余思潔,侯 鷹,劉長(zhǎng)峰,劉寶印,陳衛(wèi)平

1 鄭州大學(xué)河南先進(jìn)技術(shù)研究院, 鄭州 450003 2 中國(guó)科學(xué)院生態(tài)環(huán)境研究中心城市與區(qū)域生態(tài)國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室, 北京 100085 3 中國(guó)科學(xué)院大學(xué), 北京 100049 4 北京青遠(yuǎn)生態(tài)環(huán)境有限公司, 北京 102200 5 中國(guó)科學(xué)院科技戰(zhàn)略咨詢研究院, 北京 100190

改革開(kāi)放以來(lái),我國(guó)城市化進(jìn)程邁入了快速發(fā)展階段,經(jīng)濟(jì)社會(huì)快速發(fā)展的同時(shí)生態(tài)環(huán)境問(wèn)題日益突出[1]。城市不透水地表的迅速擴(kuò)張以及不合理的經(jīng)濟(jì)發(fā)展模式導(dǎo)致城市化區(qū)域原有的生態(tài)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)發(fā)生改變,景觀格局趨于破碎,城市內(nèi)澇、熱島效應(yīng)、空氣和水體污染、生物多樣性下降等生態(tài)風(fēng)險(xiǎn)不斷增加,如何降低城市化區(qū)域面臨的各種生態(tài)風(fēng)險(xiǎn)成為研究熱點(diǎn)。認(rèn)知和評(píng)價(jià)城市化區(qū)域生態(tài)風(fēng)險(xiǎn),探究其變化的驅(qū)動(dòng)因素,實(shí)施行之有效的風(fēng)險(xiǎn)管控措施,對(duì)城市化與區(qū)域生態(tài)環(huán)境協(xié)調(diào)可持續(xù)發(fā)展具有重要意義[2]。

城市化過(guò)程是非城市區(qū)域向城市區(qū)域轉(zhuǎn)變的過(guò)程,在不同學(xué)科領(lǐng)域有著不同定義[3]:土地城市化代表土地利用空間結(jié)構(gòu)的改變[4];經(jīng)濟(jì)城市化則是產(chǎn)業(yè)結(jié)構(gòu)發(fā)生改變,第一產(chǎn)業(yè)向第二、三產(chǎn)業(yè)的轉(zhuǎn)型[5];人口城市化則不僅表現(xiàn)為農(nóng)村人口向城市遷移集中、城鎮(zhèn)人口占總?cè)丝诒壤脑黾?還表現(xiàn)為農(nóng)村生活方式向城市生活方式的轉(zhuǎn)變[6-8]。以往研究表明,城鎮(zhèn)用地的擴(kuò)張直接導(dǎo)致了區(qū)域生態(tài)風(fēng)險(xiǎn)增加,如熱島效應(yīng)擴(kuò)張和強(qiáng)度增強(qiáng)[9]、水環(huán)境質(zhì)量下降[10]。此外,城市發(fā)展導(dǎo)致區(qū)域植被、水體等景觀破碎化,對(duì)生態(tài)系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)、功能產(chǎn)生影響,進(jìn)一步增加生態(tài)風(fēng)險(xiǎn)[11],如物種多樣性下降[12]、城市內(nèi)澇加劇等[13]。經(jīng)濟(jì)城市化和人口城市化是城市化的內(nèi)生動(dòng)力:一方面,更多的人口流入城市創(chuàng)造更多的勞動(dòng)力和市場(chǎng)需求,刺激了經(jīng)濟(jì)增長(zhǎng),而另一方面,更強(qiáng)大的經(jīng)濟(jì)則吸引了更多的人口遷入城市。二者的相互作用導(dǎo)致城鎮(zhèn)建設(shè)用地不斷擴(kuò)張,周邊區(qū)域景觀格局持續(xù)變化,從而導(dǎo)致城市化區(qū)域生態(tài)風(fēng)險(xiǎn)的變化。因此,經(jīng)濟(jì)和人口城市化對(duì)生態(tài)風(fēng)險(xiǎn)的驅(qū)動(dòng)作用不容忽視。

