楊 帆,熊素文,*,雷 婷,趙子羽,劉傳虎
1 中南大學建筑與藝術學院, 長沙 410000 2 岳陽市規劃勘查設計研究院, 岳陽 414000
改革開放以來,我國城鎮化和工業化進程取得巨大成就,同時也帶來了“三生空間”(生產、生活、生態空間)沖突矛盾的加劇[1—3]。加快構建“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“三生空間”土地利用新格局,已成為城鎮化進程下優化國土空間資源配置與推進生態文明可持續發展的迫切需求[4—7]。
西方國家早在20世紀60年代起便開始通過優化“三生空間”格局、加強環境治理效率等措施應對生態空間的城鎮化蠶食[8]。我國正處于“三生空間”格局由生產空間主導向“三生空間”協調永續發展方向轉變的重要轉型期[9],當前,國內外相關研究內容主要圍繞“三生空間”格局演變與生態系統服務價值、土地利用存量與驅動機制發展規律、時空耦合協調與開發適宜度評價等方面展開[10—14]。但研究對象多針對城市群、省、市等單一行政區劃或單一用地功能類型開展用地格局演變研究[15—19],大湖流域作為我國生態修復與治理的戰略性板塊,具有地理形態特異性、形態功能多樣性及水陸關系復雜性等特征,更易遭受城鎮化發展的脅迫影響,是研究“三生空間”格局演變與轉型的最典型空間地理單元之一,亟待基于“三生空間”視角,進行河湖單元國土空間格局演變與驅動機制的綜合性研究。
洞庭湖是長江流域重要的調蓄湖泊,被譽為“長江之腎”,是長江流域特殊地理單元保護治理中的薄弱領域。本文以洞庭湖區域內的典型城市為研究對象,通過構建多源指標數據體系,考慮城鎮化發展對國土生態空間侵蝕改造的影響,探索各轄區“三生空間”格局演變在結構與功能層面的典型特征,基于土地利用合理優化及流域資源環境統籌發展目標,將地域差異特點融入定量過程分析并提取重要阻力因子,探明城鎮擴張作用下“三生空間”格局演變的潛在驅動機制,對大湖流域土地資源合理規劃具有重要的樣本意義和應用價值。
洞庭湖區地處長江中游地段,地跨湘、鄂兩省,大部分地區海拔高度低于50m,且超過85%的面積位于湖南省境內[20]。區域以洞庭湖為核心,向東部、南部、西部三個方向呈現出由河湖沖擊平原向環湖丘陵崗地及低山過渡的地理空間形態,用地類型與結構較為復雜。本文選取洞庭湖區范圍內的典型城市作為研究對象,包含湖南省境內3個地級市(岳陽市、常德市、益陽市)、湖北省荊州市及其32個縣域數據樣本,研究面積共5.95萬km2(圖1)。

