河南省“三生空間”分類與時空格局分析*

李明薇，鄖雨旱，陳偉強，馬月紅，郭蕊蕊

(河南農(nóng)業(yè)大學資源與環(huán)境學院，鄭州 450000)

0 引言

隨著改革開放近40年的發(fā)展，河南省由原來經(jīng)濟落后的農(nóng)業(yè)大省已經(jīng)發(fā)展成為中國的第五大經(jīng)濟體，成為中原經(jīng)濟區(qū)建設的核心組成部分，城鎮(zhèn)化率由1990年的15.52%提高到2015年的46.85%。然而，快速的發(fā)展也帶來了一系列的城市和農(nóng)村問題：城市人口的急劇增加、環(huán)境惡化、交通擁堵、資源危機等“城市病”和以空心村、老弱化、環(huán)境質(zhì)量差等為主要特征的“鄉(xiāng)村病”[1-4]。河南的發(fā)展面臨著環(huán)境污染、資源緊缺、生態(tài)系統(tǒng)退化、用地結(jié)構(gòu)不合理等一系列的問題。基于此，構(gòu)建科學合理的用地分類體系迫在眉睫，對河南省進行生產(chǎn)、生活、生態(tài)的“三生空間”研究勢在必行。

十八大報告提出了“生產(chǎn)空間集約高效、生活空間宜居適度、生態(tài)空間山清水秀”的“三生空間”發(fā)展理念，十九大報告進一步強調(diào)要加大生態(tài)系統(tǒng)保護力度，完成“生態(tài)保護紅線、永久基本農(nóng)田、城鎮(zhèn)開發(fā)邊界”三條控制線劃定工作?！叭臻g”就是從生產(chǎn)、生活和生態(tài)的視角出發(fā)，結(jié)合土地利用現(xiàn)狀分類國家標準，遵循土地利用的多功能性原則，構(gòu)建的三大土地利用空間體系[5-6]。三生空間的研究對保護生態(tài)環(huán)境、優(yōu)化國土空間開發(fā)和“三線劃定”具有重要意義。

關于“三生空間”，國內(nèi)學者做了大量研究，取得了豐碩的成果。部分學者從“三生空間”的結(jié)構(gòu)框架和分類體系出發(fā)研究其分布狀況：張紅旗[5]等從土地的主體功能出發(fā)，構(gòu)建了中國“三生用地”的分類體系，并對其空間格局進行了分析； 劉繼來[6]等根據(jù)土地利用現(xiàn)狀分類國家標準，構(gòu)建了三生空間分類與評價體系，分析了1990—2010年間中國三生空間的發(fā)展格局及其變化特征； 于莉[7]等運用洛倫茲曲線和基尼系數(shù)的方法，研究了秦皇島市昌黎縣2014年“三生用地”的分布狀況。還有部分學者從其他角度對“三生空間”進行了研究：“三生空間”的承載力分析[8-9]、三生用地功能的定量識別[10-11]、基于三生空間的土地整治[12-14]、基于三生空間的鄉(xiāng)村重構(gòu)與空間布局優(yōu)化[15-19]等。已有研究對土地利用的多功能性考慮不夠全面，對地類的歸并也較為模糊，并且研究尺度主要集中在全國或縣域范圍，對省域尺度的研究較少，特別是對中部地區(qū)的研究不多，河南省作為近幾年來發(fā)展較快的中部大省，面對快速的城市化發(fā)展帶來的一系列問題，亟需開展三生空間的研究，為河南省優(yōu)化國土空間開發(fā)格局和維護生態(tài)系統(tǒng)持續(xù)健康發(fā)展提供良好的借鑒。

該研究在探索三生空間內(nèi)涵的基礎上，依據(jù)土地利用現(xiàn)狀分類國家標準，堅持土地的多功能性并突出其主體功能為原則，參考相關研究[5-7， 20-24]并結(jié)合專家意見，建立了基于土地利用功能的三生空間分類體系與評價標準，揭示了1990—2015年河南省三生空間時空格局及其演變特征，可為河南省“三線劃定”與國土空間優(yōu)化開發(fā)提供參考依據(jù)。

