“三生”空間視角下南京市土地利用轉型及其對生境質量的影響

康 琴，潘文仁，李 禕

（河海大學 公共管理學院，江蘇 南京 210000）

0 引言

土地利用在社會經濟發展中具有基礎性、支撐性和支配性的作用［1］，土地利用轉型指土地利用的主導功能發生了變化，通常表現為土地利用的“生產、生活、生態空間”發生轉移。改革開放以來，我國社會生產力的迅速發展推動了城鎮化進程。隨著城市化和工業化的不斷推進，區域社會—經濟—生態結構也隨之發生變化［2］，城鎮用地的急劇增加使得生態空間和農業空間受到嚴重擠占，從而產生了人地關系緊張、國土空間開發無序與土地利用格局不協調等一系列問題［3］。黨的十八大報告提出，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［4］，使得三生空間成為國土空間規劃的新方向。傳統的“重生產建設，輕生態環境”“先開發后保護”等發展理念以犧牲生態環境質量換取經濟增長，導致生態環境功能退化、人居環境惡化問題突出。因此，對土地利用轉型的研究成為深入了解人地關系，揭示社會經濟發展及其生態環境效益的關鍵切入點［5］。

近年來，國內學者對于土地利用轉型作了大量研究，在研究范圍上主要集中于省域［6-8］、城市群［9-11］、黃河流域［12-13］、長江經濟帶［14］、生態敏感脆弱區［15-16］等；研究內容主要包括土地利用轉型的科學解釋［17］，土地利用轉型的時空演變特征及影響因素［18-19］，土地利用轉型與景觀格局變化［20-21］、社會經濟發展［22］、鄉村振興［23-24］，城鄉融合［25］、生態價值［26］、生態環境效益［8-9,13-15］等；研究方法有土地利用轉移矩陣［4］、貝葉斯網絡模型［6］、景觀格局指數［7］、時空格局測定方法與灰色關聯度分析法［18］、耦合協調模型［22］等。關于土地利用轉型的研究已較為豐富，但關注點多集中于土地二級分類體系下的土地功能轉變，關注區域多為生態較為豐富的流域地區或者生態脆弱敏感區，而以“三生”空間視角對生態資源較為缺乏但經濟發達城市的土地資源要素再分配及其生態環境效益研究相對較少。

南京作為江蘇省省會，屬副省級城市，是東部沿海經濟帶與長江經濟帶戰略交匯的重要節點城市，是南京都市圈的核心城市。隨著長三角地區經濟一體化進程的加快，南京區域中心城市的地位日益凸顯，區域人口規模和城鎮化率不斷提高，建設用地的剛性需求只增不減，土地供需矛盾日益加劇。《南京市生態文明建設規劃2018—2020（修編）》顯示，當前南京市的城市建設高速推進、經濟快速發展、資源約束趨緊以及生態環境質量等問題尚未根本好轉［28］。2021年10月，《南京市“十四五”國土空間和自然資源保護利用規劃》（以下簡稱《規劃》）正式發布，《規劃》指出“到2025年，確保林木覆蓋率超過31%；新增國土整治與生態修復面積0.6萬hm2；要著力推進城市功能空間與生態田園空間有機融合，打造中部田園都市。”鑒于此，本文以南京市為研究對象，基于“三生”空間的分類體系，以2000—2020年土地利用數據為基礎，采用GIS方法與InVEST模型定量研究南京市土地利用轉型與生境質量的時空特征，并通過計算土地利用轉型生境貢獻率，探究土地利用轉型對生境質量的影響，以期為南京市及同類型特大城市的國土空間規劃和生態環境保護提供決策支持和參考依據。

1 研究區概況與數據來源

1.1 研究區概況

南京地處長江下游中部，地理坐標為31°14′～32°37′N，118°22′～119°14′E之間，全市下轄11個區，轄區面積6587.02 km2，區位示意圖如圖1所示。南京屬北亞熱帶濕潤氣候，年平均降雨量1106.5 mm，水域面積達11%以上，長江穿城，沿江岸線總長近200 km。全市林木覆蓋率為31.30%，建成區綠化覆蓋率為45.16%，位居中國前三甲，是中國四大園林城市之一。統計數據顯示，截至2021年，南京市常住人口942.34萬人，全市地區生產總值高達16355.32億元，城鎮化率由2005年的76.24%上升至2021年的86.90%，遠高于全國平均水平（60.60%）。三次產業結構比例為1.8∶36.1∶62.1，居民人均可支配收入66140元。

