河南省不同主體功能區(qū)城鎮(zhèn)擴(kuò)張及其對(duì)凈初級(jí)生產(chǎn)力的影響

楊永菊 ， 喬旭寧 ， 郭 靜 ， 馬 騰 ， 張合兵 ， 牛海鵬

(1.河南理工大學(xué) a.測(cè)繪與國(guó)土信息工程學(xué)院，b.黃河流域耕地保護(hù)與 城鄉(xiāng)高質(zhì)量發(fā)展研究中心，河南 焦作 454003； 2.華中師范大學(xué) 城市與環(huán)境科學(xué)學(xué)院，武漢 430079)

0 引言

當(dāng)前，快速城鎮(zhèn)化所引起的土地利用方式不合理改變導(dǎo)致生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)喪失，直接威脅到區(qū)域乃至國(guó)家的生態(tài)安全[1]。新型城鎮(zhèn)化成為破解我國(guó)新時(shí)代主要矛盾的重要抓手，重點(diǎn)是生態(tài)文明和可持續(xù)城鎮(zhèn)化[2-3]?；谏鷳B(tài)文明建設(shè)的總體要求，在實(shí)現(xiàn)城鎮(zhèn)擴(kuò)張的同時(shí)保持生態(tài)系統(tǒng)功能不下降，是解決我國(guó)當(dāng)前主要矛盾、實(shí)現(xiàn)中華民族永續(xù)發(fā)展的重大理論與實(shí)踐課題。

城鎮(zhèn)擴(kuò)張是一個(gè)涉及經(jīng)濟(jì)、人口、地域空間等諸多方面的復(fù)雜過(guò)程[4]。目前，常用的城鎮(zhèn)擴(kuò)張測(cè)算方法包括主要指標(biāo)法和復(fù)合指標(biāo)法，單一指標(biāo)的片面性、復(fù)合指標(biāo)的地域性以及統(tǒng)計(jì)數(shù)據(jù)的滯后性等因素使得計(jì)算指標(biāo)在適用性、可比性、實(shí)時(shí)性等方面存在不足[5]。因此，構(gòu)建能夠綜合反映城鎮(zhèn)空間擴(kuò)張?zhí)卣?、在快速獲取數(shù)據(jù)的同時(shí)具有較高可比性的城鎮(zhèn)擴(kuò)張指標(biāo)成為目前急需解決的問(wèn)題。遙感技術(shù)的快速發(fā)展為解決該問(wèn)題提供了技術(shù)支持，夜間燈光數(shù)據(jù)作為監(jiān)測(cè)人類活動(dòng)良好的數(shù)據(jù)源[6-7]已經(jīng)被國(guó)內(nèi)外學(xué)者廣泛運(yùn)用于城鎮(zhèn)化與城市擴(kuò)張研究[8-9]。城鎮(zhèn)化與生態(tài)建設(shè)關(guān)系密切[10]，城鎮(zhèn)擴(kuò)張顯著促進(jìn)了區(qū)域經(jīng)濟(jì)社會(huì)發(fā)展，同時(shí)對(duì)區(qū)域生態(tài)系統(tǒng)的健康也構(gòu)成嚴(yán)重威脅[11]。城鎮(zhèn)用地?cái)U(kuò)張對(duì)建成區(qū)植被產(chǎn)生了不利影響[12-13]，引起食物供給、水源保護(hù)、生境質(zhì)量、固碳等多種生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)功能下降[11,14]。耕地和林地是維持關(guān)鍵生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)的重要土地類型[14-15]，快速城鎮(zhèn)化引起土地利用與覆蓋發(fā)生劇烈變動(dòng)，對(duì)生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)產(chǎn)生了顯著影響[16-19]。

目前，關(guān)于人類活動(dòng)變化對(duì)生態(tài)環(huán)境影響的研究較多，而使用夜間燈光數(shù)據(jù)量化城鎮(zhèn)擴(kuò)張生態(tài)效應(yīng)的研究相對(duì)不足[20]，且側(cè)重于城鎮(zhèn)擴(kuò)張模式及速度對(duì)生態(tài)系統(tǒng)的影響，缺乏不同主體功能區(qū)城鎮(zhèn)擴(kuò)張對(duì)生態(tài)系統(tǒng)影響的比較分析。厘清不同類型城鎮(zhèn)對(duì)生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)的影響機(jī)理，成為新時(shí)期城鎮(zhèn)化和生態(tài)系統(tǒng)定向管理的難點(diǎn)。凈初級(jí)生產(chǎn)力(net primary productivity，NPP)作為判定生態(tài)系統(tǒng)碳匯和調(diào)節(jié)生態(tài)過(guò)程的主要因子，不僅反映了生態(tài)系統(tǒng)本身，還能反映自然環(huán)境中物質(zhì)、能量循環(huán)及變化過(guò)程，利用NPP估算區(qū)域生態(tài)系統(tǒng)狀況已成為眾多學(xué)者的共識(shí)[21]。因此，本研究以NPP 和夜間燈光數(shù)據(jù)作為主要數(shù)據(jù)源，以協(xié)調(diào)人地關(guān)系為主線，在城鎮(zhèn)擴(kuò)張(發(fā)展)與生態(tài)安全(保護(hù))間尋求平衡點(diǎn)[22]，探索城鎮(zhèn)擴(kuò)張對(duì)生態(tài)系統(tǒng)的影響機(jī)制，為不同主體功能區(qū)高質(zhì)量城鎮(zhèn)化及生態(tài)文明建設(shè)提供決策依據(jù)。

