中國不透水面變化與社會經濟協調發展的耦合關系

馮智濤, 劉珍環

〔1.中山大學 地理科學與規劃學院, 廣東 廣州 510275; 2.南方海洋科學與工程廣東省實驗室(珠海), 廣東 珠海 519000〕

城市可持續發展是適應景觀城市化過程的內外變化，通過生態、經濟與社會的共同努力實現[1]，強調平衡社會、經濟和環境3個維度的可持續性，減少資源消耗和環境破壞，資源利用效率最大化[2]。隨著社會經濟的快速發展，中國大量自然景觀轉變成混凝土、瀝青等組成的不透水面景觀，景觀城市化的速度前所未有[3-4]，其實質也是人口、財富、技術和服務在空間上的聚集，以及生活、生產和組織方式的轉變[5]。明晰景觀城市化過程中的不透水面擴張與社會經濟發展的耦合協調度及其空間分異特征，有助于制定差異化的城市發展政策，促進城市可持續發展。

不透水面指數是指示景觀城市化的重要指標[4]，經濟水平與人口數量是表征社會經濟系統運行的關鍵指標[6-7]。不透水面變化與社會經濟活動具有密切聯系，不透水面增長是人類為滿足社會經濟發展所產生的空間需求而對地表改造的過程[8-9]，不透水面增長又能吸引更多社會經濟活動的集聚，成為推動區域社會經濟發展的重要途徑[10-12]。然而不透水面與社會經濟發展的耦合關系不一定同步。如果社會經濟增長過快，會引起生產、生活空間的不足，造成建成環境擁擠，居民生存環境惡化[13]；如果不透水面增長過快，超出區域生態系統的承載能力，會降低區域人居環境和居民的健康福祉，遏制社會經濟發展[14]。景觀城市化過程對區域熱環境[15]、大氣質量[16]、地表徑流[17]、水質[18]、生物多樣性及水土保持等[19]產生深遠影響，進而反饋影響區域人居環境和居民的健康福祉[20]。不透水面擴張是一種典型的景觀城市化過程，然而，中國市域層面的城市不透水面擴張是否與社會經濟的耦合協調發展迄今尚不明晰[14,21]。

耦合是指要素之間存在相互作用而彼此影響的現象，耦合協調指要素間通過相互作用而協同促進[22]。在度量耦合協調關系的方法上，灰色關聯度模型[23]、彈性系數模型[24]、異速增長模型等[25]被廣泛使用。近年來，脫鉤模型常用來度量兩兩之間的耦合關系，如經濟增長與環境污染[26]、農業化學投入與農業經濟增長[27]、旅游發展與多維貧困等[28]；而耦合協調度模型度量多個對象的耦合協調關系，如生產、生活與生態空間功能等[29]三維協調關系。不透水面與社會、經濟之間既存在兩兩耦合，又存在三維協調關系。經濟增長促使資本加大投入，促進不透水面增長[12,30]；人口數量上升引起居民住房需求增長，促進住房建設[31]，導致不透水面增長；此外，經濟發展、人口增加還會引起交通運輸需求增長，促使不透水面增長[32]。反過來，不透水面可作為生產要素吸引投資，促進經濟發展[33]。不透水面的建成改善生活居住條件，促進人口的集聚[34]。不透水面與社會、經濟的耦合關系可分正向耦合與負向耦合。然而，當前不透水面變化與社會經濟發展的耦合協調關系尚不明晰，三者之間的定量關系隨時空變化呈現何種特征尚未得到實證。為此，本研究利用2000—2018年中國不透水面遙感數據及355個市域單元的社會經濟面板數據，運用脫鉤模型對不透水面與社會經濟的關系進行解耦。基于耦合協調度模型深入分析不透水面與社會經濟耦合協調關系的變化規律，為科學認識不透水面變化與社會經濟變化之間時空變化的協同性，以期為制定差異化的區域水土保持和城鄉發展政策提供科學依據。

1 數據源和方法

1.1 數據來源

1.1.1 不透水面數據 全球較為常用的不透水面數據集有低分辨率(1 km)、中分辨率(30 m，250～500 m兩種)和高分辨率(1～10 m)的數據產品。2019年清華大學發布的GAIA數據產品(http:∥data.ess.tsinghua.edu.cn)，是迄今為止為數不多覆蓋城市及農村地區的中分辨率逐年人工不透水面遙感數據產品。該數據產品的解譯基礎包括夜間燈光等數據，有效排除了自然不透水面干擾，數據產品總體精度高于90%[35]，可以運用到中國大尺度研究中。本文選用該數據集2000—2018年時段的數據，以2018年355個直轄市、副省級市、地級市、地區、自治州、盟及省直轄縣等市域為邊界，統計不透水面面積。

