山區(qū)縣域“生產(chǎn)-生活-生態(tài)”空間格局演化及其生態(tài)環(huán)境效應(yīng)
——以豫西登封市為例

賈 琦

(鄭州輕工業(yè)大學(xué) 藝術(shù)設(shè)計(jì)學(xué)院，鄭州 450002)

生態(tài)環(huán)境惡化現(xiàn)已成為全球公認(rèn)的世界性難題之一。氣候變暖、洪澇災(zāi)害、水土流失加劇、生物多樣性減少等世界性難題嚴(yán)重影響著人居環(huán)境與生態(tài)文明可持續(xù)發(fā)展，全球生態(tài)環(huán)境變化逐漸成為關(guān)注熱點(diǎn)[1-2]。自20世紀(jì)90年代以來(lái)，我國(guó)的快速城鎮(zhèn)化進(jìn)程一方面促進(jìn)了社會(huì)經(jīng)濟(jì)得以迅速發(fā)展，另一方面導(dǎo)致土地利用發(fā)生了巨大變化，并由此引發(fā)了一系列生態(tài)環(huán)境問(wèn)題。土地利用演化作為生態(tài)系統(tǒng)平衡最主要的關(guān)鍵因素之一，也是影響世界生態(tài)環(huán)境的主因之一[3-5]。區(qū)域土地利用演化最主要的特征為土地利用類(lèi)型及其所主導(dǎo)功能的轉(zhuǎn)化，即土地利用中的生產(chǎn)、生活、生態(tài)(以下簡(jiǎn)稱(chēng)“三生”)三種類(lèi)型空間的相互轉(zhuǎn)移[6]。將有限的土地資源在生產(chǎn)、生活、生態(tài)三種主導(dǎo)功能之間進(jìn)行合理的空間配置，并與區(qū)域社會(huì)經(jīng)濟(jì)轉(zhuǎn)型發(fā)展有效結(jié)合，開(kāi)展區(qū)域國(guó)土空間規(guī)劃建設(shè)。早在2012年黨的十八大報(bào)告中就已明確指出“生產(chǎn)空間集約高效、生活空間宜居適度、生態(tài)空間山清水秀”的“三生”空間發(fā)展目標(biāo)[7]；至2017年十九大提出的控制好生態(tài)保護(hù)紅線、永久基本農(nóng)田、城鎮(zhèn)開(kāi)發(fā)邊界的三條控制線[8];再到2019年提出建立國(guó)土空間規(guī)劃體系。以上均體現(xiàn)出近年來(lái)我國(guó)對(duì)國(guó)土空間規(guī)劃與生態(tài)文明建設(shè)的重視，反映出土地利用方式從之前的以生產(chǎn)空間為主導(dǎo)，逐漸轉(zhuǎn)變?yōu)樯a(chǎn)、生活、生態(tài)空間相協(xié)調(diào)的“三生”融合發(fā)展模式。

深度探討區(qū)域“三生”空間演化引發(fā)的生態(tài)環(huán)境效應(yīng)及其規(guī)律，準(zhǔn)確把握其空間演化與分布差異特征和驅(qū)動(dòng)機(jī)理，是當(dāng)前生態(tài)文明建設(shè)的前提，也是開(kāi)展國(guó)土空間規(guī)劃建設(shè)的重要支撐。山區(qū)作為我國(guó)獨(dú)特的自然生態(tài)系統(tǒng)，其豐富的自然資源可產(chǎn)生大量的生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)價(jià)值，同時(shí)其相對(duì)較為脆弱的生態(tài)功能也更易受到人類(lèi)活動(dòng)開(kāi)發(fā)影響而出現(xiàn)生態(tài)系統(tǒng)失衡等現(xiàn)象[9]。我國(guó)山地資源眾多，當(dāng)前對(duì)于山地類(lèi)型的“三生”空間研究及其生態(tài)環(huán)境效應(yīng)研究成果相對(duì)匱乏，且研究深度有限。如焦露等[10]運(yùn)用土地利用轉(zhuǎn)移矩陣和生態(tài)環(huán)境質(zhì)量指數(shù)方法評(píng)估了貴州省生態(tài)環(huán)境質(zhì)量及其指數(shù)的空間分異特征；周宇洋等[6]采用洛倫茲曲線、基尼系數(shù)及轉(zhuǎn)型模型對(duì)喀斯特山區(qū)2009—2018年“三生”空間演化及其分布特征進(jìn)行綜合研究；郭椿陽(yáng)等[11]利用土地利用變化圖譜和生態(tài)價(jià)值熱點(diǎn)分析工具，在格網(wǎng)尺度上探究土地利用數(shù)量和空間變化對(duì)生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)價(jià)值的影響；陳萬(wàn)旭等[12]以豫西欒川縣為例，以謝高地等[13]制定的中國(guó)陸地生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)價(jià)值當(dāng)量表為基礎(chǔ)，估算了欒川縣14個(gè)鄉(xiāng)鎮(zhèn)土地利用變化對(duì)生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)價(jià)值的影響。因此，目前已有研究多從生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)價(jià)值視角探究土地利用變化對(duì)區(qū)域生態(tài)環(huán)境的影響，較少涉及“三生”空間視角，缺乏與國(guó)土空間規(guī)劃層面的相關(guān)性探討。此外，山區(qū)土地利用變化受自然條件、社會(huì)經(jīng)濟(jì)發(fā)展、規(guī)劃政策等諸多因素的影響，所以在空間分布上呈現(xiàn)出顯著的差異性特征，處于不同空間區(qū)位下的土地利用分布及其變化對(duì)區(qū)域生態(tài)環(huán)境的影響各有差異。基于格網(wǎng)單元尺度探索區(qū)域生態(tài)環(huán)境變化相較行政尺度下的分析方法更有說(shuō)服力，且操作性強(qiáng)，能夠較為精確地從微觀層面探討區(qū)域土地利用變化及其生態(tài)環(huán)境效應(yīng)，因而該方法被廣泛采用[14-16]。