1 研究區(qū)域、數(shù)據(jù)來(lái)源及數(shù)據(jù)處理

1.1 研究區(qū)域

河南省是我國(guó)的人口和農(nóng)業(yè)大省，是黃河、淮河及海河的交匯區(qū)域，地貌類型多樣，孕育了山區(qū)城鎮(zhèn)、平原農(nóng)區(qū)城鎮(zhèn)等多種類型城鎮(zhèn)。考慮到河南省城鎮(zhèn)化和工業(yè)化特征，結(jié)合主體功能定位，將其劃分為中原城市群地區(qū)、豫北地區(qū)、黃淮地區(qū)、豫西南地區(qū)(圖1)。中原城市群地區(qū)是國(guó)家級(jí)重點(diǎn)開(kāi)發(fā)區(qū)，是新型城鎮(zhèn)化、新型工業(yè)化重點(diǎn)推進(jìn)區(qū)。豫北地區(qū)是省級(jí)重點(diǎn)開(kāi)發(fā)區(qū)，是河南省重要的能源、原材料和糧食基地。黃淮地區(qū)是農(nóng)業(yè)類限制開(kāi)發(fā)區(qū)，是保障國(guó)家農(nóng)產(chǎn)品供給安全的重要區(qū)域。豫西南地區(qū)是生態(tài)類限制開(kāi)發(fā)區(qū)，是河南省重要的生態(tài)屏障。伴隨著城鎮(zhèn)化水平不斷提升、工業(yè)化逐步加快，局部地區(qū)生態(tài)環(huán)境問(wèn)題日益突出，城鎮(zhèn)快速擴(kuò)張與生態(tài)保護(hù)之間的矛盾不斷加劇，嚴(yán)重阻礙了河南省“以人為本的新型城鎮(zhèn)化戰(zhàn)略”和“低碳綠色轉(zhuǎn)型戰(zhàn)略”的實(shí)施。

圖1 河南省分區(qū)

1.2 數(shù)據(jù)來(lái)源

DMSP-OLS(2000—2013年)和NPP-VIIRS(2014—2019年)夜間燈光影像數(shù)據(jù)均來(lái)源于美國(guó)國(guó)家地球物理數(shù)據(jù)中心(National Geophysical Data Center, NGDC)。其中，影像的參考系為WGS-84坐標(biāo)系，影像的像元亮度值(digital number,DN )代表平均燈光強(qiáng)度，其范圍為0～63。選擇F16衛(wèi)星傳感器獲取的2006年輻射定標(biāo)影像作為參照影像。

2000—2015年MODIS17A3凈初級(jí)生產(chǎn)力數(shù)據(jù)來(lái)源于全球變化科學(xué)研究數(shù)據(jù)出版系統(tǒng)網(wǎng)站(http://www.geodoi.ac.cn)北緯18°以北中國(guó)陸地生態(tài)系統(tǒng)逐月凈初級(jí)生產(chǎn)力1公里柵格數(shù)據(jù)集(1985—2015)；2016—2019年MODIS17A3凈初級(jí)生產(chǎn)力數(shù)據(jù)來(lái)源于美國(guó)國(guó)家航空航天局網(wǎng)站(https://earthdata.nasa.gov/)，空間分辨率1 km×1 km。

2000年市縣GDP、非農(nóng)業(yè)人口、總?cè)丝跀?shù)據(jù)來(lái)源于2001年《河南統(tǒng)計(jì)年鑒》《中華人民共和國(guó)全國(guó)分縣人口統(tǒng)計(jì)資料》，2000年土地利用數(shù)據(jù)來(lái)源于中國(guó)科學(xué)院資源環(huán)境科學(xué)數(shù)據(jù)中心。

