土地利用功能分類及空間結(jié)構(gòu)評價方法
——以燕溝流域為例

黨麗娟, 徐 勇, 高 雅

(1.中國科學(xué)院 地理科學(xué)與資源研究所, 北京 100101; 2.中國科學(xué)院大學(xué), 北京 100039)

土地利用功能分類及空間結(jié)構(gòu)評價方法
——以燕溝流域為例

黨麗娟1,2, 徐 勇1, 高 雅1,2

(1.中國科學(xué)院 地理科學(xué)與資源研究所, 北京 100101; 2.中國科學(xué)院大學(xué), 北京 100039)

優(yōu)化國土空間格局是新時期我國生態(tài)文明建設(shè)的重要內(nèi)容之一，科學(xué)劃分生活、生產(chǎn)和生態(tài)“三生”空間類型是優(yōu)化國土空間格局的重要基礎(chǔ)。通過對土地利用類型進行功能歸類，提出了包括生活、生產(chǎn)、生態(tài)以及生產(chǎn)—生態(tài)和生活—生態(tài)復(fù)合類型的5個一級類、20個二級類和61個三級類的土地利用功能類型劃分方案；構(gòu)建了由五形偏離度指標和結(jié)構(gòu)視圖表達的五形向量空間結(jié)構(gòu)評價方法，并在延安燕溝流域開展了實證應(yīng)用。研究結(jié)果表明，1988—2010年期間燕溝流域的五形偏離度從0.583減少到了0.567，呈現(xiàn)出微弱的下降趨勢；14個行政村的五形偏離度值保持在0.55～0.59，趨同性較強，集中程度普遍較高；從而揭示了五形向量空間結(jié)構(gòu)評價方法可以從定量和結(jié)構(gòu)圖示兩個方面有效刻畫研究地域的土地利用功能結(jié)構(gòu)變化及空間分異等特點的可行性。

土地利用功能; 空間結(jié)構(gòu); 評價方法; 五形偏離度; 燕溝流域

改革開放30多年來，我國取得了持續(xù)高速經(jīng)濟增長和大規(guī)模城市化的輝煌成就，但與此同時，在資源和生態(tài)環(huán)境方面也付出了沉重的代價[1-2]。面對資源約束趨緊、環(huán)境污染嚴重、生態(tài)系統(tǒng)退化的嚴峻形勢，黨的“十八大”報告明確提出了大力推進生態(tài)文明建設(shè)的國家戰(zhàn)略，并將優(yōu)化國土空間開發(fā)格局列為生態(tài)文明建設(shè)的首要任務(wù)，強調(diào)“要按照人口資源環(huán)境相均衡、經(jīng)濟社會生態(tài)效益相統(tǒng)一的原則，控制開發(fā)強度，調(diào)整空間結(jié)構(gòu)，促進生產(chǎn)空間集約高效、生活空間宜居適度、生態(tài)空間山清水秀，給自然留下更多修復(fù)空間，給農(nóng)業(yè)留下更多良田，給子孫后代留下天藍、地綠、水凈的美好家園[3]?！憋@然，科學(xué)界定“三生”空間(生產(chǎn)空間、生活空間和生態(tài)空間)的內(nèi)涵、劃分“三生”空間類型是進行空間結(jié)構(gòu)調(diào)整的基礎(chǔ)，也是目前迫切需要開展的研究工作。本文試通過對土地利用類型進行功能歸類，形成拓展的“三生”空間土地利用功能劃分方案，構(gòu)建基于土地利用功能分類方案的五形向量空間結(jié)構(gòu)評價方法，進而以延安燕溝流域為例開展實證應(yīng)用研究，希望能對推進我國生態(tài)文明建設(shè)和優(yōu)化國土空間開發(fā)格局提供一些基礎(chǔ)性依據(jù)。

