汪勇政，梁 哲，余浩然

（1.安徽建筑大學(xué) 建筑與規(guī)劃學(xué)院，安徽 合肥 230022；2.安徽省城鎮(zhèn)化發(fā)展研究中心，安徽 合肥 230022；3.南京林業(yè)大學(xué) 風(fēng)景園林學(xué)院，江蘇 南京 210037）

生境質(zhì)量是指生態(tài)系統(tǒng)為生物個(gè)體或種群提供適宜并可持續(xù)的資源和生存繁育條件的能力，能在一定程度上反映區(qū)域生物多樣性狀況[1]和生態(tài)系統(tǒng)的健康狀況[2]。過(guò)去由于人類大量的建設(shè)行為和生態(tài)保護(hù)意識(shí)的缺乏導(dǎo)致了生境的破碎、消失和質(zhì)量退化，對(duì)生物多樣性水平和人類賴以生存的福祉造成了不可估量的損傷[3]。土地利用變化已經(jīng)成為生境質(zhì)量最主要的威脅因子[2]。因此，基于土地利用變化，分析區(qū)域生境質(zhì)量的時(shí)空分布特征及影響因素，對(duì)穩(wěn)定區(qū)域生態(tài)系統(tǒng)和可持續(xù)利用土地資源具有重要意義。目前國(guó)內(nèi)外對(duì)生境質(zhì)量的研究基于不同尺度[4-6]、評(píng)價(jià)指標(biāo)體系的構(gòu)建[7-9]、未來(lái)情景的生境質(zhì)量模擬預(yù)測(cè)[10-12]、土地利用與生境質(zhì)量的演化關(guān)系[6，13-14]等研究方面進(jìn)行大量的基礎(chǔ)研究和應(yīng)用研究?？偟膩?lái)說(shuō)，學(xué)者們?cè)谏迟|(zhì)量的研究上取得豐碩成果，對(duì)各個(gè)研究方面都進(jìn)行了較為深入地探索。但是現(xiàn)有研究過(guò)多關(guān)注固有行政區(qū)域內(nèi)整體的生境質(zhì)量變化，忽略了生境質(zhì)量的蔓延效應(yīng)及互饋機(jī)制，應(yīng)嘗試打破行政區(qū)劃的限制，借助地理格網(wǎng)的尺度效應(yīng)與空間特性，反映出更加細(xì)微的區(qū)域生境質(zhì)量變化規(guī)律，從而更好地針對(duì)生態(tài)環(huán)境問(wèn)題提出區(qū)域協(xié)同的保護(hù)策略。

合肥都市圈是中部地區(qū)典型的快速城鎮(zhèn)化地區(qū)，高速發(fā)展的過(guò)程中大量自然土地直接轉(zhuǎn)變?yōu)榻ㄔO(shè)用地，大量鄉(xiāng)村人口向城市流動(dòng)，極大地改變了都市圈內(nèi)的土地利用方式和景觀格局，加劇了環(huán)境污染和自然資源消耗，帶來(lái)了土地退化、水土流失、空氣質(zhì)量和水質(zhì)量惡化、生境破碎化等環(huán)境問(wèn)題，嚴(yán)重削弱了區(qū)域自然生態(tài)系統(tǒng)的生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)能力。如何更好地識(shí)別區(qū)域發(fā)展中惡化的生態(tài)區(qū)域位置及變化幅度，是今后更好支持區(qū)域發(fā)展的關(guān)鍵因素。因此，本研究選取合肥都市圈為研究區(qū)域，基于五期土地利用數(shù)據(jù)，利用InVEST 模型和地理格網(wǎng)分析法分析不同時(shí)空背景下快速城鎮(zhèn)化地區(qū)生境質(zhì)量變化時(shí)空特點(diǎn)，采用SEM 模型定量評(píng)估景觀格局和城鎮(zhèn)化要素對(duì)生境影響程度，以期為合肥都市圈地區(qū)生態(tài)保護(hù)及土地可持續(xù)利用提供有益參考。

