长江三峡生态经济走廊生态系统服务的时空演化特征及影响因素研究

张晓燕，马维艳，何伟军，盛三化

（三峡大学 经济与管理学院，湖北 宜昌 443002）

随着经济社会的快速发展，人类活动给生态环境带来了外部性，导致土地利用布局发生时空演变，进而影响生态系统服务功能。在生态优先、绿色发展背景下，生态系统与人类社会的协调发展成为区域发展亟须研究和考虑的重要问题。生态系统服务概念及估算方法自1997 年COSTANZA 等[1]提出后就备受关注，生态系统服务指人类以生存为目的从生态系统中获得的利益，主要包括供给服务、调节服务、支持服务和文化服务，科学分析生态系统服务的时空演化特征，对于认识区域的生态现状、促进经济发展与环境保护相协调具有重要意义[2]。

目前，生态系统服务研究集中在区域生态系统服务价值估算[3]、生态系统服务价值时空演变及驱动分析[4]、生态系统服务供需格局[5]、国土空间生态安全[6]、碳排放与生态系统服务价值的关系[7]、土地利用对生态系统服务的影响[8]、生态系统服务与经济发展[9]、生态系统服务与城镇化[10]等方面；在生态系统服务价值评估和影响因素的研究方面，主要采用当量因子法[11]，地理探测器[12]、地理加权回归模型[13]、多元回归模型[14]、结构方程模型[15]等方法；影响因素主要选取景观格局指数[16]、归一化植被指数、气温、降水量、土壤[4]等内部生态环境变化因素和人均GDP、城市化水平、人口密度、产业结构[17]等外部经济社会因素。

长江三峡生态经济走廊处于国家重点生态功能区、长江三峡库区生态脆弱区、少数民族聚集区、集中连片特困地区、武陵山区“五区合一”的特殊空间地理位置[18]，其生态系统服务价值对筑牢长江流域生态屏障及科学评估该区域在长江经济带的生态价值和功能具有重要意义。本文以长江三峡生态经济走廊42 个区县作为研究对象，基于当量因子法对其2000—2020 年的生态系统服务价值进行评估，并分析时空演变特征，采用时空地理加权回归模型分析驱动因素的空间异质性特征，以期为长江三峡生态经济走廊建设过程中制定针对性的生态环境保护政策、协调生态环境保护与经济发展提供科学依据。

1 研究区域与数据来源

长江三峡生态经济走廊包含重庆市涪陵区、长寿区、南川区、万州区、梁平区、城口县、丰都县、垫江县、忠县、开州区、云阳县、奉节县、巫山县、巫溪县、黔江区、武隆区、石柱县、秀山土家族苗族自治县、酉阳土家族苗族自治县、彭水苗族土家族自治县20 个区县；湖北省宜昌市西陵区、伍家岗区、点军区、猇亭区、夷陵区、远安县、兴山县、秭归县、长阳土家族自治县、五峰土家族自治县、宜都市、当阳市、枝江市13 个区县，恩施土家族苗族自治州恩施市、利川市、建始县、巴东县、宣恩县、咸丰县、来凤县、鹤峰县8 个区县，以及神农架林区，共计42 个区县（下文起区县用简称），范围及高程如图1 所示。

图1 长江三峡生态经济走廊的范围及高程

本研究土地利用数据来源于中国科学院资源与数据科学中心，采用2000 年、2005 年、2010 年、2015 年、2020 年1 km 分辨率的栅格数据进行生态系统服务价值计算，计算所需的农作物产量、农作物播种面积、农产品价格来源于各区县相应年份的统计年鉴和《中国农产品价格调查年鉴》，经济社会发展的各项指标数据来源于EPS 数据库及相应年份区县的统计年鉴和统计公报，景观格局指数在土地利用数据基础上通过FRAGSTATS工具软件计算得出。

