黃河下游河灘地和水域土地功能變化及其驅動因素分析

馬志峰，蔣思奇，趙 利

（1.華北水利水電大學 水利學院，河南 鄭州 450046；2.黃河水利委員會 黃河水利科學研究院，河南 鄭州 450003；3.河南黃河河務局 焦作黃河河務局，河南 焦作 454000）

土地資源的合理規(guī)劃對城市建設和經濟社會發(fā)展起著至關重要的作用［1］，而土地利用情況反映了人類活動對自然資源的影響［2－3］。人類生產生活方式的改變造成土地利用格局的演變，進而對局部地區(qū)生態(tài)平衡造成影響?，F階段，土地利用系統(tǒng)研究已逐漸從關注土地利用變化轉變?yōu)殛P注土地功能變化［4－5］，土地功能反映了土地利用系統(tǒng)提供產品和服務的能力［6］。土地功能涉及的生態(tài)系統(tǒng)直接或間接影響人類的生產生活環(huán)境，因此研究土地功能是實現區(qū)域資源與經濟可持續(xù)發(fā)展的基礎［7］。

黃河是中華民族的母親河，黃河在我國經濟社會發(fā)展和生態(tài)安全方面具有十分重要的地位，黃河流域生態(tài)保護和高質量發(fā)展需要結構合理的土地利用格局來支撐［8］。廖慧等［9］研究表明，1980—2015年草地、旱地和林地是黃河流域最具優(yōu)勢的土地利用類型，土地利用類型變化集中在黃河流域中部和東部，其中草地和旱地土地利用類型的轉移最為突出。陳舒鵬等［10］研究表明，黃河下游寬河段沿岸縣域范圍內，旱地和農村居民地兩種土地利用類型最具優(yōu)勢，占比達80%。劉希朝等［11］研究表明，黃河流域近20 a間，各類型土地利用變化以建設用地面積增加最為明顯，且草地和耕地面積占比最大。張鵬巖等［12］研究發(fā)現，河南黃沙灘區(qū)耕地是土地利用變化的主體，城市擴張導致耕地面積呈明顯下降趨勢。岳瑜素等［13］研究表明，濮陽市黃河灘區(qū)各土地利用類型中耕地面積占優(yōu)，過去幾十年間未利用地、林地和水域主要被開發(fā)為耕地和建設用地，土地利用類型逐漸趨于單一。土地利用系統(tǒng)的產品和服務是土地功能的具體體現，土地功能是土地的固有屬性。因此，認識和掌握土地功能，探索土地功能時空變化影響因素，對于實現土地資源可持續(xù)利用意義重大［14］。近年來，土地功能研究已成為社會關注的熱點，但是基于黃河流域的研究主要集中在土地利用變化方面，對引起黃河流域土地功能變化的驅動因素研究較少。本文聚焦于黃河下游河道，分析各類型土地功能時空變化特征，從自然系統(tǒng)、社會系統(tǒng)、經濟系統(tǒng)選取年均氣溫X1、年均降水量X2、土壤類型X3、人口空間分布X4、GDPX5、夜間燈光亮度X6、距公路距離X7、距河道距離X8、距鐵路距離X9等共9個影響因素，利用地理探測器研究其對黃河下游河道土地功能變化的影響強度以及交互作用機制，以期為黃河下游河道治理提供參考。

1 數據來源與土地功能分類

研究對象為黃河下游桃花峪大橋至陶城鋪，區(qū)域面積約3 137.73 km2。研究區(qū)地處華北平原，屬暖溫帶半濕潤氣候區(qū)，四季分明，降水量較為集中，年均氣溫為12.0～14.8℃［14］。土壤主要有褐土、潮土、鹽堿土等。黃河下游河道濱臨黃河主河槽，具有行洪、滯洪、沉沙等功能，研究區(qū)包括河南、山東兩省下轄的20個縣級行政區(qū)，受“二級懸河”、漫灘洪水及生產環(huán)境和生產條件制約，研究區(qū)社會經濟發(fā)展不均衡。

1.1 數據來源

研究數據主要包括1980年、1990年、1995年、2000年、2005年、2010年、2015年、2020年8期中國土地利用遙感監(jiān)測數據、社會經濟數據、道路數據、全球夜間燈光數據（2000年之前數據缺失）、土壤數據，以上數據均來源于中國科學院資源環(huán)境科學與數據中心（http：／／www.resdc.cn／）。采用離散化分析的方法，結合研究區(qū)實際情況，將年均氣溫、年均降水量、人口空間分布、GDP和夜間燈光亮度數據利用自然間斷法分為6類，與公路、河道、鐵路距離采用自然間斷法分為2類，土壤類型參照《1∶100萬中華人民共和國土壤圖》分為9類。借用GIS軟件，將黃河下游河道劃分為100 m×100 m的網格，共計3 155個網格。

