黃土高原溝壑區生態用地空間格局變化分析
——以陜西省洛川縣為例

侯會延,李彤,賈寶全,張秋夢,房有鑫

(1.洛川縣林業局,陜西洛川 727400;2.中國林業科學研究院林業研究所國家林業和草原局林木培育重點實驗室/國家林業和草原局城市森林研究中心,北京 100091)

生態用地是以發揮生態功能或生態效應為主的土地利用類型[1]。生態用地既是區域生態系統服務功能的重要載體,也是區域生態安全格局最重要的物質基礎[2],其數量多寡、質量高低與時空穩定性更是衡量區域生態環境優劣的重要指標[3],對于地區可持續發展目標的實現具有重要現實意義,在維護生態平衡、保障國土生態安全、應對全球氣候變化等方面具有特殊地位[4]。目前,隨著以“三區三線”為核心的國土空間規劃的全面開展,生態用地的實踐指導意義更為突出[5]。由于生態用地跨越了生態學、地理學、土地科學和管理科學等不同學科,并在理論到實踐之間建立了重要的聯系,因此,其作為科學概念,自2004年一經提出便迅速引起了學術界的廣泛關注與深入討論[6-7],并迅即成為了國內土地利用/土地覆蓋領域最重要的研究議題與熱點[8-9]。從已有研究成果來看,相關研究主要集中在生態用地概念內涵與分類[10]、生態用地及其生態服務功能的時空演變與驅動力分析[11]、生態用地時空景觀格局與優化[12]、生態用地安全格局及其優化等方面[13],近年來隨著國家空間規劃的逐步實施,生態用地研究也逐漸轉到了“三生”空間領域[5,14]?？傮w來看,隨著生態建設實踐的不斷推進,生態用地總體呈現了外延不斷擴大、分類實踐逐步深入的趨勢,并從最開始僅限于西北干旱綠洲區的脆弱環境[6],慢慢滲透深入到不同的重點生態功能區[15],再逐步深入到城市生態用地[16]、區域生態用地[9]、鄉村生態用地[17]、“三生”空間與生態紅線等范疇[14],隨著其內涵的豐富與外延的擴大,生態用地與生產實踐的關系越來越密切,其實踐指導意義也越來越強;其次,就研究數據支撐現狀來看,其正從中尺度的landsat TM 數據產品逐步深入到高分影像數據[18],隨著以國土三調數據為基礎的“一張圖”的逐步實施,將對未來的生態用地研究提供更為詳盡而扎實的數據支撐;第三,從研究的空間尺度來看,過去的相關研究大多以縣域及其以上的行政區域或自然區域為研究單元,因而研究結果的趨勢性較強,但針對某一更小的空間單元時,在針對性與實踐指導性方面常常顯得力不從心;第四,目前的研究成果中,除了相關的生態用地變化模擬研究具有較強的空間可視性展示效果外,絕大多數的研究工作對于時空異質性的把握還不夠充分,因此相關成果對區域生態保護與國土空間規劃的針對性與有效性方面則相對不足;第五,相關研究成果集中于林地、草地、濕地、城市綠地等土地利用類型,而對于生產性生態用地等其他生態用地地類,目前也還僅僅停留在生態用地類型分類上,缺乏更進一步的深入研究,隨著《國務院辦公廳關于堅決制止耕地“非農化”行為的通知》(國辦發明電〔2020〕24號)和《國務院辦公廳關于防止耕地“非糧化”穩定糧食生產的意見》(國辦發〔2020〕44號)的發布與實施,對于一些果業生產專業區域而言,這一缺陷構成的學術理論短板與實踐脫節問題也愈發突出。為此,我們選擇全國優勢農產品(蘋果)產業化建設示范縣和陜西省唯一的“一縣一業”示范縣——洛川縣為研究區域,基于1∶10 000國土資源數據支撐,從空間格局的視角,以村級行政單元為基礎,對其2009—2019年10 a間的生態用地空間格局變化及其環境和社會影響進行分析,以探索果業生產對于林地資源有限區域的現實生態意義,進而為生態用地的保護和高效利用提供科學依據。

