干旱绿洲农业区土地利用转型生态环境效应及分异机制——基于三生空间主导功能判别视角

doi:10.18306/dlkxjz.2022.11.005

地理科学进展 ›› 2022, Vol. 41 ›› Issue (11): 2044-2060.doi: 10.18306/dlkxjz.2022.11.005

干旱绿洲农业区土地利用转型生态环境效应及分异机制——基于三生空间主导功能判别视角

黄晶¹(), 薛东前¹^,^*(), 董朝阳¹, 王传胜², 张翀³, 马蓓蓓¹, 宋永永¹

1.陕西师范大学地理科学与旅游学院，西安 710119
2.中国科学院地理科学与资源研究所，北京 100101
3.宝鸡文理学院，陕西省灾害监测与机理模拟重点实验室，陕西宝鸡 721013

收稿日期:2022-04-10 修回日期:2022-06-09 出版日期:2022-11-28 发布日期:2023-01-28
通讯作者: *薛东前(1965— )，男，内蒙古包头人，教授，博士生导师，主要从事城市与区域发展、村镇承载力与乡村振兴研究。E-mail: xuedq@snnu.edu.cn
作者简介:黄晶(1989— )，女，陕西安康人，博士生，主要从事村镇承载力与乡村振兴研究。E-mail: 919124323@qq.com
基金资助:
国家重点研发计划项目(2018YFD1100101);国家自然科学基金项目(42071214);中央高校基本科研业务费(GK202103139)

Eco-environmental effects and spatial differentiation mechanism of land use transition in agricultural areas of arid oasis: A perspective based on the dominant function of production-living-ecological spaces

HUANG Jing¹(), XUE Dongqian¹^,^*(), DONG Chaoyang¹, WANG Chuansheng², ZHANG Chong³, MA Beibei¹, SONG Yongyong¹

1. School of Geography and Tourism, Shaanxi Normal University, Xi'an 710119, China
2. Institute of Geographic Sciences and Natural Resources Research, CAS, Beijing 100101, China
3. Shaanxi Key Laboratory of Disaster Monitoring and Mechanism Modeling, Baoji University of Arts and Sciences, Baoji 721013, Shaanxi, China

Received:2022-04-10 Revised:2022-06-09 Online:2022-11-28 Published:2023-01-28
Supported by:
National Key Research and Development Program of China(2018YFD1100101);National Natural Science Foundation of China(42071214);Fundamental Research Funds for the Central Universities of China(GK202103139)

摘要/Abstract

摘要：

干旱绿洲农业区生态环境脆弱，开展土地利用转型生态环境效应研究能为该区国土空间优化和农业农村可持续发展提供参考依据。论文以张掖市甘州区为例，采用转移矩阵、生态环境质量指数、移动窗口法、生态贡献率及地理探测器模型，对干旱绿洲农业区土地利用转型生态环境效应及分异机制进行研究。结果表明：① 1990—2020年生产和生活空间持续扩张、生态空间总体减少，结构从“单一农业空间增加”向“转换类型多元化”转变，功能由“生态转生产为主”向“生产与生活、生态与生产多功能相互转换”演变。② 1990—2020年土地利用转型生态环境效应总体为正，耕地面积占比较大的村镇质量指数相对较高；其他生态空间向林草水生态、农业生产空间转型的生态正效应最大，林草水生态空间向其他生态、农业生产空间转型的生态负效应最大，2010—2020年农业生产空间过度扩张挤压林草水生态空间引起的生态环境负效应正在显现。③ 人口密度、地均GDP和植被覆盖度是生态环境质量分异的关键因子，降水量、土地开发强度、耕地面积占比和地均水资源量是核心因子；因子交互作用使农业生产空间增加和林草水生态空间压缩权衡博弈产生自适应稳态机制，从而形成了总体偏低的生态环境质量格局；村镇在面对干扰冲击时的自组织、适应性和转型能力不同，导致经济发展和土地利用方式不同，进而塑造了村镇分异的生态环境质量格局。

关键词: 三生空间, 转型格局, 生态环境质量, 分异机制, 张掖市甘州区

Abstract:

