陜西省土地利用轉型時空演變及其生態環境效應分析

孫善良,張小平

(西北師范大學 地理與環境科學學院,蘭州 730070)

土地是人類生產和生活活動的基本要素和載體，土地利用在社會經濟發展中具有基礎性、支撐性、支配性的作用[1]。隨著社會生產力的發展，土地利用功能呈現多樣化發展，從而引發土地利用功能的轉型。而土地利用轉型可以改變土地覆被狀況并影響許多生態過程[2]，引起區域大氣[3]、水文[4]、土壤[5]等狀況的改變以及景觀格局的變化[6]，進而影響區域生態系統的服務功能和生態環境質量[7]。長期以來，受傳統的重生產、輕生活、重建設、輕生態的發展理念影響，我國國土空間開發秩序混亂，不合理的開發利用活動大量擠占和破壞生態空間，以犧牲生態環境換取經濟增長，導致人居環境惡化，生態系統功能退化等問題突出。因此，土地利用轉型對生態環境的影響也逐漸成為學者研究的熱點問題[8]。

黨的十八大報告明確提出，要大力推進生態文明建設，通過優化國土空間開發格局控制開發強度，調整空間結構，促進“生產空間集約高效、生活空間宜居適度、生態空間山清水秀”，這一舉措標志著我國國土空間開發格局由生產空間為主導轉向生產、生活、生態空間相協調的“三生空間”模式[9-10]。目前關于土地利用轉型的研究主要涉及土地利用轉型的理論與假說、城鄉發展的關系和土地利用的隱性形態、生態彈性度以及土地利用轉型的生態效應及社會效應等[11-15]方面。而基于“三生空間”的土地利用轉型研究可以彌補現有研究對土地利用生態功能層面的欠缺，促進“三生空間”的合理布局及生產、生活、生態之間的協調發展[7,16-17]。為此，我國學者進行了有益的探索。楊清可等[7]基于“三生空間”分析了長江三角洲核心區的土地利用轉型與生態環境效應；苑韶峰等[18]從“三生空間”角度出發，對長江經濟帶的土地利用轉型及其生態環境效應進行定量研究；呂立剛等[19]基于“三生”土地利用主導功能，分析了江蘇省的土地利用轉型及其生態環境響應；張蕾等[20]分析了遼寧省營口市“三生空間”土地利用轉型的生態系統服務價值；胡峰等[21]基于“三生空間”分析了黔中喀斯特地區的土地利用轉型及其生態環境效應。由此可見，目前的相關研究主要集中在東部發達地區，較少關注經濟欠發達且生態環境敏感脆弱的西北地區。由于自然條件和區位差異的影響，其土地利用方式、轉型機制及其生態環境影響不同于東部發達地區，因此本研究可以彌補其不足。

陜西省位于我國西北地區，地理坐標為北緯31°42′—39°35′，東經105°29′—111°15′，縱跨黃河、長江兩大流域，地勢呈南北高、中間低的特點，地貌類型多樣，有高原、山地、平原和盆地等。按地貌結構形態從北到南可將其分為三大自然區，分別是陜北高原(榆林市、延安市)、關中平原(西安市、銅川市、寶雞市、咸陽市、渭南市)和陜南山地(漢中市、安康市、商洛市)。近年來隨著國家“西部大開發”戰略的實施以及“一帶一路”倡議的引導下，社會經濟快速發展。2018年GDP達到24 438.32億元，城市化率為58.13%，是西北地區經濟發展水平最高、土地開發強度最大、城市化水平較高的地區。由于處于“一帶一路”的重要節點和向西開放的前沿位置，肩負著國家生態安全屏障的重要使命，在生態文明建設方面具有重要的戰略意義。但隨著社會經濟的發展以及城鎮化、工業化的快速推進，土地利用變化較大，生態環境問題突出。一方面生態建設與社會經濟發展之間的用地矛盾突出，另一方面區域生態環境脆弱，不合理的土地利用方式更加劇了土地退化，嚴重威脅全省的生態環境安全。因此，本文以陜西省為例，定量分析陜西省18 a間“三生空間”的土地利用結構與生態環境質量的時空演變特征，以期為陜西省土地資源的合理開發與生態環境保護提供借鑒。

