三生视角下的土地利用转型及其生态环境效应_吴浩.pdf

土地利用转型是指一段历史时期内，土地利用资源数量分布结构和空间结构的不断变化与国民经济和政治社会的持续发展实现阶段性的转型相互对应的一个过程1。近年来诸多学者围绕土地利用转型的理论与三生视角下的土地利用转型及其生态环境效应摘要：以北京市顺义区为例，通过建立“三生空间”视角下的土地利用转移矩阵、重心转移模型、生态贡献率等方法，推演顺义区近20年“三生空间”土地利用功能转型的时空演变模式及其生态环境效应。结果表明：研究期间，研究区生活空间面积先增后减，增幅达到50.97%；生态空间面积持续大幅下降，降幅达到50.39%；生产空间面积处于波动状态，总体增幅达到44.44%；草地生态用地转出面积最多，城镇、农村生活用地转入面积最多。研究区生产空间重心转移距离最大，其次是生态空间重心，生活空间重心转移距离最小。研究区生态环境质量指数呈波动趋势，整体质量有所下降，大量草地、林地等生态用地被生态价值相对较低的农业生产用地占用是恶化的主要原因。研究期间，研究区生态环境呈恶化趋势，但2006年以后恶化趋势有所放缓，表明研究区的生态保护环境政策初显成效。提高土地利用效率，减少生态用地占用是持续改善研究区生态环境质量的首要任务。关键词：“三生空间”；土地利用功能转型；重心转移模型；生态环境质量；顺义区中图分类号：P208文献标志码：B文章编号：1672-4623（2023）03-0080-06Land-use Transition and It s Eco-environmental Effects from the Perspective of“Production-Ecological-Living Space”WU Hao1,2,WANG Yanhui1,2,ZHANG Yu ang1,YIN Duoduo1,2,SHI Dong1,2(1.College of Resources Environment and Tourism,Capital Normal University,Beijing 100048,China;2.Key Laboratory of 3D InformationAcquisition andApplication,Ministry of Education,Capital Normal University,Beijing 100048,China)Abstract:Taking Shunyi District of Beijing for example,through establishing land-use transfer matrix,gravity center transfer model,ecologicalcontribution rate and other methods from the perspective of“Production-Ecological-Living Space”,we deduced the spatio-temporal evolutionpattern and eco-environmental effect of“Production-Ecological-Living Space”land-use function transition in Shunyi District in the past 20 years.The results showed that within the period of this study,the area of living land in the study area increased firstly and then decreased,with an in-crease of 50.97%.The area of ecological land continued to decline sharply,with a decrease of 50.39%.The area of production land fluctuated,withan overall increase of 44.44%.The transferred out area of grasslandecologicallandwasthelargest,andthetransferredareaofurbanandrurallivinglandwerethelargest.Thetransferdistanceofgravitycenterintheproductionspacewasthelargest,followedbythegravitycenterintheecologicalspace,and the gravity center in the living space was the smallest.The ecological quality index of study area showed a fluctuating trend,and theoverall quality had decreased.The occupation of forest and grassland ecological land with high relative ecological