安徽省生態用地時空格局演變及驅動因素研究

韓姝程，程久苗，洪德和

（安徽師范大學地理與旅游學院，安徽·蕪湖 241002）

生態用地是構建生態安全格局與推進生態保護修復工作的載體，為人類生存發展提供必要的生態服務空間[1-2]。進入21 世紀以來，我國城鎮化進程加快導致生態保護空間與城鄉建設空間的博弈失衡，人類高強度活動極大改變了生態用地的時空分布格局，降低了自然生態系統的服務功能，進而嚴重威脅區域生態安全與可持續發展[3-7]。同時，隨著生態文明建設、國土空間規劃體制改革與各級國土空間規劃編制工作持續推進，探究生態用地相關問題成為支撐國家戰略決策、實踐改革以及科學研究的重點?！渡鷳B文明體制改革總體方案》（中發[2015]25 號）、《自然生態空間用途管制辦法（試行）》（國土資發[2017]33號）、《關于全面開展國土空間規劃工作的通知》（自然資發[2019]87號）等文件都明確要求劃定生態保護紅線，并對自然生態空間保護與生態文明建設做出統籌部署。

學術界從多方面對生態用地進行了深入探討[8-25]，研究成果聚焦于：從研究內容看，多從生態用地的內涵與分類方法、生態系統服務價值評估、生態用地安全格局構建與空間識別、生態用地景觀格局變化、生態用地格局演變及驅動因素等方面展開；從研究方法看，大多基于3S 技術、多元回歸分析等方法；從研究區域看，多集中于重點生態功能區、西北干旱區等典型區域，以及北京、重慶等大型城市。綜觀已有研究成果，極大豐富了生態用地分類、格局變化及驅動機制的相關理論方法，但多側重于全國、生態典型區域或大型城市，從中部地區典型省域尺度對生態用地演變深入探討的研究并不多見；其次，已有研究多依賴于定性分析或傳統計量模型證實各單個因素與生態用地演變的數量關系，而采用地理定量方法探測空間異質性，進而探究不同類型影響因素對生態用地格局影響有何差異，各影響因素疊加交互作用后是否會互相削弱或增強對生態用地格局影響等相關研究有待豐富。

安徽省作為中部崛起戰略的橋頭堡，是國土開發開放格局與國土生態安全格局的雙重競爭建設高地。境內有全國重要的水土保持、水源涵養、生物多樣性保護型重點生態功能區，是長三角地區的重要生態屏障，更是全國生態產品供給安全保障的重要區域，同時又深度融入“一帶一路”“長江經濟帶發展”“京津冀協同發展”三大國家戰略，經濟與城鎮化快速發展的同時也導致人地矛盾日益突出，生態用地被大量蠶食。厘清該區域的生態用地變化及其成因，對長三角地區生態安全保障、生態文明建設以及長江經濟帶綠色轉型發展具有深遠意義。因此，本文以安徽省16 地市為研究對象，運用土地轉移矩陣、土地動態度、重心轉移模型分析其時空分布格局，采用地理探測器定量識別生態用地演變驅動因素，揭示其區域差異性，以期為省、市縣國土空間規劃的科學編制、生態管制措施的制定、國土生態安全的保障與生態文明建設的推進提供參考。

1 研究區概況

安徽省地處中國華東腹地，介于114°54' E-119°37' E、29°41' N-34°38' N 之間，是連南接北和承東啟西的雙向紐帶，地跨新安江、淮河和長江三大流域，全省地勢東北低、西南高，地形復雜多樣，南北迥異，以平原、丘陵、山地為主，氣候為亞熱帶與暖溫帶過渡區，四季分明，日照充足，降水年際變化大。

安徽省作為長三角的縱深腹地，大力發展循環經濟，致力構建皖江綠色生態廊道，是中部經濟崛起的“脊梁”與長江經濟帶綠色轉型發展的重要戰略支撐。2015 年底，全省常住人口6143.60 萬人，GDP 總量2.20 萬億元，占全國GDP 總量的3.20%，其中第一、二產業占比分別為10.89%、50.41%。全省土地總面積約為14 萬km2，其中，城鄉建設用地總面積約1.08 萬km2，占比約7.7%。

