湖南省“三生空間”的時空變化及生態環境質量

陳堅, 李濤, 趙燕萍*, 王寬, 李晟

(1.南華大學 生態評價與景觀規劃研究所,湖南 衡陽 421001;2.南華大學 生態型區域-城市規劃與管理衡陽市重點實驗室,湖南 衡陽 421001;3.南華大學 松霖建筑與設計藝術學院,湖南 衡陽 421001)

在經濟發展變化過程中,生產、生活及生態空間(“三生空間”)土地利用形態發生相互轉變,土地利用結構及功能隨之發生改變,進而影響區域的生態環境質量。探究“三生”用地之間相互轉換的規律, 以及由此引發的生態環境效應異動,對優化國土空間規劃及生態系統管理具有重要作用。

“生產空間集約高效、生活空間宜居適度、生態空間山清水秀”的國土空間規劃目標的提出,標志著我國土地利用模式由生產主導型轉向生產、生活、生態空間相互協調的“三生空間”模式?！叭庇玫毓δ?、結構轉型及其生態環境效應在環境學、管理學、生態經濟學、地理學等多學科領域備受關注。在研究區域上,以往研究主要集中在生態脆弱區如甘肅省[1]、新疆維吾爾自治區[2]等,以及具有相對獨立性的生態單元如黃河[3]、湘江流域[4]等,抑或城市化集群水平較高的區域如長三角[5]、京津冀[6]、長株潭[7]等。研究主要采用“三生”用地轉型結構、數量等特性,以及土地利用轉移矩陣、動態度、重心遷移等方法展開。而在評價其生態環境效應時常采用植被凈初級生產力、歸一化植被指數、距離指數等單一指標直接測度,然而以上指標法所需數據量較大且缺乏對評價對象的整體評價。

湖南省處于東部沿海地區和中西部地區過渡帶與長江開放經濟帶和沿海開放經濟帶結合部的“一帶一部”特殊區位,在全國區域均衡發展中擔負著重要的過渡作用。近年城鎮化和工業化高速發展,經濟快速增長,土地利用轉型帶來的生態環境影響顯著。然而,土地利用轉型引起了“三生空間”的哪些變化,變化的具體特征是什么,變化給區域生態環境質量帶來了何種影響,對于這些問題目前尚缺乏定量評價。因此,本文采用專家評分法對各土地利用類型的生態環境質量指數進行賦值,利用生態環境質量指數法對區域生態環境質量進行評價。分析湖南省2000年、2005年、2010年、2015年、2020年5期土地利用數據,劃分土地利用類型,構建轉移矩陣和重心轉移,探究“三生空間”用地功能轉型的時空變化及其特征,結合土地利用轉型的生態貢獻率定量分析,評估湖南省2000—2020年“三生空間”變化對生態環境的影響。研究結果可為湖南省國土空間規劃及生態系統有效管理提供支撐。

1 研究區域與方法

1.1 研究區域

湖南省地處我國中部、長江中游地區,地理位置介于24°38′N—30°08′N,108°47′E—114°15′E,設有14個地級行政區,總面積為21.18萬km2(圖1)。湖南土地資源豐富,地形地貌類型多樣,以山地、丘陵為主。湖南為亞熱帶季風氣候區,年降水量充沛,水系發達,是長江中下游重要的調蓄性湖泊生態區,同時也是重要商品糧、棉產區。由于該地處在于長江水系共軛與分異的交錯并存之節點,因此其生態系統具有高敏感性和高脆弱性。近年來由于氣候變化及高強度的人類活動,該區出現土地利用類型變化加劇、生物多樣性減少等系列問題。

圖1 研究區域概況Figure 1 Overview of the study area

1.2 數據來源

湖南省2000年、2005年、2010年、2015年與2020年5期土地利用數據來源于國家地球系統科學數據中心(http://nnu.geodata.cn/),由Landsat遙感影像人機交互解譯,結合外業考察和驗證、柵格化處理獲得,空間分辨率為30 m?；谕恋乩脭祿?根據“三生”用地分類標準將二級地類分別歸屬到生產空間、生態空間、生活空間。

1.3 研究指標與計算方法

1.3.1 土地利用功能時空變化

(1)土地利用功能轉移矩陣

“三生空間”土地利用功能演變可通過轉移矩陣模型(式1)來實現。運用該模型可表示土地利用轉換的空間格局與面積數量。

(1)

(2)土地利用功能重心轉移

土地利用功能重心轉移模型(式2)可表現出“三生空間”用地變化的總體特征,反映出“三生空間”用地類型重心轉移的方向及轉移距離。

(2)

