環(huán)鄱陽(yáng)湖城市群“三生”用地轉(zhuǎn)型的生態(tài)環(huán)境效應(yīng)及其地形梯度分析

丁孝媛, 葉長(zhǎng)盛

(東華理工大學(xué) 地球科學(xué)學(xué)院, 南昌330013)

生態(tài)環(huán)境問題是當(dāng)前全人類共同面臨的重大問題之一,氣候變暖、森林退化、生態(tài)系統(tǒng)退化等諸多負(fù)面生態(tài)環(huán)境問題嚴(yán)重影響著人類的生存與發(fā)展[1-2]。土地利用變化是誘發(fā)區(qū)域生態(tài)環(huán)境發(fā)生改變的重要因素之一,土地利用功能的轉(zhuǎn)變會(huì)對(duì)區(qū)域的生態(tài)環(huán)境產(chǎn)生正向或負(fù)向的影響,并以積累的方式影響全球的生態(tài)環(huán)境質(zhì)量[3-4]。隨著中國(guó)工業(yè)化、城鎮(zhèn)化戰(zhàn)略的深入發(fā)展,土地利用空間經(jīng)歷了深刻轉(zhuǎn)型與空間重構(gòu),進(jìn)而引發(fā)了區(qū)域土地生產(chǎn)力水平低下、環(huán)境惡化等一系列問題[5-6]。因此,準(zhǔn)確評(píng)估土地利用轉(zhuǎn)型的生態(tài)環(huán)境效應(yīng),探討土地資源管理實(shí)踐中存在的問題,是進(jìn)行國(guó)土空間治理和生態(tài)文明建設(shè)的重要基礎(chǔ)。

土地利用轉(zhuǎn)型是指一定地域內(nèi)的土地利用形態(tài)與社會(huì)經(jīng)濟(jì)發(fā)展階段相對(duì)應(yīng)而發(fā)生的趨勢(shì)性轉(zhuǎn)折的過程[7]。作為土地利用/覆被變化研究的新途徑[8],眾多學(xué)者在土地利用轉(zhuǎn)型的理論與假說(shuō)[9]、研究框架[10]、特殊地類如耕地、宅基地的轉(zhuǎn)型[11-12]、土地利用轉(zhuǎn)型與鄉(xiāng)村振興等[13-14]方面開展了大量的研究工作。自黨的十八大提出國(guó)土“三生空間”的發(fā)展目標(biāo)以來(lái),基于土地利用的主導(dǎo)功能視角,將“三生空間”轉(zhuǎn)型與社會(huì)經(jīng)濟(jì)轉(zhuǎn)型相銜接,成為研究土地利用轉(zhuǎn)型的重要切入點(diǎn)[15]。土地利用轉(zhuǎn)型的主要表現(xiàn)形式之一就是“三生空間”功能的轉(zhuǎn)變,即土地資源在生產(chǎn)、生活、生態(tài)(簡(jiǎn)稱“三生”)空間進(jìn)行動(dòng)態(tài)再配置的過程[16-17],土地利用轉(zhuǎn)型帶來(lái)的生態(tài)環(huán)境問題從根本上來(lái)說(shuō)是由于 “三生”用地的數(shù)量和結(jié)構(gòu)失調(diào)所導(dǎo)致的[18]。“三生”用地轉(zhuǎn)型對(duì)區(qū)域生態(tài)環(huán)境的影響是多元化的,既會(huì)對(duì)單一的環(huán)境要素如碳儲(chǔ)量[19]、水生態(tài)安全[20]、土壤質(zhì)量等[21]產(chǎn)生影響,也會(huì)影響區(qū)域的景觀格局[22]、生境質(zhì)量[23]、生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)價(jià)值等[24]綜合的環(huán)境要素。當(dāng)前研究的熱點(diǎn)區(qū)域主要為省域[25-26]、流域[27]、海岸帶[28]、河口三角洲等[6]地,利用土地利用轉(zhuǎn)型圖譜[3]、景觀格局指數(shù)[29]、生態(tài)環(huán)境質(zhì)量指數(shù)[25]、空間計(jì)量模型等[2]方法來(lái)分析研究區(qū)的“三生”用地轉(zhuǎn)型特征、生態(tài)環(huán)境質(zhì)量的時(shí)空分異、驅(qū)動(dòng)機(jī)制等內(nèi)容。總體而言,現(xiàn)階段的研究區(qū)域多集中于經(jīng)濟(jì)發(fā)達(dá)地區(qū)和生態(tài)脆弱區(qū),較少關(guān)注中部正處于高速發(fā)展的城市群地區(qū);研究方法多為以專家打分為基礎(chǔ)的生態(tài)環(huán)境質(zhì)量指數(shù)法,計(jì)算方法單一,有待改進(jìn)。此外,地形是影響土地利用格局和生態(tài)環(huán)境質(zhì)量的重要因子[30],但是已有的研究較少考慮地形復(fù)雜區(qū)域生態(tài)環(huán)境質(zhì)量的梯度分異狀況。

環(huán)鄱陽(yáng)湖城市群以中國(guó)第一大淡水湖—鄱陽(yáng)湖為核心,是江西省城鎮(zhèn)化、工業(yè)化水平最高的區(qū)域,土地利用活動(dòng)劇烈,同時(shí)兼具平原—丘陵—山地的復(fù)合地形,適宜從地形尺度開展研究,尤其是在地形的過渡區(qū),人口、產(chǎn)業(yè)的發(fā)展與生態(tài)保護(hù)之間存在著復(fù)雜的沖突,亟需用新工具和新視角對(duì)區(qū)域的生態(tài)環(huán)境質(zhì)量變化進(jìn)行研究。鑒于此,選取環(huán)鄱陽(yáng)湖城市群為案例區(qū),定量分析2000—2020年研究區(qū)“三生”用地轉(zhuǎn)型的特征,構(gòu)建生態(tài)環(huán)境質(zhì)量指數(shù),分析其生態(tài)環(huán)境質(zhì)量的時(shí)空分異規(guī)律,同時(shí)借助地形位指數(shù)探究該區(qū)域的生態(tài)環(huán)境質(zhì)量在地形梯度上的分布狀況,以期為實(shí)現(xiàn)研究區(qū)的高質(zhì)量發(fā)展和國(guó)土空間優(yōu)化提供理論支撐。

