基于空間規劃情景的雄安新區生態系統休閑服務評估預測與驅動分析

商 煦,榮月靜,嚴 巖,范捷朦,趙春黎,王辰星

1 中國科學院生態環境研究中心,城市與區域生態國家重點實驗室,北京 100085

2 中國科學院大學資源與環境學院,北京 100049

3 武漢理工大學,資源與環境工程學院,武漢 430070

生態系統服務是指生態系統與生態過程所形成的維持人類賴以生存的自然環境條件與效用,包括供給服務、調節服務、文化服務和支持服務[1—3]。與生態系統供給、調節及支持服務相比,文化服務因其“無形性”、“不可比”的特征而難以量化[4—5]。然而生態系統文化服務的發展潛力是衡量居民生活滿意度是否提升、生態是否宜居、區域發展是否協調的重要維度[6],系統評價區域文化服務并將其用于土地利用的決策是引導區域可持續發展的重要策略[7]。基于此,國內外大量學者發展了一系列量化文化服務的方法,其中生態系統休閑服務是評估最多的文化服務類型[7—8]。早期的研究以旅行費用、市場價值、意愿調查等貨幣化方法為主,但因部分屬性難以價值化而存在評估結果小于實際的不足[9]。隨著研究的深入,有學者基于土地覆被類型、景觀屬性、可達性、休閑設施分布等因子構建了游憩機會圖譜[10—12]。該方法可以將生態系統休閑服務以空間化的形式展示,已在歐美等國大量開展研究[13],國內也有少量學者將其引入并應用[11,14—15]。

生態系統服務的驅動分析不僅可以了解致使其發生變化的機理[16],亦可為城市發展戰略、生態系統服務優化、生態保護政策制定等方面提供具有重要意義的參考依據[17],因此也是當下的研究熱點。驅動分析的研究方法可以分為定性和定量兩大類,其中定性分析以探究各因子的驅動關系為主,不能確定因子的影響程度[18],而定量研究則可以實現對驅動因子影響程度的量化,其主要研究方法包括主成分分析[19]、回歸分析[20]、地理空間加權[21]、相關性分析[22]、地理探測器[18]等。國內外學者對固碳釋氧[23]、水源涵養[24]、水質凈化[25]、水土流失[26]等服務的驅動做了大量研究,而生態系統休閑服務則因難以量化而集中于定性探究。

綜上,生態系統休閑服務的研究一方面集中于提升貨幣化評估途徑的準確性[9,27],另一方面集中于多因子評估模型的構建[10—13],其中針對我國特征因子的選取還有待進行本土化提升。此外,對其驅動機制的研究因定量化困難而相對不足。基于此,本文以河北省保定市雄安新區為研究對象,結合休閑服務資源分布的空間特征及利益相關者的可達性,構建生態系統休閑服務的綜合評價指標體系,應用Arcgis及地理探測器揭示研究區生態系統休閑服務的空間分布特征及驅動因素,為雄安新區生態系統休閑服務的合理開發與利用提供科學依據。

1 研究區概況與數據來源

1.1 研究區概況

雄安新區地處京津冀腹地,2017年4月1日被中共中央、國務院在此設立國家級新區,范圍如圖1所示,包括雄縣、容城縣、安新縣3個縣及周邊部分區域,總面積約1770km2。全境地形開闊,西北較高、東南略低,為緩傾平原。生態系統類型以農田和濕地為主,位于中部的白洋淀濕地是華北地區最大的淡水湖,在保障新區供水、調蓄及生態系統平衡的同時,也依托優良的生態環境為新區提供了重要的休閑服務資源。

圖1 雄安新區地理位置 Fig.1 Geographical location of Xiong′an New Area

1.2 數據來源

文中使用的數據來源：(1)土地利用數據由資源環境科學與數據中心(http://www.resdc.cn/)下載,時間范圍包含2000年、2005年、2010年、2015年、2018年5期影像,分辨率均為30m；(2)人口及GDP的空間分布公里網格數據來自中國科學院資源環境科學數據中心,空間分辨率為1km；(3)社會經濟統計數據來源于河北保定、上海、深圳、北京等各年份統計年鑒(2000—2019年)；(4)重要政策規劃文件來源于雄安人民政府網站(xiongan.gov.cn)。

2 研究方法

本文采用改進的游憩機會圖譜,從吸引力和可達性兩方面對雄安新區生態系統休閑服務進行現狀評估及未來預測,并結合地理探測器解析雄安新區2018年與2035年兩階段生態系統休閑服務的驅動因素。研究框架如圖2。

