基于PSR模型的濟(jì)南市土地利用生態(tài)風(fēng)險評價及影響因素分析

孟凡雪,王筱明

(山東師范大學(xué)地理與環(huán)境學(xué)院,山東 濟(jì)南 250358)

隨著城鎮(zhèn)化進(jìn)程的加快和社會經(jīng)濟(jì)發(fā)展水平不斷提高,人類活動對生態(tài)系統(tǒng)的影響越來越顯著,過度的資源開發(fā)和不合理的土地利用使生態(tài)系統(tǒng)的壓力不斷增加[1],加劇了區(qū)域生態(tài)風(fēng)險。當(dāng)前,我國已由經(jīng)濟(jì)高速增長向高質(zhì)量發(fā)展階段轉(zhuǎn)變,生態(tài)文明建設(shè)日益受到重視,隨著各項生態(tài)保護(hù)政策相繼出臺,加強(qiáng)生態(tài)建設(shè),緩解生態(tài)壓力,成為保障社會經(jīng)濟(jì)健康發(fā)展的必然選擇。在此背景下,為了有效調(diào)控區(qū)域生態(tài)風(fēng)險,實(shí)現(xiàn)區(qū)域生態(tài)安全,必須開展生態(tài)風(fēng)險評價研究。

生態(tài)風(fēng)險評估起源于20世紀(jì)90年代,21世紀(jì)以來逐漸引起國內(nèi)外學(xué)者的高度重視,現(xiàn)已成為生態(tài)學(xué)、地理學(xué)等學(xué)科的研究熱點(diǎn)之一。早期的生態(tài)風(fēng)險研究主要以土壤、水體、大氣等單一生態(tài)環(huán)境因素為評價對象[2-4],研究結(jié)果并不能全面反映區(qū)域生態(tài)系統(tǒng)的風(fēng)險狀況,為解決這種局限性,基于區(qū)域土地利用變化的生態(tài)風(fēng)險評價應(yīng)運(yùn)而生。研究模式主要有2種:一是基于傳統(tǒng)的風(fēng)險源進(jìn)行風(fēng)險評價,基本思路為源分析-受體分析-暴露及危害分析-風(fēng)險表征,應(yīng)用相對風(fēng)險模型(RRM)評價區(qū)域生態(tài)風(fēng)險現(xiàn)狀[5-6],許學(xué)工、許妍等[7-8]利用此方法對黃河三角洲濕地和太湖流域進(jìn)行生態(tài)風(fēng)險研究,孫洪波等[9]結(jié)合主成分分析對長三角南京地區(qū)土地利用生態(tài)風(fēng)險的空間分異特征和影響因素進(jìn)行探討;二是基于景觀生態(tài)學(xué)理論,計算景觀格局指數(shù)并構(gòu)建評價模型,對區(qū)域景觀生態(tài)風(fēng)險進(jìn)行評價[10-11],目前已形成了較為統(tǒng)一的研究范式。評價指標(biāo)體系構(gòu)建是生態(tài)風(fēng)險評價的關(guān)鍵,學(xué)者們從不同視角選取了評價指標(biāo),如基于傳統(tǒng)風(fēng)險評價模式,從“風(fēng)險源-風(fēng)險受體-暴露和危害”3個維度選取相關(guān)指標(biāo)構(gòu)建評價指標(biāo)體系[8];基于景觀生態(tài)學(xué)原理,采用景觀破碎度、景觀分離度及景觀脆弱度等景觀格局指數(shù),計算景觀損失度,評價區(qū)域土地利用生態(tài)風(fēng)險;隨著社會經(jīng)濟(jì)發(fā)展水平不斷提高,生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)功能日益受到關(guān)注,劉長峰、石龍宇等[12-13]從土地利用的功能入手,基于生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)價值建立生態(tài)風(fēng)險綜合評價體系,從供給、調(diào)節(jié)和文化服務(wù)方面研究區(qū)域生態(tài)風(fēng)險。進(jìn)行生態(tài)風(fēng)險評價的目的是調(diào)控降低生態(tài)風(fēng)險,部分學(xué)者使用地統(tǒng)計分析、空間分析等方法對評價結(jié)果進(jìn)行時空分布差異研究,并提出生態(tài)風(fēng)險調(diào)控對策[14-15];有的研究則采用相關(guān)分析[16]、回歸分析[17]等方法對其驅(qū)動因素進(jìn)行分析,但是這種傳統(tǒng)分析方法難以有效避免影響因子之間多重共線性給結(jié)果帶來的不確定性,所以劉春艷等[18]利用地理探測器分析了三江平原不同驅(qū)動因子對景觀生態(tài)風(fēng)險的影響,有效避免了影響因子之間的多重共線性問題,為調(diào)控區(qū)域生態(tài)風(fēng)險提供了科學(xué)依據(jù)。

