山地丘陵区林州市的国土空间格局与生境演变分析

廖雨，冉丹阳，张丽芳，李佳玉，杨存建，

1. 四川师范大学地理与资源科学学院，成都 610101

2. 四川师范大学西南土地资源评价与监测教育部重点实验室，成都 610068

0 前言

国土空间是人类生产、生活的载体，也是我们进行生态文明建设的介质[1]。城市发展、工业进步、乡村振兴，使国土空间格局发生了巨大的转变，导致国土空间的利用与保护之间的矛盾日益突出，国土空间的持续开发迎来了新的挑战[2-3]。随着国土空间格局的不断转变，导致生物生存的环境趋于破碎，生境功能退化甚至丧失，降低了生物的多样性，对生态环境造成巨大破坏[4-5]。因此，将国土空间格局变化与生境退化的研究结合起来对自然资源合理利用、生态系统的保护及区域可持续发展至关重要。

国外的专家学者认为将土地利用转型与生态效应结合起来对统筹城乡发展及生态文明建设具有重要的指导意义[6-7]。而对土地利用分类进一步划分为“三生”空间是研究国土空间的新趋势，关于“三生”空间的研究，我国学者做了大量的研究并取得丰硕成果，如张红旗[8]、刘继来[9]、朱凤武[10]、刘长青[11]、于莉[12]等。基于上述专家的分类思想与研究，将不同的土地利用类型划分为生产、生态与生活用地[13-14]。关于国土空间格局及生境退化的研究主要通过构建生境评价体系及基于模型的评价方法两种形式[15]。前者需要较高数据量，成本较大；后者基于模型评价方法，操作简单，对数据需求量较低，较为直观，空间可视化程度高，便于从景观格局的角度出发来揭示生境退化程度[16-17]。所以本文主要通过INVEST模型中的生境质量模块来揭示不同景观格局下的生境退化程度。

山地丘陵区是我国国土空间中重要的组成要素之一，约占我国陆地面积的 65%。由于其本身生态环境的脆弱性、敏感性较大，以及人地关系矛盾突出等条件约束，迫使我国山区国土空间开发面临的问题更加复杂，人地关系更加突出[1]。林州市位于太行山的东麓，其境内山地、丘陵占其总面积的 86%，近些年随着其经济快速发展，精准扶贫政策的实施，使得国土空间的开发及生态环境面临着巨大的挑战。因此本文选取林州市为研究区域，探索其国土空间格局时空演变规律，揭示国土空间格局的变化导致景观破碎化对其生境退化程度产生的影响。以期能为林州市今后的规划发展提供科学的建议。

1 研究区域概况

林州市位于河南省的北部、太行山脉东麓，是河南、河北、山西三省交汇之处，主要地形为山地、丘陵，占林州市总面积的 86%。境内海拔最高达1600 米左右，最低 200 米左右，海拔高差较大，其西北的地势高于东南。地处半湿润地区，属于暖温带大陆性季风气候，降水量季节分配不均匀，夏季高温多雨，冬季寒冷干燥，温度变化较大。辖15个镇、1个乡及林街道、开元街道、龙山街道、桂园街道等 4个街道办事处，本文依据林州实际情况，将其 4个街道办事处统称为中心城区。截止2015年，林州市户籍人口 112.63万人，人口密度每平方千米 550人，是我国人口密度较高的县级市之一。

2 数据来源与方法

2.1 数据来源

研究利用Landsat 5TM、 Landsat 8 OLI遥感影像数据进行图像预处理后，依据中国土地利用类型分类体系[18]，通过人工目视解译获得林州市(1990年、2000年、2010年、2015年)四期土地利用数据，然后借助Google Earth平台对目视解译的数据进行了二次修正，数据验证精度达到 85%以上，解译精度可靠。其中土地利用类型分为两级，6个一级地类(耕地、林地、草地、建设用地、水域、未利用地)，25个二级地类，基础遥感影像从地理空间数据云网站(http: //www.gscloud.cn/)下载获取。

2.2 “三生”空间划分

国土空间是人与自然、社会经济相互作用而表现出的一种形态，它是一种由生态功能、生产功能、生活功能等多种功能构成的综合体[3，13]。目前国土空间的划分依据也多种多样，很多学者提出依据国土空间功能来划分，但是一种国土空间可能兼有多种功能，以单一功能划分存在一定的难度[3，11，13]，因此多数专家们主要依据国土空间的主体功能对国土空间进行划分。本文主要借鉴张红旗等[8]、朱凤武等[10]的分类思想，依据国土空间的生产功能、生活功能、生态功能以及林州市的实际情况将其国土空间划分为3个大类及7个小类别，如表1。

