歐陽曉,朱 翔,賀清云

1 湖南師范大學資源與環(huán)境科學學院,長沙 410081 2 國土資源評價與利用湖南省重點實驗室，長沙 410007 3 湖南師范大學地理空間大數(shù)據(jù)挖掘與應用湖南省重點實驗室,長沙 410081

城市化推動經(jīng)濟、社會、文化等要素全面發(fā)展,同時,城市化和人類活動也逐步改變了生態(tài)系統(tǒng)的結構(如：植被覆蓋、土地利用等)和過程(如：物種減少),使自然生態(tài)系統(tǒng)轉變?yōu)橐匀藶橹鲗Щ蛉伺c自然相耦合的生態(tài)系統(tǒng)[1- 4]。目前,生態(tài)系統(tǒng)正面臨日益加劇的城市化壓力,如何降低城市化對生態(tài)系統(tǒng)服務的影響,實現(xiàn)城市可持續(xù)發(fā)展,已成為世界各地城市規(guī)劃者和決策者關注的熱點問題[5- 7]。

生態(tài)系統(tǒng)服務(Ecosystem Services,ESs)是人類直接或間接從生態(tài)系統(tǒng)中獲得的商品和服務,是連接生態(tài)系統(tǒng)和人類福祉的紐帶[8]。ESs可以分為四大類：供給服務(糧食生產(chǎn)、原材料生產(chǎn)等)、調節(jié)服務(氣候調節(jié)、氣體調節(jié)等)、支持服務(生物多樣性維護、土壤保護等)和文化服務(戶外娛樂、美學景觀等)[9]。由于ESs能夠表征生態(tài)要素和功能,使得ESs成為研究生態(tài)環(huán)境問題的重要指標[10- 11]。隨著生態(tài)系統(tǒng)功能的退化,城市化如何對ESs產(chǎn)生影響成為了生態(tài)學和地理學等學科研究的重要課題[12- 15]。目前,形成了兩大方面的研究成果：(1)利用線性回歸模型表征城市化與ESs之間的關系。Wan等[15]利用曲線回歸研究城市化對ESs的影響,發(fā)現(xiàn)ESs與城市化水平呈現(xiàn)不規(guī)則的倒“U”形,即隨著城市化的推進,ESs先增加后減少；Peng等[14]利用線性回歸研究ESs與三個城市化指標的線性關系,進一步確定了ESs對三個城市化指標的響應閾值。(2)利用空間分析模型解析城市化與ESs空間交互的關系。Li等[12]認為不同程度的城市化與ESs兩者的空間關系存在差異；Su等[16]從地理視角探討了ESs對城市化的響應,研究結果表明它們之間存在非平穩(wěn)依賴關系。現(xiàn)有關于城市化與ESs二者關系的研究,主要集中在區(qū)域尺度上,無法反映局部空間變化。其次,缺乏在局部尺度上的ESs與城市化空間交互規(guī)律和聚類模式研究,將會限制ESs在城市發(fā)展規(guī)劃中的實際適用性。因此,需要構建一種有效的模型來量化ESs與城市化兩者的空間關系,為研究城市化對ESs的影響提供新方法。

長株潭城市群作為湖南省的政治、經(jīng)濟、文化中心,是長江中游城市群的重要組成部分,正處于快速的城市化、工業(yè)化發(fā)展階段,必然導致對ESs的需求大幅增加,對生態(tài)空間和資源環(huán)境的侵占加劇。與其他城市群一樣,長株潭城市群面臨著實現(xiàn)可持續(xù)發(fā)展的挑戰(zhàn),需要平衡城市化和ESs的空間異質性。因此,本文以長株潭城市群為研究對象,選取土地利用、經(jīng)濟社會等數(shù)據(jù)對ESs和城市化進行量化和映射,利用格網(wǎng)分析和空間自相關模型,深入解析ESs和城市化的空間關系,以揭示兩者的空間交互特征和集聚規(guī)律,旨在為城市群的可持續(xù)發(fā)展規(guī)劃提供理論依據(jù)。