圖1 南京市行政區劃圖

1.2 數據來源與處理

本文選取2000、2005、2010、2015、2020年5期分辨率為30 m的南京市土地利用數據進行分析研究。數據來源于中科院資源環境科學與數據中心數據平臺(http://www.resdc.cn)。該數據集一級分類為6類，包括耕地、林地、草地、水域、建設用地和未利用地；二級分類包括25類。本文按照自然資源部土地利用調查行業標準并參考孫善良［4］、汪榮基［29］等的分類標準，將源數據土地利用類型進行整合并利用ArcGIS 10.7軟件重新分類，依據各地類的主導功能，形成新的南京市“三生”空間土地利用分類系統（表1）。

表1 南京市“三生”空間土地利用主導功能分類

2 研究方法

2.1 土地利用轉移矩陣

土地利用轉移矩陣是根據同一地區不同時期土地覆蓋現狀的變化關系而求得的一個二維矩陣，描述了同一地區不同地類的相互轉換情況以及發生變化的位置和面積，表達公式為：

式(1)中，S表示某一地類的面積，i、j分別表示研究初期和末期的土地利用類型，n表示總的土地利用類型數。Sij表示第i類土地轉換為第j類土地的面積。借助ArcGIS 10.7軟件將2000、2005、2010、2015、2020年土地利用數據中的任意2期數據進行疊加運算，再通過Excel軟件建立數據透視表，可以得到土地利用類型轉移矩陣，從而揭示土地利用類型變化的方向和數量特征。

2.2 生態環境質量指數

本文借助InVSET模型中生境質量模塊（Habitat Quality）來計算生境質量指標，以此評估南京市生態環境質量。在該模塊中，生境質量指數是區域土地利用類型生境適宜性和生境退化程度的一個無量綱函數指標。生境質量的計算公式為：

式（2）中，Qxi為土地利用類型j中柵格x的生境質量，取值范圍為0～1，Qxi值越大表示生境質量越好，生物多樣性越高；Hj為土地利用類型j的生境適宜度；K為半飽和參數；z為模型默認參數；Dxj為柵格x的生境脅迫水平，計算公式為：

式（3）中，R為脅迫因子；y為威脅因子r中柵格圖層的柵格數量；YR為威脅因子所占柵格數；Wr為歸一化的威脅因子權重；ry為柵格y的脅迫值；irxy為威脅因子柵格與生境柵格x之間的距離；βy為生境x受保護程度；Sjr為生境類型j對威脅因子r的敏感性［30］。

根據南京市實際情況，并結合參考文獻［31］，選取了農業生產用地、工礦及其他生產用地、城鎮生活用地和農村生活用地作為威脅因子，設定的最大影響距離、權重、衰減類型等如表2所示；不同土地利用類型的生境適宜性及威脅因子敏感度情況如表3所示。

表2 威脅因子及相關參數

表3 生境適宜性及威脅因子敏感度

2.3 土地利用轉型生境貢獻率

本文以土地利用轉型的生境貢獻率來表征土地利用類型轉變造成的生境質量變化效應，分為生態環境質量提升效應和生態環境退化效應。生境貢獻率參考生態貢獻率的計算方法，公式為：

式（4）中，EI表示某一土地利用變化類型的生境貢獻率，E1、E0分別表示某種土地利用類型變化前后的生境質量指數，LA表示某種土地利用類型變化的面積，A為土地利用轉型的總面積。

3 結果與分析

3.1 南京市“三生”空間土地利用的時空特征

3.1.1 土地利用空間格局變化 經過ArcGIS軟件處理后的南京市2000—2020年“三生”空間二級地類分布格局如圖2所示。從圖2可以看出，南京市“三生”空間用地以生產空間為主，呈環狀分布于南京市外圍；從二級用地分類來看，南京市土地利用以農業生產用地為主，工礦及其他生產用地分布零散且占比較少。生活空間主要分布在南京市中部，以城鎮生活用地為主，形成了南京市的主城區位置，包括鼓樓區、建鄴區、秦淮區、棲霞區、玄武區以及浦口區東北部、六合區西南部、江寧區中北部、溧水區中心和高淳區中北部；2000—2020年，城鎮空間用地明顯增加，呈現出從中心往外圍大幅擴張的趨勢，主要侵占地類為農業生產用地。生態空間也較為集中，水域生態用地呈“一帶兩片”分布，“一帶”分布在長江及其沿岸地區；“兩片”分布在“石臼湖”和“固城湖”區域，并且“兩片”水域生態面積明顯增加；此外還有少部分林草生態用地分布在浦口區國家森林公園區域和江寧區東北區域。

