郑州市“三生空间”用地转型及其生态效应

尹泽凯，谭立峰，贾 琦

（1.北京建筑大学 建筑与城市规划学院，北京 100044； 2.天津大学 建筑学院，天津 300072；3.郑州轻工业大学 环境设计系，河南 郑州 450002）

土地利用转型指在社会经济发展驱动下，特定时期与国民经济和社会发展阶段相对应的土地利用类型发生转移的过程，通常具有转型结构和功能分布等层面的变化特征［1］。 相关领域的学者结合我国社会经济特征开展了大量关于土地利用转型的研究，主要涉及土地利用转型的分类体系理论探讨［2］、监测与预测技术［3］、土地利用转型与社会经济的耦合关系［4］、生态环境效应［5-6］、生态风险预警［7］以及土地集约利用与优化［8-9］等。 在土地利用中，不同类型用地有多种使用功能，但总存在其主导用地功能，土地利用转型主要表现为其主导功能发生转移，通常表现为土地利用功能中的生产、生活和生态空间用地之间发生转移，进而使得区域土地利用类型在上述“三生功能”中进行数量与空间分布等方面的资源再分配［10-11］。 基于“三生空间”视角的土地利用分类体系，将区域生态文明建设和国土空间规划等社会经济发展政策紧密结合起来，进而促使区域实现高质量发展。 党的十八大报告明确提出，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。 2019年《中共中央国务院关于建立国土空间规划体系并监督实施的若干意见》中指出，科学布局生产空间、生活空间、生态空间。 基于“三生空间”用地转型展开相关研究，可有效与区域转型发展保持衔接，同时是新时期国土空间规划背景下开展土地利用研究的新途径。

“三生空间”用地转型作为人类社会经济发展过程中最基础的实践活动，在很大程度上影响着区域的生态环境质量。 随着社会经济发展，土地利用性质发生转变，城市土地集约利用效率低下、“三生空间”失调等问题聚集，进而引发区域生态系统失衡。 城市尤其是特大城市作为人类社会经济活动的主要场所，其所提供的生态系统功能更易受到城镇扩张和产业发展等社会经济活动影响。 当前关于土地利用转型及其生态环境效应的研究较多，在分类体系上多参照《土地利用现状分类》（GB／T 21010—2017），针对“三生功能”视角的系统研究相对较少。 秦方［10］在构建“三生空间”分类体系的基础上，采用当量因子法分析了河南省新郑市“三生空间”格局演变对生态系统服务价值的影响；龚亚男等［12］以广东省21 个地级市为研究单元，探究“三生空间”用地转型的时空演变格局与生态环境效应，但其研究并未涉及空间层面的生态效应变化；周晓艳等［13］分析了武汉城市圈“三生空间”演化格局，以及不同功能间的权衡与协同关系，但关于不同功能用地之间的转化机制及产生的影响未做进一步研究。 总体而言，当前的相关研究多集中在时间尺度下区域“三生空间”用地转型特征及其生态系统服务价值评估，缺乏空间尺度下的系统研究。 由于“三生空间”用地转型受自然环境以及人类社会经济发展等因素影响，因此存在空间分布规律，其引起的生态环境效应存在一定的空间分异特征［14］。 诸多研究结果表明，基于格网单元划分方法可以有效揭示区域土地利用和生态环境变化的空间分布规律，能够在空间层面探究用地转型对生态系统产生的局部影响［15-18］。

笔者在上述研究基础上，基于1990—2019年4 期遥感影像解译数据，结合“三生空间”功能分类体系与生态环境质量指数测度方法，分析快速城市化典型城市河南省郑州市“三生空间”用地转型特征及其生态环境效应，采用重心分析方法揭示郑州市“三生空间”用地格局的演化趋势，结合ArcGIS10.5 软件中的热点分析工具分析区域生态环境质量的冷热点分布与空间变化规律并揭示其形成机理，以期为以郑州市为代表的快速城市化地区国土空间优化提供科学依据。

1 研究数据与方法

1.1 研究区概况

郑州市位于河南省中部偏北，为河南省省会、中原城市群核心城市。 全市东西长143 km，南北宽78 km，区域总面积为7565.25 km2，城镇化率为74.6%，2019年GDP 高达11589.7 亿元。 郑州市位于黄河中下游向黄淮平原过渡的交接带，地势上呈西南高、东北低，阶梯状下降特征，属北温带大陆性季风气候区，年平均气温15.6 ℃，年均降水量542.15 mm，属严重缺水地区。 2012年，国务院正式批复《中原经济区规划（2012—2020年）》，确立以郑州大都市区为核心、中原城市群为支撑的发展战略。 2016年批复的《中原城市群发展规划》提出建设现代化郑州大都市区，推进郑州大都市区国际化发展。 郑州市作为中原经济区（城市群）的核心城市，近年来社会经济快速发展。 但高速的经济发展和城镇扩张往往伴随着区域生态系统的破坏，郑州市快速发展的同时势必对当地生态环境造成较大影响。

