劉海元，韓俊揚，羅 雷

（天津師范大學 地理與環(huán)境科學學院，天津 300387）

0 引言

20世紀90年代以來，隨著中國城鎮(zhèn)化進程的加快，一些城市以“攤大餅”的形式進行擴張，占用了大量耕地、牧草地、水域和森林等，這些不合理的土地利用直接或間接地造成了植被破壞、水土流失、土地荒漠化和鹽堿化，進而影響到生態(tài)環(huán)境質(zhì)量[1]，因此土地利用類型變化對生態(tài)環(huán)境的影響已成為研究全球生態(tài)變化的重要途徑之一[2]。土地利用類型及其所主導功能的轉(zhuǎn)化是土地利用轉(zhuǎn)型最主要的特征，即土地利用中的“生產(chǎn)、生活、生態(tài)”（以下簡稱“三生”）三大主導功能的相互轉(zhuǎn)移[3]。在2012年黨的十八大中指出要將優(yōu)化國土空間開發(fā)格局作為生態(tài)文明建設的首要舉措，到2035年基本形成生產(chǎn)空間集約高效、生活空間宜居適度、生態(tài)空間山清水秀的可持續(xù)發(fā)展的國土空間格局[4]。準確把握土地利用轉(zhuǎn)型對生態(tài)環(huán)境質(zhì)量演化與空間分異的影響機制，是生態(tài)環(huán)境保護的關鍵問題，也是國土空間治理與優(yōu)化的基礎。因此，本文在“三生”空間的視角下，定量分析天津市土地利用轉(zhuǎn)型及其生態(tài)環(huán)境效應，為協(xié)調(diào)天津市國土空間規(guī)劃和生態(tài)環(huán)境保護提供借鑒。

國外沒有明確的“三生”空間的概念，直到20世紀90年代后期在可持續(xù)發(fā)展理念得到全球范圍認可后，土地功能的多樣性才逐漸深入生態(tài)環(huán)境、社會經(jīng)濟等研究領域，而后在生態(tài)系統(tǒng)評估領域衍生出了“景觀功能”這一理念[5-7]。目前，國內(nèi)研究土地利用轉(zhuǎn)型及其生態(tài)環(huán)境效應很少從“三生”空間的視角出發(fā)[8]。國內(nèi)對于土地的研究一方面大多集中在景觀格局變化或區(qū)域土地利用覆被變化引起的生態(tài)環(huán)境研究[9-10]，研究方法主要包括景觀格局指數(shù)、單一土地利用動態(tài)度模型、綜合土地利用動態(tài)度模型和轉(zhuǎn)移矩陣等；另一方面主要是針對某一用地類型的變化導致的生態(tài)環(huán)境的變化，如生態(tài)敏感區(qū)[11]、耕地[12]、林地和建設用地[13]等的動態(tài)變化引起的生態(tài)環(huán)境效應的變化及其驅(qū)動力因素。對生態(tài)環(huán)境效應的研究主要是通過生態(tài)系統(tǒng)服務價值和生態(tài)環(huán)境質(zhì)量指數(shù)的測算來具體分析[14-15]。從研究尺度上看，以省級、市級或流域研究居多，如重慶市[16]、雄安新區(qū)[17]、艾比湖流域[18]等。天津作為北方最大的港口城市，同時也是四大直轄市之一，其土地利用轉(zhuǎn)型引起的生態(tài)環(huán)境變化對于京津冀的環(huán)境保護與生態(tài)安全意義重大[19]。

綜上所述，本文以天津市為例，從“三生”空間的角度定量研究2000—2015年天津市土地利用轉(zhuǎn)型、時空變化特征以及生態(tài)環(huán)境變化的趨勢，揭示土地利用功能的轉(zhuǎn)型對生態(tài)環(huán)境的影響，以期為天津市乃至京津冀地區(qū)的生態(tài)文明建設和國土空間規(guī)劃提供決策依據(jù)。

