基于“三生”空間演變的高原湖泊流域生態(tài)環(huán)境效應(yīng)及影響因素
——以滇池流域?yàn)槔?/h1>
2023-01-07 01:40:18吳映梅陳云娟高彬嬪鄭可君
西南農(nóng)業(yè)學(xué)報(bào) 2022年10期
武 燕，吳映梅，陳云娟，李 琛，高彬嬪，鄭可君,2，李 嬋
(1.云南師范大學(xué)地理學(xué)部，昆明 650500；2.云南省社會(huì)科學(xué)院，昆明 650000)
【研究意義】高原湖泊流域相較一般湖泊流域而言，兼具高生態(tài)價(jià)值和高脆弱性等特點(diǎn)，作為人類活動(dòng)的重要空間載體，隨著經(jīng)濟(jì)發(fā)展進(jìn)程的快速推進(jìn)，流域土地利用變化劇烈，生態(tài)環(huán)境受到嚴(yán)重破壞[1-2]。2021年9月云南省生態(tài)環(huán)境廳印發(fā)《關(guān)于進(jìn)一步加強(qiáng)九大高原湖泊生態(tài)環(huán)境監(jiān)管工作的通知》，進(jìn)一步強(qiáng)調(diào)高原湖泊流域需嚴(yán)控開發(fā)強(qiáng)度，杜絕無序開發(fā)，加快推進(jìn)九湖流域生態(tài)環(huán)境持續(xù)改變。因此，針對(duì)高原湖泊流域土地利用變化所造成的生態(tài)環(huán)境效應(yīng)及影響機(jī)制研究既可豐富特殊區(qū)域生態(tài)環(huán)境研究理論，又能為破解經(jīng)濟(jì)快速發(fā)展進(jìn)程下高原湖泊流域社會(huì)經(jīng)濟(jì)發(fā)展與生態(tài)保護(hù)的二維困境提供相應(yīng)解決思路?！厩叭搜芯窟M(jìn)展】土地利用變化作為人類活動(dòng)與自然環(huán)境相互作用最直接的表現(xiàn)形式，是全球生態(tài)環(huán)境變化研究重點(diǎn)之一[3-4]。隨著經(jīng)濟(jì)社會(huì)的迅速發(fā)展，城市擴(kuò)張使得土地利用類型大規(guī)模的發(fā)生變化，往往會(huì)對(duì)生態(tài)環(huán)境造成極大破壞，嚴(yán)重影響區(qū)域可持續(xù)發(fā)展[5-6]。土地利用與生態(tài)環(huán)境關(guān)系被看作是人與自然關(guān)系的縮影[7-8]，Wijesekara[9]運(yùn)用耦合CA的ERWHM9水文模型模擬了未來2035年土地利用變化對(duì)加拿大艾伯塔省南部艾伯河流域水文過程的影響程度；Paavo等[10]基于城市擴(kuò)張對(duì)生態(tài)資源和環(huán)境空間影響進(jìn)行了綜合分析，認(rèn)為城市擴(kuò)張對(duì)生態(tài)環(huán)境質(zhì)量而言具有重要負(fù)向影響，因此需要重視城市發(fā)展過程中所帶來的生態(tài)環(huán)境問題，這也與趙亞莉等[11]的研究一致；楊清可等[12]基于三生空間的土地利用轉(zhuǎn)型對(duì)黃河三角洲生態(tài)環(huán)境效應(yīng)空間異質(zhì)性進(jìn)行了探究；蓋兆雪等[13]對(duì)松花江流域土地利用轉(zhuǎn)移過程中生態(tài)環(huán)境效應(yīng)及其影響因素進(jìn)行了討論；劉強(qiáng)等[14]基于CA-Markov多情景模擬對(duì)海南島土地利用變化及其生態(tài)環(huán)境效應(yīng)展開研究?，F(xiàn)有研究重點(diǎn)圍繞土地利用轉(zhuǎn)型過程中生態(tài)環(huán)境效應(yīng)及其響應(yīng)[12,15-16]、生態(tài)環(huán)境效應(yīng)多情景模擬[14,17]等方面開展，對(duì)于生態(tài)環(huán)境效應(yīng)驅(qū)動(dòng)因子及交互作用探析有待進(jìn)一步深化討論[13]。同時(shí)通過追蹤土地利用結(jié)構(gòu)、數(shù)量和空間變化，運(yùn)用生態(tài)環(huán)境質(zhì)量指數(shù)模型定量刻畫地區(qū)生態(tài)環(huán)境質(zhì)量時(shí)空演變特征已得到廣泛運(yùn)用[16]，但多是基于賦值法[15]進(jìn)行計(jì)算，強(qiáng)調(diào)土地利用方式的空間格局和功能屬性而構(gòu)建出的綜合生態(tài)環(huán)境質(zhì)量模型逐漸興起[18]。此外，有關(guān)研究區(qū)選擇大多聚焦于國家[16]、省(市、區(qū))[19]、縣[20]、城市群[21]、流域[17]，對(duì)于高原湖泊流域這類特殊區(qū)域的生態(tài)環(huán)境效應(yīng)關(guān)注較少?！颈狙芯壳腥朦c(diǎn)】選取典型高原湖泊流域—滇池流域，遵循“時(shí)間序列—空間結(jié)構(gòu)—?jiǎng)右驒C(jī)制”的研究范式，從“三生”土地利用主導(dǎo)功能分類體系出發(fā)探討高原湖泊流域三生空間演變過程，并通過綜合生態(tài)環(huán)境質(zhì)量指數(shù)評(píng)估模型對(duì)滇池流域生態(tài)環(huán)境質(zhì)量進(jìn)行綜合測(cè)度，同時(shí)運(yùn)用全局空間自相關(guān)、熱點(diǎn)分析工具(Getis-Ord Gi*)和地理探測(cè)器探索三生空間轉(zhuǎn)型過程中生態(tài)環(huán)境效應(yīng)的演化特征和形成機(jī)理，彌補(bǔ)高原湖泊流域三生空間轉(zhuǎn)型與生態(tài)環(huán)境質(zhì)量變化研究的不足?！緮M解決的關(guān)鍵問題】從三生空間轉(zhuǎn)型視角出發(fā)，定量分析滇池流域1990—2018年生態(tài)環(huán)境效應(yīng)，并采用地理探測(cè)器分析其影響因子，為高原湖泊流域協(xié)調(diào)經(jīng)濟(jì)發(fā)展與生態(tài)環(huán)境保護(hù)矛盾，推進(jìn)生態(tài)文明建設(shè)，實(shí)現(xiàn)流域可持續(xù)發(fā)展提供理論依據(jù)。
1 材料與方法
1.1 研究區(qū)域
滇池流域(102°30′～103°02′E，24°28′～25°23′N)是長(zhǎng)江上游生態(tài)安全的重要組成部分，也是云南九大高原湖泊流域的重要組成部分。整體位于滇中地區(qū)，范圍北起嵩明縣梁王山脈，南至?xí)x寧區(qū)照碧山，東起呈貢區(qū)梁王山，西至大青山和西山，流域面積2920 km2，主要涉及五華區(qū)、盤龍區(qū)、西山區(qū)、官渡區(qū)、呈貢區(qū)、晉寧區(qū)、嵩明縣7個(gè)行政區(qū)單元(圖1)[22-23]。研究區(qū)屬于亞熱帶季風(fēng)濕潤性氣候，年平均氣溫15 ℃，年平均降雨量935 mm，氣候宜人、地形平坦。特殊的地理位置以及優(yōu)越的自然環(huán)境使滇池流域自古以來便成為云南省城市化發(fā)展的重要空間載體。近年來，由于經(jīng)濟(jì)社會(huì)快速發(fā)展，城市化進(jìn)程的不斷加快使流域三生空間發(fā)生劇烈轉(zhuǎn)變，生產(chǎn)和生態(tài)空間出現(xiàn)縮小趨勢(shì)，城鎮(zhèn)生活空間不斷增加，經(jīng)濟(jì)發(fā)展和生態(tài)環(huán)境保護(hù)的雙重制衡嚴(yán)峻，流域內(nèi)生態(tài)環(huán)境質(zhì)量亟待關(guān)注與保護(hù)。
圖1 研究區(qū)的位置和范圍
1.2 數(shù)據(jù)來源及處理