1 研究區(qū)概況

河南省界于北緯31°23′～36°22′，東經(jīng)110°21′～116°39′之間，東接安徽、山東，北接河北、山西，西連陜西，南臨湖北，呈望北向南、承東啟西之勢。全省總面積16.7萬km2，居全國各省區(qū)市第17位，占全國總面積的1.73%。河南省資源豐富，是全國農(nóng)產(chǎn)品主產(chǎn)區(qū)和重要的礦產(chǎn)資源大?。?人口眾多，是全國第一人口大省，勞動力資源豐富，消費市場巨大； 區(qū)位優(yōu)越，是全國重要的交通通信樞紐和物資集散地； 農(nóng)業(yè)領先，是全國位居前列的農(nóng)業(yè)大省和糧食生產(chǎn)大??； 發(fā)展較快，經(jīng)濟總量穩(wěn)居全國第5位； 潛力很大，正處于工業(yè)化、城鎮(zhèn)化加快發(fā)展階段，發(fā)展的活力和后勁不斷增強。然而河南省在經(jīng)濟地位提升和取得以上發(fā)展成果的同時，也面臨著資源短缺、環(huán)境污染等一系列的問題，面對這些問題，構(gòu)建科學合理的土地利用分類體系，進行三生空間時空格局分析對河南省發(fā)展具有重大意義。

2 數(shù)據(jù)來源與研究方法

該研究所用河南省土地利用數(shù)據(jù)來源于地理國情監(jiān)測云平臺，數(shù)據(jù)包括1990年和2015年兩期分辨率為30m的河南省土地利用柵格影像圖。

參考國家土地利用分類方法，并結(jié)合劉紀遠等[25-26]在建設“中國20世紀LUCC時空平臺”建立的LUCC分類系統(tǒng)，將土地利用類型歸結(jié)為包括耕地、林地、草地、水域、建設用地和未利用地在內(nèi)的6個一級類和包括有林地、灌木林、疏林地、其他林地和高、中、低覆蓋度草地等25個二級類型。基于此，在遵循土地利用的多功能性原則的基礎上，構(gòu)建了基于土地利用功能的三生空間分類與評價體系。

2.1 生產(chǎn)用地分類體系

生產(chǎn)用地是指人們?yōu)榱双@取各種產(chǎn)品和服務，直接或間接地進行社會生產(chǎn)的土地[10]。該研究在考慮土地利用的多功能性并突出其主體功能的前提下，將生產(chǎn)用地進一步細分為生產(chǎn)用地和生產(chǎn)生態(tài)用地。生產(chǎn)用地指單純性地用于生產(chǎn)產(chǎn)品和服務的土地，很少或者無發(fā)揮除生產(chǎn)用途以外的其他用途，如工礦商服用地直接或間接地為人們提供了很多產(chǎn)品和服務，屬于重要的生產(chǎn)用地等； 生產(chǎn)生態(tài)用地指主要用于農(nóng)業(yè)生產(chǎn)，同時兼具生態(tài)功能的土地，如耕地在用于農(nóng)業(yè)生產(chǎn)的同時，又發(fā)揮著重要的生態(tài)功能。基于此，該文構(gòu)建了生產(chǎn)用地分類體系如表1所示。

2.2 生活用地分類體系

生活用地是指人們用于居住、休憩、娛樂、科教文衛(wèi)及一些特殊用途的土地。該研究將其分為生活用地和生活生產(chǎn)用地。獨立于城鎮(zhèn)以外的農(nóng)村居民點是人們居住和休憩的場所，是典型的生活用地，其在遙感影像中比較獨立明顯，容易提取。生活生產(chǎn)用地指既為人們提供居住同時又提供文化娛樂等服務功能的用地，主要指大、中、小城市及縣鎮(zhèn)以上建成區(qū)用地，這類用地中居民點和為人們提供文化娛樂的商服用地混合在一起，在遙感影像中難以將二者區(qū)分，因此將這些用地歸類為生活生產(chǎn)用地，其中，軍事、使領館、監(jiān)教、宗教、殯葬等特殊用地也屬于重要的生活生產(chǎn)用地。生活用地分類體系如表2。

