淮河生态经济带城市生态韧性空间差异及动态演进

黄 杰,李永乐

(信阳师范大学 商学院, 河南 信阳 464000)

0 引言

淮河流域作为中国重要流域之一,生态环境面临水污染和耕地退化的双重压力,生态脆弱区面积不断扩大[1]。在新型城镇化加速推进的背景下,生态环境恶化与城市发展之间的矛盾日益突出,生态环境恶化制约了新型城镇化的发展,而快速的城镇化建设又对生态环境产生胁迫效应[2]。目前,已有众多学者对城市生态脆弱性进行了相关研究。通过对城市生态系统和社会经济系统的脆弱性评估,可以深入了解该区域不同方面的生态问题和挑战,并根据评估结果制定可行的政策和行动计划[3]。但是,生态脆弱性主要反映城市生态系统敏感状态和承受能力,但并不能代表生态系统适应调整能力和创新发展能力[4]。因此,在生态环境承载能力下降的压力下,城市生态保护和治理的核心任务由减轻脆弱性向增强韧性转变,提高城市韧性成为城市可持续发展的重要内容和未来发展方向[5]。《中共中央关于制定国民经济和社会发展第十四个五年规划和二O三五年远景目标的建议》中的优化国土空间布局,推进区域协调发展和新型城镇化中首次提出建设“韧性城市”。为提高城市整体生态环境,需要让城市更具有“韧性”。而生态韧性则是城市韧性的重要组成部分。提升城市生态韧性,有助于降低极端天气及自然灾害等不确定因素对城市可持续发展造成的负面影响,保障资源可持续利用、维持生态平衡,这是新时代中国绿色经济发展的必然要求。因此,探究城市生态韧性的提升,不仅是实现淮河流域生态环境质量提升的关键,也是推动流域实现高质量发展的重要抓手。

“韧性(resilience)”一词最早应用于工程力学领域,表示在外力作用下物体失去形状或受到破坏之后,恢复原来形状或状态的能力。生态学家HOLLING[6]在1973年首次提出了“生态韧性”的概念,认为生态系统具有自我修复能力,能够在干扰因素作用下保持稳定状态。和其他领域相似,韧性理论应用于城市系统,出现了韧性城市或城市韧性的基本概念[7]。虽然学术界尚未形成对城市韧性的统一定义,但大致认为它的内涵包括了城市生态韧性、社会韧性、经济韧性、制度韧性和基础设施韧性等多个方面,且城市的可持续性与城市韧性密切关系,城市韧性是城市面对外界压力和挑战时保持可持续发展的能力[8]。城市生态韧性是指城市生态系统在满足人民需要的前提下,面对外部或内部压力时,能够快速调整、适应并恢复生态系统稳定性的能力[9]。

早期的城市生态韧性理论主要关注城市生态系统的适应能力。当时许多研究都是从城市环境污染、城市热岛效应等方面入手,探讨城市生态系统适应外部压力的能力[10]。随着时间的推移和研究的不断深入,城市生态韧性的研究开始从单一的生态系统适应能力扩展到包括城市社会、经济和文化系统[9]。现有文献中,大多学者多是针对长三角地区城市生态韧性[11]、黄河流域城市生态韧性[12]、淮河生态经济带经济高质量发展[13]、淮河生态经济带绿色发展水平[14]和淮河生态经济带农业面源污染[15]方面的研究。既有研究在城市生态韧性和淮河生态经济带绿色、农业方面奠定了良好的基础,但在研究方法、研究对象和研究内容上还有待进一步探索。

鉴于此,本文运用全局熵值法,在考虑多项指标的情况下对淮河生态经济带的城市生态韧性进行评估,并利用Dagum基尼系数、Kernel估计和Markov链方法,针对不同区域进行了分析,这有助于深入了解各个区域的特点和差异,为制定区域发展战略提供了科学的依据。与已有研究相比,本文可能的边际贡献在于:第一,以2018年《淮河生态经济带发展规划》中发布的淮河生态经济带25个地级市为研究对象,全面细致地考察淮河生态经济带生态韧性的空间差异及动态演进;第二,借助Dagum基尼系数、Kernel估计和Markov链等方法,多角度、多方位揭示淮河生态经济带生态韧性的空间差异及其动态演进特征。