1.2 数据来源与处理

本研究所使用数据为1990年、2000年、2010年和2019年的Landsat7、Landsat8（分辨率为30 m×30 m）4期影像数据以及2019年Spot5（分辨率为10 m×10 m）影像数据。 经几何校正、数据融合与裁剪等预处理后，基于eCognition 软件对2019年Spot5 影像进行土地利用类型解译。 同时基于ENVI5.0 平台对1990年、2000年和2010年的遥感影像数据进行监督分类，并对比郑州市土地利用变更数据，最终得出1990—2019年各时期土地利用数据。 基于ArcGIS10.5 生成300 个样本点，结合Spot5 影像与谷歌地图验证其精确性，4 期影像的解译精度分别为89.37%、91.65%、90.12%和92.60%，符合研究所需精度要求。

在对郑州市土地利用数据进行解译的基础上，依据土地用途和“三生空间”分类理论体系，根据江曼琦等［19-21］的研究结果，将郑州市土地利用类型划分为生态空间、生产空间、生活空间3 个一级地类及其相应的7 个二级地类。 同时，根据苑韶峰等［22-24］的研究结果，利用面积加权法对“三生空间”用地的生态环境质量进行赋值，并与“三生”土地利用主导功能分类相结合，构建土地利用类型的生态环境质量指数，见表1。

表1 土地利用主导功能分类及其生态环境质量指数

1.3 土地利用类型转移矩阵

特定时段内土地利用类型演化通常用转移矩阵表示，即将研究期初与期末各用地类型的面积变化及转移情况以矩阵的形式表现，从而反映区域用地转型特征［25］。 转移矩阵为

式中：Sij为研究期第i类土地转变为第j类土地的面积，i、j为土地类型编号；n为土地利用类型数量。

基于GIS 软件对不同时期土地利用类型数据进行交叉分析，并结合Excel 中的数据透视表建立土地利用类型转移矩阵。

1.4 “三生空间”重心转移

为更加直观地揭示各用地类型在空间分布层面的转移特征，采用重心分析法计算各时期用地类型重心坐标的转移过程，表达式为［26］

式中：X、Y为用地类型空间分布重心的地理坐标；Wi为第i类用地的面积；Xi、Yi为第i类土地的几何重心地理坐标。

1.5 区域生态环境质量分析

（1）格网单元生态环境质量测度。 笔者结合乔斌等［15］、苑韶峰等［17］的研究结果，选取600 m×600 m 的格网单元对郑州市进行等间距采样，最终生成近2.2万个样区。 综合考虑区域格网单元“三生空间”的生态环境质量及面积比例，采用区域生态环境质量指数（见表1）定量分析格网内生态环境质量的总体状况。具体操作步骤：基于ArcGIS10.5 渔网工具对研究区进行格网划分，通过矢量与栅格的分区统计功能，以矢量图层为边界，统计格网内对应的生态环境质量。

（2）“三生空间”用地转型的生态贡献率。 生态贡献率指特定时期某种用地类型主导功能发生变化进而引发区域生态系统改变的程度，该方法能够较好地量化各用地类型主导功能转移后对区域生态系统影响的强度，有利于揭示促使区域生态环境变化的主要因素。从正负两方面展开分析，分别计算导致生态环境质量恶化和改善的生态贡献率，其表达式为

式中：LE为区域特定土地利用类型在p～q时段内发生转移的生态贡献率；LEp和LEq分别为该土地利用类型在时期p和时期q内的生态环境质量；LA为发生转移的面积；TA为区域面积。

（3）生态环境质量变化热点分析。 热点分析广泛应用于区域社会经济和生态系统评价等，冷点和热点分别表示统计结果的空间分布所呈现出的低值和高值聚集特征［17］。 研究采用热点分析工具测度区域生态环境质量在各时段的冷热点聚集规律。 具体方法：利用ArcGIS10.5 空间统计工具中的热点分析（Getis-Ord Gi*指数）和空间自相关分析分别得到表示概率的P值、标准差倍数的Z得分。 0.01、0.05 和0.1 是典型概率，Z得分对应的置信度90%、95%和99%的值分别为＜-1.65 或＞1.65，＜-1.96 或＞1.96 和＜-2.58 或＞2.58。Z得分为正值且显著，表明生态环境质量增加值高于均值，属热点区；Z得分为负值且显著，表明生态环境质量增加值低于均值，属冷点区。 此外，在空间变化上，通过Getis-Ord Gi*指数得出各时期冷热点空间分布图后，基于ArcGIS10.5 空间分析工具中的栅格计算工具得出Z得分为负值且显著，表明生态环境质量增加值低于均值。

