和空間模式。此外, 通過遙感影像提取綠度、濕度、干度和熱度指標(biāo), 進(jìn)行主成分分析, 可以得到表征生態(tài)環(huán)境狀況的遙感生態(tài)指數(shù)(RSEI)。楊江燕等[10]基于新型遙感生態(tài)指數(shù)(RSEI)對雄安新區(qū)生態(tài)環(huán)境質(zhì)量進(jìn)行了評估; 宋慧敏等[11]以遙感影像數(shù)據(jù)為基礎(chǔ), 運(yùn)用遙感生態(tài)指數(shù)模型(RSEI), 對渭南市的生態(tài)環(huán)境進(jìn)行分析與監(jiān)測; 程志峰等[12]基于遙感影像光譜信息, 計(jì)算遙感生態(tài)指數(shù)(RSEI), 定量評價(jià)蘇錫常城市群生態(tài)質(zhì)量變化情況。通過相關(guān)學(xué)者的研究, 我們可知夜間燈光數(shù)據(jù)可以表示城市化水平, 則遙感生態(tài)指數(shù)可以表現(xiàn)生態(tài)環(huán)境狀況。因此, 本論文以夜間燈光數(shù)據(jù)和遙感影像數(shù)據(jù)為基礎(chǔ), 采用耦合協(xié)調(diào)模型, 研究城市化與生態(tài)環(huán)境之間的協(xié)調(diào)發(fā)展?fàn)顩r。

馬鞍山市是以“鋼鐵城市”著稱, 安徽省經(jīng)濟(jì)相對發(fā)達(dá)的城市之一。它是以重工業(yè)為經(jīng)濟(jì)基礎(chǔ), 城市經(jīng)濟(jì)實(shí)力相對較強(qiáng)。但隨著馬鞍山市城市化水平的提高, 生態(tài)環(huán)境面臨著巨大的壓力。如何協(xié)調(diào)馬鞍山市城市化與生態(tài)環(huán)境之間的關(guān)系成為至關(guān)重要的問題。為實(shí)現(xiàn)馬鞍山市城市化與生態(tài)環(huán)境的可持續(xù)發(fā)展, 本文基于夜間燈光數(shù)據(jù)(DMSP/OLS)與遙感影像數(shù)據(jù), 建立夜間燈光指數(shù)與新型遙感生態(tài)指數(shù), 并利用耦合協(xié)調(diào)模型, 研究馬鞍山市的城市化與生態(tài)環(huán)境的耦合協(xié)調(diào)關(guān)系。這為馬鞍山市的綠色發(fā)展與生態(tài)文明建設(shè)提供了參考, 同時(shí)也為研究城市化與生態(tài)環(huán)境之間的耦合協(xié)調(diào)發(fā)展水平, 提供了一種嶄新的視角。

1 研究區(qū)概況

馬鞍山市位于安徽省東部且長江下游南岸。馬鞍山市轄3區(qū)3縣, 區(qū)與縣又下轄12個(gè)街道、36個(gè)鄉(xiāng)鎮(zhèn)(圖1), 北側(cè)與江蘇省江寧縣靠近, 東面與江蘇省高淳縣接壤, 南面與蕪湖市毗鄰, 西臨巢湖市。它的地理位置優(yōu)越, 長江水路東距上海440 km, 西達(dá)武漢685 km, 陸路北離南京市區(qū)45 km, 南距蕪湖市區(qū)50 km。馬鞍山市地勢總體較平坦, 以丘陵與平原為主。它屬亞熱帶濕潤季風(fēng)氣候, 四季分明, 年平均氣溫15.7℃, 市區(qū)年降水量1060 mm左右。此外, 馬鞍山市境內(nèi)河道縱橫, 湖塘密布, 水域總面積約360 km2。

馬鞍山市是國家重要的鋼鐵工業(yè)基地, 工業(yè)經(jīng)濟(jì)相對發(fā)達(dá), 在安徽省經(jīng)濟(jì)格局占有十分重要的地位。同時(shí)馬鞍山市是區(qū)域中心城市, 既是合肥都市圈和南京都市圈中重要的城市, 也是皖江城市帶承接產(chǎn)業(yè)轉(zhuǎn)移示范區(qū)門戶城市和長江三角洲經(jīng)濟(jì)區(qū)的東部門戶。馬鞍山市擁有的經(jīng)濟(jì)和區(qū)位優(yōu)勢使它利于接受長江三角洲城市群、南京都市圈及合肥都市圈的經(jīng)濟(jì)輻射。截止2014年底, 馬鞍山市行政區(qū)域土地面積733 km2, 其中建成區(qū)面積為92.34 km2。全市實(shí)現(xiàn)地區(qū)生產(chǎn)總值1333.12億元, 人均GDP為60091元, 社會(huì)消費(fèi)品零售總額228.15億元, 城鎮(zhèn)居民人均可支配收入32565元, 農(nóng)民居民人均純收入14969元。