1.1.2 經濟人口數據 在經濟發展水平指標方面，由于人均GDP是某地區特定時間內經濟活動的最終成果，能綜合反映地區的經濟發展水平[36]，故以人均GDP表征地區的經濟發展水平。同時以2000年為基年，計算市域單元各年份以不變價格為基準的人均GDP。在社會發展水平指標方面，以反映地區實際人口數量的常住人口為度量指標[37]。人均GDP、常住人口數據來源于2001—2019年《中國城市統計年鑒》[38]《中國縣(市)社會經濟統計年鑒》[39]以及全國各省、市、自治區的統計年鑒。

1.2 研究方法

為了研究不透水面變化與社會經濟耦合協調發展時空特征，我們在城市可持續發展理論的基礎上構建了如下研究框架(圖1)。運用脫鉤模型對不透水面—經濟發展、不透水面—人口變化的兩兩耦合關系進行解耦，利用耦合協調度模型分析不透水面與社會經濟3者之間的耦合協調度。通過解耦分析和耦合協調分析，解析城市的環境與經濟社會3維度的連接程度和協調程度的時空變化趨勢。

圖1 不透水面變化與社會經濟耦合協調發展時空特征研究框架

1.2.1 不透水面動態變化分析 不透水面的動態變化速度以各時期不透水面變化面積為基礎，其計算公式為：

(1)

式中：UISA為t1到t2中不透水面變化速度；St1，St2分別為t1和t2時間不透水面面積。

1.2.2 不透水面與社會經濟的耦合關系分析 Tapio[26-27]提出的脫鉤模型能揭示出兩個或多個要素之間的相互作用狀態，廣泛應用于資源消耗與經濟發展之間的耦合關系研究。研究引用Tapio脫鉤模型，計算公式為：

(2)

(3)

式中：Te，Tp分別表示研究區不透水面與經濟、人口的脫鉤指數； ΔS，ΔE，ΔP分別表示不透水面、人均GDP和常住人口的變化率；St1，St2分別為t1和t2時間不透水面面積；Et1，Et2分別為t1和t2時間人均GDP；Pt1，Pt2分別為t1和t2時間常住人口量。

參考相關研究的結果[26-28]，以脫鉤指數Te/Tp介于0.8～1.2之間作為判斷不透水面與社會經濟變化同步的標準，在此區間定義為連接的耦合關系，根據二者同步變化的正負方向，劃分出擴張連接與衰退連接兩種亞耦合類型。而Te/Tp小于0.8或大于1.2定義為二者非同步變化的耦合關系，并根據不透水面與社會經濟變化趨勢的相對關系，劃分出脫鉤與負脫鉤兩種耦合關系；脫鉤的耦合關系表明社會經濟增長快于不透水面擴張，負脫鉤的耦合關系表明不透水面擴張超前于社會經濟發展；進一步對不透水面與社會經濟的增減方向進行兩兩組合，以表征不透水面與社會經濟非同步變化的強度，進一步細化為6種亞耦合類型。最終得到8種亞耦合類型(表1)。研究以3 a為時間間隔，開展各時期不透水面變化與社會經濟發展的耦合關系分析。

表1 不透水面-社會經濟的耦合關系類型

1.2.3 不透水面與社會經濟的耦合協調關系分析 耦合協調度模型是度量要素間協同效應的定量指標，能夠很好地判斷要素之間耦合是否為良性[22,29]。計算公式為：

(4)

(5)

式中：Dp，De分別表示研究區不透水面與經濟、人口的耦合協調度；Kis，Kie，Kip分別為第i市域單元歸一化處理后的ΔS，ΔE與ΔP;n取值2;α，β為待定系數,考慮到不透水面變化與社會經濟的動態平衡對于實現社會經濟發展和生態保護協調共贏的可持續發展過程尤為重要,本文將二者視為同等重要,待定系數α，β同取0.5[37]。

耦合協調度的大小介于0～1，反映要素間的協調發展程度，表示不透水面與社會經濟的耦合關系由相互制約的拮抗狀態逐漸走向相互促進的協調狀態。為直觀展示三者的耦合協調關系，將ΔS，Dp與De構建三角圖，該類圖形在生態、環境領域等得到廣泛的應用[40]，能夠清晰揭示6個階段355個市域單元為基礎的不透水面變化與經濟、人口增長之間耦合協調度的變化規律。同時，建立ΔS與De/Dp的回歸方程考察耦合協調關系的變化趨勢。

