基于“三生空間”的昆明市國(guó)土空間結(jié)構(gòu)演變特征分析

王菊，趙俊三，林伊琳，龍利秋，李玉龍

(1.昆明理工大學(xué)國(guó)土資源工程學(xué)院，云南 昆明 650093； 2.智慧礦山地理空間信息集成創(chuàng)新重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，云南 昆明 650093；3.云南省高校自然資源空間信息集成與應(yīng)用科技創(chuàng)新團(tuán)隊(duì)，云南 昆明 650211)

1 引 言

國(guó)土空間是人類生存發(fā)展和實(shí)施各類生產(chǎn)活動(dòng)的載體，改革開(kāi)放以來(lái)，我國(guó)經(jīng)歷了快速城鎮(zhèn)化過(guò)程，帶來(lái)了國(guó)土空間格局的劇烈演變[1]。在取得巨大經(jīng)濟(jì)成就的同時(shí)，人地關(guān)系矛盾、土地資源低效利用、環(huán)境污染、城鄉(xiāng)發(fā)展失衡等問(wèn)題日益顯現(xiàn)，對(duì)我國(guó)的國(guó)土空間可持續(xù)開(kāi)發(fā)帶來(lái)巨大挑戰(zhàn)[2]。在此背景下，研究區(qū)域生產(chǎn)-生活-生態(tài)空間的結(jié)構(gòu)、數(shù)量、分布的變化情況與趨勢(shì)能為優(yōu)化區(qū)域國(guó)土空間格局，實(shí)現(xiàn)土地資源可持續(xù)利用提供科學(xué)依據(jù)。

自十八大召開(kāi)以來(lái)，有大量學(xué)者就國(guó)土“三生空間”用地的概念與內(nèi)涵[3]、“三生空間”用地分類[4，5]、“三生空間”綜合承載力[6]、“三生空間”用地的時(shí)空格局與演變、優(yōu)化[7～9]等開(kāi)展研究，但研究尺度主要集中在流域[10]，城市群[11]和省域[12]，對(duì)市域和縣域的研究甚少。

目前對(duì)昆明市國(guó)土空間開(kāi)展的研究主要是以昆明市下轄的區(qū)[13，14]，縣[15]為研究對(duì)象，難以反映全市國(guó)土空間結(jié)構(gòu)演變特征。隨著城鎮(zhèn)化和工業(yè)化快速發(fā)展，昆明市作為云南省的省會(huì)城市和滇中城市群發(fā)展的核心地帶，在經(jīng)濟(jì)迅猛發(fā)展的同時(shí)，其土地利用發(fā)生了劇烈變化，所以研究整個(gè)昆明市國(guó)土空間結(jié)構(gòu)演變特征，能為優(yōu)化昆明市國(guó)土空間提供重要參考。

2 研究區(qū)概況及研究方法

2.1 研究區(qū)概況

昆明市是云南省的省會(huì)城市，地處云貴高原中部，位于東經(jīng)102°10′～103°40′、北緯24°23′～26°22′，市域土地總面積 21 012.53 km2，下轄7個(gè)區(qū)、3個(gè)縣、3個(gè)自治縣，代管1個(gè)縣級(jí)市，即五華區(qū)、盤(pán)龍區(qū)、官渡區(qū)、西山區(qū)、呈貢區(qū)、東川區(qū)、晉寧區(qū)、富民縣、宜良縣、嵩明縣、石林彝族自治縣、祿勸彝族苗族自治縣、尋甸回族彝族自治縣、安寧市(圖1)。

圖1 云南省，昆明市行政區(qū)劃圖

2.2 研究方法

(1)數(shù)據(jù)源與預(yù)處理

本文研究的數(shù)據(jù)是來(lái)源于土地利用現(xiàn)狀年度更新數(shù)據(jù)庫(kù)的2009年和2015年土地利用現(xiàn)狀數(shù)據(jù)，借鑒最優(yōu)樣方尺寸計(jì)算方法[16]，根據(jù)昆明市市域面積，將研究區(qū)劃分為 500 m×500 m的柵格單元，并運(yùn)用ArcGIS 10.2軟件將這兩期土地利用數(shù)據(jù)統(tǒng)一到該柵格尺寸下，再根據(jù)中國(guó)土地利用/土地覆蓋變化遙感監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)分類，結(jié)合昆明市土地利用實(shí)際情況，并借鑒已有研究成果[11，17]中“三生空間”的分類方法和思想，自下而上識(shí)別昆明市國(guó)土“三生空間”格局，以建立研究區(qū)國(guó)土“三生空間”分類體系(表1)。

