羅霄山區(qū)生態(tài)用地時空演變及其生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)功能的響應(yīng)
——以井岡山為例

璩路路,劉彥隨,,*,周 揚(yáng),李裕瑞

1 北京師范大學(xué)地理科學(xué)學(xué)部,北京 100875 2 中國科學(xué)院精準(zhǔn)扶貧評估研究中心,北京 100101 3 中國科學(xué)院地理科學(xué)與資源研究所,北京 100101

土地利用/土地覆被變化(LUCC)作為全球化研究的重要領(lǐng)域,對環(huán)境和生態(tài)的作用越來越受到學(xué)者們的高度關(guān)注[1- 2],生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)是生態(tài)系統(tǒng)與生態(tài)過程所形成及所維持的人類賴以生存的自然環(huán)境條件與效應(yīng)[3]。LUCC與生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)相互影響,相互制約,LUCC改變土地覆被狀況并影響區(qū)域生態(tài)過程,使生態(tài)系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)和功能發(fā)生變化,進(jìn)而造成生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)價值的改變[4],土地利用變化和生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)研究已成為當(dāng)前地理學(xué)、生態(tài)學(xué)等領(lǐng)域研究的熱點和重點方向[5]。生態(tài)用地是人類賴以生存的基本資源,為人類提供必需的生態(tài)服務(wù)空間,生態(tài)用地變化是土地利用變化的重要方面。新世紀(jì)以來,伴隨著城鎮(zhèn)化和工業(yè)化發(fā)展以及資源開發(fā),導(dǎo)致流域生態(tài)破壞、自然植被銳減、人居環(huán)境惡化等,改變了生態(tài)用地的時空布局,破壞了自然生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)功能[6- 7]。因此,保護(hù)生態(tài)用地,退還生態(tài)用地空間,恢復(fù)生態(tài)破壞地帶,認(rèn)識和探討生態(tài)用地的時空分布和形成機(jī)理,對維持區(qū)域生態(tài)平衡和引導(dǎo)經(jīng)濟(jì)社會可持續(xù)發(fā)展具有深遠(yuǎn)意義。

土地利用覆被變化驅(qū)動力研究,通過選用代表格局與過程的自然和人口、社會、經(jīng)濟(jì)、等人文方面建立關(guān)聯(lián)性分析,利用相關(guān)性、多元線性回歸、因子分析、主成分分析、灰色系統(tǒng)等方法[8- 11],較好的模擬了土地利用變化的可能原因,分析了驅(qū)動因子與土地利用變化的數(shù)量關(guān)系,但不能處理土地利用變化的空間變量。本研究引入Logistic回歸模型和地理探測器模型較好的解決了這一問題。Logistic回歸為每個自變量產(chǎn)生回歸系數(shù),通過空間上的變化概率去發(fā)現(xiàn)變化過程的可能原因；地理探測器通過檢驗變量空間分布的一致性,來探測變量間的因果關(guān)系,近年來有學(xué)者將地理探測器用于城市建設(shè)用地及農(nóng)村居民點形成機(jī)理的研究[12- 13],本研究嘗試引入生態(tài)用地的機(jī)理探測。

“生態(tài)用地”的概念最早是由我國學(xué)者董雅文提出,自然環(huán)境中具有生態(tài)防護(hù)功能的要素,其中,生態(tài)要素中的空間定位統(tǒng)稱為生態(tài)用地[14]。石玉林在中國工程院咨詢項目《西北地區(qū)水資源配置與生態(tài)環(huán)境保護(hù)》報告中對其作了進(jìn)一步闡釋。近年來,眾多學(xué)者著眼于生態(tài)用地的分類體系,劉繼來等基于生態(tài)用地能直接或間接提供生態(tài)服務(wù)功能,認(rèn)為生態(tài)用地應(yīng)包括林地、草地、水域及水利設(shè)施中的河流水面等[15]。喻鋒等認(rèn)為生態(tài)用地以生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)主體功能為基礎(chǔ),可劃分為濕地、森林、草地和其他生態(tài)土地四種類型[16]。王靜等認(rèn)為生態(tài)用地界定應(yīng)將生態(tài)功能分區(qū)和土地利用 現(xiàn)狀分類有機(jī)結(jié)合[17]。國外對生態(tài)用地的內(nèi)涵沒有統(tǒng)一的定論,一般上是從宏觀上當(dāng)成一個整體進(jìn)行分類,如Bailey認(rèn)為分類時把生態(tài)系統(tǒng)綜合成較大的地理單元,并將其與周圍有交互作用的單元聯(lián)系起來[18]；Rowe認(rèn)為采用地理測繪等技術(shù)手段,基于生態(tài)學(xué)理論,通過識別單元類型來進(jìn)行生態(tài)用地分類分級[19]。綜合國內(nèi)外學(xué)者對生態(tài)用地的定義,本文采用的生態(tài)用地包括林地、草地和水域。

