城鎮(zhèn)化與生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)的協(xié)調(diào)演化特征及空間耦合關(guān)系

張佳田,焦文獻(xiàn),韓寶龍

1 河南大學(xué)環(huán)境與規(guī)劃學(xué)院,開封 475004 2 中國科學(xué)院生態(tài)環(huán)境研究中心,北京 100085 3 黃河中下游數(shù)字地理技術(shù)教育部重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室,開封 475004

改革開放40年以來,中國的城鎮(zhèn)化率由1978年的17.9%提高到2017年的58.5%,2030年預(yù)計(jì)達(dá)到70.12%[1],是近代全球城鎮(zhèn)化速度最快的國家。城鎮(zhèn)化一方面體現(xiàn)了人類文明的進(jìn)步,極大地改善了人居環(huán)境、提高了生活便捷性,另一方面也給生態(tài)環(huán)境帶來了巨大的改變,諸如生態(tài)破壞、環(huán)境污染和資源過度消耗等問題。馬世駿[2]和王如松[7]提出以人類活動為中心的社會-經(jīng)濟(jì)-自然復(fù)合生態(tài)系統(tǒng),認(rèn)為城市的經(jīng)濟(jì)系統(tǒng)通過物質(zhì)的生產(chǎn)、消費(fèi)、流通、還原和調(diào)控等活動,與自然生態(tài)系統(tǒng)各要素形成耦合關(guān)系。不少學(xué)者指出快速城鎮(zhèn)化通常以犧牲生態(tài)環(huán)境為代價(jià),危及城市可持續(xù)發(fā)展[3]；同時,也有學(xué)者認(rèn)為,社會經(jīng)濟(jì)發(fā)展到一定階段可以實(shí)現(xiàn)其與資源環(huán)境壓力的脫鉤[4],跨越“庫茲涅茨曲線”拐點(diǎn)[5- 6]。因此,分析我國城市的城鎮(zhèn)化與生態(tài)環(huán)境現(xiàn)狀、研究二者之間的耦合特征具有重要的現(xiàn)實(shí)意義,不僅有利于判斷當(dāng)期我國城市所處的發(fā)展階段,回答“在哪里？”；而且可以因地制宜地提出人與自然協(xié)調(diào)發(fā)展的改善建議,回答“到哪里去？”。

城鎮(zhèn)化與生態(tài)環(huán)境的耦合關(guān)系研究具有很強(qiáng)的理論支撐。早在20世紀(jì)80年代,馬世駿和王如松先生[7]就提出了復(fù)合生態(tài)理論,認(rèn)為城市這類人口集聚的生態(tài)系統(tǒng)由自然子系統(tǒng)、社會子系統(tǒng)、經(jīng)濟(jì)子系統(tǒng)構(gòu)成,三個子系統(tǒng)間相互影響、彼此制約,是一個多要素交織的有機(jī)體。在大量的實(shí)證研究支撐下,相關(guān)理論探索不斷深入。方創(chuàng)琳和楊玉梅[8]根據(jù)耗散結(jié)構(gòu)理論和生態(tài)需要定律理論分析了城鎮(zhèn)化與生態(tài)環(huán)境交互耦合系統(tǒng)的六大定律,即耦合裂變律、動態(tài)層級律、隨機(jī)漲落律、非線性協(xié)同律、閾值律和預(yù)警律；陳曉紅和萬魯河[9]提出城鎮(zhèn)化與生態(tài)環(huán)境耦合的協(xié)調(diào)性與脆弱性是在自然條件與孕災(zāi)環(huán)境、人口素質(zhì)與城市文明、產(chǎn)業(yè)升級與技術(shù)進(jìn)步、制度創(chuàng)新與管理科學(xué)、系統(tǒng)自身的恢復(fù)力等多種機(jī)制的共同作用下發(fā)展的,并挖掘了其中宏觀作用機(jī)制及良性互動過程。