1 研究區(qū)概況與數(shù)據(jù)來(lái)源

1.1 研究區(qū)概況

合肥都市圈位于長(zhǎng)江中下游沿江長(zhǎng)三角西端，安徽省中部，地域范圍包括七個(gè)地級(jí)市和一個(gè)縣級(jí)市（如圖1）。北部與淮北平原相接，南與皖南地區(qū)相依，東以江蘇交接，西與河南、湖北相鄰。合肥都市圈地勢(shì)總體為西高東低，橫跨長(zhǎng)江流域和淮河流域，西有大別山山區(qū)，東北有滁河流域。經(jīng)濟(jì)總量約占全省生產(chǎn)總值的60%，是長(zhǎng)三角城市群重要的增長(zhǎng)極，也是中部地區(qū)最具活力的快速城鎮(zhèn)化地區(qū)之一。2000 年以來(lái)，隨著城鎮(zhèn)用地的快速擴(kuò)展，區(qū)域生態(tài)環(huán)境下降、生境破碎化現(xiàn)象嚴(yán)重。

圖1 合肥都市圈位置及空間采樣網(wǎng)格

1.2 數(shù)據(jù)來(lái)源及處理

本研究所用數(shù)據(jù)包括：2000 年、2005 年、2010年、2015 年、2020 年土地利用數(shù)據(jù)（精度30 m×30 m），五期人口空間分布公里網(wǎng)格數(shù)據(jù)（精度100 m×100 m），來(lái)源于中國(guó)科學(xué)院資源環(huán)境科學(xué)數(shù)據(jù)中心；2000 年、2005 年、2010 年采用校正后的DMSP/OLS 夜間燈光數(shù)據(jù)（精度1 km×1 km），來(lái)源于美國(guó)國(guó)家地球物理數(shù)據(jù)中心網(wǎng)站；2015年、2020 年采用NPP-VIIRS 夜間燈光數(shù)據(jù)（精度500 m×500 m），來(lái)源于地球觀測(cè)組網(wǎng)站。對(duì)所有數(shù)據(jù)進(jìn)行預(yù)處理，統(tǒng)一所有數(shù)據(jù)坐標(biāo)系WGS-1984-UTM-Zone-50N 和精度為30 m。

1.3 研究思路與方法

1.3.1 InVEST 模型Habitat Quality 模塊

InVEST 模型是用于生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)功能評(píng)估模型，其中生境質(zhì)量評(píng)價(jià)模塊是基于土地覆被與生境威脅源聯(lián)系，通過(guò)對(duì)脅迫半徑、空間權(quán)重、空間衰減類型等方面綜合考量計(jì)算威脅源的威脅強(qiáng)度，結(jié)合其他地類生境適應(yīng)情況、對(duì)威脅源的敏感度得到該地區(qū)的生境質(zhì)量，具體公式如下：

式中，Qxj為景觀類型j 中x 柵格的生境質(zhì)量指數(shù)；Hj值域?yàn)閇0，1]，代表景觀類型的生境適宜性分值k 為半飽和常數(shù)，根據(jù)研究區(qū)數(shù)據(jù)精度設(shè)定z 為尺度常數(shù)，一般取2.5。本研究基于InVEST 模型手冊(cè)及相關(guān)研究[15]、地域?qū)嶋H情況設(shè)置模塊參數(shù)。并將生境質(zhì)量等距分為優(yōu)、良、中、較差、差五個(gè)等級(jí)。

1.3.2 空間網(wǎng)格的確定

本文以格網(wǎng)為評(píng)價(jià)單元，參考國(guó)家格網(wǎng)GIS 相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)，格網(wǎng)宜采用平均斑塊面積的2 ～5 倍，在此基礎(chǔ)上參考前人相關(guān)研究[16]并考慮研究區(qū)實(shí)際情況、工作量及空間粒度問(wèn)題，最終選取4 km×4 km 的正方形格網(wǎng)對(duì)研究區(qū)進(jìn)行劃分，選取景觀總面積占評(píng)價(jià)單元面積比例大于1/3 的格網(wǎng)，共4 236 個(gè)。