山區(qū)鄉(xiāng)村振興和山區(qū)可持續(xù)發(fā)展是學(xué)界熱議的焦點,山區(qū)是個地域綜合體,包含自然屬性和人為屬性兩個方面[20]。從山區(qū)發(fā)展的角度,山區(qū)政策對山區(qū)發(fā)展具有方向標(biāo)作用,影響山區(qū)發(fā)展的另一個尤為明顯的因素就是地學(xué)因素。陸大道等[21]將地學(xué)因素概括為：自然條件、區(qū)位條件、基礎(chǔ)設(shè)施、資源基礎(chǔ)和生態(tài)環(huán)境等。在生態(tài)文明建設(shè)和鄉(xiāng)村振興的背景下,理清生態(tài)用地變化,提高生態(tài)用地質(zhì)量,實現(xiàn)山區(qū)綠水青山和山區(qū)鄉(xiāng)村經(jīng)濟(jì)社會發(fā)展的共贏局面,成為當(dāng)前亟待解決的問題。而山區(qū)相對于平原,自然資源豐富,但區(qū)位條件較差,生態(tài)環(huán)境脆弱,因此,山區(qū)的發(fā)展需要專項對應(yīng)政策的指引。特別是生態(tài)文明建設(shè)以及習(xí)近平總書記“兩山”重要思想的提出,全面理清山區(qū)的生態(tài)用地變化及其機(jī)理,提高山區(qū)發(fā)展政策制定和實施的精準(zhǔn)性尤為迫切。井岡山市地處長江中游地帶的羅霄山區(qū),是典型的山地區(qū)域,區(qū)內(nèi)分布有中低山和中山,地勢起伏較大,同時也是國家重點保護(hù)區(qū)域,長期以來,生態(tài)建設(shè)一直受到關(guān)注[22],近年來,由于城鎮(zhèn)化[23]以及森林資源的過度開采等,井岡山市大量的林草地等生態(tài)用地退減,對區(qū)域生態(tài)系統(tǒng)造成較大影響,有必要針對性研究井岡山市生態(tài)用地演化過程及生態(tài)服務(wù)功能響應(yīng)并定量探測其演化的時空機(jī)理,這將對于豐富生態(tài)安全保護(hù)的時空路徑研究提供重要參考。

1 研究區(qū)概況

井岡山市(113°59′E—114°18′E,26°13′N—26°52′N)位于長江南岸的羅霄山脈中段,南北向中山地貌帶,地勢為西南高東北低,由山地、丘陵和盆地組成,地形地貌復(fù)雜,溝壑縱橫。地處中亞熱帶季風(fēng)氣候區(qū),四季分明,雨熱充沛,年均降水量為1889 mm,夏季平均氣溫為21℃,冬季平均氣溫為5℃,井岡山土地類型多樣,林地所占比重較高,是國家級自然保護(hù)區(qū)和世界生物圈保護(hù)區(qū)。

2 數(shù)據(jù)與方法

2.1 數(shù)據(jù)來源及處理

自20世紀(jì)80年代以來,井岡山經(jīng)過30多年的發(fā)展,形成了以旅游業(yè)為主,相關(guān)產(chǎn)業(yè)為輔的經(jīng)濟(jì)社會發(fā)展格局,特別是2000年5月原井岡山市與原寧岡縣合并組建新的井岡山市,經(jīng)濟(jì)發(fā)展進(jìn)一步提速,近年來經(jīng)濟(jì)發(fā)展趨于平穩(wěn),因此,本文選用井岡山市1990、2000和2015年3個典型代表年作為研究區(qū)經(jīng)濟(jì)進(jìn)入起步發(fā)展、快速發(fā)展和平穩(wěn)發(fā)展的階段,選取1990—2015年的3期Landsat系列衛(wèi)星作為數(shù)據(jù)源,其中Landsat數(shù)據(jù)空間分辨率為30 m,時間分辨率為16 d, 來源于中國科學(xué)院計算機(jī)網(wǎng)絡(luò)信息中心地理空間數(shù)據(jù)云平臺(http://www.gscloud.cn), 應(yīng)用ENVI5.0對井岡山市的遙感圖像進(jìn)行解譯,圖像經(jīng)過幾何糾正、圖像增強(qiáng)等預(yù)處理,采用監(jiān)督分類和人工目視解譯,根據(jù)井岡山的山區(qū)特點,將土地覆被歸類為6 種(林地、園地、水域、耕地、城鄉(xiāng)建設(shè)用地和未利用土地),并結(jié)合Google Earth 對其分類結(jié)果進(jìn)行精度檢驗,1990年、2000年和2015年Kappa系數(shù)分別為0.763、0.825、0.790,總體上達(dá)到了較好效果。本文研究數(shù)據(jù)庫的建立,來源于中國學(xué)術(shù)期刊網(wǎng)絡(luò)出版總庫(CNKI), 以關(guān)鍵詞“長江流域”、主題詞“生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)”檢索2001—2018年發(fā)表的實證研究文獻(xiàn),并根據(jù)研究地和政策地的相似性,對文獻(xiàn)進(jìn)行篩選,得到可用文獻(xiàn)19篇[6,22,24-39,41]。借助ArcGIS10.2軟件平臺建立井岡山生態(tài)用地及驅(qū)動因素數(shù)據(jù)庫；DEM空間數(shù)據(jù)來源于國家地理信息中心,通過圖像校正和坡向坡度分析,獲取研究區(qū)的高程與坡向坡度區(qū)；距離最近城鎮(zhèn)中心極距離及主要公路和主要河流距離場,通過將研究區(qū)矢量數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)化為0.5 km×0.5 km 的柵格網(wǎng)數(shù)據(jù),利用GIS 空間鄰域分析方法獲??；由此,形成井岡山地區(qū)的極-場-區(qū)三級空間驅(qū)動因素(如表1所示),社會經(jīng)濟(jì)驅(qū)動因素數(shù)據(jù)來源于《江西統(tǒng)計年鑒》和《中國縣(市) 經(jīng)濟(jì)社會統(tǒng)計年鑒》,自然環(huán)境數(shù)據(jù)來自中國科學(xué)院地理科學(xué)與資源研究的地球系統(tǒng)科學(xué)數(shù)據(jù)共享平臺。

