基于DPSIR模型的新疆城市生態韌性評估及影響因素分析

錢田田, 王宏衛, 余芳瑞, 魏一鳴, 尹玉聰, 薛孟琦

(1. 新疆大學 地理與遙感科學學院, 新疆 烏魯木齊 830017;2. 新疆大學 新疆綠洲生態自治區重點實驗室, 新疆 烏魯木齊 830017)

新疆是典型的干旱半干旱區,自然條件較為惡劣.城市作為人口、產業主要集聚區,是新疆生態保護的先行區和主戰場.在生態環境脆弱和外來擾動的雙重壓力下,城市生態保護和治理的核心任務是增強韌性轉變,因此,提高城市應對生態風險的能力成為城市高質量發展的一個重要內容,也是韌性城市未來的發展方向.

韌性作為一種主動探索適應性的調整變化方式[1],與區域高質量發展理念存在共通之處[2],在區域不斷面對外界干擾和沖擊的影響下[3],給區域發展提供了新的思路.韌性從工程韌性、生態韌性發展到演化韌性(社會生態韌性).作為城市韌性的重要維度,城市生態韌性受到國內外學者的廣泛關注.國外生態韌性的相關研究主要圍繞韌性理論[4]、形成機制[5]、優化路徑[6]等內容展開.Holling[7]將生態韌性定義為生態系統在應對自然或人為因素變化時所產生的持續應對性;André等[8]嘗試將生態韌性與城市治理績效相結合,構建復雜系統下的城市生態韌性提升體系.國內研究則主要涉及韌性演化[9]、指標構建[10]和影響因素[11]等方面.夏楚瑜等[12]從抵抗力、適應力和恢復力3個方面構建杭州市生態韌性評估模型,對杭州市生態韌性時空變化格局進行分析,并提出分區管理模式;王婷等[13]從我國高質量發展的需求出發,構建基于高質量發展的城市生態韌性測度框架;王松茂等[14]基于演化韌性理論,在評估和分析山東半島城市群城市生態韌性的時空分異和演進規律的基礎上,采用障礙度模型識別其主要障礙因子.現有的城市生態韌性研究限于概念的不統一,側重分析城市生態系統在受到外來干擾和沖擊后的抵御和恢復能力,較少有在演進韌性視角下對城市生態韌性進行深入探討,難以綜合評估城市生態韌性的內涵機制和高質量發展能力.

鑒于此,本文運用驅動力-壓力-狀態-影響-響應(DPSIR)模型、熵權法、綜合指數法等評估2000-2020年新疆城市的生態韌性,通過地理探測器探測其影響因子,并提出城市生態韌性的提升策略.

1 研究數據及方法

1.1 研究區概況

研究區概況圖,如圖1所示.新疆地廣人稀,城市作為人類活動的主要載體,在具有豐富資源儲備的同時,存在生態環境脆弱,生態承載力低的先天不足問題,社會經濟行為受到客觀自然環境制約,工業生產和農業活動的環境依附性需要保持在較低水平.2000-2020年間,新疆在西部大開發、對口援疆等政策的引導下,經濟水平不斷提升,國民生產總值由1 363.56億元上升到13 797.58億元;基礎設施建設不斷完善,到2020年,新疆高速公路里程已達到5 412.9 km;生態環境遭到破壞,近20年來新疆生態環境的主要情況是局部(內部綠洲)改良,然而整體逐漸惡化,尤其是綠洲周圍的沙漠過渡帶不斷惡化,對綠洲生態環境造成明顯的負面影響.

圖1 研究區概況圖Fig.1 Overview of study area

1.2 數據來源

遵循指標數據獲取的可得性、科學性和系統性,運用DPSIR模型構建新疆城市生態韌性評估體系.研究數據分別來源于美國航空航天局(NASA)、大氣成分分析組、中國科學院資源環境科學數據中心網、NOAA/NCEI美國國家環境信息中心、北京大學地理數據平臺、Openstreetmap、新疆統計年鑒(2001-2021)、中國縣域統計年鑒(2001-2021)、根據2001-2021年各地市統計年鑒、縣域統計年鑒和部分縣級以下統計公報進行補充.由于數據獲取來源較多,對數據進行統一柵格與分辨率處理,重采樣后的數據分辨率為1 000 m.

1.3 研究方法

1.3.1 DPSIR模型 DPSIR模型[15]強調社會經濟發展與環境之間的關系.在DPSIR模型中,經濟和社會因子作為驅動力(D),增加或減輕生態環境壓力(P),造成城市社會-經濟-生態系統狀態(S)發生改變,這些改變對城市資源質量、產業結構、區域發展等方面產生影響(I),并使系統以預防、適應或改善的方式做出響應(R).響應又會反過來促進社會經濟發展,調控環境壓力,并改變城市當前的狀態.DPSIR模型,如圖2所示.

