基于土地功能的鄉村“三生空間”分類評價體系研究
——以祿勸彝族苗族自治縣為例

吳碧蘭，向冬蕾，陳運春

（1.云南農業大學，a.資源與環境學院；b.國土資源科學技術工程研究中心；c.水利學院，昆明 650201；2.云南省國土資源規劃設計研究院，昆明 650216）

土地是一個綜合的功能整體［1］，土地利用的可持續性也是其功能目標。一個健康的土地系統不僅具有結構上的完整性，還必須實現功能上的連續性，其中功能優化為核心和最終目標。土地功能指土地利用系統和特定景觀尺度上的生態系統所能提供的資產和服務［2，3］，包括生態、生產和生活3種不同類型功能，是自然和社會經濟耦合發展的產物。任何人類生存的國土空間都具有生產、生活和生態功能。“三生空間”（生產、生活和生態空間）是從使用功能出發，反映不同人類活動在空間上的體現，其功能屬性大過空間屬性。同時“三生”功能具備尺度依賴性、功能復合性、時序演變性等特征，不同尺度“三生”功能并存，主次地位有異，并體現出一定的時空分布特征［4-6］。地域實體不具有重疊性，但位于地域實體上的“三生”功能存在一定的重疊。土地利用“三生”功能分類體系可有效銜接國土“三生”空間規劃和區域轉型發展戰略制定，已成為國土空間開發格局和綜合效益研究的新視角［7］。

鄉村空間是由生產空間、生活空間以及生態空間所構成的［8］。鄉村空間的特征之一是功能差異［9］，而功能變化體現著鄉村空間的土地利用形態，可表達鄉村多元發展主體需求與鄉村空間的滿足程度。鄉村空間功能是指在鄉村地域內，其內部構成要素和外部環境對人類生產、生活等活動互相作用形成的具有一定影響的特性或能力［10］。隨著鄉村經濟發展和土地利用結構調整，鄉村空間功能的多樣化和復合性特征日益突出。參考鄉村空間多功能已有相關研究［5，9，11］，結合“三生空間”理論，可將鄉村空間功能識別為生產功能、生活功能、生態功能，而鄉村“三生功能”之間的復雜關系對鄉村空間的發展布局有著重要的影響［5，12］。

1 研究區概況與數據來源

1.1 研究區概況

祿勸彝族苗族自治縣（簡稱祿勸縣）位于滇中高原北部，是云南省昆明市的郊區縣，具體位置見圖1。地處東經102°13′—102°57′、北緯25°25′—26°22′，屬橫斷山縱谷區東部邊緣地域，位于金沙江南岸和普渡河下游地帶。祿勸縣版圖呈梨葉狀，東西窄，南北長，東西長96 km，南北長105 km。該縣下轄3鎮13鄉，分別為屏山鎮、撒營盤鎮、轉龍鎮、茂山鄉、翠華鄉、團結鄉、中屏鄉、皎平渡鄉、烏東德鄉、九龍鄉、云龍鄉、湯郎鄉、馬鹿塘鄉、則黑鄉、烏蒙鄉、雪山鄉。縣內地勢東北高、西南低，地勢高低懸殊大，屬北亞熱帶季風氣候，由于山高谷深，立體氣候明顯。該地處金沙江水系，除金沙江外，有431條流經河流，其中徑流面積大于50 km2的有22條河流。同時土壤類型多樣，植被、礦產資源豐富。

圖1 祿勸縣區位及行政村界

1.2 數據來源

土地利用現狀數據來自2017年年度變更調查數據庫；數字高程模型（DEM）數據來自NASA公布的SRTMDEM數據集；社會經濟數據來自祿勸縣2018年度統計年鑒和祿勸縣2017年國民經濟和社會發展統計公報；土壤數據來自HWSD世界土壤數據庫中國區數據，數據源為中國科學院南京土壤研究所提供的1∶100萬土壤數據；氣象數據來自中國氣象數據網。

2 研究方法

2.1 “三生空間”分類體系構建

2.1.1 分類原則

1）突出土地的多功能性。土地是生產功能、生活功能和生態功能相互關聯和統一的整體［13］，不同的利用方式、強度和相關的使用者可使土地表現出上述3種功能的主次和高低［14，15］，即分類時既要考慮土地的主導功能，又要考慮其次要功能。

