基于“三生空间”的福州市土地利用功能转型与生态环境效应研究

李晶, 陈松林*

基于“三生空间”的福州市土地利用功能转型与生态环境效应研究

李晶1,2, 陈松林1,2*

1 福建师范大学地理科学学院, 福州 350117 2 福建省亚热带资源与环境重点实验室, 福州 350117

基于2000、2010、2020年3期土地利用现状遥感监测数据, 按照“生产—生活—生态”土地利用主导功能分类, 通过土地利用转移矩阵、生态环境质量指数、土地利用转型的生态贡献率等方法, 定量分析了2000—2020年间福州市“三生空间”结构转型的时空演化特征与生态环境效应。结果表明: (1)福州市“三生空间”分布格局基本保持一致, 生态空间分布最广泛呈缩减趋势, 生活空间主要分布在市辖区呈扩张趋势, 生产空间主要分布在福州主城区和东部地区呈先减后增趋势。(2)“三生空间”的转换以生态空间的转出、生活空间的转入为主, 转入量和转出量并不平衡, 转换较为活跃的地区主要分布在福州主城区和东部地区, 其他地区转换较为零散。(3)福州市生态环境质量改善和退化趋势并存, 但两者发生区域在空间上并不重叠, 整体的生态环境质量指数下降, 生态环境质量空间分异显著, 高值区主要位于永泰县, 低值区集中于主城区。生态环境质量的改善主要以农业生产用地、草地生态用地转为林地生态用地为主, 林地生态用地和农业生产用地转为工矿生产用地则是导致生态环境质量退化的主要影响因素。

三生空间; 土地利用转型; 生态环境效应; 福州市

0 前言

人类利用土地的范围和强度日益增加常常引发整个区域生态环境的破坏[1], 生态、气候和人居环境方面的许多负面效应开始显现[2–3]。土地利用功能转型, 即土地利用的生产、生活、生态(简称“三生”)三大主导功能间的转化[4], 是有限的土地资源在各种主导功能之间进行数量和空间再配置的动态过程, 反映了区域经济社会转型发展的不同阶段[5]。土地利用功能转型对于区域生态系统结构、功能和生态过程有着深刻的影响, 研究土地利用功能转型的生态环境效应是了解和预测区域生态环境质量状况与变化特征的途径之一[6]。

党的“十八大”提出“生产空间集约高效、生活空间宜居适度、生态空间山清水秀”的国土空间规划目标, “十九大”进一步强调“坚定走生产发展、生活富裕、生态良好的文明发展道路”[7]。基于“三生”土地利用主导功能分类体系, 可将土地利用转型与区域转型发展相衔接, 是研究土地利用转型的重要切入点[6]。现阶段, 以“三生空间”视角开展区域土地利用转型及其生态环境效应的研究主要集中土地利用变化对生态服务功能变化[8]、生态系统服务价值变化[9]以及景观格局变化[10]的影响效应。从研究区域来看, 多围绕县域如重庆市巴南区[11]、重庆市北碚区[12]、昌黎县[13], 省域如甘肃省[14]、广东省[15], 区域如长三角地区[6,16]、东北地区[17]、喀斯特山区流域[18]、黔中区[19]等。研究方法主要采用景观格局指数[10]、景观生态风险指数[20]、生态系统服务价值模型[9]、生态环境质量指数[5–8]、土地利用转型的生态贡献率[11–21]、核密度估计[10]、地统计分析[13,18]和重心转移矩阵[7]等, 其中生态环境质量指数得到广泛应用。但已有研究对“三生空间”的识别仍有不足, “三生空间”内涵与空间范围还不够明确或不尽合理[22], 关于“三生空间”功能分类体系中各功能地类的生态环境质量指数赋值思想和观点尚未统一, 仍有可改进之处。基于“三生空间”主导功能转型带来的生态环境问题逐渐引起学者关注, 但目前相关研究仍然较少, 特别是市域尺度的“三生空间”结构转型及其生态环境效应的实证研究尚不多见。

