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近40a黄河流域国土空间格局变化特征与形成机理

本站小编 Free考研考试/2021-12-29

宋永永,1, 薛东前,1, 夏四友2, 米文宝31.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.宁夏大学地理科学与规划学院,银川 750021

Change characteristics and formation mechanism of the territorial spatial pattern in the Yellow River Basin from 1980 to 2018, China

SONG Yongyong,1, XUE Dongqian,1, XIA Siyou2, MI Wenbao31. 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. School of Geography and Planning, Ningxia University, Yinchuan 750021, China

通讯作者: 薛东前(1965-),男,内蒙古包头人,教授,博士生导师,研究方向为城市与区域发展。E-mail:xuedq@snnu.edu.cn

收稿日期:2019-12-10接受日期:2020-05-22网络出版日期:2021-05-10
基金资助:国家自然科学基金青年项目.42001251
国家重点研发计划项目.2018YFD1100101
中央高校基本科研业务费专项资金项目.GK202103139


Received:2019-12-10Accepted:2020-05-22Online:2021-05-10
作者简介 About authors
宋永永(1990-),男,甘肃平凉人,博士后,讲师,研究方向为区域地理与可持续发展。E-mail:syy2016@snnu.edu.cn






摘要
科学认知黄河流域国土空间格局变化过程与影响因素,是构建可持续国土空间开发保护格局,实现黄河流域高质量发展的迫切需要。本文采用国土空间转移矩阵、标准差椭圆和地理探测器方法,研究1980—2018年黄河流域国土空间格局变化特征与形成机理。研究表明:① 近40a黄河流域国土空间具有明显的水平地域差异和垂直梯度分异特征,生产空间持续减小,生活空间不断扩大,生态空间占绝对主体地位,但呈现波动变化态势。② 黄河流域国土空间格局变化逐渐加快,地区差异性和空间指向性更加明显。农业生产空间减小地区与林地、草地和其他生态空间增加地区具有空间协同关系。③ 年平均气温对生产空间的影响程度显著增强,海拔高度对生活空间和生态空间的约束作用逐渐增强;人口密度和固定资产投资规模对生产空间和生活空间演化影响广泛,城镇化率和生态环境保护政策对生态空间演化影响深刻。④ 黄河流域宏观的自然本底是当前国土空间开发保护格局形成的重要地理基础;城镇化、工业化及生态保护与建设政策是国土空间格局演化的关键动力,加速了黄河流域国土空间格局变化进程;各自然因子与人文因子交互作用对国土空间格局演化具有非线性增强效应和双因子增强效应。
关键词: 国土空间;三生空间;时空格局;影响因素;驱动机理;黄河流域

Abstract
Scientifically recognizing the change process and influencing factors of the territorial spatial pattern in the Yellow River Basin is an urgent need to build a sustainable territorial spatial development and protection pattern and achieve high-quality development in this area. Based on the methods of territorial spatial transfer matrix, standard deviational ellipse and geographical detector, this paper studies the change characteristics and the formation mechanism of the territorial spatial pattern of the Yellow River Basin from 1980 to 2018. The results show that: (1) In the past 40 years, the territorial space of the study area features obvious horizontal regional differences and vertical gradient differentiations; with the continuing decrease of production space and expansion of living space, the ecological space has occupied the absolute dominant position, but with a fluctuating trend. (2) The changes in the territorial spatial pattern of the basin have gradually accelerated, and regional differences and spatial orientations have become more prominent. There is spatial synergy between the areas with reduced agricultural production space and the areas with increased forest land, grassland and other ecological space. (3) The influence of annual average temperature on production space has significantly improved, and the restraining effect of altitude on living space and ecological space has gradually strengthened; the population density and the investment scale of fixed assets have wide impact on the evolution of production and living space pattern, and the urbanization rate and ecological environment protection policies have profound impact on the evolution of ecological space. (4) The natural backgrounds of the Yellow River Basin are important geographical bases for the formation of current territorial spatial development and protection pattern; the urbanization, the industrialization and the ecological protection and construction policies are the key driving forces for the change of territorial spatial patterns, which have accelerated the change process of territorial spatial pattern in the basin; the interaction of natural and human factors has significant non-linear enhancement effect and bi-factor enhancement effect on the evolution of the territorial spatial pattern.
Keywords:territorial space;production-living-ecological spaces;spatio-temporal pattern;influencing factor;driving mechanism;Yellow River Basin


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本文引用格式
宋永永, 薛东前, 夏四友, 米文宝. 近40a黄河流域国土空间格局变化特征与形成机理. 地理研究[J], 2021, 40(5): 1445-1463 doi:10.11821/dlyj020191065
SONG Yongyong, XUE Dongqian, XIA Siyou, MI Wenbao. Change characteristics and formation mechanism of the territorial spatial pattern in the Yellow River Basin from 1980 to 2018, China. Geographical Research[J], 2021, 40(5): 1445-1463 doi:10.11821/dlyj020191065


1 引言

国土空间是人类生存和发展的主阵地,也是经济社会发展的重要载体[1]。改革开放40a来,中国工业化和城镇化取得巨大成就,GDP总量由3645.2亿元增加为900309.5亿元,城镇化率由17.92%上升为59.58%[2]。然而,伴随着中国城镇化与工业化快速推进,特别是新世纪以来全球化与信息化引领的经济转型升级与社会要素的交互重组,国土空间格局、形态和生态环境正经历深刻重构[3,4]。中国发展面临空间开发失控、区域无序竞争、资源约束趋紧和生态环境破坏严重等多重挑战。加快构建“生产空间集约高效、生活空间宜居适度、生态空间山清水秀”的“三生”国土空间[5,6],已成为新时代优化国土空间开发格局、推进生态文明建设的迫切需要。作为落实生态文明战略的空间载体,科学认知国土空间的地域分异格局与形成机理是建设美丽中国亟待解决的科学命题[7],也是中国人文与经济地理学理论探索和实践研究的重点领域。

