中原城市群“三生”用地轉型及其生態環境效應

司曉君, 崔 佳

(哈爾濱師范大學 管理學院, 黑龍江 哈爾濱 150025)

社會經濟的快速發展引發快速的城鎮化和頻繁的人類活動，從而導致中國土地利用轉型和空間重構[1]。土地利用轉型導致的景觀破碎化、生態環境退化和生態系統服務價值降低是城鎮化進程中常見的后果[2]。土地利用轉型研究主要涉及理論概念、研究方法與模型、單一用地轉型、生態環境效應、驅動機制以及土地利用轉型與地方發展的關系等方面[3]。相關研究思路清晰，但缺乏對“三生”用地(即生產—生活—生態用地)的轉型及其所帶來的生態環境質量問題的研究。已有研究尺度多圍繞縣域[4-5]、市域[6-7]、省域[8-10]以及區域等[11-13]，以城市群為研究尺度的較少。研究方法常用生態環境質量指數[14]、景觀格局指數[15]、生態系統服務價值[16-17]以及土地利用綜合動態度指數等[18]，但是結合兩種方法的研究還相對較少。中原城市群處于中國沿海開放地區與中西部地區的結合部，包括河南、山西、河北、山東和安徽省這5省的30個地市，是支撐中部崛起的核心增長地帶。快速的城鎮化和工礦化導致“三生”用地間的矛盾日益突出。本文結合生態環境質量指數和景觀格局指數兩種評價方法，定量分析2000—2020年中原城市群“三生”用地轉型所引起的生態環境效應變化，對快速城鎮化地區“三生”空間格局優化以及區域生態環境保護等具有重要意義。

1 數據來源與研究方法

1.1 數據來源與處理

中原城市群2000，2010和2020年3期土地利用遙感監測柵格數據(分辨率為1 km×1 km)均來源于中國科學院資源環境科學數據中心，數據精度在88%以上[19]，滿足研究需要。根據全國土地調查的二級分類標準，借鑒已有研究成果[20]，建立“三生”用地分類體系。在此基礎上，借鑒李曉文等[21]眾多專家學者的研究成果，結合3期土地利用數據，計算土地利用類型面積均值，采用加權法對“三生”用地分類體系中的二級地類的生態環境質量指數進行賦值(表1)。

表1 “三生空間”土地利用功能分類及其生態環境質量指數

1.2 土地利用轉移矩陣

土地利用轉移矩陣能體現“三生”用地的面積和方向的變化；基于中原城市群2000，2010和2020年3期土地利用數據，利用ArcGIS 10.2中的重分類、柵格轉面和空間疊加功能，獲取2000—2010年和2010—2020年的土地利用類型轉移面積，其表達式為[22]：

(1)

式中：S為地類面積；p,q為研究初期、末期的土地利用類型；n為土地利用類型數量。

1.3 生態環境質量分析

生態環境質量指數和土地利用轉型的生態貢獻率是分析研究區土地利用轉型所導致的生態環境效應變化的主要方法[23]。

(1) 生態環境質量指數。生態環境質量指數可以定量反映中原城市群“三生空間”分類下，不同土地利用功能類型所具有的生態環境質量狀況及其面積的比例，其表達式為[24]：

(2)

式中：EVt為中原城市群第t時期的生態環境質量指數;Sm，S為該區域第t時期第m種地類的面積和區域總面積;Rm為第m種地類的生態環境指數。

(2) 土地利用生態貢獻率。土地利用轉型生態貢獻率表示土地利用功能類型間的相互轉換對區域生態環境的影響程度，可分析引發區域生態環境質量變化的主要用地轉型，計算公式為[25]：

LEI=(LEq-LEp)La/S

(3)

式中：LEI為土地利用轉型的生態貢獻率; LEp,LEq分別為變化初期和變化末期的生態環境質量指數;La為土地變化類型的面積。

1.4 景觀格局指數選取

景觀格局指數可以定量分析景觀格局的結構組成及變化[26]。本文結合實際研究需要，在斑塊水平方面選取最大斑塊指數(LPI)、景觀形狀指數(LSI)、斑塊結合度指數(COHESION)和聚集度指數(AI)，在表征斑塊類型水平指數的基礎上添加香農多樣性指數(SHDI)和香農均勻性指數(SHEI)為景觀水平指數，定量評價30個市土地變化的生態效應。上述指數通過Fargstats 4.2計算得到。

