“三生”空间视角下南京市土地利用转型及其对生境质量的影响

康 琴，潘文仁，李 禕

（河海大学 公共管理学院，江苏 南京 210000）

0 引言

土地利用在社会经济发展中具有基础性、支撑性和支配性的作用［1］，土地利用转型指土地利用的主导功能发生了变化，通常表现为土地利用的“生产、生活、生态空间”发生转移。改革开放以来，我国社会生产力的迅速发展推动了城镇化进程。随着城市化和工业化的不断推进，区域社会—经济—生态结构也随之发生变化［2］，城镇用地的急剧增加使得生态空间和农业空间受到严重挤占，从而产生了人地关系紧张、国土空间开发无序与土地利用格局不协调等一系列问题［3］。党的十八大报告提出，要大力推进生态文明建设，通过优化国土空间开发格局控制开发强度，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”，这一举措标志着我国国土空间开发格局由生产空间为主导转向生产、生活、生态空间相协调的“三生”空间模式［4］，使得三生空间成为国土空间规划的新方向。传统的“重生产建设，轻生态环境”“先开发后保护”等发展理念以牺牲生态环境质量换取经济增长，导致生态环境功能退化、人居环境恶化问题突出。因此，对土地利用转型的研究成为深入了解人地关系，揭示社会经济发展及其生态环境效益的关键切入点［5］。

近年来，国内学者对于土地利用转型作了大量研究，在研究范围上主要集中于省域［6-8］、城市群［9-11］、黄河流域［12-13］、长江经济带［14］、生态敏感脆弱区［15-16］等；研究内容主要包括土地利用转型的科学解释［17］，土地利用转型的时空演变特征及影响因素［18-19］，土地利用转型与景观格局变化［20-21］、社会经济发展［22］、乡村振兴［23-24］，城乡融合［25］、生态价值［26］、生态环境效益［8-9,13-15］等；研究方法有土地利用转移矩阵［4］、贝叶斯网络模型［6］、景观格局指数［7］、时空格局测定方法与灰色关联度分析法［18］、耦合协调模型［22］等。关于土地利用转型的研究已较为丰富，但关注点多集中于土地二级分类体系下的土地功能转变，关注区域多为生态较为丰富的流域地区或者生态脆弱敏感区，而以“三生”空间视角对生态资源较为缺乏但经济发达城市的土地资源要素再分配及其生态环境效益研究相对较少。

南京作为江苏省省会，属副省级城市，是东部沿海经济带与长江经济带战略交汇的重要节点城市，是南京都市圈的核心城市。随着长三角地区经济一体化进程的加快，南京区域中心城市的地位日益凸显，区域人口规模和城镇化率不断提高，建设用地的刚性需求只增不减，土地供需矛盾日益加剧。《南京市生态文明建设规划2018—2020（修编）》显示，当前南京市的城市建设高速推进、经济快速发展、资源约束趋紧以及生态环境质量等问题尚未根本好转［28］。2021年10月，《南京市“十四五”国土空间和自然资源保护利用规划》（以下简称《规划》）正式发布，《规划》指出“到2025年，确保林木覆盖率超过31%；新增国土整治与生态修复面积0.6万hm2；要着力推进城市功能空间与生态田园空间有机融合，打造中部田园都市。”鉴于此，本文以南京市为研究对象，基于“三生”空间的分类体系，以2000—2020年土地利用数据为基础，采用GIS方法与InVEST模型定量研究南京市土地利用转型与生境质量的时空特征，并通过计算土地利用转型生境贡献率，探究土地利用转型对生境质量的影响，以期为南京市及同类型特大城市的国土空间规划和生态环境保护提供决策支持和参考依据。

1 研究区概况与数据来源

1.1 研究区概况

南京地处长江下游中部，地理坐标为31°14′～32°37′N，118°22′～119°14′E之间，全市下辖11个区，辖区面积6587.02 km2，区位示意图如图1所示。南京属北亚热带湿润气候，年平均降雨量1106.5 mm，水域面积达11%以上，长江穿城，沿江岸线总长近200 km。全市林木覆盖率为31.30%，建成区绿化覆盖率为45.16%，位居中国前三甲，是中国四大园林城市之一。统计数据显示，截至2021年，南京市常住人口942.34万人，全市地区生产总值高达16355.32亿元，城镇化率由2005年的76.24%上升至2021年的86.90%，远高于全国平均水平（60.60%）。三次产业结构比例为1.8∶36.1∶62.1，居民人均可支配收入66140元。

