山東半島城市擴展模式與生態足跡的關系

謝文瑄, 黃慶旭, 何春陽,*

1 北京師范大學, 地表過程與資源生態國家重點實驗室, 北京 100875 2 北京師范大學, 民政部-教育部減災與應急管理研究院, 北京 100875

山東半島城市擴展模式與生態足跡的關系

謝文瑄1, 2, 黃慶旭1, 何春陽1,*

1 北京師范大學, 地表過程與資源生態國家重點實驗室, 北京 100875 2 北京師范大學, 民政部-教育部減災與應急管理研究院, 北京 100875

理解城市擴展模式與生態足跡動態之間的關系是區域可持續性研究的重要內容,對實現城市可持續發展具有重要指導意義。然而,目前對這二者關系探索的實證研究較少。以山東半島城市群為例,掌握其2000—2010年的城市擴展模式與生態足跡動態特征,并探索二者之間的關系。采用景觀擴展指數和生態足跡模型對研究區的城市擴展模式和生態足跡動態進行計算。在此基礎上,將該區44個縣劃分為4種類型,用相關分析法對城市擴展模式和生態足跡動態的關系進行探索。結果表明,2000—2010年山東半島城市群的城市用地面積增量加了1.2×105hm2,增幅為19.4%。44個縣均體現出邊緣型擴展面積最大,生態赤字增加的特點,平均赤字增量為1.26 hm2/人。墾利等27個縣的外延式擴展面積與生態赤字增加量存在較顯著的正相關關系,在濟陽等17個縣中,二者未呈現出相關關系。建議墾利、淄博和青島等地區在未來城市發展中,控制飛地型和邊緣型擴展面積總量,發展清潔能源,遏制化石能源足跡的增長趨勢。

城市擴展模式；生態足跡；城市形態；山東半島城市群

生態足跡是指能夠持續生產某人口群體消費的所有資源和吸納他們產生的廢棄物所需要的生物生產性土地的總面積[1- 2]。生態足跡最早由生態經濟學家Rees[3]于1992年提出,其動態變化與區域社會經濟發展密切相關,是衡量人類對自然資源利用程度以及可持續發展狀況的重要方法[4- 5]。城市擴展作為城市化最直接的表現之一,是指由于土地利用方式的改變,導致空間上城市規模的擴大,使得非城市用地轉化成為城市用地的過程[6- 8]。城市擴展會影響城市的生態足跡,一方面居民消費水平提高、消費模式和生活方式改變,致使資源消耗量急劇增加[9-10]。另一方面,耕地、林地和草地等生物生產性土地被城市用地占用,生態系統提供服務的能力降低[11-12]。這兩方面共同導致城市生態足跡的增加,該過程會對區域生態系統安全和可持續性造成巨大威脅。

城市擴展模式是體現城市擴展時空特征的重要方面,也是影響城市形態的重要因素,主要分為飛地型、邊緣型和內填型三類。飛地型和邊緣型均屬外延式擴展模式,可使城市形態趨于松散化、破碎化,而內填型擴展模式則能使城市形態相對緊湊[13- 18]。城市形態會通過碳排放量對生態足跡造成影響。例如,Kareiva等[19]的研究發現形態松散的城市人均資源利用量要高于形態緊湊的城市。Muiz等[20]在巴塞羅那大都市區的研究表明松散的城市形態會導致居民平均交通距離的增加,從而引起能源消耗量和CO2排放量的增加,致使生態足跡增加更大。Holden[21]在挪威的研究也發現居住密度大的城鎮生態足跡更小、可持續性更高。此外,Creutzig等[22]和Ou等[23]的研究均表明聚合和連續的城市擴展模式與緊湊的城市形態有助于控制能源消耗的增加趨勢,增加城市發展的可持續性。

明確城市擴展模式與生態足跡動態之間的關系,是區域可持續性研究的重要內容,對實現城市可持續發展具有重要指導意義。然而,目前相關研究多關注城市形態與資源消耗量或CO2排放量之間的關系[19,22-23],較缺乏城市擴展模式與生態足跡關系的實證研究。

