東北三省縣域開發強度與生境質量的空間關系研究

楊 志 鵬，王 士 君*，田 俊 峰，馮 興 華

(1.東北師范大學地理科學學院，吉林 長春 130024；2.重慶大學公共管理學院，重慶 400044；3.江西師范大學地理與環境學院，江西 南昌 330022)

0 引言

隨著中國城鎮化和工業化的快速推進，區域開發強度逐步提升，部分地區出現國土空間開發失衡、生態環境污染嚴重等問題[1]，需權衡并協調生態文明建設中開發與保護的關系。區域開發建設過程中，開發活動干擾了生物棲息地質量，導致生物多樣性和生態系統服務能力降低，嚴重影響區域生態環境水平[2,3]。在生態文明建設與區域協同發展背景下，合理測度開發強度與生境質量的空間關系，有利于明晰區域開發與生態環境水平的相關性及耦合程度，對協調好開發與保護關系、科學構建均衡合理的國土空間開發格局意義重大。

開發強度和生境質量分別作為區域開發建設和生態環境水平的測度方式，一直是學術界關注的熱點。關于開發強度的評價，部分研究將建設用地面積占整個區域面積的比值作為評價開發強度的指標[4]，有學者認為區域的開發強度除考慮建設用地面積占比外，還應考慮其他土地利用類型占比以及人口、經濟等因素[5,6]；生境質量評價包括指標體系評價[7]和通過InVEST、SolVES等模型評價[8,9]，多數學者認為InVEST模型應用較為成熟和有效。區域開發建設和生態環境保護的關系同樣受到關注。在開發強度評價的基礎上，有學者分別從開發強度與資源環境承載力的耦合關系[10,11]、開發強度對生物多樣性的影響[12,13]、開發強度與生態服務功能的關系[14]、開發強度與微氣候的關聯性[15]等視角探討開發強度與生態環境水平的關系；還有學者研究土地利用變化造成生境質量改變[16]、人類活動與生境質量的空間關系[17]、道路交通建設對生境質量的影響[18]、生境質量對城市化及城市擴張的響應關系[19]等，充分探究開發建設帶來的多種現象與生境質量的相互作用和影響。

雖然開發強度和生境質量的相關研究成果較豐富，但目前鮮有研究探討開發強度與反映區域生物多樣性和生態系統服務水平的生境質量間的關系，且對于保障國家生態安全的生態屏障區研究較薄弱。東北三省在東北振興、哈長和遼中南城市群建設等政策共同推動下，經濟社會發展及城鎮化建設逐步推進，同時出現資源枯竭和環境惡化等系列問題[5]。作為我國重要的生態屏障區，其開發強度和生境質量空間關系的合理與否關乎國家生態安全。鑒于此，本文以東北三省的縣域單元為研究對象，通過評價指標體系和InVEST模型分別定量評價縣域開發強度和生境質量，并利用空間分析方法探討開發強度與生境質量的空間關系特征，以期為東北地區生態文明建設、區域高質量發展以及因地制宜地開展國土空間規劃與生態修復工作提供科學依據。

1 研究區概況與數據來源

本文以遼寧、吉林和黑龍江三省179個縣域單元為研究對象，并根據2015年行政區劃對不同年份縣域單元范圍進行統一。東北三省面積(787 300 km2)占全國的8.17%，2015年森林覆蓋率達47.80%，森林面積占全國的15.81%，糧食產量占全國的19.27%。東北三省北部和東部分布有大小興安嶺、長白山脈等山地，西南部有遼西丘陵，中部為遼闊的松嫩平原、遼河平原和三江平原，遼河、松花江等河流貫穿其中。2015年底東北三省人均GDP為53 558元，GDP增速由2000年的8.49%升至2006年的14.37%，之后持續下滑至2015年的4.47%，城鎮化率從2000年的46.86%升至2015年的58.58%，人口增長率由2000年的3.20%波動降至2015年的-3.60%[20]。