1 研究區(qū)概況

2000—2015年期間,長株潭城市群經(jīng)歷了快速的城市化進程,人口數(shù)量增長15.19%,從1237.61萬人增加到1425.60萬人；國內(nèi)生產(chǎn)總值(GDP)增長970.11%,從1172.60億元增加到12548.34億元；建成區(qū)面積增長88.49%,從537.59 km2增加到1013.36 km2。本文以最新的城市群區(qū)域規(guī)劃以及相關城市群城鎮(zhèn)密集區(qū)的研究成果[17- 18]為依據(jù),結合區(qū)域的完整性,選取城市群的都市區(qū)為本文的實證研究區(qū),都市區(qū)包括長沙、株洲、湘潭三市的市區(qū)以及長沙縣、株洲縣、湘潭縣。2015年,該區(qū)域行政區(qū)劃面積為8629 km2,人口數(shù)量為823.68萬人,GDP為9175.78億元,建成區(qū)面積為771.63 km2,是整個城市群中城市化和生態(tài)環(huán)境變化最顯著的區(qū)域,能夠更好地反映城市化對生態(tài)系統(tǒng)服務的影響。同時,根據(jù)最新的空間發(fā)展規(guī)劃以及城市化水平,將該都市區(qū)分為三大功能區(qū)：城市化地區(qū)、正在城市化地區(qū)以及生態(tài)綠心保護區(qū),如圖1。

圖1 研究區(qū)Fig.1 Study area

2 數(shù)據(jù)來源與研究方法

2.1 數(shù)據(jù)來源及處理

本文采用土地利用、經(jīng)濟社會等數(shù)據(jù),基于對數(shù)據(jù)可用性、計算效率、最小單位的異質性等方面考慮,將所有的數(shù)據(jù)分布到公里網(wǎng)格上實現(xiàn)數(shù)據(jù)空間化。數(shù)據(jù)主要包括：(1)土地利用數(shù)據(jù),比例為1∶10000,由湖南省國土資源廳提供。(2)公里網(wǎng)格數(shù)據(jù)集,綜合考慮土地利用、夜間燈光指數(shù)和其他遙感信息后,將人口密度和GDP密度兩項區(qū)域統(tǒng)計數(shù)據(jù)通過插值降尺度到1 km×1 km的網(wǎng)格上。(3)歸一化植被指數(shù)(NDVI),來源于MODIS遙感衛(wèi)星MOD13Q1數(shù)據(jù)集,采用最大值合成法得到的植被指數(shù)數(shù)據(jù)集,分辨率為1 km。(4)凈初級生產(chǎn)力數(shù)據(jù)(NPP),來源于MODIS遙感衛(wèi)星MOD17A3數(shù)據(jù),分辨率為1 km。(5)2016年的《湖南省統(tǒng)計年鑒》、《長株潭城市群統(tǒng)計年鑒》以及長沙市、株洲市、湘潭市的統(tǒng)計年鑒。

2.2 研究方法

2.2.1生態(tài)系統(tǒng)服務價值計算方法

本文采用謝高地等[19]制定的中國生態(tài)系統(tǒng)單位面積的生態(tài)系統(tǒng)服務價值(Ecosystem Service Values,ESV)當量,根據(jù)區(qū)域之間的差異性和湖南省區(qū)域的ESV修正參數(shù)(1.95)[20- 23],制定了長株潭城市群地區(qū)不同地類單位面積的單項生態(tài)系統(tǒng)服務(Individual Ecosystem Service,IESs)價值系數(shù)表(表1),根據(jù)表1對研究區(qū)的ESV進行計算。ESV當量因子的價值量計算公式如下：

(1)

式中：VCk為ESV當量因子的價值量(元 hm-2a-1)；P為全國平均糧食價格(元/kg)；Q為研究區(qū)平均糧食產(chǎn)量(kg/hm2)；n為年份數(shù)。

ESV的計算公式如下：

ESV=∑Ak·VCk

(2)