山東半島城市群作為我國北方重要的經濟發展區域,不僅在山東省國民經濟發展過程中發揮著極其重要的作用,而且在我國區域經濟發展格局中的地位也十分重要[24]。隨著人口激增和城市擴展,其脆弱問題日益凸顯,面臨著生態環境急劇惡化的危機,如生態環境萎縮、水環境失調和土地資源破壞嚴重等[25- 26]。近幾十年,該城市群經歷了快速的城市擴展過程,研究表明從1999到2010年,城市人口增長248.8萬人,年均增長率為1. 6%。城市土地增加888.6hm2,年均增長率達7.8%[27]。同時,該區生態系統安全性脆弱,據《中國生態足跡報告2012》顯示,山東省2009年生態足跡為1.9hm2/人,高于全國平均水平,且呈現較嚴重的生態赤字[28]。

鑒于此,本文以地表覆蓋數據為基礎,以人口普查數據、統計數據和GIS數據為輔助,對山東半島城市群44個縣2000—2010年的城市擴展模式和生態足跡動態進行了對比分析。目的在于認識和理解區域城市擴展模式及其生態足跡動態的特征及其關系,并為山東半島城市群城市空間格局優化和區域可持續發展提供參考依據。

1 研究區和數據

1.1 研究區

山東半島是我國的三大半島之一,北部與遼東半島隔渤海海峽相望,東部與韓國隔黃海相望。是我國北方大陸伸向西太平洋的最前緣,是亞歐大陸的重要橋頭堡,屬暖溫帶亞濕潤季風氣候[29]。山東半島城市群(圖1)包括濟南、青島、煙臺、淄博、威海、濰坊、東營和日照8個地級市所轄的44個縣(市轄區、縣級市),其土地總面積為7.09萬km2,2010年年末總人口約為3998.5萬[30]。該城市群地理區位優勢明顯,是山東省經濟發展水平最高、潛力最大、活力最強的區域[24]。

圖1 山東半島城市群2010年土地利用/覆蓋圖Fig.1 Land use/cover of Shandong Peninsula Urban Agglomeration in 2010

1.2 數據

本文使用到的數據共有4類。第1類是2000年和2010年的全球地表覆蓋數據,該數據由國家測繪地理信息局發布(http://www.globallandcover.com/GLC30Download/index.aspx),空間分辨率為30m,使用該套數據計算生態承載力,并用該數據中地類代碼為80的人造覆蓋(主要包括城鎮用地、道路和工礦用地等[31])數據計算城市擴展模式。第2類是2001年和2011年的統計數據,主要來自于《山東統計年鑒》以及各地級市的統計年鑒,部分數據來自于《中國統計年鑒》、《國際統計年鑒》以及聯合國糧農組織(FAO)統計資料。第3類是2000年和2010年的人口普查數據,數據從《中國2000年人口普查資料》和《中國2010年人口普查資料》[32- 33]兩本書中摘錄獲得。第4類是GIS輔助數據,由國家測繪地理信息局發布,包括1∶400萬的市級行政邊界和縣級行政邊界數據(http://ngcc.sbsm.gov.cn)。

2 方法

2.1 評估城市擴展模式

Liu等[16]提出的景觀擴展指數(Landscape Expansion Index, LEI)(公式1)是目前國內較為系統的城市擴展模式定量識別方法之一,能夠在微觀斑塊尺度較精確地識別出飛地型、邊緣型和內填型3種模式[34]。飛地型是指新增斑塊與原有斑塊處于分離狀態,二者沒有直接接觸；邊緣型是指新增斑塊沿著原有斑塊的邊緣繼續擴展；內填型是指新增斑塊發生在被原有斑塊包圍的區域,填充原有斑塊[16,18,35]。該指數已應用于東莞[16]和長江三角洲[35]等地區的城市擴展模式研究?；诖?本文采用該指數對山東半島城市群的城市擴展模式進行定量分析。

(1)

式中,LEI是關于新增城市斑塊類型的指數；A0是指新增城市斑塊的緩沖區與已有城市斑塊的交集；Av是指該緩沖區與非城市斑塊的交集。當LEI=0時,新增城市斑塊為飛地型；0

