图们江地区“三生”用地变化及其生态质量影响

余 洲,李明玉,陈 高,刘心雨

(延边大学 地理与海洋科学学院,吉林 延吉 133002)

土地利用转型研究作为土地利用变化研究的最新前沿领域[1-2]，是指在受社会经济、政府政策、自然人文环境等驱动影响下，一段时间后区域内土地利用变化达到与社会经济发展相对应的一个过程，其主要包括显性和隐性两种不同形态的转化[3-4]。随着该研究逐渐被中国学者所重视，涌现出一系列围绕土地利用转型理论与假说、单一用地类型的转型分析[5-6]以及转型过程中对城乡发展和生态环境影响[7-8]等内容的研究成果。中共十八大报告中明确指出我国社会经济发展新目标是促进三生空间协调发展，基于“三生空间”分析土地利用主导功能的转变过程来识别区域社会经济发展的不同阶段，已成为土地利用转型研究的重要切入点[9-10]。

现有研究表明，区域社会经济发展过程中土地利用转型及其生态质量，对制定土地利用优化最佳方案以及生态文明建设具有现实意义。目前，该项研究已成为地理学、生态学和环境科学等多学科研究热点[11-12]。但以往相关研究多集中在区域生态环境比较敏感的地区[13]，研究尺度上以流域、省域等宏观为主[14-19]，而对市域尺度热点地区作为对象的研究成果尚不多见。

图们江地区作为我国对外开放的窗口，其与东亚各国间的合作关系日益紧密，同时该地区也是我国重要的生态功能区之一，其生态地位显著。但随着区域内城市不断发展、土地开发强度增加，对生态质量造成的影响日益突出。因此，本研究以图们江核心地区延边朝鲜族自治州为例，基于2000年、2010年、2020年土地利用遥感监测数据，构建“三生”用地分类体系，定量研究2000—2020年延边州土地利用转型时空变化特征及其生态质量响应规律，以期为制定该地区土地资源开发和生态保护政策提供参考。

1 研究区概况与数据来源

1.1 研究区概况

1995年联合国开发计划署启动了《图们江地区发展计划》，此项计划使我国同东亚各国在运输、能源、旅游、投资和环境等产业方面建立了紧密合作的关系。计划中提出将延边朝鲜族自治州作为图们江区域合作区的“门户”，使其逐渐成为中国与东亚国家联系最紧密的地区[20]。同时该地区是中国“一带一路”战略的重要门户，也是重要的生态功能区之一。因此，要大力发展图们江地区，首先要解决好延边州区域社会经济发展与生态保护的冲突。

延边朝鲜族自治州位于北纬41°59′—44°30′，东经127°27′—131°18′。地处吉林省东部地区，北接俄罗斯，东临日本海，是中朝俄三国交界中心。该区总面积为4.32万km2，其中包括延吉、敦化、和龙、汪清、龙井、安图、图们和珲春等县市。整体地势特征表现为西高东低，又以珲春一带为最低。区域内自然生态保存良好，动植物具有丰富多样性。由于常年受日本海影响，气候特征为中温带湿润季风气候，年均降水量可达400～650 mm，年平均气温为2～6℃。冷热分明的温带季风气候使延边州盛产水稻、玉米和大豆等农作物。

1.2 数据来源及处理

研究数据选取2000年、2010年、2020年Landsat TM/OLI遥感影像(http：//www.gscloud.cn)，分辨率为30 m。本研究对初始影像进行大气校正、几何校正、图像增强和裁剪等影像预处理。并通过eCognition软件进行面向对象的多尺度分割；以监督分类、决策树分类、目视解译多种方法相结合，基于大量的野外验证点，获取研究区3期土地利用数据，并通过野外实地调查验证分类结果，精度可达90%以上。

2 研究方法

2.1 “三生”土地利用功能分类

一种土地利用类型本身可能兼具多种用地功能，如耕地既有调节气候等生态功能，又有生产和仓储粮食等生产功能。对于人类而言，进行耕地种植是为了生产粮食，最终可以根据行为主体用地意图确定其主导功能。本研究中各土地利用类型按照国土管理行业标准，将数据与土地利用“生产、生态、生活”功能相结合，构建“三生”用地分类体系[10,21]。最终参考以李晓文等[22]制定的二级地类所对应的生态质量指数为主，利用面积加权法对延边朝鲜族自治州“三生”用地的生态质量指数进行赋值[23-24](表1)。

