基于LUCC的滇中城市群三生空间格局演变研究.pdf

doi:10.3969/j.issn.2095-1329.2023.02.005基于 LUCC 的滇中城市群三生空间格局演变研究杨 磊，刘凤莲*（云南财经大学国土资源与持续发展研究所，云南昆明 650221）摘 要：明晰三生空间格局演变过程及特征，对优化国土空间布局，促进区域可持续发展具有重要意义。以 20002020 年的五期滇中城市群土地利用数据为基础，根据土地利用主导功能划分三生空间类型，采用土地利用动态度、转移矩阵等方法探究了三生空间格局演变特征。得出如下结论：生态空间是滇中城市群三生空间的主要类型，研究期内草地生态空间和农业生产空间面积缩减较为严重，分别减少 738.51 km2与 505.50 km2；研究期内林地、草地生态空间和农业生产空间相互转移频繁，城镇生活空间和工业生产空间受其他三生空间类型转入影响，规模显著扩大；研究期内滇中城市群中东部地区的开发强度和人为干扰较为剧烈，林地、草地生态空间和农业生产空间的景观破碎化程度不断加深。关键词：三生空间；土地利用动态度；土地利用转移矩阵；景观格局指数；滇中城市群中图分类号：F301.24 文献标志码：A 文章编号：2095-1329(2023)02-0028-08自改革开放以来，我国工业化和城镇化水平不断提高，社会经济发展迅速。然而快速城镇化、工业化引发诸多问题，如社会经济对资源的需求量、环境的破坏性与资源环境储量及所能承受开发强度之间的矛盾愈发突出；人口向城市集聚引发农村空心化和“城市病”；土地资源过度开发与粗放利用并存，尤其是城乡建设用地近年来急剧扩张，大量挤占农业生产空间和生态空间1。如何协调社会经济发展与生态环境保护已是我国可持续发展研究的核心议题2。自 2012 年党的十八大提出构建“生产高效集约，生活宜居宜业，生态山清水秀”的“三生空间”以来3，我国已有大量学者开始从多尺度多视角对“三生空间”展开研究，主要涉及三生空间格局演化及优化4-5，三生空间识别、划定、评价及冲突6-9，三生空间耦合协调及影响因素研究10-11。随着生态文明建设的进一步要求，近年来越来越多的学者开始将三生空间与生态学研究结合起来，从生态系统服务价值12、生态安全格局13、景观生态安全评价14、土地利用转型的生态环境效应15等方面探讨三生空间格局演变对生态环境的影响。就研究区域而言，三生空间的研究对象主要集中在省、市、县、乡等行政单元，以及流域、干旱区绿洲等典型地貌区。随着工业化和城镇化水平发展到新的阶段，城市逐渐从独立发展向集群协同发展转变，城市群作为国家经济发展的战略核心，其结构和功能更加复杂，同时也是生态问题激化的高度敏感地区，需要综合考虑其生活、生产、生态功能，统筹三生空间联动下的空间功能和用地结构，促进三生空间数量结构和空间布局的协调发展2。目前涉及城市群的三生空间研究主要以京津冀、长三角等经济相对发达的平原城市群为主，而滇中城市群作为典型的高原山地城市群，地处我国西南边疆省份，处于尚在发育阶段，受海拔、坡度等地形特征限制，境内适宜开发建设和人类活动的靶区资源较少，人地矛盾突出，发展水平相对落后。且近年来土地利用覆被变化导致景观破碎化严重，生态系统服务功能减弱，自然-经济-社会复合系统面临较大生态风险。因此，本文以滇中城市群为研究区，采用土地利用动态度、转移矩阵、景观格局指数等方法分析三生空间格局演变特征和变化趋势，以期推动研究区和具有类似特征城市群的社会-经济-生态协调发展，同时为城市群国土空间格局优化与生态环境保护提供参考。收稿日期：2023-03-24修回日期：2023-05-14作者简介：杨磊，1997 年生，女，硕士生，主要研究方向为土地利用与生态系统服务。电子邮箱：基金项目：云南省教育厅科学研究基金项目(2021J0592)；云南财经大学引进人才项目(2022D13)；云南财经大学研究生创新基金项目(2022YUFEYC098)*通信作者：刘凤莲(博士/讲师)，上海国土资源 Shanghai Land&Resources28 2023Vol.44.2 1 研究区概况滇中城市群包括昆明市、曲靖市、玉溪市、楚雄彝族自治州和红河哈尼族彝族自治州北部的 7 个县市（蒙自、建水、弥勒、石屏、个旧、开远、泸西），即三市两州共计 49 个县（市、区），位于云南省中部偏东，地理位置介于 1004310449E、23012704N。