2.2 計算生態足跡動態

近年來,生態足跡理論及其相關問題已成為可持續發展領域的研究熱點之一。生態足跡因其計算簡單,結果直觀形象,得到了廣泛應用,目前已有20多個國家利用該方法計算了各類可持續發展和承載力問題[36]。

該理論自提出后,其計算方法不斷被改進,主要有傳統的Wachernagel and Rees法、投入產出法、時間序列法和真實土地面積法等[37]。雖然這些方法各具特色,但應用最廣泛的仍然是Wachernagel等[1]的基本核算模型。因此,本文采用該方法建立生態足跡核算賬戶模型(表1),估算在一定人口和經濟規模條件下,維持資源消費和廢棄物吸納所必需的生物生產性地域空間[1,38]。參考已有研究[4,39-43],考慮6種生物生產性土地類型,對生態足跡進行核算(公式2—公式4)。

表1 生態足跡核算賬戶

(2)

(3)

D=EF-EC

(4)

式中,EF為人均生態足跡(hm2/人)；EC為人均生態承載力(hm2/人)；D表示資源利用狀況；i為消費項目的類型,共有n類；ci為第i種消費項目的人均消費量(kg/人)；pi為第i種消費項目的年平均產量(kg/hm2)；j為生物生產性土地類型；aj為某種生物生產性土地類型的實際人均面積(hm2/人)；rj和yj分別為對應生物生產性土地類型的均衡因子和產量因子。

均衡因子[38]是某類生物生產性土地的單位面積生物產量與具有世界平均生產力的生物生產性土地的單位面積生產量之比。該因子可使不同類型的生物生產性土地的計算結果統一、可比。產量因子[38]是某地區或某國家的某類生物生產性土地的平均生產力與世界同類土地平均生產力的比值。該因子可使不同地區的計算結果可比。為簡化計算過程,本文引用謝高地等[4]使用過的均衡因子和劉承某等[44]研究中的產量因子(表1),且不考慮其在時間尺度上的變化。

在生態承載力計算中,應扣除12%用于生物多樣性保護[39]。若D>0,該地區屬于生態赤字,表明人類的需求已經超過了自然的供給能力；反之,該地區屬于生態盈余,表明人類活動產生的負荷還在自然生態的承受范圍之內。

2.3 分析城市擴展模式與生態足跡動態的關系

本文采用四象限分類法和相關分析法對城市擴展模式與生態足跡動態之間的關系進行初步探索。我們以外延式擴展面積的區域均值和生態赤字/盈余的增加量/減少量的區域均值為兩則劃分標準建立分類體系,將山東半島城市群的44個縣分為4類(Ⅰ至Ⅳ)。基于該分類結果,用Pearson相關分析方法對不同類型縣的城市擴展模式和生態足跡動態之間的關系進行分析,初步探索二者之間的關系。

3 結果

3.1 城市擴展模式

2000—2010年,山東半島城市群城市用地面積從2000年的6.3×105hm2增加到2010年的7.5×105hm2,增加了19.4%,2010年的面積約為2000年的1.2倍。在新增城市斑塊中,邊緣型擴展面積最大,占據著絕對的主導地位,內填型擴展面積次之,飛地型擴展面積最小,3種類型面積占總新增城市斑塊面積的比例分別為71.9%、14.3%和13.8%(圖2)。

圖2 山東半島城市群2000—2010年城市擴展模式Fig.2 Urban expansion modes of Shandong Peninsula Urban Agglomeration from 2000 to 2010

城市群的44個縣均體現出邊緣型擴展面積占主導的特點(圖2)。邊緣型擴展面積所占比例最大的是墾利,其面積占該縣總新增城市斑塊面積的93.4%,青島最少,邊緣型面積所占該縣總新增面積的48.1%,兩者相差近一倍。內填型擴展最多的是即墨,其面積占該縣總新增城市斑塊面積的45.5%,而墾利的內填型最少,僅有1.4%。莒縣飛地型擴展最多,其面積占該縣總新增城市面積的39.5%,與之相反,威海幾乎沒有飛地型擴展。