1.3.3 空間自相關(guān)及熱點(diǎn)分析

為進(jìn)一步探索合肥都市圈生境質(zhì)量的空間格局演變特征，網(wǎng)格尺度提取研究區(qū)五個(gè)節(jié)點(diǎn)生境質(zhì)量的平均值，通過(guò)全局空間自相關(guān)和熱點(diǎn)分析進(jìn)行空間特征分析?？臻g自相關(guān)分析作為探尋要素屬性在空間位置關(guān)聯(lián)程度的方法被學(xué)者廣泛使用，通過(guò)計(jì)算全局自相關(guān)Moran’s I 指數(shù)探求不同年份生境質(zhì)量指數(shù)整體的聚集程度。Getis-Orgd Gi*指數(shù)能夠計(jì)算得出研究區(qū)內(nèi)具有顯著統(tǒng)計(jì)學(xué)意義的生境質(zhì)量高值聚集熱點(diǎn)和低值聚集冷點(diǎn)，具體公式及操作方法參考相關(guān)文獻(xiàn)[17]。

1.3.4 空間計(jì)量分析模型

由于生境質(zhì)量及其影響因素在空間上具有自相關(guān)性[18]，傳統(tǒng)的回歸模型（OLS）擬合時(shí)會(huì)打破殘差項(xiàng)相互獨(dú)立的基本假設(shè)，無(wú)法真實(shí)反映生境質(zhì)量與影響因素之間的關(guān)系?？臻g計(jì)量分析模型充分考慮了因子在空間中的復(fù)雜交互作用及空間依存效應(yīng)，會(huì)更好地揭示因素之間的相互關(guān)系。本文采用空間計(jì)量分析模型，定量評(píng)估景觀格局和城鎮(zhèn)化要素對(duì)生境影響程度。變量在空間上不同的相互作用呈現(xiàn)出不同的空間效應(yīng)，對(duì)其定量評(píng)估的模型主要為兩種：空間滯后模型（SLM）和空間誤差模型（SEM）。據(jù)Anselin 提出的驗(yàn)證標(biāo)準(zhǔn)表明，施瓦茨準(zhǔn)則（SC）、赤池信息準(zhǔn)則（AIC）和參數(shù)σ2越小，對(duì)數(shù)似然值（LogL）和判定系數(shù)R2越大，擬合程度越好，限于篇幅，具體公式介紹參考相關(guān)文獻(xiàn)[19]。

1.3.5 城鎮(zhèn)化與景觀格局指標(biāo)選取

城鎮(zhèn)化概念的內(nèi)涵主要從人口、經(jīng)濟(jì)、社會(huì)、土地四個(gè)方面展開[20]，最終選取人口密度、夜間燈光數(shù)據(jù)、土地城鎮(zhèn)化率三個(gè)主要指標(biāo)。景觀格局的變化可以反映人類活動(dòng)對(duì)生態(tài)環(huán)境的空間影響，對(duì)生境格局和功能有顯著影響。本文基于景觀格局指數(shù)之間的低相關(guān)性并結(jié)合合肥都市圈快速城鎮(zhèn)化地區(qū)特征[21]，選取四項(xiàng)指標(biāo)分析，具體如表3所示。

表3 解釋變量信息表

2 結(jié)果分析

2.1 合肥都市圈生境質(zhì)量變化時(shí)間特征

圖2 所示，2000-2020 年期間，合肥都市圈的生境質(zhì)量為中等水平，生境質(zhì)量平均指數(shù)在0.47以上，其中等級(jí)為優(yōu)、中、較差的柵格數(shù)占比逐年降低，其中較差柵格的降低速率呈現(xiàn)由快變慢的趨勢(shì)。等級(jí)為良、差的柵格數(shù)占比逐年增加，等級(jí)為差的柵格增長(zhǎng)速率經(jīng)歷的了由快向慢的趨勢(shì)。合肥都市圈的生境質(zhì)量指數(shù)平均水平不高且處于逐年下降的趨勢(shì)，下降趨勢(shì)呈現(xiàn)“慢—快—慢”。

