基于“三生空間”的天津市土地利用轉(zhuǎn)型與生態(tài)環(huán)境變化關(guān)系研究

周吉星，張前進(jìn)

（天津城建大學(xué) 地質(zhì)與測(cè)繪學(xué)院，天津 300384）

土地利用轉(zhuǎn)型是指在經(jīng)濟(jì)社會(huì)變化和革新的驅(qū)動(dòng)下，土地利用形態(tài)在一段時(shí)間內(nèi)由一種形態(tài)向另一種形態(tài)轉(zhuǎn)變的過(guò)程[1].隨著城鎮(zhèn)化進(jìn)程的加快、社會(huì)經(jīng)濟(jì)的快速發(fā)展及人口的不斷增長(zhǎng)，人類(lèi)對(duì)土地資源開(kāi)發(fā)利用程度逐步提升，人地矛盾以及用地轉(zhuǎn)型給生態(tài)環(huán)境帶來(lái)的正負(fù)效應(yīng)差異等[2-4]狀況日益加劇.十八大以來(lái)，“生產(chǎn)空間集約高效、生活空間宜居適度、生態(tài)空間山清水秀”的理念不斷強(qiáng)化. 在此背景下分析特定區(qū)域土地利用轉(zhuǎn)型及生態(tài)環(huán)境效應(yīng)，對(duì)統(tǒng)籌城鄉(xiāng)發(fā)展和優(yōu)化空間布局具有重要的現(xiàn)實(shí)意義.

目前相關(guān)研究選擇長(zhǎng)江三角洲核心區(qū)[5]、廣東省[6]、重慶北碚區(qū)[7]、昌黎縣[8]等為研究區(qū)，并從“三生空間”視角進(jìn)行土地利用主導(dǎo)功能的分類(lèi)，分析其土地利用轉(zhuǎn)型特征及生態(tài)環(huán)境效應(yīng).從研究區(qū)域的特點(diǎn)來(lái)看，主要集中于城市群和單個(gè)區(qū)、縣，而對(duì)單體城市的土地利用轉(zhuǎn)型特點(diǎn)和生態(tài)環(huán)境變化規(guī)律的研究則相對(duì)缺乏.天津作為北方第二發(fā)達(dá)的城市，在京津冀一體化發(fā)展中占有重要的地位.本文以天津市為例，基于“三生空間”視角定量研究2000—2018 年間天津市土地利用轉(zhuǎn)型特征及其與生態(tài)環(huán)境響應(yīng)關(guān)系，分析天津市19 a 間土地利用變化規(guī)律以及變化所帶來(lái)的環(huán)境影響，為天津市進(jìn)一步完善國(guó)土空間整體布局奠定一定的理論基礎(chǔ).

1 研究區(qū)概況

天津市坐落于 116°43′E~118°04′E，38°34′N(xiāo)~40°15′N(xiāo)，全市共有 16 個(gè)轄區(qū)（見(jiàn)圖 1）.天津主要有平原、山地、灘涂、丘陵等地貌，其中以平原為主，約占93%.其海拔由北向南逐漸變低.截至2018 年末，全市常住人口1 559.60 萬(wàn)人，人口城市化率為83.15%，人口總量處于基本穩(wěn)定的狀態(tài). 2018 年全市GDP 增速為3.6%，總規(guī)模達(dá)到1.88 萬(wàn)億元.

圖1 天津市各區(qū)分布圖

2 數(shù)據(jù)來(lái)源與研究方法

2.1 數(shù)據(jù)來(lái)源

研究數(shù)據(jù)來(lái)自美國(guó)地質(zhì)勘探局（USGS）提供的landsat 影像（2000 年、2010 年和 2018 年），之后采用人機(jī)交互方式在ArcGIS 10.5 中進(jìn)行解譯，根據(jù)《土地利用現(xiàn)狀分類(lèi)》GB/T21010—2017 得到研究區(qū)三期土地利用數(shù)據(jù).最后在ArcGIS 10.5 隨機(jī)選取300 個(gè)點(diǎn)進(jìn)行精度驗(yàn)證，三期數(shù)據(jù)解譯精度達(dá)到85%以上，基本滿足數(shù)據(jù)精度要求.

