基于遥感生态指数和综合夜间灯光指数的生态文明示范区生态环境与城市化耦合协调度研究:以长江三角洲为例.pdf
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1、生态与农村环境学报,():收稿日期:基金项目:生态环境部南京环境科学研究所创新团队建设项目();生态环境部南京环境科学研究所“长三角生态环境保护一体化”研究院项目();中央级公益性科研院所基本科研业务专项()通信作者:姚国慧,李海东,吴京,等基于遥感生态指数和综合夜间灯光指数的生态文明示范区生态环境与城市化耦合协调度研究:以长江三角洲为例生态与农村环境学报,():,:,():基于遥感生态指数和综合夜间灯光指数的生态文明示范区生态环境与城市化耦合协调度研究:以长江三角洲为例姚国慧,李海东,吴 京,王 楠,刘臣炜(生态环境部南京环境科学研究所,江苏 南京)摘要:生态文明示范区是推进区域环境保护和社
2、会发展协同共赢的重要平台和有效载体,包括国家生态文明建设示范区和“绿水青山就是金山银山”实践创新基地(简称“两山”实践创新基地),分别着力于构建以产业生态化和生态产业化为主体的生态经济体系、探索生态产品价值实现路径和模式,特别是在快速城市化地区。以长江三角洲(简称长三角)区域 个生态文明建设示范区和 个“两山”实践创新基地为对象,综合利用土地利用、夜间灯光和 数据,分别构建遥感生态指数(,)和综合夜间灯光指数(,)代表生态环境质量和城市化水平,并采用空间叠加分析方法和耦合协调度模型探析长三角生态文明示范区建设水平和时空差异性。结果表明:()生态文明示范区在长三角区域分布具有不均衡性,生态文明建
3、设示范区分布较为集中且以平原地形为主,“两山”实践创新基地分布较分散,以山地地形为主。()生态文明示范区生态用地面积占比超,具有较好的生态环境基础,“两山”实践创新基地 指数高于生态文明建设示范区,生态环境质量优越,但更具脆弱性。()生态文明建设示范区 指数及其增速均大于“两山”实践创新基地,具有更高的城市化水平和发展速度。()年,生态文明建设示范区和“两山”实践创新基地 和 指数的耦合协调度呈现不断增加趋势,平均增幅分别为 和 ,生态文明建设取得一定成效,其中江浙两省交界处耦合协调度最高。关键词:生态文明建设;遥感生态指数;综合夜间灯光指数;耦合协调度;长江三角洲区域中图分类号:文献标志码:
4、文章编号:():,(,):“()”,“”(),()(),第 期 姚国慧等:基于遥感生态指数和综合夜间灯光指数的生态文明示范区生态环境与城市化耦合协调度研究 :(),“”(),“”,()“”,(),“”,:;快速城市化不断占用大量生态空间,给区域生态环境带来压力,并通过生态环境与城市化的协调度制约着区域可持续发展。长江三角洲(简称长三角)区域是我国经济发展的重要引擎,面临生态环境高水平保护和经济社会高质量发展的双重任务,以 不 到 全 国 的 国 土 面 积,聚 集 全 国 的人口(第七次全国人口普查),占据全国 的经济总量(截至 年底)。随着人类活动强度不断增加,长三角区域不仅出现大气污染、热
5、岛效应和水生态功能退化等一系列生态环境问题,还存在区域开发强度高、资源能耗大和地区间生态环境差异大等问题。党的二十大报告提出,“推动绿色发展,促进人与自然和谐共生”,这对长三角区域生态经济协调发展提出了更高要求。因此,厘清区域生态环境与城市发展协调水平现状,掌握两者之间存在的问题和制约因素,是实现长三角区域高水平保护、促进高质量发展的紧迫需求。生态文明建设示范区(简称示范区)和“绿水青山就是金山银山”实践创新基地(简称“两山”实践创新基地)作为践行习近平生态文明思想的重要平台和载体,是推进生态文明示范建设和绿色转型发展的重要途径。其中,示范区主要面向市、县行政级别,以全面构建生态文明体系为重点
