固原市原州區2000-2018年“三生”用地及生態系統服務變化

滑雨琪, 馬彩虹,2, 安斯文, 袁倩穎

〔1.寧夏大學 地理科學與規劃學院, 寧夏 銀川 750021; 2寧夏(中阿)旱區資源評價與環境調控重點實驗室, 寧夏 銀川 750021〕

伴隨著工業化和城鎮化的快速推進，土地利用之間的沖突和矛盾日益突出，與之相應，也引起了生態系統服務功能也發生顯著變化[1-3]。如何由沖突走向協同發展，如何確保生態系統服務結構與功能提升，是當前國土空間優化亟待研究解決的重大現實問題[4-5]。2012年，國家提出了“生產空間集約高效、生活空間宜居適度、生態空間山清水秀”的國土空間優化目標[6]。

因此，基于三生用地視角開展區域國土空間格局演變及其生態效應，已成為當前土地變化科學的熱點。如陳明葉等[7]的研究表明大清河阜平流域土地結構的改變對該地區的生態系統服務價值造成了巨大的影響；楊鎖華等[8]構建“三生”用地體系和生態系統服務價值模型對長江經濟區的研究，發現1990—2014年生長江經濟區態系統服務價值主要增長區分布呈現出“山地>丘陵區>平原區”格局；戴文遠等[9]研究發現生產、生活空間對生態空間的侵占是福州新區ESV下降的主要原因。現有的“三生空間”與生態系統服務價值的耦合研究大部分還處于靜態因子研究，無法滿足不同地區在國土空間開發中的土地利用轉型規劃、生態系統治理等的實際應用，并且在研究區域上缺乏對經濟欠發達地區和西北干旱區的三生功能研究[9-11]。

寧夏回族自治區固原市原州區是國家扶貧開發重點縣(區)之一，于2020年退出貧困縣序列。由于是固原市政治、經濟、文化中心，近20 a來城市化進程較快，該區域位于中國生態安全戰略格局“兩屏三帶”中的黃土高原—川滇生態屏障，生態地位突出，同時，它又是寧夏南部山區農產品主產區，因此，原州區的三生用地爭地矛盾一度十分突出[12-13]。本文以原州區為例，基于“三生”空間視角開展脫貧地區退耕還林以來的國土空間演變及生態效應研究，以期為生態脆弱、經濟欠發達地區的國土空間開發與主體功能優化提供一定的決策參考。

1 方法與數據

1.1 研究區概況

原州區位于東經106°00′—106°30′，北緯35°50′—36°20′之間，地處寧夏回族自治區南部、六盤山東麓，降水主要集中于夏季，年均降水量300～550 mm。地勢南高北低，西南為六盤山山地，東北為黃土丘陵，中部為清水河谷沖積平原，山地、丘陵和河谷平原分別占 20.6%，32.9%和46.5%。

原州區是固原市政治、經濟、文化中心和寧南區域中心城市核心區，現轄7鎮4鄉3個街道辦事處，總面積2 739 km2。截至2018年，戶籍人口為43.13萬人，GDP為136.44億元，占固原市2018年GDP的45%。隸屬于北方農牧交錯生態脆弱區，面臨土地沙漠化，草地過度放牧，植被退化，水土保持能力下降，水資源短缺等資源環境問題。自2000年以來，實施了退耕還林、自然封育等生態恢復措施。

1.2 研究方法

1.2.1 三生空間用地分類 本文主要參照楊清可等[14]、李廣東等[15]提出的“三生”空間分類體系加以整合，并根據研究區域的實際情況重新劃分等級，原州區“三生用地”分類體系詳見表1。

表1 原州區“三生”用地分類體系

1.2.2 “三生”用地動態度模型 “三生”用地空間動態變化其本質是不同功能用地的空間動態變化。引用劉紀遠[16]和王考等[17]學者的土地利用動態度模型，研究基于“三生”空間理論下的土地利用動態度。以此可以有效地比較各區域土地利用變化差異。計算公式為：

(1)