圖2 DPSIR模型Fig.2 DPSIR model

1) 指標體系構建.為準確、客觀地評價新疆城市生態韌性,參考文獻[16-17]的研究,綜合考慮新疆社會經濟發展、生態環境變化、基礎設施建設等特征,構建DPSIR模型下新疆城市生態韌性評價指標體系,共計24項指標,如表1所示.

表1 DPSIR模型下新疆城市生態韌性評價指標體系Tab.1 Evaluation index system of urban ecological resilience in Xinjiang under DPSIR model

2) 數據標準化處理.為了消除原始數據量綱和數值間的差異,需要對數據進行標準化處理,即

(1)

式(1)中：x′為原始數據進行標準化處理后的數值;xi,j為指標的實際值;max(xi,j)為該指標序列的最大值;min(xi,j)為該指標序列的最小值.

3) 熵權法.在進行新疆城市生態韌性評價時,采用客觀賦權方法中的熵權法計算指標權重[19],即

(2)

(3)

dj=1-ej,

(4)

(5)

式(2)～(5)中：pi,j為第j項指標下第i個生態韌性指標值所占的比重;m為新疆城市總數;ej為第j項指標的熵值;dj為第j項指標的冗余度;wj為第j項指標的權重;n為指標個數.

4) 新疆城市生態韌性評價.使用綜合指數法計算新疆城市生態韌性,表達式為

(6)

式(6)中：ERI為新疆城市生態韌性指數;Xj為指標j的標準化值.

1.3.2 全局Moran′sI指數 全局空間自相關主要用于分析地理要素在整個區域內的關聯特征,通常用全局Moran′sI指數(IM)來衡量,其表達式為

(7)

1.3.3 地理探測器 地理探測器是由王勁峰等[20]提出的用于空間數據探索的方法,因子探測器主要用來檢測地理因素和某種指標的變化在空間上是否具有顯著的一致性,其表達式為

(8)

2 研究結果與分析

2.1 新疆城市生態韌性水平演變特征

根據所建立的新疆城市生態韌性評價指標體系,對其生態韌性水平進行評價,分別得到2000年、2010年和2020年新疆城市生態韌性評價指數.運用 ArcGIS中的自然斷點法對新疆城市生態韌性進行分等定級,劃分為5類：Ⅰ類為低韌性(ERI<1.691);Ⅱ類為較低韌性(1.691≤ERI≤1.941);Ⅲ類為中等韌性(1.941≤ERI≤2.201);Ⅳ類為較高韌性(2.201≤ERI≤2.556);Ⅴ類為高韌性(ERI>2.556).

2.1.1 時間演變規律 計算得到的2000-2020年的新疆城市生態韌性等級劃分,如圖3所示.由圖3可知：新疆城市生態韌性水平整體得到提升,城市生態韌性綜合指數平均值分別為1.885(2000年),2.162(2010年),2.253(2020年).新疆85個城市中生態韌性水平提升速度最快的是奎屯市,由1.751增加為2.688,而且末縣、塔城市和烏魯木齊縣生態韌性水平呈現負增長.

(a) 2000年 (b) 2010年 (c) 2020年圖3 2000-2020年新疆城市生態韌性等級劃分Fig.3 Classification of urban ecological resilience levels in Xinjiang from 2000 to 2020

新疆城市生態韌性等級變化,如圖4所示.由圖4可知：2000年城市的Ⅰ類生態韌性水平在2020年大部分優化到Ⅱ類和Ⅲ類生態韌性水平,很難躍遷到Ⅳ類及Ⅴ類生態韌性水平;2000-2010年,Ⅰ類和Ⅱ類城市數由53個減少至18個,Ⅲ類、Ⅳ類和Ⅴ類城市數由32個增加到67個;2010-2020年,Ⅰ類和Ⅱ類城市數由18個變為10個,Ⅲ類城市數由32個變為21個,Ⅳ類城市數由31個增加到48個,Ⅴ類城市數由4個增加到6個.產生這一變化的原因主要是20年間新疆城市經濟迅速發展,社會事業不斷完善,生態環境逐步變好.經濟上,2000-2020年,新疆85個城市人均GDP總值由7 372元增加到23 845元,作為中國重要的農牧業產地,新疆的農業系統產出結構熵和農業產出系統結構轉換率隨著科學技術水平不斷完善,提升明顯;社會事業上,地方財政支出由124.96萬元提高至3 480.46萬元,醫療衛生機構、福利機構、學校和交通道路等公共基礎設施建設水平逐步完善;生態環境上,單位GDP工業SO2排放量和單位GDP工業PM2.5濃度逐步降低,說明在工業生產上更加注意污染物的排放,但空氣質量整體有所下降,土壤侵蝕、植被退化、林草覆蓋率降低等問題不容忽視.

