2000—2018年成都平原国土空间格局演化及驱动力研究——基于“三生”空间多功能视角

刘 涛，侯兰功

(西南科技大学 土木工程与建筑学院，四川 绵阳 621000)

【研究意义】国土空间是人类社会发展以及生态文明建设的主要场所，是由诸多功能要素共同构成的空间巨系统[1]。我国对国土空间的功能划分主要从“三生”(生产、生活、生态)空间切入[2]，随着我国城镇化以及工业化的快速推进，其生产、生活与生态空间的相互争夺与冲突日趋激烈，严重阻碍了区域新型城镇化建设及高质量发展[3]。中共十八大报告指出，建设集约高效的生产空间、宜居适度的生活空间以及山清水秀的生态空间的总体要求[4]，标志着我国正在从以生产空间为主导向“生产-生活-生态”空间相互协调的空间开发方式转变[5]。国土空间格局是指国土空间不同功能要素的空间分布与配置，具有特定的时间和空间属性，其形态和状态在时空尺度上呈现出不同的变化特征[6]。因此研究区域国土空间格局变化，不仅能揭示国土空间数量结构与空间格局的时空演化规律，同时对于优化国土空间结构以及促进区域国土空间协调可持续发展具有指导意义。【前人研究进展】国外研究重视用地功能变化对生态环境状况的影响，通过用地空间格局的演变来揭示全球气候变化、生物多样性以及水土流失等影响[7-8]，其城市化速度以及城市扩张较快的区域亦是关注重点[9]。我国基于人地关系协调理论，提出“三生”空间概念并做出大量研究[10-11]，其研究内容主要有“三生”空间的理论框架[12]、“三生”空间分类体系[13-14]、“三生”空间格局时空演变及其影响因素[15-17]、“三生”空间的重构与优化[18]、“三生”空间的综合承载力[19-20]以及“三生”空间的协调性[21]等方面，其研究区主要集中在行政尺度[22-23]、流域[24]、城市群[25-26]等区域，且以我国东部平原地区“三生”空间研究居多。我国早期对于“三生”空间格局演化的研究主要以生产、生活以及生态三类主体功能要素进行分析[27]，割裂了“三生”空间的内在联系，如耕地具有生产功能同时也具有生态功能，通过对“三生”空间功能进一步挖掘，能够在一定程度上更加深入的揭示具有多重功能用地类型的演化特征。【本研究切入点】成都平原作为西部经济最发达的区域之一[28]，当前正处于快速城镇化、工业化发展阶段，其建设空间快速扩张，加速了生产、生活和生态空间的转变，同时受自然资源以及经济水平等多方面因素的影响，导致该区域土地利用结构以及国土空间格局的时空差异性尤为明显。【拟解决的关键问题】基于此，本文以2000—2018年三期成都平原“三生”空间用地为基础，探索研究区国土空间用地数量结构演化规律，同时基于地学信息图谱、标准差椭圆以及重心迁移模型，揭示研究区国土空间格局时空异变特征，最后借助地理探测器模型，探测成都平原国土空间格局驱动力特征。此结果为优化西部地区国土空间格局提供科学依据和借鉴。

1 材料与方法

1.1 研究区域概况

成都平原位于四川盆地西部，包括成都、德阳、绵阳(不含盐亭)、雅安、乐山、资阳(不含安岳)以及眉山7个地级市(图1)，介于28°25′～33°02′N和101°55′～105°59′E之间，幅员面积8.113×104km2。该区域属于亚热带季风气候区，平均海拔600 m左右，河渠纵横，物产富饶，人口稠密，是中国重要的水稻、甘蔗、蚕丝、油菜籽产区。

随着西部大开发战略的实施以及成渝经济圈的建立，成都平原经济发展提速明显。2000—2018年间，成都平原GDP年均增长率为9.3%，其中成都市高达11.2%，研究区三产结构从18.70∶46.58∶34.72调整为12.23∶44.81∶42.96。 2018年研究区城镇化率达53.03%，城乡居民可支配收入分别达34 434 和16 331元。

