黄河下游地区国土空间动态变化及生态服务功能交叉敏感性研究.pdf
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1、Journal of Agricultural Resources and Environment农业资源与环境学报 2023,40(4):976-988http:/Land space dynamic changes and cross-sensitivity of ecological service function in the lower Yellow RiverreachesLU Chang,ZHANG Shuheng,ZENG Rong,QIU Xinhan,DONG Guanglong(School of Management Engineering,Shandong Jian
2、zhu University,Jinan 250101,China)Abstract:To analyze the differences in the degree of impact of different types of land space transformations on ecosystem services,167counties and districts in the lower reaches of the Yellow River were considered as the research unit and analyzed using remote sensi
3、ngmonitoring data of the four phases of land use change in 1990,2000,2010,and 2018.The analysis was based on the classification andidentification of territorial space and temporal and spatial variation characteristics of the territorial space in the lower reaches of the YellowRiver.The coefficient o
4、f optimization cross-sensitivity was used to evaluate the impact of land space dynamic changes on the ecologicalservice value and to divide zones based on sensitivity.During the study period,the spatial conversion of the lower reaches of the YellowRiver was more intense,the production space shrank a
5、s a whole,the living space expanded by 7.056105hm2,and the ecological spacedecreased by 2.93105hm2.The total ecosystem service value increased continuously,with a total increase of 20.67 billion yuan,and theaverage ecosystem service value changed insignificantly.The highest cross-sensitivity coeffic
6、ients were for the industrial and miningproductive space and the water ecological space,the water ecological space and the urban living space,and lack of sensitivity to the黄河下游地区国土空间动态变化及生态服务功能交叉敏感性研究路昌,张抒恒,曾蓉,邱新涵,董光龙(山东建筑大学管理工程学院,济南 250101)收稿日期:2022-09-01录用日期:2022-11-15作者简介:路昌(1990),男,山东临沂人,博士,讲师,主
7、要研究方向为土地利用生态环境效应。E-mail:基金项目:国家自然科学基金青年科学基金项目(41801173);山东建筑大学博士科研基金项目(XNBS1826)Project supported:The Young Scientists Fund of the National Natural Science Foundation of China(41801173);The Ph.D.Research Fund of ShandongJianzhu University(XNBS1826)摘要:为分析不同国土空间转换类型对生态系统服务影响程度的差异性,以黄河下游地区167个县区为研究单元,利
8、用1990、2000、2010年和2018年四期土地利用变化遥感监测数据,在对国土空间进行分类识别的基础上,分析黄河下游地区国土空间时空变化特征,利用优化的交叉敏感性系数模型探讨国土空间动态变化对生态服务价值的影响并划分敏感性分区。结果表明:19902018年黄河下游地区国土空间转换幅度较为剧烈,生产空间整体收缩,生活空间显著扩张70.56 万hm2,生态空间减少29.3 万hm2;生态服务价值总量不断增加,共增加206.70亿元,地均生态服务价值变化幅度较小;交叉敏感性系数较高的是工矿生产空间与水域生态空间、水域生态空间与城镇生活空间,其他生态空间与农村生活空间、城镇生活空间的转换缺乏敏感性
