馬志峰，蔣思奇，趙 利

（1.華北水利水電大學(xué) 水利學(xué)院，河南 鄭州 450046；2.黃河水利委員會(huì) 黃河水利科學(xué)研究院，河南 鄭州 450003；3.河南黃河河務(wù)局 焦作黃河河務(wù)局，河南 焦作 454000）

土地資源的合理規(guī)劃對(duì)城市建設(shè)和經(jīng)濟(jì)社會(huì)發(fā)展起著至關(guān)重要的作用［1］，而土地利用情況反映了人類(lèi)活動(dòng)對(duì)自然資源的影響［2－3］。人類(lèi)生產(chǎn)生活方式的改變?cè)斐赏恋乩酶窬值难葑儯M(jìn)而對(duì)局部地區(qū)生態(tài)平衡造成影響?，F(xiàn)階段，土地利用系統(tǒng)研究已逐漸從關(guān)注土地利用變化轉(zhuǎn)變?yōu)殛P(guān)注土地功能變化［4－5］，土地功能反映了土地利用系統(tǒng)提供產(chǎn)品和服務(wù)的能力［6］。土地功能涉及的生態(tài)系統(tǒng)直接或間接影響人類(lèi)的生產(chǎn)生活環(huán)境，因此研究土地功能是實(shí)現(xiàn)區(qū)域資源與經(jīng)濟(jì)可持續(xù)發(fā)展的基礎(chǔ)［7］。

黃河是中華民族的母親河，黃河在我國(guó)經(jīng)濟(jì)社會(huì)發(fā)展和生態(tài)安全方面具有十分重要的地位，黃河流域生態(tài)保護(hù)和高質(zhì)量發(fā)展需要結(jié)構(gòu)合理的土地利用格局來(lái)支撐［8］。廖慧等［9］研究表明，1980—2015年草地、旱地和林地是黃河流域最具優(yōu)勢(shì)的土地利用類(lèi)型，土地利用類(lèi)型變化集中在黃河流域中部和東部，其中草地和旱地土地利用類(lèi)型的轉(zhuǎn)移最為突出。陳舒鵬等［10］研究表明，黃河下游寬河段沿岸縣域范圍內(nèi)，旱地和農(nóng)村居民地兩種土地利用類(lèi)型最具優(yōu)勢(shì)，占比達(dá)80%。劉希朝等［11］研究表明，黃河流域近20 a間，各類(lèi)型土地利用變化以建設(shè)用地面積增加最為明顯，且草地和耕地面積占比最大。張鵬巖等［12］研究發(fā)現(xiàn)，河南黃沙灘區(qū)耕地是土地利用變化的主體，城市擴(kuò)張導(dǎo)致耕地面積呈明顯下降趨勢(shì)。岳瑜素等［13］研究表明，濮陽(yáng)市黃河灘區(qū)各土地利用類(lèi)型中耕地面積占優(yōu)，過(guò)去幾十年間未利用地、林地和水域主要被開(kāi)發(fā)為耕地和建設(shè)用地，土地利用類(lèi)型逐漸趨于單一。土地利用系統(tǒng)的產(chǎn)品和服務(wù)是土地功能的具體體現(xiàn)，土地功能是土地的固有屬性。因此，認(rèn)識(shí)和掌握土地功能，探索土地功能時(shí)空變化影響因素，對(duì)于實(shí)現(xiàn)土地資源可持續(xù)利用意義重大［14］。近年來(lái)，土地功能研究已成為社會(huì)關(guān)注的熱點(diǎn)，但是基于黃河流域的研究主要集中在土地利用變化方面，對(duì)引起黃河流域土地功能變化的驅(qū)動(dòng)因素研究較少。本文聚焦于黃河下游河道，分析各類(lèi)型土地功能時(shí)空變化特征，從自然系統(tǒng)、社會(huì)系統(tǒng)、經(jīng)濟(jì)系統(tǒng)選取年均氣溫X1、年均降水量X2、土壤類(lèi)型X3、人口空間分布X4、GDPX5、夜間燈光亮度X6、距公路距離X7、距河道距離X8、距鐵路距離X9等共9個(gè)影響因素，利用地理探測(cè)器研究其對(duì)黃河下游河道土地功能變化的影響強(qiáng)度以及交互作用機(jī)制，以期為黃河下游河道治理提供參考。

