陳萬(wàn)旭,劉志玲，李江風(fēng),冉 端,曾 杰

1 中國(guó)地質(zhì)大學(xué)(武漢)地理與信息工程學(xué)院, 武漢 430078 2 中國(guó)地質(zhì)大學(xué)(武漢)公共管理學(xué)院, 武漢 430074

隨著全球化的不斷深入以及全球范圍競(jìng)爭(zhēng)的不斷加劇,城市群日益成為全球經(jīng)濟(jì)競(jìng)爭(zhēng)的新空間單元[1-3]。全球范圍內(nèi),城市群地區(qū)是區(qū)域經(jīng)濟(jì)、城鎮(zhèn)化和工業(yè)化快速發(fā)展的地區(qū),同樣也是社會(huì)問題、資源枯竭、環(huán)境惡化和土地利用問題等一系列矛盾最為突出的地方[4-6]。城市群的發(fā)展不僅對(duì)區(qū)域經(jīng)濟(jì)發(fā)展至關(guān)重要,對(duì)社會(huì)進(jìn)步以及提高國(guó)家國(guó)際影響力也十分重要[2]。另外當(dāng)前中國(guó)政府將城市群建設(shè)作為政策工具在全球和地區(qū)競(jìng)爭(zhēng)中占據(jù)有利地位,并且在未來(lái)十年中制定了數(shù)十個(gè)國(guó)家級(jí)、地區(qū)和地方級(jí)城市群計(jì)劃,但是對(duì)于城市群的研究中空間視角往往被忽略[3],城市群地區(qū)快速的城鎮(zhèn)化發(fā)展帶來(lái)的土地利用/土地覆被變化的生態(tài)環(huán)境效應(yīng)研究仍然不全面,以單一城市群生態(tài)系統(tǒng)為研究對(duì)象不能從根本上解決區(qū)域生態(tài)問題,無(wú)法制定城市圈集聚區(qū)地區(qū)合理的生態(tài)環(huán)境和土地利用政策[6]。因此，很有必要研究城市群集聚地區(qū)城鎮(zhèn)化發(fā)展對(duì)生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)的影響，這對(duì)于區(qū)域可持續(xù)發(fā)展具有重要意義。

城市群的發(fā)展必然會(huì)導(dǎo)致土地利用方式、格局和程度的變化,對(duì)區(qū)域生態(tài)系統(tǒng)構(gòu)成嚴(yán)重威脅,因此對(duì)城市群地區(qū)生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)的影響進(jìn)行建模分析就顯得十分必要[7]?？焖俪擎?zhèn)化進(jìn)程中的土地利用變化及其生態(tài)環(huán)境效應(yīng)已成為生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)共同國(guó)際分類(Common International Classification of Ecosystem Services,CICES)、千年生態(tài)系統(tǒng)評(píng)估(Millennium Ecosystem Assessment,MEA)、生態(tài)系統(tǒng)和生物多樣性經(jīng)濟(jì)學(xué)(Economics of Ecosystems and Biodiversity,TEEB)、生物多樣性和生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)政府間科學(xué)政策平臺(tái)(Intergovernmental Science-Policy Platform on Biodiversity and Ecosystem Services,IPBES)和國(guó)際土地變化科學(xué)(Land Change Science,LCS)及國(guó)際科學(xué)理事會(huì)(International Council for Science,ICSU)最新大型科學(xué)計(jì)劃“未來(lái)地球”(Future Earth)等組織和倡議的重點(diǎn)關(guān)注內(nèi)容和研究主題[7-8]。在此背景下,探尋城市群集聚區(qū)土地利用/土地覆被變化的生態(tài)環(huán)境效應(yīng)的空間溢出特征對(duì)于跨區(qū)域土地利用規(guī)劃和生態(tài)保護(hù)協(xié)同治理具有重要意義。

