生態(tài)用地空間穩(wěn)定性及其格局分析
——以咸陽(yáng)市為例

高 建,李 彤,賈寶全,*,張秋夢(mèng),劉文瑞

1 咸陽(yáng)市林業(yè)科學(xué)研究所,咸陽(yáng) 712000 2 中國(guó)林業(yè)科學(xué)研究院林業(yè)研究所/國(guó)家林業(yè)和草原局林木培育重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室/國(guó)家林業(yè)和草原局城市森林研究中心,北京 100091

土地利用/土地覆蓋變化是全球環(huán)境變化研究的重要內(nèi)容,社會(huì)經(jīng)濟(jì)發(fā)展和城市擴(kuò)張等人類活動(dòng)導(dǎo)致的土地利用/土地覆蓋變化給生態(tài)系統(tǒng)帶來(lái)了很大壓力[1]。作為土地利用類型重要組成部分的生態(tài)用地,既是區(qū)域生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)和區(qū)域生態(tài)承載力的重要保障與載體,也是區(qū)域生態(tài)系統(tǒng)的穩(wěn)定性和安全性的重要基石[2],更是衡量一個(gè)地區(qū)國(guó)土生態(tài)環(huán)境質(zhì)量的晴雨表[3],對(duì)于完善區(qū)域生態(tài)安全格局、促進(jìn)經(jīng)濟(jì)社會(huì)和生態(tài)環(huán)境協(xié)調(diào)發(fā)展具有重要意義,在維護(hù)生態(tài)平衡、保障國(guó)土生態(tài)安全、應(yīng)對(duì)全球氣候變化中具有特殊地位[4]。

生態(tài)用地是以發(fā)揮生態(tài)功能或生態(tài)效應(yīng)為主的土地利用類型[5]。正是由于其與區(qū)域生態(tài)安全和經(jīng)濟(jì)社會(huì)的可持續(xù)發(fā)展的重要聯(lián)系,該概念一經(jīng)提出[6],便迅即引起了廣大學(xué)者的關(guān)注,并成為國(guó)內(nèi)土地利用/土地覆蓋領(lǐng)域最重要的研究議題之一。在目前愈演愈烈的快速城鎮(zhèn)化背景下,生態(tài)用地研究一直是學(xué)界關(guān)注的焦點(diǎn),相關(guān)學(xué)者從不同學(xué)科、不同視角開(kāi)展了大量的研究工作。從研究?jī)?nèi)容看,多集中在生態(tài)用地的內(nèi)涵與分類[7—11]、生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)價(jià)值評(píng)估[12—15]、生態(tài)用地安全格局構(gòu)建與空間識(shí)別[16—20]、生態(tài)用地規(guī)劃[2,17,21—23]、生態(tài)用地景觀格局變化[24—27]、生態(tài)用地時(shí)空演變及其驅(qū)動(dòng)因素[28—32]、生態(tài)用地模擬研究[33—38]和生態(tài)用地布局優(yōu)化[39—42]等方面；從研究區(qū)域看,主要集中于地級(jí)市域單元與縣域單元等宏觀尺度上,從而衍生出城市生態(tài)用地與區(qū)域生態(tài)用地的概念差異；從研究的數(shù)據(jù)支撐來(lái)看,主要是以中尺度Landsat系列遙感數(shù)據(jù)的解譯為基礎(chǔ),并逐漸由單期數(shù)據(jù)的生態(tài)用地總量及其空間分異向多期乃至最新動(dòng)態(tài)的時(shí)空格局變化方向擴(kuò)展；研究的重心始終以時(shí)空動(dòng)態(tài)變化為核心,力圖揭示生態(tài)用地的時(shí)空格局變化的過(guò)程、動(dòng)因以及探索減緩這種變化的實(shí)踐措施。

就區(qū)域管理而言,生態(tài)用地在時(shí)、空上的穩(wěn)定才是其有效發(fā)揮生態(tài)效益、支撐經(jīng)濟(jì)社會(huì)發(fā)展最大化、維持并提升區(qū)域可持續(xù)發(fā)展的核心基礎(chǔ),然而目前的相關(guān)研究工作對(duì)此極少觸及,僅有一些實(shí)現(xiàn)可視化工作的相關(guān)文獻(xiàn)[43—45],從而導(dǎo)致了對(duì)區(qū)域生態(tài)保護(hù)與國(guó)土空間規(guī)劃針對(duì)性與有效性的相對(duì)不足。為此,本文以生態(tài)用地的空間穩(wěn)定性為核心,選擇咸陽(yáng)市域?yàn)檠芯繀^(qū)域,利用多時(shí)相遙感影像解譯數(shù)據(jù),借助土地利用轉(zhuǎn)移矩陣方法,通過(guò)構(gòu)建的類型穩(wěn)定性和區(qū)域穩(wěn)定性指數(shù),系統(tǒng)地探索生態(tài)用地穩(wěn)定性的時(shí)空演化特征,一方面豐富生態(tài)用地的研究?jī)?nèi)容,另一方面為生態(tài)用地的保護(hù)和高效利用提供科學(xué)依據(jù)。

