長江中游地區生態系統服務平衡與城鎮化的空間關系

陳立恒,龔 健,2,*,王 雄,鄭欣璐

1 中國地質大學(武漢)公共管理學院, 武漢 430074 2 自然資源部法律評價重點實驗室, 武漢 430074 3 中國地質大學(武漢)地理與信息工程學院, 武漢 430078

生態系統服務供給是指特定時空范圍內生態系統為人類提供的產品與服務,需求則是指人類消費與享用生態系統生產的產品與服務,兩者將自然生態系統與人類社會系統有機統一起來[1- 2],成為生態系統保護的重要概念。人類社會的發展在很大程度上通過消費生態系統服務來改善其福祉,因而生態系統服務的持續供給是區域可持續發展的基礎[3]。當前,中國正處于快速城鎮化階段,城市土地的無序擴張還將進一步擴大生態系統服務失衡[4],并最終威脅人類福祉和全球可持續發展[5]。因此,如何在社會經濟發展深度轉型期同時兼顧生態系統服務平衡已成為生態經濟學、生態學等學科的研究熱點[6- 7]。

生態系統服務的定量評估能夠反映生態系統功能的強弱,對區域開展國土空間規劃和制定生態補償政策具有重要指導意義。已有研究對生態系統服務供給進行了大量有益探索,且計量方法日臻成熟[8- 10]。近年來,學者們開始關注生態系統服務供給與需求的綜合研究[11-13],但由于缺乏合理的量化方法,對于供需平衡關系的研究還尚缺乏。此外,不少學者認識到城鎮化的空間差異是影響生態系統結構、功能和區域差異的重要驅動因素,并討論了城鎮化對生態系統服務的影響[14-17]。然而,對其驅動力的研究忽略了生態系統服務作為一種公共服務具有空間溢出效應[18-19],也并未考慮到區域生態系統服務功能的強弱是人為因素和自然因素共同作用的結果[20-22],這限制了生態環境保護相關政策的制定和實施。因此,本研究將在深入探討兩者相互作用關系的基礎上,將自然因素納入兩者關系的分析之中,使研究結果更具現實意義。

鑒于當前研究的經驗與不足,本文首先采用Burkhard等提出的生態系統服務供需平衡評估矩陣法、城鎮化相關指標,分別核算長江中游地區生態系統服務平衡指數和綜合城鎮化水平；其次在生態系統服務平衡與城鎮化時空特征分析的基礎上,通過雙變量空間自相關模型分析兩者的空間關系特征；最后利用空間計量模型探索兩者的空間依賴、空間溢出效應,以期為快速城鎮化地區生態保護與社會經濟協調發展提供理論支持。

1 研究區概況與數據來源

1.1 研究區概況

長江中游地區由湖北、湖南和江西三省組成(108°21′—118°28′E,20°09′—33°20′N),總面積為56.47萬km2,下轄325個縣級行政單元(圖1)。長江中游地區處于中國第二、三級階梯過渡帶,地形地貌類型復雜多樣,以丘陵山地為主,屬北亞熱帶季風型氣候,夏熱冬溫,四季分明,雨熱同期。在城鎮化和工業化快速發展的背景下,長江中游地區依托“中部崛起”、長江經濟帶等戰略,逐漸成為我國長江上中下游協調發展的重要鏈接區和東中西發展的傳導區。與此同時,長江中游地區的土地利用也經歷了深刻轉型,1995—2015年間建設用地增加了5852.25 km2,林地減少了1999.53 km2,草地減少了1124.89 km2,耕地減少了4966.64 km2。土地利用變化對生態環境造成了嚴重干擾,探索長江中游地區生態系統服務平衡與城鎮化的空間關系,對區域生態環境保護和社會經濟可持續發展具有重要意義。

圖1 長江中游地區區位圖Fig.1 The location of the middle Yangtze River region

1.2 數據來源

土地利用數據來源于中國科學院資源環境科學與數據中心(http://www.resdc.cn),空間分辨率為100m。在參照已有土地利用分類體系及區域實際土地利用特點的基礎上,將地類劃分為耕地、林地、草地、水域、濕地、建設用地、未利用土地等7個一級類及18個二級類。人口、經濟等數據來自各省市統計年鑒。

