基于“三生空間”的土地利用功能演變及生態環境響應
——以桂西資源富集區為例

黃天能, 張云蘭

廣西財經學院經濟與貿易學院, 南寧 530003

土地利用變化是指在一定時期內與區域社會經濟轉型發展相對應的土地利用形態在時空序列上的演變過程[1-2],包括土地利用結構和功能的演變過程[3]。土地利用結構演變表現為區域土地資源數量在土地利用類型之間的相互轉換以及空間布局的演變,土地利用功能演變表現為土地利用的生產、生活、生態(簡稱“三生”)三大主導功能之間的相互轉換及空間分布的演變[4]。近年來眾多學者紛紛對土地利用變化的概念、理論與假說、必然性等問題進行研究,成果大多基于土地利用結構演變的視角探討土地利用變化時空格局[5-7]、城市擴張與土地利用變化[8-9]、土地利用變化對區域社會經濟以及生態環境質量的影響[10-12]、土地利用變化驅動力分析[13-14]、土地利用演變模式[15]等。土地利用變化對生態環境的影響是全球關注的焦點問題之一,研究內容從地表生態環境系統演變到大氣變化均有涉及,可概況為以下幾種類型：一是從生境破碎度的視角分析土地利用變化引起景觀格局的演變及由此對生物生存環境產生的影響[16]；二是從環境質量演變的視角分析土地利用變化對生態系統服務價值產生的影響[17-18]；三是土地利用格局演變對空氣質量及PM2.5濃度的影響[19-20]?；凇叭臻g”的土地利用主導功能演變將土地利用變化與區域社會經濟轉型發展相銜接,是研究土地利用變化問題的新視角。黨的“十八大”提出“生產空間集約高效、生活空間宜居適度、生態空間山清水秀”的國土空間規劃目標,“十九大”進一步強調“堅定走生產發展、生活富裕、生態良好的文明發展道路”,此后學術界紛紛從理論框架、劃定方法、格局演變、多功能評價等方面對土地利用功能演變進行研究[21-25]。2019年5月,國家頒布的《關于建立國土空間規劃體系并監督實施的若干意見》明確提出“三區空間”劃定的基本要求,標志著國土空間開發格局從以生產空間為主導轉向生產、生活和生態“三生空間”相協調的開發模式[26]?！叭臻g”成為當前地理學、生態學和經濟學等眾多學科研究土地利用變化的熱點[27-29]?；凇叭臻g”土地利用功能演變產生的土地破壞、大氣污染、水體惡化、生態系統退化等環境問題已引起廣大學者的關注,但研究成果尚不多見。已有研究對“三生空間”的識別仍有不足,關于“三生空間”功能分類體系中各功能地類的生態環境質量指數賦值思想和觀點尚未統一,仍有可改進之處。

桂西資源富集區是國家西部大開發明確支持建設的8個重點能源資源富集地區之一,是中國通往東盟國家的重要通道,也是廣西經濟新的增長極。近年來,在政策與經濟的驅動下,區域土地利用形態隨著礦產資源開發、工業化水平提高、區域城鎮化等發生明顯轉變,土地開發強度不斷增大,土地利用功能隨之發生變化。桂西資源富集區作為區域資源開發的新戰場,土地利用變化逐年活躍,由此引起的生態環境變化值得廣大政府工作人員和科技工作者深入思考和研究,因此,定量研究桂西資源富集區社會經濟轉型發展過程中1995—2015年各時段土地利用功能演變的時空特征及生態環境響應規律,可為資源型地區土地資源開發和生態環境保護提供借鑒。

1 研究區概況與數據來源

1.1 研究區概況

桂西資源富集區是指地處廣西西部的河池、百色、崇左三市所轄的30個縣(市、區),土地面積869萬 hm2,占全區土地總面積37.8%,2018年末總人口約920萬人,具有資源富集、生態脆弱、沿邊開放、扶貧開發、西南出海大通道支撐點等鮮明特征,是我國西南自然資源豐富、民族文化濃郁、區位條件較好、發展潛力較大的地區,具體位置及研究范圍見圖1。近年來伴隨著城鎮化快速推進和礦產資源不斷開發,土地利用功能發生變化,研究桂西資源富集區土地利用功能演變及生態環境響應規律,對未來國土空間規劃和管控以及區域生態環境保護等具有典型性和較強的現實指導意義。