国土面积 11.14万 km2，占云南省国土总面积的 28.3%。滇中城市群是中国 19 个国家城市群之一，位于中国和南亚、东南亚几何中心，“一带一路”与长江经济带汇合处。其区位优势明显、产业基础雄厚、资源环境禀赋良好、发展潜力巨大。同时滇中城市群是一个典型高原生态宜居城市群，是云南省生态文明建设的先行者，生态文明建设对社会的发展进程有着举足轻重的作用。2 数据来源及研究方法2.1 数据来源本研究所使用的 20002020 年间 5 期土地利用数据是从中国科学院资源环境科学与数据中心（http:/）网站下载，2000 年、2005 年及 2010 年间土地利用数据是通过 Landsat-TM/ETM 遥感影像数据进行解译获得，2015 年和 2020 年土地利用数据通过 Landsat-8 遥感影像数据进行解译获得，空间分辨率 30 m，解译精度均在90%以上。数据集的分类系统包括耕地、林地、草地、水域、建设用地和未利用地 6 个一级地类和 25 个二级地类，而本研究区涉及 6 个一级地类及旱地、水田、工矿建设用地等 18 个二级地类。2.2 研究方法（1）三生空间的划分目前国内外对土地资源及其结构、特征等方面已有较全面系统的分析研究，但尚无关于三生空间概念内涵和范围界定的统一定论。大多数研究都使用了简单的归并法，在土地利用多功能性原则的指导下，建立了基于土地利用主导功能的三生分类评价体系16-17。这种分类方法简单明了，与土地利用类型具有较强的关联性。目前较为常见的三生空间划分方法是将二级三生空间与 6 个一级地类直接对应，而考虑到城市群人口、产业高度集中，随着城镇化进程加快，城市生产与生活活动对空间的需求日益高涨这一特征，本研究将建设用地中的工矿建设用地、城镇用地和农村居民点分别划为工业生产空间、城镇生活空间和农村生活空间（具体分类见表 1），以便更好地解释城市群国土空间格局变化的内在原因18。（2）土地利用动态度单一土地利用动态度是区域土地利用变化速度与幅度的重要衡量指标，可以有效地反映研究区域在一定时间段内各种土地利用类型的面积增减19，其表达公式为：1100%(1)baaUUKUT=(1)式中：K 为 T 时间段内某种土地利用类型的动态度，用来衡量该种土地利用类型变化受其他因素的干扰程度，K 值越大说明这种土地利用类型在 T 时段内越不稳定；Ua、Ub分别表示研究期初、期末这种土地利用类型的面积。（3）土地利用转移矩阵土地利用转移矩阵是通过系统分析的定量研究方法，主要应用于土地利用变化的相关研究中20。其数学表达式为：(2)式中：Sij表示某种土地利用类型研究期末到期初的面积增减变化，n 代表研究涉及的土地利用类型种类。（4）景观格局指数景观格局指数作为一种定量研究手段被广泛应用于景观格局的相关研究之中。本研究将滇中城市群土地利用数据按照 8 种二级三生空间进行重分类，采用渔网分割工具将研究区划分为8 km8 km的网格，共计1890个，选取六种景观格局指数：景观破碎度、分离度、优势度、干扰度、脆弱度和损失度，在 Fragstats4.2 中计算 2000 年、2005 年、2010 年、2015 年、20205 个时期的景观格局指数值，进而分析滇中城市群三生空间格局演化。3 结果分析3.1 三生空间数量变化为探究滇中城市群三生空间分布格局及演变趋势，本研究对 20002020 年的 5 期土地利用数据进行重分类得到研究区三生空间分布图（图 1）。由此可以看出：滇中城市群森林覆盖率较高，林地生态空间主要分布在城市表 1 三生空间分类Table 1 Production-living-ecological space classification一级三生空间二级三生空间二级地类生产空间农业生产空间旱地、水田工业生产空间工矿建设用地生活空间城镇生活空间城镇用地农村生活空间农村居民点生态空间林地生态空间有林地、灌木林、疏林地、其他林地草地生态空间高覆盖度草地、中覆盖度草地、低覆盖度草地水域生态空间河渠、湖泊、水库坑塘、滩地其他生态空间沼泽地、裸土地上海国土资源Shanghai Land&Resources 2023Vol.44.2 29群西部的楚雄州；工业生产和城镇生活空间主要集中在城市群中部，以滇池为核心向四周扩张；水域生态空间主要集中在城市群中部的滇池流域、抚仙湖流域等高原湖泊；草地生态空间主要分布在城市群东部寻甸县、会泽县和马龙区。