圖2 2000-2020 年生境質(zhì)量等級(jí)占比變化及等級(jí)占比變化量

2.2 合肥都市圈生境質(zhì)量等級(jí)空間分布特征

圖3 可知，合肥都市圈內(nèi)大別山地區(qū)、巢湖流域、淮河流域、滁州市西部丘陵區(qū)、馬鞍山市西部山區(qū)、蕪湖市沿江流域和西南部山地，生境質(zhì)量較好，等級(jí)為優(yōu)和良。用地類型主要以水域、林地和草地為主，地勢(shì)復(fù)雜受人類活動(dòng)影響較小，相對(duì)其他區(qū)域生境質(zhì)量較為良好，20 年來(lái)變化不顯著。中部、西部、北部和東南部以平原為主，適宜城市建設(shè)和農(nóng)業(yè)種植，以城鎮(zhèn)建設(shè)用地、耕地和農(nóng)村居民點(diǎn)用地為主。前期城市擴(kuò)張過(guò)程中，大量林地、草地被侵占，導(dǎo)致這一區(qū)域生境質(zhì)量的水平普遍較低，生境等級(jí)為差的斑塊的空間格局呈現(xiàn)出以城鎮(zhèn)區(qū)域?yàn)楹诵牡妮椛錉罘植继攸c(diǎn)，2000-2005 年期間等級(jí)為差的斑塊呈現(xiàn)出小程度的擴(kuò)散；2005-2020 年期間斑塊擴(kuò)散范圍明顯變大，其中合肥市區(qū)擴(kuò)散范圍最為顯著，逐漸向巢湖方向擴(kuò)散。

圖3 2000-2020 年合肥都市圈生境質(zhì)量空間分布

2.3 合肥都市圈生境質(zhì)量空間集聚特征分析

2.3.1 總體集聚特征

五期節(jié)點(diǎn)數(shù)據(jù)的Moran’s I 指數(shù)分別為0.844 2、0.839 1、0.839 0、0.834 2、0.837 0，Z 值均遠(yuǎn)大于2.58，P 值均通過(guò)了1%顯著性檢驗(yàn)，說(shuō)明合肥都市圈內(nèi)生境質(zhì)量值空間分布存在顯著的空間關(guān)聯(lián)性。

五期數(shù)據(jù)的Moran’s I 指數(shù)皆大于0.8，呈顯著的聚集分布，即生境質(zhì)量高值在空間上聚集，低值趨于相鄰。2000-2015 年Moran’s I 指數(shù)逐年下降，2015 年后出現(xiàn)回升，表明自2000 年以來(lái)，合肥都市圈生境質(zhì)量的集聚效應(yīng)持續(xù)輕微減弱，生境斑塊出現(xiàn)微弱破碎化現(xiàn)象；2015 年后生境斑塊趨于整合。

2.3.2 局部集聚特征

通過(guò)熱點(diǎn)分析探索生境質(zhì)量高值和低值集聚區(qū)在合肥都市圈35 個(gè)縣市的分布情況，如圖4 所示。2000 年合肥都市圈生境質(zhì)量集聚特征為中部、西部、北部冷點(diǎn)成片分布，東南部熱點(diǎn)成片，東部、南部熱點(diǎn)分散。2000-2005 年各縣冷點(diǎn)數(shù)出現(xiàn)微弱減少，合肥市區(qū)和六安市區(qū)冷點(diǎn)集聚程度變大；2005-2010 年期間合肥都市圈中部、北部、西部各縣的較多冷點(diǎn)變?yōu)椴伙@著，各地級(jí)市市區(qū)的冷點(diǎn)聚集范圍出現(xiàn)不同程度地?cái)U(kuò)散以及集聚程度加強(qiáng)，合肥市區(qū)、蕪湖市區(qū)和馬鞍山市區(qū)較為顯著。

圖4 2000-2020 年生境質(zhì)量熱點(diǎn)分析

2010-2015 年期間都市圈中部、北部各縣的大量冷點(diǎn)繼續(xù)變?yōu)椴伙@著，冷點(diǎn)分布呈現(xiàn)破碎化。各地級(jí)市市區(qū)冷點(diǎn)范圍和集聚程度繼續(xù)加強(qiáng)，蚌埠市、滁州市、馬鞍山市、蕪湖市市區(qū)表現(xiàn)最為顯著。至2015 年，合肥都市圈生境質(zhì)量的冷點(diǎn)分布呈現(xiàn)以地級(jí)市市區(qū)為核心的多極點(diǎn)分布格局，該時(shí)期熱點(diǎn)的范圍減少，主要表現(xiàn)為霍山縣的部分由熱點(diǎn)區(qū)域變?yōu)椴伙@著區(qū)域。