表1 林州市三生空间分类体系Table 1 Linzhou ecological-production-living spaces classifycation system

2.3 土地利用转移矩阵

土地利用转移矩阵表示系统分析中对系统状态与状态转移的定量描述。它将土地转移的面积利用矩阵的形式呈现出来，不仅反映研究区内部的土地类型结构，还追溯其地类变化的来源及去向[3，20]。矩阵中行表示k时期的i种土地利用类型，列表示k+1时期的土地利用类型，其表达式为:

如式(1)中所示，L为土地面积，n表示研究区内土地利用类型数。i、j分别为研究期初与研究期末的土地利用类型。运用 Arcgis10.2软件对林州市1990年、2000年、2010年、2015年4期土地利用数据进行分别叠加，然后用Excel进行数据透视表处理，得到 1990—2000年、2000—2010年、2010—2015年、1990—2015年土地转移矩阵，以此分析林州市近25年来国土空间的结构及用地功能类型转化特征。

2.4 景观指数法

景观格局是对一定区域范围内的生态环境体系的综合反映，利用景观指数能够从多维角度来反映其结构组成和空间配置等方面的特征[19]。本文利用FRAGSTATS4.2软件对选取的斑块密度(PD)、斑块平均面积(MPS)、蔓延度指数(CONTAG)、香浓多样性指数(SHDI)、香浓均匀度指数(SHEI)、景观形状指数(LSI)等多个景观指数进行计算，各个景观指数的生态学含义参考文献[22-24]。本文利用类型水平及景观水平2个维度来分析林州市25年间国土空间景观格局特征及其演变规律，并能清楚、直观的反映林州市的景观异质性、连通性、破碎化程度及其景观的多样性。

2.5 生境退化度

本文主要运用 InVEST模型中的生境质量模块来评估林州市景观水平上的生境退化特征[4，25]。其主要是利用土地利用类型与威胁源建立联系，根据不同生境对威胁源的响应程度，评估不同景观格局下的生境分布和退化情况，计算得到生境质量和稀缺程度可以反映该区域的生物多样性，生境退化特征。

生境退化度的表达式如下:

如式(2)所示，其中R为威胁因子个数；wr为威胁因子的权重；yr为威胁层在地类图层上的栅格个数；ry为威胁因子的强度；irxy为威胁因子对生境的威胁水平；βx为法律保护程度；Sjr为j类土地类型对威胁因子的敏感性大小；dxy为栅格x(生境)与栅格y(威胁因子)的距离；drmax为威胁因子r的最大影响范围。

参考前人研究经验[4，15，17，25]并结合研究区的区域特征，选取 5个威胁因子，分别是城镇居民点、农村居民点、工矿用地、道路、耕地。并确定了各个威胁因子的最大影响距离、权重以及不同土地利用类型的生境适宜度、各土地利用类型对不同威胁因子的相对敏感程度。其参数设置详见表2、表3。

表2 威胁因子、最大影响距离及权重Table 2 The maximum influence distance and weight of the threat factor

表3 土地利用类型生境适宜度及威胁因子的敏感程度Table 3 Habitat suitability of land use type and the sensitivity to threat factors

3 结果与分析

3.1 土地空间利用变化

从数量结构上的变化来看，1990年—2015年间，生态空间、生产空间始终为林州市的主要国土空间类型。25年间林州市生活空间持续增加，增加了2.89%；生态空间发生小幅度的波动变化；生产空间从 1990—2010年间持续减少，减少了 2.87%，但从2010—2015年间，生产空间又有小幅度的上涨，增加了0.64%。林州市三生空间如表4所示。

从乡镇分布特征来看，可以得出林州市各乡镇空间内部分布差异较大，陵阳镇是除林州市中心城区之外城镇生活空间占比最大的乡镇，此外城郊乡、姚村镇、河顺镇与其他乡镇相比城镇生活空间占比分布面积较大。林州市的农业生产空间主要集中在陵阳镇、姚村镇、横水镇、采桑镇，相对应的这些乡镇的绿被生态空间面积较少。绿被生态空间主要集中在石板岩镇、任村镇、原康镇、石板岩镇、五龙镇，其中石板岩镇的绿被面积最大，达到 95%，该乡镇的其它空间面积占比很小。陵阳镇、城郊乡、姚村镇的农村生活空间占比较大。水域生态空间主要分布在石板岩镇、任村镇。如图1所示。

