尹澤凱，譚立峰，賈 琦

（1.北京建筑大學 建筑與城市規(guī)劃學院，北京 100044； 2.天津大學 建筑學院，天津 300072；3.鄭州輕工業(yè)大學 環(huán)境設計系，河南 鄭州 450002）

土地利用轉型指在社會經濟發(fā)展驅動下，特定時期與國民經濟和社會發(fā)展階段相對應的土地利用類型發(fā)生轉移的過程，通常具有轉型結構和功能分布等層面的變化特征［1］。 相關領域的學者結合我國社會經濟特征開展了大量關于土地利用轉型的研究，主要涉及土地利用轉型的分類體系理論探討［2］、監(jiān)測與預測技術［3］、土地利用轉型與社會經濟的耦合關系［4］、生態(tài)環(huán)境效應［5-6］、生態(tài)風險預警［7］以及土地集約利用與優(yōu)化［8-9］等。 在土地利用中，不同類型用地有多種使用功能，但總存在其主導用地功能，土地利用轉型主要表現為其主導功能發(fā)生轉移，通常表現為土地利用功能中的生產、生活和生態(tài)空間用地之間發(fā)生轉移，進而使得區(qū)域土地利用類型在上述“三生功能”中進行數量與空間分布等方面的資源再分配［10-11］。 基于“三生空間”視角的土地利用分類體系，將區(qū)域生態(tài)文明建設和國土空間規(guī)劃等社會經濟發(fā)展政策緊密結合起來，進而促使區(qū)域實現高質量發(fā)展。 黨的十八大報告明確提出，促進生產空間集約高效、生活空間宜居適度、生態(tài)空間山清水秀。 2019年《中共中央國務院關于建立國土空間規(guī)劃體系并監(jiān)督實施的若干意見》中指出，科學布局生產空間、生活空間、生態(tài)空間。 基于“三生空間”用地轉型展開相關研究，可有效與區(qū)域轉型發(fā)展保持銜接，同時是新時期國土空間規(guī)劃背景下開展土地利用研究的新途徑。

“三生空間”用地轉型作為人類社會經濟發(fā)展過程中最基礎的實踐活動，在很大程度上影響著區(qū)域的生態(tài)環(huán)境質量。 隨著社會經濟發(fā)展，土地利用性質發(fā)生轉變，城市土地集約利用效率低下、“三生空間”失調等問題聚集，進而引發(fā)區(qū)域生態(tài)系統失衡。 城市尤其是特大城市作為人類社會經濟活動的主要場所，其所提供的生態(tài)系統功能更易受到城鎮(zhèn)擴張和產業(yè)發(fā)展等社會經濟活動影響。 當前關于土地利用轉型及其生態(tài)環(huán)境效應的研究較多，在分類體系上多參照《土地利用現狀分類》（GB／T 21010—2017），針對“三生功能”視角的系統研究相對較少。 秦方［10］在構建“三生空間”分類體系的基礎上，采用當量因子法分析了河南省新鄭市“三生空間”格局演變對生態(tài)系統服務價值的影響；龔亞男等［12］以廣東省21 個地級市為研究單元，探究“三生空間”用地轉型的時空演變格局與生態(tài)環(huán)境效應，但其研究并未涉及空間層面的生態(tài)效應變化；周曉艷等［13］分析了武漢城市圈“三生空間”演化格局，以及不同功能間的權衡與協同關系，但關于不同功能用地之間的轉化機制及產生的影響未做進一步研究。 總體而言，當前的相關研究多集中在時間尺度下區(qū)域“三生空間”用地轉型特征及其生態(tài)系統服務價值評估，缺乏空間尺度下的系統研究。 由于“三生空間”用地轉型受自然環(huán)境以及人類社會經濟發(fā)展等因素影響，因此存在空間分布規(guī)律，其引起的生態(tài)環(huán)境效應存在一定的空間分異特征［14］。 諸多研究結果表明，基于格網單元劃分方法可以有效揭示區(qū)域土地利用和生態(tài)環(huán)境變化的空間分布規(guī)律，能夠在空間層面探究用地轉型對生態(tài)系統產生的局部影響［15-18］。

