基于洛伦兹曲线和土地利用转型的喀斯特山区“三生”空间分布研究

周宇洋， 周国富， 黄启芬， 乐 立

(1.贵州师范大学 地理与环境科学学院， 贵州 贵阳 550001； 2.贵州省都匀市自然资源局， 贵州 都匀 558000)

土地作为承载人类一切活动的载体，对人类社会的生存和发展至关重要。土地所蕴藏着丰富的自然资源，满足了人类生产与生活等方面的需求。但随着人类社会文明不断发展，人口与经济井喷式增长，城镇化、工业化和农业现代化快速推进的同时，人们开始对土地进行大刀阔斧的改造，无节制的索取自然资源，逐渐造成城市粗放扩张、生态环境恶劣和优质耕地稀缺等国土空间结构失衡的局面。面对中国这一严峻形势，党的第十八大报告明确指出要促进“生产空间集约高效、生活空间宜居适度、生态空间山清水秀”，生态文明建设逐渐成为国土空间开发的主旋律。“三生”空间方面的研究最早始于20世纪80年代初中国台湾省“三生农业”的发展，通过大力发展“三生农业”，以达到提高农业生产率、提高农民收入、促进城乡经济及乡村生态的可持续发展[1]。随着国内专家学者研究的不断深入，“三生”空间的研究主要集中在其“三生空间”概念剖析[2-3]、分类体系及功能识别研究[4-5]和优化调控研究等方面[6]。黄金川等[3]，李伯华等[7]指出，生态空间主要提供生态服务及生态防护功能，生产空间主要提供工、农和商服产品，生活空间可为人类提供居住和公共活动区域。王丽佳等[8]通过“风水”理论对村镇“三生”空间进行总结。陈仙春等[9]和张红旗等[4]采用土地利用分类结合土地多功能性来划分“三生”空间；魏小芳等[10]和张红娟等[11]通过对不同指标的选取，来构建区域“三生”分类体系。方创琳[12]提出“三生”空间优组理论，用于优化城市“三生”发展格局；李进林等[13]借鉴“三生”空间理论，对水土保持科技示范园功能分区及水保措施进行优化。

洛伦兹曲线( Lorenz curve) 最早由统计学家洛伦兹将居民收入累计百分比与居民总人口累计百分比相结合，以反映城市或者国家居民收入的公平程度。近年来，洛伦兹曲线逐步被专家学者运用到土地利用耕地变化、粮食产量、人口演变及城镇化等方面中来[14-15]，将洛伦兹曲线引入土地利用研究能较好反映土地类型空间分布均衡程度。土地利用转型作为土地利用结构变化的重要表现形式之一[16-17]，其土地利用主导功能的转型，即“生态”、“生产”和“生活”三大主导功能地类间相互转型，能动态反映区域各地类间的相互转换[18]。本文选取位于喀斯特地区的贵州省都匀市为研究区。都匀市作为“全球绿色城市”、“中国毛尖茶都”，同时作为贵州省国土空间规划中“六大城市主群”之一的区域中心城市，经济区位优势明显。通过采用洛伦兹曲线和土地利用转型对都匀市2009—2018 年“三生”空间分布进行分析，以期为促进研究区“三生”空间可持续发展，区域开展国土空间规划、资源节约、生态环境保护提供参考依据。

1 研究区概况

2 数据来源与研究方法

2.1 数据来源

本文空间数据选取都匀市2009，2014，2018年3期土地利用变更调查矢量数据，由都匀市自然资源局提供。以研究区土地利用变更调查数据分类为基础，土地利用主导功能为划分依据，借鉴陈仙春等[9]、刘继来等[19]、于莉等[20]、白如山等[21]的“三生”空间分类方法，按照“生活”、“生产”和“生态”对研究区3期土地利用数据进行分类，建立都匀市“三生”空间3级分类体系(详见表1)。

表1 都匀市“三生”空间分类

2.2 研究方法

(1) 洛伦兹曲线。洛伦兹曲线将居民收入累计百分比与居民总人口累计百分比相结合，以反映城市或者国家居民收入的公平程度[14-15]。如图1所示,洛伦兹曲线X轴代表人口百分比，Y轴代表居民收入百分比，并绘制一条内凹的曲线L，曲线上某一点代表某人口百分比下，相对应的居民收入百分比，直线M表示绝对平均线，代表理想情况下，收入的绝对公平，但在现实情况下，洛伦兹曲线都位于绝对平均线的右下方，当曲线与绝对平均线距离越近，下凹程度越小，所夹曲面面积S越小时，表示收入分配越平均，反之下凹程度越大，曲面面积S越大，表示收入分配越不均匀。

