三峽庫區(qū)重慶段土地生態(tài)狀況時空格局演變特征

馬世五,謝德體,*,張孝成,,彭正濤,,朱 慧,,洪惠坤,肖玖金

1 西南大學(xué)資源環(huán)境學(xué)院, 重慶 400715 2 重慶市國土資源和房屋勘測規(guī)劃院, 重慶 400020 3 國土資源部土地利用重點實驗室重慶研究中心, 重慶 400020 4 西南大學(xué)地理科學(xué)學(xué)院, 重慶 400715 5 四川農(nóng)業(yè)大學(xué)林學(xué)院, 溫江 611130

中國正處于新型工業(yè)化、城鎮(zhèn)化的關(guān)鍵時期[1],人地矛盾愈發(fā)凸顯,不合理的土地利用方式以及土地利用強度不斷加大,部分區(qū)域土地生態(tài)系統(tǒng)遭受到嚴重的威脅和破壞,區(qū)域土地生態(tài)安全倍受關(guān)注。為保障我國國土資源安全和生態(tài)文明建設(shè),實現(xiàn)國土資源管理從單純的“數(shù)量管理”走向“數(shù)量管控、質(zhì)量管理、生態(tài)管護”三位一體綜合管護的轉(zhuǎn)變,土地生態(tài)狀況的調(diào)查與評估日益成為熱點。土地生態(tài)狀況和區(qū)域自然地理要素、社會經(jīng)濟發(fā)展狀況密切相關(guān)。由于這些因素在空間分布上存在隨機性與結(jié)構(gòu)性,土地生態(tài)狀況必然存在一定的空間關(guān)聯(lián)性。因此,對區(qū)域土地生態(tài)狀況的時空分異特征進行研究,有利于揭示研究對象之間的空間相互作用機制,對于區(qū)域的生態(tài)保護和土地管理政策制定具有重要的意義。

土地生態(tài)狀況方面的研究源于對生態(tài)安全的研究,可追溯到20世紀40年代[2],Aldo Leopold提出了“土地健康”的概念并將其應(yīng)用于土地功能狀況的評價,為土地生態(tài)安全研究奠定了基礎(chǔ)[3]。1977年,美國著名環(huán)境問題專家Leister R. Brown提出了“生態(tài)安全”這一概念[4]。1996年締結(jié)的地球公約《面對全球生態(tài)安全的市民條約》,得到了100多個國家的200多萬人簽字,生態(tài)安全概念得到了國際社會的廣泛認可[5],自此,區(qū)域生態(tài)安全已成為國際上廣泛關(guān)注的研究熱點之一。隨著生態(tài)安全研究的不斷深入,生態(tài)安全研究引入到了土地科學(xué)領(lǐng)域,土地生態(tài)狀況方面研究應(yīng)運而生,國內(nèi)外學(xué)者進行了大量的研究。國外關(guān)于土地生態(tài)狀況方面的研究主要集中在土地生態(tài)質(zhì)量概念與內(nèi)涵[6- 7]、土地利用結(jié)構(gòu)優(yōu)化[8-9]、土地生態(tài)評價指標[10-11]及方法[12]等方面。國內(nèi)關(guān)于土地生態(tài)狀況方面的研究,主要涉及土地生態(tài)質(zhì)量[13-14]、生態(tài)風(fēng)險[15-16]、生態(tài)安全[17- 20]、生態(tài)環(huán)境[21]、生態(tài)脆弱性[22]、生態(tài)適宜性和敏感性[23- 24]、生態(tài)退化[25]等方面。然而,盡管國內(nèi)外學(xué)者在土地生態(tài)狀況方面開展了大量研究,但仍存在以下不足：一是流域?qū)用娴耐恋厣鷳B(tài)狀況評價指標尺度多為省或者縣(區(qū))行政單元,難以反映縣(區(qū))內(nèi)部土地生態(tài)狀況的局部差異；二是流域?qū)用娴耐恋厣鷳B(tài)狀況評價指標體系過多地依賴統(tǒng)計年鑒等社會統(tǒng)計資料,對土地生態(tài)狀況的自然屬性重視不夠,全面研究土地生態(tài)系統(tǒng)中本底、結(jié)構(gòu)、效益和影響等方面的成果罕見；三是忽略了土地生態(tài)狀況在空間上的聚集規(guī)律、關(guān)聯(lián)模式和時間上的冷熱程度變化等時空格局演變特征,難以揭示區(qū)域土地生態(tài)狀況的驅(qū)動機制。鑒于此,本文選擇三峽庫區(qū)重慶段2000年、2009年、2014年3個時期以行政村為評價單元開展土地生態(tài)狀況時空演變研究,構(gòu)建基于“基礎(chǔ)-結(jié)構(gòu)-效益-脅迫”框架的區(qū)域土地生態(tài)狀況評價指標體系,應(yīng)用空間自相關(guān)、冷熱點分析及轉(zhuǎn)移矩陣分析方法開展流域?qū)用娴耐恋厣鷳B(tài)狀況時空分異特征研究,以期為破解三峽庫區(qū)生態(tài)環(huán)境瓶頸要素制約,實現(xiàn)區(qū)域土地資源可持續(xù)利用和社會經(jīng)濟可持續(xù)發(fā)展提供決策參考。