明确三生空间面积变化趋势有助于正确处理国土空间开发和自然资源保护之间的关系，由图 2 可以看出，滇中城市群范围内生态空间占三生空间的主导地位（77%以上），其次是生产空间，约占三生空间面积的 20%，生活空间面积所占的比例较少（不足 2%）。通过剖析研究区二级三生空间结构及动态变化，能够找出国土空间格局变化的内在原因。滇中城市群以林地、草地生态空间以及农业生产空间为主，三者分别约占研究区总面积的 49%、27%和 20%（表 2），且在 20002020 年间，这三种三生空间类型的面积及比例均不断降低，其中草地生态空间面积缩减尤为严重，20 年间共减少 738.51 km2。其他二级三生空间类型面积在此期间有所增长，增长最多的要数工业生产和城镇生活空间，前者增长了693.89 km2，后者增长了 621.28 km2。土地利用动态度可以用来描述土地利用类型的变化速度和面积增减。在ArcGIS10.3中计算各三生空间面积，然后通过公式（1）计算得到滇中城市群不同研究时段的三生空间动态度（表 3）。分析可知，研究期内农业生产空间的土地利用动态度的绝对值持续增大，表明农业生产空间呈加速变化趋势，在 20152020 年减少速度最快（-0.32%），这与经济发展速度具有较强相关性，主要原因是城市发展扩张的需要；工业生产空间的土地利用动态度的绝对值在八种二级三生空间类型动态度中最大，表明工业生产空间变化剧烈，十分不稳定，研究期间始终呈上升趋势，在 20052010 年和 20152020表 2 滇中城市群二级三生空间结构Table 2 The spatial structure of the secondary production-living-ecological space三生空间类型2000 年2005 年2010 年2015 年2020 年20002020 年面积(km2)比例(%)面积(km2)比例(%)面积(km2)比例(%)面积(km2)比例(%)面积(km2)比例(%)面积变化(km2)农业生产空间23043.1220.6922956.8220.6122964.3220.622289920.5622537.6220.23-505.50工业生产空间87.330.08109.80.10270.790.24412.930.37781.220.70693.89城镇生活空间324.450.29370.410.33468.820.42475.880.43945.730.85621.28农村生活空间872.480.78894.960.80976.480.88974.810.88936.130.8463.65林地生态空间54961.0649.3454955.1449.3454874.9649.2754848.9949.2454657.7949.07-303.27草地生态空间30645.0627.5130651.5927.5230340.6827.2430333.0227.2329906.5526.85-738.51水域生态空间1294.051.1612891.161326.141.191277.321.151457.661.31163.61其他生态空间155.530.14155.680.14161.440.14161.360.14160.60.145.07图 1 滇中城市群三生空间分布图Fig.1 Production-living-ecological space distribution map of urban agglomerations in central Yunnan（a）2000 年（b）2005 年（c）2010 年（d）2015 年（e）2020 年图 2 滇中城市群一级三生空间面积比例Fig.2 The proportion of the first-level production-living-ecological space（a）2000 年（b）2005 年（c）2010 年（d）2015 年（e）2020 年上海国土资源 Shanghai Land&Resources30 2023Vol.44.2 年两个时间段上升速度较快，动态度分别为 29.32%、17.84%；各时段城镇生活空间土地利用动态度显著大于农村生活空间，这一现象的出现，和人们生活水平的日益提高，城镇化步伐加快密切相关；研究时段内林地生态空间与草地生态空间前期变化平缓，后期（20152020 年）速度加快，土地利用动态度均小于 0，表明数量在持续减少，且草地生态空间的变化速度快于林地生态空间；水域生态空间在 20152020 年的土地利用动态度最大，主要是因为滇中引水工程及“兴水强滇”战略的实施。