膠東半島三生空間的時空演變與沖突測度研究

王志煒，魏宇，李申，朱曉偉

山東省國土空間生態(tài)修復中心

國土空間是人類賴以生存和發(fā)展的家園，建設生產(chǎn)空間集約高效、生活空間宜居適度、生態(tài)空間山清水秀的國土空間開發(fā)保護新格局是新時代我國優(yōu)化國土空間布局，推進生態(tài)文明建設的首要舉措[1-2]。然而，區(qū)域土地資源的多功能性和利益群體目標取向不同所導致的對建設用地、農(nóng)業(yè)用地和生態(tài)用地的利用方式、分布、數(shù)量等方面的不一致與不和諧，造成了區(qū)域國土三生空間沖突[3-4]。受人口增長和城市化進程不斷加快的影響，有限的土地供給導致三生空間的空間結(jié)構(gòu)比例趨于失衡，空間沖突愈演愈烈[5-6]。因此，科學識別三生空間、探究其時空演變規(guī)律，并在此基礎上診斷三生空間沖突區(qū)域和強度，是因地制宜預防和破解三生空間沖突的基礎和前提[7-9]。當前，區(qū)域三生空間的識別主要有主導功能指標測算法[10]和用地類型歸并法[11]2種。前者具有地域針對性和評價體系綜合性的優(yōu)勢，但在多主體融合和多尺度集成表達上考慮不足；后者與土地利用現(xiàn)狀分類銜接，基于功能將各類型用地劃入不同空間尺度，提高三生空間劃定的可操作性與現(xiàn)實應用價值。然而，當前中國存在多種用地分類標準，區(qū)域三生空間分類需結(jié)合應用需求與多部門用地分類進行對接[2]。三生空間沖突測度多是借鑒土地利用沖突識別方法采用多準則分析，主要有3種方法：1）定性分析法，如參與式方法、邏輯框架法[12]等；2）綜合指數(shù)法，如壓力——狀態(tài)——響應模型[13]和綜合景觀指數(shù)法[14]等；3）采用“千層餅”式地圖因子疊加法，將圖斑或網(wǎng)格作為評價單元，并通過構(gòu)建判別矩陣進行排列組合以劃分沖突類型及診斷沖突強度，該方法因能準確定位土地利用沖突區(qū)而被廣泛用于沖突識別以及強度診斷[15-16]。

膠東半島位于山東省東部沿海的環(huán)渤海經(jīng)濟圈，是山東省發(fā)展水平最高、潛力最大、活力最強的區(qū)域[17]。隨著社會經(jīng)濟的高速發(fā)展，由于其生態(tài)空間被擠占、城市生活空間環(huán)境污染、生態(tài)環(huán)境承載力下降等，造成區(qū)域三生空間沖突矛盾日益突顯。因此，如何在快速城市化過程中解決三生空間沖突，實現(xiàn)三生空間協(xié)調(diào)發(fā)展成為膠東半島當前亟須解決的現(xiàn)實問題。鑒于此，筆者以土地利用為基礎數(shù)據(jù)，通過構(gòu)建三生空間分類體系和基于風險源——風險受體——風險效應生態(tài)空間沖突測度模型，在對膠東半島的三生空間時空演變規(guī)律分析的基礎上，識別三生空間沖突的區(qū)域和強度，以期為膠東半島構(gòu)建國土空間開發(fā)保護新格局提供科學依據(jù)和決策參考。

1 研究區(qū)域與數(shù)據(jù)來源

膠東半島包括青島、煙臺、威海3市25個縣（市、區(qū)），土地總面積為30 645.95 km2，占山東省的19%。地形以低山丘陵和侵蝕平原為主，低山丘陵廣泛分布于北部和東部，平原地區(qū)包括中部侵蝕平原、北部濱海沖積平原和膠萊河沖積平原，平原的大部分開墾程度高。屬溫帶季風氣候區(qū)，四季分明，年均氣溫為11～14 ℃，年均降水量為650～850 mm。膠東半島集中了山東省19.34%的人口，19.60%的耕地，31.50%的GDP，是山東省經(jīng)濟發(fā)展的領先地區(qū)和高端產(chǎn)業(yè)聚集區(qū)，也是山東半島藍色經(jīng)濟區(qū)的核心地帶。因膠東半島區(qū)域內(nèi)包含若干海上島嶼，如長島、劉公島、雞鳴島等，海上島嶼人類活動強度低，生境良好，故本研究僅考慮膠東半島陸域范圍。

