湖南省不同層級交通可達(dá)性對生態(tài)服務(wù)價值的影響

李科 汪丹 孔祥斌

摘要：對湖南省生態(tài)服務(wù)價值和不同層級交通可達(dá)性進(jìn)行測算，以區(qū)（縣）為基本單元，使用地理加權(quán)回歸模型，揭示了與不同層級城市聯(lián)系的交通可達(dá)性對生態(tài)服務(wù)價值的影響。研究發(fā)現(xiàn)，縣級城市交通可達(dá)性對生態(tài)服務(wù)價值的負(fù)面影響由長沙-株洲-湘潭城市群向外圍逐漸減弱，并在湘西南地區(qū)轉(zhuǎn)變?yōu)檎嬗绊?。地級城市交通可達(dá)性對生態(tài)服務(wù)價值的影響機(jī)制與縣級城市類似，且負(fù)面影響的范圍有沿鐵路向西北蔓延的趨勢。大型城市交通可達(dá)性對整個湖南省的生態(tài)服務(wù)價值都具有正面影響，以東部最強(qiáng)。在考慮不同地區(qū)不同層級交通可達(dá)性對生態(tài)服務(wù)價值影響存在差異的基礎(chǔ)上，采取適合當(dāng)?shù)氐慕煌ɑA(chǔ)設(shè)施建設(shè)方案以及產(chǎn)業(yè)結(jié)構(gòu)轉(zhuǎn)型升級策略，在促進(jìn)社會經(jīng)濟(jì)發(fā)展的同時維護(hù)和提升區(qū)域生態(tài)服務(wù)價值。

關(guān)鍵詞：交通可達(dá)性;生態(tài)服務(wù)價值;不同層級;地理加權(quán)回歸

中圖分類號：F301.2? ? ? ? ?文獻(xiàn)標(biāo)識碼：A

文章編號：0439-8114（2019）02-0070-06

DOI：10.14088/j.cnki.issn0439-8114.2019.02.016? ? ? ? ? ?開放科學(xué)（資源服務(wù)）標(biāo)識碼（OSID）：

隨著可持續(xù)發(fā)展需求的日益迫切，居民對生態(tài)環(huán)境質(zhì)量要求的提高，社會經(jīng)濟(jì)發(fā)展對生態(tài)功能的影響逐步引起關(guān)注，生態(tài)功能的維護(hù)成為可持續(xù)發(fā)展的重要議題[1]。生態(tài)服務(wù)價值是衡量生態(tài)功能的一種常用方法，陳彧等[2]利用GWR模型進(jìn)一步對湖北省生態(tài)服務(wù)價值的影響因素進(jìn)行了研究，證實了人口、產(chǎn)業(yè)產(chǎn)值和城鎮(zhèn)化水平對生態(tài)服務(wù)價值有顯著影響，且存在明顯的空間差異，但忽略了交通這一對人口和物質(zhì)流動產(chǎn)生決定性影響的重要因素。同時，大量研究[3-5]基于可達(dá)性分析區(qū)域經(jīng)濟(jì)發(fā)展與交通網(wǎng)絡(luò)水平的空間分異規(guī)律及交通網(wǎng)絡(luò)空間格局演變引起的經(jīng)濟(jì)效應(yīng)，證明了交通基礎(chǔ)設(shè)施的配置與優(yōu)化作為社會經(jīng)濟(jì)發(fā)展的前提和結(jié)果，卻少有對生態(tài)功能的影響機(jī)理和影響程度的探討，亟待進(jìn)一步研究。另外，生態(tài)服務(wù)價值和交通可達(dá)性的測度方法在最近的相關(guān)研究中都得到了不同程度的改進(jìn)。生態(tài)服務(wù)價值的計算標(biāo)準(zhǔn)除了在不同地區(qū)存在差異外，生物量的大小也是決定性因素[6]，有學(xué)者利用歸一化植被指數(shù)（NDVI，Normalized Difference Vegetation Index）從植被茂盛程度的差異出發(fā)，對生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)價值進(jìn)行了修正[7]。在可達(dá)性的測度中，由于存在研究區(qū)域外部邊界難以明確的問題，大多數(shù)研究在評價區(qū)域交通網(wǎng)絡(luò)條件時，將研究區(qū)域看作封閉的“孤島”進(jìn)行研究，對研究區(qū)域與外部的交通聯(lián)系缺乏系統(tǒng)考慮[8]，導(dǎo)致可達(dá)性測算結(jié)果受到研究區(qū)域邊界的限制，難以準(zhǔn)確反映區(qū)域的交通條件。因此，王璐等[9]在相關(guān)研究中關(guān)注到研究區(qū)與外圍地區(qū)的聯(lián)系，大幅提高了可達(dá)性計算的科學(xué)性和真實性。

