张承地区城镇化与生态系统服务协调关系空间分异研究

于铄，杜贺秋，张蓬涛,2,3，李金虓

(1河北农业大学 国土资源学院，河北 保定 071000；2河北农业大学 资源与环境科学学院，河北 保定 071000；3河北省农田生态环境重点实验室，河北 保定 071000)

生态系统服务关乎人类福祉，是人类生存和经济社会发展的基础，不同学者从不同角度赋予丰富的内涵[1-3]。当前的研究热点主要包括各生态系统服务功能和生态系统服务价值2方面[4-6]。城镇化进程深刻影响着生态系统服务。在城市发展过程中，如何合理地推动城镇化发展并同时提升生态系统服务价值，在不突破各项控制指标的前提下，使生态系统在新型城镇化建设中扮演的角色和发挥作用得到充分体现，是各级政府在新型城镇化建设中需解决的难题。

当前国内外学者对城镇化与生态系统的复杂关系进行了相关研究。国外学者主要致力于研究新型城镇化与生态环境之间的关系，例如Haider Mahmood认为城镇化会对生态环境造成一定阻碍[7]；Vernon Henderson从城镇规模上分析生态环境与城镇化的关系[8]。国内学者除了在原有基础上对两者关系进行探究外，还致力于研究城镇化与生态环境的耦合问题。从研究方法看，主要通过数理统计、回归分析模型、模糊物元分析模型等探究城镇化与生态系统之间的协调水平和耦合关系[9-11]。有的学者通过回归分析法探究哪些因素对城镇化和生态环境产生影响，有学者通过模糊物元分析模型对城镇化进程和生态环境质量进行讨论。在研究维度上，有学者从时序变化发展的角度对某些区域城镇化与生态环境的演变特征进行研究[12-14]；有学者从空间格局分布的角度研究二者的演变发展特征，得出空间分异的规律普遍存在于我国新型城镇化与生态环境耦合度分布中等结论[15-17]。

张家口和承德两市位于北京和天津的上水上风方向，张承地区在很早之前就被明确定位为京津冀水源涵养功能区，两地先后进行了多项生态工程建设。如何在保障并持续提升地区生态系统服务质量的同时，促进城镇化的健康发展，实现城镇化与生态系统两者之间的协调发展，是张承地区亟需解决的重要问题。以往对张承地区的研究主要集中在土壤学、土地利用变化、生态补偿等方面，缺乏对该地区城镇化与生态系统关系研究的相关理论，厘清张承地区城镇化与生态系统服务之间的空间关系对张承地区的经济社会发展尤为重要[18-20]。

以张家口-承德地区作为研究区域，利用2010、2015、2018年3年的土地利用数据，通过价值当量法计算张承地区生态系统服务价值，并对张承地区生态系统服务价值变化进行分析，然后从人口、经济、土地、社会城镇化4个方面选取13个指标，通过综合指数法对张承地区27个县级行政单位的综合城镇化水平进行评价，随后通过弹性系数分析城镇化与生态系统服务之间的协调关系，最后采用空间自相关分析法对张承地区城镇化与生态系统服务价值空间分布特征进行分析研究，再采用排序分析法分析张承地区城镇化水平与生态系统服务价值的相关性关系，分析不同县区的排序特征，以期对张承地区生态环境和城镇化发展协调问题提供决策参考和技术支撑，实现既繁荣张承地区经济又改善张承地区生态问题的双重目标。

1 研究区概况

张承地区(E 113°50′—119°15′，N 39°18′—42°37′)位于河北省北部，包括张家口市和承德市，共下辖27个县区，总面积约7.6×104km2。该地区地形地貌相对丰富，地势呈西北高、东南低的态势分布，大致可分为坝上高原区、黄土丘陵区以及山地地区3块区域。该区域气候属温带大陆性气候，年降水量最低为388 mm，最高为688 mm，年平均气温约为4 ℃。截至2018年，张承地区常住人口为777.16万人，城镇人口达到309.88万人，城镇人口城镇化率为54.66%，地区生产总值为2 654.78万元。该区域在很早之前就被确立为京津冀水源涵养功能区，是京津冀重要的生态保护屏障。张承地区具有独特的自然资源条件和特殊区位特征，经济发展相对较慢[21-23]。

