1 引言

快速城镇化进程推动经济增长，同时也引发了一系列生态问题^{[1, 2]}。其中，对区域生态系统服务功能的负面影响尤为显著。据统计，城市面积约占地球表面的1%，城市居住人口却占总人口的52%^[3]。在有限的空间里，城市发展模式决定了当地生态系统多样性^[4-6]，城市生态系统又通过复杂性、异质性和混合性影响着居民的生活质量。由于这些属性涉及到多学科领域，因此须得到减少城镇化对生态系统负面影响的跨学科解决方法。Faulkner调查了城镇化对湿地森林结构和功能的影响，认为城镇化发展会改变区域生态系统服务功能^[7]。Kreuter等人从耦合角度分析得出，城镇化通过改变土地覆被和自然土地用途，在区域生态系统结构中发挥着重要影响^[8]。

此外，国内学者通过利用协同论观点构筑城镇化与生态系统之间交互作用的耦合度模型，研究城镇化与生态环境的耦合现状及发展趋势^[9]。快速城镇化进程促进人口集中、经济发展、产业升级，但由于城镇化与生态系统存在先天耦合机理，生态系统作为支撑基础，可能导致服务价值收缩。一方面，城镇化通过增加能耗和扩张交通对生态系统服务功能产生胁迫；另一方面，生态系统服务功能保护通过限制人口、排斥资本和干预政策对城镇化发展进行约束。依据城镇化与生态系统交互作用的强弱程度将其耦合过程划分为低水平耦合、拮抗、磨合和高水平耦合四个发展阶段^[10]。因此，不同的城镇化发展阶段对应不同的耦合协同过程，在城镇化发展初期和中期，城镇化发展速度快，超出生态系统承载能力范围，则区域生态环境恶化，生态系统服务功能收缩，城镇化进程也由此受到遏制；随着城镇化发展进入后期稳定阶段，生态环境建设投资适当扩大，生态系统服务功能出现精明增长。统计数据显示2014年底吉林省城镇化率为54.83%，可知吉林省处于城镇化发展中期阶段，城镇化与生态系统间的耦合协同发展处于拮抗期。从空间尺度上来看，目前国内已有研究中分别从国家、省域、城市等层面对城镇化发展与生态系统之间的关系进行分析，中国的城镇化发展对生态系统服务价值的影响在空间上呈现东、中、西分异规律；省域经济发展是城镇化的主要动力，一省内各城市间经济发展水平差异明显，进而导致城镇化发展对生态系统服务价值的影响在各城市之间有所不同；在城市范围内土地城镇化则对生态系统服务价值的影响尤为显著^{[11, 12]}。城镇化发展对生态系服务功能影响的研究越来越多，但大多是通过空间异质性、初级生产力和价值转换等方面表征城镇化对生态系统服务功能的影响^[13]，并集中于从理论视角和定量研究出发，对用地进行分类研究^[14]，而针对城市群区域进行生态系统服务价值评估及检验城镇化与生态系统服务之间关系的研究尚显缺乏^{[15, 16]}。城市群域是我国城镇化发展进程中出现的新城市-区域类型，具有极高的城镇化发展潜力，同时也是生态环境问题高度集中且激化的敏感地区^[17]，因此本文以吉林中部城市群域为研究对象，拟合城镇化发展与生态系统服务价值之间的相互关系，为城市群地区的可持续发展提供理论依据，即在生态环境容量阈值内引导城市群域社会、经济、空间的可持续发展。

吉林中部城市群位于吉林省中部，地域上涵盖了长春、吉林、四平、辽源和松原五个地级市以及通化市的梅河口市、辉南县和柳河县，研究区域面积9.6万km²，人口2085.5万人，分别占全省的51.2%和76.5%。地貌类型多样，大致可以均分为东南和西北两部分，东南为吉东低山丘陵区，西北为吉林中部台地平原区。地势东南高，西北低，平原地区平均海拔高度介于240-270 m之间，山地丘陵地区中哈达岭山脉上的南山楼地势最高，海拔高度1405 m，大黑山脉上位于饮马河与松花江之间的八台岭地势最低，海拔高度580 m。群域内各成员市（县）中，长春市和四平市位于东北平原中腹，松嫩平原最为优越的黑土带上；梅河口市、辉南县和柳河县分布在东部山地生态区，具有明显的资源型城市特征，面积系数较高且高降水，使生态环境具有较强的自组织能力；吉林市和辽源市分布在山地与平原的过渡带，生态环境本底良好；松原市位于松嫩平原西部的盐碱、风沙地带，生态环境脆弱，但经过多年治理，生态环境退化态势得到遏制。