福州市地处我国东南沿海, 位于闽江中下游地区, 是闽江口金三角经济圈中心, 也是国家首个生态文明试验区, 同时, 随着福州新区的设立和福州都市圈的规划, 土地资源开发和占用日益活跃。因此, 探讨福州市“三生空间”土地利用功能转型及其引起的生态环境效应的时空演变, 可为区域生态文明建设提供参考, 对于优化福州市“三生空间”布局、统筹城乡发展, 从而制定符合客观实际的土地利用优化配置对策具有重要意义。

1 材料与方法

1.1 研究区概况

福州市位于中国东南沿海, 沿福建省中东部的闽江口分布。经纬跨度在25°15'—26°39’N和118°08’—120°31’E之间。全市行政区划包括6个区、1个县级市、5个县。福州属于亚热带海洋性季风气候, 光温水资源充沛，地形复杂, 地貌多样, 以山地、丘陵为主, 东部沿海为丘陵与平原区, 地势自西向东倾斜, 森林覆盖率高, 是国家生态文明建设示范市。福州作为福建省政治、文化和交通中心, 集福建自贸试验区福州片区、福州新区、国家生态文明试验区、国家级自主创新示范区、海上丝绸之路核心区、国家海洋经济发展示范区“六区叠加”优势。此外, 《福州都市圈发展规划》获批, 让福州打造强省会, 促进福州中心城市竞争力提升, 创建国家中心城市得到了战略层级和实力上的双加持, 辐射带动效应也更加明显, 其土地利用景观格局的变化在东南沿海城市中具有一定典型性。

1.2 数据来源与处理

福州市2000、2010、2020年土地利用现状遥感监测数据来源于中国科学院资源环境科学数据中心(http://www.resdc.cn), 空间分辨率为30 m, 其中土地利用类型包括耕地、林地、草地、水域、城乡工矿居民用地和未利用土地6个一级地类以及25个二级地类。

根据《全国遥感监测土地利用/覆盖分类体系》二级分类标准, 借鉴相关研究[5–6], 以用地行为主体使用地类的主导功能为依据划分用地, 建立“三生空间”结构与土地利用类型衔接表(表1)。同时, 借鉴李晓文等[23]制定的不同二级地类的生态环境质量值, 参考相关学者的研究成果[6,24–26],利用面积加权法对土地利用主导功能分类生态环境质量指数进行赋值。

1.3 研究方法

1.3.1 土地利用转型

土地利用功能结构转型主要通过土地利用转移矩阵模型来实现, 运用ArcGIS10.6对任意两期土地利用变更调查数据进行空间叠加运算, 获取各研究时段土地利用类型转移矩阵, 从而更好地表征土地利用功能结构的转型过程[6], 其表达式为:

表1 “三生空间”土地利用功能分类及其生态环境质量指数

式中,为面积,分别为研究初期和末期的土地利用类型,为土地利用的类型数。对不同时期土地利用类型数据进行交叉分析, 进而建立2000—2010年、2010—2020年和2000—2020年3期土地利用类型转移矩阵。

1.3.2 生态环境质量指数

生态环境质量指数是当前测度生态环境质量的主要方法[1,27], 通过“三生空间”生态环境质量指数及其面积的比例, 定量反映某一区域不同时段下生态环境质量的总体状况。其表达式为:

式中,EV为区域第时期生态环境质量指数;A该区域第时期第种土地利用类型的面积;A为区域总面积;R为第种土地利用类型的生态环境质量指数;为区域土地利用类型数量。

1.3.3 生态贡献率

生态贡献率是指某一种土地利用主导功能地类变化所导致的区域生态质量的改变, 该指数量化了各类功能用地之间的相互转换对区域生态环境产生的影响, 揭示出影响生态环境质量变动的主要土地利用类型, 有利于探讨造成区域生态环境变化的主导因素[16], 其表达式为:

=(1–0)/(3)

