黃河流域生態系統服務與城市化時空交互作用分析

肖芳 魏文穎 周斌

摘要：

分析黃河流域生態系統服務與城市化的關系有助于精準化制定流域可持續發展政策。以黃河流域寧夏段為例，量化了1980～2020年糧食產量、產水量、土壤保持、碳固存和生境質量等關鍵生態系統服務，分析了城市化變化特征，并結合雙變量空間自相關分析模型解析了生態系統服務與城市化之間的時空交互作用。結果表明：1980～2020年，寧夏糧食產量持續增加，土壤保持、產水量、NPP和生境質量呈增加-減少-增加的變化特征。寧夏城市化水平有所提升，呈現南北高、中部低的空間分布格局。1990～2020年，生態系統服務與城市化之間在全局尺度存在著空間正相關向空間負相關轉變的特征，并且在局部尺度上以低-低集聚和高-低集聚為主。研究結果可為黃河流域生態保護和城市發展規劃提供實踐指導。

關 鍵 詞：

生態系統服務； 城市化； 時空變化； 交互作用； 黃河流域

中圖法分類號： X171；X826；F291.1

文獻標志碼： A

DOI：10.16232/j.cnki.1001-4179.2023.08.013

0 引 言

作為維持人類生存的基礎，生態系統服務與人類福祉密切相關。然而，隨著城市化的快速推進，生態系統服務的供給面臨著日益加劇的城市化壓力，已經威脅到了區域生態系統的可持續發展［1］。在此背景下，理解生態系統服務與城市化間的關系對于有效的生態系統管理至關重要。目前，生態系統服務與城市化之間關系的研究得到了生態學、地理學等領域學者的廣泛關注。眾多學者在城市化產物對生態系統服務的影響、城市化與生態系統服務的協調關系、生態系統服務對城市化的響應特征及機制等［2-6］方面展開了一系列研究，并取得了豐碩的成果。如歐陽曉等［7］在洞庭湖的案例中揭示了建設用地擴張對生態系統服務的負向影響；渠玉蓮等［8］對南京市的研究證實了該地區城市化發展與生態系統服務之間存在著高度協調關系；XIAO等［9］在滬杭都市圈采用耦合協調度模型從系統層面和子系統層面揭示了城市化與生態系統服務之間的交互脅迫關系。縱觀現有研究發現，在研究尺度上，既包括較小尺度的市域、縣域研究，中觀尺度的省域研究，也有涉及全國和區域的大尺度研究，如針對各縣域［10］、各市域［1］、各省域［11］等的案例研究明確了行政尺度上兩者之間的關系。但由于柵格尺度上城市化相關數據的獲取受限，目前對于柵格尺度上生態系統服務與城市化關系的分析較少，這將限制精細化的生態管理實踐。此外，在案例區的選擇上，研究案例多發生在中國東部發達的城市、城市群及沿海地區，對黃河流域的研究較少，研究成果不足以支撐黃河流域的可持續發展。

寧夏回族自治區作為唯一一個全境屬于黃河流域的省域，隨著“一帶一路”戰略和黃河流域生態保護和高質量發展戰略的實施，城市化水平擁有很大的發展潛力，然而該地區生態系統服務與城市化之間關系的時空動態信息仍然不得而知，這給未來如何協調城市建設與生態保護帶來了挑戰。為此，本研究以寧夏為例，在從柵格尺度上解析該地區近40 a來生態系統服務和城市化動態特征的基礎上，結合雙變量空間自相關分析模型從全局和局部尺度上進一步揭示兩者之間的時空交互作用，以期為協調寧夏生態保護和城市化發展的政策制定提供科學依據。

1 數據與方法

1.1 研究區概況

寧夏位于黃河流域上游（35°26′～39°30′N、104°50′～107°40′E），面積約66 400 km2，海拔1 080～3 474 m，地勢西南高、東北低（見圖1）。寧夏屬于典型的大陸性季風氣候，年平均氣溫為5.8～8.2 ℃，空間上由南向北逐漸升高；年平均降水量為180～800 mm，由南向北逐漸減少［12］。該地區以草地和耕地為主，隨著社會經濟的發展和城市化的推進，建設用地呈現明顯擴張趨勢。與此同時，寧夏面臨著包括水資源短缺、水土流失、土地荒漠化、土壤鹽漬化、草原退化等一系列問題，對當地可持續發展構成了嚴重的威脅。因此，有必要分析城市化背景下該地區生態系統服務的變化特征及其與城市化之間的關系，這將增強對“過去-當前”狀況的了解，并助力“未來”發展政策的制定。

