2010—2017 年鄭州市“三生空間”時空演化分析

高 莎，畢正晴，張靜靜，肖子卉，李雨潔，康婷婷

（鄭州師范學院地理與旅游學院，鄭州 450044）

“三生空間”是指人類賴以生存與發(fā)展的空間，具體包括生產(chǎn)空間、生活空間和生態(tài)空間［1-3］。近些年來，隨著社會經(jīng)濟的迅猛發(fā)展，生產(chǎn)空間和生態(tài)空間不斷被侵占，國土空間結(jié)構(gòu)愈發(fā)失衡，特別是協(xié)調(diào)生產(chǎn)、生活、生態(tài)用地之間的矛盾愈發(fā)困難，導致經(jīng)濟發(fā)展與生態(tài)環(huán)境保護之間的矛盾日益突出［4，5］。面對發(fā)展困境，“十八大”報告提出，要構(gòu)建“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“三生空間”?！叭臻g”的優(yōu)化開發(fā)與布局對于保護生態(tài)環(huán)境以及優(yōu)化國土空間具有重要意義，從而促進區(qū)域的可持續(xù)發(fā)展［1，2，6］。因此，近年來關(guān)于“三生空間”的相關(guān)研究應運而生，已成為地理學、生態(tài)學及土地資源管理學等相關(guān)學科的研究熱點［7-11］。

以往研究多集中于“三生空間”的分類［2，12，13］、“三生空間”功能體系建設［14］、“三生空間”的結(jié)構(gòu)優(yōu)化等方面［15，16］，這些研究在一定程度上對掌握不同區(qū)域“三生空間”的格局變化具有重要意義。近年來，不少學者從國家、省、市、縣各個行政等級對“三生空間”的時空演變開展了研究工作［17-20］，研究表明“三生空間”的時空演變具有明顯的地域性差異，不同地區(qū)生產(chǎn)、生活、生態(tài)空間的規(guī)劃受城市自身發(fā)展的影響。然而現(xiàn)有研究中鮮有對鄭州市“三生空間”時空演化進行探討。鄭州市在2016 年被正式納入國家中心城市，其位于國家交通中心位置，在經(jīng)濟飛速發(fā)展、城鎮(zhèn)化不斷加快的過程中，鄭州市“三生空間”的格局已經(jīng)發(fā)生了重大變化，“三生空間”的演化同時也影響著鄭州市的經(jīng)濟與社會發(fā)展。因此本研究以鄭州市土地利用數(shù)據(jù)為基礎，探討2010—2017年鄭州市“三生空間”時空演化特征，明確鄭州市生產(chǎn)空間、生活空間、生態(tài)空間三者的分布格局、隨海拔的變化特征以及三者之間的相互轉(zhuǎn)換特征，以期為鄭州市國土空間優(yōu)化提供科學依據(jù)與決策參考。

1 材料與方法

1.1 材料來源與預處理

土地利用數(shù)據(jù)來源于國家基礎地理信息中心提供的地表覆蓋數(shù)據(jù)（網(wǎng)址為：GLC30，http：//www.Globallandcover.com），空間分辨為30 m，包括2010 年和2017 年2 期土地利用數(shù)據(jù)。在ArcGIS 10.2 中通過掩膜提取得到研究區(qū)2 期土地利用數(shù)據(jù)（圖1）。DEM 數(shù)據(jù)來源于地理空間數(shù)據(jù)云（網(wǎng)址：http：//www.gscloud.cn/）。

圖1 鄭州市2010—2017 年土地利用類型

1.2 研究方法

1.2.1 “三生空間”的分類 借鑒國土空間“三生”功能理論［21］，結(jié)合前人的研究經(jīng)驗［22］，對鄭州市“三生空間”進行分類。生產(chǎn)用地是指進行農(nóng)業(yè)、工業(yè)和商業(yè)活動獲取產(chǎn)品和供給功能的用地，主要包括耕地；生活用地是提供承載和保障人居功能的用地，主要包括建設用地；而生態(tài)用地則是以調(diào)節(jié)、維持和保障生態(tài)安全功能為主的用地，主要包括林地、草地、水域、未利用土地［1］。并借助ArcGIS 重分類工具將2010—2017 年的土地利用類型數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)化為生產(chǎn)、生活、生態(tài)空間柵格數(shù)據(jù)。

