巢湖流域“三生”用地转型与景观破碎化分析

汪 慧，鲁成树，吴九兴，刘锦洋

（安徽师范大学 地理与旅游学院，安徽芜湖 241000）

党的十八大以来，中央政府首次提出科学规划“三生”用地开发管制边界，划定“三生”用地的分类体系，进一步明确“三生”用地是生产用地、生活用地、生态用地的简称[1］。国内外学者们通过将“三生”用地和生态环境相结合，研究“三生”用地转型生态效应的变化规律和时空演化，探索土地利用转型背景下的区域生态环境演变规律，推动“三生”用地的合理配置和规划布局。在研究尺度上，“三生”用地转型生态效应大多集中在全国[2］、省市[3］和城市群[4］等不同尺度，但对流域尺度的研究较少。在研究方法上，“三生”用地转型生态效应常用方法包括土地利用转移矩阵[5］、景观格局指数[6］、生态环境质量指数[7］以及土地利用综合动态度指数[8］等，但综合运用的研究较少。在研究对象上，大多以经济发展水平高、生态较为脆弱的地区作为典型研究区[9］。现有研究在“三生”用地转型生态效应的定性分析和时空演化研究有很大进展，但较少反映“三生”用地演化对生态环境的响应状况。因此，本文在流域尺度下，综合运用土地利用转移矩阵和景观格局指数法，基于土地利用分类体系将“三生”用地演化与景观生态破碎化相衔接作为重要切入点，定量分析2000—2020年“三生”用地转型对生态环境演变的响应，为“三生”用地用途管制、人地协调发展和生态文明建设提供有益参考。

巢湖流域“三生”用地转型生态效应研究对于实施中部崛起战略，探索合肥都市圈开发新路径，调整优化安徽省国土空间利用结构，培育绿色发展新动能，具有重大的现实意义和历史意义[10］。

1 研究区概况

1.1 地理位置和范围

巢湖流域位于安徽省中部，地处东经116°24′30″-118°00′00″和北纬30°58′40″-32°06′00″之间，面积1.96万km²。巢湖流域呈东西长、南北窄状分布，属于长江水系，位于长江下游左岸，湖水主要靠地表径流补给，其中湖区面积760km²。研究区覆盖合肥市全域，芜湖市无为市，马鞍山市和县和含山县，六安市金安区和舒城县，内含4 市14 县（区）223个乡镇（街道）。研究区范围如图1 所示。

图1 研究区位置和范围Fig.1 Location and scope of study area

1.2 社会经济状况

巢湖流域是安徽省具有发展生机和潜力的区域，2020年国内生产总值共计11626.72 亿元，比上一年度增长6.39%。户籍人口1176.29 万人，人口密度为597.10 人/km²，人口众多且集中，城镇化水平较高。研究区2020年一产值增加512.96亿元，二产值增加4105.56亿元，三产值增加6765.02亿元，三次产业结构比例为4.51:36.07:59.42。

2 数据来源与研究方法

2.1 数据来源

巢湖流域2000—2020 年三期土地使用数据来源于Globeland30，并结合主流土地利用分类，将其分为耕地、林地、草地、水域、建设用地和未利用地。数字高程模型（DEM）数据来源于PIE-Engine 遥感计算云服务平台(https://engine.piesat.cn/engine-studio)，空间分辨率为30m；社会经济指数等有关统计资料来自研究区2000—2020年的安徽省统计年鉴及合肥市、六安市、芜湖市、马鞍山市统计年鉴及各地的经济社会发展公报。

2.2 研究方法

结合现有研究成果和土地利用分类标准，提出巢湖流域地区的“三生”分类和主导功能，结合巢湖流域的实际情况进行了修改，最终得到研究区“三生”用地分类体系（表1）。

表1 “三生”用地主导功能识别及分类体系Table 1 Identification and classification system of leading function of production-living-ecological land

2.2.1 土地利用转移矩阵 土地利用转型矩阵是研究土地利用变化的主要方法，它将相同区域不同时期的土地利用类型动态转化用矩阵的形式表现，可以作为土地利用方向变化和结构分析的基础，能够反映土地利用的结构特征和用地功能变化。土地利用转移矩阵的数学表达式为