The ecological environment in arid oasis agricultural areas is fragile. The study on the eco-environmental effect of land use transformation can provide a reference for the optimization of territorial space and the sustainable development of agriculture and rural areas in these regions. Taking Ganzhou District of Zhangye City as an example, the eco-environmental effect and spatial differentiation mechanism of land use transformation in arid oasis agricultural areas were studied by using transfer matrix, eco-environmental quality index, moving window method, ecological contribution rate, and geographical detector model. The results show that: 1) From 1990 to 2020, the production and living spaces continued to expand, the ecological space decreased in general, the land use structure changed from monotonic increase of agricultural space to diversified transformation types, and the functions changed from "ecological transformation to production" to "two-way transformations between production and living, ecological, and production". 2) From 1990 to 2020, the eco-environmental effect of land use transformation was generally positive, and the quality index of villages and towns with large cultivated land area was relatively high. The transformation from other ecological space to forest, grassland, and water areas and agricultural production space has the largest positive ecological effect, and the transformation from forest, grassland and water ecological spaces to other ecological and agricultural production spaces has the largest negative ecological effect. In recent 10 years, the negative ecological effect caused by the excessive expansion of agricultural production space into the forest, grassland, and water ecological spaces is emerging. 3) Population density, per capita GDP, and vegetation coverage are the key factors for the differentiation of eco-environmental quality, while precipitation, land development intensity, proportion of cultivated land area, and per capita water resources are the core factors. The interaction of the factors leading to the trade-off game between the increase of agricultural production space and the compression of forest, grassland, and water ecological spaces produces an adaptive steady-state mechanism, thus forming an overall low eco-environmental quality pattern. The different self-organization, adaptation, and transformation abilities of villages and towns in the face of external interferences lead to different economic development and land use modes, and then shape the differentiated eco-environmental quality pattern of villages and towns.

Key words: production-living-ecological spaces, transformation pattern, eco-environmental quality, differentiation mechanism, Ganzhou District of Zhangye City

黄晶, 薛东前, 董朝阳, 王传胜, 张翀, 马蓓蓓, 宋永永. 干旱绿洲农业区土地利用转型生态环境效应及分异机制——基于三生空间主导功能判别视角[J]. 地理科学进展, 2022, 41(11): 2044-2060.

HUANG Jing, XUE Dongqian, DONG Chaoyang, WANG Chuansheng, ZHANG Chong, MA Beibei, SONG Yongyong. Eco-environmental effects and spatial differentiation mechanism of land use transition in agricultural areas of arid oasis: A perspective based on the dominant function of production-living-ecological spaces[J]. PROGRESS IN GEOGRAPHY, 2022, 41(11): 2044-2060.

图/表 13

图1

表1

表2

地理探测器因子指标体系及数据处理方法

一级指标	二级指标	基础数据来源	数据处理或计算方法
地形因子	平均海拔(X₁)	30 m DEM数据来源于中国科学院资源环境科学数据中心(http://www.resdc.cn)	通过ArcGIS“空间分析—区域分析—按表格显示分区统计”工具，以格网ID作为区域字段提取
	地形起伏度(X₂)
	平均坡度(X₃)
气候因子	年均降水量(X₄)	1 km降水和气温数据来源于中国科学院资源环境科学数据中心(http://www.resdc.cn)
气候因子	年均气温(X₅)	1 km降水和气温数据来源于中国科学院资源环境科学数据中心(http://www.resdc.cn)
土地利用	土地开发强度(X₆)	30 m土地利用遥感监测数据来源于中国科学院资源环境科学数据中心(http://www.resdc.cn)	通过ArcGIS“空间分析—区域分析—面积制表”工具计算各类用地面积，以格网ID作为区域字段提取；然后分别计算：① 土地开发强度=格网内建设用地面积/格网面积；② 土地利用多样性指数=格网内土地利用类型数/总土地利用类型；③ 耕地面积占比=格网内耕地面积/格网面积
	土地利用多样性指数(X₇)
	耕地面积占比(X₈)
人口与经济	人口密度(X₉)	乡镇人口、GDP数据来源于《甘州区农业统计年报》	人口密度=乡镇人口/乡镇土地总面积，然后赋给同一个乡镇内的所有格网
人口与经济	地均GDP(X₁₀)	乡镇人口、GDP数据来源于《甘州区农业统计年报》	地均GDP=乡镇GDP/乡镇土地总面积，然后赋给同一个乡镇内的所有格网
水资源利用	地均可利用水资源量(X₁₁)	乡镇可利用水资源量来源于《甘州区各乡镇及部门单位2015年、2020年、2030年水资源管理控制指标》	地均可利用水资源量=乡镇可利用水资源量/乡镇土地总面积，然后赋给同一个乡镇内的所有格网
	节水灌溉面积占比(X₁₂)	乡镇节水灌溉面积数据来源于《甘州区农业统计年报》	节水灌溉面积占比=乡镇节水灌溉面积/乡镇耕地总面积，然后赋给同一个乡镇内的所有格网
	水资源利用系数(X₁₃)	乡镇水资源利用效率来源于《甘州区各乡镇及部门单位2015年、2020年、2030年水资源管理控制指标》	直接赋给同一个乡镇内的所有格网
植被覆盖	植被覆盖度(X₁₄)	30 m植被覆盖度数据来源于中国科学院资源环境科学数据中心(http://www.resdc.cn)	通过ArcGIS“空间分析—区域分析—按表格显示分区统计”工具，以格网ID作为区域字段提取

