李 瑩，陳志玲，譚 誠

(黑龍江科技大學(xué)礦業(yè)工程學(xué)院，黑龍江 哈爾濱 150022)

土地利用/覆被變化是改變生態(tài)環(huán)境質(zhì)量的重要因素，是人類活動對自然環(huán)境進(jìn)行改造的最直觀表現(xiàn)[1]。近年來，高速發(fā)展的人類經(jīng)濟(jì)生產(chǎn)活動造成了土地利用方式和格局的大幅度改變，導(dǎo)致了一系列生態(tài)問題，也因此土地利用變化研究日益成為解決生態(tài)系統(tǒng)可持續(xù)健康發(fā)展的熱點(diǎn)途徑[2]。從功能的角度出發(fā)土地被劃分為生產(chǎn)用地、生態(tài)用地和生活用地，形成一個相互關(guān)聯(lián)和相互統(tǒng)一的多功能綜合體[3]。但現(xiàn)行的《土地利用現(xiàn)狀分類》標(biāo)準(zhǔn)是按照土地用途進(jìn)行分類的[4]，這導(dǎo)致土地的生態(tài)功能被嚴(yán)重忽視，所以亟須構(gòu)建一個基于土地功能角度的、突出生態(tài)功能的分類體系[5-6]?；谝陨显?，中共十八大報告中明確指出“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”國土空間發(fā)展目標(biāo)，使得“三生空間”概念由此產(chǎn)生[7]。當(dāng)前，國內(nèi)學(xué)者從不同視角對“三生空間”分類進(jìn)行了詮釋，例如李廣東等[8]基于城市尺度從土地功能、生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)和景觀功能綜合的視角構(gòu)建城市生態(tài)-生產(chǎn)-生活空間功能分類體系，劉繼來等[9]基于國家尺度，依據(jù)土地利用現(xiàn)狀分類國家標(biāo)準(zhǔn)，建立了中國三生空間分類與評價體系。國際上，Zhou等[10]提出了土地利用多功能性評價的新概念指標(biāo)體系，并分析了土地利用各子功能之間的關(guān)系；Wei等[11]構(gòu)建了生產(chǎn)-生活-生態(tài)(PLE)功能評價指標(biāo)體系；通過評價模型和空間集中指數(shù)分析了吉林省PLE功能特征。縱觀不同學(xué)者對“三生空間”分類的見解可得出一個結(jié)論：“三生空間”是一種功能空間，“三生空間”的分類是以土地利用主導(dǎo)功能為基礎(chǔ)的[12]。

本文立足于“三生空間”視角，以人口密集、城鎮(zhèn)化高、經(jīng)濟(jì)較發(fā)達(dá)的哈爾濱市轄區(qū)為研究區(qū)域，選取2000年、2010年、2020年三期土地利用現(xiàn)狀數(shù)據(jù)，結(jié)合土地利用主導(dǎo)功能對研究區(qū)進(jìn)行“三生空間”的識別與分類，從數(shù)量結(jié)構(gòu)變化和空間格局演變兩個方面對哈爾濱市轄區(qū)“三生空間”時空演變特征進(jìn)行探討，以期為哈爾濱市轄區(qū)生態(tài)環(huán)境保護(hù)和國土空間規(guī)劃提供參考策略。

1 研究區(qū)概況與數(shù)據(jù)來源

哈爾濱位處中國東北地區(qū)、東北亞中心地帶，在黑龍江省西南部，是黑龍江省的省會，副省級市，是中國東北北部政治、經(jīng)濟(jì)、文化中心，被譽(yù)為歐亞大陸橋的明珠，是第一條歐亞大陸橋和空中走廊的重要樞紐、“一帶一路”節(jié)點(diǎn)區(qū)域、哈長城市群核心城市、國家戰(zhàn)略定位的沿邊開發(fā)開放中心城市。本文以哈爾濱市轄區(qū)為研究區(qū)，其位于哈爾濱市西部，介于東經(jīng)125°41′～127°39′，北緯45°43′～46°25′之間，包括道里區(qū)、道外區(qū)、南崗區(qū)、平房區(qū)、香坊區(qū)、松北區(qū)、呼蘭區(qū)、雙城區(qū)、阿城區(qū)九個區(qū)(見圖1)，全市轄區(qū)面積10 198 km2，總?cè)丝?51.9萬人，分別占哈爾濱總面積、總?cè)丝诘?9.2%，58.5%，由此可見哈爾濱市轄區(qū)的人口密集和城市化程度。