表1 生態(tài)用地時空驅(qū)動因素

2.2 研究方法

2.2.1土地利用轉(zhuǎn)移陣和空間分析模型

①土地利用轉(zhuǎn)移陣。 土地利用轉(zhuǎn)移陣是基于初始數(shù)量規(guī)模與期末數(shù)量規(guī)模相減得到,反映的是監(jiān)測期內(nèi)某種土地利用類型隨時間變化的轉(zhuǎn)移程度。

②基于GIS 的空間分析模型?？傋兓俾?TRi)是轉(zhuǎn)移速率和新增速率之和,考慮了轉(zhuǎn)移與新增這一對方向相逆的變化過程,從而反映區(qū)域土地利用類型間轉(zhuǎn)換的活躍程度,尤其是能將相互抵消的動態(tài)區(qū)域和增減變化較小的靜態(tài)區(qū)域區(qū)別開,測算區(qū)域土地利用轉(zhuǎn)型的總體活躍程度[40]。

(1)

式中：TRi為其總變化速率；LA(i,t1)和LA(i,t2)分別為某種土地利用類型在初始期和監(jiān)測末期的面積；ULAi為第i種土地利用類型未變化的面積；TRLi為第i種土地利用類型在t1—t2期間的轉(zhuǎn)移速率；IRLi為其新增速率；n為區(qū)域內(nèi)土地利用類型的分類數(shù),1

2.2.2Meta 分析

Meta分析方法又稱元分析或薈萃分析,有客觀定量的特點[41], 該方法運(yùn)用在生態(tài)服務(wù)價值評估中通過研究地(已有的評價結(jié)果)轉(zhuǎn)移政策地(到待研究地)的生態(tài)價值估算,結(jié)合本文研究的生態(tài)用地生態(tài)服務(wù)功能價值,構(gòu)建Meta回歸模型,估算生態(tài)系統(tǒng)的服務(wù)價值。

Vij=a+b1METHODij+b2TYPEij+b3AREAij+b4ECOij+b5PEOij+ε

(2)

式中：j為研究地,i為政策地,a為常量,ε為 殘差,b為各回歸矩陣,METHOD 為方法型變量,TYPE為生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)類型矩陣,AREA為面積變量,ECO為經(jīng)濟(jì)變量,PEO為人口變量。

2.2.3Logistic回歸模型

考慮生態(tài)用地空間分布受到區(qū)域條件、地理區(qū)位和經(jīng)濟(jì)區(qū)位的綜合影響,利用Logistic回歸模型,對生態(tài)用地空間分布與空間驅(qū)動因子之間進(jìn)行回歸分析。Logistic 回歸模型公式如下：

(3)

式中：P表示每個柵格可能出現(xiàn)生態(tài)用地的概率；xn表示影響因素；β0為常數(shù)項,βn為變量的回歸系數(shù)。利用ROC方法對回歸結(jié)果進(jìn)行檢驗,并探測識別邏輯回歸的最優(yōu)模擬空間尺度。

2.2.4地理探測器方法

地理探測器是王勁峰等[42]通過提出“因子力”度量指標(biāo),結(jié)合GIS空間疊加技術(shù)和幾何論,用以識別多因子之間交互作用的模型,通過將各類因子經(jīng)過不同的離散分類處理,把不同類型的變量歸化在同一空間尺度下進(jìn)行分析。本文引用地理探測器方法,利用地理探測器的風(fēng)險探測和因子探測[43]對井岡山生態(tài)用地變化動態(tài)度和各影響因素進(jìn)行探測識別,模型如下：

(4)

式中：tij為生態(tài)用地變化的t檢驗值；Vi和Vj分別為類型變量i和j的變化率均值；δi2和δj2分別是類型變量i和j的變化率方差；ni和nj為樣本量。

(5)

式中：p為生態(tài)用地變化的影響因素探測力指標(biāo)；n為研究區(qū)的總樣本數(shù)；ni為樣本數(shù)；i為變量個數(shù)；δ2為整個區(qū)域的總方差；δi2為離散方差。p的取值區(qū)間為 [0,1],p=0 時,表明空間要素呈隨機(jī)分布；p值越大,說明對生態(tài)用地變化的影響因素力越大。

3 結(jié)果分析

3.1 生態(tài)用地變化特征分析

根據(jù)土地利用數(shù)量和空間分析模型和井岡山1990、2000和2015年三期土地利用數(shù)據(jù),計算得到1990—2015年生態(tài)用地和非生態(tài)用地的土地利用轉(zhuǎn)移陣(表2)。

表2 1990—2015年井岡山市土地利用轉(zhuǎn)移陣/hm2

圖2 1990—2015年井岡山市非生態(tài)用地擴(kuò)張 Fig.2 Expansion of non-ecological land in Jinggangshan City from 1990 to 2015

