郑州市生境质量时空演变评价及其影响因素分析

陈旭宗，王萍，王姝逸

（1.长江大学经济与管理学院，湖北 荆州 434023；2.天津市农业发展服务中心，天津 300202）

随着城市化进程不断加快，全球范围内出现了大规模和快速的生境质量退化现象，这对生态系统中的生物多样性构成了严重的威胁。生境质量是指一个特定的农业生态系统或环境能够提供适合特定种群或生物群落生存和繁殖的物理、化学和生物学功能的现状和发展水平，它是反映区域内生物多样性状况的一个重要指标[1]。生境质量不仅关系到人类的福祉，而且受到人类活动和土地利用变化的显著影响，因此也是衡量生境质量变化风险的一个关键因素。在这样的背景下，基于土地利用对生境质量变化进行研究，可以为区域内的生物多样性保护和可持续发展提供科学依据和决策支持。

目前，对于生境质量评估的研究方法主要分为两大类：一类是基于指标体系的评价方法，如杨建强等[2]利用实地调研数据构建了莱州湾生境质量评价指标体系，并对其进行了定量分析；另一类是基于模型模拟的评价方法，如刘汉仪等[3]运用InVEST（Integrated Valuation of Ecosystem Services and Tradeoffs）农业生态系统服务模型，对粤港澳大湾区的生境质量进行了时空演变特征分析。其中，InVEST 模型由于其数据获取方便、结果可视化效果好、评估精度高等优点，已经被广泛应用于自然保护区、流域、省域、市域等不同尺度的生境质量评估研究中。

郑州市是中原地区的中心城市和河南省的省会城市，拥有丰富的生物多样性资源，但同时也面临着城市发展与农业生态环境保护之间的矛盾和冲突。为了深入了解郑州市的生境质量及其变化趋势，本研究采用InVEST 模型中的Habitat Quality 模块，利用最新的土地利用数据，结合郑州市近年来的土地利用变化特征，综合考虑了多种威胁因子对生境质量的影响程度和敏感性，从时空两个维度对郑州市生境质量的演变特征进行了详细分析，并探讨了影响生境质量变化的主要驱动因素，从而得出了一些有价值的结论和建议。本研究既可以为郑州市在区域农业生态环境保护与发展之间做出合理权衡，并提供理论支持和政策参考，以促进高质量生态宜居城市的建设，也可以为其他类似区域开展生境质量评估提供借鉴。

1 材料与方法

1.1 研究数据材料

本研究选取2018 年、2020 年、2022 年共3 期的郑州市土地利用数据，该数据来源于Esri 联合Impact Observatory 以及Microsoft 基于哨兵2 卫星数据进行分类和处理得到，具有较高的精度和可信度。土地利用数据分为六大类：耕地、林地、草地、水域、建设用地和其他用地。除了土地利用数据外，本研究还选取了郑州市的可侵蚀因子数据，该数据来源于中国土壤侵蚀数据库，反映了土壤侵蚀的程度和强度。图1 展示了本研究所用的数据示意图。

图1 土地利用因子数据集

1.2 研究方法

本研究采用了InVEST 模型中的Habitat Quality模块来评估郑州市的生境质量。InVEST 模型是一个开源的生态系统服务评估工具，由美国自然保护协会（The Nature Conservancy）等机构开发，可以根据不同的生态系统服务类型选择不同的模块进行评估[4]。Habitat Quality 模块是InVEST 模型中评估生境质量的一个子模块，它基于土地利用类型、威胁因子和敏感性系数等参数来计算生境质量指数（HQI），该指数反映了一个特定区域内生物多样性和生态系统健康状况的相对程度[5]。

Habitat Quality 模块的核心公式如下：

式中，HQI为生境质量指数，为土地利用类型对应的自然状态系数；Di为第i个威胁因子对应的衰减系数；Bi为第i个威胁因子对应的敏感性系数；n为威胁因子的总数。

本研究根据郑州市的实际情况，选取了以下5 种威胁因子：建筑群、铁路、路网、湖泊和河道。这些威胁因子都是人类活动对生境质量造成影响的主要来源，它们会导致生境破碎化、退化和丧失等问题。每种威胁因子都有一个衰减系数和一个敏感性系数。衰减系数表示威胁因子对生境质量影响随着距离的增加而递减的程度，敏感性系数表示不同土地利用类型对不同威胁因子的响应程度。本研究参考了InVEST 模型用户手册和相关文献[6-9]，给出了各种威胁因子和土地利用类型的衰减系数和敏感性系数，如表1 所示。

根据上述公式和参数，本研究利用ArcGIS 软件对2018 年、2020 年和2022 年3 期的郑州市土地利用数据进行了空间分析，并得到了相应期间的郑州市生境质量分布图。

2 结果与分析

2.1 生境质量评估结果

2.1.1 生境质量分布 图2 展示了2018 年、2020年和2022 年3 期的郑州市生境质量分布图。从图2可以看出，郑州市的生境质量呈现出由中心向外围递减的空间分布特征，即中心城区的生境质量最低，郊区的生境质量较高，远郊区的生境质量最高。这与郑州市的城市化进程和土地利用变化有关，中心城区由于人口密度高、建设用地多、人类活动强，导致生境质量受到严重影响；而远郊区由于人口密度低、自然用地多、人类活动弱，生境质量相对保持较好水平。