2015-2020 年期間中部和西部大量冷點(diǎn)區(qū)域不再顯著，各地級(jí)市冷點(diǎn)集聚程度進(jìn)一步加劇且范圍持續(xù)擴(kuò)大，霍山縣與六安市區(qū)南部熱點(diǎn)集聚程度下降且不顯著范圍增加，繁昌縣中部和桐城市南部地區(qū)出現(xiàn)了熱點(diǎn)范圍增加的趨勢(shì)。

2.4 合肥都市圈生境質(zhì)量時(shí)空演變影響因素

2.4.1 空間計(jì)量模型的選取

Moran’s I 指數(shù)顯示合肥都市圈生境質(zhì)量存在空間自相關(guān)，導(dǎo)致傳統(tǒng)的回歸模型（OLS）擬合程度較低，已不能準(zhǔn)確描述都市圈內(nèi)部生境質(zhì)量的影響因素。本文將空間要素考慮其中，借助空間計(jì)量模型探討城鎮(zhèn)化和景觀格局對(duì)生境質(zhì)量的影響。

在空間計(jì)量經(jīng)濟(jì)學(xué)研究中，首先利用OLS 模型回歸之后，進(jìn)行拉格朗日檢驗(yàn)，結(jié)果表明所有參數(shù)值均通過(guò)了1%的顯著性檢驗(yàn)。因此，本文通過(guò)比較SLM 和SEM 模型的相關(guān)參數(shù)進(jìn)行模型選取。如表4，結(jié)果顯示SEM 模型擬合優(yōu)度更好，最終本文選取該模型對(duì)影響因素進(jìn)行解讀。

表4 空間誤差模型與空間滯后模型擬合優(yōu)度對(duì)比

2.4.2 模型結(jié)果解讀

由表6 可知，POP、NTL、LUR、SHDI、AI 指數(shù)對(duì)合肥都市圈生境質(zhì)量有顯著的影響作用，均通過(guò)了1%顯著性檢驗(yàn)。POP、NTL、LUR 對(duì)于生境質(zhì)量呈負(fù)相關(guān)，SHDI 與AI 對(duì)于生境質(zhì)量呈正相關(guān)。

城鎮(zhèn)化水平指標(biāo)均對(duì)合肥都市圈生境質(zhì)量產(chǎn)生負(fù)向影響，POP 和NTL 是主導(dǎo)負(fù)向影響因素。POP 對(duì)生境質(zhì)量的負(fù)向影響在2000-2005 年期間增強(qiáng)后逐漸變?nèi)酰籒TL 在2000-2005 年期間經(jīng)歷小幅的下降后持續(xù)變強(qiáng)，2010 年后成為主導(dǎo)負(fù)向因素。景觀格局指標(biāo)均對(duì)合肥都市圈生境質(zhì)量產(chǎn)生正向影響，SHDI、AI 是主導(dǎo)正向影響因素。SHDI的影響效應(yīng)持續(xù)下降，2010 年后AI 成為主導(dǎo)正向影響因素。

2000-2005 年期間，POP 和LUR 負(fù)向影響加劇和SHDI、AI 正向影響減弱成為該階段生境質(zhì)量變差的主要原因，由于影響因素的回歸系數(shù)變化速率緩慢呈現(xiàn)出生境質(zhì)量緩慢變差的現(xiàn)象。2005-2010年期間，NTL 的負(fù)向影響快速增強(qiáng)推動(dòng)了該階段生境質(zhì)量變差速度激增，而NTL 負(fù)向影響加劇減緩與POP 的負(fù)向效應(yīng)減弱成為2010-2020 年期間生境質(zhì)量惡化緩和的主要原因。

表5 空間誤差模型回歸估計(jì)