圖2 南京市“三生”空間二級地類分布格局圖

3.1.2 土地利用數量變化 表4和表5分別統計了南京市“三生”空間一級和二級分類下的土地利用數量變化情況。2000年，南京市生產空間面積占全市總面積的63.59%（其中農業生產用地占62.93%，工礦及其他生產用地占00.66%）；生活空間面積占全市總面積的15.32%（其中城鎮生活用地占5.30%，農村生活用地占10.02%）；生態空間面積占全市總面積的21.09%（其中林草生態用地占11.55%，水域生態用地占9.48%，其他生態用地占0.06%）。2000—2020年，南京市生產空間面積呈現出不斷減少的變化趨勢，并且以農業生產用地面積的減少為主，由2000年的4145.7253 km2減少到2020年的3340.8366 km2，降幅高達19.41%，這與城鎮生活用地的大幅擴張進而侵占了農業生產用地的現狀相吻合。從變化幅度來看，2005—2010年期間，農業生產用地面積降幅最大，達到11.02%，減 少面積 為435.5400 km2，2010年 以后降幅得到一定控制。生活空間面積由2000年的1009.2555 km2增加到2020年的1630.1114 km2，除2005—2010年期間農村生活用地面積出現減少的情況外，其他時間段的城鎮生活用地與農村生活用地面積均出現了不同程度的增加，增幅在2010年以后有所降低。生態空間面積由2000年的1389.5060 km2增 加 至2020年 的1497.6985 km2，主要表現為水域生態用地面積的增加，而林草生態用地面積卻呈現持續減少的變化趨勢，降幅為4.89%。

表4 南京市“三生”空間一級地類用地面積及其變化 km2

表5 南京市“三生”空間二級地類用地面積及其變化 km2

綜上所述，2000—2020年間，南京市“三生”空間土地利用呈現出“生產空間持續縮減、生活空間持續擴張、生態空間波動式上升”的變化特征。南京作為我國特大城市之一，戰略地位舉足輕重。為了滿足經濟建設發展需求、推進人口增長、加速調整產業和經濟結構等用地要求，必然會導致土地被過度開發、大量農業用地被占用等問題。2010—2020年，南京市“生產、生活、生態空間”用地變化幅度較往年有所降低，說明近10年來南京市更加重視國土空間的優化布局，進而加快改善城市的生態空間結構。

3.2 南京市“三生”空間土地利用轉型分析

為了更加直觀地分析南京市“三生”空間土地利用變化特征，為南京市生境質量變化提供依據，利用GIS空間疊加分析功能，以“三生”空間二級用地主導分類構建了2000—2020年每5年間的南京市土地利用轉移矩陣（表6）。通過對南京市土地利用轉移矩進行分析，得出以下結論：

表6 2000—2020年南京市“三生”空間土地利用轉移矩陣

（1）2000—2005年南京市“三生”空間土地利用轉型總體強度不大，主要是農業生產用地的轉出與城鎮生活用地的轉入。具體來看：農業生產用地轉出面積為198.5873 km2，主要轉出類型為城鎮生活用地、農村生活用地和水域生態用地，轉出類型占比分別為44.65%、5.42%和48.32%，這可能是由于一方面城鎮化進程的加快使得大量耕地被開發為城鎮建設用地，另一方面退耕還林還湖等政策的實施取得了一定的成效。除農業生產用地以外，轉為城鎮生活用地的地類還包括林草生態用地和水域生態用地，轉入面積分別為2.8442和2.9856 km2，占轉入地類總比重的3.00%和3.15%，由此可見，城鎮化建設中主要是以占用農業生產用地的方式進行建設用地的擴張。

