基于未來土地利用模擬模型的鄭州市“三生空間”模擬及生態(tài)環(huán)境效應(yīng)分析

姜昕彤,翟石艷,*,王 錚,劉 歡,陳 靜,朱悅悅

1 河南大學(xué)黃河中下游數(shù)字地理技術(shù)教育部重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室,開封 475004

2 河南大學(xué)地理與環(huán)境學(xué)院,開封 475004

3 華東師范大學(xué)地理信息科學(xué)教育部重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室,上海 200441

生產(chǎn)、生活、生態(tài)空間(簡稱“三生空間”)的概念緣于黨的十八大會(huì)議,此次會(huì)議明確提出了“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”的總目標(biāo)[1]。十九大中也提出了科學(xué)劃定生態(tài)保護(hù)紅線、永久性基本農(nóng)田和城市發(fā)展邊界,以協(xié)調(diào)生產(chǎn)、生活和生態(tài)空間的發(fā)展,促進(jìn)經(jīng)濟(jì)和環(huán)境的可持續(xù)發(fā)展[2]。然而在經(jīng)濟(jì)高速發(fā)展的狀態(tài)下,城鄉(xiāng)建設(shè)用地不斷擴(kuò)張,使得農(nóng)業(yè)、生態(tài)空間受到擠壓,造成了一系列生態(tài)環(huán)境問題[3]。以“三生空間”格局變化為切入點(diǎn),分析其所引起的生態(tài)環(huán)境效應(yīng)成為當(dāng)前學(xué)術(shù)研究的熱點(diǎn)之一[4—5]。

目前,“三生空間”相關(guān)的研究,主要包括“三生空間”的功能識(shí)別[6—7]、時(shí)空格局演變[8—9]、空間優(yōu)化[10—11]及生態(tài)效應(yīng)分析[12—13]等方面。土地具有多功能屬性,其功能識(shí)別方法通常分為兩種[4,14],其中確定“三生空間”土地利用類型主導(dǎo)功能的識(shí)別方法為目前學(xué)術(shù)界較為主流的方法,它是根據(jù)土地的主導(dǎo)功能,對網(wǎng)格或斑塊的土地利用類型進(jìn)行合并和重新分類,從而確定“三生空間”的劃分[15]?，F(xiàn)有模擬“三生空間”的主流研究方法包括CLUS-S模型[16]、CA模型[17]等,其中FLUS模型包含了基于輪盤賭選擇的自適應(yīng)慣性競爭機(jī)制,能夠很好的解決不同用地類型間相互轉(zhuǎn)換問題[18],利用不同情景的土地利用數(shù)量進(jìn)行空間格局模擬[14]。此外,關(guān)于“三生空間”的研究也從多角度、多維度逐步展開,其中分析土地類型轉(zhuǎn)換引起的潛在生態(tài)效應(yīng)是當(dāng)前學(xué)術(shù)研究的熱點(diǎn)[9,19]。

生態(tài)環(huán)境問題一直是學(xué)術(shù)界關(guān)注的熱點(diǎn)問題。相關(guān)文獻(xiàn)多圍繞在膠東半島[19]、石羊河流域[20]等生態(tài)脆弱區(qū),對其生態(tài)環(huán)境質(zhì)量時(shí)空變化特征進(jìn)行分析。而僅有部分研究從“三生空間”的視角,利用生態(tài)環(huán)境質(zhì)量指數(shù)測度土地利用轉(zhuǎn)型的生態(tài)環(huán)境效應(yīng)[21]。如董建紅等人研究了1980—2018年甘肅省土地利用轉(zhuǎn)型對生態(tài)環(huán)境效應(yīng)的影響[22],呂立剛等人利用土地利用轉(zhuǎn)移矩陣、重心轉(zhuǎn)移等方法,對江蘇省1985—2008年生態(tài)環(huán)境質(zhì)量時(shí)空演變進(jìn)行了分析[23]。但將“三生空間”預(yù)測與生態(tài)環(huán)境效應(yīng)結(jié)合,從而對未來空間格局及生態(tài)環(huán)境質(zhì)量進(jìn)行模擬的研究需要多加關(guān)注。

對比現(xiàn)有研究發(fā)現(xiàn),首先,目前“三生空間”相關(guān)的研究多聚焦區(qū)域、流域、省域等空間尺度,而在城市尺度的研究較少;其次,城市的生態(tài)環(huán)境變化與土地利用格局變化息息相關(guān),已有生態(tài)環(huán)境研究多聚焦于生態(tài)脆弱區(qū)域,僅有部分研究從城市尺度出發(fā),利用“三生空間”的視角,定量描述土地利用變化所引起的生態(tài)環(huán)境變化。FLUS模型作為當(dāng)前土地利用模擬研究的重點(diǎn)模型,能夠更高精度的模擬未來城市土地利用格局變化,能夠與生態(tài)環(huán)境效應(yīng)評估方法相結(jié)合,進(jìn)一步模擬未來城市生態(tài)環(huán)境效應(yīng)變化,為城市可持續(xù)發(fā)展和生態(tài)文明建設(shè)提供可靠依據(jù)。因此,本文以鄭州市為案例區(qū),選取FLUS模型作為“三生空間”的模擬工具,結(jié)合生態(tài)環(huán)境效應(yīng)模型,以2010年,2015年和2020年鄭州市土地利用數(shù)據(jù)為基準(zhǔn)數(shù)據(jù),研究鄭州市“三生空間”現(xiàn)狀格局以及土地利用功能轉(zhuǎn)型下的生態(tài)環(huán)境動(dòng)態(tài)趨勢變化。鄭州市作為未來國家中心城市,空間規(guī)劃和生態(tài)建設(shè)應(yīng)當(dāng)齊頭并進(jìn),根據(jù)“十四五”規(guī)劃和2035遠(yuǎn)景目標(biāo),以2035年為目標(biāo)年份,設(shè)置多種模擬情景,包括自然發(fā)展、生產(chǎn)優(yōu)先和生態(tài)保護(hù)情景,模擬多情景下“三生空間”空間格局,并計(jì)算2035年鄭州市生態(tài)環(huán)境質(zhì)量。對比政策文件與模型模擬下鄭州市的“三生空間”格局發(fā)展,揭示未來“三生空間”變化下的鄭州市生態(tài)環(huán)境質(zhì)量變化,以期為2035年鄭州市生產(chǎn)、生活和生態(tài)空間格局規(guī)劃以及合理安排生態(tài)文明建設(shè)等提供借鑒。

