陳萬(wàn)旭，卞嬌嬌，鐘明星，曾 杰,*，梁加樂(lè)，曾源源

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 北京師范大學(xué)地表過(guò)程與資源生態(tài)國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，北京 100875 3 信陽(yáng)師范學(xué)院旅游學(xué)院，信陽(yáng) 464000 4 中國(guó)地質(zhì)大學(xué)(武漢)公共管理學(xué)院，武漢 430074 5 廣東省城鄉(xiāng)規(guī)劃設(shè)計(jì)研究院有限責(zé)任公司，廣州 510290

城市群地區(qū)交通網(wǎng)絡(luò)的逐步完善,在國(guó)土開(kāi)發(fā)環(huán)境的營(yíng)造、國(guó)土開(kāi)發(fā)結(jié)構(gòu)的構(gòu)建和功效空間體系的優(yōu)化等方面發(fā)揮了重大作用[1],同時(shí)也對(duì)生態(tài)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)和功能以及生態(tài)系統(tǒng)健康狀況產(chǎn)生了嚴(yán)重干擾[2—3],嚴(yán)重威脅了城市群的可持續(xù)發(fā)展[4—5]。深入貫徹“五位一體”總體布局和新發(fā)展理念,堅(jiān)持“尊重自然、順應(yīng)自然、保護(hù)自然”的發(fā)展方式是當(dāng)前發(fā)展的重中之重。如何推進(jìn)城市群的高質(zhì)量發(fā)展,緩解城市群發(fā)展對(duì)生態(tài)系統(tǒng)健康的干擾和損害,成為當(dāng)前城市群發(fā)展過(guò)程中迫切需要回答和解決的問(wèn)題?？茖W(xué)揭示城市群地區(qū)交通通達(dá)水平與生態(tài)系統(tǒng)健康之間的空間關(guān)系,厘清交通通達(dá)度對(duì)生態(tài)系統(tǒng)健康影響機(jī)理是解決這一難題的有效方法和途徑。

生態(tài)系統(tǒng)健康是指在一定時(shí)空范圍內(nèi),不同類型生態(tài)系統(tǒng)空間鑲嵌而成的地域綜合體在維持各生態(tài)系統(tǒng)自身健康的前提下,提供豐富的生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)的穩(wěn)定性和可持續(xù)性[6]?？梢钥闯錾鷳B(tài)系統(tǒng)健康主要包括兩個(gè)方面含義：生態(tài)系統(tǒng)自身健康和生態(tài)系統(tǒng)對(duì)于評(píng)價(jià)者而言是否健康,也就是生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)能否滿足人類需要,這是人類關(guān)注生態(tài)系統(tǒng)健康的實(shí)質(zhì)[7]。健康的生態(tài)系統(tǒng)除了強(qiáng)調(diào)生態(tài)系統(tǒng)自身健康以外,持續(xù)為人類提供豐富的生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)的能力也是生態(tài)系統(tǒng)健康評(píng)價(jià)的重要方面[7]。生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)是生態(tài)系統(tǒng)健康評(píng)估的核心,可以很好地連接自然環(huán)境和人類福祉[8]。關(guān)注人類福祉是生態(tài)系統(tǒng)健康新的研究指向,生態(tài)系統(tǒng)健康評(píng)估過(guò)程中納入生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)是明晰生態(tài)系統(tǒng)與人類福祉之間內(nèi)在綜合關(guān)聯(lián)的有效途徑[9—10]。當(dāng)前生態(tài)系統(tǒng)健康評(píng)估更加重視研究具體的生態(tài)過(guò)程,并側(cè)重關(guān)注生態(tài)格局或過(guò)程造成的人類健康問(wèn)題[11]。而基于InVEST模型的生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)評(píng)估可以很好地反映生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)結(jié)構(gòu)功能和生態(tài)過(guò)程,實(shí)現(xiàn)生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)定量評(píng)估的空間化和動(dòng)態(tài)化[10,12]。但是,如何把基于InVEST模型的生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)與傳統(tǒng)的“生態(tài)系統(tǒng)活力-生態(tài)系統(tǒng)組織力-生態(tài)系統(tǒng)彈性”邏輯關(guān)系有機(jī)銜接需要進(jìn)一步探索。