生態(tài)風(fēng)險(xiǎn)管控近年來(lái)受到學(xué)界和決策管理者越來(lái)越多的關(guān)注[14]。過(guò)去對(duì)于土壤、水體污染等化學(xué)風(fēng)險(xiǎn)管控的研究較為成熟,研究者基于已有評(píng)估體系及實(shí)驗(yàn)對(duì)污染物的元素賦存形態(tài)、來(lái)源、空間分布特征等開(kāi)展了大量研究,針對(duì)性的制定了一系列管控標(biāo)準(zhǔn)及準(zhǔn)則[15-17]。針對(duì)外來(lái)生物入侵的生態(tài)風(fēng)險(xiǎn),研究者利用數(shù)理統(tǒng)計(jì)、模型模擬等方法,在分析其危害狀況和入侵原因的基礎(chǔ)上,提出了外來(lái)入侵生物的預(yù)防及管理對(duì)策[18-19]。此外,有學(xué)者開(kāi)展了城市風(fēng)險(xiǎn)管理的理論研究,提出了風(fēng)險(xiǎn)管理的關(guān)鍵問(wèn)題、管理體系、管理流程等[20-21]。然而,由于城市化區(qū)域的風(fēng)險(xiǎn)來(lái)源較多、作用機(jī)制復(fù)雜,對(duì)生態(tài)環(huán)境的不利影響不易量化,目前對(duì)城市化所驅(qū)動(dòng)的生態(tài)風(fēng)險(xiǎn)管控的案例研究多針對(duì)單一的風(fēng)險(xiǎn)類型,針對(duì)綜合生態(tài)風(fēng)險(xiǎn)管控的案例研究還很缺乏。

本研究以北京為例,進(jìn)行生態(tài)風(fēng)險(xiǎn)定量表征,分析土地、經(jīng)濟(jì)、人口城市化對(duì)生態(tài)風(fēng)險(xiǎn)的驅(qū)動(dòng)作用,針對(duì)不同驅(qū)動(dòng)因素探索生態(tài)風(fēng)險(xiǎn)管控策略,以期為城市化區(qū)域生態(tài)風(fēng)險(xiǎn)驅(qū)動(dòng)力分析提供方法,為北京市生態(tài)風(fēng)險(xiǎn)管控提供依據(jù)。

1 研究區(qū)域和研究方法

1.1 研究區(qū)域

北京市地處華北平原北部(115°20′E-117°30′E,39°28′N-41°05′N),東面與天津市毗連,其余與河北省相鄰,西部、北部和東北部三面環(huán)山,東南部是平原,整體地勢(shì)呈現(xiàn)出由西北向東南逐漸降低趨勢(shì)(圖1)。北京市總面積16410 km2,其中山區(qū)面積10200 km2,約占總面積的62%,平原區(qū)面積為6200 km2,約占總面積的38%,屬暖溫帶半濕潤(rùn)半干旱季風(fēng)氣候,年平均氣溫為11-12℃,年平均降水量為540 mm(1980-2010年)[22]。

圖1 2015年北京市土地利用分類及高程Fig.1 Land use classification in 2015 and elevation of Beijing

改革開(kāi)放后北京市迎來(lái)城市化快速發(fā)展階段, 1985年全市不透水地表面積為497.44 km2,2018年增長(zhǎng)到3770.14 km2,尤其是1994年后城市發(fā)展速度明顯提高[23]。城市總體呈現(xiàn)出單中心多層次結(jié)構(gòu),不透水地表主要集中在六環(huán)以內(nèi)的主城區(qū),呈現(xiàn)出由中心向四周擴(kuò)散的趨勢(shì),城郊梯度特征明顯[24]。城市化快速發(fā)展導(dǎo)致了北京市的城市內(nèi)澇、空氣污染、熱島效應(yīng)、地下水資源損失等生態(tài)風(fēng)險(xiǎn)的快速增加,是開(kāi)展城市化區(qū)域生態(tài)風(fēng)險(xiǎn)驅(qū)動(dòng)力及管控研究的理想案例區(qū)域。北京市在2001年成功申辦奧運(yùn)會(huì)后到2008年舉辦奧運(yùn)會(huì)的幾年間進(jìn)行了大規(guī)模的基礎(chǔ)設(shè)施建設(shè),吸引了大量的外來(lái)人口,使得這幾年間城市人口迅速增加,不透水地表快速擴(kuò)張。2008年以后人口增長(zhǎng)和城市擴(kuò)張速度開(kāi)始放緩。因此,本研究以5年為一個(gè)時(shí)間跨度,選取奧運(yùn)會(huì)之前的2005年和奧運(yùn)會(huì)之后的2010、2015年三個(gè)年份,分析城市化對(duì)生態(tài)風(fēng)險(xiǎn)的驅(qū)動(dòng)作用。

