青島都市圈生態系統服務-經濟發展時空協調性分析及優化利用

秦曉川,付碧宏

1 中國科學院空天信息創新研究院, 北京 1000942 中國科學院大學, 北京 100049

生態系統服務是生態系統直接或間接貢獻于人類福祉的產品和服務[1]。20世紀以來,高強度的人類活動對生態系統帶來了巨大的沖擊和破壞[2],全球60%以上的生態系統服務產生明顯的退化現象[3]。隨著生態環境問題的惡化,定量評估生態系統服務價值(Ecosystem Service Value, ESV)已成為生態學、環境經濟學和可持續發展領域越來越受關注的主題[4]。生態系統服務量化的研究主要從三方面展開,分別是能值分析法、物質量評價法、價值量評價法[5]。其中,價值量評價法基于生物量或土地利用的利益轉移方法完成[6],雖然在一定程度上缺乏對生態系統過程的關注[7],但由于簡化計算而被廣泛使用。Costanza等[1]率先利用基本價值轉移法對全球ESV進行了估算,為區域尺度ESV評估提供了參考方法[8]。由于生態系統的復雜性與差異性[9],價值當量在不同研究地區存在著差異性[2]。謝高地等[10- 12]結合中國實際情況修訂建立了當量因子表及動態評估方案,為國內ESV核算與演化研究提供了重要依據[13],目前該評估方案仍在不斷修訂與完善中[12]。近年來,隨著遙感與GIS等空間信息技術的快速發展,國內外學者圍繞全球[14-15]、國家[16-17]、區域[18-19]等不同尺度,針對流域[20-21]、綠地[22-23]、城市群[24-25]等不同研究對象,探究土地利用變化[26-27]、經濟發展[28-29]、景觀格局演變[30- 32]等對ESV的影響,并展開了廣泛而深入的研究。

價值量評價法的優勢除了計算直觀易用,還在于其結果能引起人們對區域生態系統服務的重視,因為人們對貨幣值的感知更為明顯[5]。ESV是區域生態系統服務的綜合化與定量化[33],將其表征于貨幣經濟的核算方式,有助于比較生態系統保護與經濟社會發展之間的關系。吳建寨等[33]使用ESV與GDP數據構建了生態經濟協調度指數,據此對區域生態經濟發展的協調水平進行評價；王建華等[34]在此基礎上建立了ICEE指數,使其可以比較任意給定時間間隔的生態經濟協調水平；謝高地等[35]比較了2010年中國各地區ESV與GDP及人均ESV、人均GDP的數值大小,研究發現中國在經濟人口密集區域的ESV相對經濟社會價值具有高度稀缺性；Li等[4]通過變異系數、泰爾指數描述了ESV和GDP的整體集中程度。前人的研究工作估算了區域生態與經濟發展的趨勢差異,但仍難以闡明兩者空間分布上是否協調一致。為度量城市生態系統保護與經濟增長之間的平衡關系,有必要刻畫、闡明區域生態系統服務與經濟發展的空間分布的差異特征。

作為中國海洋產業創新基地以及山東省高質量發展的核心引擎之一,青島都市圈出現城鎮建設用地快遞增長、年降水量趨于減少、濱海岸線生態退化[36]等現象,生態環境壓力日趨嚴峻,成為觀測與協同考量生態系統服務價值與社會經濟發展變化的獨特窗口。近年來,已有學者對山東省[37- 41]、山東半島[42-43]及青島市[44- 47]、濰坊市[48-49]的生態系統服務時空演變展開研究,但對ESV單位面積價值當量時空差異的考慮較為有限,且均未對生態系統服務與經濟發展之間關系開展深入分析和研究。

因此,本文以青島都市圈為研究區,基于1990年、2004年、2017年三期Landsat衛星遙感數據及經濟統計數據,使用當量因子法對ESV進行核算,進而構建生態系統服務與經濟一致性指數,以探討其時空差異特征,并通過驅動因子分析,提出區域生態系統服務與經濟平衡發展的優化建議,以期為政策制定者提供參考依據。

