县级尺度“三生”用地动态变化及其空间集聚特征

王 考, 姚云峰, 包金兰

(1.内蒙古农业大学 沙漠治理学院，内蒙古 呼和浩特 010055; 2.内蒙古师范大学地理科学学院，内蒙古 呼和浩特 010022; 3.内蒙古自治区土地调查规划院， 内蒙古 呼和浩特 010055)

土地利用作为集“人口—资源—环境—发展(PRED)”于一体的复合系统，是人地关系系统交互耦合的承载核心[1]。土地资源作为土地利用的重要载体，一方面作为重要的生产要素，为人类生存提供食物、淡水等生产原料和木材、能源等动力原料等；第二，作为人类活动的关键性资源，为人类提供居住、交通、存储、休闲娱乐等生活功能；第三，因其具备的土壤、水文、气候、植被、地形等生态环境特征，为人类生活提供重要的生态保护功能[2-3]。随着人口、经济和社会的快速发展，土地利用方式、土地利用结构和景观格局发生变化，从而导致土地利用功能发生相应变化与演替，由最初的生产、生活功能逐渐演替为生产、生活和生态为一体的“三生”功能。中国现行土地利用是农用地、建设用地和未利用三大分类体系，此分类中充分关注土地的生产、生活功能，关注耕地保护与建设用地配置间的矛盾，但却极少考虑生态功能极少[4-6]，因而忽视了土地利用中可能引起的生态失衡。近些年，中国土地利用政策也逐渐考虑土地利用的“三生”空间，《全国土地利用总体规划纲要(2006—2020年)》提出“生态用地与生活、生产用地并行”，十八大报告提出“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”。因此，为适应土地管理空间的需要，构建和研究生产、生活和生态功能为主导的土地利用功能区划分类体系对实现土地资源的可持续利用具有重要意义。尤其生态环境比较脆弱的干旱半干旱地区，“三生”空间分布的研究为政府合理规划空间、制定科学的土地政策提供参考。

为合理规划用地空间，提升生态环境保护意识，中国学者已经开始研究探索土地利用的多功能性内涵与评价[7-12]和生态用地的内涵及分类[6,13-16]，同时从概念上尝试构建全国尺度和县级尺度的“三生”用地空间格局[17-20]。针对“三生”用地空间动态格局变化研究涉及甚少，本文拟以和林格尔县为例，继续探索县域尺度的“三生”用地的空间格局，并利用GIS手段和土地利用/覆被变化(LUCC)空间动态分析方法，探析生态脆弱区经过两轮的土地利用规划管理“三生”用地空间格局产生的变化，以期科学指导土地利用规划与管理，有效协调各类用地关系。

1 研究区概况与数据处理

1.1 研究区概况

和林格尔县位于内蒙古自治区首府呼和浩特市东南，地处土默特平原向黄土高原和蛮汗山山脉的过渡地带，地理坐标为111°26′52″—112°18′11″E，39°58′11″—40°41′31″N；属中温带半干旱大陆性季风气候，年平均气温5.6 ℃，年降水量平均417.57 mm，中、南部旱灾和风沙危害较为严重，辖域土地总面积3 477.78 km2。据2015年统计年鉴显示，全县总人口204 796人，农村人口占70.91%。

研究区具有以下特点：①县域经济发展较快，因“首府后花园”、“乳都核心区”、“云计算中心”而崛起，未来“呼和浩特新机场”、“内蒙古和林格尔新区”的建设将带来经济的更大发展。②地貌类型多样，具有“五丘三山二分川”的地貌特点，山地分布于东南部，平原分布于北部，丘陵分布于中部和南部。③生态环境脆弱，水土流失、土壤风蚀沙化和植被退化严重。地貌类型多样、生态环境脆弱、城镇发展快速，多种因素的累积影响着“三生”用地空间的变化，研究“三生”用地变化，对实现“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”的空间规划具有重要意义。