1 材料與方法

1.1 研究區概況

洛川縣地處陜西省中部、黃土高原南部,位于東經109°18′14″—109°45′47″和北緯35°26′29″—36°04′12″,是黃土高原面積最大、土層最厚的塬區,縣域總面積1 793.12 km2。境內塬面平均海拔1 100 m,黃土層厚80～140 m,地勢東北高西南低,北部是黃土低峁丘陵區,中部是黃土臺塬區,南部為黃土殘塬溝壑區(圖1)。全縣地處暖溫帶,屬大陸性季風氣候,年平均氣溫9.9℃,晝夜溫差12.8℃,年降雨量592.6 mm,年均日照2 525 h。由于塬面平坦、土地寬廣、雨熱同季、晝夜溫差大等特點,長期以來便擁有“陜北糧倉”和“蘋果之鄉”的美譽。洛川屬暖溫帶半濕潤落葉闊葉林,處黑壚土地帶,區域內共分9 個土類,11個亞類,22個土屬,59個土種;其中黃土性土分布最廣,占總土地面積的48.23%;其次為黑壚土,占總土地面積的23.16%;第三是灰褐土,占總土地面積的21.51%;第四是紅土,占總土地面積的5.23%。

圖1 洛川縣衛星影像與地貌區劃Fig.1 TM imagine and landform division of Luochuan county

洛川縣現轄7 鎮1 鄉1 個街道辦(圖1),截至2019年年底,全縣常住人口21.73萬人,人口自然增長率2.8‰,人口密度約為121人/km2。2019年全年地區生產總值243.87億元,地方財政收入1.427 億元,城鎮居民人均可支配收入34 957元,農村居民人均可支配收入13 249元。

1.2 生態用地分類與研究數據

生態用地分類是一個非常復雜的研究議題,受研究視角、研究尺度、關注焦點等不同因素的影響,目前分別提出了區域[3,6-7]、城市等[9]不同空間實體的生態用地分類,另外也有學者提出了基于土地管理角度的生態用地分類方案[8],這些研究工作對于生態用地的拓展和深化起到了非常重要的作用。然而,面對目前最為急迫的國土空間規劃實際需求,這些方案因其包容性差的缺陷總難以給人以滿意的效果,因此探索新形勢下的包容性生態用地分類,便成為了首當其沖的工作任務,Guo等[10]提出的服務于生態紅線實施的、基于管理導向的生態用地分類系統,因其與現有土地利用分類系統銜接的有效與實踐應用的多尺度性,而成為目前包容性最高的分類體系[10]。在本項研究中,考慮到洛川縣作為全國“蘋果生產專業縣”,蘋果種植總面積已達到35 333 hm2,覆蓋了82%的耕地和95%以上農戶,蘋果收入占到農民收入95%以上,以及果園平均壽命30 a具有遠高于耕地的生態與環境效益的客觀事實,在分析生產性生態用地時,我們只考慮了園地,而未將該區域僅種植1 a生農作物的耕地納入生態用地的考慮視角。

研究數據為洛川縣自然資源局提供的第二次(2009年)和第三次(2019年)國土資源調查1∶10 000矢量數據。原數據共包含濕地、耕地、園地、林地、草地、商業服務用地、工礦用地、住宅用地、公共管理與公共服務用地、特殊用地、交通運輸用地、水域與水利設施用地、其他用地共13個一級地類與64個二級地類?？紤]到本文主要是探究生態用地的空間格局變化,為了簡化土地類型數量,我們將土地分類共合并為耕地、園地、草地、林地、建設用地和水體6大類,其中生態用地包括林地、草地、水體和園地4類。

1.3 研究方法

1.3.1 生態用地穩定性指數 景觀的穩定性是景觀生態學中的核心研究議題之一[19],目前的景觀穩定性概念大多借用了生態系統穩定性概念[20],尚沒有一個可為學界普遍接受的、內涵與外延均很明確的概念。我們認為,景觀的穩定性應該是指在一定區域內不同景觀要素在時間尺度上保持其本質屬性不變的特性,這些屬性不隨時間變化的生態用地組合可稱之為穩定性生態用地。從土地覆蓋/土地利用的角度來看,穩定性可以用一定區域內各類土地覆蓋/土地利用類型面積隨時間保持不變的比例來衡量[21-23]。為此,借用轉移概率矩陣方法的結果,我們認為生態用地空間穩定性就是指在兩個不同的時間點之間,生態用地在區域空間內保持其地類屬性不變的特征。我們嘗試提出生態用地穩定性指數作為定量刻畫生態用地空間穩定性的參考工具,具體的計算方法分別為:

式中:PSI為生態用地穩定性指數;Ai為在研究的時間段內研究區域中生態用地覆蓋i類型保持覆蓋性質不變的面積,這里i分別代表林地、草地、水體和果園;A為研究區域內各類土地覆蓋的面積總和,研究區域可以使不同級別的行政區劃單元,也可以是不同尺度的地理網格單元,文中為行政村的總面積;n為土地覆蓋類型的總數。就同一區域的不同時間段或不同區域同一時間段的比較而言,PSI值越大,表明區域生態穩定度性越高;反之,穩定度則越低。

1.3.2 空間自相關分析 空間自相關分析是研究某一區域屬性時空格局演進的常用方法,通常采用Moran指數來進行測度,包括全局空間自相關和局部空間自相關兩部分[24]。所有空間自相關分析研究均借助ArcGIS 10.8軟件平臺,利用其空間統計模塊的相關工具實現。

2 結果與分析

2.1 生態用地變化過程

2.1.1 生態用地總體變化過程 就生態用地的空間分布而言(圖2),在基礎生態用地中,林地主要分布在北部的低峁丘陵區,該區域僅靠黃龍縣的黃龍山林區,也是洛川縣惟一的天然次生林分布區,另外在一些黃土川道也有零星分布;草地主要分布于黃土川道的河流上游以及溝道兩側梁卯的海拔較高部位,由于地形分割嚴重,均呈小片分布;水域呈線狀與分散的塊狀散布于縣域各處,其中以西部邊界的洛河河道和東部邊界區域的拓家河水庫、石堡川水庫最為出名。而生產性生態用地的果園,則全部分布于縣境內的黃土塬梁等相對平坦寬厚的地形部位,并成為農村居民點的景觀基質。

圖2 洛川縣2009年和2019年土地利用現狀Fig.2 Land use map of Luochuan County in 2009 and 2019

2009年、2019年洛川縣土地利用數據變化情況表明(表1),在過去的10 a間,基礎生態用地總體減少了4 321.45 hm2,其中草地減少規模為27 566.65 hm2,而林地和水體則分別增加了23 103.4,141.8 hm2;生產性生態用地總體上增加了2 948.06 hm2,其中耕地和果園面積分別減少和增加了6 077.25,9 025.31 hm2;非生態用地的建設用地增加了1 373.38 hm2。

表1 洛川縣2009年、2019年土地利用總體變化Table 1 Overall change of land use in Luochuan County in 1999 and 2019

從其內部變化過程來看(表2),10 a變化間隔期間,生態用地中以林地和園地最為穩定,其空間上保持不變的面積比例分別達到了89.07%,87.91%,以草地最不穩定,其保持不變的面積比例只有31.97%。從變化去向來看,2009年林地中分別只有6.34%,2.29%的面積分別轉換成草地和耕地,而同期的園地中分別只有2.75%,4.95%,3.51%的面積轉換為了林地、耕地和建設用地;耕地的穩定性也很差,保持不變的面積比例只有34.5%,轉移去向主要為園地、林地和建設用地,轉移概率分別達到53.7%,7.45%,3.49%;建設用地的穩定性極高,保持不變的面積比例達到了82.19%,其主要的轉出方向為園地、林地和耕地,轉移概率分別為8.3%,3.91%,3.45%。

表2 洛川縣2009年、2019年土地利用類型轉移概率矩陣Table 2 Probability matrix of land use type transition in Luochuan County in 2009 and 2019

2.1.2 穩定性生態用地的空間分布 從穩定性生態用地的空間分布來看(圖3),林地穩定性斑塊主要分布在北部的低峁丘陵區;水體的穩定性斑塊較少,集中在中部塬區,另在殘塬溝壑區有少量分布;草地的穩定性斑塊主要分布在中部塬區和南部的殘塬溝壑區;而園地的穩定性斑塊則具有與草地相同的分布格局。

