安徽省生态用地时空格局演变及驱动因素研究

韩姝程，程久苗，洪德和

（安徽师范大学地理与旅游学院，安徽·芜湖 241002）

生态用地是构建生态安全格局与推进生态保护修复工作的载体，为人类生存发展提供必要的生态服务空间[1-2]。进入21 世纪以来，我国城镇化进程加快导致生态保护空间与城乡建设空间的博弈失衡，人类高强度活动极大改变了生态用地的时空分布格局，降低了自然生态系统的服务功能，进而严重威胁区域生态安全与可持续发展[3-7]。同时，随着生态文明建设、国土空间规划体制改革与各级国土空间规划编制工作持续推进，探究生态用地相关问题成为支撑国家战略决策、实践改革以及科学研究的重点。《生态文明体制改革总体方案》（中发[2015]25 号）、《自然生态空间用途管制办法（试行）》（国土资发[2017]33号）、《关于全面开展国土空间规划工作的通知》（自然资发[2019]87号）等文件都明确要求划定生态保护红线，并对自然生态空间保护与生态文明建设做出统筹部署。

学术界从多方面对生态用地进行了深入探讨[8-25]，研究成果聚焦于：从研究内容看，多从生态用地的内涵与分类方法、生态系统服务价值评估、生态用地安全格局构建与空间识别、生态用地景观格局变化、生态用地格局演变及驱动因素等方面展开；从研究方法看，大多基于3S 技术、多元回归分析等方法；从研究区域看，多集中于重点生态功能区、西北干旱区等典型区域，以及北京、重庆等大型城市。综观已有研究成果，极大丰富了生态用地分类、格局变化及驱动机制的相关理论方法，但多侧重于全国、生态典型区域或大型城市，从中部地区典型省域尺度对生态用地演变深入探讨的研究并不多见；其次，已有研究多依赖于定性分析或传统计量模型证实各单个因素与生态用地演变的数量关系，而采用地理定量方法探测空间异质性，进而探究不同类型影响因素对生态用地格局影响有何差异，各影响因素叠加交互作用后是否会互相削弱或增强对生态用地格局影响等相关研究有待丰富。

安徽省作为中部崛起战略的桥头堡，是国土开发开放格局与国土生态安全格局的双重竞争建设高地。境内有全国重要的水土保持、水源涵养、生物多样性保护型重点生态功能区，是长三角地区的重要生态屏障，更是全国生态产品供给安全保障的重要区域，同时又深度融入“一带一路”“长江经济带发展”“京津冀协同发展”三大国家战略，经济与城镇化快速发展的同时也导致人地矛盾日益突出，生态用地被大量蚕食。厘清该区域的生态用地变化及其成因，对长三角地区生态安全保障、生态文明建设以及长江经济带绿色转型发展具有深远意义。因此，本文以安徽省16 地市为研究对象，运用土地转移矩阵、土地动态度、重心转移模型分析其时空分布格局，采用地理探测器定量识别生态用地演变驱动因素，揭示其区域差异性，以期为省、市县国土空间规划的科学编制、生态管制措施的制定、国土生态安全的保障与生态文明建设的推进提供参考。

1 研究区概况

安徽省地处中国华东腹地，介于114°54' E-119°37' E、29°41' N-34°38' N 之间，是连南接北和承东启西的双向纽带，地跨新安江、淮河和长江三大流域，全省地势东北低、西南高，地形复杂多样，南北迥异，以平原、丘陵、山地为主，气候为亚热带与暖温带过渡区，四季分明，日照充足，降水年际变化大。

安徽省作为长三角的纵深腹地，大力发展循环经济，致力构建皖江绿色生态廊道，是中部经济崛起的“脊梁”与长江经济带绿色转型发展的重要战略支撑。2015 年底，全省常住人口6143.60 万人，GDP 总量2.20 万亿元，占全国GDP 总量的3.20%，其中第一、二产业占比分别为10.89%、50.41%。全省土地总面积约为14 万km2，其中，城乡建设用地总面积约1.08 万km2，占比约7.7%。

