基于LUCC 的滇中城市群三生空間格局演變研究

摘 要：明晰三生空間格局演變過程及特征，對優化國土空間布局，促進區域可持續發展具有重要意義。以2000—2020 年的五期滇中城市群土地利用數據為基礎，根據土地利用主導功能劃分三生空間類型，采用土地利用動態度、轉移矩陣等方法探究了三生空間格局演變特征。得出如下結論：生態空間是滇中城市群三生空間的主要類型，研究期內草地生態空間和農業生產空間面積縮減較為嚴重，分別減少738.51 km2 與505.50 km2；研究期內林地、草地生態空間和農業生產空間相互轉移頻繁，城鎮生活空間和工業生產空間受其他三生空間類型轉入影響，規模顯著擴大；研究期內滇中城市群中東部地區的開發強度和人為干擾較為劇烈，林地、草地生態空間和農業生產空間的景觀破碎化程度不斷加深。

關鍵詞：三生空間；土地利用動態度；土地利用轉移矩陣；景觀格局指數；滇中城市群

中圖分類號：F301.24 文獻標志碼：A 文章編號：2095-1329（2023）02-0028-08

自改革開放以來，我國工業化和城鎮化水平不斷提高，社會經濟發展迅速。然而快速城鎮化、工業化引發諸多問題，如社會經濟對資源的需求量、環境的破壞性與資源環境儲量及所能承受開發強度之間的矛盾愈發突出；人口向城市集聚引發農村空心化和“城市病”；土地資源過度開發與粗放利用并存，尤其是城鄉建設用地近年來急劇擴張，大量擠占農業生產空間和生態空間[1]。

如何協調社會經濟發展與生態環境保護已是我國可持續發展研究的核心議題[2]。自2012 年黨的十八大提出構建“生產高效集約，生活宜居宜業，生態山清水秀”的“三生空間”以來[3]，我國已有大量學者開始從多尺度多視角對“三生空間”展開研究，主要涉及三生空間格局演化及優化[4-5]，三生空間識別、劃定、評價及沖突[6-9]，三生空間耦合協調及影響因素研究[10-11]。隨著生態文明建設的進一步要求，近年來越來越多的學者開始將三生空間與生態學研究結合起來，從生態系統服務價值[12]、生態安全格局[13]、景觀生態安全評價[14]、土地利用轉型的生態環境效應[15] 等方面探討三生空間格局演變對生態環境的影響。

就研究區域而言，三生空間的研究對象主要集中在省、市、縣、鄉等行政單元，以及流域、干旱區綠洲等典型地貌區。隨著工業化和城鎮化水平發展到新的階段，城市逐漸從獨立發展向集群協同發展轉變，城市群作為國家經濟發展的戰略核心，其結構和功能更加復雜，同時也是生態問題激化的高度敏感地區，需要綜合考慮其生活、生產、生態功能，統籌三生空間聯動下的空間功能和用地結構，促進三生空間數量結構和空間布局的協調發展[2]。目前涉及城市群的三生空間研究主要以京津冀、長三角等經濟相對發達的平原城市群為主，而滇中城市群作為典型的高原山地城市群，地處我國西南邊疆省份，處于尚在發育階段，受海拔、坡度等地形特征限制，境內適宜開發建設和人類活動的靶區資源較少，人地矛盾突出，發展水平相對落后。且近年來土地利用覆被變化導致景觀破碎化嚴重，生態系統服務功能減弱，自然- 經濟- 社會復合系統面臨較大生態風險。因此，本文以滇中城市群為研究區，采用土地利用動態度、轉移矩陣、景觀格局指數等方法分析三生空間格局演變特征和變化趨勢，以期推動研究區和具有類似特征城市群的社會- 經濟-生態協調發展，同時為城市群國土空間格局優化與生態環境保護提供參考。

1 研究區概況

滇中城市群包括昆明市、曲靖市、玉溪市、楚雄彝族自治州和紅河哈尼族彝族自治州北部的7 個縣市（蒙自、建水、彌勒、石屏、個舊、開遠、瀘西），即三市兩州共計49 個縣（市、區），位于云南省中部偏東，地理位置介于100?43'～104?49'E、23?01'～27?04'N。國土面積11.14萬km2，占云南省國土總面積的28.3%。滇中城市群是中國19 個國家城市群之一，位于中國和南亞、東南亞幾何中心，“一帶一路”與長江經濟帶匯合處。其區位優勢明顯、產業基礎雄厚、資源環境稟賦良好、發展潛力巨大。同時滇中城市群是一個典型高原生態宜居城市群，是云南省生態文明建設的先行者，生態文明建設對社會的發展進程有著舉足輕重的作用。