圖2 研究框架Fig.2 Research framework

2.1 休閑服務評估與制圖

本文從干擾程度、綠地及景觀、到水距離三個維度對生態系統休閑服務的吸引力進行定義；從路網密度、居民點到景區距離兩個維度定義可達性。其中干擾程度參考Jiashu Shen的研究結果對土地利用進行重分類[28]；綠地及景觀的識別根據研究區景區的分布及《河北雄安新區規劃綱要》,分成國家級自然保護區、省級自然保護區、綠地與人文景觀、非綠地,依次賦值為1、0.8、0.5、0[28—30]；到水距離及居民點到景區距離的評價根據最小阻力模型(MRC)在ArcGIS中實現。對吸引力及可達性的評價結果標準化及等權重聚合,應用自然斷點法將兩維度評估結果依次分為3個等級、5個等級后進行交叉制表,以構建生態系統休閑服務綜合評價指數(表1),依據表2進行賦分,得到最終評價結果。

表1 生態系統休閑服務分類及綜合制表Table 1 Leisure service classification and comprehensive tabulation

表2 生態系統休閑服務綜合能力得分轉化表Table 2 Score conversion table of leisure service comprehensive ability

2.2 驅動因素的選取與計算

2.2.1驅動因素的選取

生態系統休閑服務的變化不僅受景觀吸引力及交通可達性的影響,社會的動態演變也是其深層次的驅動。相關研究認為生態系統休閑服務的供給能力具有社會不公平性[31],與人均GDP呈“N”型的庫茲涅茨曲線關系[32],且城市化的發展可能會給休閑服務帶來一定的負向影響[33]。本文參考前人重點關注的社會經濟地位[31]、人口[34]、城市化水平等影響[33],從社會角度選取GDP密度表示經濟發展水平；人口密度表示休閑服務的需求；第二產業占比、第三產業占比表示經濟結構；城鎮化率代表城市化進程。

2.2.2地理探測器

地理探測器是探測地理事物空間分異性并揭示各因子對模型貢獻率的新統計學方法。本文借鑒地理探測器模型,將生態系統休閑服務綜合評估結果作為因變量Y,各影響因素為X,計算模型如公式(1)：

(1)

2.3 數據預測方法

2.3.1土地利用模擬

基于雄安新區多年土地利用數據、自然地理數據(DEM、坡度、坡向等)、交通區位數據(國道、省道、高速、鐵路等),并結合《河北雄安新區規劃綱要》、《河北雄安新區起步區控制性規劃》等重要權威批復性文件及相應規劃示意圖,利用PLUS土地利用模擬模型[36]對新區2035年國土空間結構進行初步預估。

2.3.2人口密度

雄安新區是由中共中央決定設立,而非市場自下而上形成,因此無法根據歷史人口數據進行預測[37],但其成立情況與深圳的建設較為相似,因此采用地區類比法,預設新區人口變化情況符合深圳人口增長規律。在此基礎上,結合《河北雄安新區規劃綱要》,將新區未來整體劃分為兩部分：一部分為2035年規劃指出集中發展的起步區,根據《河北雄安新區起步區控制性規劃》,設該區2035年平均人口密度為1萬人/km2；另一部分為非起步區,由于該區域在2035年前受政策影響相對較小,因此采用平均增長率法,以新區2015年人口密度分布為基礎,根據公式(2)及前人預設的模型參數[37]進行計算。

Pn=P0×(1+k)n

(2)

式中,Pn表示預測年人口數,P0表示基年人口總數,n表示年數,k表示人口規模綜合增長率。

2.3.3經濟密度

參照人口密度預測的方法,以雄安新區2015年研究區GDP為基期值,將起步區依據深圳經濟增長的特點,預設GDP在2015—2020年、2021—2025年、2026—2030年、2031—2035年4個時間段的平均增速分別為60%、20%、15%、10%,推算雄安新區的GDP規模[38]；非起步區經濟密度預測采用平均增長率法,根據雄縣、容縣和安新縣2012—2017年 GDP的年平均增長率,預測2035年GDP空間分布情況,計算公式為：

En=E0×(1+k)n

(3)

式中,En表示預測年地均GDP,E0表示基年地均GDP,n表示年數,k表示GDP 年平均增長率。

2.3.4產業結構

雄安新區受政策規劃的影響而不再適用遵循自然演進規律的產業動態分析模型。基于此,本文以《河北雄安新區規劃綱要》為基礎,以疏解北京非首都功能及北京產業結構的演進特征為導向,設定2035年的產業結構情景。