1.2.2 “三生空間”時空轉(zhuǎn)型分析方法 利用轉(zhuǎn)移矩陣方法研究“三生空間”的時空轉(zhuǎn)型特征。運用Arc-GIS 柵格計算器工具進行數(shù)據(jù)處理，輸入計算公式后以文本格式導出數(shù)據(jù)，進而用Excel數(shù)據(jù)透視表處理，即可得出反映鄭州市2010—2017 年3 種空間相互轉(zhuǎn)換的數(shù)量與方向的相關(guān)數(shù)據(jù)。

2 結(jié)果與分析

2.1 鄭州市“三生空間”格局變化分析

由表 1 與圖 2 可知，鄭州市 2010—2017 年“三生空間”面積、比例及空間格局變化。2017 年鄭州市生產(chǎn)空間面積總計為4 720.50 km2，占比為62.50%，相比2010 年減少了614.68 km2，占比下降8.13 個百分點（表1）。生產(chǎn)空間總體雖呈縮小趨勢，但仍占鄭州市土地總面積最大比例，且廣泛分布在鄭州市各個縣級市及直轄縣。鄭州市地處中原，水熱條件良好，是重要的農(nóng)業(yè)區(qū)，耕地為生產(chǎn)空間中的主要用地類型。從圖2 可以直觀地看出，生產(chǎn)空間被生活空間大量侵占，因此要大力推行集約農(nóng)業(yè)，增加農(nóng)業(yè)科技投入，促進產(chǎn)業(yè)集聚，提高生產(chǎn)空間土地利用效率。

圖2 鄭州市2010—2017 年“三生空間”格局

2017 年鄭州市生活空間面積總計為1 625.81 km2，占比為21.52%，與2010 年相比增加了394.19 km2，占比上升5.21 個百分點（表1）。在空間分布上呈現(xiàn)出明顯的東高西低態(tài)勢，主要分布在中部偏北的經(jīng)濟較發(fā)達市轄區(qū)，位于此地的鄭州市區(qū)是發(fā)展的核心區(qū)域，也是人口和產(chǎn)業(yè)的集聚區(qū)，居民建設用地大幅擴張，呈放射狀擴展，土地利用壓力大，生活用地大量占據(jù)生產(chǎn)用地。除鄭州市市轄區(qū)以外，鄭州市西北部、南部、東南部大部分地區(qū)的生活空間也呈擴張態(tài)勢，但總體擴張幅度不大。

2017 年鄭州市生態(tài)空間面積總計為1 207.06 km2，占比為15.98%，與2010 年相比增加了220.5 km2，占比上升2.92 個百分點（表1）。生態(tài)空間主要分布在鄭州市西南部、南部、北部邊緣區(qū)，而其他地區(qū)的生態(tài)空間呈零星狀分布。西南部地區(qū)海拔較高，多為低山丘陵，受人類生活干擾性小，且登封市、鞏義市自然資源景觀生態(tài)功能價值高，生態(tài)空間面積有增加的趨勢。黃河流經(jīng)鄭州市北部邊緣地區(qū)，近年來對黃河風景區(qū)的開發(fā)建設，生態(tài)空間面積也有所減少。南部地區(qū)與平頂山、許昌相接，且海拔相對較高，植被覆蓋率高，近些年受到政策的影響，積極擴大生態(tài)空間的建設。

表1 2010—2017 年“三生空間”面積及比例

2.2 “三生空間”在不同海拔上的變化分析

根據(jù)研究區(qū)DEM 數(shù)據(jù)，結(jié)合研究區(qū)地形特征，運用ArcGIS 10.2 重分類工具，將鄭州市劃分為6 個海拔梯度，分別是＜200 m、200～400 m、400～600 m、600～800 m、800～1 200 m、＞1 200 m。并統(tǒng)計各個海拔梯度內(nèi)“三生空間”的面積比例（圖3），可以發(fā)現(xiàn)隨海拔升高，生產(chǎn)空間先呈微弱增加，而后呈現(xiàn)明顯下降趨勢，在海拔為200～400 m 區(qū)域面積占比達到最大，且在海拔高于1 200 m 的區(qū)域趨近于零；生活空間面積占比隨海拔升高呈逐漸減少趨勢，且在海拔800 m 以上趨近于零；生態(tài)空間面積占比隨海拔升高呈增加趨勢，并在高于1 200 m 的區(qū)域達到最大。

