圖們江地區“三生”用地變化及其生態質量影響

余 洲,李明玉,陳 高,劉心雨

(延邊大學 地理與海洋科學學院,吉林 延吉 133002)

土地利用轉型研究作為土地利用變化研究的最新前沿領域[1-2]，是指在受社會經濟、政府政策、自然人文環境等驅動影響下，一段時間后區域內土地利用變化達到與社會經濟發展相對應的一個過程，其主要包括顯性和隱性兩種不同形態的轉化[3-4]。隨著該研究逐漸被中國學者所重視，涌現出一系列圍繞土地利用轉型理論與假說、單一用地類型的轉型分析[5-6]以及轉型過程中對城鄉發展和生態環境影響[7-8]等內容的研究成果。中共十八大報告中明確指出我國社會經濟發展新目標是促進三生空間協調發展，基于“三生空間”分析土地利用主導功能的轉變過程來識別區域社會經濟發展的不同階段，已成為土地利用轉型研究的重要切入點[9-10]。

現有研究表明，區域社會經濟發展過程中土地利用轉型及其生態質量，對制定土地利用優化最佳方案以及生態文明建設具有現實意義。目前，該項研究已成為地理學、生態學和環境科學等多學科研究熱點[11-12]。但以往相關研究多集中在區域生態環境比較敏感的地區[13]，研究尺度上以流域、省域等宏觀為主[14-19]，而對市域尺度熱點地區作為對象的研究成果尚不多見。

圖們江地區作為我國對外開放的窗口，其與東亞各國間的合作關系日益緊密，同時該地區也是我國重要的生態功能區之一，其生態地位顯著。但隨著區域內城市不斷發展、土地開發強度增加，對生態質量造成的影響日益突出。因此，本研究以圖們江核心地區延邊朝鮮族自治州為例，基于2000年、2010年、2020年土地利用遙感監測數據，構建“三生”用地分類體系，定量研究2000—2020年延邊州土地利用轉型時空變化特征及其生態質量響應規律，以期為制定該地區土地資源開發和生態保護政策提供參考。

1 研究區概況與數據來源

1.1 研究區概況

1995年聯合國開發計劃署啟動了《圖們江地區發展計劃》，此項計劃使我國同東亞各國在運輸、能源、旅游、投資和環境等產業方面建立了緊密合作的關系。計劃中提出將延邊朝鮮族自治州作為圖們江區域合作區的“門戶”，使其逐漸成為中國與東亞國家聯系最緊密的地區[20]。同時該地區是中國“一帶一路”戰略的重要門戶，也是重要的生態功能區之一。因此，要大力發展圖們江地區，首先要解決好延邊州區域社會經濟發展與生態保護的沖突。

延邊朝鮮族自治州位于北緯41°59′—44°30′，東經127°27′—131°18′。地處吉林省東部地區，北接俄羅斯，東臨日本海，是中朝俄三國交界中心。該區總面積為4.32萬km2，其中包括延吉、敦化、和龍、汪清、龍井、安圖、圖們和琿春等縣市。整體地勢特征表現為西高東低，又以琿春一帶為最低。區域內自然生態保存良好，動植物具有豐富多樣性。由于常年受日本海影響，氣候特征為中溫帶濕潤季風氣候，年均降水量可達400～650 mm，年平均氣溫為2～6℃。冷熱分明的溫帶季風氣候使延邊州盛產水稻、玉米和大豆等農作物。

1.2 數據來源及處理

研究數據選取2000年、2010年、2020年Landsat TM/OLI遙感影像(http：//www.gscloud.cn)，分辨率為30 m。本研究對初始影像進行大氣校正、幾何校正、圖像增強和裁剪等影像預處理。并通過eCognition軟件進行面向對象的多尺度分割；以監督分類、決策樹分類、目視解譯多種方法相結合，基于大量的野外驗證點，獲取研究區3期土地利用數據，并通過野外實地調查驗證分類結果，精度可達90%以上。

2 研究方法

2.1 “三生”土地利用功能分類

一種土地利用類型本身可能兼具多種用地功能，如耕地既有調節氣候等生態功能，又有生產和倉儲糧食等生產功能。對于人類而言，進行耕地種植是為了生產糧食，最終可以根據行為主體用地意圖確定其主導功能。本研究中各土地利用類型按照國土管理行業標準，將數據與土地利用“生產、生態、生活”功能相結合，構建“三生”用地分類體系[10,21]。最終參考以李曉文等[22]制定的二級地類所對應的生態質量指數為主，利用面積加權法對延邊朝鮮族自治州“三生”用地的生態質量指數進行賦值[23-24](表1)。

