1、基于地理探测器的天津市生态用地格局演变 李颖 冯玉 彭飞 陈树登 辽宁师范大学城市与环境学院 辽宁师范大学海洋经济与可持续发展研究中心 河北安国中学 摘 要： 生态用地是衡量区域生态系统健康和安全的土地单元。认识和探讨生态用地时空分布和形成机理对城市制定土地管理策略和引导城市可持续发展具有深远意义。运用重心转移模型、核密度估计、地理探测器和生态系统服务价值系数法等, 综合分析 2000-2014 年天津市生态用地质量及生态用地时空演变特征, 并探讨其形成机理。结果表明: (1) 天津市生态用地呈持续减少趋势, 其中滨海新区表现最明显;生态用地转移对象主要为建设用地。 (2) 生态用地重心落在天
2、津市中东部, 地理位置上呈先向南移后向北移, 空间分布不均衡性进一步加剧。 (3) 天津市生态用地核面积集中分布在北部和东部, 且呈减少趋势。 (4) 地理探测器结果显示社会经济因素对生态用地变化的解释力高于自然因素, 解释力最高的 3 个要素为一产比重变率 (0.79) 总人口变化率 (0.73) 二产比重变率 (0.61) , 区域产业结构和人口数量对天津市生态用地变化影响强度最大。 (5) 天津市生态用地动态度变化均为负值, 生态系统服务价值呈逐年减少趋势, 其中水域群落创造的生态系统服务价值最高。关键词： 生态用地; 地理探测器; 生态系统服务价值; 驱动力; 天津市; 作者简介：李颖
3、 (1986-) , 山西太原人, 博士, 讲师, 主要从事区域环境与可持续发展等研究。E-mail:作者简介：彭飞 (1986-) , 山西阳泉人, 博士, 讲师, 主要研究方向为海洋政治地理与区域创新发展。E-mail:基金：国家自然科学基金 (41601114) Pattern Evolvement of Ecological Land in Tianjin Based on GeogdetectorLI Ying FENG Yu PENG Fei CHEN Shu-deng College of Urban and Environmental Science, Liaoning Nor
4、mal University; Liaoning Normal University Marine Economic and Sustainable Development Research Center; Hebei Anguo High School; Abstract： Ecological land is a unit of land that measures the health and safety of a regional ecosystem. Understanding and discussing the spatial and temporal distribution
5、 of ecological land use and its formation mechanism have far-reaching significance to the city in formulating land management strategies and guiding the sustainable development. Using shift model, kernel density estimation, geographical detectors and ecosystem service value coefficient method and so
6、 on, the temporal and spatial evolution characteristics of ecological land use and ecological land use in Tianjin during 2000-2014 are analyzed and their formation mechanism is discussed. Results show that: (1) From 2000 to 2014, (1) The ecological land in Tianjin shows a continuous decreasing trend