2）與現行國家土地利用分類標準相結合。土地的生產和生活功能分類與《GB/T 21010—2017，土地利用現狀分類》結合，將土地利用類型能提供生產產品和生活服務功能的用地分別劃分為生產用地和生活用地。

3）明確生態功能的基礎作用，構建土地生產、生活、生態功能并重的分類體系。現行的土地分類系統對土地生態功能考慮不足，亟需構建一個生態、生產、生活功能并重的分類體系。本研究主要考慮生態的調節功能，結合云南省生態安全格局作用，選取土地提供的土壤保持服務、水源供給服務、生物多樣性保護服務和氣候調節4種生態服務來對生態功能進行量化測算。

2.1.2 分類方法 現行的土地利用分類國家標準是以生產、生活為主導進行的分類，對生態功能的考慮稍有不足，而生態功能是生產、生活的基礎，須強調其重要基礎作用。本研究通過對土地能提供產品和服務角度對“三生空間”的分類方法進行了探討，形成的分類體系見表1。

表1 鄉村“三生空間”分類體系

2.2 “三生空間”分類評價體系構建

“三生空間”是通過土地的主導功能劃分的，但其具有功能復合性、尺度差異性等特征，不同空間尺度和區域功能研究視角下有不同的分類結果，即一次性絕對的空間劃定是不合理的［16］。本研究引入了目前對生態系統服務量測算較為廣泛的InVEST模型，定量測算土地的生態功能。并結合云南省的實際情況，運用層次分析法，結合專家意見確定4種生態系統服務權重得分，得到土地的生態功能分布情況。同時與《GB1T 21010—2017，土地利用現狀分類》銜接，進行土地生產功能及生活功能的量化評價，參考劉繼來等［17］、李廣東等［2］、劉玉等［18］對土地利用多功能性的研究成果，結合研究區實際用地現狀及用地習慣，將生產功能分為生產主導功能、生產輔助功能、生產次級功能、非生產功能4級（生活功能亦同），對其分級分別賦值10、6、2、0，以此來定量識別鄉村“三生空間”功能。本研究所定義的主導功能、輔助功能和次級功能都是根據土地利用方式所能提供的產品和服務的相對差異而確定。其中，對生產、生活、生態功能的評價標準如表2所示。

表2 鄉村“三生空間”評價體系

2.3 生態功能的測算

2.3.1 土壤保持功能InVEST土壤保持模塊認為土壤侵蝕減少量與持留量的差值即為土壤保持量。基于通用的土壤流失方程（USLE）對土壤侵蝕量進行估算，具體公式如下。

式中，A是流域內任意柵格x的實際土壤侵蝕量；Ap和Ac分別為流域內任意柵格x的潛在土壤侵蝕量和土壤保持量；Rx、Kx、Cx、Px分別為柵格的降雨侵蝕力、土壤可蝕性、地表覆蓋管理因子和土壤保持管理因子；Lx、Sx分別為坡長和坡度因子。

1）降雨侵蝕力因子（R）。選擇Wischmeier等［19］月尺度計算公式來進行計算。

式中，P為年平均降水量；Pi為月降水量。根據研究區及外圍氣象站數據，采用反距離權重（IDW）插值方法獲得研究區年降雨侵蝕力柵格圖。

2）土壤可侵蝕性因子（K）。采用Wischmeier等［19］提出的EPIC模型計算，利用土壤性質中的顆粒組成和有機碳數據，同時結合研究區內1∶100萬土壤屬性數據庫，運用IDW插值得到研究區土壤可侵蝕性因子的空間分布圖，具體公式如下。

式中，K為土壤可蝕性；SAN、SIL、CLA分別為沙粒、粉粒以及黏粒的含量；C為有機碳含量（%）。

3）生物物理屬性。生物物理屬性包括植被覆蓋和管理因子（C）和土壤保持措施因子（P）。植被覆蓋和管理因子指某一類特定作物或植被被實施了植被管理措施后，其覆蓋下土壤流失量與未實施管理措施時的土壤流失量的比值，比值在0～1，當C接近0時，表示地面植被覆蓋良好。土壤保持措施因子指采取了水土保持措施后的土壤流失量與不采取任何措施時的土壤流失量的比值，比值在0～1，0表示采取了比較好的工程措施，土壤侵蝕量非常少或幾乎沒有被侵蝕；1表示未采用任何措施，土壤侵蝕嚴重或全部被侵蝕。基于研究區的實際情況，參考已有的研究成果［20］和InVEST模型手冊對各個物理量進行設置。