国土空间格局是人类生产建设活动与自然地理环境长期交互作用形成的地域综合体[1]。国土空间开发利用与优化配置向来是政府组织和学术界关注的重点领域,美国、英国和法国等西方发达国家都通过优化国土空间格局、加强环境保护的发展策略来应对工业化和城镇化带来的发展困境[8,9]。国外****聚焦国土空间功能评估与协调[10,11]、国土空间利用与生态系统服务价值[12]、国土空间利用的环境响应与可持续性[13,14]、国土空间多功能性的规划实践[15]等问题开展理论探索与实践研究。目前,中国的国土空间格局正经历由生产空间主导向生产-生活-生态空间协调发展转变[16],国土空间三生功能理论已成为科学认知国土在宏观尺度上空间格局的基本遵循[17,18,19,20]。近年来,关于“三生空间”的研究主要包括:三生空间的理论内涵与框架[21,22]、三生空间用地分类[23,24]、三生空间功能识别与格局演变[17,25,26]、三生空间视角下国土空间开发建设适宜性评价[27,28]和三生空间冲突调控与优化[29]等。其中,樊杰等基于土地利用多功能视角,从宏观层面确定中国的国土空间开发保护格局是该领域研究的典型代表[30,31]。总之,现有研究成果为深入推进国土空间开发与保护研究奠定了理论和方法基础,具有以下特征:① 研究尺度从国家、城市群、省和市逐步转向县域和乡镇等微观尺度,尺度日益精细;② 研究内容从国土空间功能识别的理论探索向国土空间格局优化配置的实践应用转变,内容日益丰富;③ 研究方法从单一模型测算转向多种方法综合集成判定,方法日益多样。但是现有研究多是对不同时期国土空间分类与优化的分析,较少涉及长时间序列国土空间演变过程的测度,典型流域国土空间格局变化过程与地域分异机制研究依然薄弱。流域作为一种独特的自然地理单元,是研究国土空间格局的最佳空间尺度之一。从“三生空间”视角,揭示典型流域国土空间格局变化与驱动机制,对促进流域生态环境保护和经济社会高质量发展具有重要意义。

黄河流域作为连接中国东中西三大区域的关键地带,推动流域生态环境保护与高质量发展,是积极应对经济社会发展不平衡不充分,推动区域经济社会协调发展,保障国家生态安全的重大国家战略[32]。1980年代以来,随着人口的急剧增长和人类活动强度的逐渐增大,黄河流域国土空间格局发生了显著变化[33]。科学认知黄河流域国土空间格局变化过程,揭示黄河流域国土空间格局形成机制,是落实黄河流域生态保护和高质量发展战略、推进美丽中国建设的科学基础,也是构建可持续国土空间开发保护格局亟待解决的科学问题[33]。因此,本文从国土空间三生功能演变视角,基于1980—2018年土地利用数据,采用国土空间转移矩阵、标准差椭圆和地理探测器方法,研究黄河流域国土空间格局变化的影响因素与形成机理,以期为优化黄河流域国土空间格局,实现黄河流域生态保护与高质量发展提供理论参考和决策依据。

2 研究区、方法及数据

2.1 研究区概况

黄河流域总体位于32°N~42°N、96°E~119°E之间,干流河道全长约5464 km,流域面积79.5万 km2[34]。流域地貌类型复杂多样,气候环境差异显著,是中国重要的农业区、工业带和生态安全屏障。在综合跨省区研究中,黄河流域的边界范围划分不一[35,36],本文综合考虑县域行政单元的完整性和区域社会经济发展与黄河的关联性,确定黄河流域范围。全区共涉及山西、陕西、河南、山东、甘肃、四川、青海、宁夏和内蒙古9省(自治区)68个地级市和408个县级行政单元,并选择河南省荥阳市桃花峪、内蒙古托克托县河口镇为界确定黄河上、中、下游流域(图1)。2018年,全区县域常住人口1.52亿人,占全国10.90%;地区生产总值96422.76亿元,占全国10.71%,三次产业结构比为8.19:56.42:35.39,城镇化率为46.70%[37]。全区城镇化和工业化正处于加速发展期,国土空间开发与保护矛盾日趋加剧。

图1

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图1黄河流域区位

Fig. 1Location of the Yellow River Basin



2.2 研究方法

2.2.1 国土空间转移矩阵 国土空间转移矩阵用来刻画区域三生空间类型之间相互转换的数量关系,反映在人类活动作用下国土空间开发和保护的方向及结构,揭示国土空间格局变化特征[38]。计算公式为:

Sij=S11S12???S1nS21S22???S2n????????????Sn1Sn2???Snn
式中:Sij为研究初期i类国土空间转为末期j类国土空间的总面积;n为国土空间利用类型数量。本文利用ArcGIS10.2软件对国土空间类型数据进行空间叠加、面积制表和汇总等,获得黄河流域各阶段国土空间利用类型面积转移矩阵。

2.2.2 标准差椭圆 标准差椭圆(Standard Deviational Ellipse)是用来分析国土空间类型的地域分布,识别国土空间类型面积的重心位置及其空间移动趋势,其构成要素包括中心、方位角、长轴和短轴等[39,40]。计算公式为:

平均中心坐标:Xwˉ=i=1nwixii=1nwi,Ywˉ=i=1nwiyii=1nwi
方位角:θ=arctani=1nx'i2-i=1ny'i2+i=1nx'i2-i=1ny'i22+4i=1nx'iy'i22i=1nx'iy'i
轴标准差:δx=i=1nx'icosθ-y'isinθ2n,δy=i=1nx'isinθ-y'icosθ2n
式中:( Xwˉ, Ywˉ)为加权平均中心;(xi,yi)为县域几何中心坐标;wi为权重;θ为椭圆方位角;arctan为反正切;sin和cos分别表示正弦和余弦; x'iy'i分别为县域中心到平均中心的坐标偏差; δxδy分别为沿x轴和y轴的标准差。

2.2.3 地理探测器 地理探测器是探测地理现象空间分异性及其驱动力的工具[41]。本文运用地理探测器中的因子探测和交互作用探测模块,识别黄河流域县域国土空间格局变化的影响因素,揭示黄河流域国土空间格局演化机理。计算公式为:

q=1-1Nσ2h=1LNhσh2
式中:q是国土空间格局变化的决定力指标,q的值域为[0, 1],q值越大,表明影响因素对国土空间格局变化的影响程度越大;h=1, …, L为自然和人文因素的分类数;NhN分别为第h类型的县域单元数和县域单元总数; σh2σ2分别是h类型和各县域单元国土空间利用面积的方差。

2.3 数据来源及处理

2.3.1 指标选取 国土空间格局的形成与演变受到自然因素和社会经济因素的综合作用。基于已有研究[17,18,27],结合黄河流域国土开发实际,本文从自然地理基础与社会经济条件2个方面,选择海拔高度(X1)、平均坡度(X2)、地形起伏度(X3)、年平均降水量(X4)、年平均气温(X5)、≥10℃ 积温(X6)、干燥度指数(X7)、地区生产总值(X8)、非农产业占比(X9)、常住人口(X10)、人口密度(X11)、人口流动强度(X12)、城镇化率(X13)、农民人均可支配收入(X14)、城镇居民人均可支配收入(X15)、全社会固定资产投资总额(X16)、公共财政支出(X17)、公路网密度(X18)和生态环境保护政策(X19)19个指标,探测黄河流域国土空间格局演化机理。

2.3.2 数据来源 本文的六期土地利用数据(1980年、1990年、2000年、2010年、2015年、2018年)、DEM数据和气象数据均来自于中国科学院资源环境科学数据中心(http://www.resdc.cn),空间分辨率均为30 m×30 m。其中,六期土地利用数据以Landsat TM/ETM遥感影像为主要数据源,通过人工目视解译生成。该数据包括6个一级类型和25个二级类型,且土地利用一级和二级分类精度均大于90%[42]。平均坡度、地形起伏度和海拔高度在ArcGIS软件支持下通过DEM数据提取;社会经济数据来源于《中国县域统计年鉴(1991—2019)》和黄河流域各县区国民经济和社会发展统计公报;黄河流域行政边界数据和交通路网数据来源于国家基础地理信心中心(http://ngcc.sbsm.gov.cn);生态保护政策主要考虑退耕还林(草)工程、重点防护林建设项目、天然林保护项目和三江源生态保护与建设工程等,根据政策实施时间和覆盖县区,以及林草地恢复面积确定指标值[43]。鉴于黄河流域县域社会经济数据的可获得性和完整性,本文重点分析了1990年、2000年、2010年、2015年、2018年黄河流域国土空间格局演变机理。

2.4 国土空间分类体系

国土空间系统是人类社会经济要素与土地自然生态要素相互作用、相互影响形成的复杂多功能系统[44],其中土地利用是支撑国土空间开发的核心载体。不同土地利用类型具有不同的主导功能,国土三生空间分类是以土地利用的主导功能(生产、生活、生态,简称“三生”)为依据进行的类型划分[23,24,25,26]。为此,本文以国土空间的多功能性为切入点,根据中国科学院土地利用分类系统[42]和《第二次全国土地利用调查分类(GB/T21010—2007)》,结合黄河流域国土空间开发与保护实际,坚持生态功能优先、突出主导功能的分类原则,建立黄河流域国土三生空间分类体系(表1)。

Tab. 1
表1
表1黄河流域国土空间分类体系与土地利用分类体系的衔接
Tab. 1Connection between classification of territorial space and classification of land use in the Yellow River Basin
国土三生空间分类中国科学院土地利用分类体系
一级空间编号二级空间一级地类二级地类
生产空间
1农业生产空间耕地水田、旱地
2工矿生产空间城乡、工矿、居民用地其他建设用地
生活空间
3城镇生活空间城镇建设用地
4农村生活空间农村居民点用地
生态空间
5林地生态空间林地有林地、灌木林地、疏林地、其他林地
6草地生态空间草地高覆盖度草地、中覆盖度草地、低覆盖度
草地
7
水域生态空间
水域
河渠、湖泊、水库坑塘、永久性冰川雪地、
海涂、滩地
8
其他生态空间
未利用地
沙地、戈壁、盐碱地、沼泽地、裸土地、
裸岩石砾地、其他

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3 黄河流域国土空间格局变化特征

3.1 总体特征

3.1.1 水平地域分异 黄河流域国土空间利用水平地域差异明显,自然地理基础对国土空间格局影响显著(图2)。2018年,全域生产、生活、生态空间分别占区域总面积的21.39%、2.71%和75.90%,生态空间占据绝对主体地位,其中生态空间主要集中在上游的内蒙古高原和青藏高原地区,生产、生活空间主要位于黄河中下游的河谷平原区。