表1 生產(chǎn)用地分類體系

表2 生活用地分類體系

2.3 生態(tài)用地分類體系

目前學術界對于生態(tài)用地的內(nèi)涵各執(zhí)一詞，并沒有明確和統(tǒng)一的定論，生態(tài)用地也未作為一個獨立的土地利用類型提出。該研究參考國內(nèi)學者對生態(tài)用地的研究成果與定義[27-30]，認為生態(tài)用地是指以提供生態(tài)產(chǎn)品、調(diào)節(jié)大氣環(huán)境和保護生物多樣性等生態(tài)服務功能為目的，對促進地區(qū)可持續(xù)發(fā)展和保持區(qū)域生態(tài)平衡具有重要促進作用的土地利用類型。根據(jù)土地利用功能的多樣性，該研究將生態(tài)用地分為生態(tài)用地和生態(tài)生產(chǎn)用地兩種土地利用類型。

生態(tài)用地指受人類影響較小，具有調(diào)節(jié)大氣、涵養(yǎng)水源、保持水土、保護生物多樣性等功能的用地類型，主要包括林地、草地、灘涂、冰川及永久積雪、未利用土地中的其他用地、鹽堿地、沼澤地、裸地和沙地等，這些土地均屬于比較完全的生態(tài)用地。生態(tài)生產(chǎn)用地指既具有重要的生態(tài)功能又有一定的生產(chǎn)功能，但生態(tài)功能要大于生產(chǎn)功能的土地，這類用地包括高覆蓋度的改良草地和割草地、河渠、湖泊和水庫坑塘等。具體的生態(tài)用地分類體系如表3。

表3 生態(tài)用地分類體系

表4 “三生空間”評分標準

2.4 評價標準

土地利用的多功能性決定了我們在土地利用分類體系中既要突出其主體功能，又要考慮到其次要功能?；诖?，該文參考相關研究[6]并結(jié)合專家意見建立了“三生空間”評分標準(表4)，例如生產(chǎn)用地評分標準：生產(chǎn)用地為5分，生產(chǎn)生態(tài)用地為3分，非生產(chǎn)用地為0分，生活和生態(tài)用地評分標準與其相同。

3 結(jié)果與分析

3.1 1990年和2015年河南省“三生空間”格局

該研究運用地理信息系統(tǒng)空間分析技術制作了1990年和2015年兩期的河南省“三生空間”格局分布圖——生產(chǎn)空間(圖1)、生活空間(圖2)、生態(tài)空間(圖3)。技術流程如下：將原始30m分辨率的河南省1990年和2015年兩期遙感影像，按照表4“三生空間”評分標準在Arcgis中進行重分類，并以河南省各個省轄市為范圍制作矢量格網(wǎng)覆蓋整個研究區(qū)域，然后對重分類后的遙感影像進行區(qū)域統(tǒng)計，計算每個省轄市的三生空間評分值，生成相應的柵格影像。

(1)河南省生產(chǎn)空間格局。河南省生產(chǎn)空間主要分布在中東部平原地區(qū)(圖1)。評分值為5的生產(chǎn)空間分布特征： 2015年明顯比1990年增加很多，主要分布在河南省的中北部地區(qū)，包括鄭州市、平頂山市、洛陽市東北部、焦作市、三門峽市、濟源市、新鄉(xiāng)市、鶴壁市、安陽市西北部等，南陽市也有零星分布，其中除了鄭州市是省會城市工商業(yè)比較發(fā)達以外，其他省轄市均是礦產(chǎn)資源比較豐富的城市。評分值為3的生產(chǎn)生態(tài)空間分布特征： 2015年生產(chǎn)生態(tài)空間明顯比1990年生產(chǎn)生態(tài)空間范圍有所縮小，每個省轄市都有不同范圍的減少，鄭州市最為明顯。