1.2 土地功能分類

2 研究方法

地理探測器是一種探測空間分異性、揭示研究對象驅動力的統(tǒng)計學方法，可以度量自變量對因變量的解釋度，即q值［16］，包括因子探測及交互探測兩方面。若假設性檢驗p值為0.01～0.1，則自變量與因變量之間存在相關性，且p值越接近0.1相關性越強。

（1）因子探測。因子探測可以揭示因變量土地利用變化Y的空間分異特征，以及因子X對因變量Y空間分異性的解釋程度，公式為

式中：q為因子X對土地利用變化空間分異性的解釋程度，取值范圍為［0～1］，q值越大，說明該因子對土地利用變化的影響越大；L為因子X分區(qū)或分類數目；Nh和N分別為因子X第h類的樣本數和區(qū)域中樣本總數；σh和σ分別為因子X第h類的方差和區(qū)域總方差；SSW、SST分別為層內（同一類樣本）樣本間方差之和、全區(qū)域（全區(qū)域樣本）樣本間總方差。

（2）交互探測。交互探測可以判別因子Xi和Xj共同作用相對單因子作用時解釋力的差異。計算因子Xi、Xj對于Y的解釋力q（Xi）、q（Xj），以及計算因子交互作用時的解釋力q（Xi∩Xj），并比較q（Xi）、q（Xj）、q（Xi∩Xj），分析兩因子之間的交互作用類型，具體類型見表1。

表1 地理探測器自變量交互作用類型

3 結果與分析

3.1 土地功能時空變化

1980—2020年黃河下游河道四大功能用地空間分布見圖1。經濟功能用地所占面積最大，沿河道呈帶狀分布；其次是水沙功能用地，主要分布在河道主河槽；生態(tài)功能用地所占比例最小，分布在研究區(qū)南部和東北部；社會功能用地在研究區(qū)各區(qū)域均有分布，不同時期土地功能用地空間分布變化不明顯。與1980年相比，2000年經濟功能用地面積在研究區(qū)西南部明顯增加，水沙功能用地則減少。

圖1 1980—2000年黃河下游河道土地功能用地空間分布

1980—2020年黃河下游河道四大功能用地面積及占比見圖2。1980—2000年黃河下游河道各功能用地面積變化強度由大到小依次為：經濟功能用地＞水沙功能用地＞生態(tài)功能用地＞社會功能用地。經濟功能用地面積由1980年的1 829.43 km2增加到2000年的2 372.54 km2，2000年面積占比最大，為75.61%，可見在這20 a間經濟功能用地擴張。水沙功能用地面積由1980年的815.32 km2減少到2000年的302.33 km2，2000年水沙功能用地面積占比最小，為9.64%，說明這20 a水沙功能用地處于緊縮狀態(tài)。生態(tài)功能用地面積從1980年的158.94 km2減少到2000年的120.38，總體上減少了38.56 km2，其中1990—1995年減少幅度最大，減少了35.11 km2。主要原因是，20世紀90年代，國家加強了黃河下游河道整治工作，采取了一系列河道整治工程措施并改建和擴建了之前不合理的工程，有效改善了黃河下游河道搖擺不定、河勢多變的情況。2000—2020年，水沙功能用地面積呈緩慢增加趨勢；經濟和生態(tài)功能用地面積波動減少，但總體趨于穩(wěn)定；社會功能用地在研究期內處于相對穩(wěn)定狀態(tài)，總體上變化幅度較小。進入21世紀，河道整治已初顯成效，河勢得到初步控制，加之小浪底水庫投入使用，黃河下游水沙條件得到改善，河道逐步趨于穩(wěn)定。

圖2 1980—2020年黃河下游河道各類型功能用地面積及占比

3.2 驅動因素分析

1980—2020年黃河下游河道各土地利用類型均發(fā)生不同程度的變化，根據研究區(qū)地形、地理位置、經濟發(fā)展和社會穩(wěn)定等實際情況，并考慮數據的可獲得性，從自然系統(tǒng)、社會系統(tǒng)、經濟系統(tǒng)選取9個影響因素，分析黃河下游河道土地利用類型變化的驅動機制。

（1）單因子探測結果。各因子探測q值反映了相應影響因素對黃河下游河道土地利用類型變化的解釋力，各年份單因子探測結果見圖3。

圖3 1980—2000年地理探測器單因子探測結果

1980年各影響因素中土壤類型的解釋力居首位，表明土壤類型是促進研究區(qū)各類型功能用地變化的主要驅動力。人口空間分布、GDP、年均氣溫的q值分別為0.09、0.07、0.06，均超過0.05且假設性檢驗結果顯著，表明人口流動程度和經濟發(fā)展水平對土地功能變化具有重要驅動作用。此外，年均降水量、距河道距離、距鐵路距離3個影響因素的假設性檢驗結果均顯著但解釋力較弱。