式中：ESV為生態(tài)系統(tǒng)服務價值；Ak是第k類土地利用類型的面積(hm2)；VCk為ESV當量因子的價值量(元 hm-2a-1)。

從生態(tài)系統(tǒng)服務自身考慮,生境質量對其功能發(fā)揮具有重要作用,植被覆蓋度和凈初級生產(chǎn)力影響相應的生態(tài)系統(tǒng)服務[24]。因此,對ESV進行生境質量修正,公式如下：

(3)

(4)

ESV′=ESV×Hi

(5)

式中：Hi為生境質量系數(shù)；NPPi和fi分別為第i個網(wǎng)格的凈初級生產(chǎn)力和植被覆蓋度,NPPmean和fmean分別為研究區(qū)域內(nèi)凈初級生產(chǎn)力的均值和植被覆蓋度的均值,NDVImax和NDVImin分別為研究區(qū)內(nèi)歸一化植被指數(shù)的最大值和最小值；ESV′為根據(jù)生境質量進行調整后的生態(tài)系統(tǒng)服務價值量。

表1 各地類生態(tài)系統(tǒng)單位面積服務價值系數(shù)/(元 hm-2 a-1)

城市化可以通過人口增長、經(jīng)濟發(fā)展、生活方式改變和城市用地擴張四個方面綜合評價[25]。人口增長和經(jīng)濟發(fā)展是城市化的基礎,生活方式改變和城市用地擴張分別是城市化的社會和空間表現(xiàn)[26]。

由于獲取和空間化社會數(shù)據(jù)困難,本文從人口增長、經(jīng)濟發(fā)展和城市用地擴張三個方面選取指標來表征城市化。其中：人口密度量化人口城市化、GDP密度量化經(jīng)濟城市化、城市用地比例量化土地城市化,由于人口密度、GDP密度、城市用地比例的空間分布高度相似,對每個網(wǎng)格內(nèi)的三個指標進行標準化,將三個標準化后的指標整合為一個綜合指標,即城市化綜合水平(Comprehensive Urbanisation Level,CUL)。標準化公式如下：

(6)

式中：Ui,j為第i個城市化指標在j網(wǎng)格中的的原始值；U′i,j為Ui,j標準化后的值；Ui,min和Ui,max分別表示第i個城市化指標在所有網(wǎng)格中的最小值和最大值。

2.2.2生態(tài)系統(tǒng)服務與城市化的空間相關性分析

利用雙變量Moran′s I描述IESs與城市化之間的空間聚類(空間正相關)和空間離散(空間負相關)。雙變量Moran′s I方法,包括全局的雙變量Moran′s I和局部的雙變量Moran′s I。全局雙變量Moran′s I用于檢驗IESs與城市化之間是否存在空間相關性,以及存在多大程度的相關,而局部雙變量Moran′s I用于檢驗不同網(wǎng)格單元之間是否存在空間相關性[27]。公式如下：

(7)

(8)

3 結果分析

3.1 城市化的空間分布格局

從城市化的空間分布格局(圖2)可以看出,長株潭城市群的城市化水平空間分布區(qū)域差異性明顯。城市化地區(qū)的城市化水平最高,平均CUL為0.49。正在城市化地區(qū)的城市化水平低于城市化城區(qū),平均CUL為0.19。生態(tài)綠心保護區(qū)的城市化水平最低,平均CUL為0.05。GDP密度、人口密度以及城市用地比例三個城市化指標的空間分布與CUL的空間分布非常相似,呈現(xiàn)出從城市化地區(qū)向周邊地區(qū)依次遞減。城市群的城市化水平不均衡主要是由于區(qū)位、生態(tài)環(huán)境以及區(qū)域政策等發(fā)展要素差異化導致。具體而言,過去城市群的城市化地區(qū)城市規(guī)模、投入資本和發(fā)展政策等方面優(yōu)勢明顯,促使各類要素資源向其高度集聚,經(jīng)濟發(fā)展和人口集聚速度快。正在城市化地區(qū)以農(nóng)業(yè)生產(chǎn)為主,自身特色資源未能充分開發(fā)導致城市化水平相對落后,同時,正在城市化地區(qū)相對于城市化地區(qū)來說,在發(fā)展基礎及發(fā)展機遇上處于劣勢。生態(tài)綠心保護區(qū)以生態(tài)保護為主,作為長株潭城市群禁止開發(fā)區(qū),城市化水平最低。