(2)河南省生活空間格局。河南省生活空間主要分布在中東部平原地區(qū)(圖2)。評分值為5的生活空間分布特征：該類生活空間指的是農(nóng)村居民點，河南省是重要的農(nóng)業(yè)大省和人口大省，農(nóng)村人口占總?cè)丝诘?9.3%，農(nóng)村居民點分布廣泛，從圖2可以看出， 1990年和2015年農(nóng)村居民點分布格局基本一致。評分值為3的生活生產(chǎn)空間分布特征：生活生產(chǎn)空間分布在各省轄市的城鎮(zhèn)地區(qū)，從圖2可以看出， 2015年河南省生活生產(chǎn)空間比1990年明顯增加很多，主要是因為改革開放以來隨著經(jīng)濟的快速發(fā)展和城鎮(zhèn)化進程的加快，河南省各省轄市城鎮(zhèn)范圍均有不同程度地擴大，鄭州市是變化最為明顯的一個城市。

(3)河南省生態(tài)空間格局。從圖3可知，河南省生態(tài)空間主要分布在西部山地和南部山地地區(qū)， 1990年和2015年生態(tài)空間格局基本一致，呈現(xiàn)出“西高、南高、東低”的格局特征。

圖1 1990年和2015年河南省生產(chǎn)空間格局

3.2 河南省“三生空間”格局變化

該研究利用地理信息系統(tǒng)中的空間分析技術，通過運用柵格計算工具計算出河南省1990年和2015年兩期重采樣的柵格影像差值，并基于標準差分級法將其劃分為“擴大、保持、減少”三級，揭示了1990—2015年河南省三生空間格局變化情況，如圖4、圖5、圖6。

(1)河南省生產(chǎn)空間格局變化。1990—2015年河南省生產(chǎn)空間格局變化特征，從圖4可以看出大部分區(qū)域生產(chǎn)空間保持不變； 擴張區(qū)域主要分布在河南省中部地區(qū)，包括鄭州、平頂山、駐馬店西部及黃河沿岸地區(qū)，同時三門峽市中部也有范圍較大的擴張，其他省轄市擴張規(guī)模較小，呈點狀式擴張狀態(tài)； 生產(chǎn)空間減少區(qū)域主要分布在各個省轄市中的城鎮(zhèn)地區(qū)，其中信陽南部地區(qū)有較大區(qū)域生產(chǎn)空間呈減少狀態(tài)。

圖4 1990—2015年河南省生產(chǎn)空間格局變化 圖5 1990—2015年河南省生活空間格局變化

圖6 1990—2015年河南省生態(tài)空間格局變化

鄭州市生產(chǎn)空間擴張主要是因為鄭州市是河南省會城市、工商業(yè)發(fā)達和城鎮(zhèn)化進程的加快； 平頂山市、三門峽中部、駐馬店西部生產(chǎn)空間擴張是因為這些地區(qū)擁有大量的礦產(chǎn)資源，是省內(nèi)重要的礦產(chǎn)城市，近年來隨著經(jīng)濟和礦產(chǎn)開采技術的發(fā)展，對這些地區(qū)礦產(chǎn)資源進行了大量開發(fā)，形成了工礦開發(fā)區(qū)； 黃河沿岸地區(qū)生產(chǎn)空間擴張主要是因為自20世紀80年代以來，隨著黃河流域河南段農(nóng)業(yè)經(jīng)濟的迅速發(fā)展及生活經(jīng)濟用水量的增加，黃河水位不斷降低，土地利用方式發(fā)生了改變[31]。各省轄市生產(chǎn)空間減少的主要原因是由于為了滿足經(jīng)濟發(fā)展和城鎮(zhèn)化進程加快的需要，各城鎮(zhèn)面積都在原來基礎上有不同程度地擴大，城鎮(zhèn)擴張占用大量生產(chǎn)用地； 信陽南部地區(qū)生產(chǎn)空間減少是因為退耕還林政策的實施[32]。

(2)河南省生活空間格局變化。1990—2015年河南省生活空間格局變化特征，從圖5可以看出，河南省大部分地區(qū)生活空間格局基本保持不變； 擴大區(qū)域與范圍較為明顯，主要分布在各省轄市的城鎮(zhèn)地區(qū)，鄭州市擴張面積最大。