1.2 研究數據來源

本研究以1980，1990，2000，2010年和2020年為典型研究期，收集整理相關數據，主要包括：① 由中國科學院資源環境科學與數據中心（http：∥www.resdc.cn/）提供的土地利用數據；② 由地理空間數據云（http：∥www.gscloud.cn/）提供的DEM數據；③ 由國家氣象科學數據中心（http：∥data.cma.cn/）提供的氣象數據；④ 由中國科學院資源環境科學與數據中心（http：∥www.resdc.cn/）和國家青藏高原科學數據中心（http：∥westdc.westgis.ac.cn/）提供的NDVI數據；⑤ 來自國家冰川凍土沙漠科學數據中心（http：∥www.ncdc.ac.cn/portal/）的基于世界土壤數據庫（HWSD）的中國土壤數據集（v1.1）提取的土壤數據；⑥ 來自于《寧夏統計年鑒》的糧食生產數據、人口和GDP統計數據；⑦ 來自中國科學院資源環境科學與數據中心（http：∥www.resdc.cn）的GDP和人口空間分布數據，并采用文獻［13］提供的方法進行糾正。本研究將所有數據重采樣為1 km的空間分辨率，進而在1 km×1 km的柵格尺度上展開相關研究工作。

1.3 研究方法

1.3.1 生態系統服務量化方法

本研究參考黃土高原、西北干旱半干旱區以及研究區的相關研究成果，選擇糧食產量、產水量、土壤保持、碳固存和生境質量這5種研究區關鍵的生態系統服務。相關計算方法如下。

（1） 糧食產量。

式中：Ia為柵格a的自變量與因變量的局部空間關系；Za、Zb分別為自變量、因變量在柵格a、b上觀測值的方差標準化值。基于Ia可形成4種LISA集聚模式［22］：① 高-高集聚，即高生態系統服務綜合指數被高城市化指數包圍；② 低-低集聚，即低生態系統服務綜合指數被低城市化指數包圍；③ 低-高集聚，即低生態系統服務綜合指數被高城市化指數包圍；④ 高-低集聚，即高生態系統服務綜合指數被低城市化指數包圍。

2 結果與分析

2.1 生態系統服務的時空特征

圖2顯示了寧夏糧食產量、產水量、土壤保持、NPP以及生境質量這5種生態系統服務在1980～2020年的時空變化特征。從時間變化上來看：① 寧夏的糧食產量自1980～2020年呈現持續增加趨勢，由1980年的69.55 t/km2持續增加至2020年的220.47 t/km2，增加了2倍多，這得益于農業設施發展和現代技術進步所帶來的糧食單產能力的提升。② 寧夏的土壤保持呈現出1980～1990年增加、1990～2010年減少、2010～2020年增加的變化特征，盡管一系列水土保持措施的實施改善了當地的土壤侵蝕狀況，但降雨的年際波動也給土壤保持服務的變化帶來了很大的不確定性。③ 寧夏的產水量、NPP和生境質量表現出相對一致的時間變化趨勢，即呈現出1980～1990年增加、1990～2000年減少、2000年以后持續增加的變化特征，這與當地的人類活動密切相關，尤其是2000年以來退耕還林（草）工程的大規模實施，顯著改善了當地的生態系統狀況。

從空間分布上來看，寧夏的糧食產量、產水量、土壤保持、NPP以及生境質量這5種生態系統服務在均存在著明顯的空間異質性。其中：① 糧食產量的高值區主要集中在寧夏北部的引黃灌區，在中南部地區高值呈現零碎分布特征，這與寧夏耕地的空間格局一致。② 研究期內產水量在空間上大致呈現自南向北遞減的空間變異格局，這與當地降雨的空間變化特征高度一致。③ 土壤保持在空間上的分布特征與當地的地形狀況密切相關（對比圖1），低值區主要位于低海拔地區，這里地勢相對平坦，侵蝕潛力小，進而導致較低的土壤保持；相反，土壤保持的高值區主要位于研究區的高海拔地區，包括寧夏中部丘陵溝壑區和南部山區。④ NPP呈現“兩凸一凹”的空間變化格局，寧夏中部地區的NPP值差于南部和北部地區，這與中部地區干旱、風大、土地貧瘠等生態基底條件有關。⑤ 生境質量在空間分布上比較零碎，其空間格局的形成與當地的地形條件和土地利用結構有關，生境質量好的地區主要位于高海拔地區，這里人類活動強度低，主要以林草地為主；而在海拔較低的區域，適宜人類居住和耕種，人類對自然生態系統的干擾頻繁，進而導致生境質量較差。