value index by agricultural pro-duction land was the main factor affecting the severe ecological environment quality of the study area.During the study period,the trend of eco-logical deterioration in the study area was significantly greater than the trend of ecological improvement,but the deterioration trend slowed down af-ter 2006,indicatingthattheecologicalprotectionandenvironmentalpoliciesinthestudyareaarebeginningtoshowresults.Improvingland-useeffi-ciencyandreducingtheoccupation of ecologicalland is the primary task to continuously improve the ecologicalqualityof the study area.Key words:“Production-Ecological-Living Space”,land-use function transition,gravity center transfer model,eco-environmental quality,ShunyiDistrict收稿日期：2021-10-18；修回日期：2021-12-21。项目来源：国家自然科学基金资助项目（41771157）；国家重点研发计划资助项目（2018YFB0505400）；北京市长城学者资助项目（CIT&TCD20190328）。第一作者简介：吴浩（1995），硕士研究生，主要研究方向为环境科学与资源利用技术研究和地理信息系统应用，E-mail：。通信作者：王艳慧（1977），教授，博士生导师，主要研究方向为GIS方法与应用、多尺度空间数据库系统及其更新、LBS位置服务系统，E-mail：。引文格式：吴浩,王艳慧,张宇昂,等.三生视角下的土地利用转型及其生态环境效应J.地理空间信息,2023,21(3):80-85.doi:10.3969/j.issn.1672-4623.2023.03.017Mar.,2023Vol.21,No.3地 理 空 间 信 息GEOSPATIAL INFORMATION2023 年 3 月第21卷第 3 期（1.首都师范大学 资源环境与旅游学院，北京 100048；2.首都师范大学 三维信息获取与应用教育部重点实验室，北京 100048）吴浩1,2，王艳慧1,2*，张宇昂1，银朵朵1,2，时东1,2第21卷第3期假说2、时空特征3、模式4、框架5等方面展开了大量研究。土地利用可分为生产、生活、生态（“三生空间”）三大主导功能，三者之间的相互转换是土地利用转型的主要表现形式之一6。基于“三生空间”的土地利用主导功能体系既强调了土地利用的功能特性，又兼顾了土地利用的生态作用。以土地的主体功能为出发点，兼顾其他功能，分析土地利用功能与土地利用类型的辨证关系7，建立“三生空间”用地分类体系，可为研究土地利用功能转型及其生态环境效应提供新视角8。因此，探索“三生空间”土地利用功能转型及其引发的生态环境变化，对于优化“三生空间”布局，统筹把握“三生空间”发展，制定土地利用优化配置政策，稳步推动生态文明建设，具有重要理论和现实意义9-10。顺义区是首都北京的国门空港城区，不仅是居民休憩娱乐之地，也是国事外交活动的优选之地，需要具备更优美的环境和更高的文化品位11。在北京城市总体规划（20162035）中，顺义区不仅是北京未来发展中疏解城区人口密度的重要区县，还是未来北京成为蓝绿交织、水城共融的生态城市的重要一环。因此，研究顺义区“三生空间”的土地利用功能变化及生态环境效应具有重要价值。本文从“三生空间”角度切入，以顺义区 4 期遥感影像数据为基础，通过建立土地利用转移矩阵、重心转移模型、生态贡献率等方法，分析了顺义区近20年“三生空间”视角下土地利用功能转型的时空演变模式及其生态环境效应，以期为顺义区国土资源开发与生态环境保护的协调发展提供借鉴思路。1研究区概况与研究方法1.1研究区概况顺义区坐落于北京市东北方向，总面积为1 021 km2，地理 范 围 为 40004018N、11628 11658E。境内多平原，面积占比为 95.70%，包含大小河道20余条；地势北高南低，东北边界屏障燕山最高海拔为637 m，境内最低海拔为24 m。顺义区在商品粮基地、生态功能区和工业发展区等方面均扮演重要角色。1.2数据与预处理1.2.1基础地理数据与预处理本文选取顺义区 1998 年、2006 年、2012 年和2018年的Landsat5和Landsat8卫星遥感影像（30 m分辨率）来监测研究区土地利用变化。为避免季节因素带来的干扰，特选取夏季晴朗无云且相近的日期，该数据从地理空间数据云（http:/ 85%以上，满足研究要求。