基于GTWR模型的長江經濟帶生態系統服務價值對城鎮擴張的時空響應

周曉艷, 王詩琪

(武漢大學 資源與環境科學學院, 武漢 430079)

城鎮化進程是我國改革開放以來意義最重大的發展過程之一[1]。1978—2017年，我國城鎮化水平從17.86%大幅增長至58.52%[2]，但城鎮空間擴張對社會經濟和生態環境產生了重要影響。城鎮擴張過程作為土地利用變化的關鍵驅動力，不僅會侵占生態、生產空間，而且會破壞地區生態安全格局、削弱資源環境承載力[3]。在新型城鎮化建設背景下，如何實現城市發展與生態保護協同并進，同時從區域角度協調城市間發展關系，實現區域整體可持續發展是當前的重要研究熱點[4]。

區域的景觀具有重要的生態系統服務價值[5]，城鎮擴張驅動下的土地利用變化使得區域的景觀格局發生變化，從而對生態系統服務價值產生重大影響[6-7]。我國區域發展面臨著生態系統服務供給不足與生態系統服務價值損失之間的沖突問題[8]，這將阻礙我國可持續發展戰略的實施。已有針對城鎮擴張與生態系統服務的相關研究較為豐富，研究內容主要包括城鎮擴張背景下生態系統服務價值時空演變特征與分異機制[9-11]，基于城鎮擴張模擬的生態系統服務價值評估與預測[4,12]，城鎮擴張與土地利用變化對生態系統服務價值的影響等[13-14]。然而，地理時空分析不僅要考慮區域化過程變量的空間異質性，也要考慮其時間非平穩性，當前的相關研究缺乏對兩者的綜合考慮。本研究將時空地理加權回歸(GTWR)納入城鎮擴張對生態系統服務價值影響的分析中，能更全面地揭示研究區域生態系統服務價值對城鎮擴張的時空響應特征，從而為制定區域差異化的生態保護措施提供理論支撐。

自十三五規劃以來，長江經濟帶發展戰略成為我國三大區域發展戰略之一。然而，在快速城鎮化的過程中，土地利用低效和生態環境惡化等問題將限制長江經濟帶的可持續發展[15-16]。在“共抓大保護，不搞大開發”的重要理念下，如何權衡社會經濟發展與生態環境保護成為長江經濟帶發展亟待解決的問題[17]。本文在現有研究基礎上，對2000—2015年長江經濟帶128個研究單元的城鎮擴張強度與生態系統服務價值進行測算，采用熱點分析探索其時空演變格局，并通過時空地理加權回歸模型探究長江經濟帶各研究單元城鎮擴張對生態系統服務價值量變化的時空影響特征，以期為構建長江經濟帶的生態安全格局、實施差異化生態保護管理以及制定生態補償措施提供理論依據。

1 研究區概況

長江經濟帶位于長江流域，地理坐標為東經96°24′—124°3′，北緯19°55′—35°44′，橫跨我國東、中、西部，規劃范圍包括上海市、江蘇省、浙江省、安徽省、江西省、湖北省、湖南省、重慶市、四川省、貴州省、云南省共11個省級行政區，面積約205萬km2，截至2015年，年末常住人口總數約6億人，地區生產總值約30.52萬億元，分別占我國國土面積、總人口數及國內生產總值的21.35%，42.75%，44.31%。長江經濟帶是我國海岸經濟帶以外最具發展潛力的綜合經濟帶，自然資源豐富，工業基礎雄厚，內河航道優越，經濟發達，人才資源集聚，同時具有無與倫比的國家安全價值，是我國綜合實力最強、戰略支撐作用最大的區域之一[16-17]。

本文采用長江經濟帶地級市及以上城市行政轄區為研究單元。為統一研究尺度，將湖北省內毗鄰的仙桃市、天門市和潛江市這3個省直轄縣級行政單元合并為“仙天潛地區”，最終得到128個研究單元。