1 數(shù)據(jù)來(lái)源與土地功能分類(lèi)

研究對(duì)象為黃河下游桃花峪大橋至陶城鋪，區(qū)域面積約3 137.73 km2。研究區(qū)地處華北平原，屬暖溫帶半濕潤(rùn)氣候區(qū)，四季分明，降水量較為集中，年均氣溫為12.0～14.8℃［14］。土壤主要有褐土、潮土、鹽堿土等。黃河下游河道濱臨黃河主河槽，具有行洪、滯洪、沉沙等功能，研究區(qū)包括河南、山東兩省下轄的20個(gè)縣級(jí)行政區(qū)，受“二級(jí)懸河”、漫灘洪水及生產(chǎn)環(huán)境和生產(chǎn)條件制約，研究區(qū)社會(huì)經(jīng)濟(jì)發(fā)展不均衡。

1.1 數(shù)據(jù)來(lái)源

研究數(shù)據(jù)主要包括1980年、1990年、1995年、2000年、2005年、2010年、2015年、2020年8期中國(guó)土地利用遙感監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)、社會(huì)經(jīng)濟(jì)數(shù)據(jù)、道路數(shù)據(jù)、全球夜間燈光數(shù)據(jù)（2000年之前數(shù)據(jù)缺失）、土壤數(shù)據(jù)，以上數(shù)據(jù)均來(lái)源于中國(guó)科學(xué)院資源環(huán)境科學(xué)與數(shù)據(jù)中心（http：／／www.resdc.cn／）。采用離散化分析的方法，結(jié)合研究區(qū)實(shí)際情況，將年均氣溫、年均降水量、人口空間分布、GDP和夜間燈光亮度數(shù)據(jù)利用自然間斷法分為6類(lèi)，與公路、河道、鐵路距離采用自然間斷法分為2類(lèi)，土壤類(lèi)型參照《1∶100萬(wàn)中華人民共和國(guó)土壤圖》分為9類(lèi)。借用GIS軟件，將黃河下游河道劃分為100 m×100 m的網(wǎng)格，共計(jì)3 155個(gè)網(wǎng)格。

1.2 土地功能分類(lèi)

2 研究方法

地理探測(cè)器是一種探測(cè)空間分異性、揭示研究對(duì)象驅(qū)動(dòng)力的統(tǒng)計(jì)學(xué)方法，可以度量自變量對(duì)因變量的解釋度，即q值［16］，包括因子探測(cè)及交互探測(cè)兩方面。若假設(shè)性檢驗(yàn)p值為0.01～0.1，則自變量與因變量之間存在相關(guān)性，且p值越接近0.1相關(guān)性越強(qiáng)。

（1）因子探測(cè)。因子探測(cè)可以揭示因變量土地利用變化Y的空間分異特征，以及因子X(jué)對(duì)因變量Y空間分異性的解釋程度，公式為

式中：q為因子X(jué)對(duì)土地利用變化空間分異性的解釋程度，取值范圍為［0～1］，q值越大，說(shuō)明該因子對(duì)土地利用變化的影響越大；L為因子X(jué)分區(qū)或分類(lèi)數(shù)目；Nh和N分別為因子X(jué)第h類(lèi)的樣本數(shù)和區(qū)域中樣本總數(shù)；σh和σ分別為因子X(jué)第h類(lèi)的方差和區(qū)域總方差；SSW、SST分別為層內(nèi)（同一類(lèi)樣本）樣本間方差之和、全區(qū)域（全區(qū)域樣本）樣本間總方差。