1.2.2“三生空间”土地利用分类科学划分“三生空间”是研究的重要一环12，参考张红旗13等、高星10等、秦泗刚14的相关研究，本文将二级土地利用类型与“三生空间”一一对应，以土地利用的主导功能为依据，确定“三生空间”的分类体系，基于专家评分建立土地利用类型与区域生态环境质量的关联关系，衡量研究区各二级地类的相对生态价值（表1）。1.3研究方法1.3.1土地利用转移矩阵土地利用转移矩阵主要源自马尔科夫模型中关于体系的状态和状态转移关系的一个定量性描写15。其表达式为：表1“三生空间”土地利用功能划分及其生态环境质量指数“三生空间”土地利用功能分类一级地类生产用地生态用地生活用地二级地类农业生产用地林地生态用地草地生态用地水域生态用地其他生态用地城镇生活用地农村生活用地土地利用分类系统的二级分类旱地、水田灌木林地、有林地、疏林地、其他林地高覆盖度草地、中覆盖度草地、低覆盖度草地河渠、湖泊、滩涂、滩地、水库坑塘沙地、盐碱地、沼泽地、裸土地、裸岩石质地城镇用地农村居民点相对生态价值指数0.300.850.770.580.030.200.20吴浩等：三生视角下的土地利用转型及其生态环境效应81地理空间信息第21卷第3期Sij=|S11S12 S1xS21S22 S2x Sn1Sx2 Snn（1）式中，S为面积；i、j分别为早期和晚期卫星遥感图像；n为土地利用类型的数量。1.3.2土地利用功能重心转移模型将人口分布重心原理应用于土地利用，构建土地利用功能重心转移模型16。其表达式为：Xt=i=1n（SkiXk）i=1nSkiYt=i=1n（SkiYk）i=1nSki（2）式中，Xt、Yt分别为某一“三生空间”类型重心坐标（经纬度）；n为该“三生空间”类型的土地利用类型数量；Xk、Yk分别为第k个评价单元的新坐标（经纬度）；Ski为第k个评价单元第i类土地利用类型的面积。设 第t、t+1年 的 重 心 分 别 为Qt(X,Y)和Qt+1(Xt+1,Yt+1)，则相邻年份的重心转移距离为：L=(Xt+1-Xt)2+(Yt+1-Yt)2（3）1.3.3生态环境效应生态环境效应有正有负，分别表征各种影响因素对改善生态环境质量的促进或抑制作用。本文借鉴黄天能9等的方法，通过生态环境质量指数与生态贡献率来探究土地利用功能转化对生态环境变化的影响水平。1）生态环境质量指数是定量表示研究区生态环境质量情况的综合指数。其表达式为：EVt=i=1nSiTAVi（4）式中，EVt为第t年的区域生态环境质量指数；n为研究区内土地利用类型的总数量；Si和TA为研究区内第t年第i种土地利用类型的面积和区域总面积；Vi为第i种土地利用类型的相对生态价值指数。2）生态贡献率用以表征某一土地利用类型改变对生态环境质量所产生的影响，负值代表环境恶化，正值代表环境改善。其表达式为：LEI=(LEt+1-LEt)STA（5）式中，LEt+1、LEt分别为某一土地利用类型在t+1和t时期的生态环境质量指数；S为该土地利用变化类型的面积；TA为区域总面积。2评价结果与分析2.1顺义区“三生空间”土地利用面积变化情况分类结果如图1和表2所示，可以看出，顺义区20年间“三生空间”分布发生了显著变化，具体特点为：1）20年间生态空间面积持续减少，由491.27 km2减至 243.71 km2，降幅达到 50.39%。其中，19982006 年面积减少幅度较大，面积减少了将近 1/3；20062018年减少幅度有所放缓，由此可推断顺义区已开始着手治理生态环境。2）19982018年生产空间面积起伏不定，但总体呈增加趋势，共增加了 108.76 km2，增幅达到44.44%。其中，19982006 年生产空间面积有所增加，20062012年面积呈下降趋势，20122018年面积大幅增加了127.58 km2。该结果与近年来顺义区大力建设城市型农业绿色发展格局密切相关，累计建成高标准农田24万亩，扩大了生产用地面积。3）19982018年生活空间面积先增后减，总体增加了138.83 km2，增幅达到50.97%。其中，19982012年生活空间面积大幅增加，共增加了192.81 km2；20122018年面积稍有回落，减少了53.98 km2。由于工业化、城镇化的快速推进，顺义区生活用地需求增加，生态用地不断转化为生活用地，土地供需矛盾加剧。图例农业生产用地生态用地城镇、农村生活用地010 kmN2018年1998年2006年2012年图119982018年顺义区“三生空间”土地利用现状图表219982018年顺义区“三生空间”各用地类型面积/km2用地类型生产用地生活用地生态用地1998年244.72272.38491.272006年306.87368.12333.382012年225.90465.19317.272018年353.48411.21243.712.2土地利用功能结构转型本文分别构建了研究区20年间4个时段的土地利82第21卷第3期用转移矩阵，以期进一步揭示研究区“三生空间”视角下的土地利用功能演变过程和演变特征。结果如表3、4所示，可以看出，19982006年草地转出面积最大，共计336.08 km2，占生态空间转出总面积的75.77%，在草地转入为其他用地的面积中，农业生产用地占比最大（37.86%）；20062012年农业生产用地转出面积最大，其中92.73 km2转移为城镇、农村生活用地，69.36 km2转移为林地生态用地；20122018年城镇、农村生活用地面积有98.46 km2转移为农业生产用地，林地生态用地面积有88.77 km2转移为农业生产用地。