表2

图2

表3

图3

图4

图5

图6

表4

表5

表6

甘州区生态环境质量空间分异影响因子交互探测结果

序号	交互因子	q值	序号	交互因子	q值	序号	交互因子	q值	序号	交互因子	q值
1	X₄∩X₁₄（NE）	0.860	24	X₉∩X₁₂（BE）	0.667	47	X₅∩X₁₂（BE）	0.556	70	X₃∩X₁₄（BE）	0.511
2	X₃∩X₄（NE）	0.777	25	X₅∩X₁₀（BE）	0.666	48	X₅∩X₁₄（BE）	0.554	71	X₁∩X₆（BE）	0.509
3	X₄∩X₅（NE）	0.768	26	X₃∩X₁₁（NE）	0.666	49	X₆∩X₁₀（BE）	0.550	72	X₃∩X₁₂（BE）	0.505
4	X₄∩X₉（NE）	0.725	27	X₁₁∩X₁₂（NE）	0.665	50	X₇∩X₁₂（NE）	0.550	73	X₁∩X₁₄（BE）	0.501
5	X₂∩X₁₀（BE）	0.722	28	X₄∩X₁₃（NE）	0.662	51	X₂∩X₁₁（BE）	0.549	74	X₁₃∩X₁₄（BE）	0.494
6	X₁∩X₄（NE）	0.721	29	X₂∩X₄（NE）	0.661	52	X₉∩X₁₃（BE）	0.546	75	X₁₂∩X₁₄（BE）	0.487
7	X₃∩X₁₀（BE）	0.718	30	X₂∩X₁₂（NE）	0.653	53	X₈∩X₁₃（BE）	0.546	76	X₁₁∩X₁₃（BE）	0.481
8	X₁₀∩X₁₄（BE）	0.713	31	X₂∩X₇（NE）	0.650	54	X₇∩X₁₀（BE）	0.545	77	X₁₁∩X₈（BE）	0.480
9	X₄∩X₁₂（NE）	0.712	32	X₅∩X₇（NE）	0.650	55	X₁∩X₈（BE）	0.543	78	X₂∩X₅（BE）	0.479
10	X₂∩X₆（BE）	0.711	33	X₇∩X₁₄（NE）	0.649	56	X₃∩X₁₃（BE）	0.542	79	X₆∩X₇（BE）	0.468
11	X₃∩X₆（BE）	0.706	34	X₉∩X₁₃（BE）	0.649	57	X₄∩X₁₀（BE）	0.541	80	X₁∩X₇（NE）	0.466
12	X₅∩X₉（BE）	0.705	35	X₅∩X₁₁（BE）	0.648	58	X₈∩X₁₁（BE）	0.541	81	X₇∩X₁₃（BE）	0.433
13	X₉∩X₁₂（BE）	0.698	36	X₅∩X₈（BE）	0.648	59	X₁₀∩X₁₁（BE）	0.541	82	X₆∩X₁₃（BE）	0.427
14	X₆∩X₁₂（BE）	0.697	37	X₉∩X₁₀（BE）	0.632	60	X₃∩X₈（BE）	0.539	83	X₆∩X₁₁（BE）	0.423
15	X₅∩X₆（BE）	0.692	38	X₂∩X₉（BE）	0.630	61	X₁₂∩X₁₃（BE）	0.539	84	X₃∩X₅（BE）	0.421
16	X₃∩X₉（BE）	0.691	39	X₁∩X₉（BE）	0.625	62	X₂∩X₁₄（BE）	0.536	85	X₂∩X₈（BE）	0.420
17	X₉∩X₈（BE）	0.689	40	X₁∩X₁₀（BE）	0.619	63	X₁∩X₁₁（BE）	0.533	86	X₁∩X₅（BE）	0.410
18	X₆∩X₁₄（BE）	0.682	41	X₉∩X₈（NE）	0.608	64	X₇∩X₈（NE）	0.533	87	X₂∩X₃（BE）	0.404
19	X₆∩X₈（BE）	0.681	42	X₆∩X₉（BE）	0.602	65	X₇∩X₁₁（NE）	0.520	88	X₁∩X₃（BE）	0.368
20	X₃∩X₇（NE）	0.679	43	X₄∩X₁₁（NE）	0.594	66	X₈∩X₁₄（BE）	0.520	89	X₁∩X₁₃（BE）	0.347
21	X₄∩X₆（NE）	0.677	44	X₇∩X₉（BE）	0.584	67	X₂∩X₁₃（BE）	0.519	90	X₁∩X₂（BE）	0.345
22	X₉∩X₁₄（BE）	0.669	45	X₄∩X₈（NE）	0.559	68	X₁₁∩X₈（BE）	0.515	91	X₄∩X₇（BE）	0.276
23	X₁₁∩X₁₄（BE）	0.667	46	X₅∩X₁₃（BE）	0.556	69	X₁∩X₁₂（BE）	0.514

