鄭州市生境質量時空演變評價及其影響因素分析

陳旭宗，王萍，王姝逸

（1.長江大學經濟與管理學院，湖北 荊州 434023；2.天津市農業發展服務中心，天津 300202）

隨著城市化進程不斷加快，全球范圍內出現了大規模和快速的生境質量退化現象，這對生態系統中的生物多樣性構成了嚴重的威脅。生境質量是指一個特定的農業生態系統或環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狀和發展水平，它是反映區域內生物多樣性狀況的一個重要指標[1]。生境質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量變化進行研究，可以為區域內的生物多樣性保護和可持續發展提供科學依據和決策支持。

目前，對于生境質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]利用實地調研數據構建了萊州灣生境質量評價指標體系，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）農業生態系統服務模型，對粵港澳大灣區的生境質量進行了時空演變特征分析。其中，InVEST 模型由于其數據獲取方便、結果可視化效果好、評估精度高等優點，已經被廣泛應用于自然保護區、流域、省域、市域等不同尺度的生境質量評估研究中。

鄭州市是中原地區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展與農業生態環境保護之間的矛盾和沖突。為了深入了解鄭州市的生境質量及其變化趨勢，本研究采用InVEST 模型中的Habitat Quality 模塊，利用最新的土地利用數據，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量的影響程度和敏感性，從時空兩個維度對鄭州市生境質量的演變特征進行了詳細分析，并探討了影響生境質量變化的主要驅動因素，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域農業生態環境保護與發展之間做出合理權衡，并提供理論支持和政策參考，以促進高質量生態宜居城市的建設，也可以為其他類似區域開展生境質量評估提供借鑒。

1 材料與方法

1.1 研究數據材料

本研究選取2018 年、2020 年、2022 年共3 期的鄭州市土地利用數據，該數據來源于Esri 聯合Impact Observatory 以及Microsoft 基于哨兵2 衛星數據進行分類和處理得到，具有較高的精度和可信度。土地利用數據分為六大類：耕地、林地、草地、水域、建設用地和其他用地。除了土地利用數據外，本研究還選取了鄭州市的可侵蝕因子數據，該數據來源于中國土壤侵蝕數據庫，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據示意圖。

圖1 土地利用因子數據集

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量。InVEST 模型是一個開源的生態系統服務評估工具，由美國自然保護協會（The Nature Conservancy）等機構開發，可以根據不同的生態系統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等參數來計算生境質量指數（HQI），該指數反映了一個特定區域內生物多樣性和生態系統健康狀況的相對程度[5]。

Habitat Quality 模塊的核心公式如下：

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

本研究根據鄭州市的實際情況，選取了以下5 種威脅因子：建筑群、鐵路、路網、湖泊和河道。這些威脅因子都是人類活動對生境質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和一個敏感性系數。衰減系數表示威脅因子對生境質量影響隨著距離的增加而遞減的程度，敏感性系數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和敏感性系數，如表1 所示。

根據上述公式和參數，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據進行了空間分析，并得到了相應期間的鄭州市生境質量分布圖。

2 結果與分析

2.1 生境質量評估結果

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

圖2 鄭州市2018 年、2020 年和2022 年生境質量分布圖

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

表2 鄭州市不同土地利用類型的生境質量統計

2.2 生境質量時空演變特征

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 期的鄭州市生境質量的全局Moran's I 指數和局部Moran's I 指數。Moran's I 指數是一種反映空間數據分布特征的指標，其值范圍在-1 到1 之間，當Moran's I 指數接近1 時，表示空間數據呈現出正相關性，即相似值聚集在一起；當Moran's I 指數接近-1 時，表示空間數據呈現出負相關性，即相異值聚集在一起；當Moran's I指數接近0 時，表示空間數據呈現出隨機性[10]。全局Moran's I 指數反映了整個研究區域內空間數據的整體分布特征；而局部Moran's I 指數反映了每個單元格內空間數據與其鄰近單元格內空間數據之間的相對關系[11]。

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

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

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

圖3 2018 年、2020 年和2022 年鄭州市生境質量Moran's I 指數分布圖

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

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

表4 展示了2018—2020 年和2020—2022 年2個時段的鄭州市生境質量變化率統計結果。從表4可以看出，鄭州市的整體生境質量在2018—2020 年和2020—2022 年2 個時段都呈現出負增長，分別為-0.02 和-0.03，說明鄭州市的生境質量在不斷下降[13]。其中，建設用地、其他用地和耕地的生境質量變化率均為負值，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量的影響較大，而自然用地對生境質量的影響較小。