本研究所使用的2000年、2005年、2010年和2015年比例尺為1∶10萬土地利用/覆被數(shù)據(jù)來自中國科學院資源環(huán)境科學與數(shù)據(jù)中心（http://www.resdc.cn/DOI），該系列土地利用類型采用中國科學院土地利用遙感監(jiān)測分類系統(tǒng)[18]，劃分為耕地、林地、草地、水域、建設用地和未利用地6個一級類，空間分辨率為30 m。對以上數(shù)據(jù)采用同期Landsat TM/ETM/OLI遙感影像進行目視修訂，然后利用ArcGIS軟件隨機選點的功能進行檢驗，得到的2000年、2005年、2010年和2015年解譯結(jié)果精度分別為92.14%、91.30%、93.20%和92.40%，符合數(shù)據(jù)應用精度要求。

2 研究方法

2.1 三生空間分類體系構(gòu)建

以中國科學院土地利用遙感監(jiān)測分類系統(tǒng)為基礎，充分對接城市用地分類體系，參考劉繼來等[19-20]的相關研究，通過歸并各用地類型，建立膠東半島三生空間分類體系（表1）。

表1 膠東半島三生空間分類體系Table 1 Ecological-production-living spaces classification system of Jiaodong Peninsula

2.2 三生空間沖突量化模型

綜合考慮研究范圍、數(shù)據(jù)類型、斑塊狀況等因素，選擇3 000 m×3 000 m空間網(wǎng)格作為評估單元，參考以往研究[14,21-22]，依據(jù)風險源——風險受體——風險效應的生態(tài)風險評價概念模型構(gòu)建評價指標，三生空間沖突強度（land use conflict strength，LUCS）可以表征為：

式中： A WMPFD為 外部壓力；Ei為第i類空間的脆弱性；S為穩(wěn)定性。

選用景觀指數(shù)中的面積加權(quán)平均分維數(shù)來反映斑塊的復雜性，面積加權(quán)平均分維數(shù)越大，表明景觀斑塊邊界越復雜，受鄰域干擾的機會越大，可反映土地資源面臨的風險源。其計算公式如下：

式中：Pij為斑塊周長；aij為斑塊面積；A為空間單元總面積；m為研究區(qū)總的空間評價單元數(shù)；n為三生空間類型總數(shù)。

脆弱性反映了風險受體的暴露情況。不同空間的脆弱性存在差異，基于三生空間面積轉(zhuǎn)移矩陣，確定生態(tài)空間、生活空間、生產(chǎn)空間的脆弱度指數(shù)分別為1、2、3。其計算公式如下：

式中：Fi為第i類空間的脆弱度賦值；ai為第i類空間的面積。

穩(wěn)定性選用景觀指數(shù)中的斑塊密度來表示。斑塊密度越大，表明區(qū)域內(nèi)部的景觀破碎程度越大，生物多樣性和協(xié)調(diào)性則越低，土地資源受到生態(tài)風險的可能性越高。因此，斑塊密度可以從負面反映區(qū)域景觀的穩(wěn)定性，以此表征風險效應[23-26]。其計算公式如下：

式中：PD為斑塊密度；ni為第i類空間的斑塊數(shù)目。

三生空間沖突作用強度會隨著時間的推進而不斷變化，借鑒沖突的倒“U”形曲線模型，根據(jù)研究區(qū)空間沖突指數(shù)的累積頻率曲線分布特征確定統(tǒng)一劃分標準，將空間沖突指數(shù)劃分為穩(wěn)定可控沖突、基本可控沖突、基本失控沖突、嚴重失控沖突，沖突指數(shù)分別為 0～0.45、0.45～0.75、0.75～0.85、0.85～1。

3 結(jié)果與分析

3.1 三生空間結(jié)構(gòu)演變

根據(jù)膠東半島三生空間分類體系（表1）對2000年、2005年、2010年、2015年4期土地利用進行分類，得到膠東半島三生空間分布格局（圖1）。從圖1可以看出，生產(chǎn)空間分布最廣，主要分布在青島市北部；生態(tài)空間主要分布在煙臺市的東南部；生活空間在主城區(qū)聚集度高。這主要是由于膠東半島落實“十一五”規(guī)劃以及積極開展“十二五”規(guī)劃，迅速發(fā)展經(jīng)濟，各個城市的建設用地面積快速增長。