1 數據來源和研究方法

1.1 數據來源及處理

陜西省2000年、2010年、2018年3期土地利用數據來自于中國科學院資源環境科學數據中心的遙感監測數據。該數據以美國陸地衛星Landsat遙感影像數據作為主信息源并通過人工目視解譯獲取[22]。其原始數據包括6個一級土地利用類型(耕地、林地、草地、水域、建設用地及未利用地)和25個二級土地利用類型。本文的關鍵是通過對原始數據的整合構建以“生產、生活、生態”為主導功能的土地利用分類體系。但由于同一用地類型可能兼具多重功能，基于土地利用功能視角進行土地分類具有一定難度[7]。然而土地雖然具有多重功能，但基于行為主體的主觀用地意圖，總有其主導功能。因此，根據土地利用功能相關文獻[23-25]，通過整合原始數據中各用地類型，將土地利用類型按其所滿足人類需求的不同方面劃分為具有生產、生態和生活功能的“三生”土地利用分類體系，包括3個一級土地利用類型(生產、生活和生態用地)和8個二級土地利用類型(表1)。

表1 “三生”土地利用主導功能分類及其生態環境質量指數

1.2 研究方法

1.2.1 土地利用功能轉型 土地利用功能轉型通過土地利用轉移矩陣模型來具體分析。土地利用轉移矩陣來源于系統分析中對系統狀態與狀態轉移的定量描述[26]。利用ArcGIS對任意兩期土地利用數據進行空間疊加，獲取各研究時段土地利用類型轉移矩陣，作為結構分析與變化方向分析的基礎，可更好地表征土地利用的結構特征與用地功能類型變化。其表達式為：

(1)

式中:S為面積;n為土地利用類型數量;i,j分別為研究初期與末期的土地利用類型。

1.2.2 生態環境效應 土地利用功能轉型的生態環境效應分析通過區域生態環境質量指數和土地利用功能轉型生態貢獻率進行表征。

(1)生態環境質量指數。土地利用類型通常按照一定的生態環境視角來劃分，土地利用類型的不同導致其生態環境質量具有明顯差異[18]。區域生態環境質量指數可以綜合考慮研究區域內不同土地利用類型的生態環境狀況和面積占比，定量分析某一區域內的生態環境質量。本文參考李曉文[27]、羅剛[28]等的研究成果中二級地類生態環境質量值，結合陜西省“三生”用地特征，利用面積加權法，對“三生”用地分類系統的二級地類進行生態環境質量賦值(表1)，以此來核算各類用地不同時期的生態環境質量。其表達式如下：

(2)

式中:EVt為研究區第t時期生態環境質量指數;Aki為研究區域內第t時期第i種土地利用類型的面積;Ak為區域總面積;Ri為第i種土地利用類型的生態環境指數;n為土地利用類型數量。

(2)土地利用功能轉型生態貢獻率。土地利用功能轉型生態貢獻率是指某一種土地利用主導功能變化所導致的區域生態質量的變化，可表征土地利用主導功能之間的相互轉換對區域生態環境質量的影響，有利于探討區域生態環境變化的主導因素[29]，其表達式為：

(3)

式中:LEI為某一土地利用變化類型生態貢獻率;LE0,LE1分別為某一土地利用變化類型在變化初期和變化末期的生態環境質量指數;LA為該變化用地的面積;TA為區域總面積。

