东北三省县域开发强度与生境质量的空间关系研究

杨 志 鹏，王 士 君*，田 俊 峰，冯 兴 华

(1.东北师范大学地理科学学院，吉林 长春 130024；2.重庆大学公共管理学院，重庆 400044；3.江西师范大学地理与环境学院，江西 南昌 330022)

0 引言

随着中国城镇化和工业化的快速推进，区域开发强度逐步提升，部分地区出现国土空间开发失衡、生态环境污染严重等问题[1]，需权衡并协调生态文明建设中开发与保护的关系。区域开发建设过程中，开发活动干扰了生物栖息地质量，导致生物多样性和生态系统服务能力降低，严重影响区域生态环境水平[2,3]。在生态文明建设与区域协同发展背景下，合理测度开发强度与生境质量的空间关系，有利于明晰区域开发与生态环境水平的相关性及耦合程度，对协调好开发与保护关系、科学构建均衡合理的国土空间开发格局意义重大。

开发强度和生境质量分别作为区域开发建设和生态环境水平的测度方式，一直是学术界关注的热点。关于开发强度的评价，部分研究将建设用地面积占整个区域面积的比值作为评价开发强度的指标[4]，有学者认为区域的开发强度除考虑建设用地面积占比外，还应考虑其他土地利用类型占比以及人口、经济等因素[5,6]；生境质量评价包括指标体系评价[7]和通过InVEST、SolVES等模型评价[8,9]，多数学者认为InVEST模型应用较为成熟和有效。区域开发建设和生态环境保护的关系同样受到关注。在开发强度评价的基础上，有学者分别从开发强度与资源环境承载力的耦合关系[10,11]、开发强度对生物多样性的影响[12,13]、开发强度与生态服务功能的关系[14]、开发强度与微气候的关联性[15]等视角探讨开发强度与生态环境水平的关系；还有学者研究土地利用变化造成生境质量改变[16]、人类活动与生境质量的空间关系[17]、道路交通建设对生境质量的影响[18]、生境质量对城市化及城市扩张的响应关系[19]等，充分探究开发建设带来的多种现象与生境质量的相互作用和影响。

虽然开发强度和生境质量的相关研究成果较丰富，但目前鲜有研究探讨开发强度与反映区域生物多样性和生态系统服务水平的生境质量间的关系，且对于保障国家生态安全的生态屏障区研究较薄弱。东北三省在东北振兴、哈长和辽中南城市群建设等政策共同推动下，经济社会发展及城镇化建设逐步推进，同时出现资源枯竭和环境恶化等系列问题[5]。作为我国重要的生态屏障区，其开发强度和生境质量空间关系的合理与否关乎国家生态安全。鉴于此，本文以东北三省的县域单元为研究对象，通过评价指标体系和InVEST模型分别定量评价县域开发强度和生境质量，并利用空间分析方法探讨开发强度与生境质量的空间关系特征，以期为东北地区生态文明建设、区域高质量发展以及因地制宜地开展国土空间规划与生态修复工作提供科学依据。

1 研究区概况与数据来源

本文以辽宁、吉林和黑龙江三省179个县域单元为研究对象，并根据2015年行政区划对不同年份县域单元范围进行统一。东北三省面积(787 300 km2)占全国的8.17%，2015年森林覆盖率达47.80%，森林面积占全国的15.81%，粮食产量占全国的19.27%。东北三省北部和东部分布有大小兴安岭、长白山脉等山地，西南部有辽西丘陵，中部为辽阔的松嫩平原、辽河平原和三江平原，辽河、松花江等河流贯穿其中。2015年底东北三省人均GDP为53 558元，GDP增速由2000年的8.49%升至2006年的14.37%，之后持续下滑至2015年的4.47%，城镇化率从2000年的46.86%升至2015年的58.58%，人口增长率由2000年的3.20%波动降至2015年的-3.60%[20]。

