土地利用功能分类及空间结构评价方法——以燕沟流域为例

党丽娟, 徐 勇, 高 雅

(1.中国科学院 地理科学与资源研究所, 北京 100101; 2.中国科学院大学, 北京 100039)

土地利用功能分类及空间结构评价方法
——以燕沟流域为例

党丽娟1,2, 徐 勇1, 高 雅1,2

(1.中国科学院 地理科学与资源研究所, 北京 100101; 2.中国科学院大学, 北京 100039)

优化国土空间格局是新时期我国生态文明建设的重要内容之一，科学划分生活、生产和生态“三生”空间类型是优化国土空间格局的重要基础。通过对土地利用类型进行功能归类，提出了包括生活、生产、生态以及生产—生态和生活—生态复合类型的5个一级类、20个二级类和61个三级类的土地利用功能类型划分方案；构建了由五形偏离度指标和结构视图表达的五形向量空间结构评价方法，并在延安燕沟流域开展了实证应用。研究结果表明，1988—2010年期间燕沟流域的五形偏离度从0.583减少到了0.567，呈现出微弱的下降趋势；14个行政村的五形偏离度值保持在0.55～0.59，趋同性较强，集中程度普遍较高；从而揭示了五形向量空间结构评价方法可以从定量和结构图示两个方面有效刻画研究地域的土地利用功能结构变化及空间分异等特点的可行性。

土地利用功能; 空间结构; 评价方法; 五形偏离度; 燕沟流域

改革开放30多年来，我国取得了持续高速经济增长和大规模城市化的辉煌成就，但与此同时，在资源和生态环境方面也付出了沉重的代价[1-2]。面对资源约束趋紧、环境污染严重、生态系统退化的严峻形势，党的“十八大”报告明确提出了大力推进生态文明建设的国家战略，并将优化国土空间开发格局列为生态文明建设的首要任务，强调“要按照人口资源环境相均衡、经济社会生态效益相统一的原则，控制开发强度，调整空间结构，促进生产空间集约高效、生活空间宜居适度、生态空间山清水秀，给自然留下更多修复空间，给农业留下更多良田，给子孙后代留下天蓝、地绿、水净的美好家园[3]。”显然，科学界定“三生”空间(生产空间、生活空间和生态空间)的内涵、划分“三生”空间类型是进行空间结构调整的基础，也是目前迫切需要开展的研究工作。本文试通过对土地利用类型进行功能归类，形成拓展的“三生”空间土地利用功能划分方案，构建基于土地利用功能分类方案的五形向量空间结构评价方法，进而以延安燕沟流域为例开展实证应用研究，希望能对推进我国生态文明建设和优化国土空间开发格局提供一些基础性依据。

1 土地利用功能类型划分

土地利用是人类经济社会活动作用于资源和自然环境的综合反映，土地利用变化体现了人类适应、利用和改造自然的“人—地”相互作用进程[4-5]。20世纪80年代以来，随着全球环境变化和可持续发展研究热潮的兴起，不同学科背景的学者在执行跨学科合作项目的过程中逐渐认识到了土地利用和土地利用变化在研究人类活动与资源环境变化关系中的“界面”性特点和“统筹”作用[6-9]，以土地利用类型为基础进行国土空间功能类型划分的研究成果开始见诸于文献和政府报告。从能检索到的文献看，早期关于土地利用功能分类的研究成果尚不多见。周宝同提出的土地功能分类方案将土地功能类型划分为生态功能、社会功能、经济功能、生产功能和负向功能5个大类，存在功能界定不清和类型重叠等问题[10]。陈婧、史培军提出的生态功能、生产功能和生活功能3大类划分方案应该说触及到了土地利用功能分类的实质问题，但未能将具有复合功能的类型单独列出，在大类划分方面尚显粗糙[11]。2010年国务院出台的《全国主体功能区规划》报告(国发〔2010〕46号)在阐述优化开发、重点开发、限制开发和禁止开发四类主体功能区时，提到了生态空间、农业空间、城市空间和工矿建设空间等概念，但未做系统性的表述。本研究遵从“三生”空间划分格局，试在陈婧、史培军土地利用功能分类方案的基础上，增加生产—生态和生活—生态2类，即将兼具生产和生态功能的耕地、园地、生产性林地、生产性草地、生产性水面归类为生产—生态用地类，兼具生活和生态功能的公园与绿地、风景名胜设施用地归类为生活—生态用地类，形成包括生产、生产—生态、生活、生活—生态、生态的5类划分方案(表1)。

