乡村振兴背景下陕西省生态环境质量影响因素探究

杨 悦,赵 雨,员学锋①,高雪梅

(1.长安大学土地工程学院,陕西 西安 710064;2.陕西省土地整治重点实验室,陕西 西安 710064)

生态环境作为人类赖以生存的基础,其质量好坏是人类社会能否实现可持续发展的关键所在[1]。城镇化、工业化进程的快速推进在带给人类福祉的同时,生态环境问题也逐渐显现。城市地区主要表现为大气污染、水污染等环境污染。与城市地区不同,乡村地区主要表现为生态破环,如水土流失、土地盐碱化以及水土环境污染等。2021年联合国环境规划署指出生态环境的退化已经影响到约32亿人(占世界总人口的40%)的福祉,由此看来,扭转生态环境退化的趋势已迫在眉睫[2]。近年来,生态文明建设以及生态环境质量的提升愈加成为我国的工作重点[3],研究地域生态环境质量变化趋势,对指导当前生态文明建设工作具有重要作用。

卫星遥感具有快速、实时、尺度大等优点[4],借助卫星遥感技术对生态环境质量进行监测和评价已成为近年来研究的热点。徐涵秋[5]以遥感技术为基础,选取绿度、湿度、热度和干度4个评价指标,借助主成分分析法综合计算遥感生态指数(remote sensing environment index,RSEI),以表征研究区生态环境质量。随后,大量学者借助遥感生态指数对生态环境质量展开研究,主要包括对经济快速发展区[6-8]、生态环境脆弱区[1,9]、矿区[10]、灾后重建区[3]和流域[11-12]生态环境质量的监测与评价。关于生态环境影响因素的研究多从自然条件、社会经济发展[1,13-14]角度出发,较少关注乡村发展对生态环境造成的影响。除水土流失、土地盐碱化以及水土环境污染等生态环境问题以外,乡村人口老龄化、土地荒废化和产业低效化亦是当前乡村地区面临的主要问题。为有效解决此类问题,中共十九大提出乡村振兴战略,聚焦人、地、业等多种发展要素的协同发展,致力于乡村的全面振兴[15]。乡村地区作为生态文明建设的重要组成部分,探明乡村发展对生态环境的影响方式及影响程度,对于响应生态文明建设和乡村振兴的时代要求,实现生态与乡村的高质量发展以及区域的可持续发展具有重要意义。基于此,该文以陕西省为研究对象,以县域为研究单元,借助遥感生态指数对生态环境质量进行测度,分析其时空演变差异,探究乡村发展对生态环境质量的影响,以期为区域乡村振兴、人地关系协调和区域可持续发展提供科学依据。

1 研究区域概况

陕西省位于31°42′ N～39°35′ N、105°29′ E～111°15′ E之间,地处西北内陆区,地势南北高、中间低,呈现出明显的空间差异性(图1)。

陕西省是西部地区的经济大省之一,经济发展快速,国内生产总值由2000年的1 410亿元增长至2020年末的26 181.86亿元,第一产业产值达2 264.57 亿元,2020年末陕西省乡村人口1 477万人,占常住人口数的37.34%,第一产业从业人员数占从业人员总数的30.02%,农村居民人均可支配收入达13 316元。1999年以来,陕西省大力实施以退耕还林为主的重点林业生态工程,森林覆盖率由1999年的30.92%增长到2020年末的46.39%,生态环境得到较大改善。城乡收入差距大、农业收益低、土地荒废化和农业面源污染等问题依然存在,如何响应生态文明建设与乡村振兴的要求,践行“绿水青山就是金山银山”的理念,将生态治理和发展特色产业结合起来,探索出一条生态和乡村经济协调发展、人与自然和谐共生之路成为当前陕西省发展面临的主要问题之一。

2 数据来源与研究方法

2.1 数据来源

遥感数据来源于Google Earth Engine(GEE),GEE将PB(petabyte)级的卫星图像和地理空间数据集与云计算技术相结合,提供了30多年的历史图像数据,包括Landsat系列、MODIS系列和Sentinel系列等数据集,可以高效即时地在web端实现海量数据的处理和计算。考虑到遥感生态指数的季节性波动特点,选取2000年以来5—8月MODIS数据计算遥感生态指数。社会经济数据来源于《陕西统计年鉴》、《中国县域统计年鉴》、10个地级市统计年鉴与社会发展统计公报以及各个县(区)的政府网站等。