本文應(yīng)用2000年、2010年、2020年的哈爾濱市轄區(qū)土地利用/覆蓋數(shù)據(jù)來源于資源環(huán)境科學(xué)與數(shù)據(jù)中心，該數(shù)據(jù)是中國科學(xué)院在國家資源環(huán)境數(shù)據(jù)庫基礎(chǔ)上，以美國陸地衛(wèi)星Landsat遙感影像數(shù)據(jù)作為主信息源，通過人工目視解譯建立的國家尺度1∶10比例尺多時期土地利用/土地覆蓋遙感監(jiān)測數(shù)據(jù)集(CNLUCC)[13]。哈爾濱行政邊界數(shù)據(jù)也來源于資源環(huán)境科學(xué)與數(shù)據(jù)中心。

2 研究方法

2.1 “三生空間”分類

“三生空間”的分布格局是區(qū)域內(nèi)自然環(huán)境演變與人類經(jīng)營活動是否和諧發(fā)展的象征，因此對于“三生空間”的劃分要具有科學(xué)性、適用性。本研究依據(jù)GB/T 21010—2017土地利用現(xiàn)狀分類標(biāo)準(zhǔn)，結(jié)合土地利用主導(dǎo)功能，參考前人對“三生空間”概念、內(nèi)涵、分類體系的研究對哈爾濱市轄區(qū)進(jìn)行“三生空間”分類[14-15]。主要分為3個一級類，并根據(jù)空間各自所具有的屬性再細(xì)分為8個二級類。具體的劃分依據(jù)和分類體系見表1。

表1 哈爾濱市轄區(qū)“三生空間”分類體系

2.2 動態(tài)度模型

本文應(yīng)用動態(tài)度模型來分析哈爾濱市轄區(qū)“三生空間”的數(shù)量變化,其可分為空間單一動態(tài)度和空間綜合動態(tài)度兩類,其中空間單一動態(tài)度不僅能反映區(qū)域內(nèi)不同時期不同空間類型的變化量并且能直觀顯示其變化速率。其計(jì)算公式如式(1)所示:

(1)

其中，K為空間類型的單一利用動態(tài)度；Ua,Ub分別為研究時段的初期面積、末期面積；T為研究時長。

空間綜合動態(tài)度可以反映區(qū)域內(nèi)地類變化數(shù)量的整體情況,綜合表達(dá)某一研究時段的空間類型變化強(qiáng)度。其計(jì)算公式如式(2)所示:

(2)

其中，LC為綜合利用動態(tài)度；T為研究時長；LUi為研究初期i類空間類型面積;LUi-j為T時段內(nèi)i類空間類型變?yōu)閖類空間類型的面積絕對值。

2.3 “三生空間”轉(zhuǎn)型特征分析

本文應(yīng)用轉(zhuǎn)移矩陣來分析哈爾濱市轄區(qū)“三生空間”轉(zhuǎn)型特征,轉(zhuǎn)移矩陣可以定量計(jì)算各研究時段各空間類型的轉(zhuǎn)移數(shù)量和轉(zhuǎn)移關(guān)系,反映區(qū)域內(nèi)空間分布趨勢。其計(jì)算公式如式(3)所示:

(3)

其中,S為面積;n為轉(zhuǎn)移前后的空間類型數(shù);i,j均為轉(zhuǎn)移前后的空間類型；Sij為研究區(qū)域內(nèi)“三生空間”某一空間類型i轉(zhuǎn)移到j(luò)類空間的面積。矩陣中的每一行元素代表轉(zhuǎn)移前的i地類向轉(zhuǎn)移后的各地類的流向信息,矩陣中的每一列元素代表轉(zhuǎn)移后的j地類面積從轉(zhuǎn)移前的各地類的來源信息[16]。