2.2 城市化的時空特征

圖3呈現了寧夏城市化在1990～2020年的時空變化特征。從時間變化上來說，寧夏的城市化指數呈現持續增加趨勢，這符合中國城市化進程的發展特征。具體來看，寧夏在1990～2000年間城市化指數增長較慢，由1990年的1.25%增長至2000年的1.37%；2000年以后，隨著西部大開發戰略的實施，引進了大量的人才、資金和技術，寧夏的城市化水平得到了顯著提升，城市化指數大幅增加至2020年的3.27%，增加了1.39倍，這也與寧夏2002年制定并堅持的“重點突出、梯度推進”城市化發展方針有關。

從空間變化上來說，寧夏城市化發展水平在空間上總體呈現出南北高、中部低的空間分布格局。其中寧夏北部地區得黃河灌溉之利，是寧夏人類生產生活適宜的區域，也是寧夏社會經濟發展水平最高的區域，得天獨厚的發展環境促成了該區域擁有相對較高的城市化水平；相反，在“苦甲天下”的寧夏中部地區，自然條件惡劣，生態本底脆弱，水資源貧乏，社會經濟發展水平低，很大程度上限制了城市化進程的推進；而在寧夏南部地區，盡管以山地為主，但降雨豐富，植被茂盛，一定程度上為該區域城市化的發展提供了良好的自然生態支撐，進而導致其城市化水平相對高于中部地區。

2.3 生態系統服務與城市化的時空交互作用

1990～2020年寧夏生態系統服務與城市化之間時空交互作用的全局Moran′s I如表1所列。可以發現，在2000年之前，全局Moran′s I大于0（P=0.01），且由1990年的0.183減小至2000年的0.165，這說明在此時期寧夏生態系統服務與城市化之間存在著空間正相關性，即城市化的發展在一定程度上會促進生態系統服務的改善，這可能與當時城市化發展速度較慢有關。隨著2000年以后城市化進程的快速推進，兩者之間的全局Moran′s I持續減少至2020年的-0.198（P=0.01），生態系統服務與城市化之間的關系也由空間正相關逆轉為空間負相關，此時城市化的發展是以損害生態系統服務為代價的，反過來說，生態系統服務的改善也會限制城市化的發展速度。

圖4的LISA集聚圖進一步揭示了寧夏生態系統服務與城市化在局部尺度上的空間集聚特征。由圖可知，高-高集聚和低-高集聚主要集中在研究區的北部地區，低-低集聚廣泛分布在研究區的中部地區，而高-低集聚主要分布在研究區的中南部地區。結合表1分析可以發現，寧夏主要以低-低集聚和高-低集聚為主，這反映了該地區較低的城市化水平。4種集聚模式隨時間變化來看，高-高集聚和低-低集聚的面積占比在研究期內呈現減少趨勢，即高-高集聚和低-低集聚的面積在縮小，而高-低集聚和低-高集聚的面積在擴大，表明兩者之間的空間正相關性存在著向空間負相關性演變的傾向，這種傾向揭示了寧夏生態系統服務與城市化之間關系的惡化趨勢，不利于兩者協調可持續發展。

3 討 論

本研究發現21世紀以來寧夏生態系統服務與城市化之間存在著負的空間相關性，即一個地點的城市化發展可能會導致周圍地區生態系統服務供給能力的降低，這支持了生態系統服務與城市化之間權衡的觀點［1-2，20，23］。可能的原因是環境要素（如二氧化碳、廢水廢氣）的變化，很可能會通過大氣運動、水文運動等自然過程傳遞到周圍地區，進而導致周圍地區生態系統服務供給能力的變化［3］。從生態系統服務與城市化的交互作用機制來看，一方面，人口增加和經濟發展會加大資源的消耗強度，導致大量的廢水、廢氣和廢渣等流入生態系統，進而降低了生態系統的承載力［24］；另一方面，城市化進程中大量生態用地向建設用地轉變，對生態系統格局、過程和生物地球化學循環產生了強烈的影響，降低了生態系統的供給能力［4，7，17］。總體來說，城市化可以通過經濟發展、人口增加和建設用地擴張等來影響生態系統的結構和功能［4，25］，進而影響生態系統服務的供給能力。但是，生態系統也可以通過資源稟賦、環境條件和政策干預來限制城市化發展［9］。例如，隨著城市化的發展，人類生活水平顯著改善，人類逐漸從“求生存”轉向“求生態”，這種“訴求”就會很大程度上限制建設用地無序大規模侵占生態用地等行為［24］。那么，是城市建設還是生態保護，對于許多決策者來說至關重要，因為他們面臨著如何在不削弱生態系統服務可持續供給能力的情況下開展城市建設活動的難題。盡管生態系統服務與城市化之間整體呈空間負相關，但在局部尺度上并不總是如此，因為研究結果還發現了顯著的高-高和低-低集聚模式，這也反映了生態系統服務與城市化之間存在著復雜的交互作用機制。也就是說，如果不考慮城市化與生態系統服務之間的交互關系，一些諸如直接將生態系統服務高值區劃分為生態保護區的策略可能就會失效，因為城市建設用地的高經濟產出能力往往會迫使一些建設活動進入到這些保護區中［21］。鑒于此，有必要將生態系統服務與城市化聯系在一起，以探討其在局部尺度上的交互作用，進而為城市發展和生態保護提出更合理的建議。