式中：K1為研究時段內某一用地類型動態度； LA(i,t2)，LA(i,tr)分別表示研究初期和研究末期某類型利用地面積；T為研究時間長度。

1.2.3 生態系統服務價值模型 根據Costanza等[18]提出的17種生態系統功能和生態系統服務價值計量模型，計算區域生態系統服務價值。計算公式為：

ESV=∑(Ak·VCk)

(2)

式中：ESV為生態系統服務價值；Ak為k地類的面積； VCk為第K種土地利用類型的生態價值當量因子。參照Costanza等[18]、謝高地等[19]計算得出的生態系統服務價值當量因子，以2018年寧夏全區糧食市場平均成交價格的1/7作為一個生態服務價值當量經濟價值，經過實際調研，選取了原州區種植規模最大的3種作物(玉米、谷類、大豆)為衡量標準。計算出原州區的生態系統服務價值單位是1 599元/hm2。各類系統的單位面積生態系統服務價值詳見表2。

表2 原州區單位面積生態系統服務價值 元/hm2

1.3 數據來源

本文數據主要包括土地利用、DEM、行政矢量及社會經濟數據。其中2000年土地利用數據源為20000627的Lanssat 7ETM+影像，空間分辨率為30 m；2009年土地利用數據來自國土二調成果，影像盤數據為SPOT，其全色波段空間分辨率為2.5 m，單色波段為10 m；2018年數據為GF-2號影像，共13幅景。通過ENVI5.5軟件對影像數據進行幾何校正、圖像配準等預處理，利用人機交互方式解譯，Landsat 7ETM+分類精度85%，kappa系數0.88；GF2數據分類精度92%，kappa系數0.92。參照2017年全國土地利用分類方法，將土地利用類型分為10類，名稱和代碼依次為旱地1，水澆地2，園地3，林地4，草地5，城鎮用地6，鄉村居民點7，水域8，工礦水利用地9，未利用地0。

2 結果與分析

2.1 原州區“三生”用地動態變化分析

2.1.1 原州區“三生”用地結構分析 原州區土地利用類型中，基本上以生產用地和生態用地為主，其中，生產用地以旱地為主；生態用地中，以林地和草地為主(圖1)。研究時段內生產用地由2000年的117 816.07 hm2變為2018年113 572.37 hm2，比例由42.88%變為41.88%；生態用地由150 178.51 hm2變為144 505.42 hm2，比例由54.66%變為52.52%；生活用地由6 747.38 hm2變為17 020.01 hm2，比例由2.46%變為6.19%。其中，生產用地表現為旱地減少、水澆地和園地增加，且主要發生在2000—2009年，后期變化不大；生態用地中，林地和草地變化幅度明顯，主要表現為2000—2009年林地增加和草地減少，2009—2018年變化不大；水域和未利用地在整個時段中變化不大。生活用地中城鎮用地和居民點面積都穩定增加，分別增長了1 811.77，671.85，16 572.89 hm2。

圖1 原州區“三生”用地結構

2.1.2 原州區“三生”用地動態度變化分析 此處用地類型動態度K值表現為年均動態度。由表3可以看出，生產、生態、生活空間在前期的轉移度均明顯大于后期。2000—2009年生活空間為轉入率最大用地，動態度為-5.72%；二級地類中，城鎮用地為-9.21%明顯大于鄉村居民點的-4.73%，表明此時間段內生活空間中城鎮用地轉入率遠高于鄉村居民點。2000—2009年和2009—2018年生產空間動態度分別為0.26%和0.18%，兩段研究時間內生產空間動態度較為接近；旱地在研究區域的前期和后期的動態度分別1.86%和0.19%，表明旱地轉為水澆地和園地主要發生在第一階段。2000—2009年和2009—2018年生態空間動態度為0.21%和0.02%，表生態空間在研究前期有少量流出，研究后期處于平穩發展狀態；二級分類中，2000—2009年林地、草地和水域土地動態度為-6.91%，7.53%和5.08%，林地在研究前期有大量流入，草地和水域則在研究前期是處于大量流出的狀態，并且林地、草地、水域和未利用在研究后期均無明顯轉移。

