陇中黄土丘陵区土地利用功能时空演变及影响因素

韦 军, 李晓丹, 马丽娅, 闫 敏, 刘学录, 王全喜

(1.甘肃农业大学 管理学院, 兰州 730070; 2.甘肃农业大学 资源与环境学院, 兰州 730070)

黄土丘陵区是一个生态—经济—社会系统构成的复合体，生态平衡、经济发展、社会进步三者相互协调是生态文明建设和可持续发展的必由之路[1]。土地作为人类生产和生活的空间和场所，受到不同土地利用方式的影响，其性质和功能取决于各要素的综合作用，黄土丘陵区由于脆弱的自然条件、长期不合理的土地利用方式、经济发展滞后等原因，引起土地利用结构失衡，生态环境压力持续增加，导致人地矛盾加剧，生态贫困问题突出。在新时代生态文明及乡村振兴大背景下，仍然是制约“美丽中国、生态甘肃”建设的主要瓶颈。土地利用方式是区域生态环境与人类活动长期相互作用的结果，它能够为满足人类多样化的需求而提供不同的产品和服务，并直接或间接影响生态环境及经济社会发展状态，即土地具有多功能性[2-3]。近年来，基于土地多功能视角对土地资源开发、利用及保护研究逐渐成为热点，研究土地利用功能作为认知土地利用系统、实现区域资源和社会经济可持续发展的重要手段，因此，分析黄土丘陵区土地利用功能时空演变规律及影响因素变化对于优化国土空间开发格局、生态修复及脱贫攻坚具有重要现实意义。

多功能研究最早源于农业多功能，在景观多功能及生态系统服务方面成为热点，随后扩展到土地领域，1999年FAO比较系统的提出土地支撑人类和其他陆地生态系统等10个基本功能[4]，但对土地功能概念尚未明确。2004年欧盟SENSOR项目首次提出土地多功能概念，土地利用功能是指不同土地利用方式为人类提供的私人和公共的产品与服务，主要分为社会、经济、环境三大功能[5]。Helming和Pérez-Soba等将土地社会、经济、环境三大功能细分为就业、人类健康和娱乐、居住和生产空间等9项子功能，影响较广[6]。已有研究认为，土地功能强调土地自身具有的功能，主要包括生产、环境、承载、空间等功能，而土地利用功能更侧重人类因需求对土地产生的利用活动，部分国内学者从土地利用结构与土地利用功能存在映射关系出发，将土地功能分为生产功能、生活(社会)功能和生态功能[7-8]。国内对于土地利用功能评价多采用综合指数法[9-10]、改进TOPSIS法[11-12]、全排列多边形综合图示法等[13]方法，研究尺度多集中于全国、省域、市域等中宏观行政区尺度[14-16]。时空变化研究多采用空间自相关、GIS空间分析、三角模型等方法[17-20]，影响因素方面，孙丕苓等[21]研究发现土地利用多功能空间特征与区域地理位置、自然禀赋、社会经济及政策因素等具有显著相关性。张一达等[22]利用地理加权回归模型得出甘肃省市域土地利用功能空间差异主要受社会经济要素投入数量影响。总体来看，土地利用功能研究成果丰富，但研究区多以行政区域为主，特征尺度研究缺乏[23]，地域特色显著的黄土丘陵区具有明显的特征尺度，研究其土地利用功能时空变化规律及影响因素可为特定区域土地资源优化配置提供参考。

鉴于此，本文根据土地利用功能内涵，基于“三生”视角，将其分为“生态—生产—生活”功能及6个二级功能，以陇中黄土丘陵区27个县域为基本单元研究土地利用功能演变规律。通过构建土地利用功能评价指标体系，采用综合评价法对土地利用功能进行定量测算，运用ArcGIS制图、核密度估计方法刻画土地利用功能时空格局、揭示其时序动态演进规律，并利用地理探测器对土地利用功能时空演变的驱动机制进行深入探讨，从县域单元评价土地利用功能，识别其区域差异，旨在为黄土丘陵区不同区域土地资源的科学配置及土地可持续发展决策提供可行性依据。