2 数据来源与研究方法

2.1 数据来源

2.1.1 生态用地界定

国内外对生态用地的内涵界定尚未统一，现行各国土地分类体系并未单独列出生态用地。目前生态用地构成有两种观点：生态系统服务功能论与土地主体功能论。生态系统服务功能论认为凡是具有生态服务功能，能直接或间接提供生态服务价值，对生态系统发挥保护作用的土地都可划为生态用地，包括耕地、林地、草地、水域等；土地主体功能论认为应根据土地的主体功能划定生态用地，将以经济产出为主的农业用地，如耕地、水产养殖用地等排除在外，仅把发挥自然生态功能为核心的土地划为生态用地。根据已有研究，本文在LUCC分类体系基础上，参照《土地利用现状分类表》（GB/T 21010-2017），同时考虑资料可获得性和研究可行性，结合安徽省土地利用现实情况，将研究区生态用地界定为能产生生态服务价值、保护生态系统的土地资源，包括耕地、林地、草地、水域等生态用地。具体分类见表1。

表1 安徽省生态用地分类Table 1 Classification of ecological land in Anhui province

2.1.2 数据来源及处理

本文以安徽省16 地市为研究单元，研究时段为2000-2015 年，因研究时段内存在行政区划调整，为保证空间单元和数据可比性，将相关统计数据与地理信息数据进行一致化处理，使其与2015 年行政区划相匹配。行政区划底图来源于中国科学院资源环境科学数据中心。

基础数据主要包括土地利用数据和统计数据。土地利用数据来源于国家地球系统科学数据共享服务平台——长江三角洲科学数据中心与中国科学院资源环境科学数据中心，包含2000、2005、2010 和2015 年四期1:10 万比例尺土地利用现状遥感监测数据，数据栅格单元大小为1km×1km，该数据采用LUCC 分类体系将土地利用类型分为耕地、林地、草地、水域、城乡建设用地、未利用地6 个一级地类和25 个二级地类。驱动因素相关数据来源于2000-2015 年《中国城市统计年鉴》《安徽统计年鉴》《巢湖统计年鉴》等统计年鉴。

2.2 研究方法

研究选用土地利用转移矩阵、土地动态度、重心转移模型等方法从数量与空间结构两方面对生态用地演变进行分析，并运用地理探测器进一步探究其驱动因素。

2.2.1 土地利用转移矩阵

土地利用转移矩阵反映在研究初期和末期某研究区域不同地类之间相互转化的动态过程，可以作为土地利用变化方向、结构和用地功能类型变化分析的基础。其数学表达式为：

式中：Sij表示研究初末期的土地利用状态，n 表示土地利用类型数。

2.2.2 土地动态度

（1）土地利用类型转移速率

单一土地利用动态度即土地利用类型转移速率，反映一定时段内研究区域某种土地利用类型数量变化状况。其表达式为：

式中：K 为单一土地利用动态度，Ua和Ub分别表示某种土地利用类型在研究初期与研究末期的数量，Ub-Ua为研究时段内某类土地面积的变化量，T 表示研究时段。

（2）综合土地利用动态度

综合土地利用动态度反映区域综合土地利用变化的剧烈程度。其表达式为：

式中：F 为研究区域综合土地利用动态度，ΔFUi-j为研究时段内第i 类土地利用类型转化为其他土地利用类型的面积绝对值，FUi为第i 类土地利用类型在研究初期的面积，T 表示研究时段。

2.2.3 重心转移模型

重心转移模型可用以反映各要素在区域发展过程中空间集聚及其转移规律。本文中运用重心转移模型定量分析生态用地转移，其表达式为：

式中：（Xj，Yj）第j 年生态用地的重心坐标，Gij为第j 年时第i 个市域单元的要素值，（Xj，Yj）为第i 个市域单元几何重心坐标。

根据生态用地重心坐标，可进一步计算生态用地重心转移距离。其表达式为：

式中：(Xt，Yt)、(Xt+n，Yt+n)分别为第t、(t+n)年生态用地的重心坐标，dn表示从t 年到t+n 年生态用地重心转移距离。

2.2.4 地理探测器

地理探测器是用以探测某一现象空间分异性，并揭示其背后驱动因素的空间分析模型，该方法无线性假设条件，在处理类型变量时可以有效克服传统数学统计模型局限性[26-27]。地理探测器主要包括风险探测、交互作用探测、因子探测、生态探测四部分，该模型已在土地利用、区域经济、环境污染等领域取得广泛应用。其核心思想是：若某自变量对某因变量产生重要影响，那么该自变量和因变量则具有空间分布相似性。因此，该模型可用于探测生态用地演变影响因素的差异。本文运用因子探测与交互作用探测对引起生态用地变化的各因子进行定量分析。