7、, of which New Coastal Region has the most obvious performance; the main target for the transfer of ecological land is construction land. (2) Middle East area becomes the main ecological center of Tianjin, and it was unstable from south to north and leads to distribution imbalance further more. (3)
8、The area of ecological land of Tianjin was mainly distributed in the north and east, and showed a decreasing trend. (4) The Geogdetector results showed that the socio-economic factors have more explanatory power than the natural factors, and the three factors with the highest explanatory power are t
9、he proportion of primary industry variable rate (0.79) , total population change rate (0.73) , and proportion of secondary industry variable rate (0.61) . It showed that the regional industrial structure and population quantity have the strongest influence on the change of ecological land in Tianjin
10、. (5) The dynamic change of ecological land use in Tianjin was negative, and the ecosystem service value decreased year by year. Among them, the value of ecosystem services created by water community was the highest.Keyword： Ecological land; Geogdetector; Ecosystem Services Value; Driving force; Tia
11、njin; 生态用地是维持区域生态系统健康与安全的重要载体, 为人类生存提供必需的生态服务空间1-3。城市生态用地与非生态用地供需存在空间结构的博弈4, 长期以来, 具有生态系统服务价值的生态空间单元得不到切实可行的保护, 生态环境问题随之而来, 21 世纪以来, 城镇化、工业化与资源开发导致的流域生态破坏、城镇人居环境恶化、自然海岸线丧失等问题加剧, 极大的改变了生态用地的时空分布格局, 破坏了自然生态系统服务功能, 加剧了区域生态系统脆弱性, 进而威胁区域生态平衡和城市可持续发展5-9, 因此, 生态用地成为城市发展过程中社会经济发展与生态环境保护矛盾的焦点。生态用地一词首先由我国学者董雅
12、文提出, 近些年来, 众多学者着眼于生态用地的分类, 也有学者基于景观安全格局定量识别区域生态用地, 继而保护和管理生态用地。周锐等10基于安全格局, 通过构建“生态廊道”识别平顶山新区生态用地。此外, 岳健等11-12学者认为生态用地是区域土地中的主导功能是为提供生态系统服务的土地利用类型, 可分为非农用和非建设用地的被人类直接利用的土地, 以及除人类之外的其他生物所直接利用或间接利用, 但对生物多样性和生态系统起平衡和保护作用的土地。除对生态用地概念及分类的研究外, 国内外学者对其数量和空间布局的研究, 包括预测未来的数量及空间分布、对其质量评价、生态效益评估以及生态服务价值估算也取得较多
