粤港澳大湾区城市群国土开发强度及其生态效益相关性评价

杨金海，杨木壮，陈 川，肖寻亮

（广州大学地理科学与遥感学院，广东广州 510006）

改革开放40 多年来，中国的城镇化进程取得了巨大成就，城镇化率从改革开放初期的17.9%到2019 年已经突破60%。以城镇发展为导向的高强度国土空间开发，导致部分地区资源环境承载系统结构紊乱和功能退化，成为当前区域可持续发展的阻碍[1]。因此，要实现可持续发展就需要改变以往摊大饼式的国土开发模式，提高土地的集约利用效率，实现城市开发强度与资源环境的耦合协调[2]。随着新型城镇化的发展，城市群逐渐成为城市发展的新形态及新趋势。城市群的发展必然会导致土地利用方式、格局和程度的变化，对区域生态系统构成严重威胁[3]。因此对研究城市群地区国土开发强度与生态系统效益之间的关系有现实意义。

国土开发强度在一定程度上表征了人类对于地域空间的干扰程度，在空间结构上表现为建设空间占该区域的比例[4]，其差异对生物多样性及生态系统服务功能具有重要的影响[5]。目前关于国土开发强度的研究主要集中在国土开发强度的内涵界定及测算[6]、时空变化及驱动力[7，8]以及城市开发活动的生态环境效应[9]等方面。然而现有研究大多基于土地利用的视角，以建设用地比例反映国土空间开发强度，忽略了人口、经济活动以及景观配置等方面对国土开发强度的影响。此外，现有研究主要从资源环境承载力角度分析国土开发强度与资源环境的耦合关系[10-12]，而关于国土开发强度与生态系统产出效益的相关评价较少。

生态系统服务（ecological system service, ESV）是指人类直接或间接地从生态系统得到的利益，主要包括供给服务、调节服务、文化服务以及支持服务[13]。国外Costanza 在1997 年率先开展ESV 核算研究以来，ESV引起普遍关注。国内学者谢高地结合中国的实际情况，综合众多生态学者的意见，对中国的生态系统服务价值进行了多次修正，得出了适合中国国情的生态系统服务价值的基础当量表[14，15]，随后又有学者根据生态位[16]，粮食产量比例[17]等因素对不同地区的生态系统服务进一步修正。生态系统服务价值已经成为一个衡量区域生态效益的重要参数。目前研究主要基于土地利用变化的视角研究生态系统服务价值的时空演变规律及驱动力[18，19]。研究表明，生态系统服务价值与土地利用存在相关性，包括土地利用程度[20]、结构多样性以及优势度[21]等。

本文以粤港澳大湾区城市群为例（由于香港和澳门的数据获取较难和统计口径不一致，因此并没有纳为研究对象），以县域为研究单位，从投入、产出以及联系三个维度衡量国土开发强度，以生态系统服务价值表征国土开发的生态效益，运用空间计量方法研究二者的时空关系研究，为形成国土开发与生态保护协调发展的新格局提供实践参考。

1 研究区与数据来源

1.1 研究区域

本文所研究的粤港澳大湾区城市群主要包括广州、深圳、珠海、佛山、惠州、东莞、中山、江门以及肇庆9个核心城市，并在1994 年提出广佛肇、深莞惠和珠中江三大都市圈的概念。城市群总面积55 368.7 km2，位于珠江下游河口冲积平原，2018 年常住人口为6 153.52 万人，国内生产总值77 472.88 亿元。改革开放以来，粤港澳大湾区城市群建设规模急剧增长，带动了经济的快速发展，但也对生态环境产生深刻影响。本文以此为研究区，探索区域国土开发强度对生态环境的空间影响，对指导城市群未来开发战略具有一定的现实意义。

1.2 数据来源

土地利用数据来源于USGS（http://glovis.usgs.gov）网站下载的2010 年以及2018 年的Landsat 影像，空间分辨率为30 m。通过监督分类结合目视解译将研究区分为耕地、林地、草地、水域、建设用地和未利用地六类土地利用类型。2010 年和2018 年珠三角城市群POI数据取自百度地图开放平台的位置服务，本文选择酒店、商店、金融设施、教育医疗设施、交通设施、房地产等类型作为研究对象。社会经济数据来自相应年份的《广东省统计年鉴》以及各地级市的统计年鉴。