交通基礎(chǔ)設(shè)施的完善是城市群一體化、連通性以及網(wǎng)絡(luò)互動(dòng)關(guān)系等方面的重要紐帶和通道,可以有效促進(jìn)城市擴(kuò)張、經(jīng)濟(jì)發(fā)展、人口流通和人口集聚,以及重塑區(qū)域城鎮(zhèn)化、產(chǎn)業(yè)結(jié)構(gòu)、經(jīng)濟(jì)發(fā)展格局以及生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)供需格局[13—18]。當(dāng)前,交通系統(tǒng)對(duì)生態(tài)環(huán)境影響的研究主要集中在對(duì)生物多樣性[19—21]、局部理化環(huán)境[20,22—23]、自然景觀格局[24—26]的影響等方面,但是以往研究?jī)H在宏觀尺度上探索了交通系統(tǒng)影響下的生物多樣性變化特征、自然景觀格局演變規(guī)律,缺乏探索滿足人類可持續(xù)發(fā)展需要的交通系統(tǒng)與生態(tài)系統(tǒng)健康的協(xié)調(diào)發(fā)展。本研究探索城市群地區(qū)交通通達(dá)度對(duì)生態(tài)系統(tǒng)健康的影響機(jī)理,可為解決區(qū)域發(fā)展過(guò)程中人類所必需的生態(tài)系統(tǒng)與交通系統(tǒng)發(fā)展不匹配問(wèn)題提供思路。科學(xué)探索城市群地區(qū)交通通達(dá)度對(duì)生態(tài)系統(tǒng)健康影響特征以及規(guī)律是揭示人地關(guān)系協(xié)同發(fā)展的一個(gè)重要切入點(diǎn)[27]。由于地理過(guò)程的復(fù)雜性,生態(tài)系統(tǒng)健康和驅(qū)動(dòng)因子通常都存在顯著的空間依賴性和空間異質(zhì)性,傳統(tǒng)的統(tǒng)計(jì)分析方法無(wú)法量化驅(qū)動(dòng)因子之間的空間相互作用及其對(duì)生態(tài)系統(tǒng)健康的綜合影響[28]。一個(gè)單元內(nèi)生態(tài)系統(tǒng)健康水平不僅受到本單元生態(tài)系統(tǒng)健康水平的影響而且受到相鄰單元或更遠(yuǎn)單元的生態(tài)系統(tǒng)健康水平以及其他因素的影響[13,29—30]。綜合考慮空間依賴性和空間異質(zhì)性才能更好地解釋交通通達(dá)度對(duì)生態(tài)系統(tǒng)健康的影響機(jī)理。這就需要借助空間回歸模型來(lái)深入剖析和解釋交通通達(dá)度和生態(tài)系統(tǒng)健康之間的相互作用機(jī)理。此外,當(dāng)前中國(guó)城鎮(zhèn)化正進(jìn)入以城市群為主體形態(tài)的加速發(fā)展階段[31],城市群地區(qū)是人地關(guān)系作用最強(qiáng)烈、矛盾最突出、可持續(xù)發(fā)展風(fēng)險(xiǎn)與挑戰(zhàn)最為嚴(yán)峻的典型區(qū)域[32]。系統(tǒng)分析城市群地區(qū)交通通達(dá)度對(duì)生態(tài)系統(tǒng)健康的影響,厘清交通通達(dá)度對(duì)生態(tài)系統(tǒng)健康驅(qū)動(dòng)機(jī)理,有助于提出區(qū)域生態(tài)系統(tǒng)健康保護(hù)的宏觀調(diào)控策略以及局部差異化管控措施。

綜上所述,以往學(xué)者采用多種方法對(duì)生態(tài)系統(tǒng)健康評(píng)估以及驅(qū)動(dòng)機(jī)理分析進(jìn)行了多尺度大量實(shí)證研究,并且在研究理論、方法和內(nèi)容方面取得了階段性成果。為生態(tài)系統(tǒng)健康評(píng)估以及驅(qū)動(dòng)機(jī)理探索提供了豐富的方法、尺度、內(nèi)容和范式參考。但是在交通通達(dá)度對(duì)生態(tài)系統(tǒng)健康驅(qū)動(dòng)機(jī)理研究?jī)?nèi)容方面仍存在薄弱環(huán)節(jié)。另外,以城市群為研究對(duì)象,探索交通通達(dá)度對(duì)生態(tài)系統(tǒng)健康的影響機(jī)理研究較為少見(jiàn),難以對(duì)城市群地區(qū)交通建設(shè)和生態(tài)系統(tǒng)保護(hù)政策制定提供科學(xué)精準(zhǔn)化指導(dǎo)。鑒于此,本研究基于多源數(shù)據(jù)測(cè)度了1995—2015年長(zhǎng)江中游城市群生態(tài)系統(tǒng)健康和交通通達(dá)度時(shí)空分布特征,結(jié)合空間回歸模型綜合分析了交通通達(dá)度對(duì)生態(tài)系統(tǒng)健康的影響機(jī)理,以期待為長(zhǎng)江中游城市群生態(tài)系統(tǒng)保護(hù)的宏觀調(diào)控策略和差異化管控措施提供科學(xué)參考。

1 研究區(qū)概況與數(shù)據(jù)來(lái)源

1.1 研究區(qū)概況

長(zhǎng)江中游城市群位于長(zhǎng)江三角洲城市群、珠江三角洲城市群、京津冀城市群和成渝城市群等國(guó)家城市群的中心位置,是國(guó)家批復(fù)的首個(gè)跨區(qū)域城市群(圖1)。長(zhǎng)江中游城市群地處“長(zhǎng)江之腰”,在“長(zhǎng)江經(jīng)濟(jì)帶”戰(zhàn)略中占據(jù)著重要的地位,在長(zhǎng)江經(jīng)濟(jì)帶生態(tài)文明建設(shè)和綠色發(fā)展進(jìn)程中具有重要地位。長(zhǎng)江中游城市群以平原為主,鄱陽(yáng)湖平原、江漢平原和洞庭湖平原分布其間。長(zhǎng)江中游城市群交通便利,是全國(guó)重要的交通樞紐,基本形成了集水、陸、空于一體的立體化現(xiàn)代交通網(wǎng)絡(luò)。其中京廣線、京九線、浙贛線、湘黔線、焦柳線以及密集的高速和國(guó)道等構(gòu)成了四通八達(dá)的陸路運(yùn)輸,航空網(wǎng)絡(luò)連接國(guó)內(nèi)外主要城市,長(zhǎng)江及其支流組成了縱橫交錯(cuò)水路運(yùn)輸網(wǎng)絡(luò)。因此,系統(tǒng)研究長(zhǎng)江中游城市群地區(qū)交通通達(dá)度對(duì)生態(tài)系統(tǒng)健康狀況的驅(qū)動(dòng)機(jī)理對(duì)城市群地區(qū)的可持續(xù)發(fā)展具有重要理論和實(shí)踐意義。