表1 延边州土地利用功能分类及其生态质量指数

2.2 土地利用功能结构转型

通过土地利用转移矩阵来揭示土地利用动态变化过程，分析出土地利用类型间转化的结构特征及方向变化，数字表达式[25]：

(1)

式中：Sij为用地类型面积；a为土地利用类型数。

2.3 土地利用功能空间转型

运用重心模型来表征一段时间内各功能用地重心转移方向及距离，分析出空间转型过程中时空变化特征，其数字表达式为[16]：

(2)

(3)

式中：Xi，Yi为用地类型的重心坐标；m为空间单元数；Xj，Yj为第j个单元的地理中心坐标；Zj是第j个单元的用地类型面积。

2.4 生态质量效应

(1)生态质量指数。研究中为获取最优研究尺度，根据经验公式[26]选取格网大小，即将用地斑块数作为采样点，网格数量约为采样点的一半。通过2000年、2010年、2020年解译的用地斑块数约为1.3万个，经过反复调试，最终采用3 km×3 km格网大小进行格网尺度研究，共计获得近6 000个网格单元。根据各单元内“三生”用地赋值的生态质量指数及其面积占比，分析延边州不同时期的生态质量状况。其表达式为：

(4)

式中:EVi为第i个单元的生态质量指数(i=1,2,3,…,n)；n为土地利用类型数；Sij为在第i个单元内第j种用地类型面积；Ej为第j种用地类型生态质量指数(表1)；Di为第i个单元的土地利用总面积。

(2)地统计分析法。将获得的生态质量指数赋给各个网格单元中心点，并通过半方差分析法进行普通克里金插值，得到延边州地区的生态质量空间分布图[27]。数字表达式为：

(5)

式中:r(h)为半方差；h为样本距离；n(h)为样本间距h的样本对总数；i为第i个生态单元[i=1，2，…，n(h)]；Z(xi)和Z(xi+h)为在xi和xi+h处的生态质量指数值。

(3)土地利用转型贡献率。即某一种功能用地发生变化导致生态质量的改变[28]，能够定量分析出影响区域生态质量变化的主导因素。表达式为[29]：

(6)

式中:CLEI为土地利用转型生态贡献率；CA为土地利用变化类型面积；RA为研究区面积；EVa，EVa+1为研究初期和末期该变化类型的生态质量指数。

3 结果与分析

3.1 “三生”用地面积变化及空间分布

延边朝鲜族自治州“三生”用地格局中生态用地面积最大，占总面积比例高达85.58%，生产用地和生活用地面积较小，分别仅占总面积13.32%，1.10%。按照一级地类来看，生产用地面积先降后升，共计增加915.25 km2；生态用地面积大幅下降，由2000年的3.72万km2下降至2020年的3.61万km2，共计1 143.34 km2；生活用地面积持续增加了228.85 km2；表明该地区在研究期间随着农业现代化以及城镇化的推进，加剧了生产、生态和生活用地间的土地供需矛盾。按照二级地类来看，农业生产用地主要分布在延边州的敦化市、和龙市和龙井市等周边地区；林地生态用地广泛分布在延边州各个县市；城镇和农村生活用地呈片状分布在敦化市、延吉市及珲春市等地区(表2，附图6)。

表2 2000-2020年延边州各功能用地面积变化 km2

3.2 土地利用功能转型

3.2.1 功能结构转型 运用ArcGIS分别获得延边州2000—2010年以及2010—2020年土地利用转移矩阵，通过该矩阵分析功能用地间内部转换情况，明确其相互转化的数量和方向，最终得出延边州2000—2020年土地利用功能结构转型特征如下：

(1)2000—2010年，农业生产用地降幅最大，城镇和农村生活用地略有增加，林地和牧草生态用地显著增加。生产用地中，农业生产用地由林地生态用地转入，比例为21.91%；工矿生产用地转为林地生态用地，转移比例为17.94%。生态用地中，林地生态用地转移面积占比较小；有572.84 km2牧草生态用地和220.95 km2其他生态用地主要转化为林地生态用地；水域生态用地由农业生产用地转入比例为26.23%。生活用地的增加由农业生产用地转入比例为47.21%(表3)。