圖4 新疆城市生態韌性等級變化Fig.4 Changes in urban ecological resilience levels in Xinjiang

從指標體系的5個維度來看,這20年間,驅動力小幅度增強,說明近20年新疆城市社會經濟發展速度一直保持增長;壓力在顯著增強后又明顯下降,說明2010年后,新疆各城市開始注重排污減污和環境保護;狀態不斷變好,說明系統對壓力的轉化能力不斷優化;影響改變不大,說明在快速發展的同時,相應的配套設施也在同步發展;響應不斷提升,說明基礎設施和服務能力不斷完善.

2.1.2 空間演變規律 1) 新疆城市生態韌性空間相關性.利用ArcGIS軟件中的空間分析工具,得出2000-2020年新疆城市生態韌性水平的全局Moran′sI指數,如表2所示.表2中：Z為標準差的倍數;P為顯著性.由表2可知：2000-2020年,新疆城市生態韌性全局Moran′sI指數均通過了Z統計量檢驗,Z≥2.58,且P≤0.01,新疆城市生態韌性之間存在顯著的正相關關系,即城市生態韌性指數不論高低,在空間上都呈現集聚的特征.

表2 2000-2020年新疆城市生態韌性全局Moran′s I指數Tab.2 Global Moran′s I index of urban ecological resilience in Xinjiang from 2000 to 2020

2) 新疆城市生態韌性空間異質性.受制于新疆特殊區位和自然環境特征,城市生態韌性空間異質性明顯.在韌性等級劃分中,新疆城市生態韌性水平呈現出北高南低的特征.生態韌性水平為Ⅳ類和Ⅴ類的城市主要集中分布于天山北坡經濟帶,生態韌性水平為Ⅰ,Ⅱ,Ⅲ類的城市雖有所提升,但與Ⅳ類和Ⅴ類城市存在一定差異.產生這種現象的主要原因是生態基礎、經濟加持下的政策傾斜.天山北坡經濟帶的城市在優越的區位條件與豐富的資源優勢的加持下,系統有更強的抗干擾和回穩能力.

2020年新疆城市生態韌性不同維度的空間分異情況,如圖5所示.由圖5可知：從驅動力維度看,新疆城市驅動力整體較弱,多集中于等級Ⅱ,Ⅲ,達到等級Ⅴ的只有4個城市,分別為克拉瑪依市、烏魯木齊市、庫爾勒市和伊吾縣,說明這4個城市社會經濟發展的驅動力較強;從壓力維度看,大部分城市處于高壓力狀態,多處于等級Ⅳ,Ⅴ,僅有若羌縣處于等級Ⅰ,說明該縣城市工業化水平低,產生的污染較小;從狀態維度看,大部分城市處于等級Ⅳ,表明在不同驅動力和壓力影響下,城市生態系統狀態表現較好;從影響維度看,等級較為分散,由于自然本底差異,城市生態系統表現出不同程度的影響水平;從響應維度看,全疆城市整體響應偏低,處于等級Ⅴ的僅有烏魯木齊市,說明新疆城市整體響應能力弱.

(a) ERI (b) 驅動力 (c) 壓力

2.2 新疆城市生態韌性影響因素分析

2.2.1 單因子探測分析 采用ArcGIS自然斷點法對新疆城市生態韌性指標體系中各項指標數值進行離散化,將離散化后的類型量導入地理探測器中進行因子探測,前8位影響因子的探測結果,如表3所示.表3中：q為影響因子對城市生態韌性的決定力.由表3可知：各影響因子對城市生態韌性的決定力存在較大差異.

表3 前8位影響因子的探測結果Tab.3 Detection results of top 8 influencing factors

在驅動力維度中,人均消費水平和城鎮化率能表征城市生態韌性的動力來源,其中,城鎮化率的q值高于人均消費水平,反映出人口向城市的集中是城市生態韌性的主要動力來源.城鎮化率和消費水平的提升是城市發展的主要原因.

在壓力維度中,化肥施用度能夠反映生態系統所面臨的生態威脅情況,其q值為0.186,說明新疆城市間受到化肥施用度的影響較大,化肥施用度為城市生態韌性的主要壓力來源,過度施用化肥對土壤和地下水產生不同程度的污染,直接影響當地作物的產量和人們的日常生活.