1.3 數(shù)據(jù)處理

將歷年全球夜間燈光影像重投影轉(zhuǎn)換為蘭伯特等角圓錐投影(Lambert conformal conic)，按掩膜提取生成1 km×1 km柵格，并用河南省矢量行政邊界進(jìn)行裁剪，得到河南省夜間燈光影像。(1)采用不變目標(biāo)區(qū)域法實(shí)現(xiàn)長(zhǎng)時(shí)間序列DMSP/OLS夜間燈光影像數(shù)據(jù)集的校正，選取黑龍江省鶴崗市市轄區(qū)作為不變目標(biāo)區(qū)域[23]，以F16_20051128-20061224_rad_v4影像作為輻射定標(biāo)的參考影像，對(duì)河南省夜間燈光數(shù)據(jù)進(jìn)行飽和校正，綜合運(yùn)用線性、二次多項(xiàng)式、對(duì)數(shù)、指數(shù)及冪等回歸模型，測(cè)算待校正影像與參考影像之間的相關(guān)系數(shù)，結(jié)果表明二次多項(xiàng)式擬合的待校正影像和參考影像的相關(guān)性最好。因此，采用二次多項(xiàng)式建模。在此基礎(chǔ)上對(duì)影像進(jìn)行連續(xù)性校正，使得不同影像間具有連續(xù)性和可比性，并減少像元的飽和效應(yīng)[23-24]。(2)對(duì)NPP/VIIRS數(shù)據(jù)進(jìn)行異常值去除、年內(nèi)融合與年際連續(xù)校正[25]。假設(shè)2013年校正后的DMSP/OLS數(shù)據(jù)與NPP/VIIRS數(shù)據(jù)具有相同亮值區(qū)域，用同年份DMSP/OLS數(shù)據(jù)掩膜提取NPP/VIIRS數(shù)據(jù)中的有效區(qū)域，建立DMSP/OLS與NPP/VIIRS數(shù)據(jù)之間的擬合回歸函數(shù)[26-27]。對(duì)2013年的兩種夜間燈光數(shù)據(jù)進(jìn)行年內(nèi)融合操作，對(duì)2014—2019年的數(shù)據(jù)進(jìn)行年際間校正。

NPP數(shù)據(jù)的處理主要包括對(duì)遙感影像進(jìn)行柵格蘭伯特等角圓錐投影，空間坐標(biāo)系采用北京54坐標(biāo)(GCS_Beijing_1954)，運(yùn)用河南省矢量文件進(jìn)行掩膜提取，得到2000—2019年河南省各區(qū)域年均NPP數(shù)據(jù)。

城鎮(zhèn)擴(kuò)張指數(shù)和NPP數(shù)據(jù)重采樣生成相同的1 km×1 km柵格數(shù)據(jù)，統(tǒng)計(jì)每個(gè)柵格內(nèi)NPP與城鎮(zhèn)擴(kuò)張水平指數(shù)，基于柵格尺度測(cè)算NPP和城鎮(zhèn)擴(kuò)張指數(shù)的皮爾遜相關(guān)系數(shù)，得出河南省及其4個(gè)區(qū)域的NPP與城鎮(zhèn)擴(kuò)張指數(shù)相關(guān)程度。

2 研究方法

2.1 城鎮(zhèn)擴(kuò)張水平估算

穩(wěn)定燈光影像是標(biāo)定夜間平均燈光強(qiáng)度的年度柵格影像，該影像包括城市、鄉(xiāng)鎮(zhèn)的燈光及其他場(chǎng)所的持久光源且去除了月光云、光火及油氣燃燒等偶然噪聲的影響。通過(guò)計(jì)算夜間燈光像元值的大小及分布能夠識(shí)別城鎮(zhèn)范圍和監(jiān)測(cè)城市的動(dòng)態(tài)變化，基于穩(wěn)定燈光影像構(gòu)建城鎮(zhèn)擴(kuò)張水平指數(shù)(urban expansion level，UEL)表征城鎮(zhèn)擴(kuò)張程度[5]。

式中：UEL為城鎮(zhèn)擴(kuò)張水平指數(shù)；Di為第i等級(jí)夜間燈光像元值；Pi為第i等級(jí)的夜間燈光像元值面積的百分比；ΔUELb-a為城鎮(zhèn)擴(kuò)張水平變化指數(shù)；UELa，UELb分別為時(shí)間a和時(shí)間b的城鎮(zhèn)擴(kuò)張水平指數(shù)。若ΔUELb-a為正值，表明該區(qū)域在b時(shí)間的城鎮(zhèn)擴(kuò)張水平大于在a時(shí)間的城鎮(zhèn)擴(kuò)張水平；若為負(fù)值，則表明該區(qū)域在b時(shí)間的城鎮(zhèn)擴(kuò)張水平小于在a時(shí)間的城鎮(zhèn)擴(kuò)張水平。

2.2 城鎮(zhèn)擴(kuò)張的緊湊度分析

緊湊集約的城鎮(zhèn)化形態(tài)可以降低能源與土地消耗，是未來(lái)城鎮(zhèn)化發(fā)展的趨勢(shì)。因此，以緊湊度來(lái)反映斑塊形狀的緊密性。其原理是計(jì)算斑塊與相同周長(zhǎng)圓形的差異[20]，即當(dāng)整個(gè)城鎮(zhèn)化區(qū)域?yàn)橐粋€(gè)圓形時(shí)，緊湊度為1。緊湊度越小，表示城鎮(zhèn)化分布越分散。其公式為：