1 材料與方法

1.1 研究區(qū)概況

咸陽(yáng)市位于陜西省中、西部,市域總面積達(dá)10192.05km2,地勢(shì)北高南低,北部是黃土丘陵溝壑區(qū),中部是黃土臺(tái)塬區(qū),南部為關(guān)中平原(圖1)。全市地處暖溫帶,屬大陸性季風(fēng)氣候,四季冷熱干濕分明,多年平均降水量為567.9mm,年平均溫度9.0—13.2℃,全年太陽(yáng)輻射4.61×109—4.99×109J/m2。累計(jì)年平均光照時(shí)數(shù)為2017.2—2346.9h,主要災(zāi)害性天氣有干旱、連陰雨、暴雨、冰雹、霜凍、干熱風(fēng)、大風(fēng)等。咸陽(yáng)市屬暖溫帶半濕潤(rùn)落葉闊葉林,處粘黑壚土、褐色土地帶,區(qū)域內(nèi)共分10個(gè)土類,23個(gè)亞類,38個(gè)土屬,147個(gè)土種。其中黃綿土分布最廣,約占總土地面積的35.9%；其次是婁土,約占總土地面積的24.7%；第三是黑壚土,占總土地面積的15.4%；第四是褐色土,約占總土地面積的5.8%。

圖1 咸陽(yáng)市地理區(qū)位與區(qū)劃圖Fig.1 Geographical location and eco-regionalization map of Xianyang City

咸陽(yáng)市現(xiàn)轄9縣2區(qū)2市(圖1),全市常住人口395.98×104人,人口密度約為384人/km2,2020年全年地區(qū)生產(chǎn)總值2204.81×108元,城鎮(zhèn)居民人均可支配收入37975元,農(nóng)村居民人均可支配收入12879元。

1.2 數(shù)據(jù)來(lái)源

研究所用數(shù)據(jù)來(lái)源于GlobeLand30(http://www.globallandcover.com/),GlobeLand30是國(guó)家基礎(chǔ)地理信息中心研制的2000、2010和2020年高分辨率全球地表覆蓋產(chǎn)品,具有空間分辨率高(30m)、總體分類精度高(>80%)、數(shù)據(jù)質(zhì)量在空間和時(shí)間上一致性強(qiáng)的特性,被廣泛應(yīng)用于土地利用/覆蓋變化研究中[46—47]。該數(shù)據(jù)集包含耕地、森林、草地、灌木地、濕地、水體、苔原、人造地表、裸地、冰川和永久積雪共10大類地表覆蓋信息。鑒于元數(shù)據(jù)分類中已經(jīng)將濕地和水體作為兩個(gè)獨(dú)立的地類析出,這一點(diǎn)有別于過(guò)去主流的土地覆蓋分類體系,從而突出了濕地作為水陸過(guò)渡帶生態(tài)功能的重要性,同時(shí)根據(jù)非生產(chǎn)性、非建設(shè)性、以發(fā)揮生態(tài)功能、穩(wěn)定區(qū)域生態(tài)平衡為主等生態(tài)用地特點(diǎn)[5],因此本文研究區(qū)域的生態(tài)用地中只包括了該10類土地覆蓋類別中的森林、草地、灌木地和濕地4種類型。

1.3 研究方法

1.3.1 生態(tài)用地穩(wěn)定性指數(shù)

景觀穩(wěn)定性是景觀生態(tài)學(xué)中的核心研究議題之一[48],目前的景觀穩(wěn)定性概念大多借用了生態(tài)系統(tǒng)穩(wěn)定性概念[49],尚沒(méi)有一個(gè)可為學(xué)界普遍接受的、內(nèi)涵與外延均很明確的概念。景觀的穩(wěn)定性應(yīng)該是指在一定區(qū)域內(nèi)不同景觀要素占據(jù)空間在時(shí)間尺度上保持其本質(zhì)屬性不變的特性,這些屬性不隨時(shí)間變化的生態(tài)用地組合也可稱之為穩(wěn)定性生態(tài)用地。從土地覆蓋/土地利用的角度來(lái)看,穩(wěn)定性可以用一定區(qū)域內(nèi)各類土地覆蓋/土地利用類型面積隨時(shí)間保持不變的比例來(lái)衡量[50]。為此,借用轉(zhuǎn)移概率矩陣方法的結(jié)果,我們認(rèn)為：生態(tài)用地空間穩(wěn)定性就是指在兩個(gè)不同的時(shí)間點(diǎn)之間,生態(tài)用地在區(qū)域空間內(nèi)保持其地類屬性不變的特征。我們嘗試提出生態(tài)用地穩(wěn)定性指數(shù)作為定量刻畫生態(tài)用地空間穩(wěn)定性的參考工具,具體的計(jì)算方法為：

(1)

式中,PSI表示生態(tài)用地穩(wěn)定性指數(shù),Ai表示在研究的時(shí)間段內(nèi)研究區(qū)域中生態(tài)用地覆蓋i類型保持覆蓋性質(zhì)不變的面積,這里i分別代表森林、草地、灌木地和濕地,A表示研究區(qū)域內(nèi)各類土地覆蓋的面積總和,研究區(qū)域可以使不同級(jí)別的行政區(qū)劃單元,也可以是不同尺度的地理網(wǎng)格單元,文中為行政村的總面積；n代表生態(tài)用地覆蓋類型的總數(shù)。就同一區(qū)域的不同時(shí)間段或不同區(qū)域同一時(shí)間段的比較而言,PSI值越大,表明區(qū)域生態(tài)穩(wěn)定度性越高；反之,穩(wěn)定度則越低。

