经济发展对生态系统服务影响的多尺度统计建模 ——以郑州市为例

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经济发展与生态保护是辩证统一的,经济发展对生态系统服务的影响一直是学界和政策制定者关注的焦点,尤其是近年来伴随经济快速发展出现了一系列的生态环境问题后,探究长时序内经济发展对生态系统服务的影响更受到了学术界的广泛关注。生态系统服务和经济发展是为多层次、多方面、多尺度的复杂系统,而目前对于两者的测度和研究较多基于单一空间尺度。考虑到地理学中经典的尺度效应问题,即生态系统服务和经济发展之间的关系具有潜在的尺度差异特征,从时空和多尺度视角系统分析经济发展对生态系统服务的影响具有重要意义。本文以郑州市为例,基于2000-2015年的多源地理数据:首先,在精细空间尺度上利用夜间灯光数据测度了经济发展,利用植被净初级生产力(NPP)、气候、地形和植被等数据计算了固碳(以NPP表征)、产水量和水源涵养量等典型生态系统服务;其次,充分考虑经济发展和生态系统服务自身的尺度差异和空间差异,构建一系列多尺度统计模型和空间多尺度统计模型,识别了经济发展对生态系统服务影响的尺度差异特征和空间差异特征,分析了经济发展对生态系统服务的影响,并利用Shapley Values方法计算了自然(高程、坡度、降水、气温、草地和林地)和人为(道路、夜间灯光、人口、耕地、建设用地和企业数量)两大因素组的组别贡献度;最后,进一步考虑到经济发展和生态系统服务的空间相关性,分别构建了相应的空间多尺度统计模型,对地理数据的空间效应和尺度效应进行同时建模,进一步估算经济发展对生态系统服务的影响。研究结果表明:(1)经济发展水平整体提高,尺度特征差异显著。2000年至2018年,郑州市经济发展水平整体提高,其中各县区主城区部分的经济强度增加最为明显;从各个乡镇/街道经济发展水平的动态增长趋势来看,约有94%的区域的经济发展呈现先增长后降低的趋势。在尺度特征方面,整体呈现出四个不同的变化阶段,但总体上看,同一乡镇/街道内不同栅格间经济发展的差异要大于不同县区和不同乡镇/街道间的差异(乡镇/街道>县区>栅格)。(2)不同类型生态系统服务的变化具有显著的时空差异和尺度差异。NPP呈现上升趋势,产水量则呈现从东南向西北减少的趋势,水源涵养量整体较稳定。约有75%区域的NPP和89%区域的水源涵养呈现出随时间变化而先降低后增长的趋势,而约有77%区域的产水量则呈现出先增长后降低的趋势。在尺度差异特征方面,郑州市的NPP总体呈现出:县区和乡镇/街道尺度上的特征在较大的程度上影响着栅格尺度上NPP的差异(县区>乡镇/街道>栅格),而栅格尺度上产水量和水源涵养量的差异主要受到乡镇/街道和县区空间尺度上的特征的影响(栅格>县区>乡镇/街道)。(3)经济发展对NPP和产水量呈现负向影响,而与水源涵养量呈现正相关关系。NPP变化主要受到人为因素组的影响,产水量和水源涵养量则主要受到自然因素组的影响,同时考虑到尺度效应和空间效应后,结果依然稳健。针对郑州市NPP的变化,自然因素组的贡献约为31%,人为因素组的贡献约为59%,NPP自身非线性演化趋势的贡献约为10%。在其他条件不变情况下,夜间灯光强度每增加1%,NPP降低0.43%,呈现显著的负相关关系;产水量的变化约有9%受到自身发展趋势的影响,约40%来自自然因素组的贡献,约52%来自人为因素组的贡献;水源涵养的变化主要受到自然因素组的影响(55%),人为因素组的影响约为33%,自身发展趋势约为12%,水源涵养主要受到降水和土地利用类型的影响。另外,经济发展对生态系统服务影响具有显著的空间异质性。总体上看,呈现出东中部较高、西南部和东部偏低的空间分布特征,从乡镇/街道和县区两个空间尺度来看,主要表现为郑州市主城区、巩义市和新密市的经济活动对NPP变化的影响最大。
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