本文土地利用數據源于中國科學院資源環境科學數據中心(http://www.resdc.cn)，由土地利用現狀遙感監測數據經過柵格化，參照《土地利用現狀分類標準》(GB/T 21010-2007)分類生成，空間分辨率為100 m×100 m；2015年鐵路、高速公路、國道、省道等矢量數據源于全國地理信息資源目錄服務系統(http://www.webmap.cn)，其他年份道路數據在此基礎上對照相應年份的《中國交通地圖冊》修正獲取，并通過ArcGIS中的轉換工具轉換為與土地利用數據相匹配的柵格數據；人口數據和經濟數據主要源于2001-2016年《中國縣域統計年鑒》《中國城市統計年鑒》，部分數據通過東北三省的統計年鑒以及縣(市)國民經濟和社會發展統計公報補充獲取。為去除價格變動對經濟數據分析產生的誤差，使其在不同年份具有可比性，文中經濟數據以2000年為基期進行可比價折算。

2 研究方法

2.1 開發強度評價指標體系構建

開發強度通常用區域城鄉建設用地面積占比表示[21]，但區域是包含人口、資源、環境、經濟和社會等要素且要素間相互影響的地域復合系統[22]，其整體開發強度除考慮土地利用外，還應包含所承載的人口規模、經濟發展水平及資產投入情況。因此，本文在當前關于開發強度的研究成果[22,23]基礎上，依照客觀性、典型性、比較性和數據可獲取性原則，從人口聚集度、土地利用、經濟發展和投入水平四方面選取7個指標建立評價指標體系(表1)，綜合評價區域開發強度，通過區域多要素特定狀態及相互作用反映區域整體開發水平。其中，人口密度體現人口聚集度，人口聚集度越高，開發活動越劇烈；建設用地與耕地作為生活和生產空間，均具開發屬性，從土地利用結構上體現對區域開發的影響，用耕地和建設用地在區域總面積中的占比體現土地利用程度；GDP和產業非農化率反映經濟發展水平，與空間開發強度存在正相關關系；固定資產投資和財政支出表示投入水平，投入水平的提升可推動開發進程。

表1 開發強度評價指標體系Table 1 Evaluation index system of development intensity

開發強度各評價指標的單位和量綱不一致，為便于指標間相互比較，采用極值法對各指標進行標準化。各指標影響系數先通過德爾菲法[10]和熵值法[24]分別計算，再利用加權平均權重法[25]進行主客觀賦權得到，最后運用線性加權法計算開發強度指數(DI)，公式為：

(1)

式中：xij為j縣域i指標的標準化值；wi為i指標的影響系數。

2.2 生境質量評價

生境質量指生態系統為生物個體和種群的生存提供適宜條件的能力，反映區域生物多樣性和生態系統服務水平[2,3]。Habitat Quality為InVEST模型的一個模塊，可用于評價區域生境質量。該模塊基于設定的威脅源、威脅源的敏感性以及生境與威脅源的間距等參數測算生境退化度(式(2)、式(3))，而后利用式(4)計算生境質量。

(2)

(3)

式中：Dxj為生境類型j中柵格x的生境退化度；y為威脅源r中的柵格；Yr、ωr分別為威脅源r的柵格總數和權重；R為威脅源的類型數量；ry、irxy分別為柵格y的威脅源數量及其對柵格x的脅迫水平；βx為社會、法律等保護狀態下威脅源到柵格x的可達性；Sjr為生境類型j對威脅源r的敏感度；dxy為生境與威脅源的間距；drmax為威脅源r的最大干擾半徑。

(4)

式中：Qxj為生境類型j中柵格x的生境質量指數；Hj為生境類型j的生境適宜度，值域為[0，1]；K為半飽和常數(最大退化度的一半)；z為歸一化常量，一般取值為2.5。

本文參照InVEST模型參數推薦[26]和文獻[16,27]中的參數設定，將農村居民點、耕地、城鎮用地、交通干道(鐵路、高速公路、國道、省道)和工礦用地等具有開發屬性的空間作為威脅源，并設置威脅半徑和權重(表2)，將林地、草地、水域等作為生物的主要棲息地(即生境)，并根據模型手冊和文獻[3,16,18]設置各生境類型適宜度、敏感度(表3)。

表2 威脅源的威脅半徑和權重Table 2 Threat radii and weights of the threats

表3 不同生境的適宜度和敏感度Table 3 Suitability of different types of habitats and their sensitivity to threats