2 研究方法

2.1 国土开发强度测度

国内外不同学者根据国土开发强度的内涵，针对不同国家、城市尺度提出了不同的评价框架。本文参考Erb 等人[22]的概念框架，从投入强度、产出强度以及土地利用系统的相互影响三个维度考虑，构建国土开发强度指数（式1）。其中，建设用地的景观聚集度（AI）描述了景观中不同斑块类型的随机性或聚集程度，建设用地聚集程度高，其国土开发强度就相对较高[23]。空间兴趣点（POI），是一种将地理空间实体转化为点状地理空间数据的表达形式，可以用来反映人类开发活动的强度[24]。

式中，LDIi为第i 个研究单元的国土开发强度；AIi为第i 个研究单元的建设用地聚集度指数；Ai为研究单元的面积；POPi为研究单元的常住人口数量；POIi为研究单元内教育、医疗、商业服务业等设施的数量。

2.2 生态系统服务价值评估方法

谢高地在Costanza 的当量因子法基础上，结合中国实际情况，对中国生态系统服务分类和当量表等进行了修正。1 个标准单位生态系统服务价值当量因子定义为1 hm2农田每年平均粮食产量的经济价值的1/7。本文采用全国粮食平均收购价格2.73 元/kg 作为研究时段的粮食价格对生态服务价值当量因子的经济价值量进行修正。

式中，Ea为研究区单位面积农田粮食作物的经济价值（元/hm2）；P 为研究区平均粮食收购价格（元）；Q为研究区的粮食产量（吨）；S 为研究区粮食作物播种面积（hm2）；计算出粤港澳大湾区1 个生态服务价值量因子的经济价值量为2 234.00 元/hm2，最终得到研究区不同生态系统单位面积的生态服务价值系数（见表1）。

表1 粤港澳大湾区城市群单位面积生态系统服务价值系数（元/hm2）

随后，基于土地利用数据以及生态系统服务价值系数表，结合公式（3）计算各区域的生态系统服务价值。

式中，ESV 为生态系统服务的总价值（元）；Ai为第i 种土地利用类型面积（hm2）；Eij为修正后的第i 类生态系统第j 类生态系统服务价值系数（元/hm2）；m 为土地利用类型总数；n 为生态系统服务种类总数。

2.3 空间自相关分析

探索性空间数据分析方法的核心内容是探索某一属性值是否在空间上表现出分布的集聚性和空间异常等特征[25]，主要包括全局空间自相关和局部空间自相关。双变量空间自相关分析是在两者基础上的进一步完善，用于度量两个变量属性之间的空间相关程度。双变量全局自相关和局部自相关模型的计算方式如下所示：

式中，I 为全局双变量空间自相关指数；n 为研究单元个数；wij为空间权重为i 单元的m 属性和j 单元的z 属性值分别为属性m 和z 的平均值；Iij为局部双变量空间自相关指数；σm、σz分别为属性m、z 的方差。

2.4 空间回归分析

由于生态系统服务作为一种公共服务具有很强的空间溢出效应[26]，传统假设认为生态系统服务在空间上并无关联并且具有均质性，这容易导致研究结果的不完整和不科学。因此，本文引入空间计量模型来分析国土空间开发活动与生态系统服务价值之间的相互作用。首先不考虑邻近区域的空间影响，采用普通最小二乘法从整体上探测生态系统服务价值和国土开发强度之间的关系。然后引入空间邻接矩阵，基于截面数据的空间回归模型，包括空间滞后模型、空间误差模型来探索国土开发强度地均生态系统服务价值之间的空间关系。

3 结果与分析

3.1 粤港澳大湾区城市群国土开发强度时空格局

图1 展现了2010 年和2018 年粤港澳大湾区城市群国土开发强度的空间格局。总体来看，过去8 年间整个粤港澳大湾区城市群地区的国土开发强度是上升的，具体表现在以广州市和深圳市为核心向周边地区逐渐减弱。2010 年和2018 年国土开发强度最高的都是广州市的越秀区，这主要原因在于越秀区是广州市的老城区核心，也是各类基础服务设施，包括行政、医疗、教育资源最集中的地区。

