珠三角地區近20 年城鎮化與景觀生態安全耦合協調分析

吳大放，甘梓瑩，寧芳潔，何曉莉，鄭嘉欣，賴煥明

1.廣州大學地理科學與遙感學院

2.北京大學地表過程分析與模擬教育部重點實驗室

在城鎮化快速發展、人類活動不斷加強的背景下，一系列生態問題日益凸顯，尤其是沿海城鎮化密集地區的建設用地快速無序增長形成生態干擾及導致生境破碎化，造成資源環境承載力嚴重超載，危及到人地和諧關系和可持續發展[1]。如何建設綠色和諧的宜居城市、耦合協調城鎮化與生態安全格局、實現可持續發展[2-3]成為當前研究熱點。國內外學者對城鎮空間擴展帶來的生態環境效應展開了深入研究。國外對生態風險評價的研究始于20 世紀30 年代，之后經歷了從定性到定量再到模擬與預測的發展過程。早期研究多考慮城鎮空間擴展對單個生態現象的影響[4]，研究發現城市的擴展對氣候、水資源和地質環境均產生了深刻的影響；此外，一些學者對城鎮擴展模式造成的生態系統的變化差異進行研究[5-6]，發現不同城市擴展模式引起的生態系統變化存在差異；如今，學者多利用GIS 技術和各種模擬與預測模型對該類環境變化進行研究[7-8]，為城市建設的合理布局以及生態系統的保護提供理論基礎和決策支持。我國學者對于城鎮空間范圍變化的生態環境效應也進行了廣泛而深入的探索，早期研究集中于土地利用變化對單一生態環境要素的影響，如今發展到其對區域整體生態環境影響的研究[9]，研究范圍從生態環境脆弱區或經濟落后地區，逐步拓展到經濟發達地區土地利用變化的生態環境綜合效應[10]。一些學者借助景觀安全理論，分析在生態條件約束下，城鎮擴展的界限和生態底線[11-12]；還有學者以我國生態環境狀況評價技術規范為標準，根據其中的生態環境狀況評價指標，將城鎮空間擴展作為區域生態環境變化的主要影響因子，對區域生態環境質量進行評價[13-14]。隨著地理信息技術的完善，一些學者基于遙感數據源，整合各種統計模型和數學模型，通過遙感、GIS 等技術平臺，對不同地區進行生態風險評價[15]?？傮w來看，在地理信息技術、地理過程模擬、空間優化模型等方法的支撐下，學者們拓展了城鎮空間擴展與景觀生態安全的分析視角，明確了兩系統之間相互協調與制約作用研究的重要性。但現有研究主要對城鎮化過程中生態風險效應進行評價以及從景觀格局方面分析城鎮用地面積變化，而探討城鎮化導致的景觀生態風險變化及對二者的耦合關系的研究相對較少，難以解釋城鎮化與景觀生態安全的相互關系，無法從動態演變和發展趨勢的視角去研究城鎮空間擴展與景觀生態發展過程中出現的生態問題及解決方案；從空間尺度上來看，已有研究多以單一城市為研究對象，缺乏從區域尺度上探討城鎮化發展與景觀生態安全的協調研究，亟需拓展研究范圍和深度。

珠三角地區經濟發展水平和城鎮化程度高，快速城鎮化導致的生態安全問題是困擾該地區經濟優質協調發展的重要因素之一。根據《粵港澳大灣區發展規劃綱要》，廣東省政府開展了《廣東省國土空間規劃（2020—2035 年）》的編制工作，圍繞構建“一核一帶一區”區域發展格局，亟需全面構建安全、繁榮、和諧、美麗的高品質國土空間，改善生態環境，實現生態文明建設，其中“一核”指要強化珠三角地區的核心引領帶動作用。因此，筆者以珠三角地區9 市為研究對象，從城鎮化及景觀生態安全2 個角度入手，系統闡述二者間耦合協調作用及其驅動機理，模擬預測城鎮化與景觀生態安全耦合協調的發展趨勢，探索城鎮化和景觀生態安全發展規律，以期為珠三角地區可持續發展提供科學理論依據，為區域可持續發展的政策制定提供科學的決策依據。