2.3 雙變量空間自相關

雙變量空間自相關可反映研究范圍內每個空間單元的某個屬性值與鄰近空間單元中其他屬性值間的相關性[28]，本文通過全局自相關(式(5))和局部自相關(式(6))計算開發強度與生境質量的空間關聯。

(5)

(6)

2.4 耦合協調度模型

耦合協調度可表達不同系統之間的耦合協調水平[29]，本文通過耦合協調度模型(式(7)-式(9))識別開發強度與生境質量的空間耦合關系。耦合協調度D的值在0～1范圍內，其值越大代表開發強度和生境質量的耦合協調程度越高。參考文獻[30]將耦合協調度劃分為10個等級：(0.00，0.10]、(0.10，0.20]、(0.20，0.30]、(0.30，0.40]、(0.40，0.50]分別表示極度、嚴重、中度、輕度和瀕臨失調，(0.50，0.60]、(0.60，0.70]、(0.70，0.80]、(0.80，0.90]、(0.90，1.00]分別表示勉強、初級、中級、良好和優質協調。

(7)

(8)

(9)

式中：C、T分別為開發強度與生境質量的耦合度和綜合協調指數；a和b為待定權重，分別代表開發強度和生境質量的貢獻份額，和為1，本文認為二者同等重要，取a=b=0.5。

3 結果與分析

3.1 開發強度與生境質量的時空特征

通過開發強度評價指標體系和InVEST模型評價可得東北三省每個縣域單元開發強度值和生境質量平均值(圖1)。東北三省開發強度平均值逐年提高，2000-2005年、2005-2010年和2010-2015年平均增長率分別為0.77%、17.48%和3.18%，增長存在差異性。2000-2005年東北三省發展相對緩慢，區域開發水平整體較低且增幅較小；2005-2010年東北振興戰略的實施帶來區域快速發展，工業化水平、農業現代化水平顯著提高，區域開發強度迅速提升；2010-2015年東北三省整體GDP增速從13.70%驟降到4.47%，區域發展面臨巨大壓力，開發強度的增量隨之降低。東北三省生境質量整體水平不斷下降，2000-2005年、2005-2010年和2010-2015年生境質量指數平均增長率分別為-0.16%、-0.21%和-0.55%，退化強度不斷提升。隨著東北三省開發強度的提升，其生境質量面臨較大挑戰。

圖1 開發強度及生境質量變化Fig.1 Changes of development intensity and habitat quality

運用ArcGIS中的自然斷裂點法將每個年份的開發強度和生境質量值分別分為低、較低、中等、較高和高5類，其空間分布特征如圖2和圖3所示。開發強度高和較高的縣域多位于遼中南城市群和哈長城市群范圍內，該區域以平原為主，城市和農區較集中，開發活動頻繁；開發強度低和較低的縣域主要集中在北部大小興安嶺山區和東部長白山區，該區域以林地為主，人類活動相對較少，生態環境保持較好。生境質量低等級縣域主要集中在遼中南城市群，該地區建設用地占比較大，經濟發展水平高，開發強度大；生境質量較低的縣域主要分布在哈長城市群及東北三大平原范圍內，該區域耕地廣闊、城鎮集中，人類開發活動較多，導致生境質量水平下降；生境質量較高和高的縣域沿大小興安嶺—長白山區呈弧形分布，該區域林地、草地集中，生態環境整體良好。地級市市轄區作為市域范圍內開發建設的重點區域，開發強度明顯高于其他縣(市)，生境質量最低。