基于此，本研究以湖南省為例，以社會經(jīng)濟(jì)因素為控制基礎(chǔ)，引入交通可達(dá)性，采用地理加權(quán)回歸模型分析區(qū)域可達(dá)性對生態(tài)服務(wù)價值的影響。在空間可達(dá)性測度中，運(yùn)用網(wǎng)絡(luò)分析中的時間成本算法，考慮了與大型城市、地級城市、縣級城市聯(lián)系的便捷程度，分析了與不同層級城市聯(lián)系的空間可達(dá)性，以期為理解和認(rèn)知湖南省生態(tài)風(fēng)險的空間分布規(guī)律與交通網(wǎng)絡(luò)格局提供科學(xué)支撐，為湖南省的區(qū)域發(fā)展與環(huán)境保護(hù)策略提供參考。

1? 數(shù)據(jù)來源與研究方法

1.1? 數(shù)據(jù)來源與處理

生態(tài)服務(wù)價值計算使用2014年土地利用數(shù)據(jù)，選用精度為30 m×30 m的Landsat 7 ETM+遙感影像，利用遙感圖像ENVI處理軟件對上述影像進(jìn)行輻射校正和大氣校正，以1∶5萬地形圖為參照地理數(shù)據(jù)，采用二次多項法對影像進(jìn)行幾何校正獲得。根據(jù)中國土地利用現(xiàn)狀分類系統(tǒng)，結(jié)合研究區(qū)土地利用現(xiàn)狀特點，利用監(jiān)督分類與非監(jiān)督分類兩種方法，將湖南省土地分為6種土地利用類型，即耕地、林地、草地、水域、建設(shè)用地和未利用地，最終形成GRID格式的土地利用數(shù)據(jù)。NDVI值來源于美國宇航局Terra衛(wèi)星MODIS傳感器所觀測到的中國500 m×500 m分辨率NDVI的逐旬合成數(shù)據(jù)。計算交通可達(dá)性所使用的公路鐵路數(shù)據(jù)通過對《中國分省地圖冊》2016年版[10]中的鐵路、高速公路、國道、省道和縣道進(jìn)行矢量化和幾何校正處理獲得。社會經(jīng)濟(jì)數(shù)據(jù)來自《湖南省統(tǒng)計年鑒2015》[11]，并以湖南省122個縣（市、區(qū)）為評價單元進(jìn)行統(tǒng)計。

1.2? 研究方法

1.2.1? 生態(tài)服務(wù)價值測算? 生態(tài)系統(tǒng)中形成和保有的生態(tài)服務(wù)功能可以通過生態(tài)服務(wù)價值來量化評估，本研究依據(jù)肖玉等[12]在Costanza等[13]發(fā)布的評估方法的基礎(chǔ)上改進(jìn)的適用于中國生態(tài)服務(wù)價值當(dāng)量因子表，計算湖南省各縣（市）的生態(tài)服務(wù)價值，并以歸一化植被指數(shù)（NDVI）為參考進(jìn)行生物量修正。該表定義1 hm2耕地的食物生產(chǎn)價值當(dāng)量為1，其他各類生態(tài)服務(wù)價值的當(dāng)量因子則參考相對于耕地食物生產(chǎn)功能的相對大小而確定，單位面積耕地的食物生產(chǎn)價值與當(dāng)年市場糧食平均價格的1/7相當(dāng)，計算公式如下：

式中，V為單位耕地提供的食物生產(chǎn)功能的價值（元/hm2）;i為農(nóng)作物類型，水稻、小麥、玉米是湖南省主要的糧食作物;pi為i種糧食作物平均價格（元/t）;ci為i種糧食作物單產(chǎn)（t）;ai為第i種糧食作物面積（hm2）;A為糧食作物總面積（hm2）。