（2）2005—2010年，隨著城鎮化的加速推進，南京市“三生”空間土地利用轉型強度較上一周期發生了較大的增長。農業生產用地轉出面積達到507.1074 km2，同比增長率為155.36%；按轉出面積由多到少排序為城鎮生活用地＞農村生活用地＞水域生態用地＞工礦及其他生產用地＞林草生態用地＞其他生態用地；農業生產用地轉入面積為71.5624 km2，主要源于城鎮生活用地、農村生活用地、林草生態用地和水域生態用地。變化面積較大的地類轉型還包括農村生活用地轉出為農業生產用地和城鎮生活用地，面積分別為44.5896和103.5848 km2；林草生態用地轉出為城鎮生活用地，面積為24.9703 km2。通過查閱南京市統計發展公報發現，2005—2010年間，南京市經濟發展處于強勢增長態勢，地區生產總值由2000億元增長至5000億元，在此期間，城鎮建設用地具有明顯的粗放式擴張的特征，并且多以侵占耕地為主。

（3）2010—2015年，南京市城市內部結構趨于穩定，“三生”空間土地利用轉型強度經歷了強勢增長后逐漸變得緩慢，各類用地轉出量與轉入量差距縮小。農業生產用地轉出和轉入量分別為59.2557和39.3706 km2；城鎮生活用地轉入面積為27.4954 km2，轉出面積為6.9738 km2；農村生活用地轉入面積與轉出面積趨于平衡，分別為23.2292和17.7588 km2；所有生態用地轉出面積為22.7410 km2，轉入面積為13.1328 km2。在此階段，南京市城鎮擴張速度放緩，擴張模式也由上一階段的粗放式擴張轉變為更集約型的擴張；農業生產用地和生態用地被大量侵占的現象出現好轉。

（4）2015—2020年，南京市“三生”空間土地利用變化較上一階段明顯，出現了再一次“土地利用轉型升溫”的情況。主要表現為：農業生產用地轉出為城鎮生活用地、農村生活用地、林草生態用地、水域生態用地，轉出面積較上一階段分別增加了33.2312、66.4894、6.1010和12.0248 km2，增長率分別為37.45%、 211.43%、162.28%和246.65%；農村生活用地轉為農業生產用地，面積為31.3239 km2，增長率為109.73%；林草生態用地轉為農業生產用地，面積為9.8579 km2；水域生態用地轉為農業生產用地和林草生態用地，面積分別為14.3838和5.7894 km2。

綜上所述，2000—2020年南京市“三生”空間土地利用轉型程度呈現“較低—強勢—放緩—增強”的變化特征；主要轉型類型為農業生產用地、林草生態用地和水域生態用地轉為城鎮生活用地、農村生活用地、林草生態用地和水域生態用地；農村生活用地、林草生態用地和水域生態用地轉為農業生產用地。

3.3 南京市生境質量時空變化

通過ArcGIS軟件，按照相等間距方法將南京市生境質量重新劃分為低等質量（生境質量為0～0.2）、較低等質量（生境質量為0.2～0.4）、中等質量（生境質量為0.4～0.6）、較高等質量（生境質量為0.6～0.8）和高等質量（生境質量為0.8～1.0），并計算每一等級生境質量的面積占比。

從數量變化來看(圖3)，南京市整體生境質量出現了明顯退化。2000—2020年，高等生境質量面積占比經歷了先小幅增加后逐年降低的變化過程，由4.13%減為3.20%；中等質量面積占比持續下降，由53.33%減少為27.72%，變化強度最大；低等質量面積占比由24.03%增長至44.97%，增加了20.94%。南京市生境質量退化的原因主要是由于低等質量面積的逐年增加和中等質量面積的持續減少。2000和2005年，生境質量等級面積最大的是中等質量，而從2010年開始，低等質量面積持續增加，最終成為面積占比最大的生境質量等級。

圖3 南京市2000—2020年生境質量各等級面積占比

從格局變化來看（圖4），南京市生境質量時空分異明顯，總體形成了“低等生境質量區占據較低等生境質量區、較低等生境質量區占據中等生境質量區”的生境質量轉型模式。2000年生境質量低等的區域主要分布于主城區，包括棲霞區、鼓樓區、建鄴區、秦淮區。隨著經濟的快速發展，南京市生境質量低等地區以這些區域為中心，呈圈層模式向外圍逐步擴張，漸漸蔓延至浦口區、雨花臺區、江寧區。這些區域是南京市經濟、人口、產業高度集聚的地區，城鎮化程度高，生態資源相對較少，形成了南京市生境質量退化的高度集中區。較低等生境質量地區的擴張模式與低等生境質量區的類似，并環繞分布在低等生境質量區外圍。南京市較高等和高等生境質量地區主要分布于長江沿岸、國家森林公園、石臼湖和固城湖等生態用地區域，這些地區遠離市中心，受人類活動的影響相對較小，林草和水域分布范圍廣，具有較強的生態資源稟賦優勢，但隨著中、低等生境質量范圍的擴大，部分高等質量生境地區也被占用。