城鎮(zhèn)化與生態(tài)環(huán)境耦合關(guān)系的實(shí)證研究主要集中在兩個方面。一方面是二者之間的耦合關(guān)系特征研究。學(xué)者們運(yùn)用耦合協(xié)調(diào)度模型[10]、灰色關(guān)聯(lián)模型[11]、響應(yīng)度模型[12]及交互脅迫模型[13]等刻畫城鎮(zhèn)化與生態(tài)環(huán)境的協(xié)調(diào)水平和耦合關(guān)系,認(rèn)為二者協(xié)調(diào)水平呈“S”型機(jī)制,耦合協(xié)調(diào)度沿時間序列呈持續(xù)上升趨勢。并有學(xué)者指出二者之間存在脫鉤特征,通過采用OECD脫鉤指數(shù)模型[14]、基于IPAT方程的脫鉤指數(shù)模型[15]及Tapio彈性分析模型[16]等刻畫城鎮(zhèn)化過程中資源環(huán)境壓力變化,發(fā)現(xiàn)城鎮(zhèn)化與生態(tài)環(huán)境壓力的脫鉤程度沿時間序列呈現(xiàn)先惡化后好轉(zhuǎn)的趨勢,但目前脫鉤形勢依然嚴(yán)峻。另一方面是二者之間的作用機(jī)制研究。學(xué)者們通過STIRPAT模型[17]、系統(tǒng)動力學(xué)模型[18]等研究城鎮(zhèn)化過程中生態(tài)環(huán)境效應(yīng)、生態(tài)環(huán)境對城鎮(zhèn)化過程的響應(yīng)并闡釋相互作用機(jī)制等,指出人均GDP、城鎮(zhèn)化率等是引起生態(tài)環(huán)境變化的主要因素,而提高科技水平、加大對外開放力度等措施能夠顯著抑制生態(tài)環(huán)境壓力的增長,因此應(yīng)著力構(gòu)建城市空間擴(kuò)張、資源合理利用及生態(tài)環(huán)境保護(hù)間的積極關(guān)系,形成良性循環(huán)。此外,也有學(xué)者通過城鎮(zhèn)化指標(biāo)體系和中國陸地生態(tài)系統(tǒng)單位面積生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)價(jià)值當(dāng)量表,評估城鎮(zhèn)化發(fā)展對生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)價(jià)值的影響,認(rèn)為城鎮(zhèn)化過程中土地利用類型的改變,如建設(shè)用地?cái)U(kuò)張占用農(nóng)田、濕地面積減少等,是導(dǎo)致生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)價(jià)值變化的主要因素[19]。

綜上可見,城鎮(zhèn)化與生態(tài)環(huán)境水平之間的研究成果十分豐富。但通過細(xì)分研究對象,可以發(fā)現(xiàn)上述研究中多針對單一城市或者區(qū)域(流域、城市群或省)內(nèi)的少量城市[20-21]加以分析,缺少全國城市尺度的分析,忽略了地理、氣候和資源環(huán)境稟賦等因素的空間異質(zhì)性。同時,在城市間比較時,未進(jìn)行空間相關(guān)性分析,缺乏對城鎮(zhèn)化空間依賴性的考慮。然而,生態(tài)環(huán)境的區(qū)域性分異特征和經(jīng)濟(jì)地理的極化及擴(kuò)散效應(yīng)恰是兩個領(lǐng)域中最基本的空間特征。此外,部分學(xué)者在對生態(tài)環(huán)境進(jìn)行評價(jià)時,以污染排放和環(huán)境治理類指標(biāo)為主,并未真正體現(xiàn)“生態(tài)”；另有學(xué)者使用生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)價(jià)值當(dāng)量表的核算結(jié)果量化生態(tài)環(huán)境水平,導(dǎo)致“一套參數(shù)算全國”,既缺少地方差異性,也未真正表征出生態(tài)系統(tǒng)之于城市的意義所在。

鑒于該領(lǐng)域目前的研究經(jīng)驗(yàn)與不足,本文首先選取相關(guān)統(tǒng)計(jì)數(shù)據(jù)計(jì)算人口城鎮(zhèn)化、土地城鎮(zhèn)化和經(jīng)濟(jì)城鎮(zhèn)化以及城鎮(zhèn)化水平；其次將“生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)能力”定義為生態(tài)系統(tǒng)通過各種生物化學(xué)過程為人類社會所提供服務(wù)功能量的加權(quán)求和,借用《全國生態(tài)系統(tǒng)遙感評估2010—2015》研究成果,以固碳服務(wù)、洪水調(diào)蓄服務(wù)、水源涵養(yǎng)服務(wù)和土壤保持服務(wù)4種主要調(diào)節(jié)服務(wù)作為評價(jià)指標(biāo),量化各城市生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)能力；再次在城鎮(zhèn)化水平階段與生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)能力等級劃分的基礎(chǔ)上,分析2010年到2015年二者的時序變化及空間關(guān)系特征；最后運(yùn)用空間計(jì)量模型測度二者的耦合關(guān)系。

1 研究區(qū)域及方法

1.1 研究區(qū)域

以中國333個城市為研究對象,包括4個直轄市、287個地級市、5個副地級行政區(qū)、28個自治州、6個地區(qū)和3個盟。鑒于數(shù)據(jù)的可獲得性,未涉及中國香港特別行政區(qū)、中國澳門特別行政區(qū)、中國臺灣地區(qū)以及昌都市、山南市、日喀則市、那曲地區(qū)和阿里地區(qū)等。