1 研究區(qū)概況

環(huán)鄱陽(yáng)湖城市群位于江西省北部,地處北緯26°57′—30°04′,東經(jīng)113°34′—118°28′,包括南昌、九江、景德鎮(zhèn)、上饒、宜春等地級(jí)市全部行政轄區(qū)以及撫州市臨川區(qū)、東鄉(xiāng)區(qū)、金溪縣、崇仁縣,吉安市的新干縣、峽江縣(圖1)。由于在研究時(shí)段內(nèi),江西省的行政區(qū)劃有所變化,因此根據(jù)研究的需要,對(duì)原有的區(qū)縣單元進(jìn)行重新整理劃分,最終得到了57個(gè)區(qū)縣單位(包括縣、區(qū)、縣級(jí)市),總面積為9.23萬(wàn)km2。研究區(qū)屬亞熱帶溫暖濕潤(rùn)氣候,光照條件和降雨充足,主要地形為平原和丘陵,河網(wǎng)稠密,湖泊眾多,自然條件良好。到2020年年末,環(huán)鄱陽(yáng)湖城市群地區(qū)生產(chǎn)總值為19 459.89億元,占全省生產(chǎn)總值的75.74%,區(qū)域內(nèi)總?cè)丝谶_(dá)3 072.19萬(wàn)人,其中城鎮(zhèn)人口為1 939.01萬(wàn)人,城鎮(zhèn)化水平達(dá)到63.12%,是江西省最具經(jīng)濟(jì)活力的地區(qū)。

圖1 研究區(qū)地理位置及研究單元

2 數(shù)據(jù)來(lái)源及研究方法

2.1 數(shù)據(jù)來(lái)源與處理

土地利用數(shù)據(jù)來(lái)源于Landsat TM/ETM+遙感影像,空間分辨率為30 m×30 m,經(jīng)過輻射糾正、幾何校正、圖像配準(zhǔn)和人工解譯等處理后得到研究區(qū)2000年、2010年和2020年3個(gè)年份的土地利用現(xiàn)狀數(shù)據(jù)。依據(jù)中國(guó)科學(xué)院土地利用遙感監(jiān)測(cè)分類系統(tǒng)[31],將研究區(qū)的土地利用數(shù)據(jù)分為6個(gè)一級(jí)地類(耕地、林地、牧草地、水域、建設(shè)用地以及未利用地)和19個(gè)二級(jí)地類。DEM數(shù)據(jù)來(lái)源于地理空間數(shù)據(jù)云平臺(tái)的ASTER GDEMS數(shù)據(jù)集,空間分辨率為30 m×30 m,利用ArcGIS 10.5提取出坡向和坡度因子。此外,根據(jù)已有的研究[32],基于“三生”用地主導(dǎo)功能的劃分標(biāo)準(zhǔn),對(duì)基礎(chǔ)數(shù)據(jù)的二級(jí)地類進(jìn)行歸并,構(gòu)建“三生”用地分類體系[15]。同時(shí),為了表征“三生”用地轉(zhuǎn)型對(duì)生態(tài)環(huán)境的影響,借鑒李曉文等[33]制定的二級(jí)地類的生態(tài)環(huán)境質(zhì)量值,采用面積加權(quán)法求得“三生”空間各地類的生態(tài)環(huán)境屬性因子Ri(表1)。

表1 土地利用主導(dǎo)功能分類及其生態(tài)環(huán)境屬性因子值

2.2 研究方法

2.2.1 土地利用轉(zhuǎn)移矩陣 土地利用轉(zhuǎn)移矩陣可對(duì)研究區(qū)的各用地類型相互轉(zhuǎn)化的數(shù)量和方向進(jìn)行動(dòng)態(tài)呈現(xiàn)[34]。其表達(dá)式為:

(1)

式中:S為面積;i,j分別為研究初期和末期的土地利用類型;n為土地利用的類型數(shù)。

2.2.2 區(qū)域生態(tài)環(huán)境質(zhì)量分析

(1) 生態(tài)環(huán)境質(zhì)量指數(shù)構(gòu)建。研究結(jié)果具有尺度依賴性,本文選取格網(wǎng)作為研究尺度,將各用地斑塊視為采樣點(diǎn)。為了獲得合適的尺度,格網(wǎng)的大小根據(jù)經(jīng)驗(yàn)公式來(lái)確定[35],即格網(wǎng)的數(shù)量約為采樣點(diǎn)的1/2。研究區(qū)2000年、2010年和2020年的土地利用斑塊數(shù)均約為5.2萬(wàn)個(gè),經(jīng)過多次試驗(yàn),確定以2 km×2 km的正方形網(wǎng)格對(duì)環(huán)鄱陽(yáng)湖城市群地區(qū)進(jìn)行等距離采樣,生成近2.4萬(wàn)個(gè)樣區(qū)。基于土地利用類型的生態(tài)環(huán)境差異性以及空間分布的異質(zhì)性,綜合考慮了用地類型的景觀格局屬性和生態(tài)功能屬性兩個(gè)方面[28],來(lái)構(gòu)建區(qū)域的生態(tài)環(huán)境質(zhì)量指數(shù),其表達(dá)式為:

(2)

式中:EVi為第i個(gè)網(wǎng)格的生態(tài)環(huán)境質(zhì)量指數(shù);Aki和Ak分別為第k個(gè)網(wǎng)格單元內(nèi)各用地類型i的面積和第k個(gè)網(wǎng)格單元的面積;Ri為用地類型i的生態(tài)功能屬性因子,Fi為用地類型i的景觀格局屬性因子,其值均進(jìn)行了歸一化處理。

