李可昕,胡 宏,趙慧敏

南京大學建筑與城市規(guī)劃學院, 南京 210093

近年來都市圈和城鎮(zhèn)群建設快速擴張,人類活動所導致的生態(tài)環(huán)境退化不僅對城鎮(zhèn)更對區(qū)域可持續(xù)發(fā)展構成潛在威脅。已有研究表明,一旦生態(tài)風險突破閾值,社會-生態(tài)系統(tǒng)極有可能發(fā)生不可逆轉的變化[1—2]。因此,基于動態(tài)演進視角的區(qū)域社會-生態(tài)系統(tǒng)運行機制解析備受關注。社會-生態(tài)系統(tǒng)(SES)是社會子系統(tǒng)和生態(tài)子系統(tǒng)相互依賴、相互影響、相互作用所形成的復雜適應系統(tǒng)[3],具有非線性、不可預測性、自組織性等特點[4],其交互適應狀態(tài)隨時間推移而發(fā)生變化。已有研究對社會-生態(tài)系統(tǒng)的復雜性分析主要集中在脆弱性、恢復力和適應性三個核心屬性[3,5—6]。社會-生態(tài)系統(tǒng)的三個屬性既相互區(qū)別又相互關聯(lián),既有文獻在測度社會-生態(tài)系統(tǒng)某一個屬性時,會將另外兩個維度作為評價指標,Folke等認為脆弱性與恢復力如同硬幣的兩面,二者構成互補的關系,即對社會-生態(tài)系統(tǒng)恢復力的分析可從反面的脆弱性進行評估[7]。由于適應性包含了脆弱性與恢復力兩種特性,更強調(diào)社會-生態(tài)系統(tǒng)對變化和風險進行調(diào)節(jié)的能力,同時提升系統(tǒng)適應性是脆弱性和恢復力研究的最終目的,更加契合可持續(xù)發(fā)展的主題[8],因此社會-生態(tài)系統(tǒng)適應性的研究成為整合社會-生態(tài)系統(tǒng)脆弱性和恢復力相關研究的突破口[9]和社會-生態(tài)系統(tǒng)研究的重點方向。

社會-生態(tài)系統(tǒng)的交互適應特征可從兩方面解析[10—11]：(1)交互適應階段的循環(huán)往復過程；(2)每個階段系統(tǒng)的差異化應激響應機制。此兩點特征可分別基于適應性循環(huán)理論與PSR框架進行探討。社會-生態(tài)系統(tǒng)的交互適應是一個分階段且不斷循環(huán)的過程。21世紀初,Holling等學者提出多尺度嵌套適應循環(huán)模型,對生態(tài)群落的演替觀點進行延伸和補充[12—13],該理論后被著名國際性學術組織“恢復力聯(lián)盟”嵌套于社會-生態(tài)系統(tǒng)的研究中,成為理解社會-生態(tài)系統(tǒng)內(nèi)部結構演變、系統(tǒng)對外部干擾響應以及系統(tǒng)適應性隨時間演進的重要理論依據(jù)[10,14—15]。具體而言,適應性循環(huán)理論認為社會-生態(tài)系統(tǒng)在受到內(nèi)外擾動時發(fā)生動態(tài)演進,這是一個存在周期的循環(huán)過程：系統(tǒng)在經(jīng)歷快速顯著的開發(fā)階段后達到穩(wěn)定守恒階段,增長速度放緩,更易受到外部干擾而發(fā)生變化；當擾動超出系統(tǒng)可承受的范圍,系統(tǒng)會失衡崩潰,進入重組階段。一個適應性循環(huán)演進過程依次包括快速增長、穩(wěn)定守恒、釋放和重組4個階段[5,14,16],分別用γ、K、Ω、α來表示。γ、K階段為正向循環(huán),此時的系統(tǒng)不斷積累能量、完善功能、向前發(fā)展；Ω、α階段為逆向循環(huán),此時的系統(tǒng)不穩(wěn)定性和風險增加[17—18]。在生態(tài)學、地理學、城鄉(xiāng)規(guī)劃領域,適應性循環(huán)理論為人地系統(tǒng)綜合研究提供了新的思路和可供借鑒的理論框架[6],被廣泛應用于各類不同尺度復雜系統(tǒng)的研究中,包括農(nóng)牧區(qū)[6,19]、濕地[20]、城市及城市群[2,21]、鄉(xiāng)村聚落[22—24]等。研究基于適應性循環(huán)理論評價系統(tǒng)的脆弱性、恢復力和適應性[21,24—27]、可持續(xù)性[28—29]、生態(tài)風險[2,30—31]等要素的動態(tài)變化,探究系統(tǒng)的發(fā)展過程與循環(huán)影響機制。

社會-生態(tài)系統(tǒng)的刺激響應機制在每個階段的作用力大小存在差異。PSR框架基于“壓力(P)-狀態(tài)(S)-響應(R)”的邏輯,可用于全面分析系統(tǒng)在不同發(fā)展階段所面臨的壓力、所處的狀態(tài)及所采取的響應機理差異,為系統(tǒng)進一步的發(fā)展激勵和約束提供參考借鑒。PSR框架最初于1979年由加拿大統(tǒng)計學家David J.Rapport和Tony Friend提出。20世紀80—90年代,經(jīng)濟合作與發(fā)展組織(OECD)和聯(lián)合國環(huán)境規(guī)劃署(UNEP)引入該框架研究環(huán)境問題[32],現(xiàn)在被廣泛應用于土地利用[16,33—34]、生態(tài)安全[35—38]、環(huán)境污染防控[39—40]等領域。PSR框架在研究中用于構建評價指標體系,壓力(P)、狀態(tài)(S)、響應(R)普遍被作為指標體系的準則層[41—46],壓力用以表征造成負面影響的經(jīng)濟社會活動和人類行為,選取指標多為反映經(jīng)濟發(fā)展、城市擴張的要素；狀態(tài)用以表征環(huán)境和自然資源的狀態(tài),選取指標多為反映自然資源數(shù)量、環(huán)境質(zhì)量、結構等的要素；響應用以表征人類為促進可持續(xù)發(fā)展所采取的對策,選取指標多為反映人類自主干預的要素。

