胶东半岛三生空间的时空演变与冲突测度研究

王志炜，魏宇，李申，朱晓伟

山东省国土空间生态修复中心

国土空间是人类赖以生存和发展的家园，建设生产空间集约高效、生活空间宜居适度、生态空间山清水秀的国土空间开发保护新格局是新时代我国优化国土空间布局，推进生态文明建设的首要举措[1-2]。然而，区域土地资源的多功能性和利益群体目标取向不同所导致的对建设用地、农业用地和生态用地的利用方式、分布、数量等方面的不一致与不和谐，造成了区域国土三生空间冲突[3-4]。受人口增长和城市化进程不断加快的影响，有限的土地供给导致三生空间的空间结构比例趋于失衡，空间冲突愈演愈烈[5-6]。因此，科学识别三生空间、探究其时空演变规律，并在此基础上诊断三生空间冲突区域和强度，是因地制宜预防和破解三生空间冲突的基础和前提[7-9]。当前，区域三生空间的识别主要有主导功能指标测算法[10]和用地类型归并法[11]2种。前者具有地域针对性和评价体系综合性的优势，但在多主体融合和多尺度集成表达上考虑不足；后者与土地利用现状分类衔接，基于功能将各类型用地划入不同空间尺度，提高三生空间划定的可操作性与现实应用价值。然而，当前中国存在多种用地分类标准，区域三生空间分类需结合应用需求与多部门用地分类进行对接[2]。三生空间冲突测度多是借鉴土地利用冲突识别方法采用多准则分析，主要有3种方法：1）定性分析法，如参与式方法、逻辑框架法[12]等；2）综合指数法，如压力——状态——响应模型[13]和综合景观指数法[14]等；3）采用“千层饼”式地图因子叠加法，将图斑或网格作为评价单元，并通过构建判别矩阵进行排列组合以划分冲突类型及诊断冲突强度，该方法因能准确定位土地利用冲突区而被广泛用于冲突识别以及强度诊断[15-16]。

胶东半岛位于山东省东部沿海的环渤海经济圈，是山东省发展水平最高、潜力最大、活力最强的区域[17]。随着社会经济的高速发展，由于其生态空间被挤占、城市生活空间环境污染、生态环境承载力下降等，造成区域三生空间冲突矛盾日益突显。因此，如何在快速城市化过程中解决三生空间冲突，实现三生空间协调发展成为胶东半岛当前亟须解决的现实问题。鉴于此，笔者以土地利用为基础数据，通过构建三生空间分类体系和基于风险源——风险受体——风险效应生态空间冲突测度模型，在对胶东半岛的三生空间时空演变规律分析的基础上，识别三生空间冲突的区域和强度，以期为胶东半岛构建国土空间开发保护新格局提供科学依据和决策参考。

1 研究区域与数据来源

胶东半岛包括青岛、烟台、威海3市25个县（市、区），土地总面积为30 645.95 km2，占山东省的19%。地形以低山丘陵和侵蚀平原为主，低山丘陵广泛分布于北部和东部，平原地区包括中部侵蚀平原、北部滨海冲积平原和胶莱河冲积平原，平原的大部分开垦程度高。属温带季风气候区，四季分明，年均气温为11～14 ℃，年均降水量为650～850 mm。胶东半岛集中了山东省19.34%的人口，19.60%的耕地，31.50%的GDP，是山东省经济发展的领先地区和高端产业聚集区，也是山东半岛蓝色经济区的核心地带。因胶东半岛区域内包含若干海上岛屿，如长岛、刘公岛、鸡鸣岛等，海上岛屿人类活动强度低，生境良好，故本研究仅考虑胶东半岛陆域范围。

本研究所使用的2000年、2005年、2010年和2015年比例尺为1∶10万土地利用/覆被数据来自中国科学院资源环境科学与数据中心（http://www.resdc.cn/DOI），该系列土地利用类型采用中国科学院土地利用遥感监测分类系统[18]，划分为耕地、林地、草地、水域、建设用地和未利用地6个一级类，空间分辨率为30 m。对以上数据采用同期Landsat TM/ETM/OLI遥感影像进行目视修订，然后利用ArcGIS软件随机选点的功能进行检验，得到的2000年、2005年、2010年和2015年解译结果精度分别为92.14%、91.30%、93.20%和92.40%，符合数据应用精度要求。