圖1 研究區域示意圖Fig.1 Schematic diagram of the research area
1.2.1指標選取
“三生空間”國土空間格局轉型特征在演變過程中受城鎮化擴張影響明顯。為探究城鎮化進程與用地空間格局的時空耦合關聯程度,本文基于現有研究基礎[21—23],結合洞庭湖區國土空間開發與土地利用實際情況,以城鎮化、工業化、農業現代化驅動作為研究洞庭湖區各城市“三生空間”格局演變的切入點,探討影響洞庭湖區4市“三生空間”格局變化的驅動因子。具體二級指標因子的選擇如下:①選擇城鎮人口和城鎮化率體現人口層面城鎮化,第三產業比重體現經濟層面城鎮化,城鎮居民可支配收入體現社會生活層面城鎮化,共4個二級指標代表區域綜合城鎮化水平。②選取工業總產值、國內生產總值(GDP)、第二產業比重和固定資產投資4個二級指標,以代表工業化在國民經濟建設中的比重與分配。③選擇農業機械總動力、第一產業比重、單位面積糧食產量3個二級指標代表農業現代化水平。
1.2.2數據來源及處理
本文數據主要包含多時段(1980、1990、2000、2010、2015、2020)遙感衛星影像數據以及社會經濟統計指標。在空間數據的信息來源上,土地利用覆被數據和數字高程模型(DEM)數據均來源于中國科學院資源環境科學數據中心(http://www.resdc.cn/),空間分辨率為30m;洞庭湖區4市及各縣域行政邊界數據來源于國家基礎地理信息中心(http://ngcc.sbsm.gov.cn);社會經濟統計數據來源于洞庭湖區各市的統計公報和年鑒。在數據單元的處理技術上,土地利用覆被信息以六期Landsat TM/ETM遙感影像為主要數據源,通過人機交互解譯方法得到[24],地形起伏度與垂直海拔高程在GIS技術支持下通過SRTM DEM(30m)數據提取拼接得到;將上述空間地理柵格數據與洞庭湖區各市縣行政矢量邊界進一步整合,利用ArcGIS 10.5軟件中的柵格裁剪、相交融合等地理處理技術,分區統計域內4市及其32個縣域的用地覆被及地形高程信息,并由多組兩期土地利用數據進行空間疊加運算與地圖可視化處理,顯示洞庭湖區“三生空間”的格局演變情況。在社會經濟數據的處理層面,本文重點選取了洞庭湖區2000年、2010年、2015年、2020年4個關鍵年份的社會經濟統計指標,對域內土地利用轉型與各驅動因子間的復雜影響進行相關性定量分析。
本文研究方法體系與技術路線主要包含以下四個方面(圖2):①結合1980—2020年多時段遙感影像圖、統計年鑒等基礎本底數據,歸納 “三生空間”主要用地類別,構建洞庭湖區“三生空間”自然-社會多源數據庫。②在“三生空間”分類體系構建的基礎上,將各要素數據與洞庭湖區市縣行政單元相結合,進行地理空間要素與社會阻力指標的動態變化信息數據處理:一方面,對土地利用覆被數據和DEM數據進行遙感識別解譯與提取拼接,并運用GIS地理處理技術疊加融合縣域信息,分區統計域內各縣域 “三生空間”多時段的時空格局演變與垂直梯度差異信息;另一方面,對社會經濟指標進行城鎮化驅動因素的分類匯總,提取用地轉型的主要阻力因子。③基于處理后的多時段空間變化數據,采用土地利用動態度及土地利用轉移矩陣方法,分別探究洞庭湖區“三生空間”格局在結構變化和功能轉型上的時空演變動態規律;結合灰色關聯度模型,研判“三生空間”用地轉型在城鎮化進程中的潛在驅動機制。④基于上述結果,形成工作數據庫及圖示平臺,啟動國土“三生空間”格局變化預警模式,引導洞庭湖用地模式合理優化,為大湖流域生態修復回歸提供理論與技術支撐。

圖2 城鎮化進程中洞庭湖區“三生空間”格局演變與驅動機制技術路徑Fig.2 Technology routine map for the evolution of the “production-living-ecological space” pattern and driving mechanisms in the Dongting Lake area during the urbanization process
本文研究的關鍵科學問題包含以下兩個方面:一是考慮城鎮化發展對流域侵蝕改造的影響,總結洞庭湖區各城市“三生空間”格局演變與轉型的典型特征,進一步識別診斷城鎮化進程中 “三生空間”的沖突博弈區域;二是基于土地利用合理優化提取重要阻力因子,探明城鎮擴張作用下洞庭湖區“三生空間”格局演變的潛在驅動機制。
土地利用是國土空間開發的承載主體,開展洞庭湖區“三生空間”格局演變研究的前提是構建多要素綜合的國土空間多功能分類體系[25]。本文結合大湖流域國土空間開發與保護實際,構建洞庭湖區國土“三生空間”各等級分類體系[26](表1)。
城鎮化脅迫致使洞庭湖區各城市在用地結構上發生了一定程度的變化,本文使用土地利用動態度模型定量描述生產、生活、生態各類土地利用類型的面積變化情況,以反映“三生空間”用地格局結構變化特征[27]。其表達式為:
(1)
式中,K為研究時間段內某一土地利用類型動態度;Ua為研究初期某一土地利用類型數量;Ub為研究末期某一土地利用類型數量;T為研究時段長。