生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)是指人類直接或間接從生態(tài)系統(tǒng)得到的利益,主要包括供給服務(wù)(如提供食物和原材料)、調(diào)節(jié)服務(wù)(如水調(diào)節(jié)和氣候調(diào)節(jié))、文化服務(wù)(如娛樂和休閑文化)以及支持服務(wù)(如維持生物多樣性和保持土壤)[8-9]。生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)關(guān)乎人類福祉,是人類生存和經(jīng)濟(jì)社會(huì)發(fā)展的基礎(chǔ)[9-10]。生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)長(zhǎng)期以服務(wù)流的形式出現(xiàn),能夠帶來(lái)這些服務(wù)流的是自然資本,這種服務(wù)流可以增進(jìn)人類的福祉[9]。城市群地區(qū)快速的城鎮(zhèn)化和工業(yè)化導(dǎo)致了土地利用的快速轉(zhuǎn)型[11-13],嚴(yán)重的干擾了生態(tài)系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)和功能[14-15]。據(jù)Millennium Ecosystem Assessment(2005)研究結(jié)果,在過(guò)去的幾十年中,世界上大約60%的陸地生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)功能在退化,未來(lái)還將要持續(xù)惡化[10]。全球范圍對(duì)于快速城鎮(zhèn)化下生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)進(jìn)行了廣泛的評(píng)估[14, 16-19],目前生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)主要通過(guò)價(jià)值量[9, 20]、能值[21]和物質(zhì)量[22-25]等三方面進(jìn)行評(píng)估。三種評(píng)估方法各有優(yōu)缺,但是都能為決策者和管理者進(jìn)行決策和規(guī)劃提供關(guān)鍵和有效信息。其中價(jià)值量評(píng)估方法在評(píng)估過(guò)程中往往存在主觀性強(qiáng)、結(jié)果具有不確定性的問題,但是價(jià)值量評(píng)估法便于各項(xiàng)生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)之間比較,評(píng)估結(jié)果可納入國(guó)民經(jīng)濟(jì)核算體系,進(jìn)而為生態(tài)環(huán)境保護(hù)、生態(tài)功能區(qū)劃、環(huán)境經(jīng)濟(jì)核算和生態(tài)補(bǔ)償決策提供重要依據(jù)和基礎(chǔ)[26]；另外價(jià)值量評(píng)估可以有效體現(xiàn)生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)價(jià)值的稀缺性,為國(guó)際合作和政府決策提供科學(xué)參考[9, 27]。

城市群是城市發(fā)展到成熟階段的最高空間組織形式,城市群逐漸成為新型城鎮(zhèn)化的主體形態(tài)和現(xiàn)代化建設(shè)的重要載體,探索城市群地區(qū)城鎮(zhèn)化與生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)的空間關(guān)系對(duì)于城市群地區(qū)生態(tài)保護(hù)和土地可持續(xù)利用提供科學(xué)的借鑒。以往研究對(duì)城市群地區(qū)開展了大量的生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)評(píng)估、生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)權(quán)衡、生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)影響因素、生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)供需分析[28-30],但是仍存在很多不足,包括尺度效應(yīng)、空間相互作用、空間依賴效應(yīng)和空間溢出效應(yīng),這限制了生態(tài)保護(hù)政策和土地利用政策的有效制定和實(shí)施?，F(xiàn)有研究大都基于行政單元的統(tǒng)計(jì)數(shù)據(jù),往往掩蓋生態(tài)系統(tǒng)內(nèi)部空間異質(zhì)性特征以及人口分布和經(jīng)濟(jì)發(fā)展的空間差異,本研究使用空間化數(shù)據(jù)可以開展格網(wǎng)尺度上的定量研究,更能凸顯其現(xiàn)實(shí)意義。

基于以往研究本文從三方面進(jìn)行了創(chuàng)新：(1)研究尺度方面,本文選擇長(zhǎng)江中游城市群地區(qū)作為研究區(qū),長(zhǎng)江中游城市群是一個(gè)城市簇,對(duì)于城市群集聚區(qū)研究可以更好地為跨區(qū)域的協(xié)同治理提供科學(xué)指導(dǎo)。另外本文采用ArcGIS 10.3中Fishnet工具生成5 km×5 km和10 km×10 km的格網(wǎng),作為測(cè)度生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)和城鎮(zhèn)化的水平基本單元,探測(cè)生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)和城鎮(zhèn)化之間的空間相互作用。(2)本研究從格網(wǎng)尺度評(píng)估了長(zhǎng)江中游城市群地區(qū)的城鎮(zhèn)化發(fā)展水平,打破以行政單元為評(píng)價(jià)單元的傳統(tǒng)。(3)借助雙變量空間自相關(guān)模型(Bivariate Moran′s I)、普通最小二乘法(Ordinary Least Square,OLS)、空間滯后模型(Spatial Lag Model,SLM)、空間誤差模型(Spatial Error Model,SEM)和加入空間滯后項(xiàng)的空間誤差模型(Spatial Error Model with Lag Dependence,SEMLD)模型對(duì)長(zhǎng)江中游城市群地區(qū)城鎮(zhèn)化水平和生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)價(jià)值之間的空間相互作用、空間依賴效應(yīng)和空間溢出效應(yīng)進(jìn)行了測(cè)度。