2.4 “三生空間”重心遷移分析

本文應(yīng)用重心模型來探討哈爾濱市轄區(qū)“三生空間”演變方向,可直觀反映空間要素的時間演化軌跡。其計(jì)算公式如式(4)所示:

(4)

其中,LONG,LAT分別為研究區(qū)各類空間分布的重心的經(jīng)度坐標(biāo)和緯度坐標(biāo);longi,lati分別為“三生空間”的經(jīng)度坐標(biāo)和緯度坐標(biāo);Si為某類空間的面積。

3 結(jié)果分析

3.1 “三生空間”時序變化特征

3.1.1 面積變化特征

根據(jù)哈爾濱市轄區(qū)一級“三生空間”分類統(tǒng)計(jì)結(jié)果表2顯示,在3個不同研究時段內(nèi),生產(chǎn)空間是全市轄區(qū)占比面積最大的,在69%左右,反映了研究區(qū)的農(nóng)業(yè)基礎(chǔ)之強(qiáng),2000年—2010年間生產(chǎn)空間大幅度減小,縮減面積達(dá)140.97 km2,2010年—2020年間生產(chǎn)空間面積稍有增長,增加面積為36.59 km2。生態(tài)空間面積變化不顯著,總面積占比維持在23%左右,2000年—2020年間先增長80.76 km2,后下降88.28 km2。生活空間面積呈持續(xù)增長趨勢,2000年—2010年間增長60.24 km2,2010年—2020年間又增長51.59 km2。

表2 哈爾濱市轄區(qū)一級“三生空間”類型面積與占比

根據(jù)哈爾濱市轄區(qū)二級“三生空間”分類統(tǒng)計(jì)結(jié)果表3顯示,研究區(qū)總體上以農(nóng)業(yè)生產(chǎn)空間為主,工礦生產(chǎn)空間面積最小。生產(chǎn)空間中農(nóng)業(yè)生產(chǎn)空間所占比例高達(dá)99%,面積約高達(dá)7 000 km2,工礦生產(chǎn)空間僅有小部分但增長幅度明顯,2000年—2010年間農(nóng)業(yè)生產(chǎn)空間下降了1.9%,193.11 km2,2010年—2020年間又稍有回升,上升了0.35%,35.59 km2。生態(tài)空間中主要以林地生態(tài)空間為主,但其分布不均,只集中在阿城區(qū)的東南部,并且呈逐漸減小之態(tài),2000年—2020年從1 274.79 km2減少至1 181.06 km2,一共縮減了93.73 km2,水域生態(tài)空間在研究時段內(nèi)不斷減小,變化幅度強(qiáng)烈,研究初期10年間面積減少168.18 km2,研究末期10年面積又持續(xù)減少了246.5 km2,草地生態(tài)空間呈先增長后下降的趨勢,其他生態(tài)空間不斷增長。生活空間中城鎮(zhèn)生活空間不斷擴(kuò)張,2000年—2010年擴(kuò)張面積最為顯著,增加達(dá)79.6 km2,農(nóng)村生活空間先減小19.38 km2,后增加37.85 km2。

表3 哈爾濱市轄區(qū)一級“三生空間”類型面積與占比

3.1.2 動態(tài)度變化特征

根據(jù)土地利用動態(tài)度模型分析哈爾濱市轄區(qū)“三生空間”數(shù)量結(jié)構(gòu)變化,用單一動態(tài)度反映各空間類型變化活躍程度,綜合動態(tài)度可以反映區(qū)域內(nèi)部各類空間局部和整體變化強(qiáng)度。從一級“三生空間”動態(tài)度(如表4所示)來看,2000年—2010年間生產(chǎn)空間單一動態(tài)度為-0.2%,面積減少最大,總共減少140.97 km2,生態(tài)空間和生活空間有所增長,其中生活空間變化劇烈,擴(kuò)張速度快,單一動態(tài)度達(dá)0.82%;2010年—2020年間生態(tài)空間大幅度減少,單一動態(tài)度為-0.37,生活空間依舊持續(xù)擴(kuò)張,擴(kuò)張速度相比較前10年較有緩和,單一動態(tài)度為0.65%,生產(chǎn)空間后10年面積變化不明顯,單一動態(tài)度為0.05%?？v觀整研究期的“三生空間”動態(tài)度,2000年—2020年綜合動態(tài)度中生產(chǎn)和生態(tài)空間變化相對穩(wěn)定,生活空間變化較劇烈;單一動態(tài)度中生產(chǎn)空間先減后增,生態(tài)空間先增后減,生活空間不斷增加的趨勢。

