司曉君, 崔 佳

(哈爾濱師范大學(xué) 管理學(xué)院, 黑龍江 哈爾濱 150025)

社會經(jīng)濟的快速發(fā)展引發(fā)快速的城鎮(zhèn)化和頻繁的人類活動，從而導(dǎo)致中國土地利用轉(zhuǎn)型和空間重構(gòu)[1]。土地利用轉(zhuǎn)型導(dǎo)致的景觀破碎化、生態(tài)環(huán)境退化和生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)價值降低是城鎮(zhèn)化進程中常見的后果[2]。土地利用轉(zhuǎn)型研究主要涉及理論概念、研究方法與模型、單一用地轉(zhuǎn)型、生態(tài)環(huán)境效應(yīng)、驅(qū)動機制以及土地利用轉(zhuǎn)型與地方發(fā)展的關(guān)系等方面[3]。相關(guān)研究思路清晰，但缺乏對“三生”用地(即生產(chǎn)—生活—生態(tài)用地)的轉(zhuǎn)型及其所帶來的生態(tài)環(huán)境質(zhì)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(qū)域等[11-13]，以城市群為研究尺度的較少。研究方法常用生態(tài)環(huán)境質(zhì)量指數(shù)[14]、景觀格局指數(shù)[15]、生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)價值[16-17]以及土地利用綜合動態(tài)度指數(shù)等[18]，但是結(jié)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(qū)與中西部地區(qū)的結(jié)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(zhèn)化和工礦化導(dǎo)致“三生”用地間的矛盾日益突出。本文結(jié)合生態(tài)環(huán)境質(zhì)量指數(shù)和景觀格局指數(shù)兩種評價方法，定量分析2000—2020年中原城市群“三生”用地轉(zhuǎn)型所引起的生態(tài)環(huán)境效應(yīng)變化，對快速城鎮(zhèn)化地區(qū)“三生”空間格局優(yōu)化以及區(qū)域生態(tài)環(huán)境保護等具有重要意義。

1 數(shù)據(jù)來源與研究方法

1.1 數(shù)據(jù)來源與處理

中原城市群2000，2010和2020年3期土地利用遙感監(jiān)測柵格數(shù)據(jù)(分辨率為1 km×1 km)均來源于中國科學(xué)院資源環(huán)境科學(xué)數(shù)據(jù)中心，數(shù)據(jù)精度在88%以上[19]，滿足研究需要。根據(jù)全國土地調(diào)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(chǔ)上，借鑒李曉文等[21]眾多專家學(xué)者的研究成果，結(jié)合3期土地利用數(shù)據(jù)，計算土地利用類型面積均值，采用加權(quán)法對“三生”用地分類體系中的二級地類的生態(tài)環(huán)境質(zhì)量指數(shù)進行賦值(表1)。

表1 “三生空間”土地利用功能分類及其生態(tài)環(huán)境質(zhì)量指數(shù)

1.2 土地利用轉(zhuǎn)移矩陣

土地利用轉(zhuǎn)移矩陣能體現(xiàn)“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(shù)據(jù)，利用ArcGIS 10.2中的重分類、柵格轉(zhuǎn)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(zhuǎn)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(shù)量。

1.3 生態(tài)環(huán)境質(zhì)量分析

生態(tài)環(huán)境質(zhì)量指數(shù)和土地利用轉(zhuǎn)型的生態(tài)貢獻率是分析研究區(qū)土地利用轉(zhuǎn)型所導(dǎo)致的生態(tài)環(huán)境效應(yīng)變化的主要方法[23]。

(1) 生態(tài)環(huán)境質(zhì)量指數(shù)。生態(tài)環(huán)境質(zhì)量指數(shù)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(tài)環(huán)境質(zhì)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(tài)環(huán)境質(zhì)量指數(shù);Sm，S為該區(qū)域第t時期第m種地類的面積和區(qū)域總面積;Rm為第m種地類的生態(tài)環(huán)境指數(shù)。

(2) 土地利用生態(tài)貢獻率。土地利用轉(zhuǎn)型生態(tài)貢獻率表示土地利用功能類型間的相互轉(zhuǎn)換對區(qū)域生態(tài)環(huán)境的影響程度，可分析引發(fā)區(qū)域生態(tài)環(huán)境質(zhì)量變化的主要用地轉(zhuǎn)型，計算公式為[25]：

