湖北省城鎮化發展水平與生態服務價值關系研究

摘要：以湖北省1996-2008年為時間切入點，分別對以DMSP/OLS夜間燈光指數所體現的城鎮化強度和以生態服務價值為代表的生態效益的時空變化及其之間的相關關系進行分析，探討城鎮化發展及生態服務價值之間的關系。結果顯示，①在研究期間，湖北省城鎮化強度經歷了從最初較為分散的形態，演變為以武漢城市圈為中心的高值區集聚分布的狀態，增長程度整體上由東至西依次遞減；東部地區以武漢市為最高極，以圈狀形態依次向外逐級減弱，西部地區除各地級市所在區域外，均呈現普遍低增長的態勢。②生態服務價值方面，呈現“兩頭高、中間低”的基本形態，生態服務價值減少的區域主要集中于中部江漢平原和鄂北襄陽盆地地區，以各地級市及其周邊縣市區所在地最為嚴重；增加較為明顯的區域則主要集中于鄂西秦巴、武陵山區以及鄂東幕阜山及武漢城市圈周邊長江沿岸地區。③通過相關性分析說明，城鎮化的推進與生態服務價值并非相互制約。從總體上看，城鎮化的高強度和生態服務價值的低下在不同時期確實成正比，但城鎮化強度的大幅增長并非會同樣導致相同程度的生態服務價值的損失。城鎮化與生態環境的關系符合環境庫茲涅茨曲線，即城鎮化的推進并不一定一直會對生態服務價值產生破壞，當城鎮化發展所創造的大量社會財富能夠反補于生態環境時，兩者之間可以實現協調發展。

關鍵詞：城鎮化；燈光指數；生態服務價值；湖北省

中圖分類號：F301.2 文獻標識碼：A 文章編號：0439-8114（2016）02-0515-07

DOI：10.14088/j.cnki.issn0439-8114.2016.02.063

當前中國城鎮化的高速發展推動了經濟和社會的全面進步，并極大地提高了城鄉居民的生活水平。同時，城鎮化所導致的嚴重的生態環境問題也日益顯現出來，建設用地對生態用地的大量侵占，工業和生活垃圾的不合理排放等等，已經成為制約中國經濟社會可持續發展的瓶頸。目前，中國已經提出要走新型城鎮化道路，將生態文明建設放到突出位置，使經濟與生態文明建設協調發展。然而，城鎮化是否必然會導致生態環境的破壞，這是一個充滿爭議的問題。著名的環境庫茲涅茨曲線表明，生態環境的污染程度與收入成倒U形曲線關系，即經濟增長初期環境污染較輕，隨著收入的增加其污染程度越來越深；當收入達到一定程度后，環境污染反而開始隨著收入增長而減少。這就在理論上否定了前面提出的生態悖論，說明隨著經濟發展到一定程度，經濟和生態環境是可以協調發展的。當然，這只是理論上的分析。為此，本研究以湖北省為實證案例，通過分析其城鎮化和生態環境變化之間的關系來對城鎮化所產生的生態效益進行深入探討。

對城鎮化程度水平的研究主要有主要指標法和復合指標法[1-3]。近些年來，指標的選取和體系的構建都有著相應的進展，但由于不同背景的學科對相關概念和定義的理解存在差異，造成不同時間、不同地區之間可比性不夠；另外，大多數研究都基于統計數據，由于數據的難獲取性和統計工作中存在的不確定性，數據的可信度和及時性難以保證[4]。因此，本研究采用美國軍事氣象衛星（DMSP）搭載的OLS傳感器所提供的夜間燈光指數來反映城鎮化程度，OLS傳感器能夠探測到城市燈光甚至小規模居民點和車流等產生的低強度燈光，可以間接地反映人類生產生活的強度信息，國內外許多學者已經證實該數據可以用于反映城鎮化強度，并用于相關的研究[5-8]。

表達生態效益方面選擇的指標是生態服務價值。生態系統服務功能是指生態系統和生態過程所形成和所維持的人類賴以生存的自然效用[9]。生態服務價值則是其功能效用的價值化體現形式[10]。近來的研究已證明，利用土地利用/覆蓋來評價生態系統服務價值是可行的[11，12]。因此，本研究借助謝高地等[13]在Constanza等[14]研究的基礎上所繪制的中國生態系統服務價值當量因子表，對湖北省各縣市的生態服務價值進行估算，并依據歸一化植被指數（NDVI）按照生物量的差異對其進行修正。

