長株潭都市圈“三生空間”用地轉型及生態環境效應

張蓉 毛德華

張 蓉，毛德華. 長株潭都市圈“三生空間”用地轉型及生態環境效應［J］. 湖北農業科學，2024，63（2）：120-127．

摘要：在構建“三生空間”用地類型劃分體系的基礎上綜合運用土地用地轉移矩陣、生態環境質量指數及土地利用轉型生態貢獻率等方法，定量分析2000—2020年長株潭都市圈“三生空間”用地的轉型特征及其生態環境效應。結果表明，2000—2020年，長株潭都市圈“三生空間”用地中生態用地為主要用地類型，生活用地和生產用地數量動態變化幅度大；從“三生空間”用地轉型結構來看，以農業生產用地和林地生態用地的相互轉化為主導，同時農業生產用地和林地生態用地大量轉為工礦生產用地和城鎮生活用地；長株潭都市圈生態環境質量總體呈逐漸減緩的下降趨勢，其中2005—2010年惡化程度最突出，研究期內低質量區和較低質量區不斷擴張；影響生態環境改變的主導因素是農業生產用地和林地生態用地的相互轉換以及城鎮生活用地和工礦生產用地的對外擴展侵占了大量的林地生態用地。

關鍵詞：“三生空間”用地轉型；生態環境效應；生態貢獻率；長株潭都市圈

中圖分類號：F327；F301.2? ? ? ? ?文獻標識碼：A

文章編號：0439-8114（2024）02-0120-08

DOI：10.14088/j.cnki.issn0439-8114.2024.02.020 開放科學（資源服務）標識碼（OSID）：

Land use transformation and ecological environment effects of “production-living-ecological spaces” in Changsha-Zhuzhou-Xiangtan Metropolitan Area

ZHANG Rong， MAO De-hua

（School of Geographical Sciences， Hunan Normal University， Changsha? 410081， China）

Abstract：Based on the construction of the land type division system of “production-living-ecological spaces”， comprehensively using the methods of land transfer matrix， ecological environment quality index and ecological contribution rate of land use transformation， the characteristics and ecological environmental effects of “production-living-ecological spaces” land transformation in Changsha-Zhuzhou-Xiangtan Metropolitan Area were quantitatively analyzed from 2000 to 2020. The results showed that from 2000 to 2020， the ecological land was the main land type in the “production-living-ecological spaces” land in Changsha-Zhuzhou-Xiangtan Metropolitan Area， and the dynamic changes of the quantity of living land and production land were large； from the perspective of the “production-living-ecological spaces” land use transformation structure， the agricultural production land and forest land ecological land were mainly transformed into each other， and a large number of agricultural production land and forest land ecological land were transformed into industrial and mining production land and urban living land； the ecological environment quality of the Changsha-Zhuzhou-Xiangtan Metropolitan Area showed a gradual decline trend， and the deterioration was the most prominent from 2005 to 2010. During the study period， low-quality areas and lower quality areas continued to expand； the main factors affecting the change of ecological environment were the conversion of agricultural production land and forest ecological land and the external expansion of urban living land and industrial and mining production land， which occupied a large amount of forest ecological land.

Key words： land use transformation of “production-living-ecological spaces”； ecological environment effects； ecological contribution rate； Changsha-Zhuzhou-Xiangtan Metropolitan Area

