巢湖流域“三生”用地轉型與景觀破碎化分析

汪 慧，魯成樹，吳九興，劉錦洋

（安徽師范大學 地理與旅游學院，安徽蕪湖 241000）

黨的十八大以來，中央政府首次提出科學規劃“三生”用地開發管制邊界，劃定“三生”用地的分類體系，進一步明確“三生”用地是生產用地、生活用地、生態用地的簡稱[1］。國內外學者們通過將“三生”用地和生態環境相結合，研究“三生”用地轉型生態效應的變化規律和時空演化，探索土地利用轉型背景下的區域生態環境演變規律，推動“三生”用地的合理配置和規劃布局。在研究尺度上，“三生”用地轉型生態效應大多集中在全國[2］、省市[3］和城市群[4］等不同尺度，但對流域尺度的研究較少。在研究方法上，“三生”用地轉型生態效應常用方法包括土地利用轉移矩陣[5］、景觀格局指數[6］、生態環境質量指數[7］以及土地利用綜合動態度指數[8］等，但綜合運用的研究較少。在研究對象上，大多以經濟發展水平高、生態較為脆弱的地區作為典型研究區[9］。現有研究在“三生”用地轉型生態效應的定性分析和時空演化研究有很大進展，但較少反映“三生”用地演化對生態環境的響應狀況。因此，本文在流域尺度下，綜合運用土地利用轉移矩陣和景觀格局指數法，基于土地利用分類體系將“三生”用地演化與景觀生態破碎化相銜接作為重要切入點，定量分析2000—2020年“三生”用地轉型對生態環境演變的響應，為“三生”用地用途管制、人地協調發展和生態文明建設提供有益參考。

巢湖流域“三生”用地轉型生態效應研究對于實施中部崛起戰略，探索合肥都市圈開發新路徑，調整優化安徽省國土空間利用結構，培育綠色發展新動能，具有重大的現實意義和歷史意義[10］。

1 研究區概況

1.1 地理位置和范圍

巢湖流域位于安徽省中部，地處東經116°24′30″-118°00′00″和北緯30°58′40″-32°06′00″之間，面積1.96萬km2。巢湖流域呈東西長、南北窄狀分布，屬于長江水系，位于長江下游左岸，湖水主要靠地表徑流補給，其中湖區面積760km2。研究區覆蓋合肥市全域，蕪湖市無為市，馬鞍山市和縣和含山縣，六安市金安區和舒城縣，內含4 市14 縣（區）223個鄉鎮（街道）。研究區范圍如圖1 所示。

圖1 研究區位置和范圍Fig.1 Location and scope of study area

1.2 社會經濟狀況

巢湖流域是安徽省具有發展生機和潛力的區域，2020年國內生產總值共計11626.72 億元，比上一年度增長6.39%。戶籍人口1176.29 萬人，人口密度為597.10 人/km2，人口眾多且集中，城鎮化水平較高。研究區2020年一產值增加512.96億元，二產值增加4105.56億元，三產值增加6765.02億元，三次產業結構比例為4.51:36.07:59.42。

2 數據來源與研究方法

2.1 數據來源

巢湖流域2000—2020 年三期土地使用數據來源于Globeland30，并結合主流土地利用分類，將其分為耕地、林地、草地、水域、建設用地和未利用地。數字高程模型（DEM）數據來源于PIE-Engine 遙感計算云服務平臺(https://engine.piesat.cn/engine-studio)，空間分辨率為30m；社會經濟指數等有關統計資料來自研究區2000—2020年的安徽省統計年鑒及合肥市、六安市、蕪湖市、馬鞍山市統計年鑒及各地的經濟社會發展公報。

2.2 研究方法

結合現有研究成果和土地利用分類標準，提出巢湖流域地區的“三生”分類和主導功能，結合巢湖流域的實際情況進行了修改，最終得到研究區“三生”用地分類體系（表1）。

表1 “三生”用地主導功能識別及分類體系Table 1 Identification and classification system of leading function of production-living-ecological land

2.2.1 土地利用轉移矩陣 土地利用轉型矩陣是研究土地利用變化的主要方法，它將相同區域不同時期的土地利用類型動態轉化用矩陣的形式表現，可以作為土地利用方向變化和結構分析的基礎，能夠反映土地利用的結構特征和用地功能變化。土地利用轉移矩陣的數學表達式為