綜上，本研究將對以DMSP/OLS夜間燈光指數所體現的城鎮化強度和以生態服務價值為代表的生態效益的時空變化和相關關系進行分析，以1996-2008年為時間切入點，探討城鎮化及其生態效益之間的關系，為新型城鎮化的發展提供科學支撐。

1 研究區概況

湖北省地處中國中部腹地，長江中游，位于中國地勢第二階梯和第三階梯過渡地帶，地勢大致為東、西、北三面環山，中間低平，略呈向南敞開的不完整盆地。省內地貌由中南部向周圍山地逐漸上升，呈馬蹄形層次分布的特點。鄂西地區主要以山地為主，西北為秦嶺東延部分和大巴山的東段，中間是雄奇壯美的長江三峽，長江由此橫穿而過，西南則是武陵山和大婁山的北延部分。鄂中地區低洼的腹地則是坦蕩寬闊的江漢平原，其間湖泊密布，河網交織，大片田洋分布其中。往北則是大洪山低山丘陵區，漢水由此而過，其間形成地勢較為平坦的鄂北平原崗地區。鄂東地區兩側主要為綿亙于豫、鄂、皖邊境桐柏―大別山系和蜿蜒于湘、鄂、贛邊境的幕阜山脈，中間長江橫貫而過，江湖沖擊而形成平坦的鄂東沿江平原。

2 數據來源和研究方法

2.1 數據來源與處理

生態服務價值的計算使用的是2008年土地利用數據，來自湖北省國土資源廳提供的第二次全國土地利用現狀調查數據，其縣級尺度上采用的是1∶1萬的比例尺，數據精度可靠。對生態服務價值進行生物量修訂的NDVI值則來源于SPOT-Vegetation（2008年）的逐旬數據（數據來源于黑河計劃數據管理中心）。

社會經濟數據包括第一產業值、第二產業值、第三產業值，GDP總量和人口總量等，數據均來源于湖北省統計局網站所公布的各縣統計年鑒。本研究以湖北省91個縣（市、區）為評價單元，按縣分別統計上述各項數據。

本研究采用的代表城鎮化水平的是美國國家海洋大氣管理局（NOAA）美國國家地球物理數據中心（NGDC）發布的第四版本的非輻射定標夜間燈光平均強度數據，該數據是1976年發射的美國軍事氣象衛星DMSP（Defense meteorological satellite program）攜帶的OLS（Operational linescan system）傳感器探測到的夜間低強度燈光，可以綜合反映人類的活動信息，其空間分辨率為1 km，DN（Digital number）值范圍0～63，表示無云夜間燈光出現的頻率，其值越高表示人類生產活動越頻繁，可以間接反映城鎮化的強度大小[13，14]。依據本研究需要，提取其2008年數據。

3 結果與分析

3.1 城鎮化強度時空變化分析

從兩期地均燈光指數的各項總體統計指標（表2）可以看到，最大值、最小值、總量和均值均呈現增加趨勢，說明在12年研究期間，湖北省的城鎮化強度有著整體上的提升。標準差也有大幅度的增長，說明數值的離散程度在增加，反映出各個地區城鎮化強度的差距在加大。

從局部地區來看，在研究期間，湖北省除沙洋縣外，其余所有縣（市區）地均燈光指數均呈增長態勢。圖1反映的是在研究期間各地區地均燈光指數增加程度不同等級的情況。利用自然間斷點法（Jenks）將其增加程度劃分為6個等級，使各級內部方差和最小。從圖1中可以看到最為明顯呈現高增長幅度的是以武漢市為中心的周邊地區，其中武漢市及其東西湖區的地均燈光強度增加最大，分別增加2 176和1 691，位于第一等級；而其周邊的蔡甸、江夏、黃州、鄂城、黃石各縣市增幅則位于第二等級，位于武漢市郊的黃陂、新洲以及同屬武漢城市圈的孝南、大冶、咸安等縣市增長幅度也較高，位于第二等級；而襄陽市的兩個城區以及宜昌市指數增幅也較高，均位于第二、三等級，這成為指數增幅均較低的廣大鄂西地區中的兩個例外。另外可以看到，在等級較低的地區中，鄂東地區仍然普遍強于鄂西地區，鄂西地區除了十堰、恩施、宜昌、襄陽幾個地級市區所在的區域，其余地區均為第六等級區域。因此，湖北省的城鎮化增長強度整體由東至西依次遞減，東部地區則以武漢市為最高極，以圈狀形態依次向外逐級減弱，西部地區則除各地級市所在區域外，均呈現普遍的低增長的態勢。