图1 南京市行政区划图

1.2 数据来源与处理

本文选取2000、2005、2010、2015、2020年5期分辨率为30 m的南京市土地利用数据进行分析研究。数据来源于中科院资源环境科学与数据中心数据平台(http://www.resdc.cn)。该数据集一级分类为6类，包括耕地、林地、草地、水域、建设用地和未利用地；二级分类包括25类。本文按照自然资源部土地利用调查行业标准并参考孙善良［4］、汪荣基［29］等的分类标准，将源数据土地利用类型进行整合并利用ArcGIS 10.7软件重新分类，依据各地类的主导功能，形成新的南京市“三生”空间土地利用分类系统（表1）。

表1 南京市“三生”空间土地利用主导功能分类

2 研究方法

2.1 土地利用转移矩阵

土地利用转移矩阵是根据同一地区不同时期土地覆盖现状的变化关系而求得的一个二维矩阵，描述了同一地区不同地类的相互转换情况以及发生变化的位置和面积，表达公式为：

式(1)中，S表示某一地类的面积，i、j分别表示研究初期和末期的土地利用类型，n表示总的土地利用类型数。Sij表示第i类土地转换为第j类土地的面积。借助ArcGIS 10.7软件将2000、2005、2010、2015、2020年土地利用数据中的任意2期数据进行叠加运算，再通过Excel软件建立数据透视表，可以得到土地利用类型转移矩阵，从而揭示土地利用类型变化的方向和数量特征。

2.2 生态环境质量指数

本文借助InVSET模型中生境质量模块（Habitat Quality）来计算生境质量指标，以此评估南京市生态环境质量。在该模块中，生境质量指数是区域土地利用类型生境适宜性和生境退化程度的一个无量纲函数指标。生境质量的计算公式为：

式（2）中，Qxi为土地利用类型j中栅格x的生境质量，取值范围为0～1，Qxi值越大表示生境质量越好，生物多样性越高；Hj为土地利用类型j的生境适宜度；K为半饱和参数；z为模型默认参数；Dxj为栅格x的生境胁迫水平，计算公式为：

式（3）中，R为胁迫因子；y为威胁因子r中栅格图层的栅格数量；YR为威胁因子所占栅格数；Wr为归一化的威胁因子权重；ry为栅格y的胁迫值；irxy为威胁因子栅格与生境栅格x之间的距离；βy为生境x受保护程度；Sjr为生境类型j对威胁因子r的敏感性［30］。

根据南京市实际情况，并结合参考文献［31］，选取了农业生产用地、工矿及其他生产用地、城镇生活用地和农村生活用地作为威胁因子，设定的最大影响距离、权重、衰减类型等如表2所示；不同土地利用类型的生境适宜性及威胁因子敏感度情况如表3所示。

表2 威胁因子及相关参数

表3 生境适宜性及威胁因子敏感度

2.3 土地利用转型生境贡献率

本文以土地利用转型的生境贡献率来表征土地利用类型转变造成的生境质量变化效应，分为生态环境质量提升效应和生态环境退化效应。生境贡献率参考生态贡献率的计算方法，公式为：

式（4）中，EI表示某一土地利用变化类型的生境贡献率，E1、E0分别表示某种土地利用类型变化前后的生境质量指数，LA表示某种土地利用类型变化的面积，A为土地利用转型的总面积。

3 结果与分析

3.1 南京市“三生”空间土地利用的时空特征

3.1.1 土地利用空间格局变化 经过ArcGIS软件处理后的南京市2000—2020年“三生”空间二级地类分布格局如图2所示。从图2可以看出，南京市“三生”空间用地以生产空间为主，呈环状分布于南京市外围；从二级用地分类来看，南京市土地利用以农业生产用地为主，工矿及其他生产用地分布零散且占比较少。生活空间主要分布在南京市中部，以城镇生活用地为主，形成了南京市的主城区位置，包括鼓楼区、建邺区、秦淮区、栖霞区、玄武区以及浦口区东北部、六合区西南部、江宁区中北部、溧水区中心和高淳区中北部；2000—2020年，城镇空间用地明显增加，呈现出从中心往外围大幅扩张的趋势，主要侵占地类为农业生产用地。生态空间也较为集中，水域生态用地呈“一带两片”分布，“一带”分布在长江及其沿岸地区；“两片”分布在“石臼湖”和“固城湖”区域，并且“两片”水域生态面积明显增加；此外还有少部分林草生态用地分布在浦口区国家森林公园区域和江宁区东北区域。