3.2 三生空间类型转移掌握三生空间类型转移特征有助于生态环境管理者和政策制定者找出生态环境变化的内在原因，从而采取针对性措施或提出解决方案。对研究区 2000 年和 2020年三生空间分布图进行空间叠加分析，得到三生空间转移矩阵（表 4），其反映了滇中城市群四个研究时段三生空间类型转移的数量、来源及去向。20002020 年，三生空间类型变化主要是林地、草地生态空间与农业生产空间三者之间的相互转化，除此之外，农业生产空间向城镇（417.77 km2）和农村生活空间（234.24 km2）的转移，以及草地生态空间和农业生产空间向工业生产空间的转移较为显著。从转入量和转出量的差值来看，城镇生活空间和工业生产空间表现为净转入，其中工业生产空间的净转入数量较多，其余三生空间类型表现出净转出特征，其中草地生态空间和农业生产空间的净转出量最大。研究期内，农业生产空间大幅转出，一方面由于退耕还林还草工程取得显著成效，较多的农业生产空间向林地和草地生态空间转移，另一方面城市化、工业化进程加快，城镇生活空间和工业生产空间需求上升，不可避免地侵占农业生产空间。为了解研究区在 20002020 年间三生空间格局演化的整体趋势及发生变化的关键位置，在 ArcGIS 中，采用栅格计算器对研究期初和研究期末的三生空间分布图进行叠加分析，得到图 3。从图中可以看出，农业生产空间转工业生产空间数量最多的区县主要包括安宁市、晋宁区、呈贡区和楚雄市东北部，这部分地区近年来大力发展工业产业，尤其是安宁市和呈贡区在滇中城市群 49 个区县中发展速度名列前茅；林地生态空间转工业生产空间仍然集中在安宁市和呈贡区；农业生产空间转城镇生活空间主要发生在西山区、官渡区、呈贡区、红塔区、麒麟区北部和蒙自市，这部分地区城市化水平相对较高，人口密度相对较大，吸纳众多周边乡镇人口；草地生态空间转林地生态空间主要发生在峨山县；林地生态空间转草地生态空间主要发生在寻甸县南部和麒麟区中东部。表 4 20002020 年滇中城市群三生空间转移矩阵 (单位：km2)Table 4 The transfer matrix of production-living-ecological space研究时段三生空间类型草地生态空间城镇生活空间工业生产空间林地生态空间农村生活空间农业生产空间其他生态空间水域生态空间20002020 年草地生态空间77.97 278.82 2188.03 43.13 1393.83 12.88 99.31 城镇生活空间1.45 2.46 1.75 3.40 15.68 0.00 0.30 工业生产空间6.40 24.05 1.11 6.11 6.04 0.02 1.05 林地生态空间2087.05 29.62 150.04 30.92 1325.71 4.73 116.85 农村生活空间15.40 76.21 13.42 20.81 120.56 1.37 8.91 农业生产空间1195.57 417.77 284.20 1208.52 234.24 6.72 105.06 其他生态空间12.30 0.00 0.13 2.55 0.02 7.00 1.03 水域生态空间40.11 20.19 9.15 24.36 2.01 70.28 2.37 表 3 滇中城市群三生空间动态度Table 3 The dynamic degree of production-living-ecological space三生空间类型20002005 年20052010 年20102015 年20152020 年20002020 