固原市原州区2000-2018年“三生”用地及生态系统服务变化

滑雨琪, 马彩虹,2, 安斯文, 袁倩颖

〔1.宁夏大学 地理科学与规划学院, 宁夏 银川 750021; 2宁夏(中阿)旱区资源评价与环境调控重点实验室, 宁夏 银川 750021〕

伴随着工业化和城镇化的快速推进，土地利用之间的冲突和矛盾日益突出，与之相应，也引起了生态系统服务功能也发生显著变化[1-3]。如何由冲突走向协同发展，如何确保生态系统服务结构与功能提升，是当前国土空间优化亟待研究解决的重大现实问题[4-5]。2012年，国家提出了“生产空间集约高效、生活空间宜居适度、生态空间山清水秀”的国土空间优化目标[6]。

因此，基于三生用地视角开展区域国土空间格局演变及其生态效应，已成为当前土地变化科学的热点。如陈明叶等[7]的研究表明大清河阜平流域土地结构的改变对该地区的生态系统服务价值造成了巨大的影响；杨锁华等[8]构建“三生”用地体系和生态系统服务价值模型对长江经济区的研究，发现1990—2014年生长江经济区态系统服务价值主要增长区分布呈现出“山地>丘陵区>平原区”格局；戴文远等[9]研究发现生产、生活空间对生态空间的侵占是福州新区ESV下降的主要原因。现有的“三生空间”与生态系统服务价值的耦合研究大部分还处于静态因子研究，无法满足不同地区在国土空间开发中的土地利用转型规划、生态系统治理等的实际应用，并且在研究区域上缺乏对经济欠发达地区和西北干旱区的三生功能研究[9-11]。

宁夏回族自治区固原市原州区是国家扶贫开发重点县(区)之一，于2020年退出贫困县序列。由于是固原市政治、经济、文化中心，近20 a来城市化进程较快，该区域位于中国生态安全战略格局“两屏三带”中的黄土高原—川滇生态屏障，生态地位突出，同时，它又是宁夏南部山区农产品主产区，因此，原州区的三生用地争地矛盾一度十分突出[12-13]。本文以原州区为例，基于“三生”空间视角开展脱贫地区退耕还林以来的国土空间演变及生态效应研究，以期为生态脆弱、经济欠发达地区的国土空间开发与主体功能优化提供一定的决策参考。

1 方法与数据

1.1 研究区概况

原州区位于东经106°00′—106°30′，北纬35°50′—36°20′之间，地处宁夏回族自治区南部、六盘山东麓，降水主要集中于夏季，年均降水量300～550 mm。地势南高北低，西南为六盘山山地，东北为黄土丘陵，中部为清水河谷冲积平原，山地、丘陵和河谷平原分别占 20.6%，32.9%和46.5%。

原州区是固原市政治、经济、文化中心和宁南区域中心城市核心区，现辖7镇4乡3个街道办事处，总面积2 739 km2。截至2018年，户籍人口为43.13万人，GDP为136.44亿元，占固原市2018年GDP的45%。隶属于北方农牧交错生态脆弱区，面临土地沙漠化，草地过度放牧，植被退化，水土保持能力下降，水资源短缺等资源环境问题。自2000年以来，实施了退耕还林、自然封育等生态恢复措施。

1.2 研究方法

1.2.1 三生空间用地分类 本文主要参照杨清可等[14]、李广东等[15]提出的“三生”空间分类体系加以整合，并根据研究区域的实际情况重新划分等级，原州区“三生用地”分类体系详见表1。

表1 原州区“三生”用地分类体系

1.2.2 “三生”用地动态度模型 “三生”用地空间动态变化其本质是不同功能用地的空间动态变化。引用刘纪远[16]和王考等[17]学者的土地利用动态度模型，研究基于“三生”空间理论下的土地利用动态度。以此可以有效地比较各区域土地利用变化差异。计算公式为：

(1)

