陳 曦，葉可陌，李 坤，金 陽

（1.浙江農林大學 風景園林與建筑學院，浙江 杭州 311300；2.浙江工業(yè)大學 設計與建筑學院，浙江 杭州 310012）

土地資源作為人類生存發(fā)展的基本要素和載體，根據功能可劃分為生產空間、生活空間和生態(tài)空間(“三生空間”）[1]。資源型城市與其他類型城市相比，受到城鎮(zhèn)化發(fā)展與資源開采的雙重壓力，生態(tài)空間被生活和生產空間擠壓的時段更長，“三生空間”沖突更為強烈[2]。并且，由于土地功能不斷變更，土地利用敏感度增加，景觀格局劇烈變化，面臨的生態(tài)安全問題也更為復雜與緊迫[3]。因此，科學提升資源型城市生態(tài)安全是促進土地可持續(xù)發(fā)展的關鍵。資源型城市邊緣區(qū)作為城市建設中最富變化的區(qū)域，不僅涉及城鄉(xiāng)之間的過渡，礦區(qū)與非礦區(qū)之間的矛盾也尤為突出[4]，需給予重點關注。生態(tài)系統(tǒng)服務價值(ESV）和景觀生態(tài)風險(ERI）作為評估區(qū)域生態(tài)環(huán)境的重要內容，與維護生態(tài)安全密切相關[5]?，F階段，多數學者將生態(tài)系統(tǒng)服務價值與景觀生態(tài)風險作為2 個獨立的科學問題，分別從格局、過程、功能等方面開展大量研究[6-7]。但是，近期研究發(fā)現，生態(tài)系統(tǒng)服務價值的時空異質性可以體現景觀格局與生態(tài)過程的最終結果，是修正景觀生態(tài)風險的最佳指示指標[8-9]。因此，將生態(tài)系統(tǒng)服務價值與景觀生態(tài)風險評價結合研究，有助于精確分析區(qū)域生態(tài)環(huán)境變化過程[10-11]，同時也可開展生態(tài)分區(qū)等相關研究[12-13]，為提升資源型城市邊緣區(qū)生態(tài)安全提供新的切入點。

本研究以典型的資源型城市大慶城市邊緣區(qū)為例，運用地學信息圖譜、時空立方體模型、空間自相關分析等方法研究1980—2020 年“三生空間”土地利用、景觀風險生態(tài)系統(tǒng)服務價值，深入探討資源型城市人類活動對土地利用變化的影響、“三生空間”耦合協(xié)調發(fā)展趨勢及未來發(fā)展路徑。

1 研究方法

1.1 研究區(qū)域

大慶市(45°23′～47°29′N，123°45′～125°47′E）地處黑龍江省西部，松嫩平原中部。東部與綏化市、哈爾濱市相接，南部與吉林省隔江(松花江）相望，西部、北部與齊齊哈爾市接壤。大慶市蘊含豐富的石油資源，大慶油田曾是中國最大的油田。本研究以大慶城市總體規(guī)劃(2011—2020 年）為依據，劃定城市邊緣區(qū)與油田生產區(qū)(簡稱礦區(qū)，圖1）。

圖1 研究區(qū)示意圖Figure 1 Location of the study area

1.2 數據來源及處理

1980、1990、2000、2010、2020 年大慶城市邊緣區(qū)土地利用現狀數據來源于地理監(jiān)測云平臺，空間分辨率為30 m。行政區(qū)劃數據源于國家基礎地理信息中心(http：//www.ngcc.cn/ngcc/）。糧食數據來自《中國農村統(tǒng)計年鑒 1981—2021 年》和黑龍江省2020 年國民經濟和社會發(fā)展統(tǒng)計公報。本研究根據研究區(qū)土地利用特點，參考關于“三生空間”的相關文獻[14-15]，將土地利用分類系統(tǒng)分為3 個一級土地利用空間與8 個二級土地利用空間(表1）。

表1 土地利用主導功能分類Table 1 Land use function classification

1.3 研究方法

1.3.1 評價單元劃分 為了將研究數據進行可視化表達，從空間上更直觀地分析研究區(qū)景觀生態(tài)風險與生態(tài)系統(tǒng)服務價值的變化情況，借鑒已有研究和結合研究區(qū)實際情況，利用ArcGIS 漁網工具，將研究區(qū)劃分成1 km×1 km 的單元網格(評價單元），共得到2 342 個評價單元。