1 研究区概况与数据来源

1.1 研究区概况

陇中黄土丘陵区是我国黄土高原丘陵沟壑水土保持生态功能区的重点区域，也是甘肃省水土流失最严重的区域之一，包括第三副区、第四副区和第五副区3个类型区。位于甘肃省中部，景泰县、靖远县以南，六盘山以西，乌鞘岭以东，横跨定西、兰州、白银、武威、临夏、甘南6个市州，共涉及27个县区。该地区土地利用类型多样，总土地面积767.94万hm2，占全省土地总面积的18.03%，其中2017年耕地210.8万hm2，占全省耕地面积的39.18%，林地121.39万hm2，占全省林地面积的19.91%，建设用地33.77万hm2，占全省建设用地面积的32.15%。2017年区域常住人口829.33万，占全省总人口的31.78%，国内生产总值占全省的18.16%，2009—2017年GDP年均增长12.23%。黄土丘陵区地形破碎，生态环境脆弱，但随着经济社会快速发展，生产生活需求对生态环境压力骤增，生态保护与社会经济可持续发展之间的矛盾亟待解决。因此，开展黄土丘陵区土地利用功能演变研究具有典型性及重要现实意义。

1.2 数据来源

本文选择2009—2017年为研究时段，所用数据主要来源：(1) 土地利用数据。来自2009—2017年各区县土地利用变更调查数据库，土地利用现状分类包括：耕地、园地、林地、草地、城镇村及工矿用地、交通运输用地、水域及水利设施用地及其他土地。(2) 统计数据。主要来自《甘肃发展年鉴》、《甘肃农村年鉴》、《中国县域统计年鉴》(2010—2018年)，主要获取人口、GDP、农业等方面数据。(3) 其他缺失数据。针对个别年份缺失数据则按照年均增长率等推算整理获取。

2 研究方法

2.1 土地利用功能及其评价指标体系

满足人类多元化的需求是土地资源开发利用的最终目的，也是土地利用功能的本质体现，十八大报告提出“促进生产空间集约高效、生活空间宜居适度、生态空间山清水秀”的国土空间优化目标。因此，本文基于“三生”视角，将土地利用功能分为生态功能、生产功能和生活功能，并综合考虑黄土丘陵区社会经济特点及土地利用方式等因素，将其细分为6个二级功能。在已有研究基础上，依据代表性、综合性和数据可获得性等原则，构建黄土丘陵区土地利用功能评价指标体系(表1)。(1) 土地生态功能是土地资源所表现出来具有保护和改善生态环境的作用与能力，如水土保持、防风固沙、涵养水源、净化环境、维护生物多样性等，是生产、生活功能的基础[24]，本研究将其定义为生态保育功能，反映黄土丘陵区土地资源在水土保持及生态涵养等方面的调节功能，选取4个正向指标草地覆盖率、水域湿地面积占比、森林覆盖率、地均生态系统服务价值量和2个负向指标耕地和建设用地面积占比、化肥施用强度表征，指标选取参考《生态环境状况评价技术规范》(2015)相关计算方法。(2) 土地生产功能是土地为人类供给工农业产品及支撑经济、交通发展的功能，主要包含农产品供给、经济发展、交通3个二级功能。农产品供给功能通过粮食单产、人均粮食占有量、人均猪牛羊肉占有量、人均水果蔬菜占有量及土地垦殖率表征农业基础供给功能，经济发展功能通过经济密度、二三产业比重、人均GDP及地均固定资产投资表征经济基础能力，交通功能通过交通运输用地面积占比表征基础交通条件。(3) 土地生活功能反映土地系统支撑人类居住、保障其就业及基础承载能力。包含社会保障、基础承载2个二级功能。选取万人拥有的卫生机构床位数、城镇化水平、农业从业人口密度、农村人均可支配收入和城乡收入平衡指数等表征土地资源对社会保障功能的影响，通过人口密度、人均建设用地面积表现基础承载功能。其中生态系统服务价值的测算参考刘永强等[24]的研究，为消除数据量纲的影响，采用极值法对评价指标原始数据进行标准化处理。本文指标层及准则层权重采用熵权法(表1)，目标层采用德尔菲法。

表1 土地利用功能评价指标体系

2.2 土地利用功能综合测算模型

本文采用多因素综合评价法对土地生态、生产和生活功能进行测度，其具体测算公式为：

(1)

T=αEf+βPf+γLf

(2)