已有的研究成果為生態(tài)風(fēng)險研究奠定了良好的基礎(chǔ),但現(xiàn)有研究在進(jìn)行土地利用生態(tài)風(fēng)險評價時較少地考慮到人類活動對土地利用產(chǎn)生的直接壓力,而且也較少考慮土地生態(tài)系統(tǒng)功能的影響,另外,運(yùn)用科學(xué)分析方法,分析區(qū)域土地利用生態(tài)風(fēng)險的影響因素,提高分析結(jié)果的科學(xué)性,相關(guān)研究也有待加強(qiáng)。因此,本研究以濟(jì)南市為研究區(qū)域,將人為壓力和土地生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)功能引入評價指標(biāo)體系,基于“PSR”模型,綜合考慮了人為壓力強(qiáng)度、土地生態(tài)系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)、活力、恢復(fù)力和功能、人類風(fēng)險調(diào)控行為,進(jìn)一步完善了土地利用生態(tài)風(fēng)險評價指標(biāo)體系,使評價結(jié)果能夠更加全面地反映土地利用生態(tài)風(fēng)險,并利用地理探測器進(jìn)行影響因素分析,研究結(jié)果可為濟(jì)南市土地利用生態(tài)風(fēng)險調(diào)控提供參考,以期達(dá)到解決生態(tài)問題,緩解人地緊張關(guān)系,加快實(shí)現(xiàn)濟(jì)南市可持續(xù)發(fā)展的目標(biāo)。

1 資料與方法

1.1 研究區(qū)概況

濟(jì)南市(36°01′～37°32′N,116°11′～117°44′E)位于山東省中部,地處魯中南低山丘陵與魯西北沖積平原的交接帶上,地勢南高北低。2018年,濟(jì)南市土地總面積799 841 hm2,其中農(nóng)用地533 398 hm2,占66.69%;建設(shè)用地173 911 hm2,占21.74%;未利用地92 532 hm2,占11.57%。濟(jì)南市是全省的政治、經(jīng)濟(jì)、文化、科教和金融中心以及重要的交通樞紐,社會經(jīng)濟(jì)發(fā)展迅速,2018年濟(jì)南市地區(qū)生產(chǎn)總值為7 856.56億元,其中第三產(chǎn)業(yè)產(chǎn)值占60.5%,與2006年相比,第一產(chǎn)業(yè)產(chǎn)值由6.6%下降到3.5%,第二產(chǎn)業(yè)產(chǎn)值由45.9%下降為36%,第三產(chǎn)業(yè)產(chǎn)值上升13%。產(chǎn)業(yè)結(jié)構(gòu)的不斷優(yōu)化伴隨著土地利用結(jié)構(gòu)的改變,2006—2018年,濟(jì)南市耕地面積銳減,由2006年的53.59%減少到2018年的49.98%;相反,建設(shè)用地擴(kuò)張明顯,由2006年的18.20%增加到2018年的21.74%,由此侵占天然植被,自然環(huán)境被破壞,生態(tài)問題突出,人地關(guān)系持續(xù)緊張。

1.2 數(shù)據(jù)來源

土地利用數(shù)據(jù)來源于濟(jì)南市2006、2012和2018年的土地利用現(xiàn)狀圖,并參照《土地利用現(xiàn)狀分類》標(biāo)準(zhǔn),將土地利用類型劃分為6類:耕地、林地、園地、水域及水利設(shè)施用地、建設(shè)用地和其他用地。將重分類后的土地利用柵格圖導(dǎo)入Fragstats軟件,計算土地利用景觀指數(shù)。遙感數(shù)據(jù)來源于Landsat4-5 TM和Landsat8 OLI_TIRS衛(wèi)星傳感器掃描下的TM影像,借助ArcGIS軟件的柵格計算器工具計算歸一化植被指數(shù),為保證評價指標(biāo)的科學(xué)性和準(zhǔn)確性,選取一年中5月下旬到9月下旬且云量<5%的遙感影像。DEM數(shù)據(jù)來自地理空間數(shù)據(jù)云平臺。耕地占補(bǔ)平衡數(shù)據(jù)和森林覆蓋率及社會經(jīng)濟(jì)數(shù)據(jù)來源于《濟(jì)南統(tǒng)計年鑒》及濟(jì)南市各個區(qū)縣政府部門的統(tǒng)計數(shù)據(jù)。

1.3 評價單元劃分

評價單元是土地利用生態(tài)風(fēng)險評價的基本單位,參考國家格網(wǎng)GIS的相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)的《地理網(wǎng)格》(GB 12409—2009)和相關(guān)研究[19],格網(wǎng)宜采用平均斑塊面積的2～5倍,本文選取2.5 km×2.5 km格網(wǎng)將研究區(qū)劃分為1 446個生態(tài)風(fēng)險評價單元,計算各評價單元的土地利用生態(tài)風(fēng)險指數(shù),并將結(jié)果分配到評價單元的中心點(diǎn)。

1.4 土地利用生態(tài)風(fēng)險評價方法

1.4.1 指標(biāo)體系構(gòu)建

基于“PSR”概念模型,從壓力-狀態(tài)-響應(yīng)3個維度選取指標(biāo),構(gòu)建濟(jì)南市土地利用生態(tài)風(fēng)險評價指標(biāo)體系。

(1)壓力維度:反映人類活動對土地利用系統(tǒng)的影響程度。選取人為壓力指數(shù),人為壓力指數(shù)越大,人類活動對土地利用產(chǎn)生的影響越顯著,土地利用生態(tài)風(fēng)險越高。公式為:

(1)

式中,H為人為壓力指數(shù),ai為i地類的面積,pi為i地類的人為壓力強(qiáng)度參數(shù),n為地類總數(shù),A為評價單元總面積,人為壓力強(qiáng)度參數(shù)根據(jù)已有研究[20],結(jié)合濟(jì)南市的實(shí)際情況進(jìn)行統(tǒng)一賦值(表1)。

表1 濟(jì)南市不同土地利用類型的相關(guān)指標(biāo)參數(shù)

(2)狀態(tài)維度:基于生態(tài)系統(tǒng)的“活力-結(jié)構(gòu)-恢復(fù)力-功能”研究框架[21]選取指標(biāo)?；盍χ笜?biāo)反映土地生態(tài)系統(tǒng)的生命力,選取歸一化植被指數(shù)[22],歸一化植被指數(shù)越高,植物長勢越好,土地利用生態(tài)風(fēng)險越小,公式為:

(2)

式中,NDVI為歸一化植被指數(shù),NIR為近紅外波段的反射值,R為紅外波段的反射值。

結(jié)構(gòu)指標(biāo)反映土地生態(tài)系統(tǒng)的穩(wěn)定性,基于景觀生態(tài)學(xué)理論,選取景觀破碎度指數(shù)、香農(nóng)多樣性指數(shù)、景觀分離度指數(shù)和景觀脆弱度指數(shù)。計算公式如下:

C=(ni-1)/Ai,

(3)

(4)

(5)

式中,C為景觀破碎度指數(shù),ni為景觀類型i的斑塊數(shù),Ai為景觀類型i的總面積;SHDI為香農(nóng)多樣性指數(shù),Pi為景觀類型i所占面積比,m為斑塊的總數(shù)目;DIVISION為景觀分離度指數(shù),n為地類總數(shù),aij為第j個評價單元中景觀類型i的斑塊面積,A為評價單元總面積。

景觀脆弱度指數(shù):首先對各地類的脆弱度分級:建設(shè)用地=1,林地=2,園地=3,耕地=4,水域及水利設(shè)施用地=5,其他用地=6,然后進(jìn)行歸一化處理得到各地類的脆弱度指數(shù)(表1),區(qū)域土地利用景觀脆弱度計算公式如下:

(6)

式中,E為景觀脆弱度指數(shù),n為地類總數(shù),ai為i地類的面積,A為評價單元總面積,qi為第i種土地利用類型的脆弱度指數(shù)。

恢復(fù)力指標(biāo)反映土地生態(tài)系統(tǒng)發(fā)生變化之后恢復(fù)到原狀的程度,選取恢復(fù)力指數(shù),計算公式如下:

(7)

式中,RCi為恢復(fù)力指數(shù),NDVIi表示i柵格的NDVI值,NDVI_meanj表示i柵格所在地類j的NDVI平均值,RCj表示地類j的恢復(fù)力系數(shù),恢復(fù)力系數(shù)根據(jù)相關(guān)文獻(xiàn)[20],結(jié)合濟(jì)南市實(shí)際情況進(jìn)行統(tǒng)一賦值(表1)。

功能指標(biāo)選取生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)價值,生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)價值是生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)功能的量化,是指生態(tài)系統(tǒng)所形成和維持的人類賴以生存和發(fā)展的環(huán)境條件與效用[23]。

一定區(qū)域內(nèi)各種用地類型相互組合構(gòu)成了土地利用系統(tǒng),不同用地類型承載著不同的生態(tài)服務(wù)功能,因此,當(dāng)土地利用發(fā)生變化時,土地生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)功能也隨之變化。

生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)價值越高,表明土地生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)功能越強(qiáng)大,土地利用生態(tài)風(fēng)險越低,計算公式為:

(8)

式中,V為生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)價值,n為地類總數(shù),vi為第i種土地利用類型單位面積的生態(tài)服務(wù)價值指數(shù),ai為i地類的面積,各地類生態(tài)服務(wù)價值參照已有文獻(xiàn)[24]修正計算得到。

(3)響應(yīng)指標(biāo)反映人類為降低土地利用生態(tài)風(fēng)險所采取的對策,根據(jù)我國加強(qiáng)耕地保護(hù)和生態(tài)建設(shè)相關(guān)政策的要求,選取耕地占補(bǔ)平衡率和森林覆蓋率2個指標(biāo),反映濟(jì)南市貫徹執(zhí)行相關(guān)政策降低土地利用生態(tài)風(fēng)險的效果。

1.4.2 土地利用生態(tài)風(fēng)險評價模型

運(yùn)用層次分析法計算指標(biāo)權(quán)重(表2),并構(gòu)建土地利用生態(tài)風(fēng)險評價模型:

表2 濟(jì)南市土地利用生態(tài)風(fēng)險評價指標(biāo)體系

(9)

式中,Z為土地利用生態(tài)風(fēng)險指數(shù),wj為第j個評價指標(biāo)權(quán)重,m為評價指標(biāo)個數(shù),zj為第j個指標(biāo)歸一化處理之后的標(biāo)準(zhǔn)化值,歸一化處理公式為:

正向指標(biāo):

(10)

負(fù)向指標(biāo):

(11)

式中,zj為j指標(biāo)的標(biāo)準(zhǔn)化值,xj為j指標(biāo)的實(shí)際值,xjmin和xjmax分別為j指標(biāo)實(shí)際值的最小值和最大值。

1.5 空間分析方法

(1)空間自相關(guān)分析

采用全局空間自相關(guān)和局部空間自相關(guān)分析濟(jì)南市土地利用生態(tài)風(fēng)險在空間分布上的聚集特征。計算公式為:

(12)

(13)

(14)

(2)重心遷移分析

引入重心概念來揭示濟(jì)南市土地利用生態(tài)風(fēng)險的空間演變特征,生態(tài)風(fēng)險重心的移動反映了區(qū)域生態(tài)風(fēng)險演化的空間軌跡,其偏移方向指出了區(qū)域生態(tài)風(fēng)險升高的“高密度”部位。計算公式為:

(15)

(16)

式中,Xt和Yt為t時刻的區(qū)域土地利用生態(tài)風(fēng)險重心的橫坐標(biāo)和縱坐標(biāo),Ztj表示j單元t時刻的土地利用生態(tài)風(fēng)險指數(shù),Xj和Yj表示j單元的地理中心坐標(biāo)。

1.6 地理探測器

本文利用地理探測器中的因子探測和交互因子探測來探測濟(jì)南市土地利用生態(tài)風(fēng)險空間分異的影響因素[25]。

因子探測:探測影響因子多大程度上解釋了土地利用生態(tài)風(fēng)險的空間分異。用q值度量,表達(dá)式為:

(17)

(18)

SST=Nσ2。

(19)

交互因子探測:識別不同影響因子Xi之間的交互作用,即評估因子Xi和Xj共同作用時是否會增加或減弱對生態(tài)風(fēng)險的解釋力,或這些因子對生態(tài)風(fēng)險的影響是相互獨(dú)立的。評估的方法是分別計算2種因子Xi和Xj對生態(tài)風(fēng)險的q值:q(Xi)和q(Xj),以及他們交互作用時的q值:q(Xi∩Xj),并對q(X1)、q(X2)與q(X1∩X2)進(jìn)行比較。當(dāng)q(Xi∩Xj)max(q(Xi),q(Xj))時為雙因子交互增強(qiáng)類型;當(dāng)q(Xi∩Xj)>q(Xi)+q(Xj)時為雙因子交互后非線性增強(qiáng);當(dāng)q(Xi∩Xj)=q(Xi)+q(Xj)時表明2因子之間相互獨(dú)立。

2 結(jié)果與分析

2.1 濟(jì)南市土地利用生態(tài)風(fēng)險時空變化特征

2.1.1 土地利用生態(tài)風(fēng)險時空分布特征

首先計算濟(jì)南市各年度土地利用生態(tài)風(fēng)險指數(shù),然后,依據(jù)自然斷點(diǎn)法將濟(jì)南市土地利用生態(tài)風(fēng)險劃分為低風(fēng)險(Ⅰ級風(fēng)險)、較低風(fēng)險(Ⅱ級風(fēng)險)、中風(fēng)險(Ⅲ級風(fēng)險)、較高風(fēng)險(Ⅳ級風(fēng)險)和高風(fēng)險(Ⅴ級風(fēng)險)共5個等級,具體劃分標(biāo)準(zhǔn)見表3。

表3 濟(jì)南市土地利用生態(tài)風(fēng)險評價結(jié)果

2006年全市土地利用生態(tài)風(fēng)險指數(shù)平均為0.52,處于較低風(fēng)險等級,其中Ⅰ、Ⅱ級風(fēng)險單元數(shù)量超過60%,Ⅴ級高風(fēng)險單元最少,為1.24%;2012年土地利用生態(tài)風(fēng)險指數(shù)平均為0.56,處于中風(fēng)險等級,與2006年相比,Ⅰ、Ⅱ級風(fēng)險單元數(shù)量分別下降5.46%、8.37%,Ⅲ、Ⅳ級風(fēng)險單元數(shù)量增加,達(dá)到52.28%,Ⅴ級風(fēng)險單元數(shù)量變化不大,為1.45%;2018年土地利用生態(tài)風(fēng)險指數(shù)平均為0.57,處于中風(fēng)險等級,Ⅰ、Ⅱ級風(fēng)險單元數(shù)量持續(xù)減少,Ⅲ～Ⅴ級風(fēng)險單元數(shù)量增加,特別是Ⅳ、Ⅴ級風(fēng)險單元數(shù)量明顯增加,比2012年分別上升3.18%和2.22%,總占比達(dá)26.49%。

濟(jì)南市土地利用生態(tài)風(fēng)險空間分布顯示(見圖1),2006—2018年高風(fēng)險區(qū)域逐漸由中部向北部推進(jìn),低風(fēng)險區(qū)域自中部向南部山區(qū)方向緩慢消退。