豫西山區(qū)位于河南省西部，處于秦嶺山地向黃淮平原過(guò)渡地帶，地形復(fù)雜，區(qū)域社會(huì)經(jīng)濟(jì)發(fā)展相對(duì)落后，屬于欠發(fā)達(dá)地區(qū)，同時(shí)也是河南省生態(tài)環(huán)境相對(duì)脆弱的地區(qū)，未來(lái)在生態(tài)文明建設(shè)層面具有重要的戰(zhàn)略意義。因此，本研究選取山區(qū)受城鎮(zhèn)化進(jìn)程影響較為顯著的典型縣域登封市為例，基于1990—2019年4期的土地利用現(xiàn)狀遙感解譯數(shù)據(jù)，從“三生”空間格局演化視角出發(fā)，探討其用地類(lèi)型轉(zhuǎn)移對(duì)區(qū)域生態(tài)環(huán)境效應(yīng)的影響，以期為登封市乃至豫西山區(qū)的生態(tài)文明建設(shè)和國(guó)土空間規(guī)劃提供決策依據(jù)。

1 數(shù)據(jù)與方法

1.1 研究區(qū)概況

登封市(34.35°～34.15° N，112.49°～113.19° E)位于鄭州市西南部，豫西山區(qū)最東側(cè)，縣域人口72.7萬(wàn)人，2019年GDP高達(dá)703.03億元，位列豫西山區(qū)各縣域第一。地勢(shì)由南北向中間逐漸降低為丘陵河川，依地形大致可分為深山、淺山、丘陵和平地(圖1)。登封市全域面積約1 220 km2，近年來(lái)登封市社會(huì)經(jīng)濟(jì)高速發(fā)展，自2017年以來(lái)曾多次入選“綜合競(jìng)爭(zhēng)力全國(guó)百?gòu)?qiáng)縣(市)”和“中國(guó)百?gòu)?qiáng)縣”等榮譽(yù)。當(dāng)前，登封市土地利用現(xiàn)狀以林地生態(tài)空間和農(nóng)田生產(chǎn)空間為主，兩者合計(jì)所占比例高達(dá)60%，森林覆蓋率接近45%，上述良好的生態(tài)本底為登封市下一步的生態(tài)文明發(fā)展戰(zhàn)略和國(guó)土空間規(guī)劃建設(shè)奠定了堅(jiān)實(shí)基礎(chǔ)。自20世紀(jì)90年代以來(lái)，登封市城鎮(zhèn)化進(jìn)程明顯加快，用地結(jié)構(gòu)矛盾日益凸顯，縣域“三生”空間格局變化日益加劇，進(jìn)而深刻影響著區(qū)域生態(tài)系統(tǒng)平衡。

圖1 研究區(qū)區(qū)位Fig.1 Location of the study area

1.2 數(shù)據(jù)來(lái)源及處理

研究選取登封市1990、2000、2010和2019年4期的LandsatTM/ ETM和OLI遙感影像和2019年SPOT-5高分辨率衛(wèi)星影像(2.5 m)為數(shù)據(jù)源。首先，在一系列幾何校正、影像融合與裁切等數(shù)據(jù)預(yù)處理基礎(chǔ)之上，基于ENVI5.3軟件對(duì)其采用最大似然法的方法進(jìn)行監(jiān)督分類(lèi)，通過(guò)實(shí)地取樣法生成樣本區(qū)，在已有研究的基礎(chǔ)上[17-18]進(jìn)行土地利用分類(lèi)，在生產(chǎn)、生活、生態(tài)空間一級(jí)地類(lèi)的基礎(chǔ)上，將登封市土地利用類(lèi)型劃分為農(nóng)業(yè)生產(chǎn)用地、工礦生產(chǎn)用地、林地生態(tài)用地、牧草生態(tài)用地、水域生態(tài)用地、城鎮(zhèn)生活用地和鄉(xiāng)村生活用地等類(lèi)型；其次，基于2019年登封市SPOT-5影像，借助目視判讀方法進(jìn)一步校正2019年衛(wèi)星影像的土地利用解譯結(jié)果，后結(jié)合2019年監(jiān)督分類(lèi)與校正結(jié)果分別對(duì)1990、2000和2010年的遙感影像數(shù)據(jù)進(jìn)行解譯和提??；最后，基于GIS生成隨機(jī)點(diǎn)功能選取200個(gè)樣本點(diǎn)，得出各年份解譯數(shù)據(jù)精度為88.1%、91.9%和90.5%，數(shù)據(jù)精度完全滿(mǎn)足研究需要。