筆者在上述研究基礎上，基于1990—2019年4 期遙感影像解譯數據，結合“三生空間”功能分類體系與生態(tài)環(huán)境質量指數測度方法，分析快速城市化典型城市河南省鄭州市“三生空間”用地轉型特征及其生態(tài)環(huán)境效應，采用重心分析方法揭示鄭州市“三生空間”用地格局的演化趨勢，結合ArcGIS10.5 軟件中的熱點分析工具分析區(qū)域生態(tài)環(huán)境質量的冷熱點分布與空間變化規(guī)律并揭示其形成機理，以期為以鄭州市為代表的快速城市化地區(qū)國土空間優(yōu)化提供科學依據。

1 研究數據與方法

1.1 研究區(qū)概況

鄭州市位于河南省中部偏北，為河南省省會、中原城市群核心城市。 全市東西長143 km，南北寬78 km，區(qū)域總面積為7565.25 km2，城鎮(zhèn)化率為74.6%，2019年GDP 高達11589.7 億元。 鄭州市位于黃河中下游向黃淮平原過渡的交接帶，地勢上呈西南高、東北低，階梯狀下降特征，屬北溫帶大陸性季風氣候區(qū)，年平均氣溫15.6 ℃，年均降水量542.15 mm，屬嚴重缺水地區(qū)。 2012年，國務院正式批復《中原經濟區(qū)規(guī)劃（2012—2020年）》，確立以鄭州大都市區(qū)為核心、中原城市群為支撐的發(fā)展戰(zhàn)略。 2016年批復的《中原城市群發(fā)展規(guī)劃》提出建設現代化鄭州大都市區(qū)，推進鄭州大都市區(qū)國際化發(fā)展。 鄭州市作為中原經濟區(qū)（城市群）的核心城市，近年來社會經濟快速發(fā)展。 但高速的經濟發(fā)展和城鎮(zhèn)擴張往往伴隨著區(qū)域生態(tài)系統的破壞，鄭州市快速發(fā)展的同時勢必對當地生態(tài)環(huán)境造成較大影響。

1.2 數據來源與處理

本研究所使用數據為1990年、2000年、2010年和2019年的Landsat7、Landsat8（分辨率為30 m×30 m）4期影像數據以及2019年Spot5（分辨率為10 m×10 m）影像數據。 經幾何校正、數據融合與裁剪等預處理后，基于eCognition 軟件對2019年Spot5 影像進行土地利用類型解譯。 同時基于ENVI5.0 平臺對1990年、2000年和2010年的遙感影像數據進行監(jiān)督分類，并對比鄭州市土地利用變更數據，最終得出1990—2019年各時期土地利用數據。 基于ArcGIS10.5 生成300 個樣本點，結合Spot5 影像與谷歌地圖驗證其精確性，4 期影像的解譯精度分別為89.37%、91.65%、90.12%和92.60%，符合研究所需精度要求。

在對鄭州市土地利用數據進行解譯的基礎上，依據土地用途和“三生空間”分類理論體系，根據江曼琦等［19-21］的研究結果，將鄭州市土地利用類型劃分為生態(tài)空間、生產空間、生活空間3 個一級地類及其相應的7 個二級地類。 同時，根據苑韶峰等［22-24］的研究結果，利用面積加權法對“三生空間”用地的生態(tài)環(huán)境質量進行賦值，并與“三生”土地利用主導功能分類相結合，構建土地利用類型的生態(tài)環(huán)境質量指數，見表1。

表1 土地利用主導功能分類及其生態(tài)環(huán)境質量指數

1.3 土地利用類型轉移矩陣

特定時段內土地利用類型演化通常用轉移矩陣表示，即將研究期初與期末各用地類型的面積變化及轉移情況以矩陣的形式表現，從而反映區(qū)域用地轉型特征［25］。 轉移矩陣為