式中：Ef，Pf，Lf分别代表土地生态、生产和生活功能评价函数；ck，ai，bj分别表示“三生”功能内要素的权重；ek，pi，lj分别表示采用极值法得到的“三生”功能内要素的标准化值；q，n，m分别为各功能内要素的个数；Ef，Pf，Lf分别表示土地生态、生产和生活功能评价指数；T为土地利用总功能综合评价指数；α，β，γ为“三生”功能各自的权重系数，考虑当前社会经济背景，本文分别取值为0.4，0.3，0.3。

2.3 基于核密度估计的土地利用功能动态演进分析

核密度估计(Kernel Density Estimation)是概率论中一种非参数检验方法，主要是根据输入要素数据计算整个区域的数据集聚状况，从而产生一个连续的密度表面[25]，实际上是一种通过离散采样点进行表面内插的过程。本文借助Eviews8.0软件，主要采用高斯核函数揭示黄土丘陵区土地利用功能时序动态演进规律，根据核密度曲线图获取变量分布的重心位置、峰度、波峰数量和拖尾等方面的信息。其公式为：

(3)

式中:K(x)为核函数;x为均值。

2.4 基于地理探测器的土地利用功能变化影响因素分析

地理探测器是探测空间分异性、揭示其背后驱动力的一组统计学方法[26]。其中，因子探测器：探测Y的空间分异性以及探测某因子X多大程度上解释了属性Y的空间分异，本文用来测度土地子功能对总功能的解释力程度。交互探测器：识别不同风险因子Xs之间的交互作用，即评估因子X1和X2共同作用时是否会增加或减弱对因变量Y的解释力，或这些因子对Y的影响是相互独立的，本文通过其探测生态、生产、生活功能对土地利用总功能是起独立作用还是交互作用。模型如下：

(4)

式中：q为影响指标对某一功能的解释力；Nh为单维度的类型h(对应一个或多个子区域)内的样本数；n为在整个研究区所有样本数；σ2为整个区域的离散方差。

3 结果与分析

3.1 土地利用功能时空特征

利用ArcGIS软件绘制2009年、2013年、2017年县域土地利用功能评价结果图(图1—4)，2009—2017年，黄土丘陵区土地利用总功能呈现增长态势，生态功能有所下降，生产、生活功能明显提升，从空间分布来看，27个县域单元“三生”功能空间分异明显，总体呈现出由高值区向周围递减的态势，具体空间格局演变如下：

(1) 生态功能。2009—2017年，黄土丘陵区县域土地生态功能小幅下降，生态功能三年均值分别为0.473、0.466、0.467，空间上呈现“西北西南高、中东部低”，且空间格局较稳定。生态功能高值区位于祁连山东侧的天祝县，属于祁连山冰川与水源涵养生态功能区，西南部位于青藏高原东北边缘的卓尼县，是甘南黄河重要水源补给生态功能区，位于西秦岭和黄土高原过渡地带的漳县、岷县，沿黄灌区的永靖县、临夏县周边，生态功能也较高。该地区森林覆盖率较高，生物资源丰富，但生态环境脆弱，应以生态修复，水土保持，提供生态产品为主。低值区分布在中部的白银区、平川区、皋兰县、榆中县等周围县域，该地区城镇化和工业化程度进程较快、生态环境受人类干扰明显，生态功能下降明显。古浪县、景泰县北部由于靠近腾格里沙漠，生态植被相对脆弱，自然灾害频繁，生态功能较低。会宁县、通渭县、陇西县作为甘肃省水土流失最为严重区域之一，土地垦殖率高，耕作方式粗放，生产水平低，资源环境压力相对较大，生态功能低，应加强小流域综合治理，突出生态功能及环境保护。

(2) 生产功能。2009—2017年，黄土丘陵区土地生产功能不断增强，空间上呈现以临夏市、白银区、安定区等为核心向周围递减的“核心—外围结构”。2009年、2013年、2017年生产功能均值分别为0.189，0.229，0.259，整体上生产功能处于较低水平，且提高速度缓慢，主要是区域自然资源禀赋限制了农业、经济发展水平。2009年以来高值区主要在临夏州、白银市辖区及部分周边区县，临夏市及周围县区属于沿黄农业带，农业生产条件不断改善，日益成为全省农产品优质高产区，农产品供给功能突出。白银市市区及部分区县作为兰西城市群重要组成部分，是全国重要的石油化工、有色冶金等产业基地，支撑西北地区发展的重要增长极，区位条件优越，人力资源丰富，经济基础好，不断带动周边地区形成生产功能优势区。低值区主要位于研究区南部和西北部。南部集中在甘南州和定西市部分县区，这些地区属于六盘山集中连片特困地区，贫困人口比例高，农业耕作方式粗放，水土流失等自然灾害频发，随着脱贫攻坚工作的不断深入，该区域生产功能有所提升，但仍与中部地区有一定差距，应将调整农业模式，因地制宜特色产业，使经济发展与生态环境保护相互协调。

