周吉星，張前進

（天津城建大學 地質與測繪學院，天津 300384）

土地利用轉型是指在經(jīng)濟社會變化和革新的驅動下，土地利用形態(tài)在一段時間內由一種形態(tài)向另一種形態(tài)轉變的過程[1].隨著城鎮(zhèn)化進程的加快、社會經(jīng)濟的快速發(fā)展及人口的不斷增長，人類對土地資源開發(fā)利用程度逐步提升，人地矛盾以及用地轉型給生態(tài)環(huán)境帶來的正負效應差異等[2-4]狀況日益加劇.十八大以來，“生產(chǎn)空間集約高效、生活空間宜居適度、生態(tài)空間山清水秀”的理念不斷強化. 在此背景下分析特定區(qū)域土地利用轉型及生態(tài)環(huán)境效應，對統(tǒng)籌城鄉(xiāng)發(fā)展和優(yōu)化空間布局具有重要的現(xiàn)實意義.

目前相關研究選擇長江三角洲核心區(qū)[5]、廣東省[6]、重慶北碚區(qū)[7]、昌黎縣[8]等為研究區(qū)，并從“三生空間”視角進行土地利用主導功能的分類，分析其土地利用轉型特征及生態(tài)環(huán)境效應.從研究區(qū)域的特點來看，主要集中于城市群和單個區(qū)、縣，而對單體城市的土地利用轉型特點和生態(tài)環(huán)境變化規(guī)律的研究則相對缺乏.天津作為北方第二發(fā)達的城市，在京津冀一體化發(fā)展中占有重要的地位.本文以天津市為例，基于“三生空間”視角定量研究2000—2018 年間天津市土地利用轉型特征及其與生態(tài)環(huán)境響應關系，分析天津市19 a 間土地利用變化規(guī)律以及變化所帶來的環(huán)境影響，為天津市進一步完善國土空間整體布局奠定一定的理論基礎.

1 研究區(qū)概況

天津市坐落于 116°43′E~118°04′E，38°34′N~40°15′N，全市共有 16 個轄區(qū)（見圖 1）.天津主要有平原、山地、灘涂、丘陵等地貌，其中以平原為主，約占93%.其海拔由北向南逐漸變低.截至2018 年末，全市常住人口1 559.60 萬人，人口城市化率為83.15%，人口總量處于基本穩(wěn)定的狀態(tài). 2018 年全市GDP 增速為3.6%，總規(guī)模達到1.88 萬億元.

圖1 天津市各區(qū)分布圖

2 數(shù)據(jù)來源與研究方法

2.1 數(shù)據(jù)來源

研究數(shù)據(jù)來自美國地質勘探局（USGS）提供的landsat 影像（2000 年、2010 年和 2018 年），之后采用人機交互方式在ArcGIS 10.5 中進行解譯，根據(jù)《土地利用現(xiàn)狀分類》GB/T21010—2017 得到研究區(qū)三期土地利用數(shù)據(jù).最后在ArcGIS 10.5 隨機選取300 個點進行精度驗證，三期數(shù)據(jù)解譯精度達到85%以上，基本滿足數(shù)據(jù)精度要求.

本文基于“三生空間”視角，結合實際情況并參照楊清可等[5]對于“三生空間”土地利用主導功能的分類方案，將天津市遙感數(shù)據(jù)按照土地利用二級分類系統(tǒng)進行分類的25 個二級地類劃分為生產(chǎn)、生態(tài)、生活3個一級用地類型，農(nóng)業(yè)和工礦生產(chǎn)用地，林地、牧草、水域和其他生態(tài)用地，城鎮(zhèn)和農(nóng)村生活用地等8 個二級地類（見表1）.同時根據(jù)李曉文[9]，楊述河等[10]研究，并考慮到天津市的實際狀況，本文采用面積加權法確定了二級地類的生態(tài)環(huán)境質量指數(shù).