圖2 長株潭城市群城市化的空間格局Fig.2 Spatial patterns of urbanization in CZT urban agglomeration

3.2 生態(tài)系統(tǒng)服務的空間分布格局

從生態(tài)系統(tǒng)服務的空間分布格局(圖3)可以看出,長株潭城市群各單項生態(tài)系統(tǒng)服務的空間分布等級差異明顯。氣體調節(jié)和氣候調節(jié)的服務價值分別為0到2.93×106元和0到2.76×106元,兩者的高服務價值區(qū)域主要集中在長沙縣的北部植被區(qū)、株洲縣的東南部植被區(qū)以及湘潭縣的南部植被區(qū)；水源涵養(yǎng)、廢物處理和娛樂休閑的服務價值分別為0到8.33×106元、0到6.32×106元以及0到2.29×106元,三者的高服務價值區(qū)域主要集中在水域和水域周圍。土壤形成與保護、生物多樣性保護、食物生產(chǎn)以及原材料的服務價值分別為0到2.73×106元、0到3.06×106元、0到0.57×106元以及0到2.02×106元?？傮w而言,生態(tài)系統(tǒng)服務在空間格局方面呈“中心-外圍”分布,且表現(xiàn)出向外遞增的空間分布趨勢,低值的生態(tài)系統(tǒng)服務主要分布在城市化地區(qū),而高值的生態(tài)系統(tǒng)服務主要集中在正在城市化地區(qū)和生態(tài)綠心保護區(qū)。造成這種空間分布格局的主要原因是城市群的城市化發(fā)展是由中心向外圍擴散,且城市化地區(qū)由于城市用地比例高,而本文設定城市用地的生態(tài)系統(tǒng)服務價值為0,因此,城市化地區(qū)形成了生態(tài)系統(tǒng)服務的低值集聚區(qū)。而生態(tài)系統(tǒng)服務的高值集聚區(qū)主要集中分布在正在城市化地區(qū)和生態(tài)綠心保護區(qū)的水域區(qū)域和植被區(qū)域,該區(qū)域城市用地比例低。所以,生態(tài)系統(tǒng)服務的空間分布格局受城市化水平和土地利用類型影響較大。

圖3 長株潭城市群生態(tài)系統(tǒng)服務空間格局Fig.3 Spatial patterns of ecosystem services in CZT urban agglomeration

3.3 城市化與生態(tài)系統(tǒng)服務之間的空間相關性

從全局二元空間自相關分析結果可以看出,IESs與城市化之間存在顯著的空間負相關性(所有的雙變量Moran′s I<0,如圖4),即城市化會導致IESs下降。城市化地區(qū)的城市化與IESs之間的負相關關系最強,由于人口集聚和城市用地擴張推動了土地利用的頻繁變化,城市用地侵占了生態(tài)用地導致IESs明顯的下降。正在城市化地區(qū)的城市化與IESs之間的負相關弱于城市化地區(qū),由于人口、GDP、城市用地等方面的變化主要集中在城市化地區(qū),而導致正在城市化地區(qū)的產(chǎn)業(yè)集聚、城市用地擴張、人口集聚等發(fā)展受到限制,區(qū)域內(nèi)的土地利用變化強度弱于城市化地區(qū),所以IESs下降幅度小于城市化地區(qū)。生態(tài)綠心保護區(qū)的城市化與IESs之間的負相關關系最弱,生態(tài)綠心保護區(qū)作為城市群生態(tài)系統(tǒng)服務功能的主要提供者,受到城市化的影響較小,但由于經(jīng)濟利益的驅動,以及保護區(qū)范圍內(nèi)的鄉(xiāng)鎮(zhèn)對發(fā)展的訴求,導致IESs有所減少。整體而言,IESs與城市化之間的負相關程度隨不同程度的城市化而不同。

