“三生”空間視角下土地利用轉型的生態環境效應及驅動力
——以甘肅省為例

董建紅,張志斌,*,笪曉軍,張文斌,馮雪麗

1 西北師范大學地理與環境科學學院, 蘭州 730070 2 中國城市發展研究院有限公司西北研究院, 蘭州 730000

隨著工業化、城鎮化進程的快速推進,中國社會經濟發展取得了巨大成就,同時也引發了土地利用的深刻轉型和空間重構,進而對區域生態環境產生了較大影響甚至威脅到區域生態安全[1-2]。土地利用轉型即土地利用形態(包括顯性形態和隱性形態)的時序變化過程[3],被視為土地利用/覆被變化(Land Use and Land Cover Change,LUCC)綜合研究的新途徑[4]。目前主要涉及土地利用轉型的理論與假說[5]、研究框架[6]、驅動機制[7]、城鄉發展關系[8]、生態環境效應[9]、耕地和農村宅基地等特殊地類轉型[10-11]。縱觀已有研究,發現更多聚焦在顯性形態轉型方面,隱性形態層面的關注則較少。土地利用功能轉型是土地利用隱性形態變化的重要形式,即土地資源在生產、生活和生態(簡稱“三生”)功能之間進行數量再配比和空間再配置的動態過程,反映了區域經濟社會轉型的不同階段[12]。因此,基于土地利用主導功能分類體系,將“三生”空間演化與土地利用轉型相銜接,是探究區域土地利用轉型生態效應的重要切入點。

土地利用轉型是引發生態環境變化的主要因素之一[13]。對區域氣候、水環境、生物多樣性等生態環境要素以及生態系統的結構、功能均產生影響[14-18]。準確把握區域土地利用轉型的生態過程以及驅動機制是解決生態環境問題的重要途徑[2]。就土地利用生態效應的測度方法而言,一是通過直接測度生物量來表征區域生態環境質量水平,如利用植被凈初級生產力(Net Primary Productivity,NPP)[19]、歸一化植被指數(Normalized Difference Vegetation Index,NDVI)[20]、增強型植被指數(Enhanced Vegetation Index,EVI)[21]等單一指標或者運用生態狀況指數(Ecological Index,EI)[22]、遙感生態指數(Remote Sensing Based Ecological Index,SEI)[23]、遙感生態距離指數(Remote Sensing Ecological Distance IndexRSEDI)[24]等綜合指標測度；二是基于土地利用覆被變化的綜合定量測度方法,如景觀生態風險指數(Landscape Ecological Risk Index,LERI)[25]、生態系統服務價值模型(Ecosystem Services Value,ESV)[26-28]和生態環境質量指數(Eco-environmental Quality Index,EQI)[9,29-31]等。其中,生態環境質量指數是基于土地利用類型的生態差異性,通過生態賦值構建土地利用覆被變化與生態環境質量的關聯來定量刻畫生態環境質量時空演變特征,該方法自提出后得到了較廣泛應用[2]。就生態環境質量演化的驅動機制而言,現有研究主要采用主成分分析法[32]、地理探測器[2]等方法進行探究,本文在綜合考慮自然、社會經濟和政策等影響因子的基礎上,嘗試采用偏最小二乘法揭示生態環境質量的演變機制。

甘肅省地處我國西北內陸腹地,且位于長江和黃河的上游地區,是國家“兩屏三帶”生態安全格局的重要組成部分,也是西部地區生態文明建設的樞紐和重要生態功能區。在全球氣候變化和人類活動交互脅迫下,生態安全保障空間受到擠壓,生態系統抗干擾能力較差,敏感度較高,加劇了區域生態環境效應變化研究的復雜性。同時,隨著“西部大開發”戰略的持續推進和“一帶一路”倡議的提出,土地資源開發和占用日益活躍,土地利用形態發生了顯著變化。基于此,為了揭示區域土地利用轉型的生態過程及其驅動機制,本文基于“三生”空間視角,利用生態環境質量指數定量測度了1980—2018年甘肅省土地利用轉型的生態環境效應,并借助偏最小二乘回歸模型分析生態環境質量演化的驅動機制,以期為區域土地資源的可持續利用和生態環境保護提供借鑒。