式中：C為緊湊度；L為所有斑塊邊界總長(zhǎng)度(km)；A為所有斑塊總面積(km2)。

鄭州市轄區(qū)是中原城市群的核心，城市規(guī)模較大，其他地級(jí)市市轄區(qū)與縣域發(fā)展水平存在一定差距，故選取3個(gè)層次的閾值。根據(jù)2000年城鎮(zhèn)化率、非農(nóng)人口、GDP指標(biāo)分別找出位于平均水平的縣與市轄區(qū)，其結(jié)果為淅川縣與駐馬店市轄區(qū)?？紤]到城鎮(zhèn)與城市發(fā)展水平不同，依據(jù)2000年中國(guó)土地利用現(xiàn)狀數(shù)據(jù)獲取各市縣城建區(qū)面積，結(jié)合統(tǒng)計(jì)數(shù)據(jù)分析，確定118，58，46作為城市燈光閾值，分別提取了鄭州市、其他地級(jí)市、各縣的城鎮(zhèn)邊界，燈光閾值斑塊與城建區(qū)基本吻合。

2.3 NPP與UEL變化趨勢(shì)及相關(guān)系數(shù)分析

運(yùn)用最小二乘算法，以時(shí)間為自變量，因變量為1 km×1 km像元的統(tǒng)計(jì)量NPP或UEL，計(jì)算每個(gè)像元柵格變化趨勢(shì)斜率，采用Pearson相關(guān)系數(shù)法計(jì)算2000—2019年河南省NPP與UEL在空間尺度上的相關(guān)系數(shù)[6]。

3 結(jié)果與分析

3.1 NPP時(shí)空變化特征

2000—2019年河南省年均NPP值介于235.63～470.66 gC·m-2·a-1，均值為314.80 gC·m-2·a-1，總體呈現(xiàn)波動(dòng)上升趨勢(shì)，2007年形成了拐點(diǎn)346.78 gC·m-2·a-1，2018年達(dá)到了峰值470.66 gC·m-2·a-1。河南省NPP總體變化可以分為4個(gè)階段：2000—2007年波動(dòng)上升，2007—2013年動(dòng)態(tài)下降，2013—2016年快速上升，2016—2019年波動(dòng)下降。黃淮地區(qū)及豫西南地區(qū)、中原城市群地區(qū)的NPP變化趨勢(shì)與河南省相似，豫北地區(qū)呈先下降后上升的變化態(tài)勢(shì)(圖2)。2000—2019年黃淮地區(qū)、豫西南地區(qū)、中原城市群及豫北地區(qū)的NPP均值分別為335.83 gC·m-2·a-1，330.39 gC·m-2·a-1，294.37 gC·m-2·a-1，266.24 gC·m-2·a-1，黃淮地區(qū)的生態(tài)狀況最好，豫西南地區(qū)次之，中原城市群地區(qū)及豫北地區(qū)生態(tài)狀況較差。

2000年開(kāi)始實(shí)施的退耕還林還草工程產(chǎn)生了顯著的生態(tài)效應(yīng)，河南省NPP年平均值呈緩慢上升的趨勢(shì)。2006年《河南省建設(shè)項(xiàng)目環(huán)境保護(hù)條例》的實(shí)施對(duì)河南省的生態(tài)保護(hù)起到了較大促進(jìn)作用，其NPP值在2007年達(dá)到一個(gè)拐點(diǎn)，2014年后河南省生態(tài)狀況明顯好轉(zhuǎn)。豫西南地區(qū)、黃淮地區(qū)生態(tài)變好趨勢(shì)明顯，尤其是豫西南地區(qū)在2015—2019年是河南省生態(tài)狀況最好的區(qū)域，中原城市群地區(qū)和豫北地區(qū)生態(tài)有所好轉(zhuǎn)。作為河南省“四區(qū)三帶”安全格局的構(gòu)成部分，黃淮地區(qū)生態(tài)涵養(yǎng)區(qū)NPP值在全省最高，農(nóng)區(qū)在保障國(guó)家糧食安全的同時(shí)為區(qū)域生態(tài)安全做出了重要貢獻(xiàn)。

圖2 2000—2019年河南省年均凈初級(jí)生產(chǎn)力變化趨勢(shì)

3.2 城鎮(zhèn)擴(kuò)張時(shí)空特征

3.2.1城鎮(zhèn)擴(kuò)張水平指數(shù)的驗(yàn)證。國(guó)內(nèi)外相關(guān)研究成果表明，夜間燈光數(shù)據(jù)與國(guó)內(nèi)生產(chǎn)總值(GDP)、建成區(qū)面積、非農(nóng)人口、非農(nóng)人口比例等城鎮(zhèn)化指標(biāo)具有較好的相關(guān)性[28-29]。為了驗(yàn)證經(jīng)過(guò)校正處理后的河南省夜間燈光數(shù)據(jù)表征城鎮(zhèn)擴(kuò)張的可行性和可靠性，分析研究區(qū)域DN總值與GDP、建成區(qū)面積、非農(nóng)人口、非農(nóng)人口比例的相關(guān)性和擬合優(yōu)度，結(jié)果顯示均呈正相關(guān)，擬合優(yōu)度R2都超過(guò)0.90，模型可靠性強(qiáng)。