表1 “三生空間”分類體系
城鎮化對洞庭湖區國土空間格局的影響還體現在各類特定用地間的功能轉化層面。本文使用土地利用轉移矩陣,對特定區域與時段內各土地利用類型面積之間相互轉變的過程進行分析,以顯示各土地利用類型功能轉型的動態增減信息[28]。其表達式為:
(2)
式中,S為用地類型的面積;n為土地利用類型;Sij表示研究初期i類土地到末期轉為j類土地的面積。
洞庭湖區各城市“三生空間”格局演變與轉型的驅動指標因子種類繁多,鑒于研究區土地覆被信息樣本量較少,本文運用灰色關聯度模型探究各用地與經濟社會因子間的驅動關系,基本原理是根據子母序列間曲線的相似度,用關聯度系數的排序分析來描述兩者關系大小及強弱[29—31]。其表達式為:
(3)

(4)
Δi(k)=|X0i(k)-Xi(k)|
(5)

(6)

(7)
式中,ri為灰色關聯度,ξi(k)為關聯系數;0<ρ<1,為分辨系數,通常ρ取值0.5。
洞庭湖區“三生空間”總體分布主要基于域內各城市1980—2020年土地利用覆被信息及DEM數據,歸納其在水平地域分異和垂直梯度差異兩個方面的典型特征。
3.1.1水平地域分異
洞庭湖區“三生空間”總體分布特征在水平地域層面差異明顯,其中自然地理環境基礎對國土空間格局的影響尤為突出(圖3)。生態空間長久以來占據洞庭湖區的主體地位,主要集中在區域中部洞庭湖水域部分及東部、南部、西部的外圍林地丘陵區;生產空間主要位于河網沖刷形成的湖濱平原區,呈現出“北多南少”的空間地域格局;生活空間呈點狀零散穿插分布于生產、生態空間之中,斑塊隨時序不斷擴張,與城鎮化關聯最為密切。

圖3 洞庭湖區“三生空間”水平地域分異Fig.3 Geographical differentiation in the level of the “production-living-ecological space” in the Dongting Lake area
3.1.2垂直梯度差異
洞庭湖區“三生空間”的垂直梯度差異顯著(圖4)。在地勢分布上,國土“三生空間”資源廣泛分布于海拔小于100m范圍內,以農業生產用地和水域生態用地占比最高;在用地比例上,隨著海拔升高,生產、生活用地占比逐漸減小,生態用地比例顯著升高,在生態用地各類型中以林地資源占比最高,草地生態資源比例隨海拔上升呈現先降低、后增長的波動變化態勢。

圖4 洞庭湖區“三生空間”垂直梯度差異Fig.4 Vertical gradient differences of the “production-living-ecological space” in the Dongting Lake area

圖5 洞庭湖區“三生空間”結構變化情況Fig.5 Changes in the structure of the “production-living-ecological space” in the Dongting Lake area
城鎮化進程下,人類開發建設逐漸向大湖流域生態高敏感地區蠶食延伸,致使洞庭湖區各市縣“三生空間”土地利用格局隨時序發生不同程度的轉變。本文基于數值特征及空間分布兩大板塊,明確洞庭湖區國土空間格局的“三生”結構面積變化情況,并深入探討各類用地內部功能轉型的時空演變規律。
3.2.1國土空間“三生”結構變化
1980—2020年,洞庭湖區生產、生活、生態三類用地的土地利用結構面積變化較活躍,生產空間面積變化較大,生活空間不斷擴大且增幅最大,生態空間波動變化(圖5)。基于數值分析表明:①生產空間是三者中面積變化最大的用地類型,其中以農業生產用地的變化最為顯著,40年間面積縮減1776.31km2;此外,工礦生產空間逐年穩步增加,尤以2000—2010年增幅最為明顯。②城鎮生活空間和鄉村生活空間顯著擴大,40年來共增長394.23km2,其中以靠近水域覆蓋范圍內的城鎮生活空間增長最為迅速,當下較1980年增長1.29倍。③生態空間40年來增長0.02倍,變化幅度較小,但各類生態用地面積隨時序波動明顯,其中林地、草地生態空間發生細微下降,水域生態空間呈現先上升,后下降的波動態勢。
以洞庭湖域內主要市轄區岳陽、常德、荊州、益陽4市及其32個縣域數據樣本為研究對象,進一步歸納其“三生空間”格局在縣域空間分布層面的演變規律(圖6)。結果顯示:①洞庭湖區各地區生產空間發生下降的縣域數量占全域總數的93.75%,荊州的洪湖市生產空間減少幅度最大,數值達到417.21km2。其中農業生產空間除位于洞庭湖水域主體部分北側的君山區外,其余縣市均發生了或多或少的降低;32個縣域的工礦生產空間均發生了增加,以桃源縣增加最為顯著。②域內各城市生活空間均呈現增長趨勢。其中城鎮生活空間相較于鄉村生活空間,增長更為顯著,增長的區縣主要分布于洞庭湖水域主體附近及各市的市轄區范圍,城鎮化擴張最為迅速的縣為岳陽市的岳陽樓區,新增面積45.99km2,城鎮生活空間增幅較小的地區主要集中于海拔較高的林地礦區及自然條件惡劣地帶;鄉村生活空間增加較大的地區主要分布于洞庭湖區北部的荊州市。③區域生態空間40年來發生降低的區域占總縣域數量的21.88%,其中益陽的沅江市水域面積減小幅度最大,達到135.16km2;綠色與潛在生態空間縮小的區域占據縣域總數的71.88%,總體而言,洞庭湖區生態空間40年來縮減仍較為劇烈。