1 研究區(qū)概況、數(shù)據(jù)來源與方法

1.1 研究區(qū)概況

天津市地處我國華北平原，是北方最大的港口城市，交通條件便利，地理區(qū)位優(yōu)勢明顯，以京津冀地區(qū)為發(fā)展腹地，在“一帶一路”建設中具有重要意義。天津市下轄16個區(qū)，規(guī)劃面積11 966.45平方千米，全市生產(chǎn)總值（GDP）從2000年的1 826.67億元上升到2019年的14 104.28億元，常住人口從2000年的1 001.14萬人上升到2019年的1 561.83萬人，城鎮(zhèn)人口從535.22萬人上升到1 303.82萬人，城鎮(zhèn)化率從53.46%增長到83.48%，這表明天津自21世紀初城鎮(zhèn)化進程明顯加快，用地結(jié)構(gòu)矛盾日益凸顯，“三生”空間格局變化日益加劇，進而深刻影響著天津市生態(tài)系統(tǒng)平衡。

1.2 數(shù)據(jù)來源及處理

天津市2000年、2005年、2010年、2015年土地利用數(shù)據(jù)來源于資源環(huán)境科學與數(shù)據(jù)中心（https://www.resdc.cn/Default.aspx），空間分辨率為30 m×30 m，該數(shù)據(jù)是基于Landsat影像，通過人工目視解譯生成。社會經(jīng)濟數(shù)據(jù)來自于《天津市統(tǒng)計年鑒》。土地利用類型包括耕地、林地、草地、水域、居民地和未利用土地6個一級類型以及25個二級類型。因同一用地類型可能兼具多重功能，所以從土地利用功能的視角進行土地利用分類具有難度[8]。但總有基于主體行為的用地意圖，其中，生產(chǎn)功能用地以經(jīng)濟特性為導向分為農(nóng)業(yè)和工礦生產(chǎn)用地兩類，生態(tài)功能用地以自然特性為導向分為草地、林地、水域以及其他生態(tài)用地四類，生活功能用地以社會特性為導向分為城鎮(zhèn)和農(nóng)村生活用地兩類[20]。因此，通過對土地利用數(shù)據(jù)的處理，形成生產(chǎn)用地、生活用地和生態(tài)用地3個一級土地利用類型和8個對應的二級土地利用類型?；谏鲜?個一級土地利用分類，參考相關文獻[21-22]，制定與之對應的二級地類的生態(tài)環(huán)境質(zhì)量指數(shù)值，通過面積加權法對“三生”空間各地類進行生態(tài)環(huán)境質(zhì)量賦值（表1）。

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

1.3 研究方法

1.3.1 土地利用功能轉(zhuǎn)型。在一定時間內(nèi)，區(qū)域土地利用類型之間相互轉(zhuǎn)換是反映區(qū)域土地利用時空變化的主要特征指標，也是研究區(qū)域土地利用功能轉(zhuǎn)型的重要方法[23]。其表達式為：

式中，Smn為m類型土地向n類型土地轉(zhuǎn)移的面積；m、n分別為研究初期與末期的土地利用類型。

1.3.2 生態(tài)環(huán)境質(zhì)量指數(shù)。不同的土地利用類型有著不同的生態(tài)環(huán)境質(zhì)量，綜合考慮區(qū)域內(nèi)“三生”空間具有的生態(tài)質(zhì)量及各用地類型面積比例，定量表征區(qū)域內(nèi)生態(tài)環(huán)境質(zhì)量狀況，其表達式為[3]：

式中，EVt為區(qū)域第t時期生態(tài)環(huán)境質(zhì)量指數(shù)；n為土地利用類型數(shù)目；Aki為第t時期用地類型i的面積；Ak為區(qū)域總面積；Ri為第i種用地類型的生態(tài)環(huán)境質(zhì)量指數(shù)。

1.3.3 土地利用功能轉(zhuǎn)型生態(tài)貢獻率。土地利用轉(zhuǎn)型生態(tài)貢獻率指某一種土地利用類型變化引起的某一區(qū)域的生態(tài)環(huán)境質(zhì)量的改變，該貢獻率定量分析了各種功能用地之間的相互轉(zhuǎn)換對區(qū)域生態(tài)環(huán)境產(chǎn)生的影響，其表達式為[21]：

