山地丘陵區林州市的國土空間格局與生境演變分析

廖雨，冉丹陽，張麗芳，李佳玉，楊存建，

1. 四川師范大學地理與資源科學學院，成都 610101

2. 四川師范大學西南土地資源評價與監測教育部重點實驗室，成都 610068

0 前言

國土空間是人類生產、生活的載體，也是我們進行生態文明建設的介質[1]。城市發展、工業進步、鄉村振興，使國土空間格局發生了巨大的轉變，導致國土空間的利用與保護之間的矛盾日益突出，國土空間的持續開發迎來了新的挑戰[2-3]。隨著國土空間格局的不斷轉變，導致生物生存的環境趨于破碎，生境功能退化甚至喪失，降低了生物的多樣性，對生態環境造成巨大破壞[4-5]。因此，將國土空間格局變化與生境退化的研究結合起來對自然資源合理利用、生態系統的保護及區域可持續發展至關重要。

國外的專家學者認為將土地利用轉型與生態效應結合起來對統籌城鄉發展及生態文明建設具有重要的指導意義[6-7]。而對土地利用分類進一步劃分為“三生”空間是研究國土空間的新趨勢，關于“三生”空間的研究，我國學者做了大量的研究并取得豐碩成果，如張紅旗[8]、劉繼來[9]、朱鳳武[10]、劉長青[11]、于莉[12]等。基于上述專家的分類思想與研究，將不同的土地利用類型劃分為生產、生態與生活用地[13-14]。關于國土空間格局及生境退化的研究主要通過構建生境評價體系及基于模型的評價方法兩種形式[15]。前者需要較高數據量，成本較大；后者基于模型評價方法，操作簡單，對數據需求量較低，較為直觀，空間可視化程度高，便于從景觀格局的角度出發來揭示生境退化程度[16-17]。所以本文主要通過INVEST模型中的生境質量模塊來揭示不同景觀格局下的生境退化程度。

山地丘陵區是我國國土空間中重要的組成要素之一，約占我國陸地面積的 65%。由于其本身生態環境的脆弱性、敏感性較大，以及人地關系矛盾突出等條件約束，迫使我國山區國土空間開發面臨的問題更加復雜，人地關系更加突出[1]。林州市位于太行山的東麓，其境內山地、丘陵占其總面積的 86%，近些年隨著其經濟快速發展，精準扶貧政策的實施，使得國土空間的開發及生態環境面臨著巨大的挑戰。因此本文選取林州市為研究區域，探索其國土空間格局時空演變規律，揭示國土空間格局的變化導致景觀破碎化對其生境退化程度產生的影響。以期能為林州市今后的規劃發展提供科學的建議。

1 研究區域概況

林州市位于河南省的北部、太行山脈東麓，是河南、河北、山西三省交匯之處，主要地形為山地、丘陵，占林州市總面積的 86%。境內海拔最高達1600 米左右，最低 200 米左右，海拔高差較大，其西北的地勢高于東南。地處半濕潤地區，屬于暖溫帶大陸性季風氣候，降水量季節分配不均勻，夏季高溫多雨，冬季寒冷干燥，溫度變化較大。轄15個鎮、1個鄉及林街道、開元街道、龍山街道、桂園街道等 4個街道辦事處，本文依據林州實際情況，將其 4個街道辦事處統稱為中心城區。截止2015年，林州市戶籍人口 112.63萬人，人口密度每平方千米 550人，是我國人口密度較高的縣級市之一。

2 數據來源與方法

2.1 數據來源

研究利用Landsat 5TM、 Landsat 8 OLI遙感影像數據進行圖像預處理后，依據中國土地利用類型分類體系[18]，通過人工目視解譯獲得林州市(1990年、2000年、2010年、2015年)四期土地利用數據，然后借助Google Earth平臺對目視解譯的數據進行了二次修正，數據驗證精度達到 85%以上，解譯精度可靠。其中土地利用類型分為兩級，6個一級地類(耕地、林地、草地、建設用地、水域、未利用地)，25個二級地類，基礎遙感影像從地理空間數據云網站(http: //www.gscloud.cn/)下載獲取。

2.2 “三生”空間劃分

國土空間是人與自然、社會經濟相互作用而表現出的一種形態，它是一種由生態功能、生產功能、生活功能等多種功能構成的綜合體[3，13]。目前國土空間的劃分依據也多種多樣，很多學者提出依據國土空間功能來劃分，但是一種國土空間可能兼有多種功能，以單一功能劃分存在一定的難度[3，11，13]，因此多數專家們主要依據國土空間的主體功能對國土空間進行劃分。本文主要借鑒張紅旗等[8]、朱鳳武等[10]的分類思想，依據國土空間的生產功能、生活功能、生態功能以及林州市的實際情況將其國土空間劃分為3個大類及7個小類別，如表1。