1.3.2 土地利用轉移矩陣 以 1980、1990、2000、2010 和2020 年“三生空間”數據為基本地理單元，利用ArcGIS 構建 1980—1990、1990—2000、2000—2010、2010—2020 年2 位數編碼地學信息圖譜。計算公式如下：Nc=Na×10+Nb。其中，Na和Nb分別表示研究初期a年和末期b年土地“三生空間”二級類型圖譜單元編碼；Nc為土地轉移新生圖譜編碼。

1.3.3 景觀生態(tài)風險估算 景觀生態(tài)風險可以衡量生態(tài)系統(tǒng)受到的外界干擾強度和內部抵抗能力[16]。計算公式如下：

其中：ERIk為第k個評價單元土地利用景觀生態(tài)風險；Aki為第k個評價單元土地利用類型i的面積；Ak為第k個評價單元的總面積；Ri為土地利用類型i的景觀損失度指數；Ei為土地利用類型i的景觀干擾度指數；Ci、Si和Di分別為景觀破碎度指數、景觀分離度指數和景觀優(yōu)勢度指數；a1、b1、c1為各景觀指數權重，且三者相加為1，根據參考文獻[17-18]，將3 個指數分別賦值為0.502、0.301、0.197；Fi為景觀i類型的景觀脆弱度指數，根據參考文獻[19-21]以及結合研究區(qū)土地利用類型的變化情況，對8 個土地利用空間空間賦分(表1），并進行歸一化處理。

1.3.4 生態(tài)系統(tǒng)服務價值估算 生態(tài)系統(tǒng)服務功能是人們從生態(tài)系統(tǒng)獲取的效益，包含直接和間接的、有形和無形的效益[22]。計算公式為：。其中，ESV為研究區(qū)生態(tài)系統(tǒng)服務功能總價值(元）；ESVk為第k個評價單元生態(tài)系統(tǒng)服務功能價值(元）；Ai為評價單元內第i類土地利用類型面積(hm2）；n為土地利用類型數；VCi為單位面積土地利用類型i的生態(tài)系統(tǒng)服務價值(元·hm-2）。其中，生態(tài)系統(tǒng)服務價值以謝高地等[23]的中國陸地生態(tài)系統(tǒng)服務單位面積價值為基礎，輔以文獻[24-25]所提供的比例關系確定。在確定農業(yè)生活空間生態(tài)系統(tǒng)服務價值時，從《大慶統(tǒng)計年鑒》中獲取 1980、1990、2000、2010、2020 年糧食作物種植面積(hm2）及糧食作物總產值(元）數據，得出大慶市農田提供食物生產服務的單價平均值為1 079.49 元·hm-2。按照自然斷點法分類并采用相對指標[26]，從景觀生態(tài)風險與生態(tài)系統(tǒng)服務價值上劃分為低、較低、中、較高、高共5 類區(qū)域。

1.3.5 時空熱點分析 以時空立方體模型為基礎[27]，計算每個立方體條柱的Getis-Ord Gi*統(tǒng)計量，探測某特征在時空尺度的熱點或冷點，結合M-K 檢驗法對時空尺度的熱點分析結果進行趨勢檢驗，從而識別數據聚集程度的時空趨勢[28]。

1.3.6 空間自相關分析 空間自相關分析可以探索某屬性值是否具有空間集聚性和異質性[29]。運用GEODA 空間分析工具，通過局部空間自相關分析[30]確定未來“三生空間”的管控區(qū)域與發(fā)展方向。

2 結果與分析

2.1 “三生空間”數量變化及類型轉移

2.1.1 “三生空間”分布特征 研究區(qū)總面積為2 342 km2，其中礦區(qū)面積為639.52 km2，占研究面積的23.86%。根據1980—2010 年土地面積統(tǒng)計可知(表2），研究區(qū)生態(tài)空間面積較廣，各類型面積從大到小依次為草地、其他、水域、林地。生產空間次之，各類型面積從大到小依次為農業(yè)、工業(yè)。生活空間最少，各類型面積從大到小依次為鄉(xiāng)村、城市。根據礦區(qū)內外“三生空間”比例分布可知，農業(yè)生產空間、草地生態(tài)空間礦區(qū)內外分布較為均等；城市生活空間、水域生態(tài)空間、林地生態(tài)空間分布礦區(qū)外大于礦區(qū)內；鄉(xiāng)村生活空間、工業(yè)生產空間、其他生態(tài)空間分布礦區(qū)外小于礦區(qū)內。