2 研究方法

2.1 生態系統服務供需平衡測算

2.1.1土地利用類型劃分

由于國內外土地利用分類體系存在差異,本研究根據國內已有的土地利用分類體系,對Burkhard等采用的環境信息協調(Co—Ordinated Information on the Environment, CORINE)數據庫中的土地利用分類體系進行整合,以確定本研究的土地分類體系(表1)。

表1 長江中游地區土地利用分類整合

2.1.2構建生態系統服務供需平衡評估矩陣

Burkhard等以歐洲生態環境為背景構建了基于專家知識的生態系統服務供需評估矩陣,該評估矩陣將不同土地利用類型的生態系統服務供給和需求按0到5的區間范圍從低到高進行打分,0代表土地利用類型無生態系統服務供給或需求,5代表土地利用類型有最高水平的生態系統服務供給或需求。本研究基于Burkhard團隊及國內已有研究成果[23-25],選取3大類23小類生態系統服務供給/需求值,利用整合的土地利用類型構建長江中游地區生態系統服務供需評估矩陣(表2)。

表2 基于土地利用類型的生態系統服務供給/需求評估矩陣

2.1.3生態系統服務供需平衡指數測算

根據構建的生態系統服務供需評估矩陣,測算生態系統服務供給指數、需求指數,進而利用二者的差值表征生態系統服務平衡指數,各指數計算公式為：

(1)

(2)

ESBIt=ESSIt-ESDIt

(3)

式中,ESSIt代表生態系統服務供給指數；ESDIt代表生態系統服務需求指數；ESBIt代表生態系統服務平衡指數；SMij,t,DMij,t,分別表示在時間t第i種土地利用類型第j種生態系統服務類別的供給、需求值。LUAi,t為時間t第i種土地利用類型的面積。n表示土地利用類型(n=1,2…,7),m代表生態系統服務種類。

2.2 城鎮化水平測度

城鎮化是一個復合系統,主要包括人口城鎮化、經濟城鎮化、土地城鎮化、社會城鎮化等四個子系統[26]。人口增長是人口城鎮化的核心要素,經濟增長是經濟城鎮化的驅動力,城市土地擴張是空間城鎮化的保證,生活水平的提高是城鎮化的最終目標[16]。由于社會城鎮化相對抽象并且難以量化和空間化,而人口的增長水平、經濟發展水平及城市土地比例在一定程度上可以反映社會城鎮化,因此選擇人口密度、經濟密度、城鎮土地比例分別代表人口城鎮化、經濟城鎮化和土地城鎮化[14]。此外,由于以上三個指標的空間分布高度相似,因此首先根據公式(4)對三個指標進行標準化,然后根據公式(5)將這三個指標整合為一個綜合指標—綜合城鎮化水平。

(4)

(5)

2.3 空間自相關分析

利用雙變量Moran′sI檢驗生態系統服務平衡與城鎮化的空間集聚和分散模式。全局雙變量Moran′sI用來檢驗研究區域內生態系統服務平衡與城鎮化之間的整體關聯程度及其顯著性；局部雙變量Moran′sI用來識別不同空間位置上可能存在的空間關聯模式,從而把握局部空間要素的集聚和分異特征[27- 28]。二者的計算公式如下：

(6)

(7)

2.4 空間回歸分析

空間溢出效應是指由臨近位置引起的空間外部性[29]。本研究利用空間計量模型探究生態系統服務平衡與城鎮化的空間溢出關系。首先利用最小二乘法對二者的空間依賴性進行檢驗；其次采用包括空間滯后模型和空間誤差模型的空間計量模型探究二者的空間關系[30-31]。兩種模型的計算公式如下所示：

Y=ρWY+Xβ+ε

(8)

Y=Xβ+λWμ+ε

(9)

式中,Y是因變量的向量,X是自變量的N×M矩陣；W是空間權重矩陣,β是回歸系數矩陣,μ為空間自回歸誤差項,ε是空間自回歸隨機誤差項,ρ、λ分別為空間滯后項和空間誤差項。