年农业生产空间-0.07%0.01%-0.06%-0.32%-0.11%工业生产空间5.15%29.32%10.50%17.84%39.73%城镇生活空间2.83%5.31%0.30%19.75%9.57%农村生活空间0.52%1.82%-0.03%-0.79%0.36%林地生态空间0.00%-0.03%-0.01%-0.07%-0.03%草地生态空间0.00%-0.20%-0.01%-0.28%-0.12%水域生态空间-0.08%0.58%-0.74%2.82%0.63%其他生态空间0.02%0.74%-0.01%-0.09%0.16%上海国土资源Shanghai Land&Resources 2023Vol.44.2 313.3 三生空间景观格局变化从景观格局指数空间分布图（图 4）看，滇中城市群整体生态环境质量表现为中东部地区受人为干扰相对剧烈，生态环境相对较差，而西部地区森林覆盖率较高，景观连通性较好，生态环境质量相对较高。具体来看，景观破碎度指数在空间上表现为东北高西南低；景观分离度中东高西南低；景观优势度空间分布特征与分离度相反；景观干扰度高值区主要集中在昆明市中南部、玉溪市北部和曲靖市中部地区；景观脆弱度高值区与水域分布相吻合，主要集中在滇池、抚仙湖、星云湖、杞麓湖、异龙湖和阳宗海；景观损失度表现为中东部地区高，西部、南部地区低。从景观格局指数类型看，农村生活空间、工业生产空间以及其他生态空间具有很高的破碎化程度。八种三生空间的景观破碎度呈现出显著的分异特点，其中破碎化程度随时间变化而减少的是农村生活与工业生产空间和其他生态空间；随时间变化而增加的是农业生产空间以及草地和林地生态空间。从三生空间类型看，农业生产空间的景观优势度指数较其他几种指数具有显著优势（图 5），但随着时间推移，景观优势度逐渐降低，表明农业生产空间的面积不断缩减；工业生产空间的景观分离度较大，但随着城市群经济的快速发展，工业产业趋于完善，工业生产空间大幅增加，使其景观分离度急剧下降，尤其是在 20052010 年间；城镇生活空间和农村生活空间景观分离度指数远大于其他几类景观格局指数，但变化趋势不同；林地生态空间和草地生态空间的景观优势度十分突出，与二者占城市群的面积比例相符；水域生态空间和其他生态空间的景观分离度较大，原因在于二者在城市群的某个区域分布比较集中，在其他区域分布零散。注：1农业生产空间、2工业生产空间、3城镇生活空间、4农村生活空间、5林地生态空间、6草地生态空间；12 表示农业生产空间转为工业生产空间，21 表示工业生产空间转为农业生产空间图 3 主要三生空间类型转移图谱Fig.3 Transfer map of main production-living-ecological space types图 4 景观格局指数空间分布图Fig.4 Spatial distribution map of landscape pattern index（a）景观破碎度（d）景观干扰度（b）景观分离度（c）景观优势度（e）景观脆弱度（f）景观损失度上海国土资源 Shanghai Land&Resources32 2023Vol.44.2 4 结论与讨论4.1 结论滇中城市群地处“一带一路”和“长江经济带”交汇区域，是云南省生态文明建设的先行者，其三生空间格局演变对生态环境有着重要影响，本研究采用土地利用动态度、转移矩阵、景观格局指数等方法，对滇中城市群三生空间格局演变特征进行分析。主要结论如下：（1）生态空间是滇中城市群三生空间的主要类型，占研究区总面积的 77%以上，其次是生产空间（20%左右）和生活空间（不足 2%）。数量上，20002020 年间，林地生态空间、草地生态空间以及农业生产空间数量不断减少，其他二级三生空间类型面积增加，特别是工业生产空间和城镇生活空间，分别增加 693.89 km2和 621.28 km2。变化速度上，工业生产空间的变化速度明显快于其他三生空间类型，20002020 年的土地利用动态度高达39.73%。（2）研究期内滇中城市群三生空间结构发生较大变化，不同二级三生空间类型之间频繁转移，主要是林地生态空间、草地生态空间和农业生产空间三者之间的相互转化以及工业生产空间与城镇生活空间的大幅转入。值得注意的是，草地生态空间和农业生产空间转出数量较多，主要转为城镇生活空间和工业生产空间。（3）20002020 年随着城市发展，滇中城市群三生空间格局发生剧烈变化，中东部地区景观破碎度、干扰度、损失度不断加深，生态环境质量明显减弱。