1.2 数据来源与研究方法

1.2.1 数据来源 本研究所用到的土地利用数据来自于中国科学院资源环境科学与数据中心(www.resdc.cn)，是通过云量小于8%的2000、2010年landsat 4-5 TM以及2018年landsat 8 OLI三期遥感影像，经ERDAS IMAGINE9.3中图像增强、辐射定标、大气矫正、裁剪等步骤，利用最大似然法对假彩色影像进行监督分类后得到。利用Google earth的高分辨率影像对分类结果进行修正处理，并随机选取500个样本点对修正后分类结果进行精度验证，总体精度均大于92%，能够为这次研究提供数据支持。社会经济数据来自各地级市《统计年鉴》中各区县部分，其自然环境数据来自于各区县《统计年鉴》。

1.2.2 研究方法 ①“三生”空间功能划分。在当前的国土空间格局演化研究中，简单的将“三生”空间划分为生产空间、生活空间以及生态空间难以更深入的揭示具有多功能土地要素用地的演变过程。基于此，本文参考已有研究[29]成果的基础上，深入剖析土地“三生”主体功能要素下的次一级功能，在已有“三生”空间的基础上，将生产空间划分为生产空间以及生产生态空间，生活空间划分为生活空间以及生活生产空间，生态空间划分为生态空间以及生态生产空间(表1)，其成都平原“三生”空间分布如图2所示。

表1 “三生”空间分类体系

②空间转移矩阵。本研究引入土地利用变化转移矩阵来分析国土空间类型相互转换情况，进而分析国土空间变化的内在过程和趋势[30]。表达形式如下：

(1)

式中：Sij表示初期的第i种国土空间类型转变为末期的第j种国土空间的面积；i、j分别为研究初期与末期的国土空间类型；n为国土空间类型的数目。转移矩阵中，行表示初期的第i种国土空间类型，列表示末期的第j种国土空间类型。③反应了综合国土空间类型在一定时段内数量的变化，其公式为：

(2)

式中：LC为综合土地利用动态度；T为研究时间长度；LUi为初期土地类型的面积；△LUi-j为土地利用类型转化面积的绝对值。④空间格局演化分析方法。信息图谱法能够直观的表现国土空间类型在空间上的变化情况。本文将相邻两期国土空间数据叠加，通过判断2000—2018年内土地利用类型是否发生变化可分为4大变化模式(表2)，该方法对于揭示不同国土空间类型演变规律以及预测未来国土空间演化趋势具有一定的指导意义。

由于点格局分析方法，如标准差椭圆、土地利用重心迁移模型等，能较好地鉴别空间格局各种状态，近年来被广泛运用于各类用地类型扩张的研究中[5]。方向分布(标准差椭圆)是根据已有要素从而建立一个新的椭圆面要素类，通过探究椭圆要素的长轴、短轴以及面积等特征，从而分析国土空间的时空异变特征。⑤地理探测器。地理探测器主要由风险探测器、因子探测器、生态探测器以及交互式探测器组成，是探测空间分异性，以及揭示其背后驱动力的一组统计学方法[31]，因此被广泛应用于社会经济因素和自然环境因素的影响机理研究。

出口方面已经临近尾期，截至上周，国内港口二铵存量在42万吨左右。虽然印度和巴基斯坦仍有新单出现，但是近期的出口价格一再下滑，企业的心态也有点稳不住了，目前出货量较少。据海关统计，1-8月份中国磷酸二铵出口总量为401万吨，和去年同期的397万吨相比基本持平。

因子探测器。因子探测可以识别个空间驱动因素对国土空间动态变化的解释力大小，其模型如下：

(3)

