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自然资源学报 >

2024 , Vol. 39 >Issue 3: 640 - 667

DOI: https://doi.org/10.31497/zrzyxb.20240309

其他研究论文

汾河流域新型城镇化与生态韧性耦合协调时空演变及协调影响力研究

  • 刘海龙 , 1, 2 ,
  • 王改艳 1 ,
  • 张鹏航 1 ,
  • 王争磊 1 ,
  • 张丽萍 1
展开
  • 1.山西师范大学地理科学学院，太原 030000
  • 2.山西师范大学黄河中游生态环境研究中心，太原 030000

刘海龙（1983- ），男，甘肃正宁人，博士，副教授，主要从事区域生态安全与可持续发展研究。E-mail:

收稿日期: 2023-04-17

  修回日期: 2023-11-13

  网络出版日期: 2024-03-12

基金资助

山西省哲学社会科学规划课题(2022YY061)

收起

Spatio-temporal evolution and coordination influence of coupling coordination between new urbanization and ecological resilience in Fenhe River Basin

  • LIU Hai-long , 1, 2 ,
  • WANG Gai-yan 1 ,
  • ZHANG Peng-hang 1 ,
  • WANG Zheng-lei 1 ,
  • ZHANG Li-ping 1
Expand
  • 1. School of Geographical Sciences, Shanxi Normal University, Taiyuan 030000, China
  • 2. Research Center of Ecological Environment in the Middle Reaches of the Yellow River, Shanxi Normal University, Taiyuan 030000, China

Received date: 2023-04-17

  Revised date: 2023-11-13

  Online published: 2024-03-12

Fold

摘要

构建基于“规模—密度—形态”的三维流域生态韧性分析框架，运用耦合协调模型测算并分析2000—2021年汾河流域县域新型城镇化与生态韧性的耦合协调时空演变特征，采用空间自相关模型揭示耦合协调的空间集聚特征，引入协调影响力指数表征各子系统对整体耦合协调度的作用力及作用程度。结果表明：（1）2000—2021年汾河流域各县域新型城镇化水平总体缓慢提升，“核心—边缘”空间格局显著，生态韧性综合指数持续降低，空间格局上高值区呈“S”型分布，低值区集中于中部谷地。（2）耦合协调度呈现由“轻度协调”向“轻度失调”下滑的发展特征，受区位优势和生态禀赋因素影响，耦合协调度空间分布呈现由核心向边缘逐级提升的“环状”分布格局，空间集聚趋势显著。（3）新型城镇化中人口、空间、社会、绿色子系统对综合耦合协调度起反向阻滞作用，经济城镇化对综合耦合协调度的影响先阻滞后推动，生态韧性子系统对综合耦合协调度均起反向阻滞作用，规模、密度韧性阻滞力增强，形态韧性阻滞程度减弱。（4）新型城镇化水平不均衡发展的“马太效应”更加明显，生态韧性受制于生态资源本底，空间演变存在路径依赖现象，汾河流域兼具城镇化推进对生态产生负效应的流域普遍性特征和资源发展型县域产业转型缓慢、生态建设较城镇化显著滞后的特殊性。

关键词： 新型城镇化; 生态韧性; 耦合协调性; 协调影响力; 汾河流域

本文引用格式

刘海龙 , 王改艳 , 张鹏航 , 王争磊 , 张丽萍 . 汾河流域新型城镇化与生态韧性耦合协调时空演变及协调影响力研究[J]. 自然资源学报, 2024 , 39(3) : 640 -667 . DOI: 10.31497/zrzyxb.20240309

Abstract

This paper constructs a "Size-Density-Morphology" basin ecological resilience evaluation system, using the coupled coordination model to estimate and analyze the spatial and temporal evolution characteristics of coupled coordination between new urbanization and ecological resilience in counties of the Fenhe River Basin from 2000 to 2021, and the spatial autocorrelation model is used to reveal the spatial clustering characteristics of coupled coordination. The coordination influence index is introduced to characterize the effect and the degree of role of each subsystem on the overall coupling coordination degree. The results show that: (1) From 2000 to 2021, the level of new urbanization in counties of the Fenhe River Basin had been improved slowly, the "core-edge" spatial pattern was significant, and the comprehensive index of ecological resilience had been decreasing continuously. The high-value areas in the spatial pattern are distributed in an "S" shape, and the low-value areas are concentrated in the central valley. (2) The coupling coordination degree is characterized by a downward trend from "mild coordination" to "mild imbalance". Affected by the location advantages and ecological endowment factors, the spatial distribution of the coupling coordination degree showed a "ring" distribution pattern of increasing from the core to the edge, and the spatial agglomeration trend is significant. (3) In the new urbanization, the population, space, society and green subsystems have a reverse blocking effect on the integrated coupling coordination degree, while the influence of economic urbanization on the comprehensive coupling coordination is first blocked and then promoted, and the ecological resilience subsystem has a reverse blocking effect on the integrated coupling coordination degree, with the scale and density toughness blocking increased and the morphological toughness blocking degree weakened. (4) The "Matthew effect" of the unbalanced development of new urbanization level is more obvious, and the external supply of energy in resource-based counties forces the density toughness to drop significantly. The ecological resilience is restricted by ecological resources, and the spatial evolution is path-dependent. The Fenhe River Basin has both the universal characteristics of urbanization, which has negative effects on the ecology, and the particularity of slow industrial transformation in resource-developing counties, and the significant lag of ecological construction compared with urbanization.

Key words： new urbanization; ecological resilience; coupled coordination; coordinated influence; Fenhe River Basin

1978年改革开放以来，中国经历了世界历史上规模最大、速度最快的城镇化进程，2021年常住人口城镇化率达到64.72%，比1978年提高46.80%，全国城市数量、城镇人口规模均实现了快速发展和质量提升。新型城镇化强调以人为本，是以满足人民群众对美好生活的向往为出发点，以城乡统筹、产城互动、和谐发展和生态宜居为基本特征[1]的城镇化。城镇化在物质上根植于生态环境，人类对生态系统的不断索取推动城镇化持续发展，与此同时，不合理的城镇化发展模式使生态系统遭受着不可避免的扰动和冲击，面对由人类粗放发展招致的生态失序，生态系统亟需提高其韧性以实现对未知扰动的消解与吸纳[2]。《国家新型城镇化规划（2021—2035年）》指出，提升城市生态系统服务功能和自维持能力是增强城市发展韧性、提高新型城镇化发展质量的重要措施。新型城镇化与生态系统相互作用、相互渗透。新型城镇化一方面通过人口集聚、经济提升和空间扩张不断加大对生态系统资源的索取和消耗；另一方面，经济和社会的进步为环保投资和清洁技术提供资金和科技支撑。相应地，生态系统既为城镇化发展提供各类自然资源、生活空间和环境功能，对城镇化发展有重要的支撑作用，又能通过气象灾害、城市内涝、恶性环境事件等负面影响对人类活动和城镇空间扩张做出响应和警示（图1）。在提倡生态文明建设背景下，新型城镇化建设与生态韧性协调发展是实现区域高质量发展的必然要求。因此，开展新型城镇化与生态韧性耦合协调水平测度是区域人地关系的重要内容，揭示新型城镇化与生态韧性空间交互规律、识别影响协调滞后的关键因素对促进两者协调发展至关重要。
图1 新型城镇化与生态韧性交互作用机理

Fig. 1 The interaction mechanism between new urbanization and ecological resilience