1 數(shù)據(jù)來源與研究方法

1.1 研究區(qū)概況

鄭州市作為中原城市群核心發(fā)展城市、國務(wù)院批復(fù)的中部地區(qū)中心城市,位于中國華北平原南部、黃河下游,居河南省中部偏北,東接開封,西依洛陽,北臨黃河與新鄉(xiāng)、焦作相望,南部與許昌接壤,西南與平頂山接壤,地理位置介于東經(jīng)112°42′—114°14′,北緯34°16′—34°58′之間,如圖1 所示。全市下轄6個(gè)區(qū)、1個(gè)縣、代管5個(gè)縣級市,總面積7446km2,常住人口1035.2萬人,城鎮(zhèn)人口772.1萬人,城鎮(zhèn)化率74.6%,2020年地區(qū)生產(chǎn)總值12003億元。鄭州市作為國家重要的綜合交通樞紐,是全國普通鐵路和高速鐵路網(wǎng)中唯一的“雙十字”中心,鄭濟(jì)、鄭萬、鄭合以及鄭太鐵路等相應(yīng)配套工程開工建設(shè),“米”字形高鐵網(wǎng)加快成型。鄭州市屬北溫帶大陸性季風(fēng)氣候,四季分明,全年平均氣溫為15.6℃,全年平均降水量為542.15mm,全市境內(nèi)大小河流124條,分屬于黃河和淮河兩大水系。

圖1 鄭州市行政區(qū)劃圖Fig.1 Administrative divisions of Zhengzhou

1.2 數(shù)據(jù)來源與處理

鄭州市2010年、2015年和2020年的土地利用數(shù)據(jù)來源于中國科學(xué)院資源環(huán)境科學(xué)與數(shù)據(jù)中心。其中鄭州市土地利用數(shù)據(jù)是基于陸地衛(wèi)星Landsat 8遙感影像,通過人工目視解譯完成,分辨率為30m,綜合精度達(dá)到95%以上。其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(gè)一級類型以及25個(gè)二級類型。本文從土地利用覆被的視角出發(fā),用地類型功能雖多為復(fù)合功能[24],但本文只考慮用地類型的主導(dǎo)功能,將16個(gè)二級地類從用地類型主導(dǎo)功能的角度劃分為農(nóng)業(yè)生產(chǎn)用地、工礦生產(chǎn)用地、草地生態(tài)用地、林地生態(tài)用地、水域生態(tài)用地、其他生態(tài)用地、城鎮(zhèn)生活用地和農(nóng)村生活用地(2010年和2015年其他生態(tài)用地沒有沼澤地),同時(shí)將八種用地類型分類歸總為生產(chǎn)空間、生活空間和生態(tài)空間[25]。

構(gòu)建模型時(shí)需要考慮自然因素、經(jīng)濟(jì)因素、社會(huì)因素等方面[18]。本文著重考慮經(jīng)濟(jì)因素、社會(huì)因素、水文因素、氣候因素這五方面所涉及到的驅(qū)動(dòng)因子,其中經(jīng)濟(jì)因素包括鄭州市GDP分布數(shù)據(jù)和人口分布數(shù)據(jù);水文因素包括鄭州市水系數(shù)據(jù);氣候因素包括鄭州市年降水、年平均溫度數(shù)據(jù),以上三種因素均來源于中國科學(xué)院資源環(huán)境科學(xué)與數(shù)據(jù)中心。社會(huì)因素包括鐵路、高速公路、主干道、鄭州市各縣區(qū)的行政區(qū)劃數(shù)據(jù),該數(shù)據(jù)來源于OpenStreetMap數(shù)據(jù)網(wǎng)。同時(shí)通過歐氏距離計(jì)算,到水系的距離、到鐵路的距離、到高速公路的距離、到主干道距離以及到區(qū)縣中心和鄉(xiāng)鎮(zhèn)中心的距離。

本文參考李曉文、楊清可[26—28]等人通過專家打分法計(jì)算用地類型生態(tài)環(huán)境質(zhì)量指數(shù)的研究,利用面積加權(quán)法對鄭州市“三生空間”所具有的用地類型的生態(tài)環(huán)境質(zhì)量指數(shù)進(jìn)行賦值,結(jié)果如表1所示。

表1 “三生空間”土地利用主導(dǎo)功能劃分以及其生態(tài)環(huán)境質(zhì)量指數(shù)[24—28]Table 1 Land use dominant function classification of “Production-Living-Ecological" space and eco-environmental quality index

1.3 研究方法

1.3.1土地利用轉(zhuǎn)移矩陣

本文使用的土地利用轉(zhuǎn)移矩陣方法來源于系統(tǒng)分析中對系統(tǒng)狀態(tài)與狀態(tài)轉(zhuǎn)移的定量描述。轉(zhuǎn)移矩陣并非是一種指數(shù),只是將土地利用變化的類型轉(zhuǎn)移面積按矩陣或表格的形式加以列出,可作為結(jié)構(gòu)分析與變化方向分析的基礎(chǔ)。其意義在于它不僅可以反映研究期初、研究期末的土地利用類型結(jié)構(gòu),同時(shí)還可以反映研究時(shí)段內(nèi)各土地利用類型的來源與構(gòu)成[29]。利用ArcGIS10.3對不同時(shí)期的土地利用數(shù)據(jù)進(jìn)行疊加分析,通過Excel繪制數(shù)據(jù)透視表,從而得到鄭州市2010—2015年、2015—2020年和2010—2020年三期的土地利用轉(zhuǎn)移矩陣。轉(zhuǎn)移矩陣的數(shù)學(xué)形式為:

(1)

式中:S代表面積,n代表土地利用類型數(shù)目;i,j分別代表研究期初和研究期末的土地利用類型。

1.3.2FLUS模型

FLUS模型是將人為效應(yīng)和自然效應(yīng)耦合為多種類型土地利用情景仿真的綜合模型,由黎夏團(tuán)隊(duì)于2017年完成,在傳統(tǒng)元胞自動(dòng)機(jī)的基礎(chǔ)上做了很大改進(jìn),用于促進(jìn)多種土地利用變化分析,可以設(shè)置多種情景,對未來土地利用變化進(jìn)行預(yù)測和分析[30]。該模型主要分為兩部分,一是基于神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)的出現(xiàn)概率計(jì)算模塊,二是基于自適應(yīng)慣性機(jī)制的元胞自動(dòng)機(jī)計(jì)算模塊。本文以2015年鄭州市土地利用數(shù)據(jù)作為基準(zhǔn)數(shù)據(jù),2020年鄭州市土地利用數(shù)據(jù)作為精度檢驗(yàn)數(shù)據(jù),來模擬鄭州市2035年“三生空間”格局分布情況。

(1)神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)模型

神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)算法(Artificial Neural Networks, ANN)從一期土地利用數(shù)據(jù)與包含人為活動(dòng)和自然效應(yīng)的多種驅(qū)動(dòng)力因子(氣溫、降水、土壤、地形、交通、區(qū)位、政策等方面)中獲取各用地類型在研究范圍內(nèi)的適宜性概率。ANN 包含了3個(gè)隱含層,分別是輸入層、隱含層和輸出層,用于訓(xùn)練和評估每個(gè)柵格轉(zhuǎn)化的概率,其表達(dá)式為:

sp(p,i,t)=∑jwj,i×1/(1+e-netj(p,t))

(5)