1.3.2 空間自相關(guān)分析

空間自相關(guān)分析是研究某一區(qū)域?qū)傩詴r(shí)空格局演進(jìn)的常用方法,通常采用Moran指數(shù)來(lái)進(jìn)行測(cè)度,包括全局空間自相關(guān)和局部空間自相關(guān)兩部分[51—52]。

(1)全局空間自相關(guān)分析

該分析用于描述某一屬性在總體空間內(nèi)是否存在集聚性狀態(tài),計(jì)算公式為：

(2)

(2)局部空間自相關(guān)分析

該分析可以將全局空間自相關(guān)的Moran指數(shù)分解到各個(gè)組成單元,用以檢驗(yàn)局部地區(qū)是否存在空間集聚區(qū),計(jì)算公式為：

(3)

(3)熱點(diǎn)分析

(4)

式中,wij為斑塊i與斑塊j之間的空間權(quán)重矩陣,xj為斑塊j的屬性值,這里為村級(jí)穩(wěn)定性指數(shù),n是總的斑塊數(shù),文中指咸陽(yáng)市的行政村數(shù)量。

所有空間自相關(guān)分析研究均借助ArcGIS 10.8軟件平臺(tái)完成,利用空間統(tǒng)計(jì)中的相關(guān)工具實(shí)現(xiàn)。

2 結(jié)果分析

2.1 生態(tài)用地變化過(guò)程

2.1.1 生態(tài)用地總體變化過(guò)程

2000、2010和2020年咸陽(yáng)市域土地利用數(shù)據(jù)變化表明,在過(guò)去的20年間,咸陽(yáng)市的生態(tài)用地總體呈現(xiàn)不斷縮小的趨勢(shì)(表1),2000—2010年間,總體減少了1450.89hm2,2010—2020年間持續(xù)減少了3058.92hm2,呈現(xiàn)出加速縮減的變化特點(diǎn)。其中草地和濕地均呈現(xiàn)了連續(xù)減少變化趨勢(shì),而森林與灌木地則呈現(xiàn)出前期增加、后期減少的變化過(guò)程。從非生態(tài)用地的變化來(lái)看,耕地和人造地表都呈現(xiàn)出了遠(yuǎn)超生態(tài)用地變化幅度的連續(xù)變化過(guò)程,其中耕地分別在2000—2010年和2010—2020年兩個(gè)時(shí)間段內(nèi)減少了11944.26hm2和6091.56hm2,人造地表分別增加了13383hm2和9133.11hm2。

表1 咸陽(yáng)市域2000、2010和2020年土地利用總體變化/hm2

2.1.2 穩(wěn)定性生態(tài)用地總體變化

從穩(wěn)定性生態(tài)用地的空間分布來(lái)看(圖2),2000—2010年和2010—2020年兩個(gè)時(shí)段的分布格局大同小異,其主要分布在市域的中、北部區(qū)域,其中以黃土丘陵溝壑區(qū)域的分布最為集中,而關(guān)中平原區(qū)域以及黃土臺(tái)塬的南部區(qū)域穩(wěn)定性生態(tài)用地僅在個(gè)別地點(diǎn)呈現(xiàn)散點(diǎn)狀格局分布。

圖2 穩(wěn)定性生態(tài)用地空間分布Fig.2 The spatial distribution of stable ecological land in Xianyang city

從穩(wěn)定性生態(tài)用地的統(tǒng)計(jì)結(jié)果來(lái)看(表2),森林類型的占比最大,在2000—2010和2010—2020兩個(gè)時(shí)段內(nèi)其面積占比分別達(dá)到了77.09%和78.49%,其次為草地,面積占比分別達(dá)到了22.16%和18.96%；從其變化來(lái)看,穩(wěn)定性生態(tài)用地呈現(xiàn)了不斷增加的變化趨勢(shì),總量由2000—2010時(shí)段的266935.14hm2增加到了2010—2020時(shí)段的275851.17hm2,其中以森林的增量最大,2010—2020時(shí)段比2000—2010時(shí)段凈增10730.79hm2,其次為灌木地,凈增5030.01hm2,穩(wěn)定性草地的減幅最大,凈減6838.2hm2,同時(shí)穩(wěn)定性生態(tài)用地面積在生態(tài)用地總量中的占比卻在逐步提升,2000—2010時(shí)段內(nèi)的穩(wěn)定性生態(tài)用地分別在2000年和2010年生態(tài)用地總量的84.28%和84.67%,而2010—2020時(shí)段內(nèi)穩(wěn)定性生態(tài)用地占2010年和2020年度總生態(tài)用地的比重分別提升到87.5%和88.35%。從穩(wěn)定性生態(tài)用地的空間分異情況來(lái),均以北部黃土丘陵溝壑區(qū)的面積占比最大,2000—2010和2010—2020兩個(gè)時(shí)段,其區(qū)域面積占比分別達(dá)到了96.41%和91.81%,而中部黃土臺(tái)塬區(qū)穩(wěn)定性生態(tài)用地的面積占比分別只有8.4%和8.04%,南部的關(guān)中平原區(qū)面積占比僅有0.13%和0.15%。