2 研究方法

2.1 生态系统服务价值评估方法

生态系统服务价值是生态系统服务功能效用的价值表现形式，可以量化自然生态系统的服务功能[19]。本文基于谢高地等[20]提出的生态系统服务当量因子法计算2000—2020 年长江三峡生态经济走廊生态系统服务价值，对当量因子的价值进行修正，修正后的长江三峡生态经济走廊单位面积生态系统服务价值如表1 所示。

表1 长江三峡生态经济走廊单位面积生态系统服务价值

为消除自然因素和价格波动对粮食播种面积和价格的影响，取长江三峡生态经济走廊2000—2020 年粮食市场价值平均值的1/7 作为当量因子价值。各土地利用类型生态系统服务价值当量的选择按以下原则：水田、旱地生态系统服务价值当量直接对应谢高地水田、旱地生态系统服务价值当量，森林生态系统服务价值当量取针叶、针阔混交、阔叶及灌木四种生态系统价值当量的均值，草地生态系统服务价值当量对应谢高地灌草丛生态系统价值当量，水域生态系统服务价值当量对应湿地和水系两种生态系统价值当量的均值，未利用土地由于包含沼泽地和裸岩石质地，因此对应湿地和荒漠两种生态系统价值当量的均值，建设用地的生态服务价值不予考虑。

在表1 的基础上，参考金声甜等[21]的研究，根据各土地利用类型的面积可计算长江三峡生态经济走廊生态系统服务价值，公式如下：

式中：ESV为研究区生态系统服务价值总量，ESVf为第f种生态服务功能的价值量，Ai为第i种土地利用类型的面积，VCi为第i种土地利用类型的生态系统服务价值系数，VCif为第i种土地利用类型的第f种生态服务功能的价值量。

2.2 空间相关性分析

全局莫兰指数检验整个研究区域中邻近地区间是相似、相异（空间正相关、负相关），还是相互独立的。计算公式如下[22]：

式中：Wij为空间权重矩阵，xi和xj分别表示区县i、j的生态系统服务价值总量，为平均值，n为区县单元总数，S2为方差。Moran’sI＞0 时表示存在空间正相关，Moran’sI＜0 时表示存在空间负相关，Moran’sI=0 时表示不存在空间自相关。

局部莫兰指数用来检验局部地区是否存在相似或相异的观察值聚集在一起，区域i的局部莫兰指数用来度量区域i和它相邻区域之间的关联程度，计算公式如下：

式（3）中的符号含义与全局莫兰指数相同。正的Ii表示一个高值被高值包围，或者一个低值被低值包围，负的Ii表示一个低值被高值包围，或者一个高值被低值包围，Ii=0 表示随机分布。

2.3 时空地理加权回归模型

地理加权回归模型是普通线性回归模型的扩展，将数据的地理位置纳入到回归参数中为样本构建局部回归方程，更好的测度回归参数的真实空间特征[23]。而时空地理加权回归模型在考虑空间异质性的基础上，引入了时间维度，能有效处理时空非平稳性[24]，计算公式如下[25]：

式中：(ui,vi,ti)为第i个样本点的时空坐标，xik为样本点i在第k个自变量x的观测值，εi为误差项。

估计方法如下：

其中，空间权重矩阵W的元素计算由空间带宽、核函数、距离计算公式3 个因素确定，本文基于自适应带宽、高斯核函数和欧式距离构建，并以AICc 准则来确定。

3 结果与分析

3.1 长江三峡生态经济走廊土地利用变化分析

通过对2000—2020 年五期土地利用现状遥感监测数据的处理，得到长江三峡生态经济走廊2000 年、2005 年、2010 年、2015 年、2020 年5 个年份的土地利用面积及变化情况（表2）。由表2 可知，长江三峡生态经济走廊中，就各土地利用类型占比来看，占比最高的为森林，到2020 年约占60%，其次是旱地，约占20%，然后是草地，在2000—2015 年约占13%，2015—2020年占比下降至10%，而水田、水域、建设用地和未利用土地占比较低，分别约占8%、1%、1%和0%，总体来看，森林面积＞旱地面积＞草地面积＞水田面积＞水域面积＞建设用地面积＞未利用土地面积。