3 結果與分析

3.1 現狀與預測結果

3.1.1土地開發強度

2018年、2035年雄安新區土地利用類型的空間分布及轉移矩陣如圖3、表3所示。2018年土地利用以農田為主占65.95%；城鎮面積次之,占18.76%,主要分布在雄縣、容城縣和安新縣的縣城；濕地及水體主要位于中部的白洋淀,占比合計達14.69%；林地占比最少僅0.59%。2035年土地利用格局發生明顯變化,其中農田面積減少了486.99km2,但占比仍為最大,達38.51%；城鎮用地在起步區內顯著增加,總占比擴大近一倍,達31.76%；與此同時,白洋淀水域及綠帶的面積也有所擴大,達19.85%、9.88%。綜上,2018—2035年雄安新區土地利用轉移以農田轉為城鎮、林地、水體為主。

圖3 雄安新區土地利用情況Fig.3 Estimated land use structure of the Xiong′an New Area

表3 2018—2035年雄安新區土地利用變化轉移矩陣/km2Table 3 Land cover transfer matrix in the Xiong′an New Area during 2018—2035

3.1.2人口現狀及預測結果

雄安新區2018年與2035年的人口密度分布結果如圖4所示。2018年雄安新區人口密度整體較小,高值區集中分布在容城鎮、雄州鎮、安新鎮三個縣城。2035年新區人口集中在起步區及組團周圍,整體規模預計達332萬左右,這與相關學者所預測的279—400萬范圍相接近[35,38]。

圖4 雄安新區單位面積人口的現狀及未來結構Fig.4 population per unit area in Xiong′an New Area

3.1.3經濟密度現狀及預測結果

雄安新區2018年與2035年的GDP密度空間分布結果如圖5所示。2018年GDP密度平均值為1729.54萬元/km2,不僅遠低于參考城市深圳,也低于河北省與全國的平均水平。具體來看,GDP密度高值區主要分布在東南區域、雄縣及容城縣；2035年新區經濟規模有所提升,區域GDP總量預計達1.87萬億元,與其他學者所預測的1.4萬—1.9萬億元的經濟體量[38]相一致；另一方面,GDP密度的空間格局也發生了一定變化,其中高值區集中在起步區,平均GDP密度為306700萬元/km2,非起步區GDP將達到80196萬元/km2。

圖5 雄安新區單位面積GDP的現狀及未來結構Fig.5 Current situation and future structure of GDP per unit area of Xiong′an New Area

3.1.4產業結構

雄安新區不同時期產業結構如圖6所示。2018年新區三產比例大致相當于北京1990年水平,參照北京17年間產業結構的演進規律,推算新區2035年的三產比例為5.49%:24.70%:69.81%[39]。然而,隨著信息技術的提升,未來產業轉型的速度勢必加快,且新區規劃明確提出2035年數字經濟占GDP比重不低于80%的要求。基于此,本文預設新區產業結構在北京現階段的基礎上,即0.4%:16.5%:83.1%,略有提升,達0.5%：9.5%：90%。

圖6 雄安新區產業結構的現狀及未來結構Fig.6 Present situation and future structure of industrial structure in Xiong′an New Area

3.2 生態系統休閑服務吸引力

2018年雄安新區生態系統休閑服務吸引力結果如圖7所示。因白洋淀周圍景點密集、河道發達、干擾度低,而形成明顯的高吸引力區,占比達35.00%；低吸引力區主要集中在東北、西北美感不足的耕地、城鎮,占比為13.74%,其余區域為中等吸引力,占51.26%。

圖7 雄安新2018年區生態系統休閑服務吸引力評估Fig.7 Evaluation of leisure service attraction of Xiong′an New Area in 2018

2035年雄安新區生態系統休閑服務高吸引力的分布仍以白洋淀濕地及周圍綠帶為主,此外,東北部也出現幾處分散的高吸引力區,合計占22.49%；低吸引力區主要集中在以建設用地為主的起步區,占22.25%；其余區域以中等吸引力為主,占55.27%(圖8)。進一步對比吸引力等級的轉移矩陣(表4),相較于2018年,由低吸引力轉為中吸引力的面積最大,達256.26km2。推測是因為新區規劃中“退耕還淀”、“引黃入冀補淀”、多水源補水機制及以“千年秀林”為代表的九大森林斑塊國土綠化行動等的實施將有效增加白洋淀濕地及綠地景觀的面積；另一方面,新區也將面臨因城鎮擴張,所致的158.01km2高吸引力區流失問題。