表3 2000-2010年延边州地区土地利用变化转移矩阵 km2

(2)2010—2020年，林地生态用地降幅最大，生活用地持续增加，农业生产用地显著增加。生产用地中，林地生态用地的转入是农业生产用地增加的主要来源，比例为21.76%；工矿生产用地变化不明显。生态用地中，有1 409.11 km2林地生态用地转换为农业生产用地；林地生态用地转入其他生态用地，其转移比例为20.87%。生活用地的主要转入来源是农业生产用地，由其转入城镇和农村生活用地面积分别为33.66，28.75 km2(表4)。

表4 2010-2020年延边州地区土地利用变化转移矩阵 km2

3.2.2 功能空间转型 以延边州县级行政区为基本单元，运用ArcGIS获取2000—2020年延边州各功能用地重心动态转移图(图1)。

图1 2000-2020年延边州各功能用地重心动态转移

生产用地中，2000年农业、工矿生产用地重心分别位于几何重心西北部、东南部。2000—2020年，农业生产用地重心持续向西北偏移13.69 km，空间分布不均衡有所加剧；工矿生产用地重心前期向西南偏移34.04 km，后期向西北偏移26.83 km，空间分布不均衡性有所减少。

生态用地中，2000年水域和其他生态用地重心都位于几何重心西北部，林地、牧草生态用地重心分别位于几何重心南部和西南部。其中，林地生态用地重心偏移较小，水域生态用地重心先向东南偏移22.67 km，再向西南偏移16.05 km，两者空间分布不均衡性均有所加剧；其他生态用地重心在研究期间持续向东南偏移18.46 km，空间分布不均衡略微缓和；2010年牧草生态用地重心较2000年向东南偏移了23.08 km，2020年向东偏移7.51 km，空间分布不均衡呈现出先缓和后加剧趋势。

生活用地重心均位于几何重心东部。城镇生活用地重心先向西南偏移3.62 km，再向东偏移6.61 km，其中延吉市和敦化市城镇用地面积明显高于州内其他区域，但由于延边州地区区域整体经济发展活力欠缺，城镇生活用地面积增幅较小；2000—2020年农村生活用地重心持续向东北偏移6.17 km，城镇和农村生活用地空间分布不均衡均略微增加。

3.3 生态质量响应

利用ArcGIS对延边州地区2000年、2010年、2020年生态质量指数样本数据进行统计，结果显示其接近正态分布，且具有空间相关性，适用于普通克里金插值法[30-31]。通过GS+9.0进行函数拟合，得到生态质量指数拟合结果(表5)。基台值从2000年的0.029 8增加至2020年的0.034 2，显示出该地区生态质量空间分布不均匀，且不断加剧。2000年、2010年、2020年的块金基台比值在0.7～0.8浮动，总体比较稳定，表明EV的相关性中等。可决系数R2都在0.95以上，且残差值较小，表明该拟合结果可靠。

表5 半方差函数拟合

因此，本研究中采用普通克里金插值法，选取球形模型为半变异函数模型。并将插值结果分为5级[32]，即高质量区(EV>0.75)、较高质量区(0.6

3.3.1 生态质量结构变化特征 延边州总体生态质量指数明显下降，从2000年的0.789下降至2020年的0.772，表明区域内生态质量不断恶化。2000—2020年，随着生活用地的不断扩大，低和较低质量区面积不断增加，低质量区占研究区总面积比例从2.65%增长至4.72%，年均增长面积为44.83 km2；较低质量区占研究区总面积比例从3.46%增长至5.77%，年均增长面积为50.03 km2；中质量区面积持续减少，前期变化剧烈后期变化逐渐平缓；较高质量区面积占比变化不大，整体上显示出小幅增加；高质量区面积持续减少，且是面积变化最剧烈的区域，占研究区面积比例从72.94%下降至69.25%，年均减少面积为79.75 km2(表6)。

表6 2000-2020年延边州生态质量等级面积变化

3.3.2 生态质量空间差异分析 从附图7可以看出，研究期间，延边州地区生态质量的低质量区和较低质量区主要集中分布在敦化市中部、和龙市北部、延吉市南部以及珲春市西南部地区，该区域内以农业生产用地和城镇生活用地为主。中质量区和较高质量区主要集中分布在敦化市、图们市、安图县中部以及汪清县西南部地区，其中较高质量区地类主要为林地生态用地和农业生产用地，中质量区地类主要是其他生态用地和农业生产用地。而高质量区广泛分布在延边州范围内，是分布最为广泛的类型区，其地类主要是林地生态用地且占高质量区面积90%以上。