圖1 研究區位置及范圍

1.2 數據來源與處理

研究區1995年、2000年、2005年、2010年和2015年土地利用數據來源及特征見表1?；谶b感影像,利用ENVI5.1進行幾何校正、影像增強、影像融合、鑲嵌與裁剪等一系列處理后,在ArcGIS 10.2平臺上進行目視解譯。參考中國科學院土地分類體系,結合研究區土地利用特點,將土地利用/覆被類型劃分為水田、旱地、有林地等17種類型,并利用GPS進行野外定點核查,同時與Google Earth高分辨率影像進行精度驗證,數據解譯精度均在90%以上,滿足研究要求。行政區界線來源于2017年版全國基礎地理信息數據庫。

表1 土地利用遙感影像信息說明

2 研究方法

2.1 “三生空間”分類體系構建及生態環境質量指數計算

土地是一個集生產、生活和生態功能于一體的多功能復雜綜合體,但由于土地利用方式、強度等不同,使不同土地利用類型的主導功能差異較大,因此科學識別區域“三生空間”是本研究的重要基礎。以中國科學院土地分類體系為基礎,參考張紅旗等[30]對中國“三生用地”分類體系結合研究區土地利用特點,以土地主導功能和次要功能相結合的原則構建研究區“三生空間”分類體系,其空間布局見圖2；受李曉文等[31]制定的土地利用類型生態環境質量值過程和結果的啟示,筆者認為同一地類在不同的土地利用結構中所體現的生態環境質量應不同,因此本文利用面積加權法[32]動態計算研究區不同年份“三生”土地利用主導功能分類的生態環境質量指數(表2)。

圖2 基于“三生空間”的土地利用現狀空間分布

表2 桂西資源富集區土地利用主導功能分類體系及其生態環境質量指數

2.2 土地利用功能轉移矩陣

土地利用功能結構演變可通過土地利用類型轉移矩陣模型來實現,轉移矩陣既能反映土地利用的數量變化,又能體現“三生空間”的轉移方向?；谘芯繀^1995年、2000年、2005年、2010年和2015年5期影像數據,利用ArcGIS10.2中的重分類和地圖代數運算功能,獲取各時段土地利用功能轉移面積,進而借助Excel的數據透視表功能構建土地利用功能轉移矩陣。

2.3 土地利用功能重心轉移模型

土地利用功能重心轉移模型基于人口地理學中的人口分布重心原理構建而得,基本方法是：把研究區分為k個評價單元,確定每個評價單元的幾何中心坐標(以經緯度表示),然后將中心坐標乘以該評價單元該類型功能用地的面積,最后將累加后的乘積除以研究區該類型功能用地的總面積,即可求出研究區域內某種土地功能的重心坐標[33-34],表達式為：

(1)

式中,Xt、Yt分別為第t年某種土地資源分布重心的經緯度坐標；Xk、Yk分別為第k個評價單元幾何中心的經緯度坐標；Ski為第k個評價單元某類功能用地的面積；n為基于“三生功能”的土地資源類型數量。重心轉移距離指某年份重心與隨后相鄰年份重心之間的直線距離,設第t,(t+1)年份重心分別為Pt(Xt,Yt),Pt+1(Xt+1,Yt+1),則相鄰年份重心轉移距離為：

(2)

2.4 土地利用功能演變的生態環境響應模型

2.4.1生態環境質量指數

區域生態環境質量指數是該區域內“三生用地”具有的生態環境質量及其面積比例綜合作用的結果[35-36],計算公式如下：

(3)

式中,EVk為第k個評價單元的生態環境質量指數,Ski為第k個評價單元某類功能用地的面積；Sk為第k個評價單元的土地總面積,Vi為第i類功能用地的生態環境質量指數,n為基于“三生功能”的土地資源類型數量。

2.4.2生態貢獻度

土地利用功能演變的生態貢獻度指土地利用功能轉換導致的區域環境生態質量改變的影響程度[37-38],正值表示該類轉型改善區域生態環境質量,負值表示該類轉型導致區域生態環境質量下降。計算公式如下：

(4)

式中,LEI為土地利用功能演變的生態貢獻度,LEj、LEi分別為某種土地利用功能變化類型所反映的變化初期和末期土地利用類型所具有生態環境質量指數,ΔSk為該變化類型的面積；Sk為第k個評價單元的土地總面積；n為基于“三生功能”的土地資源類型數量。