（2）交互探測(cè)。交互探測(cè)可以判別因子X(jué)i和Xj共同作用相對(duì)單因子作用時(shí)解釋力的差異。計(jì)算因子X(jué)i、Xj對(duì)于Y的解釋力q（Xi）、q（Xj），以及計(jì)算因子交互作用時(shí)的解釋力q（Xi∩Xj），并比較q（Xi）、q（Xj）、q（Xi∩Xj），分析兩因子之間的交互作用類(lèi)型，具體類(lèi)型見(jiàn)表1。

表1 地理探測(cè)器自變量交互作用類(lèi)型

3 結(jié)果與分析

3.1 土地功能時(shí)空變化

1980—2020年黃河下游河道四大功能用地空間分布見(jiàn)圖1。經(jīng)濟(jì)功能用地所占面積最大，沿河道呈帶狀分布；其次是水沙功能用地，主要分布在河道主河槽；生態(tài)功能用地所占比例最小，分布在研究區(qū)南部和東北部；社會(huì)功能用地在研究區(qū)各區(qū)域均有分布，不同時(shí)期土地功能用地空間分布變化不明顯。與1980年相比，2000年經(jīng)濟(jì)功能用地面積在研究區(qū)西南部明顯增加，水沙功能用地則減少。

圖1 1980—2000年黃河下游河道土地功能用地空間分布

1980—2020年黃河下游河道四大功能用地面積及占比見(jiàn)圖2。1980—2000年黃河下游河道各功能用地面積變化強(qiáng)度由大到小依次為：經(jīng)濟(jì)功能用地＞水沙功能用地＞生態(tài)功能用地＞社會(huì)功能用地。經(jīng)濟(jì)功能用地面積由1980年的1 829.43 km2增加到2000年的2 372.54 km2，2000年面積占比最大，為75.61%，可見(jiàn)在這20 a間經(jīng)濟(jì)功能用地?cái)U(kuò)張。水沙功能用地面積由1980年的815.32 km2減少到2000年的302.33 km2，2000年水沙功能用地面積占比最小，為9.64%，說(shuō)明這20 a水沙功能用地處于緊縮狀態(tài)。生態(tài)功能用地面積從1980年的158.94 km2減少到2000年的120.38，總體上減少了38.56 km2，其中1990—1995年減少幅度最大，減少了35.11 km2。主要原因是，20世紀(jì)90年代，國(guó)家加強(qiáng)了黃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擴(kuò)建了之前不合理的工程，有效改善了黃河下游河道搖擺不定、河勢(shì)多變的情況。2000—2020年，水沙功能用地面積呈緩慢增加趨勢(shì)；經(jīng)濟(jì)和生態(tài)功能用地面積波動(dòng)減少，但總體趨于穩(wěn)定；社會(huì)功能用地在研究期內(nèi)處于相對(duì)穩(wěn)定狀態(tài)，總體上變化幅度較小。進(jìn)入21世紀(jì)，河道整治已初顯成效，河勢(shì)得到初步控制，加之小浪底水庫(kù)投入使用，黃河下游水沙條件得到改善，河道逐步趨于穩(wěn)定。

圖2 1980—2020年黃河下游河道各類(lèi)型功能用地面積及占比

3.2 驅(qū)動(dòng)因素分析

1980—2020年黃河下游河道各土地利用類(lèi)型均發(fā)生不同程度的變化，根據(jù)研究區(qū)地形、地理位置、經(jīng)濟(jì)發(fā)展和社會(huì)穩(wěn)定等實(shí)際情況，并考慮數(shù)據(jù)的可獲得性，從自然系統(tǒng)、社會(huì)系統(tǒng)、經(jīng)濟(jì)系統(tǒng)選取9個(gè)影響因素，分析黃河下游河道土地利用類(lèi)型變化的驅(qū)動(dòng)機(jī)制。

