【J. Geogr. Sci.】京津冀地区城镇化与生态系统服务供需预算的多尺度耦合分析

1.   文章信息

文章题目: Multi-scale coupling analysis of urbanization and ecosystem services supply-demand budget in the Beijing-Tianjin-Hebei region, China.

期刊名称：Journal of Geographical Sciences

作者：ZHANG Fan et al.

时间：2023

2.   主要内容

（1）收集土地利用数据、社会经济数据和夜间照明等数据，分析生态系统服务矩阵和耦合度模型；

（2）绘制城市化过程和生态系统服务的地图；

（3）进行BTH地区城市化与生态系统服务的多尺度耦合分析。

3.   研究区域和研究方法

3.1    研究区域

京津冀地区位于华北平原北部(北纬36°05'N-42°40'N，东经113°27'E-119°50'E)(图1)，省级行政单位包括北京、天津、河北。面积约21.8 × 104 km2，占中国陆地面积的2.3%。截至2019年底，全区人口1.13亿，地区生产总值8.46 × 1016元，分别占全国总人口的8.80%和8.58%。BTH地区地形具有明显的空间变化特征；西北地区海拔高，东南地区海拔低。

3.2    研究方法

3.2.1  城市化指数

本研究从三个维度对城市化进行了综合表征。首先，经济城市化是指资金和技术从农村流向城市，本研究用区域GDP来代表经济城市化。第二，人口城市化是区域人力资本积累的过程，本文用人口密度来表征人口城市化。第三，景观城市化是指城市用地逐渐扩大，覆盖区域空间。夜间灯光强度数据(DN)被用来反映景观城市化的区域格局。

3.2.2  生态系统服务供需预算

本文建立了适用于BTH区域的ES簇。具体来说，生态系统服务簇包括9项调节服务(当地气候调节、全球气候调节、洪水保护、地下水补给、空气质量调节、侵蚀调节、营养调节、水净化和授粉)，11项供应服务(作物、牲畜、饲料、捕捞渔业、水产养殖、野生食物、木材、木材燃料、能源(生物量)、生物化学/医药和淡水)和两种文化服务(娱乐和审美价值、生物多样性的内在价值)。在此基础上，将生态系统服务类型和6种土地利用/覆被类型组合成ES供需预算矩阵表(图3)，每个矩阵表由132个亚单元和18个总合单元组成。确定了ES供求矩阵元素的初始值。此外，编制了BTH区域ES供求矩阵表。每个子单元的取值范围为0 ~ 5；该值越高，说明单位面积对应的土地利用/土地覆盖变化类型的供需水平越高。ES预算矩阵的计算方法是ES供给减去ES需求，其值反映了供给和需求的盈余、赤字或平衡。

3.2.3   耦合分析

本文采用耦合协调度来描述两个或多个系统之间的相关性。

4.    研究结果

4.1    城市化进程

2000~2015年BTH地区多维度城市化发展情况见图4。2000~2015年，特别是2000~2010年，该地区人口城市化格局没有发生显著变化。城市化程度最高的区域主要分布在中部，而城市化程度较低的区域则分布在西北部。人口城市化与区域经济发展和景观变化具有因果关系。研究结果支持这一理论，区域经济和景观指数的空间分布与人口指数的空间分布基本一致。此外，经济和景观开发的高价值区域明显反映了城市化的集聚效应。北京、天津、石家庄等城市地区无论从人口、GDP还是景观角度来看，城市化水平都较高。2000~2015年，国内生产总值增长明显，以北京和天津为主。城市化进程加快，特别是西南地区。

4.2    生态系统服务供需预算

基于LUCC数据和生态系统服务矩阵，定量绘制了三种生态系统服务(调节、供应和文化服务)的供给、需求和预算。图5显示了2015年的定量地图，代表了ES供应、需求和供需预算的分布。BTH地区ES存在较大的空间变异。从ES总量来看，高ES供给区主要集中在西北地区，包括河北西北部。低ES供给区主要分布在北京、天津和河北东南部。三种类型的ES表现出相似的空间格局。监管服务和提供服务总体上相对较高。林地具有丰富的生物多样性和生态系统结构，可提供更多的生态系统服务。迅速城市化地区的生态系统供应水平最低。ES需求的空间分布与ES供给的空间分布相反。人口密集地区对ES的需求较高。东南部人口密集、经济快速发展的地区对ES的需求更大。草原和林地最多的西北部地区ES需求较低。在ES预算方面，ES预算值为正的分布在整个BTH地区，但建成区和耕地的ES预算值较低。ES预算在BTH地区西北部为正，在BTH地区东南部为负。此外，ES的供给、需求和预算三类空间格局相似。

4.3    城市化与生态系统服务供需预算耦合分析

本研究以GDP密度、人口密度和景观类型作为城市化的三个主要指标。图6显示了县级尺度上的关系。ES供给与城市化呈负相关，ES预算与城市化呈负相关。根据系数，人口密度与ES供给、需求和预算之间的关系最强。人口密度与ES供给(β= -1.048)和ES预算(β= -1.095)的关系最为明显。城市化与ES需求呈正相关，人口密度的系数最大，为1.143。在地市尺度上也存在类似的关系(图7)。在地市尺度上，城市化与ES供给和预算呈显著的负相关关系，而城市化与ES需求呈显著的正相关关系。景观指数与ES供给、需求和预算的相关性最强，分别为-0.539、0.528和-0.546。

5.   结论

研究表明，城市化与ES供需预算之间存在负相关关系，反映了人类干预下土地利用变化的不合理性。城市化进程挤压自然空间，导致生产力、水源涵养等典型生态系统服务功能下降，制约了BTH地区的可持续发展。要克服这一障碍，必须把生态保护和环境优化放在城市发展的同等重要地位。扩大生态用地面积有助于提高BTH地区的ES值。屋顶绿化、生态园林、粮食退耕还林是扩大生态面积的有效工程。同时，随着城市化进程的推进，对其负面影响的控制也应引起重视。空间规划应考虑生态系统的供给和需求，以实现可持续发展。在BTH地区生态修复方面，区域政府机构应在城镇化和建设过程中兼顾农业需求和生态保护，以优化生态安全。在城市建设过程中，必须建立生态补偿机制，优化城市生态网络空间设计，以整合区域间土地功能。此外，有关土地利用的政策应因地制宜，但也必须考虑到快速城市化地区的协调发展。

主要研究结论如下。(1)人口集聚效应和要素集聚效应是BTH地区城市化模式形成的重要驱动因素。2000~2015年，京津冀地区城市化空间格局保持稳定，城市化水平最高的区域主要分布在中部地区。(2)2000~2015年，BTH地区ES供给呈现西北高、东南低的态势，ES需求呈现相反的态势。整个BTH地区ES供需预算值均为正，但建成区ES预算值得关注。(3)BTH地区城市化水平与ES供给、需求和预算分别呈负相关、正相关和负相关。研究期间，BTH地区城市生态耦合度呈上升趋势。从空间上看，高耦合度区域主要集中在东南方。

转自：“生态遥感前沿”微信公众号

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