巢湖流域“三生”用地轉(zhuǎn)型與景觀破碎化分析

汪 慧，魯成樹，吳九興，劉錦洋

（安徽師范大學(xué) 地理與旅游學(xué)院，安徽蕪湖 241000）

黨的十八大以來，中央政府首次提出科學(xué)規(guī)劃“三生”用地開發(fā)管制邊界，劃定“三生”用地的分類體系，進(jìn)一步明確“三生”用地是生產(chǎn)用地、生活用地、生態(tài)用地的簡稱[1］。國內(nèi)外學(xué)者們通過將“三生”用地和生態(tài)環(huán)境相結(jié)合，研究“三生”用地轉(zhuǎn)型生態(tài)效應(yīng)的變化規(guī)律和時(shí)空演化，探索土地利用轉(zhuǎn)型背景下的區(qū)域生態(tài)環(huán)境演變規(guī)律，推動“三生”用地的合理配置和規(guī)劃布局。在研究尺度上，“三生”用地轉(zhuǎn)型生態(tài)效應(yīng)大多集中在全國[2］、省市[3］和城市群[4］等不同尺度，但對流域尺度的研究較少。在研究方法上，“三生”用地轉(zhuǎn)型生態(tài)效應(yīng)常用方法包括土地利用轉(zhuǎn)移矩陣[5］、景觀格局指數(shù)[6］、生態(tài)環(huán)境質(zhì)量指數(shù)[7］以及土地利用綜合動態(tài)度指數(shù)[8］等，但綜合運(yùn)用的研究較少。在研究對象上，大多以經(jīng)濟(jì)發(fā)展水平高、生態(tài)較為脆弱的地區(qū)作為典型研究區(qū)[9］?，F(xiàn)有研究在“三生”用地轉(zhuǎn)型生態(tài)效應(yīng)的定性分析和時(shí)空演化研究有很大進(jìn)展，但較少反映“三生”用地演化對生態(tài)環(huán)境的響應(yīng)狀況。因此，本文在流域尺度下，綜合運(yùn)用土地利用轉(zhuǎn)移矩陣和景觀格局指數(shù)法，基于土地利用分類體系將“三生”用地演化與景觀生態(tài)破碎化相銜接作為重要切入點(diǎn)，定量分析2000—2020年“三生”用地轉(zhuǎn)型對生態(tài)環(huán)境演變的響應(yīng)，為“三生”用地用途管制、人地協(xié)調(diào)發(fā)展和生態(tài)文明建設(shè)提供有益參考。

巢湖流域“三生”用地轉(zhuǎn)型生態(tài)效應(yīng)研究對于實(shí)施中部崛起戰(zhàn)略，探索合肥都市圈開發(fā)新路徑，調(diào)整優(yōu)化安徽省國土空間利用結(jié)構(gòu)，培育綠色發(fā)展新動能，具有重大的現(xiàn)實(shí)意義和歷史意義[10］。

1 研究區(qū)概況

1.1 地理位置和范圍

巢湖流域位于安徽省中部，地處東經(jīng)116°24′30″-118°00′00″和北緯30°58′40″-32°06′00″之間，面積1.96萬km2。巢湖流域呈東西長、南北窄狀分布，屬于長江水系，位于長江下游左岸，湖水主要靠地表徑流補(bǔ)給，其中湖區(qū)面積760km2。研究區(qū)覆蓋合肥市全域，蕪湖市無為市，馬鞍山市和縣和含山縣，六安市金安區(qū)和舒城縣，內(nèi)含4 市14 縣（區(qū)）223個鄉(xiāng)鎮(zhèn)（街道）。研究區(qū)范圍如圖1 所示。