生态韧性意指生态系统面对某种干扰仍能维持正常运转并达到新的平衡状态的自适应能力，着重刻画人类活动与生态系统之间的协调关系，在应对生态失序、创新管理理念和推进区域可持续发展方面具有重要指导意义[3]。国外对生态韧性的研究集中于韧性思维框架在生态系统管理和城市生态规划领域的应用，从基础设施与管理结合[4]、城市与区域生态关系再理解[5]、气候对社会—生态关系重塑效应[6,7]及景观设计对环境恶劣地带的优化和改善[8]等方面，探讨通过气候适应政策构建韧性生态系统的路径，从生态系统[9]、生物多样性、景观配置[10⇓-12]等方面对城市生态韧性构建的重要性进行总结，强调将生态与城市规划相结合以构建能够抵御、应对并恢复城市各类风险的生态韧性系统。近年来，生态韧性理论也逐步引起国内学者的关注，主要基于复合指标法[13]、熵值法[14]、URECC-LC法[15]、源—流—汇评价法等量化方法，结合城市蔓延扩张、区域景观形态[16]、土地利用模式等时空演化过程，评估生态系统所遭受的风险压力及其恢复抵抗并维持正常运转的能力，并从地质地貌、植被状况、生态存储[17]等自然因素和城镇化进程、科技力量等人为干扰对生态韧性驱动机制和形成机理的基本问题深入探讨。
城镇化与生态系统的交互关系探讨是人地关系研究的重要部分，现有研究多从国家、省域、城市群[18]、城市[19]等不同视角，利用BP神经网络模型[20]、耦合协调模型、Tobit模型[21]、灰色关联度模型[22]等方法对发达地区或城市群的城镇化与生态环境交互关系进行测度。流域是以水为纽带的集社会、经济和自然于一体的复合系统，兼具生产、生活和生态功能，现有以流域视角对城镇化与生态系统交互关系的研究侧重于从省域和市域尺度对城镇化与生态系统服务价值协调性、新型城镇化与生态福利双向反馈效应[23]、城镇化高质量发展与生态环境耦合等方面进行探究。县域作为中国行政管理的基本单元和国家主体功能区的重要组成部分，具有社会经济体系完备、运行相对独立、地理功能多样的特点[3]。目前已有学者从县域尺度出发对京津冀[24]、洞庭湖区[25]、郑州都市圈等区域的城镇化与生态承载力系统耦合、城镇扩张对生态系统服务的影响、生态系统服务对城镇化的动态响应等方面开展研究。但由于中西部地区城镇化进程和经济发展缓慢，受到的关注度偏少。生态韧性在本质上强调生态系统结构和功能的稳定性[26]，侧重于测度生态系统面对外部冲击保持自身稳定并恢复原状的能力，已有学者围绕城镇化与生态韧性进行了有益探索[2,27]，但大多隐含在生态风险、生态安全及城市韧性相关研究中，基于景观生态学理论从韧性视角深入分析生态功能重要、生态环境脆弱的欠发达地区流域县域单元的城镇化与生态韧性交互影响成果较少。此外，现有耦合协调研究多对城镇化[28]、生态文明建设、生态韧性[2]等单一子系统协调影响力进行测算，难以对影响耦合协调性的各系统层和指标层深入挖掘，继而针对滞后系统提出科学合理的发展建议。因此，本文以汾河流域为研究区，围绕“典型流域行政区尺度新型城镇化与生态韧性耦合协调时空演变过程及协调影响作用机理”这一科学问题，精准认识研究区县域新型城镇化与生态韧性耦合协调空间分异规律，挖掘深层次协调作用影响机理，分别对新型城镇化和生态韧性协调影响力进行测算，识别新型城镇化与生态韧性各子系统对耦合协调度的贡献程度。通过对系统和内部之间耦合协调状态的特征分析和对比研究，精准识别影响耦合协调的滞后因素，以期探索新型城镇化与生态韧性耦合协调发展的内在机制，推动新型城镇化与生态韧性协调发展目标的实现，既丰富了流域地区城镇化与生态环境交互机制的研究，也为流域生态保护和高质量发展提供了实践参考。
汾河流域是黄河流域的重要组成部分，作为黄土高原丘陵沟壑水土保持生态功能区，是重要生态样貌保育地带，内有大量湿地、森林资源和生物资源，在提供多重生态功能和维系区域生态安全方面意义重大，但地表支离破碎，生态脆弱，自然本底差[29]。作为山西省经济和新型城镇化核心区，资源要素流动活跃，近年来城镇化进程的快速推进使流域本就脆弱的生态环境负荷愈重。基于此，本文以汾河流域为研究区，基于2000—2021年土地利用、社会经济、DEM等数据构建新型城镇化和生态韧性综合评价体系，借助耦合协调模型揭示各县域新型城镇化与生态韧性耦合协调的时空分异特征及空间相关性，引入协调影响力衡量新型城镇化与生态韧性对整体耦合协调度的贡献程度，识别推动或阻滞流域新型城镇化与生态韧性协调发展的关键要素，为流域尺度城镇化与生态韧性交互胁迫研究提供新的实证内容，为汾河流域城镇化与良性生态系统构建及相关政策制定提供科学依据，为黄河流域生态保护和高质量发展提供有益思路。

1 研究方法与数据来源

1.1 研究区概况

汾河流域位于黄河流域中游，地处山西省腹部，介于110°30'E~113°32'E、35°20'N~39°00'N之间，既是黄土高原的重要组成部分，也是山西省政治、经济和文化核心区[29]。本文所确定的汾河流域范围参照《汾河流域生态景观规划（2020—2035年）》划定的自然流域范围，并遵循“以自然汾河流域为基础[30]，尽可能保证行政区划单元的完整性，综合考虑研究区内行政区的社会经济联系[31]”三项原则，最终确定研究区范围包含6个地级市、36个县域行政单元（图2）。研究区地理位置优越，矿产资源丰富，是全省人口集中和工农业集聚的区域，也是省内城镇分布密集区，城镇化发展迅速，2000—2021年汾河流域的城镇化率由20.96%增长到53.52%，始终比全省城镇化平均水平高出4%。与此同时，城镇化的快速发展使得大量自然生态用地被占用，导致旱涝、水土流失等自然灾害频发，也增加了火灾、环境污染等人为灾害发生的风险[32]。《山西省主体功能区规划》明确了“一带三屏”为主体的生态安全战略格局，汾河流域作为优化开发区、重点开发区和重要生态功能区，既承担着水土保持、固碳减排的重要生态服务功能，又对推动区域经济社会和高质量发展具有重要作用。因此如何提高流域的防灾减灾水平、促使生态韧性水平与新型城镇化建设步伐协调发展，是汾河流域实现资源经济转型和推进高质量发展亟需解决的问题。
图2 汾河流域行政区示意图

Fig. 2 Administrative divisions in the Fenhe River Basin

1.2 数据来源

本文社会经济数据来自《山西省统计年鉴》《中国县域统计年鉴》《中国能源统计年鉴》（2001年、2006年、2011年、2016年、2022年）。土地利用数据来自中国科学院资源环境科学数据中心（http://www.resdc.cn），分辨率为30 m×30 m。DEM数据来源于地理空间数据云（http://www.gscloud.cn），分辨率为30 m×30 m。交通网络数据来自公开街道地图平台（https://www.openstreetmap.org）。PM2.5数据来自加拿大达尔豪斯大学大气成分分析组（http://fizz.phys.dal.ca/—atmos/martin/?page_id=140）。CO2排放量数据来自美国国家地球物理数据中心（http://www.ngdc.noaa.gov/）。自然保护区、风景名胜区、森林公园、重要湿地、文物保护单位数据来自山西省自然资源厅（http://zrzyt.shanxi.gov.cn/）和生态环境厅（http://sthjt.shanxi.gov.cn/）。

1.3 研究方法

1.3.1 新型城镇化评价指标体系

随着新型城镇化内涵的不断丰富，其评价标准也由原来单一的城镇化指标发展到目前涵盖广泛的多元综合指标。本文参考已有研究，结合研究区特征，遵循指标选取的综合性、代表性、客观性和可获取性等原则，将新型城镇化分为人口、空间、经济、社会、绿色5个准则层，涵盖以人为本、经济增长、精神文化、社会公平、生态环境等多重效应，以体现新发展理念的城镇化，通过城镇化率、城镇人口密度等17个指标层[33,34]构建研究区县域新型城镇化水平测度指标体系（表1）。其中，人口城镇化是指非城镇人口不断向城市转化和集中，城镇人口占总人口的比例不断提高的动态过程；经济城镇化是指伴随地区社会生产力的发展、产业结构的调整以及科学技术的进步，城市产出不断增加；空间城镇化是指随着经济、人口城镇化所伴生的反映在载体上的现象，表现为城市地域的不断扩大和升级；社会城镇化是指城镇化过程中基础设施建设和公共服务供给的不断完善和发展；绿色城镇化在强调外延扩展的同时更加注重城镇化内涵的提升，旨在通过绿色的发展方式减轻乃至避免生态环境状况恶化、环境问题凸显、人民生活质量下降等问题[1,21]。熵值法能反映指标信息熵值的效用价值，AHP层次分析法能依据实际情况合理调整指标权重值，为减少主观因素和信息离散程度对指标权重的影响，本文利用最小信息熵原理对主客观权重进行综合，具体公式见参考文献 [33]。
表1 新型城镇化综合水平测度指标体系

