基于格網(wǎng)的石漠化地區(qū)生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)與經(jīng)濟空間耦合

朱昌麗， 周忠發(fā)， 吳 躍， 譚瑋頤， 馬國璇， 安 丹

(1.貴州師范大學 地理與環(huán)境科學學院/喀斯特研究院, 貴州 貴陽 550001; 2.貴州省喀斯特山地生態(tài)環(huán)境國家重點實驗室培育基地, 貴州 貴陽 550001; 3.國家喀斯特石漠化防治工程技術(shù)研究中心, 貴州 貴陽 550001)

隨著社會經(jīng)濟的發(fā)展，生態(tài)環(huán)境遭受一定程度上的破壞，如何兼顧發(fā)展與保護是新時期面臨的主要問題。1962年，《寂靜的春天》的問世，被認為是人類制止科技破壞環(huán)境的第一槍[1]。隨后，Boulding K E提出經(jīng)濟發(fā)展中的環(huán)境問題已經(jīng)從數(shù)量問題變成了質(zhì)量問題[2]。1972年《增長的極限》提出資源問題、環(huán)境污染及人口增長等全球性的問題[3]。1987年《我們共同的未來》提出了“可持續(xù)發(fā)展”的概念，要同時兼顧經(jīng)濟發(fā)展和環(huán)境保護這兩個重大問題[4]。1992年的環(huán)境與發(fā)展大會通過的《21世紀議程》成為了指導(dǎo)全球可持續(xù)發(fā)展的綱領(lǐng)性文件[5]。為促進世界各國經(jīng)濟發(fā)展、社會包容以及環(huán)境保護，2012年的聯(lián)合國可持續(xù)發(fā)展會議提出了“可持續(xù)發(fā)展目標”[6]。生態(tài)與經(jīng)濟的耦合協(xié)調(diào)，有利于調(diào)節(jié)生態(tài)環(huán)境與經(jīng)濟發(fā)展間的矛盾，為區(qū)域生態(tài)系統(tǒng)與社會經(jīng)濟的發(fā)展提供科學依據(jù)[7]。學者們從生態(tài)環(huán)境與經(jīng)濟發(fā)展間的耦合關(guān)系[8]、協(xié)調(diào)發(fā)展[9]及時空演變[10]等方面進行了研究，提出了區(qū)域經(jīng)濟與生態(tài)協(xié)調(diào)發(fā)展的政策建議，但當前對生態(tài)與經(jīng)濟的耦合協(xié)調(diào)研究大多局限于大尺度，缺少精細化的小尺度分析。

石漠化地區(qū)地形破碎，水土流失與石漠化對當?shù)厣鷳B(tài)環(huán)境和人類生存環(huán)境產(chǎn)生了嚴重威脅。如何將生態(tài)環(huán)境治理與經(jīng)濟發(fā)展結(jié)合是石漠化地區(qū)可持續(xù)發(fā)展首要解決的任務(wù)。借鑒其他研究成果[11]，選取國內(nèi)生產(chǎn)總值(GDP，gross domestic product)作為衡量經(jīng)濟發(fā)展的重要指標。為實現(xiàn)社會經(jīng)濟數(shù)據(jù)空間化表達，建立生態(tài)系統(tǒng)與GDP的空間聯(lián)系?，F(xiàn)有的GDP數(shù)據(jù)空間化方法主要分為4種類型：面積—距離加權(quán)法、夜間燈光指數(shù)法、多源遙感數(shù)據(jù)、地表覆蓋的空間化方法[12-14]?？λ固厣絽^(qū)大多屬于多云雨且夜間燈光較弱甚至無燈光的地區(qū)，夜間燈光指數(shù)法與基于多源遙感數(shù)據(jù)的空間化方法在研究區(qū)不適用，且面積—距離加權(quán)法不能反映GDP在空間上的實際分布?；诘乇砀采w的數(shù)據(jù)空間化方法[15]是目前較為常用的空間化方法，該方法能體現(xiàn)土地利用與產(chǎn)業(yè)分布的空間特征，因此本文采用基于地表覆蓋的空間化方法來對石漠化地區(qū)GDP進行空間格網(wǎng)化處理。

本文以位于石漠化地區(qū)的貴州省盤州市為例，定量評估盤州市生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)價值與GDP，利用土地利用覆蓋的數(shù)據(jù)空間化方法對GDP進行格網(wǎng)化，計算生態(tài)系統(tǒng)與GDP間在空間上的耦合協(xié)調(diào)性。打破行政邊界的限制，實現(xiàn)經(jīng)濟與生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)空間上的耦合，為改進生態(tài)環(huán)境脆弱區(qū)生態(tài)環(huán)境與經(jīng)濟發(fā)展間的矛盾提供一定科學依據(jù)。