從穩(wěn)定性生態(tài)用地的類型構(gòu)成來(lái)看,北部黃土丘陵溝壑區(qū)在兩個(gè)時(shí)段均以森林類型為絕對(duì)優(yōu)勢(shì),面積占比分別占區(qū)域穩(wěn)定生態(tài)用地總量的81.13%和82.36%,草地類型次之,但面積占比大幅度降低,分別只有18.05%和14.89%,濕地類型出現(xiàn)了從有到無(wú)的變化；中部黃土臺(tái)塬區(qū)在兩個(gè)時(shí)段均以草地類型為主,森林次之,面積占比分別為65.99%和64.39%、34.01%和35.61%,灌木地和濕地類型近乎絕跡；到了南部的關(guān)中平原區(qū)域,雖然其呈現(xiàn)了與中部黃土臺(tái)塬區(qū)相似的構(gòu)成特點(diǎn),但森林類型的面積占比分別只有17.99%和11.95%,同時(shí)穩(wěn)定性濕地面積占比也從0.01%提高到了8.69%。

表2 穩(wěn)定性生態(tài)用地組成及其變化

2.2 生態(tài)用地穩(wěn)定性指數(shù)動(dòng)態(tài)

2.2.1 生態(tài)用地穩(wěn)定性指數(shù)總體變化

根據(jù)公式(1)計(jì)算的全市與不同生態(tài)區(qū)的穩(wěn)定性指數(shù)結(jié)果表明(圖3),全市的生態(tài)用地穩(wěn)定性指數(shù)在2000—2010和2010—2020兩個(gè)時(shí)間段內(nèi),其基本上都維持在26%—28%之間,但不同生態(tài)區(qū)域間差別很大,其中以黃土丘陵溝壑區(qū)最高,在兩個(gè)時(shí)間段內(nèi),其基本上都維持在43%—45%之間,黃土臺(tái)塬區(qū)次之,兩個(gè)時(shí)間段內(nèi)也維持在了14%—15%之間,關(guān)中平原區(qū)生態(tài)穩(wěn)定性指數(shù)最低,兩個(gè)時(shí)段都在0.2%以下。

圖3 生態(tài)用地穩(wěn)定性指數(shù)及其變化 Fig.3 Ecological land stability index and its change in different period

從其變化情況來(lái)看,其本上都呈現(xiàn)了隨時(shí)間增加的變化趨勢(shì),但增幅有限,全市平均增幅為0.87個(gè)百分點(diǎn),其中以黃土丘陵溝壑區(qū)增幅最大,后10年比前10年增加了1.61個(gè)百分點(diǎn),關(guān)中平原區(qū)也增加了0.02個(gè)百分點(diǎn),只有黃土臺(tái)塬區(qū)呈現(xiàn)了降低的變化過(guò)程,后10年與前10年相比,生態(tài)用地穩(wěn)定性指數(shù)降低了0.15個(gè)百分點(diǎn)。

2.2.2 生態(tài)用地穩(wěn)定性指數(shù)的分級(jí)變化

以行政村為單元,采用自然斷點(diǎn)法進(jìn)行的穩(wěn)定性生態(tài)用地占比分級(jí)結(jié)果見(jiàn)圖4。從中可以看出,2000—2010和2010—2020兩個(gè)時(shí)段的穩(wěn)定生態(tài)用地分級(jí)格局基本相同,高穩(wěn)定分級(jí)區(qū)域主要呈“島狀”分布在黃土丘陵溝壑區(qū)海拔較高的丘陵溝壑區(qū)區(qū)域的旬邑縣東北、永壽縣的西北角區(qū)域和彬州市的西南角區(qū)域,以及禮泉、涇陽(yáng)和淳化三縣交匯區(qū)域。中穩(wěn)定分級(jí)區(qū)也分布在北部的黃土丘陵溝壑區(qū)以及黃土臺(tái)塬區(qū)的西北部區(qū)域,與該區(qū)域的低穩(wěn)定等級(jí)呈交錯(cuò)分布；而最大、最連片的低穩(wěn)定等級(jí)生態(tài)用地主要分布在中部的黃土臺(tái)塬區(qū)與南部的關(guān)中平原區(qū)。

圖4 以村為單位的生態(tài)用地穩(wěn)定性指數(shù)分級(jí)Fig.4 Classification of ecological land stability index

從分級(jí)統(tǒng)計(jì)結(jié)果來(lái)看(表3),咸陽(yáng)全市以低穩(wěn)定性等級(jí)區(qū)域占優(yōu)勢(shì),從2000—2010和2010—2020兩個(gè)時(shí)段的分布情況來(lái)看,低穩(wěn)定性等級(jí)區(qū)域的面積占比分別達(dá)到了52.03%和50.21%,但在時(shí)間演化上,后一時(shí)段相較于前一時(shí)段而言,低穩(wěn)定性分級(jí)的區(qū)域面積減少了18569.61hm2；中穩(wěn)定性和高穩(wěn)定性分級(jí)區(qū)域的面積在兩個(gè)時(shí)段均始終保持在30%和15%以上,且均呈現(xiàn)了面積增加的變化特點(diǎn),后一時(shí)段較前一時(shí)段分別增加了12756.69hm2和5812.92hm2。