1 研究框架、指标体系与研究方法

1.1 指标体系构建、数据来源与研究对象

1.1.1 指标体系构建

从“抵抗-适应-恢复”3个维度构建城市生态韧性指标体系(表1),对淮河生态经济带城市生态韧性进行客观考察。指标构建如下:①抵抗维度:表现为生态系统对外来干扰或压力的承受能力,选取国内生产总值(GDP)、单位GDP工业废水排放量、单位GDP工业二氧化硫排放量、可吸入细颗粒物年平均浓度和城市建设用地面积等指标;②适应维度:城市生态系统有社会属性,强调社会能够应对干扰并采取措施,选取生活垃圾无害化处理率、生活垃圾清理量、一般工业固体废料综合利用率、污水处理厂集中处理率等指标[16];③恢复能力:为实现可持续发展目标,在城市生态经历外来干扰后仍然能够快速恢复至干扰之前的水平,因此选取建成区绿化覆盖率、园林绿地面积、人均公园绿地面积、市辖区人口数量、每万人拥有公共汽(电)车运营数量[17]等指标测度恢复效果。

表1 城市生态韧性水平评价指标体系

1.1.2 数据来源与研究对象

数据主要来源于《中国城市统计年鉴》《中国统计年鉴》以及山东、河南、江苏各地级市统计年鉴(2005—2020年)。研究对象为淮河生态经济带25个城市,包括北部淮海经济区(下文简称经济区):徐州市、宿迁市、淮北市、宿州市、枣庄市、济宁市、临沂市、菏泽市、连云港市、商丘市;东部海江河湖联动区(下文简称联动区):淮安市、盐城市、扬州市、泰州市、滁州市;中西部内陆崛起区(下文简称崛起区):蚌埠市、淮南市、阜阳市、六安市、亳州市、平顶山市、漯河市、信阳市、周口市、驻马店市。

1.2 研究方法

1.2.1 全局熵值法

计算第j个指标下第i个地区在该指标中所占的比重:

计算第j个指标的信息熵值:

1≤i≤nT,1≤j≤p。

计算第j个指标的变异系数:gj=1-ej,

1.2.2 Dagum基尼系数及其分解方法

采用Dagum基尼系数[20]及其分解方法考察淮河生态经济带生态韧性的相对差异。基于子样本分解分析法,总体差异G来源可分解为区域内差异贡献Gw、区域间净值差异贡献Gnb和超变密度贡献Gt。

G=Gw+Gnb+Gt,

式中:djh表示区域j与区域h生态韧性之差,即j、h区域中所有yjh-yhr>0的样本之和的加权平均值;pjh表示j、h区域中所有yhr-yjh>0的样本之和的加权平均值;Fj(Fh)表示第j(h)个区域的累计密度分布函数。

1.2.3 Kernel估计方法

核密度估计表达形式为[21]:

1.2.4 Markov链分析方法

在Markov链分析中,使用概率矩阵来表示状态之间的转移概率,并使用状态分布向量来描述系统在不同时间点的状态分布。通过这些概率和向量,可以计算出系统在任何时间点的状态分布以及系统的稳定状态。建立一个1×k的矩阵Ft=[F1,t,F2,t,…,Fk,t]用来储存在t时期各区域城市生态韧性的状态概率,不同时期的区域城市生态韧性的转移可以用一个k×k矩阵M表示。根据每种类型数量划分相同的原则,将淮河生态经济带城市生态韧性值按四分位数划分为4种类型。构建转移概率矩阵的具体公式为:

P{Xt=j|Xt-1=it-1,Xt-2=it-2,…,X0=i0}=P{Xt=j|Xt-1=it-1}=Pij。

上式表明了随机变量X在t时期处于j状态的概率仅仅取决于X在t-1时期的状态。城市生态韧性从i种状态转移到j种状态,随机变量X的转移概率为:

式中:pij为转移概率,即某城市生态韧性水平从由时期t-1第i种状态转移到t时期第j状态的概率,nij表示样本考察期内城市生态韧性水平由t-1年第i种状态转移为t时期第j状态的城市数量之和,ni表示样本考察期内位于j状态的总次数。此时,所有的pij即可组成矩阵M,以此表达淮河生态经济带城市生态韧性的动态演进趋势。考虑到区域的空间性特征可能会造成影响,因此引入“空间滞后”概念作为条件,组成一个空间权重矩阵。空间权重矩阵表示城市a和城市b的空间关系,本文采用邻接原则定义空间关系,相邻地区值为 1,否则为 0。