本文基于“三生空間”視角，結(jié)合實(shí)際情況并參照楊清可等[5]對(duì)于“三生空間”土地利用主導(dǎo)功能的分類(lèi)方案，將天津市遙感數(shù)據(jù)按照土地利用二級(jí)分類(lèi)系統(tǒng)進(jìn)行分類(lèi)的25 個(gè)二級(jí)地類(lèi)劃分為生產(chǎn)、生態(tài)、生活3個(gè)一級(jí)用地類(lèi)型，農(nóng)業(yè)和工礦生產(chǎn)用地，林地、牧草、水域和其他生態(tài)用地，城鎮(zhèn)和農(nóng)村生活用地等8 個(gè)二級(jí)地類(lèi)（見(jiàn)表1）.同時(shí)根據(jù)李曉文[9]，楊述河等[10]研究，并考慮到天津市的實(shí)際狀況，本文采用面積加權(quán)法確定了二級(jí)地類(lèi)的生態(tài)環(huán)境質(zhì)量指數(shù).

表1 土地利用主導(dǎo)功能分類(lèi)及生態(tài)環(huán)境質(zhì)量指數(shù)

2.2 研究方法

2.2.1 土地利用轉(zhuǎn)移矩陣

土地利用轉(zhuǎn)移矩陣可以計(jì)算出不同土地利用類(lèi)型在一段時(shí)期內(nèi)互相轉(zhuǎn)換的情況，也可得到它們之間的轉(zhuǎn)換速率. 利用其分析土地利用轉(zhuǎn)型，可以清楚地得到土地利用分布的變化規(guī)律及特征，其數(shù)學(xué)表達(dá)式為[5]

式中：Sij是i 地類(lèi)轉(zhuǎn)換為j 地類(lèi)的面積；i 是轉(zhuǎn)換前地類(lèi)；j 是轉(zhuǎn)換后地類(lèi)；n 是研究區(qū)的地類(lèi)總數(shù).

2.2.2 區(qū)域生態(tài)環(huán)境質(zhì)量指數(shù)

區(qū)域生態(tài)環(huán)境質(zhì)量指數(shù)（EV）是某一時(shí)期某一區(qū)域中所有土地利用類(lèi)型的面積與各自生態(tài)環(huán)境質(zhì)量指數(shù)的加權(quán)計(jì)算總和與區(qū)域總面積的比值，該值表示區(qū)域生態(tài)環(huán)境質(zhì)量的綜合狀況，其表達(dá)式為[11]

式中：EVt是區(qū)域整體生態(tài)環(huán)境質(zhì)量指數(shù)；LUi為區(qū)域內(nèi)t 時(shí)期第i 種地類(lèi)面積；Ci是第i 種土地利用類(lèi)型的生態(tài)環(huán)境指數(shù)（見(jiàn)表1）；TA 是所研究區(qū)域面積總和；n 是區(qū)域地類(lèi)個(gè)數(shù).

2.2.3 土地利用轉(zhuǎn)型的生態(tài)貢獻(xiàn)率

土地利用轉(zhuǎn)型的生態(tài)貢獻(xiàn)率是某種土地利用類(lèi)型在研究初期與末期的生態(tài)環(huán)境質(zhì)量指數(shù)的變化對(duì)區(qū)域整體生態(tài)環(huán)境質(zhì)量的影響情況，其表達(dá)式為[11-12]

式中：CLEI 是土地利用轉(zhuǎn)型對(duì)區(qū)域整體環(huán)境質(zhì)量變化的生態(tài)貢獻(xiàn)率；LE1，LE0分別是某種地類(lèi)轉(zhuǎn)型在研究開(kāi)始和結(jié)束時(shí)對(duì)應(yīng)的生態(tài)質(zhì)量指數(shù)；LA 是此地類(lèi)轉(zhuǎn)型的面積；TA 是區(qū)域面積總和.