Table 1 The comprehensive index system of new urbanization

准则层 指标层 表征意义 客观权重 主观权重 综合权重 类型
人口城镇化 常住人口城镇化率/% 城镇化发展水平 0.0283 0.1282 0.0669 正
城镇人口密度/(人/km2) 人口空间分布疏密程度 0.0855 0.0388 0.0640 正
乡村从业人员占比/% 乡村实际从业状况 0.0121 0.0706 0.0325 负
空间城镇化 人均建成区面积/(人/km2) 人均城市化区域大小 0.0489 0.0968 0.0764 正
路网密度/(km/km2) 城市道路网发展规模 0.0361 0.0533 0.0487 正
城市建设用地面积比例/% 城市土地利用强度 0.0842 0.0293 0.0552 正
经济城镇化 人均GDP/元 经济发展状况 0.0973 0.1515 0.1349 正
经济密度/(万元/km2) 单位面积经济效益水平 0.1804 0.0437 0.0986 正
二三产业比例/% 产业结构 0.0136 0.0691 0.0340 正
人均规模以上工业总产值/(万元/人) 工业生产规模 0.1026 0.0981 0.1114 正
社会城镇化 人均社会消费品零售额/(万元/人) 居民生活水平状况 0.0771 0.0678 0.0803 正
每十万人中中小学人数/人 教育事业发展规模 0.0351 0.0373 0.0402 正
每万人拥有医疗机构床位数/张 医疗保障设施水平 0.0410 0.0205 0.0322 正
绿色城镇化 森林覆盖率% 森林资源和绿化水平 0.0379 0.0428 0.0448 正
人均公共绿地面积/(人/km2) 绿地空间生态水平 0.0934 0.0248 0.0535 正
CO2排放量/Mt 平均温室气体排放量 0.0037 0.0160 0.0085 负
PM2.5均值/(μg/m³) 颗粒物污染状况 0.0228 0.0113 0.0178 负

1.3.2 生态韧性评价指标体系

生态韧性指标体系由规模韧性、密度韧性、形态韧性三个准则层构成[35]。规模韧性反映流域生态基础设施服务空间范围与其建设用地之间的比例关系，密度韧性表示人类对资源的利用程度与生态系统对资源支撑能力的相对关系，形态韧性指流域各类生态用地空间布局的科学性、合理性。
（1）规模韧性
景观安全格局理论和生态基础设施（EI）理论具有约束流域无序扩张的意义，以此为基础，结合流域规划建设的相关标准，通过县域建设用地面积与生态基础设施面积之间的比例来定义规模韧性。参考已有研究[36]，结合汾河流域生态系统特征，从水土保持、生物多样性保护、游憩安全三个方面出发，识别研究区EI边界。鉴于研究区属于生态脆弱区，建设强度不宜太大，故将植被覆盖率低于17.3%、坡度>15°的区域作为EI边界的水土保持源地[35]，将《汾河流域生态景观规划（2020—2035年）》中规划的10处水功能保护区、6处水源地保护区、2处国家级自然保护区和12处省级自然保护区作为EI边界的生物保护源地，13处森林公园、16处重要湿地及73处省级文物保护单位作为EI边界的游憩安全源地。
对EI各类保护源地进行空间叠加，最低安全水平EI约束下的区域面积为区域适宜建设面积，利用遥感监测数据汇总县域的建设用地面积，计算规模韧性，公式为[37]：
R s = L s / L d
式中：Rs为规模韧性指数；Ls为EI约束下的县域适宜建设用地面积（km2）；Ld为已建设用地面积（km2）。Rs为正效应指标，指数越大，建设用地超载利用的程度越低，生态韧性越高（表2）。
表2 生态韧性综合水平测度指标体系

Table 2 The comprehensive index system of ecological resilience

准则层 客观权重 主观权重 综合权重 类型
规模韧性 0.3452 0.4934 0.4178 正
密度韧性 0.3652 0.3108 0.3411 正
形态韧性 0.2896 0.1958 0.2411 正
（2）密度韧性
生态足迹理论将区域内人类生产与消费活动的生态足迹需求同自然生态系统能够提供的生态承载力进行比较，可以表征区域的可持续发展状态和趋势[38]。以生态足迹理论为基础，通过计算区域内生态足迹和生态承载力，定量判断生态盈余或赤字，以此定义密度韧性[35]。计算步骤如下：
① 生态足迹：将人类对资源的消耗折算为支撑消耗所需的各类土地面积，由于各类土地单位面积的生产能力差别很大，故需要利用均衡因子[39]（表3）将具有不同生态生产力的生物生产面积转换为具有相同生态生产力的面积。计算公式为[40]：
E f = N × ∑ i = 1 n r i C i / P i
式中：Ef为地区总生态足迹（万hm2）；N为该区域总人口（人）；i为地区消费品类别；ri为土地类型均衡因子；Ci表示第i种消费品的人均年消费量（kg/人）；Pi为第i种消费品所对应的标准年平均生产力（kg/hm2）。
表3 用于生态足迹计算的均衡因子与产量因子

Table 3 Equivalence factors and yield factors for ecological footprint calculation

土地类型 中国均衡因子 汾河流域均衡因子 中国产量因子 汾河流域产量因子
耕地 1.74 0.85 1.74 0.48
草地 1.41 0.81 0.86 0.56
林地 0.44 0.63 0.51 1.40
水域 0.35 0.50 0.74 1.40
化石燃料用地 1.74 0.85 1.74 0.48
建筑用地 1.41 0.81 0.00 0.00
② 生态承载力：由于同类生产性土地在不同地区的生产力水平差异较大，所以在计算生态承载力时需要引入产量因子[41]（表3）对不同类型生产性土地统一量纲，在计算生态承载力时扣除12%的生产性土地面积以保护生物多样性[2]。计算公式为[35]：
E c = ( 1 - 12 % ) ∑ j = 1 n S j m j
式中：Ec为生态承载力（万hm2）；j为生产性土地利用类型；Sj为第j类生产性土地的现有面积（km2）；mj为第j类生产性土地的产量因子。
③ 密度韧性：通过生态足迹和生态承载力比值计算密度韧性，公式为[35]：
R d = E c / E f
式中：Rd为密度韧性指数。Rd是正效应指标，值越大，表明生态盈余越大，生态韧性越强。
（3）形态韧性
当水体、植被等与建成环境保持均衡布局和良好交融时，有利于消解建成区环境附带的不利影响，增强流域韧性。根据景观生态学视角下的“源—汇”理论，流域中的异质景观可分为“源”“汇”两种类型，其中“源”景观指建筑、道路等灰色景观，“汇”景观指绿色植被和蓝色水体，可以吸收或消纳“源”景观产生的负效应[35]。以“源—汇”理论为基础，综合考虑景观斑块的内部差异性，通过景观“平均距离指数”来定义形态韧性。
在ArcGIS 10.8中对研究区的土地利用类型进行重分类，划分为“源（建设用地）”“汇（林地、草地、水域）”两种基本类型，通过“近邻表”工具计算每个“源”栅格到最近“汇”斑块的距离，计算所有“源”栅格的最近邻平均数，即为“平均距离指数”，计算公式为[35]：
L d = ∑ i = 1 m m i n ( d i ) / m
式中：Ld为“源—汇”景观平均距离指数；min(di) 为“源”栅格i到“汇”斑块的“最近邻距离”；m代表“源”栅格的数量（个）。
计算形态韧性指数，公式为[35]：
R m = L / L d
式中：Rm为形态韧性指数；L是常数，值为2000年汾河流域“源—汇”景观平均距离指数。Rm为正效应指标，值越大，说明县域“源”“汇”景观布局越合理，生态韧性越高。

1.3.3 耦合协调度模型

耦合广泛运用于测算系统间相互作用的程度。将耦合协调度模型应用到本文中，用以衡量新型城镇化和生态韧性两系统之间的交互关系，公式为[2]：
C = U 1 × U 2 / ( U 1 + U 2 ) / 2 2 1 / 2
T = α U 1 × β U 2
D = C × T
式中：C为耦合度，表示系统之间相互影响作用的程度；U1、U2分别表示新型城镇化、生态韧性的综合评价指数；T为综合协调指数，反映系统间整体发展水平对协调度的贡献；α、β可以解释为两大子系统的相对重要性，本文认为二者发展同等重要[42]，将α、β均赋值为0.5；D为耦合协调度，能够更为全面地反映两个系统交互耦合的协调程度。
参考已有研究[1]，结合研究区实际情况，将新型城镇化与生态韧性耦合协调度划分为中度失调 [0.2, 0.3)、轻度失调 [0.3, 0.4)、轻度协调 [0.4, 0.5)、中度协调 [0.5, 0.6) 四个类型，前两种类型属于失调阶段，后两种类型属于协调阶段。