注：M为绝对平均线； S为曲面面积； L为居民收入比例。

①第一步需计算各类“三生”空间在各乡镇区位熵，区位熵又称专门化率，反映该“三生”类型在各乡镇空间分布的专门化程度，计算公式为[14,22]：

(1)

式中：Q为某种“三生”空间的区位熵；M1表示研究区某乡镇该类“三生”空间面积(hm2)； M2为研究区该类“三生”空间总面积(hm2)；M3表示某乡镇土地面积(hm2)；M4为研究区国土总面积(hm2)。

②在计算出各乡镇各类“三生”空间区位熵后进行升序排列，分别计算出“三生”空间面积累计百分比和各乡镇土地面积累计百分比。 第三步，以各乡镇土地面积累计百分比为横坐标，“三生”空间面积累计百分比为竖坐标绘制洛伦兹曲线。

(2) 基尼系数。基尼系数由经济学家基尼(Gini)提出，又称为“洛伦兹系数”，用于定量分析洛伦兹曲线收入分配的均匀程度，在几何表示中反映的是现洛伦兹曲线与绝对平均线所夹面积与绝对平均线以下的三角形面积之比[14,22]。据图1表示所夹面积S和绝对平均线M与X轴所夹面积之比。由于基尼系数算法多样，本文采用施卫国关于基尼系数的算法，能简易有效的计算出基尼系数，计算公式如下[15]：

(2)

式中：G为基尼系数；G值域为[0,1]；Mi表示某乡镇土地面积占国土面积的百分比累计值；Qi代表某乡镇某类“三生”空间面积的百分比累计值。G越大，说明该“三生”空间类别在研究区的分布越不均匀。根据相关研究[23]，基尼系数G小于0.2，代表研究区“三生”空间类型分布均匀，G在0.2～0.3之间表明分布相对均匀，G介于0.3～0.4间表明分布基本合理，基尼系数G在0.4～0.6之间表明空间分布差距较大，G大于0.6时则空间分布过于悬殊。

菊花不仅具有较好的观赏价值，而且还具有一定的药用价值，所以具有非常好的市场前景。这就需要做好菊花的栽培管理和养护工作，根据菊花的生长发育规律，来对菊花生长发育所需要的土、肥和水等进行改善，从而使菊花达到花叶丰满，实现其观赏价值和药用价值。

(3) 转型模型。转型模型可反映研究区内土地利用/覆盖结构特征变化方向，从而能够全面直观地反映不同时期内土地利用类型的变化转移方向。本文利用ArcGIS 10.2软件平台，对任意两期土地利用变更调查数据进行空间叠加分析运算，得到2009—2018年土地利用转移数据并表征，以便更好的反映都匀市土地利用转移规律及其变化过程，其表达式为[24]：

(3)

式中：Sij代表i类土地利用类型转换为j类型地类的面积。

3 结果与分析

3.1 都匀市“三生”空间现状分析

根据都匀市2018年土地利用变更调查数据统计表明，都匀市国土面积约228 546.91 hm2。根据表1“三生”空间分类表对都匀市2018年土地利用变更调查数据进行“三生”空间分类(见图2)，并表征分类结果(见表2)。由表2可知都匀市“三生”空间主要以生态空间为主，生态空间面积为158 126.30 hm2，占总国土面积的69.19%，占比较高；其次为生产空间，面积为61 406.75 hm2，占总国土面积的26.87%；而生活空间则占比相对较小，面积9 013.86 hm2，占总国土面积的3.94%。上述分析结果表明，都匀市整体城镇化水平相对较低，生态环境保护较好，区域主要以生态空间为主，生产空间其次。