19982006年草地的大量流失是导致生态空间面积急剧下降的最重要因素，由于农业生产用地和生活用地对生态用地的侵占，导致研究区生态系统遭到破坏，生态承载问题日显突出。表319982018年顺义区“三生空间”土地利用转移矩阵/km2农业生产用地林地生态用地草地生态用地水域生态用地其他生态用地城镇、农村生活用地19982006年农业生产用地102.0228.87127.254.134.6040.00林地生态用地25.877.9933.032.061.7212.44草地生态用地8.843.1713.092.340.639.02水域生态用地28.6810.0738.925.032.0622.17其他生态用地24.789.4836.561.8621.6211.97城镇、农村生活用地54.5320.44100.3213.382.67176.7820062012年农业生产用地103.3724.517.4627.5123.1139.93林地生态用地69.3621.446.5320.2524.8744.89草地生态用地39.5010.605.4310.808.3517.20水域生态用地1.340.591.932.290.702.78其他生态用地0.560.320.430.1621.370.68城镇、农村生活用地92.7325.6415.3045.9222.93262.6520122018年农业生产用地121.0288.7744.370.200.6298.46林地生态用地21.9222.8310.780.200.2820.27草地生态用地30.1327.4316.112.120.8534.26水域生态用地0.040.030.304.680.000.24其他生态用地8.839.304.340.0225.663.11城镇、农村生活用地43.9738.9915.972.401.04308.83表41998年、2018年顺义区“三生空间”土地利用转移矩阵/km21998年农业生产用地林地生态用地草地生态用地水域生态用地其他生态用地城镇、农村生活用地合计2018年农业生产用地107.1533.04146.756.036.0254.46353.45林地生态用地22.547.4029.262.141.1713.7776.28草地生态用地29.999.8344.073.202.2921.50110.88水域生态用地0.190.160.893.430.010.605.28其他生态用地9.824.2212.580.5620.543.5651.28城镇、农村生活用地75.0425.37115.6113.443.27178.79411.52合计244.7380.02349.1628.8033.30272.681 008.692.3土地利用功能重心转移以顺义区乡（镇）级行政区为基本单元，以行政区几何中心为评价单元中心，根据式（2）计算得到不同年份各功能用地的重心，进而绘制1998年以来各功能用地的重心动态演化图（图2），并根据式（3）计算重心转移距离。研究期间顺义区生产空间重心均落在几何重心北方，20年间向东北方向偏移了3.23 km，偏移距离最大；生态空间重心均落在几何重心东北方，20年间向西北方向偏移了 1.70 km；生活空间重心均落在几何重心西南方，20 年间向东北方向 偏 移 了0.38 km，偏移距离最小，距区政府最近。结合上述结果，可以推测顺义区主要粮食生产区域位于北方，且为了保证粮食产量，北部和东部的农业生产用地面积还在增加，大量草地林地转移为农业生产用地，使得生产空间重心东移，生态空间重心西移；而顺义区西南片区由于市中心辐射以及首都机场的兴建，已面临无地可用的局面，且随着近年政策对新农村建设的重视，顺义区东部和北部的新城镇化进程加快，使得生活空间重心逐渐向东北方向偏移。2.4土地利用功能转型的生态环境效应本文利用式（4）计算得到顺义区1998年、2006年、2012年、2018年的生态环境质量指数分别为0.478、0.327、0.394、0.340，1998年达到顶点，2006年达到最低点。该指数呈现上下波动趋势，说明研究区内部环境系统的结构和功能发生了许多变化，带来的影响有正有负。本文根据式（5）计算得到生态贡献率，进一步探究各土地利用类型转化对顺义区生态环境带来的影响（表5）。通过对比分析可知，顺义区大面积吴浩等：三生视角下的土地利用转型及其生态环境效应83地理空间信息第21卷第3期表519982018年顺义区“三生空间”主要功能地类转移类型及其贡献率生态环境效应生态环境正效应小计-生态环境负效应小计-主要土地利用变化类型其他生态用地-农业生产用地其他生态用地-林地生态用地其他生态用地-草地生态用地其他生态用地-城镇、农村生活用地农业生产用地-林地生态用地农业生产用地-草地生态用地农业生产用地-水域生态用地城镇、农村生活用地-林地生态用地城镇、农村生活用地-草地生态用地城镇、农村生活用地-水域生态用地城镇、农村生活用地-农业生产用地水域生态用地-农业生产用地水域生态用地-其他生态用地水域生态用地-城镇、农村生活用地农业生产用地-城镇、农村生活用地农业生活用地-其他生态用地林地生态用地-农业生产用地林地生态用地-城镇、农村生活用地林地生态用地-草地生态用地林地生态用地-其他生态用地草地生态用地-农业生产用地草地生态用地-其他生态用地草地生态用地-城镇、农村生活转移面积/km26.021.172.293.2722.5429.990.1913.7721.500.6054.466.0312.5813.4475.049.8233.0423.579.834.22146.7512.58115.61LEI0.001 