1 研究區(qū)與數(shù)據(jù)來(lái)源

1.1 研究區(qū)概況

長(zhǎng)江中游城市群是中國(guó)的國(guó)家城市群之一,位于其他4個(gè)國(guó)家城市群的中心(長(zhǎng)三角城市群、珠三角城市群、成渝城市群和京津冀城市群)。長(zhǎng)江中游城市群包括武漢城市群、宜荊荊城市群、長(zhǎng)株潭城市群和環(huán)鄱陽(yáng)湖城市群(26°07′05″—30°23′N,110°15′—118°28′58″E)(圖1)。長(zhǎng)江中游城市群屬于亞熱帶季風(fēng)性氣候,雨量充沛、日照充足、四季分明。地處長(zhǎng)江中游,江漢平原、洞庭湖平原和鄱陽(yáng)湖平原分布其間,土壤肥沃,是中國(guó)重要的糧食產(chǎn)地。隨著中部崛起戰(zhàn)略和長(zhǎng)江中游經(jīng)濟(jì)帶戰(zhàn)略的實(shí)施,長(zhǎng)江中游城市群已經(jīng)成為中國(guó)經(jīng)濟(jì)發(fā)展新增長(zhǎng)極。另外,長(zhǎng)江中游城市群作為中西部新型城鎮(zhèn)化先行區(qū)、中國(guó)低碳經(jīng)濟(jì)發(fā)展先行區(qū)、內(nèi)陸開放合作示范區(qū)和"兩型"社會(huì)建設(shè)引領(lǐng)區(qū),在城鎮(zhèn)化建設(shè)以及生態(tài)環(huán)境保護(hù)方面處于領(lǐng)先地位?？焖俚某擎?zhèn)化發(fā)展背景下,長(zhǎng)江中游城市群土地利用發(fā)生了深刻轉(zhuǎn)型,帶來(lái)了顯著的生態(tài)環(huán)境變化。鑒于此,選擇長(zhǎng)江中游城市群作為研究區(qū),探索長(zhǎng)江中游地區(qū)土地利用變化生態(tài)環(huán)境效應(yīng)與城鎮(zhèn)化水平之間的空間關(guān)系,對(duì)于城市群集聚地區(qū)土地可持續(xù)利用和生態(tài)環(huán)境保護(hù)具有重要的借鑒和指導(dǎo)意義。

圖1 長(zhǎng)江中游城市群區(qū)位圖

1.2 數(shù)據(jù)來(lái)源

研究涉及1995年、2005年和2015年土地利用/土地覆被變化數(shù)據(jù)來(lái)源于源于中國(guó)科學(xué)院資源環(huán)境科學(xué)數(shù)據(jù)中心(http://www.resdc.cn),空間分辨率為30 m×30 m[31-32]。借助ArcGIS 10.3工具,將二級(jí)地類重分類為耕地、建設(shè)用地、林地、草地、水體、濕地和未利用地等7種土地利用類型。1995年、2005年和2015年1 km分辨率人口和GDP柵格數(shù)據(jù)來(lái)源于中國(guó)科學(xué)院資源環(huán)境科學(xué)數(shù)據(jù)中心(http://www.resdc.cn)。糧食單產(chǎn)數(shù)據(jù)來(lái)源于1996—2016年份《湖北省統(tǒng)計(jì)年鑒》、《湖南省統(tǒng)計(jì)年鑒》和《江西省統(tǒng)計(jì)年鑒》,糧食價(jià)格數(shù)據(jù)來(lái)源于2016年《中國(guó)農(nóng)產(chǎn)品價(jià)格調(diào)查年鑒》等統(tǒng)計(jì)資料?；A(chǔ)地理數(shù)據(jù)來(lái)源于國(guó)家基礎(chǔ)地理信息系統(tǒng)全國(guó)1∶400萬(wàn)數(shù)據(jù)庫(kù)(http://nfgis.nsdi.gov.cn)。

2 研究方法

2.1 生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)價(jià)值測(cè)度

Costanza等提出的生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)分類方法以及當(dāng)量表不適于直接用于中國(guó)生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)評(píng)價(jià),可能會(huì)低估或忽視某些類型生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)[9,20]。謝高地等基于700多位生態(tài)學(xué)者的意見,對(duì)中國(guó)生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)分類和當(dāng)量表等進(jìn)行了修正[20]。1個(gè)標(biāo)準(zhǔn)單位生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)價(jià)值當(dāng)量因子定義為1 hm2農(nóng)田每年平均糧食產(chǎn)量的經(jīng)濟(jì)價(jià)值的1/7。其他生態(tài)系統(tǒng)類型生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)價(jià)值當(dāng)量確定依據(jù)該類生態(tài)系統(tǒng)相對(duì)于農(nóng)田生態(tài)系統(tǒng)的重要性。由于土地利用類型不能和生態(tài)系統(tǒng)類型一一對(duì)應(yīng),本研究選擇最接近的土地利用類型進(jìn)行當(dāng)量賦值。本研究參考陳萬(wàn)旭等[29]對(duì)長(zhǎng)江中游地區(qū)的研究結(jié)果,計(jì)算出生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)價(jià)值當(dāng)量因子為2148.35元 hm-2a-1。公式如下：

(1)

(2)