表2 长江三峡生态经济走廊各土地利用类型面积及占比

就用地类型面积变化情况来看，森林面积在2000—2015 年基本持平，在2015—2020 年有所增加；草地面积在2000—2015 年基本持平，在2015—2020 年有所减少；水域、建设用地面积在2000—2020 年呈持续上升趋势；未利用土地面积在2000—2020 年呈先降后增的趋势；水田和旱地面积在2000—2015 年持续减少，在2015—2020 年呈上升趋势。

在各用地类型中，2000—2020 年变化最快的是建设用地，变化率为152.61%；其次是未利用土地，变化率为80%；水域面积在研究期间内变化适中；森林面积的变化率较小；与此相比，草地、水田、旱地面积的变化率均为负，且草地面积减少的最快，水田和旱地面积减少相对缓慢。

根据五期土地利用现状遥感监测数据，经处理后生成2000—2020 年长江三峡生态经济走廊生态系统类型（图2）。由图2 可知，森林主要集中在神农架林区以及恩施州的八个区县，草地在整个研究区域均有分布，而开州、云阳、万州、梁平、忠县、垫江、长寿、丰都、枝江、当阳为水田和旱地密集分布的地区，森林与水田和旱地交替分布的区县有涪陵、南川、武隆、黔江、彭水、酉阳、秀山，水域延长江及其支流分布，建设用地主要分布在万州、恩施、西陵、当阳、夷陵。

图2 2000—2020年长江三峡生态经济走廊生态系统类型

3.2 长江三峡生态经济走廊生态系统服务价值的时空演化特征

3.2.1 各用地类型生态系统服务价值分析

本研究采用中国科学院资源与数据科学中心提供的2000 年、2005 年、2010 年、2015 年、2020 年1 km分辨率的中国土地利用现状遥感监测数据，利用ArcGIS10.5 处理后生成相应年份的长江三峡生态经济走廊生态系统分类图（图2），并以此计算生态系统服务价值。表3 为2000—2020 年长江三峡生态经济走廊各类土地生态系统服务价值及贡献率、变化率。

表3 各类土地生态系统服务价值及贡献率、变化率

由表3 可知，2000 年、2005 年、2010 年、2015 年、2020 年长江三峡生态经济走廊生态系统服务价值分别为1 728.78 亿元、1 740.34 亿元、1 747.60 亿元、1 747.28 亿元、1 743.09 亿元，呈现先增加后减少的趋势，累计增加14.31 亿元，增长率为0.83%。2000—2020 年，水田和旱地的生态系统服务价值呈先降后增的趋势，分别累计减少0.25 和0.49 亿元；森林的生态系统服务价值持续上升，累计增加60.63 亿元；草地的生态系统服务持续减少，累计减少82.56 亿元；水域的生态系统服务价值也持续上升，累计增加36.89 亿元；未利用土地的生态系统服务价值呈先降后增的趋势，累计增加0.11 亿元。

就变化率来看，水田、旱地的变化率由负转正，森林的变化率仅在2010—2015 年变为负，而草地的变化率基本均为负，水域的变化率均为正，且在2015—2020年有所增加，未利用土地的变化率仅在2000—2005 年为负，在2005—2020 年均为正，且在2015—2020 年达到2%。总体来看，未利用土地在2000—2020 年变化最快，其次是水域、森林，而水田、旱地缓慢变化，草地负向变化较大。

就各土地利用类型生态系统服务价值贡献率来看，森林＞草地＞水域＞旱地＞水田＞未利用土地，其中森林的生态系统服务价值贡献率约占总体的71.14%，在2000—2020 年有所上升，草地的生态系统服务价值贡献率约占总体的15.39%，但在2015—2020 年有所下降，水域的生态系统服务价值贡献率约为6.57%，呈稳步上升态势，而旱地、水田、未利用土地的生态系统服务价值贡献率约占总体的4.79%、2.10%、0.01%，基本保持不变。