LEI=(LEq-LEp)La/S

(3)

式中：LEI為土地利用轉(zhuǎn)型的生態(tài)貢獻率; LEp,LEq分別為變化初期和變化末期的生態(tài)環(huán)境質(zhì)量指數(shù);La為土地變化類型的面積。

1.4 景觀格局指數(shù)選取

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

2 結(jié)果與分析

2.1 中原城市群“三生”用地轉(zhuǎn)型分析

總體來看，中原城市群“三生空間”用地主要以農(nóng)業(yè)生產(chǎn)用地為主。農(nóng)業(yè)和工礦生產(chǎn)用地大面積覆蓋中原城市群，占總面積的65%左右，其中農(nóng)業(yè)生產(chǎn)用地約占生產(chǎn)用地的99.16%。2000—2020年期間，生產(chǎn)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(chǎn)用地大幅增加，年均增長7.42%。城鄉(xiāng)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(zhèn)生活用地面積為7 984 km2，是2000年的2.34倍。生態(tài)用地主要分布于中原城市群西部地區(qū)，各生態(tài)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(jù)2000—2010年和2010—2020年土地類型轉(zhuǎn)移矩陣(表3—4)，發(fā)現(xiàn)中原城市群2000—2010年的“三生”用地轉(zhuǎn)換總面積遠低于2010—2020年的。兩個時間段的轉(zhuǎn)型特征一致，表現(xiàn)為農(nóng)業(yè)生產(chǎn)用地、草地和其他生態(tài)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(nóng)業(yè)生產(chǎn)用地向城鎮(zhèn)生活用地轉(zhuǎn)型為主。農(nóng)業(yè)生產(chǎn)用地的轉(zhuǎn)出量(2 477.3 km2)明顯大于其轉(zhuǎn)入量(172.95 km2)，其中63.58%的轉(zhuǎn)入量來源于水域生態(tài)用地，轉(zhuǎn)入面積為109.97 km2；農(nóng)業(yè)生產(chǎn)用地轉(zhuǎn)化為城鎮(zhèn)生活用地和水域生態(tài)用地的面積分別為有1 038.71和604.83 km2，占其轉(zhuǎn)出量的66.34%；另有27.68%的轉(zhuǎn)出是工礦生產(chǎn)用地和農(nóng)村生活用地對農(nóng)業(yè)生產(chǎn)用地的侵占所致。城鎮(zhèn)生活用地的次要來源是農(nóng)村生活用地；水域生態(tài)用地的來源還包括草地和林地；其他用地類型的轉(zhuǎn)化不明顯。這說明該時期主要擠占了耕地。2010—2020年，研究區(qū)以農(nóng)業(yè)生產(chǎn)用地與農(nóng)村生活用地間的相互轉(zhuǎn)化為主，農(nóng)業(yè)生產(chǎn)用地與林地、草地生態(tài)用地間的轉(zhuǎn)化次之；工礦生產(chǎn)用地的轉(zhuǎn)換率最高，比2010年增加了179.51%；其次是城鎮(zhèn)生活用地，增加了68.83%。多種用地類型因城鎮(zhèn)化加快不斷轉(zhuǎn)化為城鄉(xiāng)生活用地，轉(zhuǎn)入面積為29 669.7 km2，城鎮(zhèn)和農(nóng)村生活用地范圍不斷擴大。還有林地和草地生態(tài)用地間的相互轉(zhuǎn)化，農(nóng)業(yè)生產(chǎn)用地與水域生態(tài)用地間相互轉(zhuǎn)換等，該時期各類用地間不斷發(fā)生轉(zhuǎn)換，但農(nóng)業(yè)生產(chǎn)用地在總量上的持續(xù)減少。中原城市群土地開發(fā)利用程度高，后備土地資源不足，耕地占補平衡政策要繼續(xù)落實。在過去的20 a中，中原城市群經(jīng)歷了生活空間的迅速擴張和生產(chǎn)空間的不斷縮小，表明城鄉(xiāng)生活用地需求隨著城鎮(zhèn)化水平的快速提升而持續(xù)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(zhuǎn)移矩陣 km2