1 研究區(qū)概況

盤州市地處滇、黔交界處(25°19′36″—26°17′36″N，104°17′46″—104°57′46″E)，云南高原向黔中高原過渡的斜坡部位、廣西丘陵與黔西北高原之間的過渡地帶[16]，國土面積4 056 km2。地勢總體上東部和南部較低，西北高，中南部隆起[17]。盤州市是典型的石漠化重點區(qū)域，2015年石漠化面積達1 190.44 km2，占區(qū)域總面積的29.35%。此外，盤州市社會經(jīng)濟發(fā)展相對滯后，屬于14個集中連片特困地區(qū)中的烏蒙山區(qū)范疇，2015年貧困發(fā)生率為16.64%，高出全國平均水平的10.97%。

2 數(shù)據(jù)來源與研究方法

2.1 數(shù)據(jù)來源

研究數(shù)據(jù)主要包括盤州市2015年土地利用及社會經(jīng)濟數(shù)據(jù)。2015年土地利用數(shù)據(jù)來源于貴州省測繪地理信息行政主管部門。社會經(jīng)濟數(shù)據(jù)來源于六盤水市生態(tài)移民局；生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)基礎(chǔ)單價計算所涉及的社會經(jīng)濟數(shù)據(jù)主要來源于《全國農(nóng)產(chǎn)品收益匯編2016》及《六盤水統(tǒng)計年鑒2016》。利用ArcGIS軟件對盤州市社會經(jīng)濟和土地利用數(shù)據(jù)進行網(wǎng)格化處理，考慮到石漠化地區(qū)破碎的地形及數(shù)據(jù)處理的難度，將網(wǎng)格大小設(shè)置為500 m×500 m。

2.2 研究方法

2.2.1 生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)價值 借鑒謝高地等[18]提出的全國生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)價值(ESV，ecological service value)當量表，經(jīng)過修正之后，計算研究區(qū)ESV。計算方法如下：首先，對土地利用數(shù)據(jù)進行歸并，將土地利用歸并到相近的地類，建設(shè)用地被認為沒有ESV[18-20]，所以建設(shè)用地ESV為0；其次，根據(jù)2015年盤州市平均糧食單產(chǎn)和全國糧食平均出售價格，計算2015年盤州市1 hm2農(nóng)田所生產(chǎn)的糧食的經(jīng)濟價值，即盤州市ESV核算單價；最后，計算研究區(qū)格網(wǎng)尺度下ESV，計算公式為[21]：

(1)

式中：ESVn為第n個格網(wǎng)的生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)價值(元)；Akn為第n個格網(wǎng)上第k類土地利用面積(hm2)；VCkf為第k類型土地利用第f項服務(wù)功能單位面積的服務(wù)價值(元)。

2.2.2 GDP空間化 土地承載了國民經(jīng)濟活動，土地利用是GDP產(chǎn)生的基礎(chǔ)[22]。根據(jù)黃瑩等[23]，劉紅輝等[24]發(fā)現(xiàn)的一、二、三產(chǎn)產(chǎn)值與土地利用方式的對應(yīng)關(guān)系。結(jié)合各產(chǎn)業(yè)產(chǎn)值統(tǒng)計數(shù)據(jù)，將各行政單元內(nèi)各產(chǎn)業(yè)產(chǎn)值分配到不同的土地利用方式上，再將格網(wǎng)內(nèi)的各產(chǎn)業(yè)的產(chǎn)值相加，最終得到網(wǎng)格GDP的產(chǎn)值即經(jīng)濟空間化值。

2.2.3 耦合協(xié)調(diào)度模型 1999年廖重斌[25]推導(dǎo)出協(xié)調(diào)度和協(xié)調(diào)發(fā)展度的計算模型，之后逐漸演變成耦合度、協(xié)調(diào)度及耦合協(xié)調(diào)度等計算模型[26-27]，在分析兩個及以上系統(tǒng)間的空間相關(guān)性中耦合協(xié)調(diào)度應(yīng)用最廣，故利用耦合協(xié)調(diào)度模型分析ESV與GDP兩者間的相關(guān)關(guān)系。其公式[28]如下：

(2)

T=α×ESV+β×GDP

(3)

(4)