2 數據來源與研究方法

2.1 數據來源

2.1.1 生態用地界定

國內外對生態用地的內涵界定尚未統一，現行各國土地分類體系并未單獨列出生態用地。目前生態用地構成有兩種觀點：生態系統服務功能論與土地主體功能論。生態系統服務功能論認為凡是具有生態服務功能，能直接或間接提供生態服務價值，對生態系統發揮保護作用的土地都可劃為生態用地，包括耕地、林地、草地、水域等；土地主體功能論認為應根據土地的主體功能劃定生態用地，將以經濟產出為主的農業用地，如耕地、水產養殖用地等排除在外，僅把發揮自然生態功能為核心的土地劃為生態用地。根據已有研究，本文在LUCC分類體系基礎上，參照《土地利用現狀分類表》（GB/T 21010-2017），同時考慮資料可獲得性和研究可行性，結合安徽省土地利用現實情況，將研究區生態用地界定為能產生生態服務價值、保護生態系統的土地資源，包括耕地、林地、草地、水域等生態用地。具體分類見表1。

表1 安徽省生態用地分類Table 1 Classification of ecological land in Anhui province

2.1.2 數據來源及處理

本文以安徽省16 地市為研究單元，研究時段為2000-2015 年，因研究時段內存在行政區劃調整，為保證空間單元和數據可比性，將相關統計數據與地理信息數據進行一致化處理，使其與2015 年行政區劃相匹配。行政區劃底圖來源于中國科學院資源環境科學數據中心。

基礎數據主要包括土地利用數據和統計數據。土地利用數據來源于國家地球系統科學數據共享服務平臺——長江三角洲科學數據中心與中國科學院資源環境科學數據中心，包含2000、2005、2010 和2015 年四期1:10 萬比例尺土地利用現狀遙感監測數據，數據柵格單元大小為1km×1km，該數據采用LUCC 分類體系將土地利用類型分為耕地、林地、草地、水域、城鄉建設用地、未利用地6 個一級地類和25 個二級地類。驅動因素相關數據來源于2000-2015 年《中國城市統計年鑒》《安徽統計年鑒》《巢湖統計年鑒》等統計年鑒。

2.2 研究方法

研究選用土地利用轉移矩陣、土地動態度、重心轉移模型等方法從數量與空間結構兩方面對生態用地演變進行分析，并運用地理探測器進一步探究其驅動因素。

2.2.1 土地利用轉移矩陣

土地利用轉移矩陣反映在研究初期和末期某研究區域不同地類之間相互轉化的動態過程，可以作為土地利用變化方向、結構和用地功能類型變化分析的基礎。其數學表達式為：

式中：Sij表示研究初末期的土地利用狀態，n 表示土地利用類型數。

2.2.2 土地動態度

（1）土地利用類型轉移速率

單一土地利用動態度即土地利用類型轉移速率，反映一定時段內研究區域某種土地利用類型數量變化狀況。其表達式為：

式中：K 為單一土地利用動態度，Ua和Ub分別表示某種土地利用類型在研究初期與研究末期的數量，Ub-Ua為研究時段內某類土地面積的變化量，T 表示研究時段。

（2）綜合土地利用動態度

綜合土地利用動態度反映區域綜合土地利用變化的劇烈程度。其表達式為：

式中：F 為研究區域綜合土地利用動態度，ΔFUi-j為研究時段內第i 類土地利用類型轉化為其他土地利用類型的面積絕對值，FUi為第i 類土地利用類型在研究初期的面積，T 表示研究時段。

2.2.3 重心轉移模型

重心轉移模型可用以反映各要素在區域發展過程中空間集聚及其轉移規律。本文中運用重心轉移模型定量分析生態用地轉移，其表達式為：

式中：（Xj，Yj）第j 年生態用地的重心坐標，Gij為第j 年時第i 個市域單元的要素值，（Xj，Yj）為第i 個市域單元幾何重心坐標。

根據生態用地重心坐標，可進一步計算生態用地重心轉移距離。其表達式為：

式中：(Xt，Yt)、(Xt+n，Yt+n)分別為第t、(t+n)年生態用地的重心坐標，dn表示從t 年到t+n 年生態用地重心轉移距離。

2.2.4 地理探測器

地理探測器是用以探測某一現象空間分異性，并揭示其背后驅動因素的空間分析模型，該方法無線性假設條件，在處理類型變量時可以有效克服傳統數學統計模型局限性[26-27]。地理探測器主要包括風險探測、交互作用探測、因子探測、生態探測四部分，該模型已在土地利用、區域經濟、環境污染等領域取得廣泛應用。其核心思想是：若某自變量對某因變量產生重要影響，那么該自變量和因變量則具有空間分布相似性。因此，該模型可用于探測生態用地演變影響因素的差異。本文運用因子探測與交互作用探測對引起生態用地變化的各因子進行定量分析。