∑isp(p,i,t)=1

(6)

其中,i為用地類型;j為隱藏層;p為柵格;t為時(shí)間;sp(p,i,t)為適宜性概率;wj,i為權(quán)重;-netj(p,t)為接收到的信號;通過神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)模型計(jì)算的各用地類型轉(zhuǎn)換的適宜性概率的和應(yīng)為1。

(2)自適應(yīng)慣性競爭模型

自適應(yīng)慣性競爭模型(Self Adaptive Inertia and Competition Mechanism CA)采用具有隨機(jī)性特點(diǎn)的輪盤賭選擇機(jī)制,以土地利用柵格數(shù)據(jù)為初始輸入數(shù)據(jù),通過Markov模型預(yù)設(shè)各用地類型變化數(shù)量,根據(jù)經(jīng)驗(yàn)確定不同用地類型間的轉(zhuǎn)換矩陣,在適宜性概率和用地類型領(lǐng)域權(quán)重以及各參數(shù)的作用下,得出預(yù)設(shè)年份的土地利用數(shù)據(jù)。其表達(dá)式如下:

(7)

其中轉(zhuǎn)換矩陣表示各用地類型間相互轉(zhuǎn)化的限制規(guī)則,同時(shí)也反映了多種情景的設(shè)置[31]。本文共設(shè)置了3種情景:自然發(fā)展情景、生產(chǎn)優(yōu)先情景和生態(tài)保護(hù)情景。自然發(fā)展情景延續(xù)了2010—2020年鄭州市“三生空間”中用地類型的發(fā)展規(guī)則;生產(chǎn)優(yōu)先情景考慮到水田和旱地的未來發(fā)展情況,即農(nóng)業(yè)生產(chǎn)空間的發(fā)展,設(shè)置除城鎮(zhèn)、農(nóng)村生活用地外,其他各用地類型都可以向農(nóng)業(yè)生產(chǎn)用地轉(zhuǎn)化;生態(tài)保護(hù)情景,從生態(tài)保護(hù)的角度出發(fā),設(shè)置水域、草地、其他生態(tài)用地不能轉(zhuǎn)化為其他用地類型[32—33]。具體設(shè)置如表2。

表2 情景轉(zhuǎn)換矩陣設(shè)置Table 2 Scenario transition matrix setting

1.3.3生態(tài)環(huán)境效應(yīng)模型

(1)生態(tài)環(huán)境質(zhì)量指數(shù)

綜合考慮研究區(qū)域內(nèi)各土地利用類型的面積和所賦值的生態(tài)質(zhì)量指數(shù),從生態(tài)環(huán)境的角度出發(fā),定量研究鄭州市2010年、2015年和2020年三個(gè)不同時(shí)期內(nèi)的生態(tài)環(huán)境質(zhì)量的總體情況。其表達(dá)式為:

(2)

其中,EVt表示鄭州市t時(shí)期內(nèi)的生態(tài)環(huán)境質(zhì)量指數(shù);n表示該區(qū)域內(nèi)土地利用類型的數(shù)量;Aki表示第k個(gè)生態(tài)單元內(nèi)用地類型i的面積;Ak表示第k個(gè)生態(tài)單元的總面積;Ri表示第i種土地利用類型的生態(tài)環(huán)境質(zhì)量指數(shù)。

(2)生態(tài)貢獻(xiàn)率

生態(tài)貢獻(xiàn)率是指某一地區(qū)因土地利用功能變化而引起的該地區(qū)生態(tài)環(huán)境質(zhì)量的改變,通過2010年、2015年和2020年鄭州市某區(qū)域的生態(tài)環(huán)境質(zhì)量指數(shù),計(jì)算三個(gè)不同時(shí)期內(nèi)因區(qū)域土地利用功能變化而產(chǎn)生的生態(tài)貢獻(xiàn)率[34—35]。其表達(dá)式為:

LEI=(LEt+1-LEt)LA/TA

(3)

其中,LEI表示為區(qū)域內(nèi)土地利用功能變化的生態(tài)貢獻(xiàn)率;LEt+1、LEt分別表示為某一時(shí)期某種土地利用功能變化的變化末期和變化前期的生態(tài)環(huán)境質(zhì)量指數(shù);LA表示該土地利用功能變化的面積;TA表示該研究區(qū)域的總面積。生態(tài)貢獻(xiàn)率既有正值,也有負(fù)值,正值表示某地區(qū)生態(tài)環(huán)境質(zhì)量有所改善;負(fù)值則表示某地區(qū)生態(tài)環(huán)境質(zhì)量有所惡化。

2 結(jié)果分析

2.1 2010—2020年“三生空間”趨勢分析

2010—2020年間,鄭州市生產(chǎn)空間在“三生空間”中分布最為廣泛,生產(chǎn)空間包括農(nóng)業(yè)生產(chǎn)用地和工礦生產(chǎn)用地,農(nóng)業(yè)生產(chǎn)用地占生產(chǎn)用地的95.08%,大面積覆蓋鄭州市,而工礦生產(chǎn)用地零星分布在鄭州市中東部地區(qū);生活空間分為城鎮(zhèn)生活用地和農(nóng)村生活用地,農(nóng)村生活用地呈零散狀分布在鄭州市,而城鎮(zhèn)生活用地大部分呈片狀集中分布在鄭州市中部;而生態(tài)空間占地面積最小,主要包括水域、草地、林地以及其他生態(tài)用地,其中部分水域和其他生態(tài)用地呈東西向帶狀環(huán)繞在鄭州市北部地區(qū),見圖2。

圖2 鄭州市2010—2018年“三生空間”分布圖Fig.2 The distribution map of “Production-Living-Ecological" space in Zhengzhou from 2010 to 2018

鄭州市“三生空間”的趨勢變化不盡相同,如圖3所示,生活空間的占地面積在2010年到2020年間呈持續(xù)上升趨勢,面積從2010年的1582.55km2上升至2020年的1806.17km2,生活空間的面積占比從21.06%增長至24.03%。2015年到2020年比2010年到2015年的增加了8.27%,隨著人們對生活質(zhì)量的要求越來越高,生活空間的需求也在不斷增加,但同時(shí)也帶來了土地需求量增加的問題。鄭州市生態(tài)空間的占地面積從2010年到2015年有小幅度的增加,僅增長了1.66%,之后2015年的生態(tài)空間占地面積從1252.48km2減少到2020年的1201.56km2,面積共減少了50.92km2。而生產(chǎn)空間與生活空間呈現(xiàn)相反的發(fā)展趨勢,生產(chǎn)空間的占地面積持續(xù)下降,從2010年到2020年的下降了4.11%,2020年鄭州市生產(chǎn)空間占地面積為4507.70km2,相比2010年降低了193.31km2,面積總占比為59.98%,在空間分布上,生產(chǎn)空間占比仍較大。從整體上看,生活空間占地面積有所提高,但受政策、經(jīng)濟(jì)、交通等因素的影響,生態(tài)問題仍亟需解決,以維持鄭州市“三生空間”空間公平性。