1 數據與方法

1.1 數據來源及處理

甘肅省1980、1990、1995、2000、2005、2010、2015、2018年8期土地利用數據來源于國家地球系統科學數據共享平臺(http://www.resdc.cn/)。該數據基于Landsat TM/ETM+/OLI遙感影像,依據《全國生態遙感監測土地利用/覆蓋分類體系》,通過人工目視解譯生成,綜合精度達95%以上[33],能夠滿足本研究的要求。其土地利用分類系統包括耕地、林地、草地、水域、建設用地、未利用地6個一級類和水田、旱地等24個二級類。

本文基于土地利用自然屬性視角,依據GB/T21010-2017《土地利用現狀分類》標準,參考呂立剛等[9]、楊清可等[29]分類方案,構建“三生”空間土地利用主導功能分類體系。同時,借鑒崔佳等[34]、李曉文等[35]制定的不同二級地類的生態環境質量值,利用面積加權法對“三生”空間各地類進行生態賦值(表1)。

表1 三生空間土地利用分類及其生態環境質量指數

1.2 研究方法

1.2.1區域生態環境質量指數

基于土地利用類型的生態差異性,將研究區域作為目標要素與各期土地利用矢量圖進行空間連接,并根據區域內“三生”空間土地利用的生態質量及結構比例來定量表征生態環境質量狀況。具體計算公式為[29]：

(1)

式中,EVt為區域第t時期生態環境質量指數；Ci為第i種用地類型的生態環境質量指數；n為土地利用類型數目；LUi為第t時期用地類型i的面積；TA為區域總面積。

1.2.2土地利用轉型生態貢獻率。

土地利用轉型生態貢獻率指某一種土地利用類型變化所導致的區域生態環境質量的改變,其表達式為[29]：

CLEI=(LEt+1-LEt)×LA/TA

(2)

式中,CLEI為土地利用功能轉型的生態貢獻率；LEt+1、LEt分別為某種土地利用變化類型所反映的變化初期和末期土地利用類型所具有的生態環境質量指數；LA為該變化類型的面積；TA為區域總面積。

1.2.3偏最小二乘回歸模型

(1)偏最小二乘回歸法原理

偏最小二乘回歸法(Partial Least Squares Regression,PLS)是集普通線性回歸、主成分分析和典型相關分析法于一體的數據統計分析方法,該方法不僅可以避免因樣本點少、自變量多重共線等帶來的問題,且在成分提取時充分考慮了自變量與因變量的線性關系,對信息進行了重組,提高了自變量對因變量的解釋效應。限于篇幅,具體算法參見文獻[35]。

(2)指標構建

區域生態環境質量演變受到諸多因素影響,其中自然本底條件決定了生態環境質量的基本格局,而社會經濟因素和政策因素是驅動其變化的主要因素。基于此,在綜合考慮自然、社會經濟和政策等影響因子的基礎上,以生態環境質量指數作為因變量(Y),從人口(總人口X1)、經濟(人均國民生產總值X2、城鎮化率X3)、產業結構(第三產業比重X4)、生態建設(造林面積X5、污染治理投資額X6)、社會消費(社會消費品零售額X7)、對外貿易(進口總額X8、出口總額X9、外商直接投資額X10)、能源結構(煤炭占能源消費總量X11)、科技進步(R&D經費支出X12、在校大學生占學生總數X13)角度共篩選13項因子作為自變量,應用SIMCA-P軟件進行PLS回歸分析。各指標數據來源于《甘肅省統計年鑒》。

2 結果與分析

2.1 土地利用轉型特征分析

2.1.1土地利用變化時空格局

基于“三生”空間土地利用分類體系,并以2000年為界將研究時段分為兩個時期,分析研究區“三生”空間格局和結構演化特征(圖1、表2)。結果表明：甘肅省生產、生活用地主要集中于河西走廊、隴中和隴東黃土高原并呈持續擴張態勢,研究期間面積分別增加了1290.53、928.59 km2；生態用地主要分布于隴南山地、甘南高原、祁連山地和河西走廊以北地帶且整體呈縮減趨勢,38年來銳減了2219.12 km2。