滇池流域1990年、2000年、2010年、2018年4期土地利用數(shù)據(jù)來源于中國科學(xué)院資源環(huán)境數(shù)據(jù)云平臺(tái)( http://www.resdc.cn)，空間分辨率為30 m×30 m；DEM數(shù)據(jù)來自地理空間數(shù)據(jù)云(http://www.gscloud.cn)，空間分辨率為30 m×30 m，在此基礎(chǔ)上運(yùn)用 ArcGIS 10.8 獲取地形起伏度等數(shù)據(jù)；氣溫、降水、GDP等數(shù)據(jù)來源于中國科學(xué)院資源環(huán)境科學(xué)與數(shù)據(jù)中心(http://www.resdc.cn)，空間分辨率為1 km×1 km；道路數(shù)據(jù)來自于國家基礎(chǔ)地理信息中心1∶25萬全國基礎(chǔ)地理數(shù)據(jù)庫(https://www.webmap.cn)；夜光遙感數(shù)據(jù)來源于Luojia1-01數(shù)據(jù)(http://59.175.109.173:8888/index.html)，并利用ENVI 5.3對(duì)其進(jìn)行校正，人口密度數(shù)據(jù)來自Wordpop的人口密度數(shù)據(jù)集(https://www.worldpop.org/)。
1.3 研究方法
1.3.1 土地利用變化速率計(jì)算 選用土地變化速率表征不同類型的三生空間在一定時(shí)期內(nèi)的轉(zhuǎn)換速度，其值越大，表示三生空間類型轉(zhuǎn)換越強(qiáng)[4,24]，變化越大。
(1)
式中，K為研究期內(nèi)某一土地利用類型動(dòng)態(tài)度；Ua、Ub為研究起始期與末期單一土地利用類型面積；T為研究時(shí)段(年)。
1.3.2 生態(tài)環(huán)境質(zhì)量計(jì)算 將滇池流域不同土地利用類型按照三生空間劃分標(biāo)準(zhǔn)劃分為生產(chǎn)空間、生活空間以及生態(tài)空間[25](表1)。參考王永洵等[18]的研究，選用生態(tài)環(huán)境屬性因子以及生態(tài)環(huán)境格局因子，以綜合生態(tài)環(huán)境質(zhì)量指數(shù)模型測(cè)度滇池流域生態(tài)環(huán)境質(zhì)量。生態(tài)環(huán)境屬性因子(Fi)參考楊清可等[12]的研究，以表征基本地類的環(huán)境屬性。僅通過單一地類轉(zhuǎn)換不足以完全科學(xué)測(cè)算土地轉(zhuǎn)型過程中生態(tài)環(huán)境質(zhì)量的變化，土地利用轉(zhuǎn)型過程中往往會(huì)帶來斑塊、形狀等變化，因此王永洵等[18]從景觀脆弱度、分離度、優(yōu)勢(shì)度出發(fā)，基于景觀格局指數(shù)構(gòu)建出生態(tài)環(huán)境格局因子(Si)，以景觀組合的空間關(guān)系模式來反映宏觀尺度下土地利用轉(zhuǎn)型對(duì)區(qū)域生態(tài)環(huán)境質(zhì)量的影響[18,26-27]。
表1 三生空間土地利用功能分類及其生態(tài)環(huán)境質(zhì)量指數(shù)
(2)
式中：EV為綜合生態(tài)環(huán)境質(zhì)量指數(shù)，Ai和A分別為采樣單元范圍內(nèi)第i種用地類型的面積和采樣單元總面積，F(xiàn)i為第i類用地類型的生態(tài)環(huán)境屬性因子，Si為第i類用地類型的生態(tài)環(huán)境格局因子，兩者經(jīng)過無量綱化處理，共同構(gòu)成了第i類用地類型的綜合生態(tài)環(huán)境質(zhì)量指數(shù)。
對(duì)景觀破碎度Ci、景觀分離度Ni和景觀優(yōu)勢(shì)度Di3個(gè)景觀格局指數(shù)進(jìn)行加權(quán)疊加，三者權(quán)重為a=0.6，b=0.3，c=0.1，權(quán)重分配具體參考謝花林等[28]的研究，景觀格局指數(shù)計(jì)算參考高彬嬪等[29]的方法。構(gòu)建出生態(tài)環(huán)境格局因子Si，用于表征景觀格局指數(shù)變化對(duì)區(qū)域生態(tài)環(huán)境質(zhì)量的影響。
(3)
1.3.3 全局空間自相關(guān) 采用探索性空間數(shù)據(jù)分析(Exploratory Spatial Data Analysis, ESDA)方法探討滇池流域生態(tài)環(huán)境質(zhì)量的空間分布模式及異質(zhì)性特征[29]。其中空間自相關(guān)主要包括全局空間自相關(guān)性和局部空間自相關(guān)性，研究選取Moran’sI指數(shù)來反映全局自相關(guān)程度，Moran’sI的取值范圍為[-1,1]，若Moran’sI為正值，則表明流域生態(tài)環(huán)境質(zhì)量在空間上呈現(xiàn)出較高聚集水平，值越大，越顯著，反之則為分散。具體參考高彬嬪等[29]的方法。
1.3.4 冷熱點(diǎn)分析 運(yùn)用熱點(diǎn)分析[16,30](Getis-Ord Gi*)指數(shù)識(shí)別具有顯著空間集聚特征性的高值和低值區(qū)分布位置，具體參考趙筱青等[30]的方法。
1.3.5 地理探測(cè)器 以研究區(qū)生態(tài)環(huán)境質(zhì)量為因變量，以影響滇池流域生態(tài)環(huán)境質(zhì)量的各因素為自變量，選用地理探測(cè)器中的因子探測(cè)器和交互探測(cè)器分析各驅(qū)動(dòng)因子及因子組合對(duì)研究區(qū)生態(tài)環(huán)境質(zhì)量空間異質(zhì)性的解釋程度，具體如下[31]。
(4)
(5)
SST=Nσ2
(6)
此外，綜合考慮研究區(qū)實(shí)際情況以及參考已有研究[13,32]，從自然因素、社會(huì)經(jīng)濟(jì)因素和可達(dá)性3方面選取地形起伏度(X1)、年平均氣溫(X2)、年降水量(X3)、公里網(wǎng)格GDP(X4)、路網(wǎng)密度(X5)、夜光遙感(X6)、人口密度(X7)、距道路距離(X8)、距水域距離(X9)及距居民點(diǎn)距離(X10)10個(gè)影響因子，用于分析生態(tài)環(huán)境質(zhì)量與地理環(huán)境因子的內(nèi)在聯(lián)系。在ArcGIS中將所有影響因子進(jìn)行柵格化處理，并統(tǒng)一投影坐標(biāo)系。
2 結(jié)果與分析
2.1 滇池流域三生空間轉(zhuǎn)型及變化
2.1.1 三生空間分布及變化 由圖2可知，滇池流域主要以林地生態(tài)空間為主，分布于流域四周，農(nóng)業(yè)生活空間和城鎮(zhèn)生活空間圍繞滇池集中分布。三生空間類型面積所占流域總體面積大小排列為：林地生態(tài)空間>農(nóng)業(yè)生產(chǎn)空間>草地生態(tài)空間>水域生態(tài)空間>城鎮(zhèn)生活空間>農(nóng)村生活空間>工業(yè)生產(chǎn)空間。1990—2018年滇池流域工業(yè)生產(chǎn)空間以及城鎮(zhèn)生活空間呈現(xiàn)增加趨勢(shì)，其中城鎮(zhèn)生活空間增加了349.96 km2，其余5類三生空間用地面積均呈現(xiàn)不同程度的減少，農(nóng)業(yè)生產(chǎn)空間和草地生態(tài)空間分別減少256.72、127.51 km2(表2)。大量農(nóng)業(yè)生產(chǎn)空間由于城市建設(shè)發(fā)展需要逐漸轉(zhuǎn)化為城鎮(zhèn)生活空間，城鎮(zhèn)生活空間大面積分布于滇池以北的昆明市主城區(qū)(五華、盤龍、官渡、西山區(qū))，城鎮(zhèn)生活空間面積由1990年的96.24 km2增長(zhǎng)至2018年的4460.20 km2。因此，對(duì)于三生空間的劇烈變化給流域整體生態(tài)環(huán)境造成破壞及生態(tài)環(huán)境質(zhì)量降低等問題需要進(jìn)一步重視。
表2 1990—2018年滇池流域三生空間用地類型面積
圖2 1990—2018年滇池流域三生空間分布