式中：Sij為研究期第i類土地轉變?yōu)榈趈類土地的面積，i、j為土地類型編號；n為土地利用類型數量。

基于GIS 軟件對不同時期土地利用類型數據進行交叉分析，并結合Excel 中的數據透視表建立土地利用類型轉移矩陣。

1.4 “三生空間”重心轉移

為更加直觀地揭示各用地類型在空間分布層面的轉移特征，采用重心分析法計算各時期用地類型重心坐標的轉移過程，表達式為［26］

式中：X、Y為用地類型空間分布重心的地理坐標；Wi為第i類用地的面積；Xi、Yi為第i類土地的幾何重心地理坐標。

1.5 區(qū)域生態(tài)環(huán)境質量分析

（1）格網單元生態(tài)環(huán)境質量測度。 筆者結合喬斌等［15］、苑韶峰等［17］的研究結果，選取600 m×600 m 的格網單元對鄭州市進行等間距采樣，最終生成近2.2萬個樣區(qū)。 綜合考慮區(qū)域格網單元“三生空間”的生態(tài)環(huán)境質量及面積比例，采用區(qū)域生態(tài)環(huán)境質量指數（見表1）定量分析格網內生態(tài)環(huán)境質量的總體狀況。具體操作步驟：基于ArcGIS10.5 漁網工具對研究區(qū)進行格網劃分，通過矢量與柵格的分區(qū)統計功能，以矢量圖層為邊界，統計格網內對應的生態(tài)環(huán)境質量。

（2）“三生空間”用地轉型的生態(tài)貢獻率。 生態(tài)貢獻率指特定時期某種用地類型主導功能發(fā)生變化進而引發(fā)區(qū)域生態(tài)系統改變的程度，該方法能夠較好地量化各用地類型主導功能轉移后對區(qū)域生態(tài)系統影響的強度，有利于揭示促使區(qū)域生態(tài)環(huán)境變化的主要因素。從正負兩方面展開分析，分別計算導致生態(tài)環(huán)境質量惡化和改善的生態(tài)貢獻率，其表達式為

式中：LE為區(qū)域特定土地利用類型在p～q時段內發(fā)生轉移的生態(tài)貢獻率；LEp和LEq分別為該土地利用類型在時期p和時期q內的生態(tài)環(huán)境質量；LA為發(fā)生轉移的面積；TA為區(qū)域面積。

（3）生態(tài)環(huán)境質量變化熱點分析。 熱點分析廣泛應用于區(qū)域社會經濟和生態(tài)系統評價等，冷點和熱點分別表示統計結果的空間分布所呈現出的低值和高值聚集特征［17］。 研究采用熱點分析工具測度區(qū)域生態(tài)環(huán)境質量在各時段的冷熱點聚集規(guī)律。 具體方法：利用ArcGIS10.5 空間統計工具中的熱點分析（Getis-Ord Gi*指數）和空間自相關分析分別得到表示概率的P值、標準差倍數的Z得分。 0.01、0.05 和0.1 是典型概率，Z得分對應的置信度90%、95%和99%的值分別為＜-1.65 或＞1.65，＜-1.96 或＞1.96 和＜-2.58 或＞2.58。Z得分為正值且顯著，表明生態(tài)環(huán)境質量增加值高于均值，屬熱點區(qū)；Z得分為負值且顯著，表明生態(tài)環(huán)境質量增加值低于均值，屬冷點區(qū)。 此外，在空間變化上，通過Getis-Ord Gi*指數得出各時期冷熱點空間分布圖后，基于ArcGIS10.5 空間分析工具中的柵格計算工具得出Z得分為負值且顯著，表明生態(tài)環(huán)境質量增加值低于均值。