圖3 穩定性斑塊類型與不穩定性斑塊的轉出類型空間分布圖Fig.3 Spatial distribution of stable patch types and unstable patch out-types

從數量來看,全縣生態用地穩定性斑塊總面積108 583.1 hm2(表3),其中以低峁丘陵區穩定性生態用地的面積最大,達到了45 587.27 hm2,其內部林地穩定性斑塊的面積又占到了整個穩定性生態用地斑塊面積的90.04%;其次為中部塬區,該區域穩定性生態用地總面積42 522.31 hm2,這其中又以穩定性園地所占比例最大,其占該區域穩定性生態用地的比例達44.35%,草地穩定性斑塊面積占該區域的面積比例為22.36%;在殘塬溝壑區,穩定性生態用地面積占該區域面積的47.84%,其中園地穩定性面積占該區域穩定性生態用地總面積的45.7%,草地穩定性斑塊面積占穩定性生態用地的面積比例也達到了24.4%。

表3 洛川縣2009-2019年穩定性生態用地統計Table 3 Statistics of stable ecological land area in Luochuan County from 1999 to 2019

2.1.3 生態用地穩定性指數總體變化 根據公式(1)計算的全縣與不同生態區的穩定性指數結果顯示(圖4),以園地為代表的生產性生態用地對全縣及各生態區域均有較大的影響,其對生態穩定性指數的影響幅度在6%～23.5%(圖4)。在不包括園地的前提下,全縣的生態用地穩定性指數為42.81%,低峁丘陵區、中部塬區和殘塬溝壑區分別為74.44%,29.53%,25.98%,這與全縣天然植被的分布格局非常一致;如果將穩定性園地考慮在內,則全縣的生態穩定性指數達到60.56%,低峁丘陵區、中部塬區和殘塬溝壑區則分別達到了80.85%,53.07%,47.84%,分別增加6.41%,23.53%,25.98%。

圖4 生態用地穩定性指數Fig.4 Ecological land stability index in diferent regions

2.2 生態用地空間格局分析

2.2.1 生態用地的局部空間自相關分析 依托ArcGIS平臺,以2009年、2019年兩個時段的村域生態用地占比為基礎,在明確最佳空間鄰域距離(8 607 m)條件下的不同類型生態用地Moran′sI指數表明,全縣兩個時段的生態用地均存在顯著的空間聚集分布特征(表4)。

表4 2009年、2019年生態用地的全局統計Table 4 Global spatial autocorrelation statistics(Moran's I)between 2009 and 2019 period

生態用地局部空間自相關分析結果表明(圖5),剛性生態用地的空間聚類格局在2009年和2019年間在全縣尺度與分區域尺度上均未有顯著變化,高—高值聚集區主要集中分布在低峁丘陵區及其與中部塬區的交界地帶,低—低值聚集區主要分布在中部塬區中央以及殘塬溝壑區。與基礎生態用地的聚類格局不同,園地在2009年、2019年間發生的變化較大,且這種變化主要發生在中部塬區與殘塬溝壑區,其中中部塬區低—低聚類區有所擴大,而高—高聚類區明顯縮小,但在殘塬溝壑區,2019年與2009年相比,隨著低—低聚類區和高—低聚類區完全消失,新出現了大范圍的高—高聚類區與小范圍的低—高聚類區域。正是由于園地的數量與時空變化,直接促進了全域生態用地尺度下聚集效應的空間變化,一方面中部塬區高—低、低—高和低—低聚類區域的范圍有所擴大,另一方面在殘塬溝壑區低—低聚類區范圍急速縮小與統計不顯著區域快速擴張。

圖5 洛川縣生態用地局部聚集分析Fig.5 Local spatial autocorrelation of ecological land in Luochuan County

從聚集類型統計結果看(表5),在2009—2019年時段內,只考慮基礎生態用地格局的情境下,高—低和低—高聚集區的大小沒有發生變化,當將園地考慮在內時,則直接導致了高—低和低—高聚集區的增加變化,10 a間分別增加了8 373.14,2 773.3 hm2;統計不顯著區域則從單純的減小變化逆轉為了空間增長;高—高值聚集區和低—低值聚集區也雙雙由純基礎生態用地在空間范圍上的小幅增加逆轉為了大幅減小,減小面積分別達18 262.62,20 609.42 hm2,這一轉變使得不同聚集類型在縣域空間上更為均衡。