1 研究方法與數據來源

1.1 研究區概況

珠三角地區位于廣東省中南部，瀕臨南海，為珠江出口處，包括廣州市、深圳市、佛山市、東莞市、中山市、珠海市、江門市、肇慶市、惠州市共9 個城市（圖1），城市群占地面積為5.6 萬km2，常住人口為0.59 億人。珠三角地區生態要素眾多，形成豐富多樣的景觀生態格局。改革開放以來，珠三角地區進行了大規模工業化和城鎮化建設，城鎮覆蓋范圍急劇擴大，導致城鎮分布格局和景觀生態安全格局發生了大規模變化。

圖1 珠三角地區9 個城市分布示意Fig.1 Distribution of 9 cities in the Pearl River Delta region

1.2 數據來源

選取2000—2020 年珠三角地區9 市的指標數據進行分析，主要數據來源如表1 所示，針對少部分測度年份缺失的數據，采用臨近年份數據擬合或采用均值法計算得到。

表1 研究數據及其來源Table 1 The study data and data sources

1.3 研究方法

本研究依次采用以下方法開展珠三角地區城鎮化與景觀生態安全耦合協調分析：首先，構建城鎮化與景觀生態安全耦合協調度評價模型，篩選各類評價指標建立評價指標體系；接著，對指標進行標準化處理，采用熵權法賦權，計算得到耦合度（水平），采用耦合協調發展模型，劃分城鎮化與景觀生態安全耦合協調程度，采用相對發展模型，計算城鎮化與景觀生態安全相對發展類型，分析城鎮化與景觀生態安全耦合協調演變特征和時空特征；然后，采用多元回歸分析模型，分析城鎮化與景觀生態安全耦合協調驅動機理；最后，采用GM（1,1）模型模擬預測城鎮化與景觀生態安全的發展趨勢，探索城鎮化和景觀生態安全時空動態發展規律。

1.3.1 指標體系構建

城鎮化與景觀生態安全耦合協調度評價指標體系由城鎮化和景觀生態安全2 個系統構成。通過參考近年發表的相關文獻[16-26]，綜合考慮數據的可得性、可比性和可行性，考慮研究區域的實際情況，最終確定了23 個評價指標（表2）。

表2 珠三角城鎮化與景觀生態安全耦合協調度指標體系Table 2 Coordination index system of coupling coordination degree between urban spatial expansion and landscape ecological security in the Pearl River Delta

城鎮化評價指標，依據《國家新型城鎮化規劃（2014—2020 年）》，構建包含投入強度時空演變特征、規模狀態時空演變特征、產出情況時空演變特征3 個維度共12 個指標的評價指標體系；景觀生態安全評價指標，基于“壓力—狀態—響應”（PSR）框架模型進行指標選取，構建環境壓力、環境狀態和社會響應3 個維度共11 個指標的評價指標體系[27-29]。

為了使指標能夠進行比較和加權，對原始數據進行標準化處理，采用熵權法對指標進行賦權，基于指標數據標準化處理和權重的計算，使用加權平均計算每個指標得到的綜合效應值，對應指標的綜合評價值之和即為綜合評價值，以此來構建綜合評價指標體系。

1.3.2 耦合協調度模型

景觀生態安全格局與城鎮化之間的相互促進、制約的過程是城鎮建設發展在地域上的映射，事實上是稀缺的土地資源在數量和空間上重新分配的動態時空發展過程。構建珠三角地區景觀生態安全與城鎮化耦合度測量模型，公式如下：

式中：DST 為綜合城鎮擴展指數。REBC 為綜合景觀生態安全指數。C為景觀生態安全與城鎮化二元系統之間的耦合度，取值為（0，1]，當C接近1 時說明系統耦合度最大，表示2 個系統間的相關性越高，向有序轉變，關系越密切；當C越接近0 時說明系統耦合度越小，2 個系統之間趨向于無關狀態，向無序轉變（表3）。