從不同生態(tài)分區(qū)的情況來(lái)看,黃土丘陵溝壑區(qū)總體的變化趨勢(shì)呈現(xiàn)了與全市域相一致的變化趨勢(shì)：低穩(wěn)定區(qū)域的面積在減少,而中穩(wěn)定和高穩(wěn)定區(qū)域面積在增加；但占優(yōu)勢(shì)的分級(jí)類型已經(jīng)變成中穩(wěn)定類型,在2000—2010到2010—2020兩個(gè)時(shí)段,該類型的面積比例分別達(dá)到了51.45%和52.69%。黃土臺(tái)塬區(qū)的分級(jí)面積構(gòu)成也是以低穩(wěn)定性類型面積占優(yōu)勢(shì),但其面積占比較全市水平更高,兩個(gè)時(shí)段內(nèi)分別達(dá)到了85.09%和83.93%,在時(shí)段變化上,其呈現(xiàn)了低穩(wěn)定類型和高穩(wěn)定類型同步減少,而中穩(wěn)定類型面積增加的變化過(guò)程。在關(guān)中平原區(qū),高穩(wěn)定區(qū)域完全消失,而低穩(wěn)定性類型面積占比呈現(xiàn)出一枝獨(dú)秀的特點(diǎn),兩個(gè)時(shí)段的面積占比分別高達(dá)100%和99.99%。

表3 穩(wěn)定性指數(shù)的區(qū)域分級(jí)統(tǒng)計(jì)

2.3 穩(wěn)定性生態(tài)用地空間格局分析

2.3.1 生態(tài)用地穩(wěn)定性指數(shù)的局部空間自相關(guān)分析

依托ArcGIS平臺(tái),以2000—2010和2010—2020兩個(gè)時(shí)段生態(tài)用地穩(wěn)定指數(shù)為基礎(chǔ),在明確最佳空間鄰域距離(61900m)條件下的Moran′s I指數(shù)見(jiàn)表4。表中數(shù)據(jù)表明,咸陽(yáng)市兩個(gè)時(shí)段的生態(tài)用地穩(wěn)定性指數(shù)均存在顯著的空間聚集分布特征。

表4 2000—2010和2010—2020時(shí)段內(nèi)生態(tài)用地穩(wěn)定性指數(shù)的全局統(tǒng)計(jì)

生態(tài)用地穩(wěn)定性指數(shù)的進(jìn)一步局部空間自相關(guān)分析表明(圖5),生態(tài)穩(wěn)定性指數(shù)的高-高值聚集區(qū)主要集中在北部的黃土丘陵溝壑區(qū),低-低值聚集區(qū)集中在北部的黃土丘陵溝壑區(qū)南緣西半段以及全部的關(guān)中平原與中部黃土臺(tái)塬區(qū)域；高-低值異值區(qū)和統(tǒng)計(jì)不顯著區(qū)域呈窄帶狀沿黃土丘陵溝壑區(qū)與黃土臺(tái)塬區(qū)交錯(cuò)區(qū)域分布；低-高值異值區(qū)則呈“散片”狀分布在北部的黃土丘陵溝壑區(qū)的高-高值聚集區(qū)背景基質(zhì)中。

圖5 咸陽(yáng)市生態(tài)用地穩(wěn)定性局部聚集分析圖Fig.5 Local spatial autocorrelation of ecological land stability index in Xianyang city

從聚集類型的統(tǒng)計(jì)看(表5),在2000—2010和2010—2020兩個(gè)變化時(shí)段內(nèi),高-高值聚集區(qū)和高-低值異值區(qū)的面積與包含的村莊數(shù)量出現(xiàn)了同步增加的變化趨勢(shì),后10年時(shí)段分別比前10年時(shí)段增加了3905.90hm2、8594.08hm2和10個(gè)、2個(gè)；低-低值聚集區(qū)和低-高值異值區(qū)在兩個(gè)時(shí)段則呈現(xiàn)了面積與村莊數(shù)量同步減少的變化趨勢(shì),后一時(shí)段較前一時(shí)段分別減少了1307.92hm2、3648.33hm2和6個(gè)、12個(gè)；統(tǒng)計(jì)不顯著區(qū)域的面積在后一時(shí)段較前一時(shí)段減少7543.73hm2,包含的村莊數(shù)量則增加了6個(gè)。

