黄河流域生态系统服务与城市化时空交互作用分析

肖芳 魏文颖 周斌

摘要：

分析黄河流域生态系统服务与城市化的关系有助于精准化制定流域可持续发展政策。以黄河流域宁夏段为例，量化了1980～2020年粮食产量、产水量、土壤保持、碳固存和生境质量等关键生态系统服务，分析了城市化变化特征，并结合双变量空间自相关分析模型解析了生态系统服务与城市化之间的时空交互作用。结果表明：1980～2020年，宁夏粮食产量持续增加，土壤保持、产水量、NPP和生境质量呈增加-减少-增加的变化特征。宁夏城市化水平有所提升，呈现南北高、中部低的空间分布格局。1990～2020年，生态系统服务与城市化之间在全局尺度存在着空间正相关向空间负相关转变的特征，并且在局部尺度上以低-低集聚和高-低集聚为主。研究结果可为黄河流域生态保护和城市发展规划提供实践指导。

关 键 词：

生态系统服务； 城市化； 时空变化； 交互作用； 黄河流域

中图法分类号： X171；X826；F291.1

文献标志码： A

DOI：10.16232/j.cnki.1001-4179.2023.08.013

0 引 言

作为维持人类生存的基础，生态系统服务与人类福祉密切相关。然而，随着城市化的快速推进，生态系统服务的供给面临着日益加剧的城市化压力，已经威胁到了区域生态系统的可持续发展［1］。在此背景下，理解生态系统服务与城市化间的关系对于有效的生态系统管理至关重要。目前，生态系统服务与城市化之间关系的研究得到了生态学、地理学等领域学者的广泛关注。众多学者在城市化产物对生态系统服务的影响、城市化与生态系统服务的协调关系、生态系统服务对城市化的响应特征及机制等［2-6］方面展开了一系列研究，并取得了丰硕的成果。如欧阳晓等［7］在洞庭湖的案例中揭示了建设用地扩张对生态系统服务的负向影响；渠玉莲等［8］对南京市的研究证实了该地区城市化发展与生态系统服务之间存在着高度协调关系；XIAO等［9］在沪杭都市圈采用耦合协调度模型从系统层面和子系统层面揭示了城市化与生态系统服务之间的交互胁迫关系。纵观现有研究发现，在研究尺度上，既包括较小尺度的市域、县域研究，中观尺度的省域研究，也有涉及全国和区域的大尺度研究，如针对各县域［10］、各市域［1］、各省域［11］等的案例研究明确了行政尺度上两者之间的关系。但由于栅格尺度上城市化相关数据的获取受限，目前对于栅格尺度上生态系统服务与城市化关系的分析较少，这将限制精细化的生态管理实践。此外，在案例区的选择上，研究案例多发生在中国东部发达的城市、城市群及沿海地区，对黄河流域的研究较少，研究成果不足以支撑黄河流域的可持续发展。

宁夏回族自治区作为唯一一个全境属于黄河流域的省域，随着“一带一路”战略和黄河流域生态保护和高质量发展战略的实施，城市化水平擁有很大的发展潜力，然而该地区生态系统服务与城市化之间关系的时空动态信息仍然不得而知，这给未来如何协调城市建设与生态保护带来了挑战。为此，本研究以宁夏为例，在从栅格尺度上解析该地区近40 a来生态系统服务和城市化动态特征的基础上，结合双变量空间自相关分析模型从全局和局部尺度上进一步揭示两者之间的时空交互作用，以期为协调宁夏生态保护和城市化发展的政策制定提供科学依据。

1 数据与方法

1.1 研究区概况

宁夏位于黄河流域上游（35°26′～39°30′N、104°50′～107°40′E），面积约66 400 km2，海拔1 080～3 474 m，地势西南高、东北低（见图1）。宁夏属于典型的大陆性季风气候，年平均气温为5.8～8.2 ℃，空间上由南向北逐渐升高；年平均降水量为180～800 mm，由南向北逐渐减少［12］。该地区以草地和耕地为主，随着社会经济的发展和城市化的推进，建设用地呈现明显扩张趋势。与此同时，宁夏面临着包括水资源短缺、水土流失、土地荒漠化、土壤盐渍化、草原退化等一系列问题，对当地可持续发展构成了严重的威胁。因此，有必要分析城市化背景下该地区生态系统服务的变化特征及其与城市化之间的关系，这将增强对“过去-当前”状况的了解，并助力“未来”发展政策的制定。