2.1.2 三生空間動(dòng)態(tài)度變化 從圖3可知，滇池流域1990—2018年農(nóng)業(yè)生產(chǎn)空間以及草地生態(tài)空間大面積減少，城鎮(zhèn)生活空間增加顯著。其中2010—2018年間流域三生空間變化最劇烈，農(nóng)業(yè)生產(chǎn)空間、農(nóng)村生活空間、林地生態(tài)空間以及草地生態(tài)空間分別下降139.87、66.99、33.96和51.27 km2，城鎮(zhèn)生活空間增加272.88 km2。農(nóng)業(yè)生產(chǎn)空間、生態(tài)空間的急速下降與城鎮(zhèn)生活空間的大幅增加息息相關(guān)，城鎮(zhèn)生活空間土地利用動(dòng)態(tài)度符合流域經(jīng)濟(jì)與城鎮(zhèn)建設(shè)的發(fā)展趨勢(shì)。從土地利用動(dòng)態(tài)度看，工業(yè)生產(chǎn)空間在2000—2010年升高最明顯，工業(yè)生產(chǎn)空間升高20.55%，此外城鎮(zhèn)生活空間降低1.35%，但在2010—2018年城鎮(zhèn)生活空間增加迅速，升高19.68%。
圖3 1990—2018年滇池流域三生空間動(dòng)態(tài)度變化情況
結(jié)合滇池流域1990—2018年三生空間轉(zhuǎn)移矩陣(表3)來看，大量農(nóng)業(yè)生產(chǎn)空間轉(zhuǎn)化為城鎮(zhèn)生活空間，轉(zhuǎn)換面積達(dá)202.76 km2。由于流域經(jīng)濟(jì)與城鎮(zhèn)建設(shè)發(fā)展需要，城鎮(zhèn)生活空間范圍擴(kuò)大，增加迅速，與此同時(shí)林地、草地生態(tài)空間的減少使流域經(jīng)濟(jì)社會(huì)發(fā)展與生態(tài)環(huán)境保護(hù)之間矛盾加劇。
表3 1990—2018年滇池流域三生空間面積轉(zhuǎn)移矩陣
2.2 滇池流域三生空間轉(zhuǎn)型的生態(tài)環(huán)境效應(yīng)
2.2.1 生態(tài)環(huán)境質(zhì)量的空間分布演變 為更好展現(xiàn)滇池流域生態(tài)環(huán)境質(zhì)量的時(shí)空變化特征，結(jié)合研究區(qū)的實(shí)地情況，劃分2 km×2 km格網(wǎng)，基于ArcGIS 10.8軟件的Kriging插值法和自然間斷點(diǎn)分級(jí)法，將滇池流域生態(tài)環(huán)境質(zhì)量分為高[0.93，∞)、較高[0.77，0.93)、一般[0.58，0.77)、較低[0.36，0.58)、低[0.08.0.36)5個(gè)等級(jí)。由圖4可以看出，流域生態(tài)環(huán)境低質(zhì)量區(qū)在滇池沿岸集中分布，整體上呈現(xiàn)“倒C型”，并向官渡、呈貢區(qū)不斷擴(kuò)大，至2018年形成了大面積團(tuán)塊狀的生態(tài)環(huán)境低質(zhì)量區(qū)。較高質(zhì)量區(qū)、高質(zhì)量區(qū)大部分分布于流域東側(cè)官渡區(qū)以及北部嵩明縣，屬林、草地生態(tài)空間大范圍聚集地。隨著城市發(fā)展的需要，2010年后流域東側(cè)官渡區(qū)部分空間也逐漸出現(xiàn)低質(zhì)量區(qū)、較低質(zhì)量區(qū)的中心點(diǎn)，為緩解主城區(qū)人口、用地壓力使城市布局向外側(cè)蔓延，侵占大量林、草地生態(tài)空間，造成生態(tài)環(huán)境質(zhì)量下降明顯。
圖4 1990—2018年滇池流域生態(tài)環(huán)境質(zhì)量空間分布
從表4可以看出，1990—2018年，滇池流域生態(tài)環(huán)境質(zhì)量數(shù)值呈現(xiàn)下降趨勢(shì)。1990—2018年，流域低質(zhì)量區(qū)面積呈現(xiàn)增加趨勢(shì)，增加面積達(dá)271.60 km2，變化率達(dá)107.82%；較低質(zhì)量區(qū)、一般質(zhì)量區(qū)、較高質(zhì)量區(qū)以及高質(zhì)量區(qū)分別減少40.74、94.20、87.33和49.33 km2。結(jié)合滇池流域生態(tài)環(huán)境質(zhì)量轉(zhuǎn)移矩陣來看(表5)，滇池流域低質(zhì)量區(qū)主要由較低質(zhì)量區(qū)轉(zhuǎn)入，轉(zhuǎn)入面積達(dá)201.36 km2。未來應(yīng)重點(diǎn)關(guān)注該區(qū)域生態(tài)系統(tǒng)穩(wěn)定性的維護(hù)，避免城市的快速發(fā)展造成生態(tài)環(huán)境質(zhì)量降低，影響人居環(huán)境和諧。
表4 1990—2018年滇池流域各等級(jí)生態(tài)環(huán)境質(zhì)量面積
表5 1990—2018年滇池流域生態(tài)環(huán)境質(zhì)量等級(jí)轉(zhuǎn)移矩陣
2.2.2 生態(tài)環(huán)境質(zhì)量空間相關(guān)性 利用GeoDA軟件分析滇池流域生態(tài)環(huán)境質(zhì)量空間格局，1990年、2000年、2010年、2020 年研究區(qū)全局Moran’sI值分別為0.583、0.600、0.614、0.640，且P值均小于0.01(圖5)，說明研究區(qū)生態(tài)質(zhì)量指數(shù)整體呈顯著正相關(guān)，全局Moran’sI值隨時(shí)間推移而增大，表明空間集聚效應(yīng)相對(duì)增強(qiáng)，區(qū)域差異增大，空間發(fā)展不均衡態(tài)勢(shì)顯著。
圖5 1990—2018年滇池流域生態(tài)環(huán)境質(zhì)量Moran’s I 散點(diǎn)圖
結(jié)合熱點(diǎn)分析(圖6)可知，滇池流域生態(tài)環(huán)境質(zhì)量熱點(diǎn)區(qū)面積較小，多分布于流域東側(cè)的林、草地生態(tài)空間集聚地，且熱點(diǎn)區(qū)面積逐年減小。冷點(diǎn)區(qū)大面積分布于流域經(jīng)濟(jì)發(fā)展較快的主城區(qū)，隨著時(shí)間推移，面積逐漸增大。對(duì)比1990—2018年4期生態(tài)環(huán)境質(zhì)量熱點(diǎn)分析可知，滇池流域主城區(qū)承擔(dān)著經(jīng)濟(jì)發(fā)展的重要任務(wù)，隨著城市發(fā)展需要，城鎮(zhèn)生活空間擴(kuò)張迅速，冷點(diǎn)區(qū)隨之增大明顯。
2.3 滇池流域生態(tài)環(huán)境效應(yīng)影響因素
2.3.1 單因子探測(cè) 考慮到數(shù)據(jù)的可獲取性以及研究的側(cè)重點(diǎn)，選取滇池流域生態(tài)環(huán)境質(zhì)量最低的2018年作為目標(biāo)年份，從自然環(huán)境因素、社會(huì)經(jīng)濟(jì)因素以及可達(dá)性3個(gè)方面選取驅(qū)動(dòng)因子識(shí)別影響滇池流域生態(tài)環(huán)境質(zhì)量的主導(dǎo)因子。由表6可知，影響滇池流域生態(tài)環(huán)境質(zhì)量的q值排名為：人口密度>夜光遙感>路網(wǎng)密度>GDP>氣溫>降水>地形起伏度>距居民點(diǎn)距離>距道路距離>距水域距離。說明，滇池流域生態(tài)環(huán)境質(zhì)量改變主要受社會(huì)經(jīng)濟(jì)因素的影響，以人口密度的影響最為突出，達(dá)0.487。研究區(qū)為昆明市以及云南省重要經(jīng)濟(jì)中心，人類活動(dòng)對(duì)三生空間的干擾程度劇烈，空間沖突顯著突出，使原有三生空間穩(wěn)定性極易被打破，從而對(duì)流域整體生態(tài)環(huán)境造成嚴(yán)重威脅。其次，面積較小的滇池流域匯聚著昆明市大部分人口，城鎮(zhèn)化的快速發(fā)展促使人口愈發(fā)集聚，為滿足城市人口生活和生產(chǎn)需要，大部分農(nóng)業(yè)生活空間或林地、草地生態(tài)空間轉(zhuǎn)化為城鎮(zhèn)生活空間。此外，自然環(huán)境因素以及可達(dá)性方面可作為生態(tài)環(huán)境質(zhì)量的主控因素，未來更需要注重流域開發(fā)過程中人類活動(dòng)對(duì)生態(tài)系統(tǒng)整體性、穩(wěn)定性的影響，平衡好生產(chǎn)-生活-生態(tài)空間之間的動(dòng)態(tài)關(guān)系，實(shí)現(xiàn)流域生態(tài)環(huán)境保護(hù)與經(jīng)濟(jì)發(fā)展同步化。