表2 1980—2020 年研究區(qū)“三生空間”面積與分布比例統(tǒng)計Table 2 Statistics on the area and distribution ratio of the “production-living-ecological space” in the study area in 1980-2020

2.1.2 “三生空間”土地利用轉移 由表3 可知：1980—2020 年，生產空間與生態(tài)空間之間土地轉移最為活躍，面積為418.44 km2，生活與生態(tài)空間之間轉移次之，面積為88.11 km2，生產與生活之間轉移最少，面積為25.56 km2。其中，1980—1990 年，主要為礦外生態(tài)與生產空間之間相互轉移；1990—2000 年，主要為礦外生態(tài)空間轉移為生產空間；2000—2010 年，主要為礦區(qū)外生產與生態(tài)空間之間相互轉移，及礦區(qū)內生活空間轉移為生態(tài)空間；2010—2020 年，主要為礦外生產與生態(tài)空間相互轉移，及礦內生態(tài)空間轉移為生活空間。

表3 1980—2020 年研究區(qū)“三生空間”面積轉移與分布比例統(tǒng)計Table 3 Statistics on the area transfer and distribution ratio of the “production-living-ecological space” in the study area in 1980-2020

2.2 風險-價值時空分析

2.2.1 風險-價值總體變化趨勢 研究區(qū)總體景觀生態(tài)風險與生態(tài)系統(tǒng)服務價值指數呈波動上升態(tài)勢(圖2）。研究期初風險與價值指數較低，1980—1990 年變化幅度最大，呈現大幅增長趨勢。從“三生空間”角度分析可知，景觀生態(tài)風險指數：生活空間與生產空間呈上升趨勢，生態(tài)空間呈下降趨勢?！叭臻g”生態(tài)系統(tǒng)服務價值指數均呈上升趨勢。

圖2 1980—2020 年研究區(qū)景觀生態(tài)風險和生態(tài)系統(tǒng)服務價值變化趨勢Figure 2 Changing trend of landscape ecological risk and ecosystem service value in 1980-2020

2.2.2 風險和價值空間分布特征 研究區(qū)1980—2020 年景觀生態(tài)風險的分布格局圖(圖3）與生態(tài)系統(tǒng)服務價值分布格局圖(圖4）顯示：低風險區(qū)主要由生活與生態(tài)空間組成，較低風險區(qū)主要由生產與生態(tài)空間組成；高與較高風險區(qū)主要位于礦區(qū)內部，其中較高風險區(qū)主要由生產與生態(tài)空間組成，高風險區(qū)主要由生態(tài)空間組成。中價值區(qū)主要由礦區(qū)外生產用地組成，低與較低價值區(qū)主要由礦區(qū)內部生態(tài)空間與生產空間組成，高與較高價值區(qū)主要由礦區(qū)外部生態(tài)空間組成。

圖3 1980—2020 年研究區(qū)景觀生態(tài)風險分布示意圖Figure 3 Landscape ecological risk distribution map in 1980-2020

圖4 1980—2020 年研究區(qū)生態(tài)系統(tǒng)服務價值分布示意圖Figure 4 Ecosystem service value distribution map in 1980-2020

2.2.3 風險和價值時空熱點分析 研究區(qū)景觀生態(tài)風險與生態(tài)系統(tǒng)服務價值時空熱點分析圖(圖5）顯示：冷、熱點分別由連續(xù)、持續(xù)、加強、減弱、新增、分散共6 個部分組成。根據研究區(qū)景觀生態(tài)風險時空熱點分析可知：持續(xù)與連續(xù)冷點主要為水域生產空間、城市生活空間與礦區(qū)內部工業(yè)生產空間組成。新增冷點主要為礦區(qū)外部其他生態(tài)空間向農村生活空間轉移。分散冷點主要為生態(tài)用地與生產用地的過渡區(qū)，減弱冷點為礦區(qū)外生態(tài)空間向生產空間轉移，加強冷點為礦區(qū)外生產空間向生活空間轉移。持續(xù)與連續(xù)熱點主要為其他生態(tài)空間中的鹽堿地組成，新增熱點為礦區(qū)外生態(tài)用地向生產用地轉移，分散熱點為生態(tài)用地與生產用地的過渡區(qū)，減弱熱點為礦區(qū)外草地生態(tài)空間內部轉移。