河南省生活空間擴張的原因主要是經(jīng)濟發(fā)展、人口增加和城鎮(zhèn)化帶來的建設用地擴張。1985—2005年間，河南省人口的總量從7 847萬人增加到9 768萬人，人口密度從470人/km2增加到585人/km2，建設用地增加了19.640 8萬hm2，耕地減少了9.787 1萬hm2，草地減少了8.816 5萬hm2，同時在耕地轉(zhuǎn)出面積(24.394 5萬hm2)中，有約78%(19.022 0萬hm2)轉(zhuǎn)為建設用地[33]。

(3)河南省生態(tài)空間格局變化。1990—2015年河南省生態(tài)空間格局變化特征,從圖6可以看出，生態(tài)空間擴大區(qū)域主要集中在嶗山東西兩坡區(qū)域、伏牛山、大別山等區(qū)域； 生態(tài)空間減少區(qū)域主要在嵩山、黃河沿岸區(qū)域、桐柏山、信陽南部丘陵區(qū)域、嶗山大部區(qū)域。

嶗山東西兩坡區(qū)域、伏牛山生態(tài)空間擴張得益于山體綠化的實施，信陽市南部的大別山生態(tài)空間擴大主要因為退耕還林工程的進行[31]； 嵩山生態(tài)空間減少是嵩山旅游業(yè)的不可持續(xù)發(fā)展及開發(fā)導致的[34]； 桐柏山、嶗山生態(tài)空間減少是因為礦產(chǎn)資源的不合理開采[35]； 近年來隨著氣候變化和人類活動的不斷加劇，黃河水沙情勢發(fā)生明顯變化，并引起一系列新問題，例如河道萎縮、斷流頻繁發(fā)生等，致使黃河沿岸地區(qū)生態(tài)空間減少[36]； 信陽南部丘陵地區(qū)生態(tài)空間減少主要是丘陵農(nóng)業(yè)的發(fā)展導致部分生態(tài)用地減少。

4 結(jié)論與討論

(1)生產(chǎn)空間主要分布在河南省的中北部地區(qū)，包括鄭州市、平頂山市、洛陽市東北部、焦作市、三門峽市、濟源市、新鄉(xiāng)市、鶴壁市、安陽市西北部等，南陽市也有零星分布； 2015年生產(chǎn)生態(tài)空間明顯比1990年生范圍有所縮小，每個省轄市都有不同范圍也減少，鄭州市最為明顯。其擴張區(qū)域主要分布在河南省中部地區(qū)，減少區(qū)域主要分布在各省轄市的城鎮(zhèn)地區(qū)，其中信陽南部山地有較大區(qū)域生產(chǎn)空間呈減少狀態(tài)。

(2)生活空間主要分布在平原地區(qū)，兩期生活空間基本保持一致，但是生活生產(chǎn)空間2015年較1990年有較明顯地增加。擴大區(qū)域主要是生活生產(chǎn)空間，分布在各省轄市的城鎮(zhèn)地區(qū)，鄭州市擴張面積最大。

(3)生態(tài)空間主要分布在西部山地和南部山地區(qū)域，兩期生態(tài)空間格局基本一致，呈現(xiàn)出“西高、南高、東低”的格局特征。擴大區(qū)域主要集中在嶗山東西兩坡、伏牛山、大別山等區(qū)域； 減少區(qū)域主要在嵩山、黃河沿岸區(qū)域、桐柏山、信陽南部丘陵區(qū)域、嶗山大部區(qū)域。

(4)經(jīng)濟的快速發(fā)展、城鎮(zhèn)化進程的加快和人口的大量增加是河南省三生空間發(fā)生變化的主要驅(qū)動力，其中鄭州市是變化最大一個地區(qū)，這是由鄭州市的政治和經(jīng)濟地位決定的。

該研究基于“三生空間”的視角構(gòu)建了河南省土地利用分類體系，揭示了河南省1990—2015年三生空間格局及其演化特征。三生空間是在社會發(fā)展過程中根據(jù)發(fā)展需要不斷演化的結(jié)果，受地區(qū)人文、自然、經(jīng)濟、文化、科技、政策等多方面因素的影響，它是一個動態(tài)的發(fā)展演變過程。因此，關于三生空間的發(fā)展原因、演變趨勢的預測、與區(qū)域規(guī)劃的緊密結(jié)合及對其不合理現(xiàn)狀改進的措施等均需要開展深入研究。