2 數據來源與研究方法

2.1 研究數據與預處理

研究數據主要包括長江經濟帶行政區劃數據與土地利用遙感監測數據，數據皆來源于中國科學院資源環境數據中心(http:∥www.resdc.cn/)，其中行政區劃數據采用2015年全國省級與市級行政區劃矢量數據。土地利用數據采用長江經濟帶2000年、2005年、2010年和2015年共4期數據，分辨率為1 km，包括6個一級分類和25個二級分類。借鑒謝高地等[18-19]建立的中國生態系統單位面積生態服務價值當量框架及其應用研究[20-21]，將25個二級土地利用類型進行重分類，得到農田、林地、草地、水域、濕地、未利用地和建設用地共7個用地類型。

2.2 研究方法

2.2.1 城鎮擴張強度指數 參考已有研究[22-23]，構建城鎮擴張強度指數，見公式(1)：

(1)

式中：P為t至t+n時段內研究單元的城鎮擴張強度；Ut，Ut+n分別為研究時段初期與末期的城鎮用地面積；n為研究時段長度；A為研究單元總面積。

2.2.2 生態系統服務價值計算及敏感性分析 謝高地等[19,24]在Costanza等的研究基礎上，利用專家知識法，構建并修正了中國生態系統單位面積生態服務價值當量表，將生態系統服務分為供給服務、調節服務、支持服務、文化服務4個一級類型和9個二級類型。1個標準當量因子的定義為1 hm2全國農田年平均自然糧食產量的價值，考慮到人為因素干擾難以消除，在實際計算中可用單位面積農田糧食生產的凈利潤作為標準當量因子[21]。根據《中國糧食發展報告》計算得到2000—2015年全國單位面積糧食生產凈利潤為1 837.46元/hm2，全國糧食平均單產為4 856.97 kg/hm2，考慮到糧食生產能力的空間差異性，通過國家統計局數據計算長江經濟帶15 a間糧食平均單產為5 058.57 kg/hm2，基于此對全國單位面積糧食生產凈利潤進行修正，得到15 a間長江經濟帶標準生態系統服務當量因子價值量為1 913.72元/hm2，并構建長江經濟帶單位面積生態系統服務價值量表(表1)。

表1 長江經濟帶單位面積生態系統服務價值量 元/(hm2·a)

基于各研究單元土地利用數據與生態系統服務價值量表，計算出研究單元的各項生態系統服務價值量，并構建生態系統服務價值量下降率與變化率指標，公式[25]如下：

(2)

(3)

(4)

(5)

(6)

式中：ESVi，ESVj，ESV分別為研究單元第i類用地的生態系統服務價值、第j項生態系統服務類型的價值以及生態系統總服務價值；Ai為研究單元第i類用地面積；VCij為表1中第i類用地第j項服務的價值系數；D與C分別為研究單元價值量下降率與變化率；ESVt+n和ESVt分別表示t+n時刻與t時刻研究單元的生態系統服務價值量。

(7)

式中：CSi為第i種土地利用類型的敏感性指數；ESV1和ESV2分別為調整前后的生態系統服務總價值量；VC1i和VC2i分別為調整前后第i種土地利用類型的價值系數。若CSi>1，表明ESV對價值系數具有彈性；若CSi<1，則說明ESV對價值系數缺乏彈性，計算過程是可靠的。

2.2.3 熱點分析 Getis-OrdG*指數可分析研究單元屬性的空間分布格局，公式[26-27]如下：

(8)

(9)

式中：Xj為第j個研究單元的屬性值；n=128；Wij(d)為以距離d為規則的空間權重；E(Gi*)，var(Gi*)分別為Gi*的期望與方差，當Z值顯著大于0時，表示第i個研究單元周圍都是高值，為熱點區，反之則為冷點區。

2.2.4 時空地理加權回歸模型 時空地理加權回歸(GTWR)模型在地理加權回歸(GWR)模型的基礎上引入時間因子，既解決了截面數據樣本數量有限性的問題，還考慮了時間與空間非平穩性，能有效估計因子參數，模型如下[28-29]：

(10)

式中：(ui,vi,ti)為第i個樣本單元的時空坐標；X，Y分別為解釋變量與被解釋變量；p為解釋變量個數；β0(ui,vi,ti)為截距項；βk(ui,vi,ti)為第k個解釋變量的估計系數；εi為模型殘差。本文對GTWR模型的實現主要基于ArcGIS 10.2軟件，采用Huang等[30]制作的GTWR插件，帶寬采用AICc優化設置，時空距離參數比值為1。

