成渝城市群生態系統服務價值與人類活動強度空間關系

武 燕, 吳映梅, 高彬嬪, 李 琛, 鄭可君，2, 李 嬋

(1.云南師范大學 地理學部, 昆明 650500; 2.云南省社會科學院, 昆明 650000)

隨著經濟社會的快速發展，劇烈土地利用的變化帶來了城市經濟增長與自然環境持續退化等問題[1]，威脅著區域生態安全，制約社會經濟高質量發展，導致對城市空間需求增加、環境問題日益嚴重。因此，快速城鎮化引發的大規模人類活動與生態系統服務之間的作用關系逐漸成為社會關注的熱點話題[2-3]。

人類活動強度是指一定面積的區域受人類活動的影響而產生的擾動程度[4-5]。生態系統服務價值(Ecosystem Services Value，ESV)是人類從支持地球生命的自然環境和生態系統中獲得的利益[6]，是生態系統功能效用的價值表現、衡量區域生態環境質量的重要指標，也是突出自然資產對人類福祉重要性的有效工具[7]。千年生態系統評估指出生態系統服務包括供給、調節、支持與文化服務，認為全球60%的生態系統功能正在或者已經退化，最主要原因是受到人類活動的干擾[8]。由于生態系統的服務價值是在與人類的相互作用之中實現的，受到人類活動的強烈影響，二者有著十分密切的關系。土地利用變化作為人類活動最直接的表現形式[9-10]，其通過直接或間接地對生態系統格局與過程的影響，正在改變著地表景觀格局，導致地表生態過程發生急劇變化[11]，從而影響生態系統服務產品與服務的供給，同時不同的土地利用類型代表著不同的人類開發利用強度[12]，對生態系統服務價值起著決定性作用[13]，進而深刻影響到人類福祉[14]。目前有關人類活動強度空間關系研究多集中在自然保護地[15]、濕地景區[16]、植被覆蓋[17]，關于生態系統服務價值與人類活動的空間關系研究早有學者對其產生關注：張彩霞等[9]以黃土高原典型丘陵溝壑區安塞縣紙坊溝為例關注了長時間序列的人類活動以及政策對其生態系統服務價值的影響，隨后不同學者針對不同區域探討了二者的空間關系：南箔等[18]以華陽河湖群地區為例運用數理化分析方法測算了生態系統服務價值與人類活動強度的關聯性；李理等[19]測算了淇河流域生態系統服務權衡協同關系，并且引入人類活動強度指數評估模型分析人類活動影響空間特征；王庭輝等[20]分析了丹江口庫區生態系統服務價值和人類活動強度的時空關聯特征。從現有研究可知，大多數研究多從探究二者的時空關聯性出發，往往不能全面具體地揭示人類活動強度對生態系統服務價值的深刻影響程度。此外研究區多集中于庫區[20]、河湖群等[18]生態保護地區，有關人類活動密集的城市群地區仍不多見，作為國家新型城鎮化的空間主體，也是人類活動與生態環境相互作用最為頻繁的地區之一[21]，城市群在我國社會生產力空間布局中承擔著增長極和戰略支撐點的重要作用，同時良好的生態發展狀況既體現了城市群綜合發展水平也是城市群高質量發展的必然要求[22-23]。鑒于不合理的人類活動可能會導致生態系統結構失衡，因此關注人類活動過程中生態系統服務價值的損益情況，對城市群綠色可持續發展而言至關重要。