表5 不同時期生態用地空間聚集類型統計Table 5 Statistics of spatial aggregation types in different times hm2

2.2.2 生態用地的空間熱點分析 研究區域不同生態用地類型的空間熱冷點分析結果顯示(表6,圖6),就基礎生態用地而言,2009年與2019年的空間熱、冷點格局沒有太大變化,冷點面積減少了4 066.5 hm2,熱點面積與統計不顯著區域面積僅分別增加了1 748.1,2 318.6 hm2;從園地視角來看,其冷熱點空間格局變化很大,2009年時熱點只集中分布在中部塬區,而冷點以5個大小不同的斑塊散布在全縣的3個區域中(圖6B),到了2019年,熱點區域迅速連片擴散至南部的殘塬溝壑區(圖6E),而冷點區域則集中分布在了北部的低峁丘陵區和中部塬區的西北部(圖6B、圖6E),其中北部低峁丘陵區空間分布及其空間構型變化不大,而中部塬區的西北部則圍繞縣城所在地的鳳棲街道呈現明顯擴大(圖6E)。

表6 不同時期生態用地熱點類型統計Table 6 Statistics of spatial hot types in different times hm2

圖6 洛川縣生態用地熱點分析Fig.6 The hot spot analysis of ecological land use in Luchuan County

園地的存在及其空間分布也極大影響到全縣的生態用地冷、熱點空間格局(圖6C、圖6F)。首先,將2009年橫跨北部低峁丘陵區和中部塬區的熱點區域,壓縮到了2019年的中部塬區,從而將北區低峁丘陵區熱點和統計不顯著區域平分秋色的空間格局,改變成了以統計不顯著區域占絕對優勢的空間格局;其次,在中部塬區形成了以鳳棲街道為中心的冷點區域,同時將南部殘塬溝壑區以冷點區域占絕對優勢的格局逆轉成了以統計不顯著區域占優勢的格局,冷點區域被壓縮到了縣界南部和西部邊緣地帶。

3 討論

黃土高原由于自然及歷史原因,水資源貧乏,干旱、土壤退化等問題嚴重,是我國人口、資源、環境矛盾最集中、治理難度最大的區域之一[25],而以延安為中心的黃土高原中部丘陵溝壑區,又是該區生態環境惡劣、水土流失最為嚴重的區域[26]。因此,增加植被覆蓋、改善生態環境一直是該區域生態建設的重中之重[27]。本項研究結果顯示,洛川縣近10 a的生態用地變化以基礎生態用地的小幅減少和生產性生態用地的巨量增加為主要特點,其中草地減少面積最大,達到了27 566.65 hm2,耕地減少了6 077.25 hm2,與之相對應的是林地和果園的大幅度增加,其中林地增加23 103.4 hm2,果園增加9 025 hm2。從其內部轉移方向來看,草地和耕地減少的土地面積絕大多數流向了林地和果園,這與邱海軍等[28]的研究的結論一致。從生態功能與生態服務效果來看,林地、草地和耕地的單位生態服務功能價值分別為30 530.8,18 075.1,20 900元/hm2[29],而經濟林為54 994.81元/hm2,扣除其產品價值外,其生態服務功能價值依然高達44 034.34元/hm2[30],很顯然,研究區域目前的土地利用變化是一個具有明顯生態環境改善效應的變化過程。

除生態效益之外,耕地向果園轉變還產生了巨大的經濟與社會效益。從研究區域果園面積與農民純收入變化來看(圖7),2004 年是一個分水嶺,在1992—2004年,全縣蘋果種植面積由10 777.5 hm2穩步增加到33 130 hm2,在2004年之后,全縣蘋果生產面積基本上穩定在334 100 hm2左右,其占耕地面積的比重也由1992年的24.9%增加到了2020年的77.92%,目前全縣農村人均占有果園0.22 hm2、戶均0.83 hm2,位居全國蘋果基地縣之首。隨著蘋果產業的發展,農民人均純收入也從2001年的2 269元增加到了2020年的14 356元,整整翻了6.3倍,人均蘋果收入占農民人均年純收入的比例也從2001 年的69.63%增加到了2020年的100%?？梢哉f,洛川已經成為了踐行習近平總書記“兩山論”的生動樣板。