式中,L為t年份與t+1年份重心之間的直線距離;Xt、Yt分別為第t年某類土地資源分布重心的經緯度坐標;Xk、Yk分別為第k個評價單元幾何中心的經緯度坐標;Ski為第k個評價單元某類功能用地的面積;n為基于“三生”用地土地利用類型數量。

1.3.2 區域生態環境質量指數

區域生態環境質量指數(式4)是指區域內“三生空間”土地利用類型所具有的生態環境質量指數及面積的比例,能反映出區域內不同時段的生態環境質量總體狀況。參考已有研究[2,8-9],同時結合湖南省土地利用數據,利用專家評分法確定各土地利用類型的生態環境質量指數。首先將土地利用系統二級分類作為評價指標,咨詢10位專家,對各指標的相對重要程度進行表態,填寫指標的直接相對權重,且直接相對權重∑Wj=1(0

Ri=∑WjSij

(3)

式中,Ri為生態環境質量指數綜合評分值;Wj為第j項指標的相對權重;Sij為第i個方案第j項指標的評分值。

(4)

式中,EVt為第t時期區域生態環境質量指數;Ri為第i種土地利用類型的生態環境質量指數;n為土地利用類型數目;Ait為第t時期用地類型i的面積;A為區域總面積。

表1 湖南“三生空間”土地利用分類及其生態環境質量指數Table 1 Land use classification and ecological environment index of the “three spaces” in Hunan Province

1.3.3 生態貢獻度

土地利用轉型生態貢獻度是指某類土地利用類型變化所導致區域生態環境質量發生改變的程度。表達式為:

CLEI=(Rit+1-Rit)×Aic/A

(5)

其中,CLEI為土地利用功能轉型的生態貢獻度;Rit、Rit+1分別為地類i在t及t+1時期的生態環境質量指數。Aic地類i的變化面積;A為該區域的總面積。

2 研究結果與分析

2.1 土地利用功能時空變化

2.1.1 土地利用面積變化

從2000—2020年四個時間段分析湖南省“三生空間”用地面積變化(表2)。結果表明:(1)工礦生產空間、城鎮生活空間和其他生態空間面積均呈增長趨勢,分別增加了1 364.9、784.4和301.6 km2;其中2015—2020年增長幅度最大。(2)鄉村生活空間和水域生態空間面積先增后減,但總體呈增長趨勢,分別增加了10.8、55.9 km2;鄉村生活空間面積在2000—2015年呈增長態勢,但在2015—2020年呈現大幅下降,降幅為100.4 km2;水域生態空間面積在2000—2010年為增長,2010—2020年為下降。(3)農業生產空間和草地生態空間面積均為先增后減,總體呈下降趨勢,面積分別減少了1 307.2和606.1 km2;其中2000—2005年面積分別增了1 109.2和13.5 km2,2000—2015年均為下降且2015—2020年下降幅度較大,分別為1 839.3和556.3 km2。(4)林地生態空間面積先減后增,總體呈下降趨勢,面積減少了604.1 km2;其中2000—2015年為下降且2000—2005年下降幅度較大;2015—2020年為增長,面積增加了916.4 km2。

2.1.2 “三生空間”用地結構轉型

為進一步了解土地利用結構轉型,以“三生空間”中二級地類構建土地轉移矩陣(圖2)。結果表明:(1)2000—2005年轉換面積最大的是生態空間轉為生產空間,其中林地生態空間轉為農業生產空間面積為1329.25 km2,水域生態空間轉為農業生產空間面積為340.25 km2;其次是生產空間轉為生態空間,其中農業生產空間轉為水域生態空間面積為336.65 km2,農業生產空間轉為林地生態空間面積為195.99 km2。(2)2005—2010年各空間之間的轉移量較小,轉換面積最大的是生產空間轉為生態空間,其中農業生產空間轉為水域生態空間面積為169.66 km2,農業生產空間轉為林地生態空間面積為107.83 km2;其次是生態空間轉為生產空間,其中林地生態空間轉為農業生產空間面積為113.92 km2;少量生產空間和生態空間轉換為生活空間。(3)2010—2015年轉換面積最大的是生產空間轉為生態空間,其中農業生產空間轉為林地生態空間面積為1 766.12 km2,農業生產空間轉為水域生態空間面積為187.08 km2;其次是生態空間轉為生產空間,其中林地生態空間轉為農業生產空間面積為1 669.40 km2,水域生態空間轉為農業生產空間面積為170.38 km2;少量生產空間和生活空間之間及生態空間之間的相互轉換。(4)2015—2020年轉換面積最大的是生產空間轉為生態空間,其中農業生產空間轉為林地生態空間面積為3 503.84 km2,農業生產空間轉為水域生態空間面積為544.35 km2;其次是生態空間轉為生產空間,其中林地生態空間轉為農業生產空間面積為2 448.76 km2,林地生態空間轉為工礦生產空間面積為560.55 km2,水域生態空間轉為農業生產空間面積為503.92 km2;少量生產空間轉為生活空間及生產空間、生態空間內部的相互轉換。