作為長江上游的國家級城市群之一，西部大開發的重要平臺，長江經濟帶的戰略支撐，國家推進新型城鎮化的重要示范區，成渝城市群一方面承擔著西部新型城鎮化的主體角色，另一方面也具有保障長江上游生態具有服務供給的重大責任，同時當前發展面臨著經濟高速增長與環境承載能力有限、經濟短期發展與長期可持續發展的城市發展矛盾。因此本文基于2000年、2010年、2018年三期土地利用數據，運用當量因子法估算2000—2018年成渝城市群生態系統服務價值及測度其損益情況，并通過計算人類活動強度指數識別人類高集聚活動區域，利用雙變量空間自相關模型探究人類活動強度和生態系統服務價值二者的時空關聯性特征，同時采用在GWR(地理加權回歸)上進行帶寬改進的MGWR(多尺度地理加權回歸)對人類活動強度對生態系統服務價值影響程度進行補充分析，旨在全面揭示成渝城市群人類活動強度對生態系統服務價值空間關系特征，以期為快速城鎮化過程中培育和發展城市群，提升生態系統服務功能效用，保障國土安全和優化國土布局等提供相關理論依據和科學參考。

1 研究區概況

成渝城市群位于我國西南(27°39′—33°03′N，101°56′—110°11′E)，地處長江上游，四川盆地腹地，地勢西低東高，地貌類型復雜多樣，主要以平原和丘陵為主，屬亞熱帶濕潤季風氣候區，雨量充沛，年均降水量達到1 000～1 300 mm。根據2016年 5月國務院批準《成渝城市群發展規劃》[24]劃定，其具體范圍包括重慶市的29個區(縣)以及四川省15個市，總面積 185 000 km2，成渝城市群2018年城鎮化率達53.8%、屬西南地區最高，因處于全國“兩橫三縱”城市化戰略格局沿長江通道橫軸和包昆通道縱軸的交匯地帶，發展戰略地位突出。

2 數據來源、研究方法

2.1 數據來源

2000年、2010年、2018年土地利用數據來源于中國科學院資源環境科學數據中心(http:∥www.resdc.cn/)，空間分辨率為30 m×30 m，依據中國科學院生態遙感監測土地利用/覆蓋分類體系，將研究區土地利用類型分為耕地、林地、草地、水域、建設用地和未利用地共6類；糧食作物的播種面積、糧食產量數據來源于《四川省統計年鑒》、《重慶市統計年鑒》及各地方經濟社會公報，糧食價格數據來源于《全國農產品成本收益資料匯編2019》。

2.2 研究方法

2.2.1 生態系統服務價值估算 以謝高地[25]提出的中國生態系統單位面積生態服務價值當量為評估基準，即1個生態服務價值當量因子的經濟價值為當年全國平均糧食單產市場價值的 1/7進行評估，并根據研究區的具體情況對當量表進行修訂[26]：成渝地區農田生態系統的平均生物量因子為1.28，2000—2018年成渝城市群平均糧食產量為5 551.98 kg/hm2，2018年成渝地區平均糧食價格為2.32元/kg，由此計算出成渝城市群生態系統服務價值量為1 836.72元/hm2。將此與各生態服務價值當量值相乘，最終得出成渝城市群生態系統單位面積服務價值系數表(表1)。

(1)

ESVf=∑(Ak×VCfk)

(2)

式中:ESV為生態系統服務總價值；Ak為土地利用類型k的面積；VCk為單位面積上土地利用類型k的生態系統服務價值;ESVf為生態系統第f項服務功能價值；VCfk為單位面積上土地利用類型k的生態系統第f項服務價值。

表1 成渝城市群生態系統服務價值系數 元/(hm2·a)

2.2.2 生態系統服務價值損益估算 以土地利用轉移矩陣為基礎，運用生態系統服務價值損益計算公式，可對人類活動干擾下不同土地類型間相互轉化引起的生態系統服務價值損益進行定量計算，揭示生態系統服務價值內部增損情況，計算公式如下[27]：

Pij=(VCi-VCj)Aij

(3)

式中:Pij為土地利用類型由i類轉為j類時的生態系統服務價值損益;VCi,VCj為i地類、j地類的生態系統服務價值系數;Aij為i地類轉為j地類的面積。

2.2.3 人類活動強度指數評估模型 人類活動導致了土地利用變化，參考以往研究[10,20,28]確定各土地利用類型對應的人類活動強度系數，將不同土地利用類型對應的人類活動系數代入人類活動強度指數評估模型進行計算。數值越大表示人類活動對生態系統服務價值變化的干擾越強;反之表示人類干擾越小。將人類活動強度指數依次劃分為低影響(HAI≤0.2)、較低影響(0.2

