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中国城市生态承载力的相对表征

发布时间:2019-04-02 作者:派智库 来源:《地域研究与开发》2018年 浏览:【字体:

摘要:生态承载力是城市发展的基础,利用2001—2012年的城市大气环境面板数据和2004—2015的城市水环境面板数据分别进行固定效应向量分解回归,验证了中国区域生态承载力沿胡焕庸线垂直方向梯度递增的假说。假说的成立表明中国各城市的生态承载力可以用其城市中心距胡焕庸线的垂直距离来表征,在此基础上,建立了中国城市生态承载力方程,基于胡焕庸线两侧人口承载力的稳定性,计算了中国大陆332个地级行政区及4个直辖市的相对生态承载力,并按照生态承载力差异程度将中国大陆的东、中、西部进行了重新划分,为研究中国城市生态承载力的格差提供了新视角的分析思路和比较基准。提出在制定区域发展政策时,要充分认识各城市的生态承载力格差,使各城市的生态负载与之相适应。

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关键词:胡焕庸线;固定效应向量分解;城市生态承载力;环境质量

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1 问题的提出

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1935年,《地理学报》上刊登了一篇名为《论中国人口之分布》的论文,文章指出,“自黑龙江之瑷珲,向西南作一直线,至云南之腾冲为止。分全国为东南与西北两部:则此东南之面积,计四百万平方公里,约占全国总面积之百分之三十六;西北部之面积,计七百万平方公里,约占全国总面积之百分之六十四。惟人口之分布,则东南部计四万四千万,约占总人口之百分之九十六,西北部之人口,仅一千八百万,约占全国总人口之百分之四”[1]。该文章的作者是著名地理学家胡焕庸,而文章中提到的这条直线即被学术界称之为“胡焕庸线”。胡焕庸线是一条大致的人口地理分界线,这条线北起黑龙江省瑷珲(今黑河),一路向着西南延伸,直至云南腾冲。该线东南部以我国36%的面积承载了中国总人口的94%,而此线以西只承载了中国总人口的6%。近年来,学术界对此规律展开了诸多探讨,多数学者的研究表明,这一规律至今80多年以来几乎没有发生变化[2-10]。 织梦好,好织梦

为什么这一规律如此显着而稳定呢?仔细研究不难发现,胡焕庸线象征着中国生态环境的转变,该线两侧生态环境上的差异导致了中国人口分布的差别。胡焕庸线西北部的气候条件十分严峻,地理上分布的多为草原、沙漠和雪域高原;相反,胡焕庸线东南部的人居环境则较为优越,其地理结构以广阔的平原、森林和丘陵等为主[11]。可见,胡焕庸线不仅是中国人15分布差异的分界线,也是中国生态环境突变的分界线[12]。进一步地,胡焕庸线两侧的生态系统承载力呈现渐进增加趋势。有些研究从侧面印证了这一趋势,刘春腊等发现不仅胡焕庸线东西两侧的生态环境有着显着差别,胡焕庸线附近的中段地区大都是黄土高原、农牧交错地带和喀斯特地貌等生态脆弱的区域,胡焕庸线穿过的省份也大多为生态补偿大省[13],龙冬平等发现我国农业的可持续发展依次沿京沪地区→东部沿海地区→东北地区→华南地区→西南地区→西北地区递减[14],钟茂初发现我国近年来污染严重的城市多处于离胡焕庸线垂直距离较近的区域,进而提出了我国生态承载力存在自西北方向朝东南方向(沿着胡焕庸线的垂直方向)的梯度递增性的假说[15]。那么,这个假说是否成立?是否可以用城市中心距胡焕庸线的垂直距离来表征其生态承载力?如果可以,据此表征的城市生态承载力又具有哪些特征?本研究试图从胡焕庸线出发,验证“生态承载力存在自西北方向朝东南方向(沿着胡焕庸线的垂直方向)的梯度递增性”假说,并进一步计算我国城市的生态承载力。