表4 中原城市群2010—2020年“三生”用地面積轉(zhuǎn)移矩陣 km2

2.2 中原城市群“三生”用地轉(zhuǎn)型的生態(tài)環(huán)境效應(yīng)

2000—2020年研究區(qū)總體生態(tài)環(huán)境質(zhì)量指數(shù)由公式(2)計算得到，分別為0.356 7 ，0.356 9和0.354 7，生態(tài)環(huán)境總體質(zhì)量先升后降。2000—2010年中原城市群各市加強節(jié)能減排和生態(tài)環(huán)境保護，關(guān)閉重污染企業(yè)，更加注重經(jīng)濟社會發(fā)展和生態(tài)建設(shè)的一致性，推動了綠色經(jīng)濟的發(fā)展，此期間生態(tài)環(huán)境質(zhì)量有所上升。2010—2020年生態(tài)環(huán)境質(zhì)量因城鎮(zhèn)化的穩(wěn)步推進有所下降。區(qū)域總體生態(tài)環(huán)境質(zhì)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(qū)域總體生態(tài)環(huán)境質(zhì)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(tài)環(huán)境質(zhì)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(jù)圖1可知，中原城市群生態(tài)環(huán)境質(zhì)量指數(shù)受土地利用類型分布的影響，在整體上呈現(xiàn)“西高東低”的空間格局。較高質(zhì)量區(qū)主要分布于中原城市群西部和南部的信陽市，該地區(qū)林地和草地生態(tài)用地所占比例較大，地貌類型以山地丘陵為主，工業(yè)的發(fā)展和城鎮(zhèn)的集聚受到限制，所以生態(tài)環(huán)境質(zhì)量較高；較低質(zhì)量區(qū)主要分布于平原地區(qū)，因為地勢平坦，適宜耕種和居住，工業(yè)較為發(fā)達，所以生產(chǎn)用地和生活用地分布較為廣泛，因此生態(tài)環(huán)境質(zhì)量較低。在研究期內(nèi)，三門峽、晉城、洛陽、濟源、長治和南陽一直處于高質(zhì)量區(qū)；運城、焦作、平頂山和信陽一直處于較高質(zhì)量區(qū)，鄭州和安陽在2020年由較高質(zhì)量區(qū)降到了中質(zhì)量區(qū)；邢臺、邯鄲、鶴壁、新鄉(xiāng)、駐馬店和蚌埠一直處于中質(zhì)量區(qū)；開封、許昌、淮北和宿州一直處于較低質(zhì)量區(qū)，聊城、濮陽和荷澤由較低質(zhì)量區(qū)降至低質(zhì)量區(qū)；漯河、阜陽、亳州、周口和商丘一直處于低質(zhì)量區(qū)，區(qū)域生態(tài)環(huán)境質(zhì)量因城鄉(xiāng)生活用地規(guī)模的擴大而變差。2000—2020年，研究區(qū)有23個(近77%)地市的生態(tài)環(huán)境質(zhì)量指數(shù)降低，說明中原城市群的生態(tài)環(huán)境質(zhì)量呈下降態(tài)勢。其中鄭州市下降最多，降低了10.34%，這是由于鄭州市生態(tài)環(huán)境質(zhì)量指數(shù)高的生態(tài)用地比2010年減少了25.03%，且生態(tài)環(huán)境質(zhì)量指數(shù)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(tài)環(huán)境質(zhì)量指數(shù)在2020年得以提高，其中濟源市生態(tài)用地增加量大于生活用地增加量且造成污染的工礦企業(yè)得到搬遷改造，因此生態(tài)環(huán)境質(zhì)量指數(shù)提高了3.20%；信陽市的林地和水域生態(tài)用地所占比例提高，從而生態(tài)環(huán)境質(zhì)量指數(shù)提升了3.19%。綜上可知，中原城市群各地市的生態(tài)環(huán)境質(zhì)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(tài)環(huán)境質(zhì)量空間分布

