鄭州市生境質(zhì)量時空演變評價及其影響因素分析

陳旭宗，王萍，王姝逸

（1.長江大學經(jīng)濟與管理學院，湖北 荊州 434023；2.天津市農(nóng)業(yè)發(fā)展服務中心，天津 300202）

隨著城市化進程不斷加快，全球范圍內(nèi)出現(xiàn)了大規(guī)模和快速的生境質(zhì)量退化現(xiàn)象，這對生態(tài)系統(tǒng)中的生物多樣性構成了嚴重的威脅。生境質(zhì)量是指一個特定的農(nóng)業(yè)生態(tài)系統(tǒng)或環(huán)境能夠提供適合特定種群或生物群落生存和繁殖的物理、化學和生物學功能的現(xiàn)狀和發(fā)展水平，它是反映區(qū)域內(nèi)生物多樣性狀況的一個重要指標[1]。生境質(zhì)量不僅關系到人類的福祉，而且受到人類活動和土地利用變化的顯著影響，因此也是衡量生境質(zhì)量變化風險的一個關鍵因素。在這樣的背景下，基于土地利用對生境質(zhì)量變化進行研究，可以為區(qū)域內(nèi)的生物多樣性保護和可持續(xù)發(fā)展提供科學依據(jù)和決策支持。

目前，對于生境質(zhì)量評估的研究方法主要分為兩大類：一類是基于指標體系的評價方法，如楊建強等[2]利用實地調(diào)研數(shù)據(jù)構建了萊州灣生境質(zhì)量評價指標體系，并對其進行了定量分析；另一類是基于模型模擬的評價方法，如劉漢儀等[3]運用InVEST（Integrated Valuation of Ecosystem Services and Tradeoffs）農(nóng)業(yè)生態(tài)系統(tǒng)服務模型，對粵港澳大灣區(qū)的生境質(zhì)量進行了時空演變特征分析。其中，InVEST 模型由于其數(shù)據(jù)獲取方便、結果可視化效果好、評估精度高等優(yōu)點，已經(jīng)被廣泛應用于自然保護區(qū)、流域、省域、市域等不同尺度的生境質(zhì)量評估研究中。

鄭州市是中原地區(qū)的中心城市和河南省的省會城市，擁有豐富的生物多樣性資源，但同時也面臨著城市發(fā)展與農(nóng)業(yè)生態(tài)環(huán)境保護之間的矛盾和沖突。為了深入了解鄭州市的生境質(zhì)量及其變化趨勢，本研究采用InVEST 模型中的Habitat Quality 模塊，利用最新的土地利用數(shù)據(jù)，結合鄭州市近年來的土地利用變化特征，綜合考慮了多種威脅因子對生境質(zhì)量的影響程度和敏感性，從時空兩個維度對鄭州市生境質(zhì)量的演變特征進行了詳細分析，并探討了影響生境質(zhì)量變化的主要驅(qū)動因素，從而得出了一些有價值的結論和建議。本研究既可以為鄭州市在區(qū)域農(nóng)業(yè)生態(tài)環(huán)境保護與發(fā)展之間做出合理權衡，并提供理論支持和政策參考，以促進高質(zhì)量生態(tài)宜居城市的建設，也可以為其他類似區(qū)域開展生境質(zhì)量評估提供借鑒。

1 材料與方法

1.1 研究數(shù)據(jù)材料

本研究選取2018 年、2020 年、2022 年共3 期的鄭州市土地利用數(shù)據(jù)，該數(shù)據(jù)來源于Esri 聯(lián)合Impact Observatory 以及Microsoft 基于哨兵2 衛(wèi)星數(shù)據(jù)進行分類和處理得到，具有較高的精度和可信度。土地利用數(shù)據(jù)分為六大類：耕地、林地、草地、水域、建設用地和其他用地。除了土地利用數(shù)據(jù)外，本研究還選取了鄭州市的可侵蝕因子數(shù)據(jù)，該數(shù)據(jù)來源于中國土壤侵蝕數(shù)據(jù)庫，反映了土壤侵蝕的程度和強度。圖1 展示了本研究所用的數(shù)據(jù)示意圖。