因子探测用于探测各驱动因素对生态用地变化的解释程度，用Z 值度量，其表达式为：

式中：ZD,H表示影响因子D 对生态用地变化H 的解释力，N 表示整个研究区域的个数，Nh表示次级区域个数，L 表示次一级区域个数，σ2表示整个研究区生态用地变化的方差，σh

2 表示次一级区域生态用地变化的方差，σh2≠0 时，模型有效。ZD,H的取值范围为[0,1]，ZD,H=0 时，表明生态用地变化与该影响因子无关，ZD,H越大，表明影响因素对生态用地变化的解释力越大。

交互作用探测用来探究不同驱动因子之间交互作用对生态用地变化的影响，即评估X1和X2共同作用时是减弱或增强对因变量的解释力，还是呈现相互独立的影响特征。其具体表达如表2。

3 结果分析

3.1 生态用地时空格局分析

表2 双因子交互作用类型划分Table 2 Types of interaction between two covariates

3.1.1 生态用地数量结构变化

2000-2015 年，安徽省生态用地综合土地利用动态度为0.17%，15 年间变化逐渐剧烈，生态用地大量被建设用地侵占，总量由1312.12 万hm2减少至1293.21 万hm2，期间生态用地面积共减少18.91 万hm2。各类生态用地变化显著，主要表现为耕地、林地、草地持续减少，水域、其他生态用地不断增加（图1、表3、表4）。

图1 2000-2015年安徽省土地利用变化图Fig. 1 Land use change map of Anhui province from 2000 to 2015

表3 2000-2015年安徽省生态用地动态度Table 3 Ecological land use dynamics in Anhui province from 2000 to 2015

表4 2000-2015年安徽省土地利用转移矩阵（单位：hm2）Table 4 Land use transfer matrix of Anhui province from 2000 to 2015

随着城镇化快速发展，建设用地扩张不断占用耕地、林地、草地。2000-2015 年耕地减少速率不断上升，其中2010-2015 年达到-0.22%，15 年间耕地面积净减少19.63 万hm2，土地总面积占比由59.65%降低到57.95%。相比其他地类，耕地变化幅度最大，向其他地类转化相当剧烈，其中转化为建设用地、水域、林地、草地、其他生态用地的比例分别为83.32%、12.30%、2.24%、1.35%、0.78%。同时，其余地类补充耕地28926.92 hm2，其中以建设用地和水域补充为主，分别占比50.54%、36.81%。2000-2015 年林地、草地变化速率较小，林地面积净减少6458.26 hm2，主要是被建设用地侵占，部分补充为耕地。由于草地开垦政策的实行和建设用地扩张，大量草地向建设用地和耕地转化导致草地面积净减少2742.91 hm2。总体而言，耕地、林地与草地呈现出消耗加剧却补充不足的局面。

2000-2015 年，水域与其他生态用地面积持续增加。15 年间，我国在长江中游实施退田还湖等生态保护政策，使水域面积呈上涨趋势且变化幅度较大，至2015 年水域面积净增加14090.63 hm2，土地总面积占比由4.94%增加至5.14%，其中96.28%由耕地转化而来。15 年间，其他生态用地相比其他地类变化最为活跃，2010-2015 年单一土地利用动态度高达82.54%，主要是由于自然灾害、抛荒等原因，部分耕地转化为其他生态用地，导致其他生态用地净增加2297.76 hm2。

3.1.2 生态用地空间结构变化

2000-2015 年，安徽省生态用地持续减少，且有显著区域差异。其中安徽省中部合肥市始终是生态用地减少的核心区。生态用地重心也位于合肥市，15 年间，生态用地重心迁移距离不大，但有逐年增长之势，在合肥市呈现出东南（65.10m）→西北（209.64m）→东南（545.83m）迁移趋势（图2、表5）。

图2 2000-2015年生态用地变化轨迹图Fig.2 Track map of ecological land use change from 2000 to 2015

表5 2000-2015年安徽省生态用地重心转移情况Table 5 The center of gravity transfer of ecological land in Anhui province from 2000 to 2015