圖2 開發強度空間格局Fig.2 Spatial pattern of development intensity

圖3 生境質量空間分布Fig.3 Spatial distribution of habitat quality

3.2 開發強度與生境質量空間相關特征

通過GeoDa軟件獲取2000-2015年東北三省縣域開發強度與生境質量間全局空間自相關Moran′sI指數，并通過雙變量局部空間自相關分析不同相關關系聚集類型(表4)。2000-2015年東北三省開發強度和生境質量雙變量全局Moran′sI指數整體在-0.3301～-0.2289范圍內，可見二者有明顯的空間負相關關系，即開發活動對生境質量產生負面影響。開發強度和生境質量全局Moran′sI指數的絕對值持續下降，標志著二者相關聯水平呈減弱趨勢，開發強度對生境質量的威脅逐漸降低，原因是隨著生態文明建設的推進，地方政府越來越注重綠色發展，開發方式逐步合理化，減少了對生態環境的破壞。從局部空間自相關看，低—高聚集是東北三省開發強度和生境質量間的主要空間關系類型，且占比穩定。2000-2015年高—高聚集和低—低聚集的縣域數量分別從3、14個提高為7、17個，而高—低聚集的縣域數量不斷減少，反映出部分縣域在開發的同時，更注重生態環境保護，低生境質量的縣域逐步放緩發展速度，高開發強度的縣域也在轉變經濟發展方式，降低了開發對生境的影響，進一步佐證了全局空間自相關的變化趨勢。

表4 開發強度與生境質量空間自相關結果Table 4 Spatial autocorrelation analysis results of development intensity and habitat quality

通過開發強度和生境質量LISA聚集圖(圖4)可知，低—高聚集的縣域沿大小興安嶺—長白山區呈弧形布局，該聚集區是東北三省主要的林區，開發程度低、生境質量高，多數縣域屬于限制開發區和禁止開發區，生態保育較好；高—低聚集的縣域位于遼河平原和松嫩平原的中心位置，該區域城市和農區集中，工業和農業活動頻繁，區域快速開發帶來了諸多環境問題，開發強度與生境質量表現為典型負相關關系；低—低聚集的縣域分布在吉林西部和黑龍江西南部，該區域土地鹽堿化嚴重，生態環境惡劣，區域發展和生態保護出現較嚴重的不協調，開發程度和生境質量均低，發展和保護是面臨的嚴峻問題；高—高聚集的縣域零星分布在東部長白山區的部分縣域，該區域多是借助地方資源優勢，積極發展生態旅游和林下經濟，本著環境友好的原則實施區域開發活動。可見開發和保護兼顧的縣域較少，但隨著人們環保意識的增強和主體功能區規劃的推進，其數量有增長趨勢。整體上看，東北三省生境質量和開發強度空間相關關系最為顯著的區域主要分布在西部平原和東部山地兩個帶狀區域，西部遼河平原和松嫩平原脆弱的生態環境以及縣域發展的不均衡性使得該區域縣域開發強度與生境質量空間相關關系以高—低聚集和低—低聚集為主，東部大小興安嶺—長白山區因區位劣勢及大面積林地分布使得該區域開發強度與生境質量空間相關關系以低—高聚集為主。

圖4 開發強度與生境質量空間自相關LISA圖Fig.4 LISA diagram of development intensity and habitat quality

3.3 開發強度與生境質量空間耦合關系

東北三省縣域開發強度與生境質量的耦合度總體處于中等偏上水平，其值在0.4011～0.7813之間，為瀕臨失調至中級協調等級。2000-2015年東北三省縣域開發強度與生境質量耦合協調度均值由0.5948升至0.6172，耦合程度進一步增強。由表5可知，2000年和2005年以開發強度與生境質量勉強協調的縣域為主，分別占65.36%和60.34%；2010年和2015年初級協調的縣域最多，均占54.75%。2000-2015年初級協調和中級協調的縣域逐年增長，分別由56、4個增長為98、20個；勉強協調的縣域由117個降為54個。總之，東北三省開發強度與生境質量耦合協調水平在2000-2015年有所改善，重視生態環境保護，開發的合理性增強。

表5 開發強度與生境質量耦合協調等級Table 5 Coupling coordination levels between development intensity and habitat quality