式中,ESV代表生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)價(jià)值；AESV代表地均生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)價(jià)值；LUCi代表i類土地利用類型面積；VCij是第i類土地利用類型j類的生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)當(dāng)量值。m是生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)類型數(shù)量(m=9),n是研究區(qū)土地利用類型的數(shù)量。

2.2 城鎮(zhèn)化水平測(cè)度

城鎮(zhèn)化是一個(gè)復(fù)雜的系統(tǒng),主要包括人口城鎮(zhèn)化子系統(tǒng)、經(jīng)濟(jì)城鎮(zhèn)化子系統(tǒng)、社會(huì)城鎮(zhèn)化子系統(tǒng)和土地城鎮(zhèn)化子系統(tǒng)等四方面,任何一方面的偏頗都將降低城鎮(zhèn)化綜合效益[33-35]。其中人口城鎮(zhèn)化是城鎮(zhèn)化的核心,經(jīng)濟(jì)城鎮(zhèn)化是動(dòng)力,土地城鎮(zhèn)化是保障[33]。人口城鎮(zhèn)化和經(jīng)濟(jì)城鎮(zhèn)化為城鎮(zhèn)化和生活方式的轉(zhuǎn)變奠定基礎(chǔ),社會(huì)城鎮(zhèn)化和土地利城鎮(zhèn)化分別是社會(huì)和空間的表現(xiàn)形式[15, 36]。由于社會(huì)城鎮(zhèn)化社會(huì)經(jīng)濟(jì)數(shù)據(jù)獲取比較困難,本文不與討論。本文選擇人口密度、經(jīng)濟(jì)密度和建設(shè)用地面積比重格網(wǎng)數(shù)據(jù)來(lái)量化人口城鎮(zhèn)化、經(jīng)濟(jì)城鎮(zhèn)化和空間城鎮(zhèn)化。由于這3個(gè)指標(biāo)的高度相關(guān)性,本文采用極差標(biāo)準(zhǔn)化方法對(duì)這3個(gè)指標(biāo)進(jìn)行標(biāo)準(zhǔn)化,然后進(jìn)行等權(quán)重加權(quán)計(jì)算得到城鎮(zhèn)化發(fā)展水平。

2.3 空間自相關(guān)分析

探索性空間數(shù)據(jù)分析方法的核心內(nèi)容是探索某一屬性值是否在空間上表現(xiàn)出分布的聚集性和空間異常等特征,一般通過(guò)全局Moran′sI指數(shù)和局域Moran′sI指數(shù)(LISA)對(duì)空間關(guān)聯(lián)模式(趨同或異質(zhì))進(jìn)行度量和檢驗(yàn),進(jìn)而揭示對(duì)象的空間分布特征[37]。全局空間自相關(guān)用來(lái)驗(yàn)證區(qū)域某種屬性值在整個(gè)區(qū)域空間分布的集聚態(tài)勢(shì),常用Global Moran′sI指數(shù)來(lái)測(cè)度[38]。公式如下：

(3)

本文基于Anselin和Rey[37]提出了基于雙變量的區(qū)域空間自相關(guān)探索城鎮(zhèn)化和生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)價(jià)值之間的空間關(guān)系。雙變量空間自相關(guān)分析所產(chǎn)生的Moran′sI值是用所有相鄰位置的加權(quán)平均值評(píng)估一個(gè)位置變量值與其他變量的相關(guān)程度[38-39]。公式如下：

(4)

2.4 空間回歸分析

以往研究中很少考慮到生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)作為一種公共服務(wù)具有很強(qiáng)的空間溢出效應(yīng)[8, 40],空間生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)空間無(wú)關(guān)聯(lián)性及均質(zhì)性的假設(shè)會(huì)導(dǎo)致研究結(jié)果的不完整和不科學(xué)[41]。本文引入空間經(jīng)濟(jì)計(jì)量模型來(lái)解決生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)價(jià)值和城鎮(zhèn)化之間的復(fù)雜空間相互作用與空間依賴性問題[42-43]。首先采用普通最小二乘法從整體上探測(cè)生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)價(jià)值和城鎮(zhèn)化之間的關(guān)系,而不考慮鄰近區(qū)域的空間影響。然后再采用適用于截面數(shù)據(jù)的空間常系數(shù)回歸模型,包括空間滯后模型、空間誤差模型和加入空間滯后項(xiàng)的空間誤差模型三種空間回歸模型探索地均生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)價(jià)值和城鎮(zhèn)化水平之間的空間關(guān)系[30,44-46]。OLS模型和空間回歸模型均在GeoDa 095i中實(shí)現(xiàn)。

3 結(jié)果與分析

3.1 長(zhǎng)江中游城市群生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)價(jià)值時(shí)空特征