圖8 雄安新2035年區休閑服務吸引力評估Fig.8 Evaluation of leisure service attraction of Xiong′an New Area in 2035

表4 2018—2035年雄安新區休閑服務吸引力轉移矩陣/km2Table 4 Leisure service attraction transfer matrix in the Xiong′an New Area during 2018—2035

3.3 生態系統休閑服務可達性

2018年雄安新區可達性評估結果如圖9。生態系統休閑服務可達性的分布以“一般”(37.64%)、“遠”(30.16%)為主。由于經濟發展的異質性,可達性高的區域主要集中在雄州鎮、安新鎮、容城鎮三個中心城鎮,而居民出行不方便的低值區主要分布在西南及中部。

圖9 雄安新2018年區生態系統休閑服務可達性評估Fig.9 Evaluation of accessibility to ecosystem leisure services of Xiong′an New Area in 2018

2035年雄安新區休閑服務可達性整體提高,特別是北部改善明顯(圖10)。根據表5的轉移矩陣可知,2035年“附近”這一等級增加655km2,由“較近”、“一般”、“遠”的轉入量依次為236.85km2、216.41km2、196.58km2；從“遠”轉為“一般”的轉移量次之,達95.02km2。其變化的根本原因在于新區將建立連接京津及周邊其他城市的高速、鐵路、城市軌道,發展起步區和外圍組團的軌道交通,升級村鎮公共交通系統。

圖10 雄安新2035年區生態系統休閑服務可達性評估Fig.10 Evaluation of accessibility to ecosystem leisure services of Xiong′an New Area in 2035

表5 2018—2035年雄安新區休閑服務綜合得分轉移矩陣/km2Table 5 Comprehensive score of leisure services transfer matrix in the Xiong′an New Area in 2018—2035

3.4 生態系統休閑服務綜合指數

觀察圖11可知,生態系統休閑服務綜合指數以白洋淀濕地為高供給中心,離濕地及水域最近的區域交通不便,呈高供給-可訪問,面積占比達7.30%,其外圍交通逐漸發達呈高供給-方便訪問(5.98%)；吸引力因遠離白洋淀而逐漸降低,呈中等供給。其中,中等供給-不易訪問(17.04%)主要分布于新區南側近水域附近交通不便的區域；中等供給-可訪問(23.92%)則以農田生態系統為主,如晾馬臺鎮、朱各莊鎮、鄚州鎮等鄉鎮；中等供給-方便訪問(12.33%)分布在以雄州為代表的建設用地比例較大的鄉鎮；較為發達的縣鎮則是低供給的集中區(15.09%),如新區北部、東南兩側,其外圍隨路網發達程度的降低而呈低供給-可訪問(11.95%)。綜上,休閑服務綜合指數的分布規律是以白洋淀及交通發達的縣鎮為中心點依次向外擴散融合。

圖11 雄安新區休閑服務綜合得分Fig.11 Comprehensive score of leisure services in Xiongan New Area

2035年雄安新區休閑服務的綜合得分為5.42,其中高供給區仍以白洋淀為中心,但范圍更大。其次,起步區因道路的修建,使可達性提高、景觀吸引力下降,導致低供給區有所擴大。進一步對比2018—2035年綜合得分轉移矩陣(表6)。其中由低分轉入“8分”的面積最多,達142.85km2；其次,由“2分”轉入“9分”的面積也達到76.80km2；然而,值得注意的是也存在達66.31km2的“5分”區域流向“2分”的情況。由此說明,隨著可達性的提升,新區能夠一定程度上緩解因交通不便、基礎設施差所致休閑服務資源不能充分利用的問題,但卻面臨因城市建設所帶來的生態空間擠占的新挑戰。

表6 2018—2035年雄安新區休閑服務綜合得分轉移矩陣/km2Table 6 Comprehensive score of leisure services transfer matrix in the Xiong′an New Area in 2018—2035

3.5 驅動因素分析結果

地理探測器的結果顯示,各因子的決定力有明顯差異(表7)。其中2018年顯著驅動的因素q值由高到低依次為:人口密度>GDP密度>第三產業占比>第二產業占比；到2035年時,城鎮化率的驅動提升最為明顯,并成為顯著因素,q值由高到低依次為:GDP密度>第三產業占比>人口密度>城鎮化率>第二產業占比。