2010—2017 年“三生空間”面積占比在不同海拔段的變化存在一定的差異（圖3），生產(chǎn)空間面積占比在海拔1 200 m 以下呈減少趨勢，其中海拔200 m 以下面積減少量最大（261.56 km2），占比減少6%，在海拔為200～400 m 區(qū)域內(nèi)面積占比減少量最大，減少18%，在海拔為400～600、600～800、800～1 200 m區(qū)域內(nèi)面積占比分別減少13%、11%、9%。在＜200 m、200～400 m 面積減少量大的原因是近年來鄭州市由新興工業(yè)化城市轉(zhuǎn)變?yōu)榇笠?guī)模城市，城市交通、居民建設等基礎設施在逐步改善，在對城市基礎設施建設時，占用了大量的生產(chǎn)空間；400～600、600～800、800～1 200 m 生產(chǎn)面積減少的原因主要是響應國家號召建設生態(tài)環(huán)境，實施退耕還林政策；雖然海拔1 200 m 以上占比增加3%，但高海拔地區(qū)土地面積總量很少，生產(chǎn)空間面積基本穩(wěn)定。生活空間面積占比在海拔1 200 m 以下呈增加趨勢，其中海拔200 m 以下地區(qū)面積及占比增加最大，增加了6%，在海拔為 200～400、400～600、600～800、800～1 200 m的區(qū)域內(nèi)面積占比分別增加5%、3%、2%、1%，海拔1 200 m 以上生活空間面積為零。生態(tài)空間面積占比在200～1 200 m 呈增加趨勢，其中200～400 m 面積增加數(shù)量最多，占比增加7%，在海拔為400～600、600～800、800～1 200 m 的區(qū)域內(nèi)面積占比分別增加10%、10%、7%，海拔1 200 m 以上占比減少3%。由此可知，2000—2017 年鄭州市生產(chǎn)空間在海拔低于1 200 m 的區(qū)域內(nèi)均呈減少趨勢，其中在海拔為200～400 m 的區(qū)域內(nèi)面積占比減少量達到最大；生活空間在海拔低于1 200 m 的區(qū)域內(nèi)呈增加趨勢，其中在海拔低于200 m 以下的區(qū)域內(nèi)面積、占比增加量達到最大；生態(tài)空間在海拔為200～1 200 m 的區(qū)域內(nèi)均呈增長趨勢，其中在海拔為400～800 m 的區(qū)域內(nèi)面積占比增加最大。

圖3 鄭州市2010—2017 年“三生空間”在不同海拔上的面積占比

2.3 “三生空間”時空轉(zhuǎn)型分析

根據(jù)鄭州市2010—2017 年“三生空間”轉(zhuǎn)移矩陣（表2），分析鄭州市“三生空間”相互轉(zhuǎn)化特征。2010—2017 年整體上各空間之間的轉(zhuǎn)換較為頻繁，特別是生產(chǎn)空間與生活空間、生產(chǎn)空間與生態(tài)空間的相互轉(zhuǎn)化。其中生產(chǎn)空間向生活空間轉(zhuǎn)化的面積最多，為897.37 km2，生活空間向生產(chǎn)空間轉(zhuǎn)化面積為506.31 km2，生產(chǎn)空間向生態(tài)空間轉(zhuǎn)化的面積為545.81 km2，生態(tài)空間向生產(chǎn)空間轉(zhuǎn)化面積為322.18 km2。相比之下，生產(chǎn)空間與生活空間的轉(zhuǎn)化幅度大于生產(chǎn)空間與生態(tài)空間的轉(zhuǎn)化幅度，而生活空間與生態(tài)空間之間面積轉(zhuǎn)化相對不明顯。結(jié)合圖1 分析鄭州市“三生空間”的相互轉(zhuǎn)化特征。①鄭州市“三生空間”土地類型轉(zhuǎn)變以生產(chǎn)空間向生活空間轉(zhuǎn)化為主要形式。鄭州市滿足國家中心城市建設需求，加大城鎮(zhèn)化建設，人口數(shù)量持續(xù)增多，生活用地嚴重不足，土地壓力增大，耕地、草地和水域等生產(chǎn)、生態(tài)面積不斷被生活居民建設用地侵占；②生活空間的擴張對生態(tài)空間建設存在一定影響。隨著鄭州市城市化進程不斷加快，生活空間建設大肆擴張，人地關(guān)系更加緊張。因此鄭州市在推動城市化建設過程中更加注重生態(tài)環(huán)境建設，制定城市規(guī)劃綠地系統(tǒng)，改善城市生態(tài)環(huán)境，提高城市宜居性。