2 結果與分析

2.1 中國城市2000-2018年不透水面變化特征

總體來看，2000—2018年中國不透水面持續擴張，面積由1.06×105km2增至1.98×105km2，凈增長9.93×104km2。其中，2000—2012年不透水面增長速度處于持平階段，擴張速度介于2.38×103～4.83×103km2/a；2012年以后不透水面增長速度快速提升，從3.67×103km2/a快速上升至1.63×104km2/a。2000—2018年不透水面變化速度如圖2所示，不透水面變化存在明顯空間異質性，呈現從東部逐漸向中、西部內陸降速的趨勢。2000—2009年中國各市域單元不透水面增長速度變化不大，華東、華北、東北地區以及珠三角等地區城市不透水面增長速度高于17.14 km2/a。2009—2012年珠三角不透水面增長速度放緩，市域單元變化速度回落至17.14 km2/a以下，其他地區則變化不大。2012—2018年華東、華中、華北和東北地區等地區不透水面增長速度快速提升，有70個城市的增長速度超過58.91 km2/a；與此同時，四川、云南、陜西、寧夏等西部地區部分城市不透水面增長速度超過17.14 km2/a。

2.2 不透水面變化與社會經濟發展的耦合關系

2000—2018年中國市域單元不透水面—經濟發展的耦合關系整體表現為弱脫鉤關系(圖3)，但2012年以來，在中國東北、華北和西南地區出現了擴張負脫鉤關系。2000—2018年，不透水面—經濟發展的耦合類型有4種，即擴張負脫鉤、強負脫鉤、弱脫鉤和擴張連接，分別占比為初期的2.25%，1.41%，94.37%和1.97%，到末期的24.79%，9.58%，52.96%和12.68%。2000—2012年中國人均GDP年均變化率介于12.26%～22.62%；不透水面擴張速度較低，年均變化率介于1.82%～3.65%；不透水面—經濟發展的耦合關系處于弱脫鉤階段，弱脫鉤類型占比由94.37%上升至99.44%，大部分城市不透水面增長速度慢于經濟發展速度。2012—2018年人均GDP年均變化率降至8.01%～9.49%，而不透水面年均變化率提升至4.42%～8.07%，二者關系表現為負脫鉤的耦合關系。

圖3 中國市域單元2000-2018年不透水面變化與經濟發展的耦合關系

其中，2012—2015年中國部分城市出現不透水面擴張超前于經濟發展的現象，人均GDP年均變化率下降至8.01%，不透水面年均變化率上升至4.42%。弱脫鉤型所占比降至69.58%，擴張負脫鉤、強負脫鉤和擴張連接占比分別升至12.39%，7.61%和10.42%；強負脫鉤型在秦嶺—淮河以北地區集聚，而擴張負脫鉤和擴張連接型在全國各地相對分散出現。2015—2018年中國不透水面變化率相較前一階段顯著提升，年均變化率上升4.42%，而人均GDP年均變化率小幅提升，上升1.49%。弱脫鉤型占比下降了16.62%，擴張負脫鉤、強負脫鉤占比分別上升至24.79%，9.58%，擴張負脫鉤型主要分布于河北、河南、山東、廣西等地區，強負脫鉤型則主要集聚在內蒙古、遼寧、吉林省等地。

注：底圖來源于國家測繪地理信息局標準地圖服務網站，審圖號為GS(2019)1823。下同。

2000—2018年中國市域單元不透水面—人口變化之間的耦合關系的整體表現為擴張負脫鉤和強負脫鉤的耦合關系(圖4)。2000—2018年，不透水面—人口變化的耦合類型有4種，即擴張負脫鉤、強負脫鉤、弱脫鉤和擴張連接，分別占比為初期的85.92%，8.73%，3.66%和1.69%，到末期的58.87%，32.68%，4.79%和3.66%。2000—2018年中國不透水面增長速度快于城市人口增長，常住人口年均變化率介于0.40%～1.08%，不透水面年均變化率介于1.82%～8.07%。其中，2000—2003年中國大部分地區不透水面擴張速度顯著快于人口增長速度，擴張負脫鉤、強負脫鉤、弱脫鉤和擴張連接分別占比85.92%，8.73%，3.66%和1.69%。2003—2009年中國不透水面年均變化率從2.54%降至2.39%，而常住人口年均變化率從0.92%升至1.08%，海南省、西南和西北等部分地區人口增長速度逐漸趕上不透水面增長速度。擴張負脫鉤、強負脫鉤、弱脫鉤和擴張連接分別占比67.04%，9.86%，13.52%和9.58%；弱脫鉤型主要分布在海南省、西南和西北等地，擴張負脫鉤型集中分布在華北、華東和華南等地。2009—2018年中國不透水面擴張超前于人口增長的現象加劇，常住人口年均變化率從0.58%下降至0.44%，不透水面年均變化率從1.82%上升至8.07%。擴張負脫鉤、強負脫鉤、弱脫鉤和擴張連接，分別占比為初期的50.70%，26.20%，15.49%和7.61%，到末期的58.87%，32.68%，4.79%和3.66%。東北、西北、西南以及華中等地區受其他發達區域對人口的虹吸作用影響，在人口減少的情況下不透水面依然持續擴張。