注: 1. 江邊街道2. 金家莊街道3. 慈湖街道4.塘西街道5. 平湖街道6. 沙塘路街道7. 雨山街道8. 湖東街道9. 采石街道10. 安民街道11. 桃源路街道12. 解放路街道13. 佳山鄉(xiāng)14. 慈湖鄉(xiāng)

Figure 1 The administrative division of Maanshan City

2 數(shù)據(jù)來源與研究方法

2.1 數(shù)據(jù)來源

研究數(shù)據(jù)來源主要包括兩個(gè)方面: ①DMSP/ OLS穩(wěn)定夜間燈光數(shù)據(jù)。它來源于美國國家地球物理數(shù)據(jù)中心(http://www．ngdc.noaa.gov)。本文研究所用的夜間燈光數(shù)據(jù)為F101993、F142003、F182013。由于DMSP/OLS穩(wěn)定夜間燈光數(shù)據(jù)沒有進(jìn)行輻射定標(biāo), 存在同一傳感器獲取的不同年份數(shù)據(jù)存在異常、不同傳感器獲取相同年份數(shù)據(jù)不一致等問題, 使數(shù)據(jù)不具有連續(xù)性與可比性, 所以需要對獲得的夜間燈光數(shù)據(jù)進(jìn)行相互校正。本文參考Elvidge、張夢琪、曹子陽等人的研究方法[13–15], 對夜間燈光數(shù)據(jù)F101993、F142003、F182013進(jìn)行相互校正, 消除了各種因素對夜間燈光數(shù)據(jù)的影響, 從而使不同數(shù)據(jù)之間具有可比性(相互校正后的圖像如圖2)。相互校正的公式為一元二次回歸方程:

式中DN、DNcorrect分別為校正前、后像元的灰度值; a、b、c為回歸參數(shù)。

②遙感影像圖來源于地理空間數(shù)據(jù)云(http:// www.g scloud.cn/)。本文研究采用的遙感影像由衛(wèi)星landsat 5與landsat 8產(chǎn)生, 選取的影像時(shí)間分別為1993年11月24日(landsat 5 TM)、2003年11月4日(landsat 5 TM)、2013年12月1日(landsat 8 OLI)。在利用遙感影像數(shù)據(jù)之前, 需要對遙感數(shù)據(jù)進(jìn)行預(yù)處理。首先, 進(jìn)行輻射校正。輻射校正分為輻射定標(biāo)和大氣校正, 在envi5.1中分別利用Radiometric Correction工具和FLAASH Atmospheric Correction工具進(jìn)行輻射定標(biāo)和大氣校正, 其中對于熱紅外波段采用Gain和Bias參數(shù)手動(dòng)定標(biāo), 進(jìn)而消除大氣、光照等因素的影響。其次, 進(jìn)行幾何校正。不同時(shí)間段的Landsat影像之間采用二次多項(xiàng)式和最鄰近采樣法進(jìn)行幾何配準(zhǔn), 配準(zhǔn)的均方根誤差RMSE< 0.5[16], 以提高遙感影像的準(zhǔn)確性與可比性。最后, 利用馬鞍山市行政圖對遙感影像圖進(jìn)行裁剪, 得到馬鞍山市遙感影像圖, 同時(shí)需對馬鞍山市遙感影像數(shù)據(jù)進(jìn)行水體掩膜[17], 使水體不參與各種運(yùn)算。馬鞍山市河渠與湖塘較多, 需避免水體對綠度、濕度、熱度及干度四個(gè)指標(biāo)尤其濕度指標(biāo)的影響。

圖2 1993、2003和2013年馬鞍山市DMSP/OLS夜間燈光數(shù)據(jù)

Figure 2 DMSP/OLS night light data in Maanshan City from 1993 to 2013

2.2 研究方法

2.2.1 夜間燈光指數(shù)(NLI)