土地是一種數量有限、可耗竭性的資源，為人類的生產生活提供了最基本的生產空間與生活環境基礎，其利用與覆被變化是可持續發展及生態環境變化與保護的重要議題^［1］。土地利用轉型概念由龍花樓等^［2］于2002年引入國內，將土地利用轉型定義為與區域社會經濟發展階段相對應的土地利用由一種形態轉變為另一種形態的過程。土地利用轉型是當前地理學、生態學、環境科學、資源科學、管理學等多個學科共同關注的熱點問題，研究內容涉及土地利用轉型顯隱形態^{［3，4］}、土地利用轉型驅動^［5，6］、土地利用轉型生態環境效應^［7］等方面。在中共十八大報告中，關于推動新時代“五位一體”總體布局做出的全面部署明確提出了要構建“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“三生空間”優化格局，“三生空間”正式成為中國新時代國土空間優化配置的重要風向標^［8］。國內對土地利用轉型及其生態環境效應的研究鮮見從“三生空間”用地的角度分析^［9］，研究大多集中在從區域土地利用轉型^［10-12］或土地功能轉型^［13］分類體系角度引起的生態環境變化，研究方法包括轉移矩陣、土地利用動態度模型、景觀格局指數和生態環境質量指數等^［14-16］。在研究尺度上，大多是對省^［17］、市^［18］、流域^［19］、經濟帶^［20］尺度的研究，鮮有基于都市圈尺度的研究，長株潭地區一直是長江中游經濟帶的核心組成部分，在2021年由國家發展和改革委員會批復成為全國第四個國家級都市圈，該區域“三生空間”用地博弈沖突引起的生態環境變化對長江經濟帶的環境保護和生態安全具有重要意義。綜上所述，本研究基于“三生空間”的視角綜合評估2000—2020年長株潭都市圈“三生空間”用地轉型特征及其生態環境效應，以期為都市圈國土空間優化及生態環境綜合管制提供參考，為各項政策的制定提供科學依據。

1 研究區概況與數據來源

1.1 研究區域概況

長株潭都市圈是2021年中共中央、國務院根據《十四五規劃》提出的要求，落實建設的第四個國家級都市圈。長株潭都市圈地處湖南省東部偏北，東鄰宜春市、萍鄉市，西連益陽市、婁底市，北接岳陽市，南靠衡陽市、郴州市，涉及長沙市全域、株洲市中心城區及醴陵市、湘潭市中心城區及韶山市和湘潭縣共19個縣（市、區）。三大區域沿湘江水系呈“品”字形鼎足分布，總面積為1.89萬km²，位于27°12′—28°38′N，111°53′—114°15′E（圖1）。

1.2 數據來源

長株潭都市圈2000—2020年土地利用遙感監測數據來源于資源環境科學與數據中心（http：//www.resdc.cn/），土地利用類型包括耕地、林地、草地、水域、居民用地和未利用土地6個一級類型以及25個二級類型。以長株潭都市圈行政界線對遙感影像進行掩膜提取，按照地類滿足人類需求的不同方面將土地利用類型從“三生空間”用地視角分為生產用地、生態用地和生活用地，建立基于“三生空間”土地利用主導功能的用地類型^［21］。同時，借鑒李曉文等^［22］、楊清可等^［23］對二級地類生態環境指數的研究成果，采用面積加權法確定“三生空間”用地類型的生態環境質量指數（表1）。

2 方法

2.1 土地利用轉型矩陣

從土地利用主導功能視角出發，根據制定的“三生空間”用地分類體系將研究區土地利用數據進行重分類，對研究期內每兩期“三生空間”用地數據進行疊加分析與面積計算，再進行數據整理，建立各時期“三生空間”用地轉移矩陣，其表達式如下。

式中，S_ij為一類向另一類轉換的具體面積；n為“三生空間”用地類型數量； i、j分別表示研究初期和研究末期的“三生空間”用地類型。

2.2 土地利用動態度

為反映研究區內不同“三生空間”用地類型變化的活躍程度，分析區域內某一“三生空間”用地類型在一定年限內的動態變化程度，采用單一土地利用動態度（變化率）指標分析，其表達式如下。

式中，K為S_t至S_T時段內某地類的動態度；S_t、S_T分別為研究初期、研究末期某一“三生空間”用地面積；?T為研究時長。

2.3 生態環境質量指數

在“三生空間”視角下，根據研究區不同“三生空間”用地的面積比例以及生態環境質量指數，計算出研究區不同時期生態環境質量的總體狀況，其表達式如下。

式中，EV_t為區域t時期生態環境質量指數；S_i和C_i分別為區域t時期第i種“三生空間”用地類型的面積和生態環境質量指數；S為研究區總面積；n為土地利用類型數。