表2 2010-2017 年“三生空間”轉(zhuǎn)移矩陣 （單位：km2）

3 小結(jié)與討論

以鄭州市為研究對象，基于土地利用、DEM 等數(shù)據(jù)，運用轉(zhuǎn)移矩陣等研究方法，對2010—2017 年鄭州市“三生空間”時空演化做出分析，主要結(jié)論如下。

（1）2010—2017 年鄭州市生產(chǎn)空間變化最顯著，面積占比下降8.13 個百分點，空間格局上呈大面積縮減趨勢；生活空間面積占比增加5.21 個百分點，其中市轄區(qū)生活空間面積增長尤為明顯，呈放射狀向外擴散；生態(tài)空間面積占比增加2.92 個百分點，其中鄭州市西南部地區(qū)呈明顯擴張趨勢。

（2）從不同海拔高度來看，2010—2017 年，生產(chǎn)空間在海拔低于1 200 m 的區(qū)域內(nèi)均呈減少趨勢，其中在海拔為200～400 m 的區(qū)域內(nèi)面積占比減少量達到最大；生活空間在海拔低于1 200 m 的區(qū)域內(nèi)呈增加趨勢，其中在海拔低于200 m 以下的區(qū)域內(nèi)面積及占比增加最大；生態(tài)空間在海拔為200～1 200 m的區(qū)域內(nèi)均呈增長趨勢，其中在海拔為400～800 m的區(qū)域內(nèi)面積占比增加最大。

（3）鄭州市“三生空間”各個空間之間的轉(zhuǎn)換相對頻繁，尤其是生產(chǎn)空間與生活空間、生產(chǎn)空間與生態(tài)空間的相互轉(zhuǎn)化量較大。其中生產(chǎn)空間向生活空間、生態(tài)空間分別轉(zhuǎn)移897.37、545.81 km2；生活空間向生產(chǎn)空間、生態(tài)空間分別轉(zhuǎn)移506.31、58.12 km2；生態(tài)空間向生產(chǎn)空間、生活空間分別轉(zhuǎn)移322.18、61.25 km2。

對鄭州市2010—2017 年“三生空間”時空格局及其演變做出了分析，結(jié)果表明鄭州市2010—2017年生產(chǎn)空間面積大幅減少，生活空間面積增加，主要是由經(jīng)濟高速發(fā)展、城鎮(zhèn)化工業(yè)化迅速發(fā)展，鄭州市人口大量增加等原因造成的。而近年來，環(huán)境污染日益加劇、土地資源浪費、土地資源利用效率低等問題日益加劇，鄭州市響應國家號召，增加生態(tài)環(huán)境建設，生態(tài)空間土地面積有所增加?！叭臻g”的演化是一個動態(tài)變化的過程，“三生空間”土地利用類型轉(zhuǎn)變是適應社會經(jīng)濟發(fā)展的需要而逐步演變的結(jié)果，受到社會經(jīng)濟、文化、人口、政策等各個因素的影響，對鄭州市“三生空間”演化分析還需要結(jié)合更多的社會經(jīng)濟、人文數(shù)據(jù)，但本研究缺乏相關(guān)因素的數(shù)據(jù)資料。主要集中于鄭州市“三生空間”分布及空間轉(zhuǎn)化進行研究，有待于在以后的相關(guān)研究中進一步加強鄭州市“三生空間”時空演化分析，從而為鄭州市國家中心城市建設提供更完備的科學依據(jù)。