3.2.2城鎮(zhèn)擴(kuò)張水平的時(shí)空差異。河南省城鎮(zhèn)擴(kuò)張速度快，空間差異明顯(圖3)。2000—2019年河南省城鎮(zhèn)擴(kuò)張水平指數(shù)變化斜率為正值，城鎮(zhèn)擴(kuò)張程度總體呈穩(wěn)定增加的趨勢(shì)，城鎮(zhèn)擴(kuò)張水平指數(shù)從2000年的809上升到2019年的1 963，增長(zhǎng)了142.65%。中原城市群地區(qū)擴(kuò)張速度最快，遠(yuǎn)高于河南省平均擴(kuò)張水平；豫北地區(qū)次之，豫北地區(qū)城鎮(zhèn)開(kāi)發(fā)程度高，城鎮(zhèn)擴(kuò)張水平指數(shù)的變化呈較緩慢的上升趨勢(shì)；黃淮地區(qū)和豫西南地區(qū)城鎮(zhèn)擴(kuò)張水平最低，豫西南地區(qū)城鎮(zhèn)擴(kuò)張水平指數(shù)變化呈緩慢上升的趨勢(shì)，黃淮地區(qū)城鎮(zhèn)擴(kuò)張水平指數(shù)在2000—2008年呈快速增長(zhǎng)趨勢(shì)，之后趨于較穩(wěn)定的上升趨勢(shì)。3.2.3城鎮(zhèn)緊湊度時(shí)空變化?；贒MSP/OLS穩(wěn)定夜光及NPP/VIIRS數(shù)據(jù)測(cè)算的河南省城鎮(zhèn)緊湊度高于0.61，2000—2019年河南省城鎮(zhèn)緊湊度呈明顯下降趨勢(shì)，城鎮(zhèn)表現(xiàn)為分散擴(kuò)張態(tài)勢(shì)，城鎮(zhèn)建設(shè)集約度有所降低?？傮w可分為3個(gè)階段：2007年之前為緊湊度波動(dòng)下降階段，2007—2010年為穩(wěn)定上升階段，2010—2019為快速下降階段。但是，4個(gè)區(qū)域表現(xiàn)出明顯的差異性，不同區(qū)域主體功能定位對(duì)城鎮(zhèn)的緊湊度產(chǎn)生了較大影響(圖4)。2000年黃淮地區(qū)城鎮(zhèn)緊湊度最高，其次是豫西南地區(qū)和中原城市群，豫北地區(qū)的城鎮(zhèn)緊湊度最低。2000—2019年黃淮地區(qū)城鎮(zhèn)緊湊度下降趨勢(shì)最明顯，其中，2000—2007年城鎮(zhèn)緊湊度不斷下降，2007—2013年趨于穩(wěn)定，2013—2019年急劇下降。中原城市群地區(qū)作為河南省城鎮(zhèn)化的主導(dǎo)力量，其變化過(guò)程與河南省類似。豫北地區(qū)的城鎮(zhèn)緊湊度圍繞0.687這一均值波動(dòng)變化，2000—2012年緊湊度相對(duì)穩(wěn)定(2007年波動(dòng)較大)，2012—2019年緊湊度快速下降，在2015年達(dá)到了最低值0.618。2000—2014年豫西南地區(qū)城鎮(zhèn)緊湊度圍繞均值0.730波動(dòng)，處于相對(duì)穩(wěn)定狀態(tài)，2015年后呈緩慢下降趨勢(shì)。2007—2013年河南省城鎮(zhèn)緊湊度分化為兩個(gè)俱樂(lè)部，分別為農(nóng)區(qū)生態(tài)緊湊發(fā)展型地區(qū)和城市群工業(yè)化蔓延擴(kuò)張地區(qū)，前者位于限制開(kāi)發(fā)區(qū)內(nèi)，后者位于重點(diǎn)開(kāi)發(fā)區(qū)內(nèi)。2014年，緊湊型俱樂(lè)部?jī)H剩豫西南地區(qū)。2019年河南省城鎮(zhèn)緊湊度由高到低依次為豫西南地區(qū)、黃淮地區(qū)、豫北地區(qū)和中原城市群地區(qū)。

圖3 2000—2019年河南省城鎮(zhèn)擴(kuò)張水平指數(shù)變化趨勢(shì)

圖4 2000—2019年河南省城鎮(zhèn)緊湊度變化Fig.4 Change of urban compactness in Henan Province from 2000 to 2019