圖1 研究區(qū)位置和范圍Fig.1 Location and scope of study area

1.2 社會經(jīng)濟(jì)狀況

巢湖流域是安徽省具有發(fā)展生機(jī)和潛力的區(qū)域，2020年國內(nèi)生產(chǎn)總值共計(jì)11626.72 億元，比上一年度增長6.39%。戶籍人口1176.29 萬人，人口密度為597.10 人/km2，人口眾多且集中，城鎮(zhèn)化水平較高。研究區(qū)2020年一產(chǎn)值增加512.96億元，二產(chǎn)值增加4105.56億元，三產(chǎn)值增加6765.02億元，三次產(chǎn)業(yè)結(jié)構(gòu)比例為4.51:36.07:59.42。

2 數(shù)據(jù)來源與研究方法

2.1 數(shù)據(jù)來源

巢湖流域2000—2020 年三期土地使用數(shù)據(jù)來源于Globeland30，并結(jié)合主流土地利用分類，將其分為耕地、林地、草地、水域、建設(shè)用地和未利用地。數(shù)字高程模型（DEM）數(shù)據(jù)來源于PIE-Engine 遙感計(jì)算云服務(wù)平臺(https://engine.piesat.cn/engine-studio)，空間分辨率為30m；社會經(jīng)濟(jì)指數(shù)等有關(guān)統(tǒng)計(jì)資料來自研究區(qū)2000—2020年的安徽省統(tǒng)計(jì)年鑒及合肥市、六安市、蕪湖市、馬鞍山市統(tǒng)計(jì)年鑒及各地的經(jīng)濟(jì)社會發(fā)展公報(bào)。

2.2 研究方法

結(jié)合現(xiàn)有研究成果和土地利用分類標(biāo)準(zhǔn)，提出巢湖流域地區(qū)的“三生”分類和主導(dǎo)功能，結(jié)合巢湖流域的實(shí)際情況進(jìn)行了修改，最終得到研究區(qū)“三生”用地分類體系（表1）。

表1 “三生”用地主導(dǎo)功能識別及分類體系Table 1 Identification and classification system of leading function of production-living-ecological land

2.2.1 土地利用轉(zhuǎn)移矩陣 土地利用轉(zhuǎn)型矩陣是研究土地利用變化的主要方法，它將相同區(qū)域不同時(shí)期的土地利用類型動態(tài)轉(zhuǎn)化用矩陣的形式表現(xiàn)，可以作為土地利用方向變化和結(jié)構(gòu)分析的基礎(chǔ)，能夠反映土地利用的結(jié)構(gòu)特征和用地功能變化。土地利用轉(zhuǎn)移矩陣的數(shù)學(xué)表達(dá)式為

式中：S表示地類面積；n表示地類數(shù)量；Sij表示i地類轉(zhuǎn)換成j地類的面積。

2.2.2 景觀格局指數(shù)法 景觀格局是以不規(guī)則形狀的自然因素和干擾強(qiáng)的人為因素疊加的分布，不僅反映了景觀斑塊的異質(zhì)性，也體現(xiàn)了在不同尺度上人為干擾活動對生態(tài)環(huán)境的影響過程所產(chǎn)生的變化[11］。為更好地探索巢湖流域“三生”用地轉(zhuǎn)型生態(tài)效應(yīng)的時(shí)空演變規(guī)律，利用Fragstats4.2軟件，從景觀水平角度來分析生活用地、生產(chǎn)用地和生態(tài)用地的景觀格局變化情況，進(jìn)而揭示“三生”用地轉(zhuǎn)型對生態(tài)環(huán)境的響應(yīng)。

借鑒已有的研究成果，綜合考慮研究區(qū)斑塊的面積、形狀、聚集性和多樣性四個方面，對“三生”用地景觀破碎化進(jìn)行測算。因此，以巢湖流域“三生”用地為研究單元，在景觀水平（Landscape level)上選取景觀面積（TA）、斑塊數(shù)量(NP)、斑塊密度(PD)、最大斑塊指數(shù)（LPI)、景觀形狀指數(shù)（LSI）、斑塊聚集度指數(shù)（AI）六種景觀指數(shù)。在研究區(qū)整體景觀水平（Landscape Level）上選取斑塊數(shù)量(NP)、斑塊密度(PD)、香農(nóng)多樣性指數(shù)（SHDI）、香農(nóng)均度指數(shù)（SHEI）、斑塊聚集度指數(shù)(AI)、蔓延度指數(shù)（CONTAG)六種指數(shù)來揭示景觀空間格局的破碎度和復(fù)雜性[12］。