北京師范大學(xué)陳晉教授以DMSP/OLS非輻射定標(biāo)夜間燈光平均強(qiáng)度數(shù)據(jù)為基礎(chǔ)構(gòu)建了一個(gè)反映區(qū)域城市化水平的燈光指數(shù)[18]。陳晉教授利用區(qū)域平均燈光強(qiáng)度指標(biāo)和區(qū)域有效燈光面積指標(biāo)構(gòu)建了夜間燈光指數(shù)。由于馬鞍山市1993、2003和2013年的燈光數(shù)據(jù)的灰度值都大于或者等于1, 各區(qū)域均為有效燈光區(qū)域, 所以本文結(jié)合馬鞍山市的實(shí)際狀況, 只選用區(qū)域平均燈光強(qiáng)度指標(biāo)作為夜間燈光指數(shù)(NLI)來反映城市化水平。其公式為:

2.2.2 生態(tài)環(huán)境指數(shù)(RSEI)

本文采用徐涵秋提出的新型遙感生態(tài)指數(shù)(RSEI)來評價(jià)生態(tài)環(huán)境質(zhì)量[19], RSEI選取的四個(gè)指標(biāo)分別為綠度、濕度、熱度和干度, 分別代表著植被指數(shù)、濕度指數(shù)、地表溫度和干度指數(shù)。RSEI公式為:

式中, NDVI代表植被指數(shù), WET代表濕度指數(shù)LST代表熱度指數(shù), NDBSI代表干度指數(shù)。四個(gè)指標(biāo)計(jì)算之后, 單位與數(shù)值范圍均不一樣, 必須將各指標(biāo)進(jìn)行標(biāo)準(zhǔn)化處理, 將數(shù)值范圍統(tǒng)一到[0,1]之間, 使各指標(biāo)之間具有一定的可比性。各指標(biāo)標(biāo)準(zhǔn)化公式為:

式中NIi為各指標(biāo)歸一化后的值, Ii為該指標(biāo)在象元i的值, Imin為各指標(biāo)的最小值, Imax為各指標(biāo)的最大值。四個(gè)指標(biāo)經(jīng)過標(biāo)準(zhǔn)化處理后, 將歸一化后的指標(biāo)組合成一幅新的影像, 并對其進(jìn)行主成分分析處理, 選擇輸出第一主成分結(jié)果, 對PC1進(jìn)行歸一化處理, 生成遙感生態(tài)指數(shù)(RSEI), 其公式為:

2.2.3 耦合協(xié)調(diào)模型

耦合來源于物理學(xué), 其涵義是兩個(gè)或者兩個(gè)以上體系或運(yùn)動(dòng)形式相互作用而又相互影響的過程[20]。目前許多學(xué)者利用耦合度模型以研究經(jīng)濟(jì)發(fā)展水平、生態(tài)環(huán)境建設(shè)等方面的內(nèi)容, 豐富了此方面內(nèi)容的理論體系。它是剖析系統(tǒng)相互作用程度、運(yùn)行機(jī)制、可持續(xù)發(fā)展的重要前提和基礎(chǔ)。本文借鑒物理學(xué)中容量耦合系數(shù)模型, 引入城市化與生態(tài)環(huán)境兩個(gè)系統(tǒng)相互作用的耦合度函數(shù)[21–22], 其公式如下:

公式(6)、(7)、(8)中: f(U)是城市化水平的綜合指數(shù)(NLI), g(E)是生態(tài)環(huán)境系統(tǒng)綜合指數(shù)(RSEI), C值耦合度, D值是耦合協(xié)調(diào)度; T值是城市化與生態(tài)環(huán)境綜合調(diào)和指數(shù), α與β分別為城市化與生態(tài)環(huán)境在綜合調(diào)和指數(shù)中所占比重, 本文認(rèn)為經(jīng)濟(jì)發(fā)展和生態(tài)環(huán)境同等重要, 取α=β=0.5。結(jié)合馬鞍山市實(shí)際情況, 借鑒物理學(xué)關(guān)于協(xié)調(diào)類型的劃分及前人研究的成果, 本文將城市化與生態(tài)環(huán)境的耦合協(xié)調(diào)度劃分為四種類型[24–26](表1)。