图1 黄土丘陵区土地生态功能值时空差异

(3) 生活功能。2009年、2013年、2017年生活功能均值分别为0.176，0.212，0.268，黄土丘陵区土地生活功能明显增强，功能值低于0.20的区域由2009年的88.89%减少到2017年的22.22%，由于生产功能为生活条件的改善提供物质基础，因此生活功能与生产功能分布具有一定空间重叠性。高值区主要集中分布在生产功能高的白银区、临夏市等周边地区，总体上中北部偏高，南部较低，分布格局稳定。临夏市、白银区作为生产功能的高值区，也是兰西城市群的重要节点城市，区域综合优势强，经济基础较好，基础服务设施体系比较完善，将作为中心城市辐射周边县区，提供优质公共服务。其他地区受区域自然条件、经济发展水平等原因，生活功能水平较低。研究期间，随着土地生产功能的提高，黄土丘陵区人民生活水平日益改善，但整体水平较低。

图2 黄土丘陵区土地生产功能值时空差异

(4) 土地利用总功能。土地利用总功能是生态、生产、生活功能协同作用的结果，“三生”功能相互协调，土地利用系统才能健康有序发展。总体上，研究期间黄土丘陵区土地利用总功能水平逐步提高，三年均值分别为0.299，0.319，0.345，但总体水平不高，区域差异明显。临夏市是唯一总功能高于0.50的地区，十年间总功能低于0.35的区域占比由88.89%下降到62.96%。

总功能呈现“点块状分布”，从高值区向周围逐渐降低。中部总功能高值区由于生产、生活功能水平高，总功能较高，天祝县、皋兰县及西南部县区由于生态功能优势突出，总功能水平相对较高。

图3 黄土丘陵区土地生活功能值时空差异

图4 黄土丘陵区土地利用总功能值时空差异

3.2 土地利用功能动态演进分析

依据核密度计算原理，借助Eviews 8.0软件绘制出2009年、2013年和2017年黄土丘陵区土地利用功能核密度曲线图(图5)，分别从生态功能、生产功能、生活功能及土地利用总功能4个方面来揭示土地利用功能时序动态演进规律。

3.2.1 生态功能时序动态演进特征

(1) 从曲线重心位置看，2009—2017年略微向左移动，表明黄土丘陵区土地生态功能呈缓慢下降态势，2013—2017年下降速度减缓。(2) 从曲线主峰波峰高度看，2009—2017年先下降后上升，说明生态功能区域差异呈现先扩大后缩小的趋势，主要由于2013年之前各地区农业生产和生活建设活动频繁，导致生态环境压力增大，生态功能下降明显，2013年后甘肃省颁布《甘肃省生态保护与建设规划》(2014—2020年)，生态保护力度不断加强，区域综合治理取得明显成效，生态功能退化速度得到有效遏制。(3) 从曲线波峰数量，研究期间以一个主峰为主，表明区域生态功能存在明显极化特征，以天祝县、卓尼县和漳县为高值区，应加大生态建设力度，保障其重要生态地位。

3.2.2 生产功能时序动态演进特征

(1) 从曲线重心位置看，2009—2013年大幅向右移动，2013—2017年小幅向右移动，表明黄土丘陵区土地生产功能呈不断增强趋势，但增长速度逐渐放缓。(2) 从曲线主峰波峰高度看，2009—2013年基本稳定，2013—2017年有所下降，表明在2013年后土地生产功能区域差异逐渐扩大。(3) 从曲线波峰数量与拖尾看，2009—2017年以一个主峰和两个轻微次峰为主，表明生产功能出现了轻微多极化特征。2009—2017年曲线右侧拖尾呈现出加长、降薄趋势，表明高值区生产功能继续提升，高值区县域占比有所下降，说明高值区与低值区的功能区域差异缩小，整体生产功能逐渐提高。

