黄河下游河滩地和水域土地功能变化及其驱动因素分析

马志峰，蒋思奇，赵 利

（1.华北水利水电大学 水利学院，河南 郑州 450046；2.黄河水利委员会 黄河水利科学研究院，河南 郑州 450003；3.河南黄河河务局 焦作黄河河务局，河南 焦作 454000）

土地资源的合理规划对城市建设和经济社会发展起着至关重要的作用［1］，而土地利用情况反映了人类活动对自然资源的影响［2－3］。人类生产生活方式的改变造成土地利用格局的演变，进而对局部地区生态平衡造成影响。现阶段，土地利用系统研究已逐渐从关注土地利用变化转变为关注土地功能变化［4－5］，土地功能反映了土地利用系统提供产品和服务的能力［6］。土地功能涉及的生态系统直接或间接影响人类的生产生活环境，因此研究土地功能是实现区域资源与经济可持续发展的基础［7］。

黄河是中华民族的母亲河，黄河在我国经济社会发展和生态安全方面具有十分重要的地位，黄河流域生态保护和高质量发展需要结构合理的土地利用格局来支撑［8］。廖慧等［9］研究表明，1980—2015年草地、旱地和林地是黄河流域最具优势的土地利用类型，土地利用类型变化集中在黄河流域中部和东部，其中草地和旱地土地利用类型的转移最为突出。陈舒鹏等［10］研究表明，黄河下游宽河段沿岸县域范围内，旱地和农村居民地两种土地利用类型最具优势，占比达80%。刘希朝等［11］研究表明，黄河流域近20 a间，各类型土地利用变化以建设用地面积增加最为明显，且草地和耕地面积占比最大。张鹏岩等［12］研究发现，河南黄沙滩区耕地是土地利用变化的主体，城市扩张导致耕地面积呈明显下降趋势。岳瑜素等［13］研究表明，濮阳市黄河滩区各土地利用类型中耕地面积占优，过去几十年间未利用地、林地和水域主要被开发为耕地和建设用地，土地利用类型逐渐趋于单一。土地利用系统的产品和服务是土地功能的具体体现，土地功能是土地的固有属性。因此，认识和掌握土地功能，探索土地功能时空变化影响因素，对于实现土地资源可持续利用意义重大［14］。近年来，土地功能研究已成为社会关注的热点，但是基于黄河流域的研究主要集中在土地利用变化方面，对引起黄河流域土地功能变化的驱动因素研究较少。本文聚焦于黄河下游河道，分析各类型土地功能时空变化特征，从自然系统、社会系统、经济系统选取年均气温X1、年均降水量X2、土壤类型X3、人口空间分布X4、GDPX5、夜间灯光亮度X6、距公路距离X7、距河道距离X8、距铁路距离X9等共9个影响因素，利用地理探测器研究其对黄河下游河道土地功能变化的影响强度以及交互作用机制，以期为黄河下游河道治理提供参考。

1 数据来源与土地功能分类

研究对象为黄河下游桃花峪大桥至陶城铺，区域面积约3 137.73 km2。研究区地处华北平原，属暖温带半湿润气候区，四季分明，降水量较为集中，年均气温为12.0～14.8℃［14］。土壤主要有褐土、潮土、盐碱土等。黄河下游河道滨临黄河主河槽，具有行洪、滞洪、沉沙等功能，研究区包括河南、山东两省下辖的20个县级行政区，受“二级悬河”、漫滩洪水及生产环境和生产条件制约，研究区社会经济发展不均衡。

1.1 数据来源

研究数据主要包括1980年、1990年、1995年、2000年、2005年、2010年、2015年、2020年8期中国土地利用遥感监测数据、社会经济数据、道路数据、全球夜间灯光数据（2000年之前数据缺失）、土壤数据，以上数据均来源于中国科学院资源环境科学与数据中心（http：／／www.resdc.cn／）。采用离散化分析的方法，结合研究区实际情况，将年均气温、年均降水量、人口空间分布、GDP和夜间灯光亮度数据利用自然间断法分为6类，与公路、河道、铁路距离采用自然间断法分为2类，土壤类型参照《1∶100万中华人民共和国土壤图》分为9类。借用GIS软件，将黄河下游河道划分为100 m×100 m的网格，共计3 155个网格。

1.2 土地功能分类

2 研究方法

地理探测器是一种探测空间分异性、揭示研究对象驱动力的统计学方法，可以度量自变量对因变量的解释度，即q值［16］，包括因子探测及交互探测两方面。若假设性检验p值为0.01～0.1，则自变量与因变量之间存在相关性，且p值越接近0.1相关性越强。