1 土地利用功能類型劃分

土地利用是人類經(jīng)濟社會活動作用于資源和自然環(huán)境的綜合反映，土地利用變化體現(xiàn)了人類適應(yīng)、利用和改造自然的“人—地”相互作用進程[4-5]。20世紀80年代以來，隨著全球環(huán)境變化和可持續(xù)發(fā)展研究熱潮的興起，不同學(xué)科背景的學(xué)者在執(zhí)行跨學(xué)科合作項目的過程中逐漸認識到了土地利用和土地利用變化在研究人類活動與資源環(huán)境變化關(guān)系中的“界面”性特點和“統(tǒng)籌”作用[6-9]，以土地利用類型為基礎(chǔ)進行國土空間功能類型劃分的研究成果開始見諸于文獻和政府報告。從能檢索到的文獻看，早期關(guān)于土地利用功能分類的研究成果尚不多見。周寶同提出的土地功能分類方案將土地功能類型劃分為生態(tài)功能、社會功能、經(jīng)濟功能、生產(chǎn)功能和負向功能5個大類，存在功能界定不清和類型重疊等問題[10]。陳婧、史培軍提出的生態(tài)功能、生產(chǎn)功能和生活功能3大類劃分方案應(yīng)該說觸及到了土地利用功能分類的實質(zhì)問題，但未能將具有復(fù)合功能的類型單獨列出，在大類劃分方面尚顯粗糙[11]。2010年國務(wù)院出臺的《全國主體功能區(qū)規(guī)劃》報告(國發(fā)〔2010〕46號)在闡述優(yōu)化開發(fā)、重點開發(fā)、限制開發(fā)和禁止開發(fā)四類主體功能區(qū)時，提到了生態(tài)空間、農(nóng)業(yè)空間、城市空間和工礦建設(shè)空間等概念，但未做系統(tǒng)性的表述。本研究遵從“三生”空間劃分格局，試在陳婧、史培軍土地利用功能分類方案的基礎(chǔ)上，增加生產(chǎn)—生態(tài)和生活—生態(tài)2類，即將兼具生產(chǎn)和生態(tài)功能的耕地、園地、生產(chǎn)性林地、生產(chǎn)性草地、生產(chǎn)性水面歸類為生產(chǎn)—生態(tài)用地類，兼具生活和生態(tài)功能的公園與綠地、風(fēng)景名勝設(shè)施用地歸類為生活—生態(tài)用地類，形成包括生產(chǎn)、生產(chǎn)—生態(tài)、生活、生活—生態(tài)、生態(tài)的5類劃分方案(表1)。

表1 土地利用功能分類體系

2 土地利用功能結(jié)構(gòu)評價方法

土地利用功能結(jié)構(gòu)評價的目的旨在把握研究地域土地利用功能類型的總體格局。通常采用定性或定量方法對研究地域土地利用功能類型的組成、結(jié)構(gòu)比例以及空間分布特點進行靜態(tài)和動態(tài)評價。本研究試建立一種新的定量評價方法，即五形向量結(jié)構(gòu)法。圖1是一個正五形向量結(jié)構(gòu)圖。

圖1 正五形向量結(jié)構(gòu)圖

注：O——正五形的中點；OA——生態(tài)功能用地向量；OB——生產(chǎn)-生態(tài)功能用地向量；OC——生產(chǎn)功能用地向量；OD——生活功能用地向量；OE——生活—生態(tài)功能用地向量。

對于特定的研究地域，若將各類功能用地向量的值定義為各類功能用地面積占研究地域總面積的百分比，在正五形條件下(即認為在研究地域內(nèi)，5類功能用地的面積是相等的)，則存在：

Ec+EP+Pr+Li+LE=100，

且Ec=EP=Pr=Li=LE=20

式中：Ec——生態(tài)功能用地向量；EP——生產(chǎn)—生態(tài)功能用地向量值；Pr——生產(chǎn)功能用地向量值；Li——生活功能用地向量值；LE——生活—生態(tài)功能用地向量值。

事實上，現(xiàn)實中很難找到土地利用功能類型符合正五形向量結(jié)構(gòu)的地域，一般都會發(fā)生程度不同的偏離。現(xiàn)實五形向量結(jié)構(gòu)相對于正五形向量結(jié)構(gòu)發(fā)生的 “這種偏離”(即“正五形向量結(jié)構(gòu)偏離度”，簡稱“五形偏離度”)可以有效反映不同地域、或同一地域不同時間的土地利用功能類型結(jié)構(gòu)差異狀況?，F(xiàn)實五形向量結(jié)構(gòu)相對于正五形向量結(jié)構(gòu)的五形偏離度(Total Departure from Regular Pentagon, TDRP)可被定義為正五形外向量值之和與正五形向量值之和的比。