借鑒國(guó)土空間規(guī)劃體系中的“三生”空間分類(lèi)方案，在基于生產(chǎn)、生態(tài)與生活空間的土地利用類(lèi)型三分法的基礎(chǔ)上確定“三生”空間用地類(lèi)型的二級(jí)地類(lèi)，進(jìn)而建立“三生”空間土地利用功能分類(lèi)方案。當(dāng)前關(guān)于生態(tài)環(huán)境質(zhì)量的測(cè)算主要參考Costanza等[13]所測(cè)算的全球不同生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)功能價(jià)值，但由于在測(cè)算過(guò)程中諸如對(duì)耕地估值相對(duì)偏低，而對(duì)濕地等估值卻相對(duì)偏高，并且我國(guó)地形地貌較為復(fù)雜，各省份生態(tài)系統(tǒng)類(lèi)型差異顯著。因此，直接借用該方法與我國(guó)生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)功能實(shí)際狀況存在差別,故借鑒路昌等[3]、陳萬(wàn)旭等[4]所制定的各用地類(lèi)型的二級(jí)地類(lèi)生態(tài)環(huán)境質(zhì)量指數(shù)，通過(guò)面積加權(quán)法對(duì)登封市“三生”空間用地分類(lèi)的生態(tài)環(huán)境質(zhì)量指數(shù)進(jìn)行修正，最終構(gòu)建“三生”空間視角下登封市土地利用的生態(tài)環(huán)境質(zhì)量指數(shù)(表1)。

表1 “三生”空間主導(dǎo)功能地類(lèi)分類(lèi)級(jí)及其生態(tài)環(huán)境質(zhì)量指數(shù)Table 1 Classification of dominant functions of “production, life and ecology” space and its eco-environmental quality index

1.3 土地利用類(lèi)型轉(zhuǎn)移矩陣

特定區(qū)域在一定時(shí)期內(nèi)的土地利用演化特征的定量分析通常以土地利用轉(zhuǎn)移矩陣方法實(shí)現(xiàn)。它主要以特定兩個(gè)時(shí)期內(nèi)區(qū)域土地利用各類(lèi)型之間的變化面積情況以矩陣形式表現(xiàn)，能夠較好地體現(xiàn)區(qū)域土地利用轉(zhuǎn)型特征。其轉(zhuǎn)移矩陣的數(shù)學(xué)公式為[20]：

(1)

式中：Smn為研究區(qū)域的總面積，km2；m和n分別為研究期初與期末的土地利用類(lèi)型。

1.4 區(qū)域生態(tài)環(huán)境質(zhì)量分析

1.4.1單元生態(tài)環(huán)境質(zhì)量

由于地域空間分布規(guī)律存在較高的尺度依賴(lài)性特征，研究所選尺度的不同，則得出的結(jié)論差異甚遠(yuǎn)。因此，為獲得最適宜的研究尺度，參考周鈺等[20]、李政等[21]、唐秀美等[22]研究成果，并針對(duì)研究區(qū)域經(jīng)過(guò)多次調(diào)試，最后采用300 m×300 m的正方形對(duì)研究區(qū)進(jìn)行等間距采樣，生成近13 905個(gè)樣區(qū)。然后結(jié)合各格網(wǎng)單元內(nèi)“三生”空間具有的生態(tài)環(huán)境質(zhì)量指數(shù)及其面積比例，最終得出各生態(tài)單元內(nèi)生態(tài)環(huán)境質(zhì)量等級(jí)。

1.4.2生態(tài)貢獻(xiàn)率

區(qū)域“三生”空間用地類(lèi)型發(fā)生轉(zhuǎn)移引起的生態(tài)貢獻(xiàn)率變化是指某種土地用地類(lèi)型發(fā)生轉(zhuǎn)型的過(guò)程中引起的生態(tài)環(huán)境質(zhì)量的變化程度，它在一定程度上定量分析了各土地利用功能間的相互轉(zhuǎn)移對(duì)區(qū)域生態(tài)環(huán)境影響的特征，有利于識(shí)別出引起生態(tài)環(huán)境發(fā)生變化的主要影響因素。具體模型詳見(jiàn)文獻(xiàn)[23]。

研究從生態(tài)貢獻(xiàn)率的正反效應(yīng)分別展開(kāi)論述，通過(guò)計(jì)算導(dǎo)致生態(tài)環(huán)境質(zhì)量增加的用地轉(zhuǎn)型生態(tài)貢獻(xiàn)率與導(dǎo)致生態(tài)環(huán)境質(zhì)量降低的用地轉(zhuǎn)型生態(tài)貢獻(xiàn)率，進(jìn)而揭示其變化的主要因素。