2 結果與分析

2.1 土地利用時空變化及轉型分析

2.1.1 土地利用時空變化特征 通過對比分析陜西省2000年、2010年和2018年3期土地利用類型的面積及變化(圖1—2)可以發現，生態用地面積最大(平均占比達64.47%)，但變化幅度最小，2000—2018年共計增加2 824.1 km2，增幅僅為2.16%。其中林地、牧草生態用地面積呈上升趨勢，分別增加了1 405.0，2 073.6 km2，而其他生態用地和水域生態用地面積持續下降，分別減少了549.7，104.8 km2。生產用地面積次之(平均占比為34.09%)，且呈下降趨勢，18 a來共計減少了4 155.4 km2，降幅為5.77%。其中農業生產用地下降趨勢明顯，共計減少5 249.2 km2，降幅為7.30%，而工礦生產用地顯著增加，共計增加了1 093.8 km2，增幅高達827.97%。生活用地面積最小(平均占比僅為1.44%)，但變化最為明顯，18 a來共計增加了1 331.3 km2，增幅高達55.15%，其中城鎮及農村生活用地都呈持續上升趨勢，分別增加了903.6，427.7 km2，上升幅度分別為177.10%，22.47%，城鎮生活用地增幅較大。表明隨著陜西省城鎮化的快速推進和城鄉居民生活水平的提高，建設用地增長迅速，生活用地需求增加，土地利用供需矛盾進一步加劇。

圖1 2000-2018年三生用地面積變化

從陜西省三生用地分布圖(圖2)可以看出，生態用地分布最為廣泛，主要分布在陜南山地和陜北高原；其次為生產用地，主要分布在關中平原、陜北高原中部；生活用地占地面積最小，主要分布在關中平原。按照二級地類來看，牧草生態用地、林地生態用地和農業生產用地分布較為廣泛。其中牧草生態用地主要分布在陜北高原和陜南山地南部，林地生態用地則集中分布在陜西省中南部的秦嶺和陜北高原南部地區，農業生產用地主要分布在自然條件較好的陜北長城沿線風沙灘區、渭北臺塬區、渭河平原區以及漢中、安康盆地和平壩區；工礦生產用地占地面積較小，集中分布在西安市和陜北高原的能源化工基地；城鎮生活用地主要以西安市為中心分布，而農村生活用地的分布受自然條件和社會經濟發展的影響則與農業生產用地具有空間的趨同性；其他生態用地主要分布在榆林市西北部，因毗鄰毛烏素沙地，土地利用類型主要為沙地；水域生態用地面積最小，主要為河流，如黃河、渭河、漢江等。就其變化而言，隨著退耕還林還草政策的落實以及城鄉社會經濟的發展，導致工礦生產用地和城鎮生活用地急劇擴張，農業生產用地則大幅度縮減。工礦生產用地的擴張主要體現在以西安為核心的大中城市基礎建設用地的擴大以及陜北高原能源化工基地的擴展，城鎮生活用地的擴張主要以關中城市群和其他大中城市為中心的蔓延擴張，而農業生產用地的縮減主要發生在關中城市群、榆林市和延安、漢中、安康3市區及周邊部分縣域內城鎮發展及產業園區發展對耕地的占用。雖然為了控制耕地面積的減少，陜西省也相應落實了耕地保護和占補平衡制度，并通過推進農用地、農村建設用地、宜耕后備土地資源的整理以及土地復墾等措施來增加農業生產用地，但明顯不抵其他用地對農業生產用地的擠占。

圖2 2000-2018年陜西省三生用地分布

2.1.2 土地利用轉型分析 為了更直觀地表示研究期間陜西省各土地利用功能類型之間的轉換情況，本研究利用ArcGIS 10.6分別對2000—2010年、2010—2018年的土地利用數據進行疊加處理得到兩個時期的土地利用轉移矩陣(表2—3)。通過對比兩期土地利用轉移矩陣發現，最突出的表現是農業生產用地向其他土地利用類型的轉移，且主要轉向牧草生態用地、林地生態用地和城鄉生活用地。