不失一般性，一定地域中心點重合的現(xiàn)實五形向量結(jié)構(gòu)與正五形向量結(jié)構(gòu)如圖2所示?，F(xiàn)實五形向量結(jié)構(gòu)存在：

Ecx+EPx+Prx+Lix+LEx=100

式中：Ecx——現(xiàn)實五形生態(tài)功能用地向量；EPx——現(xiàn)實五形生產(chǎn)—生態(tài)功能用地向量值；Prx——現(xiàn)實五形生產(chǎn)功能用地向量值；Lix——現(xiàn)實五形生活功能用地向量值；LEx——現(xiàn)實五形生活—生態(tài)功能用地向量值。

圖2所示的現(xiàn)實五形向量結(jié)構(gòu)與正五形向量結(jié)構(gòu)對比，存在：Ecx>Ec，EPxPr，Lix>Li和LEx

TDRP=[(Ecx-Ec)+(Prx-Pr)+(Lix-Li)]/[Ec+EP+Pr+Li+LE]

理論上，當(dāng)一個地域的五形向量結(jié)構(gòu)與正五形向量結(jié)構(gòu)重合時，即5類功能用地的向量值相等，其五形偏離度TDRP的值達到了最小，為零值；當(dāng)只有一種功能類型時，即其它4類功能用地向量值都為零，其五形偏離度TDRP的值達到了最大，最大值為0.8。也就是說，對于任何一個地域，存在：TDRP∈[0，0.8]。

圖2 現(xiàn)實五形向量結(jié)構(gòu)圖

注：O——現(xiàn)實五形和正五形的中點；OA′——現(xiàn)實五形生態(tài)功能用地向量；OB′——現(xiàn)實五形生產(chǎn)—生態(tài)功能用地向量；OC′——現(xiàn)實五形生產(chǎn)功能用地向量；OD′——現(xiàn)實五形生活功能用地向量；OE′——現(xiàn)實五形生活—生態(tài)功能用地向量。

五形向量結(jié)構(gòu)法的優(yōu)點主要體現(xiàn)在三個方面：一是將復(fù)雜的多維空間問題轉(zhuǎn)換成了二維平面問題，易于理解，便于掌握；二是所涉及到的參數(shù)、變量不僅數(shù)量少，且數(shù)據(jù)容易獲??；三是用圖形表達直觀性更強。

3 應(yīng)用實例

3.1 燕溝流域概況

燕溝流域位于36°28′00″—36°32′00″N，109°20′00″—109°35′00″E，溝口距延安市3 km，屬延河二級支流，主溝長8.6 km，呈東南—西北流向，流域面積約48 km2。流域東南高、西北低，海拔986～1 425 m。主溝比降為2.41‰，溝壑密度4.8 km/km2，地形坡度構(gòu)成以陡坡地為主，坡度大于25°占51.91%，15°～25°占28.75%，15°以下為19.34%，屬于典型的黃土丘陵溝壑區(qū)。從1997年開始，隨著世行貸款項目和國家科技攻關(guān)計劃項目的實施，燕溝流域通過坡地改建梯田，土地利用結(jié)構(gòu)發(fā)生了巨大的變化[12]，生態(tài)環(huán)境得到了顯著改善。據(jù)實測資料[13-14]，1998年燕溝河道常流水流量為0.0 025 m3/s，年徑流總量為37.83萬m3，其中洪水徑流量占79.3%，1998年溝口泥沙總量為133 950 t，流域輸沙模數(shù)為2 856 t/(km2·a)；2007年燕溝年徑流總量為5.134萬m3，產(chǎn)生泥沙總量為1 556.587 t，侵蝕模數(shù)為33.12 t/(km2·a)。流域有14個行政村和一個隸屬于柳林街道的溝口區(qū)。14個行政村2011年總?cè)丝? 459人，人口密度為72.1人/km2。農(nóng)村經(jīng)濟以種植業(yè)為主體，農(nóng)果并舉。2011年流域農(nóng)村經(jīng)濟總收入1 938.24萬元，其中種植業(yè)占71.25%，農(nóng)民人均收入為3 564元/人。