表2 2000—2020年湖南省“三生空間”用地面積(km2)Table 2 The area of the “three spaces” in Hunan Province from 2000 to 2020

圖2 2000—2020年湖南省“三生”用地類型面積轉移Figure 2 Area transfer of the “three spaces” land types in Hunan Province from 2000 to 2020

2.2 土地利用功能重心轉移

分別計算出“三生空間”重心坐標及轉移方向和轉移距離(圖3)。(1)生產空間中,農業生產空間重心均落在婁底市漣源市渡頭塘鎮境內,先由渡頭塘鎮向東南方向轉移,后向西南和西北方向轉移;20年間重心共向西北方向轉移587.53 m。工礦生產空間重心從湘潭市湘潭縣青山橋鎮先向西北方向轉移至湘鄉市境內,后向西南方向逐步轉移至婁底市雙峰縣杏子鋪鎮境內;20年間重心共向西北方向轉移了32 853.92 m。(2)生活空間中,城鎮生活空間重心均落在湘潭市湘鄉市境內,先由湘鄉市月山鎮境內向西北方向轉移,再向東南、東北方向的金數鄉境內轉移,最后轉移至東南方向的月山鎮境內;20年間重心共向東南方向轉移了6 255.78 m。鄉村生活空間重心從湘潭市湘鄉市棋梓鎮境內先向西北方向轉移至婁底市婁星區,再在婁星區境內向東北和西北方向轉移,最后向東南方向轉移至湘鄉市棋梓鎮境內;20年間重心共向西北方向轉移了2 227.35 m。(3)生態空間中,林地生態空間重心均落在邵陽市新邵縣潭溪鎮境內,先由潭溪鎮向西北方向轉移,后向西南和東南方向轉移;20年間重心共向西南方向轉移523.01 m。草地生態空間重心均落在婁底市新化縣爐觀鎮境內,先由爐觀鎮向東南方向轉移,后向西南和西北方向轉移;20年間重心共向西南方向轉移1 021.17 m。水域生態空間重心從益陽市資陽區境內先向西南方向轉移,后向西北和東北方向轉移,最后向西南方向轉移至益陽市赫山區境內;20年間重心共向西南方向轉移了11 507.37 m。其他生態空間重心從益陽市沅江區草尾鎮境內,先向東北方向轉移,后向西北和東南方向轉移,最后向東北方向轉移至沅江區普豐鄉境內;20年間重心共向東北方向轉移了9 309.9 m。

圖3 2000—2020年湖南省“三生空間”用地重心轉移Figure 3 The center of gravity of the “three spaces” in Hunan Province transferred from 2000 to 2020

2.3 生態環境響應

2.3.1 生態環境質量演變

研究區域各年份生態環境指數測算結果(圖4)表明,湖南省生態環境質量指數從2000年的67.77降至2015年的67.31,下降0.68%;2020年回升至67.32,上升0.01%,但總體生態環境質量呈下降趨勢。其中2000年至2005年下降最為明顯,主要原因是生態空間大面積轉向生產空間,其中林地生態空間和水域生態空間轉向農業生產空間轉化面積最多,而生產空間和生活空間轉向生態空間面積變化很少,因此造成生態質量明顯下降。2005年至2015年期間生態環境質量指數逐步緩慢下降,主要原因是生態空間總體面積變化不大,生產空間和生活空間之間有少量面積的轉換,其中農業生產空間面積呈減少趨勢,工礦生產空間和城鎮生活空間面積增長趨勢較為明顯。2015年至2020年生態環境質量指數所有回升,主要原因是生產空間面積大幅度減少,生態空間面積大幅度提高,生活空間面積少量增加。其中農業生產空間面積減少最多,林地生態空間面積增長最多,工礦生產空間、城鎮生活空間和其他生態空間面積均有部分增加,草地生態空間、水域生態空間和鄉村生活空間面積均有少量減少。

圖4 2000—2020年湖南省生態環境質量指數Figure 4 Eco-environmental quality index of Hunan Province from 2000 to 2020