1.4.3生態(tài)環(huán)境質(zhì)量重心分析

重心模型在探索空間要素演化軌跡方面具有獨(dú)特優(yōu)勢(shì)，可基于其重心位置偏離幾何中心的移動(dòng)方向和距離揭示出該要素在空間層面的變化特征。本研究基于榮慧芳等[24]、周玄德等[25]、周玲美等[26]關(guān)于生態(tài)環(huán)境質(zhì)量重心的研究成果，借鑒其生態(tài)環(huán)境重心模型，以期揭示區(qū)域生態(tài)環(huán)境重心的動(dòng)態(tài)演變特征。重心轉(zhuǎn)移距離可在一定程度上反映區(qū)域生態(tài)環(huán)境質(zhì)量的空間集聚和分散特征，轉(zhuǎn)移距離越大，波動(dòng)轉(zhuǎn)化越顯著，計(jì)算公式如下[4]：

(2)

式中：X和Y為各用地類(lèi)型空間分布重心的地理坐標(biāo)；Wi為第i個(gè)用地類(lèi)型斑塊的面積；Xi和Yi分別為第i個(gè)土地利用斑塊的幾何重心經(jīng)緯度坐標(biāo)；n為該年份各類(lèi)土地利用類(lèi)型斑塊的總數(shù)量。

1.4.4生態(tài)環(huán)境質(zhì)量自相關(guān)分析

1)全局自相關(guān)分析(Global Moran’s I)

該指數(shù)側(cè)重反映不同格網(wǎng)內(nèi)生態(tài)環(huán)境質(zhì)量的集聚特征，即自相關(guān)性。其變化范圍為[-1,1]，若Moran’s I>0，則表示空間呈正相關(guān)關(guān)系，相似特征明顯；相反，若Moran’s I<0，則表示空間呈負(fù)相關(guān)關(guān)系，且越接近-1表示分布越分散；若Moran’s I=0，則表示沒(méi)有相關(guān)性，呈隨機(jī)性分布。計(jì)算公式如下[25]：

(3)

另外，還可用標(biāo)準(zhǔn)化統(tǒng)計(jì)值ZI評(píng)估空間自相關(guān)性的顯著性，上述Moran’s I指數(shù)和ZI值均可通過(guò)GIS中的空間自相關(guān)工具進(jìn)行分析，ZI在-1.65～1.65則表示空間分布不規(guī)律，值越高則表明空間集聚性越強(qiáng)，反之表明分散化趨勢(shì)加劇。

2)高低值聚類(lèi)分析(Getis-Ord General G)

該指數(shù)可評(píng)估格網(wǎng)單元之間是否存在高值或者低值的集聚狀態(tài)。計(jì)算方法如下[27]：

(4)

式中：G為高低值集聚程度，其他字母含義均與式(3)一致。其中G范圍0～1，值越高表示高值呈集聚特征，反之表示低值集聚。通過(guò)G值與其理論期望值EG及ZG顯著性水平分析，可有效評(píng)估局部生態(tài)環(huán)境質(zhì)量演化過(guò)程中的集聚類(lèi)型。

2 結(jié)果與分析

2.1 “三生”空間演化格局

1990—2019年，登封市“三生”空間用地以農(nóng)業(yè)生產(chǎn)用地與林地生態(tài)用地為主，鄉(xiāng)村生活用地次之，其他土地利用類(lèi)型面積較小，均在100 km2以下(表2)。從空間分布來(lái)看(圖2)，農(nóng)業(yè)生產(chǎn)用地與鄉(xiāng)村生活用地分布相對(duì)集聚，多集中分布在縣域中部地勢(shì)相對(duì)平緩地區(qū)；林地生態(tài)用地則多位于縣域南北兩側(cè)的大熊山、白葉山以及嵩山風(fēng)景區(qū)一帶。其中牧草生態(tài)用地集中分布在縣域北側(cè)嵩山沿線周邊，工礦生產(chǎn)用地涉及的礦山企業(yè)則多分布在東南部淺山丘陵區(qū)，登封市水域生態(tài)用地分布相對(duì)較為集中，主要包括東南側(cè)的白沙湖水庫(kù)和穿境而過(guò)的潁河，城鎮(zhèn)生活用地集中在登封市區(qū)和陽(yáng)城工業(yè)園區(qū)。1990—2019年，登封市“三生”空間用地格局發(fā)生了較大變化。由表2可知：農(nóng)業(yè)生產(chǎn)用地、林地生態(tài)用地和牧草生態(tài)用地面積整體呈現(xiàn)出持續(xù)減少趨勢(shì)，研究期內(nèi)分別減少19.85、2.87和1.28 km2；而城鎮(zhèn)生活用地、鄉(xiāng)村生活用地和工礦生產(chǎn)用地則增幅明顯，分別增加14.94、5.77和3.72 km2，其中城鎮(zhèn)生活用地增幅最高，共計(jì)增長(zhǎng)了109.96%。表明隨著登封市工業(yè)化和城鎮(zhèn)化進(jìn)程持續(xù)推進(jìn)，近年來(lái)城鎮(zhèn)、鄉(xiāng)村生活用地及工礦生產(chǎn)用地需求急劇增加，土地供需矛盾日益加劇，農(nóng)業(yè)生產(chǎn)用地、林地及牧草生態(tài)用地不斷遭受侵占。