1 研究區(qū)域概況與數(shù)據(jù)來源

1.1 研究區(qū)概況

三峽庫區(qū)重慶段位于長江上游末端,地理范圍在28°31′—31°44′N、105°49′—110°12′E之間。東南、東北與鄂湘交界,西南與川黔接壤,西北與川陜相鄰,包括重慶市22個區(qū)、縣(自治縣)(圖1),幅員面積46163.67km2,其下轄112個鄉(xiāng),322個鎮(zhèn),140個街道辦事處；其中包括：庫區(qū)腹地的“兩區(qū)四縣”：萬州區(qū)、開州區(qū)、巫山縣、巫溪縣、云陽縣、奉節(jié)縣；庫區(qū)中部的“三區(qū)三縣”：涪陵區(qū)、長壽區(qū)、武隆區(qū)、石柱縣、豐都縣、忠縣；庫區(qū)尾部的江津區(qū)和主城9區(qū)[26]。2014年,戶籍總?cè)丝?989.31萬人,其中農(nóng)業(yè)人口1062.80萬人。2014年三峽庫區(qū)重慶段國民生產(chǎn)總值9878.29億元,農(nóng)民人均純收入9716元。

圖1 三峽庫區(qū)位置圖
Fig.1 The location of the Three Gorges Reservoir Area

研究區(qū)屬于亞熱帶季風(fēng)氣候區(qū),氣候溫和濕潤,空氣濕度大,降雨充沛,多年平均氣溫15—18℃。該地區(qū)處于大巴山褶皺帶、川東褶皺帶和川鄂湘黔隆起帶三大構(gòu)造單元交匯處,地形起伏劇烈。全區(qū)土壤類型主要有水稻土、紫色土、黃壤、石灰?guī)r土、新積土、黃棕壤、棕壤、山地草甸土等。庫區(qū)物種資源豐富,植被以亞熱帶常綠闊葉林、暖性針葉林為主[27]。

三峽庫區(qū)具有重要的生態(tài)地理位置,位于長江流域生態(tài)屏障的咽喉地帶,是中國17個具有全球保護意義的生物多樣性關(guān)鍵地區(qū)之一。其生態(tài)環(huán)境的優(yōu)劣,不僅直接關(guān)系到三峽工程的安全,百萬移民的安穩(wěn)致富,更關(guān)系到整個長江流域的生態(tài)安全與區(qū)域社會經(jīng)濟的可持續(xù)發(fā)展。三峽庫區(qū)是長江上游主要的生態(tài)脆弱和敏感區(qū)之一,是中國乃至世界最為特殊的生態(tài)功能區(qū),其生態(tài)環(huán)境問題對于三峽工程的長期安全運行、長江中下游的防洪與生態(tài)安全具有特殊的、重要的戰(zhàn)略意義；而三峽庫區(qū)重慶段面積則占了整個三峽庫區(qū)面積的85%,覆蓋了大部分三峽庫區(qū)范圍,生態(tài)地理位置極其重要。

1.2 數(shù)據(jù)來源

本研究所用數(shù)據(jù)主要由5部分組成：1)重慶市國土房管局提供的研究區(qū)歷年土地利用變更調(diào)查數(shù)據(jù)庫、土地利用現(xiàn)狀圖(2000、2009、2014年)、1∶1萬DEM數(shù)據(jù)、多目標地球化學(xué)數(shù)據(jù)、農(nóng)用地分等數(shù)據(jù)庫、行政區(qū)劃圖、土地利用變更調(diào)查遙感影像及監(jiān)測圖斑實地調(diào)查信息等數(shù)據(jù)(2000、2009、2014年)；2)重慶市水利局提供的研究區(qū)水土流失強度類型圖；3)重慶市氣象局提供的34個氣象監(jiān)測點的監(jiān)測數(shù)據(jù)(2000、2009、2014年)；4)重慶市農(nóng)委提供的研究區(qū)土壤圖和土壤報告等資料；5)其他社會經(jīng)濟數(shù)據(jù)來源于2001年、2010年、2015年三峽庫區(qū)重慶段22個區(qū)縣統(tǒng)計年鑒(表1)。為便于空間運算,所有數(shù)據(jù)均轉(zhuǎn)換為統(tǒng)一的坐標與投影系統(tǒng),利用ArcGIS 10.2、GeoDa等軟件進行數(shù)據(jù)的分析處理。