表6

图7

参考文献 40

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三生空间	主导功能	包含土地利用类型
生产空间	农业生产	水田、旱地
生产空间	工业生产	工矿等其他建设用地
生活空间	城镇生活	城镇用地
生活空间	农村生活	农村居民点用地
生态空间	林草水生态	有林地、灌木林、疏林地、其他林地
		高、中、低覆盖度草地
		河渠、湖泊、水库坑塘、永久性冰川雪地、滩涂、滩地
	其他生态	沙地、戈壁、盐碱地、沼泽地、裸土地、裸岩石质地、其他未利用地

	类型		指标	2020年							1990年转出总计/km²
				生产空间		生活空间			生态空间
							农业	工业		城镇		农村	林草水	其他
1990年	生产空间	农业	面积/km²	—	0.69	18.17	52.19		22.80	16.44	110.29
			转入率/%	—	2.90	68.81	87.00		13.86	14.56	—
			转出率/%	—	0.63	16.47	47.32		20.67	14.91	—
		工业	面积/km²	0.49	—	2.15	0.02		0.13	0.02	2.81
			转入率/%	0.14	—	8.14	0.03		0.08	0.02	—
			转出率/%	17.44	—	76.51	0.71		4.63	0.71	—
	生活空间	城镇	面积/km²	0.24	0	—	0		0.06	0	0.30
			转入率/%	0.07	0	—	0		0.03	0	—
			转出率/%	80.00	0	—	0		20.00	0	—
		农村	面积/km²	43.97	0.07	1.65	—		0.66	0.33	46.68
			转入率/%	12.51	0.29	6.26	—		0.40	0.29	—
			转出率/%	94.19	0.15	3.53	—		1.42	0.71	—
	生态空间	林草水	面积/km²	158.76	7.49	3.54	4.04		—	96.03	269.86
			转入率/%	45.17	31.39	13.41	6.74		—	85.13	—
			转出率/%	58.82	2.78	1.31	1.50		—	35.59	—
		其他	面积/km²	148.03	15.61	0.89	3.73		140.82	—	309.08
			转入率/%	42.11	65.42	3.38	6.23		85.63	—	—
			转出率/%	47.89	5.05	0.29	1.21		45.56	—	—
2020年转入总计/km²				351.49	23.86	26.40	59.98		164.47	112.82	739.02
1990—2020年增减量/km²				241.20	21.05	26.10	13.30		-105.40	-196.26	—
1990—2020年增减率/%				26.62	510.92	331.35	15.09		-10.46	-11.82	—

导致生态环境改善				导致生态环境恶化
三生空间结构转型		贡献率	占比/%	三生空间结构转型		贡献率	占比/%
1990年	2020年	贡献率	占比/%				占比/%	1990年	2020年
其他生态空间	林草水生态空间	0.01168844	50.407	林水草生态空间	其他生态空间	贡献率	-0.00797068	59.011
其他生态空间	农业生产空间	0.00958827	41.350	林水草生态空间	农业生产空间	-0.00289475	21.431
农村生活空间	农业生产空间	0.00059831	2.580	农业生产空间	其他生态空间	-0.00106501	7.885
其他生态空间	工业生产空间	0.00058609	2.528	农业生产空间	农村生活空间	-0.00071012	5.257
农业生产空间	林草水生态空间	0.00041573	1.793	林水草生态空间	工业生产空间	-0.00034058	2.521
其他生态空间	农村生活空间	0.00019096	0.824	农业生产空间	城镇生活空间	-0.00024730	1.831
其他生态空间	城镇生活空间	0.00004556	0.196	林水草生态空间	农村生活空间	-0.00012874	0.953
工业生产空间	城镇生活空间	0.00002926	0.126	林水草生态空间	城镇生活空间	-0.00011280	0.835
农村生活空间	林草水生态空间	0.00002101	0.091	农业生产空间	工业生产空间	-0.00001888	0.140
工业生产空间	农业生产空间	0.00001321	0.057	农村生活空间	其他生态空间	-0.00001666	0.123
工业生产空间	林草水生态空间	0.00000579	0.025	农村生活空间	工业生产空间	-0.00000089	0.007
城镇生活空间	农业生产空间	0.00000329	0.014	工业生产空间	其他生态空间	-0.00000070	0.005
城镇生活空间	林草水生态空间	0.00000174	0.008
工业生产空间	农村生活空间	0.00000032	0.001
总计		0.02318799	100	总计		-0.01350711	100

干旱绿洲农业区土地利用转型生态环境效应及分异机制——基于三生空间主导功能判别视角

Eco-environmental effects and spatial differentiation mechanism of land use transition in agricultural areas of arid oasis: A perspective based on the dominant function of production-living-ecological spaces

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