2.3.2 生態環境質量空間分布特征

基于縣域尺度湖南省生態環境質量的空間差異,采用ArcGIS自然間斷點分級法,將各地區按不同質量等級分為5類(圖5),結果顯示:(1)低質量區域主要集中在湘北洞庭湖平原開闊地區的常德東部、岳陽西部、益陽北部以及其他部分城鎮或工業高度集中區域,如洞庭湖平原地帶的常德東部安鄉縣、漢壽縣,岳陽西部華容縣、湘陰縣,益陽北部南縣、沅江市,以及長沙的芙蓉區、天心區,湘潭的雨湖區,衡陽珠暉區,邵陽雙清區、大祥區。(2)較低質量區域主要集中在湘北地區的常德中部與岳陽中部、益陽東北部的平原過渡地帶以及中部地區的長沙北部、婁底東南部、衡陽中部及邵陽中西部地區的城鎮集中地帶。如常德澧縣、鼎城區等,岳陽云溪區、汨羅市等,益陽赫山區,長沙望城區、岳麓區,婁底雙峰縣,衡陽衡南縣、祁東縣及邵陽武岡市、邵東縣,永州冷水灘區。(3)中等質量區域主要集中在中部地區的婁底、湘潭、株洲、衡陽、邵陽等大部分地區以及湘南地區的永州、郴州部分區域。如婁底新化縣、漣源市,湘潭湘鄉市、湘潭縣,株洲醴陵市、攸縣,衡陽衡東縣、耒陽市等,邵陽洞口縣、隆回縣、新邵縣,以及永州祁陽縣、新田縣等,郴州嘉禾縣。(4)較高質量和高質量區域主要集中在湘西的湘西自治州、懷化和張家界地區和湘南的邵陽、郴州、永州以及其他部分生態林地較多區域。其中湘西自治州古丈縣、吉首市、瀘溪縣,懷化沅陵縣、新晃侗族自治縣、會同縣等,邵陽綏寧縣、城步苗族自治縣,永州雙牌縣、藍山縣、江華瑤族自治縣,郴州資興市、桂東縣、汝城縣,株洲炎陵縣,岳陽平江縣,生態林地面積多,生態質量高。綜合來看,湖南省生態環境質量呈“西高北低,由北向南逐步提升”的格局分布。

圖5 2000—2020年湖南省生態環境質量空間分布Figure 5 Spatial distribution of eco-environmental quality in Hunan Province from 2000 to 2020

2.3.3 “三生空間”轉型的生態貢獻率

“三生空間”用地的轉型使得區域內生態環境質量同時存在著改善和下降兩種趨勢,這兩種趨勢相互作用,共同維系著區域內的生態環境質量。分析湖南省20年間四個時段內,導致生態環境質量改善或下降的主要用地轉移類型及生態貢獻率(圖6),結果顯示2000—2015年三個時間階段的綜合生態貢獻指數分別為-3.5×10-3、-0.4×10-3、-0.1×10-3,呈下降趨勢;2015—2020年的綜合生態貢獻指數為0.8×10-3,呈改善趨勢。

農業生產空間用地轉為林地、水域、草地生態空間用地,草地生態空間用地轉林地生態空間用地,鄉村生活空間用地轉為林地生態空間用地,水域生態空間用地轉林地生態空間用地,其他生態空間用地轉水域生態空間用地等是生態環境質量改善的主要因素。2000—2005年和2005—2010年兩個時期主要為農業生產空間用地轉林地和水域生態空間用地,生態貢獻度分別達50.66%、43.49%和55.98%、44.02%;2010—2015年和2015—2020年兩個時期主要為農業生產空間用地轉林地生態空間用地,生態貢獻度分別達89.06%和82.13%。

林地生態空間用地轉為農業和工礦生產空間用地、城鎮和鄉村生活用地、草地和水域及其他生態空間用地,農業生產空間用地轉工礦生產空間用地、城鎮和鄉村生活空間用地,水域生態空間用地轉農業生產空間用地和其他生態空間用地,草地生態空間用地轉農業生產空間用地等是生態環境質量下降的主要因素。2000—2005年期間主要為林地生態空間用地轉為農業生產空間用地,生態貢獻度達-80.34%;2005—2010年期間主要為林地生態空間用地轉為農業和工礦生產空間用地及城鎮生活空間用地,生態貢獻度分別達-34.51%和-22.57%及-25.55%;2010—2015年期間主要為林業生態空間用地轉為農業生產空間用地,生態貢獻度達-82.61%;2015—2020年期間主要為林業生態空間用地轉為農業和工礦生產空間用地,生態貢獻度分別達-61.46%和-17.46%。