參考文獻^［23］，根據研究區尺度與斑塊數量對長株潭都市圈“三生空間”用地數據使用1.5 km×1.5 km的正方形漁網進行等間距采樣，將各單元的生態環境質量指數賦值給單元中心點，采用克里金法對生態環境質量指數進行空間插值，得到研究區生態環境質量空間分布情況，并將其分為低質量區（<0.25）、較低質量區（0.25～0.40）、中等質量區（0.40～0.55）、較高質量區（0.55～0.70）和高質量區（>0.70）5個等級。

2.4 生態貢獻率

生態貢獻率是指某種土地利用轉型所引起的區域生態環境的改變，有利于探討影響區域生態環境質量變化的主要“三生空間”用地轉型過程，其表達式如下。

式中，LEI為生態貢獻率；LE_t-1、LE_t分別為變化初期、變化末期的“三生”用地類型具有的生態環境質量指數；LA為變化用地的面積；TA為研究區總面積。

3 結果與分析

3.1 “三生空間”用地轉型特征分析

3.1.1 “三生空間”用地類型時空變化 長株潭都市圈2000—2020年“三生空間”用地總體面積情況及變化率如表2、表3所示，生態用地分布最廣，占研究區總面積的64.37%。從其趨勢來看，生產用地經歷了先減少后增加的變化，主要由于工礦生產用地面積的增長逐漸抵消了農業生產用地面積的下降。2000—2020年工礦生產用地面積大幅度增加，增量為544.63 km²，用地變化率達45.20%/a；農業生產用地面積減少了528.88 km²，用地變化率為-0.43%/a。生態用地面積從12 160.77 km²減少到11 793.71 km²，年均減少0.15%，主要由林地生態用地面積減少導致。生活用地面積呈現逐年遞增的趨勢，由466.02 km²增加到817.34 km²，期間年均增加2.85%，主要體現在城鎮生活用地的快速擴展，2020年城鎮生活用地面積為606.54 km²，用地變化率達6.99%/a。從時間階段來看，2005—2010年各類“三生空間”用地轉型變化率達到峰值，說明此期間長株潭都市圈城鎮化、工業化快速推進，城市空間拓展，建設用地擴張迅速，對農業生產用地、林地生態用地產生威脅，“三生空間”用地轉型頻繁發生。

從“三生空間”用地空間分布（圖2）來看，林地生態用地的分布范圍廣泛，主要位于研究區四周距離城鎮生活用地較遠的山地丘陵地區。其次是農業生產用地、城鎮生活用地和工礦生產用地，農業生產用地主要分布在林地生態用地邊緣的地勢平緩地帶，城鎮生活用地和工礦生產用地集中在研究區中部的水域生態用地沿岸?？傮w來看，2000—2020年城鎮生活用地和工礦生產用地具有明顯的擴展趨勢。

3.1.2 三生空間用地轉型結構分析 為了進一步研究長株潭都市圈“三生空間”用地類型的轉換方向和數量，利用ArcGIS 10.5軟件對研究區相鄰兩時期的土地利用數據進行疊加分析，基于式（1）形成“三生空間”用地轉移矩陣（表4）。

1）2000—2005年，研究區“三生空間”用地轉型主要表現為農業生產用地與林地生態用地的相互轉換以及農業生產用地和林地生態用地轉換為城鎮生活用地。農業生產用地轉換為林地生態用地和城鎮生活用地的面積分別為40.20、37.65 km²，此外還有18.61 km²轉換為工礦生產用地；林地生態用地轉換為農業生產用地和城鎮生活用地的面積分別為35.85、41.03 km²，此外還有20.26 km²轉換為工礦生產用地。除了城鎮生活用地大規模擴展外，農村生活用地也發生了一定的擴張，此期間長株潭都市圈城鎮化和工業化發展初現苗頭。