因子探測用于探測各驅動因素對生態用地變化的解釋程度，用Z 值度量，其表達式為：

式中：ZD,H表示影響因子D 對生態用地變化H 的解釋力，N 表示整個研究區域的個數，Nh表示次級區域個數，L 表示次一級區域個數，σ2表示整個研究區生態用地變化的方差，σh

2 表示次一級區域生態用地變化的方差，σh2≠0 時，模型有效。ZD,H的取值范圍為[0,1]，ZD,H=0 時，表明生態用地變化與該影響因子無關，ZD,H越大，表明影響因素對生態用地變化的解釋力越大。

交互作用探測用來探究不同驅動因子之間交互作用對生態用地變化的影響，即評估X1和X2共同作用時是減弱或增強對因變量的解釋力，還是呈現相互獨立的影響特征。其具體表達如表2。

3 結果分析

3.1 生態用地時空格局分析

表2 雙因子交互作用類型劃分Table 2 Types of interaction between two covariates

3.1.1 生態用地數量結構變化

2000-2015 年，安徽省生態用地綜合土地利用動態度為0.17%，15 年間變化逐漸劇烈，生態用地大量被建設用地侵占，總量由1312.12 萬hm2減少至1293.21 萬hm2，期間生態用地面積共減少18.91 萬hm2。各類生態用地變化顯著，主要表現為耕地、林地、草地持續減少，水域、其他生態用地不斷增加（圖1、表3、表4）。

圖1 2000-2015年安徽省土地利用變化圖Fig. 1 Land use change map of Anhui province from 2000 to 2015

表3 2000-2015年安徽省生態用地動態度Table 3 Ecological land use dynamics in Anhui province from 2000 to 2015

表4 2000-2015年安徽省土地利用轉移矩陣（單位：hm2）Table 4 Land use transfer matrix of Anhui province from 2000 to 2015

隨著城鎮化快速發展，建設用地擴張不斷占用耕地、林地、草地。2000-2015 年耕地減少速率不斷上升，其中2010-2015 年達到-0.22%，15 年間耕地面積凈減少19.63 萬hm2，土地總面積占比由59.65%降低到57.95%。相比其他地類，耕地變化幅度最大，向其他地類轉化相當劇烈，其中轉化為建設用地、水域、林地、草地、其他生態用地的比例分別為83.32%、12.30%、2.24%、1.35%、0.78%。同時，其余地類補充耕地28926.92 hm2，其中以建設用地和水域補充為主，分別占比50.54%、36.81%。2000-2015 年林地、草地變化速率較小，林地面積凈減少6458.26 hm2，主要是被建設用地侵占，部分補充為耕地。由于草地開墾政策的實行和建設用地擴張，大量草地向建設用地和耕地轉化導致草地面積凈減少2742.91 hm2?？傮w而言，耕地、林地與草地呈現出消耗加劇卻補充不足的局面。

2000-2015 年，水域與其他生態用地面積持續增加。15 年間，我國在長江中游實施退田還湖等生態保護政策，使水域面積呈上漲趨勢且變化幅度較大，至2015 年水域面積凈增加14090.63 hm2，土地總面積占比由4.94%增加至5.14%，其中96.28%由耕地轉化而來。15 年間，其他生態用地相比其他地類變化最為活躍，2010-2015 年單一土地利用動態度高達82.54%，主要是由于自然災害、拋荒等原因，部分耕地轉化為其他生態用地，導致其他生態用地凈增加2297.76 hm2。

3.1.2 生態用地空間結構變化

2000-2015 年，安徽省生態用地持續減少，且有顯著區域差異。其中安徽省中部合肥市始終是生態用地減少的核心區。生態用地重心也位于合肥市，15 年間，生態用地重心遷移距離不大，但有逐年增長之勢，在合肥市呈現出東南（65.10m）→西北（209.64m）→東南（545.83m）遷移趨勢（圖2、表5）。

圖2 2000-2015年生態用地變化軌跡圖Fig.2 Track map of ecological land use change from 2000 to 2015

表5 2000-2015年安徽省生態用地重心轉移情況Table 5 The center of gravity transfer of ecological land in Anhui province from 2000 to 2015