2.2.4 趨勢面分析

趨勢面分析是指利用空間數(shù)據(jù)擬合出一個(gè)數(shù)學(xué)曲面, 以表示離散的地理系統(tǒng)要素在空間上的分布及變化趨勢。本文以1993年、2003年、2013年3個(gè)時(shí)間節(jié)點(diǎn)的耦合協(xié)調(diào)度為數(shù)據(jù), 運(yùn)用趨勢面法分析馬鞍山市街道及鄉(xiāng)鎮(zhèn)城市化與生態(tài)環(huán)境耦合協(xié)調(diào)度的總體分異趨勢。設(shè)Zi(xi,yi)為i個(gè)街道及鄉(xiāng)鎮(zhèn)的位置, (xi,yi)為平面空間坐標(biāo), X軸代表東西方向, Y軸代表南北方向。

表1 耦合協(xié)調(diào)度類型劃分標(biāo)準(zhǔn)

3 結(jié)果分析

3.1 城市化發(fā)展特征分析

依據(jù)陳晉教授提出的夜間燈光指數(shù)公式, 得到了馬鞍山市各個(gè)街道及鄉(xiāng)鎮(zhèn)的夜間燈光指數(shù)。從總體上看(表2), 1993—2013年馬鞍山市城市化水平提高, 平均夜間燈光指數(shù)由1993年的0.203上升至2013年的0.392, 并且2003—2013年的城市化進(jìn)程速度高于1993—2003年; 通過各年份馬鞍山市的夜間燈光指數(shù)最值, 可以發(fā)現(xiàn)馬鞍山夜間燈光指數(shù)最大值與最小值相差較大, 這說明馬鞍山市各街道及鄉(xiāng)鎮(zhèn)的城市化水平與經(jīng)濟(jì)發(fā)展水平差距大, 各個(gè)地區(qū)的城市化與經(jīng)濟(jì)水平發(fā)展不平衡。從空間結(jié)構(gòu)上看(圖3), 1993年馬鞍山市城市化水平較低, 燈光指數(shù)在0.7以上, 大部分聚集在花山區(qū)的一些街道(金家莊街道、塘西街道等), 其他縣區(qū)街道及鄉(xiāng)鎮(zhèn)的燈光指數(shù)較低; 2013年馬鞍山城市化水平有一定的提高, 燈光指數(shù)達(dá)到0.9以上, 主要集中在花山區(qū)和雨山區(qū)的街道(慈湖街道、安民街道等), 主要是因?yàn)檫@些地區(qū)是馬鞍山市區(qū)即西部沿江經(jīng)濟(jì)區(qū)的一部分, 產(chǎn)業(yè)高度聚集, 生產(chǎn)力水平較高, 經(jīng)濟(jì)發(fā)展較快。但大部分地區(qū)的燈光指數(shù)仍然較低。這20年之間, 馬鞍山市雖然城市化水平有所提高且主要向東南方向發(fā)展, 但有些區(qū)縣的街道及鄉(xiāng)鎮(zhèn)城市化水平提高的速度較慢且各個(gè)區(qū)縣的街道及鄉(xiāng)鎮(zhèn)存在很大差距。

3.2 生態(tài)環(huán)境質(zhì)量變化態(tài)勢分析

主成分分析通過對特征光譜空間坐標(biāo)軸的旋轉(zhuǎn), 以消除各指標(biāo)間的相關(guān)性, 將最重要的信息集中在第一主成分和第二主成分[27]。對各指標(biāo)歸一化后合成的遙感影像圖進(jìn)行主成分分析, 可得到各年份每個(gè)指標(biāo)的貢獻(xiàn)率及特征值。由表3可知, 1993年、2003年、2013年第一主成分特征值貢獻(xiàn)率分別為95.96、92.20、97.67, 貢獻(xiàn)率均大于90%, 這表明第一主成分已集中了4個(gè)指標(biāo)的絕大部分信息; NDVI和Wet均為正值, 對馬鞍山市的生態(tài)環(huán)境起促進(jìn)作用, NDSI和LST均為負(fù)值, 對馬鞍山市的生態(tài)環(huán)境起負(fù)面作用, 這與實(shí)際情況相符; 這四個(gè)指標(biāo)在其他主成分中忽正忽負(fù), 不具有穩(wěn)定性, 而4個(gè)指標(biāo)對PC1的貢獻(xiàn)度相對穩(wěn)定, 因而選擇PC1來代替4個(gè)指標(biāo)創(chuàng)建遙感生態(tài)指數(shù)(RSEI)。