表1 延邊州土地利用功能分類及其生態質量指數

2.2 土地利用功能結構轉型

通過土地利用轉移矩陣來揭示土地利用動態變化過程，分析出土地利用類型間轉化的結構特征及方向變化，數字表達式[25]：

(1)

式中：Sij為用地類型面積；a為土地利用類型數。

2.3 土地利用功能空間轉型

運用重心模型來表征一段時間內各功能用地重心轉移方向及距離，分析出空間轉型過程中時空變化特征，其數字表達式為[16]：

(2)

(3)

式中：Xi，Yi為用地類型的重心坐標；m為空間單元數；Xj，Yj為第j個單元的地理中心坐標；Zj是第j個單元的用地類型面積。

2.4 生態質量效應

(1)生態質量指數。研究中為獲取最優研究尺度，根據經驗公式[26]選取格網大小，即將用地斑塊數作為采樣點，網格數量約為采樣點的一半。通過2000年、2010年、2020年解譯的用地斑塊數約為1.3萬個，經過反復調試，最終采用3 km×3 km格網大小進行格網尺度研究，共計獲得近6 000個網格單元。根據各單元內“三生”用地賦值的生態質量指數及其面積占比，分析延邊州不同時期的生態質量狀況。其表達式為：

(4)

式中:EVi為第i個單元的生態質量指數(i=1,2,3,…,n)；n為土地利用類型數；Sij為在第i個單元內第j種用地類型面積；Ej為第j種用地類型生態質量指數(表1)；Di為第i個單元的土地利用總面積。

(2)地統計分析法。將獲得的生態質量指數賦給各個網格單元中心點，并通過半方差分析法進行普通克里金插值，得到延邊州地區的生態質量空間分布圖[27]。數字表達式為：

(5)

式中:r(h)為半方差；h為樣本距離；n(h)為樣本間距h的樣本對總數；i為第i個生態單元[i=1，2，…，n(h)]；Z(xi)和Z(xi+h)為在xi和xi+h處的生態質量指數值。

(3)土地利用轉型貢獻率。即某一種功能用地發生變化導致生態質量的改變[28]，能夠定量分析出影響區域生態質量變化的主導因素。表達式為[29]：

(6)

式中:CLEI為土地利用轉型生態貢獻率；CA為土地利用變化類型面積；RA為研究區面積；EVa，EVa+1為研究初期和末期該變化類型的生態質量指數。

3 結果與分析

3.1 “三生”用地面積變化及空間分布

延邊朝鮮族自治州“三生”用地格局中生態用地面積最大，占總面積比例高達85.58%，生產用地和生活用地面積較小，分別僅占總面積13.32%，1.10%。按照一級地類來看，生產用地面積先降后升，共計增加915.25 km2；生態用地面積大幅下降，由2000年的3.72萬km2下降至2020年的3.61萬km2，共計1 143.34 km2；生活用地面積持續增加了228.85 km2；表明該地區在研究期間隨著農業現代化以及城鎮化的推進，加劇了生產、生態和生活用地間的土地供需矛盾。按照二級地類來看，農業生產用地主要分布在延邊州的敦化市、和龍市和龍井市等周邊地區；林地生態用地廣泛分布在延邊州各個縣市；城鎮和農村生活用地呈片狀分布在敦化市、延吉市及琿春市等地區(表2，附圖6)。

表2 2000-2020年延邊州各功能用地面積變化 km2

3.2 土地利用功能轉型

3.2.1 功能結構轉型 運用ArcGIS分別獲得延邊州2000—2010年以及2010—2020年土地利用轉移矩陣，通過該矩陣分析功能用地間內部轉換情況，明確其相互轉化的數量和方向，最終得出延邊州2000—2020年土地利用功能結構轉型特征如下：

(1)2000—2010年，農業生產用地降幅最大，城鎮和農村生活用地略有增加，林地和牧草生態用地顯著增加。生產用地中，農業生產用地由林地生態用地轉入，比例為21.91%；工礦生產用地轉為林地生態用地，轉移比例為17.94%。生態用地中，林地生態用地轉移面積占比較小；有572.84 km2牧草生態用地和220.95 km2其他生態用地主要轉化為林地生態用地；水域生態用地由農業生產用地轉入比例為26.23%。生活用地的增加由農業生產用地轉入比例為47.21%(表3)。