圖1 長(zhǎng)江中游城市群區(qū)位圖

1.2 數(shù)據(jù)來(lái)源

本研究涉及的自然地理數(shù)據(jù)包括土地利用、交通、DEM高程、氣象、土壤和植被覆蓋數(shù)據(jù)；社會(huì)經(jīng)濟(jì)數(shù)據(jù)包括糧食產(chǎn)量、中國(guó)人口空間分布公里網(wǎng)格數(shù)據(jù)集。其中30 m× 30 m分辨率土地利用/覆被變化數(shù)據(jù)、1 km分辨率年平均氣溫和植被覆蓋指數(shù)以及中國(guó)人口空間分布公里網(wǎng)格數(shù)據(jù)集均來(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)。DEM高程數(shù)據(jù)來(lái)源于中國(guó)科學(xué)院計(jì)算機(jī)網(wǎng)絡(luò)信息中心地理空間數(shù)據(jù)云系統(tǒng)(http://www.gscloud.cn)。年均潛在蒸散量來(lái)源于全球干旱和潛在蒸散數(shù)據(jù)庫(kù)(http://www.cgiar-csi.org/data/global-aridity-and-pet-database)。土壤數(shù)據(jù)源于“黑河計(jì)劃數(shù)據(jù)管理中心”(http://westdc.westgis.ac.cn)。2015年交通數(shù)據(jù)源于國(guó)家基礎(chǔ)地理信息中心(http://ngcc.sbsm.gov.cn/),1995年和2005年交通數(shù)據(jù)通過(guò)最新版交通圖矢量化獲取。社會(huì)經(jīng)濟(jì)數(shù)據(jù)來(lái)源于1996、2006、2016年湖北省、湖南省和江西省統(tǒng)計(jì)年鑒。

2 研究方法

2.1 生態(tài)系統(tǒng)健康評(píng)估

以往的研究從不同的角度定義了生態(tài)系統(tǒng)健康[33—34],生態(tài)系統(tǒng)健康評(píng)價(jià)沒(méi)有統(tǒng)一的標(biāo)準(zhǔn),這在很大程度上是由于生態(tài)系統(tǒng)健康評(píng)價(jià)涉及眾多因素[35]。本研究對(duì)Costanza 等[35]提出的生態(tài)系健康評(píng)估框架“生態(tài)系統(tǒng)活力-生態(tài)系統(tǒng)組織力-生態(tài)系統(tǒng)彈性”評(píng)估框架進(jìn)行了豐富和拓展,創(chuàng)新地把基于InVEST模型測(cè)度的生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)納入了生態(tài)系統(tǒng)健康評(píng)估理論框架,構(gòu)建了基于“生態(tài)系統(tǒng)活力-生態(tài)系統(tǒng)組織力-生態(tài)系統(tǒng)彈性-生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)”的生態(tài)系統(tǒng)健康評(píng)估框架體系[36]。本研究中生態(tài)系統(tǒng)健康主要通過(guò)兩個(gè)方面進(jìn)行評(píng)估：生態(tài)系統(tǒng)自然健康和綜合生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)指數(shù)(公式1)。其中生態(tài)系統(tǒng)自然健康包括生態(tài)系統(tǒng)活力、生態(tài)系統(tǒng)組織力和生態(tài)系統(tǒng)彈性(公式2)。具體計(jì)算過(guò)程參考陳萬(wàn)旭等[36]。計(jì)算公式如下：

(1)

(2)

式中,EHIit是第i個(gè)單元t時(shí)刻的生態(tài)系統(tǒng)健康指數(shù)；PHit是第i個(gè)單元t時(shí)刻的生態(tài)系統(tǒng)自然健康指數(shù)；CESIit是第i個(gè)單元t時(shí)刻的綜合生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)指數(shù)；Vit、Oit和Rit分別是第i個(gè)單元t時(shí)刻的生態(tài)系統(tǒng)活力、生態(tài)系統(tǒng)組織力和生態(tài)系統(tǒng)彈性。

其中生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)包括基于InVEST模型測(cè)度長(zhǎng)江中游城市群地區(qū)的糧食生產(chǎn)力[29]、產(chǎn)水量[37]、碳儲(chǔ)存[38]、土壤保持[39]、水凈化[37]、生物多樣性[40]和文化服務(wù)供給能力[13]等方面生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)供給能力。不同的生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)側(cè)重于衡量生態(tài)系統(tǒng)供給能力的不同方面,為了測(cè)度綜合生態(tài)系統(tǒng)服務(wù),本研究采用極差法進(jìn)行標(biāo)準(zhǔn)化。基于標(biāo)準(zhǔn)化后的生態(tài)系統(tǒng)服務(wù),采用層次分析方法進(jìn)行權(quán)重賦值[41],然后采用綜合得分法計(jì)算綜合生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)指數(shù),具體計(jì)算公式參考陳萬(wàn)旭等[42]。生態(tài)系統(tǒng)自然健康通常通過(guò)生態(tài)系統(tǒng)活力、生態(tài)系統(tǒng)組織力和生態(tài)系統(tǒng)彈性來(lái)表征。具體地,依據(jù)《生態(tài)環(huán)境狀況評(píng)價(jià)技術(shù)規(guī)范》(HJ 192—2015),通過(guò)計(jì)算不同土地利用類別的比例來(lái)計(jì)算植被覆蓋度指數(shù)來(lái)反映生態(tài)系統(tǒng)的活力,具體計(jì)算公式參考Meng等[43]。生態(tài)系統(tǒng)組織力主要通過(guò)與景觀空間異質(zhì)性和景觀連通性相關(guān)的景觀格局指數(shù)來(lái)表征[2]。參考以往研究,本研究擬選擇Shannon多樣性指數(shù)(SHDI)和面積加權(quán)平均斑塊分形指數(shù)(AWMPFD)來(lái)表征景觀空間異質(zhì)性特征[2,44]。Shannon多樣性指數(shù)(SHDI)越大,景觀多樣性指數(shù)越大,景觀異質(zhì)性越大；面積加權(quán)平均斑塊分形指數(shù)(AWMPFD)越大,斑塊形狀越復(fù)雜,景觀異質(zhì)性也越大。另外區(qū)域的景觀連通性通常由整個(gè)景觀和主要生境的連通性共同決定,景觀蔓延度指數(shù)(CONTAG)和景觀聚合度指數(shù)(COHESION)可以用來(lái)表征景觀中優(yōu)勢(shì)斑塊的連通性程度和斑塊的聚集程度。本研究具體地通過(guò)景觀破碎化指數(shù)(FN)和景觀蔓延度指數(shù)(CONTAG)來(lái)表征整個(gè)景觀的連通性,通過(guò)主要生境(林地、水域、濕地)的破碎化指數(shù)和景觀聚合度指數(shù)(COHESION)來(lái)表征生境連通性。最后基于專家打分法對(duì)不同景觀格局指數(shù)進(jìn)行權(quán)重賦值,計(jì)算得出區(qū)域生態(tài)系統(tǒng)組織力水平,具體計(jì)算公式參考?xì)W維新等[2]和Peng等[44]。生態(tài)系統(tǒng)彈性測(cè)度是基于專家知識(shí)以及以往研究,對(duì)不同土地利用類型進(jìn)行彈性系數(shù)賦值,最后基于土地利用類型面積加權(quán)法,計(jì)算得出區(qū)域生態(tài)系統(tǒng)彈性指數(shù),具體計(jì)算公式參考Peng等和Zheng等[44—45]。