1.2 數(shù)據(jù)收集及標(biāo)準(zhǔn)化

城鎮(zhèn)化內(nèi)涵十分豐富,本文從人口、土地和經(jīng)濟(jì)3個維度構(gòu)建了城鎮(zhèn)化水平綜合評價(jià)指標(biāo)體系,并采用熵值法[22]確定了指標(biāo)層及準(zhǔn)則層的權(quán)重(表1)。指標(biāo)數(shù)據(jù)主要來源于《中國城市統(tǒng)計(jì)年鑒(2011、2016)》、各省市《統(tǒng)計(jì)年鑒(2011、2016)》以及各自治州《國民經(jīng)濟(jì)和社會發(fā)展統(tǒng)計(jì)公報(bào)(2010、2015)》。其中,土地是城鎮(zhèn)化的重要載體,土地城鎮(zhèn)化指標(biāo)層權(quán)重為0.52,包括建成區(qū)占比、人均建成區(qū)面積和地均GDP等3項(xiàng)指標(biāo)；經(jīng)濟(jì)發(fā)展是城鎮(zhèn)化的主要內(nèi)容,經(jīng)濟(jì)城鎮(zhèn)化指標(biāo)層權(quán)重為0.30,包括地區(qū)生產(chǎn)總值、人均地區(qū)生產(chǎn)總值、二三產(chǎn)業(yè)占比和固定資產(chǎn)占GDP比重等4項(xiàng)指標(biāo)；人口遷移是城鎮(zhèn)化的外在表現(xiàn),人口城鎮(zhèn)化指標(biāo)層權(quán)重為0.18,包括常住人口、人口密度和二三產(chǎn)業(yè)就業(yè)比重等3項(xiàng)指標(biāo)。

表1 城鎮(zhèn)化水平綜合評價(jià)指標(biāo)體系

千年生態(tài)系統(tǒng)評估(MA)[23]將生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)分為供給、調(diào)節(jié)、文化和支持共4類20項(xiàng)服務(wù)。本文僅討論調(diào)節(jié)類服務(wù)功能,構(gòu)建了以固碳服務(wù)、洪水調(diào)蓄服務(wù)、水源涵養(yǎng)服務(wù)和土壤保持服務(wù)等4項(xiàng)主要生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)的綜合評價(jià)指標(biāo)體系(表2)。數(shù)據(jù)來源于中國科學(xué)院生態(tài)環(huán)境研究中心城市與區(qū)域國家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室分辨率為100 m的《全國生態(tài)系統(tǒng)遙感評估2010—2015》研究成果。為體現(xiàn)生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)的整體性、保證各地區(qū)的相對可比性,采用主成分分析法[24]賦予各項(xiàng)服務(wù)功能權(quán)重。

表2 生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)能力綜合評價(jià)指標(biāo)體系

Table 2 Integrated evaluation index system of ecosystem services capacity

目標(biāo)層Target layer準(zhǔn)則層Criterion layer權(quán)重Weight生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)能力固碳服務(wù)0.24Ecosystem services capacity洪水調(diào)蓄服務(wù)0.25水源涵養(yǎng)服務(wù)0.27土壤保持服務(wù)0.24

1.3 研究方法

1.3.1空間自相關(guān)分析

根據(jù)Tobler在地理學(xué)第一定律中提出的關(guān)于“空間實(shí)體總是相互關(guān)聯(lián)的,特別是距離較近實(shí)體間的關(guān)聯(lián)表現(xiàn)得更為顯著”的理論,利用全局空間自相關(guān)描述整個研究區(qū)內(nèi)所有樣本與其空間鄰接或鄰近單元的平均關(guān)聯(lián)程度、空間分布模式及其顯著性,反映研究區(qū)樣本觀測值空間上的總體相似程度。一般,多采用Moran′sI指數(shù)衡量全局空間自相關(guān),Moran′sI的計(jì)算公式為：

(1)

同時,采用Local Moran′sI指數(shù)量化某一特定空間單元與其鄰接或鄰近單元的相似程度,Local Moran′sI的計(jì)算公式為：

(2)

此外,LISA集聚地圖是在Local Moran′sI的基礎(chǔ)上,結(jié)合各研究單元的顯著性繪制而成,反映的是顯著性水平較高的局部空間集聚區(qū)域。在LISA圖中,集聚分為高-高(HH)、低-低(LL)、低-高(LH)和高-低(HL)共四種分布。其中,高-高相關(guān)表示高水平觀測值被高水平鄰接單元包圍,低-低相關(guān)表示低水平觀測值被低水平鄰接單元包圍,均為空間正相關(guān)；低-高相關(guān)表示低水平觀測值被高水平鄰接單元包圍,高-低相關(guān)則相反,均為空間負(fù)相關(guān)。

1.3.2空間計(jì)量分析

空間計(jì)量模型較傳統(tǒng)回歸模型而言,著力于解決線性模型無法度量的空間依賴性問題[25]。首先使用線性模型探索生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)能力與城鎮(zhèn)化水平之間的關(guān)系,表達(dá)式分別為：

ES=C1+aUR

(模型 1)

ES=C2+bUR1+cUR2+dUR3

(模型 2)

其次將不可觀測因素或遺漏變量納入隨機(jī)誤差項(xiàng)的空間誤差模型(SEM)進(jìn)一步分析兩者之間的空間關(guān)系,表達(dá)式分別為：

ES=URβ+μ,μ=λWμ+ε

(模型 3)