表2 登封市不同年份“三生”用地面積變化Table 2 Change statistics of “production, living and ecological”land use area in Dengfeng City in different years km2

圖2 登封市不同年份“三生”用地分布圖Fig.2 Distribution of “production, living and ecological” land in Dengfeng City in different years

2.2 “三生空間”用地轉(zhuǎn)型特征

基于圖2的期初和期末的登封市“三生空間”用地分類(lèi)圖，利用ArcGIS的空間分析功能和EXCEl數(shù)據(jù)透視表功能將2個(gè)時(shí)期“三生”空間土地利用進(jìn)行交叉分析，進(jìn)而得出“三生空間”土地利用轉(zhuǎn)移量化特征(表3)。由表3可見(jiàn)城鎮(zhèn)和鄉(xiāng)村生活用地面積呈現(xiàn)持續(xù)擴(kuò)張的趨勢(shì)，農(nóng)業(yè)生產(chǎn)用地、林地與牧草生態(tài)用地面積呈現(xiàn)持續(xù)減少的趨勢(shì)：受快速城鎮(zhèn)化和工業(yè)化進(jìn)程影響，農(nóng)業(yè)生產(chǎn)用地轉(zhuǎn)移比例較高類(lèi)型集中在城鎮(zhèn)、鄉(xiāng)村生活用地和工礦生產(chǎn)用地，轉(zhuǎn)移面積分別為14.154、5.992和3.111 km2；與此同時(shí)，由于區(qū)域人口持續(xù)增加，林地生態(tài)用地不斷被侵占并轉(zhuǎn)化為農(nóng)業(yè)生產(chǎn)用地，轉(zhuǎn)化面積為3.267 km2；此外，受區(qū)域生態(tài)環(huán)境治理等政策影響，約1.453 km2牧草生態(tài)用地面積轉(zhuǎn)移為林地生態(tài)用地。

表3 1990—2019年登封市“三生”空間土地利用轉(zhuǎn)移矩陣Table 3 Land use transfer matrix of “production, life and ecology” in Dengfeng City from 1990 to 2019 km2

2.3 “三生”空間演化的生態(tài)環(huán)境響應(yīng)

1)生態(tài)環(huán)境質(zhì)量演化特征

本研究進(jìn)一步引用朱增云等[27]基于自然斷裂法的劃分方法對(duì)區(qū)域生態(tài)環(huán)境質(zhì)量由低到高分為低質(zhì)量區(qū)、較低質(zhì)量區(qū)、中質(zhì)量區(qū)、較高質(zhì)量區(qū)和高質(zhì)量區(qū)5種等級(jí)，最終得到生態(tài)環(huán)境質(zhì)量等級(jí)分布圖(圖3)，并結(jié)合其圖層屬性表統(tǒng)計(jì)得出登封市各時(shí)段內(nèi)生態(tài)環(huán)境質(zhì)量等級(jí)面積及比例(表4)。

由圖3可知1990—2019年，登封市生態(tài)環(huán)境質(zhì)量整體呈現(xiàn)出“南北高中間低”的空間格局，研究期間整體空間格局變化相對(duì)較為集中。從分布上看，高等級(jí)與較高生態(tài)質(zhì)量區(qū)主要位于北側(cè)的嵩山一帶以及南側(cè)大熊山等丘陵區(qū)，其功能類(lèi)型主要以林地與牧草生態(tài)用地為主，同時(shí)在地形上位于高海拔區(qū)域，從而避免了城鎮(zhèn)化與工業(yè)化擴(kuò)張的影響，使得該片區(qū)生態(tài)環(huán)境等級(jí)最高。中質(zhì)量區(qū)呈點(diǎn)狀分布在白沙湖水庫(kù)及其周邊區(qū)域，而較低質(zhì)量區(qū)則分布相對(duì)廣泛，其用地功能多以農(nóng)業(yè)生產(chǎn)用地為主；從演化上看，低質(zhì)量區(qū)在1990年僅零星分布在登封市區(qū)及東部鄉(xiāng)鎮(zhèn)，之后不斷集聚形成多中心面狀蔓延與擴(kuò)張趨勢(shì)，尤其位于登封主城區(qū)所在范圍的低質(zhì)量區(qū)外延趨勢(shì)明顯，同時(shí)在東南側(cè)的陽(yáng)城工業(yè)區(qū)一帶集中連片趨勢(shì)日益加劇，這與城鎮(zhèn)化發(fā)展和工業(yè)園區(qū)擴(kuò)張的區(qū)域范圍以及楊飛等[28]針對(duì)登封市土壤環(huán)境功能區(qū)劃中所劃定的高風(fēng)險(xiǎn)生態(tài)安全區(qū)域維持一致。

圖3 登封市不同年份生態(tài)環(huán)境質(zhì)量等級(jí)分布圖Fig.3 Distribution of ecological environment quality grade in Dengfeng City in different years