根據(jù)各土地利用類型的生態(tài)服務(wù)價值當(dāng)量因子，可計算出每種地類的單位面積生態(tài)服務(wù)價值，利用公式（表1），最后依據(jù)各縣（市）每種地類的面積對生態(tài)服務(wù)價值進(jìn)行測算和統(tǒng)計，得到各縣（市）的地均生態(tài)服務(wù)價值。

植物本體和外部環(huán)境差異導(dǎo)致生態(tài)服務(wù)價值在各系統(tǒng)內(nèi)部存在不可忽視的各向異性，已有研究結(jié)果[14，15]表明，區(qū)域生態(tài)服務(wù)價值與其生物量總量成正比，故可根據(jù)不同評價單元生物量總量的差異對生態(tài)服務(wù)價值的測算結(jié)果進(jìn)行修正。直接計算生物量受數(shù)據(jù)來源的限制相對困難，而已有研究[16，17]表明，植被覆蓋度與生物量成正比，首先對各縣（市）所有柵格的NDVI數(shù)值按極差法完成標(biāo)準(zhǔn)化處理和統(tǒng)計匯總，然后用以下公式對生態(tài)服務(wù)價值進(jìn)行修正。

1.2.2? 交通可達(dá)性測算? 空間可達(dá)性反映了空間聯(lián)系的便捷程度，是度量區(qū)域交通網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)及地域?qū)ν饴?lián)系的重要指標(biāo)。本研究在對可達(dá)性進(jìn)行測度時，運(yùn)用網(wǎng)絡(luò)分析中的時間成本（Time Cost）方法，使用了基于最小阻抗的可達(dá)性分析方法，以評價區(qū)域中心點至所有目的地點的平均最小阻抗作為該區(qū)域的通達(dá)性評價指標(biāo)?；谧钚∽杩沟耐ㄟ_(dá)性分析方法應(yīng)用非常廣泛，它不考慮出行目的，僅對路網(wǎng)作一般性評價[18]，計算公式如下：

式中，Ai表示網(wǎng)絡(luò)上的節(jié)點i的可達(dá)性，A為交通網(wǎng)絡(luò)所有節(jié)點的平均可達(dá)性;Dij表示節(jié)點i、j之間的最低阻抗。Ai值越小，表明節(jié)點i的平均可達(dá)時間越短，可達(dá)性越好，反之則可達(dá)性相對較差。在可達(dá)性計算時，采用網(wǎng)絡(luò)分析中的時間成本方法生成500 m×500 m精度，共計846 884個柵格的時間成本柵格文件，計算道路網(wǎng)絡(luò)中最短時間距離作為最小阻抗。參考中國《公路工程技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)（JTGB01-2014）》[19]規(guī)定的道路設(shè)計速度基礎(chǔ)上適當(dāng)降低，按照高速公路100 km/h，國道80 km/h，省道60 km/h，縣道50 km/h的標(biāo)準(zhǔn)計算陸地的時間成本。鐵路則參考相關(guān)研究[20]，按照120 km/h計算。在計算與縣級城市和地級城市聯(lián)系的交通可達(dá)性時，參考國道和省道的1 h可達(dá)范圍，分別將湖南省外部60、80 km范圍內(nèi)的區(qū)域納入分析范疇;在計算與大型城市聯(lián)系的交通可達(dá)性時，則考慮省內(nèi)以及與湖南省接壤的省份中的大型城市，包括長沙、武漢、南昌、廣州、深圳、重慶、貴州、南寧，以求減少將研究區(qū)作為封閉“孤島”進(jìn)行分析所帶來的誤差[9]。在以縣（市）為研究單元的分析中，可達(dá)性取各縣（市）范圍內(nèi)所有柵格的平均值。

1.2.3? 地理加權(quán)回歸模型? GWR是一種改進(jìn)的局部線性回歸模型，通過引入地理坐標(biāo)位置對傳統(tǒng)的回歸模型進(jìn)行了擴(kuò)展，與傳統(tǒng)的多元線性回歸模型相比，回歸系數(shù)在每個樣點上具有獨立性[21]。隨空間上局部地理位置變化而變化的變數(shù)，它更能較好地揭示經(jīng)濟(jì)變量之間的空間依賴性，設(shè)湖南省某縣市地均生態(tài)服務(wù)價值為Yi，第i個縣市的地理坐標(biāo)為（μi，vi），解釋變量矩陣為Xki，構(gòu)建GWR模型為：