图2 南京市“三生”空间二级地类分布格局图

3.1.2 土地利用数量变化 表4和表5分别统计了南京市“三生”空间一级和二级分类下的土地利用数量变化情况。2000年，南京市生产空间面积占全市总面积的63.59%（其中农业生产用地占62.93%，工矿及其他生产用地占00.66%）；生活空间面积占全市总面积的15.32%（其中城镇生活用地占5.30%，农村生活用地占10.02%）；生态空间面积占全市总面积的21.09%（其中林草生态用地占11.55%，水域生态用地占9.48%，其他生态用地占0.06%）。2000—2020年，南京市生产空间面积呈现出不断减少的变化趋势，并且以农业生产用地面积的减少为主，由2000年的4145.7253 km2减少到2020年的3340.8366 km2，降幅高达19.41%，这与城镇生活用地的大幅扩张进而侵占了农业生产用地的现状相吻合。从变化幅度来看，2005—2010年期间，农业生产用地面积降幅最大，达到11.02%，减 少面积 为435.5400 km2，2010年 以后降幅得到一定控制。生活空间面积由2000年的1009.2555 km2增加到2020年的1630.1114 km2，除2005—2010年期间农村生活用地面积出现减少的情况外，其他时间段的城镇生活用地与农村生活用地面积均出现了不同程度的增加，增幅在2010年以后有所降低。生态空间面积由2000年的1389.5060 km2增 加 至2020年 的1497.6985 km2，主要表现为水域生态用地面积的增加，而林草生态用地面积却呈现持续减少的变化趋势，降幅为4.89%。

表4 南京市“三生”空间一级地类用地面积及其变化 km²

表5 南京市“三生”空间二级地类用地面积及其变化 km2

综上所述，2000—2020年间，南京市“三生”空间土地利用呈现出“生产空间持续缩减、生活空间持续扩张、生态空间波动式上升”的变化特征。南京作为我国特大城市之一，战略地位举足轻重。为了满足经济建设发展需求、推进人口增长、加速调整产业和经济结构等用地要求，必然会导致土地被过度开发、大量农业用地被占用等问题。2010—2020年，南京市“生产、生活、生态空间”用地变化幅度较往年有所降低，说明近10年来南京市更加重视国土空间的优化布局，进而加快改善城市的生态空间结构。

3.2 南京市“三生”空间土地利用转型分析

为了更加直观地分析南京市“三生”空间土地利用变化特征，为南京市生境质量变化提供依据，利用GIS空间叠加分析功能，以“三生”空间二级用地主导分类构建了2000—2020年每5年间的南京市土地利用转移矩阵（表6）。通过对南京市土地利用转移矩进行分析，得出以下结论：

表6 2000—2020年南京市“三生”空间土地利用转移矩阵

（1）2000—2005年南京市“三生”空间土地利用转型总体强度不大，主要是农业生产用地的转出与城镇生活用地的转入。具体来看：农业生产用地转出面积为198.5873 km2，主要转出类型为城镇生活用地、农村生活用地和水域生态用地，转出类型占比分别为44.65%、5.42%和48.32%，这可能是由于一方面城镇化进程的加快使得大量耕地被开发为城镇建设用地，另一方面退耕还林还湖等政策的实施取得了一定的成效。除农业生产用地以外，转为城镇生活用地的地类还包括林草生态用地和水域生态用地，转入面积分别为2.8442和2.9856 km2，占转入地类总比重的3.00%和3.15%，由此可见，城镇化建设中主要是以占用农业生产用地的方式进行建设用地的扩张。