其中,生態(tài)環(huán)境的景觀格局屬性因子Fi的計(jì)算方法借鑒了景觀干擾度指數(shù)的算法,以景觀格局的空間變化來(lái)表示區(qū)域“三生”用地轉(zhuǎn)型對(duì)生態(tài)環(huán)境質(zhì)量的影響[36],選取了景觀破碎度Ci、景觀分離度Ni和景觀優(yōu)勢(shì)度Di等3個(gè)指標(biāo),對(duì)其進(jìn)行加權(quán)計(jì)算并取倒數(shù)來(lái)求得區(qū)域的景觀格局屬性因子Fi(表2)。參考現(xiàn)有的研究[37],并結(jié)合研究區(qū)的實(shí)際情況,確定三者的權(quán)重分別為a=0.6,b=0.3,c=0.1,具體的表達(dá)式為:

表2 景觀指數(shù)計(jì)算方法Table 2 Calculation methods of landscape pattern index

(3)

(2) 地統(tǒng)計(jì)分析。生態(tài)環(huán)境質(zhì)量指數(shù)作為區(qū)域化變量,存在空間異質(zhì)性的規(guī)律,采用半變異函數(shù)來(lái)實(shí)現(xiàn)空間插值的最優(yōu)擬合[38],其表達(dá)式為:

(4)

式中:γ(h)是半變異函數(shù);h是樣本間距;Z(xi),Z(xi+h)分別為在xi和xi+h處的生態(tài)環(huán)境質(zhì)量指數(shù)值,n(h)為間距為h的樣本對(duì)的總個(gè)數(shù)。

(3) “三生”用地轉(zhuǎn)型的生態(tài)環(huán)境貢獻(xiàn)率。“三生”用地轉(zhuǎn)型的生態(tài)環(huán)境貢獻(xiàn)率是用于量化由于各“三生”用地相互轉(zhuǎn)化所引發(fā)的區(qū)域生態(tài)環(huán)境質(zhì)量的變化[25]:

LEI=(LEt-LE0)×LA/TA

(5)

式中:LEI為“三生”用地轉(zhuǎn)型的生態(tài)環(huán)境貢獻(xiàn)率;LEt,LE0分別為某種“三生”用地類型在變化末期和初期的生態(tài)環(huán)境質(zhì)量指數(shù);LA為該種“三生”用地類型變化的面積;TA為研究區(qū)的總面積。

2.2.3 地形梯度分級(jí)

(1) 地形位指數(shù)。地形因素影響土地利用類型的分布,單一的地形因子不能全面地展現(xiàn)區(qū)域的地形特征,而地形位指數(shù)則可以通過對(duì)海拔和坡度因子的綜合描述來(lái)展現(xiàn)某點(diǎn)的地形情況[24],計(jì)算公式為:

(6)

式中:T為地形位指數(shù);E為某地的海拔,S為某地的坡度;E0和S0分別為研究區(qū)的平均海拔和平均坡度。

(2) 分布指數(shù)。分布指數(shù)可以表示地形位梯度上各等級(jí)生態(tài)環(huán)境質(zhì)量區(qū)出現(xiàn)的頻率,可用于消除面積比重差異的影響[28],計(jì)算公式為:

P=(Sie/Si)/(Se/S)

(7)

式中:P為分布指數(shù);Sie為第e種地形梯度下第i級(jí)生態(tài)環(huán)境質(zhì)量區(qū)的面積;Si為研究區(qū)第i級(jí)生態(tài)環(huán)境質(zhì)量區(qū)的總面積;Se為第e種地形梯度的總面積;S為研究區(qū)總面積。

3 結(jié)果與分析

3.1 環(huán)鄱陽(yáng)湖城市群 “三生”用地轉(zhuǎn)型模式分析

3.1.1 “三生”用地變化分析 研究區(qū)“三生”用地結(jié)構(gòu)以生態(tài)用地為主(平均面積占比達(dá)64.51%),生產(chǎn)用地次之,生活用地最少。2000—2020年,生活用地面積大幅增加,20 a間共增加了1 063.45 km2,主要表現(xiàn)為城鎮(zhèn)生活用地的大量增加,共增加了967.46 km2,增長(zhǎng)率達(dá)到214.89%,農(nóng)村生活用地的面積變化較小;生態(tài)用地的面積減少,共減少了997.41 km2,其中,林地、牧草地和其他生態(tài)用地的面積均呈持續(xù)下降的趨勢(shì),共減少了1 279.26 km2,僅有水域生態(tài)用地的面積有所增加;生產(chǎn)用地的面積總體上保持穩(wěn)定,但其內(nèi)部二者間的比重卻并非一成不變,具體表現(xiàn)為農(nóng)業(yè)生產(chǎn)用地的不斷萎縮(2000—2020年共減少了887.66 km2)和工礦生產(chǎn)用地的持續(xù)擴(kuò)張(2000—2020年面積增長(zhǎng)了近6倍,共增加了821.22 km2)。

從土地利用的空間分布來(lái)看(圖2),生產(chǎn)和生活用地主要分布于研究區(qū)的中部地區(qū),其中生活用地主要分布在南昌大都市圈、九江大都市區(qū)、信江河谷一線的城鎮(zhèn)群等城市建成區(qū),生產(chǎn)用地主要分布于鄱陽(yáng)湖湖積平原區(qū),區(qū)內(nèi)有面積廣闊的河湖沖積平原,地勢(shì)低平,具有十分優(yōu)越的工農(nóng)業(yè)發(fā)展和城市建設(shè)條件。研究區(qū)東西兩側(cè)地形起伏大,多山地丘陵,加之鄱陽(yáng)湖湖區(qū)周邊分布著稠密的水網(wǎng),發(fā)育了大量的湖田洲地,是生態(tài)用地的主要分布區(qū)域。