3 結(jié)果分析

3.1 巢湖流域“三生”用地現(xiàn)狀分析

基于本文的“三生”用地分類標(biāo)準(zhǔn)，借助ArcGIS10.5的重分類功能，繪制出研究區(qū)2000—2020年“三生”用地利用空間分布圖（圖2）。

圖2 巢湖流域2000—2020年“三生”用地利用空間分布圖Fig.2 Spatial distribution of production-living-ecological land use in Chaohu Lake Basin from 2000 to 2020

3.2 巢湖流域“三生”用地轉(zhuǎn)移分析

3.2.1 “三生”用地?cái)?shù)量、結(jié)構(gòu)變化 根據(jù)前人分類基礎(chǔ)所得的“三生”用地體系，從Globeland30 平臺上獲取的巢湖流域“三生”用地一級分類面積（表2），結(jié)果顯示：研究區(qū)2000 年生產(chǎn)用地、生活用地、生態(tài)用地其總面積分別為13819.86km2、1654.00km2、4088.91km2，占 比 分 別 為70.64%、8.45%、20.91%。2000 年研究區(qū)以生產(chǎn)用地為主，生態(tài)用地占比約1/5，而生活用地占比最少；2000 年到2010 年，研究區(qū)生產(chǎn)用地減少了359.15km2，與2000年相比占比減少了1.83%，生態(tài)用地增加了76.13km2，占比增加了0.38%，生活用地增加了283.02km2，占比增加了1.45%；2010—2020 年與2000—2010 年相比生活用地和生態(tài)用地的面積及占比均有所上升，但生產(chǎn)用地的面積及占比大幅度下降，其中生產(chǎn)用地減少了200.33km2，與2010 年相比占比減少了1.03%，生態(tài)用地增加了62.33km2，占比增加了0.32%，生活用地增加了138km2，占比增加了0.71%。從生產(chǎn)、生活、生態(tài)三個一級類看，生產(chǎn)用地所占比重始終是最大的，生態(tài)用地所占比重次之，而生活用地是這一時(shí)期主要增加的用地類型，生活用地和生態(tài)用地的面積不斷增加，但以生活用地的增長為主，生態(tài)用地面積增長速度較上一時(shí)期明顯減緩[13］。

表2 2000-2020年巢湖流域“三生”用地面積及比例變化Table 2 Changes in area and proportion of production-living-ecological land in Chaohu lake basin from 2000 to 2020

3.2.2 “三生”用地轉(zhuǎn)移方向及規(guī)律 為進(jìn)一步探討“三生”用地轉(zhuǎn)移方向及規(guī)律，基于各時(shí)序土地利用轉(zhuǎn)移矩陣（表3、表4）和“三生”用地空間轉(zhuǎn)移分布圖（圖3），結(jié)果表明：2000—2010年，耕地面積的增加主要由林地、水域和建設(shè)用地轉(zhuǎn)入，其中林地生態(tài)用地向耕地生產(chǎn)用地轉(zhuǎn)移量最大，說明巢湖流域此期間毀林開荒比較嚴(yán)重。此期間研究區(qū)“三生”用地轉(zhuǎn)換以生產(chǎn)用地轉(zhuǎn)為生活用地為主，主要集中在中部地區(qū)，局部分布在西北部和東部，可以看出研究區(qū)受到行政區(qū)劃調(diào)整和國家特大城市建設(shè)影響，居民點(diǎn)和農(nóng)業(yè)用地面積不斷減少，建設(shè)用地面積持續(xù)增加，城市化進(jìn)程加快。雖然生態(tài)用地和生產(chǎn)用地交互轉(zhuǎn)化尤為明顯，生態(tài)用地轉(zhuǎn)為生產(chǎn)用地主要集中在整個中東部地區(qū)，且少數(shù)斑塊分布在西部地區(qū)，但林地生態(tài)用地、草地生態(tài)用地向耕地生產(chǎn)用地的轉(zhuǎn)移量明顯高于其侵占量，說明巢湖流域范圍內(nèi)的市縣在實(shí)施退耕還林還草的過程中，“治理”“發(fā)生”與“復(fù)發(fā)”同時(shí)存在[14］。