2 結果與分析

2.1 中原城市群“三生”用地轉型分析

總體來看，中原城市群“三生空間”用地主要以農業生產用地為主。農業和工礦生產用地大面積覆蓋中原城市群，占總面積的65%左右，其中農業生產用地約占生產用地的99.16%。2000—2020年期間，生產用地不斷減少，主要是以水田和旱地為主的耕地平均每年減少506.7 km2；但工礦生產用地大幅增加，年均增長7.42%。城鄉生活用地面積逐年增加，比2000年增長了26.13%，年均增長率為1.17%；2020年城鎮生活用地面積為7 984 km2，是2000年的2.34倍。生態用地主要分布于中原城市群西部地區，各生態用地面積增減基本持平，僅比2000年增加了0.1%(表2)。

表2 中原城市群2000—2020年“三生”用地面積 km2

根據2000—2010年和2010—2020年土地類型轉移矩陣(表3—4)，發現中原城市群2000—2010年的“三生”用地轉換總面積遠低于2010—2020年的。兩個時間段的轉型特征一致，表現為農業生產用地、草地和其他生態用地面積減少，其余用地類型面積增加。2000—2010年，中原城市群以農業生產用地向城鎮生活用地轉型為主。農業生產用地的轉出量(2 477.3 km2)明顯大于其轉入量(172.95 km2)，其中63.58%的轉入量來源于水域生態用地，轉入面積為109.97 km2；農業生產用地轉化為城鎮生活用地和水域生態用地的面積分別為有1 038.71和604.83 km2，占其轉出量的66.34%；另有27.68%的轉出是工礦生產用地和農村生活用地對農業生產用地的侵占所致。城鎮生活用地的次要來源是農村生活用地；水域生態用地的來源還包括草地和林地；其他用地類型的轉化不明顯。這說明該時期主要擠占了耕地。2010—2020年，研究區以農業生產用地與農村生活用地間的相互轉化為主，農業生產用地與林地、草地生態用地間的轉化次之；工礦生產用地的轉換率最高，比2010年增加了179.51%；其次是城鎮生活用地，增加了68.83%。多種用地類型因城鎮化加快不斷轉化為城鄉生活用地，轉入面積為29 669.7 km2，城鎮和農村生活用地范圍不斷擴大。還有林地和草地生態用地間的相互轉化，農業生產用地與水域生態用地間相互轉換等，該時期各類用地間不斷發生轉換，但農業生產用地在總量上的持續減少。中原城市群土地開發利用程度高，后備土地資源不足，耕地占補平衡政策要繼續落實。在過去的20 a中，中原城市群經歷了生活空間的迅速擴張和生產空間的不斷縮小，表明城鄉生活用地需求隨著城鎮化水平的快速提升而持續增加，土地供需矛盾進一步加劇。

表3 中原城市群2000—2010年 “三生”用地面積轉移矩陣 km2

表4 中原城市群2010—2020年“三生”用地面積轉移矩陣 km2

2.2 中原城市群“三生”用地轉型的生態環境效應

2000—2020年研究區總體生態環境質量指數由公式(2)計算得到，分別為0.356 7 ，0.356 9和0.354 7，生態環境總體質量先升后降。2000—2010年中原城市群各市加強節能減排和生態環境保護，關閉重污染企業，更加注重經濟社會發展和生態建設的一致性，推動了綠色經濟的發展，此期間生態環境質量有所上升。2010—2020年生態環境質量因城鎮化的穩步推進有所下降。區域總體生態環境質量改善和惡化同時進行，兩種過程一定程度上相互抵消，使區域總體生態環境質量變化幅度較小。