(4)

式中: HAI為人類活動強度指數;N為土地利用類型數量;Ai為第i種土地利用類型面積;Pi為第i種地類所代表的人類活動強度系數;TA為土地利用總面積。

表2 不同土地類型人類活動強度指數

2.2.4 雙變量空間自相關 空間自相關可以反映出一個區域單元上某種地理現象或某一屬性值與鄰近區域單元上同一現象或屬性值相關程度[30]。選用雙變量空間自相關來表征二者之間的空間關聯性，該模型包括全局空間自相關和局部空間自相關，公式為[31]:

(5)

(6)

考慮到可塑性面積單元問題，結合前人研究成果以及研究區實際情況[32-34]，創建等不同格網尺度對比二者的空間關系，發現5 km×5 km格網劃分下可視化效果較好，能夠更好表達出成渝城市群人類活動強度和生態系統服務價值空間信息特征。

2.2.5 空間回歸分析 參考過往有關生態系統服務價值與人類活動強度關聯性研究[18-20]，往往忽略了二者間的影響作用程度。因此引入多尺度地理加權回歸模型(MGWR)分析人類活動強度對生態系統服務價值影響作用程度[35]。選用美國亞利桑那州立大學空間分析研究中心(SPARC)開發的MGWR 2.2軟件(https:∥sgsup.asu.edu/SPARC)進行操作，其結構如下。

(7)

式中:(ui,vi)為位置i處的中心坐標;vi為i處的屬性值;bwj代表第i個變量回歸系數使用的帶寬;βbwj(ui,vi)為i處第j個變量的回歸系數;β0(ui,vi)，εi分別是為模型在i處的截距和誤差項。

3 結果與分析

3.1 土地利用變化情況

人類活動強度作用過程主要體現在土地利用變化的速度、轉移方向和土地利用程度3個方面[36]。研究區土地利用類型以耕地、林地和草地為主，3類土地面積總和占成渝城市群總面積的94.61%以上，其中耕地面積占比最大，3個時期占比均在61.99%以上;從變化度來看，2000—2018年以建設用地變化速度最快，2000年建設用地面積為3 048.56 km2，2018年增至7 076.45 km2，近二十年間增加了4 027.89 km2，變化率高達132.12%，這是由于城市群空間建設發展的迫切需求，逐漸加大對基礎設施的建設投入，使建設用地的面積快速增加；同時，在研究期間，耕地總面積減少了3 540.23 km2，草地總面積減少了2 453.82 km2，此外林地面積有所增加，增加面積達1 504.86 km2，變化率達12.55%，由于生態文明建設逐步開展，退耕還林效果較為顯著，一部分耕地逐漸轉變為林地(表3)。

從各類土地利用類型相互轉移來看(表4)，成渝城市群各地類變化上以耕地、建設用地以及林地三者之間轉換為主，其中以耕地轉為林地轉出的面積最多，達4 281.61 km2，耕地轉為建設用地面積為4 065.15 km2；從轉移強度來看，耕地、林地轉化最活躍，且二者之間相互轉化基本平衡，可見成渝城市群地區在進行退耕還林保護工程實施取得成效的同時也有相當大的一部分林地因城市化擴張，農業生產活動的需要轉為耕地。