研究表明1995—2015年間長(zhǎng)江中游城市群生態(tài)系統(tǒng)提供的生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)價(jià)值總體呈現(xiàn)降低趨勢(shì),由1995年的13505.82億元降低到2015年的13513.86億元(表1),其中1995—2005年增加了0.40%,2005—2015年降低了0.33%。研究期間耕地提供的生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)價(jià)值不斷降低,研究期間降低了93.14億元；林地和草地提供的生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)價(jià)值同樣呈現(xiàn)持續(xù)降低趨勢(shì),而且降低幅度持續(xù)增加；1995—2000和2000—2005年間林地提供的生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)分別降低了0.20%和0.82%,草地提供的生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)分別降低了2.53%和4.61%。1995—2015年間長(zhǎng)江中游城市群生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)價(jià)值增加的主要原因是水體和濕地提供的生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)價(jià)值的增加。未利用地對(duì)長(zhǎng)江中游城市群生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)價(jià)值貢獻(xiàn)最低。長(zhǎng)江中游城市群生態(tài)系統(tǒng)功能結(jié)構(gòu)中水文調(diào)節(jié)功能占比最大(18%左右),其次是維持生物多樣性功能(14%左右),食物生產(chǎn)功能占比最小(3%以下)(表2)。長(zhǎng)江中游城市群地區(qū)林地比重較大,為水文調(diào)節(jié)提供了可能,另外長(zhǎng)江中游城市群地區(qū)地形復(fù)雜,水體和濕地資源豐富,為生物資源多樣性提供了可能?？焖俚某擎?zhèn)化占用了大量的耕地是食物生產(chǎn)功能降低的主要原因。研究期間其中食物生產(chǎn)功能、原材料生產(chǎn)功能、氣體調(diào)節(jié)功能和保持土壤功能持續(xù)降低,1995—2015年間分別降低了2.90%、1.24%、1.20%和1.68%。提供美學(xué)景觀、廢物處理和水文調(diào)節(jié)功能在研究期間有顯著的增加。

表1 1995年、2005年和2015年長(zhǎng)江中游城市群生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)價(jià)值及其變化

表2 1995年、2005年和2015年長(zhǎng)江中游城市群生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)價(jià)值結(jié)構(gòu)變化

從地均生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)價(jià)值空間分布來(lái)看,地均生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)價(jià)值高值區(qū)主要集中在長(zhǎng)江沿線地區(qū),在鄱陽(yáng)湖和洞庭湖地區(qū)尤為顯著,另外在中部的幕阜山、羅霄山區(qū)以及周邊山區(qū)也是生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)價(jià)值高值區(qū)；低值區(qū)主要分布在江漢平原、洞庭湖平原和鄱陽(yáng)湖平原地區(qū)以及以武漢市、長(zhǎng)沙市、南昌市以及宜昌市等地級(jí)市以及周邊格網(wǎng)。從生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)價(jià)值變化率來(lái)看,主要的交通道路沿線地區(qū)是生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)價(jià)值惡化的主要區(qū)域,另外主要的地級(jí)市以及周邊格網(wǎng)同樣是生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)價(jià)值降低較為顯著的地區(qū)(圖2、圖3)。主要是由于這些區(qū)域是城鎮(zhèn)化水平相對(duì)較高,同時(shí)對(duì)生態(tài)系統(tǒng)的干擾也較為強(qiáng)烈。就不同尺度的生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)價(jià)值變化來(lái)說(shuō),1995—2005和2005—2015年間5 km尺度生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)價(jià)值降低格網(wǎng)數(shù)量比重分別為45.64%和55.62%,10 km尺度生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)價(jià)值降低格網(wǎng)數(shù)量比重分別為44.27%和59.08%?？梢钥闯錾鷳B(tài)系統(tǒng)服務(wù)價(jià)值具有顯著的尺度效應(yīng),另外長(zhǎng)江中游地區(qū)生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)惡化面積在逐漸增加。

圖2 1995年、2005年和2015年5 km尺度地均生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)價(jià)值空間分布特征

圖3 1995年、2005年和2015年10 km尺度地均生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)價(jià)值空間分布特征

3.2 長(zhǎng)江中游城市群城鎮(zhèn)化水平時(shí)空特征分析

總體來(lái)說(shuō),長(zhǎng)江中游城市群地區(qū)山區(qū)城鎮(zhèn)化水平低于平原地區(qū),具體來(lái)說(shuō)城鎮(zhèn)化水平以武漢市、長(zhǎng)沙市、南昌市和宜昌市等地級(jí)市為核心向周邊逐漸減弱。就城鎮(zhèn)化水平的變化而言,1995—2005年和2005—2015年間長(zhǎng)江中游城市群地區(qū)城鎮(zhèn)化水平顯著增加區(qū)域呈現(xiàn)面狀和線狀分布,大城市周邊呈現(xiàn)面狀分布,主要的道路交通沿線地區(qū)呈現(xiàn)線狀分布(圖4、圖5)。對(duì)比不同尺度的城鎮(zhèn)化水平變化來(lái)說(shuō),1995—2005年和2005—2015年間5 km尺度城鎮(zhèn)化水平增加格網(wǎng)面積比重分別為81.76%和97.34%,10 km尺度城鎮(zhèn)化水平增加格網(wǎng)面積比重分別為81.69%和98.69%；同樣可以看出城鎮(zhèn)化水平具有顯著的尺度效應(yīng),長(zhǎng)江中游地區(qū)城鎮(zhèn)化水平增加格網(wǎng)面積總體上在逐漸增加。