從局部二元空間自相關分析結果可以看出,IESs與城市化之間的空間自相關可以分為四種類型(高高集聚區(qū)、高低集聚區(qū)、低高集聚區(qū)、低低集聚區(qū)),并且IESs與城市化之間的相關性在空間分布上有明顯的相似性(如圖5)。(1)高高集聚區(qū)零散分布在城市化地區(qū),該地區(qū)經(jīng)濟得到了良好的發(fā)展,也承擔了保護生態(tài)的重要任務。(2)高低集聚區(qū)分布面積較大,集中在湘潭縣西南部、株洲縣東南部,該地區(qū)具有巨大的生態(tài)優(yōu)勢,森林資源豐富,IESs的價值較高；同時,該區(qū)域城市化程度較低。(3)低高集聚區(qū)呈現(xiàn)塊狀分布,集中在城市化地區(qū),該地區(qū)人口密度和GDP密度較大,城市用地比例高,生態(tài)資源被占用和破壞的現(xiàn)象較為嚴重,導致IESs的價值降低。(4)低低集聚區(qū)零散分布在整個研究區(qū)域,該地區(qū)生態(tài)條件差,城市化程度低。

4討論4.1城市化影響生態(tài)系統(tǒng)服務的典型性

研究發(fā)現(xiàn)不同程度的城市化導致了生態(tài)系統(tǒng)服務表現(xiàn)出空間異質性(如圖3),與生態(tài)系統(tǒng)服務沿城鄉(xiāng)梯度變化相關研究結果一致,表明生態(tài)系統(tǒng)服務(如氣候調節(jié))隨著距離城市地區(qū)的增加而增加[28]。主要是因為城市化的過程是將自然景觀轉化為不透水表面,吸引人口流動進入城市地區(qū)[29],降低了城市化地區(qū)的生態(tài)系統(tǒng)服務價值。城市與城市之間進行環(huán)境要素(如二氧化碳、二氧化硫等)的交換,通過自然過程之間的流動(如大氣運動、水文運動等)傳遞到周邊地區(qū),導致周邊地區(qū)的生態(tài)系統(tǒng)服務發(fā)生變化。同時,在城市化過程中,可能存在其他的因素改變了生態(tài)系統(tǒng)服務,如植被覆蓋率、地形、降水和土壤等因素。例如,在湘江穿過長沙市區(qū)、株洲市區(qū)、湘潭市區(qū)3個市區(qū)中心,沿河岸形成濕地和沙灘,雖然湘江周邊地區(qū)高樓林立,人口密集,城市用地比例高,但由于水域、濕地的覆蓋率高,在生物多樣性保護和人類戶外游憩方面仍具有很高的價值。

圖4 單項生態(tài)系統(tǒng)服務與城市化之間的Moran′s I散點圖Fig.4 Moran′s I scatter plot between IESs and comprehensive urbanization level

圖5 單項生態(tài)系統(tǒng)服務與城市化之間的LISA圖Fig.5 LISA cluster maps between IESs and comprehensive urbanization level