2.2 交通通達(dá)度測(cè)度

為了表征長(zhǎng)江中游城市群交通通達(dá)度,本研究參考封志明等[46]構(gòu)建的交通通達(dá)度計(jì)算模型,結(jié)合鐵路、公路、國(guó)道、河流、主樞紐港、一般港口、干線機(jī)場(chǎng)和一般機(jī)場(chǎng)等道路數(shù)據(jù),從交通密度(MD)和交通便捷度(BD)兩個(gè)方面來(lái)測(cè)度長(zhǎng)江中游城市群的交通通達(dá)度(TA)[14]。其中交通密度從公路密度(RM)、鐵路密度(TM)以及通航河流密度(HLM)三個(gè)方面來(lái)測(cè)度,用來(lái)表征自身交通設(shè)施保障程度；交通便捷度從離公路距離(RL)、離鐵路距離(TL)、離城市中心距離(UL)、離機(jī)場(chǎng)距離(AL)和離碼頭距離(WL)五個(gè)方面來(lái)測(cè)度,用來(lái)表征與外界交流聯(lián)系的便利程度。各分項(xiàng)指標(biāo)采用分級(jí)賦值的方法,具體等級(jí)劃分和臨界值參考曾源源等[14]。公式如下：

(3)

(4)

(5)

2.3 空間回歸分析

為了探索交通通達(dá)度對(duì)生態(tài)系統(tǒng)健康的影響,本研究首先采用雙變量空間自相關(guān)模型檢驗(yàn)交通通達(dá)度和生態(tài)系統(tǒng)健康之間的空間關(guān)系[47]。并且采用一系列空間回歸模型來(lái)探索交通通達(dá)度對(duì)生態(tài)系統(tǒng)健康的影響機(jī)理。其中普通最小二乘法(OLS)、空間滯后模型(SLM)、空間誤差模型(SEM)以及加入空間滯后項(xiàng)的空間誤差模型(SEMLD)用來(lái)從全局的角度來(lái)探測(cè)交通通達(dá)度對(duì)生態(tài)系統(tǒng)健康的影響；地理加權(quán)回歸模型則用來(lái)探測(cè)交通通達(dá)度對(duì)生態(tài)系統(tǒng)健康影響的局部特征[28,47—48]。標(biāo)準(zhǔn)的線性回歸模型假設(shè)模型隨機(jī)誤差項(xiàng)是獨(dú)立且呈正態(tài)分布,可以通過(guò)模型診斷判斷是否滿足模型假設(shè),OLS模型綜合考慮自變量對(duì)因變量的重要性,不考慮鄰域單元的影響。SLM模型假設(shè)空間自相關(guān)發(fā)生在因變量中,強(qiáng)調(diào)鄰域效應(yīng),并考慮地理單位之間因變量的空間擴(kuò)散現(xiàn)象。SEM模型假設(shè)空間依賴性存在于擾動(dòng)誤差項(xiàng)之中,度量相鄰地理單元因變量的誤差沖擊對(duì)本地區(qū)觀察值的影響程度。空間滯后模型和空間誤差模型過(guò)于簡(jiǎn)單化,可能會(huì)排除其他可能的空間自相關(guān)機(jī)理,如同時(shí)存在空間滯后和誤差自相關(guān)。SEMLD模型包括空間滯后模型和空間誤差模型,是通過(guò)增加空間滯后因變量而增強(qiáng)的空間自回歸模型。以上模型從全局的視角揭示了交通通達(dá)度對(duì)生態(tài)系統(tǒng)健康的影響,但是如果交通通達(dá)度對(duì)生態(tài)系統(tǒng)健康的影響在局部表現(xiàn)出顯著的空間異質(zhì)性,分析結(jié)果則是有偏差的。在這種情況下應(yīng)該將數(shù)據(jù)集劃分為更多的亞區(qū)域以揭示更多空間異質(zhì)性信息。GWR模型可以用來(lái)解決這一問(wèn)題,GWR模型是線性回歸的一種局部形式,用于對(duì)空間變化關(guān)系進(jìn)行建模。本研究使用GWR模型來(lái)測(cè)度交通通達(dá)度對(duì)生態(tài)系統(tǒng)健康影響的空間異質(zhì)性特征,揭示隱藏在全局回歸中的局部特征。