3 結果與分析

3.1 生態系統服務平衡時空特征分析

從時間進程來看,長江中游地區生態系統服務平衡狀況整體呈現出持續惡化的態勢,平衡指數由1995年的47.81降至2015年的46.69,二十年間共降低了2.40%。利用“自然間斷點法”將測算結果劃分為5個等級,以分析各等級生態系統服務供給、需求及平衡的空間分布特征(圖2,圖3,圖4)。就空間分布而言,研究區生態系統服務平衡指數表現為從城市群較為集中的平原向丘陵再向海拔較高的山區逐漸遞增的趨勢。生態系統服務高平衡區和次高平衡區主要分布在湖北西部的大巴山-巫山-武陵山區,湖南西部的雪峰山區及南部的南嶺山區,江西東部的武夷山以及江西和湖南省之間的羅霄山區；低平衡區和次低平衡區主要集中在江漢平原、鄱陽湖平原和洞庭湖平原,尤其是武漢城市圈、環長株潭城市群、環鄱陽湖城市群等三大城市群周圍；一般平衡區主要位于山區與平原的過渡地帶。生態系統服務供給指數的空間分布與生態系統服務平衡指數的空間分布相似,而生態系統服務需求指數與生態系統服務平衡指數的空間分布表現出相反的特征。

圖2 1995—2015年生態系統服務平衡指數空間分布Fig.2 Spatial distribution of ESBI in the Middle Reaches of the Yangtze River region from 1995 to 2015ESBI：生態系統服務平衡指數 Ecosystem services blance index

圖3 1995—2015年生態系統服務供給指數空間分布Fig.3 Spatial distribution of ESSI in the Middle Reaches of the Yangtze River region from 1995 to 2015ESSI：生態系統服務供給指數 Ecosystem services supply index

圖4 1995—2015年生態系統服務需求指數空間分布Fig.4 Spatial distribution of ESDI in the Middle Reaches of the Yangtze River region from 1995 to 2015ESDI：生態系統服務需求指數 Ecosystem services demand index

3.2 城鎮化水平時空特征分析

1995—2015年,長江中游地區城鎮化水平表現出明顯的空間異質性(圖5)。整體而言,長江中游地區城鎮化水平呈持續上升趨勢,平原地區城鎮化水平明顯高于周邊山區。具體而言,城鎮化水平以武漢、長沙和南昌三大城市為核心向城市群外圍遞減。此外,主要交通道路沿線的城鎮化水平明顯較高,如京九線、京廣線、湘黔線、浙贛線和漢丹線沿線各縣,總體呈“兩橫三縱”的空間分布特征。

圖5 1995—2015年長江中游地區城鎮化水平空間分布Fig.5 Spatial distribution of urbanization level in the Middle Reaches of the Yangtze River region from 1995 to 2015

3.3 生態系統服務平衡與城鎮化的空間相關性分析

對長江中游地區1995、2005、2015年的生態系統服務平衡與城鎮化進行空間自相關分析,全局Morran′sI指數分別為-0.3221(P=0.001)、-0.3471(P=0.001)、-0.4049(P=0.001),表現出顯著空間負相關性。在Z檢驗的基礎上(P=0.05)繪制雙變量局部空間自相關LISA聚集圖(圖6),用于表征區域城鎮化水平與生態系統服務平衡之間的空間相關性。1995—2015年,長江中游地區的主要空間聚類模式為高-低型(高生態系統服務平衡和低城鎮化水平),低-高型(低生態系統服務平衡和高城鎮化水平)和低-低型(低生態系統服務平衡和低城鎮化水平)。從空間分布來看,高-低型主要分布在湖北省的大巴山-巫山-武陵山區,湖南西部的雪峰山區及南部的南嶺山區,江西東部的武夷山以及江西和湖南省之間的羅霄山區,這些地區森林資源豐富,生態優勢明顯。低-高型主要分布在三大平原、城市群及主要交通道路沿線,這些地區人口密度大,城鎮體系發達,對生態資源的占用與破壞現象更為嚴重。低-低型主要分布在周邊山區。此外,該區還有少量高-高型(高生態系統服務平衡和高城鎮化水平),主要分布在長沙市和南昌市周圍。

圖6 1995—2015長江中游地區生態系統服務平衡與城鎮化的空間集聚特征Fig.6 Spatial agglomeration characteristics of ESBI with urbanization in the Middle Reaches of the Yangtze River region from 1995 to 2015