本文土地利用数据源于中国科学院资源环境科学数据中心(http://www.resdc.cn)，由土地利用现状遥感监测数据经过栅格化，参照《土地利用现状分类标准》(GB/T 21010-2007)分类生成，空间分辨率为100 m×100 m；2015年铁路、高速公路、国道、省道等矢量数据源于全国地理信息资源目录服务系统(http://www.webmap.cn)，其他年份道路数据在此基础上对照相应年份的《中国交通地图册》修正获取，并通过ArcGIS中的转换工具转换为与土地利用数据相匹配的栅格数据；人口数据和经济数据主要源于2001-2016年《中国县域统计年鉴》《中国城市统计年鉴》，部分数据通过东北三省的统计年鉴以及县(市)国民经济和社会发展统计公报补充获取。为去除价格变动对经济数据分析产生的误差，使其在不同年份具有可比性，文中经济数据以2000年为基期进行可比价折算。

2 研究方法

2.1 开发强度评价指标体系构建

开发强度通常用区域城乡建设用地面积占比表示[21]，但区域是包含人口、资源、环境、经济和社会等要素且要素间相互影响的地域复合系统[22]，其整体开发强度除考虑土地利用外，还应包含所承载的人口规模、经济发展水平及资产投入情况。因此，本文在当前关于开发强度的研究成果[22,23]基础上，依照客观性、典型性、比较性和数据可获取性原则，从人口聚集度、土地利用、经济发展和投入水平四方面选取7个指标建立评价指标体系(表1)，综合评价区域开发强度，通过区域多要素特定状态及相互作用反映区域整体开发水平。其中，人口密度体现人口聚集度，人口聚集度越高，开发活动越剧烈；建设用地与耕地作为生活和生产空间，均具开发属性，从土地利用结构上体现对区域开发的影响，用耕地和建设用地在区域总面积中的占比体现土地利用程度；GDP和产业非农化率反映经济发展水平，与空间开发强度存在正相关关系；固定资产投资和财政支出表示投入水平，投入水平的提升可推动开发进程。

表1 开发强度评价指标体系Table 1 Evaluation index system of development intensity

开发强度各评价指标的单位和量纲不一致，为便于指标间相互比较，采用极值法对各指标进行标准化。各指标影响系数先通过德尔菲法[10]和熵值法[24]分别计算，再利用加权平均权重法[25]进行主客观赋权得到，最后运用线性加权法计算开发强度指数(DI)，公式为：

(1)

式中：xij为j县域i指标的标准化值；wi为i指标的影响系数。

2.2 生境质量评价

生境质量指生态系统为生物个体和种群的生存提供适宜条件的能力，反映区域生物多样性和生态系统服务水平[2,3]。Habitat Quality为InVEST模型的一个模块，可用于评价区域生境质量。该模块基于设定的威胁源、威胁源的敏感性以及生境与威胁源的间距等参数测算生境退化度(式(2)、式(3))，而后利用式(4)计算生境质量。

(2)

(3)

式中：Dxj为生境类型j中栅格x的生境退化度；y为威胁源r中的栅格；Yr、ωr分别为威胁源r的栅格总数和权重；R为威胁源的类型数量；ry、irxy分别为栅格y的威胁源数量及其对栅格x的胁迫水平；βx为社会、法律等保护状态下威胁源到栅格x的可达性；Sjr为生境类型j对威胁源r的敏感度；dxy为生境与威胁源的间距；drmax为威胁源r的最大干扰半径。

(4)

式中：Qxj为生境类型j中栅格x的生境质量指数；Hj为生境类型j的生境适宜度，值域为[0，1]；K为半饱和常数(最大退化度的一半)；z为归一化常量，一般取值为2.5。

本文参照InVEST模型参数推荐[26]和文献[16,27]中的参数设定，将农村居民点、耕地、城镇用地、交通干道(铁路、高速公路、国道、省道)和工矿用地等具有开发属性的空间作为威胁源，并设置威胁半径和权重(表2)，将林地、草地、水域等作为生物的主要栖息地(即生境)，并根据模型手册和文献[3,16,18]设置各生境类型适宜度、敏感度(表3)。

