基于“三生”空间的土地利用功能转型及其生态环境效应研究——以天津市为例

刘海元，韩俊扬，罗 雷

（天津师范大学 地理与环境科学学院，天津 300387）

0 引言

20世纪90年代以来，随着中国城镇化进程的加快，一些城市以“摊大饼”的形式进行扩张，占用了大量耕地、牧草地、水域和森林等，这些不合理的土地利用直接或间接地造成了植被破坏、水土流失、土地荒漠化和盐碱化，进而影响到生态环境质量[1]，因此土地利用类型变化对生态环境的影响已成为研究全球生态变化的重要途径之一[2]。土地利用类型及其所主导功能的转化是土地利用转型最主要的特征，即土地利用中的“生产、生活、生态”（以下简称“三生”）三大主导功能的相互转移[3]。在2012年党的十八大中指出要将优化国土空间开发格局作为生态文明建设的首要举措，到2035年基本形成生产空间集约高效、生活空间宜居适度、生态空间山清水秀的可持续发展的国土空间格局[4]。准确把握土地利用转型对生态环境质量演化与空间分异的影响机制，是生态环境保护的关键问题，也是国土空间治理与优化的基础。因此，本文在“三生”空间的视角下，定量分析天津市土地利用转型及其生态环境效应，为协调天津市国土空间规划和生态环境保护提供借鉴。

国外没有明确的“三生”空间的概念，直到20世纪90年代后期在可持续发展理念得到全球范围认可后，土地功能的多样性才逐渐深入生态环境、社会经济等研究领域，而后在生态系统评估领域衍生出了“景观功能”这一理念[5-7]。目前，国内研究土地利用转型及其生态环境效应很少从“三生”空间的视角出发[8]。国内对于土地的研究一方面大多集中在景观格局变化或区域土地利用覆被变化引起的生态环境研究[9-10]，研究方法主要包括景观格局指数、单一土地利用动态度模型、综合土地利用动态度模型和转移矩阵等；另一方面主要是针对某一用地类型的变化导致的生态环境的变化，如生态敏感区[11]、耕地[12]、林地和建设用地[13]等的动态变化引起的生态环境效应的变化及其驱动力因素。对生态环境效应的研究主要是通过生态系统服务价值和生态环境质量指数的测算来具体分析[14-15]。从研究尺度上看，以省级、市级或流域研究居多，如重庆市[16]、雄安新区[17]、艾比湖流域[18]等。天津作为北方最大的港口城市，同时也是四大直辖市之一，其土地利用转型引起的生态环境变化对于京津冀的环境保护与生态安全意义重大[19]。

综上所述，本文以天津市为例，从“三生”空间的角度定量研究2000—2015年天津市土地利用转型、时空变化特征以及生态环境变化的趋势，揭示土地利用功能的转型对生态环境的影响，以期为天津市乃至京津冀地区的生态文明建设和国土空间规划提供决策依据。

1 研究区概况、数据来源与方法

1.1 研究区概况

天津市地处我国华北平原，是北方最大的港口城市，交通条件便利，地理区位优势明显，以京津冀地区为发展腹地，在“一带一路”建设中具有重要意义。天津市下辖16个区，规划面积11 966.45平方千米，全市生产总值（GDP）从2000年的1 826.67亿元上升到2019年的14 104.28亿元，常住人口从2000年的1 001.14万人上升到2019年的1 561.83万人，城镇人口从535.22万人上升到1 303.82万人，城镇化率从53.46%增长到83.48%，这表明天津自21世纪初城镇化进程明显加快，用地结构矛盾日益凸显，“三生”空间格局变化日益加剧，进而深刻影响着天津市生态系统平衡。

