沿海資源富集區“三生空間”演變與生態環境響應

陳寶強， 楊永崇， 楊梅煥

(西安科技大學測繪科學與技術學院， 西安 710054)

為構建生產空間-生活空間-生態空間相互協調的國土空間布局，十八大強調“調整空間結構，推進生產集約高效、生活宜居適度、生態山清水秀”，十九大指出要合理確定“三區三線”，是參照土地利用功能對土地所涵蓋功能分類成生產空間、生活空間和生態空間(“三生空間”)。“三生空間”區域性研究是協調自然資源保護與土地合理利用的基礎性工作，可以為國土空間規劃與生態紅線提供借鑒[1-2]。隨著城鎮化外延式、粗放式[3-4]的模式發展，會推動土地利用功能發生轉型[5]，隨之會影響區域的生態環境。土地利用轉型[6-7](land-use and land-cover change, LUCC)始終是中外關注的重點內容之一，當前諸多研究的是土地利用變化與生態系統服務價值變化[8-10]，同時針對“三生空間”土地利用功能演變與生態環境關系大多數以省市、區域性展開研究，沿海低丘陵資源富集區研究尺度綜合性較少。

山東省招遠市隸屬于膠東半島沿海低丘陵資源富集區西北部，“黃金之都”，礦產資源最豐富，儲量和產量占全國的1/10，其中花崗巖礦是第二大優勢礦產資源。21世紀以來，膠東半島沿海低丘陵區域步入快速發展階段，區域性土地利用結構隨礦產資源開發、城鎮擴張等發生明顯變化，導致區域性土地利用功能也發生變化，對沿海低丘陵資源富集區生態環境質量的研究是在自然與人類活動的長期相互作用過程演變形成的，對沿海低丘陵資源富集區生態環境質量探討是為揭示土地利用功能轉型、生態環境質量演變規律，明確土地利用轉型的生態環境響應，為資源富集區土地資源整治和生態環境保護提供借鑒。因此，探討研究膠東半島沿海低丘陵資源富集區招遠市土地利用轉型的生態環境響應，基于“三生空間”視角，選取沿海低丘陵資源富集區招遠市為對象，定量分析研究區域2008年、2013年、2018年土地利用轉型及生態環境響應。

1 數據來源與研究方法

1.1 數據來源

研究區以2008年、2013年和2018年招遠市土地利用變更調查矢量數據為基礎數據，嚴格按照《土地利用現狀分類標準(GB/T 21010—2007)》分類，以“三生空間”土地利用主導功能進行整理(圖1)，參考諸多學者的研究成果[11]，采用生態環境質量指數面積加權賦值的方法,如表1所示。

圖1 沿海低丘陵區“三生空間”土地利用現狀空間分布Fig.1 The land use status of Ecologicl-Production-Living Spaces in coastal low hilly areas distributed spatially

表1 沿海低丘陵區域“三生空間”土地利用主導功能分類與生態環境質量指數表Table 1 Classification of the leading functions of land use in Ecologicl-Production-Living Spaces in low hilly coastal areas and the index table of ecological environment quality

1.2 土地利用空間擴展模型

土地利用空間擴展模型[12-13]主要分析“三生空間”用地的空間擴展與收縮。

(1)

式(1)中：UII為土地利用空間擴展；ULAi,t+m為t+m年空間單元i土地利用面積；ULAi,t分別為t年空間單元i土地利用面積；TLAi為研究區域土地利用總面積。

1.3 土地利用轉移模型

土地利用轉移模型[14]主要用來分析不同時期土地利用主導功能之間轉移情況。

(2)

式(2)中：Sij為由i轉換成j類型土地利用主導功能的面積；n為某“三生空間”類型數量。

1.4 土地利用功能重心模型

土地利用功能重心模型[15]反映“三生空間”功能用地在某時間內在空間重心的變化。

(3)

式(3)中：Xt、Yt分別為t時間段某土地利用功能用地地理坐標；Xh、Yh分別為某k個單元的重心幾何坐標；Shi為hi區域“三生空間”土地利用主導功能用地的面積；D為相鄰年份之間土地利用功能用地偏移距離。