1990—2015年間,井岡山生態(tài)用地面積持續(xù)減少,其中在近城區(qū)的降低幅度最大(圖2)。1990—2000年,生態(tài)用地轉(zhuǎn)化為非生態(tài)用地面積為4.33×103hm2,主要轉(zhuǎn)化為耕地和建設(shè)用地,其中林地的轉(zhuǎn)化率最高達(dá)到3.95%,轉(zhuǎn)化為建設(shè)用地和耕地的面積分別為1.2×102hm2和3.95×103hm2；非生態(tài)用地轉(zhuǎn)為生態(tài)用地的面積為4.11×103hm2,其中93.94%轉(zhuǎn)化為林地,轉(zhuǎn)化為水域的面積最少,只有0.06 hm2?？傮w上,生態(tài)用地和非生態(tài)用地的雙向轉(zhuǎn)化在1990—2000年間基本持平,說明井岡山城市化快速發(fā)展時期,在城市建設(shè)用地大量侵占生態(tài)用地的同時,退耕還林還草對井岡山地區(qū)的生態(tài)用地保持和恢復(fù)具有一定的積極作用。

2000—2015年,生態(tài)用地轉(zhuǎn)化為非生態(tài)用地的面積為5.58×102hm2,其中67.72%轉(zhuǎn)化為建設(shè)用地,林地主要轉(zhuǎn)化為耕地和建設(shè)用地,草地主要轉(zhuǎn)化為建設(shè)用地；非生態(tài)用地轉(zhuǎn)化為生態(tài)用地的面積為0.58×102hm2,相對于生態(tài)用地轉(zhuǎn)化為非生態(tài)用地的轉(zhuǎn)移比例只有10.32%,說明隨著我國快速城鎮(zhèn)化的推進(jìn),井岡山地區(qū)建成區(qū)面積逐年增加,城郊大量林草地變?yōu)榻ㄔO(shè)用地,且在商品糧等經(jīng)濟(jì)利益驅(qū)動下,大量生態(tài)用地被開墾為耕地,導(dǎo)致生態(tài)用地面積的持續(xù)減少。

為了更為精確的測算井岡山市生態(tài)用地的變化程度,運(yùn)用土地利用變化的空間分析模型將生態(tài)用地變化細(xì)分為轉(zhuǎn)移部分和新增部分,進(jìn)而分析生態(tài)用地變化的活躍程度,結(jié)果表明：(1)在1990—2000年間,井岡山生態(tài)用地的總體轉(zhuǎn)移速率遠(yuǎn)遠(yuǎn)大于2000—2015年間的轉(zhuǎn)移速率；林地的轉(zhuǎn)移速度、轉(zhuǎn)移面積及占比最大,轉(zhuǎn)移部分大于新增部分,屬于生態(tài)用地減少型地類,而草地和水域轉(zhuǎn)移速度相對較慢,但新增部分大于轉(zhuǎn)移部分,屬于生態(tài)增加型用地,且轉(zhuǎn)移速率較大,分別達(dá)到90.84%和114.16%,屬于井岡山市較“活躍”的生態(tài)用地類型。(2)在2000—2015年間,井岡山市林地在生態(tài)用地類型中依然屬于減少型地類,且轉(zhuǎn)移速度最快,但相對于1990—2000年間,轉(zhuǎn)移速度大幅度減緩,草地和水域的轉(zhuǎn)移速度相對提高,對于區(qū)域內(nèi)的生態(tài)用地貢獻(xiàn)逐步增大,生態(tài)用地的活躍程度降低,年均變化逐漸趨于平穩(wěn)。

表3 井岡山市生態(tài)用地動態(tài)變化(1990—2015 年)

3.2 生態(tài)用地價值轉(zhuǎn)移分析

應(yīng)用SPSS 20.0 對表4中的自變量和因變量進(jìn)行線性回歸分析,選用向后消去法多次回歸,最終保留具有顯著性的12個自變量,回歸結(jié)果見下表。

表4 Meta回歸分析變量賦值編碼

若有此項生態(tài)服務(wù)功能,賦值為1,否則為0

表5 Meta價值轉(zhuǎn)移回歸結(jié)果信息

為檢驗樣區(qū)生態(tài)用地轉(zhuǎn)移的有效性,我們選取樣本外長江流域地區(qū)[30-33]進(jìn)行檢驗,公式如下：

(6)

式中：AVDEVIATION 代表平均轉(zhuǎn)移誤差；n代表樣本個數(shù),V0代表樣本轉(zhuǎn)移值,Vm代表樣本真實值。經(jīng)驗證樣本誤差為25.6%,關(guān)于轉(zhuǎn)移誤差值的大小,學(xué)術(shù)界尚無統(tǒng)一看法,普遍認(rèn)可的范圍在20%—40%之間[44],因此本文構(gòu)建模型可以用于井岡山市生態(tài)服務(wù)價值轉(zhuǎn)移研究,根據(jù)價值轉(zhuǎn)移回歸方程,計算井岡山市的生態(tài)服務(wù)轉(zhuǎn)移價值及其變化趨勢。1990—2015年間,井岡山生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)價值呈現(xiàn)不斷減少的趨勢且減少的速率不斷增加,2000—2015年生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)價值年均減少量遠(yuǎn)大于1990—2000年減少量(表6)。其中,井岡山市林地生態(tài)系統(tǒng)在全部生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)中貢獻(xiàn)最大,達(dá)到97%以上。1990年,井岡山市生態(tài)用地生態(tài)服務(wù)總價值為30.49 億元；到2000年降為30.32億元,減少1655萬元,主要是因為該段時間內(nèi)林地面積減少,自然保護(hù)區(qū)內(nèi)沿線道路建設(shè)等旅游開發(fā)[21]導(dǎo)致的井岡山生態(tài)用地生態(tài)服務(wù)價值的減少；2015年降為30.16億元,共減少3267萬元,主要是由于林地和水域面積減少所致。