（1）因子探测。因子探测可以揭示因变量土地利用变化Y的空间分异特征，以及因子X对因变量Y空间分异性的解释程度，公式为

式中：q为因子X对土地利用变化空间分异性的解释程度，取值范围为［0～1］，q值越大，说明该因子对土地利用变化的影响越大；L为因子X分区或分类数目；Nh和N分别为因子X第h类的样本数和区域中样本总数；σh和σ分别为因子X第h类的方差和区域总方差；SSW、SST分别为层内（同一类样本）样本间方差之和、全区域（全区域样本）样本间总方差。

（2）交互探测。交互探测可以判别因子Xi和Xj共同作用相对单因子作用时解释力的差异。计算因子Xi、Xj对于Y的解释力q（Xi）、q（Xj），以及计算因子交互作用时的解释力q（Xi∩Xj），并比较q（Xi）、q（Xj）、q（Xi∩Xj），分析两因子之间的交互作用类型，具体类型见表1。

表1 地理探测器自变量交互作用类型

3 结果与分析

3.1 土地功能时空变化

1980—2020年黄河下游河道四大功能用地空间分布见图1。经济功能用地所占面积最大，沿河道呈带状分布；其次是水沙功能用地，主要分布在河道主河槽；生态功能用地所占比例最小，分布在研究区南部和东北部；社会功能用地在研究区各区域均有分布，不同时期土地功能用地空间分布变化不明显。与1980年相比，2000年经济功能用地面积在研究区西南部明显增加，水沙功能用地则减少。

图1 1980—2000年黄河下游河道土地功能用地空间分布

1980—2020年黄河下游河道四大功能用地面积及占比见图2。1980—2000年黄河下游河道各功能用地面积变化强度由大到小依次为：经济功能用地＞水沙功能用地＞生态功能用地＞社会功能用地。经济功能用地面积由1980年的1 829.43 km2增加到2000年的2 372.54 km2，2000年面积占比最大，为75.61%，可见在这20 a间经济功能用地扩张。水沙功能用地面积由1980年的815.32 km2减少到2000年的302.33 km2，2000年水沙功能用地面积占比最小，为9.64%，说明这20 a水沙功能用地处于紧缩状态。生态功能用地面积从1980年的158.94 km2减少到2000年的120.38，总体上减少了38.56 km2，其中1990—1995年减少幅度最大，减少了35.11 km2。主要原因是，20世纪90年代，国家加强了黄河下游河道整治工作，采取了一系列河道整治工程措施并改建和扩建了之前不合理的工程，有效改善了黄河下游河道摇摆不定、河势多变的情况。2000—2020年，水沙功能用地面积呈缓慢增加趋势；经济和生态功能用地面积波动减少，但总体趋于稳定；社会功能用地在研究期内处于相对稳定状态，总体上变化幅度较小。进入21世纪，河道整治已初显成效，河势得到初步控制，加之小浪底水库投入使用，黄河下游水沙条件得到改善，河道逐步趋于稳定。

图2 1980—2020年黄河下游河道各类型功能用地面积及占比

3.2 驱动因素分析

1980—2020年黄河下游河道各土地利用类型均发生不同程度的变化，根据研究区地形、地理位置、经济发展和社会稳定等实际情况，并考虑数据的可获得性，从自然系统、社会系统、经济系统选取9个影响因素，分析黄河下游河道土地利用类型变化的驱动机制。

（1）单因子探测结果。各因子探测q值反映了相应影响因素对黄河下游河道土地利用类型变化的解释力，各年份单因子探测结果见图3。

图3 1980—2000年地理探测器单因子探测结果

1980年各影响因素中土壤类型的解释力居首位，表明土壤类型是促进研究区各类型功能用地变化的主要驱动力。人口空间分布、GDP、年均气温的q值分别为0.09、0.07、0.06，均超过0.05且假设性检验结果显著，表明人口流动程度和经济发展水平对土地功能变化具有重要驱动作用。此外，年均降水量、距河道距离、距铁路距离3个影响因素的假设性检验结果均显著但解释力较弱。

(2)校友资源具有联系密切性的特点。每一个从母校毕业的校友他们分布在各地但是同时又和母校有着密切的联系，时刻关注母校的发展。他们借助于校友会、二级院系的教师在定期或不定期联系，他们在母校举办聚会、为母校捐赠书籍、在母校招聘人才、在母校设立校友奖学金等等。