1.2 研究数据来源

本研究以1980，1990，2000，2010年和2020年为典型研究期，收集整理相关数据，主要包括：① 由中国科学院资源环境科学与数据中心（http：∥www.resdc.cn/）提供的土地利用数据；② 由地理空间数据云（http：∥www.gscloud.cn/）提供的DEM数据；③ 由国家气象科学数据中心（http：∥data.cma.cn/）提供的气象数据；④ 由中国科学院资源环境科学与数据中心（http：∥www.resdc.cn/）和国家青藏高原科学数据中心（http：∥westdc.westgis.ac.cn/）提供的NDVI数据；⑤ 来自国家冰川冻土沙漠科学数据中心（http：∥www.ncdc.ac.cn/portal/）的基于世界土壤数据库（HWSD）的中国土壤数据集（v1.1）提取的土壤数据；⑥ 来自于《宁夏统计年鉴》的粮食生产数据、人口和GDP统计数据；⑦ 来自中国科学院资源环境科学与数据中心（http：∥www.resdc.cn）的GDP和人口空间分布数据，并采用文献［13］提供的方法进行纠正。本研究将所有数据重采样为1 km的空间分辨率，进而在1 km×1 km的栅格尺度上展开相关研究工作。

1.3 研究方法

1.3.1 生态系统服务量化方法

本研究参考黄土高原、西北干旱半干旱区以及研究区的相关研究成果，选择粮食产量、产水量、土壤保持、碳固存和生境质量这5种研究区关键的生态系统服务。相关计算方法如下。

（1） 粮食产量。

式中：Ia为栅格a的自变量与因变量的局部空间关系；Za、Zb分别为自变量、因变量在栅格a、b上观测值的方差标准化值。基于Ia可形成4种LISA集聚模式［22］：① 高-高集聚，即高生态系统服务综合指数被高城市化指数包围；② 低-低集聚，即低生态系统服务综合指数被低城市化指数包围；③ 低-高集聚，即低生态系统服务综合指数被高城市化指数包围；④ 高-低集聚，即高生态系统服务综合指数被低城市化指数包围。

2 结果与分析

2.1 生态系统服务的时空特征

图2显示了宁夏粮食产量、产水量、土壤保持、NPP以及生境质量这5种生态系统服务在1980～2020年的时空变化特征。从时间变化上来看：① 宁夏的粮食产量自1980～2020年呈现持续增加趋势，由1980年的69.55 t/km2持续增加至2020年的220.47 t/km2，增加了2倍多，这得益于农业设施发展和现代技术进步所带来的粮食单产能力的提升。② 宁夏的土壤保持呈现出1980～1990年增加、1990～2010年减少、2010～2020年增加的变化特征，尽管一系列水土保持措施的实施改善了当地的土壤侵蚀状况，但降雨的年际波动也给土壤保持服务的变化带来了很大的不确定性。③ 宁夏的产水量、NPP和生境质量表现出相对一致的时间变化趋势，即呈现出1980～1990年增加、1990～2000年减少、2000年以后持续增加的变化特征，这与当地的人类活动密切相关，尤其是2000年以来退耕还林（草）工程的大规模实施，显著改善了当地的生态系统状况。

从空间分布上来看，宁夏的粮食产量、产水量、土壤保持、NPP以及生境质量这5种生态系统服务在均存在着明显的空间异质性。其中：① 粮食产量的高值区主要集中在宁夏北部的引黄灌区，在中南部地区高值呈现零碎分布特征，这与宁夏耕地的空间格局一致。② 研究期内产水量在空间上大致呈现自南向北递减的空间变异格局，这与当地降雨的空间变化特征高度一致。③ 土壤保持在空间上的分布特征与当地的地形状况密切相关（对比图1），低值区主要位于低海拔地区，这里地势相对平坦，侵蚀潜力小，进而导致较低的土壤保持；相反，土壤保持的高值区主要位于研究区的高海拔地区，包括宁夏中部丘陵沟壑区和南部山区。④ NPP呈现“两凸一凹”的空间变化格局，宁夏中部地区的NPP值差于南部和北部地区，这与中部地区干旱、风大、土地贫瘠等生态基底条件有关。⑤ 生境质量在空间分布上比较零碎，其空间格局的形成与当地的地形条件和土地利用结构有关，生境质量好的地区主要位于高海拔地区，这里人类活动强度低，主要以林草地为主；而在海拔较低的区域，适宜人类居住和耕种，人类对自然生态系统的干扰频繁，进而导致生境质量较差。