13、成果13-16。如何保证生态用地的质量问题也成为学者们研究的重点。学者们对不同地区的各类生态类型区展开生态用地质量评价, 多采用指定适宜的指标体系的方法来处理当地的生态用地质量问题17。李晓丽等18将遥感与景观相结合, 借助评价模型对长沙市城市生态用地进行评价分析, 对优化生态用地的效能提出方法。朱战强等19参考传统景观分析及空间分析法, 对北京生态用地的格局和复杂性进行分析。国外对生态用地的研究尚未形成完整体系, 但在其土地分类中涉及生态用地这一理念, 例如 Klijn、Zonneveld 等20-21分别对具有生态服务功能的土地进行分类及评价生态用地对区域的影响。在生态文明建设和城镇化不可
14、逆的背景下, 提高生态用地的质量, 实现区域生态环境和社会经济的共赢发展, 成为当前亟待解决的问题。天津市作为海陆相互作用的特定区域, 地理环境优越, 是“京津冀协同发展”和“一带一路”国家战略中的重要城市, 人地矛盾逐年增加, 森林、湿地生态系统人工化趋势明显, 城市生态系统格局变化剧烈, 生态用地得不到切实可行的规划与管理22-23。为扭转盲目追求城市化进程而破坏具有生态效益的土地单元的不利局面, 本文借助 ENVI 平台获得天津市土地利用类型, 运用转移矩阵、重心转移模型和核密度估计分析天津市生态用地时空变化特征;借助生态系统服务价值模型来计算各类生态群落的价值, 以此反映生态用地质量;
15、采用地理探测器定量探测识别影响生态用地时空演变的各驱动力因素, 以期为建成生态城市和实现城市可持续发展提供理论基础。继而保育城市发展的自然基础, 充分发挥生态用地的生态服务价值, 使得天津市生态用地在有限的条件下充分发挥其作用。1 研究区概况天津市 (11643E-11804E, 3834N-4015N) 位于华北平原东北边缘, 东临渤海湾, 地势西北高东南低, 由山地、丘陵和平原组成, 沿海地势平坦, 属冲积低地平原 (图 1) 。地处温带季风气候区, 又因在半封闭浅海渤海西岸, 海洋性气候显著, 春季多风干燥, 夏季雨水集中, 秋季冷暖适中, 冬季寒冷干燥。天津位于海河流域下游, 流经天津
16、的河道众多。该区海水盐度较高, 且相对稳定, 多年平均盐度为 28.4, 是我国重要海盐产地。土地类型多样, 耕地、水域和盐场所占比重较高。该市是中国重要的老工业基地之一, 滨海新区成为国家综合配套改革试验区。2006 年, 国务院将天津市定位为“生态城市、环渤海地区经济中心、国际港口城市、北方经济中心”。图 1 研究区示意图 Fig.1 Schematic diagram of study area 下载原图2 数据来源与研究方法2.1 生态用地分类国内外学者对生态用地的概念及分类尚未形成统一标准, 各国现行土地分类体系中并未将生态用地列为单独地类, 导致生态用地的可持续发展受到威胁。目前对
17、生态用地的分类大致存在两种观点: (1) 直接或间接产生生态服务价值, 对生态系统具有保护作用的生态空间定义为生态用地, 包括林地、水域、草地、农田等; (2) 生态用地以发挥自然生态功能为主, 将用于生产的农业用地排除之外, 如耕地、水产养殖等划分为非生态用地24。近几年, 我国各地区根据其自身地理环境特征对生态用地进行重分类25-26。沿海地区的生态用地及其生态服务功能已有学者研究。李姝娟等16研究滨海新区生态用地特征与低碳目标下的优化策略时, 将盐田、草地、水域、林地归类为生态用地。喻锋等27列出了“生态用地统一分类与全国土地分类 (过渡期间使用) ”对照表, 其生态用地包括湿地、森林
18、(地) 、草地和其他生态用地等一级地类, 二级地类中的盐田归属生态用地中一级地类湿地。徐丽芬等28分析渤海湾沿岸地区土地利用的生态系统服务价值当量时, 将盐田归类为生态服务价值当量较高的滨海湿地。张彪等29研究首都生态圈土地覆被及其生态服务功能特征时, 也将盐田划分为湿地, 且其单位面积生态服务价值最高, 为 13.18 元/ (m年) , 农田生态服务价值最低, 仅为 0.73 元/ (m年) 。俞炜炜等30研究福建兴化湾湿地生态服务功能时, 盐田的单位生态服务价值为 33 992 元/ (hm年) , 农田的生态服务价值为 736 元/ (hm年) 。从现今环境恶化、环境污染、土地资源短缺
19、的角度考虑, 基于改善生态环境、优化配置土地资源, 应重点强调:生态用地的第一要务应该是发挥生态服务功能为主, 并且是对生态系统没有副作用的土地类型31。而农业用地在农业耕作期间, 农药化肥等的使用在提高农作物产量的同时对自然界原有的生态系统食物链有所破坏, 并产生一系列的生态副作用。综上所述, 生态用地应该是非生产性地, 非建设性地, 并以发挥生态功能、维护区域生态平衡的土地11-12。故本文根据沿海地区各地类生态服务价值高低, 将农田列为非生态用地, 而保留有一定水域面积的盐田, 其生态服务功能较大, 且受陆地和海洋共同影响, 生态环境脆弱, 所以将盐田列为生态用地并加以保护和管理。最终确