2 数据来源

张承地区2010年、2015年和2018年3期土地利用现状数据来源于中国科学院资源环境科学数据中心，空间分辨率30 m×30 m，并按研究需要划分为耕地、林地、草地、水域、建设用地和未利用地6种用地类型；城镇化相关数据来源于2011、2016、2019年的张家口、承德相关统计年鉴以及各区(县)国民经济和社会发展统计公报；粮食价格数据来源于2010-2018年《中国农产品价格调查年鉴》等统计资料。

3 研究方法

3.1 生态系统服务价值计算

以谢高地等人提出的“中国生态系统单位面积生态服务价值当量表”为基础，根据张承地区的实际情况，对价值当量表进行修正，使其符合张承地区的实际情况[24-25]。具体步骤为：张承地区2010-2018年粮食平均单产为3 906.47 kg，为消除农作物价格波动对总价值量的影响，以2010-2018年全国粮食收购价格的平均值2.23元/kg为基准，根据1个标准单位生态系统服务价值当量因子为1 hm2农田每年平均粮食产量的经济价值的1/7[25]，最终得到张承地区一个生态系统服务价值当量因子为1 244.49元/(hm2·a)，计算公式如下：

(1)

在公式(1)中，M为张承地区的粮食总价(元)；H为张承地区的耕地面积(hm2)；E为单位面积耕地生态系统提供生态系统服务功能产生的经济价值(元/hm2)，随后结合前人研究结果[26](见表1)，将各土地利用类型与表1各二级类型相对应，最终得出张承地区生态系统服务价值系数表(见表2)。由于建设用地提供的生态系统服务功能相对较少，本研究不予考虑。

表1 中国生态系统单位面积生态系统服务价值当量表Table 1 Equivalent value perunit area of ecosystem services in China

表2 张承地区单位面积生态系统服务价值Table 2 Ecosystem service value per unit area in Zhang-Cheng area

根据表2，利用公式(2)～(4)分别得到2010-2018年张承地区总ESV、各用地类型ESV和单项ESV。

ESV总=∑ESVj

(2)

ESVi=Aj×VCj

(3)

ESVk=∑Aj×VCkj

(4)

式中，各土地利用类型面积用Aj表示，第j类用地类型生态系统服务价值系数用VCj表示，第j种用地类型的第k项生态服务功能价值系数用VCkj表示，总生态系统服务价值量用ESV总表示，第j种用地类型生态服务价值量用ESVj表示，第K项生态服务的价值量用ESVk表示。

3.2 城镇化水平评价

城镇化指标体系由多种指标构成，主要包括经济水平，人口数量，社会基础设施等方面[27-29]。本研究考虑代表性、准确性、可获得性、综合性、可量化性等，结合研究区特点，并参考相关文献[30-33]，构建了城镇化指标体系(见表3)。土地是城镇化的载体，城镇建设用地扩张是土地城镇化的表现之一，是城镇化在空间上的体现，包括城镇用地占建设用地的比值、地均GDP、人均建设用地面积3项指标；人口城镇化表示的是农村人口向城镇人口转变的过程，除了人口空间位置的转变，还包括经济水平的转变，包括城镇常住人口、城镇化率、城镇人口密度、人均可支配收入4项指标；经济城镇化是城镇化发展的根本动力，是衡量城镇化水平的重要指标之一，主要包括二三产业占GDP比重、人均GDP、GDP 3项指标；社会城镇化主要是指社会公共服务及基础设施的完善，主要包括普通中学在校学生数、万人拥有卫生机构床位数、社会消费品零售总额3项指标。首先运用熵值法确定城镇化指标权重，之后运用综合指数法，对城镇化综合水平进行评价。

表3 城镇化指标体系Table 3 Urbanization indicator system

3.3 空间自相关分析

通过全局空间自相关描述张承地区所有县区与其周边县区的平均关联程度及其显著性，反映张承地区样本观测值空间上的总体相似程度。一般多采用 Moran′s I指数衡量全局空间自相关，计算公式为：

(5)

3.4 PCA排序分析法

排序分析法在生态学方面应用较为广泛[34]，它可以把多维空间降为低维空间，并按其相似程度重新排序，从而揭示物种组成和环境因子之间的响应关系，在排序结果中得出规律[35-36]。当前应用较多的方法为PCA排序分析法。PCA排序分析是通过群落排序，有效评价一组变量对另一组变量的影响，即对一个地区的群落样地按照相似度排定各样地的位序，从而分析各样地之间及其与环境之间的相互关系。当变量之间存在相关性，那么变量之间可以使用PCA排序分析。因此，运用PCA排序分析法，以张承地区3期生态系统服务价值的均值作为群落样地变量，张承地区城镇化综合水平均值作为环境变量，根据城镇化水平与生态系统服务价值的相互影响程度对27个县域按照相似度排序，并按排定位序的结果以及排序图中城镇化水平和生态系统服务价值间的夹角判断二者间的相关关系：当两者的夹角小于90°时，表明两者之间呈正相关关系，夹角越小，正相关性越强；当两者之间的夹角大于90°，表明两者呈负相关关系，夹角越大，负相关性越强；当夹角等于90°时，表明两者之间不存在相关关系。