2.2 城市化的时空特征

图3呈现了宁夏城市化在1990～2020年的时空变化特征。从时间变化上来说，宁夏的城市化指数呈现持续增加趋势，这符合中国城市化进程的发展特征。具体来看，宁夏在1990～2000年间城市化指数增长较慢，由1990年的1.25%增长至2000年的1.37%；2000年以后，随着西部大开发战略的实施，引进了大量的人才、资金和技术，宁夏的城市化水平得到了显著提升，城市化指数大幅增加至2020年的3.27%，增加了1.39倍，这也与宁夏2002年制定并坚持的“重点突出、梯度推进”城市化发展方针有关。

从空间变化上来说，宁夏城市化发展水平在空间上总体呈现出南北高、中部低的空间分布格局。其中宁夏北部地区得黄河灌溉之利，是宁夏人类生产生活适宜的区域，也是宁夏社会经济发展水平最高的区域，得天独厚的发展环境促成了该区域拥有相对较高的城市化水平；相反，在“苦甲天下”的宁夏中部地区，自然条件恶劣，生态本底脆弱，水资源贫乏，社会经济发展水平低，很大程度上限制了城市化进程的推进；而在宁夏南部地区，尽管以山地为主，但降雨丰富，植被茂盛，一定程度上为该区域城市化的发展提供了良好的自然生态支撑，进而导致其城市化水平相对高于中部地区。

2.3 生态系统服务与城市化的时空交互作用

1990～2020年宁夏生态系统服务与城市化之间时空交互作用的全局Moran′s I如表1所列。可以发现，在2000年之前，全局Moran′s I大于0（P=0.01），且由1990年的0.183减小至2000年的0.165，这说明在此时期宁夏生态系统服务与城市化之间存在着空间正相关性，即城市化的发展在一定程度上会促进生态系统服务的改善，这可能与当时城市化发展速度较慢有关。随着2000年以后城市化进程的快速推进，两者之间的全局Moran′s I持续减少至2020年的-0.198（P=0.01），生态系统服务与城市化之间的关系也由空间正相关逆转为空间负相关，此时城市化的发展是以损害生态系统服务为代价的，反过来说，生态系统服务的改善也会限制城市化的发展速度。

图4的LISA集聚圖进一步揭示了宁夏生态系统服务与城市化在局部尺度上的空间集聚特征。由图可知，高-高集聚和低-高集聚主要集中在研究区的北部地区，低-低集聚广泛分布在研究区的中部地区，而高-低集聚主要分布在研究区的中南部地区。结合表1分析可以发现，宁夏主要以低-低集聚和高-低集聚为主，这反映了该地区较低的城市化水平。4种集聚模式随时间变化来看，高-高集聚和低-低集聚的面积占比在研究期内呈现减少趋势，即高-高集聚和低-低集聚的面积在缩小，而高-低集聚和低-高集聚的面积在扩大，表明两者之间的空间正相关性存在着向空间负相关性演变的倾向，这种倾向揭示了宁夏生态系统服务与城市化之间关系的恶化趋势，不利于两者协调可持续发展。