2000-2015 年耕地減少主要轉化為建設用地，集中分布在合肥、馬鞍山以及淮北、蚌埠、淮南等市，耕地增加主要在池州、六安、淮南、宿州等市。同時，15 年間耕地重心也呈現出西北（174.57m）→西北（481.90m）→東南（106.25m）遷移趨勢，最終導致耕地重心向安徽省西北方向移動。2000-2015 年林地面積變化主要分布在生態保護紅線集中區。其中，林地減少主要集中在安慶、池州、宣城等市，林地增加主要集中于黃山、六安等市。15 年間林地重心變化較小，但有南移趨勢。2000-2015 年草地變化集中分布在安徽省北部和東部。其中在滁州、銅陵等市集中減少，在合肥、宿州、宣城等市集中增加。15 年間草地重心遷呈現出西南（45.78m）→西北（324.59m）→東南（439.61m）遷移趨勢，遷移距離不斷增大。2000-2015 年水域面積持續增長，其中阜陽、六安、馬鞍山增長最為顯著，同時六安、合肥市周邊也存在一定縮減。15 年間水域重心呈現先南后北的遷移之勢。2000-2015 年其他生態用地幾乎沒有向其他地類轉化，其增加地區集中分布在池州、銅陵、宣城等市。但15 年間其他生態用地重心變化劇烈，遷移距離不斷增大，其中，2010-2015 年遷移距離高達61866.90 m，總體向西北方向遷移。

3.2 生態用地演變驅動因素分析

3.2.1 生態用地變化率分布格局

對安徽省各市2000-2015 年生態用地面積變化計算得到生態用地變化率。安徽省生態用地變化率分布具有顯著區域差異性，總體呈現西部、南部較低，北部、中部較高的空間格局。位于安徽省北部和中部的淮北、淮南、合肥、馬鞍山、蕪湖、銅陵等市生態用地變化率級別較高，其中銅陵市生態用地變化率最大（-5.78%）；位于安徽省南部的池州、黃山、宣城等市生態用地變化率級別最低，其中宣城市最小（-0.48%）。說明安徽省生態用地變化分布極不均勻，生態用地變化率較高的區域主要集中在合肥市、銅陵市等城市化和工業化進程較快的經濟發達地區，而林草地分布密集區，如池州、黃山、滁州等市則生態用地變化率較低（圖3）。

圖3 生態用地變化率分布Fig.3 Change rate of ecological land use

3.2.2 驅動因素選取及處理

綜合已有研究可知，生態用地變化主要是由自然因素和社會經濟因素共同作用造成的。本文在已有研究的基礎上，基于數據的可獲取性和科學性，結合安徽省實際自然經濟情況，以生態用地變化率作為因變量，并遴選出8 個與生態用地變化相關的驅動因子，包括氣溫、降水、總人口變化率、人口密度變化率、非農業人口變化率、人均GDP 變化率、第一產業占GDP 比重變化率、第二產業占GDP 比重變化率（其中氣溫與降水取2000-2015 年多年平均值）?；诖?，本文在ArcGIS 中采用自然斷點法對2000-2015 年驅動因素數據進行離散化處理，再運用地理探測器進行驅動力分析。

3.2.3 安徽省生態用地演變驅動因素分析

因子探測結果表明，對生態用地變化解釋力最高的三個因子為一產占GDP 比重變化率、二產占GDP 比重變化率和人口密度變化率，分別為0.541、0.536 和0.525；其次為總人口變化率，為0.338；人均GDP 變化率、非農業人口比重變化率和氣溫變化率對生態用地變化影響較小，降水對生態用地變化率的解釋力最小，僅為0.141（圖4）。

圖4 因子探測結果Fig.4 Factor detection result

交互作用探測結果表明，大部分驅動因子交互作用后因子決定力大于0.7，各驅動因子兩兩交互作用后，均非線性或雙線性加強了對生態用地變化的解釋力，說明生態用地演變與社會經濟因子和自然因子共同作用后關聯性更強。其中，一產占GDP 比重變化率、二產占GDP 比重變化率與其他因子交互作用后變化最為顯著。一產占GDP 比重變化率分別與總人口變化率、二產占GDP 比重變化率交互作用后，ZD,H 值高達0.998 和0.981，在因子探測結果基礎上，進一步證實安徽省生態用地演變具有人口發展指向、農業發展指向和工業發展指向（表6）。

