基于“三生”空间的天长市土地利用时空格局及驱动因素分析

刘敬杰,张富申,周林波,周 宇,赵欣雨

(1.滁州学院 地理信息与旅游学院,安徽 滁州 239000;2. 南京农业大学 公共管理学院,南京 210095;3. 实景地理环境安徽省重点实验室,安徽 滁州 239000)

伴随中国土地、人口的城镇化,人类活动对自然环境的改造愈发明显,也随之诱发一系列可持续发展难题[1]。“三生”空间是生产、生活、生态空间的总称,既是空间要素建构的不同尺度,又是国土空间协调完善的中枢组成[2]。打造集约高效的生产空间、宜居适度的生活空间、山青水秀的生态空间是新时代国土空间布局的重要之举,也是建设生态文明的重要一步。土地资源的可持续发展、城乡空间的科学布局及规划景观的多功能融合均能以“三生”空间调和的视域展开相关研究[3]。

土地利用转型概念基于英国学者Grainger的森林假说转型而提出,此后迁移至耕地利用转型[4]、山地利用转型[5]、区域利用转型[6]。国外学者据此涌现出一批研究成果,但多偏好于环境生态[7]、理论模型[8]、社会政治[9]等。龙花楼[10]率先引进土地利用转型概念,随即论证乡村转型发展,国内学者的研究目光也转向于此,相继对生态效应[11]、景观格局[12]、“三生”空间[13]进行探究。土地利用转型的重要表现是在主导功能下对定量土地资源的重新配置,“三生”空间主导的土地利用转型偏向使用生境质量模型[14]、地理探测器[15]和马尔可夫模型[16]等进行计算、分析与预测。在大多数土地利用转型研究中,普遍从大尺度广区域、重点计量生态的视角,对于将目光聚焦在小区域微观尺度、具有地缘优势的城市而言,关注度不高,其成果较少。

天长市作为三面环苏的县级市,尽管政治与地缘优势处于安徽前列,但土地资源利用与城镇开发建设也存在很多矛盾。对此,文中以土地利用变化数据为基础,运用地理学与数理统计学方法进行研究,展示“三生”空间下不同地类时空演变格局,探究土地利用转型驱动因素,以期为天长市城乡规划、社会人文、资源利用提供有力借鉴。

1 研究区概况

天长市(32°27′27″N—32°57′36″N,118°39′19″E—119°13′23″E)是南京都市圈县级城市之一,东与扬州市隔湖相望,南同南京市接壤。区域面积为1 770 km2,截至2022年下辖14个乡镇,2个街道,如图1所示。地形以平原和高岗地为主,西部和南部分布低山丘陵,整体地势由西南、西北向高邮湖方向倾斜。多年平均降水量为1 048 mm,年均温14.9 ℃,湖泊河流众多,是高邮湖生态屏障重点保护区。“工业立市”的战略由来已久,制造、医药、能源在皖东具有重要地位,在安徽省百强县排名仅次于肥西、长丰与肥东三县。高新区、金牛湖新区相继成立,南京信息工程大学金牛湖校区也落户天长市,宿扬高速、江淮风景道、滁天高速建成通车,宁淮铁路也在紧锣密鼓施工中,未来将成为沪汉蓉、京沪、沿江三大发展轴交界的重要地区。

图1 研究区域概况

2 数据来源与研究方法

2.1 数据来源与处理

文中涉及的土地利用数据从天长市土地利用变更调查数据中获得,社会经济数据源于《安徽省统计年鉴》《滁州市统计年鉴》及相关的政府工作报告。出于各主体对土地的使用意图,参考相关“三生”空间土地利用分类相关文献[17],划分为生产、生活、生态用地3个大类,再依次以产业、区位、景观为指标细分为9个二级地类,如表1所示。另外,为保障数据准确性,将千秋、广陵2个街道合并为天长市区进行研究。

表1 “三生”空间土地利用主导功能分类

2.2 研究方法

2.2.1 土地利用转移矩阵

土地利用转移矩阵常用来分析不同类型土地的结构与特征变化,可以观测所需时间段内土地类型转变情况及数量,其表达式为

(1)

式中:p,q分别为研究时段始末的土地利用类型;Spq为研究时段内第p类向第q类土地转移的面积。

2.2.2 标准差椭圆

标准差椭圆(SDE)是一种表征空间要素分布、结构、特征的多角度统计方法,其长轴、短轴、方位角和中心坐标表示分布形态、转移主趋势与地理空间要素的二维中心,重心理论公式为

(2)

式中:X和Y为“三生”空间的地理坐标;n为土地要素数量。

2.2.3 土地利用动态度

单一土地利用动态度表示一段时间内某种土地功能的变化速率,而综合土地利用动态度则表示一段时间内各种土地类型的变化剧烈程度。结合两项指标,有助于把握研究区土地利用变化状况,动态度公式为

K=(Ub-Ua)/Ua×1/T×100%.