图2 郑州市2018 年、2020 年和2022 年生境质量分布图

2.1.2 生境质量统计 为了更清楚地了解郑州市生境质量的变化情况，本研究对各土地利用类型的生境质量进行了统计分析，结果如表2 所示。郑州市的整体生境质量处于中等偏上水平，2018—2022 年呈现出波动下降的趋势。其中，林地、草地和水域的生境质量较高，分别为0.77、0.72 和0.71，而建设用地和其他用地的生境质量较低，分别为0.41 和0.45。耕地的生境质量介于二者之间，为0.58。这与各土地利用类型的自然状态系数和敏感性系数有关，自然用地的自然状态系数和敏感性系数都较高，因此其生境质量也较高；而人工用地的自然状态系数和敏感性系数都较低，因此其生境质量也较低。

表2 郑州市不同土地利用类型的生境质量统计

2.2 生境质量时空演变特征

2.2.1 空间演变特征 为了探究郑州市生境质量的空间演变特征，本研究采用了空间自相关分析方法，计算了2018 年、2020 年和2022 年3 期的郑州市生境质量的全局Moran's I 指数和局部Moran's I 指数。Moran's I 指数是一种反映空间数据分布特征的指标，其值范围在-1 到1 之间，当Moran's I 指数接近1 时，表示空间数据呈现出正相关性，即相似值聚集在一起；当Moran's I 指数接近-1 时，表示空间数据呈现出负相关性，即相异值聚集在一起；当Moran's I指数接近0 时，表示空间数据呈现出随机性[10]。全局Moran's I 指数反映了整个研究区域内空间数据的整体分布特征；而局部Moran's I 指数反映了每个单元格内空间数据与其邻近单元格内空间数据之间的相对关系[11]。

表3 展示了2018 年、2020 年和2022 年3 期的郑州市生境质量的全局Moran's I 指数。从表3 可以看出，郑州市生境质量的全局Moran's I 指数均大于0，并且通过了显著性检验（P<0.01），说明郑州市生境质量具有显著的正空间相关性，即高值区域与高值区域相邻，低值区域与低值区域相邻。同时，郑州市生境质量的全局Moran's I 指数在2018—2022 年期间呈现出逐渐增大的趋势，说明郑州市生境质量的空间聚集程度在不断加强。

表3 2018 年、2020 年和2022 年郑州市生境质量的全局莫兰I 指数

图3 展示了2018 年、2020 年和2022 年三期的郑州市生境质量的局部Moran's I 指数分布图。从图3 可以看出，郑州市生境质量的局部Moran's I 指数呈现出由西北向东南递减的空间差异特征，即西北部的高—高聚集区域和低—低聚集区域较多，而东南部的高—低聚集区域和低—高聚集区域较少[12]。这与郑州市的经济发展水平和土地利用结构有关，西北部的经济发展水平较低，土地利用以农业为主，因此生境质量较高或较低的区域相对稳定；而东南部的经济发展水平较高，土地利用以城市化为主，因此生境质量较高或较低的区域相对动态。

图3 2018 年、2020 年和2022 年郑州市生境质量Moran's I 指数分布图

2.2.2 时间演变特征 为了探究郑州市生境质量的时间演变特征，本研究采用了生境质量变化率（HQCR）指标，计算了2018—2020 年和2020—2022年2 个时段的郑州市生境质量变化率。生境质量变化率是指2 个时段之间生境质量指数的相对变化幅度，其计算公式如下：

式中，HQCR为生境质量变化率；HQIt1为第1 个时段的生境质量指数；HQIt2为第2 个时段的生境质量指数。

表4 展示了2018—2020 年和2020—2022 年2个时段的郑州市生境质量变化率统计结果。从表4可以看出，郑州市的整体生境质量在2018—2020 年和2020—2022 年2 个时段都呈现出负增长，分别为-0.02 和-0.03，说明郑州市的生境质量在不断下降[13]。其中，建设用地、其他用地和耕地的生境质量变化率均为负值，分别为-0.05、-0.04 和-0.03，而林地、草地和水域的生境质量变化率均为正值，分别为0.01、0.02 和0.03。这说明郑州市的人工用地对生境质量的影响较大，而自然用地对生境质量的影响较小。

表4 郑州市2018—2020 年和2020—2022 年不同土地利用类型的生境质量变化率统计

图4 展示了2018—2020 年和2020—2022 年2个时段的郑州市生境质量变化率分布图。从图4 可以看出，郑州市生境质量变化率呈现出由中心向外围递增的空间分布特征，即中心城区的生境质量变化率最低，郊区的生境质量变化率较高，远郊区的生境质量变化率最高[14]。这与郑州市的土地利用变化有关，中心城区由于城市化扩张、土地开发、建筑施工等人类活动导致生境质量下降较快；而远郊区由于自然保护、土地恢复、植被增加等自然因素导致生境质量上升较快。