表2 威胁源的威胁半径和权重Table 2 Threat radii and weights of the threats

表3 不同生境的适宜度和敏感度Table 3 Suitability of different types of habitats and their sensitivity to threats

2.3 双变量空间自相关

双变量空间自相关可反映研究范围内每个空间单元的某个属性值与邻近空间单元中其他属性值间的相关性[28]，本文通过全局自相关(式(5))和局部自相关(式(6))计算开发强度与生境质量的空间关联。

(5)

(6)

2.4 耦合协调度模型

耦合协调度可表达不同系统之间的耦合协调水平[29]，本文通过耦合协调度模型(式(7)-式(9))识别开发强度与生境质量的空间耦合关系。耦合协调度D的值在0～1范围内，其值越大代表开发强度和生境质量的耦合协调程度越高。参考文献[30]将耦合协调度划分为10个等级：(0.00，0.10]、(0.10，0.20]、(0.20，0.30]、(0.30，0.40]、(0.40，0.50]分别表示极度、严重、中度、轻度和濒临失调，(0.50，0.60]、(0.60，0.70]、(0.70，0.80]、(0.80，0.90]、(0.90，1.00]分别表示勉强、初级、中级、良好和优质协调。

(7)

(8)

(9)

式中：C、T分别为开发强度与生境质量的耦合度和综合协调指数；a和b为待定权重，分别代表开发强度和生境质量的贡献份额，和为1，本文认为二者同等重要，取a=b=0.5。

3 结果与分析

3.1 开发强度与生境质量的时空特征

通过开发强度评价指标体系和InVEST模型评价可得东北三省每个县域单元开发强度值和生境质量平均值(图1)。东北三省开发强度平均值逐年提高，2000-2005年、2005-2010年和2010-2015年平均增长率分别为0.77%、17.48%和3.18%，增长存在差异性。2000-2005年东北三省发展相对缓慢，区域开发水平整体较低且增幅较小；2005-2010年东北振兴战略的实施带来区域快速发展，工业化水平、农业现代化水平显著提高，区域开发强度迅速提升；2010-2015年东北三省整体GDP增速从13.70%骤降到4.47%，区域发展面临巨大压力，开发强度的增量随之降低。东北三省生境质量整体水平不断下降，2000-2005年、2005-2010年和2010-2015年生境质量指数平均增长率分别为-0.16%、-0.21%和-0.55%，退化强度不断提升。随着东北三省开发强度的提升，其生境质量面临较大挑战。

图1 开发强度及生境质量变化Fig.1 Changes of development intensity and habitat quality

运用ArcGIS中的自然断裂点法将每个年份的开发强度和生境质量值分别分为低、较低、中等、较高和高5类，其空间分布特征如图2和图3所示。开发强度高和较高的县域多位于辽中南城市群和哈长城市群范围内，该区域以平原为主，城市和农区较集中，开发活动频繁；开发强度低和较低的县域主要集中在北部大小兴安岭山区和东部长白山区，该区域以林地为主，人类活动相对较少，生态环境保持较好。生境质量低等级县域主要集中在辽中南城市群，该地区建设用地占比较大，经济发展水平高，开发强度大；生境质量较低的县域主要分布在哈长城市群及东北三大平原范围内，该区域耕地广阔、城镇集中，人类开发活动较多，导致生境质量水平下降；生境质量较高和高的县域沿大小兴安岭—长白山区呈弧形分布，该区域林地、草地集中，生态环境整体良好。地级市市辖区作为市域范围内开发建设的重点区域，开发强度明显高于其他县(市)，生境质量最低。

