贵州省土地利用转型的生态环境质量演变及驱动因素分析

王佳佳 滕明塔 令狐雪雪

(贵州师范大学地理与环境科学学院，贵州 贵阳 550025)

生态环境是人类生存与发展的重要条件，同时也承载着人类的社会经济活动，由于不合理的开发利用使得生态环境逐渐恶化，人类可持续发展面临巨大的挑战。生态环境质量综合表现了生态系统要素、结构和功能等情况，能够反映地区生态环境的优劣状况[1]。在评价指标上，主要有RSEI遥感生态指数(Remote Sensing Based Ecological Index)[2]、RSEDI遥感生态距离指数(remote sensing ecological distance index)[3]、EQI生态环境质量指数(eco-environmental quality index)[4]、EQEI生态环质量评价指数(eco-environmental quality eva-luation index)[5]、EV生态环境质量指数(Ecological Environment Index)[6]；其中EV指数是通过对土地利用进行生态赋值，进而计算地区生态环境质量，自李晓文构建出之后，在生态环境质量研究中的应用逐渐频繁[7-9]。当前国内对EV指数的研究大都从土地利用转型的生态环境质量演变[10-12]、生态环境质量的时空演变特征及驱动因素[9,13]等方面展开探讨。在探究生态环境质量变化驱动因素方面，偏最小二乘回归、地理加权回归[9]、地理探测器[9,14]等方法成为主流；其中地理探测器中的因子探测对揭示驱动因素及机制方面具有较好解释力，因而得到大量应用[9,14]。虽然目前对土地转型的生态环境质量演变的研究已大量展开，但侧重于关注生态环境质量演变，缺乏对驱动因素系统的探讨。由此可见，基于土地利用转型的生态环境质量演变的相关研究仍需进一步加强。

1 研究区、数据与方法

1.1 研究区概况

图1 贵州省区位图

贵州位于中国地势第2级阶梯，平均海拔1100m，地形以喀斯特地貌为主且类型复杂多样。气候温暖湿润，平均气温为10～20℃，降水量为1100～1300mm[15]。研究区地形起伏大，山坡陡峻，土层浅薄，极易发生水土流失[16]。

1.2 数据来源与处理

土地利用遥感监测数据(2000年、2010年、2020年3期)来源于中国科学院资源环境科学与数据中心(https://www.resdc.cn/)，分辨率为30m。本研究参考焦露等[17]相关研究对土地进行赋值，见表1。

表1 土地利用分类及生态环境指数赋值

1.3 研究方法

1.3.1 转移矩阵

转移矩阵能够定量表现土地利用的转移方向及面积，可以较好描述土地的变化规律[18]。计算公式：

(1)

式中，i与j分别为始末的地表覆盖类型；n为地表覆盖类型总数；Sij为研究期内第i类向第j类转化的总面积。

1.3.2 EV生态环境质量指数

EV生态环境质量指数综合考量了研究单元内各土地具有的生态环境质量及面积占比[6]。计算公式：

(2)

式中，EV为生态环境质量指数；t为时间；i为土地类型；LU为土地的面积；TA为总面积；C为生态环境质量；n为土地种类。根据贵州省实际情况，将生态环境质量分为5类，见表2。

表2 生态环境质量分级标准

1.3.3 土地利用转型的生态贡献率

土地利用转型的生态贡献率指某种土地变化并导致生态环境质量改变[10]。计算公式：

CI=(LIt+1-LIt)×LA/TA

(3)

式中，CI为生态贡献率；LIt+1、LIt分别为末期和初期的生态环境质量；LA为转移面积；TA为总面积。

1.3.4 空间自相关

全局空间自相关能较好描述生态环境质量空间分布及变化的空间关联性与变异性[19]。计算公式：

(4)

局部空间自相关能很好表现县区与相邻县区的生态环境质量空间分布、变化的相似性与差异性。计算公式：

(5)

根据结果可将其分为高-高(H-H)、高-低(H-L)、低-高(L-H)、低-低(L-L)聚集几种类型。

1.3.5 生态环境质量变化的驱动因素分析

参考已有研究成果[7,10]并根据数据的可获得性，从地形、气候、人口、经济、交通、河流等方面进行指标选择，见表3。在研究期内，由于贵州进行了行政区划调整(涉及贵阳市花溪、观山湖、乌当区以及遵义市红花岗、汇川、播州区)，为保证数据的完整性与统一性，以生态环境质量2000—2020年变化率作为因变量(Y)进行驱动因素分析；在选择驱动因子方面，以2020年作为时间节点。