3.1.2 垂直梯度差异 黄河流域国土空间垂直梯度分异明显(图3)。海拔1000~1500 m内国土空间分布最广,其次是海拔1500~2000 m地区;海拔>5500 m地区的国土空间最狭小。生产空间与生活空间随海拔高度升高呈先降后升再降的变化趋势,其中生产空间数量最大值和百分比最大值分别出现在海拔1000~1500 m和<500 m地区;生活空间数量最大值和百分比最大值均出现在海拔<500 m地区;林地、草地和其他生态空间均随海拔升高呈先升后降再升而后下降的变化态势,数量最大值出现在海拔1000~1500 m地区,百分比最大值分别出现在海拔2500~3000 m、3500~4000 m、5000~5500 m地区,而水域生态空间随海拔升高呈现波动变化态势,数量最大值和百分比最大值分别出现在海拔1000~1500 m和海拔>5500 m地区。

图2

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图2黄河流域三生空间格局

Fig. 2Production-living-ecological space pattern of the Yellow River Basin



图3

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图3黄河流域三生空间分布的梯度差异

Fig. 3Distribution of production-living-ecological space at different altitudes in the Yellow River Basin



3.2 时空格局演变特征

3.2.1 国土空间三生结构变化 1980—2018年黄河流域生产空间持续减小,生活空间不断扩大,生态空间呈现波动变化态势(表2,见第1451页)。其中,农业生产空间减少了8629.79 km2,中下游海拔<500 m农业生产空间减少最多,为3769.83 km2;工矿生产空间逐渐扩大,尤其是2000—2010年扩展幅度最为明显,年均增长5.38个百分点。城镇和农村生活空间显著扩大,分别增加7619.20 km2和3276.49 km2,城镇生活空间增长显著高于农村生活空间。林地、草地和水域生态空间分别增加2924.23 km2、5681.20 km2和693.34 km2,其他生态空间则减少了18436.80 km2。总体上,黄河流域三生空间变化速度逐渐加快,尤其是2000—2010年中下游流域的城镇生活空间、工矿生产空间和水域生态空间增加迅速。

Tab. 2
表2
表21980—2018年黄河流域三生空间类型结构变化
Tab. 2Change of production-living-ecological space structure in the Yellow River Basin from 1980 to 2018 (km2,%)
三生空间类型1980年1990年2000年
面积比例面积比例面积比例
农业生产空间246542.4621.47247391.1621.55249957.4021.77
工矿生产空间1044.380.091364.180.121552.500.13
城镇生活空间2390.870.212642.680.233492.470.30
农村生活空间17826.441.5517930.231.5618732.921.63
林地生态空间126371.2211.00126413.0711.01126164.0710.99
草地生态空间534054.8246.50533579.1646.46529212.4146.08
水域生态空间24168.202.1122918.461.9922457.671.96
其他生态空间196025.5017.07196176.2917.08196846.7117.14
三生空间类型2010年2015年2018年
面积比例面积比例面积比例
农业生产空间242896.4221.15241443.5421.02237912.6720.72
工矿生产空间4586.070.405782.760.507658.810.67
城镇生活空间7312.460.647894.570.6910010.070.87
农村生活空间20722.991.8021299.321.8621102.931.84
林地生态空间129063.7511.24128895.2611.22129295.4511.26
草地生态空间539062.4546.94538406.0646.88539736.0247.01
水域生态空间23623.532.0623842.402.0824861.542.16
其他生态空间181158.2715.77180842.7315.75177588.7015.47

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黄河流域县域三生空间地域差异显著(图4,见第1452页)。农业生产空间减小的县域占全流域县域总数的76.47%,地处中游流域的志丹县农业生产空间减少最多,达到382.71 km2;农业生产空间显著增大的县域主要位于中上游流域,如内蒙古的五原县和磴口县农业生产空间增加量高达568.17 km2和487.43 km2,面积增加最多。工矿生产空间缩小、稳定和增加的县域分别占3.92%、1.96%和94.12%,晋陕蒙能源开发区工矿生产空间扩张最为明显,神木县和准格尔旗工矿生产空间增加量最大,高达295.43 km2和286.67 km2。城镇生活空间显著增大的县区主要分布于黄河沿线地区,西安市未央区城镇生活空间增加量最大,新增184.93 km2;城镇生活空间减少县域主要集中于矿区和自然条件恶劣区;乡村生活空间显著增加的县域主要集中于河谷平原地区,其中河南新密市和宁夏同心县乡村生活空间扩展最为明显,分别新增148.67 km2和102.55 km2;乡村生活空间减小的县域主要分布于上游和下游流域。水域生态空间缩小、稳定和增加的县区分别占54.41%、0.74%和44.85%,其中内蒙古达拉特旗水域生态空间减小量最大,达到87.28 km2;青海天峻县和山东河口区水域生态空间扩展最为明显,分别新增654.63 km2和505.73 km2。林地、草地和其他生态空间缩小、稳定和增加的县区分别占65.44%、0.49%和34.07%,其中阿拉善左旗受气候变化和荒漠化影响,草地生态空间缩小最为明显,达到4443.01 km2;随着退耕还林还草和生态保护政策的实施,陕西子长县林地生态空间增加量达到244.59 km2,青海曲麻莱县草地生态空间增加量达到7328.45 km2,生态空间恢复最为明显。

图4

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图41980—2018年黄河流域县域国土空间变化的地域差异

Fig. 4Spatial difference of county territorial space changes in the Yellow River Basin from 1980 to 2018