城市化、工业化进程加快导致林地、草地生态空间和农业生产空间的景观优势度不断降低，而破碎化程度显著提高，不利于维护区域生态安全。4.2 讨论近年来滇中城市群社会经济迅速发展，三生空间格局发生较大变化，农业生产空间、林地生态空间和草地生态空间不断缩减，城镇生活空间和工业生产空间显著扩张，且以占用农业生产空间为主，不利于城市群的可持续发展。为处理好城市群经济产业发展与生态资源保护之间的关系，提出如下建议：（1）昆明作为滇中城市群核心，应充分发挥辐射带头作用，推进与曲靖、玉溪、楚雄、红河等周边城市协同发展，实现有序、适度开发，避免区域因城市扩张导致生态环境恶化，依托现有资源和优势打造高原湖滨生态宜居城市；（2）曲靖作为滇中城市群次核心，未来发展应在具有重要战略价值的节点预留发展空间，严格控制土地开发强度，储备弹性发展空间，推动山水林田湖草一体化，构筑与城市群相协调的区域生态体系；（3）玉溪集中了三湖一海生态敏感区，承担着重要的生态系统服务功能，未来应严格遵循三湖一海（抚仙湖、星云湖、杞麓湖和阳宗海）保护条例，禁止在流域内布局高污染工业企业，严格限制新工业园区的规划与建设，保证高原湖泊不被污染；（4）楚雄森林资源丰富，要坚持保护优先，开发有序的原则，加强水土流失和植被恢复建设的同时，继续实施天然林保护和退耕还林工程；（5）红河片区应引导人口和产业集聚，图 5 20002020 年三生空间景观格局指数变化图Fig.5 Changes of landscape pattern index of production-living-ecological space from 2000 to 2020（a）（b）（c）（d）（h）（g）（f）（e）上海国土资源Shanghai Land&Resources 2023Vol.44.2 33加大现有建设用地的集约节约利用力度，提高城市土地利用效率，工业园区执行严格的环境标准，建立和完善污水处理体系，大力发展绿色经济。本研究仅对滇中城市群的三生空间格局演变特征进行分析，并未探究导致其发生变化的内在驱动机制以及三生空间格局优化的具体方法，而综合考虑社会、经济、自然环境和政策影响，系统性地探讨三生空间的演变特征及驱动机制将是下一步的研究方向。参考文献(References)1 黄金川,林浩曦,漆潇潇.面向国土空间优化的三生空间研究进展 J.地理科学进展,2017,36(3):378-391.HUANG J C,LIN H X,QI X X.A literature review on optimization of spatial development pattern based on ecological-production-living spaceJ.Progress in Geography,2017,36(3):378-391.2 江东,林刚,付晶莹.三生空间统筹的科学基础与优化途径探析J.自然资源学报,2021,36(5):1085-1101.JIANG D,LIN G,FU J Y.Discussion on scientific foundation and approach for the overall optimization of production-living-ecological space J.Journal of Natural Resources,2021,36(5):1085-1101.3 王威,胡业翠,张宇龙.三生空间结构认知与转化管控框架 J.中国土地科学,2020,34(12):25-33.WANG W,HU Y C,ZHANG Y L.Ecological-living-industrial space structure cognition and transformation control frameworkJ.China Land Science,2020,34(12):25-33.4 焦庚英,杨效忠,黄志强,等.县域三生空间格局与功能演变特征及可能影响因素分析以江西婺源县为例 J.自然资源学报,2021,36(5):1252-1267.JIAO G Y,YANG X Z,HUANG Z Q,et 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