4）其他設置。累計匯流量是通過確定DEM的流向以及最小匯水面積生成研究區河網數據進行計算，最小匯水面積的閾值越大，生成的子流域就越少，并與研究區實際水系進行比較，多次重復試驗，找到誤差較小的值。其他參數主要參照InVEST模型默認值設置。

2.3.2 水源供給功能 以InVEST模型中的產水量模塊測算結果表征水源供給功能，具體計算公式如下。

式中，Yx為柵格單元x的年產水量；AETx為柵格單元x的實際的蒸散量；Px為柵格單元x的年均降水量。

式中，PETx為柵格單元x的潛在蒸散量；ET0x為參考作物蒸散量；Kcx為參考作物蒸散系數；AWCx為植被有效利用水含量，表示土壤為植被生產所儲存和釋放的水量；wx為自然氣候-土壤性質的非物理參數；Z為Zhang系數，maxSoilDepthx為最大的土壤深度，RootDepthx為根系深度，PAWCx為柵格單元x的植物有效水儲量。

1）降水量圖層。利用土壤保持模塊所需氣象站點數據，通過克里金插值得到研究區的年均降水量空間分布圖。

2）潛在蒸散發圖層。潛在蒸散量用Hamon公式［21］來計算。

式中，EThamon為潛在蒸散量；d為每月日數；D為按年計算平均每月日照時數（以12 h為單位）；Wt為飽和水汽密度；T為月均溫。每個柵格單元按月計算所得潛在蒸散量，再加和轉換為研究時段內年均潛在蒸散發量。根據研究區氣象站點的氣溫數據，運用克里金插值方法可得研究區年潛在蒸散量。

3）土壤深度圖層。選取中國1∶100萬土壤屬性數據庫中土壤深度數據樣點，運用克里金插值方法得到研究區的土壤深度柵格圖層。

4）植物可利用水圖層。植被可利用含水量（PAWC）由土壤的機械組成和植被根系的深度決定，據土壤質地，利用周文佐的經驗公式［22］計算得出，計算公式如下。

式中，sand為土壤沙粒含量；silt為土壤粉粒含量；clay為土壤黏粒含量；OM為土壤有機質含量。計算后的結果通過克里金插值得到研究區植物可利用水分布圖。

5）研究區流域圖層。使用行政邊界代替流域邊界。

6）生物物理系數。其包括土地利用類型、地類代碼、蒸散系數、植物根系深度、屬性類別5個參數，其中，蒸散系數為無量綱，植物根系深度單位為mm。各參數主要根據聯合國糧農組織（FAO）出版的《作物蒸散量-作物需水量計算指南》、InVEST3.2.0模型用戶指南以及參考前人的相關研究結果［20，23，24］和研究區實際情況設置。

7）Zhang系數。Zhang系數是表示區域降水量的特征參數，體現降水的季節性分布特征，取值在0～1，重復試驗找到與研究區實際水量較接近的值。

2.3.3 氣候調節功能 生態系統通過吸收CO2等氣體來調節全球的氣候，而碳儲量和碳密度是可以體現碳存儲能力的指標［25］。本研究以InVEST模型中的碳儲量模塊測算結果表征氣候調節功能。具體公式如下。

式中，Ctot為總碳儲量；Cabove為地上生物碳儲量；Cbelow為地下生物碳儲量，Csoil為土壤碳儲量；Cdead為枯落物碳儲量。

2.3.4 生物多樣性保護功能 以In VEST模型中的生境質量模塊測算結果表征生物多樣性的功能。生境質量模塊基于通過分析人為活動或自然災害等生態威脅因子對區域景觀水平下土地利用與土地覆蓋斑塊的影響程度，評價不同用地格局下的生境狀況（Qxj）［26］。其計算公式如下。

式中，Hj為生境類型j的生境適合性；Dxj為生境類型j在柵格x處的生境退化度；Z為2.5，是模型的默認參數；K為半飽和常數，等于最大退化度的1/2。

式中，R為所有的脅迫因子數量；r為生境的脅迫因子；y為脅迫源r中的單個柵格；Yr為柵格圖r中總的柵格數量；Wr為脅迫影響的權重；ry用于判斷脅迫因子r的來源地；irxy為脅迫源柵格r在y處對生境類型在x處的影響程度；βx為到柵格x處的可達性水平；Sjr為生境類型j對于脅迫源r的敏感程度，取值為［0-1］。模型中提供了線型和指數型兩種距離衰變函數來表述某脅迫因子隨距離衰變的方式，具體公式如下。