表3 2000-2010年延邊州地區土地利用變化轉移矩陣 km2

(2)2010—2020年，林地生態用地降幅最大，生活用地持續增加，農業生產用地顯著增加。生產用地中，林地生態用地的轉入是農業生產用地增加的主要來源，比例為21.76%；工礦生產用地變化不明顯。生態用地中，有1 409.11 km2林地生態用地轉換為農業生產用地；林地生態用地轉入其他生態用地，其轉移比例為20.87%。生活用地的主要轉入來源是農業生產用地，由其轉入城鎮和農村生活用地面積分別為33.66，28.75 km2(表4)。

表4 2010-2020年延邊州地區土地利用變化轉移矩陣 km2

3.2.2 功能空間轉型 以延邊州縣級行政區為基本單元，運用ArcGIS獲取2000—2020年延邊州各功能用地重心動態轉移圖(圖1)。

圖1 2000-2020年延邊州各功能用地重心動態轉移

生產用地中，2000年農業、工礦生產用地重心分別位于幾何重心西北部、東南部。2000—2020年，農業生產用地重心持續向西北偏移13.69 km，空間分布不均衡有所加劇；工礦生產用地重心前期向西南偏移34.04 km，后期向西北偏移26.83 km，空間分布不均衡性有所減少。

生態用地中，2000年水域和其他生態用地重心都位于幾何重心西北部，林地、牧草生態用地重心分別位于幾何重心南部和西南部。其中，林地生態用地重心偏移較小，水域生態用地重心先向東南偏移22.67 km，再向西南偏移16.05 km，兩者空間分布不均衡性均有所加劇；其他生態用地重心在研究期間持續向東南偏移18.46 km，空間分布不均衡略微緩和；2010年牧草生態用地重心較2000年向東南偏移了23.08 km，2020年向東偏移7.51 km，空間分布不均衡呈現出先緩和后加劇趨勢。

生活用地重心均位于幾何重心東部。城鎮生活用地重心先向西南偏移3.62 km，再向東偏移6.61 km，其中延吉市和敦化市城鎮用地面積明顯高于州內其他區域，但由于延邊州地區區域整體經濟發展活力欠缺，城鎮生活用地面積增幅較小；2000—2020年農村生活用地重心持續向東北偏移6.17 km，城鎮和農村生活用地空間分布不均衡均略微增加。

3.3 生態質量響應

利用ArcGIS對延邊州地區2000年、2010年、2020年生態質量指數樣本數據進行統計，結果顯示其接近正態分布，且具有空間相關性，適用于普通克里金插值法[30-31]。通過GS+9.0進行函數擬合，得到生態質量指數擬合結果(表5)。基臺值從2000年的0.029 8增加至2020年的0.034 2，顯示出該地區生態質量空間分布不均勻，且不斷加劇。2000年、2010年、2020年的塊金基臺比值在0.7～0.8浮動，總體比較穩定，表明EV的相關性中等。可決系數R2都在0.95以上，且殘差值較小，表明該擬合結果可靠。

表5 半方差函數擬合

因此，本研究中采用普通克里金插值法，選取球形模型為半變異函數模型。并將插值結果分為5級[32]，即高質量區(EV>0.75)、較高質量區(0.6

3.3.1 生態質量結構變化特征 延邊州總體生態質量指數明顯下降，從2000年的0.789下降至2020年的0.772，表明區域內生態質量不斷惡化。2000—2020年，隨著生活用地的不斷擴大，低和較低質量區面積不斷增加，低質量區占研究區總面積比例從2.65%增長至4.72%，年均增長面積為44.83 km2；較低質量區占研究區總面積比例從3.46%增長至5.77%，年均增長面積為50.03 km2；中質量區面積持續減少，前期變化劇烈后期變化逐漸平緩；較高質量區面積占比變化不大，整體上顯示出小幅增加；高質量區面積持續減少，且是面積變化最劇烈的區域，占研究區面積比例從72.94%下降至69.25%，年均減少面積為79.75 km2(表6)。

表6 2000-2020年延邊州生態質量等級面積變化

3.3.2 生態質量空間差異分析 從附圖7可以看出，研究期間，延邊州地區生態質量的低質量區和較低質量區主要集中分布在敦化市中部、和龍市北部、延吉市南部以及琿春市西南部地區，該區域內以農業生產用地和城鎮生活用地為主。中質量區和較高質量區主要集中分布在敦化市、圖們市、安圖縣中部以及汪清縣西南部地區，其中較高質量區地類主要為林地生態用地和農業生產用地，中質量區地類主要是其他生態用地和農業生產用地。而高質量區廣泛分布在延邊州范圍內，是分布最為廣泛的類型區，其地類主要是林地生態用地且占高質量區面積90%以上。