表6 滇池流域生態(tài)環(huán)境質(zhì)量驅(qū)動(dòng)因子分異結(jié)果
2.3.2 因子交互作用分析 借助地理探測(cè)器模型中的交互探測(cè)模塊識(shí)別不同因子之間的交互影響作用[31]，研究區(qū)在所選因子中任意2個(gè)因子的交互作用均大于單個(gè)因子的影響，說明導(dǎo)致研究區(qū)生態(tài)環(huán)境質(zhì)量空間分異結(jié)果并不是由單一影響因子造成的。從圖7可知，夜光遙感(X6)和人口密度(X7)與自然環(huán)境因素交互作用強(qiáng)烈，具體來看，夜光遙感(X6)∩氣溫(X2)和降水(X3)交互作用影響最為突出，二者均達(dá)到0.618以上，此外人口密度(X7)∩氣溫(X2)和降水(X3)以及地形起伏度(X1)交互作用也達(dá)到0.5以上。自然環(huán)境因素作為生態(tài)環(huán)境質(zhì)量的基底，良好的氣候條件對(duì)于區(qū)域生態(tài)環(huán)境質(zhì)量而言具有調(diào)節(jié)作用。此外，滇池流域作為昆明以及云南省重要的經(jīng)濟(jì)發(fā)展區(qū)，承擔(dān)著經(jīng)濟(jì)發(fā)展重任，為應(yīng)對(duì)人口壓力，城鎮(zhèn)生活空間不斷增加，高強(qiáng)度的人類活動(dòng)對(duì)生態(tài)環(huán)境質(zhì)量威脅嚴(yán)重，促使滇池流域生態(tài)環(huán)境質(zhì)量下降顯著。考慮到不同因子之間的差異及協(xié)同作用，規(guī)避生態(tài)環(huán)境質(zhì)量惡化加劇，維持生態(tài)系統(tǒng)穩(wěn)定性，需采取多元調(diào)控手段，避免過度的人為活動(dòng)造成環(huán)境保護(hù)負(fù)載。
圖7 滇池流域生態(tài)環(huán)境質(zhì)量驅(qū)動(dòng)因子交互探測(cè)結(jié)果
3 討 論
3.1 不同類型生態(tài)環(huán)境質(zhì)量區(qū)管理建議
生態(tài)文明建設(shè)是中華民族永續(xù)發(fā)展的千年大計(jì)，良好的生態(tài)環(huán)境成為提高民生福祉、創(chuàng)造美好人居環(huán)境的重要前提[33]，遵循“生態(tài)優(yōu)先、綠色發(fā)展”的戰(zhàn)略成為可持續(xù)發(fā)展的主旋律，關(guān)注高原湖泊流域經(jīng)濟(jì)發(fā)展和生態(tài)保護(hù)對(duì)于構(gòu)建和諧的“山水林田湖草”共同體至關(guān)重要。隨著城市化的加快發(fā)展，城鎮(zhèn)生活空間不斷外擴(kuò)，給滇池流域整體生態(tài)環(huán)境造成巨大威脅。同時(shí)，已有學(xué)者關(guān)注到滇池由原來的“城郊湖”逐漸轉(zhuǎn)變?yōu)椤俺切暮盵34]，滇池沿岸原有的農(nóng)業(yè)生活空間逐漸被城鎮(zhèn)生活空間所替代，三生空間變化劇烈，由此帶來的生態(tài)環(huán)境問題不容小覷。根據(jù)本研究可知，1990—2018年滇池流域大量的林地、草地生態(tài)空間由于快速城市化建設(shè)需要被城鎮(zhèn)生活空間所擠占，城鎮(zhèn)生活空間增長(zhǎng)急速，大量的人口涌入加劇了流域生態(tài)環(huán)境壓力，改變了流域原有的三生空間格局，促使生態(tài)環(huán)境低質(zhì)量區(qū)面積迅速擴(kuò)張，滇池流域生態(tài)環(huán)境質(zhì)量下降趨勢(shì)明顯，經(jīng)濟(jì)發(fā)展與環(huán)境保護(hù)二維困境顯著。如何在經(jīng)濟(jì)發(fā)展與生態(tài)保護(hù)中闖出一條特有的路子，平衡好生態(tài)空間和生活空間的關(guān)系，成為云南九大高原湖泊流域地區(qū)下一步城市未來規(guī)劃建設(shè)過程中亟需考慮的問題?；诖耍柙诹饔虬l(fā)展過程中加強(qiáng)對(duì)人口、土地的進(jìn)一步管控，并提出具體的解決措施：①生態(tài)環(huán)境低質(zhì)量區(qū)，當(dāng)前滇池流域生態(tài)環(huán)境低質(zhì)量區(qū)主要分布與城鎮(zhèn)生活空間范圍相似，面積隨著城市擴(kuò)張而不斷增大，因此生活空間內(nèi)部建設(shè)成為后續(xù)發(fā)展需重點(diǎn)關(guān)注的任務(wù)，即城市綠地公園修建、濕地公園旅游的有序開展以及貫徹城市居民生態(tài)保護(hù)理念。②生態(tài)環(huán)境一般質(zhì)量區(qū)，這類區(qū)域主要圍繞已建成城鎮(zhèn)生活空間的外圍分布，由于城市發(fā)展需要，為容納和緩解主城區(qū)人口壓力，極有可能會(huì)因城鎮(zhèn)生活空間擴(kuò)張而轉(zhuǎn)變?yōu)樯鷳B(tài)環(huán)境低質(zhì)量區(qū)，因此在未來的發(fā)展過程中應(yīng)該更加關(guān)注城鎮(zhèn)生活空間開發(fā)的有序性、發(fā)展的可控性，嚴(yán)守生態(tài)紅線，實(shí)現(xiàn)有序、適度發(fā)展，避免快速城市化進(jìn)程中所帶來的空間溢出效應(yīng)對(duì)該區(qū)域生態(tài)環(huán)境造成影響。③生態(tài)環(huán)境高質(zhì)量區(qū)，這類區(qū)域面積不斷縮小，且該區(qū)大部分分布于流域外圍，植樹造林、保護(hù)林草地生態(tài)空間成為重中之重，同時(shí)，急需控制各類開發(fā)對(duì)生態(tài)空間的占用和擾動(dòng)，強(qiáng)調(diào)生態(tài)功能的有效發(fā)揮，全面統(tǒng)籌山水林田湖草等生態(tài)要素，實(shí)施好流域生態(tài)修復(fù)和環(huán)境保護(hù)工程，為流域留足綠色高質(zhì)量發(fā)展空間。
3.2 研究展望
當(dāng)前，生態(tài)環(huán)境質(zhì)量測(cè)算大多采用賦值法計(jì)算[12,25]，對(duì)于特殊區(qū)域典型性、空間異質(zhì)性考慮還有所欠缺，參考景觀格局指數(shù)有效修正的綜合生態(tài)環(huán)境質(zhì)量評(píng)價(jià)模型從空間格局和功能屬性出發(fā)，更加清晰全面地反映三生空間演變過程中生態(tài)環(huán)境質(zhì)量的時(shí)間變化及其空間分布。因此，未來在開展研究的過程中，可根據(jù)研究區(qū)實(shí)際情況，選用合適的生態(tài)環(huán)境質(zhì)量評(píng)估模型，科學(xué)評(píng)價(jià)生態(tài)環(huán)境質(zhì)量，為地區(qū)可持續(xù)發(fā)展提供科學(xué)參考。
4 結(jié) 論
(1)1990—2018年滇池流域三生空間變化劇烈，以農(nóng)業(yè)生活空間向城鎮(zhèn)生活空間轉(zhuǎn)移面積最突出，城鎮(zhèn)生活空間較1990年增長(zhǎng)227.88 km2。
(2)1990—2018年滇池流域生態(tài)環(huán)境質(zhì)量下降顯著，城市擴(kuò)張使生態(tài)環(huán)境低質(zhì)量區(qū)在空間上圍繞滇池沿岸逐漸形成團(tuán)塊化連片分布。
(3)1990—2018年滇池流域生態(tài)環(huán)境質(zhì)量全局Moran’sI值分別為0.583、0.600、0.614、0.640，空間集聚特征增強(qiáng)，生態(tài)環(huán)境質(zhì)量冷熱點(diǎn)空間分異顯著，生態(tài)環(huán)境質(zhì)量熱點(diǎn)區(qū)面積狹小，分布于流域四周林、草地生態(tài)空間密集區(qū)，冷點(diǎn)區(qū)則大面積分布于滇池沿岸生活空間，且面積增加迅速。
(4)造成滇池流域生態(tài)環(huán)境質(zhì)量下降最顯著的因素為人口密度，結(jié)合滇池流域近三十年間城鎮(zhèn)生活空間迅速增長(zhǎng)可知，人類活動(dòng)的增強(qiáng)給流域生態(tài)環(huán)境穩(wěn)定性帶來威脅，造成流域整體生態(tài)環(huán)境問題凸顯。