本研究中解釋變量是交通通達(dá)度,被解釋變量是生態(tài)系統(tǒng)健康,控制變量包括土地利用程度、林地面積比重、年均降雨量、平均海拔和人口密度。土地利用程度和林地面積比重用來(lái)表征土地利用活動(dòng)對(duì)生態(tài)系統(tǒng)健康產(chǎn)生的壓力,其中土地利用程度計(jì)算方法借鑒劉紀(jì)遠(yuǎn)等提出的計(jì)算方法進(jìn)行計(jì)算[49]。平均海拔和年均降雨量分別用來(lái)表征地形和氣候因子對(duì)生態(tài)系統(tǒng)健康的影響,通過(guò)填洼處理后的DEM在ArcGIS 10.3中使用Zonal Statistic 工具提取[50]。人口密度用來(lái)表征人類活動(dòng)強(qiáng)度對(duì)生態(tài)系統(tǒng)健康的干擾程度,人口密度通過(guò)ArcGIS 10.3的ArcToolbox/Spatial Analyst Tools/Zonal/Zonal Statistics工具提取[13,51]。通過(guò)ArcGIS 10.3的Join功能將上述分析得到的Excel數(shù)據(jù)導(dǎo)入本研究中2670個(gè)鄉(xiāng)鎮(zhèn)研究單元,實(shí)現(xiàn)解釋變量、被解釋變量以及控制變量的定量化和空間化。

3 結(jié)果與分析

3.1 1995—2015年長(zhǎng)江中游城市群生態(tài)系統(tǒng)健康水平時(shí)空分布特征

1995年、2005年和2015年長(zhǎng)江中游城市群生態(tài)系統(tǒng)健康水平的均值分別為0.526、0.521和0.520,總體上有所降低。在空間分布方面,可以發(fā)現(xiàn)長(zhǎng)江中游城市群的生態(tài)系統(tǒng)健康水平具有顯著的空間異質(zhì)性(圖2)。山區(qū)生態(tài)系統(tǒng)健康水平顯著低于平原地區(qū)。具體地,江漢平原和洞庭湖平原地區(qū)生態(tài)系統(tǒng)健康指數(shù)多低于0.35,特別是武漢、長(zhǎng)沙、南昌周邊的生態(tài)系統(tǒng)健康指數(shù)顯著低于0.35。周邊山區(qū)生態(tài)健康指數(shù)多在0.65以上。主要交通干線沿線生態(tài)系統(tǒng)健康指數(shù)也相對(duì)較低?？梢缘贸鼋Y(jié)論,地形條件、交通通達(dá)狀況、位置條件與生態(tài)系統(tǒng)健康是密切相關(guān)的。

圖2 長(zhǎng)江中游城市群生態(tài)系統(tǒng)健康指數(shù)時(shí)空分布

3.2 1995—2015年長(zhǎng)江中游城市群交通通達(dá)度時(shí)空分布特征

研究期間長(zhǎng)江中游城市群的交通通達(dá)度呈現(xiàn)出明顯上升的趨勢(shì),由1995年稀疏的交通網(wǎng)絡(luò)逐漸形成2015年縱橫交錯(cuò)的交通網(wǎng)絡(luò)。交通通達(dá)水平較高的鄉(xiāng)鎮(zhèn)主要分布在長(zhǎng)江中游城市群的核心區(qū),特別是宜昌、武漢、長(zhǎng)沙、南昌周邊的鄉(xiāng)鎮(zhèn),呈現(xiàn)出從中心向外圍遞減的趨勢(shì),主要道路沿線的鄉(xiāng)鎮(zhèn)交通通達(dá)水平相對(duì)較高(圖3)?？傮w而言,江漢平原、洞庭湖平原和鄱陽(yáng)湖平原交通通達(dá)水平明顯高于周邊山區(qū)以及江西省與湖南省之間的羅霄山脈。長(zhǎng)江中游城市群交通通達(dá)水平較高單元總體呈現(xiàn)出“點(diǎn)-線-面”的空間分布特征。具體地,主要地級(jí)市周邊高水平交通通達(dá)度的鄉(xiāng)鎮(zhèn)呈現(xiàn)“點(diǎn)”狀分布,沿主要交通路線高水平交通通達(dá)度鄉(xiāng)鎮(zhèn)呈現(xiàn)“線”狀分布,四個(gè)小城市群的高水平交通通達(dá)度鄉(xiāng)鎮(zhèn)呈現(xiàn)“面”狀分布。在“長(zhǎng)江經(jīng)濟(jì)帶戰(zhàn)略”、“中部崛起計(jì)劃”、“中部三角”戰(zhàn)略的帶動(dòng)下,長(zhǎng)江中游城市群交通通達(dá)水平明顯增加,促使長(zhǎng)江中游城市群地區(qū)生態(tài)系統(tǒng)健康狀況發(fā)生了深刻變化。