2）2005—2010年，“三生空間”用地轉型方向與2000—2005年大致相同，但主要轉移類型的面積均有大幅提升。農業生產用地轉換為林地生態用地和城鎮生活用地的面積分別為68.29、122.77 km²，此外還有73.71 km²轉為工礦生產用地；林地生態用地轉換為農業生產用地和城鎮生活用地的面積分別為57.94、62.95 km²，此外還有99.06 km²轉換為工礦生產用地。此期間城鎮生活用地擴張主要侵占農業生產用地，工礦生產用地增加主要來源于林地生態用地，長株潭都市圈人口不斷膨脹，城鎮化進程達到頂峰，工業化進一步發展。

3）2010—2015年，研究區“三生空間”用地轉型主要表現為農業生產用地與林地生態用地的相互轉換以及農業生產用地和林地生態用地轉換為工礦生產用地。農業生產用地轉換為林地生態用地和工礦生活用地的面積分別為54.62、90.28 km²；林地生態用地轉換為農業生產用地和城鎮生活用地的面積分別為49.89、11.74 km²。相比上一階段城鎮生活用地的轉入大幅縮減，此期間長株潭都市圈城鎮化發展趨于緩和，而工礦生產用地的擴展面積進一步增加，人民日益增長的物質文化需求推動了社會生產力的高速發展，建設用地與生產、生態用地之間的矛盾也不斷激化。

4）2015—2020年，“三生空間”用地轉型方向與2010—2015年大致相同，工礦生產用地擴張進一步加強，農業生產用地和林地生態用地轉換為工礦生產用地的面積分別為124.32、118.40 km²，與此同時生態用地的轉型活躍度有較大提升，林地生態用地、水域生態用地的轉入面積相比上一階段成倍增長，在國家出臺的“以生態文明建設”為主導的一系列政策推動下，長株潭都市圈各政府開展了一系列退耕還林、還濕試點項目，有效緩解了工礦用地擴張帶來的生態環境負效應，在追求經濟發展的基礎上重視生態保護，正是未來可持續發展的新方向。

3.2 “三生空間”用地轉型的生態環境效應

3.2.1 生態環境質量指數分析 根據式（3）計算可得，長株潭都市圈2000—2020年生態環境質量指數分別為0.620 6、0.618 1、0.612 1、0.608 5、0.604 3（圖3），生態環境質量整體變化幅度較小。2000—2020年，長株潭都市圈的生態環境質量指數下降了0.016 3，下降幅度呈先增后減的趨勢，其中2005—2010年生態環境質量指數下降幅度最大，達0.97%。高質量區和較高質量區面積保持在70%左右，是長株潭都市圈整體生態環境質量保持中高水平的主要貢獻區域。但隨著城鎮化和工業化的高速發展，高質量區和較高質量區面積呈逐漸下降的趨勢，較低質量區和中質量區面積開始不斷增加，而低質量區也有所擴張（表5）?？傮w而言，2000—2020年長株潭都市圈區域生態環境質量呈相對穩定但有所惡化的趨勢，這是由于生態環境質量低的生產生活用地擴展、生態環境質量高的生態用地退縮而導致的生態環境貢獻率正負效應無法抵消。

從生態環境質量等級空間分布（圖4）來看，長株潭都市圈生態環境質量總體呈“東高西低、南高北低”的分布特征。低質量區分散在長沙、株洲、湘潭三市的中心城區，擴張趨勢明顯；較低質量區以團塊狀分散于長沙主城區、岳塘區和雨湖區交界處、石峰區和荷塘區交界處、瀏陽市西部及望城區北部等主要城鎮生活用地和工礦生產用地聚集處，且以較快的速度不斷擴展。中質量區及較高質量區主要分布在寧鄉市、淥口區、醴陵市以及較低質量區周邊區域，這些區域構成了湖南省湘江流域“一圈三區”農業生產用地格局中的長株潭都市農業圈，以林田交融為主要特征，農業生產用地和林業生態用地的反復轉化會使較高質量區向中質量區轉化。高質量區主要分布在研究區東部、西部及東南部，由生態環境質量較高的林地生態用地和牧草生態用地構成其主體。