本研究確定了生態系統服務與城市化在局部尺度上存在著4種集聚模式（即高-高、低-低、高-低、低-高集聚），在特定區域采取的措施應該要符合該區域的集聚模式。在生態優先原則下，可以考慮將高-高集聚的區域劃分為生態功能區。在這些地區，應嚴格控制灌區發展規模，可適當鼓勵生態友好型的土地利用方式（如林地、草地甚至人工綠地等），以加強對當前生態系統服務高供給能力的維護。高-低集聚的區域屬于生態優勢區，應采取嚴格的保護措施以避免城市化發展需求下人類活動對生態系統的干擾，城市建設活動（如道路建設、旅游開發等）應被嚴格地規劃以保護區域生態系統的穩定性和可持續性。在低-高集聚的區域應該注意緩解人口壓力，集約利用現有建設用地，控制城市擴張規模，合理確定城市發展邊界，并可以加快綠地、公園等綠色基礎設施建設，以提升生態系統供給能力。在低-低集聚的區域可以將生態建設項目（如土地整治、植樹造林等）作為城市化的配套措施，在保證區域生態安全的前提下，適當進行建設活動。

此外，研究方法的局限性主要有兩點：① 本研究根據前人相關成果采用了寧夏5種關鍵的生態系統服務，可能難以充分表征區域的生態系統服務狀況；同樣，盡管經濟密度、人口密度和建設用地比例是被廣泛用以反映我國城市化的變量［20］，但由于城市發展的多樣性和復雜性，可能也存在著難以充分反映區域城市化水平的問題。因此，未來研究中可以考慮增加生態系統服務類型和城市化表征指標。② 盡管柵格尺度上的研究結果可以將生態系統服務與城市化之間的關系精確到每個柵格上，對于協調兩者關系措施的精準制定具有重要作用，但空間研究中總是存在的空間尺度效應可能會導致當前尺度上的交互作用結果與其他尺度上有所不同［16，26］。因此，未來研究中可以開展多尺度分析予以驗證。

4 結 論

通過對柵格尺度上黃河流域寧夏段生態系統服務和城市化時空動態的分析，進一步揭示了該地區生態系統服務與城市化的時空交互作用，形成的主要結論為：① 1980～2020年，寧夏糧食產量持續增加，土壤保持、產水量、NPP和生境質量呈增加-減少-增加的變化特征，空間上均存在著明顯的空間異質性。② 1990～2020年，寧夏城市化指數呈現持續增加趨勢，在空間上總體呈現南北高、中部低的空間分布格局。③ 1990～2020年，寧夏生態系統服務與城市化之間整體存在著從空間正相關向空間負相關轉變的特征，并在局部尺度上集聚，表現為高-高和低-高集聚在寧夏北部地區、低-低集聚在寧夏中部地區、高-低集聚在寧夏中南部地區。

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（編輯：黃文晉）

Abstract：

The analysis on the relationship between ecosystem services and urbanization in the Yellow River basin is of great significance for accurate formulation of sustainable development policies in this basin.Taking the Yellow River reach in Ningxia as an example，we quantified the grain yield，water yield，soil conservation，carbon sequestration and habitat quality from 1980 to 2020，analyzed the change characteristics of urbanization，and revealed the spatio-temporal interaction between ecosystem services and urbanization with the bivariate spatial auto-correlation analysis model.The results showed that the grain yield in Ningxia continued to increase，and soil conservation，water yield，NPP and habitat quality showed the characteristics of increase-decrease-increase during the study period.The urbanization level of Ningxia had improved，showing a spatial distribution pattern of high in the north and south and low in the middle.From 1990 to 2020，there was a shift from positive spatial correlation to negative spatial correlation between ecosystem services and urbanization at the global scale，and low-low cluster and high-low cluster were dominant at the local scale.The research results can provide practical guidance for ecological protection and urban project development of Yellow River basin.

Key words：

ecosystem services；urbanization；spatio-temporal change；interaction；Yellow River basin