圖2 2000-2020年環(huán)鄱陽(yáng)湖城市群“三生”用地空間分布

3.1.2 “三生”用地轉(zhuǎn)型模式 研究期內(nèi),環(huán)鄱陽(yáng)湖城市群土地利用轉(zhuǎn)型呈現(xiàn)出不斷加快的趨勢(shì),轉(zhuǎn)型的主要模式是城鎮(zhèn)生活用地和工礦生產(chǎn)用地的逐漸擴(kuò)張、農(nóng)業(yè)生產(chǎn)用地和林地生態(tài)用地不斷萎縮的過程。

2000—2010年,發(fā)生轉(zhuǎn)型的“三生”用地的面積共計(jì)2 619.51 km2,占區(qū)域總面積的2.84%。該時(shí)期內(nèi)用地轉(zhuǎn)型主要表現(xiàn)在3個(gè)方面(圖3),(1) 城鄉(xiāng)生活用地侵占農(nóng)業(yè)生產(chǎn)用地、工礦生產(chǎn)用地向農(nóng)業(yè)生產(chǎn)用地和林地生態(tài)用地蔓延,擴(kuò)張面積分別達(dá)458.81 km2,289.91 km2。主要分布在南昌市區(qū)、南昌縣和安義縣,少量分布于九江市區(qū)和南部的小城鎮(zhèn)群,在空間上呈現(xiàn)出以大城市為中心向外擴(kuò)張的趨勢(shì);(2) 水域生態(tài)用地的面積明顯增加,主要是由農(nóng)業(yè)生產(chǎn)用地和其他生態(tài)用地轉(zhuǎn)化而來(lái),共計(jì)增加276.63 km2,累計(jì)轉(zhuǎn)化率達(dá)10.56%,多分布在鄱陽(yáng)湖的南部地區(qū);(3) 生態(tài)用地內(nèi)部的轉(zhuǎn)化,如林地、牧草地生態(tài)用地間的相互轉(zhuǎn)化等。總的來(lái)說(shuō),該時(shí)期內(nèi)城鄉(xiāng)生活用地和工礦生產(chǎn)用地的面積增幅較為明顯,主要原因在于隨著環(huán)鄱陽(yáng)湖城市群地區(qū)城鎮(zhèn)化的加速推進(jìn),人口大量涌入到南昌、九江等大中城市,城市內(nèi)部居住用地、產(chǎn)業(yè)用地的擴(kuò)張以及交通等基礎(chǔ)設(shè)施的建設(shè)占用了周邊的農(nóng)業(yè)生產(chǎn)用地和林地生態(tài)用地,這與中國(guó)近幾十年來(lái)經(jīng)濟(jì)的高速發(fā)展相吻合[39]。與此同時(shí),由于早期對(duì)農(nóng)村宅基地的管控不嚴(yán),致使區(qū)內(nèi)農(nóng)村人口雖流出,但農(nóng)村生活用地的面積卻不降反升,普遍存在著“建新不拆舊”的現(xiàn)象,城鄉(xiāng)生活用地同步增長(zhǎng),占用大量耕地,土地利用效率低下。水域生態(tài)用地的面積的增加得益于退耕還湖政策的推行,1998年大洪水后,國(guó)家在長(zhǎng)江中游地區(qū)啟動(dòng)了“退田還湖”工程,隨著工程項(xiàng)目的實(shí)施,研究區(qū)內(nèi)的水域生態(tài)空間得到了恢復(fù)。

圖3 2000-2020年環(huán)鄱陽(yáng)湖城市群土地利用轉(zhuǎn)移情況

2010—2020年,“三生”用地的轉(zhuǎn)型相對(duì)于前一個(gè)時(shí)期來(lái)說(shuō)更為劇烈,發(fā)生轉(zhuǎn)型的面積共計(jì)4 488.81 km2,占研究區(qū)總面積的4.87%。用地轉(zhuǎn)型主要表現(xiàn)為以下3個(gè)方面:(1) 農(nóng)業(yè)生產(chǎn)用地和林地生態(tài)用地經(jīng)歷了較為劇烈的轉(zhuǎn)化過程,但是農(nóng)業(yè)生產(chǎn)用地向林地生態(tài)用地的轉(zhuǎn)入(1 000.11 km2)和轉(zhuǎn)出(971.97 km2)面積基本持平,二者發(fā)生轉(zhuǎn)化的區(qū)域主要分布于平原和山區(qū)的地形過渡區(qū),具體表現(xiàn)為農(nóng)業(yè)生產(chǎn)用地向著更宜耕的低海拔地區(qū)發(fā)展,位于較高海拔上的農(nóng)業(yè)生產(chǎn)用地則逐步恢復(fù)為林地生態(tài)用地;(2) 工礦生產(chǎn)用地侵占農(nóng)業(yè)生產(chǎn)用地(289.11 km2)和林地生態(tài)用地(265.06 km2)的進(jìn)程進(jìn)一步加快,累計(jì)轉(zhuǎn)入率達(dá)12.35%,城鎮(zhèn)生活用地也繼續(xù)擴(kuò)張,主要轉(zhuǎn)入類型為農(nóng)業(yè)生產(chǎn)用地(269.03 km2)和農(nóng)村生活用地(62.23 km2)。工礦生產(chǎn)用地和城鎮(zhèn)生活用地仍以建成區(qū)為核心向外蔓延,空間擴(kuò)張極為分散,其中以南昌大都市圈、九江大都市區(qū)和新宜萍城鎮(zhèn)群三地的擴(kuò)張最為顯著;(3) 農(nóng)村生活用地的面積開始有所下降,主要轉(zhuǎn)化為城市生活用地(62.23 km2)和農(nóng)業(yè)生產(chǎn)用地(172.83 km2)。這一時(shí)期農(nóng)業(yè)生產(chǎn)用地和林地生態(tài)用地往復(fù)轉(zhuǎn)化的主要原因在于一方面在退耕還林、還草等生態(tài)政策的有效實(shí)施下,推動(dòng)了耕地向林地的轉(zhuǎn)化,另一方面,人們對(duì)糧食需求量的增加驅(qū)使部分地區(qū)出現(xiàn)了毀林開荒的現(xiàn)象,說(shuō)明環(huán)鄱陽(yáng)湖城市群地區(qū)在實(shí)施退耕還林工程的過程中出現(xiàn)了“邊治理、邊復(fù)發(fā)”的問題。與前一時(shí)期相比,這一時(shí)期城鎮(zhèn)生活用地的增速有所放緩,而工礦生產(chǎn)用地的面積則急劇上升,在空間上呈現(xiàn)出“遍地開花”態(tài)勢(shì),這與區(qū)域內(nèi)的中小城鎮(zhèn)群迅速發(fā)展有關(guān),隨著中小城鎮(zhèn)產(chǎn)業(yè)的快速發(fā)展、基礎(chǔ)設(shè)施的不斷完善,工礦生產(chǎn)用地?cái)D占了大量的耕地和林地。農(nóng)村生活用地在耕地占補(bǔ)平衡等政策的支持下,通過土地整理等手段復(fù)墾為耕地,表明其利用效率不斷提升。