表4 林州市25年间土地利用分布变化情况Table 4 Distribution change of land use types in the 25 years in Linzhou

从各个空间类型的转化情况来看，25年间林州市生产空间、生活空间的变化幅度较大，生产空间中农业生产空间大幅度减少，变化面积为 91.11km2，主要与绿被生态空间相互转化数量最大；工矿生产空间面积明显增加，其增加的面积主要源于生态生产空间以及农业生产空间；农村生活空间、城镇生活空间面积增加，其主要的来源为农业生产空间；生态空间变化幅度不大，其中绿被生态空间略有增加，主要由农业生产空间和水域生态空间转入；水域生态空间略微减少，其主要转化为绿被生态空间，如表5、表6、表7所示。

图1 林州市各乡镇土地类分布差异Figure 1 Distribution difference of land use types Townships in Linzhou

表5 1990—2000年林州市土地利用变化转移矩阵(km2)Table 5 Transition matrix of land use types in the Linzhou during 1990-2000 (km2 )

表6 2000—2010林州市国土空间面积转移矩阵(km2)Table 6 Transition matrix of land use types in the Linzhou during 2000-2010 (km2 )

表7 2010—2015林州市国土空间面积转移矩阵(km2)Table 7 Transition matrix of land use types in the Linzhou during 2010-2015(km2 )

3.2 景观格局特征及其演变

通过Frgstats4.2软件对选取多个景观指数进行计算，得到林州市25年间类型水平及景观水平上的景观指数，如表8、图2所示。

绿被生态空间的斑块面积所占景观面积比例及平均斑块面积远大于其他类型，其次是耕地，这说明它们主要以大面积的斑块存在，分布比较集中，聚集程度较高，但是绿被生态空间、农业生态空间斑块数量增多，平均斑块面积逐年下降，表明其景观日益趋于破碎化，聚集程度下降。与之相反，城镇生活空间不断的向城市外围扩张，其PLAND、MPS逐年增加，说明城镇生活空间面积不断的增加，聚集程度逐年提高。

表8 林州市25年类型水平上景观指数变化Table 8 Landscape indexes changes at type level in the 25 years in Linzhou

林州市 25年间景观蔓延度指数偏高，其不同斑块类型的团聚程度较高，景观连通性较强，1990-2015年间蔓延度指数(CONTAG)总体呈下降趋势；景观形状指数(LSI)、斑块密度呈上升趋势；香农多样性指数及香农均匀度指数呈略微上升趋势。蔓延度指数的下降，以及景观形状指数、斑块密度的增加，表明林州市景观破碎程度加大，景观连通性减弱；而香农多样性指数及香农均匀度指数有略微波动，表明各类型在景观中呈均衡化趋势分布。总体而言，随着林州市社会经济的快速发展和人口规模的扩大，景观格局破碎化加剧，景观连通性减弱和多样性增强表明国土空间利用更加系统化及精细化。

图2 林州市25年景观水平上景观指数变化Figure 2 Landscape indexes changes at Landscape level in the 25 years in Linzhou

3.3 生境退化度时空变化特征

通过 InVEST 模型生境质量(Habitat Quality)模块来计算生境退化度。如图3所示。

1990—2015年间林州市土地退化程度逐年增加，并且表现出明显的空间差异。其主要退变方向是围绕着城镇生活空间向四周扩散展开，生活空间周围土地退化程度最高，依次蔓延到生产空间，其次是生产空间与生态空间的交界，其交界处土地退化度大幅度降低，最后蔓延到生态空间，生态空间周围的土地退化程度最低。

利用2015年的生境退化度与1990年的生境退化度差值，得到林州市 25年间的生境退化变化情况。其中，“+”值代表2015年林州市生境退化程度高于1990年的生境退化程度，“-”值代表2015年的生境退化程度低于1990年。如图4所示。

通过 1990年—2015年林州市生境退化度变化可以看出，林州市生境退化度主要是生活空间向四周退化。中心城区生境退化程度最高；其次为陵阳镇、姚村镇、城郊乡；原康镇与合涧镇虽2015年生境退化度高于 1990年，但是其退化程度低于陵阳镇、姚村镇、城郊乡，影响其生境退化的主要因素是农业生产空间的扩大；任村镇、桂林镇部分区域生境退化度低于 1990年，生态质量有变好的趋势，其生态质量好转的原因主要由于绿被生态空间的增加；石板沿镇生境退化程度趋于稳定。