表2 1980—2018年甘肅省三生用地面積及其變化

圖1 1980—2018年甘肅省三生空間格局

從二級地類空間分布看,牧草生態用地、農業生產用地和其他生態用地分布較為廣泛。牧草生態用地集中分布在甘南高原、祁連山北坡、河西走廊北山及河西走廊綠洲邊緣地區；農業生產用地主要位于河西走廊的綠洲區、隴中和隴東的黃土丘陵區；其他生態用地主要分布于河西走廊以北地帶。受自然條件影響,林地和水域生態用地分布較少,林地生態用地主要分布于隴南山地和祁連山地；水域生態用地主要分布于祁連山地高海拔區域。受社會經濟發展水平制約,城鎮和農村生活用地規模較小,空間分布同農業生產用地具有趨同性。從二級地類結構變化來看,1980—2000年農業生產用地增長迅速,凈增加1038.33 km2；牧草、林地和水域生態用地呈減少趨勢,分別減少551.88、323.95 km2和233.20 km2。2000—2018年其他生態用地銳減明顯,減少了1714.73 km2；而牧草生態用地、工礦生產用地、城鎮和農村生活用地增幅明顯,尤其工礦生產用地和城鎮生活用地增長較快,增幅達168.59%和84.77%。綜合來看,甘肅省土地利用結構變化受國家宏觀政策、區域開發戰略和生態保護工程等影響顯著。改革開放初期在全國大力發展經濟的背景下,農業生產用地增加明顯；隨著西部大開發戰略的實施以及生態文明理念的提出,城鄉生活用地迅速增加,林地和牧草生態用地逐漸恢復。

2.1.2土地利用轉型模式

為進一步探討土地利用功能轉型特征,基于“三生”空間二級地類構造轉移矩陣(表3、表4)。結果表明：1980—2000年,農業生產用地增加主要來源于牧草生態用地、林地生態用地和其他生態用地,表明甘肅省在此期間毀林開荒現象較為嚴重,同時也反映出農牧交錯區農業生產用地對牧草生態用地的侵占極易發生。雖牧草生態用地、林地生態用地與農業生產用地之間存在相互轉化,但農業生產用地向牧草生態用地、林地生態用地的轉移量明顯不抵對其侵占量,說明甘肅省在實施退耕還林還草過程中存在“邊治理、邊發生”、“已治理、又復發”的現象。另外,農村和城鎮生活用地的擴張主要來源于農業生產用地。其他土地功能類型間的轉化不明顯。2000—2018年,農業生產用地主要轉化為城鎮和農村生活用地、牧草和林地生態用地,表明隨著西部大開發戰略的實施,城市化進程加快,城鄉建設用地的規模迅速擴張；同時得益于退耕還林還草政策的進一步落實,林地和牧草生態用地持續減少的態勢得到了遏制。其他土地功能類型間的轉化不明顯。總之,土地利用功能轉型與區域社會經濟發展階段密不可分,受自然環境基底、社會經濟發展特征、政策調控以及快速城鎮化等因素影響,區域“三生”用地逐漸由競合、沖突走向優化重組和協調發展。

表3 1980—2000年甘肅省土地利用轉移矩陣/km2

表4 2000—2018年甘肅省土地利用轉移矩陣/km2

2.2 土地利用轉型的生態環境效應

2.2.1生態環境質量時序變化特征

生態環境質量指數測算結果表明(圖2),甘肅省生態環境質量指數從1980年的0.2661降至2000年的0.2653后升至2018年的0.2682(1985年生態環境質量指數通過插值得到),生態環境質量整體變化幅度較小,這是由于區域生態環境質量同時發生著改善和惡化兩種相反趨勢,并在一定程度上相互抵消造成的結果。為了揭示各功能用地轉型對區域生態環境質量的影響,測算了土地利用轉型生態貢獻率(圖3)。結果表明,1980—2000年牧草生態用地轉化為林地生態用地和其他生態用地轉化為農業生產用地,是促使生態環境質量改善的主要因素；與此相反,農業生產用地對牧草生態用地的擠占以及林地生態用地的退化是導致生態環境質量惡化的主要原因。2000—2018年土地功能轉型對生態環境質量的影響與1980—2000年相比,農業生產用地對牧草生態用地的占用程度明顯減輕,同時農業生產用地轉化為林地、牧草生態用地的貢獻率逐漸上升,表明退耕還林還草的生態效益逐漸凸顯,生態環境質量持續惡化的態勢得到了遏制。此外,由于工業化、城鎮化進程加快,城鎮和農村生活用地對農業生產用地的侵占規模迅速擴大,很大程度上掩蓋了退耕還林還草的生態效應。總之,研究區生產、生活空間的擴張和生態空間的萎縮是導致生態環境質量惡化的主要原因,而生態環境質量的改善主要靠草地、林地等生態空間的保育來實現。因此,在生態文明建設理念和新一輪國土空間規劃的引導下,甘肅省應繼續加強國土空間管控和有序開發,進一步落實生態性退耕還林還草政策,維持和保障區域生態安全,實現生態環境保護和社會經濟的協同發展。