2 研究方法

2.1 三生空间分类体系构建

以中国科学院土地利用遥感监测分类系统为基础，充分对接城市用地分类体系，参考刘继来等[19-20]的相关研究，通过归并各用地类型，建立胶东半岛三生空间分类体系（表1）。

表1 胶东半岛三生空间分类体系Table 1 Ecological-production-living spaces classification system of Jiaodong Peninsula

2.2 三生空间冲突量化模型

综合考虑研究范围、数据类型、斑块状况等因素，选择3 000 m×3 000 m空间网格作为评估单元，参考以往研究[14,21-22]，依据风险源——风险受体——风险效应的生态风险评价概念模型构建评价指标，三生空间冲突强度（land use conflict strength，LUCS）可以表征为：

式中： A WMPFD为 外部压力；Ei为第i类空间的脆弱性；S为稳定性。

选用景观指数中的面积加权平均分维数来反映斑块的复杂性，面积加权平均分维数越大，表明景观斑块边界越复杂，受邻域干扰的机会越大，可反映土地资源面临的风险源。其计算公式如下：

式中：Pij为斑块周长；aij为斑块面积；A为空间单元总面积；m为研究区总的空间评价单元数；n为三生空间类型总数。

脆弱性反映了风险受体的暴露情况。不同空间的脆弱性存在差异，基于三生空间面积转移矩阵，确定生态空间、生活空间、生产空间的脆弱度指数分别为1、2、3。其计算公式如下：

式中：Fi为第i类空间的脆弱度赋值；ai为第i类空间的面积。

稳定性选用景观指数中的斑块密度来表示。斑块密度越大，表明区域内部的景观破碎程度越大，生物多样性和协调性则越低，土地资源受到生态风险的可能性越高。因此，斑块密度可以从负面反映区域景观的稳定性，以此表征风险效应[23-26]。其计算公式如下：

式中：PD为斑块密度；ni为第i类空间的斑块数目。

三生空间冲突作用强度会随着时间的推进而不断变化，借鉴冲突的倒“U”形曲线模型，根据研究区空间冲突指数的累积频率曲线分布特征确定统一划分标准，将空间冲突指数划分为稳定可控冲突、基本可控冲突、基本失控冲突、严重失控冲突，冲突指数分别为 0～0.45、0.45～0.75、0.75～0.85、0.85～1。

3 结果与分析

3.1 三生空间结构演变

根据胶东半岛三生空间分类体系（表1）对2000年、2005年、2010年、2015年4期土地利用进行分类，得到胶东半岛三生空间分布格局（图1）。从图1可以看出，生产空间分布最广，主要分布在青岛市北部；生态空间主要分布在烟台市的东南部；生活空间在主城区聚集度高。这主要是由于胶东半岛落实“十一五”规划以及积极开展“十二五”规划，迅速发展经济，各个城市的建设用地面积快速增长。

图1 胶东半岛三生空间的分布格局Fig.1 Spatial distribution pattern of the ecological-production-living spaces in Jiaodong Peninsula

统计了三生空间的面积变化情况，结果见图2。从图2可以看出，2000——2015年三生空间面积变化具有“一降一升一稳定”的特点，生态空间面积下降，生活空间面积不断增加，生产空间面积稳定。

图2 2000——2015年胶东半岛三生空间面积变化Fig.2 Spatial area change of the ecological-production-living spaces in Jiaodong Peninsula from 2000 to 2015

为了凸显各类空间之间的变化特征，运用单一动态度模型[16]，得到研究期内三生空间的内部单一空间的动态度（表2）。从表2可以看出，2000——2015年，各类空间的变化速度各不相同，呈不均衡的变动态势，其中，受社会经济发展和人类活动密集等的影响，研究区交通运输、居住承载等用地需求增加，致使生活空间变动最为剧烈。具体来看，2005——2010年，生活空间单一动态度高达6.24%，其次是生态空间，单一动态度达-3.51%，表明胶东半岛2005——2010年城市化进程加快，生活空间急速扩张，生态空间破坏严重，经济和生态之间的矛盾加剧。2010——2015年胶东半岛生态保护进程加快，从而导致生活空间动态度变化相对于2005——2010年大幅度减少，并且生态空间单一动态度降低至-0.08%，此时三生空间整体变化幅度低。