4.2 生態(tài)系統(tǒng)服務與城市化的空間關系對城市規(guī)劃的啟示

研究確定了生態(tài)系統(tǒng)服務與城市化之間存在四種空間自相關類型,高高集聚區(qū)具有較高的生態(tài)系統(tǒng)服務,應該考慮將高高集聚區(qū)劃分為“生態(tài)功能區(qū)”,通過完善綠色基礎設施和加強城市現(xiàn)代化功能,繼續(xù)保持城市化發(fā)展與生態(tài)系統(tǒng)服務的平衡；高低集聚區(qū)作為生態(tài)優(yōu)勢地區(qū),可以被認為是區(qū)域“生態(tài)保護區(qū)”,應當促進該區(qū)域的合理規(guī)劃(減少城市用地面積,提高用地效率,發(fā)展不依賴自然資源的新產(chǎn)業(yè)),增加區(qū)域生態(tài)系統(tǒng)服務功能,提高生態(tài)環(huán)境質量；低高集聚區(qū)應該嚴格控制城市用地規(guī)模,創(chuàng)造綠色空間,降低建筑強度,提高土地集約利用水平,避免原有生態(tài)系統(tǒng)的破壞和城市用地的擴張；低低集聚區(qū)應考慮更多的生態(tài)修復項目(如造林和土地復墾),在保證區(qū)域生態(tài)環(huán)境安全的前提下,加大對土地整理和生態(tài)農(nóng)業(yè)建設的投入。因此,在今后的城市規(guī)劃中城市群應該加強區(qū)域協(xié)調發(fā)展,進一步挖掘不同區(qū)域自身優(yōu)勢,在區(qū)域內(nèi)采取差異化的城市規(guī)劃措施。具體而言,城市化地區(qū)應該提升區(qū)域創(chuàng)新能力,升級產(chǎn)業(yè)結構,以生態(tài)城市、智慧城市為建設目標,逐步增強對正在城市化地區(qū)的輻射帶動作用。正在城市化地區(qū)應根據(jù)資源環(huán)境承載力,發(fā)展特色農(nóng)業(yè)及旅游業(yè)、現(xiàn)代化服務業(yè)等第三產(chǎn)業(yè),逐步提升城市化水平。生態(tài)綠心保護地區(qū)應該以生態(tài)保護為主,更好地發(fā)揮生態(tài)系統(tǒng)服務功能。

5 結論

本文基于土地利用、經(jīng)濟社會等數(shù)據(jù),利用格網(wǎng)分析和空間自相關模型,分析了長株潭城市群城市化和生態(tài)系統(tǒng)服務的空間分布格局特征,并在此基礎上深入解析生態(tài)系統(tǒng)服務和城市化的空間交互特征和集聚規(guī)律,得到以下結論：

(1)由于區(qū)位、生態(tài)環(huán)境以及區(qū)域政策等發(fā)展要素的差異化影響,長株潭城市群的城市化水平空間分布區(qū)域差異性顯著。在空間格局方面表現(xiàn)出從城市化地區(qū)向周邊地區(qū)依次遞減,城市化地區(qū)的城市化水平最高,正在城市化地區(qū)城市化水平低于城市化地區(qū),而生態(tài)綠心保護區(qū)的城市化水平最低。

(2)生態(tài)系統(tǒng)服務受城市化水平和土地利用等影響空間分布具有明顯的差異性。在空間格局方面呈“中心-外圍”分布,且表現(xiàn)出向外遞增的空間分布趨勢,低值的生態(tài)系統(tǒng)服務主要分布在城市化地區(qū),而高值的生態(tài)系統(tǒng)服務主要集中在正在城市化地區(qū)和生態(tài)綠心保護區(qū)。

(3)生態(tài)系統(tǒng)服務與城市化之間存在顯著的空間負相關性。由于驅動機制的不同,城市化地區(qū)、正在城市化地區(qū)和生態(tài)綠心保護區(qū)對生態(tài)系統(tǒng)服務的影響存在顯著差異。生態(tài)系統(tǒng)服務下降最快的發(fā)生在城市化地區(qū),其次為正在城市化地區(qū),而生態(tài)綠心保護區(qū)的下降幅度最小。

(4)生態(tài)系統(tǒng)服務與城市化之間局部集聚類型有明顯的相似性。高高集聚區(qū)零散分布在城市化地區(qū),面積較?。桓叩图蹍^(qū)分布在湘潭縣西南部、株洲縣東南部,面積較大；低高集聚區(qū)分布集中在城市化地區(qū),呈現(xiàn)塊狀分布,面積較大；低低集聚區(qū)零散分布在整個研究區(qū)域,面積較小。

本文基于網(wǎng)格對生態(tài)系統(tǒng)服務和城市化進行評估,并對兩者的空間關系進行分析,得到高分辨率的空間結果。然而,該方法仍然存在一些局限性。單一尺度分析可能會遺漏或扭曲生態(tài)系統(tǒng)服務與城市化之間的真實交互作用,而更精細或更大空間網(wǎng)格內(nèi)指標的變化仍然是未知的。因此,在未來的研究中,需要使用多個尺度的網(wǎng)格來獲得更可靠和全面的結果。