2.3.2 生態(tài)用地穩(wěn)定性指數(shù)的空間熱點(diǎn)分析

雖然聚集分析可以明確不同聚集類型大致的空間分布,但無(wú)法給出具有空間統(tǒng)計(jì)意義準(zhǔn)確結(jié)果。局部空間聚類分析基礎(chǔ)上的,對(duì)2000—2010和2010—2020時(shí)間段內(nèi)的生態(tài)用地穩(wěn)定性指數(shù)的進(jìn)一步熱點(diǎn)分析表明(圖6),沿中部的統(tǒng)計(jì)不顯著窄帶,在99%置信度下的熱點(diǎn)和冷點(diǎn)區(qū)域分別分布于該帶北南兩側(cè),其他置信度區(qū)間下的熱點(diǎn)和冷點(diǎn)區(qū)域分別呈小斑塊狀緊鄰于統(tǒng)計(jì)不顯著區(qū)域兩邊,這表明具有空間統(tǒng)計(jì)意義的生態(tài)穩(wěn)定性指數(shù)的高值區(qū)主要分布于北部的黃土丘陵溝壑區(qū),而生態(tài)穩(wěn)定性指數(shù)的低值區(qū)主要分布在中部的黃土臺(tái)塬和南部的關(guān)中平原區(qū)域。

表5 不同時(shí)段生態(tài)穩(wěn)定性空間聚集類型統(tǒng)計(jì)

從熱點(diǎn)圖與聚集類型圖的GIS列聯(lián)表分析結(jié)果來(lái)看(表6),2000—2010和2010—2020兩個(gè)變化時(shí)段內(nèi),熱點(diǎn)區(qū)面積增加7450.11hm2,冷點(diǎn)區(qū)面積減少了8154.36hm2,這表明在2000—2020年的這20年間,咸陽(yáng)市域的生態(tài)用地穩(wěn)定性一直處于緩慢的增長(zhǎng)變化過(guò)程中。從其內(nèi)部構(gòu)成來(lái)看,熱點(diǎn)區(qū)與冷點(diǎn)區(qū)都以99%置信度區(qū)間控制面積為主,其占市域總面積的比例在兩個(gè)時(shí)間段內(nèi)分別都在47%以上,而95%和90%置信度區(qū)間控制面積占市域面積的比例均在0.75%以下,統(tǒng)計(jì)不顯著區(qū)域占市域面積的比例基本保持在2%—3%之間。從冷熱點(diǎn)的空間聚集類型分布來(lái)看,熱點(diǎn)區(qū)分布于高-高值聚集區(qū)和低-高值異值區(qū),其中分布高-高值聚集區(qū)的面積占比在兩個(gè)變化年度中分別為87.85%和89.05%；而冷點(diǎn)區(qū)的分布相對(duì)較為分散,但均以低-低值聚集區(qū)占比最高,兩個(gè)年度的占比分別達(dá)到了76.48%和77.49%,其次為高-低值異值區(qū)區(qū)域,占比分別為8.26%和10.16%；熱點(diǎn)分析中的統(tǒng)計(jì)不顯著區(qū),主要分布在高-高值聚集區(qū),占比分別為69.08%和67.80%,其次為低-高值異值區(qū)和基于聚集度分析的統(tǒng)計(jì)不顯著區(qū),占比分別為10.16和17.98%、20.76%和14.22%。

圖6 咸陽(yáng)市生態(tài)用地穩(wěn)定性熱點(diǎn)分析Fig.6 The hot spot analysis of ecological land use stability in Xianyang city

表6 熱點(diǎn)圖與聚集類型圖的列聯(lián)表分析統(tǒng)計(jì)

3 討論

3.1 生態(tài)用地穩(wěn)定性及其格局是區(qū)域生態(tài)建設(shè)格局穩(wěn)定性的核心基礎(chǔ)

隨著時(shí)間的變化,受各種自然與人為活動(dòng)因素的影響,各類土地利用類型在不同時(shí)間段之間都存在一定的雙向變化,從咸陽(yáng)市2000—2020年的土地覆蓋變化情況看(表7),20年間耕地、水體和人造地表分別有17144.01、513.81、331.83hm2流向了各類生態(tài)用地,與此同時(shí)又有22518.9hm2的各類生態(tài)用地分別流向了耕地(20847.51hm2)、水體(632.97hm2)和人造地表(1038.42hm2)。這種雙向變化說(shuō)明,咸陽(yáng)市域的生態(tài)格局尚存在一定程度的不穩(wěn)定性。這種不穩(wěn)定性既會(huì)影響生態(tài)用地功能的充分發(fā)揮,又在一定程度上會(huì)屏蔽掉對(duì)相關(guān)問(wèn)題的及時(shí)關(guān)注,并影響到解決策略的提出與實(shí)施。作為區(qū)域生態(tài)安全格局的最重要架構(gòu),生態(tài)用地相關(guān)研究對(duì)其數(shù)量變動(dòng)與總量增加給予了極大的關(guān)注,但其空間穩(wěn)定性問(wèn)題一直沒(méi)有得到足夠重視。生態(tài)用地是維持區(qū)域生態(tài)過(guò)程與社會(huì)經(jīng)濟(jì)可持續(xù)發(fā)展的最重要基礎(chǔ)條件,只有同時(shí)滿足數(shù)量足夠與空間穩(wěn)定這兩個(gè)條件,才能保證生態(tài)用地功能的不斷增強(qiáng)與可持續(xù)發(fā)揮。在目前各地深入開(kāi)展并落實(shí)國(guó)土空間規(guī)劃與生態(tài)紅線的新形勢(shì)下,必須對(duì)生態(tài)用地的穩(wěn)定性有所重視,將其置于與生態(tài)用地的數(shù)量需求同等重要的地位,并在目前的各類空間規(guī)劃(尤其是“三生”空間中生態(tài)空間)制定與實(shí)施中予以考慮,以有效減少乃至避免生態(tài)建設(shè)過(guò)程中的盲目性與生態(tài)布局不合理等問(wèn)題。