图1 2010 年和2018 年粤港澳大湾区城市群国土开发强度分布图

在过去8 年间，广深的核心作用凸显，且有不断增长的趋势，分别以越秀区以及福田区为核心，向城市周边郊区扩散。另外，城市群外围的山区县域开发强度还较低，包括肇庆西北部的德庆、封开以及惠州三大山区县（惠东、博罗、惠东），这些地区山地占比太大，建设用地的聚集度较低，无法形成连片的建成区，地形阻碍了城市空间的开发进程。西南片区的江门和中山的国土开发强度也相对较低，这些城市发展政策以生态导向为主，人口密度较低，城市建成区也相对较小。从城市群内部的三大城市圈来看，广佛肇经济圈，是以广州为核心，通过佛山带动肇庆的发展，目前广州对佛山的作用已经体现出来；深莞惠城市圈，以莞深为核心向惠州辐射的作用也已经初步体现，距深圳较近的惠阳区和惠城区国土开发强度逐渐提升；珠中江都市圈规模相对较小，城市间的相互联系并不是特别紧密，因此以珠海和中山为核心的辐射作用暂时无法体现。

3.2 粤港澳大湾区城市群生态系统服务价值变化

3.2.1 生态系统服务价值时间变化。由表2 可知，2010-2018 年粤港澳大湾区城市群ESV 整体呈现下降趋势，由2010 年的2 580.6×108元下降到2018 年的2 433×108元，累计下降147.6 亿元，变化率为-6%。究其原因在于粤港澳大湾区由于本身城市基础好，城市化水平一直在不断发展，建设用地的比例始终不断增长。从具体服务类型的变化上看，水文调节下降的幅度是最大的，下降了92.67 亿元，一级类上看，生态系统的调节服务下降比较严重，这说明城市开发活动还是在一定程度上破坏了生态系统的自然恢复能力；从2018 年单项服务占整体生态系统服务价值的比例上看，水文调节ESV 在2018 年为1 161.3 亿元，占整个生态系统服务的47.73%，维持养分循环的占比最低，只有0.67%。

表2 2010-2018 年粤港澳大湾区城市群ESV 时序变化

3.2.2 生态系统服务价值的空间分布变化。由图2 可见，2010 年和2018 年粤港澳大湾区城市群ESV 的空间差异较大，总体上珠江口西岸的ESV 要高于东岸，整个城市群的ESV 维持在较高水平。生态系统服务高的地区包括广州市南沙区、江门市的江海区、肇庆市的鼎湖区以及佛山的三水区，这些地区都有相对丰富的湿地、山地、城市绿地等资源；从2010-2018 年，整体上粤港澳大湾区城市群的ESV 是下降的。但是西部沿海地区的生态系统服务价值没有降低，主要包括中山、江门、珠海等城市，这些城市的生态资源相对丰富，生态是城市发展的主打牌，因此对于生态的重视力度较强。在城镇化水平较高的地区，包括佛山城区，广州市区以及深圳中心的ESV 相对较低。ESV 评估存在很多主观因素，不同评价方法在考虑视角、参数选择等方面的侧重，使得评估结果存在较大差异，但得出的变化趋势是一致的，不影响研究结果的相互比较。对比周永杰等[27]的研究结果，与本文所得ESV 结果在整体分布趋势上相吻合。

图2 2010 年和2018 年粤港澳大湾区城市群地均生态系统服务价值空间分布特征

3.3 国土开发强度与生态系统服务价值之间的相关性评价结果

本文运用GeoDa 软件，测算了2010 年和2018 年粤港澳大湾区城市群各县域生态系统服务价值与国土开发强度之间的双变量全局空间自相关Moran's I指数。2010 年和2018 年生态系统服务价值与国土开发强度之间的双变量全局自相关Moran's I 指数分别为-0.22、-0.33，而且通过了0.001 水平的显著性检验。研究期间国土开发强度和生态系统服务价值之间具有显著的空间负相关，表明国土开发活动会加剧生态系统服务的恶化，主要是由于城市化的推进，人口的集聚以及建设用地迅速扩张，对生态系统造成强烈干扰。此外，由于人口的迁移以及各地区间经济来往密切，国土空间的开发活动对周边地区的生态系统具有空间溢出效应。因此生态系统的保护以及治理不能局限于一个单元，跨区域以及不同等级政府部门的协同治理是生态系统保护的有效手段。