590.000 940.001 660.000 540.012 140.013 800.000 050.008 770.012 000.000 220.005 330.057 040.001 650.006 780.005 000.007 350.002 600.017 800.015 010.000 770.003 390.067 550.009 120.064 540.201 56占贡献率的百分比/%2.791.652.910.9521.2824.190.0915.3821.040.399.341000.823.362.483.651.298.837.450.381.6833.514.5232.02100116.65116.66116.67116.68116.69116.7116.71116.72116.73116.74116.7540.16540.1640.15540.1540.14540.1440.13540.1340.125纬度/（）经度/（）2006区政府生产空间顺义区几何中心199820122018116.65116.66116.67116.68116.69116.7116.71116.72116.73116.74116.7540.16540.1640.15540.1540.14540.1440.13540.1340.125纬度/（）经度/（）116.65116.66116.67116.68116.69116.7116.71116.72116.73116.74116.7540.16540.1640.15540.1540.14540.1440.13540.1340.125纬度/（）经度/（）区政府顺义区几何中心2006199820122018生态空间生活空间区政府2006199820122018图219982018年顺义区各功能用地重心演化图顺义区几何中心84第21卷第3期的土地功能转型主要集中在3类：草地、林地生态用地转移为农业生产用地；草地、林地生态用地转移为城镇、农村生活用地；城镇、农村生活用地与农业生产用地的相互转化。通过正负值抵消发现，生态环境负效应转移的面积比正效应转移的面积多，因此顺义区的生态环境质量指数必然降低。大量草地和林地生态用地被生态价值较低的农业生产用地、城镇和农村生活用地占用是恶化的主要原因，二者共占生态环境负效应的4/5；同时由于农业生产用地转入城镇、农村生活用地20.58 km2，使得顺义区的生态环境质量更加严峻。因此，应综合考虑一、二、三产业的布局与其贡献的经济收入份额，对生态用地、生活用地和生产用地进行合理规划，在及时调整土地利用结构、确保经济平稳发展的同时，保护生态、提高生态环境质量。3结语本文分析了顺义区近20年“三生空间”土地利用转型的时空演变模式及其生态环境效应。1）20年间顺义区生活空间面积先增后减，生态空间面积持续大幅下降，生产空间面积总体增加。其中，城镇、农村生活用地面积不断增加，林地、草地生态用地面积不断减少，农业生产用地面积在波动中缓慢上升。此外，其他用地类型均有不同程度的相互转移，“三生空间”演变受资源开发、城镇化发展、土地管理政策等因素的共同影响。2）20年间生产空间重心向东北方向偏移，生活空间重心向东北方向偏移，生态空间重心向西北方向偏移。3）研究期间顺义区生态环境质量呈波动变化，其内部环境发生局部恶化，大量草地、林地等生态用地被生态价值较低的农业生产用地占用。4）尽管研究结果显示顺义区研究期间生态环境在恶化，但后期恶化速度有所放缓，说明顺义区环境保护政策初显成效。建议下阶段顺义区可从提高土地利用效率角度入手，大力发展以绿色生态为主题的新主体、新业态、新产业；并加大监察力度，遏制低密度建设用地蔓延现象，减少对生态用地的占用，形成以政府为主导、以企业为主体、社会组织和公众共同参与的有偿环境治理机制。参考文献1田俊峰，王彬燕，王士君.东北地区土地利用转型特征测度与机制探索J.经济地理，2020，40(9):184-1952胡守庚，童陆亿，龙花楼.论土地利用转型潜力及其评价的理论框架J.地理研究，2019，38(6):1 367-1 3773孔冬艳，陈会广.土地利用转型时空特征及其影响因素研究:基于江苏北中南三县的比较分析J.土壤通报，2020，51(2):300-3074吴思，胡守庚，熊婷，等.长江中游经济带主体功能区土地利用转型模式研究J.资源科学，2018，40(11):2 213-2 2245宋小青.论土地利用转型的研究框架J.地理学报，2017，72(3):471-4876陈婧，史培军.土地利用功能分类探讨J.北京师范大学学报(自然科学版)，2005，41(5):536-5407刘继来，刘彦随，李裕瑞.中国“三生空间”分类评价与时空格局分析J.地理学报，2017，72(7):1 290-1 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