表2 2000-2010年陜西省土地利用轉移矩陣 km2

表3 2010-2018年陜西省土地利用轉移矩陣 km2

2000—2010年土地利用類型之間的轉移相對較小，主要表現為農業生產用地轉向牧草生態用地和林地生態用地，轉移面積分別為1 191.9，830.9 km2，說明退耕還林還草政策在陜西省的實施成效顯著。同時隨著城鎮化的推進以及城鄉居民生活水平的提高，城鄉生活用地對農業生產用地的侵占問題比較突出，分別有103.0，173.5 km2的農業生產用地轉化為城鎮生活用地和農村生活用地，還有104.5 km2的農業生產用地轉化為水域生態用地。也有其他土地利用類型向農業生產用地的轉化，但除了牧草生態用地轉移面積(417.2 km2)較大外，其余都不明顯。其他土地利用類型間的轉化不明顯。表明這一時期陜西省其他土地利用類型對農業生產用地的蠶食比較嚴重，耕地保護面臨很大的壓力。

2010—2018年土地利用類型之間的轉移相對較大。除了農業生產用地與其他土地利用類型之間的相互轉移外，其他土地利用類型之間的轉移也較明顯。農業生產用地的轉化方向與2000—2010年基本一致，主要轉化為牧草生態用地和林地生態用地，轉移面積分別為21 638.9，5 601.3 km2，其次轉化為城鎮生活用地、農村生活用地、水域生態用地和工礦生產用地，分別轉移了542.6，1 722.3，510.3，433.3 km2。同時，牧草生態用地、林地生態用地、農村生活用地和水域生態用地向農業生產用地的轉化也在不斷增長，轉移面積分別為19 535.5，5 346.3，1 397.2，523.0 km2；牧草生態用地除了與農業生產用地之間的相互轉化較大外，與林地生態用地和其他生態用地之間的轉移也較明顯。有11 235.1，1 032.8 km2的牧草生態用地分別轉化為林地生態用地和其他生態用地，同時也有11 180.5 km2的林地生態用地和1 151.2 km2的其他生態用地轉化為牧草生態用地。此外，城鎮生活用地和農村生活用地也在不斷增加，除了農業生產用地的大量轉移外，城鎮生活用地的增加主要來自農村生活用地的轉化，轉移面積為100.9 km2，而農村生活用地的增加主要源于牧草生態用地轉化的轉化，轉移面積為252.8 km2。從這一時期土地利用類型間的轉移可以看出，陜西省退耕還林還草的力度進一步加大，城鄉生活用地和城鎮建設用地急劇增加，對農業生產用地的侵占更加突出，農業生產用地面積大幅減少。雖然農業生產用地與其他用地之間存在著相互轉化，但其他用地對農業生產用地的侵占量明顯高于向其的轉化量。

2.2 土地利用轉型的生態環境效應

2.2.1 生態環境質量時空變化 陜西省的生態環境質量指數呈持續上升態勢，由2000年的0.437 6上升到2018年的0.442 0，增幅僅為1.0%，表明其生態環境質量得到一定程度的改善，但總體較為穩定。就其生態環境質量階段性變化而言，2000—2010年，由于大量農業生產用地轉化為林地和牧草生態用地，陜西省的生態環境質量指數由0.437 6上升到0.440 9，增幅為0.8%。整體生態環境質量有所改善；2010—2018年，陜西省的生態環境質量指數由0.440 9上升到0.442 0，增幅僅為0.2%。由于林地和牧草生態用地增加帶來的區域生態環境質量上升的面積大于城鄉生活用地和工礦生產用地面積增加帶來的生態環境質量下降的區域，導致生態環境質量略有改善。