式中：K1为研究时段内某一用地类型动态度； LA(i,t2)，LA(i,tr)分别表示研究初期和研究末期某类型利用地面积；T为研究时间长度。

1.2.3 生态系统服务价值模型 根据Costanza等[18]提出的17种生态系统功能和生态系统服务价值计量模型，计算区域生态系统服务价值。计算公式为：

ESV=∑(Ak·VCk)

(2)

式中：ESV为生态系统服务价值；Ak为k地类的面积； VCk为第K种土地利用类型的生态价值当量因子。参照Costanza等[18]、谢高地等[19]计算得出的生态系统服务价值当量因子，以2018年宁夏全区粮食市场平均成交价格的1/7作为一个生态服务价值当量经济价值，经过实际调研，选取了原州区种植规模最大的3种作物(玉米、谷类、大豆)为衡量标准。计算出原州区的生态系统服务价值单位是1 599元/hm2。各类系统的单位面积生态系统服务价值详见表2。

表2 原州区单位面积生态系统服务价值 元/hm2

1.3 数据来源

本文数据主要包括土地利用、DEM、行政矢量及社会经济数据。其中2000年土地利用数据源为20000627的Lanssat 7ETM+影像，空间分辨率为30 m；2009年土地利用数据来自国土二调成果，影像盘数据为SPOT，其全色波段空间分辨率为2.5 m，单色波段为10 m；2018年数据为GF-2号影像，共13幅景。通过ENVI5.5软件对影像数据进行几何校正、图像配准等预处理，利用人机交互方式解译，Landsat 7ETM+分类精度85%，kappa系数0.88；GF2数据分类精度92%，kappa系数0.92。参照2017年全国土地利用分类方法，将土地利用类型分为10类，名称和代码依次为旱地1，水浇地2，园地3，林地4，草地5，城镇用地6，乡村居民点7，水域8，工矿水利用地9，未利用地0。

2 结果与分析

2.1 原州区“三生”用地动态变化分析

2.1.1 原州区“三生”用地结构分析 原州区土地利用类型中，基本上以生产用地和生态用地为主，其中，生产用地以旱地为主；生态用地中，以林地和草地为主(图1)。研究时段内生产用地由2000年的117 816.07 hm2变为2018年113 572.37 hm2，比例由42.88%变为41.88%；生态用地由150 178.51 hm2变为144 505.42 hm2，比例由54.66%变为52.52%；生活用地由6 747.38 hm2变为17 020.01 hm2，比例由2.46%变为6.19%。其中，生产用地表现为旱地减少、水浇地和园地增加，且主要发生在2000—2009年，后期变化不大；生态用地中，林地和草地变化幅度明显，主要表现为2000—2009年林地增加和草地减少，2009—2018年变化不大；水域和未利用地在整个时段中变化不大。生活用地中城镇用地和居民点面积都稳定增加，分别增长了1 811.77，671.85，16 572.89 hm2。

图1 原州区“三生”用地结构

2.1.2 原州区“三生”用地动态度变化分析 此处用地类型动态度K值表现为年均动态度。由表3可以看出，生产、生态、生活空间在前期的转移度均明显大于后期。2000—2009年生活空间为转入率最大用地，动态度为-5.72%；二级地类中，城镇用地为-9.21%明显大于乡村居民点的-4.73%，表明此时间段内生活空间中城镇用地转入率远高于乡村居民点。2000—2009年和2009—2018年生产空间动态度分别为0.26%和0.18%，两段研究时间内生产空间动态度较为接近；旱地在研究区域的前期和后期的动态度分别1.86%和0.19%，表明旱地转为水浇地和园地主要发生在第一阶段。2000—2009年和2009—2018年生态空间动态度为0.21%和0.02%，表生态空间在研究前期有少量流出，研究后期处于平稳发展状态；二级分类中，2000—2009年林地、草地和水域土地动态度为-6.91%，7.53%和5.08%，林地在研究前期有大量流入，草地和水域则在研究前期是处于大量流出的状态，并且林地、草地、水域和未利用在研究后期均无明显转移。