式中,为研究区某一土地利用类型的生态贡献率;LE、LE分别为某一土地利用类型在变化初期和变化末期所赋予的生态环境质量指数;为该变化用地的面积;为区域总面积。

生态贡献率既有正值也有负值, 通过正负两方面的分析可以综合判断影响福州市生态环境质量变化的土地利用类型, 有利于分辨福州市生态环境改善和退化的主导因素。

2 结果与分析

2.1 “三生空间”时空演变特征分析

根据2000、2010、2020年三个时期福州市各地类面积, 采用“三生空间”土地利用分类体系, 计算出“三生空间”用地类型面积及其变化幅度(表2)。

表2 2000—2020年福州市“三生空间”面积及其变化幅度

由表2、图1可知, 2000—2020年福州市“三生空间”中生态空间面积占比最大, 其次为生产空间, 生活空间面积最小, 从二级地类结构来看, 主要以林地生态用地、农业生产用地、草地生态用地为主。在此期间, 生态空间面积总体减少, 其中草地生态用地和水域生态用地减幅较大, 水域生态用地在2000—2010年面积增加, 但在2010—2020年间减幅较大, 其他生态用地面积先减少后增加; 生活空间呈上升趋势, 城镇生活用地和农村生活用地增长较快, 增幅达73.81%和39.03%。生产空间先减少后增加, 2000、2010和2020年面积占比分别为19.67%、19.48%、19.54%, 其中农业生产用地不断减少, 工矿生产用地面积增长, 2000—2020年净增加217.70 km2, 增幅达248.93%。

由图2可知, 2000—2020年, 福州市“三生空间”空间分布格局基本一致, 生态空间分布最为广泛,林地生态用地大面积覆盖福州市, 水域生态用地主要在闽江流域和东南沿海地区, 草地生态用地零散分布于山间。生活空间主要分布在市辖区(晋安区、鼓楼区、仓山区、台江区、马尾区、长乐区), 尤其是城镇生活用地片状集聚于此区域, 农村居民点零散分布于福州东部以及沿海区域, 面积呈持续扩张的趋势。生产空间主要分布在福州市辖区、福清市、罗源湾附近, 以农业生产用地为主, 大部分在福清市和闽江沿岸; 工矿生产用地主要分布在罗源湾附近、长乐区东部沿海, 福清市南部, 增长明显。

2.2 土地利用功能结构转型分析

2000—2020年间, 福州市土地利用格局发生显著变化, 为进一步探讨土地利用功能转型特征, 根据土地利用类型转移矩阵, 按照土地利用主导功能分类体系, 得到“三生空间”二级地类构造转移矩阵(表3)。

图1 2000—2020年福州市“三生空间”面积占比

Figure 1 The area proportion of "production-living- ecological space" in Fuzhou from 2000 to 2020

图2 福州市2000—2020年“三生空间”分布格局

Figure 2 Distribution pattern of "production-living- ecological space" in Fuzhou from 2000 to 2020

表3 2000—2020年福州市“三生空间”土地利用变化转移矩阵(km2)

2000—2020年间, 工矿生产用地、城镇生活用地和农村生活用地增加明显, 农业生产用地、草地生态用地和林地生态面积减少。从“三生空间”结构的转出来看, 生产空间方面, 农业生产用地面积转出量最大, 为295.52 km2, 主要转换为工矿生产用地、农村生活用地和城镇生活用地, 其中转为工矿生产用地的面积达121.69 km2, 占该转出面积41.18%, 工矿生产用地以增加为主, 因此向其他用地类型的转换面积较少; 生态空间方面, 林地生态用地转出量最大, 其次是草地生态用地和水域生态用地, 除林地生态用地和草地生态用地两者互相转换较大外, 大部分生态用地转为工矿生产用地; 生活空间方面, 城镇生活用地和农村生活用地主要以其他地类转入为主, 转出量较少。“三生空间”结构转入中, 生产空间方面, 农业生产用地主要由林地生态用地转换而来, 工矿生产用地则主要由农业生产用地和生态用地转换; 生态空间方面, 草地生态用地主要是由林地生态用地转换得来, 林地生态用地的增长主要以草地生态用地和农业生产用地转换为主, 水域生态用地则主要是农业生产用地转换; 生活空间方面, 城镇生活用地主要是由农业生产用地和林地生态用地转换得来, 农村生活空间则大部分是由农业生产用地转换。虽然“三生空间”之间都互相发生转换, 但转入量和转出量并不平衡, 主要还是以生态空间的减少、生活空间增加为主, 生产空间总体是减少的趋势, 其中农业生产用地是减少的, 工矿生产用地增加, 减少量大于增加量。