1.5 “三生空間”時空轉型生態環境響應模型

1.5.1 生態單元綜合環境質量指數

生態單元綜合環境質量指數[16-18]是“三生空間”用地生態環境質量與面積的比值。

(4)

式(4)中：Eh為h區域所代表的生態環境質量指數；Sh為h研究區域“三生空間”土地利用主導功能的面積之和；eh為第h類“三生空間”類型用地的生態環境指數。

1.5.2 半變異函數分析模型

研究尺度不同，結論不同。現采用等間距200 m×200 m格網作為空間單元，將每個生態環境質量指數賦值給空間單元，利用半變異函數分析模型、克里金空間，形成研究區整個生態環境質量等級空間分布，半變異函數[19]公式為

(5)

式(5)中：r(h)為半方差；h為樣本的間距；M(xi)為xi處的生態環境質量指數；M(xi+h)為xi+h處的生態環境質量指數。采用自然間斷法分為5級；低質量區(E≤0.2)、較低質量區(0.2

1.5.3 生態貢獻率模型

生態貢獻率[20-25]是指研究區域土地利用功能轉型對區域環境生態質量改變的影響。

(6)

式(6)中：L為生態貢獻度；LEi為初期某“三生空間”土地主導功能用地的生態環境質量指數；LEj為末期某“三生空間”土地主導功能用地的生態環境質量指數；ΔSh為“三生空間”土地利用主導功能變化初期面積與末期面積差。

2 分析與討論

2.1 土地利用轉型空間總體分析

依據式(1)計算2008—2018年土地利用主導功能用地的空間擴展。農業生產用地、其他生態用地、林地、水域生態用地擴展強度表現為負值(表2)，表現為空間收縮；城鎮用地、農村用地和工礦生產用地表現為空間擴張，服務及其他生產用地變化較小。沿海低丘陵資源富集區空間擴展與空間收縮強度不高，處于一種低速變化的狀態。其中工礦生產用地的空間擴展強度最高，2008—2013年為0.01%，2013—2018年為0.06%。

表2 沿海低丘陵區域土地利用空間擴展強度Table 2 Spatial expansion intensity of land use in coastal low hilly areas

2.2 土地利用轉型時空演變特征分析

為了研究分析沿海低丘陵資源富集區的土地利用功能演變過程與特征，根據式(2)，計算出土地利用轉移矩陣(表3、表4)。21世紀以來，膠東半島沿海低丘陵步入快速發展軌道，區域性土地利用結構隨礦產資源開發、城鎮擴張等發生明顯變化，城鎮用地面積增多295.92 hm2，變化10.2%，工礦生產用地面積增加495.68 hm2，變化17.4%，農村用地面積增多1 309.07 hm2，變化15.31%，服務及其他生產用地變化比較平緩。

2008—2013年，林地生態用地、農業生產用地的轉入是城鎮用地增多的主導因素，分別轉入33.64 hm2、170.07 hm2，分別變化1.08%、5.5%；隨工礦生產用地修復與復墾，大量工礦用地轉型為農業生產用地，轉移面積144.56 hm2，轉移率為4.9%；由于經濟高速發展，人口越來越密集，大量的林地、耕地等生態用地被建設用地占用，主要表現為林地生態用地、農業生產用地、其他生態用地占主導因素轉型為農村用地，轉入面積分別為165.09 hm2、636.63 hm2、41.96 hm2，轉入率分別為1.8%、6.8%、0.4%。2013—2018年，城鎮用地轉入主要類型為農業生產用地，較上一時段相比，轉入率由5.5%降低至2.13%。工礦生產用地的增加與林地生態用地、農業生產用地的增加存在互逆情況，分別轉入35.62 hm2、333.15 hm2，分別轉入率為1.07%、10.0%。較上一時間段相比，農村用地增多主要是林地生態用地、農業生產用地、其他生態用地轉入，轉入幅度較小，分別為72.97 hm2，390.74 hm2，21.23 hm2。