3.2.4城鎮(zhèn)擴(kuò)張水平和緊湊度綜合分析。2000—2019年伴隨著河南省城鎮(zhèn)擴(kuò)張水平的加劇，城鎮(zhèn)的緊湊度不斷下降，城鎮(zhèn)擴(kuò)張水平指數(shù)與緊湊度指數(shù)在0.01極顯著水平下高度負(fù)相關(guān)，相關(guān)系數(shù)達(dá)到-0.947，這表明河南省城鎮(zhèn)化對(duì)土地資源的利用效率呈下降趨勢(shì)。豫北地區(qū)和中原城市群的城鎮(zhèn)擴(kuò)張水平最高但緊湊度最低，尤其是中原城市群地區(qū)城鎮(zhèn)的緊湊度呈明顯下降態(tài)勢(shì)，表明位于重點(diǎn)開(kāi)發(fā)區(qū)的中原城市群地區(qū)和豫北地區(qū)隨著城鎮(zhèn)的擴(kuò)張規(guī)模不斷增加，其土地資源利用效率在不斷下降。2007—2010年河南省城鎮(zhèn)緊湊度總體呈上升趨勢(shì)，表現(xiàn)為建設(shè)用地的集約高效利用，2007年后河南省城鎮(zhèn)緊湊度分化為兩個(gè)俱樂(lè)部，表明我國(guó)的生態(tài)紅線和基本農(nóng)田保護(hù)紅線對(duì)城鎮(zhèn)的低效擴(kuò)張起到了約束作用，主體功能定位的政策靶向性作用凸顯。2013—2019年黃淮農(nóng)區(qū)城鎮(zhèn)緊湊度由2007—2013的穩(wěn)定上升轉(zhuǎn)為快速下降，表明該區(qū)域的土地資源利用效率下降。

3.3 河南省城鎮(zhèn)擴(kuò)張對(duì)NPP的影響

3.3.1城鎮(zhèn)擴(kuò)張水平對(duì)NPP的影響。2000—2019年河南省城鎮(zhèn)擴(kuò)張水平與NPP呈負(fù)相關(guān)，與國(guó)內(nèi)外眾多研究結(jié)果一致[16-19,30]。城鎮(zhèn)擴(kuò)張水平越高的區(qū)域NPP值越低，城鎮(zhèn)擴(kuò)張對(duì)生態(tài)系統(tǒng)的擾動(dòng)作用先增強(qiáng)后減弱，城鎮(zhèn)化質(zhì)量得到改善，但存在顯著的時(shí)間波動(dòng)性和空間差異性(圖5)。① 城鎮(zhèn)擴(kuò)張與生態(tài)環(huán)境呈顯著的負(fù)相關(guān)且不斷強(qiáng)化。2000—2015年城鎮(zhèn)擴(kuò)張對(duì)生態(tài)系統(tǒng)的負(fù)面影響較強(qiáng)，2015年之后城鎮(zhèn)擴(kuò)張對(duì)生態(tài)環(huán)境的影響程度呈快速波動(dòng)下降態(tài)勢(shì)，河南省在快速推進(jìn)城鎮(zhèn)化的同時(shí)，生態(tài)環(huán)境也得到了較好的保護(hù)，城鎮(zhèn)化與生態(tài)環(huán)境之間的矛盾趨于緩和，城鎮(zhèn)化的生態(tài)負(fù)效應(yīng)在弱化。② 河南省城鎮(zhèn)擴(kuò)張的生態(tài)效應(yīng)呈現(xiàn)出顯著的空間差異性。位于重點(diǎn)開(kāi)發(fā)區(qū)的中原城市群地區(qū)城鎮(zhèn)化對(duì)生態(tài)系統(tǒng)的擾動(dòng)大，而位于限制開(kāi)發(fā)區(qū)的黃淮平原農(nóng)區(qū)和豫西南山區(qū)城鎮(zhèn)化對(duì)生態(tài)系統(tǒng)的擾動(dòng)較小。中原城市群地區(qū)的城鎮(zhèn)空間擴(kuò)張對(duì)生態(tài)系統(tǒng)的影響最大且呈現(xiàn)不斷增強(qiáng)的態(tài)勢(shì)，黃淮平原農(nóng)區(qū)與豫西南山區(qū)城鎮(zhèn)擴(kuò)張對(duì)區(qū)域生態(tài)系統(tǒng)也產(chǎn)生了負(fù)面影響，但程度較低且不斷弱化。③ 城鎮(zhèn)擴(kuò)張對(duì)生態(tài)環(huán)境的影響存在時(shí)空異質(zhì)性。主要是來(lái)自于區(qū)域差異性和城鎮(zhèn)擴(kuò)張速度的差異性。此外，耕地和林地保護(hù)是維持關(guān)鍵生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)的重要因子[15]，快速城鎮(zhèn)化導(dǎo)致建設(shè)用地大量占用耕地，對(duì)生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)產(chǎn)生了顯著影響。