20、定天津市的生态用地包括林草地、水域和盐田。2.2 数据来源与处理本文土地利用数据以天津市 2000 年 8 月 (Landsat4-5TM) 、2006 年 8 月 (landsat4-5TM) 和 2014 年 9 月 (Landsat8OLI_TIRS) 3 期遥感图像为基本数据源, 以 ENVI 5.0 软件为平台, 经过几何纠正、图像增强等预处理, 采用监督分类和人工目视解译, 根据研究区特点, 将土地覆被归类为 6 种 (耕地、林地、盐地、水域、建设用地和未利用土地) , 并结合 Google Earth 对其分类结果进行精度检验, 2000 年、2006 年和 2010 年 Kap
21、pa 系数分别为0.787、0.837、0.780, 达到了较好效果。在 Arc GIS 平台上建立天津市生态用地及影响因子数据库, DEM 数据来源于地理空间数据云 () , 驱动力因子数据来源于天津统计年鉴。2.3 研究方法2.3.1 土地转移矩阵土地转移矩阵是指在一定时间内一种土地利用状态在随着时间的转化过程, 其数学表达式为:式中 Aij为研究初期与研究末期的土地利用状态, n 为土地利用类型数。2.3.2 重心转移模型生态用地转移采用重心转移模型定量分析。假设研究区由 n 个单元组成, 其中第 i 单元的地理重心坐标为 (X i, Yi) , 为该单元的某类型用地面积, 则研究区生态
22、用地重心坐标 (X, Y) 为:生态用地第 t, (t+n) 年重心分别为 Kn (Xt, Yt) , Kn (Xt+n, Yt+n) , 则研究期间生态用地重心转移距离为:2.3.3 核密度估计核密度估计表示特定地理事物在空间上的分布, 且不同的空间位置具有不同的概率分布32。若某区域具有密集的斑点分布, 则该区域地理事物分布的概率高;反之则概率低。核密度估计常用于进行空间栅格探测研究, 利用空间平滑对点状数据进行密度分析。本研究采用核密度估计测度天津市生态用地的空间分布密度, 其数学表达式为:式中 n 为样本数;h n为带宽, 即搜索半径; 为核函数。2.3.4 地理探测器分析方法地理探测
23、器机理分析法, 是运用于空间数据探索的方法之一, 地理事物的空间分布具有明显差异, 其分布受自然地理环境要素和人文社会经济因素共同影响。该方法运用的原理在于既可以检验单变量的空间分异性, 也可通过检验两个变量空间分布的一致性, 来探测两变量之间可能的因果关系。传统的土地利用变化驱动力因子分析中主要采用统计分析方法、系统分析法和模型化方法33-35, 这些传统计算模型假设条件和数据要求较多, 例如同方差性和正态性, 而现实地理事物几乎没有完全满足这些条件假设, 以致于其数学模型的效果受影响, 但地理探测器模型假设制约条件比较少, 该模型的最大特征在于其几乎无假设条件, 可以有效克服传统数学统计模
24、型处理此类问题的局限性36。地理探测器最早被应用于疾病风险与地理环境要素的相关性研究37, 近年来有学者将因子探测器用于建设用地和农村用地变化形成机理的研究38-39。本文则利用风险探测和因子探测综合探测天津市生态用地变化与各影响因素之间的相互关系。风险探测用于探测哪些类型变量是生态用地变化的高值或低值, 通过 t 检验来度量:式中 tij为 t 检验值, R i和 Rj分别为属性 i 和 j 的生态变化率均值, i和 j分别是属性 i 和 j 的生态变化率方差, n i和 nj为两个属性的样本量。因子探测用于识别各要素对生态用地变化的解释力大小, 其模型如下:式中 PD, U为生态用地变化影
25、响因素解释力指标, n D, I为次级区域的个数;n 为整个区域的个数;m 为次一级区域的样本数; 为整个区域生态用地变化的方差; 为次一级区域生态用地变化的方差, 假设 , 则模型成立。 的取值区间为 时, 表明天津市生态用地变化空间分布呈随机分布; 值越大, 说明分区因素对天津生态用地的变化影响越大。2.3.5 生态系统服务价值评价(1) 生态服务价值系数法对生态用地的生态质量评价主要通过评价生态系统服务价值来表现。基于Costanza 提出的生态系统服务价值计算方法, 并参照前人的研究成果40-41, 确定计算天津市生态用地服务价值公式为:式中:V 表示生态系统服务总价值;n 表示生态群