ES=UR1β1+UR2β2+UR3β3+μ,μ=λWμ+ε

(模型 4)

式中,ES表示生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)能力,是被解釋變量,為n×1的列向量；UR、URi(i=1,2,3)表示城鎮(zhèn)化水平、人口城鎮(zhèn)化、土地城鎮(zhèn)化和經(jīng)濟(jì)城鎮(zhèn)化,是解釋變量；C1、C2是常數(shù)項(xiàng)；a、b、c和d是解釋變量的最小二乘估計(jì)系數(shù)；W是(n×n)的空間鄰接權(quán)重矩陣,相鄰為1,否則為0；β、βi(i=1,2,3)是解釋變量的極大似然估計(jì)系數(shù)；ε是隨機(jī)誤差項(xiàng)；μ是不可觀測因素向量；λ是誤差項(xiàng)交互效應(yīng)(Wμ)的系數(shù)。

2 研究結(jié)果

2.1 城鎮(zhèn)化水平的時空演變特征

本文基于城鎮(zhèn)化水平綜合評價(jià)指標(biāo)體系,采用熵值法計(jì)算得出城市的城鎮(zhèn)化水平。為更好呈現(xiàn)城鎮(zhèn)化進(jìn)程的階段特征,根據(jù)諾瑟姆的“S曲線理論”,將城鎮(zhèn)化水平劃分為萌芽發(fā)展(I階段,[0, 0.10))、初步發(fā)展(II階段,[0.10, 0.25))、快速發(fā)展(III階段,[0.25, 0.50))和高度發(fā)達(dá)(IV階段,[0.50, 1])4個階段[26](圖1)。

圖1 我國城鎮(zhèn)化水平的動態(tài)變化Fig.1 Evolution of the urbanization comprehensive level from 2010 to 2015 in China

從時間進(jìn)程來看,全國城市城鎮(zhèn)化水平整體明顯提高,平均得分由2010年的0.0792增加到2015年的0.0987,增長了24.62%(表3)。2010年到2015年,城鎮(zhèn)化水平得分變化以327個城市的得分升高為主,城鎮(zhèn)化水平階段變化表現(xiàn)出維持原階段無變化(291個)和由低級階段向高一級階段的單向轉(zhuǎn)化(42個)兩大特征。其中,單向轉(zhuǎn)化中包括33個萌芽發(fā)展階段升為初步發(fā)展階段、7個初步發(fā)展階段升為快速發(fā)展階段以及2個快速發(fā)展階段升為高度發(fā)達(dá)階段。具體到各發(fā)展階段來看,萌芽發(fā)展階段樣本量遠(yuǎn)大于其他3個階段,樣本量雖由244個降至211個,樣本占比減少了9.91%,但城鎮(zhèn)化水平均值由0.0521提高到0.0582,提高了11.71%,表明我國城市城鎮(zhèn)化水平以萌芽發(fā)展階段為主,同時萌芽發(fā)展階段整體水平穩(wěn)步提升。其次,初步發(fā)展階段樣本量由83個增至109個,樣本占比增加了7.81%,同時均值由0.1407提高至0.1469,提高了4.41%,說明初步發(fā)展階段樣本量和整體水平均呈現(xiàn)良好的發(fā)展趨勢。再次,快速發(fā)展階段樣本量雖由6個提高到11個,增加了1.5%,但均值由0.3310減少至0.3086,降低了6.77%,可見由低階段轉(zhuǎn)入城市得分未能彌補(bǔ)該階段轉(zhuǎn)出至高階段所引起的均值變動,即快速發(fā)展階段整體發(fā)展存在波動性。截止至2015年,僅上海市、深圳市率先邁入高度發(fā)達(dá)階段。

從空間分布來看,全國城市城鎮(zhèn)化水平空間格局整體呈現(xiàn)“東高-西低,南高-北低”態(tài)勢,表現(xiàn)為較弱的空間正相關(guān)分布。2010年城鎮(zhèn)化水平階段全局Moran′sI指數(shù)0.48(P=0.001),2015年為0.49(P=0.001),無較大變動。實(shí)現(xiàn)城鎮(zhèn)化水平跨階段的城市中,由萌芽發(fā)展轉(zhuǎn)化為初步發(fā)展的33個城市(篇幅原因不再逐一列舉)空間分布均勻,表明全國城市城鎮(zhèn)化發(fā)展比較均衡；由初步發(fā)展轉(zhuǎn)化為快速發(fā)展的7個城市分別為天津市、南京市、無錫市、蘇州市、廈門市、武漢市和中山市,其中南京市、無錫市和蘇州市3個城市均屬于長江三角洲城市群,說明該區(qū)域城鎮(zhèn)化進(jìn)程快于其他地區(qū)；由快速發(fā)展轉(zhuǎn)化為高度發(fā)達(dá)的2個城市分別是上海市和深圳市,均位于沿海地區(qū)。進(jìn)一步,局部LISA聚類地圖顯示,2010年到2015年,高-高相關(guān)分布在京津冀大都市區(qū)、中原城市群、長江三角洲和珠江三角洲城市群等地區(qū),呈條帶狀延伸趨勢；低-高相關(guān)則主要沿高-高相關(guān)區(qū)邊緣分布,樣本明顯減少；高-低相關(guān)除重慶市、成都市、長沙市和撫順市外等城市外,新增西北地區(qū)的阿拉善盟、海西蒙古族藏族自治州和東北地區(qū)的哈爾濱市(圖2)。