3 結果與分析

3.1 土地利用功能演變特征

由圖3可知：隨著礦產資源開發和城鎮化快速發展,桂西資源富集區生態生產空間和生活生產空間呈上升趨勢,20年間生態生產空間面積增加了124.95 hm2,2015年較1995年增長了20.40%；生活生產空間面積增加了174.77 hm2,2015年較1995年增長了24.03%,其中2010—2015年增長幅度最大,增加了134.47 hm2,占研究期增長幅度的76.94%。生態空間總體呈下降趨勢,20年間生態空間面積減少了267.32 hm2,其中1995—2000年減少幅度最大,為170.90 hm2,占研究期減少幅度的63.93%；生產生態空間呈先上升后下降的趨勢,1995—2000年增長了145.02 hm2,隨后2000—2015年持續下降了177.42 hm2,總的來說,即使受國家耕地保護制度的制約,研究期內桂西資源富集區生產生態空間面積仍減少了32.40 hm2。

圖3 1995—2015年“三生空間”面積走勢

為進一步研究土地利用功能演變過程和特征,以“三生空間”構建了轉移矩陣,結果如表3：1995—2000年轉移面積最大的是生態空間轉為生產生態空間,為154.01 hm2,主要是林地和草地轉為旱地；其次是生態空間轉為生態生產空間,面積為18.02 hm2,主要是局部地區開挖坑塘水面養殖占用其他林地和草地；少量生產生態空間轉為生態生產空間和生活生產空間。2000—2005年轉移面積最大的是生產生態空間轉為生態空間,這一轉移過程與上一時期最大轉移類型相逆,面積為52.01 hm2,主要是耕地撂荒后轉變為草地和林地；其次是生態空間轉為生態生產空間,面積為15.13 hm2,具體轉移地類類似于上一時段；生態空間和生產生態空間向生活生產空間轉移較上一時期明顯增大。2005—2010年,生態空間轉為生態生產空間上升為最顯著的轉移類型,面積達43.27 hm2,占該時期轉移面積的45.98%。其次是生產生態空間向生活生產空間和生態生產空間轉變,分別為20.43 hm2和16.23 hm2,主要表現為耕地被建設占用以及耕地轉變為養殖水面；生態空間向生活生產空間轉移6.07 hm2,亦有生態空間和生產生態空間相互轉化,但生態空間向生產生態空間轉移占主導地位。2010—2015年,生活生產空間面積大幅提升,增加面積136.47 hm2,主要來自生產生態空間和生態空間,分別為82.14 hm2和54.33 hm2,說明該時期建設主要占用了耕地,其次是林地和草地；發生轉移的還有生態空間向生態生產空間轉移、生態空間和生產生態空間相互轉化、生產生態空間向生態生產空間轉移。值得注意的是2010—2015年首次出現了生活生產空間向生產生態空間轉移,體現為建設用地轉變為耕地,這可能是近年來易地扶貧搬遷、農村建設用地整理以及礦山復墾的綜合作用對耕地保護的貢獻?？偟膩碚f,生態生產功能和生活生產功能增強、生態功能和生產生態功能減弱是研究區三生空間轉型的主基調；“三生空間”轉型受資源開發、精準扶貧、土地管理政策等因素的共同影響。

表3 1995—2015年各時段“三生空間”轉移矩陣/hm2

3.2 土地利用功能重心轉移

根據公式(1)分別計算了研究區1995年、2000年、2005年、2010年和2015年的“三生空間”重心坐標并判別重心位置及轉移方向,根據公式(2)計算重心轉移距離,結果如圖4。

圖4 1995—2015年各時段“三生空間”重心位置、轉移方向及距離

從重心位置來看,20年間,生態空間重心均落在田陽縣境內,主要是該縣以低山丘陵土山地為主,占全縣土地總面積的比例約為55%,土山地易于植被生長,使該區域成為桂西資源富集區重要的生態屏障；生產生態空間重心均落在田東縣境內,源于生產生態功能對自然條件要求相對較高,而田東縣地處右江河谷沖積平原,中部為平緩開闊的盆地,右江河穿過盆地中間流向東南,兩岸形成比較平坦的耕作高產地,是廣西重要的糧食生產基地,也是萬畝高標準基本農田建設基地；生態生產空間重心均落在田陽縣境內,田陽縣地處右江河谷中部,水域總面積約為616667 hm2,占全縣土地總面積的2.58%,境內水利設施相對完善,是重要的水產養殖基地；生活生產空間重心均落在大新縣境內,大新縣錳礦、鐵礦、石炭巖、稀土礦等礦產資源豐富,境內以小型礦山為主,分布廣泛,近年來礦產資源開發及礦山修復使建設用地遷移活躍。