分析结果得出，延边州生态质量的时空变化特征与政府政策、城市化进程、农业现代化保持高度一致性。2000—2010年，由于国家颁布的“退耕还林”政策以及该地区城市化进程较慢，社会经济发展水平低，导致大量的农业种植土地转变为林地生态保护用地，较高质量区面积有所增加，低质量区面积变化不显著。2010—2020年，由于城市化进程的加快以及经济的发展，城镇化建设不断扩大，人口规模增加，需要增加农作物的种植以满足人们的粮食需求，最终导致农业生产用地和生活用地的增加，其表现为低和较低质量区面积增加，高质量区面积大幅减少。

3.3.3 功能用地转型对生态质量影响分析 通过分析2000—2020年延边州功能用地转型生态贡献率，获取其生态质量响应规律，得到表7。

表7 影响生态质量的功能用地转型及贡献率

可以看出，2000—2010年农业生产用地被大量的林地生态用地占用是延边州生态质量改善的主要原因，占生态贡献率的66.01%。农业生产用地转换成牧草、其他和水域生态用地也对生态质量改善具有一定积极作用，三者共计占生态贡献率的14.29%。而生态质量恶化的主要原因是林地生态用地被开发为农业生产用地，占生态贡献率的66.66%。此外，林地生态用地转化成牧草、其他和水域生态用地也加剧了生态质量的恶化，三者共计占生态贡献率的18.30%。2010—2020年各功能用地转型对生态质量的影响与前期基本相同。总的来说，延边朝鲜族自治州土地利用转型过程中同时存在生态质量改善和恶化两种趋势，生态质量改善小于恶化，总体上生态质量恶化趋势加大。

4 结论与讨论

(1)2000—2020年，延边州土地利用功能结构转型特征为：三生用地中，生产用地先减少后增加、生态用地持续减少和生活用地持续增加；在二级用地类型中，林地生态用地降幅最大，农业生产用地面积先降后升，牧草、水域、其他生态用地和工矿生产用地变化较小，农村和城镇生活用地持续增加。

(2)2000—2020年，延边州土地利用功能空间转型特征为：农业生产用地、林地和水域生态用地以及生活用地空间分布不均衡有所加剧，工矿生产用地、牧草和其他生态用地空间分布不均衡明显减少。生产用地重心向西北偏移，牧草、水域和其他生态用地重心向东南偏移，城镇和农村生活用地重心分别向西南、东北偏移。

(3)2000—2020年，延边州生态质量指数从0.789降至0.772。其中高质量区面积占比最大且明显有所下降，低和较低质量区面积明显增加，正是由于高质量和中质量区面积下降幅度较大，造成延边州地区整体生态质量下降。

(4)2000—2020年，延边州总体生态质量呈恶化趋势。前10 a中农业用地转化为林地是导致生态质量改善的主要原因，占生态改善贡献率的66.01%；后10 a大量的林地转化为农业用地是该地区生态质量恶化的主要原因，占生态恶化贡献率的79.08%。

延边朝鲜族自治州土地利用转型及生态质量效应与政府政策、城市化进程和农业现代化等密切相关。参考其他现有研究成果，在经济发达且城市化较高的地区，其生态质量恶化的原因是农业生产用地转化为生活用地，土地利用转型特征表现为农业生产用地大量减少和生活用地大量增加[16,27]。由此对比出延边朝鲜族自治州土地利用转型及生态质量效应与发达地区有所不同，具有其现实研究意义。但研究中缺乏探讨延边州土地利用转型的驱动力机制，未来需要结合该区域的社会经济发展阶段，研究不同阶段土地利用转型驱动机制，以解决更多土地利用转型相关问题。考虑到延边朝鲜族自治州与其他地区在地理位置、种植环境、政策管理、社会经济等方面存在明显的差异，未来需要选取不同的地区作对比分析，进一步揭示出随着社会经济等条件的改变，我国区域土地利用转型及其生态质量效应是如何响应的。