式中，LEI為土地利用功能轉(zhuǎn)型的生態(tài)貢獻率；LEt表示某種土地利用變化類型所反映的變化初期生態(tài)環(huán)境質(zhì)量指數(shù)；LEt+1表示末期土地利用類型生態(tài)環(huán)境質(zhì)量指數(shù)；LA為該變化類型的面積；TA為區(qū)域總面積。

2 結(jié)果與分析

2.1 土地利用轉(zhuǎn)型特征分析

2.1.1 土地利用情況。總體來看，天津市2000—2015年生活用地面積持續(xù)增加，生態(tài)用地和生產(chǎn)用地面積持續(xù)減小。2000—2015年，生態(tài)用地從2 634.29平方千米減少到1 853.49平方千米；生產(chǎn)用地從7 419.29平方千米減少到7 387.23平方千米；生活用地從1 425.94平方千米增加到2 239.79平方千米（表2）。從三個一級用地類型來看，生產(chǎn)用地數(shù)量占比最多，約占整個研究區(qū)面積的64.46%。從二級用地類型來看，生產(chǎn)用地中農(nóng)業(yè)生產(chǎn)用地分布最多最廣，多分布在郊區(qū)；生態(tài)用地中水域生態(tài)用地分布最多最廣，其次是林地生態(tài)用地，主要分布在北部薊州區(qū)；生活用地中農(nóng)村生活用地最多，在整個研究區(qū)內(nèi)呈散點狀分布；其他生態(tài)用地占比較少，表明天津市可利用資源較少，開發(fā)利用程度高（表3）。

表2 “三生”空間用地面積及其變化（km2）

表3 二級地類用地面積及其變化（km2）

從各個研究時間段來看，2000—2005年，農(nóng)業(yè)生產(chǎn)用地和水域生態(tài)用地大幅減少，城鎮(zhèn)生活用地和工礦生產(chǎn)用地大幅增加；2005—2010年，水域生態(tài)用地、林地生態(tài)用地、牧草生態(tài)用地大幅度減少，城鎮(zhèn)生活用地、農(nóng)村生活用地、工礦生產(chǎn)用地持續(xù)增加，其中城鎮(zhèn)生活用地增幅最大，占增幅的47.94%，表明隨著城鎮(zhèn)化的迅速推進，天津市城鎮(zhèn)用地需求增多，土地供需矛盾日益增加；2010—2015年，農(nóng)業(yè)生產(chǎn)用地繼續(xù)減少，城鎮(zhèn)生活用地、農(nóng)村生活用地和工礦生產(chǎn)用地增幅相比較前兩個研究時段減少。

2.1.2 土地利用轉(zhuǎn)型特征。為了進一步研究“三生”空間用地類型的轉(zhuǎn)換，利用ArcGIS 10.5對研究區(qū)內(nèi)四個時期的土地利用數(shù)據(jù)進行相交分析，確定不同時期的土地利用類型的轉(zhuǎn)換方向和數(shù)量（表4、表5、表6）。各個研究時段轉(zhuǎn)型結(jié)果如下：

表4 2000—2005年天津市土地利用轉(zhuǎn)移矩陣（km2）

表5 2005—2010年天津市土地利用轉(zhuǎn)移矩陣（km2）

表6 2010—2015年天津市土地利用轉(zhuǎn)移矩陣（km2）

（1）2000—2005年，隨著國民經(jīng)濟的健康發(fā)展，進一步加大了城市建設力度。土地利用類型轉(zhuǎn)移表現(xiàn)為工礦生產(chǎn)用地主要轉(zhuǎn)移的功能地類是城鎮(zhèn)生活用地，轉(zhuǎn)移面積21.02平方千米；牧草生態(tài)用地主要轉(zhuǎn)向工礦生產(chǎn)用地，轉(zhuǎn)移面積為10.46平方千米；農(nóng)村生活用地主要轉(zhuǎn)向城鎮(zhèn)生活用地，轉(zhuǎn)移面積為23.24平方千米；農(nóng)業(yè)生產(chǎn)用地主要轉(zhuǎn)向城鎮(zhèn)生活用地、工礦生產(chǎn)用地和農(nóng)村生活用地，轉(zhuǎn)移的面積分別為130.37平方千米、97.29平方千米、68.61平方千米；水域生態(tài)用地主要轉(zhuǎn)向城鎮(zhèn)生活用地、工礦生產(chǎn)用地和農(nóng)業(yè)生產(chǎn)用地，轉(zhuǎn)移的面積分別為53.99平方千米、25.22平方千米、68.61平方千米；其他土地類型轉(zhuǎn)移變化不明顯。

