基于“三生空间”的土地利用转型的生态效应及驱动力分析—以苏州市为例

贲薛晨，余成

1.苏州科技大学环境科学与工程学院

2.苏州科技大学地理科学与测绘工程学院

土地利用变化是自然系统和社会系统在不同时间和空间尺度上相互作用的复杂过程[1]，是人类活动对生态环境施加影响的主要表现形式[2]。土地利用转型的表现之一是土地利用主导功能的转型，即土地利用的生产、生活、生态（简称“三生”）三大主导功能间的转化[3]。十八大报告提出“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”，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]。我国城市化快速发展阶段对各类土地需求的多元化[5]，加剧了各类土地类型在时空上的变化，影响了人类赖以生存的自然环境[6]。土地利用转型研究也成为深入了解人地关系，揭示社会经济发展问题及其生态效应的关键切入点[7]。目前国内外学者对土地利用变化产生的生态效应做了大量研究，如李根明等[8]利用3S技术研究了豫北平原的土地利用转型规律，并衡量了当地的生态系统服务价值；李付杰等[9]基于遥感影像解译探讨了辽河保护区土地利用格局的时空变化特征及其生态效应；Du等[10]基于遥感影像分析了快速城市化进程中杭州市土地利用转型的生态效应。但目前的研究成果大多集中在土地利用转型的时间和空间变化格局方面，而通过土地资源在“三生”功能之间进行数量再分配和空间再配置的动态过程来反映区域社会转型特征的研究较为缺乏[11]。

苏州位于长江三角洲的核心区域，处于高速城市化阶段。近年来以苏州市为研究区的土地利用变化及其产生的生态效应主要集中在土地利用变化及其驱动力分析[12]、土地利用的生态服务价值[13]、土地利用变化的生态连通性研究[14]等。笔者以苏州市为例，基于“三生”用地的分类体系，利用1980—2018年土地利用数据，定量研究苏州市基于“三生”用地的土地利用转型特征及其生态效应，揭示影响苏州生态环境质量变化的主要因素，以期为苏州市的土地利用规划及生态环境保护提供借鉴。

1 研究区概况与研究方法

1.1 研究区概况

苏州市（30°47′N～32°02′N，119°55′E～121°20′E）位于长江三角洲中部，东临上海，西傍太湖，北枕长江，南邻湖州。地形以平原为主，全市地势低平，一般高程为3.5～5.0 m。全市总面积为8 657.32 km2，下辖4个县级市(常熟市、张家港市、昆山市、太仓市)，6个区（姑苏区、吴中区、相城区、髙新区、虎丘区，吴江区）（图1）。截至2019年末，苏州市地区生产总值为19 235.80亿元，居江苏省第1位，常住人口为1 074.99万人，城镇化率达77%[15]，属于高度城市化区域。

图 1 苏州市行政区划Fig.1 Administrative divisions of Suzhou City

1.2 数据来源

苏州市1980年、2000年、2010年、2018年4期土地利用数据来源于中国科学院资源环境科学与数据中心[16]。其原始数据包括耕地、林地、草地、水域、建设用地、未利用土地6种地类，借鉴孙善良等[4]的研究成果，通过整合原始数据，按照满足人类的不同需求将原始地类划分为生产用地、生活用地和生态用地，包括3个一级地类，8个二级地类和18个三级地类。同时借鉴李晓文等[17]的研究成果，结合研究区现状，确定生态环境质量赋值（表1）。

表 1 “三生”土地利用主导分类及生态环境质量赋值Table 1 Dominant land use classification and ecological environment quality assignment of the PEL space

1.3 研究方法

1.3.1 土地利用转移矩阵

土地利用转移矩阵是描述研究区不同时段任意2期土地利用类型转移方向和数量变化的方法[18]。基于ArcGIS软件对不同时期土地利用类型图进行空间叠置运算，利用Excel软件的数据透视图进行处理，建立土地利用转移矩阵，从而揭示引起土地利用变化的过程[19]。