不同擴展模式面積所占比例具有空間聚集性(圖2)。首先,高密—即墨—青島一帶的內填型擴展面積所占比例較大,均約占其所在縣擴展總量的一半。膠州和高密的內填型擴展所占比例為44.5%和45.6%,均高于區域均值14.3%。其次,長清—章丘—高青一帶的飛地型擴展面積所占比例較大,高青、長清和濟南的飛地型擴展分別為32.1%、23.8%和16.1%,均高于區域均值13.8%。最后,6個地級市(除威海和日照)與其周邊縣的外延式擴展面積高于區域均值,例如濟南—章丘、淄博—桓臺和青島—即墨。

3.2 生態足跡動態

2000—2010年,山東半島城市群地區的生態赤字呈增加趨勢,44個縣的平均生態足跡從1.38hm2/人增加到2.64hm2/人,平均生態赤字從1.16hm2/人增加到2.42hm2/人,赤字增加了1.26hm2/人。增大的生態赤字說明,人類的生產生活強度已超過了生態系統的承載能力,生態系統已處于人類過度開發利用的壓力之下。

10年內,城市群中生態赤字增加量高于區域均值的縣共有14個,其中生態赤字增加量最大的是廣饒,增量高達5.66hm2/人。赤字增量排在前4位的是東營市轄區以及其所轄的廣饒、墾利和利津3個縣,遠高于區域均值。在低于區域均值的30個縣中,生態赤字增加量最小的是萊州,僅為0.02hm2/人(圖3)。

圖3 山東半島城市群2000—2010年生態赤字增加量Fig.3 Increase in ecological deficit of Shandong Peninsula Urban Agglomeration from 2000 to 2010依據生態赤字增加量,采用K-means聚類算法將山東半島城市群中的44個縣分為4類;其中,兩類的生態赤字增加量高于區域均值1.26hm2/人,另外兩類低于區域均值

2000—2010年,人均生態赤字增量較大的縣主要集中在東營-淄博-沂源和萊西-青島-膠南一帶,且這些城市周邊的縣生態赤字增加量也較大(圖3)。例如,青島的生態赤字增量為1.77hm2/人,其以北的即墨、以西的膠州和膠南的生態赤字增量分別為1.48、1.47hm2/人和1.43hm2/人。同樣,淄博的生態赤字量為1.67hm2/人,其以南的沂源和以北的桓臺,生態赤字增加量分別為1.72hm2/人和1.58hm2/人,均高于區域均值1.26hm2/人。

3.3 城市擴展模式與生態足跡動態的關系

在墾利等27個縣(Ⅰ型和Ⅲ型)里,外延式擴展面積與生態赤字增加量存在較顯著的正相關關系。二者相關系數為0.74,并通過了0.01水平的顯著性檢驗(圖4)?？梢娡庋邮綌U展面積較大的縣,城市形態相對松散,生態赤字增加量更大,該結果與已有研究結果[19- 23]基本一致。其中,墾利的外延式擴展面積大,其生態赤字增加量最高,為5.59hm2/人,反之,平陰的外延式擴展面積小,其生態赤字增加量僅為0.30hm2/人。

而在濟陽等17個縣(Ⅱ型和Ⅳ型)中,外延式擴展面積與生態赤字增加量之間未呈現出明顯的相關關系。二者相關系數雖為-0.43,但并未通過顯著性檢驗(圖4)。城市擴展模式并不是影響這17個縣生態赤字增加的主要因素。例如,利津的生態赤字增加量是高青的3.3倍,而外延式擴展面積差別甚微。又如濟南比海陽的外延式擴展面積大3537hm2,但生態赤字增加量卻相差無幾。

圖4 基于城市擴展模式與生態赤字增加量的縣的分類Fig.4 Classification of counties based on urban expansion modes and increase in ecological deficitR為Pearson相關系數,P為顯著性水平