（2）2005—2010年，隨著城鎮(zhèn)化水平的提高，人們對于生活用地的需求持續(xù)增加，加劇了用地供需矛盾，土地利用類型轉(zhuǎn)移變化劇烈。土地利用類型轉(zhuǎn)移的變化主要表現(xiàn)為城鎮(zhèn)生活用地主要轉(zhuǎn)向農(nóng)村生活用地和農(nóng)業(yè)生產(chǎn)用地，轉(zhuǎn)移面積分別為26.84平方千米、36.53平方千米；工礦生產(chǎn)用地主要轉(zhuǎn)向城鎮(zhèn)生活用地、農(nóng)村生活用地、農(nóng)業(yè)生產(chǎn)用地和水域生態(tài)用地，轉(zhuǎn)移的面積分別為65.50平方千米、71.49平方千米、99.57平方千米、28.60平方千米；林地生態(tài)用地主要轉(zhuǎn)向農(nóng)村生活用地和農(nóng)業(yè)生產(chǎn)用地，轉(zhuǎn)移的面積分別為13.57平方千米、75.18平方千米；牧草生態(tài)用地主要轉(zhuǎn)向城鎮(zhèn)生活用地、工礦生產(chǎn)用地、農(nóng)村生活用地、農(nóng)業(yè)生產(chǎn)用地和水域生態(tài)用地，轉(zhuǎn)移的面積分別為14.15平方千米、11.71平方千米、10.19平方 千 米、52.65平方千米、12.14平方千米；農(nóng)村生活用地主要轉(zhuǎn)向城鎮(zhèn)生活用地、工礦生產(chǎn)用地、農(nóng)業(yè)生產(chǎn)用地和水域生態(tài)用地，轉(zhuǎn)移面積分別為52.80平方千米、34.41平方千米、272.32平方千米、10.60平方千米；農(nóng)業(yè)生產(chǎn)用地主要轉(zhuǎn)向城鎮(zhèn)生活用地、工礦生產(chǎn)用地、農(nóng)村生活用地、水域生態(tài)用地，轉(zhuǎn)移的面積分別為175.59平方千米、109.01平方千米、329.36平方千米、152.10平方千米；水域生態(tài)用地主要轉(zhuǎn)向農(nóng)業(yè)生產(chǎn)用地和水域生態(tài)用地，轉(zhuǎn)移的面積分別為22.28平方千米、18.22平方千米；其他土地類型轉(zhuǎn)移變化不明顯。

（3）2010—2015年，在黨的十八大倡導生態(tài)文明建設的背景下，天津市積極響應出臺了一系列政策，如退耕還草還林、進行山水林田湖草生態(tài)修復等，這一時期的土地利用變化趨勢遠遠小于2000—2005年和2005—2010年兩個研究時段。土地利用類型轉(zhuǎn)移的變化表現(xiàn)為工礦生產(chǎn)用地主要轉(zhuǎn)向城鎮(zhèn)生活用地，轉(zhuǎn)移面積為5.05平方千米；農(nóng)村生活用地主要轉(zhuǎn)向城鎮(zhèn)生活用地和農(nóng)業(yè)生產(chǎn)用地，轉(zhuǎn)移的面積分別為3.47平方千米、9.07平方千米；農(nóng)業(yè)生產(chǎn)用地主要轉(zhuǎn)向城鎮(zhèn)生活用地、工礦生產(chǎn)用地和農(nóng)村生活用地，轉(zhuǎn)移的面積分別為49.06平方千米、86.74平方千米、65.23平方千米；水域生態(tài)用地主要轉(zhuǎn)向農(nóng)業(yè)生產(chǎn)用地，轉(zhuǎn)移的面積為5.85平方千米；其他土地類型轉(zhuǎn)移變化不明顯。