表7 2018、2035雄安新區生態休閑服務驅動因素探測值Table 7 Detected values of driving factors of ecological leisure services in Xiongan New Area in 2018 and 203

4 討論與結論

4.1 討論

本研究依據吸引力與可達性兩項指標所構建的雄安新區生態系統休閑服務的評估體系相較于其他空間化的方法,不再局限于以公園、街道為主的小尺度輻射范圍,能夠系統評價區域的服務能力及其影響因素,模型可靠并具可推廣性。評估模型中吸引力指標在參考前人選用景觀多樣性、地形、文化遺跡、自然保護區等指標的基礎上[15—17],基于新區未來規劃,添加水體、綠地空間、景點作為評估指標。評價指出生態系統休閑服務高吸引力區主要集中在白洋淀及周邊綠帶范圍,與相關研究認為河流與大型城郊公園附近的供需匹配較高的規律相一致[40]；模型中可達性指標的構建在參考路網密度、露營地密度等指標的基礎上[29,31,41],進一步考慮基礎設施、景區、綠地、居民點位置等因素,應用最小距離成本法,將居民的潛在景感與生態休閑空間相結合[42],充分體現雄安新區生態系統休閑服務的評估需求。生態系統休閑服務是一個復雜體系,吸引力及可達性兩維度基本可以有效評估區域層面生態系統休閑服務的空間格局與趨勢,但尚未考慮研究區不同群體的偏好差異,今后可以根據不同群體的關注點對指標進行加權賦值,提高評估模型精度。

本文運用地理探測器方法描述雄安新區生態系統休閑服務驅動因子的空間特征,相較以往定量化影響因素的研究方法[19—22],該模型能更好地體現地理空間的異質性。研究結果發現:(1)社會因素中的GDP密度及人口密度對生態系統休閑服務的影響較大,也有其他研究結果驗證了這種影響[43]。進一步觀察發現生態系統休閑服務可達性高的區域主要集中在GDP密度高、人口密集的區域,推測是因為區域經濟的發展關系著基礎設施的投入,從而影響居民的交通出行及對休閑服務的需求意愿[29]。(2)產業結構與城鎮化率對休閑服務的影響次之。研究認為建設用地的擴張、工業、服務業的快速發展勢必對土地利用方式帶來改變,即城鎮化及產業轉型的本質是經濟效益對生態效益的空間置換[32],進而影響區域生態系統休閑服務的供給能力。由于不同社會因素對生態系統休閑服務的發展存在不同方向的影響,本文僅分析了單因素的影響,未考慮各影響因素的交互作用。今后可對有顯著驅動作用的因素進行更深入研究,判斷其對生態系統休閑服務的影響方向及交互作用。

4.2 結論

本文基于土地利用、各地年鑒數據、相關重要權威批復性文件及圖件等,提出了針對雄安新區的生態系統休閑服務評價體系及空間制圖方法,分別對2018年、2035年兩時期進行評估與預測,并應用地理探測器分析了社會因素的影響。研究認為新區生態系統休閑服務將隨綠色生態系統的構建與交通基礎設施的完善而提升,但與此同時也面臨著因城區建設擠占生態用地,而導致高吸引力區流失的問題。通過對社會因子的驅動分析,認為新區未來要特別考慮城鎮化進程、經濟發展給生態系統休閑服務帶來的機遇與挑戰。基于上述分析,本文對雄安新區的建設提出如下建議:

1)加強起步區人口調控及生態休閑空間的建設。起步區作為新區經濟、人口的核心聚集區,生態系統休閑服務的供給能力有限,因此需要嚴格調控區域的人口規模與開發強度,減緩快速城鎮化及高密度人口所帶來的壓力。與此同時,合理把握大量人流帶來的潛在發展機遇,發揮區位優勢,開拓商務旅游、公務旅游、會展旅游等,提升起步區的吸引力。

2)加強白洋淀及周邊多處公園綠道之間道路交通的建設。白洋淀及周圍綠帶作為生態系統休閑服務的主要供給區,受地形、位置、人口等的影響,基礎設施有待完善,著力推進白洋淀區域交通沿線的建設,可有效提升生態系統休閑服務資源的利用效率。

3)發展農業旅游。雄安新區的大面積農田使中吸引力生態系統休閑服務提升陷入瓶頸。未來可以將農耕文化與農業景觀相結合,推進村鎮道路及基礎設施的修建,合理發展農業旅游、度假村等項目,將生態系統休閑服務供給力低的農業生產空間升級成與娛樂休閑相結合的復合空間。