基于洛倫茲曲線和土地利用轉型的喀斯特山區“三生”空間分布研究

周宇洋， 周國富， 黃啟芬， 樂 立

(1.貴州師范大學 地理與環境科學學院， 貴州 貴陽 550001； 2.貴州省都勻市自然資源局， 貴州 都勻 558000)

土地作為承載人類一切活動的載體，對人類社會的生存和發展至關重要。土地所蘊藏著豐富的自然資源，滿足了人類生產與生活等方面的需求。但隨著人類社會文明不斷發展，人口與經濟井噴式增長，城鎮化、工業化和農業現代化快速推進的同時，人們開始對土地進行大刀闊斧的改造，無節制的索取自然資源，逐漸造成城市粗放擴張、生態環境惡劣和優質耕地稀缺等國土空間結構失衡的局面。面對中國這一嚴峻形勢，黨的第十八大報告明確指出要促進“生產空間集約高效、生活空間宜居適度、生態空間山清水秀”，生態文明建設逐漸成為國土空間開發的主旋律。“三生”空間方面的研究最早始于20世紀80年代初中國臺灣省“三生農業”的發展，通過大力發展“三生農業”，以達到提高農業生產率、提高農民收入、促進城鄉經濟及鄉村生態的可持續發展[1]。隨著國內專家學者研究的不斷深入，“三生”空間的研究主要集中在其“三生空間”概念剖析[2-3]、分類體系及功能識別研究[4-5]和優化調控研究等方面[6]。黃金川等[3]，李伯華等[7]指出，生態空間主要提供生態服務及生態防護功能，生產空間主要提供工、農和商服產品，生活空間可為人類提供居住和公共活動區域。王麗佳等[8]通過“風水”理論對村鎮“三生”空間進行總結。陳仙春等[9]和張紅旗等[4]采用土地利用分類結合土地多功能性來劃分“三生”空間；魏小芳等[10]和張紅娟等[11]通過對不同指標的選取，來構建區域“三生”分類體系。方創琳[12]提出“三生”空間優組理論，用于優化城市“三生”發展格局；李進林等[13]借鑒“三生”空間理論，對水土保持科技示范園功能分區及水保措施進行優化。

洛倫茲曲線( Lorenz curve) 最早由統計學家洛倫茲將居民收入累計百分比與居民總人口累計百分比相結合，以反映城市或者國家居民收入的公平程度。近年來，洛倫茲曲線逐步被專家學者運用到土地利用耕地變化、糧食產量、人口演變及城鎮化等方面中來[14-15]，將洛倫茲曲線引入土地利用研究能較好反映土地類型空間分布均衡程度。土地利用轉型作為土地利用結構變化的重要表現形式之一[16-17]，其土地利用主導功能的轉型，即“生態”、“生產”和“生活”三大主導功能地類間相互轉型，能動態反映區域各地類間的相互轉換[18]。本文選取位于喀斯特地區的貴州省都勻市為研究區。都勻市作為“全球綠色城市”、“中國毛尖茶都”，同時作為貴州省國土空間規劃中“六大城市主群”之一的區域中心城市，經濟區位優勢明顯。通過采用洛倫茲曲線和土地利用轉型對都勻市2009—2018 年“三生”空間分布進行分析，以期為促進研究區“三生”空間可持續發展，區域開展國土空間規劃、資源節約、生態環境保護提供參考依據。

1 研究區概況

2 數據來源與研究方法

2.1 數據來源

本文空間數據選取都勻市2009，2014，2018年3期土地利用變更調查矢量數據，由都勻市自然資源局提供。以研究區土地利用變更調查數據分類為基礎，土地利用主導功能為劃分依據，借鑒陳仙春等[9]、劉繼來等[19]、于莉等[20]、白如山等[21]的“三生”空間分類方法，按照“生活”、“生產”和“生態”對研究區3期土地利用數據進行分類，建立都勻市“三生”空間3級分類體系(詳見表1)。

表1 都勻市“三生”空間分類

2.2 研究方法

(1) 洛倫茲曲線。洛倫茲曲線將居民收入累計百分比與居民總人口累計百分比相結合，以反映城市或者國家居民收入的公平程度[14-15]。如圖1所示,洛倫茲曲線X軸代表人口百分比，Y軸代表居民收入百分比，并繪制一條內凹的曲線L，曲線上某一點代表某人口百分比下，相對應的居民收入百分比，直線M表示絕對平均線，代表理想情況下，收入的絕對公平，但在現實情況下，洛倫茲曲線都位于絕對平均線的右下方，當曲線與絕對平均線距離越近，下凹程度越小，所夾曲面面積S越小時，表示收入分配越平均，反之下凹程度越大，曲面面積S越大，表示收入分配越不均勻。