圖4 1995年、2005年和2015年5 km尺度城鎮(zhèn)化水平空間分布特征

圖5 1995年、2005年和2015年10 km尺度城鎮(zhèn)化水平空間分布特征

3.3 長(zhǎng)江中游城市群生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)價(jià)值與城鎮(zhèn)化之間的空間相關(guān)性特征

基于GeoDa 095i軟件,測(cè)度了1995年、2005年和2015年間不同格網(wǎng)尺度生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)價(jià)值與城鎮(zhèn)化水平之間的雙變量全局空間自相關(guān)Moran′sI指數(shù)。1995年、2005年和2015年5 km格網(wǎng)尺度生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)價(jià)值與城鎮(zhèn)化水平之間的雙變量全局空間自相關(guān)Moran′sI指數(shù)分別為-0.274、-0.264和-0.275,10 km格網(wǎng)尺度生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)價(jià)值與城鎮(zhèn)化水平之間的雙變量全局空間自相關(guān)Moran′sI指數(shù)分別為-0.293、-0.271和-0.263,而且通過(guò)了0.001水平的顯著性檢驗(yàn)。研究期間城鎮(zhèn)化水平和生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)價(jià)值之間具有顯著的空間負(fù)相關(guān),表明城鎮(zhèn)化的發(fā)展會(huì)導(dǎo)致生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)的惡化。對(duì)比不同格網(wǎng)尺度,1995年和2005年5 km尺度生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)價(jià)值變化和城鎮(zhèn)化水平變化之間全局Moran′sI指數(shù)顯著低于10 km尺度,而2015年則高于10 km尺度。雙變量空間自相關(guān)檢驗(yàn)表明生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)價(jià)值和城鎮(zhèn)化之間具有顯著的空間依賴效應(yīng),研究期間產(chǎn)生了顯著負(fù)向的外部性。主要是由于隨著城鎮(zhèn)化的推進(jìn),期建設(shè)用地迅速擴(kuò)張,對(duì)生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)造成強(qiáng)烈的干擾。空間溢出效應(yīng)的存在主要是由于物質(zhì)流、能量流和信息流在相鄰區(qū)域之間的流動(dòng)而形成。另外自然過(guò)程(例如,大氣循環(huán)、氣溫、降水)和人類活動(dòng)(例如,城鎮(zhèn)化、經(jīng)濟(jì)發(fā)展、人口遷移)同樣會(huì)導(dǎo)致生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)的空間溢出。因此生態(tài)系統(tǒng)的保護(hù)以及治理不能局限于一個(gè)單元,跨區(qū)域以及不同等級(jí)政府部門的協(xié)同治理是生態(tài)系統(tǒng)保護(hù)的有效手段。

圖6和圖7是1995年、2005年和2015年間長(zhǎng)江中游城市群5 km和10 km尺度生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)價(jià)值和城鎮(zhèn)化水平之間的雙變量局部空間自相關(guān)LISA聚集圖。對(duì)比不同時(shí)間點(diǎn)5 km 和10 km 尺度生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)價(jià)值和城鎮(zhèn)化水平之間的雙變量局部空間自相關(guān)LISA 聚集圖(圖6、圖7)可以發(fā)現(xiàn)一些類似的空間特征。研究期間,H-L類型(高地均生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)價(jià)值和低城鎮(zhèn)化水平類型區(qū))和L-H類型(低地均生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)價(jià)值和高城鎮(zhèn)化水平類型區(qū))是主要的關(guān)系類型。其中H-L類型主要分布在周邊山區(qū)以及中部地區(qū)的幕阜山、羅霄山區(qū),而L-H類型主要分布在平原地區(qū)的大城市周邊地區(qū)(例如,武漢市、長(zhǎng)沙市和南昌市)。H-H類型(高地均生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)價(jià)值和高城鎮(zhèn)化水平類型區(qū))和L-L類型(低地均生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)價(jià)值和低城鎮(zhèn)化水平類型區(qū))在長(zhǎng)江中游城市群地區(qū)也有出現(xiàn),但是數(shù)量不多。城鎮(zhèn)化過(guò)程中人口和經(jīng)濟(jì)的集聚必然會(huì)帶來(lái)建設(shè)用地的擴(kuò)張,城市中建設(shè)用地的擴(kuò)張會(huì)帶來(lái)生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)的顯著降低,但是城市中水體、濕地以及綠地可以在很大程度上抵御外界對(duì)生態(tài)系統(tǒng)的干擾,城鎮(zhèn)化和生態(tài)系統(tǒng)保護(hù)的協(xié)調(diào)發(fā)展,可以顯著降低城鎮(zhèn)化對(duì)生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)的干擾。