綜上所述，對比分析2000—2005年、2005—2010年和2010—2015年三個時期土地利用轉(zhuǎn)移矩陣可以看出，用地轉(zhuǎn)入最多的是城鎮(zhèn)生活用地、農(nóng)村生活用地和工礦生產(chǎn)用地。在2010—2015年轉(zhuǎn)入明顯減少，農(nóng)業(yè)生產(chǎn)用地開始逐漸向牧草生態(tài)用地、水域生態(tài)用地轉(zhuǎn)入。研究期間內(nèi)減少最多的牧草和水域生態(tài)用地數(shù)量也開始縮小，城鎮(zhèn)生活用地、農(nóng)村生活用地開始平穩(wěn)增加。這表明了國家出臺的以“生態(tài)文明建設”為主導的一系列政策、措施的實施有效緩解了部分用地矛盾，促進了“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?！?/p>

2.2 土地利用轉(zhuǎn)型的生態(tài)環(huán)境效應

2.2.1 生態(tài)環(huán)境質(zhì)量特征。根據(jù)公式（2）計算可得，天津市2000年、2005年、2010年、2015年生態(tài)環(huán)境質(zhì)量指數(shù)分別為0.340 3、0.329 6、0.316 0、0.314 1?？傮w來說，生態(tài)環(huán)境質(zhì)量整體變化幅度較小。2000—2015年天津市生態(tài)環(huán)境質(zhì)量指數(shù)維持穩(wěn)定，但呈現(xiàn)出一定的下降趨勢。從各研究時段來說，天津市生態(tài)環(huán)境質(zhì)量從2010年后出現(xiàn)轉(zhuǎn)折，2010—2015年生態(tài)環(huán)境質(zhì)量指數(shù)下降0.001 9明顯小于2000—2005年的0.010 7和2005—2010年的0.013 6，表明天津市生態(tài)環(huán)境質(zhì)量從2010年后開始逐漸得到改善。

2.2.2 各類型土地轉(zhuǎn)型對生態(tài)環(huán)境影響的貢獻度。根據(jù)天津市2000—2015年“三生”空間用地變化特征，將15年劃分為三個研究時段，分別為2000—2005年、2005—2010年、2010—2015年，依據(jù)公式（2）和（3），計算天津市各類型土地轉(zhuǎn)型對生態(tài)環(huán)境影響的貢獻率和占比情況（表7、表8），具體分析如下：

（1）2000—2005年，天津市生態(tài)環(huán)境質(zhì)量下降了0.010 7。通過表7可以看出，生態(tài)環(huán)境惡化的主要原因是農(nóng)業(yè)生產(chǎn)用地和水域生態(tài)用地向城鎮(zhèn)生活用地和工礦生產(chǎn)用地的轉(zhuǎn)換，貢獻占比約為98.22%；生態(tài)環(huán)境改善主要是工礦生產(chǎn)用地向農(nóng)業(yè)生產(chǎn)用地、水域生態(tài)用地和牧草生態(tài)用地向水域生態(tài)用地轉(zhuǎn)換導致，貢獻占比約為89.65%。

表7 2000—2005年天津市“三生”空間主要功能地類轉(zhuǎn)型及其貢獻率（km2）

（2）2005—2010年，天津市生態(tài)環(huán)境質(zhì)量下降了0.013 6，下降速度加快。通過表8可以看出各土地利用類型轉(zhuǎn)換數(shù)量開始增多，其中引起生態(tài)環(huán)境負效應的土地利用類型轉(zhuǎn)換增多，主要是各類生態(tài)、農(nóng)業(yè)生產(chǎn)用地向各類生活用地、工礦生產(chǎn)用地轉(zhuǎn)換，貢獻占比約為99.5%。表明這5年間，隨著經(jīng)濟、城鎮(zhèn)化水平的提高，人們對于生活用地的需求不斷增加，加劇了用地供需矛盾，2005—2010年的土地利用轉(zhuǎn)移和生態(tài)貢獻率幾乎保持一致。