表3 原州區2000-2018年“三生”用地空間動態度 %

2.2 原州區“三生”用地空間格局及其變化分析

由附圖3可以看出，原州區的“三生”空間格局具有明顯的空間分異特征，城鄉聚落方面，以中部清水河谷平原區較為密集，西南部的六盤山山地區和東北部的黃土丘陵溝壑區較為稀疏；與城鄉聚落分布相呼應，農業生產用地以中部清水河谷平原區為主；林地和草地兩類生態用地主要分布與六盤山地和黃土丘陵溝壑區。研究時段內，原州區“三生”用地表現為城鄉聚落和農業生產用地向中部河谷區集中、林地面積增加、草地面積縮減的態勢。首先，隨著寧夏生態移民計劃的實施，六盤山地區和黃土丘陵區的人口遷出，中部清水河谷平原區的城鄉聚落的擴張速度明顯快于山地和丘陵區。因此，隨著城鄉聚落的擴張，相當一部分耕地非農化，同時，隨著退耕還林措施的實施，研究時段內原州區的農業生產用地有所減少，由2000年的117 816.07 hm2減少為2018年的112 708 hm2，但用地結構明顯優化，主要表現為隨著固海擴灌工程的實施，在黃鐸堡鎮、三營鎮、頭營鎮和彭堡鎮的一部分旱地改水澆地和園地，水澆地和園地分別增加了11 443.7和1 014.82 hm2(附圖4)，極大地提高了農業用地的生產集約性。其次，隨著退耕還林、荒山造林、自然封育、四旁植樹造林等生態恢復措施的實施，原州區的林地大幅增加。2000年，林地20 860.89 hm2，主要分布于六盤山地區。2018年，林地面積大幅增加，達到67 358.63 hm2。森林覆蓋率由2000年的7.58%增加到2018年的24.49%。空間上，在六盤山地區的林地出現了一個明顯的南北延伸的生態帶，東北部黃土丘陵區的林地面積顯著增加，形成了以原州區城區為中性的U形森林生態帶。因此，草地有所減少，由2000年的119 183.23 hm2降低為2018年的67 841.70 hm2。因此，研究時段內，原州區的三生空間格局和結構有所優化。

建設用地大幅增長，主要是城鎮用地大幅上升，2000—2018年城鎮用地擴張面積達5 337.68 hm2，漲幅為739.5%，鄉村居民點并無明顯變化。旱地依然分布廣泛，但是面積從2000—2018年減少了19 599.47 hm2；空間格局上，原州區北部和東南區域的大部分旱地流向了林地、草地和居民點，2000—2018年分別轉移了21 133.95和8 516.41 hm2。“固海擴灌”項目的運轉，沿灌溉渠分布的水澆地和園地取代了原有的旱地，2000—2018年旱地向水澆地共轉移了11 135.25 hm2。草地大幅減少，造成這一現象的主要原因是草地向林地的轉移，并且主要分布于原州區東西兩側的黃鐸堡鎮、彭堡鎮和河川鄉區域，2000—2018年草地向林地共轉移38 139.43 hm2。

2.3 原州區生態系統服務價值損益分析

2.3.1 生態系統服務價值結構演變分析 原州區的生態系統服務價值由2000年的24.73億元增長至2018年的34.79億元。其中，供給服務ESV由3.36億元減少至3.18億；調節服務ESV由14.1億元增長至22.14億元；支持服務ESV6.34億元增長至8.84億元；文化服務ESV由0.94億元增長至1.40億元。2000—2009年，各項服務功能中只有供給服務功能ESV出現下降，下降的主要原因是生產用地面積的減少；調節服務功能ESV占比從56.99%增加至62.24%，是4項主要服務功能ESV中占比最大、增長速度最快。供給服務功能中，主要是水資源供給ESV出現減少，從0.27億元減少至-0.24億元，主要原因是時段內水域面積有所減少；其余兩項子功能ESV均表現為小幅增加。調節服務功能中，氣候調節和水文調節ESV是增量最大、增速最快的二級功能，分別從5.12和4.41億元增長至8.11和7.38億元；支持服務功能中，三項二級服務功能價值均有小幅增長，但只有生物多樣性ESV占比增加，從8.33%增加至10.59%；調節、支持服務ESV增加的主要原因是生態用地中林地面積大幅增加。2009—2018年生態系統總體服務價值出現略微下降，減少了0.66億元；4項主要服務功能中僅有支持服務ESV保持增長態勢，其余功能價值均有小幅度減少。二級功能中也僅有土壤保持和維持養分循環功能價值保持增長，水資源供給功能價值保持平穩并未繼續減少，其余二級功能均為小幅減少。減少的主要原因為生活用地的增加，降低了調節、支持服務ESV因子的平均水平(表4)。