圖5 2000—2019年河南省及各區(qū)域城鎮(zhèn) 擴(kuò)張水平指數(shù)與凈初級(jí)生產(chǎn)力相關(guān)系數(shù)動(dòng)態(tài)變化

3.3.2城鎮(zhèn)擴(kuò)張的緊湊度對(duì)NPP的影響。高質(zhì)量的城鎮(zhèn)化應(yīng)當(dāng)是資源節(jié)約型、緊湊型的擴(kuò)張模式，在土地資源高效利用的同時(shí)減少對(duì)生態(tài)系統(tǒng)的擾動(dòng)。城鎮(zhèn)擴(kuò)張形態(tài)對(duì)NPP的作用機(jī)制比較復(fù)雜，城鎮(zhèn)緊湊度往往和城鎮(zhèn)擴(kuò)張水平緊密聯(lián)系，與自然和人文因素耦合，共同對(duì)NPP產(chǎn)生影響。就河南省整體而言，2002—2019年城鎮(zhèn)的緊湊度與NPP呈正相關(guān)性(2000年、2001年、2004年、2007年、2008年、2015年的相關(guān)系數(shù)未能通過(guò)顯著性檢驗(yàn))，城鎮(zhèn)擴(kuò)張的空間形態(tài)越緊湊，NPP值就相對(duì)越高。就不同主體功能區(qū)內(nèi)部而言，豫北地區(qū)的影響最明顯，豫西南地區(qū)次之(圖6)。

圖6 2000—2019年河南省及各區(qū)域 緊湊度與凈初級(jí)生產(chǎn)力相關(guān)系數(shù)動(dòng)態(tài)變化Fig.6 Dynamic change of correlation coefficients between compactness and NPP in Henan Province and its different regions from 2000 to 2019

4 結(jié)論、建議與討論

4.1 結(jié)論

河南省城鎮(zhèn)擴(kuò)張速度快，不同主體功能區(qū)城鎮(zhèn)擴(kuò)張空間差異明顯。城鎮(zhèn)擴(kuò)張水平指數(shù)從2000年的809上升到2019年的1 963，增長(zhǎng)了142.65%?？臻g上城鎮(zhèn)擴(kuò)張水平指數(shù)從高到低依次為中原城市群地區(qū)、豫北地區(qū)、黃淮地區(qū)、豫西南地區(qū)。伴隨城鎮(zhèn)快速擴(kuò)張，緊湊度呈現(xiàn)不斷下降態(tài)勢(shì)，在2007年位于重點(diǎn)開(kāi)發(fā)區(qū)和限制開(kāi)發(fā)區(qū)的城鎮(zhèn)緊湊度分化為兩個(gè)俱樂(lè)部，2013年后黃淮地區(qū)城鎮(zhèn)緊湊度快速下降，加劇了土地資源低效利用，在新一輪的國(guó)土空間規(guī)劃中應(yīng)給予關(guān)注。

2000—2019年河南省年均NPP值介于235.630～470.66 gC·m-2·a-1，整體呈現(xiàn)波動(dòng)上升的趨勢(shì)，黃淮地區(qū)NPP值最高，豫西南地區(qū)次之，中原城市群地區(qū)和豫北地區(qū)最低。整體轉(zhuǎn)好和局部惡化并存，NPP顯著減少區(qū)域主要分布在中原城市群地區(qū)和豫北地區(qū)。

城鎮(zhèn)擴(kuò)張的生態(tài)效應(yīng)明顯，城鎮(zhèn)擴(kuò)張水平與NPP負(fù)相關(guān)，緊湊度與NPP正相關(guān)。重點(diǎn)開(kāi)發(fā)區(qū)的城鎮(zhèn)擴(kuò)張對(duì)NPP的影響較大，其中中原城市群的城鎮(zhèn)空間擴(kuò)張影響最大，限制開(kāi)發(fā)區(qū)的城鎮(zhèn)擴(kuò)張對(duì)NPP的影響較小。2015年之前，豫北地區(qū)的城鎮(zhèn)擴(kuò)張對(duì)NPP的影響不斷加?。?015年之后，城鎮(zhèn)擴(kuò)張對(duì)生態(tài)的影響減弱。

不同主體功能區(qū)定位影響了城鎮(zhèn)擴(kuò)張水平。在重點(diǎn)開(kāi)發(fā)區(qū)，中原城市群地區(qū)和豫北地區(qū)的城鎮(zhèn)緊湊度快速下降，建設(shè)用地利用率不斷降低，要做好頂層設(shè)計(jì)，強(qiáng)化國(guó)土空間規(guī)劃的約束，科學(xué)規(guī)劃和緊湊利用有限的城鄉(xiāng)建設(shè)用地；在限制開(kāi)發(fā)區(qū)，要強(qiáng)調(diào)生態(tài)紅線和基本農(nóng)田紅線的約束作用，尤其是黃淮農(nóng)區(qū)自然條件對(duì)城鎮(zhèn)擴(kuò)張的約束作用較小，應(yīng)當(dāng)強(qiáng)化紅線的政策約束，實(shí)現(xiàn)緊湊節(jié)約型城鎮(zhèn)擴(kuò)張。