（2）2005—2010年，随着城镇化的加速推进，南京市“三生”空间土地利用转型强度较上一周期发生了较大的增长。农业生产用地转出面积达到507.1074 km2，同比增长率为155.36%；按转出面积由多到少排序为城镇生活用地＞农村生活用地＞水域生态用地＞工矿及其他生产用地＞林草生态用地＞其他生态用地；农业生产用地转入面积为71.5624 km2，主要源于城镇生活用地、农村生活用地、林草生态用地和水域生态用地。变化面积较大的地类转型还包括农村生活用地转出为农业生产用地和城镇生活用地，面积分别为44.5896和103.5848 km2；林草生态用地转出为城镇生活用地，面积为24.9703 km2。通过查阅南京市统计发展公报发现，2005—2010年间，南京市经济发展处于强势增长态势，地区生产总值由2000亿元增长至5000亿元，在此期间，城镇建设用地具有明显的粗放式扩张的特征，并且多以侵占耕地为主。

（3）2010—2015年，南京市城市内部结构趋于稳定，“三生”空间土地利用转型强度经历了强势增长后逐渐变得缓慢，各类用地转出量与转入量差距缩小。农业生产用地转出和转入量分别为59.2557和39.3706 km2；城镇生活用地转入面积为27.4954 km2，转出面积为6.9738 km2；农村生活用地转入面积与转出面积趋于平衡，分别为23.2292和17.7588 km2；所有生态用地转出面积为22.7410 km2，转入面积为13.1328 km2。在此阶段，南京市城镇扩张速度放缓，扩张模式也由上一阶段的粗放式扩张转变为更集约型的扩张；农业生产用地和生态用地被大量侵占的现象出现好转。

（4）2015—2020年，南京市“三生”空间土地利用变化较上一阶段明显，出现了再一次“土地利用转型升温”的情况。主要表现为：农业生产用地转出为城镇生活用地、农村生活用地、林草生态用地、水域生态用地，转出面积较上一阶段分别增加了33.2312、66.4894、6.1010和12.0248 km2，增长率分别为37.45%、 211.43%、162.28%和246.65%；农村生活用地转为农业生产用地，面积为31.3239 km2，增长率为109.73%；林草生态用地转为农业生产用地，面积为9.8579 km2；水域生态用地转为农业生产用地和林草生态用地，面积分别为14.3838和5.7894 km2。

综上所述，2000—2020年南京市“三生”空间土地利用转型程度呈现“较低—强势—放缓—增强”的变化特征；主要转型类型为农业生产用地、林草生态用地和水域生态用地转为城镇生活用地、农村生活用地、林草生态用地和水域生态用地；农村生活用地、林草生态用地和水域生态用地转为农业生产用地。

3.3 南京市生境质量时空变化

通过ArcGIS软件，按照相等间距方法将南京市生境质量重新划分为低等质量（生境质量为0～0.2）、较低等质量（生境质量为0.2～0.4）、中等质量（生境质量为0.4～0.6）、较高等质量（生境质量为0.6～0.8）和高等质量（生境质量为0.8～1.0），并计算每一等级生境质量的面积占比。

从数量变化来看(图3)，南京市整体生境质量出现了明显退化。2000—2020年，高等生境质量面积占比经历了先小幅增加后逐年降低的变化过程，由4.13%减为3.20%；中等质量面积占比持续下降，由53.33%减少为27.72%，变化强度最大；低等质量面积占比由24.03%增长至44.97%，增加了20.94%。南京市生境质量退化的原因主要是由于低等质量面积的逐年增加和中等质量面积的持续减少。2000和2005年，生境质量等级面积最大的是中等质量，而从2010年开始，低等质量面积持续增加，最终成为面积占比最大的生境质量等级。

图3 南京市2000—2020年生境质量各等级面积占比

从格局变化来看（图4），南京市生境质量时空分异明显，总体形成了“低等生境质量区占据较低等生境质量区、较低等生境质量区占据中等生境质量区”的生境质量转型模式。2000年生境质量低等的区域主要分布于主城区，包括栖霞区、鼓楼区、建邺区、秦淮区。随着经济的快速发展，南京市生境质量低等地区以这些区域为中心，呈圈层模式向外围逐步扩张，渐渐蔓延至浦口区、雨花台区、江宁区。这些区域是南京市经济、人口、产业高度集聚的地区，城镇化程度高，生态资源相对较少，形成了南京市生境质量退化的高度集中区。较低等生境质量地区的扩张模式与低等生境质量区的类似，并环绕分布在低等生境质量区外围。南京市较高等和高等生境质量地区主要分布于长江沿岸、国家森林公园、石臼湖和固城湖等生态用地区域，这些地区远离市中心，受人类活动的影响相对较小，林草和水域分布范围广，具有较强的生态资源禀赋优势，但随着中、低等生境质量范围的扩大，部分高等质量生境地区也被占用。