1.2 数据来源及处理

研究采用3期影像数据，其中1996，2006年采用Land-TM(30 m×30 m)，2015年采用变更调查SPORT-5数字正射影像(DOM)。数据的获取主要是依据TM影像和DOM影像依据《土地利用现状分类》(GB/T 21010-2007)的分类标准借助ENVI5.0软件平台，结合监督分类和人工目视解译获取土地利用分类数据。其中1996和2006年两期数据，分别依据当年土地利用变更调查数据进行校核和精度检验；2015年土地利用数据是在2009年全国第二次土地调查结果的基础上进行补充调查解译，与当年土地利用现状图和野外测量数据进行校验，校验的结果各期解译数据Kappa系数分别为0.85，0.90，0.94，达到满足允许判读精度(≥0.(8)要求，其解译结果符合本研究要求。

2 研究方法

2.1 土地利用“三生”分类方法

土地具有生产、生活和生态功能，同一用地类型在社会中承担着多种多样的功能。土地利用“三生”分类方法采用“先分区后分类”的方法[17]，功能区的分类依据“主体功能—次要功能”分类标准，首先考虑主体功能，其次考虑次要功能[18]，同时参考张红旗、柳中元，高星等“三生”用地分类标准[17,19-21]，调查研究区各用地功能特征，依据土地利用现状分类为基础形成半干旱区“三生”用地三级分类和归类依据(具体情况见表1)。

表1 研究区“三生”用地分类体系及依据

2.2 “三生”用地动态分析模型

“三生”用地空间动态变化分析其本质是不同功能用地类型的空间动态变化，因此借助刘纪远等[22]、王秀兰等[23]的土地利用动态度模型，刘盛和等[24]的土地利用动态变化空间分析模型20 a的空间变化过程以及强烈程度。

(1) 土地利用动态度模型。土地利用动态度反应监测时段内地类的数量变化，可以有效比较土地利用变化的区域差异[22-23]，分为某种土地利用程度的单一动态度和土地利用综合动态度。计算公式如下：

(1)

(2)

式中：K1,LC——研究时段内某一土地利用类型动态度和土地利用综合动态度； LA(i,t1)，LA(i,t2)——期初和期末土地利用类型的面积；S——研究区总面积；ΔLAi-j——i类型转化为j类型的土地面积绝对值；T——研究时段长。

(2) 土地利用动态空间分析模型与空间变化率指数。土地利用动态空间分析模型能够反映监测区域土地利用变化的活跃程度，综合考虑土地利用变化过程中新增和转移过程，突出土地利用动态变化的空间过程和强烈程度的测算[24]。土地利用空间变化率指数各类型土地利用变化相对于研究区变化的激烈程度[25]。计算公式如下：

(3)

(4)

式中：CLLi——监测期间空间变化率(%)； ULAi——监测期间第i类未变化部分的面积(hm2)；Fi——第i类土地利用空间变化率指数。

3 结果与分析

3.1 “三生”用地空间分布特征

依据前述构建的半干旱区“三生”用地分类体系，基于ARCMAP对三期土地利用分类进行提取与融合，当“三生”分类与土地利用现状分类一致时，直接转换；“三生”分类多个地类对应土地利用现状分类一个地类时，进行补充调查后细分；“三生”分类中一个地类对应土地利用现状多个地类，即进行地类合并，形成“三生”用地Ⅰ级分类和Ⅱ级分类。通过以上方法的提取，形成研究区1996,2006和2015年“三生”用地空间分布图(附图15)。

1996,2006和2015年3期“三生”用地空间分布图(附图15)研究发现：①空间结构相同，均为生态用地>生产生态用地>生态生产用地>生活生产用地；②变化趋势相同，但幅度不同。生态用地和生产生态用地呈递减趋势，生态生产用地和生活生产用地呈递增趋势；但1996—2006年变化幅度大于2006—2015年(图1)；③20 a的土地利用过程，研究区逐步形成“三生”用地空间相对合理的调整，生产生态空间和生活生产空间主要分布在北部平原区和水系两岸，黄土丘陵区和山区主要以生态用地和生态生产用地为主。

图1 1996，2006，2015年研究区“三生”用地结构

3.2 “三生”用地空间动态演变特征

3.2.1 “三生”用地数量变化 各功能区增减幅度由单一动态度模型计算得出(见表2)，此处研究时段以年为单位，因此K值和LC值即为年均变化率。

表2 研究区1996-2015年“三生”用地动态度 %

注：K96-06为1996—2006年K值;K06-15为2006—2015年K值;K96-15为1996—2015年K值;LC96-06为1996—2006年LC值;LC06-15为1996—2006年LC值;LC96-15为1996—2006年LC值。