1 研究區域與研究數據

1.1 研究區概況

青島都市圈(118°10′—121°28′E、35°35′—37°19′N)位于中國沿海,地處山東半島南部,東、南瀕臨黃海,地勢西南、東北兩側隆起。如圖1所示,青島都市圈轄青島、濰坊兩個地級市以及煙臺的萊陽和海陽兩個縣級市,陸域面積為3.01×104km2。2017年,青島都市圈占山東省面積和人口約五分之一,GDP產出占四分之一。青島都市圈是承擔山東乃至全國海洋戰略的主要空間載體。

圖1 衛星遙感圖像顯示青島都市圈的空間位置Fig.1 Satellite images showing the location of the Qingdao Metropolitan Region

1.2 數據來源與預處理

本文基于青島都市圈1990年、2004年、2017年的Landsat TM/OLI遙感影像數據(下載自https://glovis.usgs.gov)。在ArcGIS 10.2與ENVI平臺支持下,對3期遙感影像數據進行定標、大氣校正、拼接、裁剪等預處理。根據《土地利用現狀分類標準》(GB/T 21010- 2007)和青島都市圈土地利用的結構特點,使用隨機森林算法對其進行分類,將土地利用類型分為6種：農田、林地、草地、水域、建設用地、未利用地,結合Google Earth及野外實地調查驗證,其總體精度分別為92.46%、94.20%、94.18%,Kappa值分別為0.89、0.92、0.92。研究區高程數據獲取自地理空間數據云(http://www.gscloud.cn/),交通路網數據獲取自OpenStreetMap(https://www.openstreetmap.org/),年均溫、年降水量數據獲取自國家氣象科學數據中心(http://data.cma.cn/)；經濟社會統計數據來自相關年份的《山東省統計年鑒》、《青島市統計年鑒》、《濰坊市統計年鑒》、《煙臺市統計年鑒》、《中國農產品價格調查年鑒》等。

2 研究方法

2.1 生態系統服務價值系數修正

2.1.1生態系統服務價值當量因子價值量修正

針對本文研究區,結合播種面積、研究區主要作物產量和主要農作物相應的國家平均價格,采用公式(1)計算單位面積糧食生產服務的經濟價值。

(1)

式中,Ea為農田單位面積糧食生產服務價格(元/hm2),n為作物數量,k為作物類型,pk為全國平均價格(元/t),qk為第k種作物的產量(t),mk為第k種作物的播種面積(hm2)。

山東省主要農作物品種包括小麥、玉米和大豆,從山東省統計年鑒中獲得其播種面積與產量,自《中國農業價格調查年鑒》獲取其全國農產品集貿市場年度價格(根據價格指數,轉換為2004年不變價),如表1 所示。計算得到青島都市圈的單位面積糧食生產服務經濟價值,1990年為870.70元/hm2。2004年為1178.28元/hm2,2017年為1228.57元/hm2。

表1 青島都市圈主要農作物產量、價格及播種面積

2.1.2生態系統服務價值當量修正

參考《1∶1 000 000 中國植被圖集》,青島都市圈植被以針葉林和灌草叢為主。據此結合謝高地等[12]修訂的中國單位面積生態服務價值當量,為青島都市圈各土地利用類型的不同生態系統服務進行價值當量賦值(表2)。

表2 青島都市圈單位面積生態系統服務價值當量

此外,針對區域生態系統服務功能及其價值量的空間異質性,考慮研究區實際情況與數據可獲取程度,參考謝高地等[12]和雷軍成等[50]、徐麗芬等[51]引入時空調節因子對生態系統服務進行時空動態評估的方法,開展單元格尺度的修訂。選取植被覆蓋度指數作為生態系統食物生產、原料生產、氣體調節、氣候調節、凈化環境、土壤保持、維持養分循環、生物多樣性和美學景觀功能(水域及未利用地NDVI多為負值,故不參與修訂)的修訂指標,選取降水量作為生態系統水資源供給、水文調節服務功能的修訂指標。通過公式(2)進行逐單元格修訂。

(2)

(3)