表6 井岡山市生態(tài)用地生態(tài)服務(wù)價值轉(zhuǎn)移結(jié)果

從各分項生態(tài)用地生態(tài)服務(wù)功能價值方面來看,1990—2015年分項生態(tài)用地生態(tài)服務(wù)價值貢獻(xiàn)比例最大的為土壤形成與保護(hù),其次為氣體調(diào)節(jié)、生物多樣性保護(hù)和水源涵養(yǎng),且四個分項服務(wù)功能占總生態(tài)用地生態(tài)服務(wù)總價值的比例波動較小,占服務(wù)總價值比例在63.36% 和63.37%之間(表7)。井岡山市森林面積大,林地所占比例高,而土壤形成是林地生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)功能的基礎(chǔ),因此土壤形成與保護(hù)功能比重最大,同時森林具有天然的涵養(yǎng)水源功能；另外,井岡山市地處長江流域,屬于亞熱帶季風(fēng)氣候,雨量充沛,地貌類型多樣,獨特的自然地理條件為生物的多種性奠定了基礎(chǔ),因此井岡山市在維持生物多樣保護(hù)方面作用顯著,并具有江西省唯一的世界生物圈保護(hù)區(qū)—井岡山自然保護(hù)區(qū)。

表7 井岡山市生態(tài)用地單項生態(tài)服務(wù)價值及其變化

3.3 生態(tài)用地分布空間影響因素探測

圖3 井岡山市空間驅(qū)動要素水平分布Fig.3 Horizontal distribution of spatially-driven elements in Jinggangshan City

在參考以往學(xué)者的研究[45- 47],針對井岡山市的區(qū)域特點,凝練出生態(tài)用地及其空間分布的驅(qū)動因素。由于生態(tài)用地結(jié)構(gòu)變化的內(nèi)部性和外部性的綜合作用,在選擇生態(tài)用地影響因素時,考慮生態(tài)用地與人類社會經(jīng)濟(jì)發(fā)展的空間結(jié)構(gòu)博弈,交通通達(dá)度會影響人們的活動區(qū)域,進(jìn)而影響生態(tài)用地的范圍,交通的可達(dá)性會影響人們對生態(tài)用地的開發(fā)利用,城市道路布局會影響城市生態(tài)用地的格局分布,同時河流水源分布也會影響用地變化,生態(tài)用地的自然生長狀態(tài)通常與水源的位置關(guān)系密切。因此,根據(jù)空間地理區(qū)位關(guān)系,選取到主要公路距離和主要河流距離作為影響生態(tài)用地分布的空間場力；根據(jù)空間經(jīng)濟(jì)地理區(qū)位,選取距離縣城和附近鄉(xiāng)鎮(zhèn)的距離作為影響生態(tài)用地布局的空間驅(qū)動極?？紤]井岡山市的自然地理環(huán)境特征及林地生長的地理適宜性,選取區(qū)域地形地貌要素中的坡度坡向及地面高程作為影響生態(tài)用地空間分布的區(qū)域因素,構(gòu)建空間驅(qū)動因素的區(qū)-場-極的多體驅(qū)動體系,對生態(tài)用地格局演變機(jī)理進(jìn)行空間探測。

基于距離重置的算法對生態(tài)用地布局的“區(qū)-場-極”多體驅(qū)動因子?xùn)鸥窕刻幚?而后對2015年的生態(tài)用地布局柵格結(jié)構(gòu)二值化(0,1)處理,1代表生態(tài)用地柵格,0代表非生態(tài)用地柵格。根據(jù)經(jīng)典統(tǒng)計學(xué)要求,隨機(jī)抽取采樣點數(shù)據(jù)進(jìn)行Logistic回歸分析,考慮到尺度效應(yīng)對回歸精度的影響,分別對多體影響因子進(jìn)行1300 m, 1100 m, 1000 m, 900 m, 800 m,700 m, 600 m, 400 m, 300 m, 200 m, 100 m 等11種尺度轉(zhuǎn)換,并分別對各驅(qū)動因子Logistic 回歸,對精度進(jìn)行ROC 分析,最終選定的最佳尺度為200 m, ROC 值為0.702,模擬結(jié)果相對較優(yōu)。

生態(tài)用地空間分布出現(xiàn)概率與影響因子之間的Logistic 回歸模型如下：

(7)