空間自相關指數反映其內部各指標集聚的程度。見圖2，研究期間，湖北省地均燈光指數的全局Moran’I從0.115 7增加到0.246 3，說明在整體上湖北省各縣市的城鎮化強度的集中趨勢越來越明顯；而由局部Moran’I的LISA圖則可以清晰地看到，武漢城市圈的城鎮化程度在1996年還未形成集聚化形態，其武漢市的市郊黃陂、新洲、江夏屬于L-H型區域，即周邊城鎮化程度較高而自身卻較低的地區，而在2008年則形成整體性的城鎮化程度高值集聚區。L-L值區在鄂西地區形成大片的集聚區，2008年其范圍較之1996年還有所增大，結合圖2城鎮化強度增加的程度分析，這主要是由于東部地區的增長程度較高，而使得西部地區的燈光指數值相對差距更大，因此其低值集聚區范圍越發有所擴大。

3.2 生態服務價值時空變化分析

從兩期地均ESV指數的統計數據（表3）來看，與燈光指數一樣，其總量、均值皆有大幅提升，而標準差也愈大，最小值和最大值的絕對值也變大，說明湖北省生態服務價值在研究期間總體上有所提升，但地區間的差距加大。

從各縣市生態服務價值的增減情況（圖3）來看，鄂西地區除個別縣市如宜昌市、長陽、五峰等外，其余生態服務價值均呈增長趨勢；中部地區則除仙桃、監利、洪湖、隨縣等地區外全部呈減少趨勢；東部地區則有增有減，但總體上大別山和幕阜山所在地區均呈現增長趨勢，而生態服務價值減少的地區則主要落在武漢城市圈內的幾個縣市。利用自然間斷點法（Jenks）將其增減程度各自劃分為3個等級，對于生態服務價值減少的區域可以清晰地看到，各個地級市所在區域往往是減少程度最高的地區，以荊州、襄陽、孝感市為中心的江漢平原和鄂北平原崗地地區則成為生態服務價值減少程度較高的集中區域。其原因主要是該區域是湖北省主要的糧食產區，研究期間耕地增長較快，造成了對其他單位面積生態服務價值較高的地類的占用，而地級市所在區域則由于建設用地擴張而對其影響更為嚴重。鄂西山區、桐柏-大別山以及幕阜山地區的生態服務價值的增長則主要得益于退耕還林、天保工程等國家級生態恢復工程的大力推進，高單位面積生態服務價值的林地的大幅度增長有效增加了這些區域的生物量，提高了其生態服務價值水平。

分析兩期數據的空間自相關程度（圖4）可以發現，1996 — 2008年Moran’I從0.492 1提升到0.706 9，其空間上，高低聚集趨勢越發明顯，從局部Moran’I的LISA圖可以看到，與上述生態服務價值增減的情況相對應，生態服務價值高值和低值集聚區分別在西部地區和中部地區擴展開來。

3.3 城鎮化與生態服務功能的相關性分析

為分析城鎮化與生態服務功能之間的相互關系，本研究用Pearson相關系數來定量衡量兩期數據的相關性和相關方向，并且為了進一步揭示城鎮化程度變化對生態服務功能變化所造成的影響，對兩者的時序變異系數也進行了相關分析（表4），其結果顯示，兩期數據的生態服務價值和燈光指數間均存在一定程度的負相關性，并通過顯著性檢驗（P<0.05），而且2008年的相關性相比1996年的絕對值大，相關程度更高。這說明城鎮化和生態效益是存在一定的負相關的，即城鎮化程度較高的地區往往其生態效益方面較低，或者生態效益較高的地區城鎮化程度卻較低，并且該現象在2008年相比1996年表現得更為明顯。

生態服務價值和燈光指數的時序變異系數可以反映兩者在時間上變化的離散程度，對兩者的變異系數進行相關分析則可以揭示生態服務價值和燈光指數之間的變化是否存在關聯。可以看到，變異系數之間的相關系數不僅很低（-0.181），并且未通過顯著性檢驗，表明兩者之間不存在相關性，即城鎮化程度的變化與生態效益的變化并沒有多大關聯，換個角度理解，也可以說從湖北省整體上來看，城鎮化對生態環境的影響并沒有如想象的產生那么大的負效應。