表1 三峽庫區(qū)重慶段土地生態(tài)狀況評估指標體系

2 研究思路與方法

2.1 土地生態(tài)狀況評價模型構(gòu)建

2.1.1 指標體系構(gòu)建

本研究遵循科學(xué)性、綜合動態(tài)性、指標可獲得及可操作性、靈敏性原則,綜合三峽庫區(qū)重慶段土地生態(tài)狀況實際情況[29-31],參照20世紀80年代末聯(lián)合國環(huán)境規(guī)劃署(UNEP)和經(jīng)濟合作開發(fā)組織(OECD)聯(lián)合提出的“壓力一狀態(tài)一響應(yīng)”(Pressure-State-Response,即 PSR)框架模型和聯(lián)合國(UN)修改PSR模型后提出的“驅(qū)動力一狀態(tài)一響應(yīng)”(Driving Force-State-Response,即DSR)框架模型[10,32-33],并結(jié)合《生態(tài)環(huán)境狀況評價技術(shù)規(guī)范》(HJ 192- 2015),采用德爾菲法、相關(guān)分析法,充分運用國土、環(huán)保、林業(yè)、農(nóng)業(yè)等領(lǐng)域15位專家深厚的專業(yè)理論知識和豐富的實踐經(jīng)驗,從基礎(chǔ)、結(jié)構(gòu)、效益與脅迫角度出發(fā)選取32項指標構(gòu)建土地生態(tài)狀況調(diào)查與評估指標體系(表1)。本研究構(gòu)建的土地生態(tài)狀況評估指標體系中,基礎(chǔ)性指標反映區(qū)域氣候、土壤、立地、覆被條件等土地自然生態(tài)背景；結(jié)構(gòu)性指標表征土地生態(tài)系統(tǒng)的景觀格局及其覆被類型所占比例和特點；效益性指標衡量土地生態(tài)系統(tǒng)的恢復(fù)能力、生產(chǎn)功能與社會價值；脅迫性指標反映土地生態(tài)系統(tǒng)的損毀、退化狀況及其面臨的社會經(jīng)濟壓力。

2.1.2 指標標準化處理與權(quán)重確定

(1)指標標準化處理

本研究中指標既有正向指標又有逆向指標,因此在進行指標的處理上有所區(qū)分。文中參照極差歸一化法[1]進行指標的標準化,其公式為：

正向指標處理：

(1)

逆向指標處理：

(2)

式中,Yij為標準化后的值,Xij為第i年第j項指標的原始值,Xmaxj和Xminj分別為相應(yīng)指標的最大值和最小值,a∈(0,1),一般取0.9。

(2)權(quán)重確定

本研究選取熵權(quán)法作為權(quán)重的處理辦法,該法可以準確判斷熵值的離散程度,較為客觀而科學(xué)的進行賦權(quán)[34-35]；并選取國土、環(huán)保、林業(yè)、農(nóng)業(yè)等領(lǐng)域15位專家采用特爾菲法進行校核,綜合確定區(qū)域土地生態(tài)狀況評估指標的權(quán)重值(表1)。

2.1.3 綜合指數(shù)測算

參照相關(guān)研究[36-37],采用乘算模型對評價單元土地生態(tài)狀況綜合指數(shù)進行計算,公式如下：

(3)

式中,LESI為某類指標的土地生態(tài)狀況綜合指數(shù)；Ai為評價指標標準化值；Wi為土地生態(tài)狀況評價指標Ai的權(quán)重；n為指標總項數(shù)。

2.1.4 土地生態(tài)狀況質(zhì)量判別標準

本研究采用系統(tǒng)聚類法計算模糊等價關(guān)系進行初始分類,再經(jīng)ISODATA聚類法反復(fù)迭代進行研究區(qū)土地生態(tài)狀況質(zhì)量級別分類,并劃分出質(zhì)量優(yōu)、質(zhì)量良好、質(zhì)量中等、質(zhì)量較差、質(zhì)量差等5個土地生態(tài)狀況質(zhì)量等級,詳見表2。

表2 土地生態(tài)狀況質(zhì)量等級分級參數(shù)

2.2 土地生態(tài)狀況時空演變統(tǒng)計學(xué)方法

2.2.1 地統(tǒng)計學(xué)方法

目前,地統(tǒng)計學(xué)方法已成為生態(tài)安全空間變異性的一種有效方法。區(qū)域土地生態(tài)狀況綜合指數(shù)是一種空間變量,空間變化特征具有結(jié)構(gòu)性和隨機性,可以采用地統(tǒng)計學(xué)中空間變異函數(shù)的方法,借助半方差函數(shù)進行區(qū)域土地生態(tài)狀況的空間分析[38]計算公式如下：

(4)

式中,rh是半變異函數(shù),揭示了整個尺度上的空間變異格局；h為兩樣本點的空間分割距離；Zxi和Zxi+h分別為空間位置xi和xi+h處的數(shù)值；n(h)為空間距離為h時的樣本對數(shù)。

2.2.2 空間自相關(guān)

地理學(xué)第一定律指出：任何事物之間均相關(guān),而離得較近的事物總比離得較遠的事物相關(guān)性要高[39],亦即地理實體由于受到空間吸引和空間擴散的影響而表現(xiàn)出一定的相關(guān)性[40]?？臻g自相關(guān)分析是理論地理學(xué)的基本方法之一[41],主要用來分析空間數(shù)據(jù)的統(tǒng)計性分布規(guī)律。全局自相關(guān)Moran′sI是評價空間自相關(guān)統(tǒng)計的常用指標,用于驗證整個研究區(qū)域土地生態(tài)狀況的空間相關(guān)關(guān)系,判斷其在空間上是否存在集聚,從而分析整個研究區(qū)的空間關(guān)聯(lián)結(jié)構(gòu)模式。Moran′sI指標的計算公式如下[42-43]：

(5)

2.2.3 冷熱點分析

(6)

3 結(jié)果與分析

3.1 區(qū)域土地生態(tài)狀況的時間演變

圖2 2000—2014年三峽庫區(qū)重慶段土地生態(tài)狀況等別類型動態(tài)度Fig.2 Dynamic degrees of different grades of land ecological status in the Three Gorges Reservoir Area of Chongqing during 2000—2014

