三峡库区生态环境与经济协调发展时空演变特征

顾晋饴，刘 培，李岱远，吴 凯

（1.河海大学 环境学院，南京 210098；2.环境保护部 南京环境科学研究所，南京 210042；3.南京水利科学研究院水文水资源与水利工程科学国家重点实验室，南京 210029）

生态环境与经济协调发展是保证人类社会可持续发展的重要前提，是建设生态文明的必由之路[1]。定量研究生态环境与经济协调发展是当前的难点和热点。国外学者将土地利用/覆盖变化引入生态系统服务功能研究中，并不断引入空间技术手段进行探讨，研究方法主要有尺度评价法[2]、时空变化规律法[3]、市场与非市场价值[4]和可持续性评估法[5]等。生态系统服务功能与区域经济发展水平和开发程度密切相关，当前衡量生态经济系统协调发展的相关方法包括生态足迹评价[6-7]、物质流分析[8]和能值分析[9-10]等。空间技术的发展为生态经济系统协调发展提供了有力的方法支撑。同时由于该问题综合了生态学、经济学和地理学等多学科，具有复杂性和综合性，仍需要探索定量描述生态环境和经济发展协调程度的方法[11]。三峡库区承担着当地及长江中下游社会经济可持续发展的重任，同时还支撑着长江经济带绿色健康发展。针对较长时间段的三峡库区的生态环境和经济协调发展研究尚不多见，本研究以三峡库区为研究区域，将该区域按照行政区划分计算单元，对1995—2010年每隔5年的4个时段运用协调度指标描述其时空分布特征，基于空间统计方法描述空间模式，分析驱动因素的作用规律，为指导推动三峡库区乃至长江经济带高质量发展提供科学依据。

1 数据及研究方法

1.1 研究区域与数据源

三峡库区在行政区划上隶属于重庆市和湖北省，面积共计5.8×104km2。2016年三峡库区年末常住人口1 479.4万人，户籍总人口为1 689.1万人，实现地区生产总值7 761.5亿元。第一、二、三产业分别实现增加值751.5亿元、3 816.1亿元和3 193.9亿元[12]。三峡库区经济发展任务仍然繁重。截至2016年末，三峡库区森林面积为283.01万公顷，森林覆盖率为49.08%，农业生产以粮食作物为主。区域以山地和丘陵为主，具有中亚热带湿润季风气候特征，年均温度17℃～20℃，年均降水量1 000～1 200 mm，主要分布着针阔叶林、经济果林和农作物等植被。

本研究主体上以县级单位为研究三峡库区经济-生态环境协调发展时空差异的基本单位，同时结合数据特征，为便于分析和制图，将三峡库区划分为宜昌市、秭归县、兴山县、巴东县、巫山县、巫溪县、奉节县、云阳县、开州区（原开县）、万州区、忠县、涪陵区、丰都县、武隆区、石柱县、长寿区、渝北区、巴南区、江津区、渝中区、北碚区、沙坪坝区、南岸区、九龙坡区、大渡口区和江北区共26个单元（图1）。

图1 三峡库区行政区划及计算单元划分Fig.1 The administrative division and computational unit of the Three Gorges reservoir area

土地利用/覆盖数据采用“中国5年间隔陆地生态系统空间分布数据集（1990—2010）”（http://www.geodoi.ac.cn/）。该栅格数据集100 m空间分辨率从1990年、1995年、2000年、2005年、2010年5个不同时期展示了中国森林、草地、农田、水体与湿地、聚落、荒漠和其他共7种主要生态系统类型的空间分布状况。其土地利用图位置误差平均小于50 m，图斑的正确判读率为98.7%，土地利用一级类型综合评价精度达到94.3%以上，数据质量满足研究需求[13-15]。本研究选取其中的1995年、2000年、2005年和2010年4个时段。

社会经济数据采用26个计算单元4个时段的国内生产总值（GDP）数据。统计数据来源于《中国县域统计年鉴》《重庆统计年鉴》《湖北统计年鉴》《长江三峡工程生态与环境监测公报》和部分地区的国民经济与社会发展统计公报等资料。