2 數據來源及研究方法

2.1 數據來源

本研究所使用的2000—2020 年間5 期土地利用數據是從中國科學院資源環境科學與數據中心（http：//www.resdc.cn）網站下載，2000 年、2005 年及2010 年間土地利用數據是通過Landsat-TM/ETM 遙感影像數據進行解譯獲得，2015 年和2020 年土地利用數據通過Landsat-8 遙感影像數據進行解譯獲得，空間分辨率30 m，解譯精度均在90% 以上。數據集的分類系統包括耕地、林地、草地、水域、建設用地和未利用地6 個一級地類和25 個二級地類，而本研究區涉及6 個一級地類及旱地、水田、工礦建設用地等18 個二級地類。

2.2 研究方法

（1）三生空間的劃分

目前國內外對土地資源及其結構、特征等方面已有較全面系統的分析研究，但尚無關于三生空間概念內涵和范圍界定的統一定論。大多數研究都使用了簡單的歸并法，在土地利用多功能性原則的指導下，建立了基于土地利用主導功能的三生分類評價體系[16-17]。這種分類方法簡單明了，與土地利用類型具有較強的關聯性。目前較為常見的三生空間劃分方法是將二級三生空間與6 個一級地類直接對應，而考慮到城市群人口、產業高度集中，隨著城鎮化進程加快，城市生產與生活活動對空間的需求日益高漲這一特征，本研究將建設用地中的工礦建設用地、城鎮用地和農村居民點分別劃為工業生產空間、城鎮生活空間和農村生活空間（具體分類見表1），以便更好地解釋城市群國土空間格局變化的內在原因[18]。

（2）土地利用動態度

單一土地利用動態度是區域土地利用變化速度與幅度的重要衡量指標，可以有效地反映研究區域在一定時間段內各種土地利用類型的面積增減[19]，其表達公式為：

（3）土地利用轉移矩陣

土地利用轉移矩陣是通過系統分析的定量研究方法，主要應用于土地利用變化的相關研究中[20]。其數學表達式為：

（4）景觀格局指數

景觀格局指數作為一種定量研究手段被廣泛應用于景觀格局的相關研究之中。本研究將滇中城市群土地利用數據按照8 種二級三生空間進行重分類，采用漁網分割工具將研究區劃分為8 km×8 km 的網格，共計1890 個，選取六種景觀格局指數：景觀破碎度、分離度、優勢度、干擾度、脆弱度和損失度，在Fragstats4.2 中計算2000 年、2005 年、2010 年、2015 年、20205 個時期的景觀格局指數值，進而分析滇中城市群三生空間格局演化。

3 結果分析

3.1 三生空間數量變化

為探究滇中城市群三生空間分布格局及演變趨勢，本研究對2000—2020 年的5 期土地利用數據進行重分類得到研究區三生空間分布圖（圖1）。由此可以看出：滇中城市群森林覆蓋率較高，林地生態空間主要分布在城市群西部的楚雄州；工業生產和城鎮生活空間主要集中在城市群中部，以滇池為核心向四周擴張；水域生態空間主要集中在城市群中部的滇池流域、撫仙湖流域等高原湖泊；草地生態空間主要分布在城市群東部尋甸縣、會澤縣和馬龍區。

明確三生空間面積變化趨勢有助于正確處理國土空間開發和自然資源保護之間的關系，由圖2 可以看出，滇中城市群范圍內生態空間占三生空間的主導地位（77%以上），其次是生產空間，約占三生空間面積的20%，生活空間面積所占的比例較少（不足2%）。通過剖析研究區二級三生空間結構及動態變化，能夠找出國土空間格局變化的內在原因。滇中城市群以林地、草地生態空間以及農業生產空間為主，三者分別約占研究區總面積的49%、27% 和20%（表2），且在2000—2020 年間，這三種三生空間類型的面積及比例均不斷降低，其中草地生態空間面積縮減尤為嚴重，20 年間共減少738.51km2。其他二級三生空間類型面積在此期間有所增長，增長最多的要數工業生產和城鎮生活空間，前者增長了693.89 km2，后者增長了621.28 km2。