1.2 数据来源及处理

天津市2000年、2005年、2010年、2015年土地利用数据来源于资源环境科学与数据中心（https://www.resdc.cn/Default.aspx），空间分辨率为30 m×30 m，该数据是基于Landsat影像，通过人工目视解译生成。社会经济数据来自于《天津市统计年鉴》。土地利用类型包括耕地、林地、草地、水域、居民地和未利用土地6个一级类型以及25个二级类型。因同一用地类型可能兼具多重功能，所以从土地利用功能的视角进行土地利用分类具有难度[8]。但总有基于主体行为的用地意图，其中，生产功能用地以经济特性为导向分为农业和工矿生产用地两类，生态功能用地以自然特性为导向分为草地、林地、水域以及其他生态用地四类，生活功能用地以社会特性为导向分为城镇和农村生活用地两类[20]。因此，通过对土地利用数据的处理，形成生产用地、生活用地和生态用地3个一级土地利用类型和8个对应的二级土地利用类型。基于上述3个一级土地利用分类，参考相关文献[21-22]，制定与之对应的二级地类的生态环境质量指数值，通过面积加权法对“三生”空间各地类进行生态环境质量赋值（表1）。

表1 土地利用主导功能分类及其生态环境质量指数

1.3 研究方法

1.3.1 土地利用功能转型。在一定时间内，区域土地利用类型之间相互转换是反映区域土地利用时空变化的主要特征指标，也是研究区域土地利用功能转型的重要方法[23]。其表达式为：

式中，Smn为m类型土地向n类型土地转移的面积；m、n分别为研究初期与末期的土地利用类型。

1.3.2 生态环境质量指数。不同的土地利用类型有着不同的生态环境质量，综合考虑区域内“三生”空间具有的生态质量及各用地类型面积比例，定量表征区域内生态环境质量状况，其表达式为[3]：

式中，EVt为区域第t时期生态环境质量指数；n为土地利用类型数目；Aki为第t时期用地类型i的面积；Ak为区域总面积；Ri为第i种用地类型的生态环境质量指数。

1.3.3 土地利用功能转型生态贡献率。土地利用转型生态贡献率指某一种土地利用类型变化引起的某一区域的生态环境质量的改变，该贡献率定量分析了各种功能用地之间的相互转换对区域生态环境产生的影响，其表达式为[21]：

式中，LEI为土地利用功能转型的生态贡献率；LEt表示某种土地利用变化类型所反映的变化初期生态环境质量指数；LEt+1表示末期土地利用类型生态环境质量指数；LA为该变化类型的面积；TA为区域总面积。

2 结果与分析

2.1 土地利用转型特征分析

2.1.1 土地利用情况。总体来看，天津市2000—2015年生活用地面积持续增加，生态用地和生产用地面积持续减小。2000—2015年，生态用地从2 634.29平方千米减少到1 853.49平方千米；生产用地从7 419.29平方千米减少到7 387.23平方千米；生活用地从1 425.94平方千米增加到2 239.79平方千米（表2）。从三个一级用地类型来看，生产用地数量占比最多，约占整个研究区面积的64.46%。从二级用地类型来看，生产用地中农业生产用地分布最多最广，多分布在郊区；生态用地中水域生态用地分布最多最广，其次是林地生态用地，主要分布在北部蓟州区；生活用地中农村生活用地最多，在整个研究区内呈散点状分布；其他生态用地占比较少，表明天津市可利用资源较少，开发利用程度高（表3）。

表2 “三生”空间用地面积及其变化（km2）

表3 二级地类用地面积及其变化（km2）

从各个研究时间段来看，2000—2005年，农业生产用地和水域生态用地大幅减少，城镇生活用地和工矿生产用地大幅增加；2005—2010年，水域生态用地、林地生态用地、牧草生态用地大幅度减少，城镇生活用地、农村生活用地、工矿生产用地持续增加，其中城镇生活用地增幅最大，占增幅的47.94%，表明随着城镇化的迅速推进，天津市城镇用地需求增多，土地供需矛盾日益增加；2010—2015年，农业生产用地继续减少，城镇生活用地、农村生活用地和工矿生产用地增幅相比较前两个研究时段减少。

2.1.2 土地利用转型特征。为了进一步研究“三生”空间用地类型的转换，利用ArcGIS 10.5对研究区内四个时期的土地利用数据进行相交分析，确定不同时期的土地利用类型的转换方向和数量（表4、表5、表6）。各个研究时段转型结果如下：