式中,f為植被覆蓋度,NDVIsoil為裸土土地單元對應的NDVI值,NDVIvegetable為全植被土地像元對應的NDVI值。

2.2 生態系統服務價值評估

基于前述修正后的單位面積生態系統服務價值當量,以及1個標準單位生態系統服務價值當量因子的價值量,通過公式(4)計算研究區生態系統服務價值。

(4)

式中,ESV為研究區總生態系統服務價值(元),A為研究區面積(hm2)。

2.3 生態系統服務與經濟發展的空間一致性

本文通過計算變異系數(Coefficient of Variation,CV)與泰爾指數(Theil,T)測度ESV與GDP各自的整體差異,并通過構建生態系統服務與經濟發展一致性模型以表征各個城市ESV與GDP之間的空間分布差異。

2.3.1變異系數與泰爾指數計算

CV是無量綱指標,適用于具有不同單位或不同均值的數據集之間的比較,本文使用CV描述青島都市圈ESV和GDP各自的分散或集中程度,由公式(5)定義[53]。

(5)

式中,Y0為都市圈ESV或GDP的平均值,n為城市數量,Yi為第i個城市ESV或GDP的值。CV值越大,代表地區生態系統服務差異或者經濟發展差異越大。

泰爾指數是用于衡量經濟不平等的統計量,考慮到城市之間的差異,本文使用面積作為加權來衡量城市之間的不平等,由公式(6)定義[4]。

(6)

式中,n為城市數量,Yi為第i個城市的ESV或GDP的值,Y為都市圈ESV或GDP的總值,Si為第i個城市的面積,S為都市圈的總面積。泰爾指數的值介于0與1之間,數值越大代表研究區域生態系統服務或經濟發展差異越大。

2.3.2生態系統服務與經濟發展一致性模型構建

為反映某一城市生態系統服務資源和經濟發展的協調程度,參考人口經濟一致性指數[54],使用在整個區域內該城市的ESV占比與GDP占比的比值構建生態系統服務與經濟發展一致性指數(Consistency of Ecosystem services and Economy,簡稱CEE),來衡量生態系統服務與經濟發展分布的時空差異,由公式(7)定義。

(7)

式中,CEEi與RESVi、RGDPi分別是第i個城市的生態系統服務與經濟發展一致性指數和生態系統服務集聚水平、經濟集聚水平。

由于自然資源稟賦與社會經濟發展要素之間的差異,生態系統服務與經濟的空間分布并不是要求兩者的集聚水平完全一致,但兩者若存在較大的不協調,無疑代表著區域經濟發展的落后情況或區域經濟發展存在著潛在的生態危機。對于區域生態系統服務與經濟發展而言,CEE越偏離1,表明該區域生態系統服務與經濟分布協調性越差,反之,區域生態系統服務與經濟發展協調性越好,區域生態系統服務與經濟空間協調程度越高。參考人口經濟一致性指數分類標準[54- 57],根據一致性指數數值大小將青島都市圈生態系統服務與經濟協調性程度分為5類,如表3所示。

表3 生態系統服務與經濟發展協調性分類

2.4 地理探測器

地理探測器是用以探測變量空間分異性及其背后驅動力的統計學方法,通過計算q統計量以度量因子解釋能力,q值由表達式(8)定義。

(8)

3 結果與分析

3.1 土地利用變化

表4總結了1990—2017年青島都市圈土地利用各類型占比的變化。從土地利用各類型面積及其變化情況上,研究期間農田始終是研究區最主要的土地利用類型,其他5種土地利用類型共約占總面積的20%；農田與水域先增加后減少,其中1990—2004年間水域面積增加99.73%,2004—2017年減少28.57%；土地利用變化受到城鎮化進程的影響,城鎮用地面積增加,27年間凈增加4078.89 km2；林地、草地、未利用地的用地規模均有所減少。

1990—2017年青島都市圈各類用地類型的分布如圖2所示。轉換數量上,農田轉出率15.96%,其中14.17%流向城鎮用地。城鎮用地的擴張主要通過占用其周邊農田完成。轉換模式上,農田流向城鎮用地、林地流向農田、草地流向農田是土地利用類型轉換的主要類型,分別占總面積的11.52%、4.93%、4.02%?？臻g分布上,西南、東北兩側山地地區集中出現林地和草地轉換為農田的現象,農田轉為水域主要發生在峽山湖、牟山水庫、產芝水庫等地；流向城鎮用地的轉換類型在膠州灣沿線低平地區的海積平原尤為集中,并聚集在青島開發高新區、藍色硅谷區、濰坊濱海新區等區域規劃項目建設區。