由圖2和表3可以看出,2000年土地生態(tài)狀況質(zhì)量優(yōu)、質(zhì)量良好、質(zhì)量中等、質(zhì)量較差、質(zhì)量差土地面積分別占區(qū)域土地總面積的35.59%、36.63%、21.13%、5.59%、1.06%,土地生態(tài)狀況以質(zhì)量優(yōu)和質(zhì)量良好為主。2000—2009年,區(qū)域土地生態(tài)狀況快速惡化,質(zhì)量優(yōu)、質(zhì)量良好的土地面積出現(xiàn)不同程度的減少,其動態(tài)度分別為-5.54%和-1.08%,而質(zhì)量中等、質(zhì)量較差、質(zhì)量差的土地面積則大幅增加,其動態(tài)度分別為6.65%、13.94%、17.26%,可見,質(zhì)量較差、質(zhì)量差的土地在該時期土地生態(tài)狀況的惡化中起主導(dǎo)作用。2009—2014年,土地生態(tài)狀況變化較2000—2009年明顯減緩,雖然質(zhì)量差的土地面積進一步增加,質(zhì)量優(yōu)、質(zhì)量良好、質(zhì)量中等、質(zhì)量較差土地卻發(fā)生了逆轉(zhuǎn),其動態(tài)度分別為1.4%、0.4%、-0.5%、-1.95%,表明在該時期土地生態(tài)狀況有較為明顯的改善,較2000—2009年表現(xiàn)出向質(zhì)量優(yōu)、質(zhì)量良好轉(zhuǎn)移的趨勢。總體來說,盡管研究區(qū)2009—2014年土地生態(tài)狀況得到了一定改善,但2000—2009年土地生態(tài)狀況的惡化幅度遠大于其改善的幅度,導(dǎo)致區(qū)域2000—2014年土地生態(tài)質(zhì)量總體呈惡化趨勢,可見2000—2009年期間是區(qū)域土地生態(tài)安全狀況變化的關(guān)鍵時段。這主要是由于2000—2009年期間三峽庫區(qū)重慶段城鎮(zhèn)化和工業(yè)化進程的加快,加劇了人地矛盾,農(nóng)田、園地和未利用地都存在被不同程度開發(fā)占用的現(xiàn)象,進而導(dǎo)致土地生態(tài)環(huán)境受到越來越大的壓力,生態(tài)系統(tǒng)穩(wěn)定性逐步變差,土地生態(tài)質(zhì)量亦隨之下降。而隨著近年來國家生態(tài)文明建設(shè)戰(zhàn)略的大力實施和綠色發(fā)展理念的深入踐行,區(qū)域土地生態(tài)環(huán)境得到的保護力度不斷增強,這在一定程度上使區(qū)域2009—2014年期間土地生態(tài)質(zhì)量得到了一定程度的改善。

3.2 區(qū)域土地生態(tài)狀況的空間變化

3.2.1 空間位置分布變化

由圖3可以看出,2000年三峽庫區(qū)重慶段土地生態(tài)狀況較好的區(qū)域(質(zhì)量優(yōu)、質(zhì)量良好)主要分布在庫腹地區(qū)的巫山縣、巫溪縣、奉節(jié)縣、開州區(qū),庫中地區(qū)的石柱縣、武隆區(qū)、豐都縣、涪陵區(qū)和庫尾地區(qū)的巴南區(qū)和江津區(qū)；而土地生態(tài)狀況較差的區(qū)域(質(zhì)量較差、質(zhì)量差)主要分布在庫尾地區(qū)的渝中區(qū)、江北區(qū)、大渡口區(qū)、南岸區(qū)、九龍坡區(qū)、沙坪壩區(qū)和渝北區(qū)。

表3 研究區(qū)2000—2014年各土地生態(tài)狀況等別面積變化表

圖3 三峽庫區(qū)重慶段土地生態(tài)狀況等別分布
Fig.3 The space distribution of different grades of land ecological status in the Three Gorges Reservoir Area of Chongqing

2000—2009年,研究區(qū)土地生態(tài)狀況呈現(xiàn)出普遍惡化的趨勢,土地生態(tài)狀況較好的區(qū)域(質(zhì)量優(yōu)、質(zhì)量良好)日漸萎縮,而土地生態(tài)狀況較差的區(qū)域(質(zhì)量較差、質(zhì)量差)則快速拓展,庫尾地區(qū)的北碚區(qū)、沙坪壩區(qū)、九龍坡區(qū)、渝北區(qū)、南岸區(qū)、大渡口區(qū)、江北區(qū),庫中地區(qū)的長壽區(qū)、涪陵區(qū)和庫腹地區(qū)的萬州區(qū)、云陽縣的土地生態(tài)狀況較差區(qū)域大幅度增加?？梢钥闯?土地生態(tài)狀況惡化速度較快地區(qū)均出現(xiàn)在區(qū)域土地城鎮(zhèn)化、工業(yè)化較快地區(qū),城鎮(zhèn)化、工業(yè)化的快速發(fā)展,必然給土地生態(tài)環(huán)境的保護帶來較大壓力,保障發(fā)展與保護環(huán)境矛盾較大。

2009—2014年,土地生態(tài)狀況總體變化不明顯,略有提升,庫尾地區(qū)的巴南區(qū)、庫中地區(qū)的涪陵區(qū)和庫腹地區(qū)的萬州區(qū)、云陽縣的土地生態(tài)狀況較好的區(qū)域出現(xiàn)明顯增加。