由表4可見(jiàn)登封市整體生態(tài)環(huán)境質(zhì)量變化幅度不高，呈現(xiàn)出小幅惡化的趨勢(shì)。1990—2019年，較低質(zhì)量區(qū)面積始終維持在52%左右，構(gòu)成了登封市生態(tài)環(huán)境質(zhì)量的主體。另外，等級(jí)在較高質(zhì)量區(qū)和高質(zhì)量區(qū)的面積比例也相對(duì)較為穩(wěn)定，兩者所占比例分別處于4.8%和18.1%左右，但低質(zhì)量區(qū)面積呈現(xiàn)出持續(xù)擴(kuò)張的趨勢(shì)，1990年低質(zhì)量區(qū)面積為228.96 km2，所占比例約18.3%，至2019年增至256.41 km2，所占比例高達(dá)20.49%。

表4 登封市不同年份生態(tài)環(huán)境質(zhì)量等級(jí)及面積Table 4 Statistics of ecological environment quality grade and area in Dengfeng City in different years

2)影響生態(tài)環(huán)境質(zhì)量的主要用地轉(zhuǎn)型

登封市1990—2019年導(dǎo)致生態(tài)環(huán)境改善和退化的主要用地轉(zhuǎn)型的指數(shù)變化和貢獻(xiàn)率統(tǒng)計(jì)結(jié)果見(jiàn)表5，基于GIS柵格計(jì)算器功能對(duì)研究期初與期末主要用地類(lèi)型進(jìn)行疊置分析，進(jìn)而統(tǒng)計(jì)得出“三生”用地轉(zhuǎn)型及其貢獻(xiàn)率。由表5可知登封市1990—2019年同時(shí)存在著生態(tài)改善和惡化2種趨勢(shì)，其中導(dǎo)致生態(tài)環(huán)境惡化的趨勢(shì)遠(yuǎn)高于生態(tài)環(huán)境改善的趨勢(shì)。一方面生態(tài)環(huán)境質(zhì)量改善的主導(dǎo)因素是由于農(nóng)業(yè)生產(chǎn)用地轉(zhuǎn)化為水域生態(tài)用地和牧草生態(tài)用地轉(zhuǎn)化為林地生態(tài)用地，水域生態(tài)用地和林地生態(tài)用地指數(shù)分別增加了0.438和0.128；此外，鄉(xiāng)村生活用地→農(nóng)業(yè)生產(chǎn)用地和水域生態(tài)用地→林地生態(tài)用地的指數(shù)也出現(xiàn)了小幅增加，其中貢獻(xiàn)率最高的為鄉(xiāng)村生活用地向農(nóng)業(yè)生產(chǎn)用地的轉(zhuǎn)化，貢獻(xiàn)率高達(dá)13.8%；另一方面，生態(tài)環(huán)境質(zhì)量惡化的主導(dǎo)因素是農(nóng)業(yè)生產(chǎn)用地轉(zhuǎn)化為城鎮(zhèn)和鄉(xiāng)村生活用地，以及林地生態(tài)用地轉(zhuǎn)化為農(nóng)業(yè)生產(chǎn)用地。研究期段內(nèi)農(nóng)業(yè)生產(chǎn)用地和林地生態(tài)用地分別減少了5.661(轉(zhuǎn)向城鎮(zhèn)生活用地指數(shù)變化為3.977、轉(zhuǎn)向鄉(xiāng)村生活用地指數(shù)變化為1.684)和1.892，兩者貢獻(xiàn)率高達(dá)64.64%。上述用地轉(zhuǎn)型與《登封市城市總體規(guī)劃(2001—2020年)》和《登封市城鄉(xiāng)總體規(guī)劃(2016—2030)》中對(duì)應(yīng)的各時(shí)期市域土地利用轉(zhuǎn)化保持一致。

表5 1990—2019年導(dǎo)致生態(tài)環(huán)境質(zhì)量變化的“三生”用地轉(zhuǎn)型及其貢獻(xiàn)率Table 5 Transformation of “production, living and ecological” land use and its contribution rate in 1990-2019

3)1990—2019年縣域生態(tài)環(huán)境質(zhì)量重心軌跡

登封市1990—2019年生態(tài)環(huán)境質(zhì)量重心軌跡見(jiàn)圖4，利用ArcGIS10.5軟件的“空間格局統(tǒng)計(jì)”工具，根據(jù)式(2)并結(jié)合插值后的生態(tài)單元環(huán)境質(zhì)量計(jì)算登封市生態(tài)環(huán)境質(zhì)量重心轉(zhuǎn)移軌跡(圖4)，并深入分析生態(tài)環(huán)境質(zhì)量演變的空間特征。

圖4 登封市不同年份生態(tài)環(huán)境質(zhì)量重心軌跡圖Fig.4 Track map of ecological environment quality center of Dengfeng City in different years