注：M為絕對平均線； S為曲面面積； L為居民收入比例。

①第一步需計算各類“三生”空間在各鄉鎮區位熵，區位熵又稱專門化率，反映該“三生”類型在各鄉鎮空間分布的專門化程度，計算公式為[14,22]：

(1)

式中：Q為某種“三生”空間的區位熵；M1表示研究區某鄉鎮該類“三生”空間面積(hm2)； M2為研究區該類“三生”空間總面積(hm2)；M3表示某鄉鎮土地面積(hm2)；M4為研究區國土總面積(hm2)。

②在計算出各鄉鎮各類“三生”空間區位熵后進行升序排列，分別計算出“三生”空間面積累計百分比和各鄉鎮土地面積累計百分比。 第三步，以各鄉鎮土地面積累計百分比為橫坐標，“三生”空間面積累計百分比為豎坐標繪制洛倫茲曲線。

(2) 基尼系數。基尼系數由經濟學家基尼(Gini)提出，又稱為“洛倫茲系數”，用于定量分析洛倫茲曲線收入分配的均勻程度，在幾何表示中反映的是現洛倫茲曲線與絕對平均線所夾面積與絕對平均線以下的三角形面積之比[14,22]。據圖1表示所夾面積S和絕對平均線M與X軸所夾面積之比。由于基尼系數算法多樣，本文采用施衛國關于基尼系數的算法，能簡易有效的計算出基尼系數，計算公式如下[15]：

(2)

式中：G為基尼系數；G值域為[0,1]；Mi表示某鄉鎮土地面積占國土面積的百分比累計值；Qi代表某鄉鎮某類“三生”空間面積的百分比累計值。G越大，說明該“三生”空間類別在研究區的分布越不均勻。根據相關研究[23]，基尼系數G小于0.2，代表研究區“三生”空間類型分布均勻，G在0.2～0.3之間表明分布相對均勻，G介于0.3～0.4間表明分布基本合理，基尼系數G在0.4～0.6之間表明空間分布差距較大，G大于0.6時則空間分布過于懸殊。

菊花不僅具有較好的觀賞價值，而且還具有一定的藥用價值，所以具有非常好的市場前景。這就需要做好菊花的栽培管理和養護工作，根據菊花的生長發育規律，來對菊花生長發育所需要的土、肥和水等進行改善，從而使菊花達到花葉豐滿，實現其觀賞價值和藥用價值。

(3) 轉型模型。轉型模型可反映研究區內土地利用/覆蓋結構特征變化方向，從而能夠全面直觀地反映不同時期內土地利用類型的變化轉移方向。本文利用ArcGIS 10.2軟件平臺，對任意兩期土地利用變更調查數據進行空間疊加分析運算，得到2009—2018年土地利用轉移數據并表征，以便更好的反映都勻市土地利用轉移規律及其變化過程，其表達式為[24]：

(3)

式中：Sij代表i類土地利用類型轉換為j類型地類的面積。

3 結果與分析

3.1 都勻市“三生”空間現狀分析

根據都勻市2018年土地利用變更調查數據統計表明，都勻市國土面積約228 546.91 hm2。根據表1“三生”空間分類表對都勻市2018年土地利用變更調查數據進行“三生”空間分類(見圖2)，并表征分類結果(見表2)。由表2可知都勻市“三生”空間主要以生態空間為主，生態空間面積為158 126.30 hm2，占總國土面積的69.19%，占比較高；其次為生產空間，面積為61 406.75 hm2，占總國土面積的26.87%；而生活空間則占比相對較小，面積9 013.86 hm2，占總國土面積的3.94%。上述分析結果表明，都勻市整體城鎮化水平相對較低，生態環境保護較好，區域主要以生態空間為主，生產空間其次。

(1) 生活空間。結合表2、圖2及附圖16(見封3)可知，城鎮生活空間面積為5 129.06 hm2，占都勻市國土面積的2.24%。城鎮生活空間主要分布在都勻市北部以及東部地區，以都勻市老城區(沙包堡街道、廣惠街道及文峰街道)和都勻市經濟開發區(勻東鎮)為主；農村生活空間面積為3 884.80 hm2，占總國土面積的1.70%，農村生活空間各鄉鎮均有一定分布。