由图3可进一步分析土地利用结构转换的空间异质性情况, 2000—2020年间, “三生空间”转换较为活跃的地区主要分布在福州主城区(鼓楼区、仓山区和台江区)和东部地区, 其他地区转换较为零散, 以生产空间和生态空间转为生活空间为主, 其次是生态空间转为生产空间。2000—2010年间, 生产空间转为生活空间较为集中, 尤其是仓山区, 其次分布在连江县东南部、马尾区西南, 生态空间转为生产空间主要分布在仓山区、鼓楼区、晋安区和长乐区。2010—2020年间, 生产空间转为生活空间有向外延伸的趋势, 生态空间转为生活空间增加明显, 主要分布在晋安区、连江县西南。此外, 2010—2020年生态空间转为生产空间较2000—2010年有所增加, 且以转为工矿生产用地为主, 主要分布在罗源湾附近、长乐区东北和福清市南部, 分布格局与罗源湾能源产业集群、长乐区空港高新科技产业集群以及福清市江阴湾临港产业集群基本吻合。

图3 福州市2000—2020年“三生空间”格局演化

Figure 3 Pattern evolution of "production-living-ecological space" in Fuzhou from 2000 to 2020

2.3 土地利用功能结构转型的生态环境效应

2.3.1 生态环境质量时空演化特征

由于不同土地利用类型的生态环境效应不同, 因此不同地类结构之间的转换也会影响区域的生态环境质量分异。根据1.3.2公式计算得到福州市2000、2010、2020年的区域生态环境质量指数, 结果分别为0.659、0.654、0.647, 生态环境质量整体变化幅度较小, 略呈下降趋势, 这主要是生态环境质量指数较高的生态用地转换为生态环境质量指数较低的生活用地导致的。

借助ArcGIS软件, 根据自然断点分级法将全市生态环境质量指数分为5个等级, 根据数值范围由小到大依次为低值区、较低质量区、中质量区、较高质量区和高值区。如图4所示, 福州市生态环境质量空间分异显著, 高值区主要位于永泰县, 低值区集中于主城区。在2000—2010年间, 福州生态环境质量指数空间分布变化较大, 主要表现为区域生态环境的退化, 闽清县从高值区转为较高质量区, 长乐区则由较高质量区变为较低质量区, 说明在此期间该区域生态环境质量有所下降。2010—2020年, 生态环境质量指数的空间分布基本未发生改变。总体而言, 随着福州市生态环境质量指数的演化, 形成主城区低值区和东南沿海较低值区。

图4 福州市2000—2020年生态环境质量指数空间分布

Figure 4 Spatial distribution of eco-environmental quality index in Fuzhou from 2000 to 2020

2.3.2 土地利用转型对生态环境的影响及生态贡献率

一般而言, 区域生态环境质量存在改善和退化两种趋势, 并且在一定程度上可以相互抵消, 最终使总体的生态环境质量指数维持相对稳定, 但这并不意味该区域生态环境质量未发生改变。根据前文“三生空间”土地利用转型分析, 结合1.3.3公式计算出各类用地类型对区域生态环境影响的生态贡献率, 选取了2000—2020年间福州市导致生态环境改善和退化的主要功能地类结构转型及贡献率, 结果如表4所示。

农业生产用地、草地生态用地转为林地生态用地是改善福州市生态环境的主导因素, 两者贡献率总和的百分比高达75.47%, 其次是农业生产用地转为水域生态用地, 这三者占生态贡献率的83.41%。导致福州市生态环境退化的“三生空间”结构转型主要是生态空间和农业生产用地转换为工矿生产用地和生活空间, 其中林地生态用地转为其他用地占生态环境贡献率49.52%, 其次是农业生产用地、水域生态用地转为工矿生产用地。总体来看, 福州市生态环境质量改善和退化的趋势并存, 但土地利用结构转型所带来的生态环境负效应要大于正效应, 因而整体生态环境质量指数是呈下降趋势。