表3 原州区2000-2018年“三生”用地空间动态度 %

2.2 原州区“三生”用地空间格局及其变化分析

由附图3可以看出，原州区的“三生”空间格局具有明显的空间分异特征，城乡聚落方面，以中部清水河谷平原区较为密集，西南部的六盘山山地区和东北部的黄土丘陵沟壑区较为稀疏；与城乡聚落分布相呼应，农业生产用地以中部清水河谷平原区为主；林地和草地两类生态用地主要分布与六盘山地和黄土丘陵沟壑区。研究时段内，原州区“三生”用地表现为城乡聚落和农业生产用地向中部河谷区集中、林地面积增加、草地面积缩减的态势。首先，随着宁夏生态移民计划的实施，六盘山地区和黄土丘陵区的人口迁出，中部清水河谷平原区的城乡聚落的扩张速度明显快于山地和丘陵区。因此，随着城乡聚落的扩张，相当一部分耕地非农化，同时，随着退耕还林措施的实施，研究时段内原州区的农业生产用地有所减少，由2000年的117 816.07 hm2减少为2018年的112 708 hm2，但用地结构明显优化，主要表现为随着固海扩灌工程的实施，在黄铎堡镇、三营镇、头营镇和彭堡镇的一部分旱地改水浇地和园地，水浇地和园地分别增加了11 443.7和1 014.82 hm2(附图4)，极大地提高了农业用地的生产集约性。其次，随着退耕还林、荒山造林、自然封育、四旁植树造林等生态恢复措施的实施，原州区的林地大幅增加。2000年，林地20 860.89 hm2，主要分布于六盘山地区。2018年，林地面积大幅增加，达到67 358.63 hm2。森林覆盖率由2000年的7.58%增加到2018年的24.49%。空间上，在六盘山地区的林地出现了一个明显的南北延伸的生态带，东北部黄土丘陵区的林地面积显著增加，形成了以原州区城区为中性的U形森林生态带。因此，草地有所减少，由2000年的119 183.23 hm2降低为2018年的67 841.70 hm2。因此，研究时段内，原州区的三生空间格局和结构有所优化。

建设用地大幅增长，主要是城镇用地大幅上升，2000—2018年城镇用地扩张面积达5 337.68 hm2，涨幅为739.5%，乡村居民点并无明显变化。旱地依然分布广泛，但是面积从2000—2018年减少了19 599.47 hm2；空间格局上，原州区北部和东南区域的大部分旱地流向了林地、草地和居民点，2000—2018年分别转移了21 133.95和8 516.41 hm2。“固海扩灌”项目的运转，沿灌溉渠分布的水浇地和园地取代了原有的旱地，2000—2018年旱地向水浇地共转移了11 135.25 hm2。草地大幅减少，造成这一现象的主要原因是草地向林地的转移，并且主要分布于原州区东西两侧的黄铎堡镇、彭堡镇和河川乡区域，2000—2018年草地向林地共转移38 139.43 hm2。

2.3 原州区生态系统服务价值损益分析

2.3.1 生态系统服务价值结构演变分析 原州区的生态系统服务价值由2000年的24.73亿元增长至2018年的34.79亿元。其中，供给服务ESV由3.36亿元减少至3.18亿；调节服务ESV由14.1亿元增长至22.14亿元；支持服务ESV6.34亿元增长至8.84亿元；文化服务ESV由0.94亿元增长至1.40亿元。2000—2009年，各项服务功能中只有供给服务功能ESV出现下降，下降的主要原因是生产用地面积的减少；调节服务功能ESV占比从56.99%增加至62.24%，是4项主要服务功能ESV中占比最大、增长速度最快。供给服务功能中，主要是水资源供给ESV出现减少，从0.27亿元减少至-0.24亿元，主要原因是时段内水域面积有所减少；其余两项子功能ESV均表现为小幅增加。调节服务功能中，气候调节和水文调节ESV是增量最大、增速最快的二级功能，分别从5.12和4.41亿元增长至8.11和7.38亿元；支持服务功能中，三项二级服务功能价值均有小幅增长，但只有生物多样性ESV占比增加，从8.33%增加至10.59%；调节、支持服务ESV增加的主要原因是生态用地中林地面积大幅增加。2009—2018年生态系统总体服务价值出现略微下降，减少了0.66亿元；4项主要服务功能中仅有支持服务ESV保持增长态势，其余功能价值均有小幅度减少。二级功能中也仅有土壤保持和维持养分循环功能价值保持增长，水资源供给功能价值保持平稳并未继续减少，其余二级功能均为小幅减少。减少的主要原因为生活用地的增加，降低了调节、支持服务ESV因子的平均水平(表4)。