生態(tài)聚落的形成、發(fā)展及空間分布,是多個因素協(xié)調(diào)作用的結(jié)果。從由表8生態(tài)聚落空間分布的驅(qū)動系數(shù)可以看出：生態(tài)聚落的分布受河流(0.178)、地域中心地(0.121)、地形坡度(-0.109)等因素的影響較為顯著,河流分布、交通分布和城鎮(zhèn)的影響對生態(tài)用地的格局分布具有正向驅(qū)動作用,而地形對生態(tài)用地的綜合影響為負(fù),地形為生態(tài)植被提供了生存的空間,但又約束著生態(tài)聚落的蔓延,一方面是井岡山地區(qū)森林面積較廣,大部分位于山地區(qū),而在高程較大的山腰及山頂一帶,溫度降低,氣候條件逐漸變差,不適宜植被群落的生長,植被群落逐漸趨于低海拔分布的趨向。而且山區(qū)坡度較大,井岡山地區(qū)雨量充沛,常年坡地的水土流失,影響了坡地植被的生長。道路交通影響人們的活動范圍,道路越通達(dá),人們對于土地的開發(fā)利用程度越大,而且高等級的交通干道,在其輻射的一定范圍內(nèi)建設(shè)用地受到相應(yīng)的限制。鄉(xiāng)鎮(zhèn)地域中心性對周邊居民點的分布集聚性影響更大,在一定程度上有助于生態(tài)用地的形成。充分的河流水利條件有利于周圍生態(tài)植被的生長,促進(jìn)生態(tài)用地的生態(tài)效益的提升。

3.4 生態(tài)用地變化量的時間驅(qū)動因素探測

自然環(huán)境要素和社會經(jīng)濟(jì)要素對生態(tài)用地及其空間分布產(chǎn)生重要影響。自然環(huán)境要素包括地形、氣候、土壤等方面,而氣候要素在時間尺度上對井岡山市的植被生態(tài)群落變化驅(qū)動更為顯著,從而影響生態(tài)用地的覆被變化及面積增減,本文選取日照、降水和氣溫三項指標(biāo)作為氣候環(huán)境的驅(qū)動因素。社會經(jīng)濟(jì)要素根據(jù)井岡山市的區(qū)域特點,遵循人-地-業(yè)耦合的學(xué)理判斷原則,從人口變化和經(jīng)濟(jì)產(chǎn)業(yè)結(jié)構(gòu)方面選取人口自然增長率、城鎮(zhèn)化率、GDP變化率、第一產(chǎn)業(yè)結(jié)構(gòu)和第二產(chǎn)業(yè)結(jié)構(gòu)等5個指標(biāo)作為影響生態(tài)用地變化的社會經(jīng)濟(jì)要素變量。對每一項指標(biāo)變量進(jìn)行自然分級聚類,借助地理探測器分別探測出各驅(qū)動因素對井岡山市生態(tài)用地變化的決定力P值。

依據(jù)模型探測結(jié)果(表9),①井岡山市人口增長對生態(tài)用地的變化驅(qū)動因素較大,地理探測P值為0.52。人口自然增長包括城市人口的自然增長和農(nóng)村人口的自然增長,根據(jù)進(jìn)一步探測結(jié)果顯示,城鎮(zhèn)化對生態(tài)用地變化的決定力地理探測結(jié)果為0.23,遠(yuǎn)小于總?cè)丝谧兓瘜ι鷳B(tài)用地的影響,城市非農(nóng)人口的增加對生態(tài)用地減少的影響較小,一方面說明城市人口的增加,帶來了城市建設(shè)用地的擴(kuò)張,助推了城鎮(zhèn)化進(jìn)程,但城市地區(qū)土地利用的節(jié)約化一定程度上對于生態(tài)用地的占用要小于農(nóng)村地區(qū),另一方面,城市地區(qū)人們生活水平較高,對于生態(tài)用地的景觀功能需求更高,因此對保持生態(tài)用地的穩(wěn)定性意識更強(qiáng),而農(nóng)村人口增長,助推了農(nóng)村地區(qū)的建房熱潮,農(nóng)村居民點面積擴(kuò)張,吞并了村莊周圍大面積的林地,以及長期以來農(nóng)村地區(qū)“建新不拆舊”現(xiàn)象,農(nóng)村人口增長對生態(tài)用地的減少決定力最強(qiáng)。②經(jīng)濟(jì)產(chǎn)業(yè)結(jié)構(gòu)對生態(tài)用地的變化具有一定的影響力。突出表現(xiàn)為一產(chǎn)結(jié)構(gòu)變率,其解釋力大于二產(chǎn)結(jié)構(gòu)變率,一產(chǎn)結(jié)構(gòu)反映了當(dāng)?shù)氐霓r(nóng)業(yè)生產(chǎn)比重變化,井岡山市逐漸由一個農(nóng)業(yè)主導(dǎo)的城市過度到以非農(nóng)業(yè)發(fā)展的城市,非農(nóng)經(jīng)濟(jì)比重提高,印證了井岡山地區(qū)人口生計轉(zhuǎn)型的過程,農(nóng)民進(jìn)城務(wù)工,從事二三產(chǎn)業(yè),收入提高,回村建房能力提高,同時部分農(nóng)民又在城市買房,城鄉(xiāng)“兩居”、城鄉(xiāng)“雙漂”,而且井岡山市存在大面積的森林,建設(shè)用地的監(jiān)測難度大,驅(qū)動著農(nóng)村零星建設(shè)用地的隱形增長,對生態(tài)用地的減少的驅(qū)動力持續(xù)增強(qiáng)。由探測變化可知,井岡山市二產(chǎn)結(jié)構(gòu)比率先減小后增大,二產(chǎn)持續(xù)增長帶來了經(jīng)濟(jì)的高速發(fā)展,工業(yè)廠房的擴(kuò)建,對生態(tài)用地的減少具有直接的顯性效應(yīng)。③ 氣候環(huán)境條件對生態(tài)用地的變化驅(qū)動因素影響小于社會經(jīng)濟(jì)因素,一方面井岡山地區(qū)尺度較小,區(qū)域差異變化不大,在研究期內(nèi)氣候環(huán)境變化相對穩(wěn)定,從探測結(jié)果來看,年均降水在氣候條件中的決定力最強(qiáng),雖然井岡山市地處長江中游地區(qū),屬亞熱帶季風(fēng)氣候區(qū),水量充沛,但水分仍然是生態(tài)用地變化的決定性氣候因素。另一方面,井岡山市海拔較高,多山地,植被覆蓋度大,保留有眾多人跡未至的大片原始森林,自我調(diào)節(jié)能力強(qiáng),具有較強(qiáng)的森林生態(tài)自我調(diào)節(jié)能力,受自然氣候的變化決定力較弱。