2.2 生态环境质量测度

2.2.1遥感生态指数构建

遥感生态指数是由绿度(NDVI)、湿度(WET)、干度(NDBSI)和热度(LST)4个分量通过主成分分析后提取第1主成分(PC1)来表征,与绿度、湿度呈正相关,与干度和热度呈负相关[5,16]。NDVI使用MOD13A1 V6产品,分辨率为500 m;WET使用MOD09A1 V6产品通过缨帽变换得到,分辨率为500 m;NDBSI通过MOD09A1 V6产品计算得到,分辨率为500 m;LST使用MOD11A2 V6产品,重采样至分辨率为500 m。具体计算方法见表1,单位年份的指数采用均值合成方法来表征。

表1 指数计算方法

上述4个指标存在量纲不统一的情况,已有研究多采用归一化方法对指标进行无量纲处理,但该方法受到极值的干扰比较严重,用于时序建模时往往导致PC1的载荷系数在时间序列上出现明显波动[9,11]。基于此,对每个指标进行标准化处理后发现载荷系数的波动较为稳定,由此采用标准化方法对原始数据进行无量纲处理[16]。归一化与标准化去量纲结果对比见表2。

表2 归一化与标准化去量纲结果对比

X为变量初始值,Xmin为变量最小值,Xmax为变量最大值,Xmean为变量均值,σ为变量标准差。数据以平均值±标准差形式表示。

提取4个指标标准化后第1主成分(PC1),通过归一化处理得到遥感生态指数。计算公式为

IRSE=(IRSE0-IRSE0_min)/(IRSE0_max-IRSE0_min)。

(1)

式(1)中,IRSE为归一化后的遥感生态指数,其值介于[0,1]之间,遥感生态指数值越接近于1,表明研究区生态环境质量越好,反之,生态环境质量越差。

2.2.2遥感生态指数动态变化分析

(1)趋势分析法

趋势分析可以对长时间序列的变量进行线性回归分析以预测总体变化趋势[17]。采用一元线性回归分析法对陕西省2000—2020年生态环境质量变化趋势(s)进行分析,计算公式为

(2)

(2)Theil-Sen Median趋势分析和Mann-Kendall(MK)检验

Theil-Sen趋势分析和Mann-Kendall检验结合被广泛用于栅格尺度植被长时间序列分析[18],采用Sen趋势分析和MK检验相结合方法判断遥感生态指数长时间序列数据的变化趋势[17,19]。

Sen趋势分析中数据无需服从特定的分布特征,受离群值影响较小。Sen趋势分析计算公式为

(3)

式(3)中,Q表示IRSE的变化趋势;median为中值函数;IRSEi、IRSEj分别为i、j时间序列IRSE值。

根据陕西省IRSE的分布特征,当Q>0.000 5时表示趋势上升,当|Q|≤0.000 5时表示趋势稳定不变,当Q<-0.000 5时表示趋势下降[20]。

Mann-Kendall检验法是一种非参数统计检验,它不要求样本遵循一定的分布,不受少数异常值的干扰,Mann-Kendall检验计算公式为

(4)

(5)

(6)

式(4)～(6)中,S为统计值;sign为符号函数;n为时间序列长度;Z为标准化统计值;var为方差。在给定的显著性水平α=0.05上进行显著性检验,即|Z|≥1.96时表示IRSE发生显著变化,|Z|<1.96时表示IRSE未发生显著变化。

2.3 影响因素分析

2.3.1影响因素指标体系构建

参照已有研究成果[21-22],立足于陕西省乡村发展现状,依据乡村地域系统内部要素构成和乡村振兴内涵,确定人口、土地和产业3个因素共11个因子(表3),探究乡村振兴背景下乡村发展对生态环境的影响。

表3 生态环境质量影响因子选取

2.3.2回归模型

时空地理加权回归模型(geographically and temporally weighted regression,GTWR)在地理加权回归模型(geographically weighted regression,GWR)的基础上将时间维度嵌入回归参数中,可同时测度解释变量对被解释变量在空间和时间上的影响方式和程度。鉴于此,采用HUANG等[23]在2010年提出的GTWR模型,研究陕西省生态环境质量影响因素的空间异质性。