圖1 膠東半島三生空間的分布格局Fig.1 Spatial distribution pattern of the ecological-production-living spaces in Jiaodong Peninsula

統(tǒng)計了三生空間的面積變化情況，結(jié)果見圖2。從圖2可以看出，2000——2015年三生空間面積變化具有“一降一升一穩(wěn)定”的特點，生態(tài)空間面積下降，生活空間面積不斷增加，生產(chǎn)空間面積穩(wěn)定。

圖2 2000——2015年膠東半島三生空間面積變化Fig.2 Spatial area change of the ecological-production-living spaces in Jiaodong Peninsula from 2000 to 2015

為了凸顯各類空間之間的變化特征，運用單一動態(tài)度模型[16]，得到研究期內(nèi)三生空間的內(nèi)部單一空間的動態(tài)度（表2）。從表2可以看出，2000——2015年，各類空間的變化速度各不相同，呈不均衡的變動態(tài)勢，其中，受社會經(jīng)濟發(fā)展和人類活動密集等的影響，研究區(qū)交通運輸、居住承載等用地需求增加，致使生活空間變動最為劇烈。具體來看，2005——2010年，生活空間單一動態(tài)度高達6.24%，其次是生態(tài)空間，單一動態(tài)度達-3.51%，表明膠東半島2005——2010年城市化進程加快，生活空間急速擴張，生態(tài)空間破壞嚴重，經(jīng)濟和生態(tài)之間的矛盾加劇。2010——2015年膠東半島生態(tài)保護進程加快，從而導致生活空間動態(tài)度變化相對于2005——2010年大幅度減少，并且生態(tài)空間單一動態(tài)度降低至-0.08%，此時三生空間整體變化幅度低。

表2 2000——2015年膠東半島三生空間變化幅度及動態(tài)度Table 2 Spatial change range and dynamics of the ecologicalproduction-living spaces of Jiaodong Peninsula from 2000 to 2015

根據(jù)2000——2015年三生空間具體變化情況，得到三生空間轉(zhuǎn)移矩陣（表3）。從表3可以看出，各類空間轉(zhuǎn)移情況具有一定差異性和規(guī)律性。2000——2015年，膠東半島的生活空間主要由生產(chǎn)空間轉(zhuǎn)變而來，為159 382.08 hm2，生態(tài)空間轉(zhuǎn)為生活空間的面積為32 191.29 hm2，而生態(tài)空間大部分轉(zhuǎn)變成了生產(chǎn)空間，面積為193 756.50 hm2。綜上，2000——2015年，受人口增長和城市化加快的影響，生態(tài)空間主要轉(zhuǎn)為生產(chǎn)空間，而生產(chǎn)空間又大量轉(zhuǎn)為生活空間，最終導致了“一降一升一穩(wěn)定”的三生空間變化趨勢。

表3 2000——2015年膠東半島三生空間轉(zhuǎn)移矩陣Table 3 Transfer Matrix of the ecologicalproduction-living spaces of Jiaodong Peninsula from 2000 to 2015 hm2

3.2 空間沖突測算

3.2.1 三生空間沖突時空演變特征

利用空間沖突模型對膠東半島三生空間沖突進行測算，結(jié)果見表4。2000年、2005年、2010年、2015年的平均沖突水平分別為0.711 782、0.714 342、0.752 801、0.756 107，沖突水平隨著時間的推移而上升。其中可控沖突呈下降趨勢，失控沖突呈上升趨勢。三生空間之間相互交錯造成空間格局沖突、功能沖突、需求沖突以及社會沖突等一系列沖突問題，應引起足夠的重視。

表4 膠東半島三生空間沖突級別占比Table 4 Percentage of space units occupied by the level of conflict between the ecological-productionliving spaces of Jiaodong Peninsula %