从土地利用转型带来的生态环境效应的空间分异来看(图5), 生态环境质量的改善主要以其他用地转为生态环境质量指数高的林地生态用地和水域生态用地为主, 空间上呈零散分布, 地类转换面积较少, 前者带来的正效应主要在闽清县和长乐区西北, 后者主要分布在连江县靠近罗源湾附近以及长乐区东部沿海。生态环境质量退化以其他用地转为生态环境质量指数低的城镇生活用地和工矿生产用地为主, 大体是在福州主城区和东部沿海一片, 在区域空间上呈集聚状态, 尤其以主城区周围集聚明显, 其次是福清市北部。其他地类转为城镇生活用地导致的生态环境负效应分布在主城区、晋安区西南和连江县西南, 而其他地类转为工矿生产用地带来的生态环境负效应则主要分布在罗源县、福清市和长乐区, 分布范围较广。

表4 2000—2020年福州市影响生态环境质量的主要功能地类结构转型及其生态贡献率

ULL: 城镇生活用地 Urban living land; RLL: 农村生活用地 Rural living land; APL: 农业生产用地 Agricultural production land; IML: 工矿生产用地 Industrial and mining land; GEL: 草地生态用地 Grassland ecological land; FEL: 林地生态用地 Forest ecological land; WEL: 水域生态用地 Water ecological land; OEL: 其他生态用地 Other ecological land.

Figure 5 Pattern evolution of eco-environmental effect in Fuzhou from 2000 to 2020

土地利用结构的转换对生态环境效应有正负之分, 但两者发生的区域在空间上并不重叠, 如罗源县生态环境改善的区域主要在西部, 生态环境退化的区域在东部, 且正负效应相当, 因而该区域的整体生态环境质量值就维持在一个相对稳定的状态。但土地利用转型带来的生态环境负效应明显高于正效应时, 该区域生态环境质量指数就会下降, 如长乐区在2000—2020年间也存在生态环境质量改善和生态环境退化两种趋势, 但土地利用结构带来的生态环境正效应明显小于负效应, 因而该区域的生态环境质量由中质量区变化为较低质量区。

福州市同时存在着生态环境改善和退化的两种趋势, 2000—2020年间土地利用转移带来的正贡献率为0.00616, 负贡献率为0.01788, 因而生态环境改善的趋势略小于生态环境退化的趋势。虽然从总体来看2000—2020年间福州市整体生态环境质量在一定程度上维持着相对平衡, 但不能忽略其内部环境发生的局部退化。

3 讨论

土地利用功能转型对区域生态环境的影响是复杂的, 存在生态环境质量改善和退化的趋势, 福州市整体的生态环境质量指数变化不大, 但其内部区域的变化较大, 并存在相应的区域分异特征。城市经济建设的发展, 在一定程度上会使区域生态环境质量下降, 但不能简单的强调其负面效应。例如，罗源县由于罗源湾产业集群的发展使大量的用地转为工矿生产用地带来了负效应, 但是在该县在发展过程中可能注重林地保护, 其他区域有大面积的用地转为林地生态用地, 正负效应的相互抵消, 该区域的整体生态环境质量值就维持在一个相对稳定的状态。随着城市发展, 福州市农业生产用地大量减少, 工矿生产用地和生活空间大量增加, 导致区域生态环境退化, 这与东部沿海[5]、长江三角洲[6]等经济发达地区近20年间土地利用转型特征表现大致相同, 而工矿生产用地的扩张也体现了沿海发达地区在产业发展的特点。此外, 生态环境质量的演化受到多方因素的影响, 例如坡度、降水、人口密度等, 而土地利用强度是对中国生态环境质量影响最大的人文因素[21]。因此, 未来需要进一步结合福州市经济发展等研究各时段土地利用转型的驱动力机制, 分析“三生空间”转型对生态环境效应及其影响因素。未来的规划发展中应当如何协调福州市的生产、生活、生态用地建设的时序, 在城市发展的同时稳步提升生态环境效应, 仍值得深入研究。