(3)

式中:K为单一动态度;Ua,Ub分别为研究时间内某一地类的初期与末期面积;T为时段时长。

(4)

2.2.4 土地利用程度综合指数

土地利用程度综合指数用以表示人类活动对自然环境的改造与土地利用的影响程度,数值取值100～400,结果愈高,则人类活动影响愈剧烈,其计算式为

(5)

式中:L为土地利用程度综合指数;Ri为地类i的土地利用程度分级指数,如表2所示;经参考相关文献确定不同地类的分级指数[18],Ci为地类i占总地类面积的比值;n为划分的土地利用类型数。

表2 土地利用程度分级指数

2.2.5 驱动因素指标建构

自然条件相对稳定下,土地利用变化受社会、经济和政策等因素的影响最为明显,考虑数据获取的现实性、获得性与真实性,甄别出影响因子(自变量X1～X10),如表3所示,研究其对土地利用程度综合指数(因变量Y)的驱动状况。

表3 “三生”空间土地利用驱动因素

2.2.6 灰色关联分析

灰色关联是指事物之间、系统与要素之间的不确定关联,也是对系统发展态势的定量描述与客观比较。对样本数量、地理分布无硬性要求,计算公式为

εi(k)=[minimink|x0(k)-xi(k)|+

ρmaximaxk|x0(k)-xi(k)|]/[|x0(k)-

xi(k)|+ρmaximaxk|x0(k)-xi(k)|] ,

(6)

(7)

式中:ρ为分辨系数,取值0.5;minimink|x0(k)-xi(k)|为二级极小差;maximaxk|x0(k)-xi(k)|为二级极大差;ri为比较序列xi对参考序列土地利用程度综合指数的灰色关联度,其值介于0～1之间,值越大则关联性越强。

3 结果与分析

3.1 土地利用变化时空格局

如图2所示,生产用地在天长市分布范围最广,除中心城区与高邮湖外均有分布;生活用地呈孤岛串联状,平铺于城区与乡镇;生态用地与生产、生活用地交织,相对集中于边缘地区。2009—2018年“三生”空间呈现“一增一稳一减”的特点,生产空间面积增长11.68 km2,生活空间面积相对稳定,仅增加0.75 km2,生态空间面积缩减了12.44 km2。

图2 2009—2018年天长市“三生”空间格局

从二级地类来看,农业生产用地、城镇生活用地、水域生态用地分布最广。农业生产用地遍布天长市大部分区域,平原低地为主的地形,恰到好处的水热,催生了传统稻作农业。城镇生活用地主要分布在天长市区与建制镇,由于高新区建设扩张,天长市区与石梁镇接壤处增长明显。水域生态用地主要集中于水库区与东部湖区。受地形与人为因素影响,林地生态用地面积较小,相对集中于汊涧西部及郑集、冶山和金集三镇南部丘陵,保留在天长市区西部的红草湖与白塔河交汇处保护区。工矿生产用地与林地生态用地的分布具有一定空间协同,缘于低山丘陵丰富的矿产资源。农村生活用地均匀分散,较为破碎,主要由自然村组构成。而其他生产用地、草地生态用地、其他生态用地斑块较少、面积较小,仅有细微变化。

研究时段内二级地类结构也发生了明显变化,2009—2014年城镇生活用地增长最为明显,净增长13.01 km2;而农村生活用地、水域生态用地缩减最为显著,分别减少10.99 km2、7.90 km2。2014—2018年城镇生活用地仅增加3.91 km2,农村生活用地、水域生态用地减少量均下降,分别缩减5.18 km2、4.16 km2。2009—2018年农业生产用地、工矿生产用地增幅稳定;林地生态用地、草地生态用地略有减少;其他生产用地仅减少0.02 km2,其他生态用地未有变化。

3.2 土地利用转型表现

建立土地利用转移矩阵,并借助弦图实现可视化,如图3所示。2009—2014年农业生产用地的增加主要由农村生活用地、水域生态用地贡献,分别转入11.25 km2、5.27 km2,对农村土地整治工作颇有成效。工矿生产用地、城镇生活用地和农村生活用地的扩张来源于农业生产用地,分别转出2.81 km2、9.85 km2和1.49 km2,城镇化水平提升使耕地保护与建设用地集约化难免被忽视。其余地类未有明显变化,转移程度较小。