表1 土地利用功能分类体系

2 土地利用功能结构评价方法

土地利用功能结构评价的目的旨在把握研究地域土地利用功能类型的总体格局。通常采用定性或定量方法对研究地域土地利用功能类型的组成、结构比例以及空间分布特点进行静态和动态评价。本研究试建立一种新的定量评价方法，即五形向量结构法。图1是一个正五形向量结构图。

图1 正五形向量结构图

注：O——正五形的中点；OA——生态功能用地向量；OB——生产-生态功能用地向量；OC——生产功能用地向量；OD——生活功能用地向量；OE——生活—生态功能用地向量。

对于特定的研究地域，若将各类功能用地向量的值定义为各类功能用地面积占研究地域总面积的百分比，在正五形条件下(即认为在研究地域内，5类功能用地的面积是相等的)，则存在：

Ec+EP+Pr+Li+LE=100，

且Ec=EP=Pr=Li=LE=20

式中：Ec——生态功能用地向量；EP——生产—生态功能用地向量值；Pr——生产功能用地向量值；Li——生活功能用地向量值；LE——生活—生态功能用地向量值。

事实上，现实中很难找到土地利用功能类型符合正五形向量结构的地域，一般都会发生程度不同的偏离。现实五形向量结构相对于正五形向量结构发生的 “这种偏离”(即“正五形向量结构偏离度”，简称“五形偏离度”)可以有效反映不同地域、或同一地域不同时间的土地利用功能类型结构差异状况。现实五形向量结构相对于正五形向量结构的五形偏离度(Total Departure from Regular Pentagon, TDRP)可被定义为正五形外向量值之和与正五形向量值之和的比。

不失一般性，一定地域中心点重合的现实五形向量结构与正五形向量结构如图2所示。现实五形向量结构存在：

Ecx+EPx+Prx+Lix+LEx=100

式中：Ecx——现实五形生态功能用地向量；EPx——现实五形生产—生态功能用地向量值；Prx——现实五形生产功能用地向量值；Lix——现实五形生活功能用地向量值；LEx——现实五形生活—生态功能用地向量值。

图2所示的现实五形向量结构与正五形向量结构对比，存在：Ecx>Ec，EPxPr，Lix>Li和LEx

TDRP=[(Ecx-Ec)+(Prx-Pr)+(Lix-Li)]/[Ec+EP+Pr+Li+LE]

理论上，当一个地域的五形向量结构与正五形向量结构重合时，即5类功能用地的向量值相等，其五形偏离度TDRP的值达到了最小，为零值；当只有一种功能类型时，即其它4类功能用地向量值都为零，其五形偏离度TDRP的值达到了最大，最大值为0.8。也就是说，对于任何一个地域，存在：TDRP∈[0，0.8]。

图2 现实五形向量结构图

注：O——现实五形和正五形的中点；OA′——现实五形生态功能用地向量；OB′——现实五形生产—生态功能用地向量；OC′——现实五形生产功能用地向量；OD′——现实五形生活功能用地向量；OE′——现实五形生活—生态功能用地向量。

五形向量结构法的优点主要体现在三个方面：一是将复杂的多维空间问题转换成了二维平面问题，易于理解，便于掌握；二是所涉及到的参数、变量不仅数量少，且数据容易获取；三是用图形表达直观性更强。