4 讨论

国土空间格局的演变对景观格局的改变直接影响生态环境的质量，生态空间是城市系统的重要组成部分，对经济的可持续发展及居民生活质量的提高具有重要的生态服务价值。从1990年到2015年林州市生态空间用地面积虽有所增加，但是其生境退化度却逐年上升，生态环境恶化，这主要是由于生活空间的不断扩张，各种威胁因子的相互影响，导致绿被生态空间平均斑块的破碎度加大，破坏生态服务功能的连通性，这是引起生境退化的原因之一，为了避免林州市生态用地的进一步流失，生态环境的进一步恶化，需要对其进行合理的配置，不仅要注意其空间服务价值更要注重其空间结构合理配置。在精准扶贫的大背景下，要把带领人民走上脱贫致富的道路与生态环境保护相结合。

图3 1990—2015年林州市生境退化度Figure 3 Habitat degradation in Linzhou from 1990-2015

图4 1990—2015年林州市生境退化度变化Figure 4 The change of habitat degradation in Linzhou from 1990-2015

林州市不同区域的生境退化度存在着差异，生境退化度上升最明显的区域分别为中心城区、姚村镇、陵阳镇、城郊乡，主要是因为这些区域分布着大量的人工表面，并且近 25年来，林州市经济快速发展，建设用地大量扩张，耕地面积持续减少，导致了生态用地景观破碎加剧，生境退化度高，使得生态环境下降明显；而任村镇及桂林镇，人工表面较少，人为因素干扰不大，且绿被生态空间面积较大，生态功能维持较好。由于城市不同的地区，其生态质量不同，在今后的发展建设中，需因地制宜，结合不同区域的生态特征、人文特征，对城市进行规划，可以更好的体现城市功能用地的服务价值。林州市主城区既要保护其本身的生态空间、还要规划增加小范围的绿地等，来提升生态服务功能，提高居民生活质量。而生态环境较好的任村镇及桂林镇，可以很好的利用其自然资源，适度开发旅游项目。但是林州市属于多山地区，山地丘陵面积占总面积的 86%，由于山区具有特殊的属性特质，其自然资源呈梯度分布、具有潜在地质灾害，过度开发容易造成地质灾害频发，生态恶劣。所以要严格把控林州市山地丘陵区的开发程度，要避免低效率的生产、生活空间的扩张，多方面考虑，总体调控，做到国土空间的合理开发及利用。文章主要通过分析林州市由国土空间格局变化引起的景观格局改变对生态环境的影响，但是怎么在城镇化及精准扶贫开发的背景下避免城镇景观趋于破碎化，怎么建立起生境退化与景观破碎指数之间的联系，这个问题值得继续研究和探讨。

5 结论

本文通过对林州市25年的“三生”空间格局变化及生境退化度分析，得出如下结论:

(1) 林州市的国土空间主要分为生态空间、生产空间、生活空间。其中生态空间与生产空间是其主要的空间类型。1990—2015年期间林州市生活空间逐年增加，城镇化程度逐年加大，中心城区的城镇快速向四周扩张，农业生产空间大幅度减少，其主要转化成绿被生态空间及生活空间。生态空间基本保持原有水平，并未发生较大波动。经济发展及人类活动对林州市国土空间格局的变化起到关键性作用。

(2) 1990—2015年间林州市蔓延度指数下降，景观形状指数、斑块密度增加，香农多样性指数及香农均匀度指数有略微波动。其中城镇生活空间不断的向外围扩张，聚集程度逐年提高，绿被生态空间、农业生态空间的景观破碎化程度不断的加大。总的来看，由于人类活动及经济的发展，林州市景观格局破碎化加剧，景观连通性减弱和景观多样性增强。

(3) 林州市土地退化程度逐年增加，并且表现出明显的空间差异。其中西北部山区及东南部地区，生境退化程度下降，生态环境好转；中心城区的生境退化程度明显上升，其生境退化程度最高，其次是与其接壤的三个乡镇，分别为陵阳镇、姚村镇、城郊乡。中心城区、陵阳镇、姚村镇、城郊乡是林州市规划发展的敏感区域，在未来的城乡规划中，要重点关注这些乡镇，发展规划建设要与生态保护相结合。