(1) 生活空间。结合表2、图2及附图16(见封3)可知，城镇生活空间面积为5 129.06 hm2，占都匀市国土面积的2.24%。城镇生活空间主要分布在都匀市北部以及东部地区，以都匀市老城区(沙包堡街道、广惠街道及文峰街道)和都匀市经济开发区(匀东镇)为主；农村生活空间面积为3 884.80 hm2，占总国土面积的1.70%，农村生活空间各乡镇均有一定分布。

图2 2018年都匀市“三生”空间一级分类特征

表2 2018年都匀市“三生”空间面积统计结果 hm2

(2) 由表2可知，生产空间中农业生产空间面积占比最高，农业生产空间面积60 983.03 hm2，占都匀市国土面积26.68%。由附图16(见封3)可知，农业生产空间分布较为广泛，除中心城区(广惠街道和文峰街道)外各乡镇均有分布，西部及东部地区分布较广；工矿生产空间则分布较少，面积423.72 hm2，仅占国土面积的0.19%，由此可见，都匀市经济产业主发展要以传统的农业耕作和种植业为主，导致农业生产空间占比高，而工业发展较为落后。

(3) 作为“全球绿色城市”，都匀市生态空间占比为69.19%，在“三生”空间中占绝对优势，其中林地生态空间占比最大，面积134 737.44 hm2，占国土面积的58.95%，可见都匀市林地生态用地广泛分布；草地生态空间面积20 392.56 hm2，占国土面积的8.93%，主要分布在都匀市西部及东部地区。水域生态空间比例相对较低，面积为2 313.14 hm2，仅占国土面积的1.01%，比例不高，水资源开发利用亟待开展；其他生态空间面积683.16 hm2，占国土面积的0.30%，比例最小。

总体上看，都匀市生活空间占比较小，都匀市城镇生活空间占都匀市国土面积比例不高。因此，都匀市应结合新型城镇化及乡村振兴战略的实施，进一步推进城市和农村的合理发展。其次，都匀市生产空间主要以农业生产空间为主，未来发展在保障农业发展的同时，应积极鼓励二、三产业的发展。此外，生态空间中以林地生态空间为主，占比较高，在今后城市开发建设，应合理安排生产和生活用地，避免过多占用生态用地。

3.2 都匀市2009-2018年“三生”空间时空转换分析

(1) 据表3所知，2009—2018年期间生产空间转移去向主要为生活空间和生态空间，转移面积分别为2 293.6 hm2和1 941.37 hm2，对应的转移比例分别为3.61%和0.56%。生产空间总转入面积为2 157.79 hm2，其中生态空间面积为1 980.74 hm2，生活空间面积为177.05 hm2，生产空间呈现出下降趋势。从二级空间转移上来看(见表4)，农业生产空间主要转移为城镇生活空间和林地生态空间，转移面积分别为1 912.53 hm2和1 201.87 hm2，对应的转移比例分别为3.04%和1.91%，而农业生产空间转入的类型主要为草地生态空间和林地生态空间。工矿生产空间转移主要去向为其他生态空间和城镇生活空间，转移面积分别为172.36 hm2和62.17 hm2，工矿生产空间的转入类型主要为城镇生活空间、农业生产空间和林地生态空间，转入面积分别为30.39，35.58，37.23 hm2。综上表明，近年随着都匀市城市发展步伐加快，城市建设占用部分了农业资源。人们对退耕还林等生态修复的政策响应较为积极。

表3 2009-2018年都匀市“三生”空间转移矩阵 hm2

表4 2009-2018年都匀市“三生”空间二级分类转移矩阵 hm2

(2) 生活空间总转出面积为511.12 hm2，其中转移为生产空间的面积为177.05 hm2，生态空间334.07 hm2，对应的转移比例分别为2.80%和5.27%；生活空间总转入面积为3 194.30 hm2，其中生态空间转入900.70 hm2，生产空间转入2 293.60 hm2，对应的转移比例分别为9.99%和24.45%，生活空间呈现出上升趋势。从二级分类转移上看，城镇生活空间转移去向主要为林地生态空间和农村生活空间，转移面积分别为252.86 hm2和51.46 hm2，转入空间主要为农业生产空间和林地生态空间，转入面积分别为1 912.53 hm2和688.70 hm2，对应的转移比例分别为37.29%和13.43%。农村生活空间转移去向主要为城镇生活空间和农业生产空间，转移面积分别为126.73 hm2和110.46 hm2，而转入农村生活空间的主要为农业生产空间、林地生态空间和城镇生活空间，转入面积分别为312.08 hm2，70.40 hm2和51.46 hm2。综上表明，随着城镇化进程加快农村生活空间转移的去向主要为城镇生活空间，城市开发占用部分农业和林业空间，城镇生活空间呈现出增长趋势，都匀市城镇化快速发展。