(7)

式(7)中,Yi为被解释变量;X为解释变量;i为研究区;ui、vi和ti为研究区经度、纬度和时间;βo(ui,vi,ti)为截距;βk(ui,vi,ti)为决定系数;k为自变量序号;p为自变量总个数;若β>0,则解释变量与被解释变量呈正相关,反之呈负相关;εi为随机扰动项。

3 结果与分析

3.1 陕西省生态环境质量评价

依据陕西省遥感生态指数的年际变化趋势(图2),陕西省2000—2020年生态环境质量整体呈变好趋势。2000—2010年期间,陕西省生态环境质量呈现“快速上升—快速下降—缓慢上升”的波动变化,快速上升期为2000—2002年,遥感生态指数由0.483 3上升至0.598 4,增长率为23.82%;而在2010—2020年期间,陕西省生态环境质量呈波动式上升,由0.624 5上升至0.651 2,增长率为4.28%,增长较缓慢。依据前文分析结果,将陕西省生态环境质量空间分布情况分为2000—2010和2010—2020年2个时期进行分析。

图2 2000—2020年陕西省遥感生态指数(RSEI)年际变化趋势

3.1.1模型检验

依据陕西省遥感生态指数主成分分析结果(表4),在第1主成分(PC1)上绿度、热度、湿度和干度4个指标特征值贡献率较高,介于91.53%～92.56%之间,在PC1上集中了90%以上的4个指标的特征信息。在2000、2010和2020年的PC1上,绿度(NDVI)和湿度(WET)指标的荷载值为正,介于0.479 3～0.508 6之间;热度(LST)和干度(NDBSI)荷载值为负,介于-0.514 6～-0.495 2之间,与实际情况相吻合,即植被覆盖度越高,土壤湿度越高,生态环境质量就越好;地表温度和地表裸露程度越高,人为建筑面积越大,生态环境质量就越差。因此,以 PC1 构建陕西省遥感生态指数。

表4 陕西省遥感生态指数各指标主成分分析结果

3.1.2陕西省生态环境质量时空格局

基于已有研究成果[24],利用等间隔断点法将陕西省生态环境质量分为0～0.2(差)、>0.2～ 0.4(较差)、>0.4～0.6(中等)、>0.6～0.8(较好)和>0.8～1(好)5个等级。由图3可知,陕西省生态环境质量等级为差、较差的区域随时间变化呈缩小态势,由集中分布在榆林市以及延安市的志丹、安塞、子长等县域转变为集中分布在榆林市,面积占比由38.01%下降至19.24%;生态环境质量等级为中等的区域集中分布在关中地区以及延安市的富县、洛川等县域,零星分布在陕南地区的洛南、汉滨、洋县等县域,面积占比由21.85%下降至17.32%;生态环境质量等级为好、较好的区域集中分布在陕南山区以及延安市的黄龙、黄陵等县域,面积占比由40.14%上升至63.43%。

图3 陕西省生态环境质量等级分布

3.1.3陕西省生态环境质量演变趋势

借助和弦图表征陕西省生态环境质量等级演变情况(图4),2000—2010年期间,68.95%的区域生态环境质量等级提高,主要表现为较差转为中等(13.68%)、中等转为较好(16.92%);生态环境质量退化区域面积占陕西省总面积的1.68%。2010—2020年期间,19.80%的区域生态环境质量等级提高,主要表现为中等转为较好(6%)、较好转为好(9.25%);生态环境质量退化区域面积占陕西省总面积的5.81%。生态环境质量等级提高的面积仍高于退化的面积,但与2000—2010年这一时期相比,生态环境质量转好速度明显放缓;原因在于经济快速发展地区的生态环境呈退化趋势,关中地区以西安市,陕北地区以榆林市资源开发区神木市、府谷县,陕南山区以城中区商州区、汉滨区、汉台区最显著,这些区域人类活动频繁,对生态环境造成较大影响。