3 結(jié)果與分析

3.1 土地利用變化分析

天津市土地利用類(lèi)型以農(nóng)業(yè)生產(chǎn)用地、水域生態(tài)用地為主（見(jiàn)表2 和圖2），它們?cè)?000 年所占比重最大，分別為55.6%、22.5%.由表2 及圖2 可看出：①2000—2018 年的一級(jí)地類(lèi)變化明顯，主要體現(xiàn)在生活用地從2000 年的1 366.4 km2增加到2018 年的2 349.3 km2，年均增長(zhǎng)3.1%；生態(tài)用地由2000 年的3 657.2 km2減少為2018 年的2 650.0 km2，生產(chǎn)用地在此期間總量變化較小，基本維持在6 660 km2.②從2000 到2018 年的二級(jí)地類(lèi)變化來(lái)看，天津市土地利用結(jié)構(gòu)發(fā)生了顯著變化.農(nóng)業(yè)生產(chǎn)用地、水域、林地和牧草生態(tài)用地等用地面積持續(xù)減少；城鎮(zhèn)和農(nóng)村生活用地及工礦生產(chǎn)用地等區(qū)域逐漸擴(kuò)大；其他生態(tài)用地先減少再增加.其中水域生態(tài)用地和農(nóng)業(yè)生產(chǎn)用地減少量較大，分別減少896.6 km2和579.9 km2；工礦生產(chǎn)用地、城鎮(zhèn)和農(nóng)村生活用地分別增加604.2，602.1，380.8 km2.這說(shuō)明天津市城鎮(zhèn)生活用地需求隨著城鎮(zhèn)化水平的提升而增加，人地之間的供需矛盾加劇.③從土地利用結(jié)構(gòu)轉(zhuǎn)換來(lái)看，天津市農(nóng)業(yè)生產(chǎn)用地占據(jù)最寬廣的區(qū)域，其次是水域生態(tài)用地.農(nóng)業(yè)生產(chǎn)用地更多地聚集在平原區(qū)域，水域生態(tài)用地主要分布在濱海新區(qū)，其他主要散落在薊州區(qū)的東部、靜海區(qū)的東北部以及武清區(qū)的東北部等區(qū)域.2018 年農(nóng)業(yè)生產(chǎn)用地和水域生態(tài)用地面積分別為5 919.1，1 738.7 km2，占總面積的50.7%和14.9%.2018 年其他生態(tài)用地面積為286.9 km2，所占比重較小，與2000 和2010 年相比面積增加明顯，其主要原因是水庫(kù)暫時(shí)性水源不足形成沼澤地，待到水源補(bǔ)足，將變回水域生態(tài)用地.總體上看，天津市可供開(kāi)發(fā)利用的后備土地資源不足.

表2 2000—2018 年天津市各地類(lèi)面積及其變化 km2

3.2 土地利用轉(zhuǎn)型分析

為了更好地表示天津市土地利用類(lèi)型的轉(zhuǎn)型特征，本文以圖2 為基礎(chǔ)，運(yùn)用ArcGIS 軟件中的功能對(duì)不同時(shí)期的土地利用圖進(jìn)行疊加分析，得到3 個(gè)時(shí)期土地利用功能類(lèi)型的轉(zhuǎn)移矩陣，從而確定了土地利用功能類(lèi)型相互轉(zhuǎn)化的方向和數(shù)量（見(jiàn)表3 和表4）.具體特征如下：

表3 2000—2010 年天津市土地利用變化轉(zhuǎn)移矩陣 km2

表4 2010—2018 年天津市土地利用變化轉(zhuǎn)移矩陣 km2

圖2 天津市2000 年、2010 年、2018 年土地利用變化

（1）2000—2010 年，土地利用類(lèi)型的變化特點(diǎn)是農(nóng)業(yè)生產(chǎn)和水域生態(tài)用地面積減少，城鎮(zhèn)生活用地增加.在生產(chǎn)用地方面，農(nóng)業(yè)生產(chǎn)用地更多地向農(nóng)村和城鎮(zhèn)生活用地轉(zhuǎn)化，轉(zhuǎn)移面積分別353.8 km2和248.4 km2；與之相比工礦生產(chǎn)用地增幅較小，其轉(zhuǎn)入量中農(nóng)業(yè)生產(chǎn)和水域生態(tài)用地占有較大比重，所占比例為32.9%和24.5%.在生態(tài)用地方面，水域、林地和牧草生態(tài)用地均有不同程度地減少，其中水域生態(tài)用地減少面積最大，農(nóng)業(yè)生產(chǎn)用地是它們共同的主要去向，轉(zhuǎn)移面積分別為 285.3，80.5，57.8 km2；其他生態(tài)用地整體變化不大，其減少量主要轉(zhuǎn)移方向是工礦生產(chǎn)和城鎮(zhèn)生活用地，轉(zhuǎn)移比例分別為46.0%和31.5%.在生活用地方面，農(nóng)業(yè)生產(chǎn)和水域生態(tài)用地占有城鎮(zhèn)生活用地增加量的較大比重，分別占23.9%和10.7%；農(nóng)村生活用地與之相比增幅較小，農(nóng)業(yè)生產(chǎn)用地是主要增加來(lái)源，比例是35.6%.