總體來看,區(qū)域土地生態(tài)質(zhì)量呈現(xiàn)出庫區(qū)腹地、庫區(qū)中部、庫區(qū)尾部依次降低的分布特征,土地生態(tài)狀況較好區(qū)域主要分布在庫區(qū)腹部的巫山縣、巫溪縣、奉節(jié)縣、開州區(qū)以及庫區(qū)中部的武隆區(qū)、豐都縣、石柱縣等土地利用程度相對較弱、植被覆蓋好地區(qū)；庫區(qū)尾部的主城九區(qū),庫區(qū)中部的涪陵區(qū)、長壽區(qū)及庫區(qū)腹地的萬州區(qū)等區(qū)域性中心城市的土地生態(tài)質(zhì)量則相對較差；且2000—2014年土地生態(tài)狀況動態(tài)變化特征也表現(xiàn)出類似特征,庫區(qū)腹地、庫區(qū)中部、庫區(qū)尾部土地生態(tài)質(zhì)量的下降幅度依次降低。

3.2.2 空間結(jié)構(gòu)變異性分析

結(jié)合土地生態(tài)狀況綜合指數(shù),運用GS+地統(tǒng)計學(xué)軟件對研究區(qū)土地生態(tài)狀況進行變異函數(shù)理論模型的擬合,擬合結(jié)果見表4?？梢钥闯?2000年、2009年、2014年研究區(qū)土地生態(tài)狀況綜合指數(shù)均為指數(shù)模型的擬合效果最佳。

土地生態(tài)狀況的空間異質(zhì)性受結(jié)構(gòu)性因素和隨機性因素(或稱非結(jié)構(gòu)性因素)的影響,隨機性因素(外因)包括各種自然災(zāi)害以及人為活動等因素；而結(jié)構(gòu)性因素(內(nèi)因)包括氣候、地形地貌、土壤類型、植被類型等主導(dǎo)區(qū)域土地生態(tài)安全狀況的空間分布因素。塊金值C0的大小表示區(qū)域土地生態(tài)狀況受隨機性因素影響的程度；基臺值(C0+C)表示空間的最大變異程度；C0/(C0+C)表示隨機性變異占總變異的比例,該值可作為研究對象空間自相關(guān)的分類依據(jù),若該比值小于25%,屬于強度空間自相關(guān),說明因子具有很好的空間結(jié)構(gòu)性,若比值在25%—75%,屬于中等程度空間自相關(guān),若比值大于75%,屬于弱空間相關(guān),反映隨機部分引起的空間異質(zhì)性程度起主要作用[44]。本次研究中區(qū)域土地生態(tài)狀況的塊金效應(yīng)逐步增強,C0從2000年的0.00103增加到2014年的0.00139,隨機性因素逐步增強；2000、2009和2014年C0/(C0+C)分別為47.91%、41.91%、47.91%,表明區(qū)域土地生態(tài)狀況屬中等空間自相關(guān),結(jié)構(gòu)性因素引起的空間異質(zhì)性起主要作用,但隨機性因素對土地生態(tài)狀況的空間分異影響亦不可忽視,這與三峽庫區(qū)重慶段14年來經(jīng)濟高速發(fā)展、人類對土地資源利用強度加劇以及區(qū)域自然災(zāi)害頻發(fā)的實際情況相符。從表4可以看出,2000、2009和2014年研究區(qū)土地生態(tài)狀況空間分異的變程分別為2.79、3.72、5.34 km,表明研究區(qū)土地生態(tài)狀況的空間相關(guān)性范圍在不斷擴張。

表4 研究區(qū)土地生態(tài)狀況理論變異函數(shù)

C0：塊金值,Nugget；C：偏基臺值,Partial Sill；C0+C：基臺值,Sill；A0：變程,Range；R2：復(fù)相關(guān)系數(shù)平方,The square of Multiple correlation coefficient；RSS：殘差平方和,Residual Sum of Squares

3.2.3 空間結(jié)構(gòu)關(guān)聯(lián)性分析

(1)空間自相關(guān)分析

本文利用 GeoDa軟件,根據(jù)2000年、2009年和2014年土地生態(tài)狀況綜合指數(shù)的空間分布數(shù)據(jù)得出Moran′sI散點圖(圖 4)。全局 Moran′sI值在各時期分別為 0.7001、0.7908和0.7970,表明研究區(qū)土地生態(tài)狀況存在較強的正相關(guān)現(xiàn)象,其空間分布并不是隨機的,存在一定內(nèi)在聯(lián)系,即土地生態(tài)狀況在空間上存在趨于集群的現(xiàn)象( 圖4)。亦即總體格局上,土地生態(tài)狀況較好的區(qū)域傾向于與其他土地生態(tài)狀況較好的區(qū)域相毗鄰,而土地生態(tài)狀況較差的區(qū)域傾向于與其他土地生態(tài)狀況較差的區(qū)域相毗鄰。可以看出,14年來,三峽庫區(qū)重慶段土地生態(tài)狀況的全局自相關(guān)程度整體逐漸增強,尤其是2000—2009年期間增加特別明顯。

圖4 土地生態(tài)狀況綜合指數(shù)Moran散點圖Fig.4 Moran scatter plot of Composite index of land ecological StatusLESI,土地生態(tài)狀況綜合指數(shù),Comprehensive index of land ecological status