式中：S表示地類面積；n表示地類數量；Sij表示i地類轉換成j地類的面積。

2.2.2 景觀格局指數法 景觀格局是以不規則形狀的自然因素和干擾強的人為因素疊加的分布，不僅反映了景觀斑塊的異質性，也體現了在不同尺度上人為干擾活動對生態環境的影響過程所產生的變化[11］。為更好地探索巢湖流域“三生”用地轉型生態效應的時空演變規律，利用Fragstats4.2軟件，從景觀水平角度來分析生活用地、生產用地和生態用地的景觀格局變化情況，進而揭示“三生”用地轉型對生態環境的響應。

借鑒已有的研究成果，綜合考慮研究區斑塊的面積、形狀、聚集性和多樣性四個方面，對“三生”用地景觀破碎化進行測算。因此，以巢湖流域“三生”用地為研究單元，在景觀水平（Landscape level)上選取景觀面積（TA）、斑塊數量(NP)、斑塊密度(PD)、最大斑塊指數（LPI)、景觀形狀指數（LSI）、斑塊聚集度指數（AI）六種景觀指數。在研究區整體景觀水平（Landscape Level）上選取斑塊數量(NP)、斑塊密度(PD)、香農多樣性指數（SHDI）、香農均度指數（SHEI）、斑塊聚集度指數(AI)、蔓延度指數（CONTAG)六種指數來揭示景觀空間格局的破碎度和復雜性[12］。

3 結果分析

3.1 巢湖流域“三生”用地現狀分析

基于本文的“三生”用地分類標準，借助ArcGIS10.5的重分類功能，繪制出研究區2000—2020年“三生”用地利用空間分布圖（圖2）。

圖2 巢湖流域2000—2020年“三生”用地利用空間分布圖Fig.2 Spatial distribution of production-living-ecological land use in Chaohu Lake Basin from 2000 to 2020

3.2 巢湖流域“三生”用地轉移分析

3.2.1 “三生”用地數量、結構變化 根據前人分類基礎所得的“三生”用地體系，從Globeland30 平臺上獲取的巢湖流域“三生”用地一級分類面積（表2），結果顯示：研究區2000 年生產用地、生活用地、生態用地其總面積分別為13819.86km2、1654.00km2、4088.91km2，占 比 分 別 為70.64%、8.45%、20.91%。2000 年研究區以生產用地為主，生態用地占比約1/5，而生活用地占比最少；2000 年到2010 年，研究區生產用地減少了359.15km2，與2000年相比占比減少了1.83%，生態用地增加了76.13km2，占比增加了0.38%，生活用地增加了283.02km2，占比增加了1.45%；2010—2020 年與2000—2010 年相比生活用地和生態用地的面積及占比均有所上升，但生產用地的面積及占比大幅度下降，其中生產用地減少了200.33km2，與2010 年相比占比減少了1.03%，生態用地增加了62.33km2，占比增加了0.32%，生活用地增加了138km2，占比增加了0.71%。從生產、生活、生態三個一級類看，生產用地所占比重始終是最大的，生態用地所占比重次之，而生活用地是這一時期主要增加的用地類型，生活用地和生態用地的面積不斷增加，但以生活用地的增長為主，生態用地面積增長速度較上一時期明顯減緩[13］。

表2 2000-2020年巢湖流域“三生”用地面積及比例變化Table 2 Changes in area and proportion of production-living-ecological land in Chaohu lake basin from 2000 to 2020

3.2.2 “三生”用地轉移方向及規律 為進一步探討“三生”用地轉移方向及規律，基于各時序土地利用轉移矩陣（表3、表4）和“三生”用地空間轉移分布圖（圖3），結果表明：2000—2010年，耕地面積的增加主要由林地、水域和建設用地轉入，其中林地生態用地向耕地生產用地轉移量最大，說明巢湖流域此期間毀林開荒比較嚴重。此期間研究區“三生”用地轉換以生產用地轉為生活用地為主，主要集中在中部地區，局部分布在西北部和東部，可以看出研究區受到行政區劃調整和國家特大城市建設影響，居民點和農業用地面積不斷減少，建設用地面積持續增加，城市化進程加快。雖然生態用地和生產用地交互轉化尤為明顯，生態用地轉為生產用地主要集中在整個中東部地區，且少數斑塊分布在西部地區，但林地生態用地、草地生態用地向耕地生產用地的轉移量明顯高于其侵占量，說明巢湖流域范圍內的市縣在實施退耕還林還草的過程中，“治理”“發生”與“復發”同時存在[14］。