（2）2010—2018 年，土地利用類(lèi)型的變化特點(diǎn)是農(nóng)業(yè)生產(chǎn)和水域生態(tài)用地變少，工礦生產(chǎn)用地、城鎮(zhèn)和農(nóng)村生活用地變多，地類(lèi)之間轉(zhuǎn)移節(jié)奏減緩，土地利用功能結(jié)構(gòu)逐漸穩(wěn)定.在生產(chǎn)用地方面，農(nóng)業(yè)生產(chǎn)用地相對(duì)2000—2010 年轉(zhuǎn)移幅度略大，農(nóng)村生活和工礦生產(chǎn)用地在其轉(zhuǎn)出量中占有較大比重，所占比例為4.9%和3.6%；工礦生產(chǎn)用地相比2000—2010 年增加幅度變大，在其轉(zhuǎn)入量中農(nóng)業(yè)生產(chǎn)用地所占比重最大，比例為30.1%.在生態(tài)用地方面，林地和水域生態(tài)用地減少，農(nóng)業(yè)生產(chǎn)用地在它們轉(zhuǎn)出量中均占有較大比重，所占比例分別為24.4%和8.9%；牧草生態(tài)用地也略有減少，其主要減少量來(lái)自城鎮(zhèn)生活用地，轉(zhuǎn)移面積為61.8 km2；其他生態(tài)用地增加，主要轉(zhuǎn)入來(lái)源是水域生態(tài)面積，轉(zhuǎn)移面積為261.8 km2.在生活用地方面，與2000—2010 年相比城鎮(zhèn)生活用地面積增加量變小，農(nóng)業(yè)生產(chǎn)用地、水域和牧草生態(tài)用地在其轉(zhuǎn)入量中占有較大比重，轉(zhuǎn)移比例分別為12.0%，7.3%和5.5%；農(nóng)村生活用地的增加量來(lái)源于農(nóng)業(yè)生產(chǎn)用地，轉(zhuǎn)移比例為25.3%.這表明在城鎮(zhèn)化進(jìn)程中，城鎮(zhèn)人口的增加對(duì)土地資源產(chǎn)生了巨大壓力.

總體上看，天津市2000—2018 年土地利用變化特點(diǎn)是生活及生產(chǎn)用地增加而生態(tài)用地減少，在此期間各二級(jí)土地類(lèi)型之前的轉(zhuǎn)移方向以城鎮(zhèn)、農(nóng)村生活用地的擴(kuò)張以及工礦生產(chǎn)用地的發(fā)展為主.