图4 郑州市2018—2020 年和2020—2022 年生境质量变化率分布图

3 结论和建议

本研究运用InVEST 模型中的Habitat Quality模块，基于2018 年、2020 年和2022 年3 期的郑州市土地利用数据，分析了郑州市的生境质量及其变化情况，并探讨了影响生境质量变化的主要因素。同时，本研究还对郑州市生境质量的空间分布特征和时间变化趋势进行了深入的分析，揭示了郑州市在城市化进程中面临的生态环境问题和挑战。本研究的主要发现和结论如下：

（1）郑州市的整体生境质量处于中等偏上水平并且有下滑的趋势，主要受到城市化进程加速、土地开发、建筑施工、耕地转建设用地等人类活动的影响。这些活动导致了土地利用类型和结构的变化，破坏了生态系统的完整性和稳定性，降低了生物多样性和生态服务功能。这一结果与其他研究相一致[15]，表明了城市化对生境质量的负面影响。本研究还发现，郑州市不同土地利用类型之间的生境质量存在显著差异，其中林地、草地、水域等自然生态系统具有较高的生境质量，而建设用地、裸地等人工系统具有较低的生境质量。因此，保护和恢复自然生态系统是提高郑州市整体生境质量的重要途径。

（2）郑州市生境质量呈现出由中心向外围递减的空间分布特征，以及由西北向东南递减的空间差异特征。这一结果反映了郑州市不同区域之间的发展不平衡，以及不同区域内部的空间异质性。一般来说，郑州市中心区域受到人类活动的干扰最大，生境质量最低；而郑州市外围区域受到自然条件和保护政策的影响较大，生境质量较高。此外，郑州市西北部区域由于地形复杂、气候干旱、土壤侵蚀等因素，生境质量较低；而郑州市东南部区域由于水资源丰富、植被覆盖率高、农业活动较少等因素，生境质量较高。本研究还发现，郑州市各区域之间的生境质量差异在不断扩大，表明了城乡二元结构和区域发展不协调的问题。

（3）在时间上，郑州市生境质量呈现出波动下降的趋势，主要受到经济发展、产业结构转型、能源消耗增加、非法采矿等因素的影响。这些因素导致了郑州市环境压力的增加，以及生态系统服务供给和需求之间的失衡。尤其是在2020—2022 年，由于新冠疫情的影响，郑州市采取了一系列应对措施，包括加快基础设施建设、扩大公共卫生投入、促进数字经济发展等，这些措施虽然有利于经济恢复和社会稳定，但也加剧了对生态环境的压力和破坏。本研究还发现，郑州市各土地利用类型的生境质量变化存在差异，其中建设用地、裸地等人工系统的生境质量下降最快，而林地、草地等自然系统的生境质量下降较缓。因此，平衡经济发展和生态保护是提高郑州市生境质量的关键因素。

基于上述分析，本研究认为郑州市在城市化进程中面临着农业生态环境保护与发展之间的较大冲突。为了建设高质量生态宜居城市，本研究提出以下建议：

（1）加强土地利用规划和管理，优化土地利用结构和布局，控制城市扩张速度和范围，保护耕地资源和生态敏感区，提高土地利用效率和生态效益。具体而言，应制定科学合理的土地利用总体规划和详细规划，明确各类土地利用的功能定位、空间范围、数量规模和发展方向；应实施严格的耕地保护制度和最低耕地红线制度，限制耕地转建设用地的数量和范围；应实施差别化的土地管理政策，根据不同土地利用类型的生态价值和环境敏感性，制定相应的开发强度、建设标准和保护措施；应实施高效节约的土地利用政策，提倡集约化、多功能化、智能化的土地利用方式，提高土地利用的经济效益和社会效益。

（2）推进绿色低碳发展，转变经济增长方式和产业结构，减少能源消耗和排放强度，发展清洁能源和循环经济，提升环境质量和生态安全。具体而言，应坚持以人为本、创新驱动、协调发展、绿色发展、开放发展、共享发展的新发展理念，构建现代化经济体系；应加快产业结构调整和优化升级，培育壮大新兴产业、战略性新兴产业、现代服务业等高附加值产业；应加强能源管理和节能减排工作，推广使用太阳能、风能、生物质能等清洁能源，提高能源利用效率和清洁程度；应倡导循环经济理念和模式，实现资源的有效利用和再利用，减少废弃物的产生和排放。

（3）加大生态修复和保护力度，恢复和增加生态系统的自然资本，提高生物多样性和生态服务功能，建立健全生态补偿和激励机制，促进人与自然和谐共生。具体而言，应加强对郑州市重点生态功能区、重要生态敏感区、重要生物多样性保护区等区域的生态修复和保护工作，恢复和改善受损或退化的生态系统，增加和优化生态空间和绿色基础设施；应采取有效措施，保护和增加郑州市的野生动植物资源，维持和提高生物多样性水平，防止物种灭绝和基因流失；应建立健全生态补偿和激励机制，合理分配生态成本和收益，鼓励和支持各类主体参与生态保护和建设，形成共建共治共享的良好氛围。