1.2 数据处理

土地利用/覆盖数据通过对4个时段的“中国5年间隔陆地生态系统空间分布数据集”进行裁剪得到，数据投影统一为WGS 1984。

经济数据中，2005年和2010年均由各省市统计年鉴直接获取。1995年和2000年经济数据部分由各省市统计年鉴直接获取，部分由《长江三峡工程生态与环境监测公报》和部分市、县、区的国民经济与社会发展统计公报获得。部分地区采用人口和人均GDP计算得到区域社会经济数据；利用经济增长率或者上一级行政区的地区生产总值所占比例进行推算。

1.3 研究方法

1.3.1 生态系统服务价值计算

国内外关于生态系统服务价值的定量计算和评价方法很多，仍没有一种普遍认可的方法。相对而言，Costanza等[15]和谢高地等[16]研究得到的生态系统功能基准单价成果运用最为广泛，本研究借鉴其研究成果，其公式[5]如下：

式中：ESV为区域生态系统服务价值（单位：元）；Aj为j类生态系统面积（单位：hm2）；Eij为j类生态系统的i类生态系统功能基准单价（单位：元/hm2）。

结合相关学者研究及问卷调查[15-16]，对部分生态系统单位面积服务价值当量按照三峡库区特征进行适当的调整，得到不同生态系统单位面积生态服务价值（表1）。

表1 不同生态系统单位面积生态服务价值表（元/hm2）Tab.1 The different ecosystems and corresponding ecological service value(元/hm2)

1.3.2 生态环境-经济协调发展评价

借鉴王振波等[6]、魏伟等[11]和乔标等[17]在描述生态环境和经济协调发展程度时构建的评价指标，本研究采用生态系统服务价值与GDP比值，构建出年度经济环境协调度指数（YEEH）和经济环境协调度变化指数（EEHC）[5][式（2）～（5）]。YEEH可以定量描述区域社会经济发展与生态环境服务价值的协调等级。EEHC则更好地定量诠释生态环境服务价值与社会经济发展过程中两者之间的制约或推动作用。

式中，ESVea为单位面积上生态系统服务价值；GDPea为单位面积GDP；ESVpi、ESVpj分别为不同时段始、末年份生态系统服务价值；GDPpi、GDPpj分别为不同时段始、末年份的单位面积GDP；以上参数单位均为万元/hm2。

式（2）中，根据二者比值大小按照经济与生态环境系统协调划分标准进行分级制图；在式（3）存在以下4种可能情况：①如果ESVpr＞0且GDPpr＞0，则EEHC＞0，经济－生态环境系统处于协调状态。②如果ESVPr＞0且GDPpr＜0，则EEHC＜0，生态经济系统处于非协调状态。③如果ESVpr＜0且GDPpr＞0，则EEHC＜0，生态经济系统处于非协调状态。④如果 ESVpr＜0且 GDPpr＜0，则 EEHC＞0，这说明区域在研究期的初始阶段在发展经济时已经严重破坏了生态，即将或者已经达到了地区生态环境承载能力。由于三峡库区4个时段的GDP均为增长状态，也即GDPpr＞0，第4种情况在本研究中不予考虑。

1.3.3 生态环境-经济系统协调度的划分

根据YEEH比值不同，按照如下标准[5]进行分类：0＜YEEH≤0.3或YEEH＞1.8，区域属于高度恶化区；0.3＜YEEH≤0.6或1.5＜YEEH≤1.8，区域属于恶化区；0.6＜YEEH≤0.9或1.2＜YEEH≤1.5，区域属于恶化协调过渡区；0.9＜YEEH≤1.2，区域属于协调区。

对EEHC进行以下判断和划分：①EEHC≥0，表示地区处于协调区。由公式定义可以得出，GDP的增速高于ESV，地区的生态环境承载着人类社会经济增长带来越来越大的压力；②EEHC＜0，表示地区处于恶化区。地区的生态系统服务价值在减少，地区社会经济发展损害了生态环境，以损害地区的生态环境的服务价值为代价进行经济发展。以上YEEH和EEHC均在地理信息系统（GIS）中聚类和制图。

1.3.4 空间统计方法

运用空间格局的局部指标分析EEHC的空间演变规律，分析空间的热点和冷点地区。空间格局分析的局部指标包括局部Morans指数（Local Morans I）和局部Geary指数（Local Getis-Ord Gi*）两个方面，本研究采用局部Geary指数来确定空间模式。