1.3.4 空间自相关

空间自相关可以更全面地分析耦合协调度在空间上是否存在集聚特征[43]，通过全局Moran's I指数能够判断区域间是否存在空间相关性，通过局部Moran's I指数来观察局部空间集聚情况。本文通过全局Moran's I指数和局部Moran's I指数识别新型城镇化与生态韧性系统耦合协调度的空间分异和集聚态势。
全局Moran's I指数[44]：
I = ∑ i = 1 n ∑ j = 1 n W i j x i - x - x j - x - / ∑ i = 1 n ∑ j = 1 n W i j ∑ i = 1 n ( x i - x - )
局部Moran's I指数[44]：
I i = n ( x i - x - ) ∑ j = 1 , j ≠ i n W i j ( x j - x - ) / ∑ i = 1 n ( x i - x - ) 2
式中：n为县域个数（个）；xi和xj为区域i和j的耦合协调度； x -为全部县域平均耦合协调度；Wij为邻接空间权重矩阵，若区域i和区域j具有公共边界，则Wij为1，否则取0；S为空间权重矩阵之和。全局Moran's I指数计算结果采用Z检验，当|Z|>2.58，则通过P<0.01的显著性检验。

1.3.5 协调影响力

利用协调影响力来反映各子系统对新型城镇化与生态韧性综合耦合协调度产生的推动或阻滞作用以及作用程度，各县域耦合协调度的变化取决于各子系统的相互制衡。为深入分析子系统对总体耦合协调度的影响，引入协调影响力CI指标。公式为[2]：
C I = W x ( D x - D y )
式中：Dx（x=1, 2, 3, 4, 5）表示新型城镇化与生态韧性子系统的耦合协调度和生态韧性与新型城镇化子系统的耦合协调度；Dy表示两大系统之间的综合耦合协调度；Wx表示子系统所对应的权重系数。协调影响力CI能衡量子系统协调对总体协调的影响，数值正负分别代表推动或阻滞作用，数值大小代表影响程度。

2 结果分析

2.1 汾河流域新型城镇化水平时空演变特征

对汾河流域新型城镇化发展水平进行测算，2000—2021年，研究区新型城镇化水平总体呈稳定上升趋势，综合指数由2000年的0.140提高到2021年的0.285，增速达103.57%。利用ArcGIS 10.8，对汾河流域县域2000年、2005年、2010年、2015年和2021年的新型城镇化进行自然断点分级，由低到高依次定义为低水平区、较低水平区、一般等级区、较高水平区和高水平区[44]。2000年，新型城镇化低水平区包括万荣、静乐、浮山等4个县市，县域数量占比11.11%；较低水平区包含阳曲、寿阳、娄烦等14个县市，占比38.89%；一般等级区占比30.56%，涉及太谷、交城、清徐等11个县市；较高水平区域包括古交、晋中市辖区、临汾市辖区等6个县市，占比16.67%；高水平县域仅有太原市市辖区。2005年，新型城镇化水平提高为0.153，增幅9.29%，宁武、静乐、娄烦等13个县域新型城镇化等级有所提升，其中浮山新型城镇化水平由低水平发展为较低水平区，静乐由低水平区上升为一般水平区，岚县、古县和翼城由较低水平区上升为一般等级区，娄烦、灵石、霍州等6县由一般水平区升级为较高水平区，交口由较低水平区提升为较高水平区，均受人口城镇化率、城市人口密度、人均GDP、经济密度、二三产业比例上升、乡村从业人员比例下降等因素的影响。21世纪初迎来山西煤炭发展的黄金时期，这一时期各县域根据自身资源禀赋积极调整生产规模，多数县域新型城镇化水平得到明显提升。2010年，新型城镇化水平上升为0.195，增幅27.45%，寿阳由较低水平区提升为一般水平区，阳曲由一般水平区发展为较高水平区，均与人口城镇化率、路网密度、城市建设用地面积比例等指标数值增加有关；11个县域新型城镇化等级出现回退，其中宁武和霍州由较高水平区降为一般等级区，娄烦、乡宁和翼城由一般水平区降至较低水平区，岚县、静乐、汾西等6县衰退为低水平区，受2008年全球金融危机波及，煤炭价格大幅下跌，煤炭产能过剩问题突出，单一产业结构使全省进入经济发展的低迷时期，上述地区城市人口密度、二三产业比例、每万人拥有医疗机构床位数等指标均有不同程度的下降。2015年，新型城镇化综合指数为0.221，增幅13.33%，由于人口城镇化率、人均GDP、二三产业比例等指标明显提升，新绛上升为较低水平区，曲沃、平遥和岚县发展为一般水平区，古交、交口和古县由于城市建设用地比例、二三产业比例、人均GDP等指标的下降，降为一般水平区。2021年，绛县下降为低水平区，霍州和交城下降为较低水平区，临汾市辖区和晋中市辖区下降为一般等级区。上述地区二三产业比例、人均规模以上工业总产值、万人拥有医疗机构床位数等指标不同程度下降，宁武、静乐、文水等8县受人均GDP、人均规模以上工业生产总值和二三产业比例上升的影响，新型城镇化等级均有所提升。
从空间分布来看（图3），汾河流域新型城镇化水平“核心—边缘”结构明显，且研究期间县域差值由0.201增至0.400，区域极差增大，表明县域间新型城镇化发展的不均衡性增强。2000—2005年，“核心—边缘”的空间分布格局开始显现，高水平区、较高水平区主要分布在太原市辖区、晋中市辖区、临汾市辖区、介休市等，形成区域发展核心；一般水平区主要在高值区外围分散分布，受行政中心辐射带动作用明显；较低水平区、低水平区集中分布在流域北部芦芽山和云中山、西侧吕梁山区、东侧太行山区以及南部太岳山区，受地形因素影响显著。2005—2021年，研究区县域新型城镇化的“核心—边缘”结构日趋明显，北部以太原市辖区和晋中市辖区组成的核心区城镇化水平高于流域均值的40.39%，寿阳、阳曲、娄烦等外围县域组成边缘发展区；中部以孝义、介休、灵石为核心发展区，区域增长极正在不断强化，汾阳、文水、平遥等周边县域为边缘发展区；南部核心—边缘结构减弱，除临汾市辖区、河津市、侯马市发展较好以外，其他县域发展水平普遍偏低，新型城镇化综合水平差异明显。
图3 2000—2021年汾河流域新型城镇化综合指数空间格局

Fig. 3 Spatial pattern of new urbanization comprehensive index in the Fenhe River Basin from 2000 to 2021

2.2 汾河流域生态韧性时空演变特征

2.2.1 规模韧性时空演变特征

2000—2021年，汾河流域规模韧性指数由10.249持续下降至5.369。其中2000—2015年规模韧性下降缓慢，整体下降16.43%；2015—2021年下降急速，降幅高达37.32%，规模韧性安全风险逐渐增大。2000年，36个县域规模韧性均大于临界值1，规模韧性均处于盈余状态。2005年，整体规模韧性降低为9.643，降幅5.92%，太原市辖区受建设用地面积增加的影响成为首先进入规模韧性安全风险期（0.974）的县域。2010—2015年，规模韧性指数由9.214降低至8.566，降幅7.04%，太原市辖区建设用地面积持续增长13.07%，导致规模韧性降至0.862。2021年，除太原已进入规模韧性安全风险区之外，全流域已有宁武（1.164）、交城（1.587）、娄烦（1.886）、介休（1.669）、灵石（1.667）、河津（1.703）6个县域接近规模韧性指数为1的临界水平，未来城镇化和经济发展将面临一定程度的规模安全约束。
从空间分布来看（图4），规模韧性指数整体呈现出东西两侧高于中部、北部高于南部的分布格局。2000—2005年，高水平区、较高水平区和一般水平等级区分散分布于包括静乐、古交、岚县等县域的流域北部和包括汾西、古县、乡宁等县域的流域东西侧，低水平和较低水平区集中分布于流域中部、南部谷地的太原市辖区、清徐、交城等大多数县域。2005—2015年，流域中部、南部谷地的低水平和较低水平区由之前的交错分布转变为较低水平区大范围连片分布，低水平区点状零星分布。2015—2021年，基本形成北部高水平和较高水平区、南部一般水平区呈片状分布，东西两侧高水平、较高水平和一般水平区呈带状分布，低水平、较低水平区县域仍群聚于流域中部的分布格局。东西两侧高于中部、北部高于南部的空间分布格局与汾河流域地形特征密切相关。太原盆地、临汾盆地、运城盆地分散分布于中部及南部的汾河谷地，地形平坦开阔，气候适宜，多年平均降水量400~700 mm，年平均气温介于7~13.7 ℃，水土资源优良，随着区域城镇化步伐的加快，能够满足大规模城镇化建设的需求，由此导致城市建设用地迅速扩张；两侧及北部多为太岳山、吕梁山等山地，分布有芦芽山、庞泉沟国家级自然保护区和云顶山、凌井勾、绵山等省级自然保护区，生态环境脆弱，经济及城镇化建设规模小，2021年城镇化水平低于研究区平均水平的12.21%，人均GDP低于流域均值的32.34%，规模韧性偏高。
图4 2000—2021年汾河流域规模韧性指数空间格局