表8 2005-2010年天津市“三生”空間主要功能地類轉(zhuǎn)型及其貢獻率（km2）

（3）2010—2015年，天津市生態(tài)環(huán)境質(zhì)量下降了0.001 9，下降速度相比較于前兩期減慢。通過表9可以看出，導致生態(tài)環(huán)境改善的用地類型轉(zhuǎn)換數(shù)量大于生態(tài)環(huán)境惡化的數(shù)量，生態(tài)貢獻率得到提高。這一時期，黨的十八大的順利召開，國家號召從源頭上扭轉(zhuǎn)生態(tài)環(huán)境惡化趨勢，大力推進國家生態(tài)文明建設，為人民創(chuàng)造生態(tài)宜居的生活環(huán)境，為全球的生態(tài)安全作出貢獻。

表9 2010—2015年天津市“三生”空間主要功能地類轉(zhuǎn)型及其貢獻率（km2）

從研究時段整體上看，農(nóng)業(yè)生產(chǎn)用地和水域生態(tài)用地大部分向城鎮(zhèn)生活用地和工礦生產(chǎn)用地的轉(zhuǎn)換導致了生態(tài)環(huán)境的惡化；生態(tài)環(huán)境改善是各類型生產(chǎn)、生活用地向生態(tài)用地轉(zhuǎn)換導致，也進一步證明了生態(tài)用地的增加直接影響著區(qū)域的生態(tài)環(huán)境質(zhì)量。

3 結(jié)論與討論

本文從“三生”空間的視角，通過土地利用轉(zhuǎn)移矩陣、計算生態(tài)環(huán)境質(zhì)量指數(shù)及土地轉(zhuǎn)型對生態(tài)環(huán)境影響的貢獻度，定量分析了天津市土地利用轉(zhuǎn)型變化及生態(tài)環(huán)境效應。主要分析結(jié)論如下：

（1）總體來看，天津市2000—2015年生活用地面積持續(xù)增加，生態(tài)用地和生產(chǎn)用地面積持續(xù)減少。其中農(nóng)業(yè)生產(chǎn)用地和水域生態(tài)用地大幅減少，城鎮(zhèn)生活用地、農(nóng)村生活用地和工礦生產(chǎn)用地增加。

（2）從“三生”空間土地利用轉(zhuǎn)移來看，用地流出最多的是各類生態(tài)用地，用地轉(zhuǎn)入最多的是城鎮(zhèn)生活用地、農(nóng)村生活用地和工礦生產(chǎn)用地，其他用地類型之間也有不同程度的轉(zhuǎn)移。其中在2010—2015年，生活和生產(chǎn)用地轉(zhuǎn)入明顯減少，開始逐漸向牧草生態(tài)用地、水域生態(tài)用地轉(zhuǎn)入。這與2012年國家出臺的一系列有關“推進生態(tài)文明建設”的政策有關。

（3）天津市2000—2015年同時存在生態(tài)環(huán)境惡化和改善兩個方面，總體上生態(tài)環(huán)境質(zhì)量呈逐漸下降趨勢，但生態(tài)環(huán)境惡化程度在減弱。在研究時段內(nèi)，農(nóng)業(yè)生產(chǎn)用地和水域生態(tài)用地向城鎮(zhèn)生活用地和工礦生產(chǎn)用地的轉(zhuǎn)換導致了生態(tài)環(huán)境惡化；各類型生產(chǎn)、生活用地向生態(tài)用地轉(zhuǎn)換提高了生態(tài)環(huán)境質(zhì)量。

土地利用功能轉(zhuǎn)型對生態(tài)環(huán)境效應的影響會隨著時間和空間的發(fā)展而變化，本文僅基于“三生”空間功能用地的數(shù)量變化以及空間演變特征進行了研究，并未深入定量研究引起土地利用轉(zhuǎn)型的驅(qū)動力。未來需進一步結(jié)合降水等自然因素和社會經(jīng)濟因素，深入研究各階段的土地利用轉(zhuǎn)型的驅(qū)動機制，以此揭示土地利用轉(zhuǎn)型的內(nèi)在問題，最終實現(xiàn)“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”的可持續(xù)發(fā)展的國土空間格局。