縣級尺度“三生”用地動態(tài)變化及其空間集聚特征

王 考, 姚云峰, 包金蘭

(1.內(nèi)蒙古農(nóng)業(yè)大學(xué) 沙漠治理學(xué)院，內(nèi)蒙古 呼和浩特 010055; 2.內(nèi)蒙古師范大學(xué)地理科學(xué)學(xué)院，內(nèi)蒙古 呼和浩特 010022; 3.內(nèi)蒙古自治區(qū)土地調(diào)查規(guī)劃院， 內(nèi)蒙古 呼和浩特 010055)

土地利用作為集“人口—資源—環(huán)境—發(fā)展(PRED)”于一體的復(fù)合系統(tǒng)，是人地關(guān)系系統(tǒng)交互耦合的承載核心[1]。土地資源作為土地利用的重要載體，一方面作為重要的生產(chǎn)要素，為人類生存提供食物、淡水等生產(chǎn)原料和木材、能源等動力原料等；第二，作為人類活動的關(guān)鍵性資源，為人類提供居住、交通、存儲、休閑娛樂等生活功能；第三，因其具備的土壤、水文、氣候、植被、地形等生態(tài)環(huán)境特征，為人類生活提供重要的生態(tài)保護(hù)功能[2-3]。隨著人口、經(jīng)濟(jì)和社會的快速發(fā)展，土地利用方式、土地利用結(jié)構(gòu)和景觀格局發(fā)生變化，從而導(dǎo)致土地利用功能發(fā)生相應(yīng)變化與演替，由最初的生產(chǎn)、生活功能逐漸演替為生產(chǎn)、生活和生態(tài)為一體的“三生”功能。中國現(xiàn)行土地利用是農(nóng)用地、建設(shè)用地和未利用三大分類體系，此分類中充分關(guān)注土地的生產(chǎn)、生活功能，關(guān)注耕地保護(hù)與建設(shè)用地配置間的矛盾，但卻極少考慮生態(tài)功能極少[4-6]，因而忽視了土地利用中可能引起的生態(tài)失衡。近些年，中國土地利用政策也逐漸考慮土地利用的“三生”空間，《全國土地利用總體規(guī)劃綱要(2006—2020年)》提出“生態(tài)用地與生活、生產(chǎn)用地并行”，十八大報(bào)告提出“促進(jìn)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”。因此，為適應(yīng)土地管理空間的需要，構(gòu)建和研究生產(chǎn)、生活和生態(tài)功能為主導(dǎo)的土地利用功能區(qū)劃分類體系對實(shí)現(xiàn)土地資源的可持續(xù)利用具有重要意義。尤其生態(tài)環(huán)境比較脆弱的干旱半干旱地區(qū)，“三生”空間分布的研究為政府合理規(guī)劃空間、制定科學(xué)的土地政策提供參考。

為合理規(guī)劃用地空間，提升生態(tài)環(huán)境保護(hù)意識，中國學(xué)者已經(jīng)開始研究探索土地利用的多功能性內(nèi)涵與評價(jià)[7-12]和生態(tài)用地的內(nèi)涵及分類[6,13-16]，同時(shí)從概念上嘗試構(gòu)建全國尺度和縣級尺度的“三生”用地空間格局[17-20]。針對“三生”用地空間動態(tài)格局變化研究涉及甚少，本文擬以和林格爾縣為例，繼續(xù)探索縣域尺度的“三生”用地的空間格局，并利用GIS手段和土地利用/覆被變化(LUCC)空間動態(tài)分析方法，探析生態(tài)脆弱區(qū)經(jīng)過兩輪的土地利用規(guī)劃管理“三生”用地空間格局產(chǎn)生的變化，以期科學(xué)指導(dǎo)土地利用規(guī)劃與管理，有效協(xié)調(diào)各類用地關(guān)系。

1 研究區(qū)概況與數(shù)據(jù)處理

1.1 研究區(qū)概況

和林格爾縣位于內(nèi)蒙古自治區(qū)首府呼和浩特市東南，地處土默特平原向黃土高原和蠻汗山山脈的過渡地帶，地理坐標(biāo)為111°26′52″—112°18′11″E，39°58′11″—40°41′31″N；屬中溫帶半干旱大陸性季風(fēng)氣候，年平均氣溫5.6 ℃，年降水量平均417.57 mm，中、南部旱災(zāi)和風(fēng)沙危害較為嚴(yán)重，轄域土地總面積3 477.78 km2。據(jù)2015年統(tǒng)計(jì)年鑒顯示，全縣總?cè)丝?04 796人，農(nóng)村人口占70.91%。