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武 燕，吳映梅，陳云娟，李 琛，高彬嬪，鄭可君,2，李 嬋
(1.云南師范大學(xué)地理學(xué)部，昆明 650500；2.云南省社會(huì)科學(xué)院，昆明 650000)
【研究意義】高原湖泊流域相較一般湖泊流域而言，兼具高生態(tài)價(jià)值和高脆弱性等特點(diǎn)，作為人類活動(dòng)的重要空間載體，隨著經(jīng)濟(jì)發(fā)展進(jìn)程的快速推進(jìn)，流域土地利用變化劇烈，生態(tài)環(huán)境受到嚴(yán)重破壞[1-2]。2021年9月云南省生態(tài)環(huán)境廳印發(fā)《關(guān)于進(jìn)一步加強(qiáng)九大高原湖泊生態(tài)環(huán)境監(jiān)管工作的通知》，進(jìn)一步強(qiáng)調(diào)高原湖泊流域需嚴(yán)控開發(fā)強(qiáng)度，杜絕無序開發(fā)，加快推進(jìn)九湖流域生態(tài)環(huán)境持續(xù)改變。因此，針對(duì)高原湖泊流域土地利用變化所造成的生態(tài)環(huán)境效應(yīng)及影響機(jī)制研究既可豐富特殊區(qū)域生態(tài)環(huán)境研究理論，又能為破解經(jīng)濟(jì)快速發(fā)展進(jìn)程下高原湖泊流域社會(huì)經(jīng)濟(jì)發(fā)展與生態(tài)保護(hù)的二維困境提供相應(yīng)解決思路?！厩叭搜芯窟M(jìn)展】土地利用變化作為人類活動(dòng)與自然環(huán)境相互作用最直接的表現(xiàn)形式，是全球生態(tài)環(huán)境變化研究重點(diǎn)之一[3-4]。隨著經(jīng)濟(jì)社會(huì)的迅速發(fā)展，城市擴(kuò)張使得土地利用類型大規(guī)模的發(fā)生變化，往往會(huì)對(duì)生態(tài)環(huán)境造成極大破壞，嚴(yán)重影響區(qū)域可持續(xù)發(fā)展[5-6]。土地利用與生態(tài)環(huán)境關(guān)系被看作是人與自然關(guān)系的縮影[7-8]，Wijesekara[9]運(yùn)用耦合CA的ERWHM9水文模型模擬了未來2035年土地利用變化對(duì)加拿大艾伯塔省南部艾伯河流域水文過程的影響程度；Paavo等[10]基于城市擴(kuò)張對(duì)生態(tài)資源和環(huán)境空間影響進(jìn)行了綜合分析，認(rèn)為城市擴(kuò)張對(duì)生態(tài)環(huán)境質(zhì)量而言具有重要負(fù)向影響，因此需要重視城市發(fā)展過程中所帶來的生態(tài)環(huán)境問題，這也與趙亞莉等[11]的研究一致；楊清可等[12]基于三生空間的土地利用轉(zhuǎn)型對(duì)黃河三角洲生態(tài)環(huán)境效應(yīng)空間異質(zhì)性進(jìn)行了探究；蓋兆雪等[13]對(duì)松花江流域土地利用轉(zhuǎn)移過程中生態(tài)環(huán)境效應(yīng)及其影響因素進(jìn)行了討論；劉強(qiáng)等[14]基于CA-Markov多情景模擬對(duì)海南島土地利用變化及其生態(tài)環(huán)境效應(yīng)展開研究?，F(xiàn)有研究重點(diǎn)圍繞土地利用轉(zhuǎn)型過程中生態(tài)環(huán)境效應(yīng)及其響應(yīng)[12,15-16]、生態(tài)環(huán)境效應(yīng)多情景模擬[14,17]等方面開展，對(duì)于生態(tài)環(huán)境效應(yīng)驅(qū)動(dòng)因子及交互作用探析有待進(jìn)一步深化討論[13]。同時(shí)通過追蹤土地利用結(jié)構(gòu)、數(shù)量和空間變化，運(yùn)用生態(tài)環(huán)境質(zhì)量指數(shù)模型定量刻畫地區(qū)生態(tài)環(huán)境質(zhì)量時(shí)空演變特征已得到廣泛運(yùn)用[16]，但多是基于賦值法[15]進(jìn)行計(jì)算，強(qiáng)調(diào)土地利用方式的空間格局和功能屬性而構(gòu)建出的綜合生態(tài)環(huán)境質(zhì)量模型逐漸興起[18]。此外，有關(guān)研究區(qū)選擇大多聚焦于國家[16]、省(市、區(qū))[19]、縣[20]、城市群[21]、流域[17]，對(duì)于高原湖泊流域這類特殊區(qū)域的生態(tài)環(huán)境效應(yīng)關(guān)注較少?！颈狙芯壳腥朦c(diǎn)】選取典型高原湖泊流域—滇池流域，遵循“時(shí)間序列—空間結(jié)構(gòu)—?jiǎng)右驒C(jī)制”的研究范式，從“三生”土地利用主導(dǎo)功能分類體系出發(fā)探討高原湖泊流域三生空間演變過程，并通過綜合生態(tài)環(huán)境質(zhì)量指數(shù)評(píng)估模型對(duì)滇池流域生態(tài)環(huán)境質(zhì)量進(jìn)行綜合測(cè)度，同時(shí)運(yùn)用全局空間自相關(guān)、熱點(diǎn)分析工具(Getis-Ord Gi*)和地理探測(cè)器探索三生空間轉(zhuǎn)型過程中生態(tài)環(huán)境效應(yīng)的演化特征和形成機(jī)理，彌補(bǔ)高原湖泊流域三生空間轉(zhuǎn)型與生態(tài)環(huán)境質(zhì)量變化研究的不足?！緮M解決的關(guān)鍵問題】從三生空間轉(zhuǎn)型視角出發(fā)，定量分析滇池流域1990—2018年生態(tài)環(huán)境效應(yīng)，并采用地理探測(cè)器分析其影響因子，為高原湖泊流域協(xié)調(diào)經(jīng)濟(jì)發(fā)展與生態(tài)環(huán)境保護(hù)矛盾，推進(jìn)生態(tài)文明建設(shè)，實(shí)現(xiàn)流域可持續(xù)發(fā)展提供理論依據(jù)。
1 材料與方法
1.1 研究區(qū)域
滇池流域(102°30′～103°02′E，24°28′～25°23′N)是長(zhǎng)江上游生態(tài)安全的重要組成部分，也是云南九大高原湖泊流域的重要組成部分。整體位于滇中地區(qū)，范圍北起嵩明縣梁王山脈，南至?xí)x寧區(qū)照碧山，東起呈貢區(qū)梁王山，西至大青山和西山，流域面積2920 km2，主要涉及五華區(qū)、盤龍區(qū)、西山區(qū)、官渡區(qū)、呈貢區(qū)、晉寧區(qū)、嵩明縣7個(gè)行政區(qū)單元(圖1)[22-23]。研究區(qū)屬于亞熱帶季風(fēng)濕潤性氣候，年平均氣溫15 ℃，年平均降雨量935 mm，氣候宜人、地形平坦。特殊的地理位置以及優(yōu)越的自然環(huán)境使滇池流域自古以來便成為云南省城市化發(fā)展的重要空間載體。近年來，由于經(jīng)濟(jì)社會(huì)快速發(fā)展，城市化進(jìn)程的不斷加快使流域三生空間發(fā)生劇烈轉(zhuǎn)變，生產(chǎn)和生態(tài)空間出現(xiàn)縮小趨勢(shì)，城鎮(zhèn)生活空間不斷增加，經(jīng)濟(jì)發(fā)展和生態(tài)環(huán)境保護(hù)的雙重制衡嚴(yán)峻，流域內(nèi)生態(tài)環(huán)境質(zhì)量亟待關(guān)注與保護(hù)。
圖1 研究區(qū)的位置和范圍
1.2 數(shù)據(jù)來源及處理
滇池流域1990年、2000年、2010年、2018年4期土地利用數(shù)據(jù)來源于中國科學(xué)院資源環(huán)境數(shù)據(jù)云平臺(tái)( http://www.resdc.cn)，空間分辨率為30 m×30 m；DEM數(shù)據(jù)來自地理空間數(shù)據(jù)云(http://www.gscloud.cn)，空間分辨率為30 m×30 m，在此基礎(chǔ)上運(yùn)用 ArcGIS 10.8 獲取地形起伏度等數(shù)據(jù)；氣溫、降水、GDP等數(shù)據(jù)來源于中國科學(xué)院資源環(huán)境科學(xué)與數(shù)據(jù)中心(http://www.resdc.cn)，空間分辨率為1 km×1 km；道路數(shù)據(jù)來自于國家基礎(chǔ)地理信息中心1∶25萬全國基礎(chǔ)地理數(shù)據(jù)庫(https://www.webmap.cn)；夜光遙感數(shù)據(jù)來源于Luojia1-01數(shù)據(jù)(http://59.175.109.173:8888/index.html)，并利用ENVI 5.3對(duì)其進(jìn)行校正，人口密度數(shù)據(jù)來自Wordpop的人口密度數(shù)據(jù)集(https://www.worldpop.org/)。