(3) 生态空间总转出面积为2 881.44 hm2，其中转移为生产空间1 980.74 hm2，生活空间900.70 hm2，对应的转移比例分别为1.25%和0.57%。生态空间总转入2 275.44 hm2，生产空间转入1 941.37 hm2，生活空间转入334.07 hm2，对应的转移比例分别为1.23%和0.21%，生态空间呈现出下降趋势。从二级分类转移上看，林地生态空间主要转移为草地生态空间、农业生产空间和城镇生活空间，可看出农业的发展和城市的扩张占用了部分林地资源，转入林地生态空间的分类主要为草地生态空间和农业生产空间，转入面积分别为733.30 hm2和1201.87 hm2。草地生态空间转移去向为林地生态空间和农业生产空间，转入草地生态空间主要是林地生态空间和农业生产空间。水域生态空间主要转移去向为城镇生活空间和农业生产空间，转移面积分别为37.41 hm2和12.39 hm2，和林地空间类似，随着城市发展需求，农业的发展，占用部分水域进行生产建设，转入水域生态空间的主要为林地生态空间和农业生产空间。相对于其他几种生态空间而言，其他生态空间转移则相对较小，主要转移为城镇生活空间和农业生产空间，而转入其他生态空间的主要来自工矿生产空间和农业生产空间，转移面积为172.36 hm2和137.19 hm2。随着生态空间的减少，应加强对生态修复等政策的响应力度，严守生态保护红线，保障生态空间发展。

3.3 洛伦兹曲线与基尼系数分析

3.3.1 洛伦兹曲线和基尼系数结果分析 以研究区2009年生产空间为例计算并绘制洛伦兹曲线，先计算出研究区2009年生产空间区位熵Q。Q值可反映各乡镇生产空间专门化程度，并根据结果由小到大排序(见表5),再计算出乡镇土地面积累计比及生产空面积累计百分比(见表5)，并绘制2009年生产空间洛伦兹曲线图。按照此方法计算并绘制2009年、2014年和2018年各类“三生”空间洛伦兹曲线图(图3—4)，并根据公式2计算出2009—2018年“三生”空间基尼系数。计算结果见表6。

表5 都匀市2009年生产空间计算结果

图3 2009-2018年都匀市洛伦兹曲线

如图3所示，研究区2009—2018年间生态空间洛伦兹曲线最接近绝对平均线，再据表6可知，2009—2018年生态空间基尼系数从0.058 1上升到0.059 3，基尼系数有小幅升高，但G均小于0.2，表明该时间段生态空间分布相对均匀。生产空间基尼系数从0.130 5下降到0.118 8，基尼系数G同样小于0.2，生产空间洛伦兹曲线仅次于生态空间，下凹幅度不大，生产空间分布也相对均匀。生活空间曲线下凹程度大于其余空间，距离绝对平均线较远，基尼系数G介于0.3～0.4间，表明生活空间分布基本合理。

由图4及表6看出，2009—2018年生产空间和生态空间洛伦兹曲线变化幅度不大，生态空间洛伦兹曲线更靠近绝对平均线，生产空间基尼系数较2009年下降0.011 7，生态空间较2009年增加0.001 2；生活空间曲线波动较大，2018年生活空间曲线下凹程度大于2009年及2014年，生活空间与其他空间相比更远离绝对平均线，基尼系数较2009年增长0.087 2。

表6 2009-2018年都匀市基尼系数统计

图4 2009-2018年都匀市各“三生”空间洛伦兹曲线

3.3.2 区位熵分析 洛伦兹曲线的斜率表示“三生”空间专门化程度，即区位熵。曲线上各拐点先后位置，与“三生”空间区位熵顺序一致，故可通过区位熵反映“三生”空间专门化程度，当Q<1时，表明该乡镇的某种“三生”空间类型的比例小于该乡镇土地总面积占研究区面积的比例，即专门化程度较低，处于区域劣势，反之当Q>1，专门化程度较高，该空间类型处于区域优势。都匀市“三生”空间区位熵分布详见图5。