式中：S表示地类面积；n表示地类数量；Sij表示i地类转换成j地类的面积。

2.2.2 景观格局指数法 景观格局是以不规则形状的自然因素和干扰强的人为因素叠加的分布，不仅反映了景观斑块的异质性，也体现了在不同尺度上人为干扰活动对生态环境的影响过程所产生的变化[11］。为更好地探索巢湖流域“三生”用地转型生态效应的时空演变规律，利用Fragstats4.2软件，从景观水平角度来分析生活用地、生产用地和生态用地的景观格局变化情况，进而揭示“三生”用地转型对生态环境的响应。

借鉴已有的研究成果，综合考虑研究区斑块的面积、形状、聚集性和多样性四个方面，对“三生”用地景观破碎化进行测算。因此，以巢湖流域“三生”用地为研究单元，在景观水平（Landscape level)上选取景观面积（TA）、斑块数量(NP)、斑块密度(PD)、最大斑块指数（LPI)、景观形状指数（LSI）、斑块聚集度指数（AI）六种景观指数。在研究区整体景观水平（Landscape Level）上选取斑块数量(NP)、斑块密度(PD)、香农多样性指数（SHDI）、香农均度指数（SHEI）、斑块聚集度指数(AI)、蔓延度指数（CONTAG)六种指数来揭示景观空间格局的破碎度和复杂性[12］。

3 结果分析

3.1 巢湖流域“三生”用地现状分析

基于本文的“三生”用地分类标准，借助ArcGIS10.5的重分类功能，绘制出研究区2000—2020年“三生”用地利用空间分布图（图2）。

图2 巢湖流域2000—2020年“三生”用地利用空间分布图Fig.2 Spatial distribution of production-living-ecological land use in Chaohu Lake Basin from 2000 to 2020

3.2 巢湖流域“三生”用地转移分析

3.2.1 “三生”用地数量、结构变化 根据前人分类基础所得的“三生”用地体系，从Globeland30 平台上获取的巢湖流域“三生”用地一级分类面积（表2），结果显示：研究区2000 年生产用地、生活用地、生态用地其总面积分别为13819.86km²、1654.00km²、4088.91km²，占 比 分 别 为70.64%、8.45%、20.91%。2000 年研究区以生产用地为主，生态用地占比约1/5，而生活用地占比最少；2000 年到2010 年，研究区生产用地减少了359.15km²，与2000年相比占比减少了1.83%，生态用地增加了76.13km²，占比增加了0.38%，生活用地增加了283.02km²，占比增加了1.45%；2010—2020 年与2000—2010 年相比生活用地和生态用地的面积及占比均有所上升，但生产用地的面积及占比大幅度下降，其中生产用地减少了200.33km²，与2010 年相比占比减少了1.03%，生态用地增加了62.33km²，占比增加了0.32%，生活用地增加了138km²，占比增加了0.71%。从生产、生活、生态三个一级类看，生产用地所占比重始终是最大的，生态用地所占比重次之，而生活用地是这一时期主要增加的用地类型，生活用地和生态用地的面积不断增加，但以生活用地的增长为主，生态用地面积增长速度较上一时期明显减缓[13］。

表2 2000-2020年巢湖流域“三生”用地面积及比例变化Table 2 Changes in area and proportion of production-living-ecological land in Chaohu lake basin from 2000 to 2020

3.2.2 “三生”用地转移方向及规律 为进一步探讨“三生”用地转移方向及规律，基于各时序土地利用转移矩阵（表3、表4）和“三生”用地空间转移分布图（图3），结果表明：2000—2010年，耕地面积的增加主要由林地、水域和建设用地转入，其中林地生态用地向耕地生产用地转移量最大，说明巢湖流域此期间毁林开荒比较严重。此期间研究区“三生”用地转换以生产用地转为生活用地为主，主要集中在中部地区，局部分布在西北部和东部，可以看出研究区受到行政区划调整和国家特大城市建设影响，居民点和农业用地面积不断减少，建设用地面积持续增加，城市化进程加快。虽然生态用地和生产用地交互转化尤为明显，生态用地转为生产用地主要集中在整个中东部地区，且少数斑块分布在西部地区，但林地生态用地、草地生态用地向耕地生产用地的转移量明显高于其侵占量，说明巢湖流域范围内的市县在实施退耕还林还草的过程中，“治理”“发生”与“复发”同时存在[14］。