图5 黄土丘陵区土地利用功能时序动态演进特征

3.2.3 生活功能时序动态演进特征

(1) 从曲线重心位置看，2009—2017年大幅向右移动，表明黄土丘陵区土地生活功能呈上升趋势。(2) 从曲线主峰波峰高度看，2009—2017年大幅下降，表明土地生活功能水平区域差异在不断扩大。(3) 从曲线波峰数量与拖尾看，2009—2017年基本上以一个主峰和多个轻微次峰为主，表明生活功能出现极化特征。2009—2017年右侧拖尾出现加长、降薄趋势，表明高值区生活功能继续增强，且区域差异有所减小。

3.2.4 土地利用总功能时序演进特征

(1) 从曲线重心位置看，2009—2017年不断向右迁移，说明黄土丘陵区土地利用总功能水平逐年提高。(2) 从曲线主峰波峰高度看，2009—2017年降幅逐渐增大，表明土地利用总功能区域差异上有不断扩大趋势。(3) 从曲线波峰数量与拖尾看，2009—2013年均以一个主峰和一个次峰为主，2017年出现双峰，表明土地利用总功能出现极化特征。2009—2017年右侧拖尾加长、降薄，表明在此期间高值区土地利用总功能水平进一步提升，但高水平县域占比较少，区域整体水平有待提高。

3.3 土地利用功能演变的影响因素分析

3.3.1 “三生”功能影响因素探测 根据前文的分析，从土地利用功能指标体系准则层的23个指标入手，借助“因子探测器”揭示黄土丘陵区2009年、2017年“三生”功能变化驱动因子，并计算其动态变化度，分析影响因素类型，结果见表2，具体分析如下：

表2 “三生”功能影响因素探测结果

(1) 生态功能影响因子。2009—2017年影响生态功能强弱的因子排序分别为：x4>x1>x6>x2>x5>x3，x4>x6>x2>x1>x3>x5，森林覆盖率对生态功能具有最显著影响，影响力在0.60以上，草地覆盖率、水域湿地面积占比及地均生态系统服务价值量对生态功能具有一定影响，影响力介于0.20～0.35；耕地和建设用地占比、化肥施用强度对生态功能影响一般。研究期间草地覆盖率、森林覆盖率及化肥施用强度影响力有所下降，主要原因是退耕还林还草、调整农业生产方式等工作初见成效，耕地和建设用地占比、地均生态系统服务价值对生态功能影响逐渐增强，原因是研究期间区域建设用地面积不断增长，土地开发强度逐年上涨，对生态功能影响加剧。

(2) 生产功能影响因子。2009—2017年影响生产功能强弱因子排序前四位为：x12>x16>x15>x7，生产功能受经济密度、地均固定资产投资、交通运输用地占比及人均蔬菜水果占有量影响最为显著，与二三产业比重、人均GDP一般显著，土地垦殖率、人均粮食占有量及人均猪牛羊肉占有量解释力较为接近，其余因素影响程度较弱，总体上社会经济因素对土地生产功能演变起到重要推动作用。研究期间人均粮食占有量、二三产业比重、人均GDP及地均固定资产投资影响力增强，主要是由于产业结构调整，经济发展水平相对提升，社会经济投入要素有所提高，其余因子影响力出现不同程度减弱。

(3) 生活功能影响因子。2009—2017年影响生活功能强弱因子排序：x17>x19>x18>x23>x22>x20>x21，x18>x19>x17>x23>x20>x22>x21，生活功能受万人拥有的卫生机构床位数、城镇化率及农业从业人口密度影响最为显著，影响力在0.70以上，受农村人均可支配收入、人口密度及人均建设用地面积重要影响，城乡收入平衡指数影响较弱，研究期间城乡收入平衡指数、农业从业人口密度及人均建设用地面积影响力有所增强，主要原因在于随着城镇化、工业化加快，人均可支配收入逐年增加，同时生产生活建设，导致建设用地面积增加，其余因子解释力有所下降。