表4 原州區2000-2018年生態系統服務功能的ESV變化

2.3.2 不同地類生態系統服務價值變化特征 在同一研究區域內，不同服務功能價值的變化與不同地類生態系統價值的轉換存在耦合關系。2000—2009年，生產用地ESV增長了0.34億元。2009年生活用地ESV總貢獻率只有0.55%，但同比2000年增加了137.5%，為增長幅度最大地類。生態用地是原州區各生態系統服務價值貢獻率最大的地類，也是2000—2009年生態系統服務價值增長變量最大，增加了9.7億元。二級地類中，草地和水域ESV分別減少了4.14和0.003億元，同時，林地ESV增長了15.2億元，并且成為原州區生態系統服務價值貢獻率最大的二級地類，占比59.01%。2009—2018年，原州區生態系統服務價值減少0.16億元。生態用地ESV幾乎沒有變化；生產用地服務價值減少0.14億元，二級地類中，旱地和水澆地ESV有略微的波動，其余地類服務價值基本無變化；生活用地服務價值增加了0.03億元。2000—2018年原州區ESV的變化與同一時段內用地類型的變化基本保持一致，水澆地、園地和林地取代了原有的旱地和草地，是原州區ESV大幅增加的主要原因；生產、生態用地減少和生活用地面積增加則是研究區域后期總體ESV減少的主要原因(表5)。

表5 原州區2000-2018年不同地類ESV變化

2.3.3 原州區生態系統服務價值轉移分析 使用ArcGIS軟件中的疊加分析功能，結合本文前面計算出的單個生態系統服務因子價值，得出2000—2018年各地類ESV轉移流(圖2)。研究時段內，原州區的土地利用轉移關系有近20種，其中導致ESV減少的轉移流向主要有旱地轉為居民點、旱地轉為工礦水利用地、草地轉為旱地、草地轉為工礦水利用地、草地轉為居民點，林地轉為旱地、林地轉草地，其余轉移方式均對ESV的增長有益。2000—2009年，旱地成為水澆地、園地、擴張的主要源頭，為原州區生態系統總體服務價值累積增加1.43億元，累計貢獻率達到1.29%。2000—2009年林地ESV的大幅增加主要來源于林地和草地，使得ESV增加了13.68億元，累計貢獻率39%；居民點和建設用地的擴張也主要來源于旱地和草地，ESV累積減少了0.51億元，累積貢獻率為1.49%。此外對生態系統價值損失最大的轉移流是林地向旱地和草地的流轉，林地向旱地和草地流轉的土地面積分別為5 717.84和4 497.06 hm2，造成生態系統服務價值分別減少了1.36和1.02億元，林地向旱地和草地的流轉對生態系統服務的總體價值是一項巨大的損失。2009—2018年，生態系統服務價值有輕微的下浮，主要是林地、旱地、水澆地向居民點的轉移，其中林地和旱地向居民點的轉移使得原州區生ESV分別減少了0.10和0.04億元，貢獻率分別為-41.4%和-22.33%。