2 结果与分析

2.1 郑州市“三生空间”用地转型特征

郑州市“三生空间”用地结构转型过程中，生产空间用地面积由1990年的4892.02 km2降至2019年的4538.69 km2（减少353.33 km2），生态空间用地面积由1990年的1402.37 km2降至2019年的1215.94 km2（减少186.43 km2），而生活空间用地面积增加，由1990年的1270.86 km2增至2019年的1810.62 km2（增加539.76 km2），增幅高达42.47%。 从“三生空间”的二级地类来看，农业生产用地和乡村生活用地分布最广泛，但相对分散，以中西部平原地区为主；郑州市河流水系相对匮乏，水域生态用地所占比例较小，且集中分布在郑州市北侧的黄河沿线。 总体而言，受近年来快速城市化进程和国家中心城市建设影响，郑州市土地开发利用程度逐年提高，后备土地资源较为缺乏（见图1、表2）。

图1 郑州市“三生空间”用地分布

表2 郑州市“三生空间”用地面积统计 km2

“三生空间”用地转移矩阵（见表3）显示：1990—2019年，“三生空间”用地类型中转移面积最大的是农业生产用地，共有649.43 km2的农业生产用地转变为其他用地类型，其中363.62 km2转变为城镇生活用地，131.51 km2转变为乡村生活用地；用地变化最小的是城镇生活用地，仅有0.88 km2转变为其他用地类型；此外，共有159.54 km2的水域生态用地转变为农业生产用地。 总体来看，郑州市“三生空间”用地转型与政策影响紧密相关。 在快速城市扩张和产业发展过程中，大量生产、生态用地被生活用地侵占，与此同时，政府部门积极推进生态修复与治理工程，大力推进生态文明建设，促使城镇低效生态用地的再开发及生态功能提升，上述相关政策均在“三生空间”用地发展过程中起到消极或积极影响。

表3 1990—2019年郑州市“三生空间”用地转移矩阵 km2

“三生空间”用地重心的分布可以更好地揭示其在特定时期内的演化轨迹，郑州市1990—2019年“三生空间”重心转移情况见图2。

图2 郑州市1990—2019年“三生空间”重心转移情况

郑州市生产用地重心主要位于主城区、新密市和新郑市交界处的马寨镇和侯寨乡一带，1990—2019年总体呈现先向东部转移，再转向南部，并于2010年后持续东移的趋势，研究期内总体向东迁移了3416 m。研究期初郑州市中东部的新郑、中牟等地区产业化进程加速，生产用地不断扩张，促使用地重心向东部地区持续迁移。 生态用地重心则位于荥阳市南部的乔楼镇和崔庙镇一带，研究期内呈现先向西南转移，再向西北转移，随后转向东南的趋势，其重心迁移变化不大，共计迁移了1307 m。 荥阳市紧邻郑州市主城区，受主城区城市扩张和荥阳市产业发展影响，该片区土地利用程度较高，进而促使生态用地重心不断向生态环境质量较好的山区转移。 生活用地重心位于生产用地重心西北侧，研究期内由西向东转移，共计迁移了3106 m。生活用地重心逐渐靠近郑州市主城区与新郑龙湖一带，该片区是郑州市城镇化的主要区域，吸引了众多人口聚集，促使城镇生活空间不断增加，生活用地重心持续向该方向迁移。

2.2 土地功能转型的生态环境效应

（1）生态环境质量时空演变格局。 为进一步探讨郑州市生态环境质量空间分布特征，基于上述生态环境质量测度方法，计算得出研究区格网单元内的生态环境质量指数，见图3，可以看出郑州市生态环境质量在空间分布上整体呈现“西高东低”的格局。 高生态质量区主要位于郑州市西侧的伏羲山、嵩山等山地丘陵区，功能类型主要为林地和牧草生态用地，该片区山区较多，受地形影响，工矿业和城镇等用地类型较少，因此区域生态环境质量总体较高（生态环境质量指数为17500～34800）；而生态环境质量指数处于7500～17500 的片区分布相对广泛，多位于中东部平原地区，以农业生产用地为主；生态环境质量指数较小（7500 以下）的片区以郑州市主城区和各区县中心城区为主，且该类等级（7500 以下）呈现持续向外围蔓延的趋势，与该区域城镇扩张、工业发展的区域范围总体保持一致。