圖7 洛川縣果園面積與農民人均純收入變化Fig.7 Changes of Orchard area and farmer per capita net income in Luchuan County

從上述分析可見(圖5—6),在2009—2019年的10 a間,基礎生態用地的空間格局基本保持了穩定,其低—低聚類區域與冷點區域在空間上高度重合,其時間動態變化也主要為內部類型之間的轉換(表2),這種內部地類向林地的流向變化只增強了相關基礎生態用地的功能,但很難對長期形成的基礎生態用地空間分布的不平衡性產生有效影響,從景觀生態學景觀格局決定景觀過程與景觀功能的視角來看[20],該情況對區域的可持續發展是非常不利的;以果園為代表的生產性生態用地的擴展,則在相當大的程度上改善了基礎生態用地形成的空間不平衡性,一方面果園面積在持續增加,10 a間面積凈增9 025.31 hm2(表1),另一方面,其增加的面積主要來源于耕地(轉移概率為53.7%)和建設用地(轉移概率為8.3%)等非生態用地類型,相較于生態用地自身轉換,源自生態用地系統外組分向生態用地的空間轉換與擴展對整個研究區域生態用地格局的影響是巨大的。這一情況也啟示我們,在生態資源相對穩定的區域開展生態建設,如果僅在基礎生態用地范圍內開展生態建設活動,其最終結果只對提高生態質量有效,受總體規模的制約,其很難對區域整體的生態用地空間格局產生影響,要想改變區域的生態用地空間格局,必須從基礎生態用地類型以外的其他土地利用類型入手,生態效益與經濟社會效益并舉的經濟林擴增無疑是一個最好的目標實現途徑。

4 結論

(1)2009—2019年,洛川縣生態用地增加了4 703.87 hm2,其中林地和果園增加面積最大,分別增加了23 103.4,9 025.31 hm2,雖然草地面積減少了27 566.65 hm2,但其中的絕大部分轉變為生態價值與效益更高的林地。非生態用地中,耕地面積減少了6 077.25 hm2,而建設用地則增加了1 373.38 hm2。

(2)從生態用地10 a間的空間穩定性規模與比例來看,全縣穩定性生態用地面積達到了108 583.1 hm2,但不同區域的類型差異較大,其中北部的低峁丘陵區穩定性生態用地面積最大,達到了45 587.27 hm2,其內部林地穩定性斑塊面積占到了90.04%;中部塬區與南部殘塬溝壑區穩定性生態用地面積分別為42 522.31,20 473.52 hm2,其以果園為代表的彈性生態用地類型為主,面積占比分別達到了區域穩定生態用地面積的44.35%,45.7%。

(3)以果園為代表的生產性生態用地對全縣與不同生態區域的生態穩定性指數有較大影響,影響幅度介于6%～23.5%。以全縣論,在不包括生產性生態用地(果園)的情況下,生態用地的穩定性指數為42.81%,當包括彈性生態用地在內時,生態用地穩定性指數達到了60.56%。

(4)生態用地占比的局部空間自相關分析顯示,2009年和2019年生態用地聚集度均以高—高值聚集區占優勢,占縣域面積的比例分別為34.26%,24.08%,其中,基礎性生態用地在兩個年度的聚集度格局基本上沒有發生變化,但生產性生態用地的空間聚集格局變化較大,其高—高聚集區和低—低聚集區分別增加了6 079.64,10 792.11 hm2,而統計不顯著區域減少了18 309.15 hm2,也正是生產性生態用地聚集格局的變化直接導致了整個生態用地聚集度格局中高—高聚集區和低—低聚集區分別減少了18 262.62,8 373.14 hm2,以及統計不顯著區域增加了27 725.61 hm2的結果。生態用地的冷、熱點格局也具有與聚集度相似的空間格局與變化過程。