图3 2009—2018年“三生”空间土地利用变化弦图

2014—2018年农业生产用地依旧保持增加的态势,仍主要源于农村生活用地、水域生态用地,分别转入7.20 km2、2.87 km2。农业生产用地主要转化为工矿生产用地、城镇生活用地和农村生活用地,分别转出2.29 km2、3.03 km2和1.84 km2,而水域生态用地转入量较此前实现较大增幅,主要来源于农业生产用地。

2009—2018年,各类生产用地仅其他生产用地细微减少,其余呈现扩张趋势;两类生活用地中总转移量相对平衡;生态用地仅水域生态用地转出较多,其他类型保持稳定,值得一提的是,水域生态用地是农业生产用地、工矿生产用地、城镇生活用地和农村生活用地的第二大转入源。表明当前土地利用转型与区域社会经济发展联系紧密,在居民与农户、政府与集体、社会与企业等多方权力主体参与下,自然环境、社会经济、价值理念、政策方针等因素作用下, “三生”空间完全可以由矛盾、冲突转向优化、重组与和谐。

3.3 土地利用时空迁移分析

根据土地利用数据,结合式(2),绘制不同时期“三生”空间的椭圆形态,能够识别研究时期内国土空间格局的特征与演变。总体来看,各地类标准差椭圆演变趋势与行政区位保持一致,其重心所在行政单位亦未变动,如图4所示。

图4 2009—2018年天长市“三生”空间标准差椭圆及重心分布

从生产用地来看,研究期内农业生产用地标准差椭圆面积持续小幅减少,表明该地类趋于集中,另外,用地重心向东南方向缓慢移动。工矿生产用地在生产用地中变化最大,标准差椭圆面积减少明显,但2009—2014年较2014—2018年变化剧烈,故前段时间集中趋势大于后一时期,重心呈现“东南—东北”转向。而其他生产用地2009—2014年较2014—2018年相比,分散程度稳定,重心几乎无变化。

从生活用地来看,城镇生活用地的变化最为显著,标准差椭圆面积减幅最大,呈现急剧缩减转向缓慢增大,表明2009—2014年集中度上升,但2014—2018年离散性增强,其重心总体向东南的天长市区方向移动。2009—2014年在天长市区该地类扩张较快,2014年后各乡镇建成区面积不断增长,分散性增强,因而呈现此种情形。农村生活用地标准差椭圆面积持续减少,集中性渐高,重心亦持续向东南方向转移,落于永丰镇境内。同农业生产用地类似,农村生活用地以自然村组为主要载体,村庄平铺全境,在实行增减挂钩、拆村并点后,面积不断减小,但也更集中。

从生态用地来看,水域生态用地2009—2018年标准差椭圆面积保持相对稳定,重心持续向东北偏移,仍处于天长市区西北,表明水域空间均匀减少。林地生态用地、草地生态用地标准差椭圆保持稳定、整体偏南,其重心分别处于天长市区西南部与冶山镇境内低山丘陵与高岗地,限制了人类对地表的改造,保留了较多的林地、草地。其他生态用地较为特殊,集中分布于“大通—永丰—天长市区”一带,标准差椭圆面积几乎不变,表明未发生明显转化。

3.4 “三生”空间土地利用动态度及综合程度指数变化分析

计算“三生”空间单一土地类型动态度,由图5可知:工矿生产用地和城镇生活用地变化最快,城镇生活用地尤其在2009—2014年增幅迅猛,年动态度达5.96%。工矿生产用地在2014年前后两期增幅基本持平,反映了天长市工矿、建设等取得较大成果,对地区生产总值贡献很大。农业生产用地、其他生产用地在两期时段内年动态度接近于0%,即变化相对稳定。农村生活用地、水域生态用地的年动态度从2009—2014年的-1.05%、-0.39%转变为2014—2018年的-0.65%、-0.26%,变化速率均呈下降态势,表明天长市对农村土地整治更加严谨细致、对水域的保护工作不断增强。林地生态用地、草地生态用地年动态度虽然也为负值,但不如前两者减少速率大,2014年前为-0.42%与-0.82%,2014年后为-0.16%与-0.35%。与此时期严厉打击非法采矿、樵采等行为联系紧密,对山林草地的保护意识增强,处于向好的恢复期。另外,在两期时间内,其他生态用地年动态度未发生变化,表明情况稳定,几乎不受人类活动影响。

图5 天长市“三生”空间地类单一土地利用动态度

综合土地利用动态度增速呈下降趋势,由2009—2014年的0.22%变为2014—2018年的0.13%。即天长市土地利用综合动态度趋向稳定,与近年来所实施的社会经济、政策方针有关,也从侧面体现天长市已渡过城市无序疯狂扩张的阶段,转向和谐内敛,更注重土地集约利用与国土空间优化。