城市擴展模式在一定程度上可解釋一部分縣的生態赤字增加,而在另一部分縣中,并沒有良好體現。這是由于生態足跡動態是眾多因素綜合驅動的結果,除城市擴展模式外,還存在其它社會經濟因素,如GDP、第三次產業對GDP貢獻率、人口增長率、居民消費水平和政策干預等。因此,其它因素可能是影響Ⅱ和Ⅳ型縣生態足跡動態的主要因子。

4 討論

4.1 化石能源足跡是城市擴展模式影響生態足跡動態的主要因素

從生態足跡的組成結構來看,2010年城市群44個縣的平均化石能源足跡所占比例為67.3%,是生態足跡最主要的組分。2000—2010年,該區域化石能源足跡增長了3.4倍,生態足跡從生態承載力的7.3倍增加到14.5倍,而承載力變化微小,致使生態赤字增加?？梢娚鷳B足跡組分中化石能源足跡的大幅增長是生態赤字增加的主要原因。

外延式擴展面積與化石能源足跡增加量存在較顯著的正相關關系。在27個樣本中,二者相關系數為0.76,并通過了0.01水平的顯著性檢驗(圖5)。在城市擴展過程中,若邊緣型和飛地型兩種外延式擴展面積大,城市形態趨向于松散化,則會帶來較高的能源消耗量。諸如煤炭、天然氣和石油等能源的消耗都會向自然環境排放CO2,這需要相應的化石能源用地來“吸收”CO2[41],也就造成了大量的化石能源足跡,繼而引發生態赤字的加劇。

圖5 外延式擴展面積與化石能源足跡增加量的相關系數 Fig.5 Correlation between epitaxial expansion areas and increase in fossil fuels footprint圖中27個樣本點是山東半島城市群中的Ⅰ型和Ⅲ型縣；R為Pearson相關系數,P為顯著性水平

可通過控制化石能源足跡的增加趨勢,提高城市發展的可持續性。在城市擴展過程中,Ⅲ型和Ⅳ型縣的生態赤字量增加較小,城市發展可持續性相對較高。Ⅱ型縣雖然生態赤字增加量較大,但其外延式擴展面積較少,城市用地擴展相對集約。而Ⅰ型縣的外延式擴展面積和生態赤字增加量均高于區域均值,城市形態趨向于松散化,區域可持續性發展面臨壓力較大。因此,需要對墾利、淄博和青島等7個外延式擴展面積與生態赤字增加量均高于區域均值的地區給予更多關注,應控制其化石能源消耗量的增加趨勢,遏制化石能源足跡的增長趨勢。

4.2 規劃政策啟示

山東半島城市群目前正處于快速發展的階段,2000至2010年該區域城市用地面積增加了1.2×105hm2。但由于其資源承載能力不強,土地開發利用效率不高,利用方式較為粗放,生態環境保護壓力大[45]。10年間生態赤字加劇,人均增量為1.26hm2,可持續發展狀況堪憂。

《山東省新型城鎮化規劃(2014—2020 年)》中指出“要嚴格劃定城鎮建設用地規模邊界和擴展邊界、禁止建設區,強化對城鄉用地規模、布局和形態的管控”。同時強調,應促進城市清潔能源供應設施建設,推進綠色、循環、低碳發展,引導居民自覺減少能源和資源使用。基于此,我們建議一方面對外延式擴展面積高于區域均值的17個縣要恪守集約用地制度,適當控制飛地型和邊緣型擴展面積,保證城市向緊湊型形態發展。另一方面,對生態赤字增量高于區域均值的14個縣應大力推廣使用太陽能等清潔能源,控制化石能源使用量,遏制化石能源足跡的增加趨勢,維護區域生態安全,推進城市可持續發展。

4.3 不足與展望

本文在城市擴展模式和生態足跡的計算與分析中存在一些不足。第一,景觀擴展指數計算中的緩沖區設置值會影響城市擴展模式類型的劃分。第二,未對生態足跡計算參數進行本地化,研究使用的是“全球公頃”單位的均衡因子和“省公頃”單位的產量因子[41],無法精確反映各縣的真實生產狀況和發展特征。第三,最小研究單元為縣,由于受到統計數據的限制,部分縣的相關統計數據使用的是其所在市的均值,未能較好體現地區之間的差異性。第四,由于樣本數量和可獲取數據有限,本文并未深入分析城市擴展模式影響生態足跡動態的更深層次的原因,也未能深入分析其它可能影響生態足跡動態的因素。