適應性循環(huán)理論基于時空動態(tài)適應視角,與社會-生態(tài)系統(tǒng)復雜適應特征相契合,有助于深入理解社會-生態(tài)系統(tǒng)演進過程的不同交互適應階段,但現(xiàn)有基于適應性循環(huán)理論的社會生-態(tài)系統(tǒng)演進的研究較少對系統(tǒng)內(nèi)部子系統(tǒng)之間的交互作用進行定量測度,較少關注不同階段的系統(tǒng)在壓力變化情況下不斷自我調(diào)整的應激演化過程。而PSR框架雖已成為生態(tài)環(huán)境管理領域成熟的定量分析方法[46],但仍缺乏在較長時間序列中,對系統(tǒng)壓力、狀態(tài)、響應要素動態(tài)變化過程的解析。本研究將適應性循環(huán)理論和PSR框架結合,將有助于理解社會-生態(tài)系統(tǒng)在較長時間序列中的交互適應特征,提煉社會-生態(tài)系統(tǒng)發(fā)展演進的規(guī)律。

南京都市圈位于長江中下游地區(qū),作為長三角城市群的重要組成是我國最早啟動建設的跨省都市圈,也是首個由國家發(fā)改委正式批復規(guī)劃的都市圈。該區(qū)域連通長三角東部、中部兩大板塊,銜接長江淮河兩大流域,具有重要的戰(zhàn)略地位[47]。同時,南京都市圈是一個區(qū)域尺度的社會-生態(tài)系統(tǒng),內(nèi)部的城市子系統(tǒng)類型豐富,發(fā)展特征多元。2000年,“南京都市圈”作為一個相對獨立的地理區(qū)域概念被提出,在二十余年的建設中,其社會經(jīng)濟快速發(fā)展,取得了顯著成就,但由此導致的環(huán)境問題也不容忽視。整體而言,都市圈處于動態(tài)變化的適應性循環(huán)過程中,社會子系統(tǒng)與生態(tài)子系統(tǒng)既經(jīng)歷過協(xié)調(diào)發(fā)展時期,也存在相互沖突階段,兩個子系統(tǒng)的不適應發(fā)展可能對都市圈社會-生態(tài)系統(tǒng)的可持續(xù)性產(chǎn)生威脅。本文以南京都市圈為例,分析區(qū)域社會-生態(tài)系統(tǒng)演進特征。如圖1所示,區(qū)域社會-生態(tài)系統(tǒng)的交互適應性隨時間發(fā)展存在多個循環(huán)過程(cycle),在每個循環(huán)過程里的四個階段(γ、K、Ω、α)對應的P、S、R相互作用機制存在差異。在此基礎上探究都市圈社會-生態(tài)系統(tǒng)的發(fā)展規(guī)律,以期為都市圈適應性規(guī)劃提供依據(jù)。

圖1 研究概念框架(根據(jù)文獻[1,16,48]自繪)Fig.1 Research conceptual framework (self drawn according to literature[1,16,48])P: 壓力Pressure; S: 狀態(tài)State; R: 響應Response; γ：快速增長階段；K：穩(wěn)定守恒階段；Ω：釋放階段；α重組階段

1 研究區(qū)域與數(shù)據(jù)來源

1.1 研究區(qū)域概況

南京都市圈以江蘇省南京市為中心,由聯(lián)系緊密的周邊城市共同組成,包括南京、鎮(zhèn)江、揚州、淮安、蕪湖、馬鞍山、滁州、宣城8市全域及常州市金壇區(qū)和溧陽市(圖2)。該區(qū)域面積達6.6萬平方公里,截至2019年末,該區(qū)域總人口約3500萬[49]。

圖2 南京都市圈區(qū)位圖Fig.2 Map of Nanjing metropolitan area

1.2 技術路線

本文具體的技術路線如圖3所示。首先基于PSR框架構建指標體系,對都市圈社會-生態(tài)系統(tǒng)進行評分；然后依據(jù)社會、生態(tài)兩大子系統(tǒng)以及整體系統(tǒng)適應性的發(fā)展趨勢從都市圈及地級市尺度識別適應性階段；進而回溯PSR指標,總結各階段中PSR指標的特征,探究社會子系統(tǒng)與生態(tài)子系統(tǒng)的耦合關系；最后提煉都市圈各城市的適應性循環(huán)類別,為都市圈社會-生態(tài)系統(tǒng)適應性規(guī)劃提供參考。

圖3 研究技術路線Fig.3 Research technology routeNDVI: 歸一化植被指數(shù)Normalized difference vegetation index