表4 鄭州市2018—2020 年和2020—2022 年不同土地利用類型的生境質量變化率統計

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

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

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據，分析了鄭州市的生境質量及其變化情況，并探討了影響生境質量變化的主要因素。同時，本研究還對鄭州市生境質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環境問題和挑戰。本研究的主要發現和結論如下：

（1）鄭州市的整體生境質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、建筑施工、耕地轉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，破壞了生態系統的完整性和穩定性，降低了生物多樣性和生態服務功能。這一結果與其他研究相一致[15]，表明了城市化對生境質量的負面影響。本研究還發現，鄭州市不同土地利用類型之間的生境質量存在顯著差異，其中林地、草地、水域等自然生態系統具有較高的生境質量，而建設用地、裸地等人工系統具有較低的生境質量。因此，保護和恢復自然生態系統是提高鄭州市整體生境質量的重要途徑。

（2）鄭州市生境質量呈現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域之間的發展不平衡，以及不同區域內部的空間異質性。一般來說，鄭州市中心區域受到人類活動的干擾最大，生境質量最低；而鄭州市外圍區域受到自然條件和保護政策的影響較大，生境質量較高。此外，鄭州市西北部區域由于地形復雜、氣候干旱、土壤侵蝕等因素，生境質量較低；而鄭州市東南部區域由于水資源豐富、植被覆蓋率高、農業活動較少等因素，生境質量較高。本研究還發現，鄭州市各區域之間的生境質量差異在不斷擴大，表明了城鄉二元結構和區域發展不協調的問題。

（3）在時間上，鄭州市生境質量呈現出波動下降的趨勢，主要受到經濟發展、產業結構轉型、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境壓力的增加，以及生態系統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、擴大公共衛生投入、促進數字經濟發展等，這些措施雖然有利于經濟恢復和社會穩定，但也加劇了對生態環境的壓力和破壞。本研究還發現，鄭州市各土地利用類型的生境質量變化存在差異，其中建設用地、裸地等人工系統的生境質量下降最快，而林地、草地等自然系統的生境質量下降較緩。因此，平衡經濟發展和生態保護是提高鄭州市生境質量的關鍵因素。

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業生態環境保護與發展之間的較大沖突。為了建設高質量生態宜居城市，本研究提出以下建議：

（1）加強土地利用規劃和管理，優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敏感區，提高土地利用效率和生態效益。具體而言，應制定科學合理的土地利用總體規劃和詳細規劃，明確各類土地利用的功能定位、空間范圍、數量規模和發展方向；應實施嚴格的耕地保護制度和最低耕地紅線制度，限制耕地轉建設用地的數量和范圍；應實施差別化的土地管理政策，根據不同土地利用類型的生態價值和環境敏感性，制定相應的開發強度、建設標準和保護措施；應實施高效節約的土地利用政策，提倡集約化、多功能化、智能化的土地利用方式，提高土地利用的經濟效益和社會效益。

（2）推進綠色低碳發展，轉變經濟增長方式和產業結構，減少能源消耗和排放強度，發展清潔能源和循環經濟，提升環境質量和生態安全。具體而言，應堅持以人為本、創新驅動、協調發展、綠色發展、開放發展、共享發展的新發展理念，構建現代化經濟體系；應加快產業結構調整和優化升級，培育壯大新興產業、戰略性新興產業、現代服務業等高附加值產業；應加強能源管理和節能減排工作，推廣使用太陽能、風能、生物質能等清潔能源，提高能源利用效率和清潔程度；應倡導循環經濟理念和模式，實現資源的有效利用和再利用，減少廢棄物的產生和排放。

（3）加大生態修復和保護力度，恢復和增加生態系統的自然資本，提高生物多樣性和生態服務功能，建立健全生態補償和激勵機制，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功能區、重要生態敏感區、重要生物多樣性保護區等區域的生態修復和保護工作，恢復和改善受損或退化的生態系統，增加和優化生態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；應建立健全生態補償和激勵機制，合理分配生態成本和收益，鼓勵和支持各類主體參與生態保護和建設，形成共建共治共享的良好氛圍。