表4 原州区2000-2018年生态系统服务功能的ESV变化

2.3.2 不同地类生态系统服务价值变化特征 在同一研究区域内，不同服务功能价值的变化与不同地类生态系统价值的转换存在耦合关系。2000—2009年，生产用地ESV增长了0.34亿元。2009年生活用地ESV总贡献率只有0.55%，但同比2000年增加了137.5%，为增长幅度最大地类。生态用地是原州区各生态系统服务价值贡献率最大的地类，也是2000—2009年生态系统服务价值增长变量最大，增加了9.7亿元。二级地类中，草地和水域ESV分别减少了4.14和0.003亿元，同时，林地ESV增长了15.2亿元，并且成为原州区生态系统服务价值贡献率最大的二级地类，占比59.01%。2009—2018年，原州区生态系统服务价值减少0.16亿元。生态用地ESV几乎没有变化；生产用地服务价值减少0.14亿元，二级地类中，旱地和水浇地ESV有略微的波动，其余地类服务价值基本无变化；生活用地服务价值增加了0.03亿元。2000—2018年原州区ESV的变化与同一时段内用地类型的变化基本保持一致，水浇地、园地和林地取代了原有的旱地和草地，是原州区ESV大幅增加的主要原因；生产、生态用地减少和生活用地面积增加则是研究区域后期总体ESV减少的主要原因(表5)。

表5 原州区2000-2018年不同地类ESV变化

2.3.3 原州区生态系统服务价值转移分析 使用ArcGIS软件中的叠加分析功能，结合本文前面计算出的单个生态系统服务因子价值，得出2000—2018年各地类ESV转移流(图2)。研究时段内，原州区的土地利用转移关系有近20种，其中导致ESV减少的转移流向主要有旱地转为居民点、旱地转为工矿水利用地、草地转为旱地、草地转为工矿水利用地、草地转为居民点，林地转为旱地、林地转草地，其余转移方式均对ESV的增长有益。2000—2009年，旱地成为水浇地、园地、扩张的主要源头，为原州区生态系统总体服务价值累积增加1.43亿元，累计贡献率达到1.29%。2000—2009年林地ESV的大幅增加主要来源于林地和草地，使得ESV增加了13.68亿元，累计贡献率39%；居民点和建设用地的扩张也主要来源于旱地和草地，ESV累积减少了0.51亿元，累积贡献率为1.49%。此外对生态系统价值损失最大的转移流是林地向旱地和草地的流转，林地向旱地和草地流转的土地面积分别为5 717.84和4 497.06 hm2，造成生态系统服务价值分别减少了1.36和1.02亿元，林地向旱地和草地的流转对生态系统服务的总体价值是一项巨大的损失。2009—2018年，生态系统服务价值有轻微的下浮，主要是林地、旱地、水浇地向居民点的转移，其中林地和旱地向居民点的转移使得原州区生ESV分别减少了0.10和0.04亿元，贡献率分别为-41.4%和-22.33%。