表4 2000—2005年天津市土地利用转移矩阵（km2）

表5 2005—2010年天津市土地利用转移矩阵（km2）

表6 2010—2015年天津市土地利用转移矩阵（km2）

（1）2000—2005年，随着国民经济的健康发展，进一步加大了城市建设力度。土地利用类型转移表现为工矿生产用地主要转移的功能地类是城镇生活用地，转移面积21.02平方千米；牧草生态用地主要转向工矿生产用地，转移面积为10.46平方千米；农村生活用地主要转向城镇生活用地，转移面积为23.24平方千米；农业生产用地主要转向城镇生活用地、工矿生产用地和农村生活用地，转移的面积分别为130.37平方千米、97.29平方千米、68.61平方千米；水域生态用地主要转向城镇生活用地、工矿生产用地和农业生产用地，转移的面积分别为53.99平方千米、25.22平方千米、68.61平方千米；其他土地类型转移变化不明显。

（2）2005—2010年，随着城镇化水平的提高，人们对于生活用地的需求持续增加，加剧了用地供需矛盾，土地利用类型转移变化剧烈。土地利用类型转移的变化主要表现为城镇生活用地主要转向农村生活用地和农业生产用地，转移面积分别为26.84平方千米、36.53平方千米；工矿生产用地主要转向城镇生活用地、农村生活用地、农业生产用地和水域生态用地，转移的面积分别为65.50平方千米、71.49平方千米、99.57平方千米、28.60平方千米；林地生态用地主要转向农村生活用地和农业生产用地，转移的面积分别为13.57平方千米、75.18平方千米；牧草生态用地主要转向城镇生活用地、工矿生产用地、农村生活用地、农业生产用地和水域生态用地，转移的面积分别为14.15平方千米、11.71平方千米、10.19平方 千 米、52.65平方千米、12.14平方千米；农村生活用地主要转向城镇生活用地、工矿生产用地、农业生产用地和水域生态用地，转移面积分别为52.80平方千米、34.41平方千米、272.32平方千米、10.60平方千米；农业生产用地主要转向城镇生活用地、工矿生产用地、农村生活用地、水域生态用地，转移的面积分别为175.59平方千米、109.01平方千米、329.36平方千米、152.10平方千米；水域生态用地主要转向农业生产用地和水域生态用地，转移的面积分别为22.28平方千米、18.22平方千米；其他土地类型转移变化不明显。

（3）2010—2015年，在党的十八大倡导生态文明建设的背景下，天津市积极响应出台了一系列政策，如退耕还草还林、进行山水林田湖草生态修复等，这一时期的土地利用变化趋势远远小于2000—2005年和2005—2010年两个研究时段。土地利用类型转移的变化表现为工矿生产用地主要转向城镇生活用地，转移面积为5.05平方千米；农村生活用地主要转向城镇生活用地和农业生产用地，转移的面积分别为3.47平方千米、9.07平方千米；农业生产用地主要转向城镇生活用地、工矿生产用地和农村生活用地，转移的面积分别为49.06平方千米、86.74平方千米、65.23平方千米；水域生态用地主要转向农业生产用地，转移的面积为5.85平方千米；其他土地类型转移变化不明显。

综上所述，对比分析2000—2005年、2005—2010年和2010—2015年三个时期土地利用转移矩阵可以看出，用地转入最多的是城镇生活用地、农村生活用地和工矿生产用地。在2010—2015年转入明显减少，农业生产用地开始逐渐向牧草生态用地、水域生态用地转入。研究期间内减少最多的牧草和水域生态用地数量也开始缩小，城镇生活用地、农村生活用地开始平稳增加。这表明了国家出台的以“生态文明建设”为主导的一系列政策、措施的实施有效缓解了部分用地矛盾，促进了“生产空间集约高效、生活空间宜居适度、生态空间山清水秀。”

2.2 土地利用转型的生态环境效应

2.2.1 生态环境质量特征。根据公式（2）计算可得，天津市2000年、2005年、2010年、2015年生态环境质量指数分别为0.340 3、0.329 6、0.316 0、0.314 1。总体来说，生态环境质量整体变化幅度较小。2000—2015年天津市生态环境质量指数维持稳定，但呈现出一定的下降趋势。从各研究时段来说，天津市生态环境质量从2010年后出现转折，2010—2015年生态环境质量指数下降0.001 9明显小于2000—2005年的0.010 7和2005—2010年的0.013 6，表明天津市生态环境质量从2010年后开始逐渐得到改善。