表7 咸陽(yáng)市土地覆蓋2000—2020年間轉(zhuǎn)移概率矩陣/hm2

另外,從本次的研究結(jié)果看,雖然2000—2010和2010—2020兩個(gè)時(shí)間段內(nèi),咸陽(yáng)市域的生態(tài)用地面積呈現(xiàn)了不斷加速的面積減少變化過(guò)程,但從生態(tài)用地的穩(wěn)定性來(lái)看,其穩(wěn)定性生態(tài)用地總面積從266935.14hm2增加到了275851.17hm2,而且低穩(wěn)定性區(qū)域減少了18569.61hm2、中穩(wěn)定與高穩(wěn)定性區(qū)域分別增加了12765.69hm2和5812.92hm2。這表明,穩(wěn)定性面積的增加通過(guò)既有生態(tài)功能的保持與可持續(xù)發(fā)揮作用,在一定程度上減緩了總量減少對(duì)區(qū)域生態(tài)安全的沖擊,同時(shí)也從側(cè)面說(shuō)明了生態(tài)用地穩(wěn)定性研究的意義所在。

3.2 地貌條件是影響生態(tài)用地空間分布及其穩(wěn)定性的最重要因素

有關(guān)研究指出,氣候和地貌格局是影響景觀形成和演化的最重要自然條件,在氣候相對(duì)一致的區(qū)域內(nèi),地貌條件便成為了景觀演化最重要的自然驅(qū)動(dòng)力[49]。咸陽(yáng)市的情況也再次印證了該論斷的科學(xué)性。從咸陽(yáng)市的情況來(lái)看,無(wú)論是生態(tài)用地總量(表8)還是穩(wěn)定性生態(tài)用地(圖1、圖2)分布,都主要分布在黃土丘陵溝壑區(qū),尤其是該區(qū)域的海拔愈高的地方分布愈密集。從地類統(tǒng)計(jì)來(lái)看,2000、2010和2020三個(gè)年度內(nèi),生態(tài)用地面積占市域的比例基本上都維持在27.5%—28.5%之間,而非生態(tài)用地的面積比例也基本上都維持在27%左右；而到了黃土臺(tái)塬區(qū),由于地形相對(duì)平坦、農(nóng)田與村莊廣布,因此生態(tài)用地面積只占到市域總面積的2.5%—2.8%,而非生態(tài)用地市域占比則達(dá)到了26%—28%之間,與黃土丘陵溝壑區(qū)占比不相上下；而在關(guān)中平原區(qū),這里地形更為平坦,是咸陽(yáng)市城市發(fā)展集中區(qū),也是全市工農(nóng)業(yè)最發(fā)達(dá)的區(qū)域,受城市化與工農(nóng)業(yè)發(fā)展占地影響,生態(tài)用地占市域面積的比例在3個(gè)年度均不到0.1%。

表8 不同生態(tài)分區(qū)中生態(tài)用地與非生態(tài)用地統(tǒng)計(jì)

3.3 冷點(diǎn)區(qū)域是今后咸陽(yáng)市生態(tài)建設(shè)的最重點(diǎn)區(qū)域

從前面的熱、冷點(diǎn)分析可以看出(表6),2000—2010和2010—2020兩個(gè)時(shí)段的冷點(diǎn)面積及其市域占比分別達(dá)到了497348.64hm2和48.8%與489194.28hm2和48%,這表明咸陽(yáng)市市域差不多有一半的國(guó)土空間處于生態(tài)用地穩(wěn)定性指數(shù)極低的狀態(tài)下,且占據(jù)了中部黃土臺(tái)塬區(qū)的絕大部分區(qū)域以及南部關(guān)中平原區(qū)的全部(圖6),冷點(diǎn)區(qū)域生態(tài)用地不僅穩(wěn)定性低,而且整體上生態(tài)用地也極度匱乏(表8)。從區(qū)域生態(tài)安全格局構(gòu)建和環(huán)境的可持續(xù)性建設(shè)兩方面來(lái)看,冷點(diǎn)區(qū)域都應(yīng)該是咸陽(yáng)市今后生態(tài)建設(shè)補(bǔ)齊短板的重點(diǎn)區(qū)域。具體來(lái)看,黃土臺(tái)塬區(qū)在“三生”空間優(yōu)化的過(guò)程中,生態(tài)用地空間還有一定的提升潛力,應(yīng)該在現(xiàn)有生態(tài)用地質(zhì)量提升與未來(lái)數(shù)量適當(dāng)擴(kuò)增兩方面下功夫,同時(shí)加強(qiáng)村鎮(zhèn)人居林與鄉(xiāng)村產(chǎn)業(yè)林建設(shè),以彈性的方式擴(kuò)大生態(tài)用地覆蓋。南部的關(guān)中平原,鑒于其極高的非生態(tài)用地比例現(xiàn)狀與尖銳的生產(chǎn)空間-生活空間矛盾和生產(chǎn)空間-城市擴(kuò)張空間矛盾,大范圍提升生態(tài)空間的可能性極小,因此,應(yīng)該同步加強(qiáng)鄉(xiāng)村人居林與城市森林的建設(shè)步伐,并通過(guò)綠道建設(shè),以滿足城鄉(xiāng)居民的綠色生態(tài)需求愿望,增強(qiáng)城鄉(xiāng)居民的幸福感與獲得感,同時(shí)依托平原水網(wǎng),大力開(kāi)展?jié)竦厣鷳B(tài)建設(shè),通過(guò)點(diǎn)、線結(jié)合的方式,最大限度的從生態(tài)格局優(yōu)化上下功夫。而北部的黃土丘陵溝壑區(qū),這是咸陽(yáng)市最重要的水源涵養(yǎng)區(qū)域,目前的生態(tài)用地比例占區(qū)域面積的50%以上,咸陽(yáng)市僅有的三個(gè)自然保護(hù)區(qū)(石門山省級(jí)自然保護(hù)區(qū)、永壽翠屏山自然保護(hù)區(qū)、淳化縣爺臺(tái)山市級(jí)自然保護(hù)區(qū))也都位于該區(qū)域,因此該區(qū)域的后續(xù)建設(shè)主要內(nèi)容重點(diǎn)著眼于生態(tài)用地的保護(hù)與質(zhì)量提升。