結合圖1和圖3，從局部地區生態服務價值及燈光指數的變化可以更清晰地理解上述現象。從湖北省城鎮化強度增加程度的三級階梯來看，東部武漢城市圈城鎮化強度增加程度最大，但其中除武漢市區、梁子湖區、漢南區、黃州區等少數地區外，諸如黃陂、新洲、東西湖、蔡甸、江夏、洪湖、仙桃等地的生態服務價值均呈現出增長態勢；中部地區的城鎮化強度則屬于中等，但其生態服務價值減少的程度均相對較高；鄂西地區城鎮化強度普遍較低，但其生態服務價值的增長也較高。因此可以看到，只有鄂西地區的城鎮化強度變化和生態服務價值變化呈負相關，而其他地區則關聯性不強。當然，另外一個比較明顯的現象是，地級市所在地往往也遵循這種負相關的規律，這些地區通常是城鎮化強度增長較高地區，其生態服務價值減少的程度也較大。

3.4 城鎮化的生態效益分析

城鎮化最直接的結果即是對生態環境造成的破壞，建設用地對生態用地的大量占用導致了水質保護、氣候調節、生物多樣性維持等多方面生態服務功能的減弱，這一點對于直接受其影響的城鎮居民來說有著切身的體會；但另一方面，城鎮化帶來的經濟增長所積累的財富又可以反補于生態建設，通過國家的各項生態保護和補償政策落實到各個地區，對生態恢復、保護起到了間接的積極作用。將城鎮化的這種直接和間接作用的關系處理好，可以將城鎮化對生態環境的正效益發揮到最大。

以所研究的湖北省為例，城鎮化與生態環境的保護并非是相互制約的。當然從總體上看，城鎮化的高強度和生態效益的低下在不同時期確實成正比（燈光指數和生態服務價值存在負相關性），但是城鎮化強度的大幅增長并非會同樣導致相同程度的生態效益的損失（燈光指數和生態服務價值各自的時序變異系數不存在相關性）。具體地來講，一方面以各個地級市為核心的高強度城鎮化地區同時也往往是生態環境負效益較高的地區，但另一方面，武漢城市圈的實例又提供了一個城鎮化與生態保護協調發展的一種可能，即在高速城鎮化的同時區域內大部分地區生態效益又有明顯提升。1998年洪水過后，政府痛定思痛，在長江流域全面推行退田還湖和植樹造林等大型生態恢復工程，武漢城市圈長江沿岸各地區更是身先士卒，區域內的湖泊水域和林地等生態用地大量恢復，不僅對地區洪水調蓄能力起到了改善作用，并使整體的生態服務功能得到了提升；另外這十幾年正是城市圈城鎮化高速發展的時期，其帶來的經濟效益恰好為這些生態恢復工程提供了重要的資金支持，從而為這一良性循環提供了制度性支撐。武漢城市圈作為“兩型社會”（資源節約型和環境友好型社會）建設綜合配套改革試驗區，確實在協調經濟發展和生態保護方面值得借鑒。

4 結論與討論

本研究以湖北省為研究區域，以1996年和2008年兩個時間點為參考，利用DMSP/OLS夜間燈光數據和生態服務價值分別代表其城鎮化強度和生態效益，對兩者的時空變化以及相關關系進行了分析，揭示了湖北省城鎮化對其生態效益產生的影響，得到如下結論。

1）在研究期間，湖北省的城鎮化強度經歷了從最初較為分散的形態，演變為以武漢城市圈為中心高值區集聚分布的狀態，增長程度整體上由東至西依次遞減，東部地區則以武漢市為最高極，以圈狀形態依次向外逐級減弱，西部地區則除各地級市所在區域外，均呈現普遍的低增長的態勢。

2）生態服務價值方面，則呈現“兩頭高、中間低”的基本形態，生態服務價值減少的區域主要集中于中部江漢平原和鄂北襄陽盆地地區，以各地級市及其周邊縣市區所在地最為嚴重；增加較為明顯的區域則主要集中于鄂西秦巴、武陵山區，以及鄂東幕阜山及武漢城市圈周邊長江沿岸地區。