1.2 研究方法

1.2.1數(shù)據(jù)來(lái)源

本研究主要使用2005、2010、2015年北京市土地利用分類30 m分辨率柵格數(shù)據(jù)[25]作為空間數(shù)據(jù)來(lái)源,GDP和人口密度1000 m分辨率柵格數(shù)據(jù)來(lái)自于地理國(guó)情監(jiān)測(cè)云平臺(tái),氣象站點(diǎn)降雨數(shù)據(jù)和植被指數(shù)(NDVI)空間數(shù)據(jù)來(lái)自中科院地理科學(xué)與資源研究所資源環(huán)境科學(xué)與數(shù)據(jù)中心,各行政區(qū)的經(jīng)濟(jì)及人口數(shù)據(jù)來(lái)自相應(yīng)年份的統(tǒng)計(jì)年鑒。

1.2.2生態(tài)風(fēng)險(xiǎn)指數(shù)計(jì)算

生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)價(jià)值考慮了生態(tài)系統(tǒng)提供的多種服務(wù),能夠全面體現(xiàn)生態(tài)系統(tǒng)的狀況,服務(wù)價(jià)值受損的情況能夠反映區(qū)域生態(tài)風(fēng)險(xiǎn)的情況,并為風(fēng)險(xiǎn)管控提供思路。因此,生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)價(jià)值是城市化區(qū)域生態(tài)風(fēng)險(xiǎn)的理想評(píng)價(jià)終點(diǎn)[26]。

生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)價(jià)值量的評(píng)估方法主要包括功能價(jià)值評(píng)估法和當(dāng)量因子評(píng)估法[27],本研究使用當(dāng)量因子法對(duì)北京市2005、2010、2015年三個(gè)年份生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)價(jià)值進(jìn)行評(píng)估。當(dāng)量因子法基于對(duì)生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)的分類,通過(guò)專家咨詢得到不同生態(tài)系統(tǒng)類型不同服務(wù)類型的價(jià)值當(dāng)量因子,再通過(guò)降水量、NPP等修正得到本地化的當(dāng)量因子,并結(jié)合本地糧食經(jīng)濟(jì)價(jià)值計(jì)算服務(wù)價(jià)值[28]。根據(jù)生態(tài)風(fēng)險(xiǎn)評(píng)估框架,生態(tài)風(fēng)險(xiǎn)表征通常要基于風(fēng)險(xiǎn)閾值。由于本研究沒(méi)有可供參考的風(fēng)險(xiǎn)閾值,因此,基于TOPSIS(Technique for Order Preference by Similarity to an Ideal Solution)方法,設(shè)定正理想樣本點(diǎn),將該點(diǎn)的服務(wù)價(jià)值作為不存在風(fēng)險(xiǎn)的閾值,使用生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)價(jià)值相對(duì)損失量表征生態(tài)風(fēng)險(xiǎn)。該方法將區(qū)域樣本點(diǎn)(空間像元)中各類生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)價(jià)值最大和最小值所對(duì)應(yīng)的像元作為理想樣本點(diǎn)(正理想樣本點(diǎn)和負(fù)理想樣本點(diǎn)),使用這兩個(gè)樣本點(diǎn)的服務(wù)價(jià)值間的歐氏距離來(lái)表征該區(qū)域生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)損失的最大值,將真實(shí)樣本點(diǎn)的服務(wù)價(jià)值與正理想樣本點(diǎn)的服務(wù)價(jià)值之間的歐氏距離除以該區(qū)域生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)損失的最大值作為綜合風(fēng)險(xiǎn)指數(shù)[29]。