表4 青島都市圈土地利用各類型面積

圖2 青島都市圈土地利用類型及其變化Fig.2 Types of land use and their variations in Qingdao metropolitan region

3.2 生態系統服務價值變化

1990年,青島都市圈的總ESV為239.31億元,2004年為271.42億元,2017年為227.97億元；總體先增加后減少,1990—2004年ESV增長率為13.41%,2004—2017年下降率為16.01%?？臻g分布上(圖3),青島都市圈各縣域ESV呈現出西南和東北地區較高、中部區域較低的結構；1990—2017年間ESV減少的區域集中在研究區的西部與東部臨海地區,價值增加的區域則以河湖等水系增長區為主。

圖3 生態系統服務價值空間分布Fig.3 Spatial distribution of ecosystem services value

由表5可知,在各土地利用類型中,農田ESV占比最大,其次是林地與水域。1990—2004年間,得益于灘涂水域的保護和全省河道整改[39],青島都市圈水域面積有所增加,水域ESV上升幅度達145.92%,在一定程度上彌補并減緩了其他生態用地流失的減損；2004—2017年間,城市建設用地擴張進程不斷加快,增加了對農田的占用,且氣候變化導致青島都市圈年降水量存在減少趨勢[36],水域面積受到影響并減少28.57%,致使總ESV下降。

表5 青島都市圈土地利用類型生態系統服務價值變化

青島都市圈各項生態系統服務價值變化(表6)表明,整體上,調節服務>供給服務>支持服務>文化服務。變化方面,1990—2004年間,供給與調節服務ESV均上升,其原因是農田與水域的ESV在此期間有所上升；2004—2017年間,各項服務價值均有所下降。

3.3 生態系統服務與經濟發展的協調性分析

據統計,青島都市圈1990、2004、2017年的GDP分別是782.86、3627.50、17598.09億元,表明在此期間該區經濟加速發展,其變化不同于ESV的變化。使用公式(5)(6)對以ESV為代表的生態系統服務差異、以GDP為代表的經濟發展差異進行定量分析,結果如表7所示。

所有GDP的CV值均大于ESV的CV值,表明GDP的差異性大于ESV的差異性。ESV與GDP的CV值隨時間均有所下降,表明ESV和GDP的區域差異都在不斷減小。結果顯示,1990—2017年間,青島都市圈縣域之間GDP差異程度大于ESV差異程度,且ESV與GDP各自的區域差異程度在研究期間均有所減小。

表6 青島都市圈生態系統各項服務價值變化

表7 青島都市圈生態系統服務價值與GDP的變異系數CV與Theil指數

以面積比例加權的T值顯示,GDP的區域差異在研究期間減小,此變化趨勢與GDP的CV值結果一致。相比之下,ESV的Theil指數值非常低,表明ESV的區域差異較小。通過對比GDP與ESV的Theil指數值發現,即使考慮到面積的影響,青島都市圈的經濟發展差異仍遠大于生態系統服務空間分布的差異。

計算得到的生態系統服務與經濟一致性指數分布如圖4所示。青島都市圈生態系統服務與經濟發展整體呈現出不協調,其中,生態系統服務集聚高于經濟集聚的情況占據主導地位?？臻g分布上,經濟集聚高于生態系統服務集聚的地區多發生在東部沿海城市,生態系統服務集聚高于經濟集聚的情況集中于西北地區。時間序列上,1990—2017年間不協調范圍有所擴大,處于生態系統服務與經濟發展相對協調水平的縣級市數量由5下降為0；經濟集聚高于生態系統服務集聚的地區由青島市轄區與膠州展開擴張,面積由8.32%上升至25.39%；生態系統服務集聚高于經濟集聚的地區由東西兩端城市逐漸向中心地區發生,面積占比由58.93%上升至74.61%。