从流域分区看,上游县域生产空间、生活空间和水域生态空间增加,林地、草地和其他生态空间减小;中游县域工矿生产空间、生活空间和水域生态空间增加,而农业生产空间、林地生态空间、草地生态空间和其他生态空间减少;下游县域农业生产空间、林地生态空间、草地生态空间和其他生态空间减少,其余空间均呈增加趋势,其中城镇生活空间增加最为明显。总体上,黄河流域农业生产空间减小地区与林地、草地和其他生态空间增加地区具有明显的空间协同关系。

3.2.2 国土空间利用类型转化 根据公式(1),利用ArcGIS10.2空间分析功能统计1980—2018年黄河流域国土空间利用类型转化的方向和数量(图5)。具体表现出以下特点:1980—1990年水域生态空间转为其他空间的面积最大,达到1972.38 km2,其中45.46%转化为农业生产空间,29.09%转化为草地生态空间,12.63%转化为其他生态空间,而其他空间转为水域生态空间的面积仅有725.64 km2,造成水域生态空间面积缩小;1990—2000年草地生态空间转出面积最大,转出量高达9329.63 km2,主要转为农业生产空间、其他生态空间和林地生态空间,转出率分别为52.38%、35.26%和7.27%,而其他空间转为草地生态空间的面积仅有4962.53 km2,致使草地生态空间持续减少;2000—2010年随着退耕还林(草)等政策的实施及区域城镇化与工业化的快速推进,大量农业生产空间转变为生态空间和城乡生活空间,10年间农业生产空间转出量达到23310.39 km2,其中41.83%和13.18%分别转为草地生态空间和林地生态空间,11.63%和20.22%分别转为城镇生活空间和农村生活空间;2010—2015年草地生态空间转出量最大,面积为4118.89 km2,主要转为农业生产空间和其他生态空间,转出率分别为35.14%和24.74%,这与中游黄土高原地区大规模治沟造地和气候变化引起的草地退化密切相关;2015—2018年草地生态空间转出量最大,面积为30227.77 km2,其中53.88 %转为农业生产空间,24.56%和20.85%分别转为林地生态空间和其他生态空间,城镇和农村生活空间分别占0.18%和1.53%。

图5

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图51980—2018年黄河流域国土空间类型转换空间分布

Fig. 5Spatial distribution of territorial space changes in the Yellow River Basin from 1980 to 2018



3.2.3 国土空间扩展方向变化 根据公式(2)~公式(4),在ArcGIS10.2软件中绘制各期不同国土空间的标准差椭圆,分析黄河流域国土空间分布整体特征及其空间移动方向(图6)。从各类国土空间在不同方向的扩展变化看,农业生产空间格局总体变化较小,形成东-西向的空间分布格局(图6a)。其中2000—2010年农业生产空间标准差椭圆面积明显增大,X轴方向增长明显高于Y轴方向,表明农业生产空间沿X轴方向即北偏东方向显著扩展。农业生产空间重心呈现西移北进的变化轨迹;工矿生产空间格局变化较大,但2000—2010年标准差椭圆面积显著减小,X轴标准差减小,Y轴标准差增大,说明工矿生产空间日趋集聚,工矿生产空间沿Y轴方向扩展趋势明显。工矿生产空间重心由山西柳林县转移至陕西榆阳区,总体呈现由东南向西北转移的变化轨迹(图6b)。生活空间格局变化较大,总体呈现东-西向的空间分布格局(图6c, 图6d)。城镇与乡村生活空间标准差椭圆面积均呈减小趋势,2000—2010年减小最为明显,且X轴标准差长期高于Y轴,说明黄河流域城乡生活空间集聚趋势显著,主要沿X轴方向扩展。城镇生活空间重心呈现先东进后西移的变化轨迹,乡村生活空间重心呈现先向西北移动后向东北移动的变化轨迹。生态空间总体格局变化较小,形成东北-西南向的空间分布格局(图6e, 图6f)。标准差椭圆面积总体呈现波动下降趋势,2000—2010年下降最为明显,且Y轴标准差长期高于X轴,说明黄河流域生态空间集中度增强,生态空间扩展主要沿Y轴即东偏北方向扩展。其中,水域生态空间呈现由东北向西南转移的变化轨迹,林地、草地和其他生态空间呈现由西南向东北转移的变化轨迹。

图6

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图61980—2018年黄河流域国土空间标准差椭圆变化

Fig. 6Changes of standard deviation ellipse of territorial space pattern in the Yellow River Basin from 1980 to 2018



4 黄河流域国土空间格局形成机理

根据公式(5),探测1990—2018年黄河流域国土空间格局演化的关键驱动因子及其解释力(图7)。由图7可知,黄河流域自然地理基础和人文社会经济水平地域差异大,国土空间开发与保护格局的形成受到多重因素的综合影响,不同影响因子对国土空间格局形成与演化的影响具有显著差异。

图7

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图7黄河流域国土空间格局形成的影响因子贡献率

Fig. 7Contribution rates of influencing factors of territorial space pattern formation in the Yellow River Basin



4.1 自然因素影响作用

自然地理因素是黄河流域国土空间格局演变的基础(图7),总体上助推或制约着生产、生活和生态空间的演变。从全流域看,气候条件对生产空间格局的影响深刻;地形条件对生活空间格局的影响突出;海拔高度和气候条件对生态空间格局的作用广泛。1990—2018年间除年平均降水量对国土空间格局影响下降外,其余各自然因子对黄河流域国土空间格局影响均出现不同程度上升。其中,年平均气温对生产空间的影响程度增加最明显,q值由0.059上升为0.085;海拔高度对生活空间和生态空间的约束程度增加最显著,q值分别由0.190和0.104上升为0.326和0.106。