综上，吉林中部城市群域的生态环境本底普遍较好，具有较稳定的基础^[18-21]。该城市群域内工业发达，是中国重要的汽车工业基地，汽车产量占全国1/3左右；交通运输便利，科技力量雄厚，是中国重要的光学和应用化学研究中心。其中，以101省道、长吉公路南线、长吉高速公路、长图铁路、龙嘉国际机场为主体结构的城市交通走廊所连接的长春、吉林两大核心城市，在空间结构上打造了城市群双子座的结构模式^[12-24]，如图 1。本文以吉林中部城市群域为研究对象，探索区域城镇化的一般规律及其如何影响生态系统服务价值，提出城镇化与生态系统服务功能协调发展进程的决策建议，以实现保护和管理城市群区域的生态系统服务功能。

2 研究数据与方法 2.1 数据来源

本文研究数据时间跨度较大，涉及到吉林省及其所辖地级市2003-2013年内的大量统计数据，数据主要来源包括《中国国土资源年鉴》（2004-2014年）、《吉林省统计年鉴》（2004-2014年）、《长春市统计年鉴》（2004-2014年）、《吉林市统计年鉴》（2004-2014年）、《四平市统计年鉴》（2004-2014年）、《辽源市统计年鉴》（2004-2014年）、《松原市统计年鉴》（2004-2014年）、《通化市统计年鉴》（2004-2014年）、《吉林省土地利用规划（1997-2010年）》、《吉林省土地利用规划（2006-2020年）》，以及2003至2013年吉林省土地利用变更数据。

2.2 综合城镇化水平评价

城镇化的四个子系统（人口城镇化、经济城镇化、景观环境城镇化和生活方式城镇化）已初步形成区域生态系统结构及循环过程^[25-27]。这些程序已经对生态系统服务价值产生了根本影响^[28]，因此本文以人口城镇化、经济城镇化、景观城镇化和生活方式城镇化四个子系统为一级指标。并在一级指标上划定16个二级指标评估吉林中部城市群域城镇化发展水平和质量^[29-30]，由于指标的多样性和复杂性，本文采用熵值法来分配指标权重。指标分配的熵值法被广泛应用于区域经济效益评估和可持续发展研究，在本文中，熵值法被用来评估吉林省中部城市群的城镇化发展水平。

熵值法的具体计算步骤如下所示：

（1）选取一个指标：x_ij是第i年的第j个指标

（2）指标标准化

${X_{ij}} = \frac{{{X_{ij}}-\min \left( {{X_{1j}}, {X_{2j}}, \cdots, {X_{nj}}} \right)}}{{\max \left( {{X_{1j}}, {X_{2j}}, \cdots, {X_{nj}}} \right)-\min \left( {{X_{1j}}, {X_{2j}}, \cdots, {X_{nj}}} \right)}}$

(1)

（3）计算第j个指标占据第i年的比重

${P_{ij}} = \frac{{{X_{ij}}}}{{\sum\nolimits_{i = 1}^n {{X_{ij}}} }}\left( {i = 1, 2, \cdots, n;j = 1, 2, \cdots, m} \right)$

(2)

（4）计算第j个指标的熵值

$\begin{array}{c} {e_j} =-k\sum\nolimits_{i = 1}^n {\left( {{P_{ij}} \cdot \ln {P_{ij}}} \right)} \\ 其中, k > 0, k = 1/\ln \left( n \right), {e_j} \ge 0 \end{array}$

(3)

（5）计算第j个指标的差异系数

${g_j} = \frac{{1-{e_j}}}{{m-E\varepsilon }}其中, E\varepsilon = \sum\nolimits_{j = 1}^m {{e_j}}, 0 \le {e_j} \le 1$

(4)

（6）计算权重值

${W_j} = \frac{{{g_j}}}{{\sum\nolimits_{j = 1}^m {{g_i}} }}\left( {1 \le j \le m} \right)$

(5)

（7）计算各年的综合水平

${S_i} = \sum\nolimits_{j = 1}^m {\left( {{W_j} \cdot {P_{ij}}} \right)} \left( {i = 1, 2, \cdots, n} \right)$

(6)

