黄河流域生态—经济—社会耦合协调度的时空格局与驱动机制：基于多源遥感数据与县域面板数据的实证研究

《Land》：H3 Isochrones in the Context of the 15-Minute City

　　

摘要专业翻译 人类高强度活动与脆弱生态系统保护之间的冲突，已经并将持续影响黄河流域生态—经济—社会复合系统的协调发展。为促进流域可持续发展，迫切需要深入理解人类土地利用变化与生态修复对该系统耦合协调的影响。本研究将遥感数据与2001—2020年县域面板数据相整合，在精细空间分辨率上评估了耦合协调度，并探讨了城市化率、耕地面积和植被面积变化对耦合协调度变化影响的空间异质性。研究发现，耦合协调度总体偏低，并在水热资源最丰富、社会经济发展水平最高的下游地区呈现高—高集聚特征。自2001年以来，耦合协调度呈显著上升趋势，并在黄土高原农牧交错带（退耕还林工程核心区）呈现高—高集聚。在中上游地区，城市化率应调控在合理范围内，以确保耕地和植被面积的充分保留，从而维持耦合协调。保持或增加耕地和植被面积，可通过保障粮食安全和生态系统服务供给支撑城市扩张，进而增强耦合协调。生态修复在促进中上游地区协调发展方面发挥了主导作用。生态保护与修复工程的持续推进增强了生态系统服务和农村居民福祉，促进了可持续发展。上述发现将有助于优化人类土地利用活动治理与生态工程实施，以推动研究区域的可持续发展。

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一、研究背景与问题提出

黄河流域是中国重要的生态安全屏障和人口经济活动密集区，承载着全国15%的耕地和七个城市群。流域内生态系统与社会经济发展呈现显著的空间分异：上游位于青藏高原东北缘、内蒙古高原南部及黄土高原西部，贡献了全流域60%的径流量，但社会经济发展水平最低，对人为活动高度敏感；中游地处黄土高原，贡献了黄河90%的泥沙负荷，其根源在于人类土地利用扩张；下游位于华北平原，社会经济发展水平最高，但面临生态用地被城市和耕地扩张挤压的挑战。人类土地利用是驱动流域生态—经济—社会耦合协调的主要因素，快速城市化在提升经济效益和社会福祉的同时，也侵占了自然生态系统并加剧资源消耗；为满足不断增长的粮食需求而进行的耕地扩张则导致植被退化、水土流失和面源污染。为缓解生态、经济、社会子系统间的冲突，国家实施了系列生态修复工程，使耦合协调关系日趋复杂。然而，以往研究多采用省级或市级面板数据，存在空间分辨率粗糙、长时序数据缺失、缺乏生态和水资源指标等局限，难以在精细尺度上揭示耦合协调的驱动机制。因此，亟需整合高分辨率、长时序的多源遥感数据与县域面板数据，深入评估黄河流域生态—经济—社会耦合协调度及其变化趋势，并解析人类土地利用变化和生态修复对耦合协调度变化的空间异质性影响，以支撑流域可持续发展决策。

二、研究设计与主要结论

针对上述问题，研究人员以黄河流域内410个县域为研究区，构建了生态—经济—社会复合系统指标体系，采用耦合协调度模型量化了2001—2020年三个子系统间的耦合协调关系，运用线性回归模型计算其变化趋势，通过Anselin Local Moran's I分析空间集聚特征，并借助地理加权回归（Geographically Weighted Regression, GWR）探究城市化率、耕地面积和植被面积变化对耦合协调度变化的影响及其空间异质性。

研究得出以下主要结论：其一，流域耦合协调度总体偏低，平均值为0.22，高值区集中在水热条件优越、社会经济发展水平最高的下游地区，呈现显著的高—高集聚格局；低值区则分布于生态脆弱的湟水谷地—陇中高原和吕梁山—毛乌素沙地东部等中西部地带。其二，2001—2020年间耦合协调度呈显著上升趋势，年均变化率为2.99%，黄土高原农牧交错带（退耕还林工程核心区）成为变化的高—高集聚区，而黄河源区因生态保护优先于社会经济发展，变化幅度相对较小。其三，耦合协调度沿人类土地利用和植被梯度呈现规律性分异：中等城市化率（20%—50%）与中等耕地面积（9—11×10³ m²）组合的县域耦合协调度最高；高植被面积（>10×10⁵ m²）配合中等城市化率的县域同样表现出较高协调水平；高植被—低耕地与中等植被—高耕地组合均有利于协调发展，而低植被—低耕地和高植被—高耕地组合则协调度偏低。其四，在变化梯度上，城市扩张（>8%）伴随耕地或植被面积稳定或增加（≥0%）的县域，耦合协调度变化率最高；而城市扩张伴随耕地或植被面积显著减少的县域，协调度变化率最低。其五，GWR分析显示，城市化率变化对耦合协调度变化的正向效应在下游和黄河中游东北部（国家能源化工基地）最为显著；耕地面积变化的正向效应集中于中游西南部六盘山地区，而负向效应出现在腾格里沙漠东部—毛乌素沙地西南部及山东半岛城市群；植被面积变化对耦合协调度变化的正向效应在上中游最为突出，尤其在湟水谷地西南部和腾格里沙漠东部—毛乌素沙地—吕梁山地带，生态修复发挥了主导作用。

三、讨论与结论

讨论部分指出，本研究构建的指标体系有效弥补了以往研究在空间分辨率和生态指标方面的不足，多源遥感数据（JRC GSW地表水数据、MODIS净初级生产力NPP和叶面积指数LAI、Landscan人口密度数据）与县域面板数据的整合为全球可持续发展研究提供了可行范式。耦合协调度的空间分异特征与流域自然禀赋和社会经济发展格局高度一致：下游地区水热条件充足、生态系统质量高且经济人口密集，故协调度最高；中上游生态脆弱区在自然保护工程、退耕还林工程和三北防护林工程等持续实施下，耦合协调度提升显著。研究进一步表明，在干旱半干旱的上中游地区，应保持充足的耕地和植被面积以支撑城市化进程，并将城市化率调控在20%—50%的合理区间；生态修复不仅能扩大植被面积，还能为被侵占耕地的“占补平衡”预留土地资源，是调和人与土地冲突、提升耦合协调度的关键因素。GWR结果证实了生态修复在上中游地区的主导作用，这些工程通过增强水土保持等生态系统服务，并促进就业和特色农牧业、生态旅游发展，改善了农村居民福祉。耕地变化的影响具有空间异质性：六盘山地区通过耕地破碎化治理和特色农业发展提升了协调度，而湟水谷地、宁夏平原的耕地减少和破碎化以及腾格里沙漠东部、山东半岛城市群的耕地扩张侵占植被，均对协调度产生抑制作用。城市化对协调度的促进作用在中下游尤为明显，而上游的生态保护限制了城市化效应的发挥。

研究结论可归纳为：黄河流域生态—经济—社会耦合协调度总体偏低（均值0.22），但2001—2020年间呈显著上升趋势；高协调度县域集中于下游，低协调度县域主要分布于生态脆弱的上中游；应保持充足的耕地和植被面积以支撑城市扩张，保障粮食安全和生态系统服务供给；生态修复在上中游协调度提升中发挥主导作用，生态保护与修复工程的持续推进增强了生态系统服务并改善了农村居民福祉。本研究不仅揭示了人类土地利用变化和生态修复对流域耦合协调的影响，还提供了整合多源数据集解构流域复合系统的方法，可应用于未来全球可持续发展研究。但研究结论局限于行政区尺度，未来需进一步构建跨行政区耦合协调评估框架，并发展多源大数据予以支撑。