圖1 2006、2012、2018年濟(jì)南市土地利用生態(tài)風(fēng)險空間分布(審圖號:濟(jì)南S(2023)007號)

2006年呈現(xiàn)中間高,南北低的空間格局,Ⅰ、Ⅱ級風(fēng)險區(qū)分布范圍最廣,其他等級主要集中分布在中部地區(qū);2012年生態(tài)風(fēng)險等級分布有較為明顯的變化,呈現(xiàn)北部高,南部低的空間格局,北部地區(qū)生態(tài)風(fēng)險等級上升顯著,Ⅲ級風(fēng)險區(qū)分布范圍最廣,Ⅰ、Ⅱ級風(fēng)險區(qū)主要分布在南部山地丘陵區(qū),Ⅳ、Ⅴ級分布在北部平原區(qū);2018年與2012年的分布格局相似,北部高,南部低,與2012年相比,Ⅰ、Ⅱ級風(fēng)險區(qū)范圍變小,零星分布于南部地區(qū),Ⅳ、Ⅴ級風(fēng)險區(qū)有向外擴(kuò)張趨勢,但程度較小,說明2012—2018年濟(jì)南市的土地利用生態(tài)風(fēng)險變化幅度相較于2006—2012年呈現(xiàn)趨緩態(tài)勢。

2.1.2 土地利用生態(tài)風(fēng)險空間自相關(guān)分析

濟(jì)南市2006、2012、2018年各評價單元土地利用生態(tài)風(fēng)險指數(shù)的全局空間自相關(guān)系數(shù)分別是0.392、0.418和0.408,均為正值,說明濟(jì)南市土地利用生態(tài)風(fēng)險的空間分布呈現(xiàn)正相關(guān)性,即高等級風(fēng)險區(qū)周圍地區(qū)風(fēng)險等級也較高,低等級風(fēng)險區(qū)周圍地區(qū)的風(fēng)險等級相應(yīng)較低。由局部空間自相關(guān)分析可知(見圖2),各單元生態(tài)風(fēng)險指數(shù)的空間聚集形態(tài)以高-高集聚(HH)和低-低集聚(LL)為主,主要分布在濟(jì)南市北部地區(qū)、中部地區(qū)和南部邊緣地區(qū),高-低集聚(HL)與低-高集聚(LH)單元數(shù)量較少且呈零散分布。

圖2 2006、2012、2018年濟(jì)南市土地利用生態(tài)風(fēng)險局部空間自相關(guān)分析結(jié)果(審圖號:濟(jì)南S(2023)007號)

3個時期高-高集聚單元分別占單元總數(shù)的11.48%,14.25%,14.18%,低-低集聚單元分別占單元總數(shù)的5.53%,7.33%,7.19%,高-低集聚與低-高集聚區(qū)占單元總數(shù)的2.07%,2.07%,2.28%,高-高集聚和低-低集聚呈現(xiàn)先增加后減少趨勢。從空間分布來看,2006年高-高集聚單元主要分布在濟(jì)南市中部的城市擴(kuò)張地區(qū),城鎮(zhèn)化給該地區(qū)造成巨大的土地壓力,所以呈現(xiàn)出顯著的高-高集聚分布,2012年和2018年高-高集聚單元向北部地區(qū)轉(zhuǎn)移,主要原因是隨著經(jīng)濟(jì)發(fā)展及受濟(jì)南市城市建設(shè)北擴(kuò)的影響,該地區(qū)建設(shè)用地面積不斷增加,導(dǎo)致土地利用景觀破碎化程度上升,同時,農(nóng)用地及未利用地面積減少,也使得土地利用系統(tǒng)的生態(tài)服務(wù)功能下降,從而導(dǎo)致生態(tài)風(fēng)險上升明顯,與此同時,中部地區(qū)的高-高集聚單元數(shù)量減少,分布范圍縮減。2006年低-低集聚單元主要分布在南部邊緣區(qū),2012年和2018年向西南和東南擴(kuò)散,由于南部地區(qū)的地形特點(diǎn),森林覆蓋范圍較廣,所以生態(tài)風(fēng)險較低。

2.1.3 土地利用生態(tài)風(fēng)險重心分析

由圖3可知濟(jì)南市土地利用生態(tài)風(fēng)險在空間上呈現(xiàn)東北-西南走向,2006—2018年,有向西北方向移動的趨勢,但橢圓面積未出現(xiàn)明顯變化,說明濟(jì)南市土地利用生態(tài)風(fēng)險的空間分布態(tài)勢基本保持穩(wěn)定。

圖3 2006、2012、2018年濟(jì)南市土地利用生態(tài)風(fēng)險重心遷移情況(審圖號:濟(jì)南S(2023)007號)