式中，Yi為生態(tài)服務(wù)價值，？茁1為交通可達(dá)性回歸系數(shù)，？茁2為城鎮(zhèn)化水平回歸系數(shù)，？茁3為人口密度回歸系數(shù)，？茁4為地均第一產(chǎn)業(yè)產(chǎn)值回歸系數(shù)，？茁5為地均第二產(chǎn)業(yè)產(chǎn)值回歸系數(shù)，？茁6為地均第三產(chǎn)業(yè)產(chǎn)值回歸系數(shù)，？茁7為地均固定資產(chǎn)投資額回歸系數(shù)，？著i為常數(shù)項。

2? 結(jié)果與分析

2.1? 生態(tài)服務(wù)價值的空間分布

通過前文所述方法得到分辨率為30 m×30 m的生態(tài)服務(wù)價值分布情況，以縣（市）為研究單元進(jìn)行匯總并取平均值，采用地均生態(tài)服務(wù)價值進(jìn)行地區(qū)間的橫向比較，以消除評價單元面積規(guī)模差異的影響。整體上看，湖南省土地生態(tài)服務(wù)價值平均值為37 114.56元/hm2，最高為郴州市資興縣（50 151.11元/hm2），最低為長沙市芙蓉區(qū)（4 123.50元/hm2）。通過自然斷點分級法將2014年湖南省各縣（市）的地均生態(tài)服務(wù)價值分為5級，高生態(tài)服務(wù)價值區(qū)主要位于湘西武陵山脈、湘東羅霄-幕阜山脈以及湘南南嶺山脈，而洞庭湖平原、長沙市區(qū)周邊和資水流域則是生態(tài)服務(wù)價值較低的縣（市）集中分布的區(qū)域。

2.2? 不同層級交通可達(dá)性的空間分異

縣級城市可達(dá)性主要受省道和縣道覆蓋密度的控制，空間分布呈現(xiàn)為以縣級城市政府城駐地為中心沿公路向四周逐層擴(kuò)散衰減的放射狀圈層結(jié)構(gòu)。以縣級城市政府駐地為中心的內(nèi)圈交通可達(dá)性較好，可達(dá)時間在0.5 h以內(nèi)，即從這些區(qū)域內(nèi)任意地點出發(fā)均可在0.5 h內(nèi)到達(dá)研究區(qū)內(nèi)部的某個縣級城市政府駐地。研究區(qū)內(nèi)大部分區(qū)域可達(dá)時間分布在1.0 h以內(nèi)，僅有西北部的懷化市沅陵縣和張家界市桃源縣存在連片的可達(dá)時間大于1.0 h的低可達(dá)性地區(qū)。

國道和省道的覆蓋密度決定了到地級城市的交通可達(dá)性的高低，目前湖南省地級城市可達(dá)性東部優(yōu)于西部的格局比縣級城市可達(dá)性更為顯著。地級城市中心區(qū)域及其鄰近地區(qū)的可達(dá)時間明顯更短。值得注意的是，將分析區(qū)域擴(kuò)展到湖南省行政邊界范圍之外的方法改進(jìn)，使得到地級城市的可達(dá)性評價結(jié)果相比傳統(tǒng)方法下研究區(qū)中心區(qū)域可達(dá)性優(yōu)，邊緣區(qū)域可達(dá)性差的偏差得到有效降低。例如，位置處在湖南省外圍的常德、岳陽、郴州等市附近可達(dá)性并不差，尤其岳陽市與湖北省鄰近的多個地級城市之間緊密聯(lián)系，具有極高的可達(dá)性。而湘西、張家界、常德北部，以及懷化、永州南部可達(dá)性較差則是由于當(dāng)?shù)氐匦蔚孛矎?fù)雜，且省道覆蓋度低導(dǎo)致的，與其地處研究區(qū)邊緣的空間位置無關(guān)。除西部山區(qū)外，研究區(qū)可達(dá)時間較長區(qū)域還包括中部的安化縣、東部的平江縣和炎陵縣等地，直接原因可能是這些區(qū)域與地級城市駐地的距離較遠(yuǎn)，在公路網(wǎng)絡(luò)覆蓋不佳的情況下表現(xiàn)得更加明顯。