其基本原理为：本要素及其邻近的要素具有高值，且该局部总和与预期局部总和具有较大差异，产生z得分[18-20]。Getis-Ord局部统计计算为[20]：

式中：xj为要素j属性值，wi，j为要素i和j之间的空间权重，n为要素总数，且：

z得分为要素返回的统计。正值z得分越高，高值（热点）的聚类就越紧密。对于负值z得分越低，低值（冷点）的聚类就越紧密。

2 结果与分析

2.1 生态环境与经济协调发展的单元数量变化

基于YEEH计算结果，统计得到4个时段的经济与生态环境协调发展的县（区）域单元数量变化（表2），高度恶化区数量在1995、2000年和2005年3个时段均为17个，2010年减为16个。恶化区数量维持在4～7个。恶化协调过渡区在2000年为0个，其余3个时段为2～3个。协调区数量分布在1～3之间，总体上发展协调度最差的高度恶化区数量减少了，协调区整体上增加。可以看出随着时间推移，整个三峡库区的经济与生态环境协调发展程度在增加。

表2 三峡库区YEEH类别及单元统计（1995—2010年）Tab.2 YEEH classification and quantity statistics（1995—2010）

2.2 生态环境与经济协调度变化特征

根据经济发展与生态环境协调度指标——YEEH公式定义可以看出，YEEH能体现单位面积上ESV和GDP的协调情况。图2为1995年、2000年、2005年和2010年三峡库区年度经济环境协调度空间演变。图例中YEEH值的7个区间分别代表了高度恶化区、恶化区、恶化协调过渡区、协调区、恶化协调过渡区、恶化区和高度恶化区，色调越浓，其恶化程度越高，亮绿色为协调区。对比4个时段的等级分布图可以看出，绝大部分区域的区域经济发展与生态环境协调度所处等级处在不断的变动之中。结合图2和表2可以得到，重庆市北碚区、沙坪坝区、九龙坡区、大渡口区、渝中区、南岸区和江北区一直处于高度恶化区，这7个单元均为重庆市市辖区，为三峡库区经济相对发达地区。除上面的7个单元，4个等级在4个时段的空间分布变化上均未固定在区域，未表现出规律性变化，具有随机性。值得特别关注的是，随着时间的推移，以重庆市辖区为中心的暗红色不断向附近区域扩大，深蓝色面积则在逐步减小。到2010年整个三峡库区颜色分布较以往年份呈现更加匀质化，相邻区域的颜色相同或者递进变化，及YEEH所处等级在相邻区域中相差不超过一个等级，与1995年、2000年和2005年3个年份的颜色的不规律分布具有很大差异。这种现象说明，随着交通等基础设施的完善、地区经济总量的上升和经济发展等级的提高，区域经济发展的开发性和辐射性在增强，相邻地区经济增长的依存度逐步提高。总之，三峡库区各个计算单元的经济发展的空间协调性在进步，地区发展规律由混乱到协调，由步伐不一致到地区经济辐射带动发展。特别值得关注的是，以重庆市市辖区为中心，生态环境和经济协调发展的恶化区在逐步向外蔓延的现象值得警示。

图2 三峡库区经济环境协调度YEEH空间演变（1995—2010年）Fig.2 The spatial changes of YEEH in the Three Gorges Reservoir area（1995—2010）

2.3 EEHC空间演变格局

为进一步阐述三峡库区的生态系统服务价格ESV和经济发展GDP随时间发展变化的协调度的空间分布格局，根据EEHC正负的关系，划分两个等级得到三峡库区EEHC空间演变（图3）。由图3可知，EEHC值分布于-0.1～0.1，结合EEHC的计算公式，经济发展GDP的增加速度超过生态系统服务价值ESV的增加或减少速度。EEHC大于0时，其值越小表示生态环境和社会经济发展协调水平越低。5年间隔的相邻时段EEHC的分级变化[图3（a）～（c）]呈现出蓝色区域面积变大，经济与生态环境处于协调状态的地区扩大，同时该区域的经济增长可能正在承受越来越大的生态环境压力。4个时段变化中重庆市部分辖区及部分临近区域一直处于红色区域外。EEHC空间演变格局得出的结论与YEHH的时空变化特征得到的结果相互印证。

