主题：生态系统服务（Ecosystem services）、土地利用变化（Land use change）、城市化（Urbanization）、空间面板数据模型（Spatial panel data model）
本文发表在国际期刊Land Use Policy，2022年第114卷上，第一作者是中国地质大学（武汉）地理与信息工程学院的陈万旭副教授，通讯作者是宾夕法尼亚州立大学农业经济、社会和教育学系，人口研究所和社会科学研究所的迟光清教授。
科学问题：
生态系统服务（ESs）以服务流的形式增进人类福祉，快速发展的城市化则使生态系统的组成、结构、生态过程和生物多样性等不断恶化。如何揭示快速城市化地区城市化水平（UL）与ESs之间的相互作用机制，为缓解生态系统恶化问题提供解决方案，是当下该领域的研究热点。目前已有的大量文献主要通过线性回归模型、Pearson相关法、解耦分析、空间回归和耦合分析模型等来确定UL与ESs之间的关系。但由于其相互作用机制的复杂性，在澄清UL对ESs的影响方面仍然存在挑战，UL对ESs的影响可能是积极的或消极的，也可能是线性的或非线性的。该文章则从空间效应和尺度效应两个方面识别UL对ESs的空间影响，为城市规划者和决策者减轻负面环境影响提供重要启示。
研究方案：
文章以中国快速城市化的长江中游城市群为研究对象，将空间自相关效应和多尺度空间溢出效应分解为直接效应、间接效应和总效应，采用综合空间面板分析方法，探讨UL对ESs的空间影响。
文章研究框架主要分为三个部分：第一部分呈现1995 - 2015长江中游城市群UL和ESs的空间特征；第二部分研究UL对ESs的空间影响；第三部分揭示UL与ESs之间的环境库兹涅茨曲线(EKC)。具体研究框架如图2所示。
研究结果：
1. 土地利用变化
长江中游城市群土地利用类型以林地为主，其次为耕地和水域。耕地和林地的变化在1995-2015年间呈持续减少的趋势。耕地和林地净减少面积分别为6153.80 km2(占总覆盖度的2.02%)和1523.16 km2(占总覆盖度的0.50%)。快速城市化极大地促进了1995-2015年研究区域城市建设用地的快速扩张。1995-2000年、2000-2005年、2005-2010年和2010-2015年在建土地增长率分别为9.83%、14.45%、25.91%和18.08%。
2. ESs的时空格局
如图3所示，长江中游城市群粮食生产能力从1995年的4860.02万吨增加到2015年的5759.43万吨，2000年略有下降。1995年、2000年、2005年、2010年和2015年，研究区的产水量分别为301.065立方千米、148.617立方千米、247.375立方千米、238.363立方千米和327.6.21立方千米。碳储量持续下降。土壤保有量呈现先减少后增加的趋势。氮出口呈现先增加后减少的趋势。磷出口总体趋势为1995-2005年上升，2010年略有下降，2015年微弱上升。1995年、2000年、2005年、2010年和2015年的生境质量指数分别为0.658、0.662、0.655、0.651和0.645。1995年、2000年、2005年、2010年和2015年，自治区文化服务供给指数分别为5.366、5.364、5.376、5.348和5.327，总体呈下降趋势。
如图4所示，1995年、2000年、2005年、2010年和2015年的平均综合生态系统服务指数（CESI）分别为0.452、0.438、0.442、0.439和0.443。在整个研究期间，研究区域的CESI总体呈下降趋势。从空间上看，山区CESI均在0.50以上。平原地区CESI均低于0.30。山地生态系统在碳储存、生物多样性保护和文化服务方面具有绝对优势，平原生态系统具有更强的粮食生产功能。近20年来，平原地区CESI显著下降，尤其是宜昌、武汉、长沙和南昌等核心县镇。
3. UL的时空格局
如图5、6所示，武汉城市群周边山地的空气质量指数低于平原。空气质量指数高的县镇主要分布在武汉特大城市圈的核心单元，以及荆州-荆州-宜昌、长沙-株洲-湘潭和鄱阳湖城市群。重点地级市周围和主要交通干线沿线的县镇的人均生活水平较低。其中，武汉、长沙、长沙、南昌、宜昌等地的UL由核心向外围逐渐减弱。总体而言，长江中游城市群中高UL单元的空间格局表现为“点-条-多边形”。重点地级市周边高强度县乡(镇)具有点状空间分布特征，主要交通干线沿线高强度县乡(镇)具有条形空间分布特征，城市群内高强度县乡(镇)具有多边形空间分布特征。
4.UL与ESs的空间自相关
全局双变量Moran’s I分析显示，所有Moran’s I指数均为负，且在0.0001水平上具有统计学显著性。如表2所示，结果表明CESI和UL在两个尺度上都存在显著的负相关空间关系。此结果为城市化发展导致ESs恶化提供了强有力的证据。如图7、8所示，双变量LISA图谱显示CESI和UL在空间聚类模式上具有明显的相似性。研究区域的主要空间聚类模式为高-低型(高UL和低CESI)和低-高型(低UL和高CESI)。高-高型(高UL和高CESI)较少，在研究区域中零星分布。高-高类型是双赢的，高-低类型是政策和规划的困境，低-低类型是不可持续的。
5.空间计量回归结果
表3为SDPM的回归结果。回归结果显示，在两个尺度上，UL对CESI的回归系数均为负(p < 0.0001)，表明UL的增加会导致CESI的降低。在这些模型中，UL平方的系数在统计学上均为显著正，说明UL与CESI之间存在u型曲线关系。在空间和时间固定效应模型下，SDPM的县域阈值为0.847，乡镇阈值为0.706。
推荐人点评：
文章以长江中游城市群为研究对象，首先利用多种模型和多源数据，对1995-2015年中国县乡两级城市CESI和UL的时空分布格局进行了分析。在此基础上，通过多尺度的空间自相关和空间溢出效应，确定了CESI和UL之间的空间相互作用。基于空间自相关分析的实证结果验证了CESI与UL呈负相关关系。但文章还存在一些局限。如，该研究只考察了CESI和UL之间的空间关联，没有确定UL对特定ESs的影响(如，粮食生产力和产水量等)，这应该在未来的研究中进行探讨；同时，还应当在模型中纳入更多的物理因素(如地形、气候、自然设施)和社会经济因素(如交通基础设施、产业结构)，以更好地解释生态环境的演化机制。
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原文请见：Chen, W. and G. Chi, Urbanization and ecosystem services: The multi-scale spatial spillover effects and spatial variations. Land Use Policy, 2022. 114: 105964.
来源： 土地科学文献传递
转自：“经管学术联盟”微信公众号
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