4 结论

基于“三生空间”的视角, 通过土地利用转移矩阵对福州市“三生空间”时空演化特征进行分析研究, 通过生态环境质量指数、生态贡献率定量分析了2000—2020年间福州市土地利用功能转型的生态环境效应的时空演变特征, 主要结论如下:

(1)研究期内福州市生态空间分布最广泛但总体减少, 生活空间主要分布在市辖区呈上升趋势, 生产空间主要分布在福州中部、东北以及东南地区且面积减少。

(2)“三生空间”之间互相发生转换, 主要以生态空间的转出、生活空间的转入为主, 生产空间内部转换量大。土地利用结构转换的空间分异明显, “三生空间”转换较活跃的地区主要分布在福州主城区和东部地区, 以生产空间和生态空间转为生活空间为主。

(3)福州市生态环境质量改善和退化趋势并存, 但整体的生态环境质量指数下降。土地利用结构的转换对生态环境的效应在区域空间上并不重叠, 生态环境质量空间分异显著。以其他用地转为林地和水域生态用地是生态环境质量改善的重要因素, 生态环境质量的退化主要是其他用地转为农业和工矿生产用地导致的。

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Land use function transformation and associated eco-environmental effect in Fuzhou city based on "production-living-ecological space"

LI Jing1,2,CHEN Songlin1,2*

1 School of Geographical Sciences, Fujian Normal University, Fuzhou 350117, China 2 Provincial Key Laboratory of Subtropical Resources and Environment of Fujian, Fuzhou 350117, China

Based on the remote sensing monitoring data of the three phases of land use in 2000, 2010 and 2020, according to the "production-living-ecological" land use dominant function classification, then through land use transfer matrix, eco-environmental quality index, ecological contribution rate of land use transition, this paper quantitatively analyzes the temporal and spatial evolution characteristics of structural transformation of "production-living-ecological space" and eco-environmental effect in Fuzhou city from 2000 to 2020. The results show that: (1)The distribution pattern of "production-living-ecological space" in Fuzhou is basically the same. The ecological space is the most widely distributed but showing a trend of shrinking, the living space is mainly distributed in the municipalities and is expanding. The production space is mainly distributed in the main urban area of Fuzhou and the eastern region, showing a trend of decreasing first and then increasing. (2)The conversion of "production-living-ecological space" is mainly based on the transfer-out of ecological space and the transfer-in of living space. The transfer-in amount and transfer-out amount are not balanced. The areas where the conversion is more active are mainly distributed in the main urban area of Fuzhou and the eastern region. Conversions in other regions are more sporadic. (3)The improvement and degeneration trend of eco-environmental quality coexist in Fuzhou, but the occurrence areas do not overlap in space. The overall eco-environmental quality index declines, and the spatial differentiation of eco-environmental quality is significant. The high-value area is mainly located in Yongtai County, and the low-value area is concentrated in the main urban area. The improvement of eco-environmental quality is mainly based on the conversion of agricultural production land and grassland ecological land to forest ecological land, while the conversion of forest ecological land and agricultural production land to industrial and mining production land is the main factor leading to the degeneration of eco-environmental quality.

production-living-ecological space; land use function transformation; eco-environmental effect; Fuzhou city

10.14108/j.cnki.1008-8873.2024.01.022

X24; F301.2

A

1008-8873(2024)01-186-09

2021-07-23;

2021-09-07

国家自然科学基金项目(41771136); 福建省科技计划项目(2019R0124)

李晶(1998—), 女, 江西宁都人, 硕士, 主要从事土壤地理与土地资源利用研究, E-mail: 2494486322@qq.com

通信作者:陈松林, 男, 博士, 教授, 主要从事土地利用规划与评价研究, E-mail: slchen6@163.com

李晶, 陈松林. 基于“三生空间”的福州市土地利用功能转型与生态环境效应研究[J]. 生态科学, 2024, 43(1): 186–194.

LI Jing, CHEN Songlin. Land use function transformation and associated eco-environmental effect in Fuzhou city based on "production-living-ecological space"[J]. Ecological Science, 2024, 43(1): 186–194.