1.2.3生態(tài)風(fēng)險(xiǎn)驅(qū)動(dòng)力分析

城市化概念涉及到土地城市化、經(jīng)濟(jì)城市化及人口城市化三個(gè)方面。本研究選取了三個(gè)與之對(duì)應(yīng)的指標(biāo)描述城市化的空間分布格局(表1),以探究城市化對(duì)北京市生態(tài)風(fēng)險(xiǎn)的驅(qū)動(dòng)作用。土地城市化即城市空間規(guī)模與所占面積的增加,因此選取不透水地表率作為城市區(qū)域空間擴(kuò)張指標(biāo)[30-31]。經(jīng)濟(jì)城市化過(guò)程通常體現(xiàn)為區(qū)域經(jīng)濟(jì)總量的增加,因此使用每平方公里GDP作為度量指標(biāo)[32]。人口城市化過(guò)程通常伴隨區(qū)域人口密度的增加,因此使用每平方公里人口數(shù)進(jìn)行度量[33]。

表1 城市化類型及其指標(biāo)Table 1 Urbanization types and the corresponding indicators

本研究根據(jù)前面描述的方法得到北京市2005、2010、2015年生態(tài)風(fēng)險(xiǎn)指數(shù)和3類城市化指標(biāo)的空間數(shù)據(jù),形成各年份幾個(gè)指數(shù)(指標(biāo))的空間樣本。使用Logistic回歸模型[34-35]定量描述各城市化指標(biāo)對(duì)生態(tài)風(fēng)險(xiǎn)的驅(qū)動(dòng)作用,在擬合Logistic回歸方程前,對(duì)GDP強(qiáng)度和人口密度進(jìn)行單位轉(zhuǎn)換,以消除其數(shù)量級(jí)的不同對(duì)結(jié)果的影響,使用決定系數(shù)R2和顯著性檢驗(yàn)的p值來(lái)刻畫(huà)擬合的效果,具體計(jì)算公式如下:

(1)

式中,RI:生態(tài)風(fēng)險(xiǎn)指數(shù);ISC表示不透水地表率,單位為%;GDP表示每平方公里 GDP,單位為元/km2;POP表示每平方公里人口數(shù),單位為人/km2;ai表示模型擬合的系數(shù);ε表示模型殘差。

自變量的擬合系數(shù)可以直觀反映三類城市化指標(biāo)對(duì)生態(tài)風(fēng)險(xiǎn)驅(qū)動(dòng)作用的大小,通過(guò)對(duì)比三個(gè)時(shí)期的模型系數(shù)可以分析城市化因素對(duì)生態(tài)風(fēng)險(xiǎn)驅(qū)動(dòng)作用的時(shí)間變化特征。針對(duì)回歸模型可能存在多重共線性的問(wèn)題,通過(guò)計(jì)算自變量方差膨脹因子對(duì)模型的多重共線性進(jìn)行了檢驗(yàn)。

1.2.4區(qū)域生態(tài)風(fēng)險(xiǎn)管控策略分析

針對(duì)三類生態(tài)風(fēng)險(xiǎn)驅(qū)動(dòng)因素,本研究分別從不透水地表率、人口城市化、經(jīng)濟(jì)城市化三個(gè)方面探索生態(tài)風(fēng)險(xiǎn)管控策略。

據(jù)以往研究可知,不透水地表率對(duì)城市地表徑流和地表城市地表溫度有著顯著影響[36-37],控制不透水地表面積可以有效控制城市化區(qū)域生態(tài)風(fēng)險(xiǎn)[38-39]。為探索不透水地表管控策略,本研究使用2015年北京市全部像元做空間樣本,按10%間距對(duì)不透水地表率進(jìn)行區(qū)間劃分[40],分段進(jìn)行生態(tài)風(fēng)險(xiǎn)指數(shù)與不透水地表率間的線性回歸分析,通過(guò)線性回歸模型殘差和決定系數(shù)R2的變化情況,分析二者關(guān)系的變化特征,提出不透水地表率分類管控策略。

在人口與經(jīng)濟(jì)層面,城市化體現(xiàn)為人口和經(jīng)濟(jì)活動(dòng)向城鎮(zhèn)區(qū)域的聚集,該聚集過(guò)程對(duì)城市化區(qū)域生態(tài)環(huán)境產(chǎn)生影響[41]。本研究提出人口城市化集約指數(shù)與經(jīng)濟(jì)城市化集約指數(shù)來(lái)量化人口和經(jīng)濟(jì)在城鎮(zhèn)空間上的聚集性,分析北京市各轄區(qū)城市化集約指數(shù)的變化特征,量化集約指數(shù)與生態(tài)風(fēng)險(xiǎn)指數(shù)的關(guān)系,提出通過(guò)人口和經(jīng)濟(jì)城市化集約化發(fā)展調(diào)控生態(tài)風(fēng)險(xiǎn)的策略[42]。 兩類城市化集約指數(shù)計(jì)算如下:

(2)

(3)

式中,PUII 為人口城市化指數(shù)(PU)與不透水地表率(ISC)的比值,將其定義為人口城市化集約指數(shù)。人口城市化指數(shù)是指城鎮(zhèn)人口(UP)占地區(qū)總?cè)丝?TP)的比例;而不透水地表率是指城鎮(zhèn)區(qū)域面積(AU)占區(qū)域總面積(AT)的比例。通過(guò)換算可得,PUII即為城鎮(zhèn)人口密度(UPD)占區(qū)域總?cè)丝诿芏?TPD)的比例。類似的,經(jīng)濟(jì)城市化集約指數(shù)(EUII)是經(jīng)濟(jì)城市化指數(shù)(EU)與不透水地表率(ISC)的比值,也是城鎮(zhèn)經(jīng)濟(jì)密度(UED)占區(qū)域總經(jīng)濟(jì)密度(TED)的比例(表2)。

表2 人口城市化集約指數(shù)和經(jīng)濟(jì)城市化集約指數(shù)的說(shuō)明Table 2 Description of population urbanization intensification index and economic urbanization intensification index

2 結(jié)果與討論

2.1 生態(tài)風(fēng)險(xiǎn)驅(qū)動(dòng)力分析

三個(gè)年份的Logistic回歸模型的決定系數(shù)R2均大于0.7,且三年所有的回歸系數(shù)均達(dá)到0.001顯著性水平,表明三類城市化因素均對(duì)北京市生態(tài)風(fēng)險(xiǎn)有明顯的驅(qū)動(dòng)作用(表3)。回歸模型多重共線性檢驗(yàn)的結(jié)果顯示,三個(gè)分析年份中,2005年GDP強(qiáng)度的方差膨脹因子為6.4,其余自變量的方差膨脹因子均小于5,表明三個(gè)年份的Logistic回歸模型可靠。

表3 三個(gè)年份Logistic回歸系數(shù)擬合結(jié)果Table 3 Fitting results of Logistic regression coefficients in three years

標(biāo)準(zhǔn)化后的模型回歸系數(shù)絕對(duì)值可以用來(lái)衡量不同驅(qū)動(dòng)因素作用力的大小,其中不透水地表率是驅(qū)動(dòng)作用最大的因素。不透水地表率的增加會(huì)直接影響生態(tài)系統(tǒng)的功能,如地表徑流下滲受阻、土地蒸散發(fā)作用下降、面源污染物流失加劇,是城市化區(qū)域生態(tài)風(fēng)險(xiǎn)增加的直接驅(qū)動(dòng)因素[43-45]。人口密度和GDP強(qiáng)度的回歸系數(shù)雖然達(dá)到顯著水平,但其作用遠(yuǎn)低于不透水地表率對(duì)生態(tài)風(fēng)險(xiǎn)的驅(qū)動(dòng)作用。人口增長(zhǎng)是城市化的主要推動(dòng)因素之一,城市人口密度和對(duì)自然資源需求的增加導(dǎo)致土地開(kāi)發(fā)和不透水地表擴(kuò)張,從而對(duì)生態(tài)風(fēng)險(xiǎn)造成間接影響[46]。經(jīng)濟(jì)發(fā)展對(duì)城市化也同樣具有巨大推動(dòng)作用,發(fā)展過(guò)程需要城市周邊的城郊區(qū)域提供建設(shè)用地,導(dǎo)致農(nóng)田、森林、草地等土地用途的轉(zhuǎn)變;經(jīng)濟(jì)活動(dòng)產(chǎn)生的污染物也可能對(duì)生態(tài)系統(tǒng)和生物多樣性產(chǎn)生不利影響[47]。在2005年時(shí),人口密度對(duì)生態(tài)風(fēng)險(xiǎn)的驅(qū)動(dòng)作用大于GDP強(qiáng)度,而在2010年及之后,GDP強(qiáng)度對(duì)生態(tài)風(fēng)險(xiǎn)的驅(qū)動(dòng)作用則變得比人口密度的驅(qū)動(dòng)作用更大。