表1 土地利用主導功能分類及生態(tài)環(huán)境質量指數(shù)

2.2 研究方法

2.2.1 土地利用轉移矩陣

土地利用轉移矩陣可以計算出不同土地利用類型在一段時期內互相轉換的情況，也可得到它們之間的轉換速率. 利用其分析土地利用轉型，可以清楚地得到土地利用分布的變化規(guī)律及特征，其數(shù)學表達式為[5]

式中：Sij是i 地類轉換為j 地類的面積；i 是轉換前地類；j 是轉換后地類；n 是研究區(qū)的地類總數(shù).

2.2.2 區(qū)域生態(tài)環(huán)境質量指數(shù)

區(qū)域生態(tài)環(huán)境質量指數(shù)（EV）是某一時期某一區(qū)域中所有土地利用類型的面積與各自生態(tài)環(huán)境質量指數(shù)的加權計算總和與區(qū)域總面積的比值，該值表示區(qū)域生態(tài)環(huán)境質量的綜合狀況，其表達式為[11]

式中：EVt是區(qū)域整體生態(tài)環(huán)境質量指數(shù)；LUi為區(qū)域內t 時期第i 種地類面積；Ci是第i 種土地利用類型的生態(tài)環(huán)境指數(shù)（見表1）；TA 是所研究區(qū)域面積總和；n 是區(qū)域地類個數(shù).

2.2.3 土地利用轉型的生態(tài)貢獻率

土地利用轉型的生態(tài)貢獻率是某種土地利用類型在研究初期與末期的生態(tài)環(huán)境質量指數(shù)的變化對區(qū)域整體生態(tài)環(huán)境質量的影響情況，其表達式為[11-12]

式中：CLEI 是土地利用轉型對區(qū)域整體環(huán)境質量變化的生態(tài)貢獻率；LE1，LE0分別是某種地類轉型在研究開始和結束時對應的生態(tài)質量指數(shù)；LA 是此地類轉型的面積；TA 是區(qū)域面積總和.

3 結果與分析

3.1 土地利用變化分析

天津市土地利用類型以農(nóng)業(yè)生產(chǎn)用地、水域生態(tài)用地為主（見表2 和圖2），它們在2000 年所占比重最大，分別為55.6%、22.5%.由表2 及圖2 可看出：①2000—2018 年的一級地類變化明顯，主要體現(xiàn)在生活用地從2000 年的1 366.4 km2增加到2018 年的2 349.3 km2，年均增長3.1%；生態(tài)用地由2000 年的3 657.2 km2減少為2018 年的2 650.0 km2，生產(chǎn)用地在此期間總量變化較小，基本維持在6 660 km2.②從2000 到2018 年的二級地類變化來看，天津市土地利用結構發(fā)生了顯著變化.農(nóng)業(yè)生產(chǎn)用地、水域、林地和牧草生態(tài)用地等用地面積持續(xù)減少；城鎮(zhèn)和農(nóng)村生活用地及工礦生產(chǎn)用地等區(qū)域逐漸擴大；其他生態(tài)用地先減少再增加.其中水域生態(tài)用地和農(nóng)業(yè)生產(chǎn)用地減少量較大，分別減少896.6 km2和579.9 km2；工礦生產(chǎn)用地、城鎮(zhèn)和農(nóng)村生活用地分別增加604.2，602.1，380.8 km2.這說明天津市城鎮(zhèn)生活用地需求隨著城鎮(zhèn)化水平的提升而增加，人地之間的供需矛盾加劇.③從土地利用結構轉換來看，天津市農(nóng)業(yè)生產(chǎn)用地占據(jù)最寬廣的區(qū)域，其次是水域生態(tài)用地.農(nóng)業(yè)生產(chǎn)用地更多地聚集在平原區(qū)域，水域生態(tài)用地主要分布在濱海新區(qū)，其他主要散落在薊州區(qū)的東部、靜海區(qū)的東北部以及武清區(qū)的東北部等區(qū)域.2018 年農(nóng)業(yè)生產(chǎn)用地和水域生態(tài)用地面積分別為5 919.1，1 738.7 km2，占總面積的50.7%和14.9%.2018 年其他生態(tài)用地面積為286.9 km2，所占比重較小，與2000 和2010 年相比面積增加明顯，其主要原因是水庫暫時性水源不足形成沼澤地，待到水源補足，將變回水域生態(tài)用地.總體上看，天津市可供開發(fā)利用的后備土地資源不足.