Fig. 4 Spatial distribution of size resilience index at county level in the Fenhe River Basin from 2000 to 2021

2.2.2 密度韧性时空演变特征

2000—2021年，研究区密度韧性由0.310降至0.074，下降幅度由2005年的27.82%波动增加到2021年的37.55%，生态足迹增幅312.59%，生态承载力降幅1.56%，人口密度过大、能源消耗不合理等生态隐患导致研究区长期处于生态赤字状态。2000年，太原市辖区、清徐、霍州等9个县域密度韧性低于流域平均水平，太原市辖区、晋中市辖区、太谷等20个县域密度韧性指数低于1，处于生态赤字状态，县域生态赤字占比达55.56%。2005年，平均密度韧性指数为0.224，孝义、灵石、古县、浮山也陷入生态赤字状态，县域生态赤字占比增至66.67%。2010年，平均密度韧性指数降为0.154，汾阳、古交、阳曲等5个县域进入生态赤字状态，县域生态赤字占比达80.56%。2015年，平均密度韧性指数为0.118，介休、灵石、晋中市辖区粮食作物、肉类、禽蛋等物质消费和化石能源消费均有不同程度提高，生态足迹指数分别上升140%、75%、69%，使得密度韧性逐渐落后于流域平均水平。2021年，文水、娄烦2县开始出现生态赤字，县域生态赤字占比高达86.11%。
从空间格局来看（图5），研究区密度韧性空间分布较为稳定地表现为西北、东南两侧高、中部盆地地区低的格局。2000—2005年，研究区密度韧性高水平区、较高水平区集中于以宁武、静乐、岚县等为主的西北部区域，较低水平区、低水平区分布在包括太原市辖区、清徐、霍州等流域中部的诸多县域，整体呈现出西北高、中部低的空间格局。2005—2015年，西北部出现密度韧性高水平、较高水平集中连片区，在原有格局基础上高值向娄烦、古交、交城等周边县域蔓延。2015—2021年，高水平区、较高水平区仍成片集中在西北侧，太原盆地、临汾盆地、运城盆地低值区集聚更加显著，一般等级区在南部零星分布的空间格局。流域中部谷地地理位置优越，水土条件优良，加之煤炭资源（西山煤田、汾西煤田、沁水煤田）丰富，是区域人口密集区，常住人口占流域总人口的70.98%，又是市级行政中心分布地，城镇化发展迅速，城镇化率高于流域均值的22.10%，承载了流域大部分的人类活动，平均地类消费增速达361.75%，对生态环境造成的压力也逐年增大，使中部县域密度韧性持续降低；而西北部山地、林地广布，面积占比高达66.39%，不便于进行大规模的人类活动，密度韧性普遍偏低。
图5 2000—2021年汾河流域密度韧性指数空间格局

Fig. 5 Spatial distribution of density resilience index at county level in the Fenhe River Basin from 2000 to 2021

2.2.3 形态韧性时空演变特征

从时序变化来看，研究区整体形态韧性指数经历了先上升后下降的变化趋势。2000—2005年，平均形态韧性指数由1.000上升至1.009。宁武、岚县、交城等17个县域“源—汇”景观平均距离指数下降幅度介于0.39%~13.32%之间，形态韧性有所提升。三北防护林体系建设工程的持续推进，使研究区退耕还林还草进展卓有成效[29]，水体、植被等与建成环境之间布局更为均衡，静乐、孝义、交口等17个县域“源—汇”景观平均距离指数上升幅度介于0.14%~40.19%之间，形态韧性指数有所下降；娄烦、襄汾形态韧性保持不变。2005—2010年，平均形态韧性指数由1.009上升至1.012。宁武、岚县、交城等19个县域形态韧性指数持续上升，静乐、文水、娄烦等8个县域开始出现回升，其余 17个县域由于建设用地边缘蔓延式扩张使得“源—汇”景观平均距离指数增加，形态韧性水平等级下降，形态韧性指数降幅介于0.01%~21.14%之间。2010—2015年，平均形态韧性指数由1.012上升至1.035，县域形态韧性指数基本维持原有变化趋势，仅灵石、乡宁2县出现明显下滑，下滑幅度分别为42.69%和26.72%。2015—2021年，平均形态韧性指数由1.035下降至0.867，整体降幅高达16.30%，流域内29个县域形态韧性指数下降，静乐、太原市辖区、古交等其余7个县域形态韧性指数小幅回升。这一阶段研究区建成环境扩张幅度高达38.43%，使“源—汇”景观布局不均衡性明显增加，形态韧性出现大范围下降。
从空间分布来看（图6），2000—2005年，形态韧性高水平区、较高水平区集中在北部的宁武、静乐、娄烦等7个县域、中部的孝义、交口、汾西、灵石和南部的古县、浮山、翼城等5个县域，较低水平区和低水平区在中部谷地孝义、汾阳、文水等19县相间分布。2005—2021年，低水平区呈组团状分布在中部晋中市辖区、太谷、祁县等太原盆地城市群和南部洪洞、临汾市辖区、襄汾等临汾盆地城市群，较低水平区集中在万荣、稷山、绛县等流域南部县域，高水平区、较高水平区与一般水平区稳定分布在北部和东南部的宁武、岚县、静乐等县域，各等级区空间分化增强。研究区形态韧性空间分布格局受地区生态本底影响显著，整体呈现出南北两侧高、中部谷地低的空间分布格局。北部和东南部芦芽山、吕梁山、太岳山等山地地区生态环境脆弱，地形破碎复杂，同时是芦芽山、管涔山等国家级和省级自然保护区集中地，人类活动对生态系统干扰较弱，范围内县域研究期间蓝绿景观面积仅下降2.06%，灰色景观面积增加53.90%。而中部谷地作为流域重点经济发展区，蓝绿景观面积下降6.65%，灰色景观面积增加高达205.38%，生态本底差异使形态韧性等级区空间分化愈烈。
图6 2000—2021年汾河流域形态韧性指数空间格局

Fig. 6 Spatial distribution of morphological resilience index at county level in the Fenhe River Basin from 2000 to 2021

2.2.4 生态韧性时空演变特征

从时序变化看，研究区平均生态韧性综合水平由2000年的0.188持续下降至2021年的0.081，降幅呈现先慢后快的变化趋势。2000年，生态韧性处于低水平区的县域有太原市辖区、晋中市辖区、清徐等16个县域，县域生态韧性水平介于0.012~0.068之间，远低于流域平均生态韧性水平；较低水平区包括交城、文水、汾阳等7个县域，生态韧性水平介于0.065~0.188之间，低于流域平均生态韧性水平的42.34%~65.09%之间；一般等级区涉及岚县、娄烦、阳曲等6个县域，生态韧性均高于流域平均生态韧性水平；较高水平区域包括宁武、古交、乡宁等5个县域；高水平区仅有静乐和交口2县。2005年，平均生态韧性综合水平下降为0.160，降幅14.53%。太谷县由于规模、密度和形态韧性变幅微小，下降速率远低于流域平均降幅，生态韧性由低水平区发展为较低水平区；岚县由一般等级区提升为较高水平区；乡宁和古县由较高水平区提升为高水平区，均与源—汇景观平均距离指数下降有关，使得岚县、乡宁、古县的形态韧性分别提高0.44%、4.66%和2.07%，交口县规模、密度和形态韧性均出现明显下降，降幅分别达44.35%、39.66%和29.49%，由高水平区下降为较高水平区。2010年，生态韧性综合水平下降至0.146，降幅9.09%，交口、汾西、古交等24个县域生态韧性等级均在原有等级上提升一个等次，其中58.33%的县域形态韧性有所提高，其余41.67%的县域韧性子系统均变幅微小；受益于《汾河流域生态环境治理修复与保护工程方案》的实施，流域综合治理被逐步推进，促使林草植被种植面积增加0.04%，形态韧性综合水平向好发展。2015年，生态韧性综合水平下降为0.124，降幅15.13%，乡宁、交口均下降为较高水平区，乡宁规模、密度和形态韧性均出现大幅下降，降速分别为57.38%、21.05%和29.03%；交口规模和形态韧性分别下降61.75%和50.48%；太谷密度韧性下降达59.42%，成为其生态韧性回退为一般等级区的重要原因。2021年，生态韧性综合水平已降至0.081，降幅加快至34.68%，仅浮山、洪洞2县生态韧性水平有所提升，分别提高1.75%、8.66%；其余县域生态韧性水平均有不同程度下降，其中文水、交城、汾阳等26个县生态韧性等级有所下降。
从空间格局来看（图7），2000—2005年，生态韧性高水平区和较高水平区分布于流域北部的静乐、宁武、古交和岚县与中部的交口、汾西、古县以及南部乡宁，上述县域林草覆盖率较高，约占县域总面积的66%，生态优势显著；一般水平区分布在北部娄烦、阳曲和寿阳以及中部灵石、浮山；较低水平区和低水平区聚集于流域中部太原盆地、临汾盆地和运城盆地内的太原市辖区、晋中市辖区、清徐等22县；以上县域经济发展较快，人均GDP高出流域平均水平的45.58%，在追求经济高速发展的同时，人口密度快速增加，建设用地扩张显著，生态韧性水平普遍较低。2005—2015年，娄烦、阳曲和寿阳上升为较高水平区，使北部高水平区和较高水平区明显扩张，这一时期退耕还林政策卓有成效，使林地面积有所恢复，增加0.20%；交城、文水、汾阳等吕梁山区县域提升为一般水平区，晋中市辖区、祁县、平遥等太原盆地所属县区上升为较低水平区。2015—2021年，在经济发展和城镇化扩张驱动下，吕梁山区附近县域发展为较低水平区，太原盆地附近县域下降为低水平区。整体而言，2000—2021年研究区生态韧性空间格局较为稳定，在地形特征和经济发展双重影响下高值县域呈近“S”型分布，整体呈现“北高南低，东西高中部低”的分布特点。
图7 2000—2021年汾河流域生态韧性综合指数空间格局