1990—2019年，登封市生態(tài)環(huán)境質(zhì)量重心主要分布在登封市主城區(qū)南部的東金店鄉(xiāng)，并有向西北方向持續(xù)轉(zhuǎn)移的趨勢(shì)。其中1990—2000年向西北方向遷移了152 m，其他年份遷移距離則均在100 m以下。由此表明，該時(shí)段內(nèi)重心點(diǎn)西北方向的嵩山一帶生態(tài)環(huán)境質(zhì)量有明顯的改善，而處于東南方向的生態(tài)環(huán)境質(zhì)量出現(xiàn)一定程度的惡化。2000年以后該趨勢(shì)雖然仍在繼續(xù)，但強(qiáng)度明顯減緩。結(jié)合縣域“三生”空間用地變化來(lái)看，該重點(diǎn)軌跡主要位于登封市區(qū)南側(cè)，同時(shí)也是城鎮(zhèn)擴(kuò)張的主要方向之一，大量城鎮(zhèn)生活用地增加以及縣域東南側(cè)陽(yáng)城工業(yè)園區(qū)的興建，使得該方向區(qū)域生態(tài)環(huán)境質(zhì)量持續(xù)惡化；縣域北側(cè)的嵩山片區(qū)林地資源分布廣泛，同時(shí)也是登封乃至河南省的重點(diǎn)生態(tài)旅游區(qū)，生態(tài)環(huán)境的持續(xù)優(yōu)化和保護(hù)利用得以進(jìn)一步提升該片區(qū)的生態(tài)環(huán)境質(zhì)量。

4)生態(tài)環(huán)境質(zhì)量的空間自相關(guān)格局演化

登封市1990—2019年生態(tài)環(huán)境質(zhì)量的空間自相關(guān)格局集聚演化結(jié)果見(jiàn)圖5，基于GeoDa軟件中的空間自相關(guān)模塊，對(duì)區(qū)域生態(tài)環(huán)境質(zhì)量格局進(jìn)行空間自相關(guān)分析，并生成LISA集聚圖(圖5)。

由圖5可見(jiàn)區(qū)域生態(tài)環(huán)境質(zhì)量具有較強(qiáng)的空間正相關(guān)性，其全局Moran指數(shù)分別為0.795、0.799、0.800和0.803，集聚程度呈現(xiàn)出逐年增強(qiáng)的趨勢(shì)?？臻g分布方面，“高-高”型生態(tài)環(huán)境質(zhì)量區(qū)主要集聚在北部嵩山和南部大熊山等山地丘陵區(qū)，該區(qū)生態(tài)本底整體較好，可定位為生態(tài)涵養(yǎng)區(qū)。“低-低”型聚集區(qū)多集中分布在登封市區(qū)及周邊和東側(cè)的大冶鎮(zhèn)—陽(yáng)城工業(yè)區(qū)形成的工業(yè)走廊沿線，該片區(qū)人口密集，生態(tài)環(huán)境質(zhì)量處于較低水平。此外，“高-低”和“低-高”型生態(tài)環(huán)境質(zhì)量區(qū)在分布上集聚效應(yīng)并不明顯?？臻g演化方面，“高-高”型空間聚集區(qū)在研究期段內(nèi)變化并不顯著，共計(jì)有20個(gè)格網(wǎng)單元出現(xiàn)了轉(zhuǎn)移，表明該片區(qū)近年來(lái)生態(tài)治理成效顯著，今后仍需繼續(xù)維持其生態(tài)涵養(yǎng)功能。“低-低”型空間聚集區(qū)則出現(xiàn)了一定程度的蔓延，不僅隨著城市擴(kuò)張影響蔓延加劇，同時(shí)呈點(diǎn)狀分布的“低-低”型集聚區(qū)正在逐漸蔓延成片，其中尤以陽(yáng)城工業(yè)園區(qū)一帶最為突出。因此，未來(lái)應(yīng)重點(diǎn)加強(qiáng)該片區(qū)的生態(tài)治理，劃定并嚴(yán)守生態(tài)底線，通過(guò)生態(tài)修復(fù)手段以期實(shí)現(xiàn)區(qū)域高質(zhì)量發(fā)展。

圖5 不同年份基于格網(wǎng)單元的生態(tài)環(huán)境質(zhì)量LISA集聚演化示意圖Fig.5 Evolution of Lisa cluster of eco-environmental quality based on grid unit in different years