图5 2009-2018年都匀市“三生”空间区位熵分布特征

由图5可知，2009年生产空间分类下小围寨街道办事处、归兰水族乡、沙包堡街道办事处、墨冲镇、匀东镇Q>1，代表生产空间专门化程度较高，处于区域优势。生活空间区位熵下小围寨街道办事处、沙包堡街道办事处、文峰街道办事处、广惠街道办事处Q>1；生态空间区位熵下绿茵湖街道办事处、毛尖镇、平浪镇Q>1(按Q值升序排列)。

2014年生产空间区位熵中沙包堡街道办事处、归兰水族乡、墨冲镇、匀东镇Q>1；生活空间区位熵中小围寨街道办事处、匀东镇、绿茵湖街道办事处、沙包堡街道办事处、文峰街道办事处、广惠街道办事处Q>1；生态空间区位熵中绿茵湖街道办事处、毛尖镇、平浪镇Q>1。

2018年生产空间区位熵中沙包堡街道办事处、小围寨街道办事处、归兰水族乡、墨冲镇、匀东镇Q>1；生活空间区位熵中小围寨街道办事处、绿茵湖街道办事处、匀东镇、沙包堡街道办事处、文峰街道办事处、广惠街道办事处Q>1；生态空间区位熵下中绿茵湖街道办事处、毛尖镇、平浪镇Q>1。

4 结论与建议

4.1 结 论

都匀市“三生”空间主要以生态空间为主，生态空间占都匀市国土面积比例较高，占比为69.19%。其次为生产空间，占比为26.87%；而生活空间则占比相对较小，占总国土面积的3.94%。可见都匀市生态环境保护较好，而城镇化水平相对较低。2009—2018年生产空间和生态空间呈现出下降趋势，生活空间逐年递增，呈现出稳步增长趋势。从二级空间转移来看，转入城镇和农村生活空间都主要来自农业生产空间和林地生态空间，城市建设发展占用部分林地资源和农业生产资源。

从2009—2018年洛伦兹曲线和基尼系数来看，都匀市“三生”空间分布基本合理，其中生态空间洛伦兹曲线更靠近绝对平均线，基尼系数G均小于0.2，表明都匀市生态空间分布相对均衡。从区位熵来看，生态空间处于区域优势主要位于研究区西部的绿茵湖街道办事处、毛尖镇、平浪镇，此区域生态环境要优于其他区域。生产空间洛伦兹曲线下凹幅度仅次于生态空间，基尼系数G均小于0.2，生产空间分布也相对平均，生产空间处于区域优势主要是小围寨街道办事处、归兰水族乡、墨冲镇、匀东镇，主要集中在都匀地区东部及南部，区域主要以从事农业生产为主。而生活空间与其他空间相比更远离绝对平均线，浮动较大，下凹程度大，2009—2018年基尼系数均介于0.3～0.4间，表明生活空间分布基本合理，生活空间处于区域优势主要是沙包堡街道办事处、文峰街道办事处、广惠街道办事处，基本位于都匀市中心城区，为城镇居民生活娱乐主要区域。

4.2 建 议

都匀市生产空间主要以农业生产为主，工业发展相对落后，应积极鼓励发展二、三产业和生态农业。加强基本农田保护和建设，加大万亩大坝保护力度，确保耕地保有量和基本农田保护面积不减少。生活空间应按照贵州省国土空间规划要求，都匀市到2030年中心城区城镇人口应控制在50～100万，建设规模合理控制在100 km2。合理确定城镇空间规模与布局，有序推动和鼓励人口向区位条件优、发展基础好、环境承载力大的城镇空间转移，积极推进城乡一体化建设。位于地质灾害点的村寨，应推动易地搬迁。生态空间应坚持生态优先和绿色发展的理念，严守生态保护红线，保障生态空间发展，加强对都匀斗篷山—剑江风景名胜区、青云湖国家森林公园、都匀清水江国家湿地公园、都匀市茶园水库集中式饮用水水源保护区、都匀市墨冲镇翁谷水库集中式饮用水源保护区等生态空间的的保护力度，科学合理的确定城市开发建设的规模，避免过多的占用生态空间。