表3 各土地利用面積及其變化 km2

表4 土地利用轉移矩陣 km2

3.2 生態系統服務價值分析

3.2.1 生態系統服務價值估算及空間分布 2000—2018年，成渝城市群生態系統服務總價值由5 064.6億元下降到5 061.27億元，變化量為3.33億元。各土地利用類型ESV從高到低依次為林地>耕地>草地>水域>未利用地>建設用地(表5)。耕地、草地ESV在2000—2010年變化顯著，且均呈現下降趨勢，其中，耕地、草地ESV各下降了30.54億元、32.79億元，而林地ESV增加了50.79億元，這是由于退耕還林以及禁牧政策實施起到了非常大的作用，使得成渝城市群林地面積增加的同時ESV顯著提升。2010—2020各地類ESV的變化情況與前10 a相似，耕地、草地ESV呈現下降趨勢，林地ESV呈現上升趨勢。從各單項態系統服務價值來看，ESV排序由高到低依次為：調節服務>支持服務>供給服務>文化服務(表6)，其中供給服務以及支持服務ESV呈現下降趨勢，耕地以及草地面積的下降使得供給服務能力有所損耗，同時調節服務是成渝城市群首要生態系統服務功能，占4類生態系統服務功能的價值量50%以上。2000—2018年調節服務ESV總體呈現上升趨勢，升值達9.46億元，調節服務ESV的上升與林地面積增大息息相關：由于自1998年以來實施的退耕還林工程，大量耕地、草地轉為林地，使得林地面積呈現恢復趨勢，ESV整體顯著提升。

通過劃定5 km×5 km格網，并運用自然斷點法將不同時間段內ESV進行分為低價值、較低價值、中價值、較高價值、高價值5類，同時基于ArcGIS進行可視化表達。由圖1可以看出，在空間上成渝城市群ESV以成都、重慶兩地為核心呈現出由低到高的“圈層式”空間分布特征：ESV低價值區分布于城鎮化水平高、人類活動作用強、建設用地的集中連片的成都、重慶雙城及周邊地區；而城市郊區因分布大量的耕地農田，自然生態環境相對較好，ESV呈現中價值分布；再往外過渡至外圍邊緣地區為林、草地密集分布區，生態環境優質，ESV呈現較高價值或高價值。此外，在2000—2018年ESV低價值區在成都、重慶“雙核”地區有所擴大，但在重慶市以東的黔江區及周邊地區ESV呈現逐年增長趨勢，這是由于該區域為我國退耕還林工程首批示范區縣，之前因煤礦開采使其生態系統遭到破壞，后續以森林生態系統保護建設為重點，著力實施天然林保護、退耕還林還草等工程，使其生態環境得到較大程度的改善，ESV顯著提高。

3.2.2 生態系統服務價值損益分析 基于2000—2018年成渝城市群土地利用轉移矩陣測算近20年間ESV損益情況，具體見表7。大部分耕地轉換為林地使得生態系統服務價值損失了147.43億元，此外還有一部分損失來自耕地轉為水域，同時草地轉為林地損失了74.40億元。ESV增加部分主要以林地轉為耕地最為突出，增加了146.45億元，可以看出成渝城市群近20年間退耕還林、還草工程實施到位的同時也有面積相對大的一部分林地、水域因城市經濟、人口發展需要轉變為耕地、建設用地。ESV更高的林地、水域被耕地、建設用地取代，成為研究區ESV損失的主要原因，今后應該高度重視在城市快速發展下對于生態環境的保護，樹立林草地保護意識。

表5 2000-2018年成渝城市群生態系統服務價值及變化

表6 2000-2018年成渝城市群各項生態系統服務的價值及變化

圖1 成渝城市群生態系統服務價值空間分布

表7 2000-2018年成渝城市群生態系統服務價值損益情況 億元/hm2

3.3 人類活動強度分析

成渝城市群在研究時段內，人類活動強度(HAI)在空間上呈現“雙核圈層模式”分布，高強度區主要分布在經濟發達，人口密集的成都、重慶“雙核地區”，較高強度以及中強度區圍繞“雙核地區”集中分布于中部平原地區，城市外圍地區則以較低強度、低強度區為主，空間變化顯著。從時間變化趨勢上來看，2000年以來高強度區域在“雙核地區”面積增大，城市化快速推進過程中土地利用轉變加劇等人類活動影響使其增加迅速，而在成都市以北的城市邊緣地區，人類活動強度較小，總體以低強度為主。城鎮化的迅速發展導致城市群核心區人類活動強度集聚，結合圖1，圖2可知成渝城市群HAI與ESV在空間上存在一定相關性。