表3 城鎮(zhèn)化水平階段變化

圖2 我國城鎮(zhèn)化水平的空間集聚特征Fig.2 Spatial agglomeration characteristics of urbanization level in China

2.2 生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)能力的時空演變特征

本文基于生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)綜合評價(jià)指標(biāo)體系,通過主成分分析法計(jì)算得出城市的生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)能力。為保持與城鎮(zhèn)化水平階段的一致性,通過K-means聚類方法,將生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)能力劃分為一般(1級,[0, 0.15))、中等(2級,[0.15, 0.32))、較好(3級,[0.32, 0.51))和良好(4級,[0.51, 1])4個等級(圖3)。

圖3 我國生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)能力的動態(tài)變化Fig.3 Evolution of the ecosystem services comprehensive capacity from 2010 to 2015 in China

從時間進(jìn)程來看,全國城市生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)能力整體好轉(zhuǎn),均值由2010年的0.2542升高到2015年的0.2621,提高了3.11%；但仍有81個城市生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)能力出現(xiàn)惡化,這81個城市的均值由2010年的0.1201下降至2015年的0.1183,降低了1.50%(表4)。2010年到2015年,全國城市生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)能力以改善為主,但惡化問題依然存在,不容忽視；生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)能力等級轉(zhuǎn)化樣本量較少,除維持原等級無變化(318個)和單向轉(zhuǎn)化(13個)外,出現(xiàn)高等級向低一級等級的逆向轉(zhuǎn)化(2個)。具體到各能力等級發(fā)現(xiàn),各等級樣本量均無較大變化,且一般、中等、較好和良好四個等級的樣本占比呈“金字塔”形狀逐級減少。其中,一般等級樣本量由121個減少至119個,樣本占比減少了0.6%,均值由0.0733將至0.0727,下降了0.82%,此外61個城市生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)能力惡化,占該等級2015年樣本量的51.26%,占惡化樣本總量的75.31%,即生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)能力惡化情況集中在一般等級,可見該等級更具脆弱性；中等等級樣本量由100個減少至97個,樣本占比減少了0.9%,均值由0.2252增加至0.2273,提高了0.9%,但仍有14個城市生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)能力下降,同時2個逆向轉(zhuǎn)化均出現(xiàn)在該等級中,表明該等級波動較大而且具有敏感性；較好和良好等級兩年間樣本占比總計(jì)在33%左右,均值提高在1%左右,雖有6個惡化城市,但沒有發(fā)生逆向轉(zhuǎn)出,說明相較于一般、中等兩等級而言,較好和良好等級生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)能力更具穩(wěn)定性。

表4 生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)能力等級變化

從空間分布來看,生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)能力整體呈現(xiàn)“東南高-西北低”特征,空間聚集現(xiàn)象顯著；生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)能力惡化的城市集中分布在西北、華北、東北和華東北部等地區(qū)。2010年、2015年生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)能力等級Moran′sI指數(shù)分別為0.86(P=0.001)、0.87(P=0.001),均大于0.8,表現(xiàn)出顯著且強(qiáng)烈的空間正相關(guān)分布(圖4)。影響生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)能力的因素涵蓋地形、地貌、水文氣熱條件以及城市發(fā)展模式、經(jīng)濟(jì)結(jié)構(gòu)等多個方面,其中自然本底因素決定著生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)能力,社會經(jīng)濟(jì)環(huán)境則維持或改變著生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)能力。例如,地形因素控制著中小尺度空間的水熱資源分配,決定太陽輻射量、溫度、土壤礦化速率、植被分布等環(huán)境條件與生態(tài)過程；城市中建成區(qū)面積擴(kuò)張、土地利用類型的改變則擠壓生態(tài)空間,損耗原有生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)能力。局部LISA聚類地圖進(jìn)一步證實(shí)2010年到2015年生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)能力空間格局確無較大變動：空間分布以高-高、低-低兩種空間正相關(guān)為主,高-高相關(guān)主要分布在中南、華東地區(qū),低-低相關(guān)主要分布在西北、華北地區(qū)。

圖4 我國生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)能力的空間集聚特征Fig.4 Spatial agglomeration characteristics of ecosystem services capacity in China