表3 2000—2010年巢湖流域土地轉移矩陣/km2Table 3 Land transfer matrix of Chaohu lake basin from 2000 to 2010/km 2

表4 2010—2020年巢湖流域土地轉移矩陣/km2Table 4 Land transfer matrix of Chaohu lake basin from 2010 to 2020/km 2

圖3 巢湖流域“三生”用地空間轉移分布Fig.3 Spatial transfer distribution of production-living-ecologica land in Chaohu lake basin

2010—2020年，這一時期主要是生產用地轉化為生活用地，主要分布在中部地區，并在研究區北部和東部均有分布。耕地生產用地主要轉化為建設用地生活用地，其中耕地向建設用地轉移量最大，為724.45km2，但耕地也向林地轉移了134.18km2，表明隨著皖中城市帶的建設，城市建設用地建設加快，但受退耕還林政策的進一步落實，林地生態用地不斷減少的趨勢得到控制。值得關注的是2000—2010 年水域面積為1194.1km2，而從2010—2020年的土地轉移矩陣可以看出，水域面積為1024.38km2，減少了14.21%，表明巢湖流域水體資源保護仍需重視，提高水域面積是安徽省長久發展目標，要做好資源節約和集約利用規劃。結合前文可知，近十年來巢湖流域的生活用地不斷增加、林地生態用地持續增加、水域生態用地減少，其主要原因是這一時期城市化進程加快，工業化發展加速，草地、水域、林地和未利用地向建設用地不斷轉化，建設用地面積不斷增加。同時，研究區重視退耕還林還湖使得林地生態用地減少的趨勢得到遏制，但仍需關注生態修復問題，特別是巢湖流域水域資源的保護。

3.3 “三生”用地的景觀格局變化分析

3.3.1 “三生”用地景觀指數分析 針對研究區域的自然經濟特征及現實需要，在景觀水平上，各選取6個具有代表性的指數，再利用Fragstats4.2 軟件進行計算后導出到Excel 中，從而得出對巢湖流域2000年、2010 年 和2020 年的景觀格局分析所需的指數[15］。從“三生”用地的生產用地、生活用地和生態用地三方面來分析巢湖流域的景觀破碎化，具體數據見表5、表6。

表5 2000—2020年巢湖流域“三生”用地類型景觀格局指數變化Table 5 Changes in landscape pattern index of production-living-ecological land types in Chaohu lake basin from 2000 to 2020

表6 2000—2020年巢湖流域景觀格局指數變化Table 6 Changes of landscape pattern index in Chaohu lake basin from 2000 to 2020

從斑塊水平特征分析可知，“三生”用地中生態用地的景觀面積、斑塊數量是最高的，其次是生活用地，最后是生產用地，其中生態用地2000—2020 年景觀面積TA 持續增加，從2000 年的4090.39km2到2020年的4228.92km2，增加了138.53km2，這說明生態用地的地類最為破碎，受人類活動影響最大。從斑塊密度看，生活用地和生態用地所占比重較大，生產用地占比最小。但生活用地的斑塊密度持續下降了46.25%，生態用地的斑塊密度在2000—2010年上升293.2個/km2，2010—2020年斑塊密度下降210.99個/km2，從整體看，“三生”用地中生態用地的斑塊密度最大，林地生態用地、水域生態用地、草地生態用地等面積都呈現不斷增加趨勢，說明研究區近些年來響應國家號召重視生態環境的修復。從最大斑塊所占景觀面積比例看，生產用地仍占主導，但比例逐年下降，從2000 年的98.12%到2020 年的88.26%，減少了9.86%。相比之下，生活用地和生態用地的比重不斷上升，說明研究區開始從生產用地為主的發展模式轉向生活用地和生態用地均衡發展，從重心發展農業到向建設用地傾斜，生態功能始終是研究區生產的底色。