研究區(qū)具有以下特點(diǎn)：①縣域經(jīng)濟(jì)發(fā)展較快，因“首府后花園”、“乳都核心區(qū)”、“云計(jì)算中心”而崛起，未來“呼和浩特新機(jī)場”、“內(nèi)蒙古和林格爾新區(qū)”的建設(shè)將帶來經(jīng)濟(jì)的更大發(fā)展。②地貌類型多樣，具有“五丘三山二分川”的地貌特點(diǎn)，山地分布于東南部，平原分布于北部，丘陵分布于中部和南部。③生態(tài)環(huán)境脆弱，水土流失、土壤風(fēng)蝕沙化和植被退化嚴(yán)重。地貌類型多樣、生態(tài)環(huán)境脆弱、城鎮(zhèn)發(fā)展快速，多種因素的累積影響著“三生”用地空間的變化，研究“三生”用地變化，對實(shí)現(xiàn)“促進(jìn)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”的空間規(guī)劃具有重要意義。

1.2 數(shù)據(jù)來源及處理

研究采用3期影像數(shù)據(jù)，其中1996，2006年采用Land-TM(30 m×30 m)，2015年采用變更調(diào)查SPORT-5數(shù)字正射影像(DOM)。數(shù)據(jù)的獲取主要是依據(jù)TM影像和DOM影像依據(jù)《土地利用現(xiàn)狀分類》(GB/T 21010-2007)的分類標(biāo)準(zhǔn)借助ENVI5.0軟件平臺，結(jié)合監(jiān)督分類和人工目視解譯獲取土地利用分類數(shù)據(jù)。其中1996和2006年兩期數(shù)據(jù)，分別依據(jù)當(dāng)年土地利用變更調(diào)查數(shù)據(jù)進(jìn)行校核和精度檢驗(yàn)；2015年土地利用數(shù)據(jù)是在2009年全國第二次土地調(diào)查結(jié)果的基礎(chǔ)上進(jìn)行補(bǔ)充調(diào)查解譯，與當(dāng)年土地利用現(xiàn)狀圖和野外測量數(shù)據(jù)進(jìn)行校驗(yàn)，校驗(yàn)的結(jié)果各期解譯數(shù)據(jù)Kappa系數(shù)分別為0.85，0.90，0.94，達(dá)到滿足允許判讀精度(≥0.(8)要求，其解譯結(jié)果符合本研究要求。

2 研究方法

2.1 土地利用“三生”分類方法

土地具有生產(chǎn)、生活和生態(tài)功能，同一用地類型在社會中承擔(dān)著多種多樣的功能。土地利用“三生”分類方法采用“先分區(qū)后分類”的方法[17]，功能區(qū)的分類依據(jù)“主體功能—次要功能”分類標(biāo)準(zhǔn)，首先考慮主體功能，其次考慮次要功能[18]，同時(shí)參考張紅旗、柳中元，高星等“三生”用地分類標(biāo)準(zhǔn)[17,19-21]，調(diào)查研究區(qū)各用地功能特征，依據(jù)土地利用現(xiàn)狀分類為基礎(chǔ)形成半干旱區(qū)“三生”用地三級分類和歸類依據(jù)(具體情況見表1)。

表1 研究區(qū)“三生”用地分類體系及依據(jù)

2.2 “三生”用地動態(tài)分析模型

“三生”用地空間動態(tài)變化分析其本質(zhì)是不同功能用地類型的空間動態(tài)變化，因此借助劉紀(jì)遠(yuǎn)等[22]、王秀蘭等[23]的土地利用動態(tài)度模型，劉盛和等[24]的土地利用動態(tài)變化空間分析模型20 a的空間變化過程以及強(qiáng)烈程度。