3 应用实例

3.1 燕沟流域概况

燕沟流域位于36°28′00″—36°32′00″N，109°20′00″—109°35′00″E，沟口距延安市3 km，属延河二级支流，主沟长8.6 km，呈东南—西北流向，流域面积约48 km2。流域东南高、西北低，海拔986～1 425 m。主沟比降为2.41‰，沟壑密度4.8 km/km2，地形坡度构成以陡坡地为主，坡度大于25°占51.91%，15°～25°占28.75%，15°以下为19.34%，属于典型的黄土丘陵沟壑区。从1997年开始，随着世行贷款项目和国家科技攻关计划项目的实施，燕沟流域通过坡地改建梯田，土地利用结构发生了巨大的变化[12]，生态环境得到了显著改善。据实测资料[13-14]，1998年燕沟河道常流水流量为0.0 025 m3/s，年径流总量为37.83万m3，其中洪水径流量占79.3%，1998年沟口泥沙总量为133 950 t，流域输沙模数为2 856 t/(km2·a)；2007年燕沟年径流总量为5.134万m3，产生泥沙总量为1 556.587 t，侵蚀模数为33.12 t/(km2·a)。流域有14个行政村和一个隶属于柳林街道的沟口区。14个行政村2011年总人口3 459人，人口密度为72.1人/km2。农村经济以种植业为主体，农果并举。2011年流域农村经济总收入1 938.24万元，其中种植业占71.25%，农民人均收入为3 564元/人。

3.2 数据及来源

研究中涉到1988年、1997年和2010年3期土地利用图。1988年土地利用图根据该年度采样带SPOT卫星影像图判读编制；1997年的土地利用图根据航空照片结合实地调查编制而成，来源于中国科学院水利部水土保持研究所；2010年土地利用图是在1997年的基础上利用遥感影像(来源于Google earth，从海拔2 000 m高空采集，分辨率<2.5 m)更新获得。土地利用类型包括耕地(川坝地、梯田、坡耕地)、园地(果园)、林地(人工乔木林地、灌木林地、天然次生林地)、草地(人工草地、荒沟坡草地)、水域和居民点共6个大类、11个亚类。行政村界图来源于1∶1万地形图。

3.3 土地利用功能结构评价

按照土地利用功能五大类划分方法，燕沟流域的土地利用功能类型(表2)仅涉及到生态用地、生产—生态用地和生活用地3个大类，缺少生产用地和生活—生态用地2个大类。燕沟流域的生态用地包括林地(天然次生林地、人工乔木林地、灌木林地)、草地(荒沟坡草地)和水域等土地利用类型；生产—生态用地包括耕地(川坝地、梯田、坡耕地)、园地(果园)和人工草地等土地利用类型，流域内无生产性林地，生产性水面因面积较小予以忽略；生活用地为城镇用地和农村居民点用地，无特殊用地和文体娱乐设施用地。根据前述从土地利用类型到土地利用功能类型的归类方法，得到燕沟流域1988年、1997年和2010年的土地利用功能类型结构如表3所示，相应的五形向量结构图如图3所示。表4反映的是2010年燕沟流域14个村土地利用功能类型构成及五形偏离度情况，图4为2010年燕沟流域14个村的生态用地、生产—生态用地和生活用地构成情况。

表2 燕沟流域土地利用功能类型及构成

表3 燕沟流域土地利用功能类型结构变化

燕沟流域土地利用功能类型构成以生态用地和生产—生态用地为主体，两者合计所占比重一直保持在97%以上。1988—2010年期间，结构变化的总体特点是：

(1) 生态用地先小幅下降、后快速上升。1988年生态用地面积为2 786.36 hm2，占流域面积的比重为59.1%，1997年面积为2 682.2 hm2，比重下降为56.18%，到2010年面积增加到了3 193.28 hm2，比重较1997年上升了10个百分点。(2) 生产—生态用地的变化与生态用地变化正好相反，先小幅上升，后快速下降。1988年生产—生态用地面积为1 847.42 hm2，占流域面积的比重为39.18%，1997年比重为42%，到2010年比重下降为30.11%，较1997年下降了近12个百分点。(3) 生活用地呈现为小幅持续增加。生活用地所占比重1988年为1.72%，1997年为1.83%，2010年上升到了3.3%。