2.3 生态系统服务价值（ESV）评估

考虑到生态系统的复杂性和混合性，本文以生态系统服务价值（ESV）来表征生态效应。生态系统服务是指通过生态系统的结构、过程和功能直接或间接得到的生命支持产品和服务，自然资产含有多种与其生态服务功能相应的价值^{[31, 32]}，为了对这些价值进行评估，在全球范围内人们探索和研究不同的环境价值评估技术^[33-36]，通常人们用市场估值法和消费者支付意愿法来评估。目前，诸如生态破坏对国家资产的影响、全球生态系统资本价值量的估算等课题不断展开，并取得了一定的成果。最早的生态系统服务价值评估方法由Costanza等人于1997年提出，公式如下：

$ESV = \sum {\left( {{P_i} \times {L_i}} \right)} $

(7)

$ES{V_j} = \sum {\left( {{P_{ij}} \times {L_i}} \right)} $

(8)

式中，P_i是第i类用地单位面积的生态系统服务价值（元/公顷·年）；L_i表示研究区域各类用地的面积；ESV_j表示研究区域生态系统的单项服务价值；P_ij表示第i类用地单位面积的生态系统单项服务价值（元/公顷·年）；i代表不同的用地类型；j代表不同的生态系统服务类型。但该评价公式与中国生态系统服务的实际情况并不完全相符。谢高地等人将这一方法与中国实际情况相结合对原有方法进行改进，通过应用期望调查价值评估法对200多个中国生态学者进行问卷调查，提出中国生态系统的单位面积生态系统服务价值的等效系数表，并于2008年对其进行修正。

在以往研究中，各类用地的生态系统服务功能计算笼统，本文采用间接市场法，包括预防成本法和重置成本法，估计九种主要生态系统服务功能，包括食品生产、原材料生产、气体调节、气候调节、水文调节、废物处理、土壤保持、维持生物多样性、提供美学景观等^[37]。特别是：

（1）气体调整的生态系统服务价值计算式如下：

${E_q} =-\frac{{{C_q}}}{S}$

(9)

式中，E_q是单位面积用地气体调整的生态系统服务价值；C_q是处理废气的成本；S是各类用地的总面积。

（2）水文调整的生态系统服务价值计算式如下：

${E_W} = \frac{{-\left( {{C_W} + W{P_W}} \right)}}{S}$

(10)

式中，Ew是单位面积用地水文调整的生态系统服务价值；Cw是处理废水的成本；W是用水总量；Pw是耗水单价。

2.4 生态系统服务价值敏感系数（CS）

生态系统服务价值敏感系数（CS）的目的在于验证各类用地生态系统类型的代表性以及生态价值系数的准确度。同时用以确定生态系统服务价值的依赖度。该系数是将生态价值单价中ESV的响应变化作为衡量生态价值系数敏感度的一种方法，其计算公式如下^[38]：

$CS = \left| {\frac{{\left( {ES{V_b}-ES{V_a}} \right)/ES{V_a}}}{{\left( {V{C_{bi}}-V{C_{ai}}} \right)/V{C_{ai}}}}} \right|$

(11)

式中，VC_ai是土地的初始价值系数；VC_bi是调整后的土地价值系数；ESV_a是与初始价值系数相对应的生态系统服务总价值；ESV_b是与调整后价值系数相对应的生态系统服务总价值。如果CS大于个体值，那么ESV相对于生态系统价值系数富有弹性；但是如果CS值小于个体，则认为ESV相对于生态系统价值系数是非弹性的。CS值越大，生态价值系数评估ESV的准确性就越关键。

3 群域城镇化进程

2003-2013年吉林中部城市群的城镇化处于显著发展阶段。通过熵值法确定各指标权重如表 1所示，计算吉林中部城市群域2003-2013年间的城镇化发展水平如图 2所示。

从图 2可以看出，2003-2013年间城市群的综合城镇化水平从0.0338提升到0.1715，11年间提升了5.07倍，实现了飞跃式发展。从单项城镇化发展水平来看，人口城镇化水平从2003年的0.0050上升到2013年的0.0201，增长了4.02倍。在相同的发展阶段内，经济城镇化发展水平从0.0020增长到0.0695，增长了34.75倍，景观城镇化和生活方式城镇化水平分别增长了1.02倍和35.06倍。由图中曲线所示，吉林中部城市群域的综合城镇化水平发展最快，经济城镇化水平位居第二，而其他三类城镇化水平在研究阶段内相对比较稳定，由此可知，人口城镇化、经济城镇化、景观环境城镇化和生活方式城镇化共同促进综合城镇化进入快速发展轨道。