表3 2000—2010年巢湖流域土地转移矩阵/km2Table 3 Land transfer matrix of Chaohu lake basin from 2000 to 2010/km 2

表4 2010—2020年巢湖流域土地转移矩阵/km2Table 4 Land transfer matrix of Chaohu lake basin from 2010 to 2020/km 2

图3 巢湖流域“三生”用地空间转移分布Fig.3 Spatial transfer distribution of production-living-ecologica land in Chaohu lake basin

2010—2020年，这一时期主要是生产用地转化为生活用地，主要分布在中部地区，并在研究区北部和东部均有分布。耕地生产用地主要转化为建设用地生活用地，其中耕地向建设用地转移量最大，为724.45km²，但耕地也向林地转移了134.18km²，表明随着皖中城市带的建设，城市建设用地建设加快，但受退耕还林政策的进一步落实，林地生态用地不断减少的趋势得到控制。值得关注的是2000—2010 年水域面积为1194.1km²，而从2010—2020年的土地转移矩阵可以看出，水域面积为1024.38km²，减少了14.21%，表明巢湖流域水体资源保护仍需重视，提高水域面积是安徽省长久发展目标，要做好资源节约和集约利用规划。结合前文可知，近十年来巢湖流域的生活用地不断增加、林地生态用地持续增加、水域生态用地减少，其主要原因是这一时期城市化进程加快，工业化发展加速，草地、水域、林地和未利用地向建设用地不断转化，建设用地面积不断增加。同时，研究区重视退耕还林还湖使得林地生态用地减少的趋势得到遏制，但仍需关注生态修复问题，特别是巢湖流域水域资源的保护。

3.3 “三生”用地的景观格局变化分析

3.3.1 “三生”用地景观指数分析 针对研究区域的自然经济特征及现实需要，在景观水平上，各选取6个具有代表性的指数，再利用Fragstats4.2 软件进行计算后导出到Excel 中，从而得出对巢湖流域2000年、2010 年 和2020 年的景观格局分析所需的指数[15］。从“三生”用地的生产用地、生活用地和生态用地三方面来分析巢湖流域的景观破碎化，具体数据见表5、表6。

表5 2000—2020年巢湖流域“三生”用地类型景观格局指数变化Table 5 Changes in landscape pattern index of production-living-ecological land types in Chaohu lake basin from 2000 to 2020

表6 2000—2020年巢湖流域景观格局指数变化Table 6 Changes of landscape pattern index in Chaohu lake basin from 2000 to 2020

从斑块水平特征分析可知，“三生”用地中生态用地的景观面积、斑块数量是最高的，其次是生活用地，最后是生产用地，其中生态用地2000—2020 年景观面积TA 持续增加，从2000 年的4090.39km²到2020年的4228.92km²，增加了138.53km²，这说明生态用地的地类最为破碎，受人类活动影响最大。从斑块密度看，生活用地和生态用地所占比重较大，生产用地占比最小。但生活用地的斑块密度持续下降了46.25%，生态用地的斑块密度在2000—2010年上升293.2个/km²，2010—2020年斑块密度下降210.99个/km²，从整体看，“三生”用地中生态用地的斑块密度最大，林地生态用地、水域生态用地、草地生态用地等面积都呈现不断增加趋势，说明研究区近些年来响应国家号召重视生态环境的修复。从最大斑块所占景观面积比例看，生产用地仍占主导，但比例逐年下降，从2000 年的98.12%到2020 年的88.26%，减少了9.86%。相比之下，生活用地和生态用地的比重不断上升，说明研究区开始从生产用地为主的发展模式转向生活用地和生态用地均衡发展，从重心发展农业到向建设用地倾斜，生态功能始终是研究区生产的底色。