回歸模型系數(shù)的正負(fù)號(hào)表示驅(qū)動(dòng)作用的方向,三個(gè)年份不透水地表率的系數(shù)值略有起伏,都與生態(tài)風(fēng)險(xiǎn)指數(shù)呈正相關(guān)關(guān)系,但GDP強(qiáng)度和人口密度的系數(shù)變化卻出現(xiàn)了正負(fù)逆轉(zhuǎn)情況。人口密度的標(biāo)準(zhǔn)化系數(shù)在2005年時(shí)為0.178,在2010年時(shí)變?yōu)?0.053,2015年為-0.032。GDP 強(qiáng)度的標(biāo)準(zhǔn)化系數(shù)的變化正好與人口密度的相反,在2005年時(shí),GDP強(qiáng)度的標(biāo)準(zhǔn)化系數(shù)為-0.092,與生態(tài)風(fēng)險(xiǎn)在空間上呈現(xiàn)出負(fù)相關(guān)關(guān)系,而在2010年標(biāo)準(zhǔn)化系數(shù)達(dá)到最大,說(shuō)明GDP強(qiáng)度對(duì)生態(tài)風(fēng)險(xiǎn)的影響在2010年達(dá)到最大,在15年仍保持正相關(guān)關(guān)系,即經(jīng)濟(jì)增長(zhǎng)導(dǎo)致了生態(tài)風(fēng)險(xiǎn)的增加。

為解釋這一現(xiàn)象,研究參考了2005年和2015年北京市統(tǒng)計(jì)年鑒以及《2005年城鎮(zhèn)房屋概況統(tǒng)計(jì)公報(bào)》和《北京市2015年暨“十二五”時(shí)期國(guó)民經(jīng)濟(jì)和社會(huì)發(fā)展統(tǒng)計(jì)公報(bào)》。由于對(duì)新增建設(shè)用地的控制,以及人口向昌平、大興、通州、順義等近郊區(qū)疏解,2005到2015年北京市城區(qū)和近郊區(qū)人口增長(zhǎng)率遠(yuǎn)高于不透水地表率的增長(zhǎng)率(表4),人口對(duì)城鎮(zhèn)建設(shè)用地增加的驅(qū)動(dòng)作用明顯下降[48]。2001年加入世界貿(mào)易組織后,我國(guó)工業(yè)化發(fā)展速度大幅加快,包括北京市在內(nèi)的各大城市經(jīng)濟(jì)快速發(fā)展。二、三產(chǎn)業(yè)的快速發(fā)展對(duì)建設(shè)用地需求不斷增加,使得北京市GDP增長(zhǎng)對(duì)不透水地表率增加的驅(qū)動(dòng)作用明顯增強(qiáng)。這與以往研究中GDP對(duì)我國(guó)建設(shè)用地?cái)U(kuò)張的驅(qū)動(dòng)大于人口的結(jié)果相一致[49]。這也導(dǎo)致了GDP增長(zhǎng)對(duì)生態(tài)風(fēng)險(xiǎn)的驅(qū)動(dòng)作用明顯增強(qiáng)。

表4 2005年、2015年北京市各區(qū)常住人口、不透水地表率及增長(zhǎng)率Table 4 Permanent resident population and ISC in different districts of Beijing in 2005 and 2015 and the growth rate

2.2 不透水地表管控策略

北京市2015年不透水地表率同生態(tài)風(fēng)險(xiǎn)指數(shù)線性回歸模型的殘差變異和R2的變化表明(圖2),當(dāng)不透水地表率為0-10%時(shí),模型殘差存在大量的異常值,說(shuō)明此范圍內(nèi)線性模型的適用性很差。當(dāng)不透水地表率低于40%時(shí),模型殘差的變異幅度大于其他區(qū)間,且3個(gè)區(qū)間的殘差變異幅度接近。當(dāng)不透水地表率超過(guò)40%時(shí),模型殘差變異幅度下降明顯,在此范圍內(nèi),不透水地表率對(duì)生態(tài)風(fēng)險(xiǎn)的驅(qū)動(dòng)力不斷增大。當(dāng)不透水地表率大于70%后,模型殘差變異幅度變得很小,且R2明顯增大,說(shuō)明在此范圍內(nèi),不透水地表率增加對(duì)生態(tài)風(fēng)險(xiǎn)增加的驅(qū)動(dòng)作用很強(qiáng)。