3.2 “三生”用地轉(zhuǎn)型的生態(tài)環(huán)境效應(yīng)

3.2.1 生態(tài)環(huán)境質(zhì)量的時(shí)序變化 生態(tài)環(huán)境質(zhì)量指數(shù)的計(jì)算結(jié)果表明,環(huán)鄱陽(yáng)湖城市群的生態(tài)環(huán)境質(zhì)量指數(shù)呈先下降后上升的“U”型演化過程,整體上表現(xiàn)出向好的趨勢(shì)。2000—2010年,由于發(fā)生“三生”用地轉(zhuǎn)型的面積相對(duì)較少,研究區(qū)的生態(tài)環(huán)境質(zhì)量整體上變動(dòng)不大,生態(tài)環(huán)境質(zhì)量指數(shù)略微下降,從1.428下降至1.424,下降了0.004。伴隨著“三生”用地轉(zhuǎn)型的過程,該時(shí)期內(nèi)生態(tài)環(huán)境的響應(yīng)機(jī)制主要表現(xiàn)在兩個(gè)方面,一方面是由于各用地類型相互轉(zhuǎn)化,導(dǎo)致了生態(tài)環(huán)境的退化,如表3所示。這一時(shí)期雖然以林地和水域?yàn)橹鞯纳鷳B(tài)用地的面積有所增加,使得生態(tài)環(huán)境質(zhì)量有著一定程度上的優(yōu)化,但工礦生產(chǎn)用地和城鄉(xiāng)生活用地的高速擴(kuò)張作為主導(dǎo)因素導(dǎo)致了2000—2010年內(nèi)生態(tài)環(huán)境的惡化,生態(tài)環(huán)境負(fù)效應(yīng)的累計(jì)貢獻(xiàn)率達(dá)到了83.84%。另一方面則是由于用地類型轉(zhuǎn)化導(dǎo)致生態(tài)環(huán)境格局的退化,呈現(xiàn)出破碎化、復(fù)雜化的趨勢(shì),如牧草地生態(tài)用地的景觀分離度從0.326上升到0.358,其他生態(tài)用地的景觀分離度從0.287上升到0.449,上升幅度達(dá)56.45%,牧草地和其他生態(tài)用地景觀干擾度指數(shù)明顯上升(表4),表明這兩類用地對(duì)外界的干擾更為敏感,容易受到人類活動(dòng)的影響而發(fā)生用地類型的轉(zhuǎn)換,在后續(xù)的環(huán)境保護(hù)中更應(yīng)該被重視。

表3 影響生態(tài)環(huán)境質(zhì)量的主要用地轉(zhuǎn)型及貢獻(xiàn)率Table 3 The main land use transformation types affecting eco-environmental quality

表4 部分地類的景觀指數(shù)Table 4 Landscape index of some land types

2010—2020年,由于研究區(qū)的土地利用經(jīng)歷了較為劇烈的轉(zhuǎn)型,生態(tài)環(huán)境質(zhì)量指數(shù)有了較大程度的提升,從1.424上升到1.447,上升幅度達(dá)1.59%。這一階段生態(tài)環(huán)境質(zhì)量明顯好轉(zhuǎn)的原因有兩個(gè)方面,一是農(nóng)業(yè)生產(chǎn)用地、農(nóng)村生活用地、其他生態(tài)用地轉(zhuǎn)為林地生態(tài)用地、農(nóng)業(yè)生產(chǎn)用地、水域生態(tài)用地是研究區(qū)生態(tài)環(huán)境好轉(zhuǎn)的主導(dǎo)因素,生態(tài)環(huán)境正效應(yīng)的累計(jì)貢獻(xiàn)率達(dá)77.80%,與此同時(shí),農(nóng)業(yè)生產(chǎn)用地向林地生態(tài)用地的擴(kuò)張?jiān)谝欢ǔ潭壬嫌謱?dǎo)致了生態(tài)環(huán)境的惡化,但惡化的趨勢(shì)明顯要小于生態(tài)環(huán)境改善的趨勢(shì)。二是城鎮(zhèn)生活用地和工礦建設(shè)用地的集中連片發(fā)展使得研究區(qū)的景觀格局得到優(yōu)化,隨著城鎮(zhèn)化進(jìn)程的加快,其分離度和破碎度指數(shù)明顯下降,城鎮(zhèn)建設(shè)用地的分離度指數(shù)從0.333下降至0.218,工礦生產(chǎn)用地的分離度指數(shù)從1.021下降到0.668,下降幅度為34.57%,二者的景觀優(yōu)勢(shì)度指數(shù)分別上升了26.32%,116.67%,景觀干擾度指數(shù)均呈下降趨勢(shì)。表明這兩類用地?cái)U(kuò)張較快,尤其是工礦生產(chǎn)用地,在區(qū)域景觀中的優(yōu)勢(shì)度明顯提升,景觀斑塊經(jīng)歷了擴(kuò)張—融合的過程,景觀類型內(nèi)部更具穩(wěn)定性,建設(shè)用地朝著集中連片的城市群方向發(fā)展,進(jìn)而使得其內(nèi)部的生態(tài)環(huán)境格局呈現(xiàn)出一定的好轉(zhuǎn)趨勢(shì)。