表1 林州市三生空間分類體系Table 1 Linzhou ecological-production-living spaces classifycation system

2.3 土地利用轉移矩陣

土地利用轉移矩陣表示系統分析中對系統狀態與狀態轉移的定量描述。它將土地轉移的面積利用矩陣的形式呈現出來，不僅反映研究區內部的土地類型結構，還追溯其地類變化的來源及去向[3，20]。矩陣中行表示k時期的i種土地利用類型，列表示k+1時期的土地利用類型，其表達式為:

如式(1)中所示，L為土地面積，n表示研究區內土地利用類型數。i、j分別為研究期初與研究期末的土地利用類型。運用 Arcgis10.2軟件對林州市1990年、2000年、2010年、2015年4期土地利用數據進行分別疊加，然后用Excel進行數據透視表處理，得到 1990—2000年、2000—2010年、2010—2015年、1990—2015年土地轉移矩陣，以此分析林州市近25年來國土空間的結構及用地功能類型轉化特征。

2.4 景觀指數法

景觀格局是對一定區域范圍內的生態環境體系的綜合反映，利用景觀指數能夠從多維角度來反映其結構組成和空間配置等方面的特征[19]。本文利用FRAGSTATS4.2軟件對選取的斑塊密度(PD)、斑塊平均面積(MPS)、蔓延度指數(CONTAG)、香濃多樣性指數(SHDI)、香濃均勻度指數(SHEI)、景觀形狀指數(LSI)等多個景觀指數進行計算，各個景觀指數的生態學含義參考文獻[22-24]。本文利用類型水平及景觀水平2個維度來分析林州市25年間國土空間景觀格局特征及其演變規律，并能清楚、直觀的反映林州市的景觀異質性、連通性、破碎化程度及其景觀的多樣性。

2.5 生境退化度

本文主要運用 InVEST模型中的生境質量模塊來評估林州市景觀水平上的生境退化特征[4，25]。其主要是利用土地利用類型與威脅源建立聯系，根據不同生境對威脅源的響應程度，評估不同景觀格局下的生境分布和退化情況，計算得到生境質量和稀缺程度可以反映該區域的生物多樣性，生境退化特征。

生境退化度的表達式如下:

如式(2)所示，其中R為威脅因子個數；wr為威脅因子的權重；yr為威脅層在地類圖層上的柵格個數；ry為威脅因子的強度；irxy為威脅因子對生境的威脅水平；βx為法律保護程度；Sjr為j類土地類型對威脅因子的敏感性大小；dxy為柵格x(生境)與柵格y(威脅因子)的距離；drmax為威脅因子r的最大影響范圍。

參考前人研究經驗[4，15，17，25]并結合研究區的區域特征，選取 5個威脅因子，分別是城鎮居民點、農村居民點、工礦用地、道路、耕地。并確定了各個威脅因子的最大影響距離、權重以及不同土地利用類型的生境適宜度、各土地利用類型對不同威脅因子的相對敏感程度。其參數設置詳見表2、表3。

表2 威脅因子、最大影響距離及權重Table 2 The maximum influence distance and weight of the threat factor

表3 土地利用類型生境適宜度及威脅因子的敏感程度Table 3 Habitat suitability of land use type and the sensitivity to threat factors

3 結果與分析

3.1 土地空間利用變化

從數量結構上的變化來看，1990年—2015年間，生態空間、生產空間始終為林州市的主要國土空間類型。25年間林州市生活空間持續增加，增加了2.89%；生態空間發生小幅度的波動變化；生產空間從 1990—2010年間持續減少，減少了 2.87%，但從2010—2015年間，生產空間又有小幅度的上漲，增加了0.64%。林州市三生空間如表4所示。

從鄉鎮分布特征來看，可以得出林州市各鄉鎮空間內部分布差異較大，陵陽鎮是除林州市中心城區之外城鎮生活空間占比最大的鄉鎮，此外城郊鄉、姚村鎮、河順鎮與其他鄉鎮相比城鎮生活空間占比分布面積較大。林州市的農業生產空間主要集中在陵陽鎮、姚村鎮、橫水鎮、采桑鎮，相對應的這些鄉鎮的綠被生態空間面積較少。綠被生態空間主要集中在石板巖鎮、任村鎮、原康鎮、石板巖鎮、五龍鎮，其中石板巖鎮的綠被面積最大，達到 95%，該鄉鎮的其它空間面積占比很小。陵陽鎮、城郊鄉、姚村鎮的農村生活空間占比較大。水域生態空間主要分布在石板巖鎮、任村鎮。如圖1所示。