圖2 2018年都勻市“三生”空間一級分類特征

表2 2018年都勻市“三生”空間面積統計結果 hm2

(2) 由表2可知，生產空間中農業生產空間面積占比最高，農業生產空間面積60 983.03 hm2，占都勻市國土面積26.68%。由附圖16(見封3)可知，農業生產空間分布較為廣泛，除中心城區(廣惠街道和文峰街道)外各鄉鎮均有分布，西部及東部地區分布較廣；工礦生產空間則分布較少，面積423.72 hm2，僅占國土面積的0.19%，由此可見，都勻市經濟產業主發展要以傳統的農業耕作和種植業為主，導致農業生產空間占比高，而工業發展較為落后。

(3) 作為“全球綠色城市”，都勻市生態空間占比為69.19%，在“三生”空間中占絕對優勢，其中林地生態空間占比最大，面積134 737.44 hm2，占國土面積的58.95%，可見都勻市林地生態用地廣泛分布；草地生態空間面積20 392.56 hm2，占國土面積的8.93%，主要分布在都勻市西部及東部地區。水域生態空間比例相對較低，面積為2 313.14 hm2，僅占國土面積的1.01%，比例不高，水資源開發利用亟待開展；其他生態空間面積683.16 hm2，占國土面積的0.30%，比例最小。

總體上看，都勻市生活空間占比較小，都勻市城鎮生活空間占都勻市國土面積比例不高。因此，都勻市應結合新型城鎮化及鄉村振興戰略的實施，進一步推進城市和農村的合理發展。其次，都勻市生產空間主要以農業生產空間為主，未來發展在保障農業發展的同時，應積極鼓勵二、三產業的發展。此外，生態空間中以林地生態空間為主，占比較高，在今后城市開發建設，應合理安排生產和生活用地，避免過多占用生態用地。

3.2 都勻市2009-2018年“三生”空間時空轉換分析

(1) 據表3所知，2009—2018年期間生產空間轉移去向主要為生活空間和生態空間，轉移面積分別為2 293.6 hm2和1 941.37 hm2，對應的轉移比例分別為3.61%和0.56%。生產空間總轉入面積為2 157.79 hm2，其中生態空間面積為1 980.74 hm2，生活空間面積為177.05 hm2，生產空間呈現出下降趨勢。從二級空間轉移上來看(見表4)，農業生產空間主要轉移為城鎮生活空間和林地生態空間，轉移面積分別為1 912.53 hm2和1 201.87 hm2，對應的轉移比例分別為3.04%和1.91%，而農業生產空間轉入的類型主要為草地生態空間和林地生態空間。工礦生產空間轉移主要去向為其他生態空間和城鎮生活空間，轉移面積分別為172.36 hm2和62.17 hm2，工礦生產空間的轉入類型主要為城鎮生活空間、農業生產空間和林地生態空間，轉入面積分別為30.39，35.58，37.23 hm2。綜上表明，近年隨著都勻市城市發展步伐加快，城市建設占用部分了農業資源。人們對退耕還林等生態修復的政策響應較為積極。

表3 2009-2018年都勻市“三生”空間轉移矩陣 hm2

表4 2009-2018年都勻市“三生”空間二級分類轉移矩陣 hm2

(2) 生活空間總轉出面積為511.12 hm2，其中轉移為生產空間的面積為177.05 hm2，生態空間334.07 hm2，對應的轉移比例分別為2.80%和5.27%；生活空間總轉入面積為3 194.30 hm2，其中生態空間轉入900.70 hm2，生產空間轉入2 293.60 hm2，對應的轉移比例分別為9.99%和24.45%，生活空間呈現出上升趨勢。從二級分類轉移上看，城鎮生活空間轉移去向主要為林地生態空間和農村生活空間，轉移面積分別為252.86 hm2和51.46 hm2，轉入空間主要為農業生產空間和林地生態空間，轉入面積分別為1 912.53 hm2和688.70 hm2，對應的轉移比例分別為37.29%和13.43%。農村生活空間轉移去向主要為城鎮生活空間和農業生產空間，轉移面積分別為126.73 hm2和110.46 hm2，而轉入農村生活空間的主要為農業生產空間、林地生態空間和城鎮生活空間，轉入面積分別為312.08 hm2，70.40 hm2和51.46 hm2。綜上表明，隨著城鎮化進程加快農村生活空間轉移的去向主要為城鎮生活空間，城市開發占用部分農業和林業空間，城鎮生活空間呈現出增長趨勢，都勻市城鎮化快速發展。