表3 耦合度劃分類型Table 3 Coupling degree division type

由于耦合度模型只能測度出系統之間的耦合發展狀況，無法衡量出系統協調發展水平的高低及二者間的協同效應。因此，需引入耦合協調發展模型，既能反映出系統之間的相互作用的強度，又能體現其協調發展水平的高低[30]。公式如下：

式中：D為二元系統耦合協調度，取值為[0,1]，當D接近1 時說明2 個系統在發展中相互協調支撐；當D接近0 時說明2 個系統在發展中相互羈絆（表4）。T為系統綜合調和指數。α、β為待定系數，α+β=1，本研究認為生態文明建設與新型城鎮化相互作用、地位同等，故取α=β=0.5。

表4 耦合協調度劃分類型Table 4 Classification type of coupling coordination degree

1.3.3 相對發展模型

珠三角經濟發展不平衡反映在新型城鎮化和生態環境的相對發展不平衡上。運用耦合度測量模型中的DST 和REBC 計算出相對發展度，以此來劃分珠三角地區城市的新型城鎮化與生態環境相對發展類型。公式如下：

式中，δ為相對發展度。若0＜δ≤0.9，表明生態環境滯后于城鎮化；0.9＜δ≤1.1，表明二者同步發展；若δ＞1.1，則表明城鎮化滯后于生態環境。

1.3.4 基于多元回歸分析的驅動力分析

利用多元線性回歸模型，探討當前城鎮化與景觀生態安全耦合協調度的主要影響因素。城鎮化與景觀生態安全的耦合協調發展受多種因素影響，參考已有研究[31-36]并結合實際情況，從經濟發展水平、科技投入水平、工業化水平、對外開放程度以及環境治理水平構建指標體系，構建模型開展計量研究（表5）。選取2000 年、2005 年、2010 年、2015 年、2020 年5 個年份的數據，以D為被解釋變量，選取各市經濟發展水平、科技投入水平、對外開放程度、工業化水平、環境治理水平為解釋變量?；?000—2020 年9 市的面板數據建立耦合協調發展的動力因素計量模型〔式（5）〕。

表5 耦合協調度的驅動力因素Table 5 Coupling coordination degree driving forces variable setting table

式中：Dit為i地區、t時間的耦合協調度；ρ1～ρ5為相關性系數；cons 為常數項；εit為隨機擾動項，運用SPSS Statistics 26 計量分析軟件進行多元回歸分析。

1.3.5 GM(1,1)灰度預測模型

考慮到城鎮化與景觀生態安全耦合系統受多種因素影響且各因素變化多樣，而推進珠三角城鎮化建設與景觀生態安全優質協調發展需要對城鎮化與景觀生態安全耦合協調度未來變化情況進行科學預測。GM（1,1）模型可通過建立相應的微分方程模型，預測事物未來發展趨勢的狀況[37]。GM(1,1)模型是灰度預測模型的核心內容，可增強序列規律性，適用于小樣本、有效數據不完備的情況，通用性較強，因此本研究采用灰度預測GM(1,1)模型，具體計算方法參見文獻[38]。

根據后驗差比值來判定模型的預測精度：一般后驗差比值小于0.35，則模型精度高；后驗差比值小于0.5，說明模型精度合格；后驗差比值小于0.65，說明模型精度基本合格；如果后驗差比值大于0.65，則說明模型精度不合格。

2 結果分析

2.1 城鎮化與景觀生態安全的耦合協調分析

2.1.1 城鎮化與景觀生態安全格局的耦合協調度時序發展態勢

對數據進行時序分析，計算得到城鎮化與景觀生態安全不同等級D占比的變化趨勢（圖2）。珠三角地區城鎮化與景觀生態安全相互羈絆，在不同階段，二者之間互動耦合的協調程度存在差異。整體來看，2000—2010 年，珠三角地區城鎮化與景觀生態安全耦合協調度處于輕度失調和瀕臨失調狀態。其中，2000 年輕度失調狀態占比較高，不健康的發展狀況促使各市加快轉型升級的探索。2000—2020 年，珠三角地區輕度失調占比從86%降至10%，而瀕臨失調狀態占比上升。其中，2010 年輕度失調和瀕臨失調狀態占比接近，說明該時期在進行新型城鎮化發展的同時注重對生態環境的保護，通過提升資源利用效率、改善人民生活方式來推動城鎮化，景觀生態安全問題得到改善；2010—2015年，瀕臨失調狀態占比明顯上升，勉強協調狀態占比也呈上升趨勢?？傮w來說，D逐年上升，反映出20 多年間珠三角地區城鎮化與景觀生態安全格局耦合協調度水平呈現平穩上升的趨勢，景觀生態安全的發展也逐步推進。