3.2.2 生态系统各项服务功能价值分析

根据表1 可计算出长江三峡生态经济走廊生态系统各项服务功能价值（表4）。由表4 可知，长江三峡生态经济走廊生态系统各项服务价值贡献从高到低依次为气候调节、水文调节、土壤保持、生物多样性、气体调节、净化环境、美学景观、原料生产、食物生产、维持养分、水资源供给，其中气候调节和水文调节的功能价值之和约占价值总量的50%。2000—2020 年，食物生产、气体调节、气候调节、土壤保持、维持养分的功能价值呈减少趋势，原料生产、净化环境、美学景观的功能价值呈先增后减趋势，相比之下，水资源供给、水文调节的功能价值在逐年增加，生物多样性的功能价值则基本保持不变。

表4 生态系统各项服务功能价值

3.2.3 区县生态系统服务价值分析

利用空间分析栅格运算，分别按自然断点法将各年份ESV 划分为低、较低、中、较高、高五类。由此得到2000—2020 年长江三峡生态经济走廊生态系统服务价值时空变化情况。由图3 可知，长江三峡生态经济走廊内，生态系统服务价值较高的地区主要为森林覆盖率较高且伴有水域的中部地区；生态系统服务价值中等的地区集中在研究区北部和南部，而生态系统服务价值较低的区域则为西部和东部边缘地区。

图3 2000—2020年长江三峡生态经济走廊生态系统服务价值

为进一步明晰2000—2020 年长江三峡生态经济走廊42 区县的生态系统服务价值状况，在计算2000—2020 年42 区县的生态系统服务价值基础上，通过自然断点法将42 区县的生态系统服务价值分为五类，得到2000—2020 年长江三峡生态经济走廊42 区县生态系统服务价值分解（图4）。由图4 可知，2000 年、2005 年、2010 年、2015 年，生态系统服务价值始终排在前十位的是酉阳、利川、恩施、长阳、奉节、夷陵、巫溪、神农架、巴东、彭水，而在2020 年，利川和酉阳的生态系统服务更加突出；而生态系统服务价值始终排在最后十位的区县为枝江、宜都、来凤、梁平、长寿、垫江、点军、猇亭、西陵、伍家岗，其中垫江、西陵始终处于较低的排位；其余区县的生态系统服务价值处于中等排位，在近20 年间变化不大。

图4 2000—2020年长江三峡生态经济走廊42区县生态系统服务价值分解/亿元

由表5 可知，在研究区42 个区县中，生态系统服务价值增长较快的区县为云阳县、忠县、秭归县、垫江县、万州区，增长率均高于5%，增长较为缓慢的区县有巫山县、丰都县、巫溪县、奉节县等19 个区县，而增长率为负增长的区县有神农架林区、兴山县、咸丰县、五峰土家族自治县等18 个区县，其中枝江市、伍家岗区、西陵区生态系统服务价值下降较大。

表5 2000—2020年研究区42区县生态系统服务价值增长率

4 生态系统服务价值空间分异驱动力分析

4.1 生态系统服务价值的空间分异特征

为探究长江三峡生态经济走廊生态系统服务价值在空间上是否存在相关性，运用ArcGIS10.5 分别对2000年、2005 年、2010 年、2015 年、2020 年生态系统服务价值进行全局空间自相关测算，采用共享边界或点作为空间关系的概念化。由表6 可知，Moran’s I 指数均为正值，在2000—2020 年呈先减后增的趋势，且P值均显著，表明长江三峡生态经济走廊生态系统服务价值的正向空间相关性逐渐增强。

表6 2000—2020年长江三峡生态经济走廊生态系统服务价值全局自相关分析

进一步进行局部空间自相关测算，并通过ArcGIS绘制LISA 集聚图（图5）。由图5 可知，2000—2020 年长江三峡生态经济走廊内部生态系统服务价值空间差异较大，高值区主要为巫溪、云阳、奉节、巫山、秭归、建始、恩施、利川、咸丰、彭水；低值区主要为垫江、点军、伍家岗、猇亭；高—低集聚区为夷陵，低—高聚集区为黔江、秀山，其余区县均不显著；就各区县变化来看，兴山在2015 年后成为高值区域，2020 年又不再显著，西陵在2010 年后成为低值区域，2015 年后又不再显著。总体来看，生态系统服务价值高—高聚集集中在研究区中部，低—低聚集零星分散在东部和西部，且近20 年来未发生较大变化。