圖2 1980—2018年甘肅省生態環境質量指數變化

圖3 影響生態環境質量的主要用地轉型及貢獻率

2.2.2生態環境質量空間分布特征

借助ArcGIS軟件,基于縣域尺度分別表達1980、2000、2018年甘肅省生態環境質量的空間差異,并根據自然間斷點分級法分為低、較低、中、較高和高5個等級(圖4)。結果顯示：甘肅省生態環境質量空間分異顯著,整體呈“東南高-西北低”的分布格局。低質量區主要位于河西走廊以北地帶,空間上呈明顯的集聚態勢；較低質量區主要分布在河西走廊以及隴東、隴中的交界處,空間上呈帶狀分布且與低質量區相鄰；中質量區主要位于隴中和隴東地區,空間上呈“V”字形分布格局；較高質量區和高質量區主要位于祁連山地、甘南高原、隴南山地和隴東東南部等林草資源較為豐富地區。

圖4 1980—2018年甘肅省生態環境質量空間格局

就生態環境質量變化而言(圖5),1980—2000年生態環境質量惡化的縣(市、區)占了絕大部分,而生態環境改善的縣(市、區)則相對較少,尤其蘭州市的安寧區、張掖市的甘州區、平涼市的崆峒區等市轄區生態環境質量下降較為明顯,主要原因是在改革開放政策驅動下,城市化進程明顯加快,城市建設用地快速擴張導致生態空間被壓縮,生境破碎,生態環境質量下降明顯；2000—2018年生態環境質量惡化的縣(市、區)大幅減少,而生態環境改善的縣(市、區)則明顯增多,尤其敦煌市、慶城縣、嘉峪關市轄區、環縣和華池縣等縣(市、區)的生態環境質量改善較為明顯,這主要得益于國家政策性退耕還林還草工程的實施,生態治理成效逐漸凸顯,生態環境質量持續惡化的態勢得到了扭轉。總體來看,1980—2018年甘肅省生態環境質量演化呈明顯的空間集聚性,形成了以蘭州市為中心的隴中生態環境質量惡化區和以嘉峪關市、慶陽市為中心的河西、隴東生態環境質量改善區。

圖5 1980—2018年甘肅省生態環境質量格局演化

2.3 生態環境質量演化的驅動因素

圖6 生態環境質量指數實際值與預測值散點圖

Y=1.067-0.285X1+0.156X2+0.068X3+0.144X4+0.175X5+0.307X6-0.043X7+0.111X8-

0.031X9-0.092X10-0.032X11+0.236X12+0.189X13

(3)

通過式(3)可知：

(1)生態建設、產業結構調整、科技進步、能源消費結構改善和經濟發展對生態環境具有明顯的促進作用。研究期間,甘肅省加大了水土流失、土地荒漠化、三廢污染的綜合治理,積極開展退耕還林還草、小流域綜合治理、“三北”防護林建設和城市人居環境改善等工程,生態效應逐漸凸顯；同時,積極調整和優化產業結構,加大科技投入,以科技創新引領產業結構的加速轉型,構建低碳高效的產業體系,著力優化能源消費結構,降低煤炭在能源消費結構中的比重,增加清潔能源的使用,在促進經濟發展的同時,也利于生態環境的保護。此外,經濟增長整體上促進了生態環境質量的改善,為進一步揭示生態環境質量隨經濟增長的時序演化特征,分析了生態環境質量演化同經濟增長的擬合曲線(圖7)。結果顯示,生態環境質量指數隨GDP的增長,存在類似于“U”形演變曲線的拐點,表明甘肅省生態環境質量隨經濟增長經歷了先下降后上升的演化過程,經濟增長的模式得到了改善,社會經濟發展的持續性逐漸增強。