图3 是2010 年和2018 年粤港澳大湾区城市群县域尺度地均生态系统服务价值和国土开发强度之间的双变量局部空间自相关LISA 聚集图。结果发现，在2010-2018 年，主要的空间聚集关系并没有发生太大变化。从空间模式上看，低—低聚集以及低—高聚集较多。其中，低—低聚集类型主要分布在珠三角西部城市，主要出现在肇庆市的怀集、德庆和广宁等地区及西南部的恩平市和开平市。而低—高聚集的地区主要出现在广州和深圳的核心地区，这些地区的生态系统服务价值相对较低，而城市化的建设也是由这些核心地区向都市的边缘扩散，从而带动周边地区的土地开发利用；高—高聚集的模式则较少出现，只有2018年的海珠区属于这一类型，该区域靠近城市核心区，但内部湿地及绿地较多，一定程度上抵御了外界对其生态系统的干扰。

图3 2010 年和2018 年粤港澳大湾区城市群地均生态系统服务价值和国土开发强度的空间LISA 聚类图

3.4 国土开发强度对生态系统服务价值的影响分析

从上述分析可以看出生态系统服务和国土开发强度之间存在显著的空间依赖性。为了进一步研究二者的关系，以生态系统服务总量作为因变量，以国土开发强度为核心解释变量，以人均GDP、人口总量以及固定资产投资额作为控制变量，用来反映除了土地利用之外，人口、经济和资产投入对生态环境的影响，采用空间回归模型研究城市开发活动对生态系统的影响，结果如表3 所示。

表3 国土开发强度与生态服务价值的空间回归分析结果

对比OLS、SLM、SEM 三种回归模型，SLM 和SEM模型具有更大的Log likelihood 值，更小的SC 和AIC值，能够更好地解释生态系统服务价值和国土开发强度之间的空间关系。无论哪种回归模型，国土开发强度与生态系统服务价值之间都呈现显著的负相关，城市的开发活动会对生态系统造成负面影响。但是，2018年国土开发强度对生态系统服务价值的影响因子相比2010 年出现了下降，这主要由于城市发展模式的转变，国土空间的开发利用更偏向于建设用地的存量挖潜，注重保护生态用地。研究结果发现，人口与生态系统服务价值并没有直接的负向影响关系，但是城市人口的扩张必然带动土地开发的需求，而摊大饼式的土地开发活动会导致生态系统服务价值的下降。此外，SLM 模型中的Spatial lag term 都在1%水平上显著，表明生态系统服务价值变化不仅受到自身的影响，而且受到相邻或者更远单元要素的影响。SEM 模型中的Spatial error term 同样在1%水平上显著，表明生态系统服务价值变化也受到其他因素（地形、交通、政策等）的影响。

4 结论与讨论

4.1 结论

本文基于2010 年和2018 年两期土地利用遥感监测数据，poi 数据以及相关统计数据，借助国土开发强度模型、生态系统服务价值评估方法、双变量空间自相关分析以及空间回归分析模型等方法，揭示了粤港澳大湾区国土空间开发强度及其生态效益的时空演变规律以及二者之间的时空关系。

4.1.1 2010-2018 年，整个粤港澳大湾区城市群的国土开发强度呈现上升趋势，山区国土开发强度水平低于平原地区。广州城区、深圳市区以及东莞市是整个城市群国土开发的三个核心。

4.1.2 研究期间内粤港澳大湾区城市群生态系统服务价值总量由2010 年的2 580.6×108元下降到2018年的2 433×108元。西江沿岸地区以及西部沿海地区生态效益较高，而广州、深圳的核心地区是生态系统服务价值的低值区，国土开发的生态效益较低。

4.1.3 国土开发强度与生态系统服务价值之间具有显著的负相关关系以及空间依赖性，大规模的国土开发活动会降低城市生态效益，并通过人流、物流以及信息流等方式影响周边地区的生态效益。

4.2 讨论

经济建设与生态保护的关系是城市发展中重点要解决的一对矛盾，而国土开发活动是人类活动的主要表现形式，粤港澳大湾区作为国家重点发展战略的地区之一，其国土开发强度及其生态效益之间在时空上存在显著的相关关系，因此，在国土空间规划当中，要注重跨区域的协同管理，在开发与保护之间找到平衡，为区域空间开发政策的制定提供理论依据，以期最终实现大湾区城市群的一体化与协同发展。同时，本文也存在一些局限。首先，本文的研究尺度是对县域单元开展研究，并没有突破行政区划的限制，研究精度有待进一步提高。此外，本文主要基于谢高地的当量因子法衡量生态系统服务价值，其本质主要考虑的是土地利用的变化，缺乏其他因素（如气候、地质、水文）的影响考虑，未来应该在价值量测算的方法上加以改进。