借助ArcGIS 10.2軟件，基于市域尺度分別表達2000，2010和2020年中原城市群生態環境質量的空間差異，并參照已有研究成果將其劃分為5個等級(圖1)。根據圖1可知，中原城市群生態環境質量指數受土地利用類型分布的影響，在整體上呈現“西高東低”的空間格局。較高質量區主要分布于中原城市群西部和南部的信陽市，該地區林地和草地生態用地所占比例較大，地貌類型以山地丘陵為主，工業的發展和城鎮的集聚受到限制，所以生態環境質量較高；較低質量區主要分布于平原地區，因為地勢平坦，適宜耕種和居住，工業較為發達，所以生產用地和生活用地分布較為廣泛，因此生態環境質量較低。在研究期內，三門峽、晉城、洛陽、濟源、長治和南陽一直處于高質量區；運城、焦作、平頂山和信陽一直處于較高質量區，鄭州和安陽在2020年由較高質量區降到了中質量區；邢臺、邯鄲、鶴壁、新鄉、駐馬店和蚌埠一直處于中質量區；開封、許昌、淮北和宿州一直處于較低質量區，聊城、濮陽和荷澤由較低質量區降至低質量區；漯河、阜陽、亳州、周口和商丘一直處于低質量區，區域生態環境質量因城鄉生活用地規模的擴大而變差。2000—2020年，研究區有23個(近77%)地市的生態環境質量指數降低，說明中原城市群的生態環境質量呈下降態勢。其中鄭州市下降最多，降低了10.34%，這是由于鄭州市生態環境質量指數高的生態用地比2010年減少了25.03%，且生態環境質量指數低的生活用地增加了85.19%。蚌埠、洛陽、運城、許昌、南陽、信陽、濟源的生態環境質量指數在2020年得以提高，其中濟源市生態用地增加量大于生活用地增加量且造成污染的工礦企業得到搬遷改造，因此生態環境質量指數提高了3.20%；信陽市的林地和水域生態用地所占比例提高，從而生態環境質量指數提升了3.19%。綜上可知，中原城市群各地市的生態環境質量因土地資源配置和污染整治效率的不同而存在明顯差異。

圖1 中原城市群各年份生態環境質量空間分布

2.3 影響生態環境質量的主要用地轉型

通過表5可以分析2000—2010年和2010—2020年導致中原城市群生態環境質量改善和惡化的主要用地轉型的生態貢獻率和貢獻比重。在2000—2010年，中原城市群生態環境質量改善的主要因素是農業生產用地向水域和林地生態用地的轉化，生態貢獻率為84.99%，其中貢獻比重最大的是農業生產用地向水域生態用地的轉化，貢獻所占比例為66.6%；城鎮生活用地和工礦生產用地占用農業生產用地，以及水域生態用地向農業生產用地的轉化是生態環境質量下降的主導因素，占生態環境負效應貢獻率的53.31%。

2010—2020年，退耕還林還草政策下，農業生產用地轉化為林地和草地生態用地是研究區生態環境質量改善的主導因素，農村生活用地復墾為農業生產用地對生態環境質量的改善也起到積極作用。生態環境惡化的因素中，林業、草地、水域生態用地轉為農業生產用地的貢獻所占比例分別為33.37%，24.00%和9.09%，是導致生態環境質量降低的主要原因；農村居民點對農業生產用地的占用，林地向草地生態用地的轉化也對生態環境質量的降低起到積極作用。因此，中原城市群的生態環境質量因城鎮化的推進可能會繼續下降，為使生態環境得到改善應優化中原城市群“三生”用地結構空間布局。

表5 中原城市群2000—2020年 “三生”空間主要功能地類轉型及其貢獻率

2.4 景觀格局變化及其與生態環境質量相關分析

從斑塊水平上來看(圖2)，2000—2020年，指示“三生”用地景觀優勢度的最大斑塊指數(LPI)表現為：生產用地>生態用地>生活用地，生產用地LPI值由2000年的62.34降低至2020年的59.53，其中工礦生產用地的LPI值增加，農業生產用地的減小，說明因人類干擾的程度加大，農業生產用地景觀破碎化程度加劇。但作為農業產業區，農業生產用地轉化為工礦、城鄉生活用地的現象和農業生產用地整治開墾現象共存，因此生產用地仍是優勢斑塊。面積較小的水域斑塊的整合以及退耕還林還草政策的實施，使得生態用地LPI值不斷增加。中原城市群城鎮化進程不斷加快，城鄉生活用地規模不斷擴張，生活用地LPI值有小幅度的提升。