表9 井岡山市生態(tài)用地變化時間驅(qū)動因素探測結(jié)果

綜上,社會經(jīng)濟(jì)因素對井岡山市生態(tài)用地演變的決定力大于氣候環(huán)境因素。人口變化和產(chǎn)業(yè)經(jīng)濟(jì)結(jié)構(gòu)是其重要的決定力,在時間尺度上影響著生態(tài)用地的格局變化。井岡山市城鎮(zhèn)化進(jìn)程的推動,在產(chǎn)業(yè)結(jié)構(gòu)上發(fā)生了重大變化,農(nóng)村居民點及市區(qū)建成區(qū)面積的擴(kuò)大,一定程度上壓縮了生態(tài)用地空間。但隨著產(chǎn)業(yè)結(jié)構(gòu)的升級,土地利用效率的不斷提升,以及對自然保護(hù)區(qū)建設(shè)的加大,生態(tài)用地面積得到有效的控制,根據(jù)相關(guān)資料[48- 49]井岡山多雨天數(shù)呈逐年上升趨勢,氣候的決定力在未來井岡山生態(tài)用地演變進(jìn)程中的決定力會進(jìn)一步加強(qiáng)。

4 結(jié)論與討論

4.1 結(jié)論

本文以羅霄山區(qū)井岡山市為例,利用土地利用空間分析模型、Meta分析、Logistic回歸和地理探測器等方法對井岡山的生態(tài)用地變化空間和時間演化過程進(jìn)行了驅(qū)動因素探測,并對生態(tài)用地的生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)功能變化進(jìn)行了分析,識別出生態(tài)用地中較為活躍的地類。

(1)1990—2015年,井岡山生態(tài)用地變化顯著,呈不斷減少趨勢,其中近城區(qū)表現(xiàn)最明顯,生態(tài)用地轉(zhuǎn)移的主要對象為建設(shè)用地。1990—2000年間,井岡山生態(tài)用地的總體轉(zhuǎn)移速率遠(yuǎn)遠(yuǎn)大于2000—2015年間的轉(zhuǎn)移速率；林地的轉(zhuǎn)移面積及占比最大,轉(zhuǎn)移部分大于新增部分,屬于生態(tài)用地減少型地類,而草地和水域?qū)儆谏鷳B(tài)增加型用地,且轉(zhuǎn)移速率較大,是井岡山市較“活躍”的生態(tài)用地類型。

(2)基于Meta 分析方法收集相關(guān)文獻(xiàn),并選取影響生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)價值的相關(guān)變量,建立了專門針對長江中下游流域山區(qū)生態(tài)用地的價值轉(zhuǎn)移模型,反映出不同變量對生態(tài)用地生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)價值的影響,價值轉(zhuǎn)移誤差結(jié)果表明了價值轉(zhuǎn)移模型的有效性,進(jìn)一步根據(jù)價值轉(zhuǎn)移回歸方程,計算井岡山市的生態(tài)服務(wù)轉(zhuǎn)移價值及其變化趨勢。

(3)利用Logistic回歸分析方法診斷出生態(tài)用地演變的驅(qū)動因子,到主要河流距離(0.178)、到城鎮(zhèn)中心地距離(0.121)和地形坡度(-0.109)是影響生態(tài)用地變化的空間主導(dǎo)驅(qū)動因子；通過地理探測器探測,社會經(jīng)濟(jì)因素對井岡山市生態(tài)用地演變的決定力大于氣候環(huán)境因素,其中人口增長、一產(chǎn)結(jié)構(gòu)、二產(chǎn)結(jié)構(gòu)和GDP增長是影響生態(tài)用地變化的時間主導(dǎo)驅(qū)動因子。