1.3.5.1 地理探测器

因子探测对探测因变量(X)对自变量(Y)作用力具有较好解释力，作用力大小用q值表示[20]。计算公式：

(6)

表3 驱动因子选择、释义及来源

1.3.5.2 相关分析

相关分析能很好探究两要素的相关方向及相关程度[21]，本文以相关分析探究不同因素对生态环境质量的正、负向作用。计算公式：

(7)

2 结果与分析

2.1 土地利用转型分析

2.1.1 土地利用动态变化

贵州土地利用类型以耕地、林地、草地为主，期间以耕地、林地、草地、未利用地收缩，水体、建设用地扩张为总体演变趋势，见表4。

表4 2000—2020年土地利用类型变化

2.1.2 土地利用转移矩阵

贵州土地利用转移面积呈先小后大的特征，流转方向总体为草地、耕地、林地—建设用地、水体，草地、耕地—林地，草地—耕地，见表5。

2000—2010年有6523.83km2的土地发生转移，2010—2020年有15300.7km2的土地发生转移，建设用地、水体在此期间均为流入土地利用类型且主要从耕地、林地、草地流入。建设用地、水体前期共从耕地、林地、草地净流入面积(净流入面积=a从b流入面积-a向b流出面积)分别为274.67km2、280.33km2；后期净流入面积分别为1540.86km2、496.91km2，后期较前期相比净流入面积大大增加。2000—2010年耕地、林地、草地之间流转方向：草地、耕地—林地，草地—耕地；2010—2020年流转方向：耕地、林地—草地，后期与前期相比，耕地、林地、草地之间相互流转的面积大大增加。

表5 2000—2020年土地利用类型转移矩阵

2.2 土地利用转型的生态环境质量变化

2.2.1 生态环境质量总体变化

贵州2000年、2010年和2020年的生态环境质量指数分别为0.5043、0.5074、0.5025，期间生态环境质量呈“先升后降”的波动性减少趋势，但生态环境质量总体保持在较好状态，见表6。具体表现为2000—2010年生态环境质量有所提升，指数由0.5043上升到0.5074；2010—2020年生态环境质量有一定下降，指数由0.5074下降到0.5025。贵州生态环境质量总体较好主要得益于林地、草地2类生态用地面积较大，其中林地、草地面积占贵州总面积的70%以上。2000—2020年生态环境质量呈“先升后降”变化，主要是受2002年全面退耕还林影响，林地在2000—2010年大面积增长，促进了生态环境质量提高；2010年后城镇化、工业化进程加快，以及人口增长加速了土地转型，导致生态环境质量下降。

2.2.2 土地利用转型的生态贡献率

研究期内贵州存在生态环境改善与恶化2种趋势，前期以改善为主，后期以恶化为主，见表7。2000—2010年生态环境以改善为主，草地、耕地向林地、草地、水体流出促进了生态环境质量提高。草地、耕地向林地流出的生态贡献率最大，贡献率分别为0.00342、0.00296，两者之和占总贡献率的91.23%；林地、草地、耕地向耕地、草地、建设用地流出造成生态环境质量质量下降，林地向耕地、草地流出，以及草地向耕地流出的贡献率最大，分别为-0.00207、-0.00068、-0.00055，三者之和占总贡献率的85.15%。2010—2020年生态环境以恶化为主，林地向耕地、草地、建设用地流出造成生态环境质量下降，生态贡献率分别为-0.00638、-0.00562、-0.00115，三者之和占总贡献率的84.57%；耕地、草地向林地流出，以及耕地向草地流出促进了生态环境质量提升，贡献率分别为0.00629、0.00301、0.00077，三者之和占总贡献率的94.63%。

表6 2000—2020年贵州省生态环境质量指数

表7 影响生态环境质量的主要用地转型及贡献率

2.3 生态环境质量时空分布特征

2.3.1 生态环境质量空间分布

贵州各县区生态环境质量以中、较高为主，整体上呈现“东高西低”的分布格局，见图2。生态环境质量较低及以下的县区主要分布在研究区中、西部，高质量县区多分布于贵州南、北、东部。2000年、2010年、2020年3个时期生态环境质量的空间分布格局大体保持一致。

图2 2000—2020年贵州省生态质量空间分布

2.3.2 生态环境质量空间聚集特征

由表8可知，贵州2000年、2010年、2020年3期生态环境质量Moran’s I指数分别为0.436、0.467、0.533，并且通过0.01显著性检验，说明生态环境质量在空间上具有聚集性特征。从指数变化情况来看，期间Moran’s I指数逐渐增大，由0.436上升到0.533，表明到后期阶段，生态环境质量的空间集中度不断增强。