式中，dxy為x與y的距離；drmax為脅迫源r的最大影響范圍。

1）威脅因子文件夾包括對研究區選取的各威脅因子柵格圖，威脅因子的選取主要通過綜合前人的研究成果和研究區的實際情況。利用土地利用數據提取威脅因子，威脅因子圖層賦值為1，非威脅因子圖層賦值為0。

2）生境威脅源屬性包括最大影響距離、權重、威脅因子、衰退函數類別4項內容，參考InVEST模型手冊和相關文獻［20，27，28］對其威脅因子賦值。

3）生境威脅源因子敏感性。各土地利用類型對威脅因子具有不同的敏感度［29］。InVEST模型中敏感性為［0-1］，值越大則敏感度越大。參考InVEST模型手冊和相關文獻［19，27，28］對各地類生境適宜度及不同威脅因子的敏感度賦值。

2.3.5 生態功能的確定 運用層次分析法結合專家意見，同時云南省位于中國生態安全戰略格局的黃土高原-川滇生態屏障部分，在yaahp10.0軟件上將土壤保持功能、水源供給功能、氣候調節功能、生物多樣性保護功能按照生態功能的相對重要性，構建層次結構模型并設置判斷矩陣，得到土壤保持功能、水源供給功能、氣候調節功能、生物多樣性功能的權重分別為0.467 3、0.277 2、0.095 4、0.160 1，并通過加權總和得研究區的生態功能分布。

3 結果與分析

3.1 生產空間

將生產功能分為生產主導功能、生產輔助功能、生產次級功能、非生產功能4級，并分別賦值10、6、2、0，以此衡量鄉村生產空間發展的差異，并進行可視化表達，結果見表3、圖2。從圖2可以看出，祿勸縣生產功能較低，生產空間格局較小，主要分布在縣城區域和各個相對發展的鄉鎮，南部地區生產空間大于北部地區，東部地區大于西部地區。生產空間主要分布在屏山街道、茂山鎮、團結鎮、撒營盤鎮、轉龍鎮。其中功能評分最高的地區為縣人民政府所在的屏山街道，當地街道面積占地較廣，并且人口眾多，與昆明市區連接的高速公路充分帶動了當地經濟的發展。此外，評分較高的團結鎮、茂山鎮的特點在于有著連片成區的耕地，形成了密集型農業生產區域，從而提高了當地生產功能評分；位于東部地區的轉龍鎮評分較高的原因，一方面是當地耕地面積較多且地勢平緩，另一方面轉龍鎮是前往轎子雪山的重要中轉站，因此當地交通發達，其是有一定規模的城鎮。

圖2 祿勸縣生產空間格局

表3 祿勸縣生產、生活空間功能分類評價體系結果

3.2 生活空間

將生產功能分為生活主導功能、生活輔助功能、生活次級功能、非生活功能4級，并分別賦值10、6、2、0，以此衡量鄉村生活空間適宜性的差異，并量化識別進行可視化表達，結果如表3、圖3所示。從圖3可以看出，祿勸縣生活功能較低，生活空間格局較小，主要分布在縣城區域，南部地區生活空間大于北部地區，東部地區大于西部地區。當地生活空間較高的地區為屏山街道、轉龍鎮、撒營盤鎮。屏山街道、撒營盤鎮兩地存在建制鎮、村莊，兩地人口較多，屏山街道存在少量礦業用地。轉龍鎮毗鄰轎子雪山，該雪山景區為當地帶來了經濟產品收入，有一定的生活空間。

圖3 祿勸縣生活空間格局

3.3 生態空間

結合InVEST模型定量測算土地的生態功能，以土壤保持模塊、產水量模塊、碳儲量模塊、生境質量模塊運行結果量化土地的土壤保持、水源涵養、氣候調節、生物多樣性保持功能。并運用層次分析法，結合專家意見確定生態系統服務權重，得到土地的生態調節功能分布差異。結合相關經驗，統一將所需的各柵格數據分辨率設置為90 m，以便有更好的制圖表達效果。

3.3.1 土壤保持功能 參照現有的研究成果［20］和InVEST模型手冊對生物物理屬性進行設置，確定不同土地利用類型下的植被覆蓋和管理因子（C）與土壤保持措施因子（P）（表4）。經InVEST模型對參數輸入運行后得到祿勸縣2017年的土壤保持功能情況（圖4）。由圖4可知，祿勸縣土壤保持量較低，處于西南低于東北的狀態。