表4 哈爾濱市轄區(qū)一級“三生空間”動態(tài)度 %

從二級“三生空間”動態(tài)度(如表5所示)來看,2000年—2010年間單一動態(tài)度為負(fù)的有農(nóng)業(yè)生產(chǎn)空間、林地生態(tài)空間、草地生態(tài)空間和農(nóng)村生活空間,其中農(nóng)業(yè)生產(chǎn)空間面積減少最多,單一動態(tài)度達(dá)-0.27%,反映農(nóng)業(yè)生產(chǎn)空間被大量侵占,水域生態(tài)空間變化最為強(qiáng)烈,單一動態(tài)度為-2.53%,反映水域生態(tài)空間在這前10年間發(fā)生了激烈演變,林地生態(tài)空間和農(nóng)村生活空間的單一動態(tài)度為-0.58%和-0.38%,這反映了前10年生態(tài)環(huán)境在惡化,城鎮(zhèn)化進(jìn)程在加速。單一動態(tài)度為正的有草地生態(tài)空間、城鎮(zhèn)生活空間、工礦生產(chǎn)空間和其他生態(tài)空間,其中工礦生產(chǎn)空間單一動態(tài)度最高,達(dá)到65.99%,直接說明了2000年初哈爾濱市轄區(qū)的工業(yè)生產(chǎn)能力微不足道,到2010年時工業(yè)生產(chǎn)已經(jīng)得到高速發(fā)展。城鎮(zhèn)生活空間隨著經(jīng)濟(jì)發(fā)展持續(xù)擴(kuò)張,單一動態(tài)度為3.76%。2010年—2020年間單一動態(tài)度為負(fù)的有林地、草地、水域生態(tài)空間,單一動態(tài)度分別為-0.16%，-6.75%，-4.97%。其余單一動態(tài)度均為正且保持相對穩(wěn)定,其中值得注意的是其他生態(tài)空間大面積增加,單一動態(tài)度達(dá)19.74%,間接反映后10年間生態(tài)保護(hù)政策起到了關(guān)鍵性作用。觀察整個研究區(qū)的綜合動態(tài)度可以發(fā)現(xiàn),前期由于國家處于經(jīng)濟(jì)加緊追趕階段,工礦生產(chǎn)空間和城鎮(zhèn)生活空間的變化相對劇烈,后期國家提出諸多生態(tài)保護(hù)政策使工業(yè)生產(chǎn)和城市化速度得以控制,生態(tài)用地有所增加。

表5 哈爾濱市轄區(qū)二級“三生空間”動態(tài)度 %

3.1.3 “三生空間”結(jié)構(gòu)轉(zhuǎn)型特征

本文利用ArcGIS的疊加分析功能得到哈爾濱市轄區(qū)2000年—2020年兩個時段的“三生空間”轉(zhuǎn)移矩陣(見表6，表7),以此來明確反映各空間類型之間的轉(zhuǎn)移關(guān)系和轉(zhuǎn)移數(shù)量。縱觀整個研究期,2000年—2010年間以生產(chǎn)空間轉(zhuǎn)出為主,約占總轉(zhuǎn)出面積的55%,達(dá)547.32 km2,其中農(nóng)業(yè)生產(chǎn)空間轉(zhuǎn)變?yōu)檗r(nóng)村生活空間最為明顯,轉(zhuǎn)移面積有164.52 km2,轉(zhuǎn)變?yōu)槌擎?zhèn)生活空間相對較少,有58.56 km2,轉(zhuǎn)變?yōu)楣さV生產(chǎn)空間只有37.99 km2的極少部分。生態(tài)空間的轉(zhuǎn)出面積256.97 km2,占25.9%,其中草地、林地生態(tài)空間轉(zhuǎn)變?yōu)檗r(nóng)業(yè)生產(chǎn)空間較為明顯，分別是62.98 km2和79.03 km2。生活空間轉(zhuǎn)出面積最小。2010年—2020年間以生產(chǎn)空間轉(zhuǎn)入為主,轉(zhuǎn)入總面積約為50.06%,其中農(nóng)村生活空間轉(zhuǎn)入為農(nóng)業(yè)生產(chǎn)空間的面積最大,有154.64 km2,這是由于后10年 當(dāng)?shù)卣庾R到地處幅員遼闊的平原地復(fù)農(nóng)業(yè)生產(chǎn)的重要性,這不僅是糧食的保證更是對生態(tài)的恢復(fù)。也是基于生態(tài)保護(hù)的原則,2010年—2020年間工礦生產(chǎn)空間的轉(zhuǎn)入面積相較于10年前有相對減小,主要是從農(nóng)業(yè)生產(chǎn)空間準(zhǔn)入了19.42 km2。