4 結(jié)論

本項(xiàng)研究以GlobeLand30數(shù)據(jù)為基礎(chǔ),從咸陽(yáng)市域與不同生態(tài)分區(qū)兩個(gè)尺度,分析了咸陽(yáng)市生態(tài)用地、生態(tài)用地穩(wěn)定性指數(shù)的變化情況；并利用空間統(tǒng)計(jì)學(xué)中的局域空間自相關(guān)和熱點(diǎn)分析技術(shù),對(duì)生態(tài)用地穩(wěn)定性指數(shù)的空間格局進(jìn)行了分析。主要結(jié)論如下：

(1)2000—2020年的20年間,咸陽(yáng)市生態(tài)用地面積減少了4509.81hm2,以2010年為界其中后10年的減少面積是前10年減少面積的2.11倍；但穩(wěn)定性生態(tài)用地卻從前10年時(shí)段的266935.14hm2增加到了后10年時(shí)段275851.17hm2；生態(tài)用地穩(wěn)定性指數(shù)也增加了0.87個(gè)百分點(diǎn)；生態(tài)用地穩(wěn)定性指數(shù)的分級(jí)總體上也揭示了低穩(wěn)定等級(jí)區(qū)域在減少,而中、高穩(wěn)定等級(jí)區(qū)域在擴(kuò)大的事實(shí)。這一方面說(shuō)明,過(guò)去單純以面積指標(biāo)探討生態(tài)用地問(wèn)題的片面性,也凸顯了生態(tài)用地穩(wěn)定性研究對(duì)傳統(tǒng)探究的補(bǔ)充意義,另外穩(wěn)定性指數(shù)的增加也說(shuō)明,咸陽(yáng)市在生態(tài)用地面積有所減少的情況下,其區(qū)域生態(tài)安全格局與生態(tài)系統(tǒng)功能還是基本保持穩(wěn)定的這一事實(shí)。

(2)生態(tài)穩(wěn)定性指數(shù)的局部空間自相關(guān)分析顯示,市域的生態(tài)用地穩(wěn)定性格局以高-高聚集區(qū)和低-低聚集區(qū)為主,兩個(gè)聚集區(qū)范圍占市域面積比例在2000—2010和2010—2020兩個(gè)時(shí)間段,分別達(dá)到了48%—49%和47%—48%；具有統(tǒng)計(jì)意義的冷點(diǎn)空間(代表低生態(tài)用地穩(wěn)定性)主要分布在南部的關(guān)中平原區(qū)和中部黃土臺(tái)塬區(qū),而熱點(diǎn)空間(代表高生態(tài)用地穩(wěn)定性)則以北部的黃土丘陵溝壑區(qū)為主。無(wú)論是聚集區(qū)的空間分布還是熱點(diǎn)與冷點(diǎn)的空間分布格局,都與穩(wěn)定性生態(tài)用地分布和生態(tài)地貌區(qū)劃呈現(xiàn)了極好的空間關(guān)聯(lián)性。

(3)相較對(duì)于傳統(tǒng)的生態(tài)用地年度總量變化指標(biāo)而言,生態(tài)用地穩(wěn)定性指數(shù)可以從時(shí)間和空間兩個(gè)方面,結(jié)合生態(tài)用地上的植被類型、植被結(jié)構(gòu)、植被格局、植被質(zhì)量等更多的側(cè)面反映生態(tài)用地對(duì)區(qū)域生態(tài)環(huán)境可持續(xù)性的支撐程度,在未來(lái)的生態(tài)用地的空間質(zhì)量評(píng)價(jià)和生態(tài)空間保護(hù)與規(guī)劃等領(lǐng)域上具有一定的應(yīng)用前景,對(duì)于指導(dǎo)未來(lái)的空間生態(tài)建設(shè)也具有極強(qiáng)的針對(duì)性和可操作性。