從描述景觀和斑塊形狀復雜程度的景觀形狀指數來看，表現為：生活用地>生產用地>生態用地，說明城鄉生活用地是景觀形狀不規則的主導因素。生活用地的LSI值輕微下降但變化相對平穩，生產用地形狀趨向于不規則化，生態用地景觀形狀趨向于規則化。從斑塊聚集度指數和結合度指數來看，表現為：生產用地>生態用地>生活用地，生產、生態用地的CONHESION，AI值很高，且變化幅度小。生活用地CONHESION，AI值分別增加了31.61%和45.77%，由于移民搬遷政策和鄉村發展導致了生活用地的聚集程度增加，連接性增強，但與生產、生態用地相比還有很大上升空間。

注：EV表示生態環境質量指數； LPI表示最大斑塊指數； LSI表示景觀形狀指數； COHESION表示斑塊結合度指數； AI表示聚集度指數； SIDI表示香農多樣性指數； SIEI表示香農均勻性指數。下同

采用皮爾遜相關系數法分析了生態環境質量指數與景觀格局指數(6個指數)的相關性，分析結果詳見表6。由表6可知，中原城市群EV與LPI(0.954)、COHESION(0.955)和AI(0.967)高度正相關，與LSI(-0.967)、SHDI(-0.947)和SHEI(-0.947)高度負相關。

根據表7可知，研究時域內，中原城市群的LPI，COHESION，AI和EV總體變化趨勢一致(減小)，LSI，SHDI和SHEI與EV變化趨勢相反(增加)。這表明中原城市群生態環境質量受景觀格局變化的影響，在社會經濟發展中研究區各類景觀不斷被占用切割而破碎化加劇，景觀聚集度和空間連通度降低，景觀形狀趨于不規則化，景觀多樣性增加，整體生態環境質量惡化。綜上，景觀格局指數與生態環境質量指數評價結果趨于一致，兩者從不同的角度表現了中原城市群土地利用轉型的生態環效應。

表6 地區EV總值與各景觀指數的相關性系數

表7 中原城市群2000—2020年景觀格局指數和生態環境質量指數

3 討論與結論

(1) 研究期間中原城市群生態用地面積相對穩定，生產用地面積顯著減少，而生活用地面積大幅增加。2000—2010年“三生”用地轉移面積遠低于2010—2020年的。二級地類中，農業生產用地、草地和其他生態用地面積減少，林地生態用地保持相對穩定，城鎮生活用地和工礦生產用地大幅增加。

(2) 中原城市群綜合生態環境質量指數先升后降，區域生態環境質量在空間上表現為西高東低。2000—2020年，近77%的地市生態環境質量指數下降，鄭州市下降幅度最大，濟源市改善程度最大。區域生態環境質量改善趨勢小于惡化趨勢。農業生產用地向水域、林草生態用地的轉化是生態環境質量改善的主導因素；農業生產用地對林地和草地生態用地的占用是生態環境惡化的主要因素。

(3) 中原城市群EV與LPI，LSI，COHESION，AI，SHDI和SHEI密切相關，各類景觀破碎化加劇，景觀形狀趨于不規則化，聚集度和空間連通度降低，景觀多樣性增加，整體生態環境質量惡化。景觀格局指數與生態環境質量指數評價結果趨于一致，兩者從不同角度評價了中原城市群土地利用轉型的生態環境效應。

區域生態環境受土地利用轉型、景觀格局變化[27]、社會政治經濟因素等多方面的影響。本文在已有研究成果的基礎上，運用兩種評價方法對比分析了2000—2020年中原城市群“三生”用地變化及其所導致的生態環境變化，并未深入研究生態環境效應演變的驅動機制，且缺乏對不同土地利用功能間重疊部分的研究分析，評價方法也需進一步創新。未來需不斷改進研究方法，并結合中原城市群的自然及社會經濟指標，研究每個發展階段生態環境效應演變的驅動因素[28]，為改善中原城市群的生態環境質量奠定基礎，使其得到更好的發展。隨著城鎮化的不斷推進，用地矛盾不斷加劇，中原城市群中東部的生態環境質量可能會進一步降低。因此，中原城市群“三生”空間格局調整要與生態文明建設相結合，且相關部門要綜合考慮自然、經濟、政策等多方面因素，提高公民生態保護意識，因地制宜，進行“三生”用地合理布局，制定出符合中原城市群社會、經濟、生態特征的“三生”用地管控措施。