2000-2015 年耕地减少主要转化为建设用地，集中分布在合肥、马鞍山以及淮北、蚌埠、淮南等市，耕地增加主要在池州、六安、淮南、宿州等市。同时，15 年间耕地重心也呈现出西北（174.57m）→西北（481.90m）→东南（106.25m）迁移趋势，最终导致耕地重心向安徽省西北方向移动。2000-2015 年林地面积变化主要分布在生态保护红线集中区。其中，林地减少主要集中在安庆、池州、宣城等市，林地增加主要集中于黄山、六安等市。15 年间林地重心变化较小，但有南移趋势。2000-2015 年草地变化集中分布在安徽省北部和东部。其中在滁州、铜陵等市集中减少，在合肥、宿州、宣城等市集中增加。15 年间草地重心迁呈现出西南（45.78m）→西北（324.59m）→东南（439.61m）迁移趋势，迁移距离不断增大。2000-2015 年水域面积持续增长，其中阜阳、六安、马鞍山增长最为显著，同时六安、合肥市周边也存在一定缩减。15 年间水域重心呈现先南后北的迁移之势。2000-2015 年其他生态用地几乎没有向其他地类转化，其增加地区集中分布在池州、铜陵、宣城等市。但15 年间其他生态用地重心变化剧烈，迁移距离不断增大，其中，2010-2015 年迁移距离高达61866.90 m，总体向西北方向迁移。

3.2 生态用地演变驱动因素分析

3.2.1 生态用地变化率分布格局

对安徽省各市2000-2015 年生态用地面积变化计算得到生态用地变化率。安徽省生态用地变化率分布具有显著区域差异性，总体呈现西部、南部较低，北部、中部较高的空间格局。位于安徽省北部和中部的淮北、淮南、合肥、马鞍山、芜湖、铜陵等市生态用地变化率级别较高，其中铜陵市生态用地变化率最大（-5.78%）；位于安徽省南部的池州、黄山、宣城等市生态用地变化率级别最低，其中宣城市最小（-0.48%）。说明安徽省生态用地变化分布极不均匀，生态用地变化率较高的区域主要集中在合肥市、铜陵市等城市化和工业化进程较快的经济发达地区，而林草地分布密集区，如池州、黄山、滁州等市则生态用地变化率较低（图3）。

图3 生态用地变化率分布Fig.3 Change rate of ecological land use

3.2.2 驱动因素选取及处理

综合已有研究可知，生态用地变化主要是由自然因素和社会经济因素共同作用造成的。本文在已有研究的基础上，基于数据的可获取性和科学性，结合安徽省实际自然经济情况，以生态用地变化率作为因变量，并遴选出8 个与生态用地变化相关的驱动因子，包括气温、降水、总人口变化率、人口密度变化率、非农业人口变化率、人均GDP 变化率、第一产业占GDP 比重变化率、第二产业占GDP 比重变化率（其中气温与降水取2000-2015 年多年平均值）。基于此，本文在ArcGIS 中采用自然断点法对2000-2015 年驱动因素数据进行离散化处理，再运用地理探测器进行驱动力分析。

3.2.3 安徽省生态用地演变驱动因素分析

因子探测结果表明，对生态用地变化解释力最高的三个因子为一产占GDP 比重变化率、二产占GDP 比重变化率和人口密度变化率，分别为0.541、0.536 和0.525；其次为总人口变化率，为0.338；人均GDP 变化率、非农业人口比重变化率和气温变化率对生态用地变化影响较小，降水对生态用地变化率的解释力最小，仅为0.141（图4）。

图4 因子探测结果Fig.4 Factor detection result

交互作用探测结果表明，大部分驱动因子交互作用后因子决定力大于0.7，各驱动因子两两交互作用后，均非线性或双线性加强了对生态用地变化的解释力，说明生态用地演变与社会经济因子和自然因子共同作用后关联性更强。其中，一产占GDP 比重变化率、二产占GDP 比重变化率与其他因子交互作用后变化最为显著。一产占GDP 比重变化率分别与总人口变化率、二产占GDP 比重变化率交互作用后，ZD,H 值高达0.998 和0.981，在因子探测结果基础上，进一步证实安徽省生态用地演变具有人口发展指向、农业发展指向和工业发展指向（表6）。