在狀態維度中,植被退化和土壤侵蝕能夠反映城市系統的基本情況,其因子決定作用較高,說明植被退化和土壤侵蝕能較大程度地反映新疆城市間的資源環境情況.

在影響維度中,非農產業區位商、林草覆蓋率和空氣質量指數能夠反映城市產業結構、資源質量、生態環境等方面對生態韌性的影響,其中,林草覆蓋率因子q值最高,說明林草資源質量是城市生態韌性產生顯著正效應的關鍵.

2.2.2 交互探測分析 運用地理探測器中的交互探測器探測雙因子對城市生態韌性的共同作用.新疆城市生態韌性因子交互探測結果,如表4所示.圖4中：箭頭表示影響因子兩兩交互的作用值高于單一因子的作用值.

表4 新疆城市生態韌性因子交互探測結果Tab.4 Interactive detection results of urban ecological resilience factors in Xinjiang

由表4可知：8個主要影響因子兩兩交互的作用值均高于單一因子的作用值,表明雙因子的共同作用會增加其對生態韌性水平的解釋力,其中,城鎮化率和林草覆蓋率的交互探測結果最高,為0.615,表明新疆城市生態韌性受城鎮化率和林草覆蓋率的共同影響最大.因此,可以從雙因子的交互作用著手,提升城市生態韌性.

2.3 新疆城市生態韌性優化建議

1) 提升驅動力.把握天山北坡城市群高質量發展的戰略定位,大力發展經濟,吸引并留住人才,以點帶面,輻射全疆,協調推進全疆城市生態建設,通過技術溢出、制度溢出和人才溢出,擴大高生態韌性城市的生態建設輻射帶動作用和示范效應,打破區域城市生態韌性兩極化困境.

2) 化解壓力.在增強壓力轉化的同時,劃定并嚴守生態保護紅線,加強對社會安全事故及城市節能減排的管控力度,鼓勵綠色發展型企業的轉型升級,轉變城市高耗能、高污染的發展模式,堅決不走“先污染,后治理”的老路.

3) 改善狀態.通過制定環境保護規章制度和更新產業結構入手,加快構建多元化現代生態產業體系,完善劣勢地區生態產業鏈、供應鏈建設,以提高經濟穩定性,并合理布局應急產業,有效應對各類風險壓力.

4) 優化影響.通過對城市用地空間的合理布局,降低社會經濟發展對生態環境的壓力,從而有效提升城市生態系統對壓力的適應能力.

5) 提升響應.加強基礎設施建設,完善交通道路網絡體系,提升綜合服務能力,以復合功能為導向布局城市基礎設施,增強城市生態承載能力,加大“人才興疆”戰略實施力度,推動科教深度融合創新,加快科技成果資本化、產業化,有效增強城市生態系統的學習和轉化能力.

3 結論

2000-2020年新疆發展迅速,結合統計數據和遙感數據,建立DPSIR框架下的城市生態韌性評價指標體系,借助地理探測器對城市生態韌性影響因子進行探測并分析,得出以下4點結論.

1) 時間尺度上,隨著生態理念日益完善和落地,新疆在20年間的城市生態韌性水平不斷提升,Ⅰ類、Ⅱ類生態韌性水平的城市明顯減少,Ⅳ類、Ⅴ類生態韌性水平的城市數量逐步增多,但跨越式的韌性躍遷尚不明顯.分階段來看,2000-2010年,新疆城市社會經濟的發展給生態環境帶來了較大的壓力;2010-2020年,新疆在保持經濟快速發展的同時,開始注重響應措施的提升.

2) 空間分布上,新疆城市生態韌性之間呈現顯著的空間正相關性,新疆城市生態韌性具有明顯的區域輻射性;新疆城市生態韌性水平空間異質性明顯,天山北坡經濟帶中的城市生態韌性水平相對較高,各時間結點均表現為北疆城市生態韌性高,南疆城市生態韌性低的特征.

3) 影響新疆城市生態韌性的因子主要為城鎮化率、化肥施用度、植被退化、土壤侵蝕、林草覆蓋率、非農產業區位商、人均消費水平、空氣質量指數;影響因子兩兩交互的作用值均高于單一因子的作用值,其中,城鎮化率和林草覆蓋率的交互探測結果最高,為0.615.

4) 新疆地域廣闊、自然環境復雜,在大力發展經濟的同時,應在綠色生態等思想的引導下,通過合理規劃城市定位提升驅動力,借助嚴格劃定生態保護紅線和發展綠色企業等措施化解壓力,結合制定環境保護規章制度和更新產業結構等策略改善狀態,通過調整用地空間布局來優化影響,并從完善基礎設施和社會保障等方面提升響應,最終實現新疆城市韌性水平的提升.