2 数据分析

2.1 城市生态韧性的时序演化特征

运用全局熵值法对2005—2020年淮河生态经济带城市生态韧性进行测算,结果如图1所示。2005—2020年3个区域都呈现出上升趋势,在经济区中,临沂市的韧性值最高,宿州市最低,增速最快的是济宁市,城市生态韧性值从0.264到0.647,年均增长9.67%;在联动区中,扬州市的韧性值最高,滁州市最低,增速最快的是滁州市,城市生态韧性值从0.165到0.412,年均增长9.98%;在崛起区中,蚌埠市的韧性值最高,亳州市最低,增速最快的是驻马店市,城市生态韧性值从0.191到0.503,年均增长10.89%。淮河生态经济带平均城市生态韧性值从0.265到0.476,总体呈现上升趋势。其中,联动区和经济区的城市生态韧性高于崛起区,另外在考察期间早期联动区的生态韧性略低于经济区,但在末期两个地区的生态韧性相差不大。2005—2010年,淮河生态经济带城市生态韧性整体水平较低,2011—2015年期间,生态韧性值从0.332到0.379,增长了14.16%,上升较为平缓。该阶段处于“十二五”规划时期,淮河生态经济带城市正处于产业结构调整和生态文明建设的初级阶段,城市生态韧性提升缓慢且存在时间滞后性。在2015年之后有明显的上升趋势,生态韧性值增长到0.476,增长了25.59%。说明在“十三五”规划提出的“加快改善生态环境”指导下,淮河生态经济带城市生态文明建设取得卓越进步。

图1 2005—2020年淮河生态经济带城市生态韧性的变化趋势

2.2 城市生态韧性的空间差异及其来源分解

2.2.1 总体差异及其演变趋势

图2描绘了淮河生态经济带城市生态韧性的总体差异大小及演变趋势。从静态角度看,淮河生态经济带城市生态韧性的总体差异介于0.112到0.130之间,这说明城市生态韧性在时空上具有显著差异。从动态角度来看,城市生态韧性除2012年和2017年有明显上升趋势外,其他年份呈震荡下降趋势,其差异值从2005年的0.127到2020年的0.116,年均下降0.55%,这说明淮河生态经济带城市生态韧性的总体差异逐渐缩小。可能原因在于经济区本身的城市生态韧性较高,但其增长速度相对较慢,而在“十二五”和“十三五”规划国家政策的支撑下,城市生态韧性相对较低的联动区和崛起区的增长速度加快,促进整体总差异值的缩小。

图2 城市生态韧性的总体差异

2.2.2 区域内差异及其演变趋势

图3描述了淮河生态经济带城市生态韧性的区域内差异大小及其演变趋势。从静态角度看,经济区的城市生态韧性内部差异较高,差异均值为0.135,地区内部城市生态韧性不均衡现象明显;而联动区和崛起区的城市生态韧性内部差异相对较小,其差异均值分别为0.090和0.077。从动态角度看,经济区的城市生态韧性内部差异波动较小,联动区和崛起区的城市生态韧性内部差异震荡下降,呈现缩小趋势,其差异值降幅分别为52.23%和35.31%。综合以上分析可以看出,联动区和崛起区比经济区内城市生态韧性有缩小趋势,这有助于地区内城市生态韧性的协同发展。

图3 城市生态韧性的内部差异

2.2.3 区域间差异及其演变趋势

图4(1、2、3分别代表联动区、经济区、崛起区)描述了淮河生态经济带城市生态韧性的区域间差异大小及其演变趋势。从静态角度看,经济区和崛起区之间的城市生态韧性的差异最大,其均值为0.138;其次是联动区和经济区之间的城市生态韧性差异,其均值为0.124;而联动区和崛起区之间的城市生态韧性的差异最小,其均值为0.116。从动态角度看,三大地区间城市生态韧性差异总体上均呈下降趋势。

图4 城市生态韧性的区域间差异

2.2.4 城市生态韧性的空间差异来源及其贡献

图5展示了淮河生态经济带的城市生态韧性的空间差异及其贡献。城市的区域间差异是总体差异的最大贡献者,贡献率约为41.91%。区域内差异和超变密度对总体差异的年均贡献率分别为31.61%和26.47%,差异贡献相对较小。从动态角度看,城市的区域间差异对总体差异的贡献率呈现波动上升趋势,年均上升0.619%;城市的区域内差异对总体差异的贡献率在整个样本期内相对平稳;超变密度对总体差异的贡献率呈现波动下降的趋势,年均下降0.568%。虽然城市的区域间的差异与总差异的贡献率最大,但仍然有一定的上升趋势,由此可见,未来的发展要多注意城市的区域间的差异问题。