2.3 城鎮(zhèn)化水平與生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)能力耦合變化特征

將城鎮(zhèn)化水平階段與生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)能力等級進(jìn)行疊置,構(gòu)造2010年、2015年疊置類型轉(zhuǎn)移表,探索城鎮(zhèn)化進(jìn)程中的生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)能力變化情況(圖5)。城鎮(zhèn)化水平4階段與生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)能力4等級實(shí)際年際變化發(fā)生組合共計(jì)26類,其中10類為維持不變,剩余16類可分為生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)能力等級提高(4類)、城鎮(zhèn)化水平階段提升(10類)、城鎮(zhèn)化水平階段與生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)能力等級都提高(1類)和生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)能力等級降低(1類)共4種情況。維持不變樣本共計(jì)277個,樣本占比最大,為83.18%。另外,生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)能力等級提高樣本共計(jì)12個,城鎮(zhèn)化水平集中在萌芽發(fā)展階段；城鎮(zhèn)化水平階段提升樣本共計(jì)41個,其中生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)能力等級一般的12個、中等的11個、較好的10個、良好的8個,分布較均勻；城鎮(zhèn)化水平階段與生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)能力等級都提高樣本僅1個,為湖州市；南通市和阜陽市生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)能力等級降低,且城鎮(zhèn)化水平均處于初步發(fā)展階段。

圖5 2010年、2015年城市城鎮(zhèn)化水平與生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)能力疊置轉(zhuǎn)移矩陣Fig.5 Overlapping transfer matrix of city urbanization level and ecosystem service capacity in 2010 and 2015I-1：萌芽發(fā)展階段-一般等級；I-2：萌芽發(fā)展階段-中等等級；I-3：萌芽發(fā)展階段-較好等級；I-4：萌芽發(fā)展階段-良好等級；II-1：初步發(fā)展階段-一般等級；II-2：初步發(fā)展階段-中等等級；II-3：初步發(fā)展階段-較好等級；II-4：初步發(fā)展-階段良好等級；III-1：快速發(fā)展階段-一般等級；III-2：快速發(fā)展階段-中等等級；III-3：快速發(fā)展階段-較好等級；III-4：快速發(fā)展階段-良好等級；IV-1：高度發(fā)達(dá)階段-一般等級；IV-2：高度發(fā)達(dá)階段-中等等級；IV-3：高度發(fā)達(dá)階段-較好等級；IV-4：高度發(fā)達(dá)階段-良好等級

2.4 城鎮(zhèn)化與生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)耦合關(guān)系研究

為探索城鎮(zhèn)化與生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)間的關(guān)系,將生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)能力作為因變量、城鎮(zhèn)化水平及其子系統(tǒng)得分作為解釋變量,分別使用普通最小二乘回歸(OLS)和空間誤差模型(SEM)進(jìn)行估計(jì),通過模型結(jié)果比較分析兩者關(guān)系。模型結(jié)果如表5所示,模型1、模型2是生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)能力分別與城鎮(zhèn)化水平及人口城鎮(zhèn)化、土地城鎮(zhèn)化與經(jīng)濟(jì)城鎮(zhèn)化3個維度進(jìn)行線性回歸,模型3、模型4是空間計(jì)量回歸。模型結(jié)果顯示：單以擬合優(yōu)度而言,模型1和模型2分別為0.0021和0.0413,擬合效果并不理想,驗(yàn)證了城鎮(zhèn)化與生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)空間關(guān)系探索的必要性；相反,模型3與模型4的擬合優(yōu)度均大于0.9、對數(shù)似然函數(shù)值遠(yuǎn)大于線性模型,模型擬合效果良好。進(jìn)一步對模型3和模型4的估計(jì)結(jié)果進(jìn)行對比分析發(fā)現(xiàn)：就兩大系統(tǒng)整體而言,城鎮(zhèn)化水平估計(jì)系數(shù)為-0.1303,表現(xiàn)出對生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)的負(fù)向影響；具體到城鎮(zhèn)化各子系統(tǒng),人口、土地城鎮(zhèn)化估計(jì)系數(shù)分別為-0.2019和-0.2404,表現(xiàn)為負(fù)向脅迫,而經(jīng)濟(jì)城鎮(zhèn)化估計(jì)系數(shù)為0.1946,呈現(xiàn)出正向促進(jìn)。

3 討論

本文以中國城市為研究對象,將城鎮(zhèn)化和生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)看作是兩個相對獨(dú)立的系統(tǒng),構(gòu)建綜合評價(jià)指標(biāo)體系,測度2010年、2015年各城市的城鎮(zhèn)化水平和生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)能力,總結(jié)兩者的時間演變、空間特征,并探索城鎮(zhèn)化與生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)的空間關(guān)系,研究發(fā)現(xiàn)：

(1)城鎮(zhèn)化水平與生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)能力得分較高區(qū)域的空間分布差異明顯,人為因素已逐漸替代自然因素成為引發(fā)生態(tài)環(huán)境結(jié)構(gòu)改變的主導(dǎo)因素。