圖2 北京市2015年不透水地表率同生態(tài)風(fēng)險(xiǎn)指數(shù)線性回歸模型的殘差變異和R2Fig.2 Residuals and R2 of the linear regression models between ISC and the ecological risk index in Beijing in 2015

上述模型殘差變異和R2變化表明,不透水地表率有兩個(gè)明顯的分界點(diǎn)(40%和70%),將不透水地表率分為三個(gè)范圍,每個(gè)范圍應(yīng)采取不同的風(fēng)險(xiǎn)管控策略。不透水地表率大于70%的區(qū)域,生態(tài)風(fēng)險(xiǎn)增加主要由不透水地表率增加驅(qū)動(dòng),主要需通過(guò)降低不透水地表率來(lái)降低生態(tài)風(fēng)險(xiǎn)。但這些區(qū)域城市經(jīng)濟(jì)和社會(huì)活動(dòng)強(qiáng)度高,降低不透水地表率措施的社會(huì)經(jīng)濟(jì)成本很高。因此,這些區(qū)域需嚴(yán)格控制不透水地表率的進(jìn)一步增加。此外,新增建設(shè)用地應(yīng)將不透水地表率控制在70%以內(nèi)[50]。不透水地表率為40%-70%范圍的區(qū)域,不透水地表率增加對(duì)生態(tài)風(fēng)險(xiǎn)增加的驅(qū)動(dòng)作用逐漸增強(qiáng),其他因素同時(shí)也對(duì)生態(tài)風(fēng)險(xiǎn)增加有較大影響,應(yīng)采取多種措施管控生態(tài)風(fēng)險(xiǎn),包括改造不透水地表增加其透水性(鋪設(shè)透水磚、棕地改造等),增加城區(qū)綠地(特別是下凹式綠地)面積、集約化布局建設(shè)用地和交通用地等[51]。不透水地表率為0-40%范圍的區(qū)域,北京市生態(tài)風(fēng)險(xiǎn)主要受除不透水地表外的其他因素的影響,降低不透水地表率不能有效降低生態(tài)風(fēng)險(xiǎn),控制風(fēng)險(xiǎn)需要從其他方面入手,如優(yōu)化生態(tài)系統(tǒng)、加強(qiáng)風(fēng)險(xiǎn)防范措施、降低風(fēng)險(xiǎn)受體暴露等[52]。

2.3 人口和經(jīng)濟(jì)城市化集約化發(fā)展策略

北京市人口和經(jīng)濟(jì)城市化集約指數(shù)值很高且明顯高于其他轄區(qū)的有門頭溝區(qū)、懷柔區(qū)、密云區(qū)和延慶區(qū)(圖3、圖4);城市核心區(qū)的兩個(gè)轄區(qū)(東城區(qū)、西城區(qū))兩類集約指數(shù)值最低(接近1)。

圖3 北京市2005年、2015年各區(qū)人口城市化集約指數(shù)Fig.3 Population urbanization intensification index of each district of Beijing in 2005 and 2015

北京市人口城市化和經(jīng)濟(jì)城市化集約指數(shù)總體呈現(xiàn)出由城區(qū)向郊區(qū)逐漸上升的趨勢(shì)。這一現(xiàn)象的主要原因是在高度城市化的城市中心轄區(qū),絕大多數(shù)人口為城鎮(zhèn)人口,城鎮(zhèn)人口密度與總?cè)丝诿芏戎燃慈丝诔鞘谢s指數(shù)趨近于1。類似的,這些區(qū)域絕大部分經(jīng)濟(jì)產(chǎn)出也來(lái)自城鎮(zhèn)建成區(qū)。而位于西部、北部山區(qū)的行政區(qū),由于地形原因,導(dǎo)致城鎮(zhèn)面積占轄區(qū)總面積的比例很小,整個(gè)行政區(qū)的人口密度和經(jīng)濟(jì)強(qiáng)度很低,故而集約化指數(shù)很大。對(duì)比2005和2015年,各區(qū)人口城市化集約指數(shù)普遍呈升高的趨勢(shì),而經(jīng)濟(jì)城市化集約指數(shù)大多下降,也反映了十年間北京市人口密度增加的同時(shí)居住用地更加集約,而建設(shè)用地的增加更多由經(jīng)濟(jì)增長(zhǎng)所驅(qū)動(dòng)。