表4 林州市25年間土地利用分布變化情況Table 4 Distribution change of land use types in the 25 years in Linzhou

從各個空間類型的轉化情況來看，25年間林州市生產空間、生活空間的變化幅度較大，生產空間中農業生產空間大幅度減少，變化面積為 91.11km2，主要與綠被生態空間相互轉化數量最大；工礦生產空間面積明顯增加，其增加的面積主要源于生態生產空間以及農業生產空間；農村生活空間、城鎮生活空間面積增加，其主要的來源為農業生產空間；生態空間變化幅度不大，其中綠被生態空間略有增加，主要由農業生產空間和水域生態空間轉入；水域生態空間略微減少，其主要轉化為綠被生態空間，如表5、表6、表7所示。

圖1 林州市各鄉鎮土地類分布差異Figure 1 Distribution difference of land use types Townships in Linzhou

表5 1990—2000年林州市土地利用變化轉移矩陣(km2)Table 5 Transition matrix of land use types in the Linzhou during 1990-2000 (km2 )

表6 2000—2010林州市國土空間面積轉移矩陣(km2)Table 6 Transition matrix of land use types in the Linzhou during 2000-2010 (km2 )

表7 2010—2015林州市國土空間面積轉移矩陣(km2)Table 7 Transition matrix of land use types in the Linzhou during 2010-2015(km2 )

3.2 景觀格局特征及其演變

通過Frgstats4.2軟件對選取多個景觀指數進行計算，得到林州市25年間類型水平及景觀水平上的景觀指數，如表8、圖2所示。

綠被生態空間的斑塊面積所占景觀面積比例及平均斑塊面積遠大于其他類型，其次是耕地，這說明它們主要以大面積的斑塊存在，分布比較集中，聚集程度較高，但是綠被生態空間、農業生態空間斑塊數量增多，平均斑塊面積逐年下降，表明其景觀日益趨于破碎化，聚集程度下降。與之相反，城鎮生活空間不斷的向城市外圍擴張，其PLAND、MPS逐年增加，說明城鎮生活空間面積不斷的增加，聚集程度逐年提高。

表8 林州市25年類型水平上景觀指數變化Table 8 Landscape indexes changes at type level in the 25 years in Linzhou

林州市 25年間景觀蔓延度指數偏高，其不同斑塊類型的團聚程度較高，景觀連通性較強，1990-2015年間蔓延度指數(CONTAG)總體呈下降趨勢；景觀形狀指數(LSI)、斑塊密度呈上升趨勢；香農多樣性指數及香農均勻度指數呈略微上升趨勢。蔓延度指數的下降，以及景觀形狀指數、斑塊密度的增加，表明林州市景觀破碎程度加大，景觀連通性減弱；而香農多樣性指數及香農均勻度指數有略微波動，表明各類型在景觀中呈均衡化趨勢分布。總體而言，隨著林州市社會經濟的快速發展和人口規模的擴大，景觀格局破碎化加劇，景觀連通性減弱和多樣性增強表明國土空間利用更加系統化及精細化。

圖2 林州市25年景觀水平上景觀指數變化Figure 2 Landscape indexes changes at Landscape level in the 25 years in Linzhou

3.3 生境退化度時空變化特征

通過 InVEST 模型生境質量(Habitat Quality)模塊來計算生境退化度。如圖3所示。

1990—2015年間林州市土地退化程度逐年增加，并且表現出明顯的空間差異。其主要退變方向是圍繞著城鎮生活空間向四周擴散展開，生活空間周圍土地退化程度最高，依次蔓延到生產空間，其次是生產空間與生態空間的交界，其交界處土地退化度大幅度降低，最后蔓延到生態空間，生態空間周圍的土地退化程度最低。

利用2015年的生境退化度與1990年的生境退化度差值，得到林州市 25年間的生境退化變化情況。其中，“+”值代表2015年林州市生境退化程度高于1990年的生境退化程度，“-”值代表2015年的生境退化程度低于1990年。如圖4所示。

通過 1990年—2015年林州市生境退化度變化可以看出，林州市生境退化度主要是生活空間向四周退化。中心城區生境退化程度最高；其次為陵陽鎮、姚村鎮、城郊鄉；原康鎮與合澗鎮雖2015年生境退化度高于 1990年，但是其退化程度低于陵陽鎮、姚村鎮、城郊鄉，影響其生境退化的主要因素是農業生產空間的擴大；任村鎮、桂林鎮部分區域生境退化度低于 1990年，生態質量有變好的趨勢，其生態質量好轉的原因主要由于綠被生態空間的增加；石板沿鎮生境退化程度趨于穩定。

