环滇池地区2000-2020年“三生”空间格局演变及其驱动力

王柱莲, 王 平, 支林蛟

(1.云南师范大学 地理学部, 云南 昆明 650500; 2.国家林业局 昆明勘察设计院, 云南 昆明 650216)

改革开放以来，我国社会经济高速发展，城镇化快速推进，城镇化率已从1978年的17.9%上升至2020年的63.89%[1]。然而，伴随着快速的城镇化，生态环境持续恶化，人地关系急剧紧张，空间结构愈发失衡。面对发展困境，党的十八大提出要构建“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“三生空间”，指明了国土空间优化的目标和原则[2]。“三生”空间是指按照国土利用空间的主要功能划分的生态空间、生产空间和生活空间的总称[3]。目前，关于“三生”空间的研究主要集中于概念内涵[4]、分类体系[5]、功能测度[6]、格局演变[7]和空间优化[8]几个方面，而格局演变研究越来越受到关注，研究范围涉及全国、城市群、省市县等各个尺度[9-12]，但是研究内容不够深入，且对于“山—湖—坝”等特殊地区“三生”空间的研究相对薄弱，而该类型地区往往人地关系和空间结构失衡等问题最为突出。环滇池地区具有“山—湖—坝”相间的自然环境，以滇池高原湖泊为中心，形成了一个独立的环状立体生态系统，由内向外，从低至高分别由湖面、坝子平地、台地丘陵和山地4个层次构成[13]；其次，环滇池地区是云南省社会经济和城市发展最集中、最有活力的地区，集经济、政治、文化、交通中心条件于一体，良好的区位条件、地貌条件、水文条件、气候资源等为昆明城市建设发展提供良好的自然本底[14]。但是该区域同时也是云南省高原湖泊生态脆弱区，快速的城镇化使该区域生态环境持续恶化，国土空间格局不断变化与重塑。目前，仅有部分学者从城镇用地扩张[15]和绿色空间动态等[16]方面进行了研究，而“三生”空间格局演变研究在该区域较为缺乏。同时，2000年以来，环滇池地区城镇化进入快速发展阶段，因此，本研究基于土地利用分类数据，对2000—2020年环滇池地区“三生”空间格局演变及驱动力进行研究，旨在优化环滇池地区国土空间格局，同时为全国同类型地区“三生”空间格局研究提供参考。

1 研究区概况与数据来源

1.1 研究区概况

环滇池地区位于云南省昆明市南部，并不是一个行政区划概念，也不等同于传统滇池流域的范围，而是指环绕滇池的8个县、市、区，即五华区、盘龙区、官渡区、西山区、呈贡区、晋宁区、嵩明县和安宁市，区域国土面积约6 738 km2(含滇池水域面积299.7 km2)[17]。其中西山区、官渡区、呈贡区和晋宁区与滇池直接接壤，五华区、盘龙区和嵩明县位于滇池流域主河流盘龙江中上游，安宁市则被滇池出水口海口河、螳螂川流经。

1.2 数据来源

土地利用分类数据来源于中国科学院资源环境科学数据中心(http:∥www.resdc.cn)的中国多时期土地利用/土地覆盖遥感监测数据库[18]，该数据库主要基于美国卫星Landsat-MSS，TM/ETM和Landsat-8OLI卫星遥感数据，采用人机交互式目视判读的方式构建，遥感数据分辨率均为30 m，解译精度为88.95%，投影系统采用Albers正轴等面积双标准纬线圆锥投影。根据研究需要，分别选取了环滇池地区2000，2005，2010，2015和2020年共5个时期的土地利用分类数据。驱动因子中平均海拔、平均坡度因子来源于地理空间数据云DEM数据，年降雨量、年平均气温和人文因子数据来源于《昆明市统计年鉴(2000—2020年)》以及相应年份的县(市、区)国民经济和社会发展统计公报。

2 研究方法

2.1 分类体系

“三生”空间分类是基于国土空间的多功能性，以土地的主体功能为划分依据对国土空间进行的类型划分[19-20]。“三生”空间指的是生态、生产和生活空间[21]，本文以突出国土空间主体功能为分类目标，基于中科院LUCC遥感监测数据二级分类体系，建立环滇池地区“三生”空间分类与土地利用类型衔接表(表1)。