2.2.2 各类型土地转型对生态环境影响的贡献度。根据天津市2000—2015年“三生”空间用地变化特征，将15年划分为三个研究时段，分别为2000—2005年、2005—2010年、2010—2015年，依据公式（2）和（3），计算天津市各类型土地转型对生态环境影响的贡献率和占比情况（表7、表8），具体分析如下：

（1）2000—2005年，天津市生态环境质量下降了0.010 7。通过表7可以看出，生态环境恶化的主要原因是农业生产用地和水域生态用地向城镇生活用地和工矿生产用地的转换，贡献占比约为98.22%；生态环境改善主要是工矿生产用地向农业生产用地、水域生态用地和牧草生态用地向水域生态用地转换导致，贡献占比约为89.65%。

表7 2000—2005年天津市“三生”空间主要功能地类转型及其贡献率（km2）

（2）2005—2010年，天津市生态环境质量下降了0.013 6，下降速度加快。通过表8可以看出各土地利用类型转换数量开始增多，其中引起生态环境负效应的土地利用类型转换增多，主要是各类生态、农业生产用地向各类生活用地、工矿生产用地转换，贡献占比约为99.5%。表明这5年间，随着经济、城镇化水平的提高，人们对于生活用地的需求不断增加，加剧了用地供需矛盾，2005—2010年的土地利用转移和生态贡献率几乎保持一致。

表8 2005-2010年天津市“三生”空间主要功能地类转型及其贡献率（km2）

（3）2010—2015年，天津市生态环境质量下降了0.001 9，下降速度相比较于前两期减慢。通过表9可以看出，导致生态环境改善的用地类型转换数量大于生态环境恶化的数量，生态贡献率得到提高。这一时期，党的十八大的顺利召开，国家号召从源头上扭转生态环境恶化趋势，大力推进国家生态文明建设，为人民创造生态宜居的生活环境，为全球的生态安全作出贡献。

表9 2010—2015年天津市“三生”空间主要功能地类转型及其贡献率（km2）

从研究时段整体上看，农业生产用地和水域生态用地大部分向城镇生活用地和工矿生产用地的转换导致了生态环境的恶化；生态环境改善是各类型生产、生活用地向生态用地转换导致，也进一步证明了生态用地的增加直接影响着区域的生态环境质量。

3 结论与讨论

本文从“三生”空间的视角，通过土地利用转移矩阵、计算生态环境质量指数及土地转型对生态环境影响的贡献度，定量分析了天津市土地利用转型变化及生态环境效应。主要分析结论如下：

（1）总体来看，天津市2000—2015年生活用地面积持续增加，生态用地和生产用地面积持续减少。其中农业生产用地和水域生态用地大幅减少，城镇生活用地、农村生活用地和工矿生产用地增加。

（2）从“三生”空间土地利用转移来看，用地流出最多的是各类生态用地，用地转入最多的是城镇生活用地、农村生活用地和工矿生产用地，其他用地类型之间也有不同程度的转移。其中在2010—2015年，生活和生产用地转入明显减少，开始逐渐向牧草生态用地、水域生态用地转入。这与2012年国家出台的一系列有关“推进生态文明建设”的政策有关。

（3）天津市2000—2015年同时存在生态环境恶化和改善两个方面，总体上生态环境质量呈逐渐下降趋势，但生态环境恶化程度在减弱。在研究时段内，农业生产用地和水域生态用地向城镇生活用地和工矿生产用地的转换导致了生态环境恶化；各类型生产、生活用地向生态用地转换提高了生态环境质量。

土地利用功能转型对生态环境效应的影响会随着时间和空间的发展而变化，本文仅基于“三生”空间功能用地的数量变化以及空间演变特征进行了研究，并未深入定量研究引起土地利用转型的驱动力。未来需进一步结合降水等自然因素和社会经济因素，深入研究各阶段的土地利用转型的驱动机制，以此揭示土地利用转型的内在问题，最终实现“生产空间集约高效、生活空间宜居适度、生态空间山清水秀”的可持续发展的国土空间格局。