由表2可以看出，研究期间生活生产用地和生态生产用地为转入状态，生态用地和生产生态用地为转出状态；年均变化率最为明显的是生产生活用地为5.90%，其次为生态生产用地为2.46%，且前期的年均变化明显大于后期，充分说明研究区后期土地利用的年变化率较小，土地总体移转速度较之前期降低。从“三生”用地Ⅱ级分类来看，研究期间呈转入状态为城镇建设用地、农村生活用地、工业生产用地、风景名胜及特殊用地、牧草地、饮用与农用水源用地以及生态容纳用地，但转入速度不同。其中转入速度最快的Ⅱ级类是城镇建设用地和风景名胜及特殊用地，且均为前期远远大于后期，究其原因，1996—2006年期间由于城镇建设和旅游经济的发展、盛乐经济园区的成立以及2000年撤乡并镇导致城镇建设用地和风景名胜用地大量增长；2006—2015年期间县域经济持续快速发展和工业用地大量增加，城镇建设用地的年均增长速度在2006—2015年低于工业用地，处于第2位，而风景名胜及特殊用地的转入率进入低潮期，仅为0.21%。农村生活用地和工业生产用地前后2个研究期转入速度相差较小，但农村生活用地前期高于后期，工业生产用地后期高于前期，充分说明近年来研究区工业经济的发展速度大幅提升。牧草地、饮用与农用水源用地以及生态容纳用地类型转入均是前期高于后期。研究期间呈转出状态的有生态功能用地、河流与湖泊用地、耕地、园地，其转出速度均为前期大于后期。

3.2.2 “三生”用地空间结构变化 “三生”用地空间性变化分析主要由2个指标来反应：一是空间分析模型；二是空间变化率指数。依据刘盛和等[24]的土地利用动态变化空间分析模型以及李灿等[25]的空间变化率指数测算研究区“三生”用地空间变化，其详细情况见表3。

表3 研究区“三生”用地空间动态度和空间变化率 %

空间分析模型表示“三生”用地功能区及用地类型转出和转入的动态变化，反映出功能区和用地类型的稳定程度。从Ⅰ级分类来看，生活生产用地空间变化最活跃，空间动态度达12.06%，其他用地区空间相对较为稳定，空间动态度均保持在3%以下；对比前后2个时期，前期的区域总体空间动态度为2.33%，后期仅为0.22%，说明研究区后期“三生”用地的利用较前期稳定。从Ⅱ级分类来看，1996—2006年期间，风景名胜及特殊用地、城镇建设用地、工业生产用地、农村生活用地、生态容纳用地空间变化较为活跃，空间动态均在13%以上，其中风景名胜及特殊用地、城镇建设用地最高；生态功能用地、牧草地和耕地空间动态度较小，相对其用地类型较为稳定。2006—2015年期间，空间变化活跃有城镇建设用地、工业生产用地、农村生活用地；其次，是生态容纳用地和耕地；稳定性最好是园地，空间动态度仅为0.03%。

空间变化率指数反映的是“三生”用地相对研究区的空间变化激烈程度。从Ⅰ级分类来看，生态用地空间变化最为激烈，空间变化率为1.02%；其次为生产生态用地和生态生产用地；生活生产用地最低，说明生产生活用地对于整个研究变化不激烈。但4类“三生”用地在不同研究时段空间变化率指数大小有所不同，且后期空间变化率均小于前期，1996—2006年期间：生态用地>生产生态用地>生态生产用地>生活生产用地，2006—2015年期间：生产生态用地>生活生产用地>生态用地>生态生产用地，研究表明后期生产生态用地和生活生产用地空间变化较为激烈，尤其生产生活用地空间变化激烈程度增强，但生态用地变化趋势减弱。Ⅱ级分类来看，城镇建设用地、工业生产用地、风景名胜及特殊用地、园地、饮用与农用水源地、河流与湖泊用地前后期空间变化率相近，说明研究区近20 a其空间变化趋于稳定；耕地、生态功能用地和牧草地空间变化率大，说明耕地、生态功能用地和牧草地相对研究区变化最为激烈。