表2 2000—2018 年天津市各地類面積及其變化 km2

3.2 土地利用轉型分析

為了更好地表示天津市土地利用類型的轉型特征，本文以圖2 為基礎，運用ArcGIS 軟件中的功能對不同時期的土地利用圖進行疊加分析，得到3 個時期土地利用功能類型的轉移矩陣，從而確定了土地利用功能類型相互轉化的方向和數(shù)量（見表3 和表4）.具體特征如下：

表3 2000—2010 年天津市土地利用變化轉移矩陣 km2

表4 2010—2018 年天津市土地利用變化轉移矩陣 km2

圖2 天津市2000 年、2010 年、2018 年土地利用變化

（1）2000—2010 年，土地利用類型的變化特點是農(nóng)業(yè)生產(chǎn)和水域生態(tài)用地面積減少，城鎮(zhèn)生活用地增加.在生產(chǎn)用地方面，農(nóng)業(yè)生產(chǎn)用地更多地向農(nóng)村和城鎮(zhèn)生活用地轉化，轉移面積分別353.8 km2和248.4 km2；與之相比工礦生產(chǎn)用地增幅較小，其轉入量中農(nóng)業(yè)生產(chǎn)和水域生態(tài)用地占有較大比重，所占比例為32.9%和24.5%.在生態(tài)用地方面，水域、林地和牧草生態(tài)用地均有不同程度地減少，其中水域生態(tài)用地減少面積最大，農(nóng)業(yè)生產(chǎn)用地是它們共同的主要去向，轉移面積分別為 285.3，80.5，57.8 km2；其他生態(tài)用地整體變化不大，其減少量主要轉移方向是工礦生產(chǎn)和城鎮(zhèn)生活用地，轉移比例分別為46.0%和31.5%.在生活用地方面，農(nóng)業(yè)生產(chǎn)和水域生態(tài)用地占有城鎮(zhèn)生活用地增加量的較大比重，分別占23.9%和10.7%；農(nóng)村生活用地與之相比增幅較小，農(nóng)業(yè)生產(chǎn)用地是主要增加來源，比例是35.6%.

（2）2010—2018 年，土地利用類型的變化特點是農(nóng)業(yè)生產(chǎn)和水域生態(tài)用地變少，工礦生產(chǎn)用地、城鎮(zhèn)和農(nóng)村生活用地變多，地類之間轉移節(jié)奏減緩，土地利用功能結構逐漸穩(wěn)定.在生產(chǎn)用地方面，農(nóng)業(yè)生產(chǎn)用地相對2000—2010 年轉移幅度略大，農(nóng)村生活和工礦生產(chǎn)用地在其轉出量中占有較大比重，所占比例為4.9%和3.6%；工礦生產(chǎn)用地相比2000—2010 年增加幅度變大，在其轉入量中農(nóng)業(yè)生產(chǎn)用地所占比重最大，比例為30.1%.在生態(tài)用地方面，林地和水域生態(tài)用地減少，農(nóng)業(yè)生產(chǎn)用地在它們轉出量中均占有較大比重，所占比例分別為24.4%和8.9%；牧草生態(tài)用地也略有減少，其主要減少量來自城鎮(zhèn)生活用地，轉移面積為61.8 km2；其他生態(tài)用地增加，主要轉入來源是水域生態(tài)面積，轉移面積為261.8 km2.在生活用地方面，與2000—2010 年相比城鎮(zhèn)生活用地面積增加量變小，農(nóng)業(yè)生產(chǎn)用地、水域和牧草生態(tài)用地在其轉入量中占有較大比重，轉移比例分別為12.0%，7.3%和5.5%；農(nóng)村生活用地的增加量來源于農(nóng)業(yè)生產(chǎn)用地，轉移比例為25.3%.這表明在城鎮(zhèn)化進程中，城鎮(zhèn)人口的增加對土地資源產(chǎn)生了巨大壓力.