3.4 人類活動強度和生態系統服務價值空間相關性分析

3.4.1 雙變量空間相關性分析 利用 SPSS軟件對ESV和HAI進行 K-S( Kolmogorov-Smirnov)正態性檢驗，同時采用 Spearmen相關分析確定兩變量之間的相關關系。2000年、2010年、2018年二者相關系數為-0.867，-0.878，-0.889，均呈極顯著負相關關系，說明當人類活動強度減弱時，生態系統服務價值隨之增加。

為進一步驗證成渝城市群ESV與HAI的關聯性，依托雙變量空間自相關模型采用Geoda1.1.14空間分析工具，建立空間權重矩陣，計算二者的雙變量空間自相關指數，由圖3可知，2000年、2010年、2018年二者的雙變量空間自相關指數分別為-0.677，-0.692，-0.703，進一步說明其存在較為明顯的空間負相關關系，且這種負相關關系在研究時間期內隨時間推進呈現增加的變化趨勢逐漸增強。

圖2 成渝城市群人類活動強度空間分布

圖3 成渝城市群生態系統服務價值與人類活動強度Moran散點

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。由圖4可知，成渝城市群ESV和HAI在局部空間聚集形態上以高活動—低服務型區域和低活動—高服務型區域為主，低活動—低服務型區域以及高活動—高服務型區域零星分布。高活動—低服務型區域主要分布在研究區中部地形較為平坦、城鎮化集中發展的區域，而城市群外圍林、草地密集區域則大多為低活動—高服務型區域。從現實情況分析，這與成渝城市群“雙城”經濟發展中心相對吻合，人類活動對生態系統干擾強度顯著增加，由于生態用地保護機制欠缺而建設用地擴張迅速，阻礙了生態系統功能的發揮，從而ESV降低，而外圍地區自然環境較優，且地勢相對較高，受人類活動干擾程度較小。

注：N表示不顯著; H—H表示高活動—高服務; L—L表示低活動—低服務; L—H表示低活動—高服務; H—L表示高活動—低服務。

3.4.2 人類活動強度對生態系統服務價值影響的空間分異特征 為揭示ESV與HAI二者相互影響作用機制，分別運用OLS(普通最小二乘法)、GWR，MGWR這3種空間回歸模型對比成渝城市群HAI對ESV空間格局影響程度(表8)，運用3種不同模型對比結果顯示：MGWR相較于OLS以及GWR的R2更高，同時AICc更低，表明引入的 MGWR取得了更接近于真實值的擬合效果，擁有更佳的解釋力效果，總體來看模型構建較好。

從時間變化來看，2000—2018年成渝城市群HAI對ESV整體回歸系數由-0.848逐漸下降到-0.876，具有顯著負向效應，絕對值增大，影響程度不斷增強。2000年在遂寧市、廣安市、南充市以及重慶市北部交匯地區負向關系影響劇烈且呈團塊化空間分布，該區域以耕地為主要地類，林、草地密集穿插分布，由于人類活動增強以及城鎮化建設的需要使得本底脆弱的大量林、草地區域慢慢轉化為耕地或建設用地，而建設用地的增加以及耕地擴張使得該地區ESV受HAI增強而減少加劇，至2018年快速城鎮化發展時期，耕地、建設用地的布局已形成較為穩定態勢使得該區域內部收縮加劇逐漸形成破碎化分布特征，即在閬中市、鹽亭縣、射洪縣、船山區以及西充縣和蓬溪縣交界處回歸系數絕對值降低，影響程度減弱(圖5)。

表8 2000-2018年成渝城市群人類活動強度指數對生態系統服務價值影響回歸模型結果對比

從地理空間分布看，HAI對ESV影響的空間差異較大，總體回歸系數值絕對值呈現出中間高邊緣低的分布特征。成渝城市群中部大面積地區由于城鎮化進程發展需要，HAI對ESV影響程度高，而在研究區西北大部分地區回歸系數變化穩定，該區域大面積屬川滇生態屏障區一線，林、草地密集分布，地勢地形復雜多樣，受HAI影響較弱，加之對于生態屏障區綠色保護的重視使得該區域ESV受HAI影響程度呈穩定態勢。同時在研究區東南角的重慶市黔江區及周圍地區HAI與ESV回歸系數絕對值逐漸增大，對該區域而言因HAI減弱而ESV增加的負向效應增強。這與上文所提到的黔江區退耕還林還草措施實施到位，植被增加以及人們生態保護意識的加強使得該地區使得生態系統得以恢復相吻合(圖5)。