表6 哈爾濱市轄區(qū)2000年—2010年“三生空間”轉(zhuǎn)移矩陣 km2

表7 哈爾濱市轄區(qū)2010年—2020年“三生空間”轉(zhuǎn)移矩陣 km2

3.2 空間變化特征分析

3.2.1 “三生空間”分布特征

根據(jù)上述“三生空間”分類體系,使用ArcGIS軟件對哈爾濱市轄區(qū)土地利用數(shù)據(jù)進(jìn)行分類,形成哈爾濱市轄區(qū)“三生空間”分布圖(見圖2)。從圖2中可以看出,哈爾濱市轄區(qū)2000年—2020年的“三生空間”整體變化并不突兀,大多在原有空間類型下進(jìn)行擴(kuò)張或縮小。全市轄區(qū)主要以生產(chǎn)空間為主,其中雙城區(qū)的生產(chǎn)空間面積最大,其次是呼蘭區(qū)、阿城區(qū);生態(tài)空間主要分布在松花江流經(jīng)區(qū)域和阿城區(qū)東南部;生活空間一部分集中分布在道里區(qū)、道外區(qū)、香坊區(qū)、平房區(qū)和南崗區(qū)彼此相鄰所形成的環(huán)形區(qū)域內(nèi),其余零星四散,形成“一星多點(diǎn)”的分布格局。值得注意的是阿城區(qū)三生空間分布極具特點(diǎn),由于阿城區(qū)地處張廣才嶺與松嫩平原的緩沖地帶,東部山區(qū)峰巒疊翠,西部平原坦蕩開闊,就此形成了東部生態(tài)空間與西部生產(chǎn)空間包圍中部生活空間的特點(diǎn)。

哈爾濱市轄區(qū)的城鎮(zhèn)生活空間集中分布于道里區(qū)、道外區(qū)、香坊區(qū)和南崗區(qū)與松花江毗鄰的區(qū)域以及平房區(qū)大部分區(qū)域,農(nóng)村生活空間四處分散于松北區(qū)、雙城區(qū)、呼蘭區(qū)和阿城區(qū)西部。由于本研究區(qū)域地勢平坦、水源充沛、氣候適宜、土壤肥沃,故農(nóng)業(yè)生產(chǎn)空間遍布全市轄區(qū)除城鎮(zhèn)生活空間以外的區(qū)域,工礦生產(chǎn)空間極少,其中有阿城區(qū)鋼鐵產(chǎn)業(yè)園區(qū)、紅星水庫等,松北區(qū)隨著經(jīng)濟(jì)發(fā)展產(chǎn)生了哈爾濱松北經(jīng)濟(jì)開發(fā)區(qū),平房區(qū)有哈飛公司機(jī)場、拉濱鐵路等重要的交通與航空運(yùn)輸用地。林地生態(tài)空間只在阿城區(qū)東南部的松峰山鎮(zhèn)、平山鎮(zhèn)和金龍山鎮(zhèn)等分布,草地生態(tài)空間、水域生態(tài)空間和其他生態(tài)空間主要隨松花江流經(jīng)分布。