图4 陕西省生态环境质量转移矩阵

借助Sen斜率+MK检验反映陕西省近20年来RSEI变化趋势,将分级结果进行叠加,参考已有研究[20],划分出5种变化类型(表5)。由表5可知,陕西省生态环境质量总体以改善为主,改善区域面积占总面积的93.33%,其中77.94%为明显改善区域;稳定不变即没有发生显著变化区域仅占2.91%;植被退化区域占3.76%。由图5可知,生态环境质量改善区域呈片状分布在陕北地区、陕南地区;生态环境质量保持稳定不变的区域呈现零散分布,主要集中在关中城市群的边缘地区;轻微退化以及严重退化区域集中分布在关中平原区,此外,在汉台区、汉滨区以及经济快速发展的县域也有分布。由此看来,陕西省生态环境虽有明显改善,但在经济快速发展区域仍存在生态环境退化的片区,如何在保障经济高速发展的同时实现对生态环境的保护与改善仍是今后需重点关注的问题。

表5 遥感生态指数(RSEI)变化趋势统计

图5 2000—2020年陕西省遥感生态指数(RSEI)变化趋势

3.2 生态环境的影响因素分析

在建立回归模型之前,采用方差膨胀因子对生态环境影响因子进行共线性检验,发现影响因子的VIF值均小于5,表明因子之间不存在高度共线性[25]。GTWR回归结果的相关参数带宽(bandwidth)值为0.190 4,残差平方和(residual squares)为0.171 3,残差的估计标准差(sigma值)为0.028 3,小样本校正后的赤池信息量(AIC)为-776.862,R2为0.873 2,调整R2为0.866 3,时空距离比(spatio-temporal distance ratio)为0.814 9。从拟合优度来看,R2与调整R2均高于0.85,表明 GTWR 模型能更好地在空间上解释各影响因子对陕西省生态环境质量的影响方式与影响程度。

不同时期各驱动因素对陕西省生态环境质量的影响力存在空间分异。从人口因子的回归系数(图6)来看,乡村从业人员比例(X1)对生态环境改善具有积极影响,影响力逐渐减弱,回归系数值由0.051 0降低至0.032 6。作用强度由2000—2010年由北向南逐渐增强转变为2010—2020年由北向南逐渐减弱,高值区(>0.060 0～0.075 0)由2000—2010年集中分布在宝鸡市转变为2010—2020年集中分布在榆林市和延安市且县域数量增加。2000—2020年乡村非农就业比例(X2)对生态环境影响力的空间分布格局无较大变化,以负向影响为主,负向作用区域由69.16%扩大至86.92%,高值区(-0.050 0～-0.033 0)主要分布在陕北地区。农村劳动力生产率(X3)对生态环境质量的影响以正向作用为主,影响力有所减弱,由0.026 9下降至0.021 6;负向作用范围由14.95%缩小至3.74%,区域由集中在榆林市转移至延安市的黄龙县、宜川县,渭南市的韩城市、合阳县。

X1～X3含义见表3。

从土地因子的回归系数(图7)来看,耕地面积占比(X4)对生态环境质量的影响以正向作用为主,影响范围呈缩小趋势,受影响县域面积占比由85.05%下降至51.40%,区域由2000—2010年集中分布在关中、陕南地区转变为2010—2020年集中分布在关中、陕北地区;负向作用区由集中分布在榆林市转为集中分布在陕南地区。林地面积占比(X5)对生态环境的影响由2000—2010年以正向作用为主转变为2010—2020年以负向作用为主,作用强度整体呈降低趋势,回归系数均值由0.113 5降低至0.026 3,负向作用区由集中分布在榆林市转变为集中分布在西安、渭南、铜川、商洛以及咸阳、安康的少数县域。草地面积占比(X6)对生态环境的影响以正向作用为主,影响力整体呈下降趋势,回归系数均值由0.287 9下降至0.061 2。农村居民点面积占比(X7)对生态环境的影响由2000—2010年以正向作用为主转变为2010—2020年以负向作用为主,影响范围由集中分布在延安、榆林市扩展至陕西省,影响程度加深,回归系数均值由-0.002 7下降至-0.114 6。