圖5 景觀生態(tài)風險和生態(tài)系統(tǒng)服務價值時空熱點聚類示意圖Figure 5 Spatial and temporal hotspot analysis of landscape ecological risk and ecosystem service

根據生態(tài)系統(tǒng)服務價值時空熱點分析可知：持續(xù)與連續(xù)熱點主要為生態(tài)空間，由高覆蓋度草地與水域組成。新增與加強的熱點主要為礦區(qū)外部生態(tài)空間內部轉移，體現為草地生態(tài)空間向水域生態(tài)空間轉移。分散熱點主要為生態(tài)用地與生產用地的過渡區(qū)，減弱熱點為礦區(qū)外生態(tài)空間向生產空間轉移。持續(xù)與連續(xù)冷點主要由其他生態(tài)用地中的鹽堿地組成，新增冷點為礦區(qū)內生態(tài)用地向生產用地的轉移，分散冷點為生態(tài)用地與生產用地的過渡區(qū)，加強冷點為礦區(qū)內生態(tài)空間內部轉移體現為草地生態(tài)空間向其他生態(tài)空間轉移。

2.2.4 風險和價值關聯分析 利用局部空間自相關分析，將研究區(qū)空間關系分為高風險-高價值區(qū)、低風險-低價值區(qū)、低風險-高價值區(qū)、高風險-低價值區(qū)和不顯著區(qū)共5 種(圖6），結果顯示：低風險-高價值區(qū)域主要由礦區(qū)外水域生態(tài)空間組成，是未來生態(tài)保護的重點區(qū)域。高風險-低價值區(qū)域主要由礦區(qū)內其他生態(tài)空間(鹽堿地）組成，是未來生態(tài)修復的重點區(qū)域。這2 類空間是維護區(qū)域生態(tài)安全穩(wěn)定的核心區(qū)域，需要重點管控。研究區(qū)空間關系主要變化年限為1980—1990 年，其原因主要為礦區(qū)外草地生態(tài)空間向水域生態(tài)空間的轉移，以及礦區(qū)內部草地生態(tài)空間向其他生態(tài)空間的轉移。高風險-高價值區(qū)域與低風險-低價值區(qū)域主要為“三生空間”過渡區(qū)域，其中高風險-高價值區(qū)域主要位于礦區(qū)外，是水域生態(tài)空間與農業(yè)生產空間的過渡區(qū)域，低風險-低價值區(qū)域主要由礦區(qū)內部生產與生態(tài)過渡區(qū)域組成，這2 類空間雖然占比較少，變化較為穩(wěn)定，但是是影響區(qū)域未來生態(tài)安全的主要風險源。因此，未來應將生產空間作為主要風險源進行科學防范。

圖6 1980—2020 年景觀生態(tài)風險與生態(tài)系統(tǒng)價值關系聚類示意圖Figure 6 Cluster map of the relationship between landscape ecological risk and ecosystem value in 1980-2020

3 討論

3.1 人類擾動因子對“三生空間”土地利用的影響

資源型城市“三生空間”土地利用變化的影響機制與人類活動關系密切，通過探討人類擾動因子對“三生空間”土地利用的影響，有助于未來土地利用的決策制定。

研究區(qū)生產空間變化主要受到產業(yè)產值的影響。生活空間變化主要與人口因素相關，由于城市邊緣區(qū)經濟發(fā)展較為落后，與中心城區(qū)距離較近，使得農村人口多去城市務工，邊緣區(qū)農村人口數量流失明顯。生態(tài)空間變化主要與油田開采相關，油田開采破壞地表植被使得土地裸露，并且開采過程中消耗大量地下水資源，引起地表沉降形成多個湖泊的同時也加重土地鹽堿程度。這與其他資源型城市研究結果相似[31]。相比之下，非資源型城市的生產空間變化主要受到經濟發(fā)展水平的影響，生活空間變化主要與城市規(guī)劃和管理相關，生態(tài)空間變化則主要與環(huán)境保護政策相關[32]。

3.2 “三生空間”耦合特征

景觀生態(tài)風險與生態(tài)系統(tǒng)服務價值的耦合性能夠間接反映出區(qū)域生態(tài)系統(tǒng)中“三生空間”的協(xié)調性，探討生態(tài)、生產、生活空間之間的耦合協(xié)調關系對于維護資源型城市邊緣區(qū)生態(tài)安全具有重要意義。