注：橫軸中地類轉移代碼，十位數代碼為初始年份地類代碼，個位數字為末期年份地類代碼，如a中13，表示由2000年的草地轉為2009年的旱地。

3 討論與結論

3.1 討 論

經過上述研究可發現，2000—2018年原州區三生用地格局變化明顯，在選取的兩段研究時間內，原州區的土地利用格局變化跟人類活動的關系交織復雜。并且原州區土地開發格局經歷了兩個明顯的變化階段：第1個階段為“變革期”，2000—2009年由于原州區政府“退耕還林、還草”措施的有力落實，林地面積大幅增加，成為這一階段原州區生態系統服務價值迅速增長的關鍵一步，也奠定了生態用地在總體ESV中占有關鍵地位。生產用地面積雖然減少，但生產用地的ESV不降反升，主要得益于2003年原州區的固海擴灌系統全面開放，水澆地、園地的加入，大幅提高了農用地生產效率，極大地實現了利用自身自然條件與政策優勢，由低生態系統服務價值的土地利用方式成功向高生態系統服務價值的轉變。同時，這一階段也是原州區城鎮化步伐加快的時期，但城鎮化仍處于初級階段，表現為規模上的瘋狂擴張，人口由零星分布變為向政治、經濟中心聚集。這一時期生活用地大幅侵占“生產—生態”用地，是造成ESV的損失的主要原因。第2個階段為“穩定期”，2009—2018年，“退耕還林、還草”和“固海擴灌”工程都已落實并運行穩定，生態用地內部之間的土地結構流轉已趨于穩定。這一時期對原州區ESV產生變化的主要是生活用地，仍有小規模的生態和生產用地流向生活用地，其中以旱地、草地和水澆地為主，但都對原州區的總體ESV并沒有較大影響。可以看出這一階段，原州區的“生產—生活—生態”用地之間的流轉已逐漸轉變為高效、有序的發展，也積極響應了習近平總書記提出的“以綠色發展為導向的新政績觀”。今后發展中應注重三生用地發展的均衡性，生態要素與生產要素共同利用，提高土地集約利用度；注重土地生產功能的同時也不應忽略土地本身具有的生態功能價值，利用自身地理環境和自然條件逐步確定各土地利用主導功能，融入ESV作為評價因素，合理、有序開發。

本文在引用謝高地等學者的生態計算價值方法時，選擇2018年的現價作為基準，由于價格的波動性，對計算結果可比性的產生一定的影響。另外，原州區存在少量的人工牧草地，但由于人工牧草地占總土地面積低于1%，所以在分類時將其并入草地，統一采用草地的生態系統服務價值當量。對于以上因為方法和數據導致在結果上出現的誤差，我們會在今后的研究中完善和克服，提升數據與結果的可靠性和準確性。

3.2 結 論

(1) 2000—2018年，生產用地面積大幅減少，內部結構調整主要為旱地大幅減少，水澆地和園地持續；生活用地持續擴張且以城鎮用地的擴張為主；生態用地總量變化較小，但內部結構顯著調整，以林地的增加和其他生態用地的減少為主要特征。

(2) “三生”用地中生活用地面積動態度最高為-3.31%；二級地類中水澆地、園地為生產用地中動態度最高地類；生活用地中城鎮用地動態度最高；林地和草地則為生態用地中動態度最高；并且研究前期“三生”用地動態度明顯大于研究后期。

(3) 空間上，以清水河谷為代表的河谷地區主要表現為水澆地和園地的迅速增加；城區和重點鄉鎮如三營鎮和頭營鎮的建設用地擴張迅速；西部的六盤山地區主要表現為生態用地大幅增加，主要是生態退耕和宜林草地的大力植樹造林所致；東部的黃土丘陵溝壑區也有大面積的林地擴張。

(4) 隨著用地結構的優化調整，原州區的ESV總量增幅顯著，供給、調節、支持、文化功能價值均明顯增加。導致ESV減少的轉移流向主要有旱地轉為居民點、旱地轉為工礦水利用地、草地轉為旱地、草地轉為工礦水利用地、草地轉為居民點，林地轉為旱地、林地轉草地，其余轉移方式均對ESV的增長有益。在今后的土地利用結構調整中，需要盡可能避免土地利用方式轉換導致ESV的損失。