从流域分区看,在上游流域,平均坡度、地形起伏度和≥ 10℃积温对生产空间的影响显著增强,其余自然因素对生产空间的约束作用有所降低;生活空间受各自然因素的约束作用呈增强态势,但各自然因素对生态空间的影响维持稳定态势。在中游流域,除平均坡度和年平均降水量对生产空间影响下降外,其余自然因素对生产空间的影响逐渐增强;各自然因素对生活空间的约束作用出现下降趋势,但对生态空间的影响逐渐增强。在下游流域,除海拔高度和年平均降水量对生产空间影响下降外,其余各自然因素对生产空间的影响均呈增强态势,生活空间受各自然因素的约束作用趋于下降,生态空间除平均坡度、地形起伏度和干燥度指数的约束作用增强外,其余自然因素对生态空间影响程度下降,其中年平均气温的影响程度降低最为明显。

4.2 人文因素驱动作用

人文经济因素是黄河流域国土空间格局变化的基本动力(图7)。公共财政支出、城镇化率和人口密度是生产空间格局演化的主导驱动力,q平均值分别为0.156、0.143和0.134;常住人口、地区生产总值和公共财政支出是生活空间格局形成的重要驱动力,q平均值分别为0.365、0.245和0.228;人口密度、公路网密度和常住人口是生态空间格局形成的关键驱动力,q平均值分别为0.260、0.234和0.124。1990—2018年,人口密度、全社会固定资产投资总额和生态环境保护政策对生产空间的影响显著增强,全社会固定资产投资总额、人口密度和农民人均纯收入对生活空间的影响明显增强,城镇化率、常住人口和生态环境保护政策对生态空间的影响愈加深刻。这说明人口密度和全社会固定资产投资总额始终是影响黄河流域生产、生活空间格局形成的关键人文因素,在以农牧业生产为主要经济活动的黄河流域,人口规模和固定资产投资规模的扩大(减少)是城乡生产空间和生活空间形成与变迁的重要动因。而城镇化、工业化及生态环境保护政策是流域生态空间演化的重要驱动力。上游流域经济发展整体滞后,经济水平提升和政府财政支持能力增强为生产空间拓展、生活空间改善和生态空间保护提供了支持。中游流域以黄土高原为主体,由于地形地貌条件限制,全社会固定资产投资扩大和公路网密度提高促使生产空间不断扩展;城乡居民收入的持续增加对生活空间提出更多需求,退耕还林(草)等生态保护工程的持续实施保障了生态空间的有序恢复。下游流域经济发展水平整体较高,县域城镇化率上升引起城乡生产空间面积扩大,人口规模增大促使生活空间不断拓展,公共财政支出增加和非农产业占比扩大成为影响生态空间演化的关键人文因素。

4.3 人地耦合交互作用

自然因素与人文因素的交互作用是国土空间格局形成与演变的关键动力(表3,本文仅列出前4位因子交互作用值)。1990—2018年黄河流域自然因素与人文因素的交互作用强于因子内部的交互作用,且表现出非线性增强和双因子增强两种作用方式。从全流域看,人口密度反映了人文因子对生产空间格局的干扰程度,在生态环境脆弱的黄河流域,人口规模增长对城乡生产空间需求不断扩大,引起流域人地矛盾逐渐加剧。因此各自然因子与人口密度之间的作用程度最为复杂;常住人口反映了人口规模与分布对生活空间格局的影响,各自然因子与常住人口的交互作用对生活空间格局影响协同增强;同时人口密度也反映了人类活动强度对生态空间格局的影响,各自然因子与人口密度的交互作用对生态空间格局影响协同增强。