未來研究,一方面,可以在優化生態足跡計算方法的基礎上,增加研究樣本數量,從公共交通、市政設施和能源消耗等方面入手,深入分析城市擴展模式影響生態足跡的內在原因。另一方面,也可以通過主成分分析和多元回歸分析方法對影響或限制生態足跡動態的社會經濟因素展開系統、全面的研究,揭示出普適性規律。

5 結論

山東半島城市群2000—2010年城市用地面積增加了1.2×105hm2,增幅為19.4%。在快速的城市擴展過程中,44個縣均呈現出邊緣型擴展面積最大、生態赤字增加的特點。人均赤字增加量為1.26hm2,區域可持續發展面臨著較大威脅。

外延式擴展面積與生態赤字增加量之間存在較顯著正相關關系,同時化石能源足跡的急劇增加是造成生態赤字增加的主要原因,該特征在墾利、蓬萊等27個縣中得到了較好體現。因此,在未來城市發展中,有必要控制外延式擴展總量,并且采取能夠有效遏制化石能源足跡增長趨勢的措施,努力實現區域的可持續發展。特別是墾利、淄博和青島等7個外延式擴展面積和生態赤字增加量均高于區域均值的縣,應給予更多的關注。

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Urban expansion modes and regional ecological footprints in the Shandong Peninsula Urban Agglomeration

XIE Wenxuan1, 2, HUANG Qingxu1, HE Chunyang1,*

1StateKeyLaboratoryofEarthSurfaceProcessesandResourceEcology,BeijingNormalUniversity,Beijing100875,China2AcademyofDisasterReductionandEmergencyManagement,MinistryofCivilAffairs&MinistryofEducation,BeijingNormalUniversity,Beijing100875,China

Understanding the relationship between urban expansion modes and regional ecological footprints is an important objective in regional sustainability research, and can provide crucial guidance for achieving urban sustainable development. However, empirical research on the relationship between urban expansion modes and ecological footprints is limited. Taking the Shandong Peninsula Urban Agglomeration as an example, the goals of the present study are to examine the characteristics of urban expansion modes and ecological footprint dynamics from 2000 to 2010, and to analyze the relationship between them. We quantified the urban expansion modes and ecological footprint dynamics using the landscape expansion index and ecological footprint model. Then, we divided the 44 counties in the study area into 4 types, and analyzed the relationship between urban expansion modes and ecological footprint dynamics among them using a correlation analysis. The results showed that urban land area of the Shandong Peninsula Urban Agglomeration increased by 1.2 × 105hm2(19.4%), and the average ecological deficit increased by 1.26 hm2per capita from 2000 to 2010. In all 44 counties, the area of edge-expansion growth was the largest and the ecological deficit increased. There was a significant positive correlation between epitaxial expansion areas and the ecological deficit increment in 27 counties, such as Kenli. However, 17 counties did not show significant correlations. In the future, for sustainable development in this region, controlling the area of outlying and edge-expansion growth, utilizing new clean energy, and limiting the fossil fuel footprints in several counties, such as Kenli, Zibo, and Qingdao, should be the focus.

urban expansion modes; ecological footprints; urban form; Shandong Peninsula Urban Agglomeration

國土資源部公益性行業科研專項經費課題(201411014- 2- 1)

2015- 09- 10;

日期:2016- 06- 13

10.5846/stxb201509101872

*通訊作者Corresponding author.E-mail: hcy@bnu.edu.cn

謝文瑄, 黃慶旭, 何春陽.山東半島城市擴展模式與生態足跡的關系.生態學報,2017,37(3):969- 978.

Xie W X, Huang Q X, He C Y.Urban expansion modes and regional ecological footprints in the Shandong Peninsula Urban Agglomeration.Acta Ecologica Sinica,2017,37(3):969- 978.