4.2 討論

本文從LUCC、Meta-analysis、Logistic及Geo-detector 等多角度對井岡山市的生態(tài)用地進(jìn)行分析,比較全面的理清了井岡山市1990—2015年生態(tài)用地的變化過程。井岡山市是羅霄山區(qū)的典型代表,準(zhǔn)確把握井岡山市的生態(tài)用地變化特征及其驅(qū)動機(jī)理,推進(jìn)山區(qū)生態(tài)系統(tǒng)優(yōu)化。已有研究通過制圖及時空演變分析,進(jìn)行了區(qū)域生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)價值估算并研究其對土地利用變化的響應(yīng),得出具有較高價值系數(shù)的LUCC面積減少是導(dǎo)致區(qū)域生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)減少的主要原因[50]。也有研究認(rèn)為城市化進(jìn)程中生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)價值損失的主要原因是森林、水體和濕地面積的大量減少[51]。然而,大多研究僅將LUCC作為生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)功能變化的自變量,由于空間與社會經(jīng)濟(jì)等時間因素均對生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)產(chǎn)生影響,并且驅(qū)動因素之間可能存在錯綜復(fù)雜的聯(lián)系[52],因此通過時間和空間驅(qū)動因素研究生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)對于土地利用變化的響應(yīng)及其演變規(guī)律具有重要的科學(xué)意義。

將Logistic回歸模型和地理探測器分別引入生態(tài)用地變化的時空演變機(jī)理研究,有效克服了單一模型在處理土地利用變化過程時間變量和空間異質(zhì)性的相互影響。并考慮了生態(tài)用地轉(zhuǎn)移與新增這一對方向相逆的變化過程,從而反映區(qū)域生態(tài)用地類型轉(zhuǎn)換的活躍程度,較為精確的反映了井岡山市生態(tài)用地的變化方向。在研究生態(tài)用地變化時間驅(qū)動因素時,由于數(shù)據(jù)的可獲取性,僅從氣候變化和社會經(jīng)濟(jì)兩方面選取指標(biāo),未充分考慮政策法規(guī)等的影響,且在氣候變化的降水指標(biāo)選取中,沒有考慮極端降水年份對生態(tài)植被的影響,可能弱化了氣候的決定力,后期研究在條件允許的情況下,這一因素也應(yīng)被考慮,進(jìn)一步提高探測的精準(zhǔn)性。

山區(qū)生態(tài)用地變化及其資源環(huán)境效應(yīng)是山區(qū)地域人地關(guān)系變化的反映,山區(qū)生態(tài)用地變化過程研究及影響因素探測,可為山區(qū)鄉(xiāng)村振興提供理論參考。當(dāng)前,國家提出鄉(xiāng)村振興戰(zhàn)略,生態(tài)建設(shè)及生態(tài)振興是其重要方面,而建設(shè)生態(tài)宜居則是生態(tài)文明建設(shè)的首要任務(wù),其關(guān)鍵在于農(nóng)村景觀和人居環(huán)境改善、發(fā)展綠色生態(tài)新產(chǎn)業(yè)和新業(yè)態(tài)[53]。中國地域遼闊,類型多樣,自然地理分異明顯,山區(qū)作為大的地貌類型單元,據(jù)統(tǒng)計,丘陵山區(qū)約占我國國土面積的7/10,遼闊的地域居住著全國近一半的人口,是農(nóng)業(yè)人口的聚集地,也是鄉(xiāng)村振興應(yīng)該重點關(guān)注的區(qū)域,關(guān)系到整個鄉(xiāng)村振興的大格局。山區(qū)鄉(xiāng)村自然資源條件好,但生態(tài)脆弱,地形起伏較大,鄉(xiāng)村聚落優(yōu)化及土地整治工程實施均無法與城市近郊區(qū)以及平原農(nóng)區(qū)相比[54],且利用難度大。其次,山區(qū)由于其獨特的區(qū)位與地形條件,多為我國貧困帶較集中的區(qū)域,山區(qū)精準(zhǔn)扶貧與精準(zhǔn)脫貧要結(jié)合山區(qū)實際情況,立足于貧困地域特征[55- 56],探索生態(tài)旅游扶貧新模式,助推山區(qū)“鄉(xiāng)村振興”；另一方面,在鄉(xiāng)村振興的大背景下,山區(qū)鄉(xiāng)村振興應(yīng)順應(yīng)山區(qū)鄉(xiāng)村經(jīng)濟(jì)-社會-環(huán)境發(fā)展規(guī)律,根據(jù)因素探測結(jié)果,山區(qū)鄉(xiāng)村人口和鄉(xiāng)村產(chǎn)業(yè)對生態(tài)用地變化影響明顯,鄉(xiāng)村人口密集、產(chǎn)業(yè)發(fā)展區(qū)生態(tài)用地服務(wù)價值降低,生態(tài)用地減少,因此山區(qū)發(fā)展在以人口-產(chǎn)業(yè)-土地相協(xié)調(diào)之下,應(yīng)給予山區(qū)鄉(xiāng)村振興更多的生態(tài)考量,摒棄開發(fā)帶來的生態(tài)破壞,使山區(qū)土地生態(tài)安全屏障功能充分發(fā)揮,并將生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)價值提升作為山區(qū)鄉(xiāng)村振興的重要標(biāo)準(zhǔn),山區(qū)多是經(jīng)濟(jì)發(fā)展的落后區(qū),更是生態(tài)環(huán)境的脆弱區(qū),探索山區(qū)生態(tài)宜居的鄉(xiāng)村振興模式,利用山區(qū)地域資源優(yōu)勢,強(qiáng)化三產(chǎn)融合,以生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)價值目標(biāo)導(dǎo)向,實現(xiàn)農(nóng)民生計和生態(tài)安全的協(xié)同優(yōu)化,推進(jìn)山區(qū)“鄉(xiāng)村振興”。