3.4 生態系統服務平衡與城鎮化的空間依賴性分析

3.4.1變量選取

本研究主要探討城鎮化對生態系統服務平衡的影響,因此空間計量模型中的因變量為1995、2005、2015年生態系統服務平衡指數,自變量為城鎮化水平。此外還選取了一組控制變量以更好地解釋城鎮化對生態系統服務平衡的影響(表3)。相關研究證實地形條件在生態系統服務平衡空間格局的形成中起著至關重要的作用[32]。據此，本研究選取地形位指數代表長江中游地區的地形狀況。氣候也是影響生態系統平衡的重要空間決定因素,由于溫度和海拔高度之間存在很強的相關性,因此選擇降水來代表氣候因素。已有研究表明城鎮布局往往傾向于靠近水資源豐富的地帶[33],因而選擇到主要河流水系的距離來表征水文條件。對選取的變量進行方差膨脹因子測試,結果均小于10,不存在多重共線性問題。

表3 選取變量及數據來源

3.4.2空間依賴關系分析

表4顯示了1995—2015年長江中游地區生態系統服務平衡與城鎮化的空間依賴性統計檢驗。表中Moran′sI指數在P<0.05時均顯著,表明空間依賴性存在于所有回歸中,僅采用OLS模型分析會導致結果出現偏差。當在OLS模型中添加控制變量后發現該模型具有更高的R2和對數似然值(Log likelihood)以及更低的AIC和SC值,模型擬合度的提高表明在研究城鎮化對生態系統服務平衡的影響時控制其他影響因素至關重要。此外,拉格朗日乘子(LM)檢測顯示LM(滯后)和LM(誤差)均較為顯著,表明空間計量模型比OLS模型更能科學的解釋二者之間的關系。

表4 生態系統服務平衡與城鎮化的空間依賴關系診斷

空間回歸系數表示各選取變量對生態系統服務的影響。結果(表5)顯示1995—2015年城鎮化水平與生態系統服務平衡指數為顯著負相關關系,城鎮化水平每增加10%,生態系統服務平衡指數分別減少2.918%,5.113%,4.813%。城鎮土地擴張過程中不可避免的侵占原有生態土地,從而導致域生態系統服務失衡。地形位指數與生態系統服務平衡指數為顯著正相關關系,地形位指數每增加10%,生態系統服務平衡指數相應增加0.314%,0.501%,0.398%。隨著地形梯度的上升,人口數量及人類活動逐漸減少,生態價值較高的林地、草地的比重不斷上升,而建設用地、耕地等生態價值較低的土地類型比重逐漸下降,致使生態系統服務功能隨地形梯度的上升而不斷增強。年均降雨量與生態系統服務平衡指數呈顯著正相關關系,年均降雨量每增加10%,生態系統服務平衡指數相應增加0.236%,0.567%,0.225%；降水條件在城鎮化對生態系統服務的影響中主要發揮著正向調節作用,降水豐沛地區的植被擁有較強的自我修復能力，從而有利于植被覆蓋的恢復。與其他因素相比,距河流距離與生態系統服務平衡指數的關聯不太顯著,正相關關系表明距離河流越遠,生態系統服務平衡指數越高。這是因為靠近水源是人類定居的首要條件之一,而距水源較遠的土地則受人類活動干擾較少。

表5 生態系統服務平衡與城鎮化的空間回歸結果

4 討論

(1)生態系統服務平衡狀況整體呈現出持續惡化的態勢。

研究期間,武漢城市圈、長株潭城市群以及鄱陽湖城市群等城市群較為集中的地區對生態系統服務的消耗不斷增加,同時這些地區的生態系統服務供給能力有限,進而加劇了整個區域的生態系統服務失衡。已有研究表明城鎮化會侵占大量生態用地,從而對生態系統服務產生負面影響[34- 35]。本研究結果顯示長江中游地區城鎮化水平不斷提升的同時生態系統服務平衡狀況不斷惡化,再次印證了該結論。