為進一步分析沖突級別在空間格局上的變化特征，利用ArcGIS 10.2軟件對其進行可視化表達（圖3）。從圖3可以看出，膠東半島由于生態(tài)-經(jīng)濟的矛盾，變化較為明顯，生活空間內(nèi)部由于破碎度低、穩(wěn)定性高、脆弱度較低，以可控級別為主；生態(tài)空間中的自然保護區(qū)內(nèi)部由于人為干擾程度相對較小、破碎度低、穩(wěn)定性高且脆弱性低，空間沖突程度較輕，以穩(wěn)定可控級別為主；生產(chǎn)空間脆弱性高，人為干擾程度高，生產(chǎn)空間以基本失控為主；而生態(tài)空間與生產(chǎn)空間、生態(tài)空間與生活空間之間的交錯地帶由于斑塊破碎度高，生態(tài)系統(tǒng)極不穩(wěn)定，且生態(tài)空間向生活空間、生產(chǎn)空間轉(zhuǎn)換，脆弱度升高，受人類干擾程度大，空間復雜性高，嚴重失控級別均位于此地帶。在《山東半島城市群發(fā)展規(guī)劃》指導下，膠東半島積極發(fā)展經(jīng)濟，建設用地由零散到聚集，GDP和人均消費水平持續(xù)高漲，根據(jù)王超等[23]的研究，2005——2010年膠東半島的建設用地變化速率最大，為5.10%，主要來源于耕地，該階段城市化進程加快。2000——2005年、2005——2010年、2010——2015年生態(tài)空間轉(zhuǎn)為生產(chǎn)空間的面積分別為13 487.67、192 460.77和 5 488.74 hm2，2005——2010年是這3個時期中農(nóng)業(yè)生產(chǎn)空間侵占生態(tài)空間最多的，導致空間沖突急劇向失控級別偏移，2010——2015年“十二五”規(guī)劃中提出了綠色發(fā)展，建設資源節(jié)約型、環(huán)境友好型社會的指導思想，在此期間，生活空間內(nèi)部集約發(fā)展，生態(tài)空間減少速度明顯變慢，失控沖突擴大趨勢變緩，表明該區(qū)土地利用沖突可能逐步緩解。

圖3 膠東半島三生空間沖突分級Fig.3 Classification map of the ecological-production-living spaces conflict in Jiaodong Peninsula

利用ArcGIS 10.2軟件的分區(qū)統(tǒng)計工具，可以計算出膠東半島各市區(qū)三生空間沖突指數(shù)（圖4）。由圖4可以看出，2000——2015年大多數(shù)縣（市、區(qū)）沖突指數(shù)不斷增長，而隨著城市化進程的加快，建成區(qū)內(nèi)部集約發(fā)展，破碎度低，致使李滄區(qū)、市北區(qū)、市南區(qū)、芝罘區(qū)的沖突指數(shù)不斷縮小。膠州市、龍口市、萊陽市、榮成市、招遠市2015年的沖突指數(shù)分別為 0.800 327、0.808 972、0.812 029、0.825 317、0.827 388，均超過了0.8，且有進一步增長的趨勢，是膠東半島土地利用沖突優(yōu)化的關鍵所在。

圖4 膠東半島三生空間沖突指數(shù)Fig.4 Ecological-production-living spaces Conflict Index of Jiaodong Peninsula

3.2.2 三生空間沖突分異特征

對研究區(qū)3種空間類型分別進行空間沖突水平測算，結(jié)果見圖5。從圖5可以看出，膠東半島生產(chǎn)空間沖突水平最高，其次是生活、生態(tài)空間；不同空間類型空間沖突水平的構(gòu)成存在一定差異，但均以基本可控沖突為主，表明膠東半島三生空間仍處于協(xié)調(diào)發(fā)展格局階段。

圖5 2000——2015年膠東半島不同空間類型的空間沖突等級變化Fig.5 Changes in spatial conflict levels of different spatial types in Jiaodong Peninsula from 2000 to 2015