式中：C為耦合度；k取值為2。耦合度C表征ESV與GDP相互影響的強弱程度。D為耦合協(xié)調(diào)度；T為ESV與GDP的綜合評價指數(shù)；α,β為待定系數(shù)，本文認為ESV與GDP同等重要，故α,β均取值為0.5。

2.2.4 空間分異分析 為反映ESV與GDP耦合協(xié)調(diào)度在空間上的分布特征，利用ArcGIS中的空間統(tǒng)計工具，對其空間自相關(guān)系數(shù)進行計算，檢驗兩者間的耦合協(xié)調(diào)度的值在空間上是否顯著相關(guān)[29]。此外，0≤D≤1，D值越大，ESV與GDP兩者間的耦合協(xié)調(diào)發(fā)展程度越高，因此，借鑒環(huán)境與經(jīng)濟協(xié)調(diào)發(fā)展分類體系[25]，結(jié)合研究區(qū)實際情況，將研究區(qū)格網(wǎng)協(xié)調(diào)發(fā)展類型分為2個一級類4個二級類和12個三級類(見表1)。

表1 盤州市生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)價值(ESV)與國內(nèi)生產(chǎn)總值(GDP)耦合協(xié)調(diào)度類型分類

3 結(jié)果與分析

3.1 ESV空間分析

2015年盤州市林草地面積分別占全域總面積的45.60%和10.30%，林草覆蓋率為55.90%，生態(tài)環(huán)境良好。利用調(diào)整后的ESV評價模型對盤州市ESV進行計算，其中針葉林生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)價值總量最高，為3.30×108元(見表2)。受土地利用狀況的影響，ESV在空間上呈零散分布(見圖1)。單個格網(wǎng)的ESV平均值為476.83元，最大值為3 365.24元，最小值為0元?？臻g分布總體呈現(xiàn)出東高西低、南北高中部低。利用ArcGIS軟件對ESV的值進行冷熱點分析，得到ESV空間分布的冷點和熱點區(qū)域分布(見封3附圖11)。盤州市ESV熱點區(qū)主要集中在東北部的普古彝族苗族鄉(xiāng)、淤泥彝族鄉(xiāng)及?；缱逡妥遴l(xiāng)等少數(shù)民族鄉(xiāng)鎮(zhèn)。中國少數(shù)民族大多都有自然崇拜，正是因為這種自然崇拜，少數(shù)民族集聚區(qū)的生態(tài)環(huán)境保護較好。ESV的冷點區(qū)主要集中在經(jīng)濟發(fā)展較快且城市化率較高的鄉(xiāng)鎮(zhèn)政府駐地及人口較為集中的行政村。

圖1 盤州市生態(tài)服務(wù)價值(ESV)空間分布特征

3.2 GDP空間分析

基于地表覆蓋的GDP數(shù)據(jù)空間化方法，將盤州市各行政區(qū)GDP數(shù)據(jù)分散到格網(wǎng)上(見圖2)。盤州市GDP空間差異較大，最小值落在石橋鎮(zhèn)土地利用為裸地的格網(wǎng)上，最大7 029.92元落在縣政府所在的亦資街道土地利用為建設(shè)用地的格網(wǎng)上?？傮w來看，盤州市GDP在空間上呈現(xiàn)出局部高的特點，GDP高值區(qū)主要集中在石橋鎮(zhèn)、亦資街道、翰林街道等地。石橋鎮(zhèn)是盤州市重要的工業(yè)鎮(zhèn)，境內(nèi)有11個煤礦，區(qū)域GDP產(chǎn)值較高。亦資街道、翰林街道是盤州市重要的政治、經(jīng)濟、文化中心。利用ArcGIS軟件對GDP的值進行冷熱點分析，得到GDP空間分布的冷點和熱點區(qū)域分布(見封3附圖12)。盤州市GDP在空間上沒有顯著的冷點區(qū)，熱點區(qū)主要集中在石橋鎮(zhèn)。

圖2 盤州市國內(nèi)生產(chǎn)總值(GDP)空間分布

3.3 耦合協(xié)調(diào)空間自相關(guān)與集聚效應(yīng)

利用耦合協(xié)調(diào)度模型，計算出ESV與GDP空間耦合協(xié)調(diào)度。并利用ArcGIS計算盤州市耦合協(xié)調(diào)度空間自相關(guān)系數(shù)(MoranI)，得到 MoranI值為0.75，p值為0<0.05，即盤州市耦合協(xié)調(diào)度在空間上存在明顯的自相關(guān)性，說明盤州市ESV與GDP在空間上的協(xié)調(diào)發(fā)展程度分布具有規(guī)律性。