圖6 洞庭湖區“三生空間”結構變化的縣域差異Fig.6 County differences in structural changes of the “production-living-ecological space” in the Dongting Lake area
綜上所述,洞庭湖區“三生空間”面積隨時序變化較為顯著,且速率逐漸加快,以城鎮生活空間、工礦生產空間、水域生態空間的增加和農業生產空間的縮減最為突出;在縣域空間分布上,岳陽樓區的城鎮生活空間、沅江市的藍色生態空間、洪湖市的農業生產空間及綠色生態空間用地面積變化幅度最為劇烈,且農業生產空間的減少面積、空間分布與城鎮空間的擴張吻合度較高。表明隨著城鎮化的迅速推進,城鎮村生活空間仍將呈現持續上漲的趨勢,生活用地需求的增加將導致未來資源與生境承載壓力的不斷加劇。
3.2.2國土空間“三生”功能轉型
為更直觀地觀察洞庭湖區“三生空間”40年以來各用地類型內部功能的互相轉換情況,本文基于ArcGIS空間疊加分析技術,計算“三生空間”用地類型轉移矩陣,以明確域內國土空間“三生”功能轉型的數值變化情況(表2)。總體而言,城鎮化進程中洞庭湖區各城市主要發生的功能轉型為生產、生態空間的相互轉化和生活空間的轉入。其中,生產空間的轉出占洞庭湖區用地類型總轉化量的69.88%,以生產用地向生態用地的轉出最甚;生態空間的轉入比例呈現逐年減小的趨勢,從第一階段的73.86%減小為第四階段的39.75%。
對域內“三生空間”二級功能地類進行細分,進一步明確各階段用地功能轉型的數值特征(圖7)。結果表明:①洞庭湖區各類用地的功能轉型在第一階段表現最為劇烈,“退耕還湖還林”等政策的實施,導致農業生產空間開始向水域生態空間大量轉化;此外,隨著城鎮化推進,城鎮生活空間在該階段迅速增加,主要由農業生產空間轉入。②在第二、三階段中,洞庭湖區主要發生農業生產空間向水域生態空間的轉化,其他用地功能轉變不明顯。③第四階段主要為農業生產空間向工礦生產空間的轉出及耕地資源與水域的互換,農業生產空間向工礦建設用地的轉出面積在該階段大幅增加,數值高達318.45km2;此外,近40年來洞庭湖區耕地資源在向水域生態空間持續回歸的同時,首次大面積出現水域生態空間向農業生產空間的逆轉。