2006、2012和2018年,濟(jì)南市土地利用生態(tài)風(fēng)險重心均位于歷城區(qū),并且分布在幾何重心的北偏西方向,說明濟(jì)南市北部地區(qū)的生態(tài)風(fēng)險高于南部地區(qū),西部的生態(tài)風(fēng)險略高于東部地區(qū)。2006—2018年,生態(tài)風(fēng)險重心呈現(xiàn)向天橋區(qū)、歷城區(qū)和濟(jì)陽區(qū)交界處移動的趨勢,共向北遷移約1.44 km,說明濟(jì)南市生態(tài)風(fēng)險升高的“高密度”區(qū)域在西北地區(qū),該地區(qū)生態(tài)風(fēng)險上升的區(qū)域相較于其他地區(qū)更廣,這主要與濟(jì)南城市建設(shè)向北擴(kuò)張占用大量農(nóng)用地,導(dǎo)致耕地面積減少,土地利用景觀破碎化程度加深有關(guān)。

2.2 土地利用生態(tài)風(fēng)險變化的空間差異分析

為進(jìn)一步了解2006—2018年濟(jì)南市土地利用生態(tài)風(fēng)險變化的空間差異,本文劃分了土地利用生態(tài)風(fēng)險變化類型區(qū),分別為低風(fēng)險穩(wěn)定區(qū)、持續(xù)高風(fēng)險區(qū)、風(fēng)險急劇上升區(qū)、風(fēng)險略有下降區(qū)、風(fēng)險略有上升區(qū)(見圖4)。

圖4 2006—2018年濟(jì)南市土地利用生態(tài)風(fēng)險變化類型區(qū)(審圖號:濟(jì)南S(2023)007號)

(1)低風(fēng)險穩(wěn)定區(qū):占30.21%,主要分布在濟(jì)南市南部地區(qū),包括平陰縣南部、長清區(qū)中東部、歷下區(qū)、歷城區(qū)和章丘區(qū)的南部區(qū)域,風(fēng)險等級在Ⅰ、Ⅱ級之間變化,且53.75%的區(qū)域始終處于Ⅰ級風(fēng)險。該區(qū)域耕地和林地占60%以上,2006—2018年綜合土地利用動態(tài)度為0.19%,景觀破碎度指數(shù)低且呈減小趨勢,說明土地利用狀況比較穩(wěn)定,因此,土地利用生態(tài)風(fēng)險始終穩(wěn)定在較低水平。

(2)持續(xù)高風(fēng)險區(qū):占13%,主要分布在濟(jì)南市中部地區(qū),包括章丘區(qū)中部、歷城區(qū)北部、長清區(qū)北部以及槐蔭區(qū)和市中區(qū)的大部分區(qū)域,風(fēng)險等級在Ⅳ、Ⅴ級之間變化。2006—2018年該區(qū)域城市用地快速擴(kuò)張,建設(shè)用地增長速率為5.19%,導(dǎo)致耕地和園地面積銳減;歸一化植被指數(shù)最小,說明植被覆蓋率不高,抵御潛在風(fēng)險的能力較弱;另外,景觀破碎度指數(shù)居高不下,所以該區(qū)域處于持續(xù)高風(fēng)險狀態(tài)。

(3)風(fēng)險急劇上升區(qū):占20.82%,主要分布在濟(jì)南市北部和南部地區(qū),包括商河縣北部和東部、濟(jì)陽區(qū)東部、章丘區(qū)北部以及歷城區(qū)南部地區(qū)。2006—2018年該區(qū)域土地利用生態(tài)風(fēng)險上升了2～4個等級,以低風(fēng)險轉(zhuǎn)為中高風(fēng)險為主,平均變化率在25%以上。北部地區(qū)系黃河沖積平原地貌,以耕地為主,是濟(jì)南市的主要糧食產(chǎn)區(qū),但地形較為單一,生態(tài)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)簡單,研究期間該地區(qū)的土地整治在增加耕地面積的同時,其他地類面積相應(yīng)減少,景觀多樣性呈明顯下降趨勢,其中園地面積減少最顯著,生態(tài)服務(wù)功能下降,人為壓力指數(shù)顯著升高,土地利用系統(tǒng)恢復(fù)力指數(shù)顯著下降;而南部地區(qū)為山地丘陵區(qū),地塊較小且分散,受人類活動影響,2006—2018年該區(qū)域歸一化植被指數(shù)下降明顯,生態(tài)系統(tǒng)活力有所降低,景觀分離度指數(shù)波動上升。因此,土地利用生態(tài)風(fēng)險呈現(xiàn)急劇上升態(tài)勢。

(4)風(fēng)險略有下降區(qū):面積最小,為5.27%,零星分布于濟(jì)陽區(qū)、長清區(qū)、平陰縣以及槐蔭區(qū)、市中區(qū)、天橋區(qū)、歷城區(qū)和歷下區(qū)的交界區(qū)域。2006—2018年該區(qū)域土地利用生態(tài)風(fēng)險等級下降1～2個等級,以中高風(fēng)險轉(zhuǎn)為中低風(fēng)險為主。建設(shè)用地為該區(qū)域的主要土地利用類型,土地利用系統(tǒng)壓力較大,2006年土地利用生態(tài)風(fēng)險處于中高等級;但隨著城鎮(zhèn)發(fā)展,建設(shè)用地連片程度提高,該區(qū)域的景觀分離度指數(shù)最小,并且呈下降趨勢,同時,生態(tài)建設(shè)使區(qū)域歸一化植被指數(shù)上升,生態(tài)系統(tǒng)活力提高,能夠有效抵御和緩解人為活動帶來的潛在風(fēng)險,因此,該區(qū)域生態(tài)風(fēng)險呈下降趨勢。