表2 1993、2003和2013年馬鞍山市夜間燈光指數(shù)

圖3 1993、2003和2013年馬鞍山市夜間燈光指數(shù)空間分布

Figure 3 Spatial distribution of night light indexin Maanshan City from 1993 to 2013

表3 主成分分析結(jié)果

從整體上看(表4), 1993—2013年馬鞍山市生態(tài)環(huán)境質(zhì)量狀況發(fā)生了變化。1993—2003年馬鞍山市RSEI由0.333上升到0.369, 而2003—2013年馬鞍山市RSEI又下降到0.351, 生態(tài)環(huán)境受到一定的損害。由于馬鞍山市是資源型工業(yè)城市, 資源的掠奪式開發(fā)及重工業(yè)的發(fā)展, 對生態(tài)環(huán)境造成影響; 而政府為了改善當(dāng)?shù)氐纳鷳B(tài)環(huán)境, 采取了一些措施, 使生態(tài)環(huán)境的指標(biāo)在一定程度上有所改善; 但隨著工業(yè)化的推進(jìn)和城市化水平的提高, 生態(tài)環(huán)境還是不可避免的受到影響。此外, 1993年綠度均值為0.132, 到2003年升到0.340,再到2013年的0.201; 1993年濕度均值為0.038, 到2013上升年到0.059, 2013年下降到0.014; 1993-2013年, 1993年熱度與干度為20.834、0.105, 2013年上升到23.256、0.172。這是因?yàn)楣I(yè)化和城市化建設(shè)過程中, 農(nóng)用地、林地及未利用地被開發(fā)及城市基礎(chǔ)設(shè)施不斷完善, 導(dǎo)致植被的破壞和地表的不斷干化。

從空間分布來看(圖4), 1993—2013年生態(tài)環(huán)境較差的地區(qū)主要集中在花山區(qū)和雨山區(qū), 主要是因?yàn)樵摰貐^(qū)城市化水平相對較高, 建筑物密集, 人們活動(dòng)強(qiáng)度大; 生態(tài)環(huán)境較好的地區(qū)主要集中在西部地區(qū)含山縣的清溪鎮(zhèn)、仙蹤鎮(zhèn)、昭關(guān)鎮(zhèn)等地方, 因?yàn)樵摰貐^(qū)是丘陵地區(qū), 城市建設(shè)活動(dòng)少且開發(fā)力小。但隨著經(jīng)濟(jì)的發(fā)展, 城市開發(fā)建設(shè)力度的加大, 生態(tài)環(huán)境質(zhì)量較好的地區(qū)緊縮。

表4 各年份4個(gè)指標(biāo)和遙感生態(tài)指數(shù)RSEI的統(tǒng)計(jì)值

圖4 1993、2003和2013年馬鞍山市遙感生態(tài)指數(shù)RSEI

Figure 4 Spatial distribution of remote sensing ecological index (RSEI) in Maanshan City from 1993 to 2013

3.3 耦合度和耦合協(xié)調(diào)度特征分析

從整體上看(圖5), 1993—2013年馬鞍山市各區(qū)縣的街道及鄉(xiāng)鎮(zhèn)城市化與生態(tài)環(huán)境耦合協(xié)調(diào)發(fā)展水平提高, 耦合協(xié)調(diào)度呈平穩(wěn)上升趨勢。1993年耦合協(xié)調(diào)度均值為0.369, 2003年為0.432, 到2013年耦合協(xié)調(diào)度均值上升至0.465。當(dāng)涂縣的塘南鎮(zhèn)與護(hù)河鎮(zhèn)在2003年的協(xié)調(diào)度略有下降, 且雨山區(qū)的平湖街道及雨山街道和花山區(qū)的金家莊街道、江邊街道、湖東路街道及沙塘路街道在2013年略有下降。除了這些地區(qū), 其他縣區(qū)街道及鄉(xiāng)鎮(zhèn)的協(xié)調(diào)度均保持上升趨勢。此外, 由1993、2003和2013年耦合協(xié)調(diào)度趨勢面分析(圖6)可以看出, 在馬鞍山市東西和南北方向, 耦合協(xié)調(diào)度空間變化趨勢都呈倒U型, 且倒U型的頂點(diǎn)越來越高。這說明馬鞍山市城市化與生態(tài)環(huán)境系統(tǒng)內(nèi)部互動(dòng)強(qiáng)度中部與東西部存在差距, 中部高于東西部; 北部耦合協(xié)調(diào)度高于南部, 中部耦合協(xié)調(diào)度高于南部與北部。