2008—2018年，沿海低丘陵資源富集區林地、耕地、未利用地隨時間的推移呈降低趨勢，農業生產用地最明顯，減少1 325.92 hm2。2008—2013年，林地生態用地降低主要是農村用地、農業生產用地增多，分別轉出165.09 hm2、93.02 hm2，轉出率分別為0.60%、0.34%。農業生產用地降低與城鎮用地、工礦生產用地、農村用地的增多有關，轉出0.19%、0.16%、0.73%。因裸土地、沙地等生態用地受人類活動干擾影響，主要表現為其他生態用地隨時間推移轉型為農村用地、農村生產用地，轉移面積分別為41.96 hm2、181.51 hm2，轉出率分別為0.64%、2.77%。水域生態用地減少與工礦生態用地、農村用地增多有關，分別轉出16.15 hm2、17.90 hm2。2013—2018年，農業生產用地轉出主要為工礦生產用地、農村用地，轉出率為0.38%、0.45%。較上一時間段相比，林地生態用地轉出主要為農村用地、農業生產用地，分別為轉移面積72.97 hm2、79.35 hm2，其他生態用地轉化為農村用地、農業生產用地，整體幅度降低，轉出面積分別為21.23 hm2、73.65 hm2；水域生態用地減少與工礦生產用地、農業生產用地的增多有關，轉移面積14.22 hm2、14.19 hm2。整體來說，生活空間與生產空間功能增強，生態空間減弱是研究“三生空間”的轉型的主基調，其轉型由礦產資源的開發、土地管理政策等多因素造成。

表3 沿海低丘陵區域2008—2013年土地利用轉移矩陣表Table 3 Land use transfer matrix from 2008 to 2013 in coastal low hilly areas

表4 沿海低丘陵區域2013—2018年土地利用轉移矩陣表Table 4 Land use transfer matrix of coastal low hilly region from 2013 to 2018

2.3 土地利用空間轉型重心遷移分析

利用式(3)整理出2008—2018“三生空間”土地利用主導功能用地的重心位置與轉移方向，如圖2～圖9所示，表示不同時期“三生空間”各功能用地重心遷移情況。

從各功能用地的重心位置來分析，2008—2018年，農業生產用地、水域生態用地、林地生態用地重心均位于羅峰街道內，主要表現為羅峰街道內具有豐富的水資源，龍王水庫與界河橫穿整個研究區域，西高東低，南北平坦，適合農作物種植。

工礦生產用地、其他生態用地重心均位于夢芝街道內，主要表現為夢芝街道是沿海開放地區之一，水陸空四通八達，城市規劃合理，具有完善的基礎建設。

圖2 農業生產用地重心遷移圖Fig.2 Gravity center transfer map of agricultural production land

圖3 水域生態用地重心遷移圖Fig.3 Gravity center transfer map of water ecological land

服務及其他用地重心由夏甸鎮轉向齊山鎮內，由于齊山鎮地處南北水系大沽河與界河水系的分水嶺地帶，北高南低，丘陵起伏，有著名“十字道”歷史意義。

城鎮用地、農村用地重心位于羅峰街道幾何中心的東北方向，朝溫泉街道經濟新區與老城區靠攏，區位條件優越、交通服務便利。

圖4 林地生態用地重心遷移圖Fig.4 Gravity center transfer map of woodland ecological land

圖5 工礦生產用地重心遷移圖Fig.5 Gravity center transfer map of industrial and mining production land

圖6 其他生態用地重心遷移圖Fig.6 Gravity center transfer map of other ecological land

圖7 服務及其他生產用地重心遷移圖Fig.7 Gravity center transfer map of service and other production land