26、落个数;A ec为每种生态群落的面积;UV j为每种生态系统服务类型的单位价值量;m 为生态系统服务类型的个数。(2) 生态用地生态系统服务价值变化动态度生态服务价值动态描述一定时期内某种生态用地类型生态服务价值的变化速度, 公式如下:式中, V a为研究初期某种生态用地类型的生态服务价值;V b为研究末期生态用地类型的生态服务价值;T 为研究时段。若 k0, 生态服务价值呈增长趋势;若 k0, 生态服务价值呈减少趋势;若 k=0, 生态服务价值不变。3 实例分析3.1 天津市生态用地与非生态用地转移根据土地转移矩阵模型 (公式 1) 和天津市 2000 年、2006 年、2014 年 3 期
27、土地利用数据, 计算得到 2000-2014 年土地利用转移矩阵 (表 1-2) 。表 1 2000-2006 年天津市土地利用转移矩阵 (hm) Tab.1 Land use transition matrixes of Tianjin in 2000-2006 (hm) 下载原表 2000-2014 年间, 天津市生态用地面积持续减少, 其中在滨海新区的降低幅度最大 (图 2) 。2000-2006 年, 生态用地转化为非生态用地面积为 5.6810hm, 主要转化为耕地和建设用地, 林草地转化为耕地的面积最大为 1.9110hm, 盐田向建设用地转化面积最大为 1.5510hm。说明天津
28、市城市化快速发展, 城市建设用地大量侵占生态用地;且在商品粮利益驱使下, 大量生态用地被开垦为耕地。非生态用地转为生态用地的面积为 7.5910hm, 其中 79%转化为林草地和盐田, 转化为水域的面积最少。表 2 2006-2014 年天津市土地利用转移矩阵 (hm) Tab.2 Land use transition matrixes of Tianjin in 2006-2014 (hm) 下载原表 图 2 天津市生态用地变化 Fig.2 Ecological land changing in Tianjin (a、b、c) 下载原图2006-2014 年, 生态用地转化为非生态用地的面
29、积为 10.5810hm, 生态用地26%转化为耕地, 69%转化为建设用地, 林草地主要转化为耕地, 水域和盐田主要转化为建设用地, 其中盐田向建设用地转移面积最大为 5.4710hm, 说明城市化进程加快, 建成区面积逐年增加, 尤其滨海新区的开发, 大量盐田变为建设用地。非生态用地转化为生态用地的面积为 2.0510hm, 转移的主要去向为林草地和水域, 转移比例分别为 60%和 37%, 耕地主要转化为林草地, 建设用地主要转化为水域。总体而言, 该时段生态用地转化为非生态用地是非生态用地转化为生态用地的 5 倍。3.2 生态用地重心转移以天津市行政区为基本单元, 根据公式 (4) ,
30、 采用 Arc GIS 空间分析方法得到2000 年以来生态用地的地理重心演变路径 (表 3) 。天津市林草地重心落在天津市的北部蓟县, 2006 年林草地重心较 2000 年向东偏移 1.1km, 偏移距离较短。2014 年较 2006 年向西南偏移 17km, 2014 较 2000年向南偏移 14.3km。天津市林草地主要分布在北部蓟县, 2006-2014 年, 天津市南部各区县注重绿化带建设, 以致该研究时段内林草地重心向南偏移, 林草地空间分布的极不均衡性有所缓解。水域重心落在中部, 2000-2006 年水域重心向南偏移 9.8km, 2006-2014 年, 水域重心向北偏移
31、6.2km。研究时段内水域重心先向南偏后向北偏, 3 期重心都在该市中心位置, 表明水域分布基本平衡。表 3 天津市生态用地地理重心 Tab.3 Geographical focus of ecological land in Tianjin 下载原表 表 3 天津市生态用地地理重心 Tab.3 Geographical focus of ecological land in Tianjin 下载原表 盐田重心在滨海新区, 2006 年较 2000 年重心向西偏移 4km, 2006-2014 年重心向东南偏移 17.9km, 2000-2014 年重心向东南偏移 14.3km。研究时段前期,