以陜西107個縣級行政單位作為評價單元，根據式(2)分別求得各評價單元2000年、2010年以及2018年生態環境質量指數(圖3)，并利用自然斷點法將其分為低質量區(<0.308 8)、較低質量區(0.308 9～0.376 5)、中質量區(0.376 6～0.445 7)、較高質量區(0.445 8～0.512 3)、高質量區(>0.512 4)5級。受土地利用類型分布的影響，陜西省生態環境質量區域差異顯著，其空間分布體現出與土地利用類型總體類似的區域分異特征(圖2—3)，總體呈現南部高，中間低，北部較高的空間格局。林地、牧草生態用地分布廣泛的地區生態環境質量明顯高于其他土地利用類型分布地區。陜南山地土地利用類型主要為林地、牧草生態用地，森林覆蓋率高；且受地形地貌的影響，限制了城鎮聚集和工礦業發展，使其生態環境質量最高，除漢中市和安康市中部為生產生活用地，生態環境質量相對較差外，其余大部分區域屬于高質量區和較高質量區；但近年來由于生活用地以及工礦生產用地面積大幅增加，導致低質量區面積有所上升，漢中市漢臺區生態環境質量有所下降。陜北高原除延安市南部位于子午嶺和黃龍山地區，生態環境質量較高外，大部分地區屬于中質量區和低質量區，生態環境質量總體處于中等水平；近年來，為了構建“兩屏三帶”為主體的生態安全格局，陜西省實施了“雙退”政策，陜北地區較高質量和高質量區面積迅速擴張，榆林市和延安市生態環境質量明顯改善，其中志丹縣、宜川縣、延長縣、吳堡縣、子洲縣等生態環境質量有所上升。關中平原地勢平坦，農業生產條件較好，工業化、城鎮化水平高，是全省經濟社會集中發展地區，土地利用主要為生產、生活用地，大部分地區生態環境質量較低，且受城鎮化的影響其低質量區呈擴張趨勢，如西安市臨潼區、灞橋區。

圖3 陜西省各縣(區、縣級市)生態環境質量指數

2.2.2 土地利用功能轉型生態貢獻率 區域生態環境質量通常具有改善和惡化兩種變化趨勢，在某種程度上，這兩種相反的變化會在一定區域內相互抵消，從而使區域內的生態環境質量保持相對穩定[7]。但是生態環境質量指數的穩定并不意味著區域內的生態環境沒有發生改變。為了分析區域內生態環境質量變化的主要因素，通過公式(3)計算出陜西省主要功能地類轉型及其貢獻率(表4)。

表4 2000-2018年陜西省主要功能地類轉型的生態貢獻率

由表4可知，2000—2010年，陜西省土地利用轉型導致生態環境質量改善的主要因素是退耕還林還草帶來的農業生產用地向林地、牧草生態用地的轉化，共占生態貢獻率的70.13%，其中農業生產用地向林地生態用地的轉化是生態環境質量改善的主導因素，占生態貢獻率的41.52%；而牧草生態用地轉為農業生產用地則是導致生態環境質量下降的最主要因素，占生態環境負效應的39.51%。2010—2018年，土地利用轉型導致生態環境質量改善的主要因素是也是退耕還林還草帶來的農業生產用地向林地、牧草生態用地的轉化，共占生態貢獻率的65.61%，但其生態環境質量改善的主導因素轉變為農業生產用地向牧草生態用地的轉化，占生態貢獻率的42.63%；土地利用轉型導致生態環境質量惡化的主要因素分別是牧草生態用地轉為農業生產用地以及林地生態用地轉為牧草生態用地和農業生產用地，分別占生態環境負效應的39.64%，24.55%，22.59%。由此可見，農業生產用地、林地生態用地以及牧草生態用地三者之間的相互轉化是影響生態環境質量變化的主要因素。其中，農業生產用地轉化為林地、牧草用地以及牧草用地轉化為林地是生態環境質量改善的主要因素，而牧草用地和林地轉向農業生產用地是導致生態環境質量下降的主要因素。