總體上看，天津市2000—2018 年土地利用變化特點是生活及生產(chǎn)用地增加而生態(tài)用地減少，在此期間各二級土地類型之前的轉移方向以城鎮(zhèn)、農(nóng)村生活用地的擴張以及工礦生產(chǎn)用地的發(fā)展為主.

3.3 土地利用轉型的生態(tài)環(huán)境效益分析

3.3.1 天津市生態(tài)環(huán)境質量綜合變化

通過公式（2） 得到天津市 2000 年、2010 年和2018 年的綜合生態(tài)環(huán)境質量指數(shù)，其值分別是0.354，0.334，0.309，年均下降率為0.75%.從這個結果顯示：2000—2018 年天津市總體生態(tài)環(huán)境質量呈現(xiàn)緩慢下降趨勢.主要原因是生態(tài)環(huán)境質量貢獻高的生態(tài)用地較多地被生態(tài)環(huán)境質量貢獻低的生產(chǎn)用地和生活用地所侵占，用地轉型導致的生態(tài)環(huán)境正負效應在研究區(qū)域范圍內無法抵消，從而導致天津市總體生態(tài)環(huán)境質量趨于下降.為了進一步分析天津市各區(qū)在研究期間的生態(tài)環(huán)境質量變化特征，本文以區(qū)為基本單元，得到 2000 年、2010 年、2018 年 3 個時期的生態(tài)環(huán)境質量圖（見圖3）.從圖3 可以看出，天津市各區(qū)生態(tài)環(huán)境質量差異明顯，其中寧河區(qū)、西青區(qū)、津南區(qū)、東麗區(qū)、北辰區(qū)以及濱海新區(qū)在研究期間生態(tài)環(huán)境質量出現(xiàn)下降的趨勢，天津其余各區(qū)在研究期間較為穩(wěn)定.此外還可以看出在2000—2010 年各區(qū)生態(tài)環(huán)境質量下降顯著，2010—2018 年生態(tài)環(huán)境質量趨于穩(wěn)定.

圖3 天津市生態(tài)環(huán)境質量演變的空間分布

3.3.2 天津市各功能用地轉型對生態(tài)環(huán)境影響的貢獻度

根據(jù)天津市2000—2018 年土地利用變化特征，依據(jù)式（3）計算得到天津市2000—2010 年、2010—2018年兩個階段各土地利用功能轉型對天津市生態(tài)環(huán)境影響的貢獻率（見表5）.從整體上看生態(tài)環(huán)境正效應主要是來自各種用地類型轉換為生態(tài)用地，生態(tài)環(huán)境負效應主要是生態(tài)用地轉換為生產(chǎn)和生活用地，由此表明生態(tài)用地的面積增減是影響生態(tài)環(huán)境正負效應的主要原因.

表5 生態(tài)環(huán)境改善和惡化的主要用地功能轉型指數(shù)變化及貢獻率

2000—2010 年，在促進天津市生態(tài)環(huán)境正效應的用地轉型中，農(nóng)業(yè)生產(chǎn)用地轉換成水域、林地和牧草生態(tài)用地占有較大的比重，它們的生態(tài)貢獻率占比分別為25.75%，17.42%，16.56%. 然而致使生態(tài)環(huán)境負效應的用地轉型較多，其中水域和林地生態(tài)用地轉化成農(nóng)業(yè)生產(chǎn)用地所占比重較大，它們的生態(tài)貢獻率占比分別為24.41%，13.19%；水域生態(tài)用地轉換成城鎮(zhèn)生活和工礦生產(chǎn)用地所占比重較少，其生態(tài)貢獻率占比分別為11.19%，8.93%.