2000年土壤类型的解释力仍然最大，q值为0.03且通过了5%水平的显著性检验。人口空间分布、年均气温、GDP的解释力q值分别为0.02、0.02、0.18，假设性检验结果均显著。肥沃的土壤和适宜的气温条件有利用农业生产，自然和社会因素是促进黄河下游河道土地功能变化的重要驱动力。此外，年均降水量、夜间灯光亮度、距公路距离、距铁路距离均未通过10%水平的显著性检验。

2010年土壤类型的解释力仍居首位，其q值提升至0.07，人口空间分布、年均气温、距河道距离q值分别为0.05、0.02、0.02，且假设性检验结果均显著，表明土壤类型是土地功能变化的主要驱动力，人口流动对土地功能变化的影响增大，同时随着黄河下游河道的治理，距河道的距离逐渐成为土地功能变化的重要影响因素。GDP、年均降水量、距公路距离分别通过了1%、5%、10%水平的显著性检验，但解释力较小。

2020年对研究区土地功能变化的解释力前4位为土壤类型、人口空间分布、距河道距离、年均气温，其解释力分别为0.07、0.03、0.02、0.01，且假设性检验结果均显著。表明随着黄河下游河道的治理，河道堤防加固很好保障了两岸人民的生产生活，近河道区域人类生产活动日益频繁，成为黄河下游河道土地功能变化的重要驱动力。GDP、夜间灯光亮度、距公路距离均通过5%水平的显著性检验，但解释力较小。

整体上，1980—2020年各影响因素中土壤类型的影响力一直居首位，其q值除2000年外均超过0.05，适宜的土壤类型对农民耕种以及作物产量都起着积极作用；其次是人口空间分布，研究区人口流动及人口规模对土地功能时空分异也具有重要驱动作用。

（2）交互探测结果。各影响因素交互探测结果见图4。1980年，土壤类型∩年均气温、土壤类型∩人口空间分布交互影响较强，q值分别为0.232、0.206；人口空间分布∩GDP、土壤类型∩GDP、年均气温∩GDP、年均降水量∩土壤类型q值分别为0.179、0.164、0.150、0.162，表明自然地理条件与社会因素、经济发展水平的协同作用有助于促进土地功能变化。2000年，年均气温∩GDP、年均气温∩土壤类型、年均气温∩人口空间分布、土壤类型∩人口空间分布交互影响较强，q值分别为0.066、0.063、0.061、0.063；年均降水量∩人口空间分布、土壤类型∩GDP交互影响q值分别为0.055、0.052，表明这一时期自然地理条件与人口流动的协同作用是该区域土地功能变化的主要驱动力。2010年，土壤类型∩年均气温、土壤类型∩人口空间分布交互影响较强，q值分别为0.104、0.099；土壤类型∩年均降水量、土壤类型∩GDP、人口空间分布∩GDP交互影响q值分别为0.081、0.088、0.084，表明该时期土壤类型与其他影响因素的协同作用对促进土地功能变化起着至关重要的作用。2020年，土壤类型∩年均气温、土壤类型∩GDP、土壤类型∩年均降水量、土壤类型∩人口空间分布交互影响较强，q值分别为0.094、0.089、0.089、0.086；土壤类型与夜间灯光亮度及距公路、河道、铁路距离交互作用q值均不小于0.075，表明近几年经济系统与其他系统的协同作用对研究区土地功能变化起重要作用。

图4 1980—2020年地理探测器交互探测结果

依据表1判别标准，研究期各驱动因素两两交互呈现双因子增强或非线性增强作用，说明土地功能变化是各影响因素交互作用的结果。

4 结 语

（1）研究区经济与水沙功能用地面积最大，分布范围最广，前者沿河道呈带状分布，后者沿河道分布。水沙功能用地面积呈急剧减少、缓慢增加、稳定的变化趋势，经济功能用地面积总体表现为剧烈增加、微弱增加、稳定的态势。

（2）黄河下游河滩地和水域变化受自然环境、社会环境和经济发展水平等共同影响，土壤类型、人口空间分布、GDP、年均气温、距河道距离是影响研究区土地功能变化的重要驱动因素，各驱动因素间的交互作用对土地功能变化时空分异呈现双因子增强和非线性增强。未来黄河下游河道治理中，应重点关注土壤类型以及人口空间分布的合理性。