Tab. 3
表3
表3黄河流域国土空间格局形成的人文与自然因素交互作用结果
Tab. 3Interaction results between human and natural factors of territorial space pattern formation in the Yellow River Basin
年份全流域上游流域中游流域下游流域
生产空间生活空间生态空间生产空间生活空间生态空间生产空间生活空间生态空间生产空间生活空间生态空间
1990年X1X10(0.379)X2X10(0.493)X4X11(0.396)X3X11(0.662)X5X17(0.603)X5X11(0.822)X3X11(0.548)X2X10(0.573)X7X11(0.769)X1X10(0.775)X1X11(0.775)X1X8(0.883)
X6X10(0.355)X3X10(0.486)X2X11(0.395)X7X18(0.586)X5X14(0.551)X4X11(0.668)X7X11(0.503)X2X11(0.525)X2X11(0.755)X1X11(0.773)X2X17(0.766)X5X8(0.838)
X1X10(0.379)X2X18(0.463)X3X11(0.395)X5X11(0.561)X7X9(0.542)X4X18(0.603)X2X11(0.491)X3X10(0.503)X3X11(0.748)X5X10(0.756)X1X10(0.758)X6X8(0.816)
X5X10(0.353)X2X17(0.452)X7X11(0.360)X7X9(0.549)X1X17(0.524)X7X11(0.572)X3X18(0.466)X2X8(0.498)X1X8(0.631)X7X10(0.751)X3X17(0.751)X2X15(0.780)
2000年X7X11(0.362)X2X10(0.485)X2X11(0.420)X1X11(0.592)X5X14(0.533)X7X11(0.569)X3X11(0.559)X2X16(0.608)X7X11(0.774)X3X11(0.840)X3X10(0.907)X5X8(0.932)
X6X13(0.355)X3X10(0.479)X3X11(0.419)X7X18(0.591)X3X9(0.528)X4X11(0.568)X4X11(0.551)X2X18(0.592)X2X11(0.758)X2X11(0.831)X1X10(0.821)X2X12(0.886)
X1X11(0.327)X1X14(0.474)X7X11(0.363)X3X11(0.578)X2X9(0.506)X3X11(0.562)X4X8(0.523)X1X16(0.587)X3X11(0.757)X5X11(0.805)X7X10(0.819)X1X8(0.878)
X7X13(0.325)X2X11(0.469)X7X18(0.364)X5X13(0.568)X7X9(0.499)X2X11(0.559)X7X11(0.510)X6X16(0.576)X2X5(0.648)X6X13(0.803)X3X11(0.813)X6X12(0.858)
2010年X4X13(0.338)X2X10(0.562)X2X11(0.417)X1X9(0.589)X7X18(0.503)X4X11(0.654)X3X11(0.525)X2X10(0.591)X4X11(0.790)X1X11(0.808)X5X10(0.776)X5X13(0.772)
X4X11(0.330)X3X10(0.553)X3X11(0.416)X7X18(0.587)X7X9(0.490)X7X11(0.575)X4X11(0.513)X3X10(0.507)X7X11(0.778)X6X11(0.807)X1X10(0.771)X2X8(0.761)
X7X13(0.329)X1X10(0.548)X7X11(0.363)X1X13(0.570)X4X18(0.479)X3X11(0.565)X2X11(0.496)X2X11(0.493)X3X11(0.773)X2X11(0.806)X6X10(0.769)X2X16(0.760)
X5X17(0.328)X6X10(0.535)X7X19(0.335)X7X9(0.556)X3X10(0.456)X6X11(0.552)X7X11(0.476)X2X8(0.467)X2X11(0.769)X7X11(0.797)X2X10(0.763)X7X13(0.758)
2015年X7X11(0.367)X1X13(0.609)X3X11(0.418)X1X9(0.597)X7X18(0.527)X5X11(0.818)X3X11(0.583)X2X13(0.606)X7X19(0.707)X1X11(0.823)X1X10(0.830)X2X9(0.856)
X3X11(0.366)X2X13(0.606)X2X11(0.414)X3X11(0.592)X3X13(0.526)X4X11(0.666)X2X11(0.545)X2X10(0.589)X2X11(0.704)X4X11(0.813)X1X13(0.802)X3X9(0.809)
X1X13(0.364)X3X13(0.598)X7X11(0.357)X7X18(0.587)X2X13(0.521)X7X19(0.642)X3X19(0.501)X3X10(0.561)X3X11(0.699)X6X13(0.810)X5X10(0.801)X5X16(0.789)
X6X13(0.356)X6X13(0.577)X7X14(0.334)X5X11(0.560)X2X11(0.476)X7X11(0.569)X2X19(0.495)X3X13(0.560)X2X16(0.601)X3X11(0.805)X6X13(0.785)X1X9(0.740)
2018年X7X11(0.375)X1X10(0.534)X3X11(0.413)X7X18(0.583)X7X18(0.556)X4X11(0.649)X3X11(0.577)X2X10(0.573)X2X19(0.706)X6X11(0.849)X1X10(0.813)X5X16(0.832)
X5X9(0.353)X2X10(0.525)X2X11(0.410)X3X11(0.579)X3X10(0.521)X5X13(0.637)X7X11(0.550)X2X14(0.518)X3X11(0.698)X1X11(0.839)X4X10(0.761)X2X9(0.823)
X3X11(0.347)X4X10(0.521)X4X11(0.381)X2X11(0.567)X2X10(0.505)X4X19(0.606)X2X11(0.526)X7X10(0.497)X7X11(0.697)X2X11(0.788)X2X17(0.733)X2X15(0.818)
X7X9(0.330)X3X10(0.517)X7X11(0.362)X6X11(0.559)X3X11(0.495)X7X11(0.577)X3X18(0.485)X3X10(0.496)X5X16(0.694)X1X11(0.839)X5X10(0.727)X1X14(0.782)

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黄河流域国土空间面积广阔,地形地貌复杂,气候类型多样,形成了独特的自然地理结构和社会经济结构,自然因素与人文因素共同作用影响区域国土空间格局的形成与演变,且二者之间的相互作用模式具有明显的流域差异性。在上游流域,人口密度、公路网密度和非农产业占比与自然因子的协同作用下形成了生产空间格局;非农产业占比、常住人口和城镇化率与自然因子的协同作用下形成了生活空间格局;人口密度、城镇化率和生态环境保护政策与自然因子的协同作用形成了生态空间格局。上游流域具有特殊的自然地理基础,生态环境脆弱,但人文因素增强了自然因素对生产、生活和生态空间格局的影响。在中游流域,人口密度、公路网密度和生态环境保护政策与自然因子的交互作用对生产空间的影响强烈,表明人口规模和交通条件与自然因素协同增强影响中游流域生产空间格局;常住人口、全社会固定资产投资总额和城镇化率与自然因子交互作用对生活空间的影响强烈,表明人口集聚程度和固定资产投资规模与自然因子协同增强影响中游流域生活空间格局;人口密度、生态环境保护政策和全社会固定资产投资总额与自然因素的交互作用对生态空间的影响明显,表明人类活动和政策制度因素与自然因素协同增强影响中游生态空间。在下游流域,常住人口、人口密度和城镇化率与自然因子的交互作用对生产空间的影响强烈,说明人口规模和城镇化水平与自然因素协同增强影响下游流域生产空间格局;常住人口、公共财政支出和城镇化率与自然因子对生活空间的交互作用影响强烈,说明人口规模和政府财政支出与自然因素之间协同增强影响下游流域生活空间;地区生产总值、非农产业占比和全社会固定资产投资总额与自然因子交互作用对生态空间影响显著,说明经济发展水平与自然因素之间协同增强影响下游流域生态空间。