3.3 “三生”用地空间变化集聚

研究区前后2个研究时期空间变化的集聚特征不同，前期“三生”用地空间变化呈全域性，后期“三生”用地空间变化呈局部性，且变化明显的均为生态用地和生产生态用地。如图2所示，1996—2006年期间，“三生”用地空间转移主要集中在大红城乡、城关镇和新店子镇黄土丘陵区和山区的地貌类型区，其转移的方向主要是生态用地转为生态生产用地，和生产生态用地转向生态用地，研究前期10 a间“三生”用地转移主要受生态退耕政策、地方经济发展政策、撤乡并镇政策以及土地开发整理复垦政策的影响；2006—2015年期间，“三生”用地空间转移主要集中在盛乐经济园区、巧什营镇、盛乐镇的土默特平原的地貌类型区，其转移的方向生产生态用地转为生活生产用地和生态用地转为生产生活用地，结合前述研究内容发现，研究后期“三生”用地空间的转移主要是建设用地占用耕使得耕地减少和因未利用地整治而耕地增加。

20 a变化尺度表现为中心城区以及北部土默特平原区“三生”用地空间集聚明显，表现为生活生产用地即建设用地显著增加；南部丘陵区和山区空间集聚显著，主要是生态退耕、生态用地显著增加；逐步形成北部土默特平原区和水系两岸以生产生态用地和生产生活用地为主的生产生活空间，中部、南部黄土丘陵区和山区以生态用地和生态生产用地为主的生态空间。

图2 不同时期研究区“三生”用地空间变化

4 结论与讨论

4.1 结 论

(1) 以土地多功能性为基点，根据区域自然条件、土地利用类型和功能特征差异，构建半干旱区县域“三生”用地分类体系，包括生态用地、生态生产用地、生产生态用地和生活生产用地4类，并建立与土地利用类型衔接的标准，为土地利用总体规划有效协调生产、生活和生态功能区控制指标提供依据。

(2) 研究区20 a“三生”用地空间变化分析显示，后期变化程度均低于前期，说明后期土地资源可持续利用管理模式的成效，用地逐步走向高效集约节约利用，但研究区“三生”用地功能区的结构变化仍存在一定问题。研究期间，生态用地减少数量突出，后期逐渐减缓；生产生活用地增加幅度明显，其动态度达到5.9%，而且生产生活用地在空间分析模型上也表现最为强烈，达到12.06%，影响功能区变化的地类是城镇建设用地、风景名胜及特殊用地、工业生产用地；从整个空间变化情况分析，生产生态用地两期变化均强烈，生产生活用地后期空间结构变化增强，生态用地逐渐减弱，影响功能区变化主要地类有耕地、生态功能用地和牧草地。说明研究区经济发展对建设用地的需求在增加，生产生活用地功能区仍在扩张，使得耕地和生态功能用地在减少，但速度减缓，说明区域生态环境建设得到重视。

(3) 研究区“三生”用地空间变化前期集中在大红城乡、城关镇和新店子镇黄土丘陵区和山区，后期盛乐经济园区、巧什营镇、盛乐镇的土默特平原的地貌类型区。20 a尺度的空间变化集聚逐步形成北部土默特平原区以生产生态用地和生产生活用地为主的生产生活空间，中部、南部黄土丘陵区和山区以生态用地和生态生产用地为主的生态空间；“三生”用地功能分区分化功能逐渐形成，为新一轮土地利用规划中强调土地生态功能的理念奠定基础，更有利于科学指导、管理和利用土地，协调各类用地之间的关系。

4.2 讨 论

同一用地类型在社会生活中承担多种功能，进行“三生”用地融合空间落地时，定位土地利用空间功能是准确划分“三生”用地空间的基础。本研究中，以中小尺度的土地利用现状数据为基础，对承担多项功能的有林地、牧草地、耕地等用地类型，通过部门调查和实地调查按照单一功能确定其为生态用地、生态生产用地和生产生态用地，在类型内部没有再细分其功能区划，需继续研究细化各用地类型主次空间功能的分类依据，为土地利用规划指标管理提供更为严格的依据。

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