圖3 鄭州市2010—2020年“三生空間”趨勢圖Fig.3 The trend chart of “Production-Living-Ecological" space in Zhengzhou from 2010 to 2020

2.2 2010—2020年生態(tài)環(huán)境質(zhì)量時(shí)空演變

2.2.1三生空間結(jié)構(gòu)變化

基于鄭州市3期土地利用數(shù)據(jù),通過ArcGIS的空間疊加分析功能,得到了其2010—2015年、2015—2020年以及2010—2020年共3期的土地利用類型轉(zhuǎn)移矩陣,明確其相互轉(zhuǎn)化的方向和數(shù)量,如表3—5所示。從二級用地類型分類的角度上來看,結(jié)果顯示,城鎮(zhèn)生活用地和農(nóng)村生活用地面積有所增加,農(nóng)業(yè)生產(chǎn)用地和水域生態(tài)用地面積有所減少。

表3 2010—2015年鄭州市土地利用轉(zhuǎn)移矩陣/km2Table 3 Land use transfer matrix of Zhengzhou from 2010 to 2015

表4 2015—2020年鄭州市土地利用轉(zhuǎn)移矩陣/km2Table 4 Land use transfer matrix of Zhengzhou from 2015 to 2020

表5 2010—2020年鄭州市土地利用轉(zhuǎn)移矩陣/km2Table 5 Land use transfer matrix of Zhengzhou from 2010 to 2020

2010—2015年鄭州市二級用地類型有不同程度的轉(zhuǎn)移,其中農(nóng)業(yè)生產(chǎn)用地、農(nóng)村生活用地、其他和水域生態(tài)用地轉(zhuǎn)出面積較大。農(nóng)業(yè)生產(chǎn)用地向工礦生產(chǎn)用地轉(zhuǎn)移面積最大,有41.31km2,轉(zhuǎn)移率為0.90%,其次是向城鎮(zhèn)生活用地轉(zhuǎn)移了27.32km2,向農(nóng)村生活用地和水域生態(tài)用地轉(zhuǎn)移的面積分別為27.14km2,27.15km2,轉(zhuǎn)移率一致,為0.59%。農(nóng)業(yè)生產(chǎn)用地總共轉(zhuǎn)出面積130.24km2,為所有用地類型轉(zhuǎn)出面積最多的。農(nóng)村生活用地主要向農(nóng)業(yè)生產(chǎn)用地轉(zhuǎn)移,轉(zhuǎn)移面積分別為10.48km2。而其他生態(tài)用地向農(nóng)業(yè)生產(chǎn)用地和水域生態(tài)用地轉(zhuǎn)移最為顯著,轉(zhuǎn)移率為23.94%,且在2010—2015年間沒有向城鎮(zhèn)生活、農(nóng)村生活和林地生態(tài)用地轉(zhuǎn)移。水域生態(tài)用地主要向其他生態(tài)用地轉(zhuǎn)移,轉(zhuǎn)移面積為19.37km2,轉(zhuǎn)移率為9.14%。

2015—2020年間鄭州市生產(chǎn)空間轉(zhuǎn)移面積最多,共轉(zhuǎn)移424.84km2,而生活空間的轉(zhuǎn)入面積最多,共轉(zhuǎn)入323.38km2。二級用地類型向生產(chǎn)空間轉(zhuǎn)移中,農(nóng)村生活用地向農(nóng)業(yè)生產(chǎn)用地轉(zhuǎn)移的面積最多,為78.67km2,轉(zhuǎn)移率為8.15%。生態(tài)空間整體上向農(nóng)業(yè)生產(chǎn)用地轉(zhuǎn)移了84.49km2,工礦生產(chǎn)用地也有向農(nóng)業(yè)生產(chǎn)用地發(fā)生轉(zhuǎn)移,共轉(zhuǎn)移了11.93km2。農(nóng)業(yè)生產(chǎn)用地向生活空間面積轉(zhuǎn)入最為顯著,共轉(zhuǎn)入了230.97km2,轉(zhuǎn)移率為5.15%。其次是工礦生產(chǎn)用地向城鎮(zhèn)生活用地和農(nóng)村生活用地分別轉(zhuǎn)入了9.76km2、22.17km2。經(jīng)分析,2015到2020年間鄭州市生態(tài)空間面積有所減少,其主要原因是其他和水域生態(tài)用地向農(nóng)業(yè)生產(chǎn)用地的轉(zhuǎn)移。雖然生產(chǎn)空間轉(zhuǎn)入數(shù)量明顯,但比生活空間轉(zhuǎn)入數(shù)量少,所以鄭州市生活空間占地面積在三年間有所增加。

從總體上而言,2010—2020年,鄭州市“三生空間”中二級用地類型轉(zhuǎn)移較為顯著。農(nóng)業(yè)生產(chǎn)用地主要向農(nóng)村生活用地、城鎮(zhèn)生活用地以及工礦生產(chǎn)用地轉(zhuǎn)移,分別轉(zhuǎn)移了175.88km2、117.74km2、117.22km2,相應(yīng)的轉(zhuǎn)移率分別為3.83%、2.57%和2.55%。草地、林地、水域生態(tài)用地向農(nóng)業(yè)生產(chǎn)用地轉(zhuǎn)移面積最多,相應(yīng)轉(zhuǎn)移了18.97km2、8.71km2、28.22km2。而其他生態(tài)用地并無向城鎮(zhèn)、農(nóng)村生活用地和林地生態(tài)用地轉(zhuǎn)移,但向農(nóng)業(yè)生產(chǎn)用地轉(zhuǎn)移面積最多,且多于向自身轉(zhuǎn)移面積,為33.75km2,轉(zhuǎn)移率為50.97%。農(nóng)村生活用地較城鎮(zhèn)生活用地轉(zhuǎn)移明顯,其向草地、林地、水域生態(tài)用地轉(zhuǎn)移面積較少,轉(zhuǎn)移率分別為0.01%、0.0004%以及0.02%,主要集中向農(nóng)業(yè)生產(chǎn)用地轉(zhuǎn)移,同時(shí)向城鎮(zhèn)生活用地和工礦生產(chǎn)用地也有不同程度的轉(zhuǎn)移。