圖3 長(zhǎng)江中游城市群交通通達(dá)度時(shí)空分布特征

3.3 1995—2015年長(zhǎng)江中游城市群生態(tài)系統(tǒng)健康和交通通達(dá)度空間關(guān)系分析

1995年、2005年和2015年全局雙變量Moran′sI指數(shù)分別為-0.329、-0.344和-0.342。全局雙變量空間自相關(guān)結(jié)果顯示,所有的Moran′sI指數(shù)均小于0,且在0.001水平上顯著,這有力地證明了長(zhǎng)江中游城市群地區(qū)交通通達(dá)水平的提高會(huì)導(dǎo)致生態(tài)系統(tǒng)健康的惡化。局部雙變量空間自相關(guān)分析結(jié)果顯示,研究期間長(zhǎng)江中游城市群交通通達(dá)水平和生態(tài)系統(tǒng)健康之間的主要關(guān)系類型為L(zhǎng)H型(低交通通達(dá)水平和高生態(tài)系統(tǒng)健康指數(shù))、HL型(高交通通達(dá)水平和低生態(tài)系統(tǒng)健康指數(shù))和LL型(低交通通達(dá)水平和低生態(tài)系統(tǒng)健康指數(shù))(圖4)。具體來(lái)說(shuō),LH型主要位于周圍的山區(qū)(湖北省西部的巫山,湖南省中西部的雪峰山以及南部的南嶺,江西省東部的武夷山以及湖南省和江西省之間的羅霄山脈),原因主要是該部分地區(qū)地形復(fù)雜導(dǎo)致交通基礎(chǔ)設(shè)施建設(shè)成本高,交通通達(dá)水平較低。同時(shí),地形限制下的低強(qiáng)度人類活動(dòng)對(duì)生態(tài)環(huán)境的干擾較小,生態(tài)系統(tǒng)健康指數(shù)較高。而HL型主要分布在平原地區(qū)(江漢平原、鄱陽(yáng)湖平原以及洞庭湖平原)、主要地級(jí)市周邊的鄉(xiāng)鎮(zhèn)和主要交通干線沿線的鄉(xiāng)鎮(zhèn),主要是因?yàn)樵摬糠值貐^(qū)地形平坦,交通基礎(chǔ)設(shè)施完善,交通通達(dá)水平較高,經(jīng)濟(jì)發(fā)展水平較高,高水平交通通達(dá)度與優(yōu)越的自然地理?xiàng)l件的結(jié)合所帶來(lái)的城市擴(kuò)張、土地資源開(kāi)發(fā)等高強(qiáng)度人類活動(dòng)對(duì)生態(tài)系統(tǒng)產(chǎn)生劇烈影響,導(dǎo)致生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)功能退化,生態(tài)系統(tǒng)健康指數(shù)較低,這種類型屬于進(jìn)退兩難型。LL型零星的分布在江漢平原和洞庭湖平原地區(qū),獨(dú)特的地形地貌和位置條件是導(dǎo)致該部分區(qū)域空間零星分布的主要原因,這種類型屬于不可持續(xù)型。長(zhǎng)江中游城市群地區(qū)也存在少量的HH型(高交通通達(dá)水平和高生態(tài)系統(tǒng)健康指數(shù)),主要是由于該部分區(qū)域既注重高質(zhì)量經(jīng)濟(jì)發(fā)展對(duì)交通基礎(chǔ)設(shè)施的要求,又保證可持續(xù)發(fā)展對(duì)生態(tài)環(huán)境的需要,合理的規(guī)劃政策實(shí)現(xiàn)了完善的交通基礎(chǔ)設(shè)施建設(shè)與高質(zhì)量生態(tài)環(huán)境的良性結(jié)合,這種類型屬于是雙贏型。HH型的出現(xiàn)說(shuō)明高交通通達(dá)水平并不一定意味著會(huì)導(dǎo)致生態(tài)系統(tǒng)健康水平降低,交通通達(dá)水平與生態(tài)系統(tǒng)保護(hù)協(xié)調(diào)發(fā)展是減少交通通達(dá)水平對(duì)生態(tài)系統(tǒng)健康干擾的前提。

圖4 長(zhǎng)江中游城市群交通通達(dá)度和生態(tài)系統(tǒng)健康之間的雙變量空間自相關(guān)

3.4 1995—2015年長(zhǎng)江中游城市群交通通達(dá)度對(duì)生態(tài)系統(tǒng)健康的影響分析

全局空間回歸分析。雙變量空間自相關(guān)分析表明,交通通達(dá)水平與生態(tài)系統(tǒng)健康之間存在顯著的空間依賴性,需要采用空間計(jì)量模型對(duì)二者之間的關(guān)系進(jìn)行空間估計(jì)和驗(yàn)證。然而,應(yīng)該選擇哪種空間回歸模型來(lái)更好地?cái)M合數(shù)據(jù)是一個(gè)問(wèn)題。通過(guò)空間依賴關(guān)系檢驗(yàn)來(lái)確定選擇哪種模型是常規(guī)的做法。其判據(jù)如下：若LM(log)的統(tǒng)計(jì)顯著性強(qiáng)于LM(err),且Robust LM(lag)顯著,Robust LM(err)不顯著,空間滯后模型更合適；相反,空間誤差模型可為合適的模型。如果兩者都不顯著,則OLS模型更有效。此外,還可以利用Log-likelihood(LogL)、Akaike information criterion(AIC)和Schwartz criterion(SC)來(lái)判定模型的適合度。LogL值越大,AIC和SC值越小,模型擬合越好。