本研究經(jīng)局部空間自相關(guān)分析證實(shí),城鎮(zhèn)化水平與生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)能力空間格局存在較大差異,城鎮(zhèn)化以高-高相關(guān)的團(tuán)狀分布為主要特征,如京津冀、中原和長三角城市群等地區(qū)；生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)則為高-高相關(guān)分布在東南、低-低相關(guān)分布于西北的典型條帶狀特征。這是因?yàn)?城市是以市場、經(jīng)濟(jì)活動為主導(dǎo)的一類空間形式,空間格局受區(qū)位、政治、經(jīng)濟(jì)和文化等多方面人為因素驅(qū)動,空間集聚顯著但無規(guī)律性。已有研究表明我國地級市城鎮(zhèn)化空間格局趨于不均勻分布[25],大致表現(xiàn)為由東部沿海向西部地區(qū)降低,但空間交錯分布,分異規(guī)律尚不明顯,主要分布在東部、東南沿海以及東北和中南地區(qū)[27],與本文結(jié)論一致。其次,雖然本研究發(fā)現(xiàn)生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)受地形、地貌、降雨、土壤類型等多項(xiàng)空間差異性較大的自然條件影響,具有顯著的空間集聚、連續(xù)性規(guī)律,呈現(xiàn)沿西北-東南方向逐級升高特征,符合自然因素作為形成要素一定程度上決定著生態(tài)環(huán)境本底狀況[28]的學(xué)界認(rèn)識。模型結(jié)果顯示土地城鎮(zhèn)化系數(shù)絕對值最大,且為負(fù)向影響(-0.2404),即隨著經(jīng)濟(jì)工業(yè)化和社會城鎮(zhèn)化的急劇發(fā)展,城鎮(zhèn)化進(jìn)程中土地利用方式的劇烈變化才是改變生態(tài)環(huán)境組成、結(jié)構(gòu)的主導(dǎo)因素,同時這種變化往往不只是局部性的。

表5 線性模型與空間誤差模型估計(jì)結(jié)果

注：***、**、*分別表示1%、5%和10%的顯著性水平

基于此,本文建議重視城鎮(zhèn)化對生態(tài)空間的影響,加強(qiáng)經(jīng)濟(jì)、自然資源綜合部門的監(jiān)管權(quán)力與能力。尤其是在本輪政府機(jī)構(gòu)改革后,住建部已不具有城市行政區(qū)內(nèi)所有空間的規(guī)劃與監(jiān)管職能,專司建成區(qū)(含建成區(qū)內(nèi)生態(tài)空間)規(guī)劃和管理,會造成城市總體生態(tài)空間與城市建成區(qū)生態(tài)空間的監(jiān)管不一致情況。建議加強(qiáng)發(fā)改、國土等經(jīng)濟(jì)、自然資源統(tǒng)籌部門對城市行政區(qū)內(nèi)空間利用的統(tǒng)籌管理。

(2)不同地區(qū)城市生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)對城鎮(zhèn)化過程表現(xiàn)出不同的承載力及敏感度。

本研究基于2010年和2015年城鎮(zhèn)化水平與生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)能力變化的空間分析發(fā)現(xiàn),城鎮(zhèn)化進(jìn)程中的生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)變化主要呈現(xiàn)兩大趨勢。一是,東北、華東、中南及西南等中等、較好和良好生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)等級的空間集聚地區(qū),存在兩系統(tǒng)綜合得分或階段與等級同步改善的跡象,如深圳市、上海市城鎮(zhèn)化水平邁入高度發(fā)達(dá)階段,生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)能力亦同步提高。二是,西北、華北和華東等生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)能力等級一般地區(qū),鑒于生態(tài)本底的脆弱性和敏感性,城鎮(zhèn)化進(jìn)程極易損害生態(tài)系統(tǒng),生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)能力出現(xiàn)下降趨勢。已有研究指出區(qū)域資源稟賦、生態(tài)環(huán)境及經(jīng)濟(jì)社會差異導(dǎo)致城鎮(zhèn)化對不同類型生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)能力的影響不同[29],我國東部、中部、西部地區(qū)城鎮(zhèn)化水平與生態(tài)環(huán)境之間的響應(yīng)度呈現(xiàn)明顯的區(qū)域差異[30-31],本文印證了以上結(jié)論。

基于此,本文建議各區(qū)域有必要因地制宜探索城鎮(zhèn)化建設(shè)道路,基于生態(tài)環(huán)境基礎(chǔ)考慮社會經(jīng)濟(jì)發(fā)展,嘗試跨區(qū)域經(jīng)濟(jì)合作手段(如深汕合作區(qū))保障城鎮(zhèn)化發(fā)展,錯位利用生態(tài)環(huán)境資源。

(3)經(jīng)濟(jì)發(fā)展已成為改善生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)能力的有利抓手。