表2 信息图谱演化模式

表3 交互式探测表达式及解释

交互式探测器。交互式探测可用来识别不同空间驱动因素之间的相互作用，探测X1X2共同作用时对因变量Y的解释力是增强还是减弱。探测器的5种表示见表3。

2 结果与分析

2.1 数量结构演化分析

2.1.1 国土空间结构变化 2000—2018年成都平原国土空间结构变化较为明显(图3)，生态空间以及生产生态空间面积呈现减少的趋势，其中生产生态空间面积减少最多，减少面积174 108 hm2，占研究区比例从48.00%下降至45.73%；其次为生态空间，面积减少39 195 hm2，占研究区比例从44.51%下降至44.01%。在2000—2018年期间，生态生产空间、生产空间、生活生产空间以及生活空间面积呈增加趋势，其中生活生产空间面积增加最多，增加面积73 806.3 hm2，其面积占研究区总面积的比例从0.75%增加至1.71%；生活空间面积增加最少，增加面积23 924.9 hm2，所占比例从1.74%增加至2.05%。由此可见，区内具有生态作用的用地类型面积下降较为明显，而与人类活动相关度较高的用地类型面积均有所增加。

分阶段来看，生态空间和生产生态空间在2000—2010年与2010—2018年两个时段，面积都呈现出减少的状态，2000—2010年生态空间面积减少38 490 hm2，在2010—2018年减少705 hm2。生态生产空间、生产空间、生活生产空间以及生活空间在2000—2010年与2010—2018年两个时段面积都呈现出增加的状态，其中生态生产空间、生活生产空间和生活空间在2000—2010年增加的面积高于2010—2018年所增加的面积，而生产空间2010—2018年增加面积高于2000—2010年，表明随着工业现代化化的推进，成都平原生产空间结构调整加快。

通过两时段对比，发现2000—2010年成都平原国土空间类型的变化量整体高于2010—2018年，这是由于2000—2010年城市化速度以及城市扩张速度高于2010—2018年，且“生态环境保护”、“城市开发边界的划定”等相关政策亦会影响成都平原国土空间用地的变化强度。

表4 成都平原2000—2018年国土空间格局面积转移矩阵

2.1.2 国土空间数量转移变化 依据2000—2018年三期国土空间矢量数据，经过GIS10.2中数据融合与叠置分析法，利用Excel中数据透视表得到。2000—2018年生态空间向生产生态空间转移面积最大(表3)，转移面积为2410.03 hm2，其次为生态生产空间向生态空间的转移，转移面积为2310.74 hm2，以耕地为主的生产生态空间向人为主导的生产空间、生活生产空间以及生活空间转移面积较多，分别转移661.41、634.48和735.72 hm2。生活空间向生产生态空间转移面积为369.65 hm2；生态生产空间向生产生态空间转移面积为171.51 hm2，可以看出生产生态空间的增加大多由生态生产空间转移得到，然而受区域经济发展、城市化进程的影响生产生态空间向生产空间、生活生产空间以及生活空间转移面积远高于其他空间类型向生产生态空间转移面积。

2.2 空间格局演化特征

2.2.1 国土空间格局地学信息图谱演化 本文引用地学信息图普法以揭示国土空间用地类型在空间上的变化特征(图5)。可以看出，2000—2018年研究区国土空间变化类型以稳定型为主，其面积占研究区总面积的比值为91.09%，其次为前期变化型，面积占比为5.49%，主要分布于成都市中心城区、绵阳市以及雅安市市；后期变化型占研究区总面积的比值为3.04%，主要分布于成都市中心城区外围的部分区域，例如龙泉驿区、双流区和郫都区等，该区域是2010—2018年经济发展和城市建设的重点区域；变化型占比最少，仅为0.38%，大多分布于德阳市、绵阳市以及成都市等区域，大多呈现出以生态为主的生态空间过渡为以农业为主的生产生态空间最后过渡为以生活为主的生活生产空间。