表2 2000——2015年胶东半岛三生空间变化幅度及动态度Table 2 Spatial change range and dynamics of the ecologicalproduction-living spaces of Jiaodong Peninsula from 2000 to 2015

根据2000——2015年三生空间具体变化情况，得到三生空间转移矩阵（表3）。从表3可以看出，各类空间转移情况具有一定差异性和规律性。2000——2015年，胶东半岛的生活空间主要由生产空间转变而来，为159 382.08 hm2，生态空间转为生活空间的面积为32 191.29 hm2，而生态空间大部分转变成了生产空间，面积为193 756.50 hm2。综上，2000——2015年，受人口增长和城市化加快的影响，生态空间主要转为生产空间，而生产空间又大量转为生活空间，最终导致了“一降一升一稳定”的三生空间变化趋势。

表3 2000——2015年胶东半岛三生空间转移矩阵Table 3 Transfer Matrix of the ecologicalproduction-living spaces of Jiaodong Peninsula from 2000 to 2015 hm2

3.2 空间冲突测算

3.2.1 三生空间冲突时空演变特征

利用空间冲突模型对胶东半岛三生空间冲突进行测算，结果见表4。2000年、2005年、2010年、2015年的平均冲突水平分别为0.711 782、0.714 342、0.752 801、0.756 107，冲突水平随着时间的推移而上升。其中可控冲突呈下降趋势，失控冲突呈上升趋势。三生空间之间相互交错造成空间格局冲突、功能冲突、需求冲突以及社会冲突等一系列冲突问题，应引起足够的重视。

表4 胶东半岛三生空间冲突级别占比Table 4 Percentage of space units occupied by the level of conflict between the ecological-productionliving spaces of Jiaodong Peninsula %

为进一步分析冲突级别在空间格局上的变化特征，利用ArcGIS 10.2软件对其进行可视化表达（图3）。从图3可以看出，胶东半岛由于生态-经济的矛盾，变化较为明显，生活空间内部由于破碎度低、稳定性高、脆弱度较低，以可控级别为主；生态空间中的自然保护区内部由于人为干扰程度相对较小、破碎度低、稳定性高且脆弱性低，空间冲突程度较轻，以稳定可控级别为主；生产空间脆弱性高，人为干扰程度高，生产空间以基本失控为主；而生态空间与生产空间、生态空间与生活空间之间的交错地带由于斑块破碎度高，生态系统极不稳定，且生态空间向生活空间、生产空间转换，脆弱度升高，受人类干扰程度大，空间复杂性高，严重失控级别均位于此地带。在《山东半岛城市群发展规划》指导下，胶东半岛积极发展经济，建设用地由零散到聚集，GDP和人均消费水平持续高涨，根据王超等[23]的研究，2005——2010年胶东半岛的建设用地变化速率最大，为5.10%，主要来源于耕地，该阶段城市化进程加快。2000——2005年、2005——2010年、2010——2015年生态空间转为生产空间的面积分别为13 487.67、192 460.77和 5 488.74 hm²，2005——2010年是这3个时期中农业生产空间侵占生态空间最多的，导致空间冲突急剧向失控级别偏移，2010——2015年“十二五”规划中提出了绿色发展，建设资源节约型、环境友好型社会的指导思想，在此期间，生活空间内部集约发展，生态空间减少速度明显变慢，失控冲突扩大趋势变缓，表明该区土地利用冲突可能逐步缓解。

图3 胶东半岛三生空间冲突分级Fig.3 Classification map of the ecological-production-living spaces conflict in Jiaodong Peninsula

利用ArcGIS 10.2软件的分区统计工具，可以计算出胶东半岛各市区三生空间冲突指数（图4）。由图4可以看出，2000——2015年大多数县（市、区）冲突指数不断增长，而随着城市化进程的加快，建成区内部集约发展，破碎度低，致使李沧区、市北区、市南区、芝罘区的冲突指数不断缩小。胶州市、龙口市、莱阳市、荣成市、招远市2015年的冲突指数分别为 0.800 327、0.808 972、0.812 029、0.825 317、0.827 388，均超过了0.8，且有进一步增长的趋势，是胶东半岛土地利用冲突优化的关键所在。

图4 胶东半岛三生空间冲突指数Fig.4 Ecological-production-living spaces Conflict Index of Jiaodong Peninsula