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2 生态承载力梯度性假说的验证

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生态承载力是资源与环境子系统的供容能力及其可维育的社会经济活动强度和具有一定生活水平的人口数量[16]。城市生态承载力是城市环境质量的基础,其表征着城市生态系统的自我维持和调节能力,城市生态承载力越强,其抵御污染和破坏的能力越强,城市环境质量越高。城市人口的聚集和经济的发展对其生态系统造成了一定的负荷,这种负荷降低了城市的生态环境质量。可见,生态承载力和生态负荷共同影响了城市的环境质量,城市生态承载力越高,其环境质量越好,生态负荷越重,环境质量越差。根据前文提出的假说,本研究用各城市中心至胡焕庸线的垂直距离初步表征其生态承载力。为保持东西部差异,西部城市距胡焕庸线的垂直距离为负,东部为正,如果这一距离确实与城市环境质量成正比,假说即得到验证。

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2.1 模型的建立和数据来源

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建立模型来验证我国区域承载力梯度性假说。公式如下: 织梦好,好织梦

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式中:Envit为环境质量;Li为城市中心距胡焕庸线的垂直距离;Gdpit为城市经济发展水平;Pit为市辖区人口密度,人类的经济社会活动是城市生态负荷的最终来源,因此城市人口密度和经济发展水平共同表征了城市的生态负荷;Cit为影响城市环境质量的其他控制变量(Sit为产业结构,用市辖区第三产业占比表示;Tit为科技水平,用市辖区科技从业人员数表示)等;α为各指标的回归系数。指标数据来源于《中国城市统计年鉴》《中国区域经济统计年鉴》。

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城市环境包括大气、水体、土壤、声等多种要素,其中,城市大气环境和水环境是近年来学者和公众关注的焦点,中国环保部也公布了比较详尽的指标数据,因此,环境质量Envit引用城市大气环境质量和水环境质量两个层面来分别表征城市环境质量,分别为大气环境质量(Git)和水环境质量(Wit)。 织梦内容管理系统

在对城市大气环境质量(Git)的回归方程中,本研究采用中国环保部数据中心公布的空气污染指数API来表征城市空气环境质量,API越大表明城市空气环境质量越差。此外,由于2013年指标统计口径的变化,2013年之后的空气质量数据不再适用于研究分析,因此,仅选取2001—2012年的除拉萨以外的监测城市作为研究对象。将监测到的日度API进行平均得到其年均空气污染指数,年均的过程降低了数据的方差,因而在回归中不再进行对数处理。

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在对城市水环境质量(Wit)的回归方程中,引用中国环保部数据中心公布的主要流域重点断面水质监测指标DO浓度(mg/L)、CODmn浓度(mg/L)以及NH3-N浓度(mg/L)数据,表征城市水环境质量。DO浓度指溶解在水中的氧含量浓度,CODmn浓度指以高锰酸钾检测的化学需氧量,NH3-N浓度则指水中氨氮含量浓度,因此DO浓度越大,CODmn浓度和NH3-N浓度越小,城市水环境质量越好。此外,同样由于监测站点的逐年变化,城市水环境质量的回归方程中,选取2004—2015年的监测站点,并根据其所在位置将监测到的环境质量数据匹配到相应城市,即可得到2004—2015年间945个样本水环境质量数据。

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核心解释变量为城市中心距胡焕庸线的垂直距离Li,城市中心(即其政府所在地)经纬度数据来源于Google Earth,在此基础上根据球面距离公式计算得到各城市中心距胡焕庸线的垂直距离。在城市大气环境质量的回归模型中,如果Li的系数为负并且通过了显着性检验,则表明城市中心距胡焕庸线越远,API越小,大气环境质量越好,假说即得到验证;而在城市水环境质量的回归模型中,如果Li与DO浓度成正相关,与CODmn浓度和NH3-N浓度成负相关关系,则表明城市中心距胡焕庸线越远,水环境质量越好,假说即得到验证。 本文来自织梦

2.2 计量方法及其回归结果 织梦内容管理系统

本模型中存在不随时间变化而变化的恒量Li,如果采用普通固定效应面板回归则会丢失Li的回归系数,因此,本研究采用T.Pltimper等提出的固定效应向量分解(fixed effects vector decomposition,FEVD)模型作为对传统的固定效应模型的优化,回归结果见表1。分析及结果如下。 内容来自dedecms