通過對研究區景觀水平指標的測算，2000—2010 年，巢湖流域的斑塊數量由2000 年的34274.00 個到2010 年的47887.00 個，在近十年間增加了13613.00 個；斑塊密度PD 由2000 年的175.14 個/km2到2010 年的244.70 個/km2，升高了69.56 個/km2。這說明巢湖流域的景觀破碎化程度增高，體現了巢湖流域在2000 年、2010 年中人為行為使景觀異質性增大的影響。而蔓延度指數CONTAG 則是由2000 年的71.50%降低到2010年70.47%，由于兩者存在負相關性，二者可以統一說明在2000—2010年，巢湖流域的景觀破碎化加劇。從景觀多樣性和異質性角度看，香農多樣性指標SHDI、香農均勻度指標SHEI從0.92到0.97，從0.48到0.50，分別增加了0.05、0.02，說明巢湖流域景觀的多樣性和異質性得到提升，這可能是受到農作物種植、人口增長、城市建設等人為影響加劇導致的。但是由于SHEI值始終不高，說明研究區景觀均勻程度不高，并且受耕地和水域對整體景觀影響作用較大。2010—2020年，巢湖流域的斑塊數量、斑塊密度、蔓延度指數均減少，而香農多樣性指數、香農均勻度指數和聚集度指數均增加，說明研究區生態破碎度加大，人類活動對生態風險干擾加強。

3.3.2 生態景觀破碎度分析 如表7 所示，2000—2020 年，巢湖流域景觀多樣性指數、景觀破碎度指數均呈上升趨勢，其中景觀多樣性指數從2000年的0.9246 上升到2020 年的1.0071，上升了8.25%。景觀破碎度指數從2000年的2.0622上升到2020年的2.7237，上升了32.08%。而巢湖流域的景觀分離度指數呈現先下降后上升的趨勢。2000—2010 年由1.2091 到1.2071，下降了0.0020；2010-2020 年由1.2071 到1.2393，上升了0.0322。景觀分離度和破碎度指數的增加說明區域“三生”用地在空間結構和距離上趨于分散，表明地類景觀格局的變化受自然條件影響較小，主要是受人類活動的干擾。

表7 巢湖流域景觀格局指數法Table 7 Landscape pattern index method of Chaohu lake basin

4 結論

本文以巢湖流域為研究區，利用2000、2010、2020年3期土地利用數據，對“三生”用地變化規律及空間分布進行探索，依據景觀水平法和景觀破碎化指數法，分析了研究區景觀破碎化的多樣性、分離性、聚集性、破碎性。得到主要結論如下：

（1）“三生”用地結構演化和分布差異明顯。從結構看，研究區“三生”用地生產用地占比一半以上，生態用地面積約占總體的1/5，生活用地最少。農業生產用地和水域生態用地占研究區總面積比例超65%，總體上均有所增加，是研究區最主要的兩大“三生”用地類型。“三生”用地中生態用地面積持續增加，林地生態用地增長尤為明顯，2010—2020年較上一時期面積增加10.73%，說明巢湖流域退耕還林措施得到進一步落實。

（2）整體以生產用地向生活用地轉化為主，生態用地和生產用地交互轉化為輔。2000—2010年林地生態用地、水域生態用地和建設生活用地向耕地生產用地轉移了655.76km2，2010—2020年耕地生產用地向建設生活用地轉移724.45km2。生態用地和生產用地的相互轉型尤為顯著，但耕地生產用地向林地、草地生態用地的轉移量明顯不抵對其侵占量。說明研究區2000—2010年退耕還林還草成效不顯著，2010—2020年隨著皖中城市帶的建設，城市建設用地增加較快，但受退耕還林還草政策的進一步落實，林地和水域生態用地遞減趨勢得到控制。

（3）景觀破碎度整體上呈現倒U型演化趨勢。在景觀指數變化方面，“三生”用地中生態用地的斑塊數量最高，生活用地次之，最后是生產用地，說明生態用地類最破碎，景觀破碎度大。2000—2010年巢湖流域的斑塊數量、斑塊密度、香農多樣性指數均增加，景觀破碎度較小，說明這一時期內研究區巢湖流域注重發展生態，主要發生在合肥市區、肥東縣、肥西縣、六安市金安區和舒城縣境內，尤其合肥市區自1992 年獲得國家“園林城市”榮譽稱號后，園林綠化建設工作力度不斷加強。2010—2020年，巢湖流域的斑塊數量、斑塊密度、蔓延度指數均減少，而香農多樣性指數、香農均勻度指數和聚集度指數均增加。由此可知，巢湖流域是皖江城市帶的主戰場，近十年巢湖流域受多次行政區劃調整和國家特大城市建設影響導致研究區生態破碎度加大，人類活動對生態風險干擾加強。