土地利用動態度可以用來描述土地利用類型的變化速度和面積增減。在ArcGIS10.3 中計算各三生空間面積，然后通過公式（1）計算得到滇中城市群不同研究時段的三生空間動態度（表3）。分析可知，研究期內農業生產空間的土地利用動態度的絕對值持續增大，表明農業生產空間呈加速變化趨勢，在2015—2020 年減少速度最快（-0.32%），這與經濟發展速度具有較強相關性，主要原因是城市發展擴張的需要；工業生產空間的土地利用動態度的絕對值在八種二級三生空間類型動態度中最大，表明工業生產空間變化劇烈，十分不穩定，研究期間始終呈上升趨勢，在2005—2010 年和2015—2020年兩個時間段上升速度較快，動態度分別為29.32%、17.84%；各時段城鎮生活空間土地利用動態度顯著大于農村生活空間，這一現象的出現，和人們生活水平的日益提高，城鎮化步伐加快密切相關；研究時段內林地生態空間與草地生態空間前期變化平緩，后期（2015—2020 年）速度加快，土地利用動態度均小于0，表明數量在持續減少，且草地生態空間的變化速度快于林地生態空間；水域生態空間在2015—2020 年的土地利用動態度最大，主要是因為滇中引水工程及“興水強滇”戰略的實施。

3.2 三生空間類型轉移

掌握三生空間類型轉移特征有助于生態環境管理者和政策制定者找出生態環境變化的內在原因，從而采取針對性措施或提出解決方案。對研究區2000 年和2020年三生空間分布圖進行空間疊加分析，得到三生空間轉移矩陣（表4），其反映了滇中城市群四個研究時段三生空間類型轉移的數量、來源及去向。2000—2020 年，三生空間類型變化主要是林地、草地生態空間與農業生產空間三者之間的相互轉化，除此之外，農業生產空間向城鎮（417.77 km2）和農村生活空間（234.24 km2）的轉移，以及草地生態空間和農業生產空間向工業生產空間的轉移較為顯著。從轉入量和轉出量的差值來看，城鎮生活空間和工業生產空間表現為凈轉入，其中工業生產空間的凈轉入數量較多，其余三生空間類型表現出凈轉出特征，其中草地生態空間和農業生產空間的凈轉出量最大。

研究期內，農業生產空間大幅轉出，一方面由于退耕還林還草工程取得顯著成效，較多的農業生產空間向林地和草地生態空間轉移，另一方面城市化、工業化進程加快，城鎮生活空間和工業生產空間需求上升，不可避免地侵占農業生產空間。

為了解研究區在2000—2020 年間三生空間格局演化的整體趨勢及發生變化的關鍵位置，在ArcGIS 中，采用柵格計算器對研究期初和研究期末的三生空間分布圖進行疊加分析，得到圖3。從圖中可以看出，農業生產空間轉工業生產空間數量最多的區縣主要包括安寧市、晉寧區、呈貢區和楚雄市東北部，這部分地區近年來大力發展工業產業，尤其是安寧市和呈貢區在滇中城市群49 個區縣中發展速度名列前茅；林地生態空間轉工業生產空間仍然集中在安寧市和呈貢區；農業生產空間轉城鎮生活空間主要發生在西山區、官渡區、呈貢區、紅塔區、麒麟區北部和蒙自市，這部分地區城市化水平相對較高，人口密度相對較大，吸納眾多周邊鄉鎮人口；草地生態空間轉林地生態空間主要發生在峨山縣；林地生態空間轉草地生態空間主要發生在尋甸縣南部和麒麟區中東部。

3.3 三生空間景觀格局變化

從景觀格局指數空間分布圖（圖4）看，滇中城市群整體生態環境質量表現為中東部地區受人為干擾相對劇烈，生態環境相對較差，而西部地區森林覆蓋率較高，景觀連通性較好，生態環境質量相對較高。具體來看，景觀破碎度指數在空間上表現為東北高西南低；景觀分離度中東高西南低；景觀優勢度空間分布特征與分離度相反；景觀干擾度高值區主要集中在昆明市中南部、玉溪市北部和曲靖市中部地區；景觀脆弱度高值區與水域分布相吻合，主要集中在滇池、撫仙湖、星云湖、杞麓湖、異龍湖和陽宗海；景觀損失度表現為中東部地區高，西部、南部地區低。