2.2.2生態(tài)環(huán)境質(zhì)量分析

通過公式(2)計(jì)算得出鄭州市2010年、2015年以及2020年二級用地類型的生態(tài)環(huán)境質(zhì)量指數(shù),將質(zhì)量指數(shù)利用ArcGIS自然斷點(diǎn)法分為5級,即低質(zhì)量區(qū)(EV≤0.02)、較低質(zhì)量區(qū)(0.20.65),從而得出鄭州市3期生態(tài)環(huán)境質(zhì)量空間分布圖,如圖4所示。從時(shí)間上來看,鄭州市生態(tài)環(huán)境質(zhì)量指數(shù)從2010年的0.3097持續(xù)降至2020年的0.3058,其整體生態(tài)環(huán)境質(zhì)量處于中等水平。從圖5中可以看到,2010到2015年鄭州市高質(zhì)量區(qū)域沒有明顯變化,但低質(zhì)量區(qū)域卻有顯著的擴(kuò)張,尤其是2015到2020年,2020年低質(zhì)量區(qū)的面積為2027.13km2,比2015年增加247.21km2。從空間上來看,2010到2020年鄭州市生態(tài)環(huán)境質(zhì)量空間分布相對一致,低質(zhì)量區(qū)主要分布在鄭州市中心區(qū)域,并逐漸向外擴(kuò)張,其余各地區(qū)也有少量低質(zhì)量分布,較低質(zhì)量區(qū)平均分布,鄭州市2010到2020年沒有中質(zhì)量區(qū)域,較高質(zhì)量區(qū)以帶狀環(huán)繞分布在鄭州市北部,部分較高質(zhì)量區(qū)域分布在鄭州市西北部,而高質(zhì)量區(qū)主要分布在鄭州市西部地區(qū),少量高質(zhì)量區(qū)域分布在鄭州市西南地區(qū),其余零星分布在東部以及東北部地區(qū)。高質(zhì)量區(qū)主要是以林地生態(tài)用地為主,而低質(zhì)量區(qū)域主要是以城鎮(zhèn)生活用地和農(nóng)村生活用地為主。

圖4 2010—2020年鄭州市生態(tài)環(huán)境質(zhì)量空間分布圖Fig.4 Spatial distribution of ecological environment quality in Zhengzhou from 2010 to 2020

圖5 多種驅(qū)動(dòng)因子圖Fig.5 Diagrams of various driving factors

生態(tài)環(huán)境質(zhì)量指數(shù)只能單一的表示該區(qū)域在某個(gè)時(shí)間段內(nèi)的生態(tài)環(huán)境質(zhì)量情況,因此根據(jù)公式(3),計(jì)算鄭州市2010—2020年二級用地類型相互轉(zhuǎn)化所引起的生態(tài)貢獻(xiàn)率的變化,以此來分析鄭州市二級用地類型的轉(zhuǎn)化給生態(tài)環(huán)境帶來的影響,貢獻(xiàn)率表示的正負(fù)則意味著該區(qū)域內(nèi)生態(tài)環(huán)境是否發(fā)生改善或者惡化,一般情況下,區(qū)域內(nèi)生態(tài)環(huán)境的改善和惡化是維持在相對穩(wěn)定的狀態(tài),但區(qū)域內(nèi)的穩(wěn)定并不表示該區(qū)域生態(tài)環(huán)境沒有發(fā)生變化,表6給出了鄭州市2010—2020年時(shí)間段內(nèi)主要土地利用變化類型和生態(tài)貢獻(xiàn)率。

表6 2010—2020年鄭州市“三生空間”土地利用變化轉(zhuǎn)型及其生態(tài)貢獻(xiàn)率Table 6 Land use change transformation and ecological contribution rate of “Production-Living-Ecological" space in Zhengzhou from 2010 to 2020

從表中可以得出,2010—2020年間導(dǎo)致鄭州市生態(tài)環(huán)境質(zhì)量改善的主要因素是農(nóng)業(yè)生產(chǎn)用地和農(nóng)村生活用地的轉(zhuǎn)化。農(nóng)業(yè)生產(chǎn)用地轉(zhuǎn)化為水域、草地和林地生態(tài)用地,占環(huán)境質(zhì)量改善的66.04%,同時(shí),農(nóng)村生活用地向農(nóng)業(yè)生產(chǎn)、林地生態(tài)和草地生態(tài)用地的轉(zhuǎn)化占鄭州市生態(tài)環(huán)境質(zhì)量改善的20.66%,其次是工礦生產(chǎn)用地的轉(zhuǎn)化,前6種用地類型的轉(zhuǎn)化在生態(tài)環(huán)境質(zhì)量改善中的占比為86.70%。與此相反,農(nóng)業(yè)生產(chǎn)用地轉(zhuǎn)化為工礦生產(chǎn)和農(nóng)村、城鎮(zhèn)生活用地,以及其他和水域生態(tài)用地轉(zhuǎn)化為農(nóng)業(yè)生產(chǎn)用地則是導(dǎo)致鄭州市生態(tài)環(huán)境質(zhì)量惡化的重要因素。前4項(xiàng)用地類型轉(zhuǎn)化的占比相對均衡,共占到生態(tài)環(huán)境質(zhì)量惡化的53.63%,是生態(tài)環(huán)境質(zhì)量惡化總占比的近五分之三。

綜上所述,2010—2020年鄭州市生態(tài)環(huán)境質(zhì)量水平整體上表現(xiàn)為相對平衡,且其生態(tài)環(huán)境質(zhì)量改善趨勢要較好于生態(tài)環(huán)境質(zhì)量惡化趨勢。根據(jù)鄭州市2010—2020年總體規(guī)劃等相關(guān)政策文件,對鄭州市從整體到局部進(jìn)行了詳細(xì)的部署改進(jìn),從現(xiàn)有鄭州市土地利用功能結(jié)構(gòu)變化及生態(tài)環(huán)境質(zhì)量變化中可以看出,在政策等其他因素的共同影響下,鄭州市國土空間和生態(tài)環(huán)境存在著不同程度的改變。但是隨著鄭州市城市化速度加快,大量耕地被占用,水域生態(tài)用地持續(xù)減少,未來鄭州市生態(tài)環(huán)境水平可能會(huì)出現(xiàn)下降趨勢,因此及時(shí)響應(yīng)國家政策,統(tǒng)籌土地利用格局,以此促進(jìn)其生態(tài)環(huán)境的進(jìn)一步改善。

2.3 多情景下2035年 “三生空間”預(yù)測及生態(tài)環(huán)境質(zhì)量分析

2.3.1模型精度驗(yàn)證

通過FLUS模型,以2015年鄭州市土地利用數(shù)據(jù)作為基準(zhǔn)數(shù)據(jù),2020年鄭州市土地利用數(shù)據(jù)作為檢驗(yàn)數(shù)據(jù),首先采用均勻采樣法,設(shè)置隱藏層為12,利用GDP、年均溫、年降水、到鐵路的距離等數(shù)據(jù)作為驅(qū)動(dòng)因子,共10種驅(qū)動(dòng)因子,如圖5所示。考慮到鄭州市地勢平坦,地形因素不作為驅(qū)動(dòng)因子計(jì)算。通過神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)模型得出數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換的適宜性概率,與Markov模型預(yù)測的數(shù)量變化相結(jié)合。同時(shí)設(shè)置鄰域參數(shù),領(lǐng)域參數(shù)的范圍在0—1之間,參數(shù)值越接近1,表明該類型土地的擴(kuò)張能力越強(qiáng)。結(jié)合以往研究和實(shí)際經(jīng)驗(yàn)[36],在多次試驗(yàn)后將城鎮(zhèn)生活用地和農(nóng)村生活用地的參數(shù)設(shè)為1,農(nóng)業(yè)、工礦生產(chǎn)用地和草地生態(tài)用地設(shè)為0.8,林地和其他生態(tài)用地設(shè)為0.5,水域生態(tài)用地設(shè)為0.1,如表7所示。經(jīng)運(yùn)算后得出檢驗(yàn)結(jié)果,與2020年實(shí)際數(shù)據(jù)相比較,研究表明,總體精度和Kappa參數(shù)值越接近于1,模擬精度效果越好[37],結(jié)果顯示,總體精度為0.78,Kappa參數(shù)為0.76,實(shí)驗(yàn)?zāi)M精度達(dá)到較高的水平,FLUS模型具有較好的適用性,可適用于未來2035年鄭州市“三生空間”模擬。