1.3.2 生态环境质量指数

生态环境质量指数用于定量描述区域土地利用变化的生态效应，评价区域生态环境质量的总体状况[20]，其计算公式为：

式中：EVt为研究区域t时期的生态环境质量指数；LUi为第i种土地利用类型的面积，km2；Ci为第i种土地利用类型的生态质量赋值；A为研究区总面积，km2；n为土地利用类型数量。

1.3.3 土地利用变化的生态贡献率

土地利用变化的生态贡献率用于表征土地利用变化造成的区域生态环境质量的变化，其可较好地衡量生态环境质量对土地利用类型转变的效应情况[21]，探究造成区域生态环境质量变化的主导因素，其表达式为：

式中：LEI为土地利用转变类型生态贡献率，%；Vb和Va分别表示某种土地利用类型在变化末期和初期的生态环境质量指数；LA为该土地利用类型转变的面积，km2。

1.3.4 偏最小二乘回归模型

1.3.4.1 偏最小二乘回归法原理

偏最小二乘回归法（PLS）具有主成分分析、典型相关分析和线性回归等方法的特点，在成分提取时既考虑了自变量和因变量之间的线性关系，又选择了对自变量、因变量解释性最强的综合变量，既保证了多重共线性的问题，又保证了模型的稳定性[22-23]。

1.3.4.2 模型指标的构建

苏州市的生态环境质量主要受社会经济和政策等因素的影响，因此在综合考虑各影响因素的基础上，以生态环境质量指数作为因变量Y，从人口〔年末户籍总人口（X1）〕、经济〔地区生产总值（X2）、城镇化率〔X3）〕、产业结构〔第二产业比重（X4）〕、社会消费〔社会消费品零售总额（X5）〕、进出口贸易〔进口总额（X6）、出口总额（X7）〕、能源消费结构〔煤炭消费比重（X8）〕6个角度选取8个影响因子作为自变量，用SIMCA-P软件进行PLS分析，数据来自1990年、1995年、2000年、2010年、2015年、2018年《苏州统计年鉴》[15]。

2 结果与分析

2.1 土地利用转型分析

1980—2018年苏州市“三生”用地分布如图2所示。由图2可知，生产用地主要分布在苏州市东部与西北部，生态用地主要分布在西南部和北部，生活用地主要分布在中部。从二级地类的空间分布来看，农业生产用地分布最为广泛，水域生态用地、城镇生活用地和农村生活用地其次，除西南部太湖区域外，农业生产用地在各区（市）都有所分布。1980—2018年，苏州市土地格局发生了显著变化，农业生产用地面积大幅减少，城镇和农村生活用地面积增长较快。

图 2 苏州市“三生用地”空间格局Fig.2 Spatial pattern of PEL land use in Suzhou City

2018年苏州市水域生态用地和农业生产用地面积分别为2 850.47和2 848.72 km2，分别占苏州市总面积的33.88%和33.86%。苏州河湖水网分布密集，水域生态用地占比较高，牧草生态用地、林地生态用地和其他生态用地占比较小，合计仅占总面积的3.16%。

由1980—2018年苏州市各类用地面积及变化如表2所示。由表2可知，生产用地面积从1980年的 4 959.64 km2降至2018年的 2 892.87 km2；生态用地面积少量增加，2018年较1980年增加179.96 km2；生活用地面积迅速增加，从1980年的513.08 km2增至 2018年的 2 404.74 km2，增加1 891.66 km2。

表 2 1980—2018年苏州市各类用地面积及变化Table 2 Area and change of each type of land use from 1980 to 2018 km2