3.3.2 土地利用总功能交互探测 利用“交互探测器”对2009年、2017年土地利用总功能的“三生”子功能进行两两交互探测，计算结果见表3。

表3 “三生”功能交互探测结果

结果表明，任意两项功能交互后对土地利用总功能解释力均为增强关系，包括双因子增强和非线性增强。2009年生态—生产功能交互后影响力高达0.836，生态—生活交互影响力为0.841，生产—生活功能交互影响力为0.459，生态功能作为生产、生活功能发展的基础，与其他功能交互后影响作用极强。2017年生态功能与生产、生活功能两两影响力继续增强。生产—生活功能交互影响明显提高，解释力达0.665，表明生产功能提高也会带动生活功能的增强。

4 讨论与结论

4.1 讨 论

当前，甘肃省黄土丘陵区县域土地利用功能水平总体不高，区域差异显著。在生态文明建设及绿色发展背景下，生态环境脆弱、土地利用方式单一、生活水平急需改善等问题凸显，协调区域生态环境保护与提高生产生活水平间的关系成为重中之重，本文基于土地利用功能角度，研究黄土丘陵区土地利用功能时空演变规律及影响因素，实现土地利用系统协调健康发展的目标，支撑黄土丘陵区经济社会与生态绿色高质量发展。

目前土地利用功能分类体系尚处于探索阶段，本文仅基于“三生”功能视角，根据黄土丘陵区特点，将其分为生态、生产、生活功能及6个二级功能，从县域尺度上对黄土丘陵区土地利用功能时空格局演变及其影响因素进行了分析，同时首次将非参数核密度估计应用于土地利用功能时序变化分析，客观展现了县域土地利用功能水平变化、区域差异等状况，模型具有较强的适用性，丰富了土地功能评价的内容。但土地利用功能水平是多尺度、多种因素共同作用的结果，由于统计资料等数据限制，对于土地生态功能如何进一步划分并以指标来表征需要进一步探讨，指标体系不能全面表征土地利用功能，融合多源、多尺度数据的多层次评价指标体系的微观尺度评价将是下一步研究方向，同时土地利用功能存在明显的时空异质性，功能之间存在此消彼长的关系，从权衡与协同角度识别土地功能之间的相互作用机制，有待深入研究。

4.2 结 论

(1) 2009—2017年，黄土丘陵区县域土地利用总功能呈现出增长态势，生态功能小幅下降，生产、生活功能快速提高，总体水平较低，但空间分异特征明显。生态功能在空间上呈现“西北西南高、中东部低”的空间格局，且空间分布比较稳定，高值区位于天祝县、卓尼县和漳县，低值区位于中部地区的白银区、皋兰县、古浪县及景泰县，水土流失严重的会宁县、通渭县。生产功能呈现以临夏市、白银区为核心向周围递减的“双核结构”，总体上表现出“中部高、南北低”的空间分异。高值区集中在市州的经济、政治和文化中心，低值区主要位于南部山区的贫困县。生活功能分布与生产功能具有空间重叠性。

(2) 2009—2017年，黄土丘陵区土地生产、生活功能及总功能水平都经历了上升演进特征，生态功能水平表现出下降态势，生产、生活功能区域差异持续扩大，总功能水平区域也有扩大趋势，高值区生产、生活功能持续增强、但高值区数量相对较少，存在轻微极化现象。研究表明土地利用功能水平在不同时间段的时序演进特征是其子功能在不同时段特征内相互作用的结果。

(3) “三生”功能时空变化是区域自然资源禀赋及社会经济因素综合作用下的结果。生态功能水平变化主要受森林覆盖率、草地覆盖率(减弱型因子)、耕地和建设用地占比、水域湿地面积占比及地均生态系统服务价值(增强型因子)共同作用；生产功能水平主要受经济密度、地均固定资产投资、交通运输用地占比和人均蔬菜水果占有量影响最为显著，随着时间变化人均粮食占有量、二三产业比重、人均GDP及地均固定资产投资影响力持续增强，其余因子影响力出现不同程度减弱；生活功能水平受万人拥有的卫生机构床位数、城镇化率及农业从业人口密度影响最大，研究期间城乡收入平衡指数、农业从业人口密度及人均建设用地面积影响力有所增强，其余因子解释力有所下降。任意两项功能交互后对总功能解释力均为增强关系，由此可见，土地利用功能水平的提高需要土地功能系统内各子系统共同发挥作用。