6、;“两山”实践创新基地旨在创新探索乡镇、村和小流域内“绿水青山”转化为“金山银山”的有效路径和模式,引导地方正确处理保护与发展的关系,实现绿色高质量发展。截至 年底,生态环境部先后命名 批共 个示范区和 个“两山”实践创新基地。目前,关于生态环境保护与经济发展耦合协调性的研究大部分集中在省、市、县和城市群,且大多基于统计面板数据构建评价指标体系,容易受到统计口径、行政区尺度和人为主观因素的影响,同时存在时间滞后性。遥感技术的发展为进一步细化评价提供了可能。一方面,年徐涵秋基于绿度、湿度、热度和干度生态因子,采用主成分分析法提出遥感生态指数(,),因其可以快速、直观地反映不同尺度区域生态环境质量
7、,被广泛应用到多个领域。另一方面,随着夜间灯光数据的出现和相关夜间灯光指数的提出,夜间灯光可用于有效区分城市建成区和未开发利用区,因而被广泛应用于城市扩张、城市空间结构等方面研究,同时夜间灯光也被验证与城市、人口和经济发展水平等指标具有较强相关性。社会经济发展是推动城市化的主要动力,具有非常直观的指代性,因此,以长三角区域 年示范区和“两山”实践创新基地为研究区,涵盖市、区、县和乡镇等多个尺度,采用遥感技术手段,从空间布局入手,结合 指数和综合夜间灯光指数(,)分析自然本底和城市化水平,并以两者耦合协调度为指标评估区域发展的协调性和可持续性,为实现长三角区域一体化高质量发展和绿色发展,提升城市
8、生态系统多样性、稳定性和持续性提供科学支撑。材料与方法 研究区概况长三角区域位于我国东部长江下游地区的江海交汇处,东临黄海和东海,以冲积平原为主,平均 生 态 与 农 村 环 境 学 报第 卷海拔为 ,西部和南部分布有山地和丘陵,最高海拔为 ,以亚热带季风气候为主,四季分明,降水量丰沛,雨热同期。该区域行政范围包括江苏省、安徽省、浙江省和上海市(图),共 个城市,总面积为 万,总人口为 亿。区域内分布的水源涵养、洪水调蓄、生物多样性保护和土壤保持重要生态功能区面积共计 ,占区域总面积的 。长三角区域作为我国重要生态屏障和经济发展最活跃、开放程度最高的区域之一,截至 年,该区域已命名 个示范区和
9、 个“两山”实践创新基地,分别占全国总数的 和 ,生态文明建设成效显著。审图号:()号。图 长三角“三省一市”重要生态功能区分布 数据来源 土地利用产品 年长三角区域土地利用产品来自全国 地 理 信 息 资 源 目 录 服 务 系 统(:?)和 平 台(:)。受遥感影像源和分类算法影响,这些产品具有不同分辨率和分类标准。其中,和 年产品空间分辨率为 ,和 年产品空间分辨率为 ,年产品为根据 数据采用机器学习算法获得,空间分辨率为 。涉及的土地类型包括水域、林地、草地、水生植被、耕地、灌木、建设用地、裸地、积雪和冰。在分析过程中,以国家土地利用分类标准为依据,将水生植被归为水域,将灌木归为林地,
10、最终得到水域、林地、草地、耕地、建设用地、裸地、积雪和冰 种土地利用类型,并据此开展相关分析。夜间灯光数据美国新一代国家极轨卫星 于 年 月发射,其搭载的可见光近红外成像辐射传感器(,)是继 和 之后的新一代中等分辨率观测成像,具有 个辐射成像波段,其中的日夜波段(,)可以实现全球夜间可见光和近红外观测,在低光照条件下以超灵敏性生成夜间灯光数据,空间分辨率为 ,可以有效监测夜间现象规模和人为光排放源。定标的月平均辐射合成 影像来自平台(:),该数据有效剔除杂散光,并提高了动态范围,可用于构建综合夜间灯光指数。研究方法 洛伦兹曲线和集中化指数洛伦兹曲线最初是由统计学专家提出用来反映地区收入分配均