3 結果與分析

3.1 長江經濟帶城鎮擴張時空演變格局

2000—2015年，長江經濟帶城鎮范圍不斷擴張，年平均擴張強度為0.02%，其中2000—2005年擴張強度最大，每年約0.03%。在各省市中，長江經濟帶下游地區的城鎮擴張強度較大，其中上海市、江蘇省、浙江省、安徽省的城鎮年擴張強度分別為0.21%，0.12%，0.11%，0.05%；中游江西省、湖北省、湖南省城鎮擴張的強度較低，每年0.01%～0.02%；上游重慶市城鎮年擴張強度約0.02%，其他省份的年擴張強度則均不足0.01%。

為了深入探究長江經濟帶各研究單元城鎮擴張的空間分布格局，對各時段內研究單元的城鎮擴張強度指數進行熱點分析(圖1)。結合城鎮擴張強度指數計算結果與熱點分析結果，2000—2005年，長江經濟帶城鎮擴張的熱點區域主要集中在下游長三角的東南部，其中浙江省嘉興市與寧波市城鎮年擴張強度最大，分別為0.83%，0.62%，冷點區則不顯著。2005—2010年，城鎮擴張的熱點區向長三角中部與北部轉移，其中江蘇省鎮江市與南京市城鎮擴張最為顯著，年擴張強度分別為0.65%，0.30%，冷點區仍不顯著。2010—2015年，城鎮擴張的熱點區覆蓋長三角的大部分地區，浙江省嘉興市與江蘇省無錫市年擴張強度最大，分別為0.27%，0.22%，冷點區主要分布在長江中游和上游部分地區，其中岳陽等地區的年擴張強度幾乎為0。計算2000—2015年各地區的年城鎮擴張強度，其熱點區仍然集中在長三角地區，冷點區分布在長江經濟帶上游與中游部分地區。

圖1 長江經濟帶各時段城鎮擴張強度熱點分析

3.2 長江經濟帶生態系統服務價值時空演變格局

3.2.1 生態系統服務價值敏感性分析 敏感性指數能驗證ESV對價值系數的依賴性，另一方面也能反映各地類對生態系統服務總價值的影響[25]。將2000—2015年長江經濟帶各用地類型價值指數VC分別調整50%，根據公式(7)計算其CS值，結果見表2。總體而言，2000—2015年長江經濟帶各土地利用類型敏感性指數均小于1，說明生態系統服務價值量對于各地類價值系數不敏感，生態系統服務價值量的計算是合理的。其中，林地的敏感性指數相對較大，穩定在0.69，說明林地對于長江經濟帶整體的生態系統服務價值具有重要的作用。

表2 敏感性指數計算結果

3.2.2 長江經濟帶生態系統服務價值時空變化分析基于生態系統服務價值當量表，計算出2000—2015年長江經濟帶各類生態系統服務價值量見表3。在2010—2015年，長江經濟帶的平均生態系統總服務價值量為73 186.25億元，其中供給服務、調節服務、支持服務與文化服務分別占比為11.21%，52.59%，29.31%，6.89%。在15 a間，供給服務與支持服務價值量始終呈下降的趨勢，而調節服務、文化服務和總服務價值量則在2000—2010年增加，在2010—2015年開始顯著下降。總體而言，15 a間長江經濟帶生態系統的總服務價值量下降了0.27%，其中供給服務、調節服務和支持服務的價值量分別下降了0.71%，0.09%，0.53%，而文化服務則增加了0.12%。

表3 長江經濟帶2000-2015年的生態系統服務價值量 億元/a

對2000—2015年各地區生態系統服務價值量的下降率進行熱點分析見圖2。供給服務價值量下降的熱點區集中于長江經濟帶下游長三角地區，該區域范圍內各研究單元的供給服務價值量均呈現顯著下降特征，其中上海市、嘉興市、蘇州市、無錫市分別下降了14.32%，13.81%，13.02%,9.58%；而供給服務價值量下降的冷點區主要集中在長江經濟帶上游部分地區。調節服務價值量下降的熱點區集中在長三角東南部地區，其中上海市和嘉興市分別顯著降低了9.40%,5.61%；冷點區集中在長江經濟帶中游湖北省與湖南省的部分地區。支持服務價值量下降的熱點區也集聚在長三角地區，其中上海市、嘉興市、蘇州市分別降低了12.61%，12.32%，8.70%；冷點區分布在長江經濟帶上游部分區域。文化服務價值量下降的熱點區分布在浙江省與江西省部分地區，其中臺州市和紹興市分別顯著降低了2.49%，2.09%；冷點區則分布在中游湖北省與湖南省部分地區。生態系統服務總價值量下降的熱點區集中在長三角地區，其中上海市、嘉興市、鎮江市總價值量分別降低了10.16%，8.00%，5.34%；冷點區則集中在湖北省與湖南省部分地區。