2.3 影響生態(tài)環(huán)境質(zhì)量的主要用地轉(zhuǎn)型

通過表5可以分析2000—2010年和2010—2020年導(dǎo)致中原城市群生態(tài)環(huán)境質(zhì)量改善和惡化的主要用地轉(zhuǎn)型的生態(tài)貢獻率和貢獻比重。在2000—2010年，中原城市群生態(tài)環(huán)境質(zhì)量改善的主要因素是農(nóng)業(yè)生產(chǎn)用地向水域和林地生態(tài)用地的轉(zhuǎn)化，生態(tài)貢獻率為84.99%，其中貢獻比重最大的是農(nóng)業(yè)生產(chǎn)用地向水域生態(tài)用地的轉(zhuǎn)化，貢獻所占比例為66.6%；城鎮(zhèn)生活用地和工礦生產(chǎn)用地占用農(nóng)業(yè)生產(chǎn)用地，以及水域生態(tài)用地向農(nóng)業(yè)生產(chǎn)用地的轉(zhuǎn)化是生態(tài)環(huán)境質(zhì)量下降的主導(dǎo)因素，占生態(tài)環(huán)境負效應(yīng)貢獻率的53.31%。

2010—2020年，退耕還林還草政策下，農(nóng)業(yè)生產(chǎn)用地轉(zhuǎn)化為林地和草地生態(tài)用地是研究區(qū)生態(tài)環(huán)境質(zhì)量改善的主導(dǎo)因素，農(nóng)村生活用地復(fù)墾為農(nóng)業(yè)生產(chǎn)用地對生態(tài)環(huán)境質(zhì)量的改善也起到積極作用。生態(tài)環(huán)境惡化的因素中，林業(yè)、草地、水域生態(tài)用地轉(zhuǎn)為農(nóng)業(yè)生產(chǎn)用地的貢獻所占比例分別為33.37%，24.00%和9.09%，是導(dǎo)致生態(tài)環(huán)境質(zhì)量降低的主要原因；農(nóng)村居民點對農(nóng)業(yè)生產(chǎn)用地的占用，林地向草地生態(tài)用地的轉(zhuǎn)化也對生態(tài)環(huán)境質(zhì)量的降低起到積極作用。因此，中原城市群的生態(tài)環(huán)境質(zhì)量因城鎮(zhèn)化的推進可能會繼續(xù)下降，為使生態(tài)環(huán)境得到改善應(yīng)優(yōu)化中原城市群“三生”用地結(jié)構(gòu)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(zhuǎn)型及其貢獻率

2.4 景觀格局變化及其與生態(tài)環(huán)境質(zhì)量相關(guān)分析

從斑塊水平上來看(圖2)，2000—2020年，指示“三生”用地景觀優(yōu)勢度的最大斑塊指數(shù)(LPI)表現(xiàn)為：生產(chǎn)用地>生態(tài)用地>生活用地，生產(chǎn)用地LPI值由2000年的62.34降低至2020年的59.53，其中工礦生產(chǎn)用地的LPI值增加，農(nóng)業(yè)生產(chǎn)用地的減小，說明因人類干擾的程度加大，農(nóng)業(yè)生產(chǎn)用地景觀破碎化程度加劇。但作為農(nóng)業(yè)產(chǎn)業(yè)區(qū)，農(nóng)業(yè)生產(chǎn)用地轉(zhuǎn)化為工礦、城鄉(xiāng)生活用地的現(xiàn)象和農(nóng)業(yè)生產(chǎn)用地整治開墾現(xiàn)象共存，因此生產(chǎn)用地仍是優(yōu)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(tài)用地LPI值不斷增加。中原城市群城鎮(zhèn)化進程不斷加快，城鄉(xiāng)生活用地規(guī)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(fù)雜程度的景觀形狀指數(shù)來看，表現(xiàn)為：生活用地>生產(chǎn)用地>生態(tài)用地，說明城鄉(xiāng)生活用地是景觀形狀不規(guī)則的主導(dǎo)因素。生活用地的LSI值輕微下降但變化相對平穩(wěn)，生產(chǎn)用地形狀趨向于不規(guī)則化，生態(tài)用地景觀形狀趨向于規(guī)則化。從斑塊聚集度指數(shù)和結(jié)合度指數(shù)來看，表現(xiàn)為：生產(chǎn)用地>生態(tài)用地>生活用地，生產(chǎn)、生態(tài)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(xiāng)村發(fā)展導(dǎo)致了生活用地的聚集程度增加，連接性增強，但與生產(chǎn)、生態(tài)用地相比還有很大上升空間。