圖5 馬鞍山市街道及鄉(xiāng)鎮(zhèn)耦合協(xié)調(diào)度

Figure 5 Coupling coordination degree of townships and streets in Maanshan City

圖6 馬鞍山市街道及鄉(xiāng)鎮(zhèn)耦合協(xié)調(diào)度趨勢圖

Figure 6 The variation trend of coupling coordination degree of townships and streets in Maanshan City

從耦合度上看(圖7), 馬鞍山市城市化與生態(tài)環(huán)境耦合度均值從1993年的0.32上升到2013年的0.41, 城市化與生態(tài)環(huán)境發(fā)展關(guān)系處于拮抗階段。1993年耦合度值最大的地區(qū)分別是雨山區(qū)的平湖街道及雨山街道和花山區(qū)的慈湖街道、金家莊街道、塘西街道、江邊街道、湖東路街道、沙塘路街道及桃源路街道, 耦合度值為0.50, 這些地區(qū)城市化與生態(tài)環(huán)境系統(tǒng)處于拮抗時(shí)期, 城市化發(fā)展快, 生態(tài)環(huán)境承載能力下降; 耦合度值最小的地區(qū)是和縣的善厚鎮(zhèn), 耦合度值為0.15, 該地域城市化與生態(tài)環(huán)境系統(tǒng)處于低水平耦合階段, 城市化水平較低, 城市化對生態(tài)環(huán)境的影響不明顯。經(jīng)過20年的發(fā)展, 到2013年, 各區(qū)縣的街道及鄉(xiāng)鎮(zhèn)的城市化水平提高, 且大部分街道及鄉(xiāng)鎮(zhèn)的生態(tài)環(huán)境質(zhì)量相對于2003年略微下降, 總體上馬鞍山市耦合度均值提高, 但仍處于拮抗時(shí)期。同時(shí)耦合度最值區(qū)域發(fā)生了變化, 最大值的地區(qū)為雨山區(qū)的安民街道、銀塘鎮(zhèn)、采石街道及佳山鄉(xiāng)和花山區(qū)的解放路街道, 耦合度值為0.50, 處于拮抗時(shí)期; 最小值為和縣的善厚鎮(zhèn)及功橋鎮(zhèn)和含山縣的仙蹤鎮(zhèn)及昭關(guān)鎮(zhèn), 耦合度值為0.28, 處于低水平耦合時(shí)期。

從耦合協(xié)調(diào)度(圖5)及其類型來看, 總體上1993—2013年馬鞍山市各區(qū)縣的街道及鄉(xiāng)鎮(zhèn)城市化與生態(tài)環(huán)境耦合協(xié)調(diào)度均值由0.37上升到0.47, 呈現(xiàn)上升趨勢, 由低度協(xié)調(diào)階段轉(zhuǎn)向中度協(xié)調(diào)階段[28]。從空間分布上看(圖8), 馬鞍山市城市化與生態(tài)環(huán)境耦合協(xié)調(diào)類型和耦合協(xié)調(diào)的程度存在地區(qū)差異, 但耦合協(xié)調(diào)度的空間差異逐漸縮小。1993年處于高度協(xié)調(diào)時(shí)期的街道及鄉(xiāng)鎮(zhèn)有10個(gè), 分別是雨山區(qū)的平湖街道、安民街道及雨山街道和花山區(qū)的慈湖街道、金家莊街道、塘西街道、江邊街道、湖東路街道、沙塘路街道及桃源路街道, 因?yàn)樵搮^(qū)域的經(jīng)濟(jì)發(fā)展相對其他地區(qū)較快, 且城市化與生態(tài)環(huán)境建設(shè)之間的關(guān)系相對較和諧; 處于中度協(xié)調(diào)時(shí)期的鄉(xiāng)鎮(zhèn)及街道有3個(gè), 分別為花山區(qū)的慈湖鄉(xiāng)和雨山區(qū)的向山鎮(zhèn)及佳山鄉(xiāng), 大部分縣區(qū)的鄉(xiāng)鎮(zhèn)及街道處于低度協(xié)調(diào)時(shí)期。2003年, 增加了4個(gè)處于高度協(xié)調(diào)時(shí)期的鄉(xiāng)鎮(zhèn)及街道, 分別為花山區(qū)的慈湖鄉(xiāng)及解放路街道和雨山區(qū)的采石街道及佳山鄉(xiāng); 處于中度協(xié)調(diào)時(shí)期有5個(gè)鄉(xiāng)鎮(zhèn), 分別為雨山區(qū)的銀塘鎮(zhèn)及向山鎮(zhèn)、當(dāng)涂縣的太白鎮(zhèn)及姑孰鎮(zhèn)和花山區(qū)的霍里鎮(zhèn), 大部分地區(qū)仍處于低度協(xié)調(diào)時(shí)期。2013年, 馬鞍山市大部分各區(qū)縣的鄉(xiāng)鎮(zhèn)及街道則都處于中度協(xié)調(diào)和高度協(xié)調(diào)。此外, 各個(gè)區(qū)縣的鄉(xiāng)鎮(zhèn)及街道城市化提高, 并且生態(tài)環(huán)境發(fā)生了一定的變化, 與2003年相比, 除塘西街道、丹陽鎮(zhèn)、太白鎮(zhèn)、運(yùn)漕鎮(zhèn)生態(tài)環(huán)境有所改善, 其他鄉(xiāng)鎮(zhèn)及街道生態(tài)環(huán)境質(zhì)量均不同程度有所下降。