由二级地类的结构变化来看，1980—2018年苏州市农业生产用地面积大幅减少（减少了2 101.16km2），城镇和农村生活用地面积则不断增加, 其中城镇生活用地面积增幅最大，由1980年的185.87 km2增至2018年的1 718.35 km2，增加了1 532.48 km2。水域生态用地和牧草生态用地的面积有少量增加，分别增加145.65和54.21 km2。可见，在快速城市化背景下，苏州市城镇生活用地需求增加，土地供需矛盾进一步加剧。

2.2 土地利用转型模式

为了更直观地分析苏州市土地利用转型特征，利用软件的空间叠加分析，按照苏州市“三生”用地主导分类，建立苏州1980—2000年和2000—2018年2个时期的土地利用转移矩阵如表3、表4所示。由表3可知，1980—2000年苏州市土地利用转型主要表现为城镇和农村生活用地、水域生态用地面积的增加，农业生产用地、林地和牧草地生态用地面积的减少。农业生产用地主要转化为城镇生活用地、农村生活用地、水域生态用地，转移面积分别为268.7、278.96和191.45 km2。牧草地生态用地主要转化为水域生态用地，转移面积为9.44 km2。水域生态用地也有部分转化为农业生产用地，转移面积为61.08 km2，其他土地类型间转化不明显。

由表4可知，2000—2018年土地利用转型主要表现为农业生产用地面积减少，城镇生活用地和农村生活用地面积增加。农业生产用地主要转化为城镇和农村生活用地与水域生态用地，转移面积分别为999.16、333.72和212.52 km2。但水域生态用地也有部分转化为城镇生活用地、牧草生态用地和农业生产用地，转移面积分别为82.78、56.6、55.2 km2。其他土地类型间转化不明显。

2.3 土地利用转型的生态效应分析

2.3.1 生态环境质量指数变化特征

根据式（1）计算出苏州市各区（市）1980—2018年的生态环境质量指数如表5所示。由表5可知，苏州市生态环境质量指数从1980年的0.431 2降至2018年的0.413 9，各区（市）的生态环境质量指数除昆山市和吴江区外均呈现下降趋势。

借助ArcGIS软件,基于区（市）尺度分别表达1980年、2000年、2010年和2018年苏州生态环境质量的差异，并根据自然间断点分级法[11]分为低质量、中质量、高质量3个等级，结果如图3所示。由图3可知，苏州市生态环境质量呈现西南高、东北低的分布格局。1980—2010年，苏州市生态环境高质量区包括吴中区，中质量区包括张家港市、常熟市、相城区、虎丘区、吴江区和昆山市，低质量区包括太仓市和姑苏区。2010—2018年，除张家港市由原先的中质量区变为低质量区外，其他区（市）生态质量等级保持不变。

表 3 1980—2000年苏州市土地利用转移矩阵Table 3 Land use transfer matrix of Suzhou City from 1980 to 2000 km2

表 4 2000—2018年苏州市土地利用转移矩阵Table 4 Land use transfer matrix of Suzhou City from 2000 to 2018 km2

2.3.2 土地利用转型生态贡献率

区域生态环境质量往往存在好转与恶化2种变化趋势，这2种趋势相互抵消，使得研究区生态状况总体趋于稳定[24]。为了揭示各功能用地转型对区域生态环境质量的影响，测算了土地利用转型生态贡献率，结果如图4所示。由图4可知，1980—2000年农业生产用地转变为水域生态用地和林地生态用地，是促使生态环境质量改善的主要因素。与此相反，农业生产用地对水域生态用地的挤占以及城镇和农村生活用地对农业生产用地的占用是导致生态环境质量恶化的主要原因。2000—2018年土地利用转型对生态环境质量的影响与1980—2000年相比，城镇生活用地对农业生产用地和水域生态用地的侵占更为严重，农村生活用地转化为农业生产用地与水域生态用地的贡献率降低；同时农业生产用地转变为林地和水域生态用地的贡献率下降，表明这一研究时段内退耕还林、退耕还湖的力度有所下降。总的来说，城镇和农村生活用地对农业生产用地的侵占是导致生态恶化的主要因素，退耕还湖是生态环境质量改善的主要原因。因此在未来，应切实落实苏州市国民经济和社会发展“十四五”规划提出的优化城乡布局结构，合理配置“三生”用地，进一步实施退耕还林、还湖等措施，统筹优化国土空间布局，保障苏州市的生态安全，实现社会经济发展与生态环境的协同发展[25-26]。