3.5 弹性系数模型

参考相关文献，构建弹性系数(elasticity index，简称EI)描述张承地区城镇化水平和生态系统服务价值之间的冲突协调关系[37-38]。

(6)

ESR=(ESVj-ESVi)/ESVi

(7)

ULR=(ULJ-ULi)/ULi

(8)

式中，EI为生态系统服务价值与城镇化水平变化弹性系数，00.05为协调发展状态，-0.1

4 结果与分析

4.1 生态系统服务价值变化分析

通过分析得到张承地区2010-2018各土地用类型的生态系统服务价值见表4。

表4 张承地区2010-2018各土地用类型的生态系统服务价值Table 4 Ecosystem service value of various land use types in Zhang-Cheng area from the year of 2010 to 2018 亿元

由表4可知，2010-2018年，耕地、草地、水域、未利用地的生态系统服务价值均在减少。林地和草地在各土地利用类型产生的生态系统服务价值中，贡献度最大，2018年林地和草地的生态系统服务价值分别达到940.82亿元和289.62亿元，分别占总生态系统服务价值的61.84%和15.42%。而耕地的面积占总面积的33%，但耕地生态系统服务价值仅占总价值的15.84%，另外，2018年生态系统服务价值最小的为未利用地，为1.65亿元，未利用地生态系统服务价值远小于耕地和水域，这是因为张承地区主要被林地和耕地覆盖，未利用地面积远小于其他土地利用类型面积，仅占1.3%。2010-2018年生态系统服务价值总体呈下降趋势，减少了7.47亿元，这与建设用地面积增加，耕地、草地、水域、未利用地减少所造成的生态负影响有关。

张承地区2010-2018单项生态系统服务价值见表5。

表5 张承地区2010-2018单项生态系统服务价值Table 5 Individual ecosystem service value in Zhang-Cheng area from the year of 2010 to 2018 亿元

由表5可知，从生态系统服务功能来看，调节服务>支持服务>供给服务>文化服务。从各单项生态系统服务功能来看，土壤保持>维持生物多样性>水文调节>气候调节>气体调节>废物处理>原材料生产>提供美学景观>食物生产，这说明张承地区生态系统主要在土壤保持、维持生物多样性、水文调节等方面发挥重要作用。总体上，2010-2018年张承地区各县市生态系统服务价值呈下降趋势，各单项生态系统服务也呈下降的趋势。其中，原材料生产和气体调节有所增加，其余各生态系统服务有所降低。原材料生产增加最大，气体调节增加次之，原材料生产和气体调节增加是因为原材料生产和气体调节主要是由森林、草地等来提供的，林地面积增加导致这2项生态系统服务增加。另外研究时段内，农地面积在减少，食物生产主要是由农地提供的，因此，食物生产功能是减少的。

通过对研究期间各县区生态系统服务价值的计算可得出，张承地区生态系统服务价值最高的县区为围场满族蒙古族自治县，该县区位于承德市北部，研究期间其生态系统服务价值最高达208.99亿元，这是由于县区内林地分布较广，林地面积占总土地面积的65.4%；生态系统服务价值最低的为桥西区，该区域位于张家口市中部，城镇化水平较高，建设用地分布较广，其生态系统服务价值最低为2.29元。

4.2 城镇化水平测度结果分析

首先运用综合指数法算出张承地区城镇化综合水平综合得分，随后利用自然断点法将各县市城镇化得分分为5类，如图1、图2所示。

图1 张承地区2010年城镇化水平空间分布图Figure 1 Spatial distribution map of urbanization level in Zhang-Cheng area from the year of 2010

图2 张承地区2018城镇化水平空间分布图Figure 2 Spatial distribution map of urbanization level in Zhang-Cheng area from the year of 2018