首先,在大气环境质量的验证回归中,城市中心距胡焕庸线的垂直距离与城市空气污染指数API呈显着的负相关,表明在其他条件不变的情况下,城市中心距胡焕庸线距离越远,城市空气污染指数越低,城市大气环境质量越好,假说得到了验证;而在水环境质量的验证回归中,城市中心距胡焕庸线的垂直距离与水中的DO浓度呈显着的正相关,与CODmn浓度和NH3-N浓度呈显着的负相关,表明在其他条件不变的情况下,城市中心距胡焕庸线距离越远,水域中溶解氧含量越高,化学需氧量越低,氮氧化物浓度越低,城市水环境质量越好,假说得到了验证。 内容来自dedecms

其次,在大气环境质量的验证回归中,Gdp及其多次项的系数均十分显着,这表明城市经济发展与其空气质量和水环境质量呈现了显着的非线性关系,并且城市空气质量与经济发展水平呈现倒“N”型关系,而城市水环境质量与经济发展水平呈现倒“U”型或“U”型关系,因此,当前我国城市经济发展对环境质量带来的影响十分显着,这种关系是非线性的,并且具有异质性。 本文来自织梦

第三,在大气环境质量的验证回归中,城市人口密度的系数显着为正,说明在其他条件不变的情况下,城市人口集聚带来的生态负荷使环境污染指数增加,大气环境质量恶化;而在水环境质量的验证回归中,城市人口密度与CODmn浓度和NH3-N浓度呈显着的正相关,说明在其他条件不变的情况下,城市人口集聚带来的生态负荷使水环境污染指数增加,水环境质量恶化。

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因此,在控制了城市经济发展与人口集聚对环境的负荷的基础上,城市中心距胡焕庸线距离越远,城市空气污染指数越低、水域中DO浓度越高、NH3-N浓度和CODmn浓度越低,因此,城市中心距胡焕庸线距离与城市环境质量成正比,而人口集聚带来的生态负荷使大气环境质量恶化。因此,“我国生态承载力沿着胡焕庸线的垂直方向自西北方向朝东南方向的梯度递增性”的假说得到了验证,亦即,城市生态承载力可以从胡焕庸线出发,用其中心距胡焕庸线的垂直距离来相对表征。

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3 城市生态承载力的测度 dedecms.com

近年来,随着理论研究的不断深入,生态承载力的量化方法亦不断进步,W.E.Rees提出的生态足迹方法在目前得到了广泛的推广与应用,美国生态学家H.T.Odum等提出的能值分析法也不断改进,国内学者多采用此两种方法对中国部分地区和城市的生态承载力进行测度[17-18]。然而,生态足迹法和能值转换法需要基于等价因子、生产力系数以及能值转换率等参数通过繁杂的测算再行转换才能确定最终的承载力数值,所以二者测算较为复杂,难以推广。本研究验证了“中国城市生态承载力沿着胡焕庸线的垂直方向自西北方向朝东南方向的梯度递增性”这一假说,因此,中国城市的生态承载力可以由其城市中心距胡焕庸线的垂直距离来相对表征,进而可以从这一距离出发,计算得到中国大陆地区城市的生态承载力。 织梦好,好织梦

3.1 中国城市生态承载力的相对表征 织梦好,好织梦

自黑龙江的黑河市政府所在地始,向西南画一条直线至云南省腾冲县政府所在地,画出胡焕庸线,该线将中国大陆地区划分为东南半壁和西北半壁,各市域行政区按照其政府所在地进行划归。本研究据此计算出中国大陆的西北半壁包括:青海省、西藏、新疆、宁夏的全部地区,以及内蒙古除赤峰和通辽市以外的地区,甘肃省除庆阳市以外的地区,陕西省的榆林市,四川省的甘孜、阿坝地区,黑龙江省的大兴安岭地区,云南省的怒江、迪庆地区,共计63个地级行政区;东南半壁包括:北京市、天津市、河北省、山西省、辽宁省、吉林省、安徽省、江苏省、上海市、浙江省、福建省、江西省、山东省、河南省、湖北省、湖南省、广东省、广西壮族自治区、海南省、重庆市、贵州省的全部地区,以及内蒙古的赤峰和通辽市,甘肃省的庆阳市,陕西省除榆林以外的地区,四川省除甘孜、阿坝以外的地区,黑龙江省除大兴安岭以外的地区,云南省除怒江、迪庆以外的地区,共计4个直辖市和270个地级行政区。