(1) 土地利用動態(tài)度模型。土地利用動態(tài)度反應(yīng)監(jiān)測時(shí)段內(nèi)地類的數(shù)量變化，可以有效比較土地利用變化的區(qū)域差異[22-23]，分為某種土地利用程度的單一動態(tài)度和土地利用綜合動態(tài)度。計(jì)算公式如下：

(1)

(2)

式中：K1,LC——研究時(shí)段內(nèi)某一土地利用類型動態(tài)度和土地利用綜合動態(tài)度； LA(i,t1)，LA(i,t2)——期初和期末土地利用類型的面積；S——研究區(qū)總面積；ΔLAi-j——i類型轉(zhuǎn)化為j類型的土地面積絕對值；T——研究時(shí)段長。

(2) 土地利用動態(tài)空間分析模型與空間變化率指數(shù)。土地利用動態(tài)空間分析模型能夠反映監(jiān)測區(qū)域土地利用變化的活躍程度，綜合考慮土地利用變化過程中新增和轉(zhuǎn)移過程，突出土地利用動態(tài)變化的空間過程和強(qiáng)烈程度的測算[24]。土地利用空間變化率指數(shù)各類型土地利用變化相對于研究區(qū)變化的激烈程度[25]。計(jì)算公式如下：

(3)

(4)

式中：CLLi——監(jiān)測期間空間變化率(%)； ULAi——監(jiān)測期間第i類未變化部分的面積(hm2)；Fi——第i類土地利用空間變化率指數(shù)。

3 結(jié)果與分析

3.1 “三生”用地空間分布特征

依據(jù)前述構(gòu)建的半干旱區(qū)“三生”用地分類體系，基于ARCMAP對三期土地利用分類進(jìn)行提取與融合，當(dāng)“三生”分類與土地利用現(xiàn)狀分類一致時(shí)，直接轉(zhuǎn)換；“三生”分類多個(gè)地類對應(yīng)土地利用現(xiàn)狀分類一個(gè)地類時(shí)，進(jìn)行補(bǔ)充調(diào)查后細(xì)分；“三生”分類中一個(gè)地類對應(yīng)土地利用現(xiàn)狀多個(gè)地類，即進(jìn)行地類合并，形成“三生”用地Ⅰ級分類和Ⅱ級分類。通過以上方法的提取，形成研究區(qū)1996,2006和2015年“三生”用地空間分布圖(附圖15)。

1996,2006和2015年3期“三生”用地空間分布圖(附圖15)研究發(fā)現(xiàn)：①空間結(jié)構(gòu)相同，均為生態(tài)用地>生產(chǎn)生態(tài)用地>生態(tài)生產(chǎn)用地>生活生產(chǎn)用地；②變化趨勢相同，但幅度不同。生態(tài)用地和生產(chǎn)生態(tài)用地呈遞減趨勢，生態(tài)生產(chǎn)用地和生活生產(chǎn)用地呈遞增趨勢；但1996—2006年變化幅度大于2006—2015年(圖1)；③20 a的土地利用過程，研究區(qū)逐步形成“三生”用地空間相對合理的調(diào)整，生產(chǎn)生態(tài)空間和生活生產(chǎn)空間主要分布在北部平原區(qū)和水系兩岸，黃土丘陵區(qū)和山區(qū)主要以生態(tài)用地和生態(tài)生產(chǎn)用地為主。

圖1 1996，2006，2015年研究區(qū)“三生”用地結(jié)構(gòu)

3.2 “三生”用地空間動態(tài)演變特征

3.2.1 “三生”用地?cái)?shù)量變化 各功能區(qū)增減幅度由單一動態(tài)度模型計(jì)算得出(見表2)，此處研究時(shí)段以年為單位，因此K值和LC值即為年均變化率。

表2 研究區(qū)1996-2015年“三生”用地動態(tài)度 %

注：K96-06為1996—2006年K值;K06-15為2006—2015年K值;K96-15為1996—2015年K值;LC96-06為1996—2006年LC值;LC06-15為1996—2006年LC值;LC96-15為1996—2006年LC值。