圖2 城鎮化與景觀生態安全格局的耦合協調度時序特征Fig.2 Temporal characteristics of coupling coordination degree between urban spatial expansion and landscape ecological security pattern

2.1.2 城鎮化與景觀生態安全格局的耦合協調度時空分布特征

為了更加直觀地探究珠三角地區城鎮化與景觀生態安全耦合協調度的空間分異規律，采用圖譜法分析其時空演變特征。目前珠三角地區城鎮化與景觀生態安全相互羈絆，2000 年的D為0.305～0.436，2005 年為0.332～0.447，2010 年為0.357～0.489，2015年為0.381～0.531，2020 年為0.385～0.545（表6）。珠三角的D整體處于拮抗耦合，并且呈現緩慢波動上升的趨勢，其中有超過50%的城市處于輕度失調狀態。對5 個年份的對應數據進行可視化分析（圖3）可知，2000 年廣州市處于瀕臨失調狀態，深圳市、珠海市、佛山市、江門市、肇慶市、惠州市、東莞市、中山市均處于輕度失調狀態。2005 年深圳市D提高至瀕臨失調狀態，除廣州市和深圳市之外其余城市仍處于輕度失調狀態。2010 年廣州市、深圳市、佛山市和江門市均為瀕臨失調狀態，其中，佛山市和江門市的D略微上升，由輕度失調轉為瀕臨失調狀態，肇慶市、惠州市、東莞市、中山市和珠海市仍處于輕度失調狀態。2015 年廣州市步入勉強協調階段，珠海市和惠州市從輕度失調轉為瀕臨失調狀態，中山市和肇慶市仍然處于輕度失調狀態。2020 年肇慶市的D有所改善，從輕度失調轉為瀕臨失調狀態。廣州市為勉強協調階段，深圳市、珠海市、佛山市、江門市、肇慶市、惠州市、東莞市為瀕臨失調狀態，中山市為輕度失調狀態。

表6 耦合協調度及相對發展度計算結果Table 6 Calculation results of coupling coordination degree and relative development degree

圖3 珠三角地區城鎮空間擴展與景觀生態安全格局的耦合協調度時空格局Fig.3 Coupling coordination degree of urban spatial expansion and landscape ecological security pattern in the Pearl River Delta

從整體的空間格局來看，2000—2020 年的D分布規律是以省會城市廣州市為內圈層，深圳市、江門市、佛山市為次外城市圈，東莞市、惠州市、肇慶市為外城市圈層，D由內圈層向外圈層逐步提高。開發水平較高的城市（廣州市、深圳市）在協調發展上存在優勢，耦合協調水平相對較高，而其他城市（肇慶市、江門市、惠州市）由于資源開發利用方式過于粗放、產業結構單一、接續替代產業支撐不足，使得新型城鎮化和經濟社會發展對景觀生態環境的影響更加嚴重，從而導致D較低。珠三角城鎮化與景觀生態安全格局的協調性整體較差，大多數城市處于瀕臨失調水平，少部分城市處于勉強協調水平，表明珠三角主要城市城鎮化的發展與景觀生態安全的推進并不同步，二者發展并不協調。