1990年,青島都市圈生態系統服務與經濟發展相對協調的縣級市有5個,經濟集聚高于生態系統服務集聚的情況發生在青島市市轄區和膠州市；得益于1984年被列為首批沿海開放城市,青島市集聚了山東半島城市群的優質經濟資本、人才技術優勢,實施市區東部開發戰略、建立青島保稅區,外貿經濟發展迅猛；而同期的濰坊和煙臺的萊陽、海陽市由于區位優勢不明顯,第三產業相對滯后,經濟發展較為落后。2004年,生態系統服務與經濟發展相對協調的縣級市數量下降到3個；在此期間,礦產經濟的壯大為濰坊市吸引優化了城市發展條件,故與1990年相比,濰坊市轄區進入經濟集聚高于生態系統服務集聚的類別。2017年,青島都市圈沒有評價類別屬于生態系統服務與經濟發展相對協調的縣級市,經濟集聚高于生態系統服務集聚的城市面積占比上升至25.39%,生態系統服務集聚高于經濟集聚的城市面積上升至74.61%；近年來青島市實施新舊動能轉換重大工程的速度不斷加快,經濟保持健康發展,由此經濟集聚區集中出現在青島市東部沿海地區；濰坊濱海于2010年升級為國家級經濟技術開發區,其交通等基礎配套設施不斷完善,經濟得到進一步發展；2015年萊陽與海陽分別通過了五龍河口濱海濕地海洋特別保護區、萬米沙灘國家級海洋特別保護區的規劃,推動了生物資源與生態系統保護,故展現出生態系統服務集聚高于經濟集聚的特征。

圖4 青島都市圈生態系統服務與經濟協調性分布Fig.4 Spatial distribution of coordination between ecosystem services and economic development of Qingdao metropolitan region

3.4 生態系統服務價值變化驅動因素探究

從土地利用的視角出發,總ESV下降的主要原因是低生態價值用地對高生態價值用地的占用與取代。首先,城市擴張進程中城鎮用地面積不斷增長,1990—2017年期間,在青島都市圈土地利用轉換類型中占比最大的是農田流向城鎮用地,占總面積的11.52%。城鎮用地典型擴張區如青島流亭國際機場周邊地區(圖5)：1990年時流亭機場的西側分布著養殖水面、北側分布著農田；到2004年時流亭機場的西側仍然還是養殖水面,但其北側農田已經變為城鎮建設用地；到了2017年時這兩處區域大部分地區都成了城鎮用地。其次,1990—2004年間,由于人口數量增長帶來的糧食需求,以及灘涂水域保護和全省河道整改[39],農田與水域面積出現了增加,這在一定程度上彌補了其他生態用地的流失影響。青島都市圈2004年總ESV較1990年上升32.11億元；而2017年較2004年而言,農田與水域面積分別減少8.87%與28.57%,致使2017年總ESV出現負增長；水域面積變化的典型區如濰坊市峽山湖(圖5),遙感圖像清楚地顯示出峽山湖2004年較1990年水域面積出現明顯增長,而2017年其面積減少勢頭有所遏制。

圖5 遙感圖像顯示青島都市圈的典型土地利用變化區Fig.5 Remote sensing images showing the typical variations of land use of Qingdao metropolitan area

進一步利用地理探測器對ESV減少的原因進行驅動因素探究,計算結果如表8所示?？梢钥闯?距城市中心的距離對ESV減少的解釋能力最強,表明ESV減少受城市化影響較為明顯。城市化進程促使城鎮用地擴張占用其他用地,包括建設過程中對食物、原料、水資源、土壤等資源的消耗,以及廢棄物、污染等的增加[59],均會導致ESV的下降。

表8 青島都市圈生態系統服務價值減少的驅動力q值

4 討論與建議

生態系統服務價值的科學評估是生態資源合理配置和生態環境有效保護的前提[25]。城市化快速發展伴隨著生態用地流失、生態系統服務下降和環境健康風險[60],對生態系統服務與經濟發展空間協調性的分析是平衡區域差異、優化區域空間布局、實現公平發展與可持續發展的基礎。本研究構建了生態系統服務與經濟發展一致性指數,對青島都市圈縣市級尺度各個城市的ESV與GDP空間協調性進行分析,可以為青島都市圈的區域生態系統服務與經濟發展空間布局優化方案提供重要基礎數據,并為今后其他地區開展生態經濟協調發展戰略提供參考。