昆明市國(guó)土“三生空間”分類與土地利用類型銜接 表1

(2)研究方法

本文用ArcGIS 10.2和Fragstats 4.2軟件，采用土地利用動(dòng)態(tài)度[18]、重心遷移模型[19]和土地利用轉(zhuǎn)移矩陣[20]等方法從數(shù)量變化、重心遷移和轉(zhuǎn)移特征等方面分析研究昆明市國(guó)土“三生空間”的結(jié)構(gòu)特征，探尋其空間結(jié)構(gòu)變化的過(guò)程和差異；采用景觀格局指數(shù)法[21]從斑塊類型和景觀水平兩個(gè)尺度進(jìn)一步分析景觀格局與國(guó)土空間結(jié)構(gòu)之間的動(dòng)態(tài)變化規(guī)律，空間演變異質(zhì)性及關(guān)聯(lián)性。

3 昆明市國(guó)土空間結(jié)構(gòu)演變分析

3.1 國(guó)土空間數(shù)量變化分析

依據(jù)表1的國(guó)土“三生空間”分類體系，利用ArcGIS 10.2軟件對(duì)兩個(gè)研究時(shí)段的土地利用數(shù)據(jù)進(jìn)行重分類，得到昆明市國(guó)土空間利用格局圖(圖2)，提取并統(tǒng)計(jì)各類型國(guó)土空間面積，測(cè)算其所占的比例及其變化，并計(jì)算各類國(guó)土空間單一動(dòng)態(tài)度和綜合動(dòng)態(tài)度(表2)，從國(guó)土空間面積變化及變化速率來(lái)分析人類活動(dòng)對(duì)其單一類型國(guó)土空間和整體國(guó)土空間的影響程度。

由表2可知：①昆明市的優(yōu)勢(shì)功能空間是農(nóng)業(yè)生產(chǎn)空間和綠地生態(tài)空間，所占面積超過(guò)區(qū)域總面積的70%，且2015年較2009年增加了約10%，所以昆明的農(nóng)業(yè)產(chǎn)業(yè)基礎(chǔ)和生態(tài)水平較高；工礦生產(chǎn)空間增加 82.64 km2，說(shuō)明在“十二五”規(guī)劃思想的指導(dǎo)下，昆明市工業(yè)化和產(chǎn)業(yè)化有了進(jìn)一步的發(fā)展。②兩類生活空間面積均有增長(zhǎng)，其中城鎮(zhèn)生活空間面積增長(zhǎng)水平顯著，增長(zhǎng) 141.16 km2，且單一動(dòng)態(tài)度是5.76%，居第二位，但受城市化的影響，大量農(nóng)村人口向城市遷移，導(dǎo)致農(nóng)村生活空間6年內(nèi)僅增長(zhǎng)7.9%。③2015年昆明市生態(tài)空間面積共計(jì) 13 564.89 km2，占總國(guó)土空間面積的64.55%，其中綠地生態(tài)空間面積具有較大優(yōu)勢(shì)，水域生態(tài)空間的動(dòng)態(tài)度僅為0.15%，面積基本保持著穩(wěn)定狀態(tài)，而其他生態(tài)空間的面積顯著減少，較2009年減少了 2 224.78 km2，且單一動(dòng)態(tài)度最大，為13.18%。④從綜合動(dòng)態(tài)度來(lái)看，研究期內(nèi)各類空間用地綜合動(dòng)態(tài)度最大的仍是其他生態(tài)空間和綠地生態(tài)空間，分別是0.88%和0.85%，變化面積分別是 2 224.78 km2和 2 133.06 km2。水域生態(tài)空間的綜合變化度是極小的，僅為 0.002 2%，總的來(lái)說(shuō)各類國(guó)土空間面積變化幅度差異較大。