11、衡度,后来也在经济学领域用于表征区域资源分配的均衡性,曲线弯曲度越大,表明指标分布越不均衡。将长三角区域各省市示范区和“两山”实践创新基地数量按照从小到大的顺序排列,分别统计各省市数目及其占比,得到相应的洛伦兹曲线,可以用来表示示范区和“两山”实践创新基地在三省一市分布的均衡度。遥感生态指数()不同于传统生态指数,遥感生态指数是通过主成分分析方法,综合绿度、湿度、热度和干度 个生态要素形成的以自然因子为主的综合性生态指标,实现生态系统多维度监测,最初用来评价城市生态环境状况。(,)。()式()中,为植被指数;为湿度;为地表温度;为建设指标;为遥感生态指数。值越大,表示区域内生态环境质量越好,反
12、之则越差。为了避免季节性差异造成的影响,通过 平台,选择植被长势较好的 月 植被指数、地表温度和地表反射率产品,计算长三角区域 年遥感生态指数及其变化率,代表各年份植被生长最优状态,并将其划分为不同等级,用于衡量区域内生态环境水平差异及变化趋势。综合夜间灯光指数()综合夜间灯光指数最初由卓莉等提出,相较 第 期 姚国慧等:基于遥感生态指数和综合夜间灯光指数的生态文明示范区生态环境与城市化耦合协调度研究于其他夜间灯光指数,其优势在于可以通过阈值去除误差技术而无需确定权重,且具有一定物理意义,可以反映区域城市化综合水平,作为社会经济因子用于分析示范区和“两山”实践创新基地的城市化水平。基于定标的月
13、平均地表辐射产品构造各市区综合夜间灯光指数,指数主要由平均灯光强度()和灯光面积比()个部分构成,计算公式为,(,)(,),(),()。()式()()中,和分别为行政区内像素值和像元数量,两者乘积也被称为灯光总强度;,为行政区内所有非“”像元数 处的像素值,是为了避免出现孤立的极亮像元而设立的阈值,代表区域内灯光像元最大灰度值;和分别为行政区内像素值在,区间内的像元数量和面积();,为最大灯光强度;为行政区总面积,即各市区国土面积,;为综合夜间灯光指数。指数可以代表每个区域的城市化水平,受到区域 和城市空间紧凑度等因素影响,如高度城市化地区灯光总强度大,灯光面积比也很大,在同等灯光总强度条件下
14、,城市紧凑度高的区域 值就小。耦合协调度模型耦合度一般用于度量 个及 个以上系统或子系统之间的相互作用强度,耦合协调度能体现耦合各方互动关系是否良性,常被用于评价产业、经济和区域发展协调状况。耦合协调度越高,说明耦合各方存在良好、高水平的相互促进关系。采用耦合协调度评价长三角区域示范区和“两山”实践创新基地的生态环境与城市化的协调性,其计算公式为()()()(),()()(),()。()式()()中,()和()分别为区域生态环境质量和社会经济发展综合评价水平,即 指数和 指数;为耦合度,用来表示生态环境质量与社会经济发展水平的协调指数;为协调度,用来表示生态环境质量与社会经济发展的综合水平;为
15、耦合协调度,用来表示生态环境质量与社会经济发展水平一定的条件下,两者复合效益最大化情况下的协调程度。值越大,生态环境质量与社会经济发展水平协调状态越好;值越小,两者越不协调。结果与分析 空间分布 年,长三角区域共有 个示范区和 个“两山”实践创新基地(表),其面积(分别为 和 )分别占长三角区域总面积的 和,涵盖了地级市、县(市、区)、镇多级行政区划。江苏省、安徽省、浙江省和上海市示范区数量分别为、和 个,“两山”实践创新基地数量分别为、和 个。其中,个地区既属于示范区,又属于“两山”实践创新基地,分别为江苏省溧阳市、盐城市盐都区,安徽省湾沚区(芜湖县)、金寨县、岳西县,浙江省安吉县、湖州市、
16、宁波市北仑区、宁海县、衢州市、新昌县。由洛伦兹曲线(图)可见,长三角区域示范区和“两山”实践创新基地均未达到空间均匀分布,前者分布较为集中,尤其在三省一市交汇处形成了一个无缝链接、跨区域的天然功能区。表 年长三角区域示范区和“两山”实践创新基地统计情况 地区示范区“两山”实践创新基地数量占比累计占比数量占比累计占比上海市 安徽省 江苏省 浙江省 图 长三角区域示范区和“两山”实践创新基地空间分布的洛伦兹曲线 生 态 与 农 村 环 境 学 报第 卷“两山”实践创新基地除了在安徽西部和浙江东南部呈连片分布外,在其他地区分布较为零散。在垂直空间上,示范区有 的区域面积位于海拔 的平原地区,平均海拔