圖1 土地利用因子數(shù)據(jù)集

1.2 研究方法

本研究采用了InVEST 模型中的Habitat Quality模塊來評估鄭州市的生境質(zhì)量。InVEST 模型是一個開源的生態(tài)系統(tǒng)服務評估工具，由美國自然保護協(xié)會（The Nature Conservancy）等機構開發(fā)，可以根據(jù)不同的生態(tài)系統(tǒng)服務類型選擇不同的模塊進行評估[4]。Habitat Quality 模塊是InVEST 模型中評估生境質(zhì)量的一個子模塊，它基于土地利用類型、威脅因子和敏感性系數(shù)等參數(shù)來計算生境質(zhì)量指數(shù)（HQI），該指數(shù)反映了一個特定區(qū)域內(nèi)生物多樣性和生態(tài)系統(tǒng)健康狀況的相對程度[5]。

Habitat Quality 模塊的核心公式如下：

式中，HQI為生境質(zhì)量指數(shù)，為土地利用類型對應的自然狀態(tài)系數(shù)；Di為第i個威脅因子對應的衰減系數(shù)；Bi為第i個威脅因子對應的敏感性系數(shù)；n為威脅因子的總數(shù)。

本研究根據(jù)鄭州市的實際情況，選取了以下5 種威脅因子：建筑群、鐵路、路網(wǎng)、湖泊和河道。這些威脅因子都是人類活動對生境質(zhì)量造成影響的主要來源，它們會導致生境破碎化、退化和喪失等問題。每種威脅因子都有一個衰減系數(shù)和一個敏感性系數(shù)。衰減系數(shù)表示威脅因子對生境質(zhì)量影響隨著距離的增加而遞減的程度，敏感性系數(shù)表示不同土地利用類型對不同威脅因子的響應程度。本研究參考了InVEST 模型用戶手冊和相關文獻[6-9]，給出了各種威脅因子和土地利用類型的衰減系數(shù)和敏感性系數(shù)，如表1 所示。

根據(jù)上述公式和參數(shù)，本研究利用ArcGIS 軟件對2018 年、2020 年和2022 年3 期的鄭州市土地利用數(shù)據(jù)進行了空間分析，并得到了相應期間的鄭州市生境質(zhì)量分布圖。

2 結果與分析

2.1 生境質(zhì)量評估結果

2.1.1 生境質(zhì)量分布 圖2 展示了2018 年、2020年和2022 年3 期的鄭州市生境質(zhì)量分布圖。從圖2可以看出，鄭州市的生境質(zhì)量呈現(xiàn)出由中心向外圍遞減的空間分布特征，即中心城區(qū)的生境質(zhì)量最低，郊區(qū)的生境質(zhì)量較高，遠郊區(qū)的生境質(zhì)量最高。這與鄭州市的城市化進程和土地利用變化有關，中心城區(qū)由于人口密度高、建設用地多、人類活動強，導致生境質(zhì)量受到嚴重影響；而遠郊區(qū)由于人口密度低、自然用地多、人類活動弱，生境質(zhì)量相對保持較好水平。

圖2 鄭州市2018 年、2020 年和2022 年生境質(zhì)量分布圖

2.1.2 生境質(zhì)量統(tǒng)計 為了更清楚地了解鄭州市生境質(zhì)量的變化情況，本研究對各土地利用類型的生境質(zhì)量進行了統(tǒng)計分析，結果如表2 所示。鄭州市的整體生境質(zhì)量處于中等偏上水平，2018—2022 年呈現(xiàn)出波動下降的趨勢。其中，林地、草地和水域的生境質(zhì)量較高，分別為0.77、0.72 和0.71，而建設用地和其他用地的生境質(zhì)量較低，分別為0.41 和0.45。耕地的生境質(zhì)量介于二者之間，為0.58。這與各土地利用類型的自然狀態(tài)系數(shù)和敏感性系數(shù)有關，自然用地的自然狀態(tài)系數(shù)和敏感性系數(shù)都較高，因此其生境質(zhì)量也較高；而人工用地的自然狀態(tài)系數(shù)和敏感性系數(shù)都較低，因此其生境質(zhì)量也較低。