(5)風(fēng)險略有上升區(qū):面積最大,為30.71%,分布范圍最廣,在各區(qū)縣均有分布,總體上看濟(jì)南市北部地區(qū)分布范圍多于南部地區(qū)。2006—2018年該區(qū)域土地利用生態(tài)風(fēng)險等級上升1～2個等級,以Ⅱ級轉(zhuǎn)為Ⅲ級、Ⅲ級轉(zhuǎn)為Ⅳ級的階梯式上升為主,生態(tài)風(fēng)險平均變化率介于10%～25%之間。2006—2018年雖然該區(qū)域各類用地的變化速度均處于較低水平,但景觀分離度指數(shù)高且呈小幅度波動上升趨勢,由此導(dǎo)致區(qū)域生態(tài)風(fēng)險呈略有上升趨勢。

2.3 影響因素分析

本文參考現(xiàn)有文獻(xiàn)[26],結(jié)合濟(jì)南市實(shí)際情況,從自然環(huán)境、區(qū)位條件、社會經(jīng)濟(jì)和生態(tài)保護(hù)4個方面選取海拔(X1)、坡度(X2)、距公路距離(X3)、距河流距離(X4)、距城鎮(zhèn)距離(X5)、人口密度(X6)、城鎮(zhèn)化率(X7)、固定資產(chǎn)投資總額(X8)、地均GDP(X9)、第二產(chǎn)業(yè)產(chǎn)值比重(X10)、第三產(chǎn)業(yè)產(chǎn)值比重(X11)、生態(tài)用地(X12)共12項指標(biāo)對濟(jì)南市土地利用生態(tài)風(fēng)險空間分異的影響因素進(jìn)行研究。首先在ArcGIS中對影響因子數(shù)據(jù)進(jìn)行空間化處理,重采樣為10 m×10 m的柵格數(shù)據(jù),然后對濟(jì)南市進(jìn)行規(guī)則格網(wǎng)分區(qū),兼顧采樣點(diǎn)密度與模型計算效率,將格網(wǎng)大小設(shè)為1 km×1 km,對每個格網(wǎng)中心進(jìn)行采樣,共計7 988個采樣點(diǎn),最后將各年份土地利用生態(tài)風(fēng)險指數(shù)及影響因子提取到采樣點(diǎn),利用地理探測器進(jìn)行因子探測和交互因子探測。

因子探測結(jié)果顯示,各時期影響濟(jì)南市土地利用生態(tài)風(fēng)險空間分異的因子影響力具有差異性(見圖5)。2006年,對土地利用生態(tài)風(fēng)險空間分布影響較大的因子(q>0.100)是距公路距離(0.318)、距城鎮(zhèn)距離(0.238)、海拔(0.214)和坡度(0.109);2012年主要影響因子是海拔(0.457)、距公路距離(0.295)、坡度(0.271)、距城鎮(zhèn)距離(0.137)和人口密度(0.132);2018年主要影響因子是海拔(0.402)、距公路距離(0.343)、坡度(0.248)、距城鎮(zhèn)距離(0.193)和人口密度(0.183)。各時期海拔、坡度、距公路距離和距城鎮(zhèn)距離的q值均位于前列,它們分別反映了研究區(qū)的自然環(huán)境和區(qū)位條件,是影響濟(jì)南市土地利用生態(tài)風(fēng)險空間分異的主導(dǎo)因子。

圖5 2006、2012、2018年濟(jì)南市土地利用生態(tài)風(fēng)險影響因子解釋力

2006—2018年,自然環(huán)境因子的q值均呈現(xiàn)先增后減的變化趨勢,并始終處于前列;區(qū)位條件因子中的距公路距離和距城鎮(zhèn)距離的q值先減后增,而距河流距離的q值最小且持續(xù)減小,說明距離河流的遠(yuǎn)近對生態(tài)風(fēng)險的空間分布沒有明顯影響;社會經(jīng)濟(jì)因子中,城鎮(zhèn)化率的q值持續(xù)下降,其余因子的q值均有提高,說明社會經(jīng)濟(jì)對生態(tài)風(fēng)險空間分異的影響程度不斷加深,其中,人口密度的q值由0.077提升至0.183,成為重要影響因子;生態(tài)用地因子的影響力也顯著提升,q值從0.028提升至0.073。基于因子探測結(jié)果,可以發(fā)現(xiàn)自然環(huán)境因素是濟(jì)南市土地利用生態(tài)風(fēng)險空間分異的主導(dǎo)因素,其次是區(qū)位條件,社會經(jīng)濟(jì)和生態(tài)保護(hù)的影響程度持續(xù)增強(qiáng)。