本研究將城鎮(zhèn)化水平及其各子系統(tǒng)分別進(jìn)行空間計(jì)量回歸分析得出,總體而言城鎮(zhèn)化目前對于生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)的整體影響仍以負(fù)向脅迫為主,即城鎮(zhèn)化水平每提高1個單位至少損耗0.1個單位的生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)能力。但深入研究城鎮(zhèn)化的3個維度,可以發(fā)現(xiàn)人口集聚、城市土地?cái)U(kuò)張等直接破壞生態(tài)系統(tǒng)服務(wù),人口、土地城鎮(zhèn)化得分每提高1個單位對應(yīng)生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)能力分別降低0.2019和0.2404個單位。而經(jīng)濟(jì)發(fā)展并不損耗生態(tài)系統(tǒng)服務(wù),并可在一定程度上緩解生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)壓力,表現(xiàn)為經(jīng)濟(jì)城鎮(zhèn)化每升高1個單位對應(yīng)生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)能力可改善0.1946個單位。對比現(xiàn)有研究成果,謝銳等[32-33]指出城鎮(zhèn)化作為影響生態(tài)環(huán)境質(zhì)量的決定性因素,不僅有助于本地生態(tài)環(huán)境質(zhì)量的改善,同時促進(jìn)周邊城市生態(tài)環(huán)境質(zhì)量的提升。也有研究認(rèn)為城鎮(zhèn)化率提高[34]、經(jīng)濟(jì)增長[35]以及第三產(chǎn)業(yè)比重增加[36]等指標(biāo)對生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)具有負(fù)向影響。深入分析這些迥異的結(jié)論及其成因,發(fā)現(xiàn)一些研究僅以單一指標(biāo)量化城鎮(zhèn)化或城鎮(zhèn)化某一維度,進(jìn)行關(guān)系研究時也未考慮兩系統(tǒng)間的宏、微觀聯(lián)系。

基于該結(jié)論,本文建議城市城鎮(zhèn)化過程中應(yīng)保障經(jīng)濟(jì)發(fā)展速度,同時控制人口規(guī)模、避免過度集中,減緩城市擴(kuò)張速度、提高土地利用效率。認(rèn)為優(yōu)化產(chǎn)業(yè)結(jié)構(gòu)、加快產(chǎn)業(yè)轉(zhuǎn)型是確保城鎮(zhèn)化進(jìn)程最小程度影響甚至同步改善生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)能力的有效途徑。

(4)后續(xù)研究尚待開展工作。

本文在進(jìn)行空間計(jì)量分析時,誤差交互項(xiàng)在兩空間誤差模型中均通過顯著性檢驗(yàn),即回歸模型誤差項(xiàng)存在空間依賴性,說明可能存在除城鎮(zhèn)化外遺漏的解釋變量并且這些解釋變量會通過鄰接城市交互作用于當(dāng)?shù)厣鷳B(tài)系統(tǒng)服務(wù)。鑒于全國尺度城市城鎮(zhèn)化與生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)關(guān)系研究以總結(jié)整體規(guī)律為主,并未對遺漏變量展開詳細(xì)討論,下一步工作擬選取各類型典型代表城市,進(jìn)行二者關(guān)系影響因素、驅(qū)動機(jī)制的研究與比較。

4 結(jié)論

針對城鎮(zhèn)化與生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)關(guān)系問題,本研究基于城鎮(zhèn)化水平、生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)能力綜合評價(jià)指標(biāo)體系,量化2010年和2015年城鎮(zhèn)化水平及階段、生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)能力及等級,并分析其時間序列和空間分布方面的特征,最后通過空間誤差模型測度生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)能力與城鎮(zhèn)化水平及各子系統(tǒng)得分關(guān)系。研究得到以下主要結(jié)論：(1)2010年到2015年城市城鎮(zhèn)化水平整體提高,以萌芽發(fā)展為主要階段,僅上海市和深圳市進(jìn)入高度發(fā)達(dá)階段,生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)能力雖整體提高,但西北、華北地區(qū)惡化形勢嚴(yán)峻,生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)能力易受城鎮(zhèn)化發(fā)展脅迫,城鎮(zhèn)化水平與生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)能力空間分布差異較大；(2)不同區(qū)域城市生態(tài)系統(tǒng)呈現(xiàn)出不同的承載力及敏感度,生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)能力較低的區(qū)域更容易受城鎮(zhèn)化進(jìn)程擾動；(3)生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)能力與城鎮(zhèn)化水平、人口城鎮(zhèn)化及土地城鎮(zhèn)化呈負(fù)向關(guān)系,與經(jīng)濟(jì)城鎮(zhèn)化為正向關(guān)系,宏觀、微觀關(guān)系均有顯著空間異質(zhì)性。因此,本文建議重視城鎮(zhèn)化對生態(tài)空間的影響,加強(qiáng)城市各部門間對行政區(qū)內(nèi)空間利用的統(tǒng)籌規(guī)劃；嘗試跨區(qū)域經(jīng)濟(jì)合作手段保障城鎮(zhèn)化發(fā)展,實(shí)現(xiàn)生態(tài)環(huán)境資源共享與互補(bǔ)；優(yōu)化產(chǎn)業(yè)結(jié)構(gòu)、加快產(chǎn)業(yè)轉(zhuǎn)型的同時,控制人口過度集聚和城市空間的粗放擴(kuò)張。