4 討論

國土空間格局的演變對景觀格局的改變直接影響生態環境的質量，生態空間是城市系統的重要組成部分，對經濟的可持續發展及居民生活質量的提高具有重要的生態服務價值。從1990年到2015年林州市生態空間用地面積雖有所增加，但是其生境退化度卻逐年上升，生態環境惡化，這主要是由于生活空間的不斷擴張，各種威脅因子的相互影響，導致綠被生態空間平均斑塊的破碎度加大，破壞生態服務功能的連通性，這是引起生境退化的原因之一，為了避免林州市生態用地的進一步流失，生態環境的進一步惡化，需要對其進行合理的配置，不僅要注意其空間服務價值更要注重其空間結構合理配置。在精準扶貧的大背景下，要把帶領人民走上脫貧致富的道路與生態環境保護相結合。

圖3 1990—2015年林州市生境退化度Figure 3 Habitat degradation in Linzhou from 1990-2015

圖4 1990—2015年林州市生境退化度變化Figure 4 The change of habitat degradation in Linzhou from 1990-2015

林州市不同區域的生境退化度存在著差異，生境退化度上升最明顯的區域分別為中心城區、姚村鎮、陵陽鎮、城郊鄉，主要是因為這些區域分布著大量的人工表面，并且近 25年來，林州市經濟快速發展，建設用地大量擴張，耕地面積持續減少，導致了生態用地景觀破碎加劇，生境退化度高，使得生態環境下降明顯；而任村鎮及桂林鎮，人工表面較少，人為因素干擾不大，且綠被生態空間面積較大，生態功能維持較好。由于城市不同的地區，其生態質量不同，在今后的發展建設中，需因地制宜，結合不同區域的生態特征、人文特征，對城市進行規劃，可以更好的體現城市功能用地的服務價值。林州市主城區既要保護其本身的生態空間、還要規劃增加小范圍的綠地等，來提升生態服務功能，提高居民生活質量。而生態環境較好的任村鎮及桂林鎮，可以很好的利用其自然資源，適度開發旅游項目。但是林州市屬于多山地區，山地丘陵面積占總面積的 86%，由于山區具有特殊的屬性特質，其自然資源呈梯度分布、具有潛在地質災害，過度開發容易造成地質災害頻發，生態惡劣。所以要嚴格把控林州市山地丘陵區的開發程度，要避免低效率的生產、生活空間的擴張，多方面考慮，總體調控，做到國土空間的合理開發及利用。文章主要通過分析林州市由國土空間格局變化引起的景觀格局改變對生態環境的影響，但是怎么在城鎮化及精準扶貧開發的背景下避免城鎮景觀趨于破碎化，怎么建立起生境退化與景觀破碎指數之間的聯系，這個問題值得繼續研究和探討。

5 結論

本文通過對林州市25年的“三生”空間格局變化及生境退化度分析，得出如下結論:

(1) 林州市的國土空間主要分為生態空間、生產空間、生活空間。其中生態空間與生產空間是其主要的空間類型。1990—2015年期間林州市生活空間逐年增加，城鎮化程度逐年加大，中心城區的城鎮快速向四周擴張，農業生產空間大幅度減少，其主要轉化成綠被生態空間及生活空間。生態空間基本保持原有水平，并未發生較大波動。經濟發展及人類活動對林州市國土空間格局的變化起到關鍵性作用。

(2) 1990—2015年間林州市蔓延度指數下降，景觀形狀指數、斑塊密度增加，香農多樣性指數及香農均勻度指數有略微波動。其中城鎮生活空間不斷的向外圍擴張，聚集程度逐年提高，綠被生態空間、農業生態空間的景觀破碎化程度不斷的加大。總的來看，由于人類活動及經濟的發展，林州市景觀格局破碎化加劇，景觀連通性減弱和景觀多樣性增強。

(3) 林州市土地退化程度逐年增加，并且表現出明顯的空間差異。其中西北部山區及東南部地區，生境退化程度下降，生態環境好轉；中心城區的生境退化程度明顯上升，其生境退化程度最高，其次是與其接壤的三個鄉鎮，分別為陵陽鎮、姚村鎮、城郊鄉。中心城區、陵陽鎮、姚村鎮、城郊鄉是林州市規劃發展的敏感區域，在未來的城鄉規劃中，要重點關注這些鄉鎮，發展規劃建設要與生態保護相結合。