图5 城市生态韧性Dagum基尼系数及其分解

2.3 城市生态韧性的分布动态演进

2.3.1 城市生态韧性的Kernel估计

为进一步揭示淮河生态经济带城市生态韧性的动态演化特征,对2005—2020年的该经济带城市生态韧性进行核密度估计,探究时序演变趋势(图6)。

图6 淮河生态经济带总体及各区域城市生态韧性分布演进

(1)分布位置

从分布位置上看,淮河生态经济带总体和各区核密度曲线整体上呈现右移趋势,这说明淮河生态经济带总体和各区内部的城市生态韧性均在提升。具体来说,联动区和崛起区的核密度曲线在2010年之前有左移趋势,之后呈明显的右移趋势,这与生态环境部关于颁布并实施的《淮河、海河、辽河、巢湖、滇池、黄河中上游等重点流域水污染防治规划(2006—2010年)》取得显著效果有关;经济区城市的核密度曲线在样本期内中心右移幅度较小,城市生态韧性的提升速度相对较慢。

(2)分布形态

从分布形态看,淮河生态经济带总体城市生态韧性核密度曲线分布的主峰峰值呈现上升态势,宽度缩小,表明淮河生态经济带总体城市生态韧性的绝对差异不断缩小。内部城市生态韧性的绝对差异有略微不同。具体来说,经济区核密度曲线主峰高度呈现“上升—下降—上升”的演进趋势,说明该区的城市生态韧性绝对差异经历“缩小—扩大—缩小”的演变趋势;联动区核密度曲线主峰高度呈现“下降—上升”的演进趋势,说明该区的城市生态韧性绝对差异经历“扩大—缩小”的演变趋势;崛起区核密度曲线的主峰高度不断上升的趋势,表明该区城市生态韧性的绝对差异呈现不断缩小的走势。

(3)分布延展性

从分布延展性来看,淮河生态经济带整体和三大区域核密度曲线都呈现出不同程度的右拖尾,并且分布延展性呈现出扩大的趋势。这表明,各地区中不同城市的城市生态韧性的提高速度具有显著的不平衡性,城市生态韧性越高,其提高的速度就越快,而生态韧性比较差的城市则相对缓慢。

(4)极化特征

在极化特性上(表2),淮河生态经济带整体呈现出“多峰—双峰”的发展态势,说明淮河生态经济带的整体极化正在逐步减弱。在其内部,各大城市之间表现出不同程度的极化。具体来说,经济区也呈现“多峰—双峰”的演变趋势,城市之间极化现象减弱,各城市之间协同提升效果显著;联动区和崛起区呈现的是单峰状态,表明这两个区域无明显的极化特征,其内部城市之间协同效果显著。

表2 淮河生态经济带总体及各区域城市生态韧性分布动态的演变特征

2.3.2 城市生态韧性的Markov链分析

(1)传统Markov链分析

传统Markov链计算的转移概率矩阵见表3。由表3可以看出,各类型城市生态韧性向相同水平地区转移的概率大于向相邻高水平和低水平转移的概率。如在T=1时,城市生态韧性类型为低和中低区域的城市,其向低和中低同类型的地区转移概率为55.6%和46.7%,向相邻高水平的转移概率为43.3%和42.2%,略低于同水平类型的区域,而向低水平地区转移的概率仅为3.3%。

表3 城市生态韧性Markov转移概率矩阵

另一方面,城市生态韧性向相邻等级转移的概率大于跨级转移的概率。如在T=1时,低类型的区域向中低和中高类型水平转移的概率分别是43.3%和1.1%;中低类型的区域向中高和高类型水平转移的概率分别为42.2%和7.8%。随着时间的推移,生态韧性低的城市向同水平和相邻水平转移的概率逐渐下降,高水平类型的城市向同水平转移的概率达到97.4%,表明随着时间的增加,城市生态韧性低的城市可能跨级向更高的水平转移,而水平类型高的城市具有显著的自我强化趋势。

(2)空间Markov链分析

通过计算发现,城市生态韧性的Moran’sI指数显著为正,取值区间为[0.178,0.273],平均值为0.239,且各年份空间自相关通过了1%的显著性水平的Z统计检验。这说明个城市生态韧性呈现较强的空间正相关,可以运用空间Markov链进行分析。为更好地反映出相邻城市的本城市的影响,本文基于空间相邻权重矩阵对淮河生态经济带的城市生态韧性进行了空间Markov链分析。