1.3 數(shù)據(jù)來源及預處理

本研究所用數(shù)據(jù)包括從2000年到2019年的南京都市圈氣候數(shù)據(jù)、AQI數(shù)據(jù)、空間柵格數(shù)據(jù)和社會經(jīng)濟數(shù)據(jù)。AQI數(shù)據(jù)來自環(huán)境云地理大數(shù)據(jù)平臺,研究抓取了各個城市歷年的AQI數(shù)值；氣候數(shù)據(jù)來自城市統(tǒng)計年鑒和國家氣象科學數(shù)據(jù)中心,選取1—12月的月平均氣溫以及6—8月的降水量數(shù)據(jù)；溫度空間數(shù)據(jù)來自WorldClim 數(shù)據(jù)庫,選取每年7月最高溫數(shù)據(jù)柵格；碳排放數(shù)據(jù)來自中國碳核算數(shù)據(jù)庫,NDVI數(shù)據(jù)來自中國科學院地理科學與資源研究所的年度NDVI柵格數(shù)據(jù),為每年1—12個月份的月NDVI數(shù)值最大值。社會經(jīng)濟數(shù)據(jù)來自城市統(tǒng)計年鑒和統(tǒng)計公報,涵蓋經(jīng)濟發(fā)展、民生福祉、污染排放、科教投入等方面(表1)。對于數(shù)據(jù)集中的缺失值,使用回歸插值法進行插補。

本研究以地級市作為最小尺度的研究單元,因此對于空間柵格數(shù)據(jù),將其二次計算所得的值賦予對應地級市,以便后續(xù)統(tǒng)一計算：以行政區(qū)內(nèi)柵格溫度值的極差表征對應地級市的熱島風險指數(shù),以地級市范圍內(nèi)雨季降水總量與匯流累積量超過一定值的柵格占比的乘積作為對應地級市的內(nèi)澇風險指數(shù),藍綠空間覆蓋率則為地級市范圍內(nèi)柵格的NDVI均值。

表1 研究數(shù)據(jù)來源(2000—2019年)

2 研究方法

2.1 基于PSR框架的指標體系構建

本文分別構建社會子系統(tǒng)與生態(tài)子系統(tǒng)的PSR評價指標?？紤]指標的科學性和可獲取性,同時保證指標間相關系數(shù)小于0.80,最后確定16個細分指標(表2)。子系統(tǒng)的壓力增大導致系統(tǒng)整體適應性降低,壓力主要來源于人類活動產(chǎn)生的有害物質(zhì)和生態(tài)子系統(tǒng)中由自然原因?qū)е碌臒釐u、霧霾和內(nèi)澇風險,因此用單位GDP工業(yè)廢水排放量和單位GDP二氧化硫排放量和單位GDP表觀二氧化碳排放量表征來自社會子系統(tǒng)的壓力[54],用熱島風險、空氣污染風險和內(nèi)澇風險表征來自生態(tài)子系統(tǒng)的壓力[3,55]。子系統(tǒng)良好的狀態(tài)有利于系統(tǒng)穩(wěn)定運轉,保證系統(tǒng)適應性處于較高水平。本研究選擇人均GDP、城鎮(zhèn)化率、人均糧食產(chǎn)量表征社會子系統(tǒng)的狀態(tài)[56],選擇藍綠空間覆蓋率、氣候適宜度、空氣良好或以上天數(shù)占比表征生態(tài)子系統(tǒng)的狀態(tài)[57]。子系統(tǒng)的響應能力增強意味著系統(tǒng)應對外部風險與內(nèi)部矛盾的能力提升。本研究用植物固碳量表征生態(tài)子系統(tǒng)的響應能力,固碳能力強的區(qū)域往往能更好地應對風險[58],同時該指標在計算時考慮了植物多樣性、覆蓋率、生長情況等多方面因素[59],因此該指標能夠反應生態(tài)子系統(tǒng)綜合響應能力,即應對外部風險與內(nèi)部矛盾的能力；用科教投入占比、人均衛(wèi)生機構床位數(shù)、城鎮(zhèn)居民人均可支配收入表征社會系統(tǒng)的響應能力,因為具有良好的教育和醫(yī)療水平在面對風險時具有有效的應對能力[55]。

表2 基于PSR框架的社會-生態(tài)系統(tǒng)適應性評價體系

2.2 社會-生態(tài)系統(tǒng)適應性階段識別方法

依據(jù)都市圈各城市社會-生態(tài)系統(tǒng)整體與社會、生態(tài)兩個子系統(tǒng)的變化特征進行所處適應性循環(huán)階段的識別。

2.2.1歸一化處理

上述PSR指標的單位和維度不同,為統(tǒng)一衡量標準,均通過極差法歸一化處理各指標數(shù)據(jù)。

正向指標：

(1)

負向指標：

(2)

2.2.2 社會生態(tài)適應性水平核算

對歸一化的各項指標加權求和,得到兩個子系統(tǒng)的壓力指數(shù)、狀態(tài)指數(shù)和響應指數(shù)[35]：

(3)

(4)

(5)

將社會子系統(tǒng)三類指數(shù)疊加,得到社會子系統(tǒng)的適應性得分：

SESPs=Pcj×wp+Scj×ws+Rcj×wr

(6)

式中,wp、ws和wr分別是社會子系統(tǒng)中壓力、狀態(tài)和響應指標的權重,本研究認為三個指標重要程度相同因此賦予相等權重。

同理可計算生態(tài)子系統(tǒng)適應性(SESPe)。將社會子系統(tǒng)適應性與生態(tài)子系統(tǒng)適應性相加得出社會-生態(tài)系統(tǒng)的總適應性：

SESP= SESPs+ SESPe

(7)

最后計算社會-生態(tài)系統(tǒng)與社會、生態(tài)兩個子系統(tǒng)適應性相對于上一年的變化率。

2.2.3聚類分析與適應性階段特征識別

研究分為都市圈尺度和城市尺度：都市圈尺度下,對2001—2019各年對前一年的南京都市圈社會子系統(tǒng)適應性、生態(tài)子系統(tǒng)適應性和社會-生態(tài)系統(tǒng)適應性三個系統(tǒng)的適應性得分的變化率進行K-means聚類；城市尺度下,對2001—2019各年對前一年的城市社會-生態(tài)系統(tǒng)對應的適應性得分的變化率進行K-means聚類,聚類數(shù)均設定為4。在穩(wěn)定聚類的前提下,對照聚類結果,根據(jù)每個分類的最大值、最小值與平均值歸納每類得分特征。