表4 不同土地利用類型植被覆蓋和管理因子（C）和土壤保持措施因子（P）

圖4 祿勸縣土壤保持功能分布

3.3.2 水源供給功能 參考前人的相關研究結果［20，23，24］和研究區實際情況設置生物物理系數，如表5所示，其中屬性類別LULCveg為0和1分別表示有植被覆蓋和無植被覆蓋，Zparameter系數經調試后取3.8。經InVEST模型對參數輸入運行后得到祿勸縣2017年的產水量分布，即祿勸縣水源供給功能分布（圖5）。由圖5可知，祿勸縣水源供給能力東北地區高于西南地區。

圖5 祿勸縣水源供給功能分布

表5 祿勸縣生物物理參數

3.3.3 氣候調節功能 各土地利用類型對應4個碳庫密度的取值參考孫興齊［20］、林世偉［30］的研究結果設置（表6）。經InVEST模型對參數輸入運行后得到祿勸縣2017年的碳儲量分布，即祿勸縣氣候調節功能分布（圖6）。由圖6可知，祿勸縣整體氣候調節功能較高，分布比較均勻。

圖6 祿勸縣氣候調節功能分布

3.3.4 生物多樣性保護功能 參考InVEST模型手冊和相關文獻［19，27，28］，對威脅因子屬性和生境威脅源因子敏感性賦值，如表7、表8所示。經InVEST模型對參數輸入運行后得到祿勸縣2017年的生境質量分布，即祿勸縣生物多樣性保護功能分布（圖7）。由圖7可知，祿勸縣生境質量較高，具有較強的生物多樣性保護功能。

圖7 祿勸縣生物多樣性保護功能分布

表7 威脅因子屬性

表8 生境威脅源因子敏感性

3.3.5 生態空間確定 在Arcgis中對土壤保持功能、水源供給功能、氣候調節功能值進行極差歸一化，后將土壤保持功能、水源供給功能、氣候調節功能、生物多樣性保護功能分布圖按照權重得分進行加權總和得到祿勸縣生態功能分布圖，即祿勸縣生態空間格局（圖8）。由圖8可知，祿勸縣生態功能較高，生態空間格局較大，西部地區的生態空間大于東部地區，北部地區大于南部地區。生態功能評分較高的地區有云龍水庫、壩子地區。當地壩子主要呈南北分布，壩子周邊土壤保持較好，碳固定較為優良，由于坡度較緩，林草地較為豐富，因此生物質量水平較高，生態功能較強；云龍水庫水域面積較廣且蓄水量巨大，因此物種豐富。水汽使周邊氣候變得濕潤，提高了周邊的生態質量。

圖8 祿勸縣生態空間格局

4 結論

本研究認為生產空間為能提供經濟產出服務功能的鄉村地域空間，生活空間為能為人類提供生活和居住及相關服務功能的鄉村地域空間，生態空間為能夠提供土壤保持、水源供給、氣候調節、生物多樣性保護服務功能的的鄉村地域空間。以鄉村地域多功能理論為指導，構建生產、生活、生態功能并重的空間分類體系，其中與《GB/T21010—2017，土地利用現狀分類》結合，對土地利用類型的生產功能和生活功能分別進行生產主導功能、生產輔助功能、生產次級功能分級賦分，生態功能引入InVEST模型量化土地的土壤保持、水源供給、氣候調節、生物多樣性保護功能，據云南省的實際確定權重取值，以祿勸縣為實例研究，確定了祿勸縣“三生空間”分布現狀。結果顯示：①祿勸縣生產功能較低，生產空間格局較小，主要分布在縣城區域和各個相對發展的鄉鎮，南部地區生產空間大于北部地區，東部地區大于西部地區。②祿勸縣生活功能同樣較低，生活空間格局比生產空間更小，主要分布在縣城等地區，生活空間呈東南高、西北低的趨勢。③祿勸縣生態功能較高，生態空間分布較廣，尤其是西部地區生態功能最高。其中，土壤保持量較低，處于西南低于東北的形態；產水量東北地區高于西南地區；碳固定功能分布均勻，整體較高；生境質量整體較高。總的來說，祿勸縣“三生空間”結構分異明顯，呈生態空間＞生產空間＞生活空間的狀態。