從附圖13(見封3)可以看出，盤州市ESV與GDP空間耦合協(xié)調(diào)度值在0～0.493 4之間，耦合協(xié)調(diào)度主要受GDP和ESV的共同影響，GDP和ESV兩者間由具有一定的矛盾性。耦合協(xié)調(diào)度較高的區(qū)域主要集中在盤州市西部的石橋鎮(zhèn)、亦資街道、紅果街道，南部大山鎮(zhèn)以及東北部普古彝族苗族鄉(xiāng)和淤泥彝族鄉(xiāng)南部，耦合協(xié)調(diào)度低的區(qū)域主要分布在盤州市東南部、北部以及中部。

3.4 耦合協(xié)調(diào)空間分布

對盤州市生態(tài)服務(wù)價值ESV與國內(nèi)生產(chǎn)總值GDP耦合協(xié)調(diào)度進行分類，其空間分布如圖3所示。嚴重失調(diào)衰退經(jīng)濟損益型(H1)占區(qū)域總面積的79.95%，嚴重失調(diào)衰退生態(tài)—經(jīng)濟共損型(H2)與嚴重失調(diào)衰退生態(tài)損益型(H3)僅占區(qū)域總面積的0.02%和0.06%。中度失調(diào)衰退類占區(qū)域總面積的15.42%，其中中度失調(diào)衰退經(jīng)濟損益型(M1)占中度中度失調(diào)衰退類總面積的95.44%，主要分布在盤州市東南部的大山鎮(zhèn)、西部的紅果街道和亦資街道及東北部的普古彝族苗族鄉(xiāng)和淤泥彝族鄉(xiāng)南部。輕度失調(diào)衰退類占區(qū)域總面積的3.98%，其中輕度失調(diào)衰退生態(tài)損益型(L3)占輕度失調(diào)衰退類總面積的53.33%，主要分布在石橋鎮(zhèn)、淤泥彝族鄉(xiāng)南部以及雞場坪鎮(zhèn)西北部。瀕臨衰退失調(diào)類僅占區(qū)域總面積的0.57%，不存在瀕臨衰退失調(diào)經(jīng)濟損益型(D1)，瀕臨衰退失調(diào)生態(tài)損益型(D3)占瀕臨衰退失調(diào)類總面積的81.52%，主要分布在石橋鎮(zhèn)。

注：H1為嚴重失調(diào)衰退經(jīng)濟損益型； H2為嚴重失調(diào)衰退生態(tài)—經(jīng)濟共損型； H3為嚴重失調(diào)衰退生態(tài)損益型； M1為中度失調(diào)衰退經(jīng)濟損益型；M2為中度失調(diào)衰退生態(tài)—經(jīng)濟共損型； M3為中度失調(diào)衰退生態(tài)損益型； L1為輕度失調(diào)衰退經(jīng)濟損益型； L2為輕度失調(diào)衰退生態(tài)—經(jīng)濟共損型； L3為輕度失調(diào)衰退生態(tài)損益型； D2為瀕臨衰退失調(diào)生態(tài)—經(jīng)濟共損型； D3為瀕臨衰退失調(diào)生態(tài)損益型。

4 結(jié)論與討論

4.1 結(jié) 論

本文基于格網(wǎng)尺度，對研究區(qū)ESV與GDP進行了計算，并利用耦合協(xié)調(diào)模型，對研究區(qū)ESV與GDP耦合協(xié)調(diào)發(fā)展程度進行定量評估，結(jié)果表明：

(1) 盤州市格網(wǎng)ESV的平均值為476.83元。ESV的熱點區(qū)主要分布在東北部的幾個少數(shù)民族鄉(xiāng)鎮(zhèn)，該區(qū)域主要以是坡上草原風景名勝區(qū)分布區(qū)域，生態(tài)環(huán)境良好。此外，其他風景名勝區(qū)與自然保護區(qū)的ESV也相對較高。冷點區(qū)主要分布在經(jīng)濟發(fā)展較快且城市化率較高的鄉(xiāng)鎮(zhèn)政府駐地及人口較為集中的行政村，該區(qū)域建設(shè)用地分布集中，以第二產(chǎn)業(yè)為主要產(chǎn)業(yè)，生態(tài)環(huán)境破壞較大。