3.2.2 “三生空間”用地轉型對生態環境質量的貢獻度 土地利用轉型對區域生態環境質量帶來改善和惡化2種趨勢，根據式（4）計算得到長株潭都市圈2000—2020年主要“三生空間”用地轉型對生態環境帶來的正負效應，如表6所示。2000—2020年導致生態環境惡化的主要原因是林地生態用地向農業生產用地和工礦生產用地的轉換以及農業生產用地向工礦生產用地和城鎮生活用地的轉換，貢獻占比共計80.47%；生態環境改善的主要貢獻類型是農業生產用地向林地生態用地轉換，貢獻占比高達80.94%，其次是農業生產用地轉換為水域生態用地。2000—2020年，隨著長株潭都市圈工業化、城鎮化不斷發展，人們對于生產、生活用地需求不斷提高，用地供需矛盾激化，生產用地和生活用地不斷侵占生態用地，是導致長株潭都市圈生態環境質量下降的主要因素，可見生態用地尤其是占主要地位的林地生態用地的增減直接影響區域生態環境質量。

4 小結

本研究從“三生空間”用地的視角出發，借助“3S”技術，通過土地利用轉移矩陣和用地變化率分析“三生空間”用地轉型，運用生態環境質量指數及生態貢獻率，定量評估了“三生空間”用地轉型引起的生態環境效應。主要分析結論如下。

1）2000—2020年長株潭都市圈“三生空間”用地整體呈農業生產用地和林地生態用地減少，工礦生產用地和城鎮生活用地不斷增加的特點，前10年以城鎮生活用地擴張為主，后期為工業化高速發展導致的工礦生產用地需求增加。

2）2000—2020年長株潭都市圈生態環境質量指數從0.620 6下降到0.604 3，整體保持中等水平，得益于研究區東北部及南部豐富的林地資源，但生態環境高質量區和較高質量區被中質量區和較低質量區不斷侵占而縮減。

3）研究區內2000—2020年“三生空間”用地轉型對生態環境的影響存在正效應與負效應2種現象，兩者相互抵消呈下降趨勢。農業生產用地和林地生態用地的相互轉換以及農業生產用地和林地生態用地向工礦生產用地和城鎮生活用地轉換是影響生態環境質量的主導因素。

長株潭都市圈作為中國重要的經濟增長極，在過去一段時間里城鎮生活用地和工礦生產用地明顯擴張，因此造成了一定的生態環境質量下降問題。而在新時代“五位一體”共同發展以及“三生空間”全面優化的背景下，加快區域經濟高質量發展的同時，更應注意“三生空間”用地轉型帶來的生態環境變化，以合理高效的土地開發、配置、管理進一步加強國土空間規劃，優化土地利用結構。為此國務院及省政府高度重視，制定了《長株潭生態綠心保護條例》《長株潭環境功能區劃分及保護目標》等政策文件，對生態廊道和關鍵節點進行重點保護及修復，在《長株潭都市圈發展規劃》中更是明確了要探索保持生態優勢，將其轉化為區域經濟優勢的有效途徑，創新綠色生態可持續發展模式的目標，確保區域可持續發展。

參考文獻：

［1］ TURNER B L I，SKOLE D L，SANDERSON S，et al. Land-use and land-cover change： Science/research plan［J］. Global change report （Sweden），1995，43：669-679.

［2］ 龍花樓，李秀彬.區域土地利用轉型分析——以長江沿線樣帶為例［J］.自然資源學報，2002（2）：144-149.

［3］ 張 玥，代亞強，陳媛媛，等.土地利用隱性轉型與土地利用碳排放空間關聯研究［J］.中國土地科學，2022，36（6）：100-112.

［4］ 宋家鵬，陳松林.福建省土地利用隱性形態與土地生態安全耦合協調分析［J］.水土保持研究，2020，27（4）：301-307.

［5］ 劉永強，龍花樓.黃淮海平原農區土地利用轉型及其動力機制［J］.地理學報，2016，71（4）：666-679.

［6］ GONG Y，YOU G X，CHEN T Y，et al. Rural landscape change： The driving forces of land use transformation from 1980 to 2020 in Southern Henan， China［J］.Sustainability，2023，15（3）：2565.