圖7 馬鞍山市街道及鄉(xiāng)鎮(zhèn)耦合度

Figure 7 Coupling coordination degree of townships and streets in Maanshan City

圖8 馬鞍山市街道及鄉(xiāng)鎮(zhèn)耦合協(xié)調(diào)度空間分布

Figure 8 Spatial distribution coupling coordination degree of townships and streets in Maanshan City

4 結(jié)論與討論

以DMSP/OLS夜間燈光數(shù)據(jù)和Landsat遙感數(shù)據(jù)為基礎(chǔ), 本論文利用夜間燈光指數(shù)(NLI)和遙感生態(tài)指數(shù)(RSEI)分別代表城市化水平的綜合指數(shù)和生態(tài)環(huán)境系統(tǒng)綜合指數(shù), 同時(shí)引入耦合協(xié)調(diào)度模型, 得出以下結(jié)論:

(1)1993—2013年, 馬鞍山市總體城市化水平提高, 平均夜間燈光指數(shù)由1993年的0.203上升到2013年的0.392, 但有些區(qū)縣的街道及鄉(xiāng)鎮(zhèn)城市化水平提高的速度緩慢且各個(gè)區(qū)縣的街道及鄉(xiāng)鎮(zhèn)城市化水平存在一定的差距, 地區(qū)差異較大。

(2)1993—2013年, 馬鞍山市生態(tài)環(huán)境質(zhì)量呈現(xiàn)先上升后下降的趨勢, 1993年馬鞍山市RESI為0.333, 2003年上升到0.369, 到2013年RESI又下降到0.351, 城市化進(jìn)程對生態(tài)環(huán)境造成一定的影響。

(3)1993—2013年, 馬鞍山市各區(qū)縣的街道及鄉(xiāng)鎮(zhèn)城市化與生態(tài)環(huán)境耦合協(xié)調(diào)發(fā)展?fàn)顩r得到改善, 由低度協(xié)調(diào)轉(zhuǎn)向中度協(xié)調(diào)階段; 在馬鞍山市東西和南北方向, 耦合協(xié)調(diào)度空間變化趨勢都呈倒U型, 且倒U型的頂點(diǎn)越來越高。耦合度均值和耦合協(xié)調(diào)度均值保持穩(wěn)定上升趨勢, 耦合度均值由1993年的0.322上升到2013年的0.411, 耦合協(xié)調(diào)度均值由1993年的0.369上升到2013年的0.465, 但空間分布上馬鞍山市城市化與生態(tài)環(huán)境耦合度和耦合協(xié)調(diào)度存在地區(qū)差異。

為了使馬鞍山市向高度協(xié)調(diào)階段和極度協(xié)調(diào)階段邁進(jìn), 政府需加大科技投入, 發(fā)展高新技術(shù)產(chǎn)業(yè)和服務(wù)業(yè), 優(yōu)化當(dāng)?shù)禺a(chǎn)業(yè)結(jié)構(gòu), 積極促進(jìn)工業(yè)城市的轉(zhuǎn)型, 以促進(jìn)經(jīng)濟(jì)的高質(zhì)量發(fā)展和保護(hù)生態(tài)環(huán)境。同時(shí)為了建設(shè)生態(tài)文明, 政府一方面需合理規(guī)劃城市的發(fā)展, 另一方面可以提高生態(tài)環(huán)境承載力, 實(shí)現(xiàn)馬鞍山市的城市化與生態(tài)環(huán)境的可持續(xù)發(fā)展。