从整体来看前期变化型面积高于后期变化型，说明研究区国土空间类型的变化主要集中于2000—2010年，而在2010—2018年相对稳定。十八大以来，成都平原各市受“三区三线”划定等政策的影响，区域国土空间类型变化强度呈下降趋势，在未来因继续减少国土空间用地类型的变化，以保证生态安全，从而实现可持续发展。

2.2.2 国土空间格局标准差椭圆 采用这标准差椭圆以及重心迁移模型2种方法，对研究区3个时点上国土空间格局空间演化规律进行分析(表5)。可以看出，研究区生产空间标准差椭圆面积以及扁率增加，长轴长度减小，表明2000—2018年生产空间向研究区中部，即成都市聚集；生产空间重心向东北偏移，且偏移距离较大，可知，成都平原生产空间向绵阳市、遂宁市等区位较好的地区迁移。生产生态空间标准差椭圆面积下降较快且转角增加，其重心向西北部迁移，可以看出，在城镇化、工业化的推动下以耕地为主的生产生态空间格局向研究区西部调整。2000—2018年研究区生活空间以及生活生产空间标准差椭圆面积、长轴长度以及短轴长度均呈现增加趋势，扁率下降，表明研究区生活空间以及生活生产空间扩张较快，且以东北-西南方向为主；生活空间及生活生产空间转角减小，重心向东北迁移，可以看出研究区生活空间以及生活生产空间格局整体具有向东北部调整态势，主要是由于研究区东北部具有良好的区位条件。研究区生态空间以及生态生产空间标准差椭圆面积均呈增加态势，且扁率下降，是由于研究区中部生态空间以及生态生产空间斑块数量下降造成此两类空间向北部以及南部集中；生态空间重心向西北部迁移，而生态生产空间重心向西南部迁移，可以看出受研究区东部生态空间以及生态生产空间斑块数量减小的影响，生态空间以及生态生产空间格局向北部转移，而受自然环境的影响，生态空间以及生态生产空间格局的演化具有差异性。

表5 成都平原国土空间格局变化情况

2.3 成都平原国土空间变化影响因素

参考相关文献[32-33]，选取5种社会经济因子以及3种自然因子，利用地理探测器测算成都平原国土空间变化的的驱动力(表6)。发现年人均供水量的影响力大小未通过小于0.05的P值检验，说明成都平原国土空间变化与该因素无关，可知研究区水资源量较为充足，供水量的变化并未对该地区国土空间变化造成影响。社会经济因子是成都平原国土空间变化的主导因子，其人口密度、第三产业比重以及人均可支配收入的q值较高，分别为0.7816、0.6719以及0.6451；自然因子q值较低，其高程、年均气温以及年降雨量对于研究区动态度的影响值分别为0.4401、0.099和0.077。综上可知，由于研究区属于平原地区，地理环境的特殊性使该区域国土空间格局变化的主要驱动力为社会经济因子，其自然环境的变化对研究区国土空间变化影响较低。

交互式探测可以识别不同驱动因子之间共同作用是否增加或减弱对分析变量的解释力。研究发现，所选取的任何两种驱动因子对国土空间变化的交互作用均大于一个驱动因子单独作用(表7)，满足P(X1∩X2) >P(X1) +P(X2)表达式，说明各驱动因子间的交互作用呈非线性加强。对国土空间变化的影响而言，人口密度与路网密度的交互式作用影响最强，为0.8646，与第三产业比重次之。高程、年均气温和年降雨量与人口密度、第三产业比重以及人均可支配收入发生交互作用时对国土空间变化的空间分异的影响显著增强，在一定程度上表明经济活动对研究区国土空间用地类型变化的空间分异起到重要作用。