依據(jù)適應性循環(huán)理論,在社會-生態(tài)系統(tǒng)的適應性循環(huán)過程中,社會子系統(tǒng)受到人為干擾后會產(chǎn)生快速的、大幅的變化,而生態(tài)子系統(tǒng)的變化則相對緩慢滯后,因此在同一時間段內(nèi)社會子系統(tǒng)與生態(tài)子系統(tǒng)常常表現(xiàn)出“不協(xié)調(diào)”的演進特征[10,29,60—61]?？焖僭鲩L階段的社會-生態(tài)系統(tǒng)整體處于上升階段,其功能結構不斷完善,但此時社會子系統(tǒng)快速發(fā)展可能以犧牲生態(tài)子系統(tǒng)為代價；穩(wěn)定守恒階段的社會-生態(tài)系統(tǒng)整體仍處于上升階段,但發(fā)展速度放緩,各類風險不斷累積,系統(tǒng)調(diào)控能力下降；當社會-生態(tài)系統(tǒng)處于釋放階段時,系統(tǒng)整體適應性以及子系統(tǒng)適應性皆下滑,此時的系統(tǒng)受到各類風險和矛盾威脅,處于危險之中；重組階段的系統(tǒng)正經(jīng)歷適應性的調(diào)整,整體適應性和子系統(tǒng)適應性都處于緩慢回升中。經(jīng)歷重組階段后,系統(tǒng)會再次經(jīng)歷新一輪循環(huán)(表3)。

表3 適應性循環(huán)階段特征

基于適應循環(huán)理論對不同階段都市圈社會-生態(tài)系統(tǒng)進行分析,初步確定每個類別對應的適應性循環(huán)階段。最后考慮社會-生態(tài)系統(tǒng)在演化中的先后次序與連貫性,對個別年份、城市的聚類結果進行修正。

2.3 子系統(tǒng)相關度分析

對社會子系統(tǒng)與生態(tài)子系統(tǒng)進行相關分析,公式如下[62]：

(8)

式中,Cov(X,Y)為X,Y的協(xié)方差,D(X)、D(Y)分別為X、Y的方差。

3 結果與分析

3.1 城市尺度社會-生態(tài)系統(tǒng)適應性演進過程

3.1.1城市尺度社會與生態(tài)子系統(tǒng)演進特征

如圖4所示,南京都市圈中10個城市的社會子系統(tǒng)適應性在近20年間基本呈現(xiàn)上升趨勢,少部分城市的社會子系統(tǒng)適應性存在大幅波動現(xiàn)象,如滁州市、金壇區(qū)、溧陽市和揚州市。南京都市圈中10個城市的生態(tài)子系統(tǒng)適應性在近20年期間波動較大。在2013年前后,幾乎所有城市出現(xiàn)了生態(tài)子系統(tǒng)適應性大幅下滑的情況。生態(tài)子系統(tǒng)適應性的釋放對城市產(chǎn)生了長遠的影響,多數(shù)城市花費超過3年的時間“扭虧為盈”,但多數(shù)城市生態(tài)子系統(tǒng)的適應性仍然沒有回到衰退前的水平。

對都市圈內(nèi)各市、區(qū)的社會子系統(tǒng)得分和生態(tài)子系統(tǒng)得分分別進行相關性分析(圖5),相關系數(shù)>0為正相關,表示兩個變量同向變化,相關系數(shù)<0為負相關,表示兩個變量反向變化。根據(jù)數(shù)理統(tǒng)計常用判斷方法將相關性劃分為高度相關(0.8≤相關系數(shù)絕對值<1.0)、中度相關(0.5≤相關系數(shù)絕對值<0.8)、低度相關(0.3<相關系數(shù)絕對值在≤0.5)和基本不相關(0<相關系數(shù)絕對值≤0.3)[63]。結果顯示鎮(zhèn)江、馬鞍山、金壇、揚州、滁州、蕪湖、宣城的社會子系統(tǒng)與生態(tài)子系統(tǒng)的發(fā)展呈現(xiàn)中度負相關；溧陽的社會與生態(tài)兩個子系統(tǒng)的發(fā)展呈現(xiàn)低度負相關,但由于相關系數(shù)接近0.5的閾值,故而可認為是中低度負相關。多數(shù)城市的社會子系統(tǒng)得分和生態(tài)子系統(tǒng)得分相關系數(shù)為負值,表明這些城市在發(fā)展過程中,其社會子系統(tǒng)與生態(tài)子系統(tǒng)處于此消彼長的關系,即二者需要以犧牲對方為代價獲得自身發(fā)展。南京都市圈多數(shù)城市的環(huán)保相關政策、條例在2010年后陸續(xù)出臺,各城市也采取了實質(zhì)行動,例如鎮(zhèn)江市從2012年開始對重點污染源進行監(jiān)督并公示[64]、滁州市從2011對水污染防治進行全面部署；2015年后相關政策、條例的出臺更為密集,說明生態(tài)子系統(tǒng)在此后受到更多關注和保護。淮安市的社會子系統(tǒng)和生態(tài)子系統(tǒng)在2011年以前正相關性極高,之后生態(tài)子系統(tǒng)緩慢增長,但總體仍處于上升趨勢,所以兩個子系統(tǒng)20年總體表現(xiàn)出正相關特點,表明淮安市的社會與生態(tài)子系統(tǒng)協(xié)調(diào)性較好。這是淮安市政府多年來在城市建設與環(huán)境保護方面的平衡結果。淮安市一直以來積極推進環(huán)境保護相關工作的開展,定期編制環(huán)境保護五年規(guī)劃和年度計劃,早在“十一五”期間完成了環(huán)境監(jiān)測、環(huán)境監(jiān)理、環(huán)境宣教的標準化建設[65]。