圖2 2000-2015年長江經濟帶生態系統服務價值量變化率的熱點分析

3.3 長江經濟帶城鎮擴張對生態系統服務價值量變化的時空影響分析

考慮到長江經濟帶各地區的城鎮擴張強度與生態系統服務價值量變化率的時空分布具有非平穩性的特征，采用GTWR模型從局部尺度來分析城鎮擴張對價值量變化的影響。利用3個時段的面板數據分別以生態系統供給服務、調節服務、支持服務、文化服務與總服務的價值量變化率為被解釋變量，城鎮擴張強度為解釋變量，進行OLS回歸和GTWR回歸，并對比其擬合結果。其中，文化服務的回歸結果不滿足F檢驗和t檢驗要求，說明城鎮擴張對文化服務價值量變化的線性驅動作用并不顯著。其他生態系統服務類型的回歸參數見表4。

表4 GTWR和OLS的模型診斷結果

基于R2，RSS與AICc指數，對OLS與GTWR的回歸結果進行對比。其中，GTWR模型的擬合度大于OLS的擬合度，而GTWR的殘差平方和指數和AICc指數則顯著低于OLS，說明采用GTWR模型能比OLS模型更有效地解釋城鎮擴張對生態系統服務價值量變化的影響作用及其時空異質性特征。

將局部樣本的回歸系數進行可視化，見圖3。總體而言，大部分地區的回歸系數為負數，說明隨著城鎮擴張強度的增大，各地區生態系統的供給服務、調節服務、支持服務及總服務價值量的變化率減小，城鎮擴張對長江經濟帶大部分地區的生態系統服務價值具有顯著的負面影響。對于不同的生態系統服務類型，回歸系數的大小具有不同的空間分布特征，且在時間序列上發生變化。

圖3 長江經濟帶城鎮擴張強度對生態系統服務價值影響的時空分異特征

對于生態系統供給服務價值而言，回歸系數的絕對值較大的區域主要分布在長江經濟帶的上游和下游地區。在2000—2005年和2005—2010年，城鎮擴張對長江經濟帶上游云南省與貴州省的南部地區和下游長三角地區的負面影響強度較大，主要源于城鎮擴張減少了耕地與林地等能提供重要供給服務功能的用地，從而導致生態系統的供給服務價值量顯著降低，而中游大部分地區受影響程度較小。2010—2015年，受城鎮擴張負面影響較大的區域主要集中在長江經濟帶的上游地區和中游西部的少數地區，其耕地、林地及草地逐漸向建設用地和水域轉化，供給服務價值量逐漸下降，而下游大部分地區受影響較小。

對于生態系統調節服務價值而言，回歸系數絕對值較大的區域主要集中在長江經濟帶上游和中游地區。2000—2005年，長江經濟帶上游云南省和貴州省的南部地區以及中游湖南省的部分地區受城鎮擴張的負面影響較大，主要源于城鎮建設對林地、草地與水域的占用，而下游地區受城鎮擴張的影響程度相對較小。2005—2010年，城鎮擴張對長江經濟帶上游大部分地區的調節服務價值具有較強的負面影響，而云南省西部德宏傣族景頗族自治州等地區，受益于“三江”流域實施的天然林保護、退耕還林和石漠化治理等重要生態保護工程[31]，其調節服務價值增加，回歸系數為正。2010—2015年，由于瀾滄江、金沙江等梯形水電站工程[32]的建設，云南西部部分地區水域面積增大，城鎮擴張對該地區的調節服務價值具有正面影響，對長江經濟帶上游其他地區和中游西部部分地區仍具有較大的負面影響，對下游地區的負面影響較小。