圖6 各時段主要土地利用轉移類型及生態貢獻率Figure 6 The main types of land use transfer and ecological contribution rate in each period

3 討論與結論

3.1 討論

本研究通過專家評分法對不同二級地類的生態環境質量指數進行賦值,采用生態環境質量指數評估模型對區域生態環境質量進行綜合測度。通過生態環境質量演變、空間分布特征和生態貢獻率測算,分析區域生態環境時空變化特征,建立了土地利用類型與區域生態環境質量的定量關系,綜合反映出整體生態環境狀況,對區域生態環境質量進行評價。

研究發現,湖南省“三生空間”的轉換,以生產空間和生態空間的相互轉換為主。生態空間和生活空間的轉換,主要為林地生態空間向城鎮生活空間和鄉村生活空間的轉換。研究期內湖南省的生態環境質量先降后升。前期區域內生態空間轉為農業和工礦生產空間、城鎮和鄉村生活空間是生態環境質量下降的主要因素,該時間段內湖南省更專注于發展經濟,因此侵占了較多生態用地。而后期,研究區已有較多的農業生產空間轉為林地和水域生態空間,這是生態環境質量改善的主要驅動力,驗證了退耕還林、還湖工程得以有效推進?？傊?研究區的生態空間面積的減少和生活空間、生產空間面積的增長,是導致生態環境質量惡化的主要原因。而生態環境的改善,需要加強對林地、草地和水域等生態空間的保育[10]。

湖南省生態環境質量呈“西高北低,由北向南逐步提升”的格局分布。主要由于湖南省地形地貌特點為東、南、西三面環山,西部多為山地,中部丘崗起伏,北部地勢最低且平坦,為平原開闊地帶,整體呈東北開口的不對稱馬蹄形地形。湘西地區如湘西自治州、懷化、張家界地區地理環境復雜,生活空間和生產空間用地擴張局限,經濟發展緩慢,適宜開發為生活空間的用地相對較少,生態空間分布廣泛、轉出較少且保護較好,是湖南省的重要生態保護地分布區域,總體生態環境質量高。湘南地區如郴州、永州、邵陽地區和東部的株洲地區,地貌復雜多樣,多以山地丘陵為主,生產空間和生活空間在發展過程中受到一定程度限制,加之水域、林地生態空間轉出較少,因此總體生態環境質量較高。湘中地區如衡陽、婁底、長沙和湘潭地區,多以丘陵盆地為主,經濟發展較好,城鎮化和工業化發展較快,生態空間用地一定程度上向生產空間和生活空間轉移,面積縮減,因此總體生態環境質量一般。湘北地區如常德、岳陽和益陽地區,位于洞庭湖平原開闊地帶,地勢平坦,發展局限性低,非常適宜進行開發建設,經濟發展較好。雖然水域生態空間面積大,但由于城市化進程快,經濟發展迅速,林地和水域生態空間用地向生產空間和生活空間用地轉移,工礦生產空間和城鎮生活空間面積大量增加,總體生態環境質量低。因此在經濟發展過程中,生態環境高質量區以涵養生態為主要方向,低質量區域在肩負經濟發展重擔的同時,仍需堅定不移走生態優先的綠色發展之路,應協同推動經濟社會高質量發展和生態環境高水平保護。以上研究發現與對湖南省生態系統方面的有關研究結果相符[11,12],但本研究采用的方法便捷,且能夠得出較為準確和直觀的結果,分析過程清晰,可為相關管理部門快速提供決策支持。

需要指出的是,土地利用功能轉型對生態環境質量的影響不僅僅與“三生空間”的面積有關,還受其空間分布格局以及具體功能性狀的影響。所以,基于更詳盡的遙感影像和生態系統分類數據,專家評分將更為精準,能夠進一步提升評價結果的精度,研究結果也將更加科學合理。

3.2 結論

湖南省的農業生產空間、林地生態空間、草地生態空間總體呈減少趨勢,20年來累計減少2 517.4 km2,以生產空間和生態空間的相互轉換為主?！叭臻g”的數量變化,導致生態環境質量指數先降后升,總體下降6.7%,在空間上呈“西高北低,由北向南逐步提升”的分布格局。林地生態空間用地轉為農業和工礦生產空間用地、城鎮和鄉村生活空間用地是前期生態環境質量下降的主要原因,而農業生產空間用地轉為林地和水域生態空間用地,是后期生態環境質量改善的主要原因。