Fig. 7 Spatial distribution of ecological resilience index at county level in the Fenhe River Basin from 2000 to 2021

2.3 汾河流域新型城镇化与生态韧性耦合协调性时空演变特征

从整体上看，汾河流域新型城镇化与生态韧性耦合度介于0.830~0.999之间，均大于0.8，处于高度耦合阶段，新型城镇化与生态韧性存在较强的交互作用。研究区耦合协调度平均水平由2000年的0.403上升至2010年的0.411后又下降至2021年的0.389，经历了先上升后下降的变化过程，虽整体变幅微小，但呈现出由轻度协调向轻度失调下滑的发展特征。从耦合协调类型来看，2000年，各县域耦合协调度介于0.231~0.563之间，受高城镇化和低生态韧性“错位”发展的影响，河津市出现最低值，而交口县由于生态韧性优势和相对较高的城镇化水平成为最高值，宁武、静乐、古交等6县为中度协调，岚县、寿阳、娄烦等6县为轻度协调，阳曲、交城、文水等9县为轻度失调，太原市辖区、清徐、祁县等15县为中度失调。2005年，各县域耦合协调度介于0.232~0.573之间，与2000年相比变幅细微，仅晋中市辖区因城镇化加速发展耦合协调由轻度失调（0.301）下降为中度失调（0.292），浮山县由轻度协调（0.401）下滑为轻度失调（0.398）。2010年，耦合协调度介于0.245~0.570之间，除宁武、静乐、岚县、交城、交口、娄烦6县受生态韧性水平下降导致耦合协调水平降低之外，其余各县均出现不同程度的回升，其中阳曲县由轻度失调（0.396）提升为轻度协调（0.431），宁武县下降幅度较大，由中度协调（0.515）下滑至轻度协调（0.471）。2015年，各县域耦合协调度介于0.252~0.568之间，交口县和乡宁县由于新型城镇化的加速发展和生态韧性的快速下降使得耦合协调水平明显降低，从中度协调（0.539、0.540）落入轻度协调（0.475、0.471）阶段。2021年，各县域耦合协调度介于0.238~0.552之间，除宁武、太原市辖区、霍州、洪洞、曲沃、浮山6县之外，流域内大部分县域耦合协调度均明显下降，主要诱因为生态韧性水平的普遍降低及城镇化水平的稳步提升；其中娄烦县、灵石县由轻度协调（0.464、0.403）下滑为轻度失调（0.395、0.391），太谷县由轻度失调（0.300）降为中度失调（0.271），古交市由中度协调（0.546）降为轻度协调（0.497）。从耦合协调类型所处阶段分析，研究区整体呈现出失调阶段县域增多、协调阶段县域减少即“劣盛优衰”的变化趋势。2000年，宁武、静乐、岚县等12个县新型城镇化与生态韧性耦合协调类型处于协调阶段，其余 24县均处于失调阶段。2005年，浮山县耦合协调度降为0.397，耦合协调类型阶段由协调衰退为失调。2010—2021年，娄烦、灵石耦合协调类型也进入失调阶段，处于协调阶段的宁武、汾西和阳曲耦合协调度均出现较大幅度下降，耦合协调类型面临落入失调阶段的风险。
从空间变化来看（图8），研究区新型城镇化与生态韧性耦合协调度低值县域呈“带状”分布在北部太原盆地带与南部临汾、运城盆地带，整体表现为由核心向边缘逐级提升的“环状”分布格局。2000—2010年，中度失调县域呈“带状”集中于太原盆地、临汾盆地和运城盆地，包括太原市辖区、清徐、祁县、洪洞等14个县区，内环为交城、文水、汾阳等县域组成的轻度失调区，外环轻度协调和中度协调区相间分布，是流域新型城镇化与生态韧性耦合协调的最优地段。2015年，外环区中度协调县域明显减少，轻度协调成为外环县域的主要耦合协调类型。2021年，东北部晋中市辖区、太谷县降入中度失调区，核心区中度失调“带状”范围在原有基础上有所扩大，随着灵石、娄烦耦合协调类型降为轻度失调，外环轻度协调范围显著缩减。已有研究认为汾河流域的生态空间位于流域边缘山区，生产、生活空间位于核心盆地区[45]，与此对应，新型城镇化与生态韧性耦合协调度受地形和地区经济影响显著，边缘山区因生态环境脆弱，不便于大规模开发利用，加之天然屏障阻碍导致城镇化进程较慢，生态韧性和城镇化耦合协调度相对较高。经济因素是影响耦合协调的外在动力，2021年核心区、内环和外环各县域平均人均GDP分别为77424元、45198元和39396元，人口城镇化率分别为79.81%、50.09%和46.11%。在两种因素相互作用下，研究区生态韧性与新型城镇化耦合协调性呈现出由核心向边缘逐级提升的“环状”空间分布格局。
图8 2000—2021年汾河流域新型城镇化与生态韧性耦合协调度空间格局

Fig. 8 Spatial distribution of coupling coordination degree of new urbanization and ecological resilience at county level in the Fenhe River Basin from 2000 to 2021

2.4 汾河流域新型城镇化与生态韧性耦合协调性空间集聚特征分析

利用GeoDa 1.14.0软件，基于空间邻近权重矩阵，运用Global Moran's I指数反映研究区在空间上是否存在相关性。结果显示（表3），2000—2021年耦合协调度Moran's I指数均大于0，并通过99%的置信度检验（Z>2.58，P<0.01），流域耦合协调度在空间上呈现显著的正相关关系，空间集聚状态显著，2000—2021年Z得分呈波动上升的变化趋势，表明研究区耦合协调水平空间集聚有增强趋势。
表3 2000—2021年汾河流域新型城镇化与生态韧性耦合协调性全局Moran's I指数统计值

Table 3 The Global Moran's I index statistics of coupling coordination degree of new urbanization and ecological resilience at county level in the Fenhe River Basin from 2000 to 2021

指标 2000年 2005年 2010年 2015年 2021年
Moran's I 0.283 0.338 0.290 0.353 0.377
Z统计量 2.788 3.264 2.852 3.387 3.580
P值 0.009 0.005 0.009 0.003 0.004
通过Local Moran's I指数得到2000—2021年汾河流域新型城镇化与生态韧性的耦合协调度LISA聚类图（图9），用于表征二者耦合的空间单元集聚程度及与邻近地区的空间关联程度[46]。高高集聚区较为稳定地集中分布在流域北部的宁武、静乐、岚县、娄烦、阳曲5县，上游山地地形条件加之芦芽山和云顶山等国家级、省级自然保护区的集中布局，使该区域生态保护措施完备，生态韧性良好。此外，在全省产业结构调整和省会城市经济外溢的背景下，上述县域新型城镇化水平与初始年份相比提升93.89%~193.67%，二者间的良性互动促使流域北部成为高高集聚区。低低集聚区分布在流域南部的万荣、侯马。万荣地势较高，境内海拔500~700 m，水资源缺乏使工农业发展严重滞后，城镇化进程缓慢，低于研究区平均水平38.04%~49.36%；侯马属全省经济社会发展较发达的城市，新型城镇化综合指数高于平均水平25.06%~50.66%，城市化的快速扩张同时也侵占了生态空间，引发一系列生态问题，生态韧性综合指数低于平均水平83.63%~88.68%。2015—2021年，低低集聚区在东侧太谷出现并向周边祁县、平遥外溢，随着城镇化进程的推进，上述县域在省会城市辐射带动下，建设规模分别扩张51.79%、47.23%和55.69%，生态韧性在经济发展的巨大压力下持续下降，耦合协调水平分别下降9.66%、11.16%和10.58%。高低集聚区出现在乡宁县，该县工农业发展稳定，城镇化建设稳中有进，依托良好的生态环境基底，大力推进生态文化旅游示范区建设，耦合协调水平高于均值15.88%~34.52%；其周边临汾市区、襄汾、稷山、新绛和河津构成耦合协调低值圈，工农业水平均较为发达，经济发展迅速，城镇化的快速推进对生态环境造成不可避免的侵扰。
图9 2000—2021年汾河流域新型城镇化与生态韧性耦合协调性LISA聚类图