(2)冷熱點分析

全局空間自相關(guān)指標雖能揭示區(qū)域土地生態(tài)狀況的總體關(guān)聯(lián)性特征,但不能用來測度相鄰區(qū)域間的要素或?qū)傩缘目臻g關(guān)聯(lián)模式[43],不能在時間變化的冷熱程度上反映區(qū)域土地生態(tài)狀況的變化特征,需借助冷熱點分析方法進一步探索局部區(qū)域土地生態(tài)狀況的關(guān)聯(lián)程度。本研究通過對研究單元的土地生態(tài)狀況綜合指數(shù)進行冷熱點分析,得到其冷熱點的時空格局演化圖(圖5)。

從圖5可以看出,2000年熱點區(qū)域分布集中,主要集中分布在庫區(qū)尾部的主城七區(qū)(沙坪壩區(qū)、九龍坡區(qū)、渝北區(qū)、南岸區(qū)、大渡口區(qū)、江北區(qū)、渝中區(qū))和庫區(qū)腹地萬州區(qū)的中心城區(qū)。主城七區(qū)集中體現(xiàn)重慶作為國家中心城市的政治經(jīng)濟、歷史文化、金融創(chuàng)新、現(xiàn)代服務(wù)業(yè)中心功能,是高端要素集聚、輻射作用強大、具有全國性影響的大都市中心區(qū),而萬州區(qū)亦是全市第二大城市、渝東北的區(qū)域中心城市,兩者均是經(jīng)濟社會快速發(fā)展地區(qū),人類土地利用活動劇烈,土地生態(tài)保護壓力較大。冷點區(qū)域分布相對零散,主要分布在庫區(qū)腹地的巫山縣、巫溪縣、奉節(jié)縣和庫區(qū)中部的石柱縣、豐都縣、武隆區(qū)和涪陵區(qū),與這一時期的土地生態(tài)狀況較好區(qū)域(質(zhì)量優(yōu)、質(zhì)量良好)分布基本一致。次熱點區(qū)域主要集中分布在庫區(qū)尾部的北碚區(qū)、渝北區(qū)、江津區(qū)和庫區(qū)腹地萬州區(qū)中心城區(qū)周圍；次冷點區(qū)域僅有零星分布。

圖5 三峽庫區(qū)重慶段土地生態(tài)狀況冷熱點區(qū)域的時空格局演化
Fig.5 Spatial and Temporal Evolution of hot and cold spots of land ecological status in the Three Gorges Reservoir Area of Chongqing

2000—2009年研究區(qū)土地生態(tài)狀況冷熱點分布狀況發(fā)生了明顯變化,庫區(qū)尾部的熱點區(qū)域范圍向渝北區(qū)、北碚區(qū)、沙坪壩區(qū)進一步擴大,庫區(qū)腹地萬州區(qū)的熱點區(qū)域出現(xiàn)縮小趨勢；而冷點區(qū)域則向庫區(qū)腹地西北部的開州區(qū)及北部的巫溪縣進一步拓展。位于熱點拓展區(qū)域范圍內(nèi)的渝北區(qū)、北碚區(qū),包含了內(nèi)陸第一個國家級開放新區(qū)兩江新區(qū),受到了其高速發(fā)展的經(jīng)濟發(fā)展活動的影響,土地利用強度較大,區(qū)域土地生態(tài)保護面臨較大壓力。在冷點拓展區(qū)域范圍內(nèi)的開州區(qū)和巫溪縣,受國家退耕還林工程、“天保工程”的大力實施,景觀格局多樣性逐步提高,土地生態(tài)狀況逐步得到改善。

2009—2014年,位于庫區(qū)尾部的主城九區(qū)(沙坪壩區(qū)、九龍坡區(qū)、渝北區(qū)、南岸區(qū)、大渡口區(qū)、江北區(qū)、渝中區(qū)、北碚區(qū)、巴南區(qū))熱點區(qū)域未發(fā)生明顯變化,而在庫區(qū)腹地萬州區(qū)出現(xiàn)的熱點區(qū)域范圍則進一步縮小,主要受益于國家生態(tài)文明建設(shè)戰(zhàn)略的大力實施和“走生態(tài)優(yōu)先、綠色發(fā)展之路”、“共抓大保護,不搞大開發(fā)”等綠色發(fā)展理念的深入踐行,庫區(qū)腹地土地生態(tài)環(huán)境得到的保護力度不斷增強。研究區(qū)冷點區(qū)域范圍未發(fā)生明顯變化,仍主要分布在庫區(qū)腹地的巫山縣、巫溪縣、奉節(jié)縣、開州區(qū)和庫區(qū)中部的石柱縣、豐都縣、武隆區(qū)等植被覆蓋相對較好地區(qū)。

3.3 土地生態(tài)狀況的轉(zhuǎn)移分析

運用ArcGIS 10.2對三期矢量圖層進行疊加分析,得到三峽庫區(qū)重慶段2000—2009年、2009—2014年和2000—2014年時段不同土地生態(tài)狀況等級之間的轉(zhuǎn)移矩陣(表5)。