2009-2015昆明市國(guó)土空間面積及動(dòng)態(tài)度變化 表2

3.2 國(guó)土空間重心遷移分析

根據(jù)重心遷移模型計(jì)算分析得到昆明市各國(guó)土空間重心遷移軌跡圖(圖3)，以及重心遷移距離和遷移速率(表3)。

圖3 2009-2015昆明市國(guó)土空間重心遷移圖

由圖3和表3可知：①農(nóng)業(yè)生產(chǎn)空間的重心向東北方向遷移 0.994 6 km，遷移速率為 0.165 8 km/a，均處于嵩明縣所轄楊橋街道內(nèi)；工礦生產(chǎn)空間的重心偏移水平不大，在空間上以 0.058 2 km/a的速率偏移了 0.349 1 km。②生活空間中兩個(gè)二級(jí)類空間的重心遷移水平較大，尤其是城鎮(zhèn)生活空間的重心遷移特征更為明顯，往東北方向以 0.294 4 km/a的速率向青云街道遷移，共遷移 1.766 3 km，說(shuō)明昆明市城鎮(zhèn)生活空間變化明顯，東北部空間面積增長(zhǎng)幅度最高；農(nóng)村生活空間的重心遷移變化幅度較城鎮(zhèn)生活空間的小，遷移 1.029 2 km，遷移速率是 0.171 5 km/a，反映出整體上昆明市農(nóng)村生活空間結(jié)構(gòu)變化相對(duì)均衡，彼此之間面積變化的差異性較小。③生態(tài)空間中除水域生態(tài)空間外，林地生態(tài)空間和其他生態(tài)空間的重心偏移都較顯著，尤其是其他生態(tài)空間變化最劇烈，從2009年到2015年重心共遷移 19.959 6 km，遷移速率為 3.326 69 km/a，從尋甸回族彝族自治縣的雞街鎮(zhèn)遷移到先鋒鎮(zhèn)，說(shuō)明隨著昆明市經(jīng)濟(jì)的快速發(fā)展，對(duì)土地的需求也日益增加，從而使得土地利用率提高，這提醒我們?cè)诩訌?qiáng)土地利用的同時(shí)，應(yīng)該注意土地利用類型的合理分配。

昆明市國(guó)土空間重心變化 表3

3.3 國(guó)土空間轉(zhuǎn)移特征分析

利用ArcGIS 10.2空間分析功能得到昆明市2009年～2015年國(guó)土空間面積轉(zhuǎn)移矩陣(表4)。由表可知，研究期內(nèi)昆明市各空間類型面積均有不同程度的增加或減少，除了農(nóng)業(yè)生產(chǎn)空間、水域生態(tài)空間和其他生態(tài)空間外，其余類型空間轉(zhuǎn)入面積均大于轉(zhuǎn)出面積。各空間類型面積轉(zhuǎn)移特征具體表現(xiàn)為：①農(nóng)業(yè)生產(chǎn)空間面積減少，是工礦生產(chǎn)空間和城鎮(zhèn)生活空間的主要來(lái)源，說(shuō)明存在農(nóng)用地被占用現(xiàn)象；而工礦生產(chǎn)空間主要為建設(shè)用地，轉(zhuǎn)為其他空間的難度較大，且受工業(yè)化發(fā)展的影響導(dǎo)致工礦生產(chǎn)空間面積增加，凈轉(zhuǎn)入面積為 82.645 3 km2，主要由農(nóng)業(yè)生產(chǎn)空間轉(zhuǎn)換而來(lái)。②生活空間面積都呈凈增長(zhǎng)，主要由農(nóng)業(yè)生產(chǎn)空間和綠地生態(tài)空間轉(zhuǎn)入，其中農(nóng)業(yè)生產(chǎn)空間轉(zhuǎn)為城鎮(zhèn)生活空間的有97.3871 km2，轉(zhuǎn)為農(nóng)村生活空間的有 28.426 2 km2，而綠地生態(tài)空間轉(zhuǎn)為城鎮(zhèn)和農(nóng)村生活空間的面積分別為 22.049 6 km2和 4.993 8 km2，說(shuō)明隨著城鎮(zhèn)化的快速發(fā)展，城鎮(zhèn)生活空間面積較農(nóng)村生活空間擴(kuò)張更為迅速，二者向農(nóng)業(yè)生產(chǎn)空間和綠地生態(tài)空間要地的趨勢(shì)均較為明顯。③生態(tài)空間的總轉(zhuǎn)入和總轉(zhuǎn)出面積分別為 2 189.313 6 km2和 2 286.470 9 km2，呈現(xiàn)出生態(tài)空間面積略微減小的趨勢(shì)，其中其他生態(tài)空間減幅最大，表現(xiàn)為凈轉(zhuǎn)出面積為 2 224.782 8 km2，主要轉(zhuǎn)為綠地生態(tài)空間，所以綠地生態(tài)空間面積增加顯著，凈轉(zhuǎn)入 2 133.061 7 km2。