從各功能空間重心轉移方向和距離來看,向東偏北方向遷移是生態空間重心轉移的主體趨勢,20年間共向東偏北方向移動333.89 m(如圖4虛線所示,下同),由田陽向巴馬方向轉移。生產生態空間重心先向西北轉移909.41 m,后向西南轉移729.29 m,最后向東北方向轉移254.32 m,20年間生產生態空間重心共向西北方向轉移959.94 m,由田東向田陽方向轉移。生態生產空間重心轉移距離最大,達25526.52 m,四個時段均向西北方向轉移。生活生產空間重心因礦產開采和礦山復墾的復雜性轉移方向多變,1995—2015年共向西南方向轉移11579.48 m。生態生產空間和生活生產空間轉移距離明顯大于生產生態空間和生態空間,說明坑塘水面和建設用地受人類干擾強烈,土地利用變化活躍程度較高；而耕地、林地、草地等生產生態用地和生態用地受自然環境的約束較大,短時期內不會發生強烈演變。

3.3 土地利用功能演變的生態環境響應

3.3.1生態環境質量演變

研究區各年份生態環境質量指數計算結果顯示(表4)：1995—2015年研究區生態環境質量指數由1995年的0.6337持續降至2015年的0.6323,表明生態環境總體質量有所下降。從1995到2015各年中,雖然生態環境質量年度變化量不大,但處于持續降低的狀態,可能的原因：一是2000年以前桂西資源富區礦產資源開發主要集中在平果和南丹,其他地方以小規模礦山為主,2000年后開始對德保、靖西等地進行大規模的鋁礦資源開發,目前仍處于礦產資源開發周期的初始階段,短時間內生態環境質量不會發生太大變化,但生態環境質量持續降低的問題應引起政府部門和學術界的重視；二是研究區生態環境質量同時存在改善和降低兩種趨勢,一定程度上相互中和,降低趨勢略占優勢。根據圖5結合圖2可知,各評價時點上,田林、都安、大化、憑祥、凌云、西林、樂業等以林草地為主要地類的縣域生態環境質量較高,田林和憑祥以發展林木業產品為主要產業,生態環境質量較高,而都安、大化、凌云、西林、樂業等縣受地形地貌影響,限制了工業發展和城鎮聚集,生態環境質量較高。南丹、靖西、德保、平果等重點礦產資源型縣域生態環境質量較低；田陽和田東作為廣西重要的農產品生產基地,生態環境質量普遍偏低；宜州市、江州區和扶綏縣是近年來廣西重點推進城鎮化的區域,生態環境質量最低,表明城鎮擴張過程中建設用地規模擴大嚴重影響區域生態環境質量；金城江因四面環山發展受限,河池市選擇宜州市作為重點發展區域,各項產業向宜州市轉移；崇左2003年撤縣立市后,江州區作為全市的政治、經濟、文化中心,近年來城鎮建設規模不斷擴大；扶綏縣作為南寧市的后花園,不僅煤礦資源豐富,也是廣西推進城鎮化的重點區域,近年來不斷吸引各大中專院校和房產企業入駐,城鎮建設用地面積迅速增長,生態環境質量指數較低。從時間序列對比單個縣域的評價結果可知,研究期間,有 26個縣(市、區)生態環境質量處于下降態勢,占總研究區域的86.67%,因此持續下降是研究區生態環境質量的主體趨勢,低質量區主要集中在中部的田陽、田東、平果縣和東南部的宜州市、江州區和扶綏縣。

表4 各年份生態環境質量指數

圖5 各年份生態環境質量空間分布

3.3.2生態貢獻率差異

區域內生態環境質量同時存在著改善與下降兩種相逆的趨勢,在一定程度上相互抵消使區域生態環境質量維持在一定范圍內。各研究時段內導致生態環境質量改善和下降的主要土地功能轉移類型的生態貢獻指數和貢獻度見表5。四個時期的綜合生態貢獻指數均為負數,結合表4可知,研究期內研究區生態環境質量處于持續下降的態勢。

表5 影響生態環境質量的主要用地轉移類型及貢獻度

農業生產用地轉為水域生產用地、一般生態用地和重點生態用地,一般生態用地轉為水域生產用地和重點生態用地,城鄉生活用地轉為農業生產用地是生態環境質量改善的主導因素。1995—2000年一般生態用地轉為重點生態用地貢獻度達97.3%,主要是該時期內大量草地和其他林地轉為灌木林地和有林地；2000—2005年一般生態用地轉為重點生態用地貢獻度仍占據首要地位,達68.35%,受退耕還林等政策影響,開始出現農業用地轉為林地等生態用地,貢獻度為25.84%；2005—2010年一般生態用地轉為重點生態用地貢獻度達84.32%；2010—2015年使生態環境質量改善的轉移類型較前三期發生明顯變化,一般生態用地轉為重點生態用地貢獻度降至46.30%,同時農業生產用地轉為水域生產用地貢獻度從2005—2010年的9.00%上升到31.35%,主要是該時期內田陽縣將水田和旱地開挖為坑塘水面,大量進行水產養殖。