图5 2000—2020年长江三峡生态经济走廊生态系统服务价值LISA集聚图

4.2 空间分异驱动力分析

4.2.1 驱动因素选取

影响生态系统服务价值的因素众多，自然因素中生态格局是区域生态过程变化的展现，景观格局变化影响生态过程中的物质循环和能量流动，对生态系统服务产生影响[26]，本文参考罗盛锋等[27]的研究，选择景观格局指数中的斑块密度、斑块聚合度、蔓延度指数、香农多样性指数4 个指标作为自然因素的衡量指标，其中斑块密度描述生态系统的破碎化程度；斑块聚合度描述斑块之间的连通性；蔓延度指数描述斑块间的团聚程度，蔓延度指数越大，表明斑块类型之间形成了良好的连接；香农多样性指数描述景观类型的多样性程度，用于揭示景观的复杂程度；经济社会因素中选择人均地区生产总值、第三产业占GDP 比重、人均社会固定资产投资和人均社会消费品零售总额4 个指标作为衡量指标（表7）。

表7 生态系统服务影响因素指标表

4.2.2 回归结果

在进行回归前，首先对驱动因素进行多重共线性检验，剔除方差膨胀因子大于10 的驱动因素，最终确定斑块密度、斑块聚合度、蔓延度指数、人均地区生产总值、第三产业占GDP 比重、人均社会固定资产投资6 个驱动因素作为解释变量，并对被解释变量ESV、解释变量人均社会固定资产投资作对数处理，OLS 回归结果见表8。由拟合结果可知，经济社会因素中人均地区生产总值负向影响较为显著，第三产业占GDP 比重在2010—2020 年负向影响显著，人均社会固定资产投资的影响在2000 年负向显著，在2005—2020 年为正向影响。

表8 最小二乘法回归结果

基于空间自相关关系的存在及OLS 回归结果的拟合片面，引入时空地理加权回归模型（GTWR）进行回归。表9 为时空地理加权回归结果的参数，从模型的拟合优度来看，修正后的R2为0.890 4，说明该模型较好的测度了各驱动因素对因变量生态系统服务价值的影响。

表9 时空地理加权回归结果的参数

为展现各驱动因素的空间异质性，运用ArcGIS 自然断点法将2020 年各驱动因子系数可视化（图6），以展现驱动因素影响力的空间分异。由图6a 可知，蔓延度指数对生态系统服务价值的影响具有空间异质性，在长江三峡生态经济走廊东部及南部酉阳、秀山影响为正，而在西部梁平、垫江、忠县、丰都、长寿、涪陵、南川负向影响较大，这些地区景观破碎程度较大，影响其生态系统服务价值。

图6 长江三峡生态经济走廊生态系统服务价值驱动因素的空间异质性

由图6b 可知，斑块密度对生态系统服务价值的影响与蔓延度指数相反，长江三峡生态经济走廊中部地区的利川、咸丰、宣恩、来凤为负向影响较大的区县，这些区域景观的破碎使生态系统服务受到一定程度的破坏，而北部和西部的区县为正向影响。

由图6c 可知，斑块聚合度驱动因素层次分明，北部地区的城口、巫溪、开州、云阳、奉节、巫山、南部酉阳、秀山为负向影响，而东中西部区县则基本为正向影响，景观类型斑块间良好的连通性使得生态系统服务价值增加。

由图6d 可知，人均地区生产总值是6 个驱动因素中负向影响程度最大的因素，北部城口、开州、云阳、万州、南部酉阳、秀山尤为明显，这些区县在发展经济时对生态系统服务价值产生了较大的负向影响；在长寿、涪陵、南川、远安、夷陵、点军、西陵、猇亭为正向影响，但不显著。