昆明市2009年-2015年國(guó)土空間面積轉(zhuǎn)移矩陣(單位：km2) 表4

3.4 國(guó)土空間景觀結(jié)構(gòu)動(dòng)態(tài)演變

采用Fragstats 4.2軟件，分別計(jì)算出兩個(gè)研究時(shí)段上各類國(guó)土空間的各個(gè)景觀指數(shù)值(表5、表6)，具體分析研究區(qū)在不同斑塊尺度上的景觀特征。

2009年-2015年昆明市國(guó)土空間景觀類型指數(shù) 表5

(1)斑塊類型尺度上景觀特征

從景觀斑塊類型尺度選擇斑塊數(shù)量(NP)、斑塊密度(PD)、景觀百分?jǐn)?shù)指數(shù)(PLAND)、平均斑塊面積(AREA_MN)和周長(zhǎng)-面積分維數(shù)(PAFRAC)分析昆明市國(guó)土空間景觀斑塊類型特征及演變規(guī)律。由表5可知：

①農(nóng)業(yè)生產(chǎn)景觀斑塊數(shù)量和斑塊密度增大，而斑塊百分?jǐn)?shù)指數(shù)、斑塊平均面積和周長(zhǎng)-面積分維數(shù)值都變小，故昆明市農(nóng)業(yè)生產(chǎn)景觀斑塊更加密集，且斑塊形狀趨于簡(jiǎn)單，但破碎化程度變大，對(duì)農(nóng)業(yè)用地進(jìn)行規(guī)?；幂^難；工礦生產(chǎn)景觀的斑塊數(shù)量、斑塊密度、斑塊百分?jǐn)?shù)指數(shù)均有不同程度的增加，說(shuō)明工礦生產(chǎn)景觀面積增加且分布更加集中；平均斑塊面積變小，所以工礦生產(chǎn)空間布局更加連片，細(xì)碎化程度變??；而周長(zhǎng)-面積分維數(shù)值的略微增大，體現(xiàn)其在擴(kuò)張的過(guò)程中，形狀趨于復(fù)雜化發(fā)展。

②城鎮(zhèn)和農(nóng)村生活景觀的斑塊數(shù)量、斑塊密度和斑塊百分?jǐn)?shù)指數(shù)呈現(xiàn)上升趨勢(shì)，說(shuō)明昆明市生活景觀面積增大，且分布更密集，其中城鎮(zhèn)生活景觀的平均斑塊面積急劇減少，周長(zhǎng)-面積分維數(shù)也降低，故隨著新型城鎮(zhèn)化策略的實(shí)施，城鎮(zhèn)生活空間利用更集約、連片，形狀也更為規(guī)整。農(nóng)村生活景觀的平均斑塊面積下降，說(shuō)明其破碎水平上升，而周長(zhǎng)-面積分維數(shù)下降，說(shuō)明實(shí)施新農(nóng)村建設(shè)成效顯著，農(nóng)村居民點(diǎn)更加規(guī)則有序。

③綠地生態(tài)景觀的斑塊數(shù)和斑塊密度下降，原因是綠地生態(tài)空間主要由各種林地和草地組成，受退耕還林政策的影響，使得林地與草地集中連片出現(xiàn)，導(dǎo)致斑塊數(shù)逐漸減少，所以綠地生態(tài)景觀的細(xì)碎化程度有所緩和；景觀面積比例明顯上升，平均斑塊面積也明顯增長(zhǎng)，說(shuō)明其分布較為集中，而周長(zhǎng)-面積分維數(shù)指數(shù)有所下降，說(shuō)明綠地生態(tài)景觀的邊界和形狀逐步趨于簡(jiǎn)單化。水域生態(tài)景觀的總斑塊數(shù)、斑塊密度和周長(zhǎng)-面積分維數(shù)都呈上升趨勢(shì)，但增幅均不大，說(shuō)明其細(xì)碎化程度有所提高，且斑塊形狀和邊界趨于不規(guī)則和復(fù)雜化；景觀所占斑塊面積和斑塊平均面積的值均變小，這與斑塊數(shù)量和細(xì)碎化水平增高有關(guān)，所以今后人們?cè)诶盟蛏鷳B(tài)空間中的湖泊和坑塘?xí)r，應(yīng)合理規(guī)劃，盡量改造為簡(jiǎn)單規(guī)整的形狀。隨著城鎮(zhèn)化和工業(yè)化的快速發(fā)展，用地需求不斷增加，所以其他生態(tài)景觀中的土地，被有效開(kāi)發(fā)利用轉(zhuǎn)為其他用地，在研究期內(nèi)，各景觀指數(shù)都急劇減小。