3.3 土地利用轉(zhuǎn)型的生態(tài)環(huán)境效益分析

3.3.1 天津市生態(tài)環(huán)境質(zhì)量綜合變化

通過(guò)公式（2） 得到天津市 2000 年、2010 年和2018 年的綜合生態(tài)環(huán)境質(zhì)量指數(shù)，其值分別是0.354，0.334，0.309，年均下降率為0.75%.從這個(gè)結(jié)果顯示：2000—2018 年天津市總體生態(tài)環(huán)境質(zhì)量呈現(xiàn)緩慢下降趨勢(shì).主要原因是生態(tài)環(huán)境質(zhì)量貢獻(xiàn)高的生態(tài)用地較多地被生態(tài)環(huán)境質(zhì)量貢獻(xiàn)低的生產(chǎn)用地和生活用地所侵占，用地轉(zhuǎn)型導(dǎo)致的生態(tài)環(huán)境正負(fù)效應(yīng)在研究區(qū)域范圍內(nèi)無(wú)法抵消，從而導(dǎo)致天津市總體生態(tài)環(huán)境質(zhì)量趨于下降.為了進(jìn)一步分析天津市各區(qū)在研究期間的生態(tài)環(huán)境質(zhì)量變化特征，本文以區(qū)為基本單元，得到 2000 年、2010 年、2018 年 3 個(gè)時(shí)期的生態(tài)環(huán)境質(zhì)量圖（見(jiàn)圖3）.從圖3 可以看出，天津市各區(qū)生態(tài)環(huán)境質(zhì)量差異明顯，其中寧河區(qū)、西青區(qū)、津南區(qū)、東麗區(qū)、北辰區(qū)以及濱海新區(qū)在研究期間生態(tài)環(huán)境質(zhì)量出現(xiàn)下降的趨勢(shì)，天津其余各區(qū)在研究期間較為穩(wěn)定.此外還可以看出在2000—2010 年各區(qū)生態(tài)環(huán)境質(zhì)量下降顯著，2010—2018 年生態(tài)環(huán)境質(zhì)量趨于穩(wěn)定.

圖3 天津市生態(tài)環(huán)境質(zhì)量演變的空間分布

3.3.2 天津市各功能用地轉(zhuǎn)型對(duì)生態(tài)環(huán)境影響的貢獻(xiàn)度

根據(jù)天津市2000—2018 年土地利用變化特征，依據(jù)式（3）計(jì)算得到天津市2000—2010 年、2010—2018年兩個(gè)階段各土地利用功能轉(zhuǎn)型對(duì)天津市生態(tài)環(huán)境影響的貢獻(xiàn)率（見(jiàn)表5）.從整體上看生態(tài)環(huán)境正效應(yīng)主要是來(lái)自各種用地類(lèi)型轉(zhuǎn)換為生態(tài)用地，生態(tài)環(huán)境負(fù)效應(yīng)主要是生態(tài)用地轉(zhuǎn)換為生產(chǎn)和生活用地，由此表明生態(tài)用地的面積增減是影響生態(tài)環(huán)境正負(fù)效應(yīng)的主要原因.

表5 生態(tài)環(huán)境改善和惡化的主要用地功能轉(zhuǎn)型指數(shù)變化及貢獻(xiàn)率

2000—2010 年，在促進(jìn)天津市生態(tài)環(huán)境正效應(yīng)的用地轉(zhuǎn)型中，農(nóng)業(yè)生產(chǎn)用地轉(zhuǎn)換成水域、林地和牧草生態(tài)用地占有較大的比重，它們的生態(tài)貢獻(xiàn)率占比分別為25.75%，17.42%，16.56%. 然而致使生態(tài)環(huán)境負(fù)效應(yīng)的用地轉(zhuǎn)型較多，其中水域和林地生態(tài)用地轉(zhuǎn)化成農(nóng)業(yè)生產(chǎn)用地所占比重較大，它們的生態(tài)貢獻(xiàn)率占比分別為24.41%，13.19%；水域生態(tài)用地轉(zhuǎn)換成城鎮(zhèn)生活和工礦生產(chǎn)用地所占比重較少，其生態(tài)貢獻(xiàn)率占比分別為11.19%，8.93%.

2010—2018 年促進(jìn)天津市生態(tài)環(huán)境正效應(yīng)的用地轉(zhuǎn)型中，農(nóng)業(yè)生產(chǎn)用地轉(zhuǎn)換成林地、水域和牧草生態(tài)用地等用地轉(zhuǎn)型所占比重較大，它們的生態(tài)貢獻(xiàn)率占比分別為13.45%，28.64%，20.88%. 在促使天津市生態(tài)環(huán)境負(fù)效應(yīng)的用地轉(zhuǎn)型中，所占比重較大的用地轉(zhuǎn)型是水域生態(tài)用地轉(zhuǎn)化為其他生態(tài)用地、林地生態(tài)用地轉(zhuǎn)型為農(nóng)業(yè)生產(chǎn)用地，它們的生態(tài)貢獻(xiàn)率占比分別為18.44%，17.25%；水域生態(tài)用地轉(zhuǎn)型為農(nóng)業(yè)和工礦生產(chǎn)用地所占比重較小，它們的生態(tài)貢獻(xiàn)率占比分別為12.45%，11.99%.