17、为 ,地表粗糙 度 为 ;“两 山”实 践 创 新 基 地 有 的区域面积位于海拔 的低山、中山丘陵地区,平均海拔为 ,地表粗糙度为 (图)。审图号:()号。图 长三角区域海拔、坡度以及示范区和“两山”实践创新基地空间分布 ,土地利用结构由图()可见,年长三角区域土地利用类型以耕地()和林地()为主,其后依次为建设用地()和水域();耕地主要分布在长三角北部和西北部地区,林地主要分布在南部和西部地区。自 年以来,建设用地、水域和林地面积占比呈现增加趋势,增幅分别为、和 ,草地和耕地面积呈现减少趋势,降幅分别为 和 图()。年,长三角区域示范区和“两山”实践创新基地土地利用结构主要为林地、耕地、
18、建设用地和水域图()。在示范区,林地、耕地、建设用地和水域面积占比分别为 、和。在“两山”实践创新基地,林地具有绝对优 第 期 姚国慧等:基于遥感生态指数和综合夜间灯光指数的生态文明示范区生态环境与城市化耦合协调度研究势(面积占比),耕地、建设用地和水域面积占比分别为、和 。草地和裸地在示范区和“两山”实践创新基地中面积占比均很小(合计面积占比)。通过比较土地利用结构差异性可以发现,在快速城市化进程背景下,示范区和“两山”实践创新基地保留了较多的生态用地,在长三角区域中的自然环境基础相对较好。就重要生态功能区而言,示范区和“两山”实践创新基地中分别有 和 的面积位于重要生态功能区内,面积占比分
19、别为 和,去除两者重复区域后总面积为 ,占长三角区域重要生态功能区面积的 图 和图()。就主导生态功能而言,各主导生态功能 面 积 占 比 由 大 到 小 依 次 为 水 源 涵 养 区()、生物多样性保护区()、洪水调蓄区()和土壤保持区(),“两山”实践创新基地生物多样性保护区面积占比()高于示 范 区(),水 源 涵 养 区 面 积 占 比()低于示范区()(表)。图 长三角区域土地利用现状和结构变化以及示范区和“两山“实践创新基地土地利用情况 ,表 长三角示范区和“两山”实践创新基地的主导生态功能面积占比 生态文明示范区面积占比 洪水调蓄生物多样性水源涵养土壤保持示范区 “两山”实践创
20、新基地 去除重复区域后合计 时空变化主成分分析结果表明,、和 年长三角区域 第 主成分贡献率分别为 、和 ,说明第 主成分集中了 指标大部分特征。以 为间隔将 划分为优()、良()、中等()、较差()和差()个等级,结果表明,长三角区域示范区和“两山”实践创新基地 空间分布及变化特征具有显著差异(表)。在 等级占比和变化趋势方面,长三角区域示范区和“两山”实践创新基地 达到优良等级的面积占比均,但 年以来,优良等级面积占比呈不断下降趋势,其中,“两山”实践创新基地 优良等级面积占比相对更高,下降速率也更大,在 年 中等及中等以下面积超过优良等级面积,年示范区 等级也达到最低水平。到 年,示范区
21、 等级以中等和良等级为主,“两山”实践创新基地以优良等级 生 态 与 农 村 环 境 学 报第 卷为主。在空间分布(图)方面,示范区 变化强度较大的区域位于江苏省、浙江省和安徽省三省交界处,但在各省、市内,示范区 差异较小。通过降尺度空间分析发现,受到植被指数和湿度的影响,年浙江省西部地区 等级发生较大幅度降低,造成示范区和“两山”实践创新基地 等级也同步降低,但在 年又恢复到优良等级,因此形成较大波动。表 年示范区和“两山”实践创新基地不同 等级面积占比 等级划分依据示范区各 等级面积占比“两山”实践创新基地各 等级面积占比 年 年 年 年 年 变化率 年 年 年 年 年 变化率 差 较差
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