(2)景觀尺度上景觀特征

通過(guò)計(jì)算香農(nóng)均勻度指數(shù)(SHEI)、香農(nóng)多樣性指數(shù)(SHDI)、集聚度(AI)、蔓延度(CONTAG)和散布與并列指數(shù)(IJI)分析昆明市國(guó)土空間的空間異質(zhì)性和相互聯(lián)系(表6)，由表6可知：

①SHEI和SHDI的值均變小，說(shuō)明昆明市國(guó)土空間景觀類型的異質(zhì)性程度減小，土地利用均衡度有所下降且多樣性減少，也說(shuō)明景觀主體類型農(nóng)業(yè)生產(chǎn)空間和綠地生態(tài)空間對(duì)昆明市景觀整體的控制作用被其他各類景觀削弱。

②昆明市國(guó)土空間景觀的AI值和CONTAG均呈現(xiàn)上升的趨勢(shì)，說(shuō)明區(qū)域景觀的集聚度在提高，破碎水平在降低且主體景觀農(nóng)業(yè)生產(chǎn)景觀、綠地生態(tài)景觀的連通性有所提高，說(shuō)明在城鎮(zhèn)化和工業(yè)化快速發(fā)展的大背景下，其他空間對(duì)兩類主體優(yōu)勢(shì)空間并無(wú)明顯干擾；IJI指數(shù)變小，體現(xiàn)昆明市不同類型景觀之間的相鄰概率降低，某一類型與其他類型景觀的鄰接水平下降，表明區(qū)域相同景觀類型的斑塊集聚程度在不斷上升。

2009年-2015年昆明市景觀水平指數(shù)變化表 表6

4 結(jié)論與討論

4.1 結(jié)論

本文從國(guó)土“三生空間“的數(shù)量變化、重心遷移、轉(zhuǎn)移特征和景觀格局變化等方面分析研究昆明市國(guó)土空間的結(jié)構(gòu)演變特征，得出以下結(jié)論：

(1)昆明市的優(yōu)勢(shì)功能空間是農(nóng)業(yè)生產(chǎn)空間和綠地生態(tài)空間，所占面積超過(guò)區(qū)域總面積的70%，所以其農(nóng)業(yè)產(chǎn)業(yè)基礎(chǔ)和生態(tài)水平較高。

(2)各功能空間在研究期內(nèi)面積變化幅度差異較大，均有不同程度的增加或減少，除農(nóng)業(yè)生產(chǎn)空間、水域生態(tài)空間和其他生態(tài)空間減少外，其余類型空間轉(zhuǎn)入面積均大于轉(zhuǎn)出面積。

(3)隨著昆明市經(jīng)濟(jì)的快速發(fā)展，土地的需求日益增加，對(duì)后備土地資源開(kāi)發(fā)利用程度增強(qiáng)，致使其他生態(tài)空間的重心遷移最劇烈，從尋甸回族彝族自治縣的雞街鎮(zhèn)遷移到先鋒鎮(zhèn)。

(4)昆明市國(guó)土空間景觀類型的異質(zhì)性程度、土地利用均衡度和破碎化水平均降低，而集聚度和景觀間的連通性在提高。

4.2 討論

本文基于昆明市“三生空間”來(lái)分析昆明市國(guó)土空間結(jié)構(gòu)演變特征，雖能為今后昆明市國(guó)土空間開(kāi)發(fā)利用和格局優(yōu)化提供重要參考，但在“三生空間”的劃分、研究數(shù)據(jù)的選取以及研究尺度上仍存在一定的不足和缺陷。

(1)“三生空間”的劃分主要依據(jù)國(guó)土空間功能，而任一土地都具有多功能性，所以在“三生空間”分類上存在一定的不足，未來(lái)需要進(jìn)一步探討“三生空間”分類與土地利用的銜接，完善“三生空間”分類體系。

(2)受數(shù)據(jù)收集條件的限制，本文研究數(shù)據(jù)為間隔6年的兩期土地利用數(shù)據(jù)，未能在較長(zhǎng)時(shí)間上反映昆明市國(guó)土空間的演變特征，未來(lái)需要對(duì)其進(jìn)行長(zhǎng)期跟蹤研究。

(3)本文基于昆明市市域尺度展開(kāi)研究，對(duì)各區(qū)縣土地利用結(jié)構(gòu)特征分析不夠具體，未來(lái)需以縣域尺度作為研究對(duì)象，更詳細(xì)具體地分析國(guó)土空間結(jié)構(gòu)演變特征。