由表5可以看出,2000—2009年期間,不同土地生態(tài)狀況等級之間的轉(zhuǎn)移表現(xiàn)為：生態(tài)狀況質(zhì)量優(yōu)、質(zhì)量良好、質(zhì)量中等、質(zhì)量較差的土地轉(zhuǎn)移比重分別為53.85%、57.76%、44.67%、39.29%,且轉(zhuǎn)移比例最大的土地生態(tài)狀況等別分別對應(yīng)為質(zhì)量良好、質(zhì)量中等、質(zhì)量較差和質(zhì)量差土地；質(zhì)量差的土地幾乎未發(fā)生轉(zhuǎn)移,僅有1.38%,且全部轉(zhuǎn)移為質(zhì)量較差土地?？梢钥闯?2000—2009年土地生態(tài)狀況處于快速惡化階段。

2009—2014年,不同土地生態(tài)狀況等級之間的轉(zhuǎn)移表現(xiàn)為：生態(tài)狀況質(zhì)量優(yōu)、質(zhì)量良好、質(zhì)量中等、質(zhì)量較差、質(zhì)量差的土地轉(zhuǎn)移比重分別為5%、10.86%、11.63%、14.82%和3.44%,轉(zhuǎn)移比重遠小于2000—2009年期間,且轉(zhuǎn)移比例最大的土地生態(tài)狀況等別分別對應(yīng)為質(zhì)量良好、質(zhì)量優(yōu)、質(zhì)量良好、質(zhì)量中等、質(zhì)量較差。由此可知,2009—2014年區(qū)域土地生態(tài)狀況逆轉(zhuǎn)明顯,區(qū)域土地生態(tài)狀況快速惡化的勢頭得到了有效控制,也表明國家生態(tài)文明建設(shè)戰(zhàn)略的實施在研究區(qū)取得了較好的效果。

總體來看,2000—2014年期間,生態(tài)狀況質(zhì)量優(yōu)、良好、中等、較差、差的土地轉(zhuǎn)移比重分別為51.19%、56.04%、42.19%、42.83%和1.8%,且轉(zhuǎn)移比例最大的土地生態(tài)狀況等別分別對應(yīng)為良好、中等、較差、差和較差。不難發(fā)現(xiàn),盡管區(qū)域土地生態(tài)狀況在2009—2014年得到了一定程度改善,但并未從整體上改變區(qū)域土地生態(tài)狀況,區(qū)域土地生態(tài)環(huán)境保護面臨較大的壓力。

表5 研究區(qū)2000—2014年不同土地生態(tài)狀況等級的相互轉(zhuǎn)移/%

4 結(jié)論與討論

本研究以三峽庫區(qū)重慶段為研究對象,基于“基礎(chǔ)-結(jié)構(gòu)-效益-脅迫”框架構(gòu)建了土地生態(tài)狀況評估指標體系,計算了區(qū)域土地生態(tài)狀況綜合指數(shù)并劃分土地生態(tài)狀況質(zhì)量等級,通過CS+軟件和ArcGIS地統(tǒng)計模塊對研究區(qū)土地生態(tài)狀況綜合指數(shù)變異函數(shù)理論模型進行了擬合分析,在此基礎(chǔ)上,通過空間自相關(guān)、冷熱點分析和轉(zhuǎn)移矩陣分析方法,以2000年、2009年、2014年為3個年份為基礎(chǔ),分析了2000—2014年研究區(qū)土地生態(tài)狀況時空演變狀況特征,結(jié)論及建議如下：

(1)本研究構(gòu)建的土地生態(tài)狀況評估指標是借鑒PSR、DSR框架模型,從土地管理學(xué)、土地生態(tài)學(xué)角度出發(fā),基于三峽庫區(qū)重慶段自然生態(tài)基底與人類社會發(fā)展對生態(tài)環(huán)境需求而選取的評價指標,改變了以往流域尺度上土地生態(tài)狀況評價中過多地依賴于社會經(jīng)濟統(tǒng)計資料而對土地生態(tài)狀況自然屬性重視不夠的不足之處,能更加科學(xué)合理地表征三峽庫區(qū)的土地生態(tài)狀況。

(2)從時間演變上來看,14年來區(qū)域土地生態(tài)狀況表現(xiàn)出快速惡化-緩慢逆轉(zhuǎn)的變化過程。2000—2009年期間區(qū)域土地生態(tài)狀況處于快速惡化階段,9年來土地生態(tài)狀況較差(質(zhì)量較差、質(zhì)量差)的土地面積增加了399727.63 hm2,年均增加率為14.47%；2009—2014年期間區(qū)域土地生態(tài)狀況出現(xiàn)了緩慢逆轉(zhuǎn),5年來土地生態(tài)狀況較差(質(zhì)量較差、質(zhì)量差)的土地面積為減少了49014.47 hm2,年均逆轉(zhuǎn)率為1.39%。不難發(fā)現(xiàn),盡管區(qū)域土地生態(tài)狀況快速惡化的趨勢得到一定程度緩解,土地生態(tài)狀況安全形勢依然嚴峻,在“十三五”期間乃至今后更遠時期內(nèi),有關(guān)部門必須把實行最嚴格的生態(tài)環(huán)境保護制度落到實處,加強污染治理和生態(tài)保護、控制建設(shè)用地盲目擴張和水土流失、預(yù)防地質(zhì)災(zāi)害、科學(xué)實施山水林田湖生態(tài)保護和修復(fù)工程、深化生態(tài)環(huán)境監(jiān)管體制改革、完善國土空間開發(fā)保護制度、提高綠色發(fā)展水平,促進土地生態(tài)系統(tǒng)安全平穩(wěn)運行,為社會經(jīng)濟可持續(xù)發(fā)展提供堅實保障。