(2)校友資源具有聯系密切性的特點。每一個從母校畢業(yè)的校友他們分布在各地但是同時又和母校有著密切的聯系，時刻關注母校的發(fā)展。他們借助于校友會、二級院系的教師在定期或不定期聯系，他們在母校舉辦聚會、為母校捐贈書籍、在母校招聘人才、在母校設立校友獎學金等等。

2000年土壤類型的解釋力仍然最大，q值為0.03且通過了5%水平的顯著性檢驗。人口空間分布、年均氣溫、GDP的解釋力q值分別為0.02、0.02、0.18，假設性檢驗結果均顯著。肥沃的土壤和適宜的氣溫條件有利用農業(yè)生產，自然和社會因素是促進黃河下游河道土地功能變化的重要驅動力。此外，年均降水量、夜間燈光亮度、距公路距離、距鐵路距離均未通過10%水平的顯著性檢驗。

2010年土壤類型的解釋力仍居首位，其q值提升至0.07，人口空間分布、年均氣溫、距河道距離q值分別為0.05、0.02、0.02，且假設性檢驗結果均顯著，表明土壤類型是土地功能變化的主要驅動力，人口流動對土地功能變化的影響增大，同時隨著黃河下游河道的治理，距河道的距離逐漸成為土地功能變化的重要影響因素。GDP、年均降水量、距公路距離分別通過了1%、5%、10%水平的顯著性檢驗，但解釋力較小。

2020年對研究區(qū)土地功能變化的解釋力前4位為土壤類型、人口空間分布、距河道距離、年均氣溫，其解釋力分別為0.07、0.03、0.02、0.01，且假設性檢驗結果均顯著。表明隨著黃河下游河道的治理，河道堤防加固很好保障了兩岸人民的生產生活，近河道區(qū)域人類生產活動日益頻繁，成為黃河下游河道土地功能變化的重要驅動力。GDP、夜間燈光亮度、距公路距離均通過5%水平的顯著性檢驗，但解釋力較小。

整體上，1980—2020年各影響因素中土壤類型的影響力一直居首位，其q值除2000年外均超過0.05，適宜的土壤類型對農民耕種以及作物產量都起著積極作用；其次是人口空間分布，研究區(qū)人口流動及人口規(guī)模對土地功能時空分異也具有重要驅動作用。

（2）交互探測結果。各影響因素交互探測結果見圖4。1980年，土壤類型∩年均氣溫、土壤類型∩人口空間分布交互影響較強，q值分別為0.232、0.206；人口空間分布∩GDP、土壤類型∩GDP、年均氣溫∩GDP、年均降水量∩土壤類型q值分別為0.179、0.164、0.150、0.162，表明自然地理條件與社會因素、經濟發(fā)展水平的協同作用有助于促進土地功能變化。2000年，年均氣溫∩GDP、年均氣溫∩土壤類型、年均氣溫∩人口空間分布、土壤類型∩人口空間分布交互影響較強，q值分別為0.066、0.063、0.061、0.063；年均降水量∩人口空間分布、土壤類型∩GDP交互影響q值分別為0.055、0.052，表明這一時期自然地理條件與人口流動的協同作用是該區(qū)域土地功能變化的主要驅動力。2010年，土壤類型∩年均氣溫、土壤類型∩人口空間分布交互影響較強，q值分別為0.104、0.099；土壤類型∩年均降水量、土壤類型∩GDP、人口空間分布∩GDP交互影響q值分別為0.081、0.088、0.084，表明該時期土壤類型與其他影響因素的協同作用對促進土地功能變化起著至關重要的作用。2020年，土壤類型∩年均氣溫、土壤類型∩GDP、土壤類型∩年均降水量、土壤類型∩人口空間分布交互影響較強，q值分別為0.094、0.089、0.089、0.086；土壤類型與夜間燈光亮度及距公路、河道、鐵路距離交互作用q值均不小于0.075，表明近幾年經濟系統(tǒng)與其他系統(tǒng)的協同作用對研究區(qū)土地功能變化起重要作用。

圖4 1980—2020年地理探測器交互探測結果

依據表1判別標準，研究期各驅動因素兩兩交互呈現雙因子增強或非線性增強作用，說明土地功能變化是各影響因素交互作用的結果。

4 結 語

（1）研究區(qū)經濟與水沙功能用地面積最大，分布范圍最廣，前者沿河道呈帶狀分布，后者沿河道分布。水沙功能用地面積呈急劇減少、緩慢增加、穩(wěn)定的變化趨勢，經濟功能用地面積總體表現為劇烈增加、微弱增加、穩(wěn)定的態(tài)勢。

（2）黃河下游河灘地和水域變化受自然環(huán)境、社會環(huán)境和經濟發(fā)展水平等共同影響，土壤類型、人口空間分布、GDP、年均氣溫、距河道距離是影響研究區(qū)土地功能變化的重要驅動因素，各驅動因素間的交互作用對土地功能變化時空分異呈現雙因子增強和非線性增強。未來黃河下游河道治理中，應重點關注土壤類型以及人口空間分布的合理性。