(3) 生態空間總轉出面積為2 881.44 hm2，其中轉移為生產空間1 980.74 hm2，生活空間900.70 hm2，對應的轉移比例分別為1.25%和0.57%。生態空間總轉入2 275.44 hm2，生產空間轉入1 941.37 hm2，生活空間轉入334.07 hm2，對應的轉移比例分別為1.23%和0.21%，生態空間呈現出下降趨勢。從二級分類轉移上看，林地生態空間主要轉移為草地生態空間、農業生產空間和城鎮生活空間，可看出農業的發展和城市的擴張占用了部分林地資源，轉入林地生態空間的分類主要為草地生態空間和農業生產空間，轉入面積分別為733.30 hm2和1201.87 hm2。草地生態空間轉移去向為林地生態空間和農業生產空間，轉入草地生態空間主要是林地生態空間和農業生產空間。水域生態空間主要轉移去向為城鎮生活空間和農業生產空間，轉移面積分別為37.41 hm2和12.39 hm2，和林地空間類似，隨著城市發展需求，農業的發展，占用部分水域進行生產建設，轉入水域生態空間的主要為林地生態空間和農業生產空間。相對于其他幾種生態空間而言，其他生態空間轉移則相對較小，主要轉移為城鎮生活空間和農業生產空間，而轉入其他生態空間的主要來自工礦生產空間和農業生產空間，轉移面積為172.36 hm2和137.19 hm2。隨著生態空間的減少，應加強對生態修復等政策的響應力度，嚴守生態保護紅線，保障生態空間發展。

3.3 洛倫茲曲線與基尼系數分析

3.3.1 洛倫茲曲線和基尼系數結果分析 以研究區2009年生產空間為例計算并繪制洛倫茲曲線，先計算出研究區2009年生產空間區位熵Q。Q值可反映各鄉鎮生產空間專門化程度，并根據結果由小到大排序(見表5),再計算出鄉鎮土地面積累計比及生產空面積累計百分比(見表5)，并繪制2009年生產空間洛倫茲曲線圖。按照此方法計算并繪制2009年、2014年和2018年各類“三生”空間洛倫茲曲線圖(圖3—4)，并根據公式2計算出2009—2018年“三生”空間基尼系數。計算結果見表6。

表5 都勻市2009年生產空間計算結果

圖3 2009-2018年都勻市洛倫茲曲線

如圖3所示，研究區2009—2018年間生態空間洛倫茲曲線最接近絕對平均線，再據表6可知，2009—2018年生態空間基尼系數從0.058 1上升到0.059 3，基尼系數有小幅升高，但G均小于0.2，表明該時間段生態空間分布相對均勻。生產空間基尼系數從0.130 5下降到0.118 8，基尼系數G同樣小于0.2，生產空間洛倫茲曲線僅次于生態空間，下凹幅度不大，生產空間分布也相對均勻。生活空間曲線下凹程度大于其余空間，距離絕對平均線較遠，基尼系數G介于0.3～0.4間，表明生活空間分布基本合理。

由圖4及表6看出，2009—2018年生產空間和生態空間洛倫茲曲線變化幅度不大，生態空間洛倫茲曲線更靠近絕對平均線，生產空間基尼系數較2009年下降0.011 7，生態空間較2009年增加0.001 2；生活空間曲線波動較大，2018年生活空間曲線下凹程度大于2009年及2014年，生活空間與其他空間相比更遠離絕對平均線，基尼系數較2009年增長0.087 2。

表6 2009-2018年都勻市基尼系數統計

圖4 2009-2018年都勻市各“三生”空間洛倫茲曲線

3.3.2 區位熵分析 洛倫茲曲線的斜率表示“三生”空間專門化程度，即區位熵。曲線上各拐點先后位置，與“三生”空間區位熵順序一致，故可通過區位熵反映“三生”空間專門化程度，當Q<1時，表明該鄉鎮的某種“三生”空間類型的比例小于該鄉鎮土地總面積占研究區面積的比例，即專門化程度較低，處于區域劣勢，反之當Q>1，專門化程度較高，該空間類型處于區域優勢。都勻市“三生”空間區位熵分布詳見圖5。