圖4 南京市2000—2020年生境質量等級分布圖

3.4 “三生”空間土地利用轉型的生境貢獻率

土地利用轉型過程中,土地利用變化帶來生境質量不同面積、不同程度的退化和提升，使得整體生境質量發生改變。由表7可知，2000—2020年南京市“三生”空間二級土地利用轉型對生境質量的貢獻率及貢獻率占比。南京市生境質量退化主要源于農業生產用地轉為城鎮生活用地和農村生活用地，2000—2005年生境貢獻率占比高達90.64%；此外還包括林草生態用地和水域生態用地向城鎮生活用地的轉變。生境質量的提升得益于農村生活用地向農業生產用地和水域生態用地的轉變，在2000—2005年期間的貢獻率占比分別為34.39%和53.99%。對生境質量具有正面提升作用的土地利用轉型類型中，農村生活用地轉為農業生產用地的貢獻率占比逐年升高；對生境質量具有負面影響效應的土地利用轉型類型中，農業生產用地轉為城鎮生活用地的貢獻率占比逐年降低，而農業生產用地轉為工礦及其他生產用地和農村生活用地的貢獻率占比持續上升。可見，農業生產用地與城鎮生活用地和農村生活用地的相互轉化是南京市生境質量發生變化的主要原因。

表7 2000—2020年南京市土地利用轉型貢獻率及貢獻率占比

4 結論

本文以南京市為研究對象，基于“三生”空間的分類體系，以2000—2020年土地利用數據為基礎，采用GIS空間分析方法與InVEST模型定量研究了南京市土地利用轉型與生境質量的時空變化特征，并通過計算土地利用轉型生境貢獻率探究土地利用轉型對生境質量的影響，主要得出以下結論：

（1）南京市“三生”空間用地以生產空間為主，呈環狀分布于南京市外圍；其次為生活空間，主要分布在南京市中部，形成了南京市的主城區位置；占比最少的是生態空間，水域生態用地呈“一帶兩片”分布。2000—2020年，南京市“三生”空間格局變化明顯，表現為城鎮生活用地從中心往外圍大幅擴張，并侵占了大量的農業生產用地；數量變化表現為生產空間持續縮減，生活空間持續擴張，生態空間波動式上升的特征。

（2）2000—2020年南京市“三生”空間土地利用轉型程度呈現“較低—強勢—放緩—增強”的變化特征；主要轉型類型為農業生產用地、林草生態用地和水域生態用地轉為城鎮生活用地和農村生活用地、林草生態用地和水域生態用地；農村生活用地、林草生態用地和水域生態用地轉為農業生產用地。

（3）南京市低等生境質量區域主要分布于主城區；較低等生境質量地區環繞主城區分布；中等生境質量地區分布于南京市的外圍地區；高等和較高等生境質量地區主要分布于長江沿岸、國家森林公園、石臼湖和固城湖等生態用地區域。2000—2020年，南京市整體生境質量出現了明顯退化的趨勢，主要是由于低等生境質量面積的逐年增加和中等生境質量面積的持續減少。

（4）南京市生境質量發生變化的主要原因是農業生產用地與城鎮生活用地、農村生活用地的相互轉化。其中，生境質量退化主要源于農業生產用地轉為城鎮生活用地和農村生活用地，且2000—2005年生境貢獻率占比高達90.64%，此外，還包括少數林草生態和水域生態用地向城鎮生活用地的轉變；生境質量的提升得益于農村生活用地向農業生產用地和水域生態用地的轉變。

土地利用變化是生態系統結構和功能變化的根本原因，生境質量揭示了土地利用過程中結構和功能轉型變化所帶來的生態環境影響［32］。在生態文明建設的大背景下，面對南京市生境質量退化的現狀，應該統籌優化配置南京市“三生”空間，優化各項產業的用地布局，持續深化經濟產業結構的調整和轉型；努力做好生物多樣性保護工作，提高本地生態環境自身的承載能力，實現綠色可持續發展。對于生境質量較低的地區，應該重點加強生態保護和修復，制定有針對性的政策和法規，嚴禁生產建設活動隨意侵占農業生產用地及各類生態用地。