2 結果與分析

2.1 鄭州市“三生空間”用地轉型特征

鄭州市“三生空間”用地結構轉型過程中，生產空間用地面積由1990年的4892.02 km2降至2019年的4538.69 km2（減少353.33 km2），生態(tài)空間用地面積由1990年的1402.37 km2降至2019年的1215.94 km2（減少186.43 km2），而生活空間用地面積增加，由1990年的1270.86 km2增至2019年的1810.62 km2（增加539.76 km2），增幅高達42.47%。 從“三生空間”的二級地類來看，農業(yè)生產用地和鄉(xiāng)村生活用地分布最廣泛，但相對分散，以中西部平原地區(qū)為主；鄭州市河流水系相對匱乏，水域生態(tài)用地所占比例較小，且集中分布在鄭州市北側的黃河沿線。 總體而言，受近年來快速城市化進程和國家中心城市建設影響，鄭州市土地開發(fā)利用程度逐年提高，后備土地資源較為缺乏（見圖1、表2）。

圖1 鄭州市“三生空間”用地分布

表2 鄭州市“三生空間”用地面積統計 km2

“三生空間”用地轉移矩陣（見表3）顯示：1990—2019年，“三生空間”用地類型中轉移面積最大的是農業(yè)生產用地，共有649.43 km2的農業(yè)生產用地轉變?yōu)槠渌玫仡愋?，其?63.62 km2轉變?yōu)槌擎?zhèn)生活用地，131.51 km2轉變?yōu)猷l(xiāng)村生活用地；用地變化最小的是城鎮(zhèn)生活用地，僅有0.88 km2轉變?yōu)槠渌玫仡愋停淮送?，共?59.54 km2的水域生態(tài)用地轉變?yōu)檗r業(yè)生產用地。 總體來看，鄭州市“三生空間”用地轉型與政策影響緊密相關。 在快速城市擴張和產業(yè)發(fā)展過程中，大量生產、生態(tài)用地被生活用地侵占，與此同時，政府部門積極推進生態(tài)修復與治理工程，大力推進生態(tài)文明建設，促使城鎮(zhèn)低效生態(tài)用地的再開發(fā)及生態(tài)功能提升，上述相關政策均在“三生空間”用地發(fā)展過程中起到消極或積極影響。

表3 1990—2019年鄭州市“三生空間”用地轉移矩陣 km2

“三生空間”用地重心的分布可以更好地揭示其在特定時期內的演化軌跡，鄭州市1990—2019年“三生空間”重心轉移情況見圖2。

圖2 鄭州市1990—2019年“三生空間”重心轉移情況

鄭州市生產用地重心主要位于主城區(qū)、新密市和新鄭市交界處的馬寨鎮(zhèn)和侯寨鄉(xiāng)一帶，1990—2019年總體呈現先向東部轉移，再轉向南部，并于2010年后持續(xù)東移的趨勢，研究期內總體向東遷移了3416 m。研究期初鄭州市中東部的新鄭、中牟等地區(qū)產業(yè)化進程加速，生產用地不斷擴張，促使用地重心向東部地區(qū)持續(xù)遷移。 生態(tài)用地重心則位于滎陽市南部的喬樓鎮(zhèn)和崔廟鎮(zhèn)一帶，研究期內呈現先向西南轉移，再向西北轉移，隨后轉向東南的趨勢，其重心遷移變化不大，共計遷移了1307 m。 滎陽市緊鄰鄭州市主城區(qū)，受主城區(qū)城市擴張和滎陽市產業(yè)發(fā)展影響，該片區(qū)土地利用程度較高，進而促使生態(tài)用地重心不斷向生態(tài)環(huán)境質量較好的山區(qū)轉移。 生活用地重心位于生產用地重心西北側，研究期內由西向東轉移，共計遷移了3106 m。生活用地重心逐漸靠近鄭州市主城區(qū)與新鄭龍湖一帶，該片區(qū)是鄭州市城鎮(zhèn)化的主要區(qū)域，吸引了眾多人口聚集，促使城鎮(zhèn)生活空間不斷增加，生活用地重心持續(xù)向該方向遷移。