1.3 研究方法
1.3.1 土地利用變化速率計(jì)算 選用土地變化速率表征不同類型的三生空間在一定時(shí)期內(nèi)的轉(zhuǎn)換速度，其值越大，表示三生空間類型轉(zhuǎn)換越強(qiáng)[4,24]，變化越大。
(1)
式中，K為研究期內(nèi)某一土地利用類型動(dòng)態(tài)度；Ua、Ub為研究起始期與末期單一土地利用類型面積；T為研究時(shí)段(年)。
1.3.2 生態(tài)環(huán)境質(zhì)量計(jì)算 將滇池流域不同土地利用類型按照三生空間劃分標(biāo)準(zhǔn)劃分為生產(chǎn)空間、生活空間以及生態(tài)空間[25](表1)。參考王永洵等[18]的研究，選用生態(tài)環(huán)境屬性因子以及生態(tài)環(huán)境格局因子，以綜合生態(tài)環(huán)境質(zhì)量指數(shù)模型測(cè)度滇池流域生態(tài)環(huán)境質(zhì)量。生態(tài)環(huán)境屬性因子(Fi)參考楊清可等[12]的研究，以表征基本地類的環(huán)境屬性。僅通過單一地類轉(zhuǎn)換不足以完全科學(xué)測(cè)算土地轉(zhuǎn)型過程中生態(tài)環(huán)境質(zhì)量的變化，土地利用轉(zhuǎn)型過程中往往會(huì)帶來斑塊、形狀等變化，因此王永洵等[18]從景觀脆弱度、分離度、優(yōu)勢(shì)度出發(fā)，基于景觀格局指數(shù)構(gòu)建出生態(tài)環(huán)境格局因子(Si)，以景觀組合的空間關(guān)系模式來反映宏觀尺度下土地利用轉(zhuǎn)型對(duì)區(qū)域生態(tài)環(huán)境質(zhì)量的影響[18,26-27]。
表1 三生空間土地利用功能分類及其生態(tài)環(huán)境質(zhì)量指數(shù)
(2)
式中：EV為綜合生態(tài)環(huán)境質(zhì)量指數(shù)，Ai和A分別為采樣單元范圍內(nèi)第i種用地類型的面積和采樣單元總面積，F(xiàn)i為第i類用地類型的生態(tài)環(huán)境屬性因子，Si為第i類用地類型的生態(tài)環(huán)境格局因子，兩者經(jīng)過無量綱化處理，共同構(gòu)成了第i類用地類型的綜合生態(tài)環(huán)境質(zhì)量指數(shù)。
對(duì)景觀破碎度Ci、景觀分離度Ni和景觀優(yōu)勢(shì)度Di3個(gè)景觀格局指數(shù)進(jìn)行加權(quán)疊加，三者權(quán)重為a=0.6，b=0.3，c=0.1，權(quán)重分配具體參考謝花林等[28]的研究，景觀格局指數(shù)計(jì)算參考高彬嬪等[29]的方法。構(gòu)建出生態(tài)環(huán)境格局因子Si，用于表征景觀格局指數(shù)變化對(duì)區(qū)域生態(tài)環(huán)境質(zhì)量的影響。
(3)
1.3.3 全局空間自相關(guān) 采用探索性空間數(shù)據(jù)分析(Exploratory Spatial Data Analysis, ESDA)方法探討滇池流域生態(tài)環(huán)境質(zhì)量的空間分布模式及異質(zhì)性特征[29]。其中空間自相關(guān)主要包括全局空間自相關(guān)性和局部空間自相關(guān)性，研究選取Moran’sI指數(shù)來反映全局自相關(guān)程度，Moran’sI的取值范圍為[-1,1]，若Moran’sI為正值，則表明流域生態(tài)環(huán)境質(zhì)量在空間上呈現(xiàn)出較高聚集水平，值越大，越顯著，反之則為分散。具體參考高彬嬪等[29]的方法。
1.3.4 冷熱點(diǎn)分析 運(yùn)用熱點(diǎn)分析[16,30](Getis-Ord Gi*)指數(shù)識(shí)別具有顯著空間集聚特征性的高值和低值區(qū)分布位置，具體參考趙筱青等[30]的方法。
1.3.5 地理探測(cè)器 以研究區(qū)生態(tài)環(huán)境質(zhì)量為因變量，以影響滇池流域生態(tài)環(huán)境質(zhì)量的各因素為自變量，選用地理探測(cè)器中的因子探測(cè)器和交互探測(cè)器分析各驅(qū)動(dòng)因子及因子組合對(duì)研究區(qū)生態(tài)環(huán)境質(zhì)量空間異質(zhì)性的解釋程度，具體如下[31]。
(4)
(5)
SST=Nσ2
(6)
此外，綜合考慮研究區(qū)實(shí)際情況以及參考已有研究[13,32]，從自然因素、社會(huì)經(jīng)濟(jì)因素和可達(dá)性3方面選取地形起伏度(X1)、年平均氣溫(X2)、年降水量(X3)、公里網(wǎng)格GDP(X4)、路網(wǎng)密度(X5)、夜光遙感(X6)、人口密度(X7)、距道路距離(X8)、距水域距離(X9)及距居民點(diǎn)距離(X10)10個(gè)影響因子，用于分析生態(tài)環(huán)境質(zhì)量與地理環(huán)境因子的內(nèi)在聯(lián)系。在ArcGIS中將所有影響因子進(jìn)行柵格化處理，并統(tǒng)一投影坐標(biāo)系。
2 結(jié)果與分析
2.1 滇池流域三生空間轉(zhuǎn)型及變化
2.1.1 三生空間分布及變化 由圖2可知，滇池流域主要以林地生態(tài)空間為主，分布于流域四周，農(nóng)業(yè)生活空間和城鎮(zhèn)生活空間圍繞滇池集中分布。三生空間類型面積所占流域總體面積大小排列為：林地生態(tài)空間>農(nóng)業(yè)生產(chǎn)空間>草地生態(tài)空間>水域生態(tài)空間>城鎮(zhèn)生活空間>農(nóng)村生活空間>工業(yè)生產(chǎn)空間。1990—2018年滇池流域工業(yè)生產(chǎn)空間以及城鎮(zhèn)生活空間呈現(xiàn)增加趨勢(shì)，其中城鎮(zhèn)生活空間增加了349.96 km2，其余5類三生空間用地面積均呈現(xiàn)不同程度的減少，農(nóng)業(yè)生產(chǎn)空間和草地生態(tài)空間分別減少256.72、127.51 km2(表2)。大量農(nóng)業(yè)生產(chǎn)空間由于城市建設(shè)發(fā)展需要逐漸轉(zhuǎn)化為城鎮(zhèn)生活空間，城鎮(zhèn)生活空間大面積分布于滇池以北的昆明市主城區(qū)(五華、盤龍、官渡、西山區(qū))，城鎮(zhèn)生活空間面積由1990年的96.24 km2增長(zhǎng)至2018年的4460.20 km2。因此，對(duì)于三生空間的劇烈變化給流域整體生態(tài)環(huán)境造成破壞及生態(tài)環(huán)境質(zhì)量降低等問題需要進(jìn)一步重視。
表2 1990—2018年滇池流域三生空間用地類型面積
圖2 1990—2018年滇池流域三生空間分布
2.1.2 三生空間動(dòng)態(tài)度變化 從圖3可知，滇池流域1990—2018年農(nóng)業(yè)生產(chǎn)空間以及草地生態(tài)空間大面積減少，城鎮(zhèn)生活空間增加顯著。其中2010—2018年間流域三生空間變化最劇烈，農(nóng)業(yè)生產(chǎn)空間、農(nóng)村生活空間、林地生態(tài)空間以及草地生態(tài)空間分別下降139.87、66.99、33.96和51.27 km2，城鎮(zhèn)生活空間增加272.88 km2。農(nóng)業(yè)生產(chǎn)空間、生態(tài)空間的急速下降與城鎮(zhèn)生活空間的大幅增加息息相關(guān)，城鎮(zhèn)生活空間土地利用動(dòng)態(tài)度符合流域經(jīng)濟(jì)與城鎮(zhèn)建設(shè)的發(fā)展趨勢(shì)。從土地利用動(dòng)態(tài)度看，工業(yè)生產(chǎn)空間在2000—2010年升高最明顯，工業(yè)生產(chǎn)空間升高20.55%，此外城鎮(zhèn)生活空間降低1.35%，但在2010—2018年城鎮(zhèn)生活空間增加迅速，升高19.68%。