表2 鄭州市不同土地利用類型的生境質(zhì)量統(tǒng)計

2.2 生境質(zhì)量時空演變特征

2.2.1 空間演變特征 為了探究鄭州市生境質(zhì)量的空間演變特征，本研究采用了空間自相關分析方法，計算了2018 年、2020 年和2022 年3 期的鄭州市生境質(zhì)量的全局Moran's I 指數(shù)和局部Moran's I 指數(shù)。Moran's I 指數(shù)是一種反映空間數(shù)據(jù)分布特征的指標，其值范圍在-1 到1 之間，當Moran's I 指數(shù)接近1 時，表示空間數(shù)據(jù)呈現(xiàn)出正相關性，即相似值聚集在一起；當Moran's I 指數(shù)接近-1 時，表示空間數(shù)據(jù)呈現(xiàn)出負相關性，即相異值聚集在一起；當Moran's I指數(shù)接近0 時，表示空間數(shù)據(jù)呈現(xiàn)出隨機性[10]。全局Moran's I 指數(shù)反映了整個研究區(qū)域內(nèi)空間數(shù)據(jù)的整體分布特征；而局部Moran's I 指數(shù)反映了每個單元格內(nèi)空間數(shù)據(jù)與其鄰近單元格內(nèi)空間數(shù)據(jù)之間的相對關系[11]。

表3 展示了2018 年、2020 年和2022 年3 期的鄭州市生境質(zhì)量的全局Moran's I 指數(shù)。從表3 可以看出，鄭州市生境質(zhì)量的全局Moran's I 指數(shù)均大于0，并且通過了顯著性檢驗（P<0.01），說明鄭州市生境質(zhì)量具有顯著的正空間相關性，即高值區(qū)域與高值區(qū)域相鄰，低值區(qū)域與低值區(qū)域相鄰。同時，鄭州市生境質(zhì)量的全局Moran's I 指數(shù)在2018—2022 年期間呈現(xiàn)出逐漸增大的趨勢，說明鄭州市生境質(zhì)量的空間聚集程度在不斷加強。

表3 2018 年、2020 年和2022 年鄭州市生境質(zhì)量的全局莫蘭I 指數(shù)

圖3 展示了2018 年、2020 年和2022 年三期的鄭州市生境質(zhì)量的局部Moran's I 指數(shù)分布圖。從圖3 可以看出，鄭州市生境質(zhì)量的局部Moran's I 指數(shù)呈現(xiàn)出由西北向東南遞減的空間差異特征，即西北部的高—高聚集區(qū)域和低—低聚集區(qū)域較多，而東南部的高—低聚集區(qū)域和低—高聚集區(qū)域較少[12]。這與鄭州市的經(jīng)濟發(fā)展水平和土地利用結構有關，西北部的經(jīng)濟發(fā)展水平較低，土地利用以農(nóng)業(yè)為主，因此生境質(zhì)量較高或較低的區(qū)域相對穩(wěn)定；而東南部的經(jīng)濟發(fā)展水平較高，土地利用以城市化為主，因此生境質(zhì)量較高或較低的區(qū)域相對動態(tài)。

圖3 2018 年、2020 年和2022 年鄭州市生境質(zhì)量Moran's I 指數(shù)分布圖

2.2.2 時間演變特征 為了探究鄭州市生境質(zhì)量的時間演變特征，本研究采用了生境質(zhì)量變化率（HQCR）指標，計算了2018—2020 年和2020—2022年2 個時段的鄭州市生境質(zhì)量變化率。生境質(zhì)量變化率是指2 個時段之間生境質(zhì)量指數(shù)的相對變化幅度，其計算公式如下：

式中，HQCR為生境質(zhì)量變化率；HQIt1為第1 個時段的生境質(zhì)量指數(shù)；HQIt2為第2 個時段的生境質(zhì)量指數(shù)。

表4 展示了2018—2020 年和2020—2022 年2個時段的鄭州市生境質(zhì)量變化率統(tǒng)計結果。從表4可以看出，鄭州市的整體生境質(zhì)量在2018—2020 年和2020—2022 年2 個時段都呈現(xiàn)出負增長，分別為-0.02 和-0.03，說明鄭州市的生境質(zhì)量在不斷下降[13]。其中，建設用地、其他用地和耕地的生境質(zhì)量變化率均為負值，分別為-0.05、-0.04 和-0.03，而林地、草地和水域的生境質(zhì)量變化率均為正值，分別為0.01、0.02 和0.03。這說明鄭州市的人工用地對生境質(zhì)量的影響較大，而自然用地對生境質(zhì)量的影響較小。