注：EV表示生態(tài)環(huán)境質(zhì)量指數(shù)； LPI表示最大斑塊指數(shù)； LSI表示景觀形狀指數(shù)； COHESION表示斑塊結(jié)合度指數(shù)； AI表示聚集度指數(shù)； SIDI表示香農(nóng)多樣性指數(shù)； SIEI表示香農(nóng)均勻性指數(shù)。下同

采用皮爾遜相關(guān)系數(shù)法分析了生態(tài)環(huán)境質(zhì)量指數(shù)與景觀格局指數(shù)(6個指數(shù))的相關(guān)性，分析結(jié)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(guān)，與LSI(-0.967)、SHDI(-0.947)和SHEI(-0.947)高度負相關(guān)。

根據(jù)表7可知，研究時域內(nèi)，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(tài)環(huán)境質(zhì)量受景觀格局變化的影響，在社會經(jīng)濟發(fā)展中研究區(qū)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(guī)則化，景觀多樣性增加，整體生態(tài)環(huán)境質(zhì)量惡化。綜上，景觀格局指數(shù)與生態(tài)環(huán)境質(zhì)量指數(shù)評價結(jié)果趨于一致，兩者從不同的角度表現(xiàn)了中原城市群土地利用轉(zhuǎn)型的生態(tài)環(huán)效應(yīng)。

表6 地區(qū)EV總值與各景觀指數(shù)的相關(guān)性系數(shù)

表7 中原城市群2000—2020年景觀格局指數(shù)和生態(tài)環(huán)境質(zhì)量指數(shù)

3 討論與結(jié)論

(1) 研究期間中原城市群生態(tài)用地面積相對穩(wěn)定，生產(chǎn)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(zhuǎn)移面積遠低于2010—2020年的。二級地類中，農(nóng)業(yè)生產(chǎn)用地、草地和其他生態(tài)用地面積減少，林地生態(tài)用地保持相對穩(wěn)定，城鎮(zhèn)生活用地和工礦生產(chǎn)用地大幅增加。

(2) 中原城市群綜合生態(tài)環(huán)境質(zhì)量指數(shù)先升后降，區(qū)域生態(tài)環(huán)境質(zhì)量在空間上表現(xiàn)為西高東低。2000—2020年，近77%的地市生態(tài)環(huán)境質(zhì)量指數(shù)下降，鄭州市下降幅度最大，濟源市改善程度最大。區(qū)域生態(tài)環(huán)境質(zhì)量改善趨勢小于惡化趨勢。農(nóng)業(yè)生產(chǎn)用地向水域、林草生態(tài)用地的轉(zhuǎn)化是生態(tài)環(huán)境質(zhì)量改善的主導(dǎo)因素；農(nóng)業(yè)生產(chǎn)用地對林地和草地生態(tài)用地的占用是生態(tài)環(huán)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(guān)，各類景觀破碎化加劇，景觀形狀趨于不規(guī)則化，聚集度和空間連通度降低，景觀多樣性增加，整體生態(tài)環(huán)境質(zhì)量惡化。景觀格局指數(shù)與生態(tài)環(huán)境質(zhì)量指數(shù)評價結(jié)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(zhuǎn)型的生態(tài)環(huán)境效應(yīng)。

區(qū)域生態(tài)環(huán)境受土地利用轉(zhuǎn)型、景觀格局變化[27]、社會政治經(jīng)濟因素等多方面的影響。本文在已有研究成果的基礎(chǔ)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(dǎo)致的生態(tài)環(huán)境變化，并未深入研究生態(tài)環(huán)境效應(yīng)演變的驅(qū)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(chuàng)新。未來需不斷改進研究方法，并結(jié)合中原城市群的自然及社會經(jīng)濟指標，研究每個發(fā)展階段生態(tài)環(huán)境效應(yīng)演變的驅(qū)動因素[28]，為改善中原城市群的生態(tài)環(huán)境質(zhì)量奠定基礎(chǔ)，使其得到更好的發(fā)展。隨著城鎮(zhèn)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(tài)環(huán)境質(zhì)量可能會進一步降低。因此，中原城市群“三生”空間格局調(diào)整要與生態(tài)文明建設(shè)相結(jié)合，且相關(guān)部門要綜合考慮自然、經(jīng)濟、政策等多方面因素，提高公民生態(tài)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(jīng)濟、生態(tài)特征的“三生”用地管控措施。