表1 环滇池地区“三生”空间分类与土地利用类型

2.2 动态度

动态度可以定量描述一定时间范围内各土地利用的变化速度[22]。其中，单一动态度用来衡量同一土地利用类型的变化速度，综合动态度可以描述区域土地利用类型变化的剧烈程度。计算公式分别为：

(1)

式中：K为研究时段内某一土地利用类型动态度;Ua,Ub分别为研究期初及研究期末某一种土地利用类型的数量;T为研究时段,当设定为年时,表示该区域此类土地利用类型的年变化率。

(2)

式中：LC为研究期时段内区域综合土地利用动态度; LUi为研究期初i类土地利用类型面积; ΔLUi-j为研究时段内i类土地利用类型转移为j类土地利用类型的面积;T为研究时段,当设定为年时,表示该区域土地利用的年综合变化率。

2.3 转移矩阵

转移矩阵是地理学和景观生态学的重要研究方法之一，能够较全面地展示区域土地利用变化的结构特征，并对各土地利用类型的流向进行深入分析[23]，研究利用ArcGIS平台中的地图代数方法，分别提取2000—2010年和2010—2020年两个时段的“三生”空间转移矩阵。其数学表达式为：

(3)

式中：S为土地面积;n为土地利用的类型数;i,j分别为研究期初与研究期末的土地利用的类型序号。

同时，引入信息图谱对一级空间转移进行图谱可视化。计算公式为：

(4)

式中：G表示研究区在多个连续时期内土地利用演变为新的图谱单元栅格属性值;N表示研究的连续时期数目;M表示其序列号; PM表示研究区内第M个时期的土地利用栅格图的属性值。

2.4 景观格局指数

景观指数是指能够高度浓缩的景观格局信息，反映其结构组成和空间配置某些方面特征的简单定量指标[24]，主要包括斑块、类型和景观 3个水平尺度的指数，景观水平指数能够衡量整个景观整体结构和功能，研究依据环滇池地区“三生”空间特征和景观格局指数的生态学意义[25]，在景观水平指数上分别选取斑块个数(NP)、斑块密度(PD)、最大斑块指数(LPI)、蔓延度指数(CONTAG)、景观形状指数(LSI)、聚集度指数(AI)、分割度指数(DIVISION)、香浓多样性指数(SHDI)和香浓均匀性指数(SHEI)共9个景观格局指数进行计算。

2.5 地理探测器

地理探测器是探测空间分异性，以及解释其背后驱动因子的一种新的统计方法[26]，采用决定力值q来解释自变量对因变量的空间分异。本文选取地理探测器中的因子探测模块，探测不同社会经济因子对环滇池地区“三生”空间面积动态变化的驱动作用，以表明影响因子对现象因子空间分异影响的程度。其表达式为：

(5)

3 结果与分析

3.1 总体动态特征

3.1.1 数量结构特征 通过ArcGIS平台对环滇池地区不同时期“三生”空间分布格局进行可视化表达，由图1可知，2000—2020年该地区“三生”空间格局发生了巨大变化，且时空差异显著。

如图1—2所示，从横向看，环滇池地区不同时期“三生”空间中生态空间面积均具有极大优势，且分布广泛，生产空间和生活空间则处于劣势，生产空间主要分布于东北部和西南部，生活空间主要分布于中部，其中，2000，2005，2010，2015和2020年生态空间面积分别为4 807.11，4 797.52，4 702.91，4 628.97和4 501.37 km2，生产空间面积分别为1 574.77，1 560.48，1 505.92，1 445.75和1 314.81 km2，生活空间面积分别为356.52，380.45，529.63，663.72和922.28 km2。从纵向看，2000—2020年环滇池地区生态空间和生产空间持续缩减，生活空间逐渐增加，其中，生态空间和生产空间缩减面积分别为305.74和256.96 km2，占“三生”空间总面积的比例分别下降4.54%和3.86%，生活空间增加565.76 km2，占“三生”空间总面积的比例上升8.40%。

图1 环滇池地区“三生”空间格局演变

图2 环滇池地区“三生”空间数量结构动态特征

由表2可知，2000—2020年环滇池地区“三生”空间动态变化度差异显著。从单一动态度来看，2000—2020年生活空间动态度最大，为7.93%，且不同时期均为正值，扩张动态度波动上升；生产空间和生态空间动态度较小，分别为-0.83%和-0.32%，且不同时期均为负值，缩减动态度持续加快。从综合动态度来看，2000—2020年环滇池地区“三生”空间动态度为0.42%，2000—2005年、2005—2010年、2010—2015年和2015—2020年动态度分别为0.07%，0.44%，0.40%和0.77%，呈波动上升趋势。