以2015年北京市16個(gè)區(qū)作為樣本點(diǎn),對(duì)兩類集約化指數(shù)同生態(tài)風(fēng)險(xiǎn)指數(shù)進(jìn)行回歸分析(圖5)。結(jié)果表明,兩類集約指數(shù)與風(fēng)險(xiǎn)指數(shù)呈現(xiàn)出負(fù)指數(shù)函數(shù)關(guān)系,生態(tài)風(fēng)險(xiǎn)隨集約化指數(shù)的增加而下降,下降速率由快轉(zhuǎn)慢。

當(dāng)集約指數(shù)處于較大范圍內(nèi)時(shí),其變化對(duì)生態(tài)風(fēng)險(xiǎn)的影響并不明顯,因此增加相應(yīng)轄區(qū)的人口和經(jīng)濟(jì)城市化集約水平對(duì)降低這些轄區(qū)的生態(tài)風(fēng)險(xiǎn)作用不明顯。當(dāng)集約指數(shù)處于很小范圍時(shí)(北京市中心城區(qū)),因其不透水地表率和社會(huì)經(jīng)濟(jì)活動(dòng)強(qiáng)度已很高,難以進(jìn)一步提高城市化集約水平。因此,提高人口和經(jīng)濟(jì)城市化集約水平的重點(diǎn)應(yīng)放在集約指數(shù)中等的轄區(qū),如海淀區(qū)、昌平區(qū)、通州區(qū)、順義區(qū)等。在這些區(qū)域降低不透水地表率以提高城市化集約水平,從而降低生態(tài)風(fēng)險(xiǎn)是有效可行的。具體而言,這些轄區(qū)應(yīng)繼續(xù)優(yōu)化土地利用和景觀格局,引入“田園城市”“海綿城市”等建設(shè)模式[53],在城市建設(shè)中注重土地資源合理分配[54],增加城鎮(zhèn)區(qū)域綠地面積[55],盡可能減少土地資源消耗型產(chǎn)業(yè),提高建筑和交通用地集約化水平[56]。

3 結(jié)論

本研究以典型城市化區(qū)域北京市為例,開(kāi)展基于生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)的生態(tài)風(fēng)險(xiǎn)定量表征,分析土地、經(jīng)濟(jì)、人口城市化對(duì)生態(tài)風(fēng)險(xiǎn)的驅(qū)動(dòng)作用,探索生態(tài)風(fēng)險(xiǎn)管控策略。各城市化因素中,不透水地表率是北京市生態(tài)風(fēng)險(xiǎn)的主要驅(qū)動(dòng)因素,其驅(qū)動(dòng)作用遠(yuǎn)大于經(jīng)濟(jì)強(qiáng)度和人口密度;2005年經(jīng)濟(jì)強(qiáng)度呈現(xiàn)出對(duì)生態(tài)風(fēng)險(xiǎn)負(fù)向驅(qū)動(dòng)作用,2010年后則變?yōu)檎蝌?qū)動(dòng)并且驅(qū)動(dòng)力大小有所增加;而人口密度的驅(qū)動(dòng)作用及時(shí)間變化則同經(jīng)濟(jì)強(qiáng)度正好相反。不透水地表率在40%-70%的區(qū)域需要同時(shí)通過(guò)降低不透水地表率和進(jìn)行土地利用和景觀格局優(yōu)化等其他措施來(lái)降低生態(tài)風(fēng)險(xiǎn);而不透水地表率高于70%的區(qū)域需嚴(yán)格控制不透水地表的進(jìn)一步擴(kuò)張。此外,北京市為降低生態(tài)風(fēng)險(xiǎn),應(yīng)將提高人口和經(jīng)濟(jì)城市化集約水平的重點(diǎn)放在海淀、昌平、通州、順義等集約指數(shù)中等的轄區(qū)。本研究存在的主要不足是只開(kāi)展了3個(gè)歷史年份的分析,不足以發(fā)現(xiàn)生態(tài)風(fēng)險(xiǎn)驅(qū)動(dòng)力突變的年份,未來(lái)可增加分析的年份,從而更加全面地揭示風(fēng)險(xiǎn)變化的驅(qū)動(dòng)機(jī)制。