圖4 城市尺度社會-生態(tài)系統(tǒng)適應性的動態(tài)演進Fig.4 Dynamic evolution of Social-ecological system adaptability at urban scale

圖5 城市尺度社會與生態(tài)子系統(tǒng)發(fā)展相關性分析 Fig.5 Correlation analysis of urban scale social and ecological subsystems development

3.1.2城市尺度社會-生態(tài)系統(tǒng)演進階段識別與評價

南京都市圈社會-生態(tài)系統(tǒng)的聚類結果顯示：處于快速增長階段(γ)的城市,其系統(tǒng)得分增長率最大,各系統(tǒng)壓力最小、生態(tài)系統(tǒng)處在最好的狀態(tài)；處于穩(wěn)定守恒階段(K)的城市,其系統(tǒng)增長速度放緩,社會子系統(tǒng)狀態(tài)達到峰值,但與此同時社會和生態(tài)子系統(tǒng)的壓力也在增大；處于釋放階段(Ω)的城市,其壓力指標得分最低,表示壓力在此時達到最大,但系統(tǒng)響應指標卻處于較低水平,故此時的城市社會-生態(tài)系統(tǒng)處于最不穩(wěn)定的階段；處于重組階段(α)的城市,其社會與生態(tài)子系統(tǒng)壓力較上一階段有所下降,響應指標得分處于最高,狀態(tài)指標有所回升(圖6)。

圖6 城市尺度各階段PSR指標得分均值統(tǒng)計Fig.6 Statistics of PSR index mean scores at various stages of urban scale圖中數(shù)據(jù)為響應階段所有城市在對應維度得分的均值,由于前期對數(shù)據(jù)進行了標準化,故對于壓力指標,得分越高代表壓力越小

自2000年至2019年,南京都市圈各城市的社會-生態(tài)系統(tǒng)適應性呈上升趨勢,平均增幅為27%,其中淮安市、南京市和金壇區(qū)的增幅最大,超過30%；宣城市和滁州市的增幅最小,低于25%。各城市社會-生態(tài)系統(tǒng)適應性波動最大的時期多數(shù)集中在2003年和2013年前后,都市圈內(nèi)大量城市在這段時期進入適應循環(huán)的釋放期(Ω)。2003年前后,除南京市之外,其余城市的社會、生態(tài)子系統(tǒng)適應性出現(xiàn)了不同程度的下滑,其中馬鞍山市是2003年社會-生態(tài)系統(tǒng)整體適應性下滑最為嚴重,達到16%；60%城市的生態(tài)子系統(tǒng)適應性在此時下滑,40%城市的社會子系統(tǒng)適應性在此時下滑。就細分指標來看,該時期內(nèi),各市人均糧食產(chǎn)量和科教投入占比下降,社會子系統(tǒng)狀態(tài)退化、響應不足是造成其適應性得分下降的主要原因,2003年“非典”在各地爆發(fā),對城市社會系統(tǒng)造成較大沖擊,疫情過后城市社會系統(tǒng)恢復需要時間,因此發(fā)展速度下降甚至出現(xiàn)倒退；而該時期內(nèi)空氣污染風險的提高,植物固碳量和氣候適宜度的下降,造成生態(tài)子系統(tǒng)壓力增大響應不足,可能是由于2000前后城市建設對生態(tài)環(huán)境造成的負面影響逐漸累加的結果。2013年前后社會-生態(tài)系統(tǒng)適應性下滑的城市占70%,該時期內(nèi)80%的城市生態(tài)子系統(tǒng)適應性得分下降,生態(tài)子系統(tǒng)的衰退是社會-生態(tài)系統(tǒng)整體不穩(wěn)定的主要原因。

3.1.3城市社會-生態(tài)系統(tǒng)分類

根據(jù)社會-生態(tài)系統(tǒng)適應性演進特征,將南京都市圈的市、區(qū)分為4類。類別一穩(wěn)定增長型城市的系統(tǒng)發(fā)展過程中波動較小；類別二波動增長型城市的系統(tǒng)發(fā)展速度高于類別一,且波動也較大；類別三不均衡發(fā)展型城市的社會子系統(tǒng)發(fā)展速度高于類別一和類別二,但生態(tài)子系統(tǒng)整體發(fā)展表現(xiàn)出輕微倒退；類別四生態(tài)危機型城市的生態(tài)子系統(tǒng)呈現(xiàn)更明顯的倒退,系統(tǒng)發(fā)展波動較強(表4)。

表4 南京都市圈城市分類與特征

3.2 都市圈尺度系統(tǒng)適應性評價

3.2.1都市圈社會子系統(tǒng)和生態(tài)子系統(tǒng)演進評價

就南京都市圈整體而言,社會子系統(tǒng)適應性演進表現(xiàn)出持續(xù)上升的趨勢,上升階段占全階段的比例接近95%,其中44%階段的增速超過15%。表明在2000至2019年期間,南京都市圈的城市建設對其社會子系統(tǒng)的影響較大。2003年都市圈社會子系統(tǒng)適應性出現(xiàn)短暫下滑,主要原因在于“壓力”指標中,單位GDP排放量有所增加而“狀態(tài)”指標中的人均糧食產(chǎn)量、“響應”指標中的科教投入占比、人均衛(wèi)生床位數(shù)和城鎮(zhèn)居民可支配收入均有所下降,可能是 “非典”疫情導致城市社會子系統(tǒng)適應性減弱。