表2 环滇池地区“三生”空间动态度

3.1.2 格局演变特征 图3和表3分别为2000—2020年环滇池地区“三生”空间演变格局及演变面积，主要表现为保持、缩减和扩张3种情况。从生态空间来看，2000—2020年以保持为主，面积为4 395.04 km2，其次缩减区域大于扩张区域，缩减区域集中于东北—西南地区，面积为412.07 km2，扩张区域零散分布，面积为106.33 km2；从生产空间来看，2000—2020年以保持为主，面积为1 192.06 km2，其次缩减区域大于扩张区域，缩减区域集中于中部，面积为382.71 km2，扩张区域主要分布于东北部和西南部，面积为122.75 km2；从生活空间来看，2000—2020年以扩张为主，面积为599.63 km2，其次保持区域远大于缩减区域，保持区域集中于中部昆明主城区，面积为322.65 km2，缩减区域无明显特征，面积仅为33.87 km2。总体来看，滇池周边“三生”空间格局演变最为剧烈，生态空间、生产空间缩减区域和生活空间的扩张区域均主要位于滇池周边，尤其是滇池北部和东部。

图3 环滇池地区2000—2020年“三生”空间格局演变

表3 环滇池地区2000-2020年“三生”空间演变

3.1.3 空间差异特征 环滇池地区包括8个县、市、区，不同区县社会经济发展水平差异显著，由此必然使得“三生”空间格局存在显著空间差异。图4为2000—2020年环滇池地区“三生”空间变化空间差异情况。从生态空间来看，各个区县均有不同程度缩减，其中，官渡区和安宁市面积缩减最甚，分别缩减70.27和60.00 km2；从生产空间来看，各个区县同样均有不同程度缩减，其中，官渡区、安宁市和呈贡区面积缩减最为突出，分别缩减61.95，52.12和51.01 km2；从生活空间来看，各个区县则均有不同程度的扩张，其中，官渡区、安宁市和呈贡区面积扩张最为严重，分别为132.22，112.12和106.24 km2。总体来看，官渡区、安宁市和呈贡区“三生”空间变化最为剧烈。

图4 环滇池地区2000-2020年“三生”空间变化空间差异

3.2 空间转移特征

表4为2000—2010年环滇池地区“三生”空间转移矩阵，从转出角度来看，生态空间主要转向生活空间，共计104.55 km2，生产空间主要转向生活空间，共计132.06 km2，生活空间主要转向生产空间，共计40.19 km2；从转入角度来看，生态空间主要来源于生产空间，面积为39.74 km2，生产空间主要来源于生态空间，面积为62.71 km2，生活空间主要来源于生产空间，面积为132.06 km2。

表4 环滇池地区2000-2010年“三生”空间面积转移矩阵 km2

表5为2010—2020年环滇池地区“三生”空间转移矩阵，从转出角度来看，生态空间主要转向生活空间，共计208.82 km2，生产空间主要转向生活空间，共计209.09 km2，生活空间主要转向生产空间，共计13.10 km2；从转入角度来看，生态空间主要来源于生产空间，面积为65.94 km2，生产空间主要来源于生态空间，面积为70.83 km2，生活空间来源于生产空间和生态空间，面积分别为209.09和208.82 km2。

表5 环滇池地区2010-2020年“三生”空间面积转移矩阵 km2

通过对2010年前后10 a对比来看，生态空间和生产空间转出面积明显增加，生态空间转出面积由167.26 km2变为279.65 km2，生产空间转出面积由171.80 km2变为275.03 km2，生活空间转出面积明显减少，由63.51 km2变为25.26 km2，可见生活空间对生态空间和生产空间的侵占越来越严重。由图5可知，2000—2010年和2010—2020年环滇池地区“三生”空间转移均在滇池周边最为剧烈，转移类型上均以生态空间和生产空间转向生活空间为主，尤其是昆明中心城区，由此可见人类活动对于环滇池地区“三生”空间格局变化影响极为显著。