图2 开发强度空间格局Fig.2 Spatial pattern of development intensity

图3 生境质量空间分布Fig.3 Spatial distribution of habitat quality

3.2 开发强度与生境质量空间相关特征

通过GeoDa软件获取2000-2015年东北三省县域开发强度与生境质量间全局空间自相关Moran′sI指数，并通过双变量局部空间自相关分析不同相关关系聚集类型(表4)。2000-2015年东北三省开发强度和生境质量双变量全局Moran′sI指数整体在-0.3301～-0.2289范围内，可见二者有明显的空间负相关关系，即开发活动对生境质量产生负面影响。开发强度和生境质量全局Moran′sI指数的绝对值持续下降，标志着二者相关联水平呈减弱趋势，开发强度对生境质量的威胁逐渐降低，原因是随着生态文明建设的推进，地方政府越来越注重绿色发展，开发方式逐步合理化，减少了对生态环境的破坏。从局部空间自相关看，低—高聚集是东北三省开发强度和生境质量间的主要空间关系类型，且占比稳定。2000-2015年高—高聚集和低—低聚集的县域数量分别从3、14个提高为7、17个，而高—低聚集的县域数量不断减少，反映出部分县域在开发的同时，更注重生态环境保护，低生境质量的县域逐步放缓发展速度，高开发强度的县域也在转变经济发展方式，降低了开发对生境的影响，进一步佐证了全局空间自相关的变化趋势。

表4 开发强度与生境质量空间自相关结果Table 4 Spatial autocorrelation analysis results of development intensity and habitat quality

通过开发强度和生境质量LISA聚集图(图4)可知，低—高聚集的县域沿大小兴安岭—长白山区呈弧形布局，该聚集区是东北三省主要的林区，开发程度低、生境质量高，多数县域属于限制开发区和禁止开发区，生态保育较好；高—低聚集的县域位于辽河平原和松嫩平原的中心位置，该区域城市和农区集中，工业和农业活动频繁，区域快速开发带来了诸多环境问题，开发强度与生境质量表现为典型负相关关系；低—低聚集的县域分布在吉林西部和黑龙江西南部，该区域土地盐碱化严重，生态环境恶劣，区域发展和生态保护出现较严重的不协调，开发程度和生境质量均低，发展和保护是面临的严峻问题；高—高聚集的县域零星分布在东部长白山区的部分县域，该区域多是借助地方资源优势，积极发展生态旅游和林下经济，本着环境友好的原则实施区域开发活动。可见开发和保护兼顾的县域较少，但随着人们环保意识的增强和主体功能区规划的推进，其数量有增长趋势。整体上看，东北三省生境质量和开发强度空间相关关系最为显著的区域主要分布在西部平原和东部山地两个带状区域，西部辽河平原和松嫩平原脆弱的生态环境以及县域发展的不均衡性使得该区域县域开发强度与生境质量空间相关关系以高—低聚集和低—低聚集为主，东部大小兴安岭—长白山区因区位劣势及大面积林地分布使得该区域开发强度与生境质量空间相关关系以低—高聚集为主。

图4 开发强度与生境质量空间自相关LISA图Fig.4 LISA diagram of development intensity and habitat quality

3.3 开发强度与生境质量空间耦合关系

东北三省县域开发强度与生境质量的耦合度总体处于中等偏上水平，其值在0.4011～0.7813之间，为濒临失调至中级协调等级。2000-2015年东北三省县域开发强度与生境质量耦合协调度均值由0.5948升至0.6172，耦合程度进一步增强。由表5可知，2000年和2005年以开发强度与生境质量勉强协调的县域为主，分别占65.36%和60.34%；2010年和2015年初级协调的县域最多，均占54.75%。2000-2015年初级协调和中级协调的县域逐年增长，分别由56、4个增长为98、20个；勉强协调的县域由117个降为54个。总之，东北三省开发强度与生境质量耦合协调水平在2000-2015年有所改善，重视生态环境保护，开发的合理性增强。

表5 开发强度与生境质量耦合协调等级Table 5 Coupling coordination levels between development intensity and habitat quality