(TDRP=0.583) (TDRP=0.582) (TDRP=0.567)

图3 燕沟流域土地利用功能类型五形向量结构及变化

图4 2010年燕沟流域14个村的生态、生产-生态和生活用地构成

从土地利用功能类型结构的五形偏离度看，1988—2010年期间，燕沟流域的五形偏离度呈现为先慢后快的下降趋势。1988年的TDRP值为0.583，1997年为0.582，到2010年下降为0.567。从各行政村的TDRP值看，各村土地利用功能类型结构的趋同性较强，差异程度不显著。2010年14个村的TDRP值基本都在0.55～0.59之间，最高者为吴枣园，TDRP值为0.591，最低者是赵庄，TDRP值为0.553。总体来说，燕沟流域TDRP的值均在0.55以上，表明土地利用功能结构的集中程度较高。

4 结 论

科学划分生活、生产和生态“三生”空间类型是新时期推进生态文明建设的基础性工作，也是评判和优化调整国土空间格局的重要依据。本文通过对土地利用类型进行功能归类，提出了包括生活、生产、生态以及生产—生态和生活—生态复合类型的5个一级类、20个二级类和61个三级类的土地利用功能类型划分方案。基于5个一级类构建的五形向量空间结构评价方法可以从定量和结构图示两个方面有效刻画研究地域的土地利用功能结构变化及空间分异特点。

实证应用显示，2010年燕沟流域土地利用功能类型构成生态用地占66.59%、生产—生态用地占30.11%、生活用地占3.3%；14个行政村土地利用功能类型结构的五形偏离度值基本都在0.55～0.59之间，趋同性较强，集中程度普遍较高，差异程度不显著；1988—2010年期间燕沟流域的五形偏离度从0.583减少到了0.567，呈现出微弱的下降趋势。

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AssessmentMethodofFunctionalLandUseClassificationandSpatialSystem-ACaseStudyofYangouWatershed

DANG Li-juan1,2, XU Yong1, GAO Ya1,2

(1.InstituteofGeographicSciencesandNaturalResourcesResearch,CAS,Beijing100101,China; 2.UniversityofChineseAcademyofSciences,CAS,Beijing100039,China)

The essential of ecological civilization construction is the optimization of spatial patterns of geographical space, of which the basis is scientific division into 3 classes: living land, industrial land and ecological land. By classifying the functional land use type, this paper presented a classification scheme including 5 first-class land use types of living land, industrial land, ecological land, eco-industrial land and eco-living land, and 20 second-class land use types, as well as 61 third-class land use types. The paper also established an assessment method of spatial system with index of total departure from regular pentagon (TDRP hereafter) expressing by two-dimensional image, systemically applied for Yangou watershed in Yan′an City. The result showed that the TDRP declined from 0.583 to 0.567 during the year of 1988 to 2010 in Yangou watershed; and the TDRP of all 14 villages in the range of between 0.55 and 0.59, meant highly concentration and not significant difference. The case study also indicates the above method is feasible in functional land use classification.

functional land use; spatial system; assessment method; total departure from regular pentagon; Yangou watershed

2013-11-16

：2013-12-15

国家自然科学基金项目“黄土高原半城镇化农民非农生计可持续性及农地流转和生态效应”(41171449);中国科学院重点部署项目(KZZD-EW-06-01)

党丽娟(1988—),女,陕西神木人,博士研究生,主要研究方向为区域可持续发展。E-mail:danglijuan@gmail.com

徐勇(1964—),男,陕西榆林人,研究员,主要研究方向为区域可持续发展、土地利用与人地关系机理模拟。E-mail:xuy@igsnrr.ac.cn

F301.2

：A

：1005-3409(2014)05-0193-05