注：横轴中地类转移代码，十位数代码为初始年份地类代码，个位数字为末期年份地类代码，如a中13，表示由2000年的草地转为2009年的旱地。

3 讨论与结论

3.1 讨 论

经过上述研究可发现，2000—2018年原州区三生用地格局变化明显，在选取的两段研究时间内，原州区的土地利用格局变化跟人类活动的关系交织复杂。并且原州区土地开发格局经历了两个明显的变化阶段：第1个阶段为“变革期”，2000—2009年由于原州区政府“退耕还林、还草”措施的有力落实，林地面积大幅增加，成为这一阶段原州区生态系统服务价值迅速增长的关键一步，也奠定了生态用地在总体ESV中占有关键地位。生产用地面积虽然减少，但生产用地的ESV不降反升，主要得益于2003年原州区的固海扩灌系统全面开放，水浇地、园地的加入，大幅提高了农用地生产效率，极大地实现了利用自身自然条件与政策优势，由低生态系统服务价值的土地利用方式成功向高生态系统服务价值的转变。同时，这一阶段也是原州区城镇化步伐加快的时期，但城镇化仍处于初级阶段，表现为规模上的疯狂扩张，人口由零星分布变为向政治、经济中心聚集。这一时期生活用地大幅侵占“生产—生态”用地，是造成ESV的损失的主要原因。第2个阶段为“稳定期”，2009—2018年，“退耕还林、还草”和“固海扩灌”工程都已落实并运行稳定，生态用地内部之间的土地结构流转已趋于稳定。这一时期对原州区ESV产生变化的主要是生活用地，仍有小规模的生态和生产用地流向生活用地，其中以旱地、草地和水浇地为主，但都对原州区的总体ESV并没有较大影响。可以看出这一阶段，原州区的“生产—生活—生态”用地之间的流转已逐渐转变为高效、有序的发展，也积极响应了习近平总书记提出的“以绿色发展为导向的新政绩观”。今后发展中应注重三生用地发展的均衡性，生态要素与生产要素共同利用，提高土地集约利用度；注重土地生产功能的同时也不应忽略土地本身具有的生态功能价值，利用自身地理环境和自然条件逐步确定各土地利用主导功能，融入ESV作为评价因素，合理、有序开发。

本文在引用谢高地等学者的生态计算价值方法时，选择2018年的现价作为基准，由于价格的波动性，对计算结果可比性的产生一定的影响。另外，原州区存在少量的人工牧草地，但由于人工牧草地占总土地面积低于1%，所以在分类时将其并入草地，统一采用草地的生态系统服务价值当量。对于以上因为方法和数据导致在结果上出现的误差，我们会在今后的研究中完善和克服，提升数据与结果的可靠性和准确性。

3.2 结 论

(1) 2000—2018年，生产用地面积大幅减少，内部结构调整主要为旱地大幅减少，水浇地和园地持续；生活用地持续扩张且以城镇用地的扩张为主；生态用地总量变化较小，但内部结构显著调整，以林地的增加和其他生态用地的减少为主要特征。

(2) “三生”用地中生活用地面积动态度最高为-3.31%；二级地类中水浇地、园地为生产用地中动态度最高地类；生活用地中城镇用地动态度最高；林地和草地则为生态用地中动态度最高；并且研究前期“三生”用地动态度明显大于研究后期。

(3) 空间上，以清水河谷为代表的河谷地区主要表现为水浇地和园地的迅速增加；城区和重点乡镇如三营镇和头营镇的建设用地扩张迅速；西部的六盘山地区主要表现为生态用地大幅增加，主要是生态退耕和宜林草地的大力植树造林所致；东部的黄土丘陵沟壑区也有大面积的林地扩张。

(4) 随着用地结构的优化调整，原州区的ESV总量增幅显著，供给、调节、支持、文化功能价值均明显增加。导致ESV减少的转移流向主要有旱地转为居民点、旱地转为工矿水利用地、草地转为旱地、草地转为工矿水利用地、草地转为居民点，林地转为旱地、林地转草地，其余转移方式均对ESV的增长有益。在今后的土地利用结构调整中，需要尽可能避免土地利用方式转换导致ESV的损失。