2.2 土地功能轉型的生態(tài)環(huán)境效應

（1）生態(tài)環(huán)境質量時空演變格局。 為進一步探討鄭州市生態(tài)環(huán)境質量空間分布特征，基于上述生態(tài)環(huán)境質量測度方法，計算得出研究區(qū)格網單元內的生態(tài)環(huán)境質量指數，見圖3，可以看出鄭州市生態(tài)環(huán)境質量在空間分布上整體呈現“西高東低”的格局。 高生態(tài)質量區(qū)主要位于鄭州市西側的伏羲山、嵩山等山地丘陵區(qū)，功能類型主要為林地和牧草生態(tài)用地，該片區(qū)山區(qū)較多，受地形影響，工礦業(yè)和城鎮(zhèn)等用地類型較少，因此區(qū)域生態(tài)環(huán)境質量總體較高（生態(tài)環(huán)境質量指數為17500～34800）；而生態(tài)環(huán)境質量指數處于7500～17500 的片區(qū)分布相對廣泛，多位于中東部平原地區(qū)，以農業(yè)生產用地為主；生態(tài)環(huán)境質量指數較?。?500 以下）的片區(qū)以鄭州市主城區(qū)和各區(qū)縣中心城區(qū)為主，且該類等級（7500 以下）呈現持續(xù)向外圍蔓延的趨勢，與該區(qū)域城鎮(zhèn)擴張、工業(yè)發(fā)展的區(qū)域范圍總體保持一致。

圖3 鄭州市生態(tài)環(huán)境質量指數空間分布情況（1990—2019年）

為進一步揭示區(qū)域生態(tài)環(huán)境質量變化格局，采用ArcGIS10.5 空間自相關分析和冷熱點分析工具分析其1990年以來的變化特征。 以格網單元的生態(tài)環(huán)境質量指數為基礎（見圖3），選取置信度在90%以上的熱點和冷點，基于熱點統計工具（Getis-Ord Gi*）得到研究區(qū)生態(tài)環(huán)境質量變化冷熱點圖，見圖4。

圖4 鄭州市生態(tài)環(huán)境質量變化冷熱點

表41990—2019年鄭州市生態(tài)環(huán)境質量變化冷熱點面積 km2

1990—2000年，鄭州市生態(tài)環(huán)境質量改善區(qū)呈點狀分布在鄭州市中西部，該時期熱點90%置信度面積高達382.68 km2（見表4），為各冷熱點置信度變化幅度之最，而熱點95%和99%置信度面積合計僅為11.88 km2，表明該時期生態(tài)環(huán)境質量雖有改善，但改善幅度不大；生態(tài)環(huán)境質量惡化區(qū)在冷點90%及以上置信度面積均在150 km2以上，主要集中在鞏義市河洛鎮(zhèn)北側、鄭州市惠濟區(qū)花園口黃河富景生態(tài)園區(qū)以及鄭州市郊區(qū)。 2000—2010年，生態(tài)環(huán)境質量改善區(qū)中熱點95%和99%置信度面積快速增加（共計新增59.76 km2），熱點區(qū)域集中在研究區(qū)北側，這與該時期實施的黃河流域水生態(tài)環(huán)境治理密切相關，相關地塊由農田、裸地等改造為湖泊、灘地及池塘等水域生態(tài)用地，進而促使其生態(tài)功能提升；2000—2010年生態(tài)環(huán)境質量在主城區(qū)外圍惡化的基礎上，出現向四周蔓延的趨勢，這與2000年以后鄭州市城市擴張范圍基本保持一致，同時新鄭龍湖及航空港區(qū)惡化范圍擴大。2010—2019年，鄭州市生態(tài)環(huán)境質量改善區(qū)域主要集中在雙鶴湖—園博園，生態(tài)環(huán)境質量改善面積相對較?。狳c95%及以上置信度面積僅為15.48 km2）；惡化較為嚴重區(qū)域面積則高達210.42 km2（冷點95%及以上置信度），冷點變化區(qū)域在2010年主城區(qū)蔓延基礎上呈攤大餅狀擴展，其中中牟綠博園區(qū)和航空港區(qū)一帶惡化趨勢較為明顯。 總體來看，1990—2019年鄭州市生態(tài)環(huán)境質量變化的冷熱點空間變化與鄭州市相應時期實施的區(qū)域發(fā)展戰(zhàn)略、沿黃生態(tài)環(huán)境保護工程、生態(tài)修復治理工程等緊密相關。