(3)從空間分布上來看,區(qū)域土地生態(tài)質(zhì)量呈現(xiàn)出庫區(qū)腹地、庫區(qū)中部、庫區(qū)尾部依次降低的分布特征,土地生態(tài)狀況較好區(qū)域主要分布在庫區(qū)腹部的巫山縣、巫溪縣、奉節(jié)縣、開州區(qū)以及庫區(qū)中部的武隆區(qū)、豐都縣、石柱縣等土地利用程度相對較弱、植被覆蓋好地區(qū)；而庫區(qū)尾部的主城九區(qū),庫區(qū)中部的涪陵區(qū)、長壽區(qū)及庫區(qū)腹地的萬州區(qū)等區(qū)域性中心城市則由于近年來城鎮(zhèn)化、工業(yè)化的快速發(fā)展導(dǎo)致其土地生態(tài)狀況相對較差?？梢钥闯?當(dāng)前三峽庫區(qū)的城鎮(zhèn)化、工業(yè)化發(fā)展并未協(xié)調(diào)好與生態(tài)保護的關(guān)系,越是城鎮(zhèn)化、工業(yè)化快速發(fā)展的地區(qū),土地生態(tài)安全水平越低；在未來的土地利用中,必須更加注重推進新型工業(yè)化、新型城鎮(zhèn)化建設(shè),創(chuàng)新發(fā)展理念,轉(zhuǎn)變發(fā)展方式,從而實現(xiàn)經(jīng)濟發(fā)展和生態(tài)保護的高度統(tǒng)一。

(4)從區(qū)域土地生態(tài)狀況變化的冷熱點格局來看,2000—2014年,熱點區(qū)域主要集中分布在庫區(qū)尾部的主城九區(qū)(沙坪壩區(qū)、九龍坡區(qū)、渝北區(qū)、南岸區(qū)、大渡口區(qū)、江北區(qū)、渝中區(qū)、北碚區(qū)、巴南區(qū))和庫區(qū)腹地萬州區(qū)的中心城區(qū)；冷點區(qū)域主要分布在庫區(qū)腹地的巫山縣、巫溪縣、奉節(jié)縣、開州區(qū)和庫區(qū)中部的石柱縣、豐都縣、武隆區(qū)等植被覆蓋相對較好地區(qū)。研究表明,冷熱點分布在空間上存在趨于集群的現(xiàn)象,盡管熱點區(qū)域、冷點區(qū)域在2000—2014年范圍總體上呈現(xiàn)出逐漸增加的趨勢,但在空間上亦表現(xiàn)出了一定的分異特征：庫區(qū)尾部的熱點區(qū)域范圍不斷拓展,而庫區(qū)腹地的萬州區(qū)熱點區(qū)域范圍則表現(xiàn)出逐年減小的趨勢。近年來,重慶市在深入貫徹國家“創(chuàng)新、協(xié)調(diào)、綠色、開放、共享”發(fā)展理念基礎(chǔ)上,大力實施實施差別化國土資源政策,在主城九區(qū),不斷完善城市功能,優(yōu)化產(chǎn)業(yè)結(jié)構(gòu),不斷打造內(nèi)陸重要的先進制造業(yè)和現(xiàn)代服務(wù)業(yè)基地、長江上游地區(qū)的金融中心和創(chuàng)新中心、內(nèi)陸地區(qū)對外開放的重要門戶和現(xiàn)代化大都市；在庫區(qū)腹地則把生態(tài)文明建設(shè)放在更加突出的地位,加快經(jīng)濟社會發(fā)展與保護生態(tài)環(huán)境并重,著力引導(dǎo)人口相對聚集和超載人口梯度轉(zhuǎn)移,著力涵養(yǎng)保護好三峽庫區(qū)的青山綠水,實現(xiàn)庫區(qū)人民安穩(wěn)致富,建設(shè)天藍、地綠、水凈的美好家園。可見,土地生態(tài)質(zhì)量狀況的冷熱點集群變化特征在一定程度上反映了全市差別化的國土資源政策和發(fā)展戰(zhàn)略。

(5)本研究構(gòu)建基于“基礎(chǔ)-結(jié)構(gòu)-效益-脅迫”模型的土地生態(tài)評估指標體系和采用空間變異函數(shù)模型、空間自相關(guān)分析、熱冷熱點分析方法的研究適用于區(qū)域土地生態(tài)狀況時空變化特征的診斷,有利于促進區(qū)域土地生態(tài)環(huán)境的保護和改善。但是,研究未對土地生態(tài)狀況變化特征的驅(qū)動因素或影響機理進行分析,區(qū)域土地生態(tài)狀況變化特征的驅(qū)動因素分析是今后值得進一步研究的方向。此外,本研究中采用極差歸一化法進行指標的標準化處理，未考慮指標閾值問題,而土地生態(tài)狀況評估指標閾值的確定是一個長期的復(fù)雜的學(xué)術(shù)問題,目前學(xué)術(shù)界對指標閾值問題尚未形成定論,有待深入研究。