今后,應繼續大力推進長江流域生態文明建設,嚴格實施退耕還林、還湖以及濕地保護等生態政策,努力實現濕地、水域不萎縮,功能不衰減,生態不惡化。

(2)不同區域生態系統服務對城鎮化進程的響應具有空間異質性。

雙變量局部自相關分析發現,除高-低型、低-高型兩種主要聚類模式外,研究區還有高-高型、低-低型聚類模式。高-低型、低-高型聚類模式表示生態系統服務與城鎮化之間的負相關關系,而低-低型、高-高型聚類模式則表明區域內的地形條件、植被覆蓋率、降水量等其他非城鎮因素對區域生態系統服務調節也起到重要作用[36]。例如南昌縣境內贛江流域沿線高樓林立、人口稠密,但由于水系和濕地覆蓋率較高,區域在生物多樣性、戶外文化娛樂等方面具有較高的服務價值[37],致使該縣為高-高型城鎮。又例如修水縣的城鎮化水平較低,同時生態系統服務平衡也較低,這與該縣較高的地形坡度和較強的降水有著緊密聯系。已有研究指出區域自然資源本底以及社會經濟條件的差異會導致生態系統服務對城鎮化的響應有所不同[38],與本文結論一致。

基于此,本文建議各區域有必要因地制宜探索城鎮化建設道路。高-低型城鎮在繼續充實基礎設施的同時應大力發展生態旅游、特色農產品加工等綠色產業,努力將自然生態優勢轉化為經濟優勢。低-高型城鎮應繼續保持經濟發展速度,同時控制人口規模、減緩城市擴張速度,以供給側結構性改革為主線助推經濟社會持續健康發展。基于“生態保護優先”原則,應考慮將高-高型城鎮劃為“生態經濟區”，在這些區域應鼓勵新興產業、高新技術產業發展,強制淘汰污染型產業。低-低型城鎮在繼續推進城鎮化的同時,還應在生態退化較為集中的區域布置生態修復工程,如植樹造林、邊坡綠化等，努力實現經濟與生態環境的協調發展。

(3)生態系統服務平衡與城鎮化水平存在空間溢出效應。

本研究將城鎮化水平及各自然因素與生態系統服務平衡進行空間回歸分析得出,生態系統服務平衡不僅受到研究單元自身因素的影響,而且還會受到臨近單元相同因素的干擾。總體而言,城鎮化對生態系統服務的影響表現為空間負外部性[39]。這種負外部性可能是城鎮化地區與臨近區域持續進行物質和能量交換的結果。當某一城鎮化地區的生態環境要素(如地形、氣溫、降水、二氧化碳等)發生變化時,將通過大氣循環、水循環以及生物遷徙等方式影響臨近區域的生態系統服務平衡狀況[40]。

基于該結論,本研究建議各研究單元在制定區域發展規劃時充分考慮城鎮化的負外部效應,避免在與自然生態系統直接相鄰的地區進行生態破壞活動。同時,嘗試加強縣際合作,實現生態與經濟資源的共享與互補。

(4)后續待開展的工作。

本研究基于縣級尺度從宏觀上探討了長江中游地區生態系統服務平衡與城鎮化的空間關系,研究結果對于區域制定總體發展規劃和生態保護相關政策具有一定借鑒意義。然而,各縣級行政單元內生態系統服務平衡與城鎮化的相互關系還不明晰,不利于縣級相關規劃的實施與落地,因此下一步工作擬選取典型縣市從格網尺度深入分析二者之間的內在關系。

5 結論

本研究以城鎮化對生態系統服務平衡的影響為出發點,采用生態系統服務供需平衡評估矩陣法、雙變量空間自相關分析模型以及空間計量模型等技術方法,探索了生態系統服務平衡與城鎮化水平的相互作用關系,研究結論如下：

(1)研究期間長江中游地區生態系統服務平衡狀況不斷惡化,周邊山區是生態系統服務平衡高值區,腹部三大平原為生態系統服務平衡低值區。

(2)研究期間長江中游地區城鎮化水平呈上升態勢,地處江漢平原、洞庭湖平原、鄱陽湖平原的武漢市、長沙市、南昌市等三大核心城市及主要交通道路沿線是城鎮化水平的高值區,周邊的雪峰山、南嶺和武夷山等山區為城鎮化水平的低值區。

(3)研究區生態系統服務平衡與城鎮化水平之間存在空間依賴關系,且不同區域的生態系統服務對城鎮化的響應有所差異,生態系統服務平衡較低的區域更容易受到城鎮化的侵擾。

(4)添加控制變量的空間計量模型更好的解釋了城鎮化對生態系統服務平衡的影響,結果顯示城鎮化對態系統服務平衡具有空間負外部效應,這種負外部效應在城鎮化發展到一定階段時逐漸減弱。