通过对研究区景观水平指标的测算，2000—2010 年，巢湖流域的斑块数量由2000 年的34274.00 个到2010 年的47887.00 个，在近十年间增加了13613.00 个；斑块密度PD 由2000 年的175.14 个/km²到2010 年的244.70 个/km²，升高了69.56 个/km²。这说明巢湖流域的景观破碎化程度增高，体现了巢湖流域在2000 年、2010 年中人为行为使景观异质性增大的影响。而蔓延度指数CONTAG 则是由2000 年的71.50%降低到2010年70.47%，由于两者存在负相关性，二者可以统一说明在2000—2010年，巢湖流域的景观破碎化加剧。从景观多样性和异质性角度看，香农多样性指标SHDI、香农均匀度指标SHEI从0.92到0.97，从0.48到0.50，分别增加了0.05、0.02，说明巢湖流域景观的多样性和异质性得到提升，这可能是受到农作物种植、人口增长、城市建设等人为影响加剧导致的。但是由于SHEI值始终不高，说明研究区景观均匀程度不高，并且受耕地和水域对整体景观影响作用较大。2010—2020年，巢湖流域的斑块数量、斑块密度、蔓延度指数均减少，而香农多样性指数、香农均匀度指数和聚集度指数均增加，说明研究区生态破碎度加大，人类活动对生态风险干扰加强。

3.3.2 生态景观破碎度分析 如表7 所示，2000—2020 年，巢湖流域景观多样性指数、景观破碎度指数均呈上升趋势，其中景观多样性指数从2000年的0.9246 上升到2020 年的1.0071，上升了8.25%。景观破碎度指数从2000年的2.0622上升到2020年的2.7237，上升了32.08%。而巢湖流域的景观分离度指数呈现先下降后上升的趋势。2000—2010 年由1.2091 到1.2071，下降了0.0020；2010-2020 年由1.2071 到1.2393，上升了0.0322。景观分离度和破碎度指数的增加说明区域“三生”用地在空间结构和距离上趋于分散，表明地类景观格局的变化受自然条件影响较小，主要是受人类活动的干扰。

表7 巢湖流域景观格局指数法Table 7 Landscape pattern index method of Chaohu lake basin

4 结论

本文以巢湖流域为研究区，利用2000、2010、2020年3期土地利用数据，对“三生”用地变化规律及空间分布进行探索，依据景观水平法和景观破碎化指数法，分析了研究区景观破碎化的多样性、分离性、聚集性、破碎性。得到主要结论如下：

（1）“三生”用地结构演化和分布差异明显。从结构看，研究区“三生”用地生产用地占比一半以上，生态用地面积约占总体的1/5，生活用地最少。农业生产用地和水域生态用地占研究区总面积比例超65%，总体上均有所增加，是研究区最主要的两大“三生”用地类型。“三生”用地中生态用地面积持续增加，林地生态用地增长尤为明显，2010—2020年较上一时期面积增加10.73%，说明巢湖流域退耕还林措施得到进一步落实。

（2）整体以生产用地向生活用地转化为主，生态用地和生产用地交互转化为辅。2000—2010年林地生态用地、水域生态用地和建设生活用地向耕地生产用地转移了655.76km²，2010—2020年耕地生产用地向建设生活用地转移724.45km²。生态用地和生产用地的相互转型尤为显著，但耕地生产用地向林地、草地生态用地的转移量明显不抵对其侵占量。说明研究区2000—2010年退耕还林还草成效不显著，2010—2020年随着皖中城市带的建设，城市建设用地增加较快，但受退耕还林还草政策的进一步落实，林地和水域生态用地递减趋势得到控制。

（3）景观破碎度整体上呈现倒U型演化趋势。在景观指数变化方面，“三生”用地中生态用地的斑块数量最高，生活用地次之，最后是生产用地，说明生态用地类最破碎，景观破碎度大。2000—2010年巢湖流域的斑块数量、斑块密度、香农多样性指数均增加，景观破碎度较小，说明这一时期内研究区巢湖流域注重发展生态，主要发生在合肥市区、肥东县、肥西县、六安市金安区和舒城县境内，尤其合肥市区自1992 年获得国家“园林城市”荣誉称号后，园林绿化建设工作力度不断加强。2010—2020年，巢湖流域的斑块数量、斑块密度、蔓延度指数均减少，而香农多样性指数、香农均匀度指数和聚集度指数均增加。由此可知，巢湖流域是皖江城市带的主战场，近十年巢湖流域受多次行政区划调整和国家特大城市建设影响导致研究区生态破碎度加大，人类活动对生态风险干扰加强。