由图6e 可知，第三产业占GDP 比重在远安、夷陵、西陵、猇亭、点军、鹤峰、城口、巫溪、巫山、神农架、兴山、利川、咸丰、宣恩、来凤为负向影响，其余区县均为不同程度的正向影响，存在第三产业占GDP 比重和生态系统服务价值双低的情况。

由图6f 可知，人均社会固定资产投资对生态系统服务价值的影响均为正向，但不显著，其中垫江、丰都、神农架、巫溪、巫山、宣恩、鹤峰、利川、咸丰、来凤、当阳、枝江、宜都相对明显，其余区县均为微弱的正向影响。

5 结论与讨论

（1）长江三峡生态经济走廊生态系统服务价值呈先增后减的趋势，整体变化不大。从土地利用类型来看，森林是该区域最主要的土地利用类型，建设用地与未利用土地变化较快，草地面积减少较多；森林的生态系统服务价值贡献率高达70%，水域和未利用土地的变化程度最大；调节服务是长江三峡生态经济走廊生态系统服务的核心功能，其中气候调节的贡献率最大。这说明在长江三峡生态经济走廊建设过程中，应重点促进经济社会与生态环境的协同发展，积极开展生态治理和流域综合治理，合理规划土地利用，设定各类土地利用“红线”，积极实施退耕还草政策，重视对森林覆盖率较高的区县的生态环境保护，发挥其生态系统服务的最大效用，构建区域生态产业体系，探索建立生态补偿机制，以降低核心保护区的生态压力，打造区域生态共同体。

（2）长江三峡生态经济走廊生态系统服务价值空间分布差异明显。高值区分布在森林覆盖率较高且伴有水域的中部地区，低值区位于研究区西部和东部边缘。研究区生态系统服务价值的正向空间相关性逐渐增强，中部区域为高—高集聚区，主要为巫溪、云阳、奉节、巫山、秭归、建始、恩施、利川、咸丰、彭水，低-低集聚区为垫江、点军、伍家岗、猇亭等。其中位居前十位的是酉阳、利川、恩施、长阳、奉节、夷陵、巫溪、神农架、巴东、彭水。对于生态系统服务价值较高的区县，应继续坚持生态优先、绿色发展，保持生态系统的良好循环和服务功能，同时在生态环境可承载范围内通过生态产品价值转化实现提升经济效益；对于生态系统服务价值较低的区县，如枝江、宜都、来凤、梁平、长寿、垫江、点军、猇亭、西陵、伍家岗等，应突出平衡经济发展与环境保护的关系，同时积极进行生态修复和生态补偿。

（3）长江三峡生态经济走廊生态系统服务价值的影响因素呈现空间异质性特征。蔓延度指数在东部及南部酉阳、秀山影响为正，而在西部梁平、垫江、忠县、丰都、长寿、涪陵、南川负向影响较大；斑块密度在中部利川、咸丰、宣恩、来凤负向影响较大，景观的破碎使生态系统服务受到一定程度的破坏，而在北部和西南的区县为正向影响；斑块聚合度在北部城口、巫溪、开州、云阳、奉节、巫山，南部酉阳、秀山为负向影响，在东中西部区县为正向影响，景观类型斑块间良好的连通性使得生态系统服务价值增加；人均GDP 负向影响程度最大，在北部城口、开州、云阳、万州、南部酉阳、秀山表现得尤为明显，人均GDP 越高，生态系统服务价值越小；第三产业占GDP 比重在远安、夷陵、西陵、猇亭、点军、鹤峰、城口、巫溪、巫山、神农架、兴山、利川、咸丰、宣恩、来凤为负向影响，其余区县为正向影响。因此，在长江三峡生态经济走廊建设过程中，应根据国土空间规划，明确各区县发展定位，避免高密度、细碎化的开发，减少其对生态系统服务的破坏。同时，在景观格局中打通斑块间的连通性，以增加北部和南部区县的生态系统服务价值；协调好经济发展与环境保护之间的矛盾，降低经济发展对生态系统服务带来的负面影响，以新发展理念带动绿色产业发展，促进人口、资源、环境的相互协调。