表 5 苏州各区（市）1980—2018年生态环境质量指数Table 5 Ecological environment quality index of different districts (cities) in Suzhou City in 1980-2018

图 3 1980—2018年苏州各区（市）生态环境质量等级Fig.3 Ecological environment quality grade of districts (cities) in Suzhou City in 1980-2018

图 4 苏州市影响生态环境质量的主要用地转型及贡献率Fig.4 Major land use transformation and contribution rates affecting ecological environment quality of Suzhou City

2.3.3 生态环境质量演变的驱动力分析

应用PLS回归分析，共提取了2个有效成分，各成分累计交叉有效性Q2（cum）=0.978，对X和Y的解释能力分别为R2X（cum）=0.956，R2Y（cum）=0.992，表明回归模型精度高，可信度高，cum表示沿坐标轴方向模型的累积解释率 。由观测值和预测值的拟合度（图5）可以看出，观测值和预测值的拟合度较高，说明样本选取合理，模拟效果较好[11]。由此得出PLS方程如下：

图 5 苏州市生态环境质量指数预测值和观测值拟合Fig.5 Fitting the predicted and observed values of Suzhou ecoenvironmental quality index

由式（3）可知，产业结构优化和能源消费结构调整对生态环境质量有明显的促进作用。1980—2018年，苏州市产业结构不断优化，淘汰落后企业与污染严重的企业，关闭污染严重的企业，高新技术产业产值不断提高，逐渐取代对生态环境质量产生负效应的产业，有明显促进生态环境质量改善的作用。同时深入实施“蓝天工程”，推广清洁能源，以煤炭为主导能源的能源结构逐步改变，既保障了经济的发展也改善了生态质量。

人口、经济、社会消费和进出口贸易的回归系数为负数（图6），是生态环境质量恶化的主要因素。人口增加和社会消费水平的提高，向自然索取了更多的资源与能源，并产生污染物，增加了苏州市的环境承载压力，加大了生态保护的压力。

图 6 自变量回归系数Fig.6 Regression coefficient graph of independent variables

3 结论与展望

（1）1980—2018年，苏州市生产用地的面积减少，生态和生活用地面积增加，生活用地的增加来源于对农业生产用地的侵占，同时生态用地有少量增加。

（2）苏州市生态环境质量总体有所下降，呈现西南高、东北低的空间分布格局。其中吴中区为高质量区，姑苏区和太仓市为低质量区；1980—2018年，张家港市由中质量区转变为低质量区，与张家港市大量农业生产用地转化为城镇生活用地有关。

（3）1980—2018年，农业生产用地、水域生态用地、农村生活用地和城镇生活用地的相互转化是导致生态环境质量变化的主要因素。退耕还湖、还林是生态改善的主要因素，导致生态环境质量下降的主要因素是城镇和农村生活用地对农业生产用地和水域生态用地的侵占。

（4）目前苏州市已初步形成“三生空间”模式，国土空间格局由以生产用地为主导，逐步转变为以生活用地为主体，生产、生活、生态用地共同发展的模式。近年来苏州市水环境质量有了明显改善，但城镇和农村生活用地侵占农业生产用地与生态用地的现象仍存在，虽然退耕还林、还湖的措施在一定程度上改善了生态环境质量，但侵占量高于退耕还湖、还林量，故苏州生态环境质量总体来说有所下降。未来苏州市应从全局出发，统筹优化配置苏州市三生空间，有利于苏州市国土的合理开发，对保证苏州市社会经济的可持续发展具有重要意义。