2000—2020年研究区生态环境质量局部空间自相关聚集类型以高-高、低-低聚集为主，见图2。生态环境质量指数高-高聚集区主要集中在红花岗、榕江、望谟等县区附近，低-低聚集区主要集中在云岩、纳雍等县区附近。

表8 生态环境质量指数及其变化率Moran’s I值及参数

图3 2000—2020年贵州省生态质量指数LISA图

2.4 生态环境质量变化的空间异质性特征

2.4.1 空间分布特征

从生态环境质量的空间变化来看，2000—2020年贵州生态环境质量变化总体表现为先大范围提高、局部降低，后大范围降低、局部提高的特征，见图3a、图3b。20a间生态环境质量降低县区分布于贵州中、西部，而提高县区多分布于贵州边缘，见图3c。研究发现，发展较好及发展落后的县区多数为生态环境质量下降较快的县区，如白云、云岩以及晴隆、普安、紫云等县区，见图3c。

图4 2000—2020年贵州省生态质量指数变化率空间分布图

2.4.2 空间聚集特征

研究区生态环境质量指数年变化率Moran’s I指数均大于0，且通过0.01显著性检验，表明生态环境质量变化在空间上具有正相关性，见表8。从Moran’s I指数值来看，2010—2020年的0.344大于2000—2010年的0.313，说明到后期阶段，生态环境质量变化的空间聚集度呈加强趋势。

生态环境质量变化的局部空间自相关高-高、高-低、低-高、低-低聚集均有分布，但分布范围相对较小，并且随时间流逝变化较大，见图4。2000—2010年4种聚集类型均有分布，见图4a，2010—2020年以高-高、高-低、低-低为主，见图4b，期间仅云岩、观山湖、南明区保持低-低聚集，可见贵阳市为低-低聚集分布区。

2.5 生态环境质量变化驱动因素分析

由表9可知，贵州省生态环境质量受到地形、人口、经济、交通等一级指标影响。从q值均值来看，人口>交通>经济>地形，说明人口是生态环境质量变化的首要因素，其次为交通、经济、地形。

人口是生态环境质量变化的首要因素。人口密度、城镇化率、人口总量对生态环境质量变化的作用力为0.499、0.442、0.298，相关系数分别为-0.632、-0.494、-0.378，且均在0.01水平下显著，表明人口增长是生态环境质量降低的主导因素，其次为城乡人口结构。

交通的飞速发展是生态环境质量变化的重要因素。公路密度对生态环境质量变化的作用力为0.409，并且相关系数为-0.575，说明交通发展造成贵州生态环境质量下降。

经济发展是生态环境质量变化的又一因素。从q值来看，地区生产总值(0.436)>二三产业占比(0.338)>人均GDP(0.268)，并且相关系数均为负值且通过0.01检验，说明地区经济发展是导致生态环境质量降低的主导因素，其次为产业结构水平的提高。

地形也是生态环境质量变化的因素之一。从作用强度来看，起伏度(0.384)>坡度(0.307)>海拔(0.201)；从作用方向来看，起伏度(0.358)、坡度(0.378)对生态环境质量起到正向影响，海拔(-0.266)则起到负向影响。

表9 贵州生态环境质量年变化率因子探测及相关分析结果

3 结论

贵州呈林地、草地、未利用地收缩，水体、建设用地扩张的变化趋势；转移面积呈先小后大的特征，转移方向总体为草地、耕地、林地—建设用地、水体，草地、耕地—林地，草地—耕地。

生态环境质量呈“先升后降”的波动性减少趋势，2000—2010年草地、耕地向林地流出促使生态环境质量提高，2010—2020年林地向耕地、草地、建设用地流出导致生态环境质量下降。

各县区生态环境质量以中、较高为主，整体上呈现东高西低的分布格局；生态环境质量在空间分布上具有聚集特征，随时间流逝空间聚集度不断增强。

生态环境质量总体表现为先大范围提高、局部降低，后大范围降低、局部提高的变化特征；到后期阶段，生态环境质量变化的空间聚集度不断加强。

生态环境质量受地形、人口、经济、交通等指标的影响，作用力大小：人口>交通>经济>地形。人口、交通与经济的二级指标均对生态环境质量起负向影响，地形中的海拔起负向影响，坡度、起伏度则起正向影响。

本研究在指标选取上存在一定不足，受限于数据的连续性、可获得性、量化性等原因，未选择其它指标，如政策等。在今后的探索中需要进一步识别不同因素对生态环境的影响，以期为政策制定及评估提供一定参考。