9、;不同转换的交叉敏感性分区在布局上存在差别,农业生产空间和水域生态空间转换的高敏感区集中在周口市和商丘市,农业生产空间和城镇生活空间转换的中、高敏感区主要分布在泰沂山脉沿线、黄淮平原腹地。研究表明:优化的交叉敏感性系数模型用系数的正值和负值表示不同转换类型对生态服务价值的促进和抑制效果,较为清晰地反映了不同国土空间类型之间的净转换对生态服务价值的影响程度。关键词:国土空间;国土空间动态;生态服务功能;优化的交叉敏感性系数;黄河下游地区中图分类号:F301.24;X171.1文献标志码:A文章编号:2095-6819(2023)04-0976-13doi:10.13254/j.jare.2022
10、.0604路昌,张抒恒,曾蓉,等.黄河下游地区国土空间动态变化及生态服务功能交叉敏感性研究J.农业资源与环境学报,2023,40(4):976-988.LU C,ZHANG S H,ZENG R,et al.Land space dynamic changes and cross-sensitivity of ecological service function in the lower Yellow River reachesJ.Journal of Agricultural Resources and Environment,2023,40(4):976-988.2023年7月http:
11、/路昌,等:黄河下游地区国土空间动态变化及生态服务功能交叉敏感性研究国土空间作为人民生存的场所和环境,与生产生活息息相关,其开发方式应从单一强调生产空间建设转向生产、生活、生态空间相互和谐发展1。国土空间格局在时空尺度上是一个不断变化的过程,随着时间和空间的演变,呈现出不同的特征属性2。学术界对国土空间格局的相关研究侧重于分类识别3、功能评价4和优化5,覆盖宏观、中观(城市群)6、微观(县域7、村域8)等多个尺度。国土空间动态变化是生态系统服务敏感性变化的重要影响因素之一9-11,科学合理分析国土空间动态变化与生态服务功能的变动关系,对实现区域社会、经济和生态协调发展和促进全面绿色转型具有十分
12、重要的意义。生态系统服务主要包括形成及维持人类赖以生存的自然环境条件和直接或间接为人类提供的效益两部分12,可以分为支持服务、供给服务、调节服务和文化服务四大类型13-14。生态系统服务功能是生态系统为人类生存发展提供物质基础和自然环境的能力15-16。人类的生存和活动建立在生态系统服务功能的基础上,维持生态平衡是实现人与自然和谐发展的前提11。Costanza等17首先提出了利用全球生态系统服务价值来定量描述生态系统服务功能,谢高地等18依据我国的客观条件和现存问题,对价值量系数进行了调整。生态敏感性系数可以在不同时间尺度上判定当量因子变动对生态服务价值的影响情况,以确认因子的合理性19。随
13、着研究的不断深入,为解决敏感性系数无法全面反映生态服务价值受不同空间转换影响的情况,普拉提 莫合塔尔20提出了生态系统服务交叉敏感性模型,表征地区生态系统服务价值对土地利用转型的敏感程度11,但是该模型只考虑了地类之间的净转换,未考虑其相互转换过程21,无法清晰表达生态服务价值受不同空间类型之间净转型作用的级别。将国土空间转换方向与生态服务价值直接关联,对于更好地揭示国土空间转换与生态服务价值的关系至关重要。作为我国重要的粮食产地之一,黄河下游地区正处于城镇化迅速发展和经济结构调整的阶段,城镇生活空间快速扩张,国土空间转换较为剧烈,国土空间动态变化对生态系统服务影响日益凸显22-23,如何准确
14、分析国土空间动态变化对生态系统服务影响程度成为日益迫切的问题。本研究利用1990、2000、2010年和2018年四期土地利用变化遥感监测数据,构建国土空间分类体系,分析国土空间动态变化特征,并利用优化的生态服务功能交叉敏感性系数,得到黄河下游地区不同国土空间转换对生态服务价值的影响程度,并划定敏感性分区,以期为黄河下游地区推进生态文明建设和促进区域协调发展提供理论支撑和实践参考。1材料与方法1.1 研究区概况黄河下游河段始于河南郑州桃花峪,东至山东东营流入渤海,全长785.6 km(图1),该流域地处暖温带半湿润季风气候,冬季寒冷少雨,夏季炎热多雨。参考已有研究24,考虑地区经济发展与黄河下
15、游的密切关联性以及地市级行政区划的完整性,本研究选取山东、河南两省167个县区(含直辖区)为研究区,总面积1 504万hm2。作为我国农业生产和经济发展的重要地区之一,2018年黄河下游地区农业生产空间总面积1 033.39万hm2,GDP总值66 498.66亿元。近年来,人类活动对生活空间的需求增加,生产空间和生态空间有收缩趋势,研究区河道侵蚀、泥沙沉降等生态问题不断加剧。1.2 数据来源黄河下游地区1990、2000、2010年和2018年的土地利用变化遥感监测数据来源于中国科学院资源环境科学与数据中心(http:/),空间分辨率为 30 m30 m。粮食产量及播种面积数据来源于1991
16、、2001、2011、2019年 河南统计年鉴 和 山东统transition between other ecological spaces to rural and urban living spaces.There were differences in the layouts of cross-sensitivepartitions of different transformations,and the highly sensitive areas of the agricultural production and water ecological spaces wereconce
17、ntrated in Zhoukou City and Shangqiu City.The medium and highly sensitive areas of agricultural production and urban living spaceswere mainly distributed along the Taiyi Mountain,in the hinterland of the Huanghuai Plain.The results show that the coefficient ofoptimization cross-sensitivity model use