3 讨 论

本研究发现21世纪以来宁夏生态系统服务与城市化之间存在着负的空间相关性，即一个地点的城市化发展可能会导致周围地区生态系统服务供给能力的降低，这支持了生态系统服务与城市化之间权衡的观点［1-2，20，23］。可能的原因是环境要素（如二氧化碳、废水废气）的变化，很可能会通过大气运动、水文运动等自然过程传递到周围地区，进而导致周围地区生态系统服务供给能力的变化［3］。从生态系统服务与城市化的交互作用机制来看，一方面，人口增加和经济发展会加大资源的消耗强度，导致大量的废水、废气和废渣等流入生态系统，进而降低了生态系统的承载力［24］；另一方面，城市化进程中大量生态用地向建设用地转变，对生态系统格局、过程和生物地球化学循环产生了强烈的影响，降低了生态系统的供给能力［4，7，17］。总体来说，城市化可以通过经济发展、人口增加和建设用地扩张等来影响生态系统的结构和功能［4，25］，进而影响生态系统服务的供给能力。但是，生态系统也可以通过资源禀赋、环境条件和政策干预来限制城市化发展［9］。例如，随着城市化的发展，人类生活水平显著改善，人类逐渐从“求生存”转向“求生态”，这种“诉求”就会很大程度上限制建设用地无序大规模侵占生态用地等行为［24］。那么，是城市建设还是生态保护，对于许多决策者来说至关重要，因为他们面临着如何在不削弱生态系统服务可持续供给能力的情况下开展城市建设活动的难题。尽管生态系统服务与城市化之间整体呈空间负相关，但在局部尺度上并不总是如此，因为研究结果还发现了显著的高-高和低-低集聚模式，这也反映了生态系统服务与城市化之间存在着复杂的交互作用机制。也就是说，如果不考虑城市化与生态系统服务之间的交互关系，一些诸如直接将生态系统服务高值区划分为生态保护区的策略可能就会失效，因为城市建设用地的高经济产出能力往往会迫使一些建设活动进入到这些保护区中［21］。鉴于此，有必要将生态系统服务与城市化联系在一起，以探讨其在局部尺度上的交互作用，进而为城市发展和生态保护提出更合理的建议。

本研究确定了生态系统服务与城市化在局部尺度上存在着4种集聚模式（即高-高、低-低、高-低、低-高集聚），在特定区域采取的措施应该要符合该区域的集聚模式。在生态优先原则下，可以考虑将高-高集聚的区域划分为生态功能区。在这些地区，应严格控制灌区发展规模，可适当鼓励生态友好型的土地利用方式（如林地、草地甚至人工绿地等），以加强对当前生态系统服务高供给能力的维护。高-低集聚的区域属于生态优势区，应采取严格的保护措施以避免城市化发展需求下人类活动对生态系统的干扰，城市建设活动（如道路建设、旅游开发等）应被严格地规划以保护区域生态系统的稳定性和可持续性。在低-高集聚的区域应该注意缓解人口压力，集约利用现有建设用地，控制城市扩张规模，合理确定城市发展边界，并可以加快绿地、公园等绿色基础设施建设，以提升生态系统供给能力。在低-低集聚的区域可以将生态建设项目（如土地整治、植树造林等）作为城市化的配套措施，在保证区域生态安全的前提下，适当进行建设活动。

此外，研究方法的局限性主要有两点：① 本研究根据前人相关成果采用了宁夏5种关键的生态系统服务，可能难以充分表征区域的生态系统服务状况；同样，尽管经济密度、人口密度和建设用地比例是被广泛用以反映我国城市化的变量［20］，但由于城市发展的多样性和复杂性，可能也存在着难以充分反映区域城市化水平的问题。因此，未来研究中可以考虑增加生态系统服务类型和城市化表征指标。② 尽管栅格尺度上的研究结果可以将生态系统服务与城市化之间的关系精确到每个栅格上，對于协调两者关系措施的精准制定具有重要作用，但空间研究中总是存在的空间尺度效应可能会导致当前尺度上的交互作用结果与其他尺度上有所不同［16，26］。因此，未来研究中可以开展多尺度分析予以验证。

4 结 论

通过对栅格尺度上黄河流域宁夏段生态系统服务和城市化时空动态的分析，进一步揭示了该地区生态系统服务与城市化的时空交互作用，形成的主要结论为：① 1980～2020年，宁夏粮食产量持续增加，土壤保持、产水量、NPP和生境质量呈增加-减少-增加的变化特征，空间上均存在着明显的空间异质性。② 1990～2020年，宁夏城市化指数呈现持续增加趋势，在空间上总体呈现南北高、中部低的空间分布格局。③ 1990～2020年，宁夏生态系统服务与城市化之间整体存在着从空间正相关向空间负相关转变的特征，并在局部尺度上集聚，表现为高-高和低-高集聚在宁夏北部地区、低-低集聚在宁夏中部地区、高-低集聚在宁夏中南部地区。

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（编辑：黄文晋）

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