圖8 城鎮用地重心遷移圖Fig.8 Gravity center transfer map of urban land

圖9 農村用地重心遷移Fig.9 Gravity center transfer map of rural land

從各功能“三生空間”土地利用主導功能的轉移方向與偏移距離來分析，服務及其他生產用地、工礦生產用地、農村用地、城鎮用地偏移最顯著，主要表現為城鎮粗放式與外延式擴張[16-17]、資源開發等，使土地利用變化活躍，而水域生態用地、其他生態用地等受到外界環境干擾不顯著，短期內發生劇烈變化的可能性較小。其中，2008—2013年，水域生態用地的重心偏移距離較小，整體呈現向西偏南方向轉移趨勢；其他生態用地重心先朝北偏西方向，偏移距離106 m，然后再朝西偏南方向轉移，偏移距離39 m；農業生產用地重心先朝南偏東轉移，偏移距離112 m，在朝西偏南方向偏移，偏移距離為60 m；朝北偏西方向遷移是農村用地、城鎮用地主要趨勢，分別偏移距離790 m、130 m；林地生態用地總體偏移距離66 m,整體呈現出先向東再向北偏東移動。工礦生產用地朝北偏西方向，偏移距離314 m，再朝南偏東方向，偏移距離958 m；服務及其他生產用地整體呈現往北偏東方向移動的趨勢，偏移距離2 630 m。

2.4 生態環境綜合質量時序變化

依據式(4)、式(5)，計算沿海低丘陵2008年、2013年、2018年生態環境綜合質量指數表(表5)與區域生態質量等級表(表6)。

2008—2018年，沿海低丘陵生態質量綜合指數整體水平平穩，分別為0.426 6、0.423 8、0.420 7。由于城鎮外延外擴張、經濟新區的建設、工礦生產用地等影響，低質量區、較低質量區面積在增加，分別由729.99 hm2增加至956.61 hm2、48 324.6 hm2增加至50 891.22 hm2，中質量區、較高質量、高質量區面積隨著時間的變化在縮減,分別降低2.9%、2.8%、3.8%。從空間上來看，較高質量區、高質量區主要分布在阜山鎮、玲瓏鎮，主要表現為阜山鎮、玲瓏鎮有覆蓋率高達90%以上的森林，對生態環境具有保護作用；低質量區、較低質量區主要分布在人口集聚區羅峰街道、溫泉街道、夢芝街道，中質量區呈零星分布。中質量區和較低質量區構成了沿海低丘陵土地利用生態環境質量主體，高質量區、較高質量區轉型為低質量區、較低質量區，促進了膠東半島沿海低丘陵資源富集區生態環境質量平穩發展。

表5 研究區域各年份生態環境綜合質量指數Table 5 Ecological environment comprehensive quality index of each year in the study area

2.5 影響生態環境質量的因素

區域生態環境質量整體水平保持平穩不等同于區域生態環境質量沒有發生任何變化，如表5、表6所示，膠東半島低丘陵沿海區域生態環境質量隨著時間的變化呈下降趨勢。如圖10所示，可能的原因如下。

(1)研究區域礦產資源富集區集中分布在蠶莊鎮、玲瓏鎮、張星鎮，其他呈零星分布，礦產資源屬于開發階段，短時間內不會對環境產生影響，但是隨時間推移，會改變周圍土地利用主導功能。

表6 研究區域各年份生態環境質量等級Table 6 Ecological environment quality grade of each year in the study area

(2)生態環境質量降低占主導地位，夢芝街道、羅峰街道與溫泉街道，水陸空交通極為便利，同時是沿海開放地區之一，招商引資，發展輕工業，推動城鄉一體化快速發展，使生態環境質量指數降低；張星鎮的粉絲、石材、機械發展迅速，導致城鎮用地不斷向外擴張，使得區域生態環境質量指數降低。因此，沿海低丘陵資源富集區隨時間變化區域環境質量指數呈降低的趨勢。