東北三省開發強度與生境質量耦合協調度在空間上表現為南高北低的格局，且存在明顯的區域差異性(圖5)。初級協調和中級協調的縣域多集中在遼中南和哈長城市群，并且于2010-2015年在遼寧及吉林中東部增加明顯。遼中南和哈長城市群多數縣域經濟社會發展較好，在進行開發活動的同時,展現出一定的協調開發與保護的能力，開發強度和生境質量耦合協調程度相對較高,尤其是遼寧及吉林中東部縣域，立足“兩山”理論，在不同土地利用類型的開發保護、生態資源合理利用等方面積極實施管控舉措，使開發強度和生境質量更為適應。2000年吉林西部的通榆縣和鎮賚縣耦合協調度較低，脆弱的生態環境以及不合理的開發活動加劇了開發強度與生境質量間的相對差距，二者瀕臨失調。2005-2015年黑龍江北部出現瀕臨失調的縣域不斷增多，該區域資源開發發生轉型，產業結構隨之變化，以采掘工業為主的第二產業開始衰落，開發強度迅速降低，而生境質量變化相對滯后，二者呈現失調趨勢。總之，經濟發展較好、城鎮化程度高及生態保護政策深入落實的區域為處理開發與保護的關系創造了有利經濟條件和合理的發展指引，其開發強度與生境質量耦合協調水平相對較高；生態脆弱區域受生態環境本底、資源開發轉型的影響，其開發強度與生境質量耦合協調水平相對較低。

圖5 開發強度與生境質量空間耦合類型Fig.5 Spatial coupling coordination types of development intensity and habitat quality

4 結論與討論

通過對東北三省縣域開發強度和生境質量空間關系的探討，得到以下結論：1)2000-2015年東北三省縣域開發強度總體有較大提升，且在2005-2010年提升最為明顯；生境質量在開發強度提升的同時出現持續退化，生態環境保護的挑戰不斷增大。東北三省的西南部(尤其是城市群地區)開發強度較高、生境質量較低，北部和東部的生態保護區開發強度較低、生境質量較高。2)東北三省開發強度與生境質量總體呈負相關關系且在不同區域空間相關類型不同。低—高聚集是主要的空間相關類型，主要分布在生態保護較好的大小興安嶺地區和長白山區；吉林西部和黑龍江西南部低—低聚集的縣域較集中，該區域國土開發和生態保護不協調問題較嚴峻。3)東北三省縣域開發強度與生境質量耦合協調度的平均值由2000年的0.5948升至2015年的0.6172，耦合協調類型由勉強協調為主轉為初級協調為主。東北三省南部縣域開發強度與生境質量的空間耦合協調度高于北部縣域，且遼寧和吉林東部縣域提升明顯，黑龍江北部瀕臨失調的縣域不斷增加。

本文通過構建綜合評價指標體系發現東北三省縣域開發強度呈逐年增長趨勢并存在明顯的空間差異，與現有研究結果[6,31]一致。東北三省幅員遼闊，不同縣域間的資源稟賦和經濟發展不均衡是造成開發強度差異的主要原因。我國政府在2003年年底開始實施東北振興戰略支持東北發展，2005-2010年開發強度提升明顯，說明相關政策對區域開發的導向性較明顯[20];之后，受體制和創新不足等因素制約，東北區域發展又重新面臨巨大壓力;此外，國土空間開發的加速推進帶來一系列資源環境問題，造成區域生態環境退化[32]。本文著重探討開發強度與生境質量的空間關系，可更具體地認識人類活動對生物多樣性和生態服務水平的影響，同時為東北三省國土空間優化、區域開發與保護協調發展提出對策建議：一是開發強度與生境質量高—高聚集區和耦合協調度高的區域具有較高的生態優勢和資源優勢，區域發展中應提高資源利用效率，通過構建綠色生態產業體系等途徑充分發揮生態優勢，實現高質量發展；二是脆弱的生態環境和產業結構轉型成為開發強度與生境質量低—低聚集、耦合協調度較低區域面臨的主要問題，該區域應積極實施山水林田湖草沙生態治理和修復工程，彌補環境短板，并通過產業結構轉型升級實現區域綠色發展，提升開發和保護的協調性。

開發強度與生境質量的相互關系和協調發展是一個復雜的系統工程，本文僅從空間相關和空間耦合角度研究二者的空間互動關系，區域開發強度的綜合生態效應、開發強度與生境質量耦合協調機理將是今后深入研究的方向。此外，受數據獲取限制以及考慮等年份間隔分析，本文僅利用2000年、2005年、2010年和2015年的數據開展研究，后期需補充近期數據和延展時間跨度，以更加精準地揭示開發強度與生境質量相互作用的時空演變規律。