3 讨 论

研究发现2000—2010年期间成都平原国土空间类型的变化量整体高于2010—2018年，是由于2000—2010年城市化速度以及经济发展速度高于2010—2018年，其中十八大提出的“三区三线”的划定标志着我国国土空间格局由粗放式向集约式转变。国土空间用地类型中生活生产空间面积增加最多，生态生产空间面积减小最多，表明在研究期间内城市建成区的用地扩张以及耕地减少是2000—2018年国土空间格局变化的最显著特征，落实耕地红线原则，保证国家粮食安全，同时城市“摊大饼”式扩张因向土地集约节约利用发展转变。研究区中心地区成都市作为经济发展最快的区域，往往是土地利用动态度以及信息图谱变化最为明显的地区，更因防止生态用地的减少以保证国土空间各类用地的协调从而改善局部环境。通过标准差椭圆及重心迁移模型发现研究区生产生态空间、生活生产空间具有向东北方向延伸的趋势，这是由于该地区具有良好的区位优势，是未来区域经济发展的重点方向。通过地理探测器发现研究区国土空间格局变化的主要驱动力为社会因子，自然因子影响较小，与之前学者的结论有所差异，主要是因为研究区位于平原地区，其特殊的地理条件造成驱动因子的不同。本研究选择了成都平原作为本次研究的研究区，其地形条件具有单一性，在以后的研究中可选择山地、丘陵地区以及具有多地形特征的流域作为研究对象，以更深入揭示多地形条件下的国土空间格局的演化规律。

表6 地理探测器的因子探测

表7 地理探测器的交互式探测

4 结 论

(1) 在2000—2018年期间，成都平原生态空间以及生产生态空间面积呈现减少的趋势，其中生产生态空间面积减少174 108 hm2，生态生产空间、生产空间、生活生产空间以及生活空间面积呈增加趋势，其中生活生产空间面积增加73 806.3 hm2；分阶段来看，2000—2010年生态空间面积减少38 490 hm2，在2010—2018年减少705 hm2。通过两个时段进行对比，发现2000—2010年期间成都平原“三生”空间的变化量整体高于2010—2018年。

(2)2000—2018年期间生态空间向生产生态空间转移面积最大，转移面积为2410.03 hm2，其次为生态生产空间向生态空间的转移，转移面积为2310.74 hm2；生活空间向生产生态空间转移面积为369.65 hm2，生态生产空间向生产生态空间转移面积为171.51 hm2，可以看出生产生态空间面积增加主要由生态生产空间转移得到。

(3)2000—2018年研究区国土空间变化类型主要为稳定型，其面积占研究区总面积的比值为91.09%；前期变化型面积占比为5.49%，主要分布于成都市中心城区、绵阳市以及雅安市市；后期变化型占研究区总面积的比值为3.04%，主要分布于成都市中心城区外围的部分区域，例如龙泉驿区、双流区和郫都区等；变化型占比最少，仅为0.38%，大多分布于德阳市、绵阳市以及成都市等区域，大多呈现出以生态为主的生态空间过渡为以农业为主的生产生态空间最后过渡为以生活为主的生活生产空间。

(4)2000—2018年研究区生产空间标准差椭圆面积以及扁率增加，长轴长度减小，生产空间重心向东北地区(绵阳市、遂宁市)偏移，且偏移距离较大；生产生态空间标准差椭圆面积下降较快且转角增加，其重心向西北部迁移。研究区生活空间以及生活生产空间标准差椭圆面积、长轴长度以及短轴长度均呈现增加趋势，扁率下降，转角减小，且重心向东北迁移，整体格局向东北部调整。研究区生态空间以及生态生产空间标准差椭圆面积均呈增加态势，且扁率下降，而在重心迁移上具有一定差异性。

(5)社会经济因子是成都平原国土空间变化的主导因子，其人口密度、第三产业比重以及人均可支配收入的q值较高，自然因子q值较低。任何两种驱动因子对国土空间变化的交互作用均大于一个驱动因子单独作用；对国土空间变化的影响而言，人口密度与路网密度的交互式作用影响最强，为0.8646，与第三产业比重次之。