OLS殘差檢驗(yàn)結(jié)果顯示,1995年、2005年和2015年殘差的Moran′sI指數(shù)分別為0.275、0294和0.322,P值在0.001水平上顯著,說(shuō)明模型殘差存在很強(qiáng)的空間自相關(guān)。OLS模型的空間依賴診斷進(jìn)一步證明模型殘差中存在有統(tǒng)計(jì)學(xué)意義的空間滯后和空間誤差項(xiàng)(表1)。OLS模型估計(jì)在不考慮空間自相關(guān)的情況下,在模型估計(jì)中可能存在誤差?？紤]空間滯后和空間誤差項(xiàng)的影響后,SLM、SEM和SEMLD的擬合優(yōu)度有一定程度的提高。比較三種模型的LogL、AIC和SC值,可以發(fā)現(xiàn)SEMLD模型的LogL值較大,AIC和SC值較小,說(shuō)明SEMLD具有較強(qiáng)的解釋能力。為了準(zhǔn)確地選擇模型,本研究將這四個(gè)回歸模型的所有結(jié)果列在表2中。OLS和SLM模型中交通通達(dá)度的回歸系數(shù)都是顯著的,只有1995年和2005年的SEM和SEMLD模型不顯著。交通通達(dá)度的回歸系數(shù)小于0,表征交通通達(dá)度的增加會(huì)導(dǎo)致生態(tài)系統(tǒng)健康的退化。交通通達(dá)度的增加必然伴隨著一定程度的城市擴(kuò)張、土地資源開(kāi)發(fā)、人口增長(zhǎng)、基礎(chǔ)設(shè)施需求增加,而此類高強(qiáng)度人類活動(dòng)的增加必然會(huì)干擾生態(tài)系統(tǒng)穩(wěn)定,降低生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)供給能力,導(dǎo)致生態(tài)環(huán)境惡化,生態(tài)系統(tǒng)功能退化,生態(tài)系統(tǒng)健康水平降低。此外,在所有的模型中都可以發(fā)現(xiàn)交通通達(dá)度的回歸系數(shù)都有所降低,表明交通通達(dá)度對(duì)生態(tài)系統(tǒng)健康的干擾越來(lái)越強(qiáng)烈。隨著經(jīng)濟(jì)發(fā)展水平的提高和科技投入的增加,同一水平交通通達(dá)度所能帶來(lái)的社會(huì)經(jīng)濟(jì)活動(dòng)更加頻繁和復(fù)雜,導(dǎo)致其對(duì)生態(tài)系統(tǒng)健康的干擾越來(lái)越劇烈,而且生態(tài)系統(tǒng)穩(wěn)定性持續(xù)降低、生態(tài)系統(tǒng)功能退化等特征也導(dǎo)致生態(tài)系統(tǒng)健康對(duì)交通通達(dá)度帶來(lái)的同一水平的社會(huì)經(jīng)濟(jì)活動(dòng)的敏感性提高。另外土地利用程度和人口密度與生態(tài)系統(tǒng)健康之間表現(xiàn)出顯著的負(fù)相關(guān),而林地面積比重和年均降雨量與生態(tài)系統(tǒng)健康之間表現(xiàn)出顯著的正相關(guān)。

表1 1995年、2005年和2015年長(zhǎng)江中游城市群空間回歸結(jié)果

SEMLD模型的空間滯后項(xiàng)在所有的模型中都是顯著的,說(shuō)明長(zhǎng)江中游城市群地區(qū)生態(tài)系統(tǒng)健康的空間溢出效應(yīng)較為普遍。平均地,1995—2015年周邊生態(tài)系統(tǒng)健康水平每增加10%,各單元生態(tài)系統(tǒng)健康水平分別增加0.11%、0.46%和0.35%。生態(tài)系統(tǒng)健康的這種增長(zhǎng)并非來(lái)自“自身”增長(zhǎng),而是作為“禮物”從鄰近單元獲得[47]。此現(xiàn)象較為普遍的原因主要是生態(tài)系統(tǒng)健康水平反映的是一個(gè)區(qū)域生態(tài)系統(tǒng)的活力、組織力和彈性的綜合特征,是一個(gè)復(fù)雜綜合的整體。一個(gè)單元生態(tài)系統(tǒng)的向好發(fā)展必然會(huì)對(duì)鄰近單元的生態(tài)系統(tǒng)產(chǎn)生積極影響,會(huì)在一定程度上促進(jìn)其生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)能力的增強(qiáng)和生態(tài)系統(tǒng)健康水平的提高。一個(gè)單元的生態(tài)系統(tǒng)健康不僅與自身因素(自然和社會(huì)經(jīng)濟(jì)因素)密切相關(guān),還與其他鄰域因素(相鄰單元的生態(tài)系統(tǒng)健康水平)密切相關(guān)。此外,所有模型的空間誤差項(xiàng)均在0.001水平上顯著,說(shuō)明長(zhǎng)江中游城市群的生態(tài)系統(tǒng)健康水平不僅受到交通通達(dá)度的影響,還受到其他因素的影響。

局部空間回歸分析。OLS、SLM、SEM和SEMLD模型從全局的角度揭示了交通通達(dá)度對(duì)生態(tài)系統(tǒng)健康的影響,為了揭示隱藏在全局回歸結(jié)果中的局部特征,本研究采用地理加權(quán)回歸模型進(jìn)一步探測(cè)了交通通達(dá)度對(duì)生態(tài)系統(tǒng)健康影響的局部特征(圖5)?；貧w結(jié)果顯示,地理加權(quán)回歸模型具有更好的數(shù)據(jù)擬合效果,可以發(fā)現(xiàn)研究期間長(zhǎng)江中游城市群交通通達(dá)度對(duì)生態(tài)系統(tǒng)健康的影響存在顯著的空間異質(zhì)性。總體可以發(fā)現(xiàn)平原地區(qū)交通通達(dá)度的回歸系數(shù)顯著低于周邊山區(qū)以及中部的羅霄山脈,說(shuō)明平原地區(qū)生態(tài)系統(tǒng)健康狀況更容易受到交通通達(dá)水平的影響。另外可以發(fā)現(xiàn),交通通達(dá)水平的提高并不一定完全導(dǎo)致生態(tài)系統(tǒng)健康狀況的惡化,在相當(dāng)一部分地方交通通達(dá)度的增加反而會(huì)促進(jìn)生態(tài)系統(tǒng)健康的改善,這主要是由于城市群地區(qū)交通網(wǎng)絡(luò)逐步完善,這對(duì)生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)供給和需求的空間特征和空間匹配產(chǎn)生顯著的影響,在一定程度上可以緩解局部地區(qū)過(guò)度的人類活動(dòng)對(duì)生態(tài)系統(tǒng)造成的影響。另外交通通達(dá)水平在城市擴(kuò)張、土地利用、產(chǎn)業(yè)布局等方面同樣扮演重要角色,同樣會(huì)對(duì)區(qū)域生態(tài)系統(tǒng)健康格局產(chǎn)生重要影響。