为更加显著地表达出三峡库区生态环境服务价值和区域经济发展的空间演变模式，利用式（6）～（8），得到90%、95%和99%的置信水平的冷点和热点（图4）。由图4可以得出，除1995—2000年时间段外，其余3个变化区间，重庆市的部分市辖区均处于EEHC的冷点，为低值的聚集区，热点则处于不断移动状态。以上现象说明三峡库区的生态环境与经济协调发展的空间分布状态从不具有局部聚集模式到高-低两种聚集模式，并且显示出冷点高度聚集且固定，而热点由不聚集到高度聚集再到低度聚集的特征。这说明三峡库区生态环境与经济协调发展模式向高和低这个极端发展。地区的经济发展呈现快速发展趋势。

图3 三峡库区EEHC空间演变（1995—2010）Fig.3 The spatial changes of EEHC in the Three Gorges Reservoir area（1995—2010）

图4 三峡库区EEHC热点、冷点地区分布（1995—2010年）Fig.4 Getis-Ord Gi*value distribution of the EEHC in the Three Gorges Reservoir area（1995—2010年）

基于三峡库区经济发展情况[21-23]和土地利用/覆被变化[24-27]，认为地区生态环境和社会经济协调发展的前3个阶段大部分区域的无规律性变化特征，主要原因是地区社会政策主导下的土地覆盖变化的不规律性。三峡库区各个计算单元的经济发展均在增长，而土地利用/覆被变化主要受不同时段库区社会发展政策变化影响。1995—2000年，由于国家耕地保护政策实施、大江截流、试验性蓄水和安置及配套设施建设，库区耕地、水域和建设用地增加；2000—2005年，淹没、安置、迁建、陡坡耕地退耕和城镇化造成了耕地、草地、林地减少和建设用地增加的结果；2005—2010年，农业人口减少、退耕还林、工农业结构调整和高水位蓄水导致了耕地减少，草地略微减少和林地、水域增加[24-26]。区域经济发展、基础设施、区域开发及海拔条件与其作用的土地利用/覆盖有着复杂的非线性关系，因此在1995—2005年该时段下协调程度时空变化的不规律性是土地覆盖变化的复杂性导致的。相较于前3个时段，最后1个时段的规律性缘于区域经济快速发展成为协调度变化的主导驱动因素，以及人类活动对大面积的土地利用/覆盖变化驱动作用的减少。总之，目前三峡库区经济社会与生态环境发展协调度整体上趋于好转，但在区域分布上空间差异仍较为明显。以重庆市市辖区为中心的恶化区的扩张可以看出，三峡库区发展经济的同时应注重生态保护与修复。在支撑长江经济带高质量发展和建设美丽中国过程中，三峡库区在推进经济发展与生态环境保护工作和协调两者关系上任务仍十分繁重。

3 结论

基于生态环境和经济协调发展指标YEEH和EEHC的定量计算，结合经济发展和土地利用/覆盖变化情况，分析了1995—2010年三峡库区生态环境和经济协调发展时空格局演变，揭示了格局演变的驱动因素及其作用规律，得到了以下结论：

（1）对YEEH计算结果进行分级得到高度恶化区、恶化区、恶化协调过渡区、协调区4个等级。数量变化上，高度恶化区数量1995年、2000年和2005年均为17个，2010年减少为16个。恶化区数量维持在4～7个。恶化协调过渡区2000年为0个，其余3个时段为2～3个。从数量变化上看，整个三峡库区的经济与生态环境协调发展程度在增加。

（2）基于YEEH 4个等级时空分布，重庆市北碚区、沙坪坝区、九龙坡区、大渡口区、渝中区、南岸区和江北区一直处于高度恶化区。除以上区域外，4个等级在4个时段的空间分布变化上均未固定区域，未表现出规律性变化，具有随机性特征。到2010年整个三峡库区YEEH所处等级在相邻区域中相差不超过一个等级，区域经济发展的开发性和辐射性在增强，相邻地区经济增长的依存度逐步提高。

（3）4个时段的三峡库区EEHC值分布于-0.1～0.1，经济与生态环境处于协调状态的地区在扩大，同时该区域的经济增长可能正在承受越来越大的生态环境压力。基于EEHC，三峡库区的生态环境与经济协调发展的空间分布状态从不具有局部聚集模式到高-低两种聚集模式，并且显示出冷点高度聚集且固定，而热点由不聚集到高度聚集再到低度聚集的特征。

（4）1995—2005年，协调程度时空变化的不规律性是土地覆盖变化的复杂性导致的。而2010年协调度空间分布表现出的规律性，缘于区域经济快速发展成为协调度变化的主导驱动因素，以及人类活动对大面积的土地利用/覆盖变化驱动作用的减少。