4.2 建議

研究表明作為重點(diǎn)開(kāi)發(fā)區(qū)的中原城市群地區(qū)城鎮(zhèn)擴(kuò)張最快，作為生態(tài)類限制開(kāi)發(fā)區(qū)的豫西南山區(qū)城鎮(zhèn)擴(kuò)張速度最慢?？焖俪擎?zhèn)化對(duì)NPP產(chǎn)生了較大的擾動(dòng)性[5,20]，重點(diǎn)開(kāi)發(fā)區(qū)在區(qū)域開(kāi)發(fā)政策推動(dòng)下，伴隨著城鎮(zhèn)快速擴(kuò)張和城鎮(zhèn)緊湊度的下降，城鎮(zhèn)建設(shè)用地利用率降低，對(duì)生態(tài)環(huán)境產(chǎn)生了較大的負(fù)面影響。因此，在中部地區(qū)高質(zhì)量發(fā)展戰(zhàn)略和黃河流域生態(tài)保護(hù)和高質(zhì)量發(fā)展國(guó)家戰(zhàn)略實(shí)施背景下，要實(shí)現(xiàn)高質(zhì)量城鎮(zhèn)化，必須對(duì)不同主體功能區(qū)分區(qū)施策和分類指導(dǎo)。(1)在中原城市群地區(qū)，以鄭州都市圈和洛陽(yáng)都市圈為重點(diǎn)，實(shí)施都市圈引領(lǐng)的集聚化城鎮(zhèn)化戰(zhàn)略，積極引導(dǎo)人口和產(chǎn)業(yè)向中心城市集聚，形成全國(guó)經(jīng)濟(jì)發(fā)展和人口集聚的核心區(qū)。穩(wěn)定生態(tài)空間，增加生態(tài)產(chǎn)品的供給，降低城鎮(zhèn)擴(kuò)張對(duì)NPP的負(fù)面影響。(2)在黃淮地區(qū)，應(yīng)以鞏固提高農(nóng)產(chǎn)品生產(chǎn)能力為重點(diǎn)任務(wù)，落實(shí)耕地保護(hù)紅線制度，建設(shè)全國(guó)重要的糧食生產(chǎn)核心區(qū)；充分發(fā)揮耕地的生態(tài)功能，黃淮地區(qū)NPP值最高，使糧食生產(chǎn)和生態(tài)保護(hù)產(chǎn)生協(xié)同效應(yīng)，城鎮(zhèn)擴(kuò)張過(guò)程中要加強(qiáng)耕地保護(hù)，防止大量占用耕地。(3)在豫西南地區(qū)，要嚴(yán)格控制區(qū)域城鎮(zhèn)開(kāi)發(fā)強(qiáng)度，實(shí)行生態(tài)環(huán)境保護(hù)優(yōu)先的集聚式城鎮(zhèn)化戰(zhàn)略，引導(dǎo)生態(tài)脆弱區(qū)人口有序轉(zhuǎn)移，將易地扶貧、生態(tài)移民以及合村并鎮(zhèn)等綜合起來(lái)，建設(shè)新型農(nóng)村社區(qū)，適度擴(kuò)大城鎮(zhèn)產(chǎn)業(yè)等生產(chǎn)空間，逐步減少農(nóng)村生活空間；重點(diǎn)加強(qiáng)對(duì)生態(tài)空間的保護(hù)與修復(fù)，提高生態(tài)產(chǎn)品的生產(chǎn)能力，保護(hù)生物多樣性。

4.3 討論

本研究揭示了不同主體功能區(qū)城鎮(zhèn)擴(kuò)張和NPP的時(shí)空變化規(guī)律及作用關(guān)系，但仍存在不足。(1)對(duì)城鎮(zhèn)擴(kuò)張的影響因素，如經(jīng)濟(jì)、人口、基礎(chǔ)設(shè)施等[31]分析不夠，尤其是對(duì)不同主體功能區(qū)城鎮(zhèn)擴(kuò)張影響因素的空間差異性缺乏定量分析，在一定程度上制約了城鎮(zhèn)擴(kuò)張對(duì)NPP的影響機(jī)制的研究深度。(2)NPP盡管在表征區(qū)域生態(tài)系統(tǒng)狀況方面具有優(yōu)勢(shì)[21]，但其反映的多是生態(tài)系統(tǒng)的支持服務(wù)，在表征供給服務(wù)、調(diào)節(jié)服務(wù)及文化服務(wù)方面顯得不足，不能全面反映生態(tài)系統(tǒng)的功能。(3)多源、多時(shí)段數(shù)據(jù)在融合過(guò)程中容易產(chǎn)生誤差，影響研究的精度。