南京都市圈生態(tài)子系統(tǒng)適應性演進表現(xiàn)出波動的特征,上升階段占全階段比例為74%,其中超過一半的階段增速低于15%,增速緩慢。表明在2000至2019年期間,南京都市圈的城市建設對其生態(tài)子系統(tǒng)造成較多負面影響。2011年至2013年是生態(tài)子系統(tǒng)適應性連續(xù)下滑的階段,該過程持續(xù)了兩年。在這個階段,都市圈包含熱島、空氣污染和內(nèi)澇在內(nèi)的風險顯著提升,都市圈在這段時期城郊溫差提升了0.5攝氏度,AQI年均值增加了近6分,2013年都市圈工業(yè)廢氣排放總量相比2011年增加了40%,氣候適宜度和空氣良好或以上天數(shù)占比也在同時降低(表5)。

表5 部分關鍵指標變化(2011—2013年)

氣候適宜度指標得分越高表示適宜度越低

工廠污染是造成該階段都市圈適應性下滑的主要原因,鎮(zhèn)江、揚州、蕪湖等多地爆發(fā)了影響惡劣的污染事件[66—69],建筑工地揚塵、機動車尾氣排放、秸稈焚燒也對生態(tài)子系統(tǒng)造成不小壓力[70—71],同時這一階段城市快速擴張導致生態(tài)空間銳減,這使得生態(tài)子系統(tǒng)自身的響應能力被削弱。2015年后,都市圈各市密集出臺污染應急預案、環(huán)保計劃,針對污染防控采取實際行動[72—74],此后都市圈生態(tài)子系統(tǒng)適應性開始緩慢回升,增速在2017年后顯著提升。

圖7 南京都市圈社會與生態(tài)子系統(tǒng)演進動態(tài)Fig.7 Evolution dynamics of social and ecological subsystems in Nanjing metropolitan area

對2000年至2019年都市圈內(nèi)的八個地級市與一區(qū)一縣的社會子系統(tǒng)得分和生態(tài)子系統(tǒng)得分進行相關性分析,得出二者相關系數(shù)為-0.45,表明社會子系統(tǒng)和生態(tài)子系統(tǒng)發(fā)展呈中低度負相關,說明在當下的城市發(fā)展中,社會與生態(tài)兩個子系統(tǒng)的發(fā)展存在不協(xié)調(diào)。

3.2.2都市圈社會-生態(tài)系統(tǒng)適應性階段識別結果

如表6所示,都市圈處于快速增長階段(γ)時,其系統(tǒng)狀態(tài)和相應指標的得分增長率最大,但生態(tài)子系統(tǒng)壓力得分減少,表示壓力在該階段增大；都市圈處于穩(wěn)定守恒階段(K)時,其系統(tǒng)狀態(tài)和響應得分的增長速度放緩,與此同時社會子系統(tǒng)壓力開始增大,生態(tài)子系統(tǒng)的壓力增速變大；都市圈處于釋放階段(Ω)時,系統(tǒng)相應指標得分顯著下滑,壓力增大,尤其是生態(tài)子系統(tǒng)在這一階段經(jīng)歷了全方位的衰退,只有社會子系統(tǒng)狀態(tài)指標得分在緩慢上升,此時的系統(tǒng)處于極不穩(wěn)定的階段；都市圈處于重組階段(α)時,系統(tǒng)壓力減小,系統(tǒng)與子系統(tǒng)的狀態(tài)均重回上升態(tài)勢,響應指標得分也開始緩慢增長。

表6 南京都市圈社會生態(tài)適應性分維度得分變化率均值

整體來看,自2000年至2019年,南京都市圈社會生態(tài)適應性呈上升趨勢,且適應性上升的階段超過全階段的80%,表明過去近二十年里都市圈整體發(fā)展良好,社會-生態(tài)系統(tǒng)的交互適應能力在循環(huán)往復中逐漸上升,隨著國家和地方政府對生態(tài)環(huán)境保護和修復的日益重視,生態(tài)子系統(tǒng)適應性性在未來仍有提升空間。僅有2003年、2008年和2013年的社會生態(tài)適應性呈現(xiàn)下降趨勢,主要是由生態(tài)子系統(tǒng)適應性下滑造成的。說明城市發(fā)展對生態(tài)環(huán)境造成負面影響,而生態(tài)環(huán)境惡化對整個都市圈社會-生態(tài)系統(tǒng)的適應性造成沖擊。社會-生態(tài)系統(tǒng)經(jīng)歷了3個適應周期。第一個周期中,都市圈GDP和城鎮(zhèn)化率迅速增長,風險壓力累加但系統(tǒng)響應能力并不高,同時該階段區(qū)域發(fā)展較不平衡,都市圈的協(xié)調(diào)、持續(xù)發(fā)展受到阻礙[75],各種因素的累加導致了2002—2003年的釋放階段。第二個周期始于2003年,系統(tǒng)適應性在2003—2007年顯著回升,都市圈從“非典”疫情中逐漸復蘇,2006年底,南京都市圈經(jīng)濟總量超過7300億元,取得一定發(fā)展成果[76],2007年都市圈發(fā)展又遇瓶頸,此前南京都市圈城鎮(zhèn)化工業(yè)化加速發(fā)展,多數(shù)城市處于第二產(chǎn)業(yè)占比增長,第三產(chǎn)業(yè)占比下降的階段[77],地區(qū)面臨發(fā)展低效的問題,這一進程侵占了大量生態(tài)空間,直接導致了生態(tài)環(huán)境承載力不足；第三個周期中社會子系統(tǒng)一直處于較穩(wěn)定的上升趨勢但系統(tǒng)壓力有所增加,周邊城市的產(chǎn)業(yè)在該階段逐步優(yōu)化,都市圈經(jīng)濟結構也逐步從點軸結構趨于網(wǎng)絡結構[78],2012年的轉折也是由于生態(tài)子系統(tǒng)適應性下滑所致,該階段內(nèi)系統(tǒng)壓力再次上升到較高水平,2013年以后,系統(tǒng)整體發(fā)展速度較緩慢且生態(tài)子系統(tǒng)發(fā)展波折,屬于“重組階段”；從2018年開始,兩個子系統(tǒng)和系統(tǒng)整體具備了“快速增長階段”應有的特征,系統(tǒng)重新進入快速增長階段(γ),并開始了新一輪的適應性循環(huán)(圖8)。