由表2可以看出，研究期間生活生產(chǎn)用地和生態(tài)生產(chǎn)用地為轉(zhuǎn)入狀態(tài)，生態(tài)用地和生產(chǎn)生態(tài)用地為轉(zhuǎn)出狀態(tài)；年均變化率最為明顯的是生產(chǎn)生活用地為5.90%，其次為生態(tài)生產(chǎn)用地為2.46%，且前期的年均變化明顯大于后期，充分說明研究區(qū)后期土地利用的年變化率較小，土地總體移轉(zhuǎn)速度較之前期降低。從“三生”用地Ⅱ級分類來看，研究期間呈轉(zhuǎn)入狀態(tài)為城鎮(zhèn)建設(shè)用地、農(nóng)村生活用地、工業(yè)生產(chǎn)用地、風(fēng)景名勝及特殊用地、牧草地、飲用與農(nóng)用水源用地以及生態(tài)容納用地，但轉(zhuǎn)入速度不同。其中轉(zhuǎn)入速度最快的Ⅱ級類是城鎮(zhèn)建設(shè)用地和風(fēng)景名勝及特殊用地，且均為前期遠(yuǎn)遠(yuǎn)大于后期，究其原因，1996—2006年期間由于城鎮(zhèn)建設(shè)和旅游經(jīng)濟(jì)的發(fā)展、盛樂經(jīng)濟(jì)園區(qū)的成立以及2000年撤鄉(xiāng)并鎮(zhèn)導(dǎo)致城鎮(zhèn)建設(shè)用地和風(fēng)景名勝用地大量增長；2006—2015年期間縣域經(jīng)濟(jì)持續(xù)快速發(fā)展和工業(yè)用地大量增加，城鎮(zhèn)建設(shè)用地的年均增長速度在2006—2015年低于工業(yè)用地，處于第2位，而風(fēng)景名勝及特殊用地的轉(zhuǎn)入率進(jìn)入低潮期，僅為0.21%。農(nóng)村生活用地和工業(yè)生產(chǎn)用地前后2個(gè)研究期轉(zhuǎn)入速度相差較小，但農(nóng)村生活用地前期高于后期，工業(yè)生產(chǎn)用地后期高于前期，充分說明近年來研究區(qū)工業(yè)經(jīng)濟(jì)的發(fā)展速度大幅提升。牧草地、飲用與農(nóng)用水源用地以及生態(tài)容納用地類型轉(zhuǎn)入均是前期高于后期。研究期間呈轉(zhuǎn)出狀態(tài)的有生態(tài)功能用地、河流與湖泊用地、耕地、園地，其轉(zhuǎn)出速度均為前期大于后期。

3.2.2 “三生”用地空間結(jié)構(gòu)變化 “三生”用地空間性變化分析主要由2個(gè)指標(biāo)來反應(yīng)：一是空間分析模型；二是空間變化率指數(shù)。依據(jù)劉盛和等[24]的土地利用動態(tài)變化空間分析模型以及李燦等[25]的空間變化率指數(shù)測算研究區(qū)“三生”用地空間變化，其詳細(xì)情況見表3。

表3 研究區(qū)“三生”用地空間動態(tài)度和空間變化率 %

空間分析模型表示“三生”用地功能區(qū)及用地類型轉(zhuǎn)出和轉(zhuǎn)入的動態(tài)變化，反映出功能區(qū)和用地類型的穩(wěn)定程度。從Ⅰ級分類來看，生活生產(chǎn)用地空間變化最活躍，空間動態(tài)度達(dá)12.06%，其他用地區(qū)空間相對較為穩(wěn)定，空間動態(tài)度均保持在3%以下；對比前后2個(gè)時(shí)期，前期的區(qū)域總體空間動態(tài)度為2.33%，后期僅為0.22%，說明研究區(qū)后期“三生”用地的利用較前期穩(wěn)定。從Ⅱ級分類來看，1996—2006年期間，風(fēng)景名勝及特殊用地、城鎮(zhèn)建設(shè)用地、工業(yè)生產(chǎn)用地、農(nóng)村生活用地、生態(tài)容納用地空間變化較為活躍，空間動態(tài)均在13%以上，其中風(fēng)景名勝及特殊用地、城鎮(zhèn)建設(shè)用地最高；生態(tài)功能用地、牧草地和耕地空間動態(tài)度較小，相對其用地類型較為穩(wěn)定。2006—2015年期間，空間變化活躍有城鎮(zhèn)建設(shè)用地、工業(yè)生產(chǎn)用地、農(nóng)村生活用地；其次，是生態(tài)容納用地和耕地；穩(wěn)定性最好是園地，空間動態(tài)度僅為0.03%。