對城市化與生態(tài)環(huán)境耦合協(xié)調(diào)發(fā)展?fàn)顩r進(jìn)行研究分析, 許多學(xué)者一般利用社會(huì)經(jīng)濟(jì)統(tǒng)計(jì)數(shù)據(jù)構(gòu)建指標(biāo)體系來代表城市化水平與生態(tài)環(huán)境狀況。但社會(huì)經(jīng)濟(jì)統(tǒng)計(jì)數(shù)據(jù)存在統(tǒng)計(jì)口徑不一致、數(shù)據(jù)獲取的滯后性等問題, 進(jìn)而影響指標(biāo)體系的對比性與可靠性。本論文通過構(gòu)建夜間燈光指數(shù)與遙感生態(tài)指數(shù)研究研究城市化和生態(tài)環(huán)境的耦合協(xié)調(diào)發(fā)展水平, 在一定程度上可以避免社會(huì)經(jīng)濟(jì)統(tǒng)計(jì)數(shù)據(jù)帶來的弊端。但在利用DMSP/OLS夜間燈光數(shù)據(jù)和Landsat遙感數(shù)據(jù)時(shí)需要進(jìn)行多方面的校正, 以保證遙感影像數(shù)據(jù)的可靠性, 使研究結(jié)果具有一定的科學(xué)性。

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Research on the coupling coordination development of urbanization and ecological environment in Maanshan City

TAO Changjiao, XIA Antao*, LI Dapeng

College of Resources and Environmental Science, Hunan Normal University, Changsha 410081, China

With the rapid development of urbanization, ecological environment is facing theformidable challenge day by day, so it is particularly important to study the coupling coordination development of urbanization and ecological environment. Taking the townships and streets of Ma anshan City as research objects, we used DMSP/OLS night light data and Landsat remote sensing image data to construct night light index and remote sensing ecological index and introduce the coupling coordination model, so as to explore the coupling coordination relationship of urbanization and ecological environment in Maanshan City from 1993 to 2013.The results are as follows.(1)From 1993 to 2013,the urbanizationof Maanshan City was increased,but there were regionaldifferences. The higher urbanization was mainly concentrated in Yushan region and Huashan region. (2)From 1993 to 2013,the ecological environment quality of Maanshan City increased first and then declined.Thezoneswith better ecological environment were mainly distributed in Qingxi town,Xianzhuo town and Zhaoguan town of Hanshan county in the western hilly region. (3)From 1993 to 2013,the coupling coordination development level of urbanization andecological environment was improved in Maanshan City and the coupling degree and the coupling coordination degree was increased continuously,which was from low coordination stage to moderate coordination stage.In the east-west direction and the north-south direction of Maanshan City,the spatial evolution trend of the coupling coordination degree showed an inverted U shape. This research can provide a scientific reference for development of city and protection of ecological environment in Maanshan city.

nighttime light index(NLI);remote sensing ecological index(RSEI);coupling coordination model;analysis of trend surface;urbanization and ecological environment;Maanshan City

陶長交, 夏安桃, 李大鵬. 馬鞍山市城市化與生態(tài)環(huán)境耦合協(xié)調(diào)發(fā)展研究[J]. 生態(tài)科學(xué), 2021, 40(1): 129–138.

TAO Changjiao, XIA Antao, LI Dapeng. Research on the coupling coordination development of urbanization and ecological environment in Maanshan City[J]. Ecological Science, 2021, 40(1): 129–138.

10.14108/j.cnki.1008-8873.2021.01.017

F291.1

A

1008-8873(2021)01-129-10

2020-03-13;

2020-04-06

湖南省教育廳創(chuàng)新平臺資助項(xiàng)目(15K081)

陶長交(1993—), 女, 安徽阜陽人, 碩士, 從事城鄉(xiāng)規(guī)劃與城市地理研究, E-mail:tcj1886048@sina.com

夏安桃, 女, 博士, 副教授, 主要從事城鄉(xiāng)規(guī)劃與城市地理研究, E-mail: xiaantao@163.com