3.2 數(shù)據(jù)及來源

研究中涉到1988年、1997年和2010年3期土地利用圖。1988年土地利用圖根據(jù)該年度采樣帶SPOT衛(wèi)星影像圖判讀編制；1997年的土地利用圖根據(jù)航空照片結(jié)合實地調(diào)查編制而成，來源于中國科學(xué)院水利部水土保持研究所；2010年土地利用圖是在1997年的基礎(chǔ)上利用遙感影像(來源于Google earth，從海拔2 000 m高空采集，分辨率<2.5 m)更新獲得。土地利用類型包括耕地(川壩地、梯田、坡耕地)、園地(果園)、林地(人工喬木林地、灌木林地、天然次生林地)、草地(人工草地、荒溝坡草地)、水域和居民點共6個大類、11個亞類。行政村界圖來源于1∶1萬地形圖。

3.3 土地利用功能結(jié)構(gòu)評價

按照土地利用功能五大類劃分方法，燕溝流域的土地利用功能類型(表2)僅涉及到生態(tài)用地、生產(chǎn)—生態(tài)用地和生活用地3個大類，缺少生產(chǎn)用地和生活—生態(tài)用地2個大類。燕溝流域的生態(tài)用地包括林地(天然次生林地、人工喬木林地、灌木林地)、草地(荒溝坡草地)和水域等土地利用類型；生產(chǎn)—生態(tài)用地包括耕地(川壩地、梯田、坡耕地)、園地(果園)和人工草地等土地利用類型，流域內(nèi)無生產(chǎn)性林地，生產(chǎn)性水面因面積較小予以忽略；生活用地為城鎮(zhèn)用地和農(nóng)村居民點用地，無特殊用地和文體娛樂設(shè)施用地。根據(jù)前述從土地利用類型到土地利用功能類型的歸類方法，得到燕溝流域1988年、1997年和2010年的土地利用功能類型結(jié)構(gòu)如表3所示，相應(yīng)的五形向量結(jié)構(gòu)圖如圖3所示。表4反映的是2010年燕溝流域14個村土地利用功能類型構(gòu)成及五形偏離度情況，圖4為2010年燕溝流域14個村的生態(tài)用地、生產(chǎn)—生態(tài)用地和生活用地構(gòu)成情況。

表2 燕溝流域土地利用功能類型及構(gòu)成

表3 燕溝流域土地利用功能類型結(jié)構(gòu)變化

燕溝流域土地利用功能類型構(gòu)成以生態(tài)用地和生產(chǎn)—生態(tài)用地為主體，兩者合計所占比重一直保持在97%以上。1988—2010年期間，結(jié)構(gòu)變化的總體特點是：

(1) 生態(tài)用地先小幅下降、后快速上升。1988年生態(tài)用地面積為2 786.36 hm2，占流域面積的比重為59.1%，1997年面積為2 682.2 hm2，比重下降為56.18%，到2010年面積增加到了3 193.28 hm2，比重較1997年上升了10個百分點。(2) 生產(chǎn)—生態(tài)用地的變化與生態(tài)用地變化正好相反，先小幅上升，后快速下降。1988年生產(chǎn)—生態(tài)用地面積為1 847.42 hm2，占流域面積的比重為39.18%，1997年比重為42%，到2010年比重下降為30.11%，較1997年下降了近12個百分點。(3) 生活用地呈現(xiàn)為小幅持續(xù)增加。生活用地所占比重1988年為1.72%，1997年為1.83%，2010年上升到了3.3%。

(TDRP=0.583) (TDRP=0.582) (TDRP=0.567)