空間變化率指數(shù)反映的是“三生”用地相對研究區(qū)的空間變化激烈程度。從Ⅰ級分類來看，生態(tài)用地空間變化最為激烈，空間變化率為1.02%；其次為生產(chǎn)生態(tài)用地和生態(tài)生產(chǎn)用地；生活生產(chǎn)用地最低，說明生產(chǎn)生活用地對于整個(gè)研究變化不激烈。但4類“三生”用地在不同研究時(shí)段空間變化率指數(shù)大小有所不同，且后期空間變化率均小于前期，1996—2006年期間：生態(tài)用地>生產(chǎn)生態(tài)用地>生態(tài)生產(chǎn)用地>生活生產(chǎn)用地，2006—2015年期間：生產(chǎn)生態(tài)用地>生活生產(chǎn)用地>生態(tài)用地>生態(tài)生產(chǎn)用地，研究表明后期生產(chǎn)生態(tài)用地和生活生產(chǎn)用地空間變化較為激烈，尤其生產(chǎn)生活用地空間變化激烈程度增強(qiáng)，但生態(tài)用地變化趨勢減弱。Ⅱ級分類來看，城鎮(zhèn)建設(shè)用地、工業(yè)生產(chǎn)用地、風(fēng)景名勝及特殊用地、園地、飲用與農(nóng)用水源地、河流與湖泊用地前后期空間變化率相近，說明研究區(qū)近20 a其空間變化趨于穩(wěn)定；耕地、生態(tài)功能用地和牧草地空間變化率大，說明耕地、生態(tài)功能用地和牧草地相對研究區(qū)變化最為激烈。

3.3 “三生”用地空間變化集聚

研究區(qū)前后2個(gè)研究時(shí)期空間變化的集聚特征不同，前期“三生”用地空間變化呈全域性，后期“三生”用地空間變化呈局部性，且變化明顯的均為生態(tài)用地和生產(chǎn)生態(tài)用地。如圖2所示，1996—2006年期間，“三生”用地空間轉(zhuǎn)移主要集中在大紅城鄉(xiāng)、城關(guān)鎮(zhèn)和新店子鎮(zhèn)黃土丘陵區(qū)和山區(qū)的地貌類型區(qū)，其轉(zhuǎn)移的方向主要是生態(tài)用地轉(zhuǎn)為生態(tài)生產(chǎn)用地，和生產(chǎn)生態(tài)用地轉(zhuǎn)向生態(tài)用地，研究前期10 a間“三生”用地轉(zhuǎn)移主要受生態(tài)退耕政策、地方經(jīng)濟(jì)發(fā)展政策、撤鄉(xiāng)并鎮(zhèn)政策以及土地開發(fā)整理復(fù)墾政策的影響；2006—2015年期間，“三生”用地空間轉(zhuǎn)移主要集中在盛樂經(jīng)濟(jì)園區(qū)、巧什營鎮(zhèn)、盛樂鎮(zhèn)的土默特平原的地貌類型區(qū)，其轉(zhuǎn)移的方向生產(chǎn)生態(tài)用地轉(zhuǎn)為生活生產(chǎn)用地和生態(tài)用地轉(zhuǎn)為生產(chǎn)生活用地，結(jié)合前述研究內(nèi)容發(fā)現(xiàn)，研究后期“三生”用地空間的轉(zhuǎn)移主要是建設(shè)用地占用耕使得耕地減少和因未利用地整治而耕地增加。

20 a變化尺度表現(xiàn)為中心城區(qū)以及北部土默特平原區(qū)“三生”用地空間集聚明顯，表現(xiàn)為生活生產(chǎn)用地即建設(shè)用地顯著增加；南部丘陵區(qū)和山區(qū)空間集聚顯著，主要是生態(tài)退耕、生態(tài)用地顯著增加；逐步形成北部土默特平原區(qū)和水系兩岸以生產(chǎn)生態(tài)用地和生產(chǎn)生活用地為主的生產(chǎn)生活空間，中部、南部黃土丘陵區(qū)和山區(qū)以生態(tài)用地和生態(tài)生產(chǎn)用地為主的生態(tài)空間。