2009年、2014年和2018年天长市土地利用程度综合指数分别为292.71、293.50和293.84,表明天长市土地利用程度较深。2009—2014年增速最快,达0.27%,2014—2018年增速放缓,为0.12%。以地区而论,作为主要建成区的天长市区,土地利用程度综合指数增速最快且利用程度最深,研究期内由314.38增至322.91,石梁镇紧随其后,与该时段土地利用方式转向相符,生产用地、生活用地快速增加,人为利用程度高。而万寿镇土地利用程度综合指数处于全市最低水平,研究期内仅从257.03增至257.76,与该镇水域面积占比较大有很大关系。

3.5 “三生”功能用地变化驱动因素

通过计算土地利用程度综合指数,并结合“三生”指标,利用灰色关联分析探究驱动因素,结果如表4所示。结果表明:各因子关联度介于0.59～1之间,多数指标关联度在0.7以上,说明具有较高的相关性。其中,人口、已建成水库总库容、建成区面积对土地利用程度综合指数的相关性最为密切。

表4 各关联因素与土地利用综合指数的关联度

在生产空间指标方面,因素关联度均在0.7以上,但地区生产总值与第三产业产值表现更为突出。在研究时段中,天长市经济快速上升,二、三产业的拉动作用明显,且生产用地面积总体较快增长,故与利用程度相关性较高。在生活空间指标层面,各因素差距较大,其中,人口、建成区面积对土地利用程度综合指数的驱动性最强。天长市人口近9年来低速增长,宿扬高速、滁天高速、金牛湖新区以及高新区的建成与投入,令建成区面积扩张较快,因而对于土地利用的程度也愈高。在生态空间指标中,已建成水库总库容、水土流失治理面积对土地利用程度具有负相关性。天长境内修建跃进、时湾、安乐、川桥等多个大型水库,但部分水库建成已久,库容下降。既与降水波动较大有关,也反映水库淤积、水域缩减,这点可从土地利用变化中求证。工农业生产耗水与日俱增,甚至需从盱眙化农水库调水。水土流失治理面积减少,人类活动对于生态用地的影响增强,间接促进土地利用程度提升。可见,土地利用变化是多因素共同作用的结果,涉及人口、产业、环境和社会等多方面。

4 结论与讨论

1)2009—2018年天长市“三生”地类中,农业生产用地占主导地位,其次是水域生态用地、农村生活用地、城镇生活用地以及工矿生产用地,其余地类所占面积较小,均在10 km2以下。研究区域农业生产用地、农村生活用地之间存在相互转化,农业生产用地、水域生产用地主要转出为工矿生产用地和城镇生活用地,其他类型用地转移状况不明显。

2)2009—2018年3期标准差椭圆中,农业生产用地空间缓慢集中,重心向东南方向持续移动。工矿生产用地、城镇生活用地空间集聚性增强,重心分别向东南—东北、东南迁移。水域生态用地全市均匀减少,分散程度稳定。林地生态用地、草地生态用地集中分布在天长市中南部地区,其他生态用地集中于“大通—永丰—天长市区”的狭长地带。

3)农业生产用地动态度增长甚微,工矿生产用地、城镇生活用地动态度增速最明显,且2009—2014年增幅较2014—2018年更大。农村生活用地与水域生态用地、林地生态用地与草地生态用地动态度均为负值,前两者减少速率更快,但均于2014年后变化速率下降,其余地类无明显变化。综合土地利用动态度指出2014—2018年较2009—2014年增长速率放缓,土地利用综合程度指数表明天长市土地利用程度稳步提升,其中,天长市区最高,万寿镇最低。

4)天长市土地利用展现出较强的社会因素驱动,主要驱动力为人口、已建成水库总库容、建成区面积。同时与地区生产总值、第二产业产值、第三产业产值、社会消费品零售总额和水土流失治理面积等因素也有较大关联。可见,土地利用变化是多种主客观因素共同叠加的结果。

生产用地及生活用地的持续增长挤压生态用地,环境污染与建设侵占是城镇化、工业化面临的阵痛。在保障区域经济发展、带领皖东制造革新、促进人居环境安康中,也要纠正对生态环境的认知,权衡社会经济、方针政策与生态环境间利益,实行协调有序的国土空间规划,推动土地利用转型。力求生产、生活、生态的平衡稳定,促进未来社会经济的可持续发展,真正做出“功在当代,利在千秋”的重要举措。