2.2 城鎮化與景觀生態安全格局的相對發展空間分析

2000—2020 年珠三角地區的城市發展趨勢為新型城鎮化滯后型的城市逐漸減少，生態環境滯后型的城市逐漸增多，但新型城鎮化滯后型的城市多于生態環境滯后型（圖4）。具體來看，2000 年珠三角地區9 個城市皆為新型城鎮化滯后型。2005 年開始出現生態環境滯后型、生態環境和城鎮化二者同步發展的城市，其中廣州市為生態環境和城鎮化同步發展型，深圳市為生態環境滯后型，但新型城市化滯后型的城市仍占珠三角地區的7/9，為分布在珠三角西部地區和東北部的珠海市、佛山市、江門市、肇慶市、惠州市、東莞市和中山市，這些城市開發時間較晚、經濟實力較弱，城鎮化發展速度緩慢，生態環境帶來的影響和壓力相對較小。2010 年，新型城鎮化滯后型的城市占比下降到了6/9，珠三角中部除了深圳市之外，廣州市、東莞市也各自從生態環境和城鎮化二者同步發展型、新型城鎮化滯后型轉為生態環境滯后型。2015 年，佛山市由新型城鎮化滯后型轉變為相對發展型，廣州市、東莞市、深圳市雖保持為生態環境滯后型，但其城鎮化指數均有不同程度上升，相對發展度數值變小，新型城鎮化滯后型的城市占總城市數量的5/9。2020 年，佛山市由相對發展型轉變為生態環境滯后型，珠三角地區4 個經濟發達城市廣州市、佛山市、東莞市、深圳市都為生態環境滯后型。與之相對，珠三角地區的肇慶市、江門市、珠海市、中山市、惠州市在過去20 多年間一直為新型城鎮化滯后型城市，城鎮化發展在時間和空間上對生態環境影響和壓力相對較小，這5 個城市的城鎮化發展仍然滯后于生態環境。

圖4 珠三角地區新型城鎮化與生態環境的相對發展類型空間分布Fig.4 Relative development types and spatial distribution of new urbanization and ecological environment in the Pearl River Delta

2.3 城鎮化與景觀生態安全耦合協調發展的驅動力

城鎮化與景觀生態安全的耦合協調發展受多種因素的相互影響。從多元回歸結果（表7）可知，經濟發展水平的回歸系數為0.032，且在1%水平下顯著，與D呈顯著正相關，說明城市經濟實力的提升，有助于促進新型城鎮化與景觀生態安全的耦合協調發展?？萍纪度胨降幕貧w系數為0.043，且在1%水平下顯著，與D呈顯著正相關，說明政府增加投入科教類的資金可以促進科技進步，從而推動珠三角實現城鎮化與景觀生態安全的耦合協調發展；同時，通過實行支持與鼓勵科技型人才和高新技術產業發展的政策，提高各主體對環境治理的參與度，有效提高能源的使用效率，降低能源消耗，促進環境污染治理能力改善和管理效率提高。對外開放程度的回歸系數為0.592，在1%水平下顯著，與D呈顯著正相關，說明擴大對外開放以及利用外資，有助于促進新型城鎮化與生態環境的耦合協調發展。工業化水平與D未呈顯著的相關關系，對耦合協調發展的影響較小。環境治理水平的回歸系數為0.023，在1%水平下顯著，與D呈顯著正相關，說明對城鄉污水的處理有利于保護生態，防止污水流入各級河流破壞生物生存的環境，政府應加快改造城鎮污水處理設施，完善排污管網建設，推進城鎮污水垃圾處理設施全覆蓋和穩定達標運行。

表7 二元系統的耦合協調度的回歸結果Table 7 Regression results of coupling coordination degree of binary systems

2.4 基于灰度預測模型的耦合協調度預測

為進一步了解珠三角地區景觀生態安全與城鎮化耦合協調度在未來20 年的變化情況，以各市2000—2020 年的耦合協調度數據為基礎，構建GM(1,1)灰色預測模型，并進行精確度檢驗。由表8 可知，各市預測模型均滿足“高”的精度等級，說明模型預測結果的擬合效果和模型精度較好。2020—2040 年的D預測值如圖5 所示，未來20 年珠三角9 市的D延續2000—2020 年的發展趨勢，仍保持增長態勢，到2040 年廣州市、深圳市、惠州市達到優質協調，佛山市、珠海市達到良好協調，江門市、肇慶市、東莞市達到中級協調，中山市達到初級協調。但珠三角地區D的整體年均增長率略有下降，由2000—2020 年的6.49%下降至2020—2040 年的6.25%。