表3 2000—2010年巢湖流域土地轉(zhuǎn)移矩陣/km2Table 3 Land transfer matrix of Chaohu lake basin from 2000 to 2010/km 2

表4 2010—2020年巢湖流域土地轉(zhuǎn)移矩陣/km2Table 4 Land transfer matrix of Chaohu lake basin from 2010 to 2020/km 2

圖3 巢湖流域“三生”用地空間轉(zhuǎn)移分布Fig.3 Spatial transfer distribution of production-living-ecologica land in Chaohu lake basin

2010—2020年，這一時(shí)期主要是生產(chǎn)用地轉(zhuǎn)化為生活用地，主要分布在中部地區(qū)，并在研究區(qū)北部和東部均有分布。耕地生產(chǎn)用地主要轉(zhuǎn)化為建設(shè)用地生活用地，其中耕地向建設(shè)用地轉(zhuǎn)移量最大，為724.45km2，但耕地也向林地轉(zhuǎn)移了134.18km2，表明隨著皖中城市帶的建設(shè)，城市建設(shè)用地建設(shè)加快，但受退耕還林政策的進(jìn)一步落實(shí)，林地生態(tài)用地不斷減少的趨勢得到控制。值得關(guān)注的是2000—2010 年水域面積為1194.1km2，而從2010—2020年的土地轉(zhuǎn)移矩陣可以看出，水域面積為1024.38km2，減少了14.21%，表明巢湖流域水體資源保護(hù)仍需重視，提高水域面積是安徽省長久發(fā)展目標(biāo)，要做好資源節(jié)約和集約利用規(guī)劃。結(jié)合前文可知，近十年來巢湖流域的生活用地不斷增加、林地生態(tài)用地持續(xù)增加、水域生態(tài)用地減少，其主要原因是這一時(shí)期城市化進(jìn)程加快，工業(yè)化發(fā)展加速，草地、水域、林地和未利用地向建設(shè)用地不斷轉(zhuǎn)化，建設(shè)用地面積不斷增加。同時(shí)，研究區(qū)重視退耕還林還湖使得林地生態(tài)用地減少的趨勢得到遏制，但仍需關(guān)注生態(tài)修復(fù)問題，特別是巢湖流域水域資源的保護(hù)。

3.3 “三生”用地的景觀格局變化分析

3.3.1 “三生”用地景觀指數(shù)分析 針對研究區(qū)域的自然經(jīng)濟(jì)特征及現(xiàn)實(shí)需要，在景觀水平上，各選取6個具有代表性的指數(shù)，再利用Fragstats4.2 軟件進(jìn)行計(jì)算后導(dǎo)出到Excel 中，從而得出對巢湖流域2000年、2010 年 和2020 年的景觀格局分析所需的指數(shù)[15］。從“三生”用地的生產(chǎn)用地、生活用地和生態(tài)用地三方面來分析巢湖流域的景觀破碎化，具體數(shù)據(jù)見表5、表6。

表5 2000—2020年巢湖流域“三生”用地類型景觀格局指數(shù)變化Table 5 Changes in landscape pattern index of production-living-ecological land types in Chaohu lake basin from 2000 to 2020

表6 2000—2020年巢湖流域景觀格局指數(shù)變化Table 6 Changes of landscape pattern index in Chaohu lake basin from 2000 to 2020