圖2 不同時(shí)期研究區(qū)“三生”用地空間變化

4 結(jié)論與討論

4.1 結(jié) 論

(1) 以土地多功能性為基點(diǎn)，根據(jù)區(qū)域自然條件、土地利用類型和功能特征差異，構(gòu)建半干旱區(qū)縣域“三生”用地分類體系，包括生態(tài)用地、生態(tài)生產(chǎn)用地、生產(chǎn)生態(tài)用地和生活生產(chǎn)用地4類，并建立與土地利用類型銜接的標(biāo)準(zhǔn)，為土地利用總體規(guī)劃有效協(xié)調(diào)生產(chǎn)、生活和生態(tài)功能區(qū)控制指標(biāo)提供依據(jù)。

(2) 研究區(qū)20 a“三生”用地空間變化分析顯示，后期變化程度均低于前期，說明后期土地資源可持續(xù)利用管理模式的成效，用地逐步走向高效集約節(jié)約利用，但研究區(qū)“三生”用地功能區(qū)的結(jié)構(gòu)變化仍存在一定問題。研究期間，生態(tài)用地減少數(shù)量突出，后期逐漸減緩；生產(chǎn)生活用地增加幅度明顯，其動態(tài)度達(dá)到5.9%，而且生產(chǎn)生活用地在空間分析模型上也表現(xiàn)最為強(qiáng)烈，達(dá)到12.06%，影響功能區(qū)變化的地類是城鎮(zhèn)建設(shè)用地、風(fēng)景名勝及特殊用地、工業(yè)生產(chǎn)用地；從整個(gè)空間變化情況分析，生產(chǎn)生態(tài)用地兩期變化均強(qiáng)烈，生產(chǎn)生活用地后期空間結(jié)構(gòu)變化增強(qiáng)，生態(tài)用地逐漸減弱，影響功能區(qū)變化主要地類有耕地、生態(tài)功能用地和牧草地。說明研究區(qū)經(jīng)濟(jì)發(fā)展對建設(shè)用地的需求在增加，生產(chǎn)生活用地功能區(qū)仍在擴(kuò)張，使得耕地和生態(tài)功能用地在減少，但速度減緩，說明區(qū)域生態(tài)環(huán)境建設(shè)得到重視。

(3) 研究區(qū)“三生”用地空間變化前期集中在大紅城鄉(xiāng)、城關(guān)鎮(zhèn)和新店子鎮(zhèn)黃土丘陵區(qū)和山區(qū)，后期盛樂經(jīng)濟(jì)園區(qū)、巧什營鎮(zhèn)、盛樂鎮(zhèn)的土默特平原的地貌類型區(qū)。20 a尺度的空間變化集聚逐步形成北部土默特平原區(qū)以生產(chǎn)生態(tài)用地和生產(chǎn)生活用地為主的生產(chǎn)生活空間，中部、南部黃土丘陵區(qū)和山區(qū)以生態(tài)用地和生態(tài)生產(chǎn)用地為主的生態(tài)空間；“三生”用地功能分區(qū)分化功能逐漸形成，為新一輪土地利用規(guī)劃中強(qiáng)調(diào)土地生態(tài)功能的理念奠定基礎(chǔ)，更有利于科學(xué)指導(dǎo)、管理和利用土地，協(xié)調(diào)各類用地之間的關(guān)系。

4.2 討 論

同一用地類型在社會生活中承擔(dān)多種功能，進(jìn)行“三生”用地融合空間落地時(shí)，定位土地利用空間功能是準(zhǔn)確劃分“三生”用地空間的基礎(chǔ)。本研究中，以中小尺度的土地利用現(xiàn)狀數(shù)據(jù)為基礎(chǔ)，對承擔(dān)多項(xiàng)功能的有林地、牧草地、耕地等用地類型，通過部門調(diào)查和實(shí)地調(diào)查按照單一功能確定其為生態(tài)用地、生態(tài)生產(chǎn)用地和生產(chǎn)生態(tài)用地，在類型內(nèi)部沒有再細(xì)分其功能區(qū)劃，需繼續(xù)研究細(xì)化各用地類型主次空間功能的分類依據(jù)，為土地利用規(guī)劃指標(biāo)管理提供更為嚴(yán)格的依據(jù)。

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