分析結果得出，延邊州生態質量的時空變化特征與政府政策、城市化進程、農業現代化保持高度一致性。2000—2010年，由于國家頒布的“退耕還林”政策以及該地區城市化進程較慢，社會經濟發展水平低，導致大量的農業種植土地轉變為林地生態保護用地，較高質量區面積有所增加，低質量區面積變化不顯著。2010—2020年，由于城市化進程的加快以及經濟的發展，城鎮化建設不斷擴大，人口規模增加，需要增加農作物的種植以滿足人們的糧食需求，最終導致農業生產用地和生活用地的增加，其表現為低和較低質量區面積增加，高質量區面積大幅減少。

3.3.3 功能用地轉型對生態質量影響分析 通過分析2000—2020年延邊州功能用地轉型生態貢獻率，獲取其生態質量響應規律，得到表7。

表7 影響生態質量的功能用地轉型及貢獻率

可以看出，2000—2010年農業生產用地被大量的林地生態用地占用是延邊州生態質量改善的主要原因，占生態貢獻率的66.01%。農業生產用地轉換成牧草、其他和水域生態用地也對生態質量改善具有一定積極作用，三者共計占生態貢獻率的14.29%。而生態質量惡化的主要原因是林地生態用地被開發為農業生產用地，占生態貢獻率的66.66%。此外，林地生態用地轉化成牧草、其他和水域生態用地也加劇了生態質量的惡化，三者共計占生態貢獻率的18.30%。2010—2020年各功能用地轉型對生態質量的影響與前期基本相同。總的來說，延邊朝鮮族自治州土地利用轉型過程中同時存在生態質量改善和惡化兩種趨勢，生態質量改善小于惡化，總體上生態質量惡化趨勢加大。

4 結論與討論

(1)2000—2020年，延邊州土地利用功能結構轉型特征為：三生用地中，生產用地先減少后增加、生態用地持續減少和生活用地持續增加；在二級用地類型中，林地生態用地降幅最大，農業生產用地面積先降后升，牧草、水域、其他生態用地和工礦生產用地變化較小，農村和城鎮生活用地持續增加。

(2)2000—2020年，延邊州土地利用功能空間轉型特征為：農業生產用地、林地和水域生態用地以及生活用地空間分布不均衡有所加劇，工礦生產用地、牧草和其他生態用地空間分布不均衡明顯減少。生產用地重心向西北偏移，牧草、水域和其他生態用地重心向東南偏移，城鎮和農村生活用地重心分別向西南、東北偏移。

(3)2000—2020年，延邊州生態質量指數從0.789降至0.772。其中高質量區面積占比最大且明顯有所下降，低和較低質量區面積明顯增加，正是由于高質量和中質量區面積下降幅度較大，造成延邊州地區整體生態質量下降。

(4)2000—2020年，延邊州總體生態質量呈惡化趨勢。前10 a中農業用地轉化為林地是導致生態質量改善的主要原因，占生態改善貢獻率的66.01%；后10 a大量的林地轉化為農業用地是該地區生態質量惡化的主要原因，占生態惡化貢獻率的79.08%。

延邊朝鮮族自治州土地利用轉型及生態質量效應與政府政策、城市化進程和農業現代化等密切相關。參考其他現有研究成果，在經濟發達且城市化較高的地區，其生態質量惡化的原因是農業生產用地轉化為生活用地，土地利用轉型特征表現為農業生產用地大量減少和生活用地大量增加[16,27]。由此對比出延邊朝鮮族自治州土地利用轉型及生態質量效應與發達地區有所不同，具有其現實研究意義。但研究中缺乏探討延邊州土地利用轉型的驅動力機制，未來需要結合該區域的社會經濟發展階段，研究不同階段土地利用轉型驅動機制，以解決更多土地利用轉型相關問題。考慮到延邊朝鮮族自治州與其他地區在地理位置、種植環境、政策管理、社會經濟等方面存在明顯的差異，未來需要選取不同的地區作對比分析，進一步揭示出隨著社會經濟等條件的改變，我國區域土地利用轉型及其生態質量效應是如何響應的。