生產(chǎn)空間的變化幅度最大，主要表現(xiàn)為2000——2015年基本可控沖突單元占比大幅下降，由52.57%降至29.01%，且基本失控沖突單元、嚴重失控沖突單元占比大幅上升，分別由36.67%、9.94%增至46.66%、23.87%。尤其是2005——2010年，其增速是分別是前5年的4.29、9.80倍，說明基本可控的空間單元正在不斷轉(zhuǎn)變?yōu)榛臼Э亍乐厥Э氐目臻g單元，生產(chǎn)空間主要是以水田、旱地、其他建設用地為主，受人類活動影響較大，分形值高，在膠東半島城市化進程中生態(tài)空間被生產(chǎn)空間大量占用，致使其脆弱度升高，破碎化嚴重，所以其空間沖突水平也逐漸增高?；究煽貨_突變?yōu)榛臼Э?、嚴重失控的區(qū)域主要集中在生產(chǎn)空間和生態(tài)空間過渡帶內(nèi)，在大開發(fā)的背景下，沖突水平構(gòu)成的變化幅度較大，且失控沖突單元有進一步發(fā)展與激化的態(tài)勢，所以在基本可控轉(zhuǎn)為基本失控和嚴重失控之前對其進行調(diào)控，是沖突調(diào)控預防的重點所在。

生活空間受快速城市化過程影響較大，主要表現(xiàn)為基本失控單元、嚴重失控單元占比總體呈上升趨勢，分別由24.56%、5.70%增至28.13%、12.83%，而基本可控單元呈不斷下降趨勢，由58.84%下降至50.72%。穩(wěn)定可控單元總體呈上升趨勢的原因有兩點：1）隨著城市化進程的不斷加快，城市邊界無序擴張，生產(chǎn)空間被生活空間大量侵占，脆弱度降低；2）生活空間內(nèi)部斑塊較為集中，破碎度降低。因此，生活空間內(nèi)部的穩(wěn)定可控單元不斷增加。而生態(tài)空間中嚴重失控單元占比不斷增加的區(qū)域位于生活空間和生態(tài)空間的過渡帶，在這一區(qū)域，斑塊破碎化明顯，系統(tǒng)極不穩(wěn)定，且由于一部分生態(tài)空間被生活空間所侵占，脆弱度升高，導致嚴重沖突單元不斷升高。

生態(tài)空間的沖突水平變化幅度較小，以可控沖突為主。隨著時間推移，失控級別逐漸上升，可控級別逐漸下降，生態(tài)空間的沖突水平呈現(xiàn)出可控沖突單元向失控沖突單元轉(zhuǎn)變的現(xiàn)象。對比4期數(shù)據(jù)，基本失控級別由24.56%增至28.13%，特別是2005——2010年，嚴重失控單元占比由7.26%增至11.64%，是2000——2005年增長的2.20倍，2010——2015年增長的5.90倍，結(jié)合圖2中生態(tài)空間面積在2005——2015年驟降，在2010——2015年面積減小趨緩，可見生態(tài)空間失控單元占比的升高與生態(tài)空間面積的減少有關。

4 結(jié)論

（1）2000——2015年的膠東半島三生空間分布，生產(chǎn)空間占比最高，其次是生活空間，二者之和約為85%；隨著人口的增長和經(jīng)濟的快速發(fā)展，生活空間面積不斷增長，動態(tài)度最高，而生態(tài)空間面積不斷減小，生產(chǎn)空間面積變化較穩(wěn)定。表明膠東半島在快速城市化過程中，以建設用地為主的生活空間通過占用生態(tài)空間和生產(chǎn)空間進行快速擴張。

（2）2000——2015年，膠東半島三生空間沖突指數(shù)從0.711 782升至0.756 107，呈不斷增加的趨勢，其中2005——2010年的增幅遠大于其他時段，但受土地保護制度、生態(tài)保護政策等因素影響，土地利用沖突有可能逐步緩解。膠東半島穩(wěn)定可控沖突主要分布在生態(tài)空間內(nèi)部的自然保護區(qū)，嚴重失控級別主要分布在生態(tài)空間與生產(chǎn)空間、生態(tài)空間和生活空間之間的交錯地帶，其中膠州市、龍口市、萊陽市、榮成市、招遠市的沖突指數(shù)有進一步增長的趨勢，是沖突調(diào)控預防的關鍵所在。

（3）不同空間類型的空間沖突存在一定差異，沖突程度為生產(chǎn)空間＞生活空間＞生態(tài)空間；其空間沖突水平構(gòu)成亦存在差異，3種空間類型的沖突程度集中在可控等級上，但在基本失控和嚴重失控2個等級上差異較大，并隨著時間推移發(fā)生變化。