根據(jù)環(huán)境庫(kù)茲涅茨曲線理論和學(xué)者相關(guān)研究[22]，城鎮(zhèn)化與環(huán)境污染呈現(xiàn)倒“U”型關(guān)系。在城鎮(zhèn)化發(fā)展初期，社會(huì)經(jīng)濟(jì)發(fā)展主要依靠工業(yè)化，導(dǎo)致土地利用方式粗放、景觀斑塊破碎，加劇了環(huán)境污染程度。環(huán)境惡化程度隨城鎮(zhèn)化的增長(zhǎng)而加劇，當(dāng)城鎮(zhèn)社會(huì)經(jīng)濟(jì)發(fā)展和人口集聚達(dá)到一定水平、到達(dá)某個(gè)臨界點(diǎn)后，人口集聚的結(jié)果將會(huì)產(chǎn)生規(guī)模效益；同時(shí)重視產(chǎn)業(yè)的轉(zhuǎn)型，重視科技產(chǎn)業(yè)的培育帶來(lái)環(huán)境技術(shù)的創(chuàng)新和綠色溢出效應(yīng)。此后隨著人口和城鎮(zhèn)社會(huì)經(jīng)濟(jì)水平的進(jìn)一步增加，對(duì)于土地利用方式和景觀格局更加合理環(huán)境污染的程度逐漸減緩，最終環(huán)境質(zhì)量逐漸得到改善。

3 結(jié)論與討論

3.1 結(jié)論

本文利用InVEST 模型和空間計(jì)量分析模型對(duì)2000-2020 年合肥都市圈生境質(zhì)量的時(shí)空演變及影響因素進(jìn)行探究。結(jié)果表明：

（1）20 年來(lái)，合肥都市圈生境質(zhì)量持續(xù)下降，呈現(xiàn)出“慢—快—慢”的趨勢(shì)，整體空間分布具有較強(qiáng)的異質(zhì)性。生境質(zhì)量等級(jí)以較差和差為主，主要分布在中部、西部、北部和東南部大部分地區(qū)，變化呈現(xiàn)出以城鎮(zhèn)為核心輻射擴(kuò)散的特點(diǎn)。

（2）合肥都市圈范圍內(nèi)生境質(zhì)量具有顯著的空間集聚性?；跓狳c(diǎn)分析，生境質(zhì)量冷點(diǎn)主要分布在以合肥為核心的都市圈中部以及西北邊緣部分，熱點(diǎn)分布在大別山區(qū)及都市圈東部南部地區(qū)。變化趨勢(shì)呈現(xiàn)熱點(diǎn)逐漸破碎化，高集聚冷點(diǎn)以各市區(qū)為核心擴(kuò)散，中部和西北部各縣冷點(diǎn)顯著減少的特點(diǎn)。

（3）近20 年，城鎮(zhèn)化對(duì)合肥都市圈生境質(zhì)量的均為負(fù)向效應(yīng)。POP、NTL 是主要負(fù)向影響因素，POP 的影響經(jīng)短暫的增強(qiáng)后逐年減弱，NTL 的影響逐年增強(qiáng)。景觀格局指數(shù)均為正向效應(yīng)，SHDI、AI是主要正向影響因素，影響效應(yīng)逐年減弱。2000-2005 年期間POP 和LUR 的負(fù)向作用加強(qiáng)，AI 的正向作用減弱導(dǎo)致了此階段生境質(zhì)量變差。2005 年后NTL 的負(fù)向效應(yīng)成為生境質(zhì)量變差的主要原因。

3.2 討論

盡管該研究具有一定實(shí)踐指導(dǎo)價(jià)值，但也存在一定局限。生境質(zhì)量受多重自然因素和人為因素的影響，比如可能受到區(qū)域外人類活動(dòng)空間溢出效應(yīng)的影響，使生境質(zhì)量出現(xiàn)復(fù)雜變化。其次，空間尺度效應(yīng)是地理學(xué)和景觀生態(tài)學(xué)研究的關(guān)鍵問(wèn)題之一，本研究在考慮到土地利用數(shù)據(jù)的分辨率不變的基礎(chǔ)之上計(jì)算相關(guān)指標(biāo)。對(duì)不同粒度和不同研究尺度下的生境質(zhì)量和景觀格局的差異，還需今后深入探討。