图5 环滇池地区“三生”空间转换信息图谱

3.3 景观格局特征

图6为2000—2020年环滇池地区“三生”空间景观水平指数变化情况。斑块个数(NP)和斑块密度(PD)指数在2000—2015年呈现上升趋势，但是2015年以后有所降低，说明该区域人类活动对景观的破坏性和干扰性先加速了“三生”空间的破碎化，但随着生态建设的加强，破碎化有所降低。最大斑块指数(LPI)在2005—2010年急剧下降，随后缓慢上升，说明“三生”空间中优势斑块被严重破坏，但近年来得到了一定保护。蔓延度指数(CONTAG)则持续下降，说明该地区“三生”空间是一个多要素的密集格局，破碎化始终处于较高水平。景观形状指数(LSI)呈现先上升后下降的趋势，说明“三生”空间斑块形状先复杂后简单。聚集度指数(AI)呈现先下降后上升趋势，说明“三生”空间凝聚程度先下降后紧实。分割度指数(DIVISION)在2005—2010年急剧上升，说明“三生”空间受到了严重破坏，随后变化平缓，破坏程度得到减缓。香浓多样性指数(SHDI)和香浓均匀性指数(SHEI)呈现持续上升趋势，说明“三生”空间中斑块呈现均匀化分布趋势，景观多样性增强。

图6 环滇池地区“三生”空间景观指数变化

3.4 驱动力分析

“三生”空间格局的形成与演变受到自然地理、社会经济和政策规划的综合作用。研究基于地理探测器对自然地理和社会经济因子进行探测，政策规划因子难以量化，则进行定性分析。根据已有研究[27-28]，结合环滇池地区国土空间开发实际情况，分别选取各区县平均海拔(X1)、平均坡度(X2)、年降雨量(X3)和年平均气温(X4)共4项自然地理因子，以及人口密度(X5)、城镇化率(X6)、人均GDP(X7)、第一产业占比(X8)、第二产业占比(X9)、第三产业占比(X10)、城市绿化覆盖率(X11)和森林覆盖率(X12)共8个社会经济因子作为自变量，以环滇池地区不同时期“三生”空间面积作为因变量，对自然地理和社会经济因子进行因子探测，探测结果如图7所示，且结果显示p值均通过1%水平的显著性检验。

3.4.1 自然地理因素分析 由图7可知，从因子解释力来看，总体上4项自然地理因子对于生产空间的影响程度均较高，对生态空间和生活空间的影响因子差异较大，其中平均海拔对于生活空间和生产空间影响最为显著，平均坡度对于生态空间影响最为显著，年降雨量和年平均气温对于生产空间影响最为显著。从时间动态来看，2000—2020年平均海拔对生态空间和生产空间影响较为稳定，对生活空间影响有所减弱；平均坡度对生态空间和生产空间影响较为稳定，对生活空间的影响逐渐增强；年降雨量对于生态空间和生产空间影响逐渐增强，对生活空间的影响越来越低；年平均气温对于“三生”空间的影响均越来越低，尤其对生活空间影响下降最快。自然地理因素是“三生”空间格局演变的基础性决定条件，环滇池地区自然地理条件特殊，具有“山—湖—坝”相间的自然环境，对于该地区“三生”空间格局演变影响显著。

图7 不同时期各因子作用强度(地理探测器q值)的变化趋势

3.4.2 社会经济因子分析 由图7可知，从因子解释力来看，人口密度、森林覆盖率和城市绿化覆盖率是生态空间格局演变的主要驱动力；人均GDP、人口密度、城镇化率和森林覆盖率是生产空间格局演变的主要驱动力；第三产业占比、人口密度、第二产业占比和森林覆盖率是生活空间格局演变的主要驱动力。从时间动态来看，2000—2020年城镇化率、第二产业占比和森林覆盖率对生态空间的影响明显增强；城镇化率、人均GDP和森林覆盖率对生产空间的影响明显增强，第三产业占比影响减弱；各项社会经济因子对生活空间的影响均波动减弱。社会经济因子是“三生”空间格局演变的直接推动力，环滇池地区作为云南省经济高度发达地区，2000年以来，城镇化进程不断加快，人类活动干扰频繁，社会经济活动给该地区“三生”空间格局演变带来了巨大影响，又以人口密度产生的影响最大。