圖8 南京都市圈社會-生態(tài)系統(tǒng)適應性演進動態(tài)與循環(huán)周期Fig.8 Adaptive evolution dynamics and cycle of social-ecological system in Nanjing metropolitan area

4 討論與結論

4.1 討論

4.1.1基于社會-生態(tài)系統(tǒng)適應性動態(tài)變化的區(qū)域生態(tài)治理策略

區(qū)域社會生態(tài)適應性演進的過程是動態(tài)的,區(qū)域內(nèi)各個城市彼此聯(lián)系,相互影響[79—80]。區(qū)域?qū)崿F(xiàn)整體最優(yōu),不僅需要平衡社會與生態(tài)子系統(tǒng)的關系,避免犧牲環(huán)境效益的“粗放式發(fā)展”,同時也要在做好頂層設計的前提下為處于不同階段的城市制定差異化的發(fā)展戰(zhàn)略。

根據(jù)南京都市圈過去20年里三個循環(huán)周期年逐漸增長的演變規(guī)律,新一輪循環(huán)經(jīng)歷的時間很可能大于十年,且循環(huán)中各個階段演化所需時間也會相應增加,快速增長的趨勢還將持續(xù)一段時間,隨后增速放緩進入長時間的穩(wěn)定守恒階段,這一階段的都市圈的適應性將保持穩(wěn)定的小幅增長。21世紀以來,南京都市圈社會-生態(tài)系統(tǒng)適應性的波動與衰退基本上由生態(tài)子系統(tǒng)適應性下滑造成。社會子系統(tǒng)的正向演進,以及它與生態(tài)子系統(tǒng)適應性發(fā)展的負相關性表明都市圈在以往的發(fā)展中,為追求社會經(jīng)濟效益犧牲了生態(tài)環(huán)境效益,從長遠來看會導致區(qū)域生態(tài)風險增大,危及整個社會-生態(tài)系統(tǒng)穩(wěn)定。在未來追求區(qū)域高質(zhì)量發(fā)展的大背景下,都市圈治理需要轉變發(fā)展觀念和發(fā)展路徑,省級和市級政府通過出臺相關調(diào)控措施,加強對生態(tài)空間的保護和對重點生態(tài)屏障的修復,同時還需要推動生態(tài)環(huán)境聯(lián)防聯(lián)治和區(qū)域?qū)用娴闹腔壑卫?共同構建區(qū)域生態(tài)安全格局。在此前提下,都市圈生態(tài)子系統(tǒng)適應性將持續(xù)改善,與社會子系統(tǒng)趨于協(xié)調(diào)發(fā)展。同時,在都市圈跨行政區(qū)域治理實踐中,需要分層級部署跨區(qū)域的職能部門,切實發(fā)揮都市圈決策層、協(xié)調(diào)層和執(zhí)行層的作用。此外,由于都市圈社會-生態(tài)系統(tǒng)具有動態(tài)演進的特點,需要根據(jù)其所處階段與發(fā)展特征對都市圈的發(fā)展計劃進行修正,通過正向引導加強對風險的響應,確保都市圈整體優(yōu)化發(fā)展。

就城市尺度而言,目前南京都市圈的發(fā)展存在很大程度的不均衡,城市間社會-生態(tài)系統(tǒng)適應性差距較大。因此都市圈的發(fā)展需要促進中心城市與周邊城市更高質(zhì)量一體化發(fā)展為導向,在產(chǎn)業(yè)體系協(xié)作分工、基礎設施互聯(lián)互通、生態(tài)環(huán)境共保共治等方面提升都市圈一體化發(fā)展的水平[49]。針對處于穩(wěn)定守恒階段的宣城、南京等市,其社會子系統(tǒng)適應性均處于增長趨勢中,生態(tài)子系統(tǒng)適應性也在平穩(wěn)發(fā)展中有所提高,面對新的發(fā)展形勢,城市應著力提升系統(tǒng)韌性,可以適當發(fā)展綠色產(chǎn)業(yè)、培育低碳服務業(yè),同時開展智慧生態(tài)治理,使子系統(tǒng)適應性穩(wěn)中有升；針對處于快速增長階段的淮安、滁州等市社會子系統(tǒng)過快增長可能造成生態(tài)子系統(tǒng)“透支”,存在生態(tài)環(huán)境惡化的可能性,為日后釋放階段埋下隱患。因此當前處于該階段的城市需要在提升城市發(fā)展水平的同時關注社會子系統(tǒng)和生態(tài)子系統(tǒng)的協(xié)調(diào)發(fā)展,通過完善環(huán)境保護相關條例規(guī)范、出臺污染防控相關政策、推廣清潔能源、保護生態(tài)多樣性等方式改善生態(tài)子系統(tǒng)質(zhì)量,提升生態(tài)子系統(tǒng)對風險的響應水平。