圖3 1990—2018年滇池流域三生空間動(dòng)態(tài)度變化情況
結(jié)合滇池流域1990—2018年三生空間轉(zhuǎn)移矩陣(表3)來看，大量農(nóng)業(yè)生產(chǎn)空間轉(zhuǎn)化為城鎮(zhèn)生活空間，轉(zhuǎn)換面積達(dá)202.76 km2。由于流域經(jīng)濟(jì)與城鎮(zhèn)建設(shè)發(fā)展需要，城鎮(zhèn)生活空間范圍擴(kuò)大，增加迅速，與此同時(shí)林地、草地生態(tài)空間的減少使流域經(jīng)濟(jì)社會(huì)發(fā)展與生態(tài)環(huán)境保護(hù)之間矛盾加劇。
表3 1990—2018年滇池流域三生空間面積轉(zhuǎn)移矩陣
2.2 滇池流域三生空間轉(zhuǎn)型的生態(tài)環(huán)境效應(yīng)
2.2.1 生態(tài)環(huán)境質(zhì)量的空間分布演變 為更好展現(xiàn)滇池流域生態(tài)環(huán)境質(zhì)量的時(shí)空變化特征，結(jié)合研究區(qū)的實(shí)地情況，劃分2 km×2 km格網(wǎng)，基于ArcGIS 10.8軟件的Kriging插值法和自然間斷點(diǎn)分級(jí)法，將滇池流域生態(tài)環(huán)境質(zhì)量分為高[0.93，∞)、較高[0.77，0.93)、一般[0.58，0.77)、較低[0.36，0.58)、低[0.08.0.36)5個(gè)等級(jí)。由圖4可以看出，流域生態(tài)環(huán)境低質(zhì)量區(qū)在滇池沿岸集中分布，整體上呈現(xiàn)“倒C型”，并向官渡、呈貢區(qū)不斷擴(kuò)大，至2018年形成了大面積團(tuán)塊狀的生態(tài)環(huán)境低質(zhì)量區(qū)。較高質(zhì)量區(qū)、高質(zhì)量區(qū)大部分分布于流域東側(cè)官渡區(qū)以及北部嵩明縣，屬林、草地生態(tài)空間大范圍聚集地。隨著城市發(fā)展的需要，2010年后流域東側(cè)官渡區(qū)部分空間也逐漸出現(xiàn)低質(zhì)量區(qū)、較低質(zhì)量區(qū)的中心點(diǎn)，為緩解主城區(qū)人口、用地壓力使城市布局向外側(cè)蔓延，侵占大量林、草地生態(tài)空間，造成生態(tài)環(huán)境質(zhì)量下降明顯。
圖4 1990—2018年滇池流域生態(tài)環(huán)境質(zhì)量空間分布
從表4可以看出，1990—2018年，滇池流域生態(tài)環(huán)境質(zhì)量數(shù)值呈現(xiàn)下降趨勢(shì)。1990—2018年，流域低質(zhì)量區(qū)面積呈現(xiàn)增加趨勢(shì)，增加面積達(dá)271.60 km2，變化率達(dá)107.82%；較低質(zhì)量區(qū)、一般質(zhì)量區(qū)、較高質(zhì)量區(qū)以及高質(zhì)量區(qū)分別減少40.74、94.20、87.33和49.33 km2。結(jié)合滇池流域生態(tài)環(huán)境質(zhì)量轉(zhuǎn)移矩陣來看(表5)，滇池流域低質(zhì)量區(qū)主要由較低質(zhì)量區(qū)轉(zhuǎn)入，轉(zhuǎn)入面積達(dá)201.36 km2。未來應(yīng)重點(diǎn)關(guān)注該區(qū)域生態(tài)系統(tǒng)穩(wěn)定性的維護(hù)，避免城市的快速發(fā)展造成生態(tài)環(huán)境質(zhì)量降低，影響人居環(huán)境和諧。
表4 1990—2018年滇池流域各等級(jí)生態(tài)環(huán)境質(zhì)量面積
表5 1990—2018年滇池流域生態(tài)環(huán)境質(zhì)量等級(jí)轉(zhuǎn)移矩陣
2.2.2 生態(tài)環(huán)境質(zhì)量空間相關(guān)性 利用GeoDA軟件分析滇池流域生態(tài)環(huán)境質(zhì)量空間格局，1990年、2000年、2010年、2020 年研究區(qū)全局Moran’sI值分別為0.583、0.600、0.614、0.640，且P值均小于0.01(圖5)，說明研究區(qū)生態(tài)質(zhì)量指數(shù)整體呈顯著正相關(guān)，全局Moran’sI值隨時(shí)間推移而增大，表明空間集聚效應(yīng)相對(duì)增強(qiáng)，區(qū)域差異增大，空間發(fā)展不均衡態(tài)勢(shì)顯著。
圖5 1990—2018年滇池流域生態(tài)環(huán)境質(zhì)量Moran’s I 散點(diǎn)圖
結(jié)合熱點(diǎn)分析(圖6)可知，滇池流域生態(tài)環(huán)境質(zhì)量熱點(diǎn)區(qū)面積較小，多分布于流域東側(cè)的林、草地生態(tài)空間集聚地，且熱點(diǎn)區(qū)面積逐年減小。冷點(diǎn)區(qū)大面積分布于流域經(jīng)濟(jì)發(fā)展較快的主城區(qū)，隨著時(shí)間推移，面積逐漸增大。對(duì)比1990—2018年4期生態(tài)環(huán)境質(zhì)量熱點(diǎn)分析可知，滇池流域主城區(qū)承擔(dān)著經(jīng)濟(jì)發(fā)展的重要任務(wù)，隨著城市發(fā)展需要，城鎮(zhèn)生活空間擴(kuò)張迅速，冷點(diǎn)區(qū)隨之增大明顯。
2.3 滇池流域生態(tài)環(huán)境效應(yīng)影響因素
2.3.1 單因子探測(cè) 考慮到數(shù)據(jù)的可獲取性以及研究的側(cè)重點(diǎn)，選取滇池流域生態(tài)環(huán)境質(zhì)量最低的2018年作為目標(biāo)年份，從自然環(huán)境因素、社會(huì)經(jīng)濟(jì)因素以及可達(dá)性3個(gè)方面選取驅(qū)動(dòng)因子識(shí)別影響滇池流域生態(tài)環(huán)境質(zhì)量的主導(dǎo)因子。由表6可知，影響滇池流域生態(tài)環(huán)境質(zhì)量的q值排名為：人口密度>夜光遙感>路網(wǎng)密度>GDP>氣溫>降水>地形起伏度>距居民點(diǎn)距離>距道路距離>距水域距離。說明，滇池流域生態(tài)環(huán)境質(zhì)量改變主要受社會(huì)經(jīng)濟(jì)因素的影響，以人口密度的影響最為突出，達(dá)0.487。研究區(qū)為昆明市以及云南省重要經(jīng)濟(jì)中心，人類活動(dòng)對(duì)三生空間的干擾程度劇烈，空間沖突顯著突出，使原有三生空間穩(wěn)定性極易被打破，從而對(duì)流域整體生態(tài)環(huán)境造成嚴(yán)重威脅。其次，面積較小的滇池流域匯聚著昆明市大部分人口，城鎮(zhèn)化的快速發(fā)展促使人口愈發(fā)集聚，為滿足城市人口生活和生產(chǎn)需要，大部分農(nóng)業(yè)生活空間或林地、草地生態(tài)空間轉(zhuǎn)化為城鎮(zhèn)生活空間。此外，自然環(huán)境因素以及可達(dá)性方面可作為生態(tài)環(huán)境質(zhì)量的主控因素，未來更需要注重流域開發(fā)過程中人類活動(dòng)對(duì)生態(tài)系統(tǒng)整體性、穩(wěn)定性的影響，平衡好生產(chǎn)-生活-生態(tài)空間之間的動(dòng)態(tài)關(guān)系，實(shí)現(xiàn)流域生態(tài)環(huán)境保護(hù)與經(jīng)濟(jì)發(fā)展同步化。
表6 滇池流域生態(tài)環(huán)境質(zhì)量驅(qū)動(dòng)因子分異結(jié)果