（1）單因子探測(cè)結(jié)果。各因子探測(cè)q值反映了相應(yīng)影響因素對(duì)黃河下游河道土地利用類(lèi)型變化的解釋力，各年份單因子探測(cè)結(jié)果見(jiàn)圖3。

圖3 1980—2000年地理探測(cè)器單因子探測(cè)結(jié)果

1980年各影響因素中土壤類(lèi)型的解釋力居首位，表明土壤類(lèi)型是促進(jìn)研究區(qū)各類(lèi)型功能用地變化的主要驅(qū)動(dòng)力。人口空間分布、GDP、年均氣溫的q值分別為0.09、0.07、0.06，均超過(guò)0.05且假設(shè)性檢驗(yàn)結(jié)果顯著，表明人口流動(dòng)程度和經(jīng)濟(jì)發(fā)展水平對(duì)土地功能變化具有重要驅(qū)動(dòng)作用。此外，年均降水量、距河道距離、距鐵路距離3個(gè)影響因素的假設(shè)性檢驗(yàn)結(jié)果均顯著但解釋力較弱。

(2)校友資源具有聯(lián)系密切性的特點(diǎn)。每一個(gè)從母校畢業(yè)的校友他們分布在各地但是同時(shí)又和母校有著密切的聯(lián)系，時(shí)刻關(guān)注母校的發(fā)展。他們借助于校友會(huì)、二級(jí)院系的教師在定期或不定期聯(lián)系，他們?cè)谀感Ｅe辦聚會(huì)、為母校捐贈(zèng)書(shū)籍、在母校招聘人才、在母校設(shè)立校友獎(jiǎng)學(xué)金等等。

2000年土壤類(lèi)型的解釋力仍然最大，q值為0.03且通過(guò)了5%水平的顯著性檢驗(yàn)。人口空間分布、年均氣溫、GDP的解釋力q值分別為0.02、0.02、0.18，假設(shè)性檢驗(yàn)結(jié)果均顯著。肥沃的土壤和適宜的氣溫條件有利用農(nóng)業(yè)生產(chǎn)，自然和社會(huì)因素是促進(jìn)黃河下游河道土地功能變化的重要驅(qū)動(dòng)力。此外，年均降水量、夜間燈光亮度、距公路距離、距鐵路距離均未通過(guò)10%水平的顯著性檢驗(yàn)。

2010年土壤類(lèi)型的解釋力仍居首位，其q值提升至0.07，人口空間分布、年均氣溫、距河道距離q值分別為0.05、0.02、0.02，且假設(shè)性檢驗(yàn)結(jié)果均顯著，表明土壤類(lèi)型是土地功能變化的主要驅(qū)動(dòng)力，人口流動(dòng)對(duì)土地功能變化的影響增大，同時(shí)隨著黃河下游河道的治理，距河道的距離逐漸成為土地功能變化的重要影響因素。GDP、年均降水量、距公路距離分別通過(guò)了1%、5%、10%水平的顯著性檢驗(yàn)，但解釋力較小。

2020年對(duì)研究區(qū)土地功能變化的解釋力前4位為土壤類(lèi)型、人口空間分布、距河道距離、年均氣溫，其解釋力分別為0.07、0.03、0.02、0.01，且假設(shè)性檢驗(yàn)結(jié)果均顯著。表明隨著黃河下游河道的治理，河道堤防加固很好保障了兩岸人民的生產(chǎn)生活，近河道區(qū)域人類(lèi)生產(chǎn)活動(dòng)日益頻繁，成為黃河下游河道土地功能變化的重要驅(qū)動(dòng)力。GDP、夜間燈光亮度、距公路距離均通過(guò)5%水平的顯著性檢驗(yàn)，但解釋力較小。

整體上，1980—2020年各影響因素中土壤類(lèi)型的影響力一直居首位，其q值除2000年外均超過(guò)0.05，適宜的土壤類(lèi)型對(duì)農(nóng)民耕種以及作物產(chǎn)量都起著積極作用；其次是人口空間分布，研究區(qū)人口流動(dòng)及人口規(guī)模對(duì)土地功能時(shí)空分異也具有重要驅(qū)動(dòng)作用。