大型城市交通可達(dá)性主要由空間距離和高速鐵路、高速公路的建設(shè)情況決定，在空間分布呈現(xiàn)出長沙周邊區(qū)域最優(yōu)，東北部次之，西部和南部差的格局。這與地級城市層級交通可達(dá)性格局大體相似?？梢娫诖笮统鞘袑蛹?，湖南省大部分地區(qū)除了與省會長沙市的聯(lián)系最為緊密外，與距離其較近，周邊路網(wǎng)發(fā)達(dá)的武漢市和南昌市之間的聯(lián)系也相對便捷。西側(cè)大型城市重慶市、貴陽市和南寧市則由于距離遠(yuǎn)且交通條件較差，對湖南省西部的輻射能力較弱。研究區(qū)以南的外圍區(qū)域雖然路網(wǎng)發(fā)達(dá)，但因距離廣州市、深圳市較遠(yuǎn)，削弱了受到輻射的影響。

2.3? 不同層級交通可達(dá)性對生態(tài)服務(wù)價值的影響

縣級城市可達(dá)性較系數(shù)為負(fù)的區(qū)域主要分布在中部益陽-長沙-湘潭-株洲一線，可達(dá)性越差生態(tài)服務(wù)價值越高。在長株潭城市群，隨著生產(chǎn)要素的聚集，土地城鎮(zhèn)化在空間上連片的趨勢日益明顯，土地利用的劇烈變化會顯著拉低生態(tài)服務(wù)價值。縣級城市可達(dá)性對生態(tài)服務(wù)價值的負(fù)面影響由中部向南北方向遞減，在西南部的邵陽市和懷化市等地區(qū)第一產(chǎn)業(yè)占GDP比例偏高，交通可達(dá)性的改善能夠促進(jìn)區(qū)域社會經(jīng)濟(jì)發(fā)展，加速產(chǎn)業(yè)結(jié)構(gòu)升級與轉(zhuǎn)型，因此對生態(tài)服務(wù)價值有正面影響。

地級城市可達(dá)性系數(shù)的負(fù)值區(qū)與縣級城市層級類似，沿著鐵路和高速公路向西北方向有一定擴(kuò)散。主要分布在西北至中部的張家界-常德-益陽-湘潭一線，該區(qū)域的生態(tài)服務(wù)價值高且地級城市可達(dá)性較差。相比縣級城市層面，地級城市可達(dá)性的提高會帶來更多規(guī)模化的生產(chǎn)活動，引起土地向非農(nóng)地快速轉(zhuǎn)移。同時，高生態(tài)服務(wù)價值區(qū)的生態(tài)環(huán)境相對更易被破壞，這將導(dǎo)致西北山區(qū)地級城市可達(dá)性的負(fù)面影響更加顯著。

大型城市可達(dá)性對生態(tài)服務(wù)價值的影響比縣級、地級層級更加平穩(wěn)，區(qū)域差異性降低，且在湖南省全境都表現(xiàn)為正面影響。與大型城市的緊密聯(lián)系能夠加速先進(jìn)生產(chǎn)方式對落后生產(chǎn)方式的替代，從而減少生產(chǎn)活動對生態(tài)環(huán)境的破壞。東部由于距離長沙市、南昌市、廣州市、深圳市等大型城市較近，而長株潭城市群以西的赫山區(qū)、寧鄉(xiāng)縣、婁星區(qū)和漣源市距離長沙市較近，產(chǎn)業(yè)承接成本低廉，導(dǎo)致部分過剩的、落后的制造業(yè)產(chǎn)能向這些周邊縣（市）轉(zhuǎn)移，引起生態(tài)服務(wù)價值的下降，從而抵消了部分大型城市高可達(dá)性的積極影響。

3? 結(jié)論與建議

以湖南省為例，結(jié)合土地利用和NDVI數(shù)據(jù)對生態(tài)服務(wù)價值進(jìn)行了計算和修正，運(yùn)用GIS網(wǎng)絡(luò)分析方法系統(tǒng)分析了各地區(qū)到縣級城市、地級城市和大型城市交通可達(dá)性的空間特征，并以縣域為基本單元，使用地理加權(quán)模型進(jìn)行分析，揭示了各地區(qū)不同層級交通可達(dá)性對生態(tài)服務(wù)價值的影響，并得出以下結(jié)論與建議。