3.2.2 生態(tài)環(huán)境質(zhì)量的空間分布 為了更好地表征環(huán)鄱陽(yáng)湖城市群的生態(tài)環(huán)境質(zhì)量狀況,本文運(yùn)用半變異函數(shù)來(lái)對(duì)其空間分異特征進(jìn)行擬合,結(jié)果顯示球狀模型的擬合效果最好,并得到了相關(guān)參數(shù)(表5)。2000—2020年,基臺(tái)值持續(xù)增加,表明隨著時(shí)間的推移,生態(tài)環(huán)境質(zhì)量指數(shù)在空間分布中的不均勻性在持續(xù)增強(qiáng),空間分布的差異性逐漸擴(kuò)大;變程值有了明顯的減小,說(shuō)明由空間相關(guān)性導(dǎo)致的空間異質(zhì)性的作用范圍縮短,其空間相關(guān)性在增強(qiáng);塊金基臺(tái)比的值總體上都接近0.5,且在緩慢地下降,說(shuō)明其空間變異程度是在自然隨機(jī)因素(地形、水文等自然因素)和空間自相關(guān)的共同作用下形成的,但隨機(jī)因素的影響在減小,其自身的相關(guān)性在不斷的增強(qiáng)。

表5 半變異函數(shù)擬合參數(shù)Table 5 Semi-variogram model and parameters of ERI

基于擬合結(jié)果,對(duì)研究區(qū)的生態(tài)環(huán)境質(zhì)量指數(shù)進(jìn)行空間插值,得到生態(tài)環(huán)境質(zhì)量的空間分布圖,利用自然斷點(diǎn)法將其分為5級(jí),即低質(zhì)量區(qū)(EV≤1.31)、較低質(zhì)量區(qū)(1.311.65)。結(jié)果顯示:環(huán)鄱陽(yáng)湖城市群生態(tài)環(huán)境質(zhì)量指數(shù)整體上呈現(xiàn)“東西高、中部低”的分布格局(圖4)。高質(zhì)量區(qū)和較高質(zhì)量區(qū)主要位于宜春市北部、九江市西部、景德鎮(zhèn)市北部以及上饒市的西北部和南部,兩者的面積占比接近50%,構(gòu)成了研究區(qū)生態(tài)環(huán)境的主體,主要的土地利用類型為林草生態(tài)用地,受地形因素的限制,人類活動(dòng)的干擾小,保持了生態(tài)系統(tǒng)的穩(wěn)定性,生態(tài)環(huán)境質(zhì)量較高。一般質(zhì)量區(qū)在空間上的分布較為離散,主要的功能類型為水域生態(tài)用地以及農(nóng)業(yè)生產(chǎn)用地,平均面積占比為20.18%。低質(zhì)量區(qū)和較低質(zhì)量區(qū)主要分布于中部的南昌大都市區(qū)、北部的九江市區(qū)以及南部呈條帶狀分布的新宜萍城鎮(zhèn)群和信江河谷城鎮(zhèn)群等城鎮(zhèn)建成區(qū),形成了以工礦生產(chǎn)用地、城鄉(xiāng)生活用地為主的土地利用格局,土地利用變動(dòng)劇烈,空間格局趨于破碎化,呈現(xiàn)出較低的生態(tài)環(huán)境質(zhì)量。

圖4 2000-2020環(huán)鄱陽(yáng)湖城市群生態(tài)環(huán)境質(zhì)量指數(shù)及指數(shù)變化的空間分布

根據(jù)插值結(jié)果,研究計(jì)算了各等級(jí)生態(tài)環(huán)境質(zhì)量區(qū)的面積(表6)。2000—2020年,城鄉(xiāng)生活用地和工礦生產(chǎn)用地增長(zhǎng)較快,共計(jì)增加1 884.67 km2,增長(zhǎng)率達(dá)92.06%,但后期其內(nèi)部的景觀格局有所優(yōu)化,使得低質(zhì)量區(qū)的面積呈先增加后下降的趨勢(shì);隨著城鎮(zhèn)化進(jìn)程的加快,研究區(qū)南部河谷地區(qū)的中小城鎮(zhèn)群向外擴(kuò)張,擠占了生態(tài)空間,導(dǎo)致較高質(zhì)量區(qū)的面積有所下降;一般質(zhì)量區(qū)和較低質(zhì)量區(qū)的面積持續(xù)減少,高質(zhì)量區(qū)面積增加較快,增加了5 759.53 km2,表明生態(tài)環(huán)境質(zhì)量正不斷得到改善,其中生態(tài)環(huán)境質(zhì)量好轉(zhuǎn)的區(qū)域主要分布在鄱陽(yáng)湖湖區(qū)和偏遠(yuǎn)的山區(qū),隨著1998年長(zhǎng)江洪水后鄱陽(yáng)湖地區(qū)退耕還湖政策的推進(jìn)以及山區(qū)退耕還林工程的有效實(shí)施,水域生態(tài)用地的面積有所增加,部分農(nóng)業(yè)生產(chǎn)用地恢復(fù)為林地生態(tài)用地,使得這些區(qū)域的生態(tài)環(huán)境質(zhì)量得到了不同程度的優(yōu)化。