從斑塊水平特征分析可知，“三生”用地中生態(tài)用地的景觀面積、斑塊數(shù)量是最高的，其次是生活用地，最后是生產(chǎn)用地，其中生態(tài)用地2000—2020 年景觀面積TA 持續(xù)增加，從2000 年的4090.39km2到2020年的4228.92km2，增加了138.53km2，這說明生態(tài)用地的地類最為破碎，受人類活動影響最大。從斑塊密度看，生活用地和生態(tài)用地所占比重較大，生產(chǎn)用地占比最小。但生活用地的斑塊密度持續(xù)下降了46.25%，生態(tài)用地的斑塊密度在2000—2010年上升293.2個/km2，2010—2020年斑塊密度下降210.99個/km2，從整體看，“三生”用地中生態(tài)用地的斑塊密度最大，林地生態(tài)用地、水域生態(tài)用地、草地生態(tài)用地等面積都呈現(xiàn)不斷增加趨勢，說明研究區(qū)近些年來響應(yīng)國家號召重視生態(tài)環(huán)境的修復(fù)。從最大斑塊所占景觀面積比例看，生產(chǎn)用地仍占主導(dǎo)，但比例逐年下降，從2000 年的98.12%到2020 年的88.26%，減少了9.86%。相比之下，生活用地和生態(tài)用地的比重不斷上升，說明研究區(qū)開始從生產(chǎn)用地為主的發(fā)展模式轉(zhuǎn)向生活用地和生態(tài)用地均衡發(fā)展，從重心發(fā)展農(nóng)業(yè)到向建設(shè)用地傾斜，生態(tài)功能始終是研究區(qū)生產(chǎn)的底色。

通過對研究區(qū)景觀水平指標(biāo)的測算，2000—2010 年，巢湖流域的斑塊數(shù)量由2000 年的34274.00 個到2010 年的47887.00 個，在近十年間增加了13613.00 個；斑塊密度PD 由2000 年的175.14 個/km2到2010 年的244.70 個/km2，升高了69.56 個/km2。這說明巢湖流域的景觀破碎化程度增高，體現(xiàn)了巢湖流域在2000 年、2010 年中人為行為使景觀異質(zhì)性增大的影響。而蔓延度指數(shù)CONTAG 則是由2000 年的71.50%降低到2010年70.47%，由于兩者存在負(fù)相關(guān)性，二者可以統(tǒng)一說明在2000—2010年，巢湖流域的景觀破碎化加劇。從景觀多樣性和異質(zhì)性角度看，香農(nóng)多樣性指標(biāo)SHDI、香農(nóng)均勻度指標(biāo)SHEI從0.92到0.97，從0.48到0.50，分別增加了0.05、0.02，說明巢湖流域景觀的多樣性和異質(zhì)性得到提升，這可能是受到農(nóng)作物種植、人口增長、城市建設(shè)等人為影響加劇導(dǎo)致的。但是由于SHEI值始終不高，說明研究區(qū)景觀均勻程度不高，并且受耕地和水域?qū)φw景觀影響作用較大。2010—2020年，巢湖流域的斑塊數(shù)量、斑塊密度、蔓延度指數(shù)均減少，而香農(nóng)多樣性指數(shù)、香農(nóng)均勻度指數(shù)和聚集度指數(shù)均增加，說明研究區(qū)生態(tài)破碎度加大，人類活動對生態(tài)風(fēng)險(xiǎn)干擾加強(qiáng)。

3.3.2 生態(tài)景觀破碎度分析 如表7 所示，2000—2020 年，巢湖流域景觀多樣性指數(shù)、景觀破碎度指數(shù)均呈上升趨勢，其中景觀多樣性指數(shù)從2000年的0.9246 上升到2020 年的1.0071，上升了8.25%。景觀破碎度指數(shù)從2000年的2.0622上升到2020年的2.7237，上升了32.08%。而巢湖流域的景觀分離度指數(shù)呈現(xiàn)先下降后上升的趨勢。2000—2010 年由1.2091 到1.2071，下降了0.0020；2010-2020 年由1.2071 到1.2393，上升了0.0322。景觀分離度和破碎度指數(shù)的增加說明區(qū)域“三生”用地在空間結(jié)構(gòu)和距離上趨于分散，表明地類景觀格局的變化受自然條件影響較小，主要是受人類活動的干擾。