（2）交互探測(cè)結(jié)果。各影響因素交互探測(cè)結(jié)果見(jiàn)圖4。1980年，土壤類(lèi)型∩年均氣溫、土壤類(lèi)型∩人口空間分布交互影響較強(qiáng)，q值分別為0.232、0.206；人口空間分布∩GDP、土壤類(lèi)型∩GDP、年均氣溫∩GDP、年均降水量∩土壤類(lèi)型q值分別為0.179、0.164、0.150、0.162，表明自然地理?xiàng)l件與社會(huì)因素、經(jīng)濟(jì)發(fā)展水平的協(xié)同作用有助于促進(jìn)土地功能變化。2000年，年均氣溫∩GDP、年均氣溫∩土壤類(lèi)型、年均氣溫∩人口空間分布、土壤類(lèi)型∩人口空間分布交互影響較強(qiáng)，q值分別為0.066、0.063、0.061、0.063；年均降水量∩人口空間分布、土壤類(lèi)型∩GDP交互影響q值分別為0.055、0.052，表明這一時(shí)期自然地理?xiàng)l件與人口流動(dòng)的協(xié)同作用是該區(qū)域土地功能變化的主要驅(qū)動(dòng)力。2010年，土壤類(lèi)型∩年均氣溫、土壤類(lèi)型∩人口空間分布交互影響較強(qiáng)，q值分別為0.104、0.099；土壤類(lèi)型∩年均降水量、土壤類(lèi)型∩GDP、人口空間分布∩GDP交互影響q值分別為0.081、0.088、0.084，表明該時(shí)期土壤類(lèi)型與其他影響因素的協(xié)同作用對(duì)促進(jìn)土地功能變化起著至關(guān)重要的作用。2020年，土壤類(lèi)型∩年均氣溫、土壤類(lèi)型∩GDP、土壤類(lèi)型∩年均降水量、土壤類(lèi)型∩人口空間分布交互影響較強(qiáng)，q值分別為0.094、0.089、0.089、0.086；土壤類(lèi)型與夜間燈光亮度及距公路、河道、鐵路距離交互作用q值均不小于0.075，表明近幾年經(jīng)濟(jì)系統(tǒng)與其他系統(tǒng)的協(xié)同作用對(duì)研究區(qū)土地功能變化起重要作用。

圖4 1980—2020年地理探測(cè)器交互探測(cè)結(jié)果

依據(jù)表1判別標(biāo)準(zhǔn)，研究期各驅(qū)動(dòng)因素兩兩交互呈現(xiàn)雙因子增強(qiáng)或非線性增強(qiáng)作用，說(shuō)明土地功能變化是各影響因素交互作用的結(jié)果。

4 結(jié) 語(yǔ)

（1）研究區(qū)經(jīng)濟(jì)與水沙功能用地面積最大，分布范圍最廣，前者沿河道呈帶狀分布，后者沿河道分布。水沙功能用地面積呈急劇減少、緩慢增加、穩(wěn)定的變化趨勢(shì)，經(jīng)濟(jì)功能用地面積總體表現(xiàn)為劇烈增加、微弱增加、穩(wěn)定的態(tài)勢(shì)。

（2）黃河下游河灘地和水域變化受自然環(huán)境、社會(huì)環(huán)境和經(jīng)濟(jì)發(fā)展水平等共同影響，土壤類(lèi)型、人口空間分布、GDP、年均氣溫、距河道距離是影響研究區(qū)土地功能變化的重要驅(qū)動(dòng)因素，各驅(qū)動(dòng)因素間的交互作用對(duì)土地功能變化時(shí)空分異呈現(xiàn)雙因子增強(qiáng)和非線性增強(qiáng)。未來(lái)黃河下游河道治理中，應(yīng)重點(diǎn)關(guān)注土壤類(lèi)型以及人口空間分布的合理性。