X4～X7含义见表3。

从产业因子的回归系数(图8)来看,产业结构(X8)对生态环境的影响以负向作用为主,区域由2000—2010年集中分布在关中地区和陕南地区转变为集中分布在安康、商洛、渭南等市,影响力逐渐减弱,由-0.026 8提升至-0.000 2。单位面积粮食产量(X9)对生态环境的影响以正向作用为主,影响力逐渐减弱,回归系数均值由0.056 4降低至0.016 0,影响范围由陕西省(榆林市神木、佳县等县域除外)缩小为集中分布在陕北地区、渭南市、铜川市以及咸阳、宝鸡的少数县域。单位面积化肥使用量(X10)对生态环境的影响由2000—2010年以正向作用为主转变为2010—2020年以负向作用为主,回归系数均值由0.011 5下降至-0.030 7,作用区域由集中在榆林市、延安市的志丹、子长等县域扩大至陕西省。单位面积机械总动力(X11)对生态环境的影响由2000—2010年以负向作用为主转变为2010—2020年以正向作用为主,影响力增强,回归系数均值由-0.029 9提升至0.041 8,区域由集中分布在榆林市、延安市的少数县域扩展至陕西省。

X8～X11含义见表3。

4 讨论与结论

4.1 讨论

在明晰陕西省生态环境质量时空特征与演变趋势的基础上,基于乡村振兴背景,对陕西省生态环境质量变化的影响因素展开研究。各因素对生态环境质量的作用方式与作用强度存在明显的空间差异性。

城镇化、工业化进程的推进,加快了城乡间资本、技术和土地等要素的流动,农业现代化水平明显提升,耕地生产向规模化、集约化经营方向发展,农户劳动生产率得以提高,有益于生态环境质量改善。广泛使用农药、化肥和塑料薄膜等在短期内有益于粮食产量的提高,长期来看易造成农业面源污染、土壤盐渍化[26],进而造成生态环境退化。农村居民点是农户生活的主要场所,其扩张主要是占用耕地、林地和草地等,导致生物多样性退化[27]。陕北黄土高原区生态环境脆弱,随着生态修复工程的开展与推进,林地、草地面积逐渐扩大,生态环境得到改善,耕地逐步转换为草地和林地,农户生产生活受到冲击,更多劳动力选择外出务工,导致乡村地区出现空废化现象,对生态环境造成负向影响。关中平原区经济发展快速,乡村人口获得了更多就近就业的机会,收入的增加使农户对土地使用的压力减小,对生态环境的改善具有促进作用。陕南山区耕地资源有限,土地破碎化程度高,追求耕地效益而忽略生态环保的约束对生态环境造成一定的负面影响。

由此看来,制定乡村振兴政策时需要考虑不同区域人口、土地和产业的现实情况,因地制宜,制定出区域化、科学合理的乡村振兴政策。需要指出的是,该文从县域尺度探究陕西省乡村发展对陕西省整体生态环境质量的影响,受自然地理条件、经济发展程度的影响,县域内部仍存在较大差异。下一步将从多尺度、多地域角度出发,探究乡村转型发展过程对生态环境的作用机理,为改善地域内部生态环境质量、实现乡村振兴提供更细致的参考意见与科学依据。

4.2 结论

以陕西省107个县域为研究单元,基于长时间序列遥感影像,构建陕西省2000—2020年遥感生态指数,借助相关数学方法对陕西省生态环境质量变化驱动因素展开研究,主要结论如下:

(1)2000—2020年间,陕西省RSEI均值从2000年的0.483 3增长到2020年的0.651 2,表明陕西省生态环境整体有转好趋势。陕西省生态环境质量等级为差、较差区域及中等区域面积占比呈下降趋势,分别由38.01%下降至19.24%,由21.85%下降至17.32%;生态环境质量等级为好、较好的区域面积占比呈上升趋势,由40.14%上升至63.43%。

(2)陕西省生态环境质量总体呈现出“快速变好—缓慢转好”的演变趋势。2000—2010年期间,生态环境质量等级提高面积占陕西省总面积的68.95%,2010—2020年期间,生态环境质量等级提高面积占陕西省总面积的19.80%。

(3)各因子对生态环境的影响呈现出明显的空间差异性,以正向作用为主的因子有乡村从业人员比例、农村劳动力生产率、耕地面积占比、草地面积占比和单位面积粮食产量;以负向作用为主的因子有乡村非农就业比例和产业结构;研究期内影响方式发生转变的因子有林地面积占比、农村居民点面积占比、单位面积化肥使用量和单位面积机械总动力。