圖6 1995年、2005年和2015年5 km格網(wǎng)尺度長(zhǎng)江中游城市群地均生態(tài)服務(wù)價(jià)值和城鎮(zhèn)化發(fā)展水平的空間LISA聚類圖

圖7 1995年、2005年和2015年10km格網(wǎng)尺度長(zhǎng)江中游城市群地均生態(tài)服務(wù)價(jià)值和城鎮(zhèn)化發(fā)展水平的空間LISA聚類圖

3.4 長(zhǎng)江中游城市群城鎮(zhèn)化水平對(duì)生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)價(jià)值的影響分析

基于生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)價(jià)值與城鎮(zhèn)化水平之間的雙變量全局空間自相關(guān)性分析可以看出生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)和城鎮(zhèn)化水平之間存在顯著的空間依賴性。為了進(jìn)一步研究二者的關(guān)系,本研究采用了一系列的回歸模型來(lái)研究城鎮(zhèn)化水平對(duì)生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)的影響。首先在不考慮空間相互作用的情況下,進(jìn)行OLS分析。OLS回歸分析結(jié)果表明生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)價(jià)值變化和城鎮(zhèn)化水平變化之間存在顯著的空間依賴性,因此采用OLS回歸模型會(huì)導(dǎo)致得出的結(jié)果不能完整、科學(xué)的解釋兩者之間的關(guān)系。另外加入城鎮(zhèn)化水平平方項(xiàng)的模型表現(xiàn)優(yōu)于不加入平方項(xiàng)的模型,因此加入城鎮(zhèn)化水平的平方項(xiàng)能更好的揭示二者之間的相互作用關(guān)系(表3)。空間回歸結(jié)果表明空間回歸模型顯著地提高了模型解釋能力,本研究應(yīng)該采用空間回歸模型。對(duì)比SEM、SLM和SEMLD三種空間回歸模型,可以發(fā)現(xiàn)SEMLD模型具有更大的Log likelihood值,更小的SC和AIC值,能夠更好地解釋生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)價(jià)值和城鎮(zhèn)化水平之間的空間關(guān)系(表4和表5)。從回歸結(jié)果來(lái)在所有的模型中都可以發(fā)現(xiàn)生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)價(jià)值和城鎮(zhèn)化水平之間存在顯著的負(fù)相關(guān)關(guān)系,都在0.001水平上顯著?？梢钥闯龀擎?zhèn)化水平增加對(duì)生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)價(jià)值具有負(fù)向的影響,即城鎮(zhèn)化水平的增加會(huì)帶來(lái)生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)價(jià)值的降低。用SEMLD模型來(lái)解釋說(shuō)明,1995年、2005年和2015年5 km尺度城鎮(zhèn)化水平每增加1%會(huì)導(dǎo)致生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)價(jià)值降低0.481%、0.351%和0.363%,10 km尺度城鎮(zhèn)化水平每增加1%會(huì)導(dǎo)致生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)價(jià)值降低0.547%、0.475%和0.445%。另外可以發(fā)現(xiàn),本研究中所有的城鎮(zhèn)化平方項(xiàng)都在0.001水平上顯著,表明城鎮(zhèn)化和生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)之間存在U型曲線曲線,也就是說(shuō)在城鎮(zhèn)化的初期,城鎮(zhèn)化的增加會(huì)導(dǎo)致生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)的降低,而在城鎮(zhèn)化水平達(dá)到一定的閾值后,城鎮(zhèn)化的增加會(huì)促進(jìn)生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)的增加。對(duì)比不同格網(wǎng)尺度的回歸系數(shù)可以看出,5 km格網(wǎng)尺度的回歸系數(shù)顯著低于10 km格網(wǎng)尺度回歸系數(shù)。所有的模型中的Spatial lag term都在1%水平上顯著,表明生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)價(jià)值變化不僅受到自身格網(wǎng)要素的影響,而且受到相鄰或者更遠(yuǎn)格網(wǎng)單元的要素的影響。1995年、2005年和2015年5 km格網(wǎng)尺度周邊地區(qū)生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)價(jià)值平均每增加1%會(huì)導(dǎo)致自身格網(wǎng)單元生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)價(jià)值增加1.034%、1.044%和1.033%,10 km尺度周邊地區(qū)生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)價(jià)值平均每增加1%會(huì)導(dǎo)致自身格網(wǎng)單元生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)價(jià)值增加1.030%、1.032%和1.021%。另外,所有模型中Spatial error term同樣在1%水平上顯著,表明生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)價(jià)值變化也受到其他非城鎮(zhèn)化因素(地形、氣候、交通等)的影響。