圖5 2009-2018年都勻市“三生”空間區位熵分布特征

由圖5可知，2009年生產空間分類下小圍寨街道辦事處、歸蘭水族鄉、沙包堡街道辦事處、墨沖鎮、勻東鎮Q>1，代表生產空間專門化程度較高，處于區域優勢。生活空間區位熵下小圍寨街道辦事處、沙包堡街道辦事處、文峰街道辦事處、廣惠街道辦事處Q>1；生態空間區位熵下綠茵湖街道辦事處、毛尖鎮、平浪鎮Q>1(按Q值升序排列)。

2014年生產空間區位熵中沙包堡街道辦事處、歸蘭水族鄉、墨沖鎮、勻東鎮Q>1；生活空間區位熵中小圍寨街道辦事處、勻東鎮、綠茵湖街道辦事處、沙包堡街道辦事處、文峰街道辦事處、廣惠街道辦事處Q>1；生態空間區位熵中綠茵湖街道辦事處、毛尖鎮、平浪鎮Q>1。

2018年生產空間區位熵中沙包堡街道辦事處、小圍寨街道辦事處、歸蘭水族鄉、墨沖鎮、勻東鎮Q>1；生活空間區位熵中小圍寨街道辦事處、綠茵湖街道辦事處、勻東鎮、沙包堡街道辦事處、文峰街道辦事處、廣惠街道辦事處Q>1；生態空間區位熵下中綠茵湖街道辦事處、毛尖鎮、平浪鎮Q>1。

4 結論與建議

4.1 結 論

都勻市“三生”空間主要以生態空間為主，生態空間占都勻市國土面積比例較高，占比為69.19%。其次為生產空間，占比為26.87%；而生活空間則占比相對較小，占總國土面積的3.94%。可見都勻市生態環境保護較好，而城鎮化水平相對較低。2009—2018年生產空間和生態空間呈現出下降趨勢，生活空間逐年遞增，呈現出穩步增長趨勢。從二級空間轉移來看，轉入城鎮和農村生活空間都主要來自農業生產空間和林地生態空間，城市建設發展占用部分林地資源和農業生產資源。

從2009—2018年洛倫茲曲線和基尼系數來看，都勻市“三生”空間分布基本合理，其中生態空間洛倫茲曲線更靠近絕對平均線，基尼系數G均小于0.2，表明都勻市生態空間分布相對均衡。從區位熵來看，生態空間處于區域優勢主要位于研究區西部的綠茵湖街道辦事處、毛尖鎮、平浪鎮，此區域生態環境要優于其他區域。生產空間洛倫茲曲線下凹幅度僅次于生態空間，基尼系數G均小于0.2，生產空間分布也相對平均，生產空間處于區域優勢主要是小圍寨街道辦事處、歸蘭水族鄉、墨沖鎮、勻東鎮，主要集中在都勻地區東部及南部，區域主要以從事農業生產為主。而生活空間與其他空間相比更遠離絕對平均線，浮動較大，下凹程度大，2009—2018年基尼系數均介于0.3～0.4間，表明生活空間分布基本合理，生活空間處于區域優勢主要是沙包堡街道辦事處、文峰街道辦事處、廣惠街道辦事處，基本位于都勻市中心城區，為城鎮居民生活娛樂主要區域。

4.2 建 議

都勻市生產空間主要以農業生產為主，工業發展相對落后，應積極鼓勵發展二、三產業和生態農業。加強基本農田保護和建設，加大萬畝大壩保護力度，確保耕地保有量和基本農田保護面積不減少。生活空間應按照貴州省國土空間規劃要求，都勻市到2030年中心城區城鎮人口應控制在50～100萬，建設規模合理控制在100 km2。合理確定城鎮空間規模與布局，有序推動和鼓勵人口向區位條件優、發展基礎好、環境承載力大的城鎮空間轉移，積極推進城鄉一體化建設。位于地質災害點的村寨，應推動易地搬遷。生態空間應堅持生態優先和綠色發展的理念，嚴守生態保護紅線，保障生態空間發展，加強對都勻斗篷山—劍江風景名勝區、青云湖國家森林公園、都勻清水江國家濕地公園、都勻市茶園水庫集中式飲用水水源保護區、都勻市墨沖鎮翁谷水庫集中式飲用水源保護區等生態空間的的保護力度，科學合理的確定城市開發建設的規模，避免過多的占用生態空間。