圖5 人類活動強度對成渝城市群生態系統服務價值空間分異格局

4 討論與結論

4.1 討 論

(1) 鑒于城市發展進程加快導致HAI和ESV負相關程度加劇。成渝城市群在研究時間段內以高活動—低服務型和低活動—高服務型區域占比較高，未來可著重對于不同類型區域精準實施管理調控：高活動—低服務型區域應注重在經濟建設過程中應強化環境保護意識，實施可持續發展戰略，完善生態文明領域統籌協調機制，推動經濟社會發展全面綠色轉型；對于低活動—高服務型區域應繼續以生態保護為首要任務，遵循科學規劃、生態優先、嚴格保護的原則，實施生態環境共保聯治，同時應注重對生態屏障區的保護，加強生態資金支持力度，筑牢長江上游安全屏障，維護城市群生態安全。

(2) 退耕還林還草工程實施對成渝城市群水生態系統服務價值整體提升具有一定效果。從黔江區可以看出，由于退耕還林工程設施的實施到位以及人們環境保護意識的提升，人類活動負向影響強度的減弱使得該區ESV得到明顯提升。未來成渝城市群應在經濟發展建設中注重生態環境的修復，保護生態環境的連通性和完整性，減少因人類活動對城市群生態環境的損害，將城市群經濟發展與環境保護的目標統合起來，同時把生態優化放在更為突出的位置上，繼續推進退耕還林保護工程實施，共筑美麗中國。

(3) 隨著人類活動強度增強，生態系統服務價值在“雙核地區”降低范圍不斷擴大，成渝城市群正處在一個由雙核聚集向網絡化演變的中心過渡地帶，極化效益與擴散效益并存，因此在此發展階段，聚焦“雙城”、“雙核”，思考其因人類活動強度對于區域綠色發展格局產生的影響，對后續城市群可持續發展而言意義重大。

(4) 人類活動強度以土地利用變化為主要表征形式對生態系統服務價值損益情況影響突出，但如何更準確評估二者之間的內在關系和影響機理有待進一步探究，未來也可細分小區域研究可適當調整研究方法以反映地區實際情況。

4.2 結 論

(1) 成渝城市群土地類型以耕地和林地為主要類型，2000—2018年土地利用變化以耕地轉為建設用地、林地最為突出，城市化進程加快的過程中退耕還林還草工作顯著，但仍有一部分林地因經濟需要轉化為耕地。

(2) 從生態系統服務價值來看，2000—2018年成渝城市群生態系統服務價值總量下降明顯，其中耕地下降最為突出；在空間分布上“雙核地區”生態系統服務價值呈現低值分布，高值區則多分布于成渝城市群邊緣林地、草地較為富集的地區，近年來黔江區因退耕還林還草工程實施到位，生態系統服務價值總體呈現出增加趨勢。

(3) 從人類活動強度來看，2000—2018年成渝城市群人類活動強度呈現出“邊緣低中間高”的分布態勢，以“雙核地區”人類活動強度最大，中部平原地區因耕地種植，受人類活動影響較強，邊緣大部分地區生態環境良好，人類活動強度較弱，在空間分布來看人類活動強度與生態系統服務價值存在一定的負向關聯性。

(4) 2000—2018年，成渝城市群人類活動強度與生態系統服務價值之間存在顯著的影響作用，二者回歸系數上存在明顯負向效應且程度加劇，其中成渝城市群中部地區負向效應嚴重，但部分地區已達城市發展穩定形態，內部收縮加劇呈現破碎化特征。