通过对比传统的Markov链无滞后类型下的转移矩阵可知:①空间因素对城市生态韧性的演变具有显著影响,城市之间城市生态韧性转移概率会受到相邻城市生态韧性类型的影响。如在T=1时,在无滞后的条件下,中低类型水平的城市向中高类型水平的城市转移概率为42.2%;在空间滞后类型为中高的条件下,中低类型水平的城市向中高类型水平的城市转移概率为60.7%。②在不同层次空间滞后条件下,相邻城市之间高类型水平对低类型生态韧性转移的影响不同。如在T=1时,在空间滞后类型为高的条件下,中高类型水平的城市向高中高类型水平的城市向高类型水平的城市转移概率分别为32.1%和13.0%。③类型水平的城市转移概率为50.0%,而当空间滞后类型为中低和中高的条件下,同传统Markov链转移矩阵特征相同,随着时间的推进,低水平类型的城市向相邻高水平类型的城市转移的概率增加,比如空间滞后类型为低的条件下,T=1时,中低向中高转移的概率时20.0%;T=5时,中低向中高转移的概率时50.0%。这表明城市生态韧性较高的城市对城市生态韧性较低的城市有正向推进的作用,而城市生态韧性较低的城市对城市生态韧性较高的城市有逆向互斥的作用。

3 结论和建议

本文构建了抵抗能力、适应能力、恢复能力共3个子系统14个具体指标的淮河生态经济带城市生态韧性的评价指标体系,利用全局熵值法测算了2005—2020年淮河生态经济带3个区域25个地级市城市生态韧性指数,描述了淮河生态经济带城市生态韧性指数发展趋势,并从三大区域视角分析了区域城市生态韧性发展的优劣;利用Dagum基尼系数及其分解方法展示了淮河生态经济带城市生态韧性的区域差异及其差异主要来源;运用核密度估计方法揭示淮河生态经济带及三大区域城市生态韧性绝对差异的分布动态及其演进规律,结论如下:

淮河生态经济带城市生态韧性整体水平不高,但总体综合指数呈现上升趋势,城市生态韧性不断增强,各区域之间城市生态韧性存在较大差异,经济区的城市生态韧性高于联动区和崛起区的城市生态韧性,淮河生态经济带区域之间呈现明显的空间非均衡性。区域之间城市生态韧性的总体差异呈现波动下降趋势,城市的区域间差异在总体差异中所占比重最大,超变密度和城市的区域内差异所占比重相对较小。

在样本考察期内,淮河生态经济带和三大区域的城市生态韧性总体有所提高,其核密度分布曲线也呈现小幅度右移趋势。经济区在样本期内极化现象缓解,联动区和崛起区的城市生态韧性内部差异较小,协同效果显著。在多数年份,淮河生态经济带和三大区域的核密度分布曲线主峰高度逐步上升,城市生态韧性绝对差异逐步缩小,并且分布延展性具有相同的特征,存在明显的右拖尾现象。

在不考虑空间因素的传统Markov链分析下,随着时间的推移,各类型城市生态韧性向高类型转移的概率增加,但跨级转移的概率较小;经考虑空间因素影响后,相邻城市的城市生态韧性类型会影响该地区城市生态韧性的迁移方向和概率。城市生态韧性高的城市对相邻城市具有正向空间溢出效应,而城市生态韧性低的城市则会对相邻城市产生负向空间溢出效应。

淮河生态经济带是指沿淮河流域地区构成的区域,包括江苏、安徽、山东、河南等省份的多个城市。这个地区地理位置优越,拥有得天独厚的自然生态资源,但同时也面临着环境压力、资源利用不合理等问题。为了提高城市的生态韧性,基于以上结论,为提高淮河生态经济带的城市生态韧性的整体水平以及各区域水平,提出以下建议:

第一,差异化政策支持。 针对不同区域的城市生态韧性水平,可以制定差异化的政策支持。对于生态韧性较低的地区,可以提供更多的经济支持和技术援助,以加强环境保护和资源管理。例如,对于水资源管理不善的地区,可以制定专门的水资源保护政策。设立奖励机制,对于在生态韧性方面取得成绩的城市提供额外的激励,以推动积极性。

第二,生态修复项目。加强生态修复项目的实施,特别是在生态韧性较低的地区。投资于湿地恢复、水质净化、植被覆盖增加等项目,以改善城市的生态环境。引入生态补偿机制,鼓励企业和居民参与生态修复,通过生态效益实现经济效益。

第三,推动绿色产业发展。 进一步支持和推动绿色产业的发展,尤其是在经济区。制定绿色产业政策,包括税收减免和优惠,以鼓励企业转向可持续和环保型产业。鼓励企业采用清洁生产技术,提高资源利用效率,降低环境影响。

第四,空间规划和跨区域协同。制定科学的空间规划和用地管理政策,确保城市发展与生态保护的协调。促进区域间的合作与协同效应,特别是在联动区和崛起区。可以建立区域间的生态经济合作机制,共享经验、资源和技术,提高整体生态韧性水平。