圖7 1980—2018年甘肅省生態環境質量與經濟發展的關系

(2)對外貿易各指標對生態環境的影響迥異。其中外商直接投資額和出口總額的增加導致了生態環境質量的惡化,這是因為在全國產業結構轉型升級的背景下,甘肅省作為欠發達地區,主要以承接東中部地區轉移而來的資源密集型產業,隱含在產業中的污染導致了生態環境質量的惡化；同時甘肅省主要以出口初級產品為主,產業鏈短,附加值低,容易造成生態環境的破環。因此,在將資源優勢轉化為經濟優勢的過程中,如何引進高新技術,形成低碳環保的產業結構成為目前產業結構調整中亟待解決的問題。與此相反,甘肅省主要以進口高新技術產品為主,進口總額的增長利于生態環境質量的改善。

(3)人口、社會消費的回歸系數為負值,表明隨著人口的增加和消費水平的提升,需向自然環境索取更多的資源和能源才能支撐區域的發展,并在消費的過程中產生了大量的污染物,增加了生態環境的壓力。

3 討論

改革開放以來,國家戰略重點轉移至經濟建設,工業化和城鎮化的迅猛發展驅動土地利用形態發生了重大變化,加之粗放的經濟增長方式和對土地生態功能的重視不夠,導致生境質量較高的地類大規模流轉,這是甘肅省在此期間生態環境質量下降的主要原因；隨著“西部大開發”政策的持續推進、“一帶一路”倡議的提出以及“黃河流域生態保護和高質量發展”戰略的實施,甘肅迎來了難得的發展機遇和政策利好,經濟發展的同時也更加注重生態環境的保護和建設,諸如天然林資源保護、退耕還林還草、“三北”防護林建設、“三化”草原治理、重點生態功能區保護修復等生態工程的陸續實施,生態環境質量持續惡化的態勢得到了遏制；未來甘肅省在注重經濟發展目標的同時,應繼續踐行生態文明理念,努力構建“山、水、林、田、湖、草”有機結合的土地利用空間格局,以期實現土地資源的可持續利用與生態環境保護的協同發展。具體來說,首先要優先規劃保護甘南高原水源涵養區、隴東黃土高原水土保持區和祁連山生態屏障區的生態用地,保障區域生態安全；其次應集約利用生產用地,提高土地資源利用效率,滿足區域經濟發展需求；最后大力推進城鄉生活空間人居環境改善和基礎設施配套建設,促使甘肅省走上一條生態良好、生產發展、生活富裕的可持續發展道路。

4 結論

本文從“三生”空間視角,基于土地利用現狀遙感監測數據,通過生態環境質量指數定量分析了1980—2018年甘肅省土地利用轉型生態環境效應的時空演變特征,并借助偏最小二乘回歸模型揭示了生態環境質量演化的驅動機制。具體結果如下：(1)甘肅省“三生”空間結構演化和地域分異顯著。生產、生活空間主要分布于河西走廊、隴中和隴東黃土高原且呈擴張態勢,面積分別增加了1290.53、928.59 km2；生態空間集中分布于隴南山地、甘南高原、祁連山地和河西走廊以北地帶且整體呈縮減態勢,面積銳減了2219.12 km2；生產、生活空間的增長源于對生態空間的侵占。(2)生態環境質量改善和惡化趨勢并存,整體上經歷了先下降后上升的“U”形演化過程。其中1980—2000年生態環境質量惡化的主要因素是農業生產用地對牧草、林地等生態用地的侵占；2000年以后在退耕還林還草等生態政策的驅動下,生態環境質量持續惡化的態勢得到了遏制。生態環境質量空間分異顯著,整體呈“東南高-西北低”的分布格局,形成了以蘭州市為中心的隴中生態環境質量惡化區和以嘉峪關市、慶陽市為中心的河西、隴東生態環境質量改善區。(3)偏最小二乘回歸分析結果表明生態建設、科技進步等對生態環境具有明顯的促進作用,而人口增加、社會消費水平提升在一定程度上加劇了生態環境的壓力,對外貿易對生態環境的影響具有雙面性。