3.2.2 重心遷移特征

本文利用ArcGIS的空間統(tǒng)計(jì)分析計(jì)算哈爾濱市轄區(qū)的2000年—2020年的重心遷移軌跡,以此來分析各空間類型的重心轉(zhuǎn)移方向。由圖3可知,在研究區(qū)20年間,城鎮(zhèn)生活空間先從2000年南崗區(qū)的東北部逐漸向西南部遷移,到2010后從西南部向平房區(qū)和阿城區(qū)城鎮(zhèn)生活中心遷移,這是由于后期平房區(qū)和阿城區(qū)經(jīng)濟(jì)得到大力發(fā)展。工礦生產(chǎn)空間在2000年初主要集中在雙城區(qū),到2010年松北區(qū)、呼蘭區(qū)和平房區(qū)的工業(yè)用地持續(xù)狂漲,所以工礦生產(chǎn)重心大幅度遷移到這三個區(qū)域的中心。哈爾濱一直是我國重要的糧食生產(chǎn)基地,2000年—2020年農(nóng)業(yè)生產(chǎn)空間沒有明顯遷移,前后期變化的主要原因分別是受到城市化和生態(tài)恢復(fù)政策影響。林地生態(tài)空間集中分布于阿城區(qū),2000年—2010年間重心遷移變化比較大,主要受城鎮(zhèn)和農(nóng)村生活空間擴(kuò)張影響;草地的分布主要在松花江流經(jīng)區(qū)域,所以草地和水域的重心遷移方向相似。農(nóng)村生活空間的重心遷移方向與農(nóng)業(yè)生產(chǎn)空間相似。其他生態(tài)空間的重心變化主要受水域的影響,2000年—2020年雙城區(qū)和呼蘭區(qū)所含的松花江水域大部分變?yōu)槠渌鷳B(tài)空間。

4 結(jié)論

本文基于三生空間視角,結(jié)合本研究土地利用特點(diǎn)和前人研究成果建立了哈爾濱市轄區(qū)“三生空間”分類體系,并從時間和空間兩個維度分析哈爾濱市轄區(qū)“三生空間”的時空演變特征,得出主要結(jié)論如下:

1)從時序變化方面對比分析2000年—2020年各空間類型的面積和結(jié)構(gòu)變化:前10年城鎮(zhèn)生活空間擴(kuò)張、農(nóng)村生活空間縮小、工礦生產(chǎn)空間大幅度增加,說明這10年正是哈爾濱城市化進(jìn)程和工業(yè)大力發(fā)展的時期。后10年城鎮(zhèn)生活空間、工礦生產(chǎn)空間極小擴(kuò)大,農(nóng)村生活空間增加,說明政府出臺的生態(tài)保護(hù)政策得到有效實(shí)施,但同時也側(cè)面反映了哈爾濱經(jīng)濟(jì)狀況受到制約。

2)從空間轉(zhuǎn)型方面對比分析2000年—2020年各空間類型的轉(zhuǎn)移矩陣:前10年轉(zhuǎn)出以林地、草地、農(nóng)村生活用地向農(nóng)業(yè)生產(chǎn)用地最為明顯,同時大量農(nóng)業(yè)生產(chǎn)用地轉(zhuǎn)變?yōu)槠渌鷳B(tài)用地。后10年主要是農(nóng)業(yè)生產(chǎn)用地向城鎮(zhèn)、農(nóng)村生活、其他生態(tài)用地轉(zhuǎn)移,再由林地、草地、農(nóng)村生活用地轉(zhuǎn)入,同時其他生態(tài)空間有草地、水域用地的大量轉(zhuǎn)入。

3)從空間變化特征方面對比分析2000年—2020年各空間類型的分布和重心遷移:哈爾濱市轄區(qū)的國土空間分布格局具有區(qū)域規(guī)律性,發(fā)展歷程具有歷史性。全市轄區(qū)主要以生產(chǎn)空間為主,生態(tài)空間集中分布在阿城區(qū),生活空間中城鎮(zhèn)生活空間集中在主城區(qū),農(nóng)村生活空間四處分散全市轄區(qū)。研究期間,前10年的重心遷移變化最明顯,主要是工礦生產(chǎn)空間和其他生態(tài)空間的重心遷移距離最長。

綜上,以上研究工作以期為哈爾濱市“三生空間”用地結(jié)構(gòu)規(guī)劃以及土地資源可持續(xù)利用政策的制定提供參考依據(jù)。