（1）人口发展指向

2015 年安徽省常住人口达到6143.60 万人，人口的急剧增长产生过度耕作、开垦湿地和草地等生态环境问题，同时人们对工业用地、居住用地等生活生产需求也不断增大，并由此衍生相应公共服务设施、基础配套设用地需求，必然导致建设用地扩张占用耕地、水域等生态用地，造成生态用地大量流失。人口持续增高给生态用地保护带来严峻挑战。

表6 各驱动因子交互作用决定力Table 6 Determining the interaction of each driving factor

（2）农业发展指向

安徽省农业资源丰富，是典型的农业大省，农业发展对生态用地变化至关重要。但随着城镇化、工业化的快速发展，农村人口不断向城市迁移，造成农用地抛荒闲置，农业发展日衰，2000-2015 年安徽省第一产业占GDP 比重由25.1%降低为10.89%。同时人们耕作过程中大量使用农药化肥，导致重金属污染、土壤板结等土地问题，严重破坏土地生态功能，对生态用地产生负面影响。

（3）工业发展指向

作为全国工业化城镇化的引领地区，近年来安徽省产业结构不断升级，矿产资源开采、钢铁冶炼、机械制造等工业飞速发展，经济增长幅度明显，但也导致建设用地扩张侵占生态用地，同时造成环境污染、水资源破坏、水土流失等生态问题。因此，合理调整产业结构，严格管控工业污染对稳定生态用地、保护生态环境、平衡生态系统具有重要意义。

4 结论与讨论

4.1 结论

基于省域维度，从空间分析角度出发，采用土地利用转移矩阵、土地动态度、重心转移模型和地理探测器模型等方法，分析2000-2015年安徽省生态用地的时空格局演变，并进一步探究其驱动因素，主要结论如下：

（1）2000-2015 年生态用地持续减少、变化幅度逐渐增大且结构转化极不平衡。具体表现为耕地、草地和林地面积不断减少，水域和其他生态用地面积有所增长；生态用地变化剧烈程度不断加剧，各类生态用地变化速度依次为：其他生态用地＞耕地＞水域＞草地＞林地；生态用地主要向建设用地转化，非生态用地的转移去向主要是耕地和水域，但生态用地向非生态用地转化是非生态用地向生态用地转化的13 倍。

（2）2000-2015年生态用地变化具有显著空间差异性，但总体生态用地重心较稳定。生态用地变化呈现“北多南少中集中”的格局，其中以建设用地侵占耕地最为明显；各类生态用地重心主要分布在安徽省中部，其他地区分布较少，期间主要在南北方向有所移动，但总体分布格局较均衡。

（3）安徽省生态用地演变以产业驱动和人口驱动为主。生态用地演变受自然因素和社会经济因素的综合影响，但社会经济因素对生态用地演变的解释力远高于自然因素，解释力最高的3 个因素为一产占GDP 比重变化率、二产占GDP 变化率和人口密度变化率。大部分驱动因素交互作用后因子决定力大于0.7，驱动因素交互作用后均为增强关系，其中仍以产业结构与人口因素的交互作用决定力为首。

4.2 讨论

随着经济发展与城镇化进程不断提速，生态保护空间与城乡建设空间博弈失衡。在明确生态用地演变规律与驱动力的基础上，必须统筹永久基本农田保护红线、生态保护红线和城镇开发边界三条控制线划定，以资源环境承载能力评价和国土空间开发适宜性评价为基础合理进行国土空间用途管制，并完善自然资源有偿使用、生态补偿与修复、区域协调联动等方面的保障机制，制定产业投资、人口流动与资源配置等配套政策。同时，建立健全生态用地管理法律体系和全国生态用地监管网络，提高土地生态系统监测能力，为自然资源综合管理提供依据，实现对经济社会可持续发展的生态支撑作用。

本文生态用地内涵和类别划分主要是在总结已有研究基础上借鉴其相关分类成果，但生态用地分类目前争议较多，有待进一步探究；此外，生态用地演变驱动机制复杂，除社会经济因素和自然环境因素外，政策规划同样对生态用地变化有重要作用，但由于政策规划类因素定量化与空间化技术方法的局限性，短期难以量化界定其影响程度和范围。随着理论方法和量化数据的日益完善，在未来研究中，需积极探索政策规划、法律等相关因子对生态用地演变的作用机理，进一步完善驱动机制的指标体系，为生态管制措施制定和国土生态安全保障等方面提供更加科学的决策支撑。