表6 2000-2020年環(huán)鄱陽(yáng)湖城市群生態(tài)環(huán)境質(zhì)量分區(qū)面積及比重

3.3 “三生”用地轉(zhuǎn)型生態(tài)環(huán)境質(zhì)量的地形梯度分異特征

地形控制著地表物質(zhì)的遷移和水熱資源的分配,影響人類活動(dòng)的范圍和強(qiáng)度,從而使得區(qū)域的生態(tài)環(huán)境質(zhì)量分布具有顯著的地形梯度效應(yīng)[40],因此,探究不同生態(tài)環(huán)境質(zhì)量區(qū)的地形分布特征,可為針對(duì)性的制定生態(tài)環(huán)境保護(hù)政策提供了理論支持根據(jù)。依據(jù)公式(6)計(jì)算出地形位指數(shù),運(yùn)用自然斷點(diǎn)法將其劃分為5個(gè)地形梯度等級(jí):梯度1(0～0.24)、梯度2(0.24～0.49)、梯度3(0.49～0.75)、梯度4(0.75～1.05)、梯度5(1.05～1.83)。據(jù)公式(7)計(jì)算出各個(gè)等級(jí)的生態(tài)環(huán)境質(zhì)量區(qū)的分布指數(shù),當(dāng)分布指數(shù)P>1時(shí),表示該類生態(tài)環(huán)境質(zhì)量區(qū)在該級(jí)地形梯度上處于優(yōu)勢(shì)分布,P值越大,優(yōu)勢(shì)度越高,反之,則優(yōu)勢(shì)度越低。

研究區(qū)的生態(tài)環(huán)境質(zhì)量與地形梯度的關(guān)系如表7所示,不同等級(jí)的生態(tài)環(huán)境質(zhì)量區(qū)呈現(xiàn)出顯著的梯度差異性。從單個(gè)年份的分布指數(shù)上來(lái)看,隨著地形梯度的上升,生態(tài)環(huán)境質(zhì)量區(qū)的分布大體上表現(xiàn)為3種類型:一是持續(xù)減少型,為低質(zhì)量區(qū)和較低質(zhì)量區(qū),低質(zhì)量區(qū)集中分布于1級(jí)地形梯度上,較低質(zhì)量區(qū)在1～2級(jí)地形梯度上呈優(yōu)勢(shì)分布,較低的地勢(shì)意味著較好的農(nóng)耕適宜性和可達(dá)性,是研究區(qū)人口、城鎮(zhèn)的集中區(qū),主要的用地類型是生產(chǎn)、生活用地以及水域、其他生態(tài)用地;二是呈倒U型,為一般質(zhì)量區(qū)和較高質(zhì)量區(qū),分別于1～2,2～4級(jí)地形梯度上呈優(yōu)勢(shì)分布,這與研究區(qū)水域生態(tài)用地和農(nóng)業(yè)生產(chǎn)用地的廣泛分布有關(guān);三是持續(xù)增加型,為高質(zhì)量區(qū),在3～5級(jí)地形梯度上呈優(yōu)勢(shì)分布,較高的地形梯度意味著較差的生產(chǎn)生活適宜性,主要的用地類型為林草生態(tài)用地,植被覆蓋率高,生態(tài)環(huán)境質(zhì)量高。

表7 生態(tài)環(huán)境質(zhì)量指數(shù)在各地形梯度上的分布情況Table 7 Spatial distribution relationship between eco-environmental quality and topographic gradients

從不同年份的分布指數(shù)來(lái)看,研究區(qū)南部的新宜萍城鎮(zhèn)群和信江河谷城鎮(zhèn)群位于較高的地形梯度上,2000—2020年隨著其城鎮(zhèn)生活用地的蔓延,低質(zhì)量區(qū)在2～4級(jí)梯度上的分布指數(shù)上升,低質(zhì)量區(qū)趨向于向高地形梯度轉(zhuǎn)移;相比于低質(zhì)量區(qū),較低質(zhì)量區(qū)在空間上的分布略微分散,變化幅度較小,主要是由于農(nóng)業(yè)生產(chǎn)用地在較低的地形梯度上整體保持穩(wěn)定;研究期內(nèi)的后十年間,鄱陽(yáng)湖水域面積的明顯回升以及在地形過渡區(qū)農(nóng)業(yè)生產(chǎn)用地的減少,導(dǎo)致一般質(zhì)量區(qū)在梯度1上的分布指數(shù)先降后升,在3～5級(jí)梯度上呈先升后降的趨勢(shì),經(jīng)歷了先向高梯度轉(zhuǎn)移后又發(fā)生下移的過程;較高質(zhì)量區(qū)和高質(zhì)量區(qū)的分布指數(shù)呈現(xiàn)出相同的趨勢(shì),下移趨勢(shì)明顯,在高地形梯度(3～5級(jí))上的分布指數(shù)降低,但在低地形梯度(1～2級(jí))上的分布指數(shù)上升,究其原因,得益于低地形梯度上水域生態(tài)環(huán)境的改善以及濕地的保護(hù),說(shuō)明隨著經(jīng)濟(jì)社會(huì)的發(fā)展,對(duì)生態(tài)環(huán)境的重視使得低地形梯度上的生態(tài)環(huán)境質(zhì)量逐漸改善,呈現(xiàn)緩慢好轉(zhuǎn)的態(tài)勢(shì)。

4 討論與結(jié)論

(1) 整體上,環(huán)鄱陽(yáng)湖城市群“三生”用地結(jié)構(gòu)以生態(tài)用地為主,平均面積占比達(dá)64.5%,生產(chǎn)用地次之,生活用地最少。2000—2020年,生活用地面積大幅增加,增長(zhǎng)面積為1 063.45 km2,生態(tài)用地的面積減少,共減少了997.41 km2,生產(chǎn)用地的面積總體上保持穩(wěn)定。轉(zhuǎn)型的主要模式是城鎮(zhèn)生活用地和工礦生產(chǎn)用地的逐漸擴(kuò)張、農(nóng)業(yè)生產(chǎn)用地和林地生態(tài)用地不斷萎縮的過程。

(2) 時(shí)序變化上,2000—2010年,由于工礦生產(chǎn)用地和城鄉(xiāng)生活用地的擴(kuò)張及其導(dǎo)致的牧草地、其他生態(tài)用地被分割破碎化,生態(tài)環(huán)境質(zhì)量指數(shù)由1.428下降至1.424;2010—2020年,伴隨著生態(tài)用地的恢復(fù)以及城鎮(zhèn)生活用地和工礦生產(chǎn)用地內(nèi)部格局的不斷優(yōu)化,生態(tài)環(huán)境質(zhì)量指數(shù)由1.424升至1.447,生態(tài)環(huán)境質(zhì)量整體上呈現(xiàn)好轉(zhuǎn)的趨勢(shì)。