图3 郑州市生态环境质量指数空间分布情况（1990—2019年）

为进一步揭示区域生态环境质量变化格局，采用ArcGIS10.5 空间自相关分析和冷热点分析工具分析其1990年以来的变化特征。 以格网单元的生态环境质量指数为基础（见图3），选取置信度在90%以上的热点和冷点，基于热点统计工具（Getis-Ord Gi*）得到研究区生态环境质量变化冷热点图，见图4。

图4 郑州市生态环境质量变化冷热点

表41990—2019年郑州市生态环境质量变化冷热点面积 km2

1990—2000年，郑州市生态环境质量改善区呈点状分布在郑州市中西部，该时期热点90%置信度面积高达382.68 km2（见表4），为各冷热点置信度变化幅度之最，而热点95%和99%置信度面积合计仅为11.88 km2，表明该时期生态环境质量虽有改善，但改善幅度不大；生态环境质量恶化区在冷点90%及以上置信度面积均在150 km2以上，主要集中在巩义市河洛镇北侧、郑州市惠济区花园口黄河富景生态园区以及郑州市郊区。 2000—2010年，生态环境质量改善区中热点95%和99%置信度面积快速增加（共计新增59.76 km2），热点区域集中在研究区北侧，这与该时期实施的黄河流域水生态环境治理密切相关，相关地块由农田、裸地等改造为湖泊、滩地及池塘等水域生态用地，进而促使其生态功能提升；2000—2010年生态环境质量在主城区外围恶化的基础上，出现向四周蔓延的趋势，这与2000年以后郑州市城市扩张范围基本保持一致，同时新郑龙湖及航空港区恶化范围扩大。2010—2019年，郑州市生态环境质量改善区域主要集中在双鹤湖—园博园，生态环境质量改善面积相对较小（热点95%及以上置信度面积仅为15.48 km2）；恶化较为严重区域面积则高达210.42 km2（冷点95%及以上置信度），冷点变化区域在2010年主城区蔓延基础上呈摊大饼状扩展，其中中牟绿博园区和航空港区一带恶化趋势较为明显。 总体来看，1990—2019年郑州市生态环境质量变化的冷热点空间变化与郑州市相应时期实施的区域发展战略、沿黄生态环境保护工程、生态修复治理工程等紧密相关。

（2）影响生态环境质量的“三生空间”用地因素。区域生态环境质量随时间演化通常会出现恶化和改善两种趋势，并且在一定程度上会相互抵消，从而在整体上维持生态系统相对稳定。 影响郑州市1990—2019年生态环境变化的“三生空间”用地因素见表5，可以看出，农业生产用地向城镇和乡村生活用地转移、水域和林地生态用地向农业生产用地转移是导致郑州市生态环境恶化的主要原因。 农业生产用地转变为水域、牧草、林地等生态用地是区域生态环境质量改善的主要原因，其中农业生产用地转变为水域生态用地的比例相对较高，高达66.04%，上述用地转型在一定程度上改善了区域生态环境质量。 总体而言，郑州市生态系统同时存在着改善和恶化两种趋势，因此如何提高区域土地利用效益，优化“三生空间”用地结构是当前亟待解决的问题。

表5 导致郑州市生态环境变化的“三生”用地贡献

3 结论

基于“三生空间”用地转型背景，采用生态环境质量指数分析了1990—2019年郑州市生态环境效应空间自相关格局及其响应特征。

（1）郑州市“三生空间”用地转型过程中，生产与生态空间用地面积持续减少，生活空间用地面积迅速增加。 1990—2019年“三生空间”用地类型中转移面积最大的是农业生产用地，其中363.62 km2转变为城镇生活用地，131.51 km2转变为乡村生活用地。 郑州市生产用地重心位于马寨镇和侯寨乡，研究期内总体东移了3416 m；生态用地重心位于乔楼镇和崔庙镇，其重心迁移变化不大，共计迁移了1307 m；生活用地重心位于生产用地重心西北侧，逐渐向新郑龙湖镇方向靠近，共计迁移了3106 m。

（2）郑州市生态环境质量整体呈现“西高东低”的格局。 1990—2000年生态环境质量持续下降；2000—2010年生态环境质量改善区域面积快速增加，多集中在研究区北侧，同时恶化区域则在主城区外围持续扩张；2010—2019年生态环境质量恶化持续加剧，其变化区域在主城区2010年蔓延基础上持续扩展，另外在中牟绿博园区和航空港区恶化趋势较明显。

（3）1990—2019年，郑州市同时存在着生态环境改善和恶化两种趋势。 农业生产用地向城乡生活用地转移、水域和林地生态用地向农业生产用地转移是导致生态环境恶化的主要因素。 生产用地转为生态用地是区域生态环境质量改善的主要因素，其中农业生产用地转换为水域和牧草生态用地的比例高达30.51%。