Fig. 9 The LISA aggregation of coupling coordination degree of new urbanization and ecological resilience at county level in the Fenhe River Basin from 2000 to 2021

2.5 汾河流域新型城镇化与生态韧性耦合协调性协调影响力分析

通过对研究区各子系统协调影响力计算可知，2000—2021 年各县域人口、空间、社会、绿色城镇化子系统的协调影响力均为负值（图10~图14），表明这四类城镇化子系统与生态韧性的耦合协调性低于新型城镇化与生态韧性的综合耦合协调性，对综合耦合协调性起反向阻滞作用。经济城镇化在2000—2015年为负值，阻滞作用显著，到2021年在22个县域出现正值，对整体耦合协调起到较为明显的正向推动作用。空间、经济和社会城镇化子系统对整体耦合协调性的作用力逐渐减弱，研究期间贡献率分别下降23.54%、98.21%和15.51%，人口、绿色城镇化子系统对整体耦合协调性的作用力逐渐增强，贡献率分别提升25.92%、20.73%。从县域来看，不同区位条件和城镇化发展水平下的城镇化子系统协调影响力存在差异。宁武、交口、乡宁等13个县域因地处山区或远离较发达城市的辐射带动，导致常住人口城镇化率和城市人口密度普遍偏低，乡村从业人员占比偏高，人口城镇化子系统协调影响力对耦合协调性的阻滞作用高于流域均值的31.10%；宁武、静乐、岚县等13个县域相对处于新型城镇化加速发展阶段（以是否高于流域平均新型城镇化水平作为城镇化加速发展标准），城市建设步伐加快，城市建设用地面积比例、路网密度、万人拥有的医疗机构床位等指标上升趋势显著，上述县域空间城镇化协调影响力阻滞作用从高于流域均值115.69%下降到48.54%，社会城镇化协调影响力的阻滞作用从高于流域平均29.03%下降到24.50%；霍州、洪洞、河津等22个县域经济城镇化协调影响力在研究后期转为正值，与其产业结构调整、第三产业比例快速上升、经济效益增速加快关系密切；阳曲、静乐、岚县等凭借资源优势发展重化工业的县域，在一定程度加剧了生态污染，导致CO2排放量、PM2.5均值明显升高，阳曲、静乐和岚县绿色城镇化阻滞作用分别提升182.47%、155.94%和105.12%；此外还有14个县域绿色城镇化阻滞作用程度提升超过50%，绿色城镇化协调影响力从2000年的-0.013增强到2021年的-0.016，对耦合协调的阻滞作用增强20.73%。
图10 2000年汾河流域新型城镇化与生态韧性子系统协调影响力

Fig. 10 Coordinated influence of of new urbanization subsystem and ecological resilience subsystem at county level in the Fenhe River Basin in 2000

图11 2005年汾河流域新型城镇化与生态韧性子系统协调影响力

Fig. 11 Coordinated influence of of new urbanization subsystem and ecological resilience subsystem at county level in the Fenhe River Basin from in 2005

图12 2010年汾河流域新型城镇化与生态韧性子系统协调影响力

Fig. 12 Coordinated influence of new urbanization subsystem and ecological resilience subsystem at county level in the Fenhe River Basin in 2010

图13 2015年汾河流域新型城镇化与生态韧性子系统协调影响力

Fig. 13 Coordinated influence of new urbanization subsystem and ecological resilience subsystem at county level in the Fenhe River Basin in 2015

图14 2021年汾河流域新型城镇化与生态韧性子系统协调影响力

Fig. 14 Coordinated influence of new urbanization subsystem and ecological resilience subsystem at county level in the Fenhe River Basin in 2021

2000—2021年，研究区各县域规模韧性、密度韧性、形态韧性的协调影响力均为负值，表明三类生态韧性子系统与新型城镇化的耦合协调性低于生态韧性与新型城镇化的综合耦合协调性，对综合耦合协调性均起反向阻滞作用，其中规模韧性和密度韧性对整体耦合协调性影响较大且作用力逐渐增强，研究期间阻滞作用力分别提高18.73%和9.97%，形态韧性对整体耦合协调性的影响减小，阻滞作用力减弱44.73%。从县域角度分析，不同县域开发建设需求、地理区位和生态本底下的生态韧性子系统协调影响力存在差异。静乐、文水、交口等15个县域处于中低城镇化水平阶段，由于城市发展需求，上述县域建设用地扩张规模平均增速达232.73%，高出流域平均增速的78.46%，相应地规模韧性阻滞作用程度比流域平均阻滞程度高出94.61%；密度韧性受各县域自身区位条件对人口吸引程度的影响较大，太原市辖区、晋中市辖区、万荣等14个地处省会及周边经济发达区或盆地内部的县域，地理位置优越，研究期间生态足迹增加1144.37万hm2，增速达312.59%，由占流域整体生态足迹的64.34%增加到76.34%，而其生态承载力仅占流域总体的41.89%，在此影响下，上述县域密度韧性阻滞作用比流域平均协调影响力阻滞作用高出44.95%；宁武、静乐、乡宁等10个县域处于生态脆弱区，蓝绿景观广布，建设用地分布零散，形态韧性指数高于研究区平均水平的147.95%，协调影响力高于平均水平的33.78%，虽然形态韧性指数仍处于下降阶段，但其下降幅度及耦合权重均低于规模韧性及密度韧性，因此协调影响力阻滞作用明显减弱。

3 结论与讨论

3.1 结论

本文对2000—2021年汾河流域县域新型城镇化与生态韧性的耦合协调度进行分析，得出主要结论如下：
（1）2000—2021年，汾河流域县域新型城镇化水平不断提升，但仍以中低水平为主，空间分布上“核心—边缘”格局显著。生态韧性水平持续下降，空间上呈现出“S”型高值分布区和中部盆地低值聚集区，新型城镇化与生态韧性的空间分布形成了显著的“错位”关系。
（2）新型城镇化与生态韧性耦合协调度平均水平变幅微弱，但呈现由轻度协调向轻度失调下滑的发展特征，耦合协调类型呈现“劣盛优衰”的变化趋势，失调阶段县域增多，磨合阶段县域减少。空间表现为由核心向边缘逐级提升的“环状”分布格局，集聚状态显著且呈现增强趋势。
（3）人口、空间、社会、绿色城镇化子系统及规模、密度、形态韧性子系统对综合耦合协调性均起反向阻滞作用，经济城镇化子系统协调影响力由阻滞转为明显的正向推动。空间、经济、社会城镇化子系统及形态韧性子系统贡献力逐渐减弱，人口、绿色城镇化子系统及规模、密度韧性子系统阻滞作用逐渐增强。
（4）研究区生态韧性综合水平在生态基础设施与人类活动强度胁迫交互作用下存在时空惯性和路径依赖现象，高水平区县域多集中在生态综合治理措施较为全面的重点生态敏感区和生态脆弱区域内。新型城镇化水平受先天性发展优势、县域行政等级、经济吸引力等因素影响表现为越高越涨的“马太效应”，极化效应明显增强，受地形影响扩散效应相对薄弱。资源富集区和能源输出基地迫使研究区部分县域外供区域外能源消费，过度透支自身资源，化石能源用地需求上升，密度韧性和生态韧性指数下降，资源型县域新型城镇化与生态韧性耦合协调度倒退。汾河流域既有城镇化推进对生态产生负效应的流域普遍性特征，又有资源发展型县域产业转型缓慢，生态建设较城镇化显著滞后的特殊性。
根据上述结论，为促进汾河流域新型城镇化与生态韧性的进一步协调发展，提出以下建议：针对建设用地呈现蔓延式增长趋势、破坏性风险问题严重的县域，要严格规划控制新增建设用地，合理控制开发强度，降低县域人类活动强度，坚决防止出现“摊大饼”式开发局面。严格控制山区生态系统开发，尽可能维持流域山体和蓝绿景观斑块的完整性。流域内有自然保护区、风景名胜区共7392 km2，占总面积的18.61%，地处山区的流域边缘县域要尽量避免新增建设用地侵占和切割蓝绿空间，切实保护生态用地，重点保护2个国家级自然保护区、12个省级自然保护区、6个风景名胜区、13处森林公园的完整性，最大程度发挥蓝绿景观的生态屏障作用，阻断各种不利因素的影响。要促进县域均衡发展，结合各县城镇化和韧性组合情况，在流域范围内统筹各类发展资源，推进均衡开发，避免流域中部盆地建设过度集中，避免局部县域出现严重的蔓延式扩张和景观压力，降低资源过度集中导致的风险，同时实现发展机会共享，其中中部圈层县域可以作为短期重点建设县域，外部圈层县域可以作为远期重要发展空间。
本文从县域视角出发，以新型城镇化与生态韧性为研究对象，揭示了研究区新型城镇化与生态韧性耦合协调的时空分异规律。由于数据资料可获取性有限，研究尺度仅为县市区，单元粒度较大，各单元之间水平差异也较大，未来可以考虑改进研究单元划分方式以提升研究精度。本文用于生态足迹计算的均衡因子和产量因子均主要参考山西省公开数据，使研究结果可能存在一定的误差，但不影响对生态韧性和城镇化系统耦合协调时空演变规律进行整体判识。