（1）人口發展指向

2015 年安徽省常住人口達到6143.60 萬人，人口的急劇增長產生過度耕作、開墾濕地和草地等生態環境問題，同時人們對工業用地、居住用地等生活生產需求也不斷增大，并由此衍生相應公共服務設施、基礎配套設用地需求，必然導致建設用地擴張占用耕地、水域等生態用地，造成生態用地大量流失。人口持續增高給生態用地保護帶來嚴峻挑戰。

表6 各驅動因子交互作用決定力Table 6 Determining the interaction of each driving factor

（2）農業發展指向

安徽省農業資源豐富，是典型的農業大省，農業發展對生態用地變化至關重要。但隨著城鎮化、工業化的快速發展，農村人口不斷向城市遷移，造成農用地拋荒閑置，農業發展日衰，2000-2015 年安徽省第一產業占GDP 比重由25.1%降低為10.89%。同時人們耕作過程中大量使用農藥化肥，導致重金屬污染、土壤板結等土地問題，嚴重破壞土地生態功能，對生態用地產生負面影響。

（3）工業發展指向

作為全國工業化城鎮化的引領地區，近年來安徽省產業結構不斷升級，礦產資源開采、鋼鐵冶煉、機械制造等工業飛速發展，經濟增長幅度明顯，但也導致建設用地擴張侵占生態用地，同時造成環境污染、水資源破壞、水土流失等生態問題。因此，合理調整產業結構，嚴格管控工業污染對穩定生態用地、保護生態環境、平衡生態系統具有重要意義。

4 結論與討論

4.1 結論

基于省域維度，從空間分析角度出發，采用土地利用轉移矩陣、土地動態度、重心轉移模型和地理探測器模型等方法，分析2000-2015年安徽省生態用地的時空格局演變，并進一步探究其驅動因素，主要結論如下：

（1）2000-2015 年生態用地持續減少、變化幅度逐漸增大且結構轉化極不平衡。具體表現為耕地、草地和林地面積不斷減少，水域和其他生態用地面積有所增長；生態用地變化劇烈程度不斷加劇，各類生態用地變化速度依次為：其他生態用地＞耕地＞水域＞草地＞林地；生態用地主要向建設用地轉化，非生態用地的轉移去向主要是耕地和水域，但生態用地向非生態用地轉化是非生態用地向生態用地轉化的13 倍。

（2）2000-2015年生態用地變化具有顯著空間差異性，但總體生態用地重心較穩定。生態用地變化呈現“北多南少中集中”的格局，其中以建設用地侵占耕地最為明顯；各類生態用地重心主要分布在安徽省中部，其他地區分布較少，期間主要在南北方向有所移動，但總體分布格局較均衡。

（3）安徽省生態用地演變以產業驅動和人口驅動為主。生態用地演變受自然因素和社會經濟因素的綜合影響，但社會經濟因素對生態用地演變的解釋力遠高于自然因素，解釋力最高的3 個因素為一產占GDP 比重變化率、二產占GDP 變化率和人口密度變化率。大部分驅動因素交互作用后因子決定力大于0.7，驅動因素交互作用后均為增強關系，其中仍以產業結構與人口因素的交互作用決定力為首。

4.2 討論

隨著經濟發展與城鎮化進程不斷提速，生態保護空間與城鄉建設空間博弈失衡。在明確生態用地演變規律與驅動力的基礎上，必須統籌永久基本農田保護紅線、生態保護紅線和城鎮開發邊界三條控制線劃定，以資源環境承載能力評價和國土空間開發適宜性評價為基礎合理進行國土空間用途管制，并完善自然資源有償使用、生態補償與修復、區域協調聯動等方面的保障機制，制定產業投資、人口流動與資源配置等配套政策。同時，建立健全生態用地管理法律體系和全國生態用地監管網絡，提高土地生態系統監測能力，為自然資源綜合管理提供依據，實現對經濟社會可持續發展的生態支撐作用。

本文生態用地內涵和類別劃分主要是在總結已有研究基礎上借鑒其相關分類成果，但生態用地分類目前爭議較多，有待進一步探究；此外，生態用地演變驅動機制復雜，除社會經濟因素和自然環境因素外，政策規劃同樣對生態用地變化有重要作用，但由于政策規劃類因素定量化與空間化技術方法的局限性，短期難以量化界定其影響程度和范圍。隨著理論方法和量化數據的日益完善，在未來研究中，需積極探索政策規劃、法律等相關因子對生態用地演變的作用機理，進一步完善驅動機制的指標體系，為生態管制措施制定和國土生態安全保障等方面提供更加科學的決策支撐。