從整體上看，2000—2018 年期間天津市一直存有生態(tài)環(huán)境正、負(fù)效應(yīng)兩種趨勢(shì)，其中生態(tài)環(huán)境正效應(yīng)趨勢(shì)明顯弱于負(fù)效應(yīng)，因此生態(tài)環(huán)境質(zhì)量指數(shù)表現(xiàn)出減少的狀況，但是整個(gè)區(qū)域總體生態(tài)環(huán)境質(zhì)量指數(shù)較為穩(wěn)定.值得注意的是生態(tài)用地中水域生態(tài)用地是影響生態(tài)環(huán)境質(zhì)量變化最大的用地類(lèi)型，水域生態(tài)用地的修復(fù)和保護(hù)在天津市的生態(tài)環(huán)境質(zhì)量的穩(wěn)定和提升方面占有重要的地位.

4 結(jié) 論

（1）按照土地利用主導(dǎo)功能轉(zhuǎn)型的一級(jí)地類(lèi)來(lái)看，2000—2018 年天津市土地利用變化特點(diǎn)是生活用地增加、生態(tài)用地減少、生產(chǎn)用地相對(duì)穩(wěn)定.從二級(jí)地類(lèi)的角度出發(fā)，2000—2018 年期間水域生態(tài)用地減少量最多，其次是農(nóng)業(yè)生產(chǎn)用地、林地生態(tài)用地.工礦生產(chǎn)用地、牧草和其他生態(tài)用地、城鎮(zhèn)和農(nóng)村生活用地均有增加，其中工礦生產(chǎn)用地增幅最為明顯.

（2）2000—2018 年天津市生態(tài)環(huán)境質(zhì)量指數(shù)呈現(xiàn)一定的下降趨勢(shì)，由2000 年的0.354 下降到2018 年的0.309.天津市各區(qū)生態(tài)環(huán)境質(zhì)量指數(shù)空間差異明顯，其中寧河、西青、津南、東麗、北辰以及濱海新區(qū)在2000—2018 年間生態(tài)環(huán)境質(zhì)量下降趨勢(shì)明顯，其余各區(qū)較為穩(wěn)定.

（3）2000—2018 年天津市一直存在著生態(tài)環(huán)境正、負(fù)效應(yīng)兩種變化趨勢(shì)，生態(tài)環(huán)境負(fù)效應(yīng)趨勢(shì)大于正效應(yīng)趨勢(shì)，致使生態(tài)環(huán)境惡化程度逐漸變大.研究期間農(nóng)業(yè)生產(chǎn)用地轉(zhuǎn)換成林地、牧草和水域生態(tài)用地在促進(jìn)生態(tài)環(huán)境正效應(yīng)趨勢(shì)中占有較大比重；水域生態(tài)用地轉(zhuǎn)換成生產(chǎn)和生活用地是致使生態(tài)環(huán)境負(fù)效應(yīng)的重要因素.

針對(duì)天津市土地利用出現(xiàn)的生產(chǎn)和生活用地對(duì)生態(tài)用地的占用、整體生態(tài)環(huán)境指數(shù)的降低、不同區(qū)域生態(tài)環(huán)境質(zhì)量存有明顯差異等狀況，建議天津市政府通過(guò)對(duì)主體功能區(qū)的功能定位來(lái)制約空間規(guī)劃、用途用量，統(tǒng)籌人口分布、土地利用、環(huán)境保護(hù)等，構(gòu)造生產(chǎn)、生態(tài)、生活等用地之間相互協(xié)調(diào)的空間布局；落實(shí)2018 年天津市政府發(fā)布的生態(tài)保護(hù)紅線的同時(shí)，嚴(yán)格控制國(guó)土開(kāi)發(fā)強(qiáng)度，明確禁止開(kāi)發(fā)區(qū)域、生態(tài)涵養(yǎng)發(fā)展區(qū)域；嚴(yán)格執(zhí)行生態(tài)環(huán)境保護(hù)制度，堅(jiān)持保護(hù)優(yōu)先、自然恢復(fù)為主，不同區(qū)依據(jù)自身狀況進(jìn)行山水林田湖的生態(tài)保護(hù)和修復(fù)工程，全面提升自然生態(tài)系統(tǒng)穩(wěn)定性和生態(tài)服務(wù)功能.