32、 在经济利益驱使下, 盐田从东南沿海向西北逐年增加。研究时段后期, 在滨海新区大力发展的背景之下, 盐田面积从西北部向东南滨海逐年萎缩, 使得盐田重心向东南偏移。生态用地重心落在中东部, 2000 年、2006 年、2014 年生态用地重心分别落在宁河县、宁河县、宝坻区。2006 年生态用地重心较 2000 年向南偏移 8.7km, 2014 年生态用地重心较 2006 年向北偏移 16.1km, 2014 年较 2000 年生态用地重心向北偏移 7.3km。2000-2006 年北部的林草地呈减少趋势, 2006-2014 年东南部盐田面积急剧下降, 而在退耕还林还草和保护植被政策引导下林草
33、地面积逐年增加, 以致生态用地呈先向南移后向北移的态势, 研究时段内西南部生态用地分布较少, 仅零星分布。因此, 生态用地空间分布的不均衡性进一步加剧。3.3 天津市生态用地核密度估计天津市生态用地占据一定空间, 且具有一定空间组织结构, 为进一步探析生态用地的空间分布结构及其变化, 根据公式 (5) , 借助 Arc GIS 平台, 将其抽象为系列生态用地质点, 对其进行核密度分析, 计算 2000、2006 与 2014 年天津市生态用地的空间核密度值, 并将其分为低值区、较低值区、中值区、较高值区和高值区, 选取天津市行政区域矢量图为对照区, 生成 2000、2006 与 2014年的生
34、态用地空间核密度分布 (图 3) 。2000-2014 年, 天津市生态用地核密度最高值分布区主要集中在北部, 呈现面积较大的块状分布, 且其核面积呈减少趋势, 而天津市中部和南部区、县仅存在面积较小的零星核分布。2006 年较 2000 年生态用地核面积呈减小趋势, 中部宝坻区、北辰区和西南部静海县减小幅度最为显著, 而北部蓟县和西部武清区其核面积增加, 表明 2000-2006 年天津市中部的区县生态用地斑块数量减少, 而蓟县和武清县呈现增加趋势。2006-2014 年, 高值区面积减小幅度增大, 该区中部和南部地区无高值区, 除宝坻区和武清区, 所有区县核面积都呈减小趋势, 尤其市区、北
35、辰区、东丽区和津南区核面积基本无分布, 表明该时段天津市生态用地斑块数量及其面积都呈减小趋势, 在城市化进程中, 市区及其周边辖区的建成区面积猛速扩张使得该区域生态用地斑块数量明显降低。图 3 天津市生态用地核密度估计 (a、b、c) Fig.3 Core density estimation of ecological land in Tianjin (a、b、c) 下载原图结合转移矩阵、重心转移模型和核密度估计 3 种方法, 综合分析天津市 2000-2014 年生态用地演变特征。2000-2006 年林草地主要转化为建设用地, 研究前期面积呈减少趋势, 2006-2014 年期间受退耕还
36、林、还草政策的影响, 区域内少部分耕地转变为草地, 且该时段整体向南偏移 14.3km, 说明天津市南部区县的林草地呈逐年增加趋势, 因此, 转移矩阵和重心转移 2 种方法分析林草地时空变化相吻合。水域在研究期间面积略有增加, 得益于人工公园水体面积的增加, 由于 2000 年以后天津市各区县都比较重视自然生境和人工湿地的改造和管理, 当地采取了一些土地整理和土地开发措施, 在农村建设用地向城市建设用地发展的同时, 调整农村居民点建设用地, 重新利用废弃建设用地, 一些建设用地转化为水域及水利设施用地, 提高土地利用率, 且研究区水域分布较分散, 研究期间水域重心都在该市中心位置, 因此天津市
37、淡水水域分布基本平衡。盐田主要位于滨海新区, 其面积主要转化为建设用地, 其中 2000-2006 年其重心向西偏移, 由于滨海新区西部土地盐碱化较为严重, 另外长期污水灌溉, 以致该区西部部分耕地转化为盐田, 2006-2014 年滨海湿地面积继续减少, 减少量为研究前期二倍, 2006 年建设用地主要集中在汉沽、塘沽和大港的建成区, 之后随着滨海新区的大力开发, 建设用地快速向沿海扩张, 征用大量盐田, 因此滨海湿地重心向东偏移。天津市 2000-2014 年生态用地面积总体呈减少态势, 研究前期其面积减少幅度和变化动态度小于研究后期, 因此其核密度分布面积逐年减少, 生态用地分布密度也逐年减小。3.4 天津市生态用地时空演变驱动力分析