“雙碳”目標提出后,各個城市積極響應,起草編制相關文件,提出各類減排增匯措施,例如南京市編制了《南京市2030年前碳達峰行動總體實施方案》和《南京市綠色低碳循環(huán)發(fā)展三年行動計劃》、揚州市提出將編制專項方案和溫室氣體清單、蕪湖市提出“以碳達峰碳中和倒逼高質(zhì)量發(fā)展”的行動計劃等。這些舉措將對社會-生態(tài)系統(tǒng)的發(fā)展產(chǎn)生積極作用,促進系統(tǒng)在較長一段時間內(nèi)正向循環(huán),即保持在快速發(fā)展或穩(wěn)定守恒階段,同時社會子系統(tǒng)和生態(tài)子系統(tǒng)也有望趨于協(xié)調(diào)。

4.1.2適應性循環(huán)理論對解析區(qū)域社會-生態(tài)系統(tǒng)運行機制的價值

區(qū)域社會-生態(tài)系統(tǒng)作為復雜適應系統(tǒng),其演變呈現(xiàn)非線性、復雜性的特征,但系統(tǒng)的變化并非完全無章可循。與既往研究采用的歷史分析法或綜合指標法不同,適應性循環(huán)理論與PSR框架與區(qū)域系統(tǒng)動態(tài)、復雜、相互影響的特征相契合,對深刻理解系統(tǒng)中的人地交互關系具有重要價值[6]。本研究以南京都市圈為例,驗證了都市圈社會-生態(tài)系統(tǒng)的動態(tài)演進符合適應性循環(huán)規(guī)律,并識別出系統(tǒng)的不同適應性循環(huán)階段。該方法對于城市及區(qū)域社會-生態(tài)系統(tǒng)的適應性階段識別具有普適性,能夠推廣用于其他城市、城鎮(zhèn)群、都市圈等不同尺度的社會-生態(tài)系統(tǒng)研究。

隨著我國雙碳目標提出,氣候變化帶來的危機與挑戰(zhàn)受到廣泛關注。未來可將碳排、碳匯作為重要指標納入?yún)^(qū)域社會-生態(tài)系統(tǒng)適應性評估,關注區(qū)域和城市的碳排碳匯在不同適應循環(huán)階段的規(guī)律,將有利于系統(tǒng)對氣候變化及時作出響應。此外,隨著未來數(shù)據(jù)采集方法的改進和技術的提升,區(qū)縣級等更精細尺度的社會-生態(tài)系統(tǒng)演進特征也可做深入探討。

4.2 結論

本研究結合適應性循環(huán)理論與PSR框架,從都市圈和城市兩個尺度定量評估南京都市圈社會-生態(tài)系統(tǒng)適應性演進過程。2000年至2019年,南京都市圈社會-生態(tài)系統(tǒng)整體經(jīng)歷了3個適應周期,并于2018年開始了新一輪的適應性循環(huán),系統(tǒng)適應性呈上升趨勢。南京都市圈城市發(fā)展對社會子系統(tǒng)產(chǎn)生的多為正向影響,而對生態(tài)子系統(tǒng)造成的影響則造成相對較多的負面影響,主要表現(xiàn)在使生態(tài)子系統(tǒng)壓力上升、狀態(tài)失穩(wěn)等。但在2015年后,生態(tài)子系統(tǒng)適應性下滑趨勢得到遏制,逐漸回升,這可能與各市、區(qū)《 “十三五”生態(tài)環(huán)境保護規(guī)劃》及各類污染防治專項計劃的制定、環(huán)保制度的改革、環(huán)境監(jiān)測及執(zhí)法的加強相關。

南京都市圈社會子系統(tǒng)與生態(tài)子系統(tǒng)的發(fā)展曲線呈中低度負相關。地級市層面,90%的城市的社會與生態(tài)子系統(tǒng)的發(fā)展同樣呈現(xiàn)負相關的特征,表明都市圈過去的發(fā)展模式在社會和生態(tài)兩個方面尚未取得協(xié)調(diào)。

各地級市社會-生態(tài)系統(tǒng)在2000年至2019年間的發(fā)展同樣印證了適應性循環(huán)理論,少數(shù)城市目前處于穩(wěn)定守恒階段(宣城、南京、蕪湖、溧陽)；多數(shù)城市處于快速發(fā)展階段(淮安、金壇、馬鞍山、滁州、揚州、鎮(zhèn)江)。都市圈內(nèi)的城市由于所處發(fā)展階段不同,未來需要采取差異化的發(fā)展策略：類別一穩(wěn)定增長型城市未來發(fā)展需要保持現(xiàn)有優(yōu)勢；類別二波動增長型城市的整體系統(tǒng)和社會、生態(tài)子系統(tǒng)中速發(fā)展,但生態(tài)子系統(tǒng)發(fā)展不穩(wěn)定,這是造成其系統(tǒng)整體波動的原因,這類城市未來應采取長期穩(wěn)定的措施保護區(qū)域生態(tài)環(huán)境；類別三不均衡發(fā)展型城市,其社會子系統(tǒng)發(fā)展速度最快,對系統(tǒng)整體發(fā)展貢獻最大,但生態(tài)子系統(tǒng)輕微倒退,這類城市應轉變發(fā)展觀念,政府需要對高耗能高污染的中小企業(yè)加強管理,提升區(qū)域發(fā)展效率、補齊環(huán)境短板；類別四屬于生態(tài)危機型城市的生態(tài)子系統(tǒng)經(jīng)歷過或正在經(jīng)歷明顯衰退的階段,在該類城市的發(fā)展過程中,對生態(tài)環(huán)境的保護就更為迫切,需要采取較強硬的措施遏制污染、改善環(huán)境。