對于生態系統支持服務價值而言，長江經濟帶上游南部地區回歸系數的絕對值較大。2000—2005年，由于耕地和林地、水域等生態用地被破壞，長江經濟帶上游云南省與貴州省的南部地區和下游北部地區的支持服務價值受城鎮擴張的影響較大，中游地區受影響較小。2005—2010年，城鎮擴張對支持服務影響較大的地區主要集中在貴州省南部。到了2010—2015年，受城鎮擴張負面影響較大的地區主要分布在長江上、中游以南，該地區的耕地、林地、草地和濕地不斷向水域和建設用地轉化。

地質勘查資料是對礦區中各礦體的各種地質特性觀測的結果。齊波夫定律認為礦體是觀測對象的函數。人們對礦床（體）的認識深淺程度，反映了觀察者的認識和理解能力及其思維活動能力的特性。一個礦床（體）的賦存條件及其是否能被人們所發現，在很大程度上取決于觀察者對其認識的水平。齊波夫秩在理論上可以取到無窮大，齊波夫秩越大，預測值越趨近于0。地質相關行業標準決定齊波夫取值范圍，即預測值不應小于最小工業礦床儲量。

對于生態系統總服務價值而言，回歸系數絕對值較大的區域主要集中在長江經濟帶的上游地區。2000—2005年，由于大量耕地和林地等生態用地被建設用地侵占，城鎮擴張對總服務價值負面影響較強的地區主要分布在云南省與貴州省南部。2005—2010年，受城鎮擴張負面作用較強的地區收縮至貴州省南部。到了2010—2015年，城鎮擴張對長江經濟帶上游大部分地區都具有較強的負面影響，對云南省西部部分地區則具有正面影響，對中游和下游的大部分地區的負面影響較小。

4 討論與結論

4.1 討 論

本研究從不同的生態系統服務類型角度，分析了長江經濟帶各地區生態系統服務價值對城鎮擴張的時空響應特征。在已有相關研究中，黃敏等[33]對全國范圍的研究表明城鎮化水平與生態系統服務價值顯著負相關，虎陳霞等[14]對嘉興市的研究表明建設用地與生態系統服務價值具有負相關關系。本文的研究結果則表明，總體上長江經濟帶城鎮擴張對生態系統服務價值具有負面影響，但對不同的生態系統服務類型，不同地區有顯著的時空異質性。因此，在進行長江經濟帶生態保護的差異化管理中，應重點加強城鎮擴張對上游地區尤其是上游南部地區生態系統影響的管控，保持中游地區耕地和水域、濕地等生態用地的穩定以維持其生態系統服務功能，優化下游地區城鎮發展格局以增強生態環境承載能力。

由于數據和研究尺度的局限性，本文也有以下不足。一方面，本文在進行空間分析時采用了地級市及以上城市尺度，但不同的評價與分析尺度上生態系統的格局與過程將呈現不同的特征[34]；另一方面，城鎮擴張不僅包括城鎮用地擴張的強度，也包含城鎮擴張的空間形態和空間差異指數等多方面內涵。在未來的研究中，可嘗試利用更精細的數據從多視角多尺度進一步探究生態系統服務價值對城鎮擴張的時空響應特征，以期為區域發展和生態環境保護差異化管理提供理論指導。

4.2 結 論

(1) 2000—2015年，長江經濟帶城鎮范圍不斷擴張，年平均城鎮擴張強度為0.02%。在15 a間，城鎮擴張的熱點區主要分布在下游長三角地區，其中嘉興、無錫、鎮江、蘇州、南京等城市的擴張強度最大；而冷點區則主要分布在上游與中游部分地區。

(3) 城鎮擴張對長江經濟帶的文化服務價值量的影響不顯著，但是對大部分地區生態系統的供給服務、調節服務、支持服務以及總服務的價值量均產生負面影響，且影響強度大小具有顯著的時空異質性特征。長江經濟帶上游地區，尤其是上游南部地區的各類生態系統服務價值在各時段內受城鎮擴張的影響強度較大；中游西部部分地區的供給服務、調節服務和支持服務的價值量在部分時段內受城鎮擴張的影響強度較大，總服務價值量受影響較小；下游地區的供給服務和支持服務價值量在部分時段內受城鎮擴張的影響較大，調節服務和總服務價值量受影響較小。