表2 1980—2020年洞庭湖區“三生空間”土地利用轉移矩陣

圖7 洞庭湖區“三生空間”二級地類用地功能轉變Fig.7 The function transformation of the “production-living-ecological space” secondary land use in the Dongting Lake area
參照“三生空間”格局演變的地圖可視化方法,進一步探究洞庭湖區4市及32個縣域樣本在空間分布上的用地格局功能轉型特征(圖8)。結果顯示:1980—2020年間洞庭湖區“三生空間”的功能轉型主要集中于湖泊水域主體空間及城鎮化發展迅速的縣域。①北部洞庭湖平原地區主要發生農業生產空間向生態空間的轉化,其中以荊州的洪湖市和監利縣轉化最為劇烈。②中部為洞庭湖的水域主體部分,在前三階段變化較穩定,進入2010年后開始出現由生態空間向農業生產空間的大量轉入,集中發生于岳陽市的君山區,這表明伴隨著城鎮化的推進,人類開始逐漸依靠水域優良自然環境進行生產種植活動。③此外,生產、生態空間向生活空間的轉化亦較為明顯,集中在岳陽市的岳陽樓區,常德市的武陵區,益陽市的赫山區及荊州市的荊州區、沙市區,呈現以4市中心城區為輻射核心的放射狀分布,且隨時間段的推進增幅持續上升。

圖8 洞庭湖區“三生空間”功能轉型的縣域空間分布特征Fig.8 Spatial distribution characteristics of counties in the Dongting Lake area in terms of functional transformation of the “production-living-ecological space”
綜上所述,1980年以來,洞庭湖區“三生空間”功能轉型主要體現為城鎮生活空間侵蝕農業生產空間,農業生產空間擠占水域生態空間,以及農業生產空間向水域生態空間的回歸。一方面,城鎮化進程提升了大湖流域土地利用強度,進而激發人類對城市居住、公共服務設施、交通運輸、工礦企業用地的需求,城鎮生活空間開始以城鎮化水平較高的中心縣域為核心迅速向外輻射擴散,而這些往往都是由農業生產用地或生態用地轉化而來。另一方面,“退耕還湖”政策的實施使耕地資源向水域空間持續回歸,但進入2010年后,位于洞庭湖中部濱湖平原地帶的君山區首次出現耕地向水域的大面積擠占,表明洞庭湖仍存在圍湖造田的現象,生態空間面臨耕地利用和城鎮建設開發脅迫的雙重威脅,城鎮現代化發展與自然生態保護間的矛盾仍在日益加劇。
為確定洞庭湖區國土空間用地格局轉型的城鎮化影響因素,本文利用灰色關聯度模型對域內各城市“三生空間”的格局演變進行驅動機制關聯分析,以探究域內各級驅動指標因子與用地轉型間的關聯重要程度(圖9)。其中,城鎮化、工業化及農業現代化作為三大關鍵驅動力,分別在不同層面加速了城鎮化進程中洞庭湖區各行政單元的國土空間格局演變進程。