表7 鄰域參數(shù)設(shè)置Table 7 Neighborhood parameters Settings

2.3.2“三生空間”模擬結(jié)果分析

根據(jù)不同情景設(shè)置,利用FLUS模型模擬2035年鄭州市“三生空間”用地類型變化,結(jié)果如圖6所示。不同情景下鄭州市2035年“三生空間”的模擬結(jié)果也有著顯著的差異,自然發(fā)展情景下,與2020年相比,鄭州市生活空間占地面積自2020年的1806.17km2上升至2228.66km2,增長了23.39%,存在明顯的擴(kuò)張趨勢,其中城鎮(zhèn)生活用地的擴(kuò)張趨勢最為明顯,增長了37.00%;但同時(shí)生產(chǎn)空間的占地面積卻持續(xù)下降,從2020年的4507.70km2下降至2035年的4082.57km2,下降了9.43%,農(nóng)業(yè)生產(chǎn)用地的占地面積縮減了514.79km2,工礦生產(chǎn)用地卻在不斷增加;生態(tài)空間占地面積也在不斷下降,但下降幅度較小,僅下降了4.43%,其中只有草地生態(tài)用地的占地面積增加了,而林地、水域和其他生態(tài)用地都有著不同程度的減少。從格局變化上來看,自然發(fā)展情景下2035年鄭州市“三生空間”分布基本不變,生活空間集中在鄭州市中北部,生產(chǎn)空間大面積覆蓋鄭州市,生態(tài)空間集中分布在西部和北部地區(qū)。

圖6 2035年鄭州市“三生空間”多情景模擬圖Fig.6 Multi-scenario simulation of Production-living-ecological space in Zhengzhou in 2035

生產(chǎn)優(yōu)先情景下,旱地和水田受到保護(hù),所以2035年鄭州市“三生空間”中除生活空間外,生產(chǎn)和生態(tài)空間的占地面積都保持上升趨勢。該情景下,鄭州市生活空間占地面積降至1606.44km2,城鎮(zhèn)生活用地和農(nóng)村生活用地占地面積都在縮減,但下降幅度較小,僅減少了199.73km2;生產(chǎn)空間占地面積在增加,從2020年的4507.70km2增加至2035年的4671.95km2,增加幅度雖然較小,但也達(dá)到了該情景下生產(chǎn)優(yōu)先的目標(biāo),其中農(nóng)業(yè)生產(chǎn)用地增加最多,增長了5.67%;生態(tài)空間在該情景下也出現(xiàn)了小幅度的面積增長,除林地生態(tài)用地外,草地、水域和其他生態(tài)用地占地面積都出現(xiàn)了增加,分別增加了14.33km2、5.33km2和22.28km2。

而生態(tài)保護(hù)情景則以生態(tài)環(huán)境優(yōu)化為目標(biāo),該情景下2035年鄭州市“三生空間”中生態(tài)空間占地面積出現(xiàn)增加,且與實(shí)際2010—2020年鄭州市生態(tài)空間面積相比為最高,達(dá)到1285.40km2,林地、草地、水域和其他生態(tài)用地都在增加,且其他生態(tài)用地的占地面積增加最多,增長了102.00%;與2020年相比,生產(chǎn)空間的占地面積也是在增加的,增加了143.29km2,其中農(nóng)業(yè)生產(chǎn)用地增加了223.31km2,而工礦生產(chǎn)用地卻減少了80.03km2;生活空間降為1579.00km2,與2010—2020年相比為最低,城鎮(zhèn)生活用地下降了19.87%,而農(nóng)村生活用地下降了6.87%。

2.3.3生態(tài)環(huán)境質(zhì)量分析

通過公式(2)計(jì)算多情景下2035年鄭州市區(qū)域生態(tài)環(huán)境質(zhì)量指數(shù),同時(shí)根據(jù)生態(tài)環(huán)境質(zhì)量指數(shù)分級,做出生態(tài)環(huán)境質(zhì)量指數(shù)空間分布圖,如圖7所示。自然發(fā)展情景下,鄭州市生態(tài)環(huán)境質(zhì)量指數(shù)為0.3004,空間分布上無明顯結(jié)構(gòu)變化,但低質(zhì)量區(qū)的分布有顯著的擴(kuò)張。低質(zhì)量區(qū)連片分布在鄭州市中心偏北部地區(qū),有少部分分布在西部和南部,面積由2020年的2027.13km2增加至2035年的2539.28km2,增加了512.15km2;隨著低質(zhì)量區(qū)的擴(kuò)張,其他等級區(qū)域相應(yīng)減少,尤其是較低質(zhì)量區(qū),從2020年到2035年,較低質(zhì)量區(qū)面積減少了623.37km2;較高質(zhì)量區(qū)主要分布在鄭州市西北和北部邊緣地區(qū),從空間結(jié)構(gòu)上分析,較高質(zhì)量區(qū)無明顯擴(kuò)張或縮減,而從區(qū)域面積上分析,較高質(zhì)量區(qū)域面積有所下降,2035年較高質(zhì)量區(qū)域面積為591.09km2;高質(zhì)量區(qū)域空間結(jié)構(gòu)大部分分布在鄭州市西部,少量零星區(qū)域分布在鄭州市東部以及東部偏北方向,2035年高質(zhì)量區(qū)域面積為557.24km2。

圖7 2035年鄭州市多情景下生態(tài)環(huán)境質(zhì)量空間分布圖Fig.7 Spatial distribution of eco-environmental quality under multiple scenarios in Zhengzhou in 2035

生產(chǎn)優(yōu)先情景下,鄭州市2035年生態(tài)環(huán)境質(zhì)量指數(shù)為0.3105。與2020年相比,較低質(zhì)量區(qū)域面積擴(kuò)張,增加了243.17km2,較高質(zhì)量區(qū)域的面積也在擴(kuò)張,由642.73km2增長至684.68km2,低質(zhì)量區(qū)域和高質(zhì)量區(qū)域卻在減少,尤其是低質(zhì)量區(qū)域,面積減少了278.64km2,但高質(zhì)量區(qū)域的占地面積僅減少了2.95km2。根據(jù)生態(tài)環(huán)境質(zhì)量指數(shù)與相應(yīng)等級占地面積中可以看出,生產(chǎn)優(yōu)先的情景下,高生態(tài)環(huán)境質(zhì)量指數(shù)區(qū)域無明顯變化,但低生態(tài)環(huán)境質(zhì)量指數(shù)區(qū)域面積出現(xiàn)了減少,說明在此發(fā)展情景下,鄭州市生態(tài)環(huán)境質(zhì)量水平是向較好的態(tài)勢發(fā)展的。