4 群域生态效应演变及其与城镇化的关系 4.1 群域生态系统服务价值（ESV）演变

城市群是城镇化高速发展地区，主要体现为人口快速增长、城市迅速扩张、社会经济迅猛发展，这些均对土地利用产生巨大影响，导致区域生态系统服务价值呈现出剧烈和复杂的时空变化特征^[39]。定量准确地描述这种复杂的时空变化过程，对推动区域生态文明建设和土地可持续利用具有重要意义。在已有研究基础上，核算吉林中部城市群域2003-2013年间的生态系统服务价值，采用时空分析和相关分析，揭示吉林中部城市群域11年间生态系统服务价值的时空变化特征及其与土地利用变化之间的关系，以期为促进区域土地资源合理利用和生态环境保护提供依据。

Costanza研究认为1个生态服务价值当量因子的经济价值量为54＄/ha。谢高地等人根据已有研究得知中国2005年全国平均粮食生产的单位面积总收益为3629.43元/ha，单位面积总投入为930.33元/ha，估计获得土地用于粮食生产的地租约为2250元/ha，以此计算中国1个生态服务价值当量因子的经济价值为449.1元/ha^[40]。将此与各生态服务价值当量值相乘，得到一个生态系统服务单价表，谢高地还将此结果与其他方法的评估给予一个比较，结果表明，在物质量估算基础上，估计的各项生态系统服务单价与本研究调查所得的单价较为接近^[41]。

本研究基于谢高地等提出的“中国生态系统单位面积生态服务价值当量”，以单位面积农田提供的食物生产服务经济价值为依据，确定符合吉林中部城市群域发展与用地特征的生态系统服务价值系数。其中，耕地、水域和未利用地分别采用农田、河流/湖泊和荒地的生态系统服务价值当量，并假设建设用地的价值系数为0^[42]。根据《吉林省农村统计年鉴》可得，2005年吉林中部城市群域耕地地均粮食产量为5790.65kg/ha，而根据《全国农产品成本收益资料汇编》，同期全国地均粮食产量为5896.50 kg/ha，以此对全国生态系统服务当量价值进行系数修正，确定吉林中部城市群域单个生态当量的价值为441.04元/ha，进而得到单位面积土地生态系统服务价值系数，如表 2所示。

参照土地利用分类体系，并结合吉林省景观特征和土地利用情况，将吉林中部城市群域土地利用类型划分为6组：林地、园地、耕地、建设用地、水域用地以及未利用地^[43]。根据吉林省单项生态系统服务的单位要素价值，可以获得吉林中部城市群域各类生态系统的单位面积生态服务价值。根据2003年和2013年吉林省遥感影像分析结果和2003-2013年间土地利用数据，通过运用生态系统服务价值（ESV）评估公式得出吉林中部城市群域各类土地利用的生态系统服务价值，如表 3所示。

如图 3所示，是根据表 3绘制所得，在研究阶段内吉林中部城市群域的生态系统服务总价值的变化趋势呈现出下降趋势，2003-2008年间生态系统服务总价值缓慢下降，价值从674.55亿元下降到674.07亿元；2008年到2009年出现了生态系统服务价值的急剧下降，总价值由674.07亿元下降到673.88亿元；2009-2013年生态系统服务总价值的下降速度再次趋于平缓，总价值下降到670.21亿元。此外，通过对吉林中部城市群域土地利用类型结构变化与单项生态系统服务价值作对应分析可得，在研究时段内，土地利用变化引起显著的生态价值变化，具体表现为：①耕地面积减少，生态系统服务价值降低；②水域用地增加，生态系统服务价值增加；③林地面积增加，生态系统服务价值增加；④园地面积增加，生态系统服务价值增加；⑤未利用地面积减少，生态系统服务价值降低；⑥建设用地增加，生态系统服务价值可能降低。综上所述，吉林中部城市群域生态系统服务价值在研究阶段内呈现出下降趋势。

4.2 群域生态系统服务价值敏感性系数（CS）分析

根据生态系统服务价值敏感度公式，以2003-2013年的生态系统服务价值数据为对象，分别将各类生态系统的服务价值系数上下调整50%，并用调整后的价值系数计算生态服务总价值，将调整后的总价值与调整前的总价值进行对比分析，获得吉林中部城市群域不同年份的敏感性指数，如表 4所示。从表中可以看出，吉林中部城市群域生态系统服务总价值的敏感性系数均小于1，表明生态系统服务总价值相对于生态系统服务价值系数无弹性。同时也可说明，本文中生态系统服务价值评估的科学性，所采用的生态系统服务价值系数符合研究区域的实际情况。