3.2 讨论

从生态韧性综合水平来看，2000—2021年生态韧性综合指数前7名县域始终在静乐、宁武、乡宁、古县、汾西、古交、交口之间变动，后7名在太原市辖区、清徐、介休、临汾市辖区、河津、侯马、曲沃之间变动。2000年生态韧性低于流域均值的县域在整个研究期间均低于流域平均生态韧性水平，高于流域均值的县域在整个研究期间均高于流域平均生态韧性水平，由此可见研究区县域生态韧性时空演变在生态基础设施与人类活动强度胁迫交互作用下存在时空惯性和路径依赖现象。主要机制如下：流域生态基础设施在为人类提供生态服务功能和生产生活支撑的同时也能起到引导和约束流域无序扩张的作用，生态基础设施范围越大对县域空间扩张的约束性就越强，城镇化发展过程中对其可进行的侵占程度相对越弱，有利于生态韧性维持在相对较高的水平，而人类活动强度的增加会加剧对生态基础设施的透支，使县域适应力和恢复力受损，生态韧性降低。根据《汾河流域生态景观规划（2020—2035年）》对生态敏感区统计，生态韧性综合指数排名前7的县域中有2处自然保护区、2处风景名胜区、4处森林公园、3处重要湿地，总面积达1919.34 km2，占流域生态敏感区总面积的25.97%。自然保护区、森林公园的设立以及连片生态保护区的划定是流域重点生态敏感区进行生态保护与修复的重要举措，为诸类生态脆弱区水源涵养、水土流失预防和森林景观供给提供生态保障，对上述县域生态功能稳定性起着至关重要的作用。截至2021年，生态韧性综合指数排名后7位的县域平均城市人口密度为1063.54人/km2，平均城市建设用地面积比例为16.83%，而流域平均城市人口密度为404.02人/km2，平均城市建设用地面积比例为8.80%，大片建成区对于自然空间的侵占导致上述县域环境恶化、资源短缺、生态韧性指数急剧下降。由此可见，生态韧性空间分布格局受制于生态资源本底，空间演变源于且依赖于已有路径，生态韧性综合水平较好的地区利用生态空间扩张约束在正反馈机制体系下沿着原有路径发展演进，生态韧性综合水平低的区域由于城镇化的加速发展，加剧对生态基础设施的透支，这种负反馈机制使生态韧性向恶性演变。
从新型城镇化空间演变来看，研究区新型城镇化水平发展的不均衡性更加显著，呈现出“强者愈强，弱者愈弱”的变化特征。太原市区、晋中市区、临汾市区、孝义等局部核心区多散布在流域中部盆地，具有水土条件优良、地形平坦开阔的先天性发展优势；上述县域多年人均GDP为34.42×104元，每万人拥有医疗机构床位数271.69张，路网密度达0.33 km/km2，经济实现快速增长，卫生和社会公共事业全面发展，基础设施日益完善，产生的巨大吸引力推动城镇化加速发展，新型城镇化指数由高于流域平均城镇化指数的40.97%提升到51.32%，超出平均增速14.92%。万荣、新绛、静乐等流域边缘地区，距离核心发展区远，且自身发展条件差，县域多年人均GDP仅为3.47×104元，每万人拥有医疗机构床位数113.55张，路网密度为0.21 km/km2，配套设施不足，吸纳能力较差，不利于新型城镇化的进一步推进；新型城镇化水平由低于流域平均32.51%下降到低于流域平均44.53%，平均增速仅为74.10%，低于平均增速29.10%，新型城镇化综合水平极差由264.26%扩大至352.24%，研究区新型城镇化水平县域空间分布的“马太效应”日益明显。由此可知，按行政等级进行资源配置导致汾河流域经济资源和社会资源向行政权力集中的地域富集，新型城镇化在市辖区形成明显的极化现象，由于流域边缘地带地形起伏较大，不便于接收市辖区经济和城镇化发展的辐射带动，使得核心区作为经济和城镇化增长极的扩散效应相对薄弱，县域间发展的不均衡性逐渐增强。
在分析研究区密度韧性指数时发现，2000—2021年总生态足迹增幅312.59%，生态承载力降幅1.56%，生态承载力的过度透支使流域86.11%的县域进入生态赤字状态。当一个地区的生态资源表现为供不应求时，要满足持续增长的消费需求以实现供需平衡，只能依赖外部调入或加大对自身资源的开发量。汾河流域位于中部地区，2021年平均国内贸易总额占地区生产总值的34.29%，低于全国平均水平4.25%，加大对本地自然资源的开发力度来满足消费需求成为区域发展不可避免的选择，因此在研究期间流域表现为不可持续的资源消耗模式。通过生态足迹的生物资源消费账户和能源消费账户可知，生态足迹地块占比上升最快且比例最高的是化石能源消费，资源消耗超3.56×108 t，增幅达359.00%，其他各类生物资源消费增幅介于17.20%~149.73%之间，流域内经济发展以高能耗为代价，这与区域产业结构比例密切相关。研究区长期以重化工业发展为主，第二产业比例达49.81%~59.00%，2021年煤炭、原油在能源消费中占比达75.46%，而中国平均煤炭、原油在能源消费中占比为56.51%。这与山西省作为资源型省份和能源输出基地对中国能源资源供应、国家完整工业体系建立和国民经济快速发展的重要贡献息息相关[47]。长期通过资源开采及其加工外供其他地区，承担了一部分区域外能源消费支出，使得化石能源用地需求持续上升，生态足迹增加，密度韧性和整体生态韧性指数下降，进而导致资源型县域新型城镇化与生态韧性耦合协调度倒退。可见资源的跨区域调配在改善能源资源地域分配不均困境的同时，也在一定程度上使资源型县域对自身资源过度透支，表现出不可持续的发展模式。
通过梳理流域视角行政区单元下城镇化与生态系统交互关系的成果发现[48,49]，汾河、渭河、滇池等流域在整体上表现出较为显著的普遍性特征，即城镇化进程对生态系统产生明显的负向效应。上述流域多为典型水土保持、土壤保持及生物多样性保护功能区，生态环境敏感且生态系统脆弱，城镇化进程的推进必然会对原有生态系统的结构与功能形成侵扰甚至破坏，从而削弱其在城镇化进程中的物质支撑作用。鉴于此，上述流域在城镇化推进过程中应以生态环境保护为核心，以统筹人与自然和谐为基本原则，尽可能减少生态敏感区和生态脆弱区的社会经济活动，打造高效、集约、可持续的紧凑型都市圈，探索符合区域特色的城镇化高质量发展路径。此外，汾河流域又有其特殊性。多数流域省会和核心城市在城镇化发展过程中积极调整区域产业发展模式，提升城镇化发展质量，生态文明建设卓有成效，使得城镇化与生态系统耦合协调处于高水平或次高水平等级。而汾河流域内多为资源发展型县域，城镇化推进必然会伴随各类资源的开发与加工，由于采掘业在工业发展占据主导地位，研究期间研究区整体煤炭能源开发总量增长360.00%，发展过程中对资源形成较大依赖，区域转型困难且推进较慢，城镇化取得的进步并未直接反哺作用到生态状况的改善，使得生态文明建设明显滞后于城镇化，系统间耦合协调水平低。太原市区、晋中市区、临汾市区等地级市市辖区在快速发展的城镇化过程中对生态环境产生极大胁迫，耦合协调水平均为失调状态且失调程度加深，区域耦合协调度由低于研究区平均水平的31.91%、27.06%和27.67%衰退为44.22%、33.43%和34.89%。

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