2010—2018 年促進天津市生態(tài)環(huán)境正效應的用地轉型中，農(nóng)業(yè)生產(chǎn)用地轉換成林地、水域和牧草生態(tài)用地等用地轉型所占比重較大，它們的生態(tài)貢獻率占比分別為13.45%，28.64%，20.88%. 在促使天津市生態(tài)環(huán)境負效應的用地轉型中，所占比重較大的用地轉型是水域生態(tài)用地轉化為其他生態(tài)用地、林地生態(tài)用地轉型為農(nóng)業(yè)生產(chǎn)用地，它們的生態(tài)貢獻率占比分別為18.44%，17.25%；水域生態(tài)用地轉型為農(nóng)業(yè)和工礦生產(chǎn)用地所占比重較小，它們的生態(tài)貢獻率占比分別為12.45%，11.99%.

從整體上看，2000—2018 年期間天津市一直存有生態(tài)環(huán)境正、負效應兩種趨勢，其中生態(tài)環(huán)境正效應趨勢明顯弱于負效應，因此生態(tài)環(huán)境質量指數(shù)表現(xiàn)出減少的狀況，但是整個區(qū)域總體生態(tài)環(huán)境質量指數(shù)較為穩(wěn)定.值得注意的是生態(tài)用地中水域生態(tài)用地是影響生態(tài)環(huán)境質量變化最大的用地類型，水域生態(tài)用地的修復和保護在天津市的生態(tài)環(huán)境質量的穩(wěn)定和提升方面占有重要的地位.

4 結 論

（1）按照土地利用主導功能轉型的一級地類來看，2000—2018 年天津市土地利用變化特點是生活用地增加、生態(tài)用地減少、生產(chǎn)用地相對穩(wěn)定.從二級地類的角度出發(fā)，2000—2018 年期間水域生態(tài)用地減少量最多，其次是農(nóng)業(yè)生產(chǎn)用地、林地生態(tài)用地.工礦生產(chǎn)用地、牧草和其他生態(tài)用地、城鎮(zhèn)和農(nóng)村生活用地均有增加，其中工礦生產(chǎn)用地增幅最為明顯.

（2）2000—2018 年天津市生態(tài)環(huán)境質量指數(shù)呈現(xiàn)一定的下降趨勢，由2000 年的0.354 下降到2018 年的0.309.天津市各區(qū)生態(tài)環(huán)境質量指數(shù)空間差異明顯，其中寧河、西青、津南、東麗、北辰以及濱海新區(qū)在2000—2018 年間生態(tài)環(huán)境質量下降趨勢明顯，其余各區(qū)較為穩(wěn)定.

（3）2000—2018 年天津市一直存在著生態(tài)環(huán)境正、負效應兩種變化趨勢，生態(tài)環(huán)境負效應趨勢大于正效應趨勢，致使生態(tài)環(huán)境惡化程度逐漸變大.研究期間農(nóng)業(yè)生產(chǎn)用地轉換成林地、牧草和水域生態(tài)用地在促進生態(tài)環(huán)境正效應趨勢中占有較大比重；水域生態(tài)用地轉換成生產(chǎn)和生活用地是致使生態(tài)環(huán)境負效應的重要因素.

針對天津市土地利用出現(xiàn)的生產(chǎn)和生活用地對生態(tài)用地的占用、整體生態(tài)環(huán)境指數(shù)的降低、不同區(qū)域生態(tài)環(huán)境質量存有明顯差異等狀況，建議天津市政府通過對主體功能區(qū)的功能定位來制約空間規(guī)劃、用途用量，統(tǒng)籌人口分布、土地利用、環(huán)境保護等，構造生產(chǎn)、生態(tài)、生活等用地之間相互協(xié)調的空間布局；落實2018 年天津市政府發(fā)布的生態(tài)保護紅線的同時，嚴格控制國土開發(fā)強度，明確禁止開發(fā)區(qū)域、生態(tài)涵養(yǎng)發(fā)展區(qū)域；嚴格執(zhí)行生態(tài)環(huán)境保護制度，堅持保護優(yōu)先、自然恢復為主，不同區(qū)依據(jù)自身狀況進行山水林田湖的生態(tài)保護和修復工程，全面提升自然生態(tài)系統(tǒng)穩(wěn)定性和生態(tài)服務功能.