(2) 盤州市格網(wǎng)GDP差距較大，在空間上呈現(xiàn)出局部高的特點。高值區(qū)主要集中第二產(chǎn)業(yè)或第三產(chǎn)業(yè)發(fā)展較好的區(qū)域，2015年盤州市第二產(chǎn)業(yè)增加值和第三產(chǎn)業(yè)增加值分別是第一產(chǎn)業(yè)增加值的6.33倍和3.06倍。第二、三產(chǎn)業(yè)發(fā)展較好的石橋鎮(zhèn)、亦資街道、翰林街道等工業(yè)鎮(zhèn)和政治、經(jīng)濟、文化中心GDP值較高。

(3) 盤州市ESV與GDP耦合協(xié)調(diào)度值較低，空間上的協(xié)調(diào)發(fā)展程度分布具有規(guī)律性，耦合協(xié)調(diào)度較低的區(qū)域主要分布在盤州市東南部、北部以及中部。耦合協(xié)調(diào)度較高的區(qū)域經(jīng)濟發(fā)展和生態(tài)環(huán)境保護均較好，主要以第三產(chǎn)業(yè)為主導(dǎo)產(chǎn)業(yè)，同時兼顧生態(tài)與經(jīng)濟。

(4) 盤州市ESV與GDP耦合協(xié)調(diào)度類型以嚴重失調(diào)衰退經(jīng)濟損益型為主，占區(qū)域總面積的79.95%，分布在盤州市二、三產(chǎn)業(yè)發(fā)展較差的區(qū)域；瀕臨衰退失調(diào)面積僅占區(qū)域總面積的0.57%，其中瀕臨衰退失調(diào)生態(tài)損益型占瀕臨衰退失調(diào)類總面積的81.52%，主要分在西南部的石橋鎮(zhèn)。在盤州市資源型城市轉(zhuǎn)型的時期，加快第二產(chǎn)業(yè)向第三產(chǎn)業(yè)轉(zhuǎn)型，發(fā)展全域旅游有利于促進區(qū)域生態(tài)環(huán)境保護與經(jīng)濟協(xié)調(diào)發(fā)展。

4.2 討 論

結(jié)合盤州市石漠化數(shù)據(jù)對ESV與GDP空間耦合進行了分析，發(fā)現(xiàn)嚴重失調(diào)衰退生態(tài)—經(jīng)濟共損型和嚴重失調(diào)衰退生態(tài)損益型的石漠化面積占嚴重失調(diào)衰退類總面積的36.96%，高出盤州市平均石漠化比例的7.61%；瀕臨衰退失調(diào)經(jīng)濟損益型的石漠化面積占瀕臨衰退失調(diào)類總面積的30.86%；輕度失調(diào)衰退類和中度失調(diào)衰退類石漠化面積比重低于全市平均石漠化面積比重。ESV與GDP空間耦合和石漠化面積比例之間的規(guī)律并不顯著，其關(guān)聯(lián)性有待進一步深入研究。

本文利用GDP空間化的方法，打破行政界線，實現(xiàn)ESV與GDP空間上的耦合?；诟窬W(wǎng)尺度定量測算了ESV與GDP耦合協(xié)調(diào)度，揭示了研究區(qū)ESV與GDP協(xié)調(diào)發(fā)展的分異特征。盤州市ESV與GDP空間耦合協(xié)調(diào)度較低，這與現(xiàn)實生活中發(fā)展與保護間的矛盾有很大的聯(lián)系。水體、森林等ESV較高的地類產(chǎn)生的GDP較低，建設(shè)用地的ESV為0，但卻是GDP產(chǎn)值最高的地類，ESV與GDP之間存在一定的矛盾。而風景名勝區(qū)實現(xiàn)了生態(tài)環(huán)境保護與經(jīng)濟發(fā)展的協(xié)調(diào)，未來山區(qū)發(fā)展山地旅游將是助推區(qū)域經(jīng)濟與環(huán)境協(xié)同發(fā)展的一個思路，這也與盤州市資源轉(zhuǎn)型的發(fā)展思路一致。因研究區(qū)地形破碎，利用地理探測器對區(qū)域耦合協(xié)調(diào)度進行驅(qū)動力分析時，效果并不顯著，故本文并未在文中對驅(qū)動力進行分析。后續(xù)研究將進一步對石漠化地區(qū)生態(tài)與經(jīng)濟耦合協(xié)調(diào)度的驅(qū)動力指標選擇、方法及時空變化上進行研究，以便更深層次剖析發(fā)展與保護之間的矛盾。此外，精細的社會經(jīng)濟數(shù)據(jù)空間化一直是當前研究面臨的難題，如何攻克這個難題？值得思考及深入研究。