3 討 論

由于生態(tài)環(huán)境質(zhì)量的測(cè)算涉及因素較為復(fù)雜，各用地類(lèi)型的生態(tài)環(huán)境質(zhì)量指數(shù)雖可從宏觀層面評(píng)估區(qū)域生態(tài)環(huán)境水平，但不同地域生態(tài)資源分布差異較大，例如山區(qū)與平原、西北干旱區(qū)與東部濱海城市等，在評(píng)估各自的生態(tài)環(huán)境質(zhì)量時(shí)均應(yīng)因地而異。因此筆者針對(duì)登封市展開(kāi)實(shí)證研究過(guò)程中，關(guān)于生態(tài)環(huán)境質(zhì)量指數(shù)的制定雖參考了已有研究，但在指數(shù)確定上仍存在一定的誤差，會(huì)在一定程度上影響評(píng)估的精度。本研究涉及的生態(tài)環(huán)境質(zhì)量指數(shù)選定及其分析基于土地利用數(shù)據(jù)展開(kāi)分析，其結(jié)果也側(cè)重于土地利用格局演變引起的生態(tài)環(huán)境效應(yīng)變化，雖能從宏觀層面揭示區(qū)域生態(tài)環(huán)境變化規(guī)律，但如果在中微觀尺度開(kāi)展研究時(shí)，則需要在指數(shù)確定上考慮各土地利用類(lèi)型下的土地質(zhì)量?jī)?nèi)部差異，例如農(nóng)業(yè)生產(chǎn)用地中不同農(nóng)作物的種植將對(duì)其生態(tài)質(zhì)量產(chǎn)生一定程度的影響。此外，該研究評(píng)估的生態(tài)環(huán)境質(zhì)量所采用的“三生”空間用地分類(lèi)的精度仍以30 m分辨率為主，這在縣域尺度展開(kāi)國(guó)土空間規(guī)劃具有實(shí)踐意義，但未來(lái)在進(jìn)行片區(qū)生態(tài)系統(tǒng)評(píng)估及國(guó)土空間規(guī)劃時(shí)，可結(jié)合實(shí)際使用具有高分辨率的遙感衛(wèi)星影像以及無(wú)人機(jī)航拍數(shù)據(jù)獲取更高精度的“三生”空間用地?cái)?shù)據(jù)，以便更切實(shí)有效地開(kāi)展研究。同時(shí)，在后續(xù)研究中不僅可細(xì)化“三生”空間用地類(lèi)型，還可結(jié)合地域社會(huì)經(jīng)濟(jì)發(fā)展因子進(jìn)一步揭示影響生態(tài)環(huán)境質(zhì)量的驅(qū)動(dòng)機(jī)制。

4 結(jié) 論

本研究基于1990—2019年“三生”空間解譯數(shù)據(jù)，借助生態(tài)環(huán)境質(zhì)量指數(shù)測(cè)度方法、重心軌跡模型及空間自相關(guān)分析方法評(píng)估了登封市“三生”空間演化格局及其生態(tài)環(huán)境效應(yīng)，揭示其生態(tài)環(huán)境質(zhì)量的空間演變特征。研究結(jié)論如下：

1)登封市“三生”空間演化過(guò)程中，農(nóng)業(yè)生產(chǎn)用地、林地生態(tài)用地和牧草生態(tài)用地持續(xù)減少，而城鎮(zhèn)生活用地、鄉(xiāng)村生活用地和工礦生產(chǎn)用地則增幅明顯，其中城鎮(zhèn)生活用地增幅最高。城鎮(zhèn)、鄉(xiāng)村生活用地及工礦生產(chǎn)用地需求急劇增加，農(nóng)業(yè)生產(chǎn)用地、林地及牧草生態(tài)用地不斷遭受侵占，農(nóng)業(yè)生產(chǎn)用地轉(zhuǎn)移比例較高類(lèi)型集中在城鎮(zhèn)、鄉(xiāng)村生活用地和工礦生產(chǎn)用地。

2)研究期內(nèi)導(dǎo)致生態(tài)環(huán)境質(zhì)量改善的主導(dǎo)因素為農(nóng)業(yè)生產(chǎn)用地→水域生態(tài)用地和牧草生態(tài)用地→林地生態(tài)用地；導(dǎo)致惡化的因素主要以農(nóng)業(yè)生產(chǎn)用地→城鎮(zhèn)和鄉(xiāng)村生活用地、林地生態(tài)用地→農(nóng)業(yè)生產(chǎn)用地為主，三者的貢獻(xiàn)率高達(dá)64.64%，導(dǎo)致生態(tài)環(huán)境惡化的趨勢(shì)遠(yuǎn)高于改善趨勢(shì)。生態(tài)環(huán)境質(zhì)量重心主要分布在東金店鄉(xiāng)，并有向西北方向持續(xù)轉(zhuǎn)移的趨勢(shì)，2000年以后該趨勢(shì)雖仍在繼續(xù)，但強(qiáng)度明顯減緩。

3)縣域生態(tài)環(huán)境質(zhì)量具有較強(qiáng)的空間正相關(guān)性，并且其集聚程度呈現(xiàn)出逐年增強(qiáng)的趨勢(shì)，高等級(jí)生態(tài)環(huán)境質(zhì)量所在點(diǎn)與低生態(tài)環(huán)境質(zhì)量所在點(diǎn)均呈現(xiàn)出集聚特征。其中，“高-高”型生態(tài)環(huán)境質(zhì)量區(qū)主要集聚在北部嵩山和南部大熊山等山地丘陵區(qū)，“低-低”型聚集區(qū)多集中分布在登封市區(qū)及周邊和東側(cè)的大冶鎮(zhèn)—陽(yáng)城工業(yè)區(qū)形成的工業(yè)走廊沿線?！暗?低”型空間聚集區(qū)出現(xiàn)了一定程度的蔓延，尤以陽(yáng)城工業(yè)園區(qū)一帶最為突出。