表8 珠三角地區各城市GM(1,1)預測模型精確度檢驗結果Table 8 Precision verification results of GM(1,1) forecasting model of cities in the Pearl River Delta

圖5 2020—2040 年珠三角各城市耦合協調度預測Fig.5 Prediction of coupling coordination degree of cities in the Pearl River Delta from 2020 to 2040

從各市角度分析，2 個系統D呈現“中間高、四周低”的空間分布格局并未被打破。除江門市外，位于珠三角中部的廣州市、深圳市、惠州市、佛山市和珠海市分別進入優質協調和良好協調階段，江門市、肇慶市、東莞市進入中級協調，中山市僅進入初級協調階段，未能向更高等級發展。綜上所述，未來20 年珠三角城鎮化與景觀生態安全耦合將繼續向著協調同步、有序發展的方向前進，但提升速度有所放緩，達到最終的優質協調仍需較長時間，同時城市間的差異仍然存在。未來發展中，各市應當勇于挑戰自身的局限，努力實現城鎮化建設與景觀生態安全的有機結合，以達到更高的整體水平。在新發展理念引領指導之下，轉變城市發展模式，走創新綠色發展道路，深入推進生態文明建設，實現產業升級轉型，促進城鎮化和景觀生態持續協調發展。

3 結論與建議

3.1 結論

（1）珠三角城鎮化與景觀生態安全的耦合協調度在2000—2020 年呈現緩慢波動上升的趨勢，但仍處于拮抗耦合階段。受經濟基礎、政策支撐、地理區位影響，各城市的耦合協調度空間差異明顯，以廣州市為內圈層，深圳市、江門市、佛山市為次外城市圈，東莞市、惠州市、肇慶市為外城市圈層，耦合協調度在空間上呈由內圈層向外圈層逐步提高的趨勢。

（2）珠三角經濟發展不平衡，城鎮開發建設與生態環境保護不能同步發展，普遍呈現出新型城鎮化滯后型或者生態環境滯后型的狀態。景觀生態狀況不樂觀，生態環境滯后型的城市逐漸增多，尚未全面形成良好的協調發展狀態。

（3）珠三角城鎮化與景觀生態安全耦合在未來20 年將繼續向著協調同步、有序發展的方向前進，但提升速度有所放緩，耦合協調度呈現出持續上升的態勢。到2040 年，珠三角各市均達到中級協調以上，其中廣州市、深圳市、惠州市達到優質協調階段，不同城市耦合協調水平存在空間差異。

（4）對外開放程度、經濟發展水平、科技投入水平是影響協調發展的重要驅動力，但其他因素也不容忽視。城鎮化與景觀生態安全的協調發展是不同的驅動力因素如經濟運行和結構轉型、工業開發與環境治理、科技創新和政策調控與保障共同作用的結果，應根據各市目前耦合狀況分別制定國土空間生態修復方案。

3.2 建議

城鎮的可持續發展受多種因素影響，研究城鎮化與景觀生態安全的耦合協調機制應在復雜的系統間找到關鍵因素，以此找到解決對策。從驅動力的視角分析城鎮耦合協調發展模式，制定國土空間生態修復政策，為城鎮可持續發展提供科學依據；模擬預測城鎮化與景觀生態安全的發展趨勢，并在方法技術上有一定的創新性。由于珠三角地區為我國經濟快速發展地區，發展進程區別于其他地區，因此其城鎮化與景觀生態安全的耦合協調水平較為特殊，在宏觀層面上缺乏普適性，后續研究中應該構建更符合普遍發展規律的評價指標。本文基于市域尺度，選取珠三角地區9 市20 多年數據，能從一定程度上揭示不同發展階段的城鎮對于協調發展的驅動因素。但由于數據有限，未能對耦合協調機制進行更深入的探討，未來可使用縣域尺度進行研究。此外，在未來20 年關于城鎮化與景觀生態安全耦合協調度變化情況分析方面，進一步對原始數據序列的光滑度進行改進，建立更優的預測模型，完成更精確的預測，使研究結果更科學、有效。