3）通過相關性分析可以說明，城鎮化的推進與生態保護并非相互制約。從總體上看，城鎮化的高強度和生態效益的低下在不同時期確實成正比，但城鎮化強度的大幅增長并非會同樣導致相同程度的生態效益的損失。這一點在“兩型社會”試點的武漢城市圈體現得尤為明顯，其城鎮化與生態協調發展的模式值得借鑒。

由此可以看到，城鎮化的推進并不一定會最終帶來生態環境效益的破壞，反而在一定條件下可以改善生態環境，即城鎮化和生態保護是可以并行推進的，這符合環境庫茲涅茨曲線的理論。然而，單純地將該理論作為對生態環境狀況保持樂觀的理由，并認為城鎮化的發展最終會自行解決其帶來的生態環境問題是十分危險的，因為環境庫茲涅茨曲線“拐點”的出現是有條件的，即在城鎮化所帶來的經濟效益提高的同時，必須有合理的生態環境改良政策給予支撐。經濟發展所帶來的資金積累只是為生態環境的改善創造了有力條件，只有當城鎮化發展所創造的大量社會財富能夠真正反補于生態環境的時候，兩者之間的協調發展才能夠實現。

參考文獻

[1] 傅 超，劉彥隨.我國城鎮化和土地利用非農化關系分析及協調發展策略[J].經濟地理，2013（3）：47-51.

[2] 張春梅，張小林，吳啟焰，等.發達地區城鎮化質量的測度及其提升對策——以江蘇省為例[J].經濟地理，2012（7）：50-55.

[3] 張 郁，楊青山.基于利益視角的城市化與生態環境耦合關系診斷方法研究[J].經濟地理，2014（4）：166-170.

[4] 卓 莉，陳 晉，史培軍，等.基于夜間燈光數據的中國人口密度模擬[J].地理學報，2005，60（2）：266-276.

[5] 陳 晉，卓 莉，史培軍，等.基于DMSP/OLS數據的中國城市化過程研究——反映區域城市化水平的燈光指數的構建[J].遙感學報，2003，7（3）：168-175.

[6] ELVIDGE C D，BAUGH K E，HOBSON V H. Satellite inventory of human settlements using nocturnal radiation emission：A contribution for the global tool chest[J]. Global Change Biol， 1997，3：387-791.

[7] 王曉慧.基于DMSP/OLS夜間燈光數據的中國近30年城鎮擴展研究[D].南京：南京大學，2013.

[8] 劉焱序，吳文恒，溫曉金，等.晉陜蒙能源區城鎮化過程及其對生態環境的影響[J].地理研究，2013，32（11）：2009-2020.

[9] 李文華.生態系統服務功能價值評估的理論、方法與應用[M].北京：中國人民大學出版社，2008.

[10]DAILY G C. Societal dependence on natural ecosystems[M]. Washington DC： Island Press， 1997.

[11]畢曉麗，葛劍平.基于IGBP土地覆蓋類型的中國陸地生態系統服務功能價值評估[J].山地學報，2004，22（1）：48-53.

[12]LEEMANS H B J，GROOT R D.Ecosystems and human well-beings：A framework for assessment（Millennium Ecosystem Assessment）[M].Washington DC： Island Press，2005.

[13]謝高地，甄 霖，魯春霞，等.一個基于專家知識的生態系統服務價值化方法[J].自然資源學報，2008，23（5）：911-919.

[14]COSTANZA R，D′ARGE R，DE GROOT R，et al.The value of the world’s ecosystem services and natural capital[J].Nature， 1997，387：253-260.

[15] ANSELIN L. Local indicators of spatial association—LISA[J]. Geographical Analysis，1992，27（2）：94-113.

[16]謝高地，魯春霞，冷允法，等.青藏高原生態資產的價值評估[J].自然資源學報，2003，18（2）：189-196.

[17]徐麗芬，許學工，羅 濤，等.基于土地利用的生態系統服務價值當量修訂方法——以渤海灣沿岸為例[J].地理研究，2012， 31（10）：1775-1784.

[18]霍天陽.基于生物量的十堰市森林生態系統服務價值評價[D].北京：北京林業大學，2009.

[19]李素英，李曉兵，鶯 歌，等.基于植被指數的典型草原區生物量模型——以內蒙古錫林浩特市為例[J].植物生態學報，2007， 31（1）：23-31.