圖3 燕溝流域土地利用功能類型五形向量結(jié)構(gòu)及變化

圖4 2010年燕溝流域14個村的生態(tài)、生產(chǎn)-生態(tài)和生活用地構(gòu)成

從土地利用功能類型結(jié)構(gòu)的五形偏離度看，1988—2010年期間，燕溝流域的五形偏離度呈現(xiàn)為先慢后快的下降趨勢。1988年的TDRP值為0.583，1997年為0.582，到2010年下降為0.567。從各行政村的TDRP值看，各村土地利用功能類型結(jié)構(gòu)的趨同性較強，差異程度不顯著。2010年14個村的TDRP值基本都在0.55～0.59之間，最高者為吳棗園，TDRP值為0.591，最低者是趙莊，TDRP值為0.553?？傮w來說，燕溝流域TDRP的值均在0.55以上，表明土地利用功能結(jié)構(gòu)的集中程度較高。

4 結(jié) 論

科學(xué)劃分生活、生產(chǎn)和生態(tài)“三生”空間類型是新時期推進生態(tài)文明建設(shè)的基礎(chǔ)性工作，也是評判和優(yōu)化調(diào)整國土空間格局的重要依據(jù)。本文通過對土地利用類型進行功能歸類，提出了包括生活、生產(chǎn)、生態(tài)以及生產(chǎn)—生態(tài)和生活—生態(tài)復(fù)合類型的5個一級類、20個二級類和61個三級類的土地利用功能類型劃分方案?；?個一級類構(gòu)建的五形向量空間結(jié)構(gòu)評價方法可以從定量和結(jié)構(gòu)圖示兩個方面有效刻畫研究地域的土地利用功能結(jié)構(gòu)變化及空間分異特點。

實證應(yīng)用顯示，2010年燕溝流域土地利用功能類型構(gòu)成生態(tài)用地占66.59%、生產(chǎn)—生態(tài)用地占30.11%、生活用地占3.3%；14個行政村土地利用功能類型結(jié)構(gòu)的五形偏離度值基本都在0.55～0.59之間，趨同性較強，集中程度普遍較高，差異程度不顯著；1988—2010年期間燕溝流域的五形偏離度從0.583減少到了0.567，呈現(xiàn)出微弱的下降趨勢。

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AssessmentMethodofFunctionalLandUseClassificationandSpatialSystem-ACaseStudyofYangouWatershed

DANG Li-juan1,2, XU Yong1, GAO Ya1,2

(1.InstituteofGeographicSciencesandNaturalResourcesResearch,CAS,Beijing100101,China; 2.UniversityofChineseAcademyofSciences,CAS,Beijing100039,China)

The essential of ecological civilization construction is the optimization of spatial patterns of geographical space, of which the basis is scientific division into 3 classes: living land, industrial land and ecological land. By classifying the functional land use type, this paper presented a classification scheme including 5 first-class land use types of living land, industrial land, ecological land, eco-industrial land and eco-living land, and 20 second-class land use types, as well as 61 third-class land use types. The paper also established an assessment method of spatial system with index of total departure from regular pentagon (TDRP hereafter) expressing by two-dimensional image, systemically applied for Yangou watershed in Yan′an City. The result showed that the TDRP declined from 0.583 to 0.567 during the year of 1988 to 2010 in Yangou watershed; and the TDRP of all 14 villages in the range of between 0.55 and 0.59, meant highly concentration and not significant difference. The case study also indicates the above method is feasible in functional land use classification.

functional land use; spatial system; assessment method; total departure from regular pentagon; Yangou watershed

2013-11-16

：2013-12-15

國家自然科學(xué)基金項目“黃土高原半城鎮(zhèn)化農(nóng)民非農(nóng)生計可持續(xù)性及農(nóng)地流轉(zhuǎn)和生態(tài)效應(yīng)”(41171449);中國科學(xué)院重點部署項目(KZZD-EW-06-01)

黨麗娟(1988—),女,陜西神木人,博士研究生,主要研究方向為區(qū)域可持續(xù)發(fā)展。E-mail:danglijuan@gmail.com

徐勇(1964—),男,陜西榆林人,研究員,主要研究方向為區(qū)域可持續(xù)發(fā)展、土地利用與人地關(guān)系機理模擬。E-mail:xuy@igsnrr.ac.cn

F301.2

：A

：1005-3409(2014)05-0193-05