表3 OLS模型回歸結(jié)果

表4 空間誤差模型和空間滯后模型回歸結(jié)果

表5 SEMLD模型回歸結(jié)果

4 結(jié)論與討論

4.1 結(jié)論

基于長(zhǎng)江中游城市群1995年、2005年和2015年3期土地利用遙感監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù),借助生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)價(jià)值評(píng)估方法、雙變量空間自相關(guān)分析以及空間回歸分析模型等技術(shù)分析手段,分析并揭示了長(zhǎng)江中游城市群地區(qū)生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)價(jià)值和城鎮(zhèn)化之間的空間關(guān)系。研究結(jié)果如下：

(1)研究期間長(zhǎng)江中游城市群地區(qū)生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)價(jià)值從由1995年的13505.82億元降低到2015年的13513.86億元。長(zhǎng)江沿線水域以及中部的幕阜山、羅霄山區(qū)以及周邊山區(qū)是生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)價(jià)值高值區(qū),江漢平原、鄱陽(yáng)湖平原和洞庭湖平原以及主要的地級(jí)市周邊地區(qū)是生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)價(jià)值的低值區(qū)。

(2)研究期間80%以上的格網(wǎng)城鎮(zhèn)化水平在增加,山區(qū)城鎮(zhèn)化水平遠(yuǎn)低于平原地區(qū),城鎮(zhèn)化水平以武漢市、長(zhǎng)沙市、南昌市和宜昌市等地級(jí)市為核心向周邊逐漸擴(kuò)散。

(3)研究期間地均生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)價(jià)值和城鎮(zhèn)化水平之間具有顯著的空間依賴性,總體上來(lái)說(shuō)城鎮(zhèn)化的發(fā)展會(huì)導(dǎo)致生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)的降低。但是城鎮(zhèn)化對(duì)生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)的影響存在閾值,城鎮(zhèn)化達(dá)到閾值之前城鎮(zhèn)化的發(fā)展會(huì)導(dǎo)致生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)的降低,而在城鎮(zhèn)化發(fā)展水平超過(guò)閾值以后,城鎮(zhèn)化的發(fā)展會(huì)促進(jìn)生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)的改善。

(4)空間回歸模型對(duì)城鎮(zhèn)化和生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)之間具有較好的解釋能力,回歸結(jié)果顯示城鎮(zhèn)化水平的增加會(huì)導(dǎo)致生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)價(jià)值的降低,5 km格網(wǎng)尺度的回歸系數(shù)顯著低于10 km格網(wǎng)尺度回歸系數(shù)。

4.2 討論

(1)本研究從5 km和10 km格網(wǎng)尺度來(lái)測(cè)度長(zhǎng)江中游城市群地區(qū)的生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)價(jià)值和城鎮(zhèn)化發(fā)展水平之間的相互作用關(guān)系,打破了以往以行政區(qū)為研究單元的傳統(tǒng)。生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)價(jià)值和城鎮(zhèn)化空間分布特征以及二者之間的空間關(guān)系具有顯著尺度效應(yīng)。

(2)城鎮(zhèn)化過(guò)程伴隨著人口和經(jīng)濟(jì)的集聚以及城市建設(shè)用地的擴(kuò)張，城市建設(shè)用地的擴(kuò)張必然會(huì)導(dǎo)致生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)的降低，但是人口和經(jīng)濟(jì)的集聚不一定會(huì)導(dǎo)致生態(tài)服務(wù)的退化。這主要是由于人口和經(jīng)濟(jì)的集聚不能直接對(duì)生態(tài)服務(wù)產(chǎn)生干擾，而是通過(guò)促進(jìn)建設(shè)用地的擴(kuò)張影響生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)。城市建設(shè)用地?cái)U(kuò)張會(huì)降低生態(tài)服務(wù)，但是城市內(nèi)部水域、濕地和綠地會(huì)在一定程度緩解生態(tài)系統(tǒng)功能的退化。

(3)生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)價(jià)值不僅受到自身格網(wǎng)單元要素的影響,而且受到鄰近格網(wǎng)單元或者是更遠(yuǎn)格網(wǎng)單元要素的影響。因此在未來(lái)土地利用規(guī)劃和生態(tài)系統(tǒng)保護(hù)規(guī)劃過(guò)程中,需要綜合考慮自身網(wǎng)單元要素以及鄰近格網(wǎng)單元或者是更遠(yuǎn)格網(wǎng)單元要素的影響,跨區(qū)域的協(xié)同治理會(huì)提高土地利用規(guī)劃和生態(tài)保護(hù)規(guī)劃的實(shí)施效果。