圖9 城鎮化進程中洞庭湖區各級驅動因子關聯度Fig.9 Correlation degree of driving factors at all levels in the Dongting Lake area during urbanization process
城鎮化是影響洞庭湖區“三生空間”格局演變的首要驅動因素,主要通過推動城市人口流動及經濟活動轉型以組織調節域內各功能用地類型。一方面,城鎮人口與城鎮化率作為人口城鎮化因子,對城鎮生活空間的驅動效應較強。城鎮化造成了鄉村居民向城市空間的大量涌入,城市土地資源的高負荷運行使人類通過擠占農業生產空間以獲得更多建設用地,耕地向城鎮建設用地的轉化面積相較20世紀末增長2.45倍。另一方面,以第三產業比重為代表的經濟城鎮化因子對藍綠生態空間影響也愈加深刻,表明洞庭湖區作為長江中游城市群發展戰略中的重要經濟樞紐,優越的區位優勢帶來港口物流、生態旅游等第三產業的迅速發展,湖區對外開放度的增大也加劇了生態系統演變的不穩定性。
工業化在一定程度上推動了洞庭湖區各類用地空間轉型擴展的速率與方向。洞庭湖區在長江中游城市群發展戰略的引領下,現代工業園區與新興科技基地發展迅速, 20年間GDP總量增長9.27倍,為應對社會工業發展需求,城鄉建設用地面積迅速擴張,由1603.96km2上升到2319.55km2,增幅高達49.18%,直接體現GDP、工業總產值、固定資產投資等工業化指標因子對城市工礦建設用地增長的驅動效應。在用地的空間擴展方向上,洞庭湖區城鎮生活用地及工礦生產用地整體沿工業化水平較高的城鎮郊區或交通沿線分散輻射擴張,呈現多中心、飛地擴展的蠶食演變規律,與工業化發展方向具有高度一致性。
在以農業種植為主要經濟活動的洞庭湖區,農業現代化進程加速了以農業生產空間為首的國土空間格局演變。農業現代化技術水平的進步使農業結構發生調整,農產品播種效率和耕地單位面積糧食產量顯著提升,原先屬于農業生產空間的面積逐漸向水域等生態空間類型轉化回歸,以響應國家 “退耕還湖”政策的號召,彌補上世紀因粗放開墾農用地帶來的生境破壞。2000—2020年間,域內水域面積主要由農業生產用地轉化而來,總轉化比例高達50.86%,表明農業生產技術水平的提高推動了“退耕還湖”工程的實施成效,為洞庭湖生態經濟區的發展營造了良好的技術基礎,湖區蓄洪功能和生態承載力有了一定程度的增加。
本文基于國土“三生空間”格局時空演變視角,對洞庭湖區域范圍內常德、荊州、益陽、岳陽4市及其32個縣域的土地利用格局演變特征與驅動機制開展分析,最終得到以下結論:
①1980—2020年間洞庭湖區“三生空間”格局總體分布在水平地域和垂直梯度上差異顯著。生態空間主要集中在區域中部洞庭湖水域部分及東部、南部及西部的外圍林地丘陵區,生產空間主要位于河網沖刷形成的湖濱平原區,生活空間呈點狀零散穿插分布于生產與生態空間之中;生產、生活空間及藍色生態空間隨海拔升高呈現下降趨勢,綠色生態空間隨海拔變化起伏較大。
②洞庭湖區“三生空間”用地格局結構變化涵蓋數量特征和空間分布兩層面。數量變化層面,農業生產空間面積縮減較大,工礦生產空間與生活空間持續增長,水域與潛在生態空間波動變化。空間變化層面,各類用地在縣域上存在較強的地區差異性,其中洪湖市的生產空間及綠色生態空間、岳陽樓區的生活空間、沅江市的藍色生態空間面積變化幅度最為劇烈,且農業生產空間的減少面積、空間分布與城鎮空間的擴張吻合度較高。
③洞庭湖區“三生空間”用地格局功能轉型隨城鎮化發展亦在逐漸加快,40年來域內用地功能轉型主要表現為城鎮生活空間侵蝕農業生產空間,農業生產空間擠占水域生態空間,以及農業生產空間向水域生態空間的回歸。在空間分布上,以洪湖市為首的北部平原地區主要發生農業生產空間向生態空間的轉化,中部水域主體部分以生態空間向農業生產空間的轉入為主,集中體現在君山區,生產、生態空間向生活空間的轉化以4市中心縣域城區為輻射核心,呈放射狀傍水分布。
④城鎮化、工業化及農業現代化作為三大關鍵驅動力,加速了洞庭湖區各城市“三生空間”格局演變進程。其中,人類的各項城市建設活動是影響土地覆被變化的主要驅動因子,農業現代化水平的提高為洞庭湖綠色生態經濟區的發展和國土空間結構的調整營造了良好的技術基礎,長江中游城市群發展戰略和“退耕還湖”等政策的實施,也在一定程度上加速了洞庭湖區“三生空間”格局演化進程。
隨著城鎮化建設的加快,城鎮生活空間面積大幅度增加,生態高敏感空間逐漸增多;此外,在“退耕還湖”政策實施同時,部分流域仍存在占用湖面圍墾的現象,導致水域生態空間在2010年后首次出現收縮反彈態勢。因此,基于“流域國土資源開發調整與生態空間修復”這一目標,未來洞庭湖區需完善國土“三生空間”布局體系,科學劃定城市生產、生活、生態空間各單元的管制范圍邊界,構建“生產-生活-生態”可持續發展與統籌協調的生態文明建設新格局,完善區域內國土空間資源合理配置與治理應對的關鍵技術環節,以保障大湖流域地區城鎮化高質量發展及生態空間安全。