圖5 1995年、2005年和2015年長(zhǎng)江中游城市群交通通達(dá)度回歸系數(shù)空間分布

4 討論與結(jié)論

4.1 討論

城市群地區(qū)交通網(wǎng)絡(luò)的逐步完善,是城市群形成和發(fā)展的重要標(biāo)志。交通通達(dá)狀況在生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)供需的匹配過(guò)程中扮演著重要角色,交通作為生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)流的重要載體之一,承載著生態(tài)系統(tǒng)中能量流動(dòng)的主體[52],對(duì)于生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)供需空間格局和結(jié)構(gòu)的重塑起到關(guān)鍵作用。交通基礎(chǔ)設(shè)施的完善可以有效地促進(jìn)城市擴(kuò)張、經(jīng)濟(jì)發(fā)展、人口流通和人口集聚,可以重塑區(qū)域產(chǎn)業(yè)、經(jīng)濟(jì)發(fā)展格局以及生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)供需格局[13—15,18]。交通道路為實(shí)現(xiàn)城市空間擴(kuò)張進(jìn)程提供了必不可少的基礎(chǔ)設(shè)施網(wǎng)絡(luò),交通成本的降低也可以引發(fā)城市用地的持續(xù)擴(kuò)張[17],這顯然會(huì)導(dǎo)致生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)供給能力的降低以及生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)需求能力的增加。交通通達(dá)度的增加必然導(dǎo)致建設(shè)用地的擴(kuò)張和生態(tài)保護(hù)用地的侵占,對(duì)生態(tài)系統(tǒng)健康構(gòu)成嚴(yán)重挑戰(zhàn)。交通通達(dá)度并不是生態(tài)系統(tǒng)健康惡化的直接原因,而是通過(guò)促進(jìn)城市擴(kuò)張、人口增長(zhǎng)和基礎(chǔ)設(shè)施建設(shè)的增長(zhǎng),進(jìn)而對(duì)生態(tài)系統(tǒng)健康產(chǎn)生影響?？茖W(xué)揭示交通通達(dá)度對(duì)生態(tài)系統(tǒng)健康影響機(jī)理有助于深入透視交通通達(dá)度和生態(tài)系統(tǒng)健康之間的復(fù)雜關(guān)系,對(duì)緩解當(dāng)前我國(guó)城市群地區(qū)面臨的城市無(wú)序擴(kuò)張、資源約束趨緊以及生態(tài)系統(tǒng)功能退化等問(wèn)題具有重要的實(shí)踐意義和價(jià)值。研究結(jié)果表明生態(tài)系統(tǒng)健康不僅受到本單元要素的影響,而且受到周邊單元或者更遠(yuǎn)單元生態(tài)系統(tǒng)健康狀況以及其他要素的影響,因此跨區(qū)域聯(lián)合治理在城市群地區(qū)尤為重要。其次,研究結(jié)果表明交通通達(dá)度對(duì)生態(tài)系統(tǒng)健康的影響具有顯著的空間異質(zhì)性,區(qū)域未來(lái)交通建設(shè)以及生態(tài)系統(tǒng)健康保護(hù)的局部差異化管控措施對(duì)于城市群的可持續(xù)發(fā)展十分必要。

4.2 結(jié)論

本研究把基于InVEST模型測(cè)度的生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)融入了生態(tài)系統(tǒng)健康評(píng)估理論框架,構(gòu)建了基于“生態(tài)系統(tǒng)活力-生態(tài)系統(tǒng)組織力-生態(tài)系統(tǒng)彈性-生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)”的生態(tài)系統(tǒng)健康評(píng)估框架體系。并且結(jié)合多源數(shù)據(jù)對(duì)長(zhǎng)江中游城市群生態(tài)系統(tǒng)健康以及交通通達(dá)水平進(jìn)行了定量測(cè)度,采用一系列的空間回歸模型從全局和局部的角度對(duì)長(zhǎng)江中游城市群地區(qū)交通通達(dá)度對(duì)生態(tài)系統(tǒng)健康的影響進(jìn)行分析。研究結(jié)果顯示：

(1)長(zhǎng)江中游城市群地區(qū)生態(tài)系統(tǒng)健康狀況總體有所惡化,山區(qū)生態(tài)系統(tǒng)健康狀況明顯優(yōu)于平原地區(qū)；

(2)長(zhǎng)江中游城市群交通通達(dá)度較高單元的空間分布特征呈現(xiàn)出“點(diǎn)-線-面”特征。主要地級(jí)市周邊高交通通達(dá)水平地區(qū)鄉(xiāng)鎮(zhèn)呈現(xiàn)“點(diǎn)”狀分布,沿主要交通路線的鄉(xiāng)鎮(zhèn)呈現(xiàn)“線”狀分布,四個(gè)小城市群地區(qū)呈現(xiàn)“面”狀分布；

(3)雙變量空間自相關(guān)分析顯示研究期間長(zhǎng)江中游城市群交通通達(dá)度和生態(tài)系統(tǒng)健康之間存在顯著的空間依賴性,二者之間主要關(guān)系類型為L(zhǎng)H型(低交通通達(dá)水平和高生態(tài)系統(tǒng)健康指數(shù))、HL型(高交通通達(dá)水平和低生態(tài)系統(tǒng)健康指數(shù))和LL型(低交通通達(dá)水平和低生態(tài)系統(tǒng)健康指數(shù))；

(4)空間回歸模型明顯優(yōu)于普通最小二乘法,可以更好地解釋交通通達(dá)度對(duì)生態(tài)系統(tǒng)健康的影響,地理加權(quán)回歸模型表現(xiàn)最優(yōu)?？傮w可以發(fā)現(xiàn)交通通達(dá)度的增加會(huì)導(dǎo)致生態(tài)系統(tǒng)健康的惡化,但是局部地區(qū)交通通達(dá)度的增加也會(huì)促進(jìn)生態(tài)系統(tǒng)健康的改善。另外可以發(fā)現(xiàn)研究期間交通通達(dá)度對(duì)生態(tài)系統(tǒng)健康的干擾逐漸加強(qiáng)。