3.2.2 三生空间冲突分异特征

对研究区3种空间类型分别进行空间冲突水平测算，结果见图5。从图5可以看出，胶东半岛生产空间冲突水平最高，其次是生活、生态空间；不同空间类型空间冲突水平的构成存在一定差异，但均以基本可控冲突为主，表明胶东半岛三生空间仍处于协调发展格局阶段。

图5 2000——2015年胶东半岛不同空间类型的空间冲突等级变化Fig.5 Changes in spatial conflict levels of different spatial types in Jiaodong Peninsula from 2000 to 2015

生产空间的变化幅度最大，主要表现为2000——2015年基本可控冲突单元占比大幅下降，由52.57%降至29.01%，且基本失控冲突单元、严重失控冲突单元占比大幅上升，分别由36.67%、9.94%增至46.66%、23.87%。尤其是2005——2010年，其增速是分别是前5年的4.29、9.80倍，说明基本可控的空间单元正在不断转变为基本失控、严重失控的空间单元，生产空间主要是以水田、旱地、其他建设用地为主，受人类活动影响较大，分形值高，在胶东半岛城市化进程中生态空间被生产空间大量占用，致使其脆弱度升高，破碎化严重，所以其空间冲突水平也逐渐增高。基本可控冲突变为基本失控、严重失控的区域主要集中在生产空间和生态空间过渡带内，在大开发的背景下，冲突水平构成的变化幅度较大，且失控冲突单元有进一步发展与激化的态势，所以在基本可控转为基本失控和严重失控之前对其进行调控，是冲突调控预防的重点所在。

生活空间受快速城市化过程影响较大，主要表现为基本失控单元、严重失控单元占比总体呈上升趋势，分别由24.56%、5.70%增至28.13%、12.83%，而基本可控单元呈不断下降趋势，由58.84%下降至50.72%。稳定可控单元总体呈上升趋势的原因有两点：1）随着城市化进程的不断加快，城市边界无序扩张，生产空间被生活空间大量侵占，脆弱度降低；2）生活空间内部斑块较为集中，破碎度降低。因此，生活空间内部的稳定可控单元不断增加。而生态空间中严重失控单元占比不断增加的区域位于生活空间和生态空间的过渡带，在这一区域，斑块破碎化明显，系统极不稳定，且由于一部分生态空间被生活空间所侵占，脆弱度升高，导致严重冲突单元不断升高。

生态空间的冲突水平变化幅度较小，以可控冲突为主。随着时间推移，失控级别逐渐上升，可控级别逐渐下降，生态空间的冲突水平呈现出可控冲突单元向失控冲突单元转变的现象。对比4期数据，基本失控级别由24.56%增至28.13%，特别是2005——2010年，严重失控单元占比由7.26%增至11.64%，是2000——2005年增长的2.20倍，2010——2015年增长的5.90倍，结合图2中生态空间面积在2005——2015年骤降，在2010——2015年面积减小趋缓，可见生态空间失控单元占比的升高与生态空间面积的减少有关。

4 结论

（1）2000——2015年的胶东半岛三生空间分布，生产空间占比最高，其次是生活空间，二者之和约为85%；随着人口的增长和经济的快速发展，生活空间面积不断增长，动态度最高，而生态空间面积不断减小，生产空间面积变化较稳定。表明胶东半岛在快速城市化过程中，以建设用地为主的生活空间通过占用生态空间和生产空间进行快速扩张。

（2）2000——2015年，胶东半岛三生空间冲突指数从0.711 782升至0.756 107，呈不断增加的趋势，其中2005——2010年的增幅远大于其他时段，但受土地保护制度、生态保护政策等因素影响，土地利用冲突有可能逐步缓解。胶东半岛稳定可控冲突主要分布在生态空间内部的自然保护区，严重失控级别主要分布在生态空间与生产空间、生态空间和生活空间之间的交错地带，其中胶州市、龙口市、莱阳市、荣成市、招远市的冲突指数有进一步增长的趋势，是冲突调控预防的关键所在。

（3）不同空间类型的空间冲突存在一定差异，冲突程度为生产空间＞生活空间＞生态空间；其空间冲突水平构成亦存在差异，3种空间类型的冲突程度集中在可控等级上，但在基本失控和严重失控2个等级上差异较大，并随着时间推移发生变化。