1）長株潭城市群是湖南省社會經(jīng)濟(jì)發(fā)展的核心驅(qū)動力量，縣級城市可達(dá)性如果進(jìn)一步提高會刺激制造業(yè)的用地需求向城市周邊擴(kuò)張，從而拉低區(qū)域生態(tài)服務(wù)價值。地級城市可達(dá)性的變化對生態(tài)服務(wù)價值的影響相對較弱，主要原因是長株潭城市群內(nèi)部的國道和高速公路建設(shè)已經(jīng)十分完善，進(jìn)一步提升地級城市可達(dá)性對產(chǎn)業(yè)布局的影響有限，土地利用方式因此改變的程度較弱，生態(tài)服務(wù)價值所受的影響較小。然而快速城鎮(zhèn)化進(jìn)程中生態(tài)服務(wù)價值極有可能出現(xiàn)大幅下降的情況，是相關(guān)管理部門需要重點關(guān)注的地區(qū)，應(yīng)該設(shè)立更高環(huán)保標(biāo)準(zhǔn)對遷入的企業(yè)進(jìn)行篩選。

2）湘西北地區(qū)聚集了大量高生態(tài)服務(wù)價值的縣市，各層級下的交通可達(dá)性都處于較低水平，經(jīng)濟(jì)基礎(chǔ)也相對薄弱，大規(guī)模的粗放生產(chǎn)方式下的人類活動會對生態(tài)環(huán)境造成破壞，故縣級城市和地級城市可達(dá)性的增加對生態(tài)服務(wù)價值具有明顯的消極影響。大型城市可達(dá)性的改善對生態(tài)服務(wù)價值有積極影響。因此，升級該地區(qū)產(chǎn)業(yè)結(jié)構(gòu)，促進(jìn)旅游等第三產(chǎn)業(yè)的發(fā)展，引導(dǎo)更多農(nóng)村剩余勞動力外流或直接轉(zhuǎn)向第三產(chǎn)業(yè)就業(yè)，減少對破壞林地較為嚴(yán)重的農(nóng)業(yè)和制造業(yè)的依賴，實現(xiàn)經(jīng)濟(jì)跨越式轉(zhuǎn)型，從而保護(hù)優(yōu)質(zhì)的生態(tài)環(huán)境不被破壞。

3）湘西南地區(qū)的交通可達(dá)性較差，與湘西北地區(qū)相似，但生態(tài)服務(wù)價值偏低，同時對第一產(chǎn)業(yè)的依賴程度較高，各個層級的交通可達(dá)性提升對生態(tài)服務(wù)價值都具有正面影響。因此，加強(qiáng)各級公路網(wǎng)絡(luò)的建設(shè)，為產(chǎn)業(yè)升級改善區(qū)位條件，同時引導(dǎo)農(nóng)村剩余勞動力轉(zhuǎn)化為二三產(chǎn)業(yè)生產(chǎn)力是促進(jìn)地方經(jīng)濟(jì)社會發(fā)展與減少農(nóng)林牧漁業(yè)生產(chǎn)對脆弱生態(tài)環(huán)境破壞的有效途徑。

4）洞庭湖地區(qū)是長株潭城市群與武漢城市圈的連接處，也是農(nóng)產(chǎn)品主產(chǎn)區(qū)，縣級城市可達(dá)性極佳，提升空間有限，修建更多的低等級公路不會明顯提升區(qū)域可達(dá)性。而縣級城市可達(dá)性系數(shù)為負(fù)也表明，過多的交通基礎(chǔ)設(shè)施建設(shè)會轉(zhuǎn)變大量農(nóng)用地成為建設(shè)用地，從而降低生態(tài)服務(wù)價值。地級城市和大型城市下的高可達(dá)性都對生態(tài)服務(wù)價值有積極的作用，通過鐵路和高速公路的建設(shè)與升級進(jìn)一步拉近與這兩個城市群的距離，在吸引高新企業(yè)遷入、推進(jìn)農(nóng)業(yè)和制造業(yè)升級的同時，達(dá)到保護(hù)生態(tài)服務(wù)價值的目的。

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