东北三省开发强度与生境质量耦合协调度在空间上表现为南高北低的格局，且存在明显的区域差异性(图5)。初级协调和中级协调的县域多集中在辽中南和哈长城市群，并且于2010-2015年在辽宁及吉林中东部增加明显。辽中南和哈长城市群多数县域经济社会发展较好，在进行开发活动的同时,展现出一定的协调开发与保护的能力，开发强度和生境质量耦合协调程度相对较高,尤其是辽宁及吉林中东部县域，立足“两山”理论，在不同土地利用类型的开发保护、生态资源合理利用等方面积极实施管控举措，使开发强度和生境质量更为适应。2000年吉林西部的通榆县和镇赉县耦合协调度较低，脆弱的生态环境以及不合理的开发活动加剧了开发强度与生境质量间的相对差距，二者濒临失调。2005-2015年黑龙江北部出现濒临失调的县域不断增多，该区域资源开发发生转型，产业结构随之变化，以采掘工业为主的第二产业开始衰落，开发强度迅速降低，而生境质量变化相对滞后，二者呈现失调趋势。总之，经济发展较好、城镇化程度高及生态保护政策深入落实的区域为处理开发与保护的关系创造了有利经济条件和合理的发展指引，其开发强度与生境质量耦合协调水平相对较高；生态脆弱区域受生态环境本底、资源开发转型的影响，其开发强度与生境质量耦合协调水平相对较低。

图5 开发强度与生境质量空间耦合类型Fig.5 Spatial coupling coordination types of development intensity and habitat quality

4 结论与讨论

通过对东北三省县域开发强度和生境质量空间关系的探讨，得到以下结论：1)2000-2015年东北三省县域开发强度总体有较大提升，且在2005-2010年提升最为明显；生境质量在开发强度提升的同时出现持续退化，生态环境保护的挑战不断增大。东北三省的西南部(尤其是城市群地区)开发强度较高、生境质量较低，北部和东部的生态保护区开发强度较低、生境质量较高。2)东北三省开发强度与生境质量总体呈负相关关系且在不同区域空间相关类型不同。低—高聚集是主要的空间相关类型，主要分布在生态保护较好的大小兴安岭地区和长白山区；吉林西部和黑龙江西南部低—低聚集的县域较集中，该区域国土开发和生态保护不协调问题较严峻。3)东北三省县域开发强度与生境质量耦合协调度的平均值由2000年的0.5948升至2015年的0.6172，耦合协调类型由勉强协调为主转为初级协调为主。东北三省南部县域开发强度与生境质量的空间耦合协调度高于北部县域，且辽宁和吉林东部县域提升明显，黑龙江北部濒临失调的县域不断增加。

本文通过构建综合评价指标体系发现东北三省县域开发强度呈逐年增长趋势并存在明显的空间差异，与现有研究结果[6,31]一致。东北三省幅员辽阔，不同县域间的资源禀赋和经济发展不均衡是造成开发强度差异的主要原因。我国政府在2003年年底开始实施东北振兴战略支持东北发展，2005-2010年开发强度提升明显，说明相关政策对区域开发的导向性较明显[20];之后，受体制和创新不足等因素制约，东北区域发展又重新面临巨大压力;此外，国土空间开发的加速推进带来一系列资源环境问题，造成区域生态环境退化[32]。本文着重探讨开发强度与生境质量的空间关系，可更具体地认识人类活动对生物多样性和生态服务水平的影响，同时为东北三省国土空间优化、区域开发与保护协调发展提出对策建议：一是开发强度与生境质量高—高聚集区和耦合协调度高的区域具有较高的生态优势和资源优势，区域发展中应提高资源利用效率，通过构建绿色生态产业体系等途径充分发挥生态优势，实现高质量发展；二是脆弱的生态环境和产业结构转型成为开发强度与生境质量低—低聚集、耦合协调度较低区域面临的主要问题，该区域应积极实施山水林田湖草沙生态治理和修复工程，弥补环境短板，并通过产业结构转型升级实现区域绿色发展，提升开发和保护的协调性。

开发强度与生境质量的相互关系和协调发展是一个复杂的系统工程，本文仅从空间相关和空间耦合角度研究二者的空间互动关系，区域开发强度的综合生态效应、开发强度与生境质量耦合协调机理将是今后深入研究的方向。此外，受数据获取限制以及考虑等年份间隔分析，本文仅利用2000年、2005年、2010年和2015年的数据开展研究，后期需补充近期数据和延展时间跨度，以更加精准地揭示开发强度与生境质量相互作用的时空演变规律。