表4 鄭州市2018—2020 年和2020—2022 年不同土地利用類型的生境質(zhì)量變化率統(tǒng)計

圖4 展示了2018—2020 年和2020—2022 年2個時段的鄭州市生境質(zhì)量變化率分布圖。從圖4 可以看出，鄭州市生境質(zhì)量變化率呈現(xiàn)出由中心向外圍遞增的空間分布特征，即中心城區(qū)的生境質(zhì)量變化率最低，郊區(qū)的生境質(zhì)量變化率較高，遠郊區(qū)的生境質(zhì)量變化率最高[14]。這與鄭州市的土地利用變化有關，中心城區(qū)由于城市化擴張、土地開發(fā)、建筑施工等人類活動導致生境質(zhì)量下降較快；而遠郊區(qū)由于自然保護、土地恢復、植被增加等自然因素導致生境質(zhì)量上升較快。

圖4 鄭州市2018—2020 年和2020—2022 年生境質(zhì)量變化率分布圖

3 結論和建議

本研究運用InVEST 模型中的Habitat Quality模塊，基于2018 年、2020 年和2022 年3 期的鄭州市土地利用數(shù)據(jù)，分析了鄭州市的生境質(zhì)量及其變化情況，并探討了影響生境質(zhì)量變化的主要因素。同時，本研究還對鄭州市生境質(zhì)量的空間分布特征和時間變化趨勢進行了深入的分析，揭示了鄭州市在城市化進程中面臨的生態(tài)環(huán)境問題和挑戰(zhàn)。本研究的主要發(fā)現(xiàn)和結論如下：

（1）鄭州市的整體生境質(zhì)量處于中等偏上水平并且有下滑的趨勢，主要受到城市化進程加速、土地開發(fā)、建筑施工、耕地轉(zhuǎn)建設用地等人類活動的影響。這些活動導致了土地利用類型和結構的變化，破壞了生態(tài)系統(tǒng)的完整性和穩(wěn)定性，降低了生物多樣性和生態(tài)服務功能。這一結果與其他研究相一致[15]，表明了城市化對生境質(zhì)量的負面影響。本研究還發(fā)現(xiàn)，鄭州市不同土地利用類型之間的生境質(zhì)量存在顯著差異，其中林地、草地、水域等自然生態(tài)系統(tǒng)具有較高的生境質(zhì)量，而建設用地、裸地等人工系統(tǒng)具有較低的生境質(zhì)量。因此，保護和恢復自然生態(tài)系統(tǒng)是提高鄭州市整體生境質(zhì)量的重要途徑。

（2）鄭州市生境質(zhì)量呈現(xiàn)出由中心向外圍遞減的空間分布特征，以及由西北向東南遞減的空間差異特征。這一結果反映了鄭州市不同區(qū)域之間的發(fā)展不平衡，以及不同區(qū)域內(nèi)部的空間異質(zhì)性。一般來說，鄭州市中心區(qū)域受到人類活動的干擾最大，生境質(zhì)量最低；而鄭州市外圍區(qū)域受到自然條件和保護政策的影響較大，生境質(zhì)量較高。此外，鄭州市西北部區(qū)域由于地形復雜、氣候干旱、土壤侵蝕等因素，生境質(zhì)量較低；而鄭州市東南部區(qū)域由于水資源豐富、植被覆蓋率高、農(nóng)業(yè)活動較少等因素，生境質(zhì)量較高。本研究還發(fā)現(xiàn)，鄭州市各區(qū)域之間的生境質(zhì)量差異在不斷擴大，表明了城鄉(xiāng)二元結構和區(qū)域發(fā)展不協(xié)調(diào)的問題。