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在得到各城市中心距胡焕庸线垂直距离的基础上,构建城市单位面积生态承载力方程:Ei=A/(B-Li)2。式中:Ei为城市的生态承载力;A,B为根据实际数据推算得出的相关参数。进一步地,设胡焕庸线东南半壁的区域为i(i=1,2,…,274),胡焕庸线西北半壁的区域为j(j=1,2,…,63),则东南半壁和西北半壁的人口承载力分别表示为生态承载力方程在两个半壁上的积分,

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由于各地区参数A相同,因此是一个相对的概念,设全国人口重心武汉市的生态承载力数值为100,将之作为比较基准,计算得到其他各市域行政区和4个直辖市的相对生态承载力[1]。

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由计算结果可知,中国各地区的生态承载力存在显着差异:以黑河市为界,黑河市正好位于胡焕庸线上,其相对生态承载力为31.1,因此,胡焕庸线以西北的地级行政区的相对生态承载力均小于31.1,平均约为10,如乌鲁木齐的相对生态承载力为7.76,反映了其恶劣的生态条件,因此,其人口密度引致的生态负荷很低,但其年均API较高,环境质量较差,这显然是由其脆弱的生态承载力导致的;而胡焕庸线以东南地区的区域生态承载力呈现了显着的梯度性变化,由于本研究的研究对象具体到了地级行政区层面,而城市群发展已经成为中国区域经济社会发展的重要特点,据国家发改委国地所课题组的分析,中国十大城市群均位于胡焕庸线以东南,以1/10多一点的土地面积,承载了1/3以上的人口[19],因此,本研究以主要城市群为例分析中国区域尤其是胡焕庸线以东南区域生态承载力的格差(表2)。 本文来自织梦

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中国十大城市群的代表城市在2012年的相对生态承载力、生态负荷及以API为例表征的环境质量(表2)表明:(1)不同地理位置的城市群的相对生态承载力显着不同,随着其距胡焕庸线垂直距离的增加表现出了显着的梯度变化。如京津冀城市群、关中城市群和川渝城市群距胡焕庸线距离较近,因此相对生态承载力较低,约为40,中原城市群、辽中南城市群的相对生态承载力次之,约为60,进而是山东半岛城市群和长江中游城市群,约为90,再次便是长三角城市群、珠三角城市群和海峡两岸城市群,其距胡焕庸线的距离不断增加,越来越靠近东南沿海,相对生态承载力也越强。(2)对于人口密度导致的生态负荷相近的城市和城市群,其生态承载力的相对差异直接导致了环境质量的差异。城市群尤其是城市群的核心城市集聚了大量的人口和经济,因此其人口密度都非常高,市辖区人口密度均超过了1000人/km2,而对于人口密度相近的城市,如北京市和大连市(人口密度均为1000人/km2),成都市和上海市(人口密度均为2500人/km2),其相对生态承载力存在着显着差异,相对生态承载力更高的城市,年均API更低,城市环境质量更好。(3)对于相对生态承载力接近的城市群,人口密度引致的生态负荷的差异是环境质量差异的重要因素。对于相对生态承载力接近的城市群,如京津冀城市群、关中城市群和川渝城市群,其距胡焕庸线的垂直距离比较接近,相对生态承载力均为40,而三者集聚的人口密度却存在显着差异,人类活动是造成生态负荷的根本原因,因此,在生态承载力接近的情况下,人口密度越大的城市,其生态负荷越重,环境质量越差。总之,各区域的生态承载力存在显着差异,而区域相对承载力的差异与人口聚集带来的生态负荷差异相结合造成了各地区生态环境质量的差异。 copyright dedecms

3.2 生态承载力相对表征的进一步验证 内容来自dedecms

尽管本研究的假说在实证部分得到验证,但用各城市中心至胡焕庸线的垂直距离表征中国区域的相对生态承载力毕竟是一种尝试,有必要将本方法与传统方法的测算结果进行比对以进一步验证研究的科学性。 dedecms.com