從景觀格局指數類型看，農村生活空間、工業生產空間以及其他生態空間具有很高的破碎化程度。八種三生空間的景觀破碎度呈現出顯著的分異特點，其中破碎化程度隨時間變化而減少的是農村生活與工業生產空間和其他生態空間；隨時間變化而增加的是農業生產空間以及草地和林地生態空間。從三生空間類型看，農業生產空間的景觀優勢度指數較其他幾種指數具有顯著優勢（圖5），但隨著時間推移，景觀優勢度逐漸降低，表明農業生產空間的面積不斷縮減；工業生產空間的景觀分離度較大，但隨著城市群經濟的快速發展，工業產業趨于完善，工業生產空間大幅增加，使其景觀分離度急劇下降，尤其是在2005—2010 年間；城鎮生活空間和農村生活空間景觀分離度指數遠大于其他幾類景觀格局指數，但變化趨勢不同；林地生態空間和草地生態空間的景觀優勢度十分突出，與二者占城市群的面積比例相符；水域生態空間和其他生態空間的景觀分離度較大，原因在于二者在城市群的某個區域分布比較集中，在其他區域分布零散。

4 結論與討論

4.1 結論

滇中城市群地處“一帶一路”和“長江經濟帶”交匯區域，是云南省生態文明建設的先行者，其三生空間格局演變對生態環境有著重要影響，本研究采用土地利用動態度、轉移矩陣、景觀格局指數等方法，對滇中城市群三生空間格局演變特征進行分析。主要結論如下：

（1）生態空間是滇中城市群三生空間的主要類型，占研究區總面積的77% 以上，其次是生產空間（20% 左右）和生活空間（不足2%）。數量上，2000—2020 年間，林地生態空間、草地生態空間以及農業生產空間數量不斷減少，其他二級三生空間類型面積增加，特別是工業生產空間和城鎮生活空間，分別增加693.89 km2 和621.28km2。變化速度上，工業生產空間的變化速度明顯快于其他三生空間類型，2000—2020 年的土地利用動態度高達39.73%。

（2）研究期內滇中城市群三生空間結構發生較大變化，不同二級三生空間類型之間頻繁轉移，主要是林地生態空間、草地生態空間和農業生產空間三者之間的相互轉化以及工業生產空間與城鎮生活空間的大幅轉入。值得注意的是，草地生態空間和農業生產空間轉出數量較多，主要轉為城鎮生活空間和工業生產空間。

（3）2000—2020 年隨著城市發展，滇中城市群三生空間格局發生劇烈變化，中東部地區景觀破碎度、干擾度、損失度不斷加深，生態環境質量明顯減弱。城市化、工業化進程加快導致林地、草地生態空間和農業生產空間的景觀優勢度不斷降低，而破碎化程度顯著提高，不利于維護區域生態安全。

4.2 討論

近年來滇中城市群社會經濟迅速發展，三生空間格局發生較大變化，農業生產空間、林地生態空間和草地生態空間不斷縮減，城鎮生活空間和工業生產空間顯著擴張，且以占用農業生產空間為主，不利于城市群的可持續發展。為處理好城市群經濟產業發展與生態資源保護之間的關系，提出如下建議：（1）昆明作為滇中城市群核心，應充分發揮輻射帶頭作用，推進與曲靖、玉溪、楚雄、紅河等周邊城市協同發展，實現有序、適度開發，避免區域因城市擴張導致生態環境惡化，依托現有資源和優勢打造高原湖濱生態宜居城市；（2）曲靖作為滇中城市群次核心，未來發展應在具有重要戰略價值的節點預留發展空間，嚴格控制土地開發強度，儲備彈性發展空間，推動山水林田湖草一體化，構筑與城市群相協調的區域生態體系；（3）玉溪集中了三湖一海生態敏感區，承擔著重要的生態系統服務功能，未來應嚴格遵循三湖一海（撫仙湖、星云湖、杞麓湖和陽宗海）保護條例，禁止在流域內布局高污染工業企業，嚴格限制新工業園區的規劃與建設，保證高原湖泊不被污染；（4）楚雄森林資源豐富，要堅持保護優先，開發有序的原則，加強水土流失和植被恢復建設的同時，繼續實施天然林保護和退耕還林工程；（5）紅河片區應引導人口和產業集聚，加大現有建設用地的集約節約利用力度，提高城市土地利用效率，工業園區執行嚴格的環境標準，建立和完善污水處理體系，大力發展綠色經濟。

本研究僅對滇中城市群的三生空間格局演變特征進行分析，并未探究導致其發生變化的內在驅動機制以及三生空間格局優化的具體方法，而綜合考慮社會、經濟、自然環境和政策影響，系統性地探討三生空間的演變特征及驅動機制將是下一步的研究方向。

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