交互探測結(jié)果顯示(見圖6),在所選因子中任意2個因子的交互作用均大于單個因子的影響,兩兩交互的類型主要是交互增強(qiáng)型和交互后非線性增強(qiáng)型,說明濟(jì)南市土地利用生態(tài)風(fēng)險的空間分異是單一影響因子作用和不同影響因子交互共同作用的結(jié)果。2006年,距公路距離與各因子的交互解釋力最強(qiáng),與海拔交互探測的q值為0.437,其次是距城鎮(zhèn)距離和海拔,二者與其他各因子的交互解釋力均值超過30%,而社會經(jīng)濟(jì)因子內(nèi)部交互解釋力較小,說明該時期海拔、距公路距離和距城鎮(zhèn)距離等主導(dǎo)因素共同推動了濟(jì)南市土地利用生態(tài)風(fēng)險的空間分異。2012年,海拔的交互解釋力上升到首位,交互探測的q值均大于0.450,坡度、人口密度和第三產(chǎn)業(yè)產(chǎn)值比重的交互解釋力提升明顯,說明該時期自然環(huán)境因素對土地利用生態(tài)風(fēng)險的空間分異起主導(dǎo)作用,同時社會經(jīng)濟(jì)也發(fā)揮著重要作用。2018年,海拔、坡度、距公路距離的交互解釋力位于前列,社會經(jīng)濟(jì)因子內(nèi)部的交互解釋力整體有所提高,交互探測的平均q值由2006年的0.090提升至2018年的0.139,生態(tài)用地與地均GDP和第三產(chǎn)業(yè)產(chǎn)值比重交互探測的q值分別從2006年的0.101和0.108提升至2018年的0.256和0.216。經(jīng)因子交互探測可知,影響因子之間的交互作用均大于單因子的作用程度,自然環(huán)境因子、區(qū)位條件因子的交互作用更顯著,社會經(jīng)濟(jì)因子、生態(tài)保護(hù)因子的交互解釋力也在不斷增強(qiáng)。

圖6 2006、2012、2018年濟(jì)南市土地利用生態(tài)風(fēng)險影響因子交互解釋力

3 結(jié)論

本文基于PSR模型對濟(jì)南市土地利用生態(tài)風(fēng)險時空分布的整體性和異質(zhì)性進(jìn)行評價和分析,并利用地理探測器分析影響因素,以期為濟(jì)南市加強(qiáng)土地利用管理和生態(tài)風(fēng)險調(diào)控提供科學(xué)的參考依據(jù),得到以下主要結(jié)論:

(1)2006—2018年濟(jì)南市土地利用生態(tài)風(fēng)險呈持續(xù)上升態(tài)勢,但上升幅度趨緩,說明2012年以來,在生態(tài)文明建設(shè)的思想指導(dǎo)下,各項生態(tài)環(huán)境保護(hù)措施和土地利用政策的實(shí)施取得了一定成效。

(2)濟(jì)南市各時期土地利用生態(tài)風(fēng)險指數(shù)的全局空間自相關(guān)系數(shù)分別是0.392、0.418和0.408,空間分布呈現(xiàn)正相關(guān)性。土地利用生態(tài)風(fēng)險集聚形態(tài)以高-高集聚(HH)和低-低集聚(LL)為主,高-高集聚區(qū)主要分布在北部和中部地區(qū),低-低集聚區(qū)在南部邊緣地區(qū)分布較集中。

(3)2006—2018年,濟(jì)南市土地利用生態(tài)風(fēng)險的空間分布基本穩(wěn)定,但風(fēng)險重心具有向北偏西移動的趨勢。濟(jì)南市土地利用生態(tài)風(fēng)險變化具有顯著的空間分異性,總體上看,北部地區(qū)土地利用生態(tài)風(fēng)險上升較南部地區(qū)明顯,特別是以耕地為主的北部平原區(qū),由于土地生態(tài)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)簡單,在人類活動影響下,生態(tài)風(fēng)險呈急劇上升趨勢。南部山地丘陵區(qū)在生態(tài)保護(hù)政策約束下,土地利用狀態(tài)穩(wěn)定,生態(tài)風(fēng)險低且穩(wěn)定,而中部的大部分地區(qū)受建設(shè)用地持續(xù)擴(kuò)張影響,土地利用生態(tài)風(fēng)險持續(xù)保持在較高水平。

(4)雖然不同時期濟(jì)南市土地利用生態(tài)風(fēng)險空間分異的影響因素及其影響程度具有差異性,但自然環(huán)境和區(qū)位條件始終是主導(dǎo)因素,地勢平緩、距公路和城鎮(zhèn)較近的區(qū)域土地利用強(qiáng)度大,生態(tài)風(fēng)險較高;社會經(jīng)濟(jì)因子的影響程度不斷加深,人口增加和經(jīng)濟(jì)快速增長加劇了土地利用生態(tài)風(fēng)險;生態(tài)保護(hù)因子主要通過因子間的交互作用對生態(tài)風(fēng)險的空間分布產(chǎn)生越來越重要的影響。今后濟(jì)南市應(yīng)合理控制城市人口規(guī)模,提高土地利用集約度,避免城市用地?zé)o序擴(kuò)張,緩解區(qū)域土地壓力;同時,加強(qiáng)耕地保護(hù)和生態(tài)建設(shè),充分發(fā)揮生態(tài)用地的生態(tài)保護(hù)功能,降低濟(jì)南市土地利用生態(tài)風(fēng)險。