(3) 空間分布上,整體上呈現(xiàn)“東西高、中部低”的空間分布格局。南昌大都市圈、九江大都市區(qū)和新宜萍、信江河谷城鎮(zhèn)群等城鎮(zhèn)建成區(qū)以生產(chǎn)和生活用地為主,土地利用強(qiáng)度大,景觀格局趨于破碎化,呈現(xiàn)出較低的生態(tài)環(huán)境質(zhì)量;宜春市北部、九江市西部、景德鎮(zhèn)市北部以及上饒市的西北部和南部的土地利用類型以林草生態(tài)用地為主,受地形因素的限制,較好地保持了生態(tài)系統(tǒng)的穩(wěn)定性,生態(tài)環(huán)境質(zhì)量高。

(4) 生態(tài)環(huán)境質(zhì)量分布呈現(xiàn)出顯著的地形梯度差異性,隨著地形梯度的上升,一般質(zhì)量區(qū)和較高質(zhì)量區(qū)呈倒U型,低質(zhì)量區(qū)和較低質(zhì)量區(qū)持續(xù)減少,高質(zhì)量區(qū)持續(xù)增加;2000—2020年,低質(zhì)量區(qū)向高梯度轉(zhuǎn)移的趨勢(shì)明顯,一般質(zhì)量區(qū)經(jīng)歷了先向高梯度轉(zhuǎn)移后又發(fā)生下移的過程,較高質(zhì)量區(qū)和高質(zhì)量區(qū)下移趨勢(shì)明顯。

基于“三生”用地轉(zhuǎn)型的分析模型,從土地的用地屬性和空間格局屬性兩個(gè)方面構(gòu)建生態(tài)環(huán)境質(zhì)量指數(shù),來(lái)探討環(huán)鄱陽(yáng)湖城市群生態(tài)環(huán)境效應(yīng)的時(shí)空變化規(guī)律。通過分析可知,在研究時(shí)段內(nèi),隨著城市建設(shè)用地的迅速擴(kuò)張,引發(fā)了一定的生態(tài)環(huán)境質(zhì)量問題,但是隨著政府的適時(shí)管控和用地的優(yōu)化,研究區(qū)的生態(tài)環(huán)境質(zhì)量有了明顯的好轉(zhuǎn),表明環(huán)鄱陽(yáng)湖城市群地區(qū)的“三生”用地轉(zhuǎn)型及其生態(tài)環(huán)境變化與區(qū)域的城鎮(zhèn)化水平密切相關(guān),在快速城市化的背景下,建設(shè)用地的擴(kuò)張會(huì)引起區(qū)域生態(tài)系統(tǒng)退化等[23]問題,但隨著鄱陽(yáng)湖地區(qū)一系列的生態(tài)調(diào)控措施的實(shí)行,生態(tài)環(huán)境質(zhì)量與經(jīng)濟(jì)社會(huì)發(fā)展的矛盾有所緩和[28],這與前人的研究結(jié)果具有一致性[6,15,25]。各種用地之間的轉(zhuǎn)化不僅會(huì)影響土地的功能屬性,還會(huì)導(dǎo)致土地整體空間格局的改變,因此,未來(lái)在布局各類用地時(shí),建議既要注重對(duì)生產(chǎn)、生活用地的“總量控制”,又要保證生態(tài)用地的完整性和連通性,盡可能地減少人類活動(dòng)對(duì)生態(tài)空間產(chǎn)生的不利影響。具體而言,中部的鄱陽(yáng)湖平原地區(qū)一方面要控制建設(shè)用地總量的增長(zhǎng),提高建設(shè)用地的集約利用效率,同時(shí)要保證耕地的數(shù)量、質(zhì)量,合理規(guī)劃各類用地。另一方面,由于鄱陽(yáng)湖對(duì)于研究區(qū)來(lái)說(shuō)生態(tài)意義重大,因此要不斷完善鄱陽(yáng)湖自然保護(hù)區(qū)的建設(shè),加強(qiáng)對(duì)水源地、生態(tài)濕地等重點(diǎn)生態(tài)保育區(qū)的保護(hù)力度,以全面提升其生態(tài)功能。東西兩側(cè)的地形梯度高,是林地的主要分布區(qū),要分區(qū)域、有重點(diǎn)地推動(dòng)退耕還林還草工程,保證幕阜山、九嶺山、懷玉山等山區(qū)的林草地面積。基于生態(tài)移民、生態(tài)修復(fù)等支持政策,通過對(duì)偏遠(yuǎn)地區(qū)的農(nóng)村進(jìn)行異地搬遷、對(duì)農(nóng)村廢棄、低效的生活用地進(jìn)行再開發(fā)等措施來(lái)優(yōu)化用地結(jié)構(gòu),改善人居環(huán)境,以實(shí)現(xiàn)區(qū)域國(guó)土空間的科學(xué)管控和生態(tài)環(huán)境質(zhì)量的持續(xù)好轉(zhuǎn)。

本文參考的生態(tài)環(huán)境質(zhì)量指數(shù)的賦值多采用專家打分法,結(jié)果略帶主觀性,目前有關(guān)生態(tài)環(huán)境質(zhì)量指數(shù)的賦值方法尚未統(tǒng)一,且缺乏針對(duì)不同區(qū)域的賦值研究,值得進(jìn)一步探討。另外,導(dǎo)致生態(tài)環(huán)境質(zhì)量變化的因素僅考慮了“三生”用地轉(zhuǎn)型,沒有對(duì)經(jīng)濟(jì)、社會(huì)等因素進(jìn)行定量分析,也沒有對(duì)土地利用轉(zhuǎn)型的驅(qū)動(dòng)機(jī)制進(jìn)行研究,在未來(lái)的研究中,還需要進(jìn)一步深入。