［7］ 周吉星，張前進.基于“三生空間”的天津市土地利用轉型與生態環境變化關系研究［J］.天津城建大學學報，2021，27（5）：333-339.

［8］ 賈 琦.山區縣域“生產-生活-生態”空間格局演化及其生態環境效應——以豫西登封市為例［J］.中國農業大學學報，2021，? 26（7）：191-203.

［9］ 龔亞男，韓書成，時曉標，等.廣東省“三生空間”用地轉型的時空演變及其生態環境效應［J］.水土保持研究，2020，27（3）：203-209.

［10］ 暢田穎，張仲伍，喬旭寧，等.黃河流域2000—2020年“三生”空間土地利用轉型及其生態環境效應［J］.水土保持通報，2021，41（4）：268-275.

［11］ 陳萬旭，李江風，曾 杰，等.中國土地利用變化生態環境效應的空間分異性與形成機理［J］.地理研究，2019，38（9）：2173-2187.

［12］ 井云清，張 飛，陳麗華，等.艾比湖濕地土地利用/覆被-景觀格局和氣候變化的生態環境效應研究［J］.環境科學學報，2017，37（9）：3590-3601.

［13］ 張芊芊，邵戰林，林 娟，等.“三生空間”視角下烏魯木齊市土地利用功能轉型及其生態服務價值研究［J］.環境污染與防治，2022，44（2）：218-224，229.

［14］ 楊佳嘉，徐園園，陳裕鑫，等.四川省土地利用轉型的生態環境效應及其影響因素［J］.西南農業學報，2022，35（10）：2237-2246.

［15］ 劉金花，叢中笑，王治軍.基于三生空間轉型的生態環境效應多尺度研究——以黃河流域山東段為例［J］.中國環境科學，2023，43（5）：2519-2530.

［16］ 王永洵，王亞飛，張靜文，等.海岸帶土地利用轉型及其生態環境效應——以福建海岸帶為例［J］.環境科學學報，2021，41（10）：3927-3937.

［17］ 武 燕，吳映梅，陳云娟，等.基于“三生”空間演變的高原湖泊流域生態環境效應及影響因素——以滇池流域為例［J］.西南農業學報，2022，35（10）：2265-2275.

［18］ 魏 媛，陳 其.碳達峰背景下遵義市土地利用轉型的生態環境效應及預測［J］.水土保持通報，2023，43（1）：388-398.

［19］ 黃 鑫，程文仕，李曉丹，等.干旱內陸河流域土地利用轉型的生態環境效應變化特征及其驅動因素探測［J］.水土保持研究，2023，30（2）：324-332.

［20］ 苑韶峰，唐奕鈺，申屠楚寧.土地利用轉型時空演變及其生態環境效應——基于長江經濟帶127個地級市的實證研究［J］.經濟地理，2019，39（9）：174-181.

［21］ PENG W F，ZHOU J M，FAN S Y，et al. Effects of the land use change on ecosystem service value in Chengdu， Western China from 1978 to 2010［J］.Journal of the Indian society of remote sensing，2016，44（2）：197-206.

［22］ 李曉文，方創琳，黃金川，等.西北干旱區城市土地利用變化及其區域生態環境效應——以甘肅河西地區為例［J］.第四紀研究，2003（3）：280-290.

［23］ 楊清可，段學軍，王 磊，等.基于“三生空間”的土地利用轉型與生態環境效應——以長江三角洲核心區為例［J］.地理科學，2018，38（1）：97-106.

收稿日期：2023-09-07

基金項目：國家自然科學基金區域創新發展聯合基金項目（U19A2051）；湖南省哲學社會科學基金項目（21YBA035）；湖南省國內一流培育學科建設項目（5010002）

作者簡介：張 蓉（1999-），女，湖南婁底人，在讀碩士研究生，研究方向為土地利用，（電話）15273803381（電子信箱）2843261097@qq.com；通信作者，毛德華（1964-），男，湖南益陽人，教授，博士，主要從事國土空間規劃與管理、流域水資源與水環境研究，（電話）18684953186（電子信箱）850276407@qq.com。