生態(tài)保護(hù)情景下,鄭州市2035年生態(tài)環(huán)境質(zhì)量指數(shù)為0.3121,為三種情景中生態(tài)環(huán)境質(zhì)量指數(shù)最高。其較高質(zhì)量區(qū)域與高質(zhì)量區(qū)域的占地面積與2010—2020年實(shí)際占地面積相比也為最高,共增加了44.84km2,低質(zhì)量區(qū)域占地面積也在減小,該情景下其面積為1719.93km2,與2020年相比減少了307.20km2,而較低質(zhì)量區(qū)域的占地面積卻在增加,但增幅不大,僅增長了5.21%。由此可見,該情景下鄭州市生態(tài)環(huán)境質(zhì)量水平為三種情景中最高。

在自然發(fā)展情景的驅(qū)動(dòng)下,鄭州市2020—2035年生態(tài)環(huán)境質(zhì)量變化結(jié)果如表8所示。2020—2035年間農(nóng)業(yè)生產(chǎn)用地轉(zhuǎn)化為草地、其他生態(tài)用地以及農(nóng)村生活用地和工礦生產(chǎn)用地轉(zhuǎn)化為農(nóng)業(yè)生產(chǎn)用地是生態(tài)環(huán)境質(zhì)量改善的主導(dǎo)因素,占比為44.98%。而水域生態(tài)用地轉(zhuǎn)化為農(nóng)業(yè)生產(chǎn)用地 以及農(nóng)業(yè)生產(chǎn)用地轉(zhuǎn)化為城鎮(zhèn)生活、農(nóng)村生活和工礦生產(chǎn)用地是導(dǎo)致生態(tài)環(huán)境質(zhì)量惡化的重要因素,其中農(nóng)業(yè)生產(chǎn)用地轉(zhuǎn)化為城鎮(zhèn)、農(nóng)村生活和工礦生產(chǎn)用地的貢獻(xiàn)率占比為46.59%。生產(chǎn)優(yōu)先情景中,鄭州市2020—2035年生態(tài)環(huán)境質(zhì)量變化結(jié)果如表9所示,工礦生產(chǎn)用地和農(nóng)村生活用地轉(zhuǎn)化為農(nóng)業(yè)生產(chǎn)用地以及農(nóng)業(yè)生產(chǎn)用地轉(zhuǎn)化為草地、其他生態(tài)用地是鄭州市生態(tài)環(huán)境質(zhì)量改善的重要原因,其占比為51.98%,而水域、草地及林地生態(tài)用地轉(zhuǎn)化為農(nóng)業(yè)生產(chǎn)用地是導(dǎo)致鄭州市生態(tài)環(huán)境質(zhì)量惡化的主要原因,其占比為64.97%。而生態(tài)保護(hù)情景中,鄭州市2020—2035年生態(tài)環(huán)境質(zhì)量變化結(jié)果如表10所示,農(nóng)業(yè)生產(chǎn)用地轉(zhuǎn)化為草地、其他生態(tài)用地以及農(nóng)村生活用地和工礦生產(chǎn)用地轉(zhuǎn)化為農(nóng)業(yè)生產(chǎn)用地依舊是鄭州市生態(tài)環(huán)境質(zhì)量改善的主導(dǎo)因素,但其占比變?yōu)?5.40%,稍高于自然發(fā)展情景,而水域、草地及林地生態(tài)用地轉(zhuǎn)化為農(nóng)業(yè)生產(chǎn)用地也仍舊是導(dǎo)致鄭州市生態(tài)環(huán)境質(zhì)量惡化的主要原因,其占比為58.64%,要低于生產(chǎn)優(yōu)先情景。

表8 自然發(fā)展情景下2020—2035年鄭州市“三生空間”空間變化轉(zhuǎn)型及其生態(tài)貢獻(xiàn)率Table 8 Land use change transformation and ecological contribution rate of “Production-Living-Ecological" space in Zhengzhou from 2020 to 2035 under natural development scenario

表9 生產(chǎn)優(yōu)先情景下2020—2035年鄭州市“三生空間”空間變化轉(zhuǎn)型及其生態(tài)貢獻(xiàn)率Table 9 Land use change transformation and ecological contribution rate of “Production-Living-Ecological" space in Zhengzhou from 2020 to 2035 under production priority scenior

表10 生態(tài)保護(hù)情景下2020—2035年鄭州市“三生空間”空間變化轉(zhuǎn)型及其生態(tài)貢獻(xiàn)率Table 10 Land use change transformation and ecological contribution rate of “Production-Living-Ecological" space in Zhengzhou from 2020 to 2035 under ecological protection scenario

綜上所述,通過對比生態(tài)環(huán)境質(zhì)量指數(shù)和生態(tài)貢獻(xiàn)率發(fā)現(xiàn),生態(tài)保護(hù)情景下鄭州市的生態(tài)環(huán)境質(zhì)量水平發(fā)展較好,而自然發(fā)展情景下,鄭州市的生態(tài)環(huán)境質(zhì)量水平偏低,進(jìn)一步說明了隨著人們對生活質(zhì)量的要求越來越高,生活空間的需求也在不斷增加,但同時(shí)也帶來了土地需求量增加的問題,生態(tài)用地逐漸被占用,未來鄭州市生態(tài)環(huán)境保護(hù)也將成為重難點(diǎn)問題,因此應(yīng)該結(jié)合鄭州市實(shí)際情況與各項(xiàng)影響因素,合理規(guī)劃空間布局,為生態(tài)文明建設(shè)提供保障。

4 結(jié)論和討論

4.1 結(jié)論

本文將FLUS模型與生態(tài)環(huán)境效應(yīng)模型相結(jié)合,對鄭州市2010—2020年“三生空間”趨勢變化進(jìn)行分析研究,利用生態(tài)貢獻(xiàn)率對鄭州市生態(tài)環(huán)境質(zhì)量變化進(jìn)行定量分析,同時(shí)模擬自然發(fā)展、生產(chǎn)優(yōu)先、生態(tài)保護(hù)三種情景下2035年鄭州市“三生空間”格局分布,探索多情景下2035年鄭州市土地利用功能轉(zhuǎn)型對生態(tài)環(huán)境產(chǎn)生的影響,得出的結(jié)論如下:

(1)鄭州市2010—2020年“三生空間”中,生產(chǎn)空間分布最為廣泛,覆蓋面積最大,主要為耕地、水田和其他建設(shè)用地等,但其占地面積卻在不斷下降;生活空間中,城鎮(zhèn)生活用地主要分布在鄭州市中心城區(qū),而農(nóng)村生活用地則分散分布在各個(gè)區(qū)域,整體上生活空間的占地面積呈現(xiàn)不斷上升的趨勢;生態(tài)空間在”三生空間“中占比最小,且集中分布于鄭州市西南部和西部。從用地類型結(jié)構(gòu)轉(zhuǎn)化上來看,各用地類型主要向農(nóng)業(yè)生產(chǎn)用地轉(zhuǎn)化,但其總轉(zhuǎn)化面積要小于農(nóng)業(yè)生產(chǎn)用地向城鎮(zhèn)、農(nóng)村生活用地的轉(zhuǎn)化面積,因此,生活空間正在朝著不斷擴(kuò)張的趨勢發(fā)展。

(2)鄭州市生態(tài)環(huán)境質(zhì)量指數(shù)從2010年的0.3097持續(xù)降至2020年的0.3058,變化幅度不大,整體上其生態(tài)環(huán)境質(zhì)量水平中等。2010—2020年鄭州市生態(tài)環(huán)境質(zhì)量改善的主要原因是農(nóng)業(yè)生產(chǎn)用地向生態(tài)用地的轉(zhuǎn)化。而導(dǎo)致鄭州市生態(tài)環(huán)境質(zhì)量惡化的重要原因卻是農(nóng)業(yè)生產(chǎn)用地轉(zhuǎn)化為工礦生產(chǎn)和農(nóng)村、城鎮(zhèn)生活用地。由此可以看出,生態(tài)空間的擴(kuò)張將有助于城市生態(tài)環(huán)境質(zhì)量的改善。

(3)三種模擬情景中,2035年鄭州市“三生空間”格局分布基本保持一致,其中自然發(fā)展情景下,鄭州市生活空間占地面積增長了23.39%,生產(chǎn)和生態(tài)空間卻在下降,而生產(chǎn)優(yōu)先和生態(tài)保護(hù)情景中,鄭州市生產(chǎn)和生態(tài)空間的占地面積逐漸擴(kuò)張,生活空間面積逐漸縮減,分別下降了11.06%、12.58%。

(4)三種情景對比發(fā)現(xiàn),生態(tài)保護(hù)情景下2035年鄭州市生態(tài)環(huán)境質(zhì)量指數(shù)最高,其生態(tài)環(huán)境質(zhì)量水平也要較高于其他兩種情景。不同情景下導(dǎo)致鄭州市生態(tài)環(huán)境質(zhì)量改善或惡化的原因也不相同,自然發(fā)展情景下,生活空間擴(kuò)張速度加快,生態(tài)安全也將受到一定威脅,不利于“三生空間”的均衡發(fā)展;生產(chǎn)優(yōu)先情景下,農(nóng)業(yè)生產(chǎn)用地得到增長,生活空間增長速率受到限制,有利于耕地發(fā)展;生態(tài)保護(hù)情景下,水域、林地、草地和其他生態(tài)用地增長速率增加,為城市生態(tài)環(huán)境發(fā)展提供條件。

4.2 討論

根據(jù)本文研究結(jié)果顯示,鄭州市現(xiàn)有“三生空間”格局中生活空間突出,生態(tài)空間勢力微弱,生產(chǎn)空間受到擠壓。中心城區(qū)城鎮(zhèn)化較為明顯,產(chǎn)業(yè)蓬勃發(fā)展,人口集聚,經(jīng)濟(jì)發(fā)展迅速,形成由內(nèi)向外不斷外延的空間格局,農(nóng)村生活用地圍繞城鎮(zhèn)生活用地呈點(diǎn)狀分散分布,集聚現(xiàn)象并不明顯。受自然地形的影響,鞏義市、登封市等西部地區(qū)生態(tài)環(huán)境較好,生態(tài)綠地連片分布,北部黃河作為跨界屏障,以帶狀環(huán)繞,其中伊洛河、潁河等交錯(cuò)分布,生態(tài)空間部分靠近生產(chǎn)和生活空間的地區(qū),形態(tài)受其影響而零散破碎。生產(chǎn)空間中農(nóng)業(yè)生產(chǎn)用地,即耕地和水田占地面積最大,但由于近年來城市化加劇,耕地和水田也被大量占用。

自然發(fā)展情景下2035年鄭州市生態(tài)環(huán)境質(zhì)量出現(xiàn)了明顯的惡化趨勢,主要原因是城市生活用地占用農(nóng)業(yè)生產(chǎn)用地和水源,這與王慧麗的研究一致[38]。當(dāng)前的研究結(jié)果顯示,經(jīng)濟(jì)的快速增長將導(dǎo)致城市擴(kuò)張的加劇,這將擾亂“三生空間”的均衡分布,降低生態(tài)環(huán)境質(zhì)量。因此,減緩經(jīng)濟(jì)增長速度,控制城鄉(xiāng)之間的土地轉(zhuǎn)換,可以改善城市生態(tài)環(huán)境質(zhì)量,改善“三生空間”規(guī)劃模式。此外,城市人口的擴(kuò)張將改變生態(tài)環(huán)境,因此有必要合理控制人口增長速度,確保生態(tài)空間。并且,仍有許多因素將影響未來的城市“三生空間”和生態(tài)環(huán)境質(zhì)量,如政策[13]和交通[39],應(yīng)在未來展開深入的研究[40]。

本研究從土地利用類型相互轉(zhuǎn)化的角度分析了生態(tài)效應(yīng),而影響生態(tài)變化的因素還有很多,如地圖斑塊大小和景觀生態(tài)指數(shù)。在這些因素的影響下,生態(tài)環(huán)境將如何變化還有待研究。同時(shí)驅(qū)動(dòng)因子包括的范圍甚廣,文中只考慮重要的驅(qū)動(dòng)因素,政策、土壤等因素也屬于驅(qū)動(dòng)因子的范疇,在今后的研究中可將其加入研究以進(jìn)一步提高模擬精度。

結(jié)合本文的模擬結(jié)果和鄭州市實(shí)際空間規(guī)劃,提出相應(yīng)建議,為推動(dòng)實(shí)現(xiàn)鄭州市作為黃河流域生態(tài)保護(hù)和高質(zhì)量發(fā)展、建設(shè)國家中心城市的總目標(biāo),應(yīng)對其國土空間總規(guī)劃建設(shè)進(jìn)行科學(xué)設(shè)計(jì),充分認(rèn)識(shí)自身優(yōu)勢,彌補(bǔ)現(xiàn)有缺陷。同時(shí)加強(qiáng)人們對生態(tài)文明建設(shè)的思考,不斷提高城市生態(tài)環(huán)境質(zhì)量,從各個(gè)方面優(yōu)化城市生態(tài)環(huán)境格局,以此打造生態(tài)良好、生活適宜、生產(chǎn)集約高效的健康城市。