2010-2018年张承地区城镇化水平总体不高，城镇化水平平均值为0.19，各县域之间的总体差异较大，但呈缩小趋势，城镇化综合水平极差值由2010年的0.78变为2018年的0.41。城镇化水平排名较高的是桥西区和桥东区，是张家口市主城区，其经济、交通、公共基础设施等方面都有较强优势，且对周围城市的辐射力很强，城镇化发展水平最高；较低的是尚义县、赤城县和康保县，这几个区域因其人文和自然环境的影响，工业发展水平低，生产力水平较落后且发展不平衡，所以城镇化起步晚，水平低。

2010-2018年张承地区城镇化水平呈上升趋势，2010年综合城镇化水平平均值为0.14，2018年城镇化综合水平平均值变为0.25，2010-2018年城镇化水平提升最快的为张家口市桥东区，城镇化综合水平提升了0.33，提升最慢的为鹰手营子矿区，提升了0.05。

4.3 张承地区城镇化与生态系统服务协调发展分析

弹性系数可以探究张承地区城镇化水平和生态系统服务价值的冲突和协同。张承地区2010-2018年城镇化与生态系统服务冲突协同程度见表6，其中EI代表各县区的弹性系数值。

表6 张承地区2010-2018年城镇化与生态系统服务冲突协同程度表Table 6 Conflict and synergy between urbanization and ecosystem services in Zhang-Cheng area from the year of 2010 to 2018

张承地区城镇化水平与生态系统服务价值冲突协调程度见图3。

图3 张承地区城镇化水平与生态系统服务价值冲突协调程度图Figure 3 Degree of coordination between urbanization level and ecosystem service value in Zhang-Cheng area

由图3可知，约50%的县区生态系统服务与城镇化水平处于极不协调状态，主要分布在张承东北部地区，以承德市为主，少部分位于张家口地区，包括万全区和崇礼区等；城镇化水平和生态系统服务价值处于冲突状态的是桥东区、桥西区、宣化区、宽城满族自治县和鹰手营子矿区，造成冲突状态的原因是随着人口的增加，对建设用地的需求不断增加，造成其他提供生态系统服务功能的土地被占用，导致生态系统服务下降。另外城市扩张、生态用地的占用会加剧景观破碎度，影响生态系统的物质循环和能量流动，从而导致区域发展呈现不协调和冲突的状态。25%的县区处于存在潜在威胁的状态，主要分布于张家口市北部及南部周围，1个县区处于协调发展状态，为尚义县。张承地区城镇化水平与生态系统服务价值的关系不但呈显著的负相关，而且以冲突关系为主。所以在城市化发展过程中，必须加大对生态环境的保护力度，密切关注生态系统服务价值的变化情况，抑制城镇化对生态系统服务价值的负面影响，加强对张承地区林地、草地等主要用地类型的保护，以提升生态系统服务价值，结合国土空间规划和治理，加强生态修护和保护工作。

4.4 张承地区城镇化与生态系统服务价值空间相关性特征分析

采用全局Moran′s I的最邻近距离空间权重评估2010、2015、2018年张承地区生态系统服务价值和城镇化水平的空间分布模式，得到张承地区城镇化水平与生态系统服务价值的莫兰指数，如表7所示。

表7 张承地区城镇化水平与生态系统服务价值莫兰指数表Table 7 Moran index table of urbanization level and ecosystem service value in Zhang-Cheng area

结果显示，2010年、2015年、2018年张承地区生态系统服务价值和城镇化综合水平的双变量全局Moran′s I指数均小于0，显著性检验P<0.05，表明这3年张承地区城镇化水平与生态系统服务价值存在负的空间自相关性。即得出结论，研究期间内，张承地区城镇化水平与生态系统服务价值存在空间负相关关系，其中2018年生态系统服务价值和城镇化综合水平莫兰指数最大，为-0.171。

为了进一步探究张承地区城镇化与生态系统服务价值的相关性，借助Canoco5.0软件中WCanoImp工具和Canodraw模块，引入PCA排序分析法分析两者相关性，得到城镇化与生态系统服务价值PCA排序图(图4)。

图4 张承地区城镇化水平与生态系统服务价值PCA排序图Figure 4 PCA ranking map of urbanization and ecosystem service value in Zhang-Cheng area

由图4可知，张承地区城镇化水平和生态系统服务总价值的夹角大于90°，这表明二者呈负相关，二者夹角较大，接近180°，表明二者负相关性较强。由此可知，城镇化发展对生态系统服务价值有较大影响，未来应合理规划，稳步推进城镇化进程，平衡城镇化和生态系统服务二者之间的关系，实现城镇化与生态保护协同发展。