2.3.2 因子交互作用分析 借助地理探測(cè)器模型中的交互探測(cè)模塊識(shí)別不同因子之間的交互影響作用[31]，研究區(qū)在所選因子中任意2個(gè)因子的交互作用均大于單個(gè)因子的影響，說明導(dǎo)致研究區(qū)生態(tài)環(huán)境質(zhì)量空間分異結(jié)果并不是由單一影響因子造成的。從圖7可知，夜光遙感(X6)和人口密度(X7)與自然環(huán)境因素交互作用強(qiáng)烈，具體來看，夜光遙感(X6)∩氣溫(X2)和降水(X3)交互作用影響最為突出，二者均達(dá)到0.618以上，此外人口密度(X7)∩氣溫(X2)和降水(X3)以及地形起伏度(X1)交互作用也達(dá)到0.5以上。自然環(huán)境因素作為生態(tài)環(huán)境質(zhì)量的基底，良好的氣候條件對(duì)于區(qū)域生態(tài)環(huán)境質(zhì)量而言具有調(diào)節(jié)作用。此外，滇池流域作為昆明以及云南省重要的經(jīng)濟(jì)發(fā)展區(qū)，承擔(dān)著經(jīng)濟(jì)發(fā)展重任，為應(yīng)對(duì)人口壓力，城鎮(zhèn)生活空間不斷增加，高強(qiáng)度的人類活動(dòng)對(duì)生態(tài)環(huán)境質(zhì)量威脅嚴(yán)重，促使滇池流域生態(tài)環(huán)境質(zhì)量下降顯著。考慮到不同因子之間的差異及協(xié)同作用，規(guī)避生態(tài)環(huán)境質(zhì)量惡化加劇，維持生態(tài)系統(tǒng)穩(wěn)定性，需采取多元調(diào)控手段，避免過度的人為活動(dòng)造成環(huán)境保護(hù)負(fù)載。
圖7 滇池流域生態(tài)環(huán)境質(zhì)量驅(qū)動(dòng)因子交互探測(cè)結(jié)果
3 討 論
3.1 不同類型生態(tài)環(huán)境質(zhì)量區(qū)管理建議
生態(tài)文明建設(shè)是中華民族永續(xù)發(fā)展的千年大計(jì)，良好的生態(tài)環(huán)境成為提高民生福祉、創(chuàng)造美好人居環(huán)境的重要前提[33]，遵循“生態(tài)優(yōu)先、綠色發(fā)展”的戰(zhàn)略成為可持續(xù)發(fā)展的主旋律，關(guān)注高原湖泊流域經(jīng)濟(jì)發(fā)展和生態(tài)保護(hù)對(duì)于構(gòu)建和諧的“山水林田湖草”共同體至關(guān)重要。隨著城市化的加快發(fā)展，城鎮(zhèn)生活空間不斷外擴(kuò)，給滇池流域整體生態(tài)環(huán)境造成巨大威脅。同時(shí)，已有學(xué)者關(guān)注到滇池由原來的“城郊湖”逐漸轉(zhuǎn)變?yōu)椤俺切暮盵34]，滇池沿岸原有的農(nóng)業(yè)生活空間逐漸被城鎮(zhèn)生活空間所替代，三生空間變化劇烈，由此帶來的生態(tài)環(huán)境問題不容小覷。根據(jù)本研究可知，1990—2018年滇池流域大量的林地、草地生態(tài)空間由于快速城市化建設(shè)需要被城鎮(zhèn)生活空間所擠占，城鎮(zhèn)生活空間增長(zhǎng)急速，大量的人口涌入加劇了流域生態(tài)環(huán)境壓力，改變了流域原有的三生空間格局，促使生態(tài)環(huán)境低質(zhì)量區(qū)面積迅速擴(kuò)張，滇池流域生態(tài)環(huán)境質(zhì)量下降趨勢(shì)明顯，經(jīng)濟(jì)發(fā)展與環(huán)境保護(hù)二維困境顯著。如何在經(jīng)濟(jì)發(fā)展與生態(tài)保護(hù)中闖出一條特有的路子，平衡好生態(tài)空間和生活空間的關(guān)系，成為云南九大高原湖泊流域地區(qū)下一步城市未來規(guī)劃建設(shè)過程中亟需考慮的問題?；诖耍柙诹饔虬l(fā)展過程中加強(qiáng)對(duì)人口、土地的進(jìn)一步管控，并提出具體的解決措施：①生態(tài)環(huán)境低質(zhì)量區(qū)，當(dāng)前滇池流域生態(tài)環(huán)境低質(zhì)量區(qū)主要分布與城鎮(zhèn)生活空間范圍相似，面積隨著城市擴(kuò)張而不斷增大，因此生活空間內(nèi)部建設(shè)成為后續(xù)發(fā)展需重點(diǎn)關(guān)注的任務(wù)，即城市綠地公園修建、濕地公園旅游的有序開展以及貫徹城市居民生態(tài)保護(hù)理念。②生態(tài)環(huán)境一般質(zhì)量區(qū)，這類區(qū)域主要圍繞已建成城鎮(zhèn)生活空間的外圍分布，由于城市發(fā)展需要，為容納和緩解主城區(qū)人口壓力，極有可能會(huì)因城鎮(zhèn)生活空間擴(kuò)張而轉(zhuǎn)變?yōu)樯鷳B(tài)環(huán)境低質(zhì)量區(qū)，因此在未來的發(fā)展過程中應(yīng)該更加關(guān)注城鎮(zhèn)生活空間開發(fā)的有序性、發(fā)展的可控性，嚴(yán)守生態(tài)紅線，實(shí)現(xiàn)有序、適度發(fā)展，避免快速城市化進(jìn)程中所帶來的空間溢出效應(yīng)對(duì)該區(qū)域生態(tài)環(huán)境造成影響。③生態(tài)環(huán)境高質(zhì)量區(qū)，這類區(qū)域面積不斷縮小，且該區(qū)大部分分布于流域外圍，植樹造林、保護(hù)林草地生態(tài)空間成為重中之重，同時(shí)，急需控制各類開發(fā)對(duì)生態(tài)空間的占用和擾動(dòng)，強(qiáng)調(diào)生態(tài)功能的有效發(fā)揮，全面統(tǒng)籌山水林田湖草等生態(tài)要素，實(shí)施好流域生態(tài)修復(fù)和環(huán)境保護(hù)工程，為流域留足綠色高質(zhì)量發(fā)展空間。
3.2 研究展望
當(dāng)前，生態(tài)環(huán)境質(zhì)量測(cè)算大多采用賦值法計(jì)算[12,25]，對(duì)于特殊區(qū)域典型性、空間異質(zhì)性考慮還有所欠缺，參考景觀格局指數(shù)有效修正的綜合生態(tài)環(huán)境質(zhì)量評(píng)價(jià)模型從空間格局和功能屬性出發(fā)，更加清晰全面地反映三生空間演變過程中生態(tài)環(huán)境質(zhì)量的時(shí)間變化及其空間分布。因此，未來在開展研究的過程中，可根據(jù)研究區(qū)實(shí)際情況，選用合適的生態(tài)環(huán)境質(zhì)量評(píng)估模型，科學(xué)評(píng)價(jià)生態(tài)環(huán)境質(zhì)量，為地區(qū)可持續(xù)發(fā)展提供科學(xué)參考。
4 結(jié) 論
(1)1990—2018年滇池流域三生空間變化劇烈，以農(nóng)業(yè)生活空間向城鎮(zhèn)生活空間轉(zhuǎn)移面積最突出，城鎮(zhèn)生活空間較1990年增長(zhǎng)227.88 km2。
(2)1990—2018年滇池流域生態(tài)環(huán)境質(zhì)量下降顯著，城市擴(kuò)張使生態(tài)環(huán)境低質(zhì)量區(qū)在空間上圍繞滇池沿岸逐漸形成團(tuán)塊化連片分布。
(3)1990—2018年滇池流域生態(tài)環(huán)境質(zhì)量全局Moran’sI值分別為0.583、0.600、0.614、0.640，空間集聚特征增強(qiáng)，生態(tài)環(huán)境質(zhì)量冷熱點(diǎn)空間分異顯著，生態(tài)環(huán)境質(zhì)量熱點(diǎn)區(qū)面積狹小，分布于流域四周林、草地生態(tài)空間密集區(qū)，冷點(diǎn)區(qū)則大面積分布于滇池沿岸生活空間，且面積增加迅速。
(4)造成滇池流域生態(tài)環(huán)境質(zhì)量下降最顯著的因素為人口密度，結(jié)合滇池流域近三十年間城鎮(zhèn)生活空間迅速增長(zhǎng)可知，人類活動(dòng)的增強(qiáng)給流域生態(tài)環(huán)境穩(wěn)定性帶來威脅，造成流域整體生態(tài)環(huán)境問題凸顯。
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