传统的生态承载力测度方法包括生态足迹法、能值分析法、供需平衡法、状态空间法和综合评价法等,由于数据的可得性问题,目前在国内应用较为广泛的测度方法为生态足迹法和综合评价法。然而,生态足迹表示人类对相关土地提供的生态产品与生态服务的需求量[20],而生态承载力的实质则是区域生态资源的供给(供容)而非需求能力[21],因此,对我国区域生态承载力的评价多采用了指标综合评价法。户艳领[22]对中国省际土地生态承载力进行了测度,其结果表明,生态承载力为负的省份均在胡焕庸线以西北,而胡焕庸线以东南的省份的梯度性规律较为明显,如上海市的生态承载力约为北京市的2倍,吉林省的4倍。魏超[23]对长三角沿海城市生态承载力的测度结果进一步表明,生态承载力较高的城市如舟山、宁波相对于生态承载力较低的城市如南通、绍兴、上海距离胡焕庸线更远。王奎峰[24]对山东半岛城市生态承载力的测度结果亦表明,距离胡焕庸线较远的沿海城市表现出了更高的综合生态承载力。这些既有研究均可以对本研究的结果做进一步的佐证。

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3.3 基于生态承载力视角的区域划分

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现行的中国东—中—西三大地带的划分方案是“七五”时期确立的,方案形成后偶有微调,但基本格局变化不大。该划分方案大体上反映了中国宏观区域经济的发展水平由西向东逐步递增的基本态势,然而这一方案并未考虑各区域生态条件的差异,应基于在相对生态承载力的视角对中国大陆地区的东—中—西格局进行重新划分。西部地区亦即胡焕庸线以西北区域,包括63个地级行政区,其相对生态承载力小于31;中部地区为胡焕庸线以东且靠近该线的区域,该区域的相对生态承载力在31~90,其中山东烟台市的相对生态承载力为87.87,广西河池市的相对生态承载力为88.13,因此,参考钟茂初[15]的划分方法,在生态承载力为90附近做一条与“瑷珲—腾冲线”大致平行的连线“烟台—河池线”(图1)。这两条线中间区域即为中部地区,包括161个地级行政区;东部地区显然为“烟台—河池线”以东区域,包括113个地级行政区,其相对生态承载力大于90。这种对中国东—中—西部的重新划分一方面更加清晰明了地反映了中国区域的生态承载力的相对差异,另一方面与现行的大致反映经济发展状况东中西部划分方案有所重合,此外又将区域的划分具体到了城市层面,这样既细化了研究结论,使各地区生态承载力更为清晰,亦有利于政策制定者采取差别化政策以兼顾经济发展与生态环境保护。

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4 结论及展望 内容来自dedecms

4.1 结论 dedecms.com

(1)在控制了城市经济发展与人口集聚对环境的负荷的基础上,城市中心距胡焕庸线距离越远,城市空气污染指数越低、水域中DO浓度越高、CODmn浓度和NH3-N浓度越低,因此,城市中心距胡焕庸线距离与城市环境质量(包括大气环境质量和水环境质量)成正比,这使假说得到了验证。(2)在生态承载力一定的条件下,以人口密度为典型指标的生态负荷是环境质量恶化的根本原因,因此,各地区城市经济的发展要以其所处区域的生态承载力指标为依据,控制其适度人口密度,以防其突破生态承载力而导致生态环境质量的持续下降。

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就国家政策层面而言,经济发展和生态保护的相关政策制定不宜“一刀切”,应基于各地生态承载力进行差异化的政策制定和执行。本研究根据生态承载力方程测度出了中国336个城市和地区的相对生态承载力,进而按照生态承载力差异将中国的东—中—西部进行了重新划分。城市生态承载力的简易测度及对中国东—中—西部的重新划分有利于有差别地分析各区域的经济-生态水平及其相互作用关系以得到更真实的结论,亦有利于政策制定者在考虑生态承载力的基础上采取差别化政策以兼顾经济发展与生态环境保护。

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4.2 展望 织梦好,好织梦

尽管本研究通过实证分析验证了中国生态承载力的梯度变化规律,但显然各城市生态承载力不仅仅与其距胡焕庸线的垂直距离相关,而且与其所在区域的具体生态条件息息相关,如果考虑各城市具体生态条件,以期在普遍规律性结论基础上考虑局部差异性,则城市生态承载力方程需进一步改进。此外,在验证假说的过程中,没有考虑城市周边区域的经济社会条件对其生态环境质量的空间影响,如果考虑这些影响,则各区域的生态承载力还应根据个性化生态条件做出细化的计算和调整,这些将在今后的研究中展开进一步的讨论。 dedecms.com

参考文献:

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[1]作者计算了除三沙市以外的336个地区的生态承载力并表征在地图中,鉴于版面,此处不再列举。

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