将27个县区样点分别垂直投影到城镇化水平和生态系统服务价值的2条射线上，以投影点到实心箭头处的相对距离为标准，沿着箭头方向为增大，反之为减小，其作用是用来说明县区中生态系统服务价值和城镇化水平的多度值大小。本研究通过参考生态学及其他学科中多度值的概念，综合考虑城镇化与生态系统服务价值的相互作用，划分不同级别表征张承地区各县区城镇化水平与生态系统服务价值的排序结果，排序结果见表8[40-42]。

表8 张承地区城镇化水平与生态系统服务价值多度值排序表Table 8 Ranking table of urbanization level and ecosystem service value abundance in Zhang-Cheng area

由表8可知，桥西区、鹰手营子矿区和桥东区3个县区的城镇化水平多度值排序分别占第一、第二、第三位，生态系统服务价值多度值排序分别占倒数第一、第二、第三位，对此类型的县区应在发展城镇化的同时，确保重要自然生态系统、自然遗迹、自然景观和生物多样性得到系统性保护，发展绿水青山的生态城镇化模式，从而实现城镇化水平和生态系统服务价值的协调发展。围场满族蒙古族自治县、丰宁满族自治县、隆化县3个县区生态系统服务价值多度值排序分别占第一、第二、第三位，城镇化水平多度值排序分别占倒数第一、第二、第三位，对此类型的县区应以新型城镇化为契机，把握政策机遇，在保护生态环境的前提下，积极发展高新技术产业，加强与城镇化水平较高地区的交流与合作，促进人口、资源和要素在区域内的自由流动，构建城镇化与生态系统服务发展协同机制。其余县区的城镇化水平多度值排序与生态系统服务价值的多度值排序均处在中等水平，这些县区应在关注提升城镇化水平的同时，充分释放土地红利和生态红利，最终形成生态环境保护与经济发展良性互动协调发展的局面。

5 讨论

总体而言，研究期间张承地区城镇化水平和生态系统服务价值的协调程度较差，张承地区城镇化水平整体偏低。因此，制定科学合理的发展规划，从统筹、协调、融合的角度出发，促进城镇空间布局与产业布局相互协调，加强对地区生态系统服务变化的关注，推动城镇化与生态系统协调发展是重中之重。

本研究基于县级尺度从宏观上探讨了张承地区生态系统服务价值和城镇化水平的空间关系，研究结果对于促进区域城镇化和生态系统服务协调发展具有一定借鉴意义。但本研究基于张承地区城镇化指标的可获得性、综合性、可量化性选取城镇化指标体系，是否适用于其他地区，还需要进一步研究。另外各县域内城镇化水平和生态系统服务价值的内部关系还不明晰，需要进一步的细化。

6 结论

(1)张承地区在2010-2018年这一研究区间内，土地利用类型以林地和草地为主，土地利用变化不明显，变化幅度整体较小。2010-2018年，张承地区生态系统服务价值减少了7.47亿元，其变化与地类的变化密切相关，尤其是林地、草地和耕地面积的缩减。各单项生态系统服务中，土壤保持、水文调节、维持生物多样性这3项服务在张承地区生态系统服务中起着重要作用。

(2)2010-2018年张承地区城镇化水平总体不高，各县域之间的差异较大，城镇化综合指数平均值有所提升，从0.14变为0.25，研究期间内城镇化水平提升最快的为张家口市桥东区，最慢的为鹰手营子矿区。

(3)基于弹性系数分析，县域城镇化和生态系统服务协调关系以极不协调发展为主，极不协调发展的县区占50%。另外，尚义县处于协调发展状态；桥东区、桥西区、宣化区、宽城满族自治县和鹰手营子矿区处于冲突状态；蔚县、阳原县、怀安县、怀来县、涿鹿县、张北县和康保县处于潜在威胁状态。

(4)双变量空间自相关分析结果显示，研究期间张承地区生态系统服务价值和城镇化水平存在空间负相关关系，排序分析法更好地解释了张承地区城镇化水平和生态系统服务价值的相关性关系，结果显示张承地区生态系统服务价值和城镇化水平呈负的相关性，且负相关性较强。

(5)张承地区各县区的多度值排序显示，桥西区、鹰手营子矿区和桥东区3个县区的城镇化水平多度值排序名次较高，生态系统服务价值多度值排序名次较低；围场满族蒙古族自治县、丰宁满族自治县、隆化县的生态系统服务价值多度值排序名次较高，城镇化水平多度值排序名次较低。不同县区的多度值位序排列存在显著差异，应采取不同政策，因地制宜，保障县区协调发展。