2008—2018年，生態環境改善主導因素是農業生產用地轉型為林地生態用地和水域生態用地、工礦生產用地和農村用地轉為農業生產用地，其他生態用地轉為林地生態用地(表7)。2008—2013年，工礦生產用地轉型為農業生產用地、城鎮用地、農村用地，貢獻度分別為39.30%、0.88%、0.29%，主要表現為礦山復墾對生態環境的保護的貢獻。農業生產用地轉為林地生產用地，轉移面積56.66 hm2,單一類型生態貢獻指數為0.000 157，貢獻率為46.04%，該時期受退耕還林政策的影響，使得大量的耕地轉為林地，推動著生態環境質量的改善。2013—2018年，首次農村用地向農業生產用地轉型，貢獻度10.40%，表現為農村建設用地轉為耕地，這有可能是近年來易地扶貧搬遷、農村宅基地整治綜合作用對耕地的保護作出的貢獻；積極響應國家退耕還林政策，農業生產用地轉型為林地生態用地，貢獻度為68.40%；農業生產用地轉為其他生態用地主要表現為存在撂荒的耕地轉為其他生態用地，貢獻度為0.80%；生態貢獻率為7.6%的其他生態用地植樹造林。2008—2018年農業生產用地轉水域生態用地，貢獻度分別為2.64%、10%，主要是該時期將耕地開挖為坑塘水面，發展水產養殖。

林地生態用地轉型為農業生產用地、農業生產用地轉型為農村用地、農業生產用地轉型為工礦生產用地是導致生態環境質量降低的主要因素。2008—2013年，在社會經濟快速發展背景下，城鎮擴張占周圍的林地、耕地等，林地生態用地、農業生產用地轉型為農村用地，生態貢獻度分別為27.10%、29.40%，與上一時間段相比，整體增幅度變化不大，林地生態用地轉型為城鎮用地生態貢獻度由5.52%降低至2.62%，農業生產用地轉型為農村用地由29.40%降低至25.33%；農業生產用地轉型為工礦生產用地由8.84%增加至28.55%，主要原因是為推動山東半島城市群體與膠東半島制造業崛起，連通渤海與黃海區域，縱貫整個膠東半島，建設龍青高速。

圖10 “三生空間”生態環境質量等級空間分布Fig.10 Spatial distribution of ecological environment quality levels in Ecologicl-Production-Living Spaces

表7 影響生態環境質量的貢獻度Table 7 Contribution to ecological environment quality

3 結論

基于“三生空間”研究視角，通過對膠東半島沿海低丘陵資源富集區招遠市2008年、2013年、2018年土地利用轉型及生態環境響應的研究分析，得到以下結論：

(1)2008—2018年，沿海低丘陵資源富集區土地空間擴展與收縮處于低速變化。其中農村用地擴展明顯，擴張1 309.07 hm2，主要表現為招遠經濟新區建設影響周圍建設用地，增長15.31%。整體來說，生活空間與生產空間功能增強，生態空間減弱是研究“三生空間”的轉型的主基調，其轉型由礦產資源的開發、土地管理政策等多因素造成。

(2)從各功能用地的轉移方向與偏移距離來看，服務及其他生產用地、工礦生產用地、農村用地、城鎮用地偏移最顯著，主要表現為城鎮化擴張、礦產資源開發等，使土地利用變化活躍，而水域、耕地、未利用地等受到外界環境干擾較小，短時期內不會發生劇烈變化。

(3)膠東半島低丘陵沿海區域生態環境質量隨時間變化呈降低趨勢，主要表現為礦產資源富集區集中分布在蠶莊鎮、玲瓏鎮、張星鎮，其他礦產資源零星分布，礦產資源屬于開發階段，短時間內不會對生態環境質量指數造成影響;生態環境質量降低占主導地位，夢芝街道、羅峰街道與溫泉街道作為政治中心、經濟中心、文化中心，水陸空交通極為便利，同時是沿海開放地區之一，招商引資，發展輕工業，推動經濟新區快速發展，使生態環境質量指數降低；張星鎮的粉絲、石材、機械三大經濟體發展迅速，導致城鎮用地不斷向外擴張，使得區域生態環境質量指數降低。

(4)2008—2018年，沿海低丘陵資源富集區生態環境質量降低的土地利用功能轉移類型隨時間變化不斷增多，生態空間、生產空間轉生活空間、生產空間轉型是導致生態環境質量降低的主要因素。