圖4 中國市域單元2000-2018年不透水面變化與人口變化的耦合關系

2.3 不透水面變化與社會經濟發展的耦合協調關系

運用耦合協調度模型并結合三角圖可以清晰地展示不透水面變化與經濟、人口增長之間耦合協調度(圖5)。總體特征上，2000—2018年中國市域單元不透水面—經濟發展和不透水面—人口變化的耦合協調度因不透水面變化率而異，市域單元的不透水面變化率越大，不透水面—經濟發展和不透水面—人口變化的耦合協調度越小；表明了不透水面增長越快，不透水面對社會經濟發展的推動作用越有限，與社會經濟發展的良性互動機制越弱。這由于不透水面的過度增長，會造成資源浪費、生態環境惡化等問題。2000—2018年在不透水面變化率小于25%的市域單元，不透水面—經濟發展和不透水面—人口變化的兩兩互動過程與經濟發展—人口變化的互動之間通常具有非同步性，在一定時期內經濟發展加劇了不透水面擴張與人口增長間的非協調性，導致出現不透水面變化與經濟發展的耦合協調度提升時，與人口增長的耦合協調度則會降低的現象；反之亦然。

2000—2018年中國不透水面變化速率加快而引起的De/Dp的下降程度呈現先增加后減少趨勢。2000—2018年不透水面變化率由初期集聚在25%變化率以內，到末期34.37%的市域單元不透水面變化率超過了25%，不透水面與社會經濟的耦合協調度較低。由不透水面—人口—經濟耦合協調度的三角圖可看出(圖5)，三者的協調度在2009年以前介于頂點為ΔS取值區間[0,0.25]，Dp取值區間[0.75,1]和De取值區間[0.25,0.5]之間的菱形四邊形，變化為2009年以后介于頂點為ΔS取值區間[0,0.5]，Dp取值區間[0.5,1]和De取值區間[0.5,0.75]之間的菱形四邊形。這種變化趨勢表明，隨著不透水表面增長速度的加快，它與人口聚集之間的耦合協調關系降低，促進了其與經濟發展之間的耦合協調關系。

圖5 中國市域單元2000-2018年不透水面-社會-經濟的耦合協調關系變化

3 討論與結論

3.1 討 論

(1) 受經濟、人口統計數據以及不透水面遙感數據的空間分辨率限制，無法開展更長時序和更精細尺度的空間數據分析，特別是將不透水面遙感數據聚合到市域層面，往往包含了地級市內多個縣域的不透水面的斑塊，造成不透水面數據統計難以精確。

(2) 為緩解不透水面的無序擴張，促進不透水面與社會經濟的協調發展。未來國土空間規劃及區域可持續發展政策應遵循協調發展戰略，在東北、華北、華中等地區，應科學劃定城鎮開發邊界，嚴格控制不透水面蔓延；在東北、華北等不透水面—經濟負脫鉤關系地區，應促進產業結構轉型，提高土地集約利用程度；在東北、華中、西北和西南等不透水面—人口負脫鉤關系地區，應提高當地的公共服務水平，擴大就業機會，促進區域人口聚集。

3.2 結 論

(1) 研究期內，中國不透水面變化在時間上具有階段性，2012—2018年為快速增長期；在空間上存在異質性，東部的不透水面增長顯著快于中西部。

(2) 不透水面與社會經濟的耦合關系表明，不透水面—人口變化的耦合與不透水面—經濟發展的耦合在時空分布特征上有顯著的不同，其中不透水面—經濟發展的耦合整體表現為弱脫鉤型，但在2012年后東北、華北等地區不透水面擴張速度明顯超過經濟發展速度，涌現出負脫鉤型。不透水面—人口變化的耦合關系整體表現為負脫鉤型。

(3) 不透水面與社會經濟3者之間的耦合協調度受不透水面變化率增長的影響而下降，影響程度呈現先增加后減少的趨勢。