4.3 群域城镇化与生态系统服务功能的关系

分别对生态系统服务价值（ESV）和综合城镇化水平（U）、人口城镇化水平（U₁）、经济城镇化水平（U₂）、景观环境城镇化水平（U₃）、生活方式城镇化水平（U₄）之间做Pearson相关分析，得到表 5。表中可看出，生态系统服务价值分别与综合城镇化、人口城镇化、经济城镇化、景观环境城镇化、生活方式城镇化呈现负相关，除景观环境城镇化外，生态系统服务价值与其负相关性均显著。且他们间的关系可通过二次或三次多项式来表达，拟合关系曲线显示如图 4-8所示。

为验证综合城镇化、人口城镇化、经济城镇化、景观环境城镇化、生活方式城镇化与生态系统服务总价值间的相关关系在研究阶段内具有长期稳定性，对以上五对序列的因果关系进行平稳性检验和协整检验。通过平稳性检验可得序列U₁、序列U₂、序列U₃、序列U₄的ADF检验值绝对值大于临界值绝对值，说明这四项序列均为平稳序列；而序列U的ADF检验值的绝对值为0.3452，小于临界值的绝对值0.5031，即出现非平稳序列，经过对其进行一阶差分，再进行平稳性检验，得到序列U的平稳序列。最后对五对平稳序列进行协整检验，对方程估计所得结果进行残差提取并获得残差序列，通过对残差序列进行平稳性检验，可得残差序列的ADF检验值绝对值大于临界值绝对值。因此，五种城镇化与生态系统服务总价值之间存在协整关系，即五对变量之间存在稳定的相关关系。

从图中可以看出，这些城镇化水平与生态系统服务价值之间存在着不规则的曲线关系，这种关系可以表征为二次或三次多项式。通过观察生态系统服务价值与综合城镇化水平及各单项城镇化水平的拟合曲线发现，生态系统服务价值随景观城镇化水平的提高呈现出先降低后升高的变化趋势；其他四项关系曲线显示，在初期阶段，随着城镇化水平的提高，生态系统服务价值显示出平缓的下降趋势，然而在生态系统服务价值达到674亿元时，曲线斜率增大，生态系统服务价值出现快速下降趋势，到672亿元后下降速度趋于平缓。分析其可能的原因，即人口、经济、生活方式城镇化的发展过程，是一个人口膨胀的过程，同时也是快速工业化发展过程。这一发展进程导致人口规模膨胀、能源短缺、环境污染、建设用地盲目扩张、农用地减少、土地下沉等诸多问题的产生，与此同时区域的生态系统和循环系统也遭到严重破坏，其结果就是对生态系统服务价值造成消极影响。

5 结论

吉林中部城市群域目前正处于城镇化快速发展阶段，无论是在人口规模、社会经济、土地利用结构、居民生活水平，还是在生态、环境等方面，均发生了显著变化。测度吉林中部城市群域2003-2013年间的城镇化发展水平及生态系统服务价值，并对二者的关系进行分析与探讨，最终获得以下结论：

（1）综合城镇化水平由2003年的0.0338增长到2013年的0.1715，提升了5.07倍。随着城镇化的发展，吉林中部城市群域的生态系统服务价值也发生了显著变化，从2003年至2013年，吉林中部城市群域的生态系统服务价值由674.55亿元降低至670.21亿元，并以2008和2009年为时间节点，下降速率呈现出“慢-快-慢”的演变趋势，在11年中生态系统服务总价值下降了4.34亿元。其下降的原因在于城镇化发展、人口数量增加和工业化快速发展等过程中土地利用类型结构的变化。

（2）生态系统服务价值与人口城镇化、经济城镇化、景观环境城镇化、生活方式城镇化及综合城镇化之间分别呈现出不规则的曲线关系，其中生态系统服务价值与景观环境城镇化之间的关系呈现为“U”型曲线，并且以上关系均可以通过二次或三次多项式来表达。这种曲线变化缘起于城镇化，因此揭示了研究时段内，吉林中部城市群域快速城镇化的突出性消极影响。

（3）传统意义上的城镇化发展，会导致建设用地面积的扩张、耕地面积的缩减、工业生态污染上升，对生态系统造成的消极影响远远大于积极影响，所以脱离生态可持续的城镇化发展会构成显著的负生态效应。因此在新型城镇化快速发展的背景下，追求经济利益的同时也应着重兼顾生态系统带来的长远利益。具体应做到加强生态环境保护与建设，合理优化城市土地利用结构，积极提出生态环境可持续发展的政策与建议，促进城镇化与生态系统的协调发展。