導致生態環境質量下降的因素較多,其中重點生態用地轉為農業生產用地、一般生態用地和城鄉生活用地以及農業生產用地轉為城鄉生活用地是導致生態環境質量下降的主要因素,導致生態環境下降的土地利用功能轉移類型隨時間推移不斷增多。1995—2000年導致生態環境下降的主要因素是重點生態用地轉為農業生產用地和一般生態用地,貢獻度達85.16%,主要原因是林地砍伐以及林地和高覆蓋草地被開墾為耕地。2000—2005年重點生態用地轉為一般生態用地貢獻度高達92.20%,該時期雖受退耕還林政策影響使大量耕地轉為林地,但是該時期也是研究區桉樹大量砍伐的時期,相逆的兩種因素綜合作用后生態環境下降的趨勢占據主導地位。2005—2010年重點生態用地轉為一般生態用地貢獻度為87.56%,略高于同期內一般生態用地轉為重點生態用地貢獻度(84.32%)。2010—2015年導致生態環境質量下降的主導因素與前三期相比發生顯著變化,該時期最主要特征是在社會經濟發展、城鎮化政策等因素的綜合作用下,城鄉生活用地大幅提升。重點生態用地轉為城鄉生活用地導致生態環境下降貢獻度首次躍居第一,為45.57%,主要是城鎮擴張及局部地區礦山遷移和復墾使建設用地規模和布局急劇發生變化；農業生產用地轉為城鄉生活用地導致生態環境下降貢獻度由上一時期的2.04%上升至15.24%,一般生態用地轉為城鄉生活用地由上一時期的0.97%上升至10.65%,主要原因是城鎮擴張占用周邊的耕地、林地和草地。

4 研究結論

基于“三生空間”視角,利用GIS空間分析和重心轉移、生態環境質量指數、生態貢獻率等模型,分析了桂西資源富集區1995—2015年各時段土地利用功能演變特征及生態環境響應情況,結論如下：

(1)從“三生空間”面積變化來看,20年間桂西資源富集區生態生產空間和生活生產空間呈上升趨勢,生產生態空間面積增加了124.95 hm2,2015年較1995年增長了20.40%；生活生產空間面積增加了174.77 hm2,2015年較1995年增長了24.03%；生態空間總體呈下降趨勢,面積減少了267.32 hm2；生態生產空間呈先上升后下降的趨勢,最終面積減少了32.40 hm2。生態生產功能和生活生產功能增強、生態功能和生產生態功能減弱是研究區三生空間演變的主基調；三生空間演變受資源開發、城鎮化發展、精準扶貧、土地管理政策等因素的共同影響。

(2)從各空間重心轉移方向和距離來看,生態生產空間重心轉移距離最大,20年間由田陽中部向西北方向轉移距離達25526.52 m；生產生活空間重心由大新東北部向西南方向轉移11579.48 m；生產生態空間重心由田東中部向西北方向轉移959.94 m,趨近于田陽縣；生態空間重心向東偏北方向移動333.89 m,呈現由田陽向巴馬轉移的趨勢。

(3)從生態環境質量評價結果看,研究期間研究區生態環境質量處于不斷下降態勢。田林、都安、大化、憑祥、凌云、西林、樂業等以林草地為主要地類的縣域生態環境質量較高,南丹、靖西、德保、平果等重點礦產資源型縣域生態環境質量較低；田陽和田東作為廣西重要的農產品生產基地,生態環境質量普遍偏低；宜州市、江州區和扶綏縣作為近年來廣西重點推進城鎮化的區域,生態環境質量最低。

(4)區域內生態環境質量同時存在著改善與下降兩種相逆的趨勢,生態環境質量下降占據主導地位。農業生產用地轉為水域生產用地、一般生態用地和重點生態用地,一般生態用地轉為水域生產用地和重點生態用地,城鄉生活用地轉為農業生產用地是生態環境質量改善的主導因素。導致生態環境質量下降的因素較多,其中重點生態用地轉為農業生產用地、一般生態用地和城鄉生活用地以及農業生產用地轉為城鄉生活用地是導致生態環境質量下降的主要因素,導致生態環境下降的土地利用功能轉移類型隨時間推移不斷增多。