3.4.3 政策规划因子分析 从20世纪80年代滇池生态系统遭严重破坏，党中央、国务院和省委、省政府高度重视滇池水污染防治工作，将滇池治理列为我国生态环境保护和水污染治理的标志性工程[29]。“九五”以来，国家连续4个“五年计划”将滇池纳入“三河三湖”治理重点，先后投入5.00×1010元治理滇池，全力推进“环湖截污、农业农村面源治理、生态修复与建设、入湖河道整治、外流域调水及节水”6大工程[30]。但是，在大力治理滇池生态环境的同时，昆明城区的扩张逐步加快，2003年，昆明市提出以滇池为中心，实施“一湖四环”和“一湖四片”工程，建设山水一体的现代新昆明，确定了昆明市向南发展的主旨，2011年，呈贡“撤县设区”，昆明“南扩”使得环滇池地区“三生”空间格局发生巨大变化，生产空间和生态空间逐渐被生活空间侵占。因此，政策规划因子对于环滇池地区“三生”空间格局演变起到了间接推动作用，尤其对“三生”空间格局空间差异影响显著。

4 讨论与结论

4.1 讨 论

自古以来，城因水而兴，也因水而止，“湖城”关系一直是滨湖型城市发展不可避免的难题，昆明的发展历程与滇池密切相关，长期以来，滇池养育了昆明，然而，随着城镇化进程的持续加快，滇池逐渐退缩，水质不断恶化。2003年，昆明提出了“一湖四片”的环湖发展战略，在2008年的城市总体规划中提出了中心城、海口、昆阳、晋城4个片区围绕滇池发展的空间结构[31]，在这一思路下，城市进一步向滇池靠近，呈贡新区大规模扩张，晋宁区也开始出现地产及度假项目，围绕滇池形成了四面开花的造城围湖的局面[32]。同时，虽然昆明在过去20 a来投入巨大的精力进行滇池治理，但这些措施都只是问题出现后的补救措施，若任由城市规模的不断扩大与人口的继续集聚，滇池的环境问题将陷入难以扭转的困境。因此，要从根本上改变滇池环境恶化趋势，就必须从整个环滇池地区生态环境综合治理入手，合理协调“三生”空间布局，加强“三线”管控。本文从“三生”空间格局演变和驱动力分析的角度对2000—2020年环滇池地区“三生”空间进行了研究，但格局研究的目的在于优化空间结构，在后续的研究中，“三生”空间格局模拟预测和格局优化策略研究应重点关注，从而使得环滇池地区“三生”空间布局合理，实现真正的“绿水青山就是金山银山”。

4.2 结 论

(1) 环滇池地区“三生”空间总体动态特征变化显著。2000—2020年环滇池地区生态空间和生产空间持续缩减，生活空间逐渐增加，“三生”空间动态度呈波动上升趋势，生活空间动态度最大，且扩张动态度波动上升，生产空间和生态空间动态度较小，且缩减动态度持续加快；2000—2020年环滇池地区“三生”空间演变格局主要表现为保持、缩减和扩张3种情况，滇池周边的“三生”空间格局演变最为剧烈；生态空间面积缩减最多的是官渡区和安宁市，生产空间缩减和生活空间扩张均以官渡区、安宁市和呈贡区最甚，总体来看，官渡区、安宁市和呈贡区“三生”空间变化最为剧烈。

(2) 环滇池地区“三生”空间转移剧烈。从转出情况来看，生态空间和生产空间主要转向生活空间，生活空间主要转向生产空间，从转入情况来看，生态空间主要来源于生产空间，生产空间主要来源于生态空间，生活空间来源于生产空间和生态空间； 2010年以后，生活空间对生态空间和生产空间的侵占越来越严重，不同时期环滇池地区“三生”空间转移都以滇池周边最为剧烈。

(3) 环滇池地区“三生”空间景观格局变化显著。2000年来，“三生”空间中优势斑块被严重破坏，但随着生态建设的加强，2015年以来“三生”空间破碎化程度有所降低，凝聚程度变得紧实，“三生”空间中斑块分布呈现均匀化趋势，景观多样性增强。

(4) 环滇池地区“三生”空间变化受多重驱动影响。环滇池地区“三生”空间变化受到自然地理、社会经济和政策规划因素的多重影响。自然地理因子作为“三生”空间格局演变的基础性决定条件，各因子对于生产空间的影响程度均较高，对生态空间和生活空间的影响差异较大；社会经济因子作为直接推动力，给该地区“三生”空间格局演变带来了巨大影响，又以人口密度产生的影响最大；政策规划因素则是“三生”空间格局演变的间接推动力。