18、s the positive and negative coefficients to express the promotion or inhibition effect of differentconversion types on the ecological service value,which clearly reflects the degree of influence of net conversion between different landspatial types on the ecological service value.Keywords:land space
19、;land space dynamic;ecological service function;coefficient of optimization cross-sensitivity;lower reaches of theYellow River 977http:/农业资源与环境学报 第40卷 第4期计年鉴。1.3 研究方法1.3.1“三生”功能评分矩阵2013年以来,我国逐步建立空间规划体系,划定生产、生活、生态空间开发管制界限,落实用途管制25-26。生产、生活、生态空间结构及其组成要素识别与优化研究,已成为当前学术前沿和国土空间基本构成类型之一27。本研究中的“国土空间”即以生产、
20、生活、生态空间(简称“三生”空间)为基本构成,根据土地利用主导功能,依据科学性、主导性及实用性原则,基于土地利用数据30 m精度二级类型划分,借鉴已有“三生”功能评分矩阵研究成果8,28,确定黄河下游地区基于“三生”空间的土地利用分类体系;结合黄河下游地区实际情况,本研究通过资料统计与专家打分,对生产、生活、生态功能进行赋分,采用05分制,即按照不同地类各功能强度由弱到强分别赋1、3、5分,不具备该功能则赋值为0,得到黄河下游地区土地分类体系及国土空间功能赋值(表1)。1.3.2 国土空间动态度国土空间动态度是用来衡量国土空间变化速度的指标,可以表征在一段时间国土空间类型的变化率,分为单一国土
21、空间动态度和综合国土空间动态度29。描述一段时间内某一种国土空间类型变化的快慢通常用单一国土空间动态度来表示,其公式为:K=Uj-UiUi T 100%(1)式中:Uj表示研究末期该类国土空间的面积,万hm2;Ui表示研究初期该类国土空间的面积,万hm2;T为研究时长。描述一段时间内所有国土空间类型变化的快慢通常用综合国土空间动态度来表示,其公式为:LC=i=1nUij2i=1nUi1T 100%(2)式中:Uij表示T时段内i类国土空间类型转换为非i类空间的面积,万hm2;n为不同国土空间类型的数量。1.3.3 国土空间利用转移矩阵特定时期国土空间变化相互关系通常采用国土空间利用转移矩阵来定
22、量描述30。它能将研究初期各国土空间类型的面积和转移方向全面具体地表示出来,结合GIS可以进一步对区域一段时间内国土空图1 研究区地理位置示意图Figure 1 Geographical location of the study area表1 土地分类体系及国土空间功能赋值Table 1 Land classification system and land space function assignment国土空间分类First-level classification ofland space生产空间Production space生态空间Ecological space生活空间Livi
23、ng space国土空间二级地类Second-levelclassification of land space工矿生产空间农业生产空间林业生态空间牧业生态空间水域生态空间湿地生态空间其他生态空间城镇生活空间农村生活空间用地地类Land classification其他建设用地水田、旱地林地、灌木林、疏林地、其他林地等高覆盖度草地、中覆盖度草地等河渠、湖泊、水库坑塘、永久性冰川雪地等滩涂、滩地、沼泽地等沙地、戈壁、盐碱地、裸土地等城镇用地农村居民点生产功能Productionfunction551111000生活功能Living function000000055生态功能Ecological
24、function0353555001140000E380000N1160000E1180000E 1200000E360000N340000N高High:1 657低Low:0海拔Altitude/mN黄河Yellow River市级行政区Municipaladministrative075150 km07501 500 km 9782023年7月http:/路昌,等:黄河下游地区国土空间动态变化及生态服务功能交叉敏感性研究间的空间变换进行直观反映。Uij=U11 U1n Un1 Unn(3)式中:Uij为i类空间转为j类空间的面积,万hm2;i、j分别为研究初期和末期相互转移的国土空间类型。
25、运用ArcGIS 10.3软件对研究区内国土空间的栅格数据进行处理,计算得到研究期内的国土空间转换数据,进而构建国土空间利用转移矩阵。1.3.4 生态系统服务价值计量模型本研究依据谢高地等31-32提出的1个生态服务价值当量因子的经济价值量等于当年全国平均粮食单产市场价值的1/7,参照我国实际情况调整价值量系数得出的当量因子表,结合黄河下游地区实际情况,利用 中国农产品价格调查年鉴(2019年)确定粮食价格,依据 中国水资源公报(2018年)计算农村居民点、城镇用地和其他建设用地水资源供给系数,对部分水资源供给系数进行修正33,计算得到 19902018年平均单位面积粮食产出的经济价值为12
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