結果表明,生態系統服務和經濟集聚整體呈現不平衡現象,其原因是青島都市圈內部資源與要素分布不均衡,山區林地茂密處及河湖水系集中區域等生態資源豐富區具有高生態價值,但經濟發展尚有進步空間；占據交通信息條件與人口資源等發展要素的發達區域,其生態價值占比又相對落后。而在青島都市圈2017年總ESV較1990年下降11.34億元的背景下,屬于生態系統服務與經濟發展不協調的類別的區域面積又進一步增加。基于以上背景,對生態系統服務與經濟發展不協調區域提出優化發展建議。

分析表明,土地利用視角下,研究區ESV下降主要受到城鎮化進程及高生態價值用地(如水域)流失的影響；驅動因子視角下,ESV減少受到距城市中心距離的影響最大。故對經濟集聚高于生態系統服務集聚的區域做出如下優化建議：在土地資源管理過程中,應當高度重視土地利用類型轉變對生態環境帶來的影響,加強建設用地集約高效利用,嚴格管控城市的低效蔓延,減少由于城市中心輻射下建設用地占用其他用地而引起的ESV下降；建立合理的定向化生態補償機制,為不同情況的區域做出針對性處理,完善區域生態修復治理的落實與保護。同時,按照“山水林田湖草是生命共同體”的系統理念,從“山水林田湖草”的生態全要素視角出發,在查清山體、水域、森林、海洋和保護區等重要生態功能要素的基礎上,識別并維護都市圈生態保護紅線,并進行生態全要素系統治理工作,確定問題核心后“對癥下藥”,對具備重要生態功能的要素實施加強保護。

而生態系統服務集聚高于經濟集聚的區域,應當借鑒經濟發展良好區域的發展模式,堅持產業轉型升級與推動高質量發展,多維度、綜合全面地探究新型城市化發展道路；切實發揮生態系統服務集聚、生態質量良好的優勢,積極探索具有區域特色的“綠水青山”城市化示范區,深度開拓新時代背景下綠色發展及現代化模式。另外,結果表明,青島都市圈經濟發展差異較生態系統服務差異更大,并且具有一定的城市集群發展效應。對于生態系統服務集聚高于經濟集聚的區域而言,其區位優勢不顯著,所具備的發展要素有所欠缺。因此,應當逐步實現內部核心區與副中心的職能劃定與疏散,深化都市圈協同聯動發展機制,全面挖掘各個區域的發展潛力,區域之間揚長補短,從而激發整個都市圈的協同高質量發展。

5 結論

本研究基于當量因子法對青島都市圈ESV進行了貨幣化定量核算,構建了生態系統服務與經濟一致性指數,探討了生態系統服務與經濟時空協調性特征及其優化利用,得出以下主要認識：

(1)時間尺度上,青島都市圈的總ESV出現先增后減,ESV 1990年為239.31億元,2004年增加至271.42億元,2017年減至227.97億元,與城鎮化進程及農田與水域面積的先增后減有關；空間分布上,各縣域ESV呈現出西南和東北側較高、中間夾層區域較低的結構特征。

(2)青島都市圈生態系統服務和經濟集聚表現出明顯不協調性,且不協調范圍在1990—2017年期間有所擴大。生態系統服務集聚高于經濟集聚的情況主要分布于青島都市圈西北方向的城市,而經濟集聚高于生態系統服務集聚的地區主要出現在青島都市圈東部沿海地帶。

(3)驅動因子分析表明ESV減少主要受到距城市中心的距離影響,建議在經濟集聚高于生態系統服務集聚的地區加強城鎮用地的集約化與高效利用,并從“山水林田湖草”的生態全要素視角出發,針對具備重要生態功能的要素加強保護。而對于生態系統服務集聚高于經濟集聚的地區,應積極探索新時代背景下生態產品轉化路徑,且進一步深化聯動機制,實現區域生態經濟協同發展。