（2）影響生態(tài)環(huán)境質量的“三生空間”用地因素。區(qū)域生態(tài)環(huán)境質量隨時間演化通常會出現惡化和改善兩種趨勢，并且在一定程度上會相互抵消，從而在整體上維持生態(tài)系統相對穩(wěn)定。 影響鄭州市1990—2019年生態(tài)環(huán)境變化的“三生空間”用地因素見表5，可以看出，農業(yè)生產用地向城鎮(zhèn)和鄉(xiāng)村生活用地轉移、水域和林地生態(tài)用地向農業(yè)生產用地轉移是導致鄭州市生態(tài)環(huán)境惡化的主要原因。 農業(yè)生產用地轉變?yōu)樗?、牧草、林地等生態(tài)用地是區(qū)域生態(tài)環(huán)境質量改善的主要原因，其中農業(yè)生產用地轉變?yōu)樗蛏鷳B(tài)用地的比例相對較高，高達66.04%，上述用地轉型在一定程度上改善了區(qū)域生態(tài)環(huán)境質量。 總體而言，鄭州市生態(tài)系統同時存在著改善和惡化兩種趨勢，因此如何提高區(qū)域土地利用效益，優(yōu)化“三生空間”用地結構是當前亟待解決的問題。

表5 導致鄭州市生態(tài)環(huán)境變化的“三生”用地貢獻

3 結論

基于“三生空間”用地轉型背景，采用生態(tài)環(huán)境質量指數分析了1990—2019年鄭州市生態(tài)環(huán)境效應空間自相關格局及其響應特征。

（1）鄭州市“三生空間”用地轉型過程中，生產與生態(tài)空間用地面積持續(xù)減少，生活空間用地面積迅速增加。 1990—2019年“三生空間”用地類型中轉移面積最大的是農業(yè)生產用地，其中363.62 km2轉變?yōu)槌擎?zhèn)生活用地，131.51 km2轉變?yōu)猷l(xiāng)村生活用地。 鄭州市生產用地重心位于馬寨鎮(zhèn)和侯寨鄉(xiāng)，研究期內總體東移了3416 m；生態(tài)用地重心位于喬樓鎮(zhèn)和崔廟鎮(zhèn)，其重心遷移變化不大，共計遷移了1307 m；生活用地重心位于生產用地重心西北側，逐漸向新鄭龍湖鎮(zhèn)方向靠近，共計遷移了3106 m。

（2）鄭州市生態(tài)環(huán)境質量整體呈現“西高東低”的格局。 1990—2000年生態(tài)環(huán)境質量持續(xù)下降；2000—2010年生態(tài)環(huán)境質量改善區(qū)域面積快速增加，多集中在研究區(qū)北側，同時惡化區(qū)域則在主城區(qū)外圍持續(xù)擴張；2010—2019年生態(tài)環(huán)境質量惡化持續(xù)加劇，其變化區(qū)域在主城區(qū)2010年蔓延基礎上持續(xù)擴展，另外在中牟綠博園區(qū)和航空港區(qū)惡化趨勢較明顯。

（3）1990—2019年，鄭州市同時存在著生態(tài)環(huán)境改善和惡化兩種趨勢。 農業(yè)生產用地向城鄉(xiāng)生活用地轉移、水域和林地生態(tài)用地向農業(yè)生產用地轉移是導致生態(tài)環(huán)境惡化的主要因素。 生產用地轉為生態(tài)用地是區(qū)域生態(tài)環(huán)境質量改善的主要因素，其中農業(yè)生產用地轉換為水域和牧草生態(tài)用地的比例高達30.51%。