图4 南京市2000—2020年生境质量等级分布图

3.4 “三生”空间土地利用转型的生境贡献率

土地利用转型过程中,土地利用变化带来生境质量不同面积、不同程度的退化和提升，使得整体生境质量发生改变。由表7可知，2000—2020年南京市“三生”空间二级土地利用转型对生境质量的贡献率及贡献率占比。南京市生境质量退化主要源于农业生产用地转为城镇生活用地和农村生活用地，2000—2005年生境贡献率占比高达90.64%；此外还包括林草生态用地和水域生态用地向城镇生活用地的转变。生境质量的提升得益于农村生活用地向农业生产用地和水域生态用地的转变，在2000—2005年期间的贡献率占比分别为34.39%和53.99%。对生境质量具有正面提升作用的土地利用转型类型中，农村生活用地转为农业生产用地的贡献率占比逐年升高；对生境质量具有负面影响效应的土地利用转型类型中，农业生产用地转为城镇生活用地的贡献率占比逐年降低，而农业生产用地转为工矿及其他生产用地和农村生活用地的贡献率占比持续上升。可见，农业生产用地与城镇生活用地和农村生活用地的相互转化是南京市生境质量发生变化的主要原因。

表7 2000—2020年南京市土地利用转型贡献率及贡献率占比

4 结论

本文以南京市为研究对象，基于“三生”空间的分类体系，以2000—2020年土地利用数据为基础，采用GIS空间分析方法与InVEST模型定量研究了南京市土地利用转型与生境质量的时空变化特征，并通过计算土地利用转型生境贡献率探究土地利用转型对生境质量的影响，主要得出以下结论：

（1）南京市“三生”空间用地以生产空间为主，呈环状分布于南京市外围；其次为生活空间，主要分布在南京市中部，形成了南京市的主城区位置；占比最少的是生态空间，水域生态用地呈“一带两片”分布。2000—2020年，南京市“三生”空间格局变化明显，表现为城镇生活用地从中心往外围大幅扩张，并侵占了大量的农业生产用地；数量变化表现为生产空间持续缩减，生活空间持续扩张，生态空间波动式上升的特征。

（2）2000—2020年南京市“三生”空间土地利用转型程度呈现“较低—强势—放缓—增强”的变化特征；主要转型类型为农业生产用地、林草生态用地和水域生态用地转为城镇生活用地和农村生活用地、林草生态用地和水域生态用地；农村生活用地、林草生态用地和水域生态用地转为农业生产用地。

（3）南京市低等生境质量区域主要分布于主城区；较低等生境质量地区环绕主城区分布；中等生境质量地区分布于南京市的外围地区；高等和较高等生境质量地区主要分布于长江沿岸、国家森林公园、石臼湖和固城湖等生态用地区域。2000—2020年，南京市整体生境质量出现了明显退化的趋势，主要是由于低等生境质量面积的逐年增加和中等生境质量面积的持续减少。

（4）南京市生境质量发生变化的主要原因是农业生产用地与城镇生活用地、农村生活用地的相互转化。其中，生境质量退化主要源于农业生产用地转为城镇生活用地和农村生活用地，且2000—2005年生境贡献率占比高达90.64%，此外，还包括少数林草生态和水域生态用地向城镇生活用地的转变；生境质量的提升得益于农村生活用地向农业生产用地和水域生态用地的转变。

土地利用变化是生态系统结构和功能变化的根本原因，生境质量揭示了土地利用过程中结构和功能转型变化所带来的生态环境影响［32］。在生态文明建设的大背景下，面对南京市生境质量退化的现状，应该统筹优化配置南京市“三生”空间，优化各项产业的用地布局，持续深化经济产业结构的调整和转型；努力做好生物多样性保护工作，提高本地生态环境自身的承载能力，实现绿色可持续发展。对于生境质量较低的地区，应该重点加强生态保护和修复，制定有针对性的政策和法规，严禁生产建设活动随意侵占农业生产用地及各类生态用地。