5 结论与讨论

5.1 结论

本文运用国土空间格局演变理论与方法,研究了1980a以来黄河流域国土空间格局演变特征与形成机理,并得出以下结论:

(1)黄河流域国土空间具有明显的水平地域差异和垂直梯度分异特征。生态空间占据绝对主体地位,主要分布于上游流域的内蒙古高原和青藏高原地区,生产、生活空间主要位于黄河中下游流域黄土高原和河流冲积平原区。生产、生活空间随海拔升高呈先降后升再降的变化趋势,生态空间随海拔升高呈波动变化趋势。

(2)黄河流域生产空间持续减小,生活空间不断扩大,生态空间呈现波动变化态势,农业生产空间减小地区与林地、草地和其他生态空间增加地区具有显著的空间协同关系。上游流域生产空间、生活空间和水域生态空间增加,林地、草地和其他生态空间减小;中游流域工矿生产空间、生活空间和水域生态空间增加,农业生产空间、草地生态空间、林地生态空间和其他生态空间减少;下游流域城镇生活空间明显增加,农业生产空间、林地生态空间、草地生态空间和其他生态空间显著减少。

(3)黄河流域国土空间格局变化逐渐加快,国土空间格局变化的地区差异性和空间指向性更加明显。主要表现为工矿生产空间大量挤占农业生产空间、草地生态空间和其他生态空间;城镇生活空间和乡村生活空间挤占农业生产空间和草地生态空间;草地生态空间、其他生态空间和农业生产空间转化为水域生态空间;其他生态空间转化为草地生态空间、水域生态空间和农业生产空间。

(4)自然地理基础对黄河流域国土空间格局具有显著的限制作用,而人文因素则具有明显的驱动作用。1990—2018年,年平均气温对生产空间的限制程度增加最明显,海拔高度对生活和生态空间的约束程度增加最显著。人口密度和固定资产投资规模是黄河流域生产和生活空间格局演化的关键人文驱动因素,城镇化率和生态环境保护政策是黄河流域生态空间演化的重要人文驱动因素。

(5)黄河流域国土空间格局形成与演变是自然约束力、人文驱动力和人地交互力共同作用的结果。黄河流域的宏观自然本底是当前国土空间格局形成的重要地理基础;城镇化、工业化和生态环境保护政策是国土空间格局演化的关键动力,西部大开发战略和退耕护林(草)等政策的实施,加速了黄河流域国土空间格局变化进程。各影响因子之间对国土空间格局演化具有非线性增强效应和双因子增强效应。

5.2 讨论

(1)流域是地表复合系统的重要组成部分。全球大河流域通常是地表人口、经济和产业密集区,也是人类活动系统与自然生态系统相互作用最为复杂的地区之一。从流域系统角度协调区域开发与保护矛盾是实现经济社会可持续发展的有效途径[45]。本文研究了黄河流域国土“三生”空间格局演变特征与形成机理,既反映了流域系统的完整性和地理要素的综合性,又为构建可持续国土空间开发保护格局提供了理论依据。

(2)自然地理因素是黄河流域国土空间格局形成的基础,对国土空间格局具有重要影响。本文定量分析发现:在数值上,虽然自然因素对黄河流域国土空间格局演化的影响总体小于人文因素的驱动,但并不能因此而忽略自然地理基础对国土空间格局的支撑与约束作用。黄河流域西高东低的宏观地势和复杂多样的地貌格局,以及从东向西过渡的气候和植被演替等,使得区域生产、生活和生态空间格局表现出明显的地域差异特征。

(3)黄河流域国土空间格局形成与演变具有复杂性、综合性和动态变化性特征,受到自然约束力、人文驱动力和人地交互力共同作用[46]。在全流域及上中下游流域,不同作用力对同一流域三生空间作用程度存在显著差异,同一作用力对不同流域三生空间的作用也不尽相同。因此,开展黄河流域国土空间格局演变中的自然约束力、人文驱动力和人地交互力的综合考察与动态模拟,揭示国土空间格局变化的生态环境响应机制,研判其发展方向和演变趋势是统筹协调上下游、左右岸和干支流关系需要研究的重要内容。

(4)黄河流域生态环境保护与高质量发展的关键在于优化三生空间布局,构建可持续的国土空间开发与保护格局[32,33,46]。为此,可从以下三个方面优化流域国土空间格局:① 完善国土三生空间布局体系。科学划定黄河流域国土三生空间管制边界,逐步摒弃工业时代以生产空间为主导的的国土空间开发模式,加快构建生活空间主导、生态空间优先、生产-生活-生态空间统筹协调的可持续地理格局,按照上中下游流域分区分类科学管理。② 提高国土空间综合利用效率。从黄河流域整体出发,坚持集约高效的国土空间利用原则,优化农业生产空间布局,提高中下游地区的粮食生产能力;依据城镇常住人口规模和城镇化所处阶段,科学厘定城市(群)空间范围;推进农村生活空间重构与转型,加快形成反映城乡空间价值和供求关系的市场机制,促进城乡生活空间的立体发展和集约利用。③ 增强国土生态空间服务功能。充分考虑黄河上、中、下游地区生态空间的地域差异性,分区分类实施生态保护和高质量发展策略,提高上游地区水源涵养功能,集中推进中游地区水土流失治理和坡耕地整治,重点实施下游滩区治理和修复工程,不断提升流域生态空间综合服务功能。

致谢

衷心感谢二位匿名审稿人在论文评审中付出的精力和时间,审稿人对本文结果分析和结论提炼方面的修改意见,使本文获益匪浅。


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文献年度倒序
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