3 討論與結論

3.1 討 論

陜西省土地利用的主要特征是生產用地向生態和生活用地的轉化，標志著其國土空間開發格局由生產空間為主導轉向生產、生活、生態三位一體的“三生空間”模式，但距離“生產發展、生活富裕、生態良好”的生態文明發展目標還有一定的差距。目前土地利用轉型面臨耕地保護的巨大壓力，局部地區尤其是以西安市為核心的關中平原城市群地區生態環境質量較低且呈下降態勢。2018年陜西省的城市化水平為58.13%，人均GDP為63 477元，與東部發達地區相比，還有很大的上升空間。今后隨著社會經濟的發展、城鎮化的不斷推進，土地利用變化程度加劇，城鎮建設用地和城鄉生活用地將繼續擴張，各類用地之間的矛盾更加突出，生態環境狀況更加嚴峻。為此，陜西省在社會經濟發展和生態文明建設中，應根據各地區自然條件、主體功能定位以及生態環境容量等實際情況進行土地調控，明確土地利用方向。通過合理調整農業用地結構，優化城鄉建設用地布局，強化生態用地保護，優化“三生空間”用地布局，推動形成生產空間集約高效、生活空間宜居適度、生態空間山清水秀的國土空間開發格局。具體而言，關中地區應加強耕地與基本農田保護力度，積極挖潛存量建設用地，通過城鎮低效用地再開發、城鎮工礦廢棄地復墾、秦嶺北麓等地移民(脫貧)搬遷等措施，推動城鄉建設用地優化配置，提高節約集約用地水平，使關中平原成為綠色發展型生態文明示范區；陜北地區應在保障國家能源化工基地建設用地、產業園區配套用地需求的基礎上，進一步優化城鎮工礦用地布局，推動產業集聚發展的同時，保護基礎性生態用地，通過對沙地、邊溝等的治理，使陜北黃土高原地區成為生態治理型文明示范區；陜南地區應以生態環境保護和建設為重點，加強主要水源地、自然保護區等生態環境安全控制區保護力度，繼續推動25°以上坡耕地有序退耕還林還草，充分利用生態移民(脫貧)搬遷支持政策，加強生態環境整治，改善農村生態生活條件，使陜南地區成為生態保護型文明示范區。

3.2 結 論

(1)陜西省土地利用類型分布差異較大，生產、生活用地主要分布在關中平原，生態用地主要分布陜北高原和陜南山地。其中生態用地面積最大且呈擴張趨勢，2000—2018年共計增加2 824.1 km2，增幅為2.16%；生產用地面積居中且持續下降，18 a來共計減少了4 155.4 km2，降幅為5.77%；生活用地面積最小但擴張趨勢明顯，18 a來共計增加了1 331.3 km2，增幅高達55.15%。

(2)從各類土地利用功能的轉移來看，2010—2018年相較于2000—2010年土地利用類型之間的轉移相對較大，但兩個時期變化趨勢基本一致，按照二級地類來看，主要表現為牧草和林地生態用地以及城鄉生活用地對農業生產用地的擠占。

(3)盡管陜西省同時存在著生態改善和退化的兩種趨勢，但其總體上生態環境質量指數小幅上升，生態環境質量有所改善，土地利用轉型對區域生態環境質量的影響總體而言不顯著，且體現出與土地利用類型總體類似的區域分異特征，林地、牧草生態用地分布廣泛的地區生態環境質量明顯高于其他土地利用類型分布地區。

(4)農業生產用地、林地生態用地以及牧草生態用地三者之間的相互轉化是影響生態環境質量變化的主要因素，農業生產用地轉化為林地、牧草生態用地以及牧草生態用地轉化為林地生態用地是生態環境質量改善的主要因素，而導致生態環境質量下降的主要因素是牧草、林地生態用地轉向農業生產用地。

本文基于土地利用遙感數據，從“三生空間”角度出發，分析了陜西省土地利用轉型引起的生態環境效應變化，但由于研究區域面積較大且高分辨率的影像難以獲取，所采用數據分辨率為1 km×1 km。生態環境質量的變化因素僅對土地利用變化進行了定量分析，社會、經濟、政策等因素未做定量分析。后期的研究中應根據陜西省的實際情況及復雜性，選擇更高精度的遙感影像數據，優化影響因素分析模型，全面分析引起生態環境質量的變化因素，更好地為陜西省土地利用規劃和生態環境建設提供參考和借鑒。