（3）在時間上，鄭州市生境質(zhì)量呈現(xiàn)出波動下降的趨勢，主要受到經(jīng)濟發(fā)展、產(chǎn)業(yè)結構轉(zhuǎn)型、能源消耗增加、非法采礦等因素的影響。這些因素導致了鄭州市環(huán)境壓力的增加，以及生態(tài)系統(tǒng)服務供給和需求之間的失衡。尤其是在2020—2022 年，由于新冠疫情的影響，鄭州市采取了一系列應對措施，包括加快基礎設施建設、擴大公共衛(wèi)生投入、促進數(shù)字經(jīng)濟發(fā)展等，這些措施雖然有利于經(jīng)濟恢復和社會穩(wěn)定，但也加劇了對生態(tài)環(huán)境的壓力和破壞。本研究還發(fā)現(xiàn)，鄭州市各土地利用類型的生境質(zhì)量變化存在差異，其中建設用地、裸地等人工系統(tǒng)的生境質(zhì)量下降最快，而林地、草地等自然系統(tǒng)的生境質(zhì)量下降較緩。因此，平衡經(jīng)濟發(fā)展和生態(tài)保護是提高鄭州市生境質(zhì)量的關鍵因素。

基于上述分析，本研究認為鄭州市在城市化進程中面臨著農(nóng)業(yè)生態(tài)環(huán)境保護與發(fā)展之間的較大沖突。為了建設高質(zhì)量生態(tài)宜居城市，本研究提出以下建議：

（1）加強土地利用規(guī)劃和管理，優(yōu)化土地利用結構和布局，控制城市擴張速度和范圍，保護耕地資源和生態(tài)敏感區(qū)，提高土地利用效率和生態(tài)效益。具體而言，應制定科學合理的土地利用總體規(guī)劃和詳細規(guī)劃，明確各類土地利用的功能定位、空間范圍、數(shù)量規(guī)模和發(fā)展方向；應實施嚴格的耕地保護制度和最低耕地紅線制度，限制耕地轉(zhuǎn)建設用地的數(shù)量和范圍；應實施差別化的土地管理政策，根據(jù)不同土地利用類型的生態(tài)價值和環(huán)境敏感性，制定相應的開發(fā)強度、建設標準和保護措施；應實施高效節(jié)約的土地利用政策，提倡集約化、多功能化、智能化的土地利用方式，提高土地利用的經(jīng)濟效益和社會效益。

（2）推進綠色低碳發(fā)展，轉(zhuǎn)變經(jīng)濟增長方式和產(chǎn)業(yè)結構，減少能源消耗和排放強度，發(fā)展清潔能源和循環(huán)經(jīng)濟，提升環(huán)境質(zhì)量和生態(tài)安全。具體而言，應堅持以人為本、創(chuàng)新驅(qū)動、協(xié)調(diào)發(fā)展、綠色發(fā)展、開放發(fā)展、共享發(fā)展的新發(fā)展理念，構建現(xiàn)代化經(jīng)濟體系；應加快產(chǎn)業(yè)結構調(diào)整和優(yōu)化升級，培育壯大新興產(chǎn)業(yè)、戰(zhàn)略性新興產(chǎn)業(yè)、現(xiàn)代服務業(yè)等高附加值產(chǎn)業(yè)；應加強能源管理和節(jié)能減排工作，推廣使用太陽能、風能、生物質(zhì)能等清潔能源，提高能源利用效率和清潔程度；應倡導循環(huán)經(jīng)濟理念和模式，實現(xiàn)資源的有效利用和再利用，減少廢棄物的產(chǎn)生和排放。

（3）加大生態(tài)修復和保護力度，恢復和增加生態(tài)系統(tǒng)的自然資本，提高生物多樣性和生態(tài)服務功能，建立健全生態(tài)補償和激勵機制，促進人與自然和諧共生。具體而言，應加強對鄭州市重點生態(tài)功能區(qū)、重要生態(tài)敏感區(qū)、重要生物多樣性保護區(qū)等區(qū)域的生態(tài)修復和保護工作，恢復和改善受損或退化的生態(tài)系統(tǒng)，增加和優(yōu)化生態(tài)空間和綠色基礎設施；應采取有效措施，保護和增加鄭州市的野生動植物資源，維持和提高生物多樣性水平，防止物種滅絕和基因流失；應建立健全生態(tài)補償和激勵機制，合理分配生態(tài)成本和收益，鼓勵和支持各類主體參與生態(tài)保護和建設，形成共建共治共享的良好氛圍。