資源型城市受到資源不可再生性影響，一般要經歷興起期、成長期、繁榮期、衰退期(再生期） 4 個階段。與非資源型城市相比，其“三生空間”耦合協(xié)調性不僅受到城市規(guī)劃建設的影響[33]，也受資源發(fā)展周期影響[34]。1980—2020 年間，研究區(qū)“三生空間”呈由失調向協(xié)調轉變的趨勢，礦區(qū)內“三生空間”耦合協(xié)調程度低于礦區(qū)外，這與其他資源型城市研究結果[35]相似。2000 年前，大慶市處于興起期與成長期，這一時段大慶市進行大規(guī)模的城市建設與油田開采活動，使得“三生空間”呈現“高耦合、低協(xié)調”的極度失調特征。2000 年后，大慶市進入繁榮期與衰退期，這一時期城市建設逐漸穩(wěn)步，同時石油儲備降低、開采活動減弱，“三生空間”呈現協(xié)調發(fā)展特征。

3.3 區(qū)域生態(tài)安全格局構建

1980—2020 年，研究區(qū)景觀生態(tài)系統(tǒng)服務價值雖然有所改善，但景觀生態(tài)風險處于上升趨勢，說明生態(tài)安全仍面臨一定壓力。根據風險-價值的關系分析結果，結合大慶市國土空間總體規(guī)劃(2021—2035 年），從“三生空間”視域協(xié)調土地關系推動構建生態(tài)安全格局：①劃定城市生態(tài)修復區(qū)，將礦區(qū)內其他生態(tài)空間(鹽堿地）作為重點修復區(qū)域。要特別注重礦區(qū)內部生態(tài)環(huán)境保護，做到石油開采與環(huán)境建設兼顧，提高礦區(qū)生態(tài)環(huán)境質量。②保護城市水源地與濕地，將礦區(qū)外部水域生態(tài)空間作為核心保護區(qū)域，對于該區(qū)生態(tài)保護策略應側重原有景觀的維護，將其作為城市重要的生態(tài)斑塊進行管理，助力構建“一核一區(qū)一帶、多廊多點”的城市生態(tài)安全格局。③生產空間作為大慶城市邊緣區(qū)主要的風險源，禁止農業(yè)生產空間侵占生態(tài)空間，防止工業(yè)生產空間無序擴張，建立風險預警機制，強化生態(tài)安全格局屏障。

4 結論

本研究基于 1980、1990、2000、2010 和 2020 年的土地利用現狀分類圖，從“三生空間”的視域，以大慶市邊緣區(qū)為例，定量研究資源型城市景觀生態(tài)風險指數及生態(tài)系統(tǒng)服務價值時空變化特征，并利用空間回歸模型進一步分析兩者之間的關系，主要結論如下：①根據“三生空間”土地分布與轉移分析可知：研究區(qū)生態(tài)空間面積較廣，生產空間次之，生活空間最少。礦區(qū)外土地轉移活躍度大于礦區(qū)內，其中，生產空間與生態(tài)空間之間轉移最為活躍；②根據風險與價值的時空特征分析可知，1980—2020 年，研究區(qū)“三生空間”景觀生態(tài)風險與生態(tài)系統(tǒng)服務價值呈上升趨勢。根據時空熱點分析可知，景觀生態(tài)風險與生態(tài)系統(tǒng)服務價值的高低分布有明顯的區(qū)域性特點且較為穩(wěn)定。其中，礦區(qū)內風險高于礦區(qū)外，礦區(qū)內價值低于礦區(qū)外。③根據景觀生態(tài)風險與生態(tài)系統(tǒng)服務價值關聯分析可知：風險與價值之間存在顯著相關性。其中，低風險高價值區(qū)域主要由礦區(qū)外水域生態(tài)空間組成，高風險低價值區(qū)域主要由礦區(qū)內其他生態(tài)空間組成。

綜上所述，未來大慶城市邊緣區(qū)在生態(tài)環(huán)境建設過程中應以縮小礦區(qū)內外差異為首要任務，降低人為因素(特別是油田開采）對“三生空間”的擾動，加強各區(qū)政府與油田管理局之間的協(xié)作機制，共同統(tǒng)籌區(qū)域“三生空間”建設，重點保護礦區(qū)外水域生態(tài)空間，修復礦區(qū)內鹽堿地，并防止生產空間進一步擴張。