表7 巢湖流域景觀格局指數(shù)法Table 7 Landscape pattern index method of Chaohu lake basin

4 結(jié)論

本文以巢湖流域?yàn)檠芯繀^(qū)，利用2000、2010、2020年3期土地利用數(shù)據(jù)，對“三生”用地變化規(guī)律及空間分布進(jìn)行探索，依據(jù)景觀水平法和景觀破碎化指數(shù)法，分析了研究區(qū)景觀破碎化的多樣性、分離性、聚集性、破碎性。得到主要結(jié)論如下：

（1）“三生”用地結(jié)構(gòu)演化和分布差異明顯。從結(jié)構(gòu)看，研究區(qū)“三生”用地生產(chǎn)用地占比一半以上，生態(tài)用地面積約占總體的1/5，生活用地最少。農(nóng)業(yè)生產(chǎn)用地和水域生態(tài)用地占研究區(qū)總面積比例超65%，總體上均有所增加，是研究區(qū)最主要的兩大“三生”用地類型?！叭庇玫刂猩鷳B(tài)用地面積持續(xù)增加，林地生態(tài)用地增長尤為明顯，2010—2020年較上一時(shí)期面積增加10.73%，說明巢湖流域退耕還林措施得到進(jìn)一步落實(shí)。

（2）整體以生產(chǎn)用地向生活用地轉(zhuǎn)化為主，生態(tài)用地和生產(chǎn)用地交互轉(zhuǎn)化為輔。2000—2010年林地生態(tài)用地、水域生態(tài)用地和建設(shè)生活用地向耕地生產(chǎn)用地轉(zhuǎn)移了655.76km2，2010—2020年耕地生產(chǎn)用地向建設(shè)生活用地轉(zhuǎn)移724.45km2。生態(tài)用地和生產(chǎn)用地的相互轉(zhuǎn)型尤為顯著，但耕地生產(chǎn)用地向林地、草地生態(tài)用地的轉(zhuǎn)移量明顯不抵對其侵占量。說明研究區(qū)2000—2010年退耕還林還草成效不顯著，2010—2020年隨著皖中城市帶的建設(shè)，城市建設(shè)用地增加較快，但受退耕還林還草政策的進(jìn)一步落實(shí)，林地和水域生態(tài)用地遞減趨勢得到控制。

（3）景觀破碎度整體上呈現(xiàn)倒U型演化趨勢。在景觀指數(shù)變化方面，“三生”用地中生態(tài)用地的斑塊數(shù)量最高，生活用地次之，最后是生產(chǎn)用地，說明生態(tài)用地類最破碎，景觀破碎度大。2000—2010年巢湖流域的斑塊數(shù)量、斑塊密度、香農(nóng)多樣性指數(shù)均增加，景觀破碎度較小，說明這一時(shí)期內(nèi)研究區(qū)巢湖流域注重發(fā)展生態(tài)，主要發(fā)生在合肥市區(qū)、肥東縣、肥西縣、六安市金安區(qū)和舒城縣境內(nèi)，尤其合肥市區(qū)自1992 年獲得國家“園林城市”榮譽(yù)稱號后，園林綠化建設(shè)工作力度不斷加強(qiáng)。2010—2020年，巢湖流域的斑塊數(shù)量、斑塊密度、蔓延度指數(shù)均減少，而香農(nóng)多樣性指數(shù)、香農(nóng)均勻度指數(shù)和聚集度指數(shù)均增加。由此可知，巢湖流域是皖江城市帶的主戰(zhàn)場，近十年巢湖流域受多次行政區(qū)劃調(diào)整和國家特大城市建設(shè)影響導(dǎo)致研究區(qū)生態(tài)破碎度加大，人類活動對生態(tài)風(fēng)險(xiǎn)干擾加強(qiáng)。