貴州喀斯特山區(qū)“三生空間”格局變化特征分析

楊江州，熊 軍，陳 洪，徐 林，龍華平

(貴州省地質(zhì)礦產(chǎn)勘查開發(fā)局117地質(zhì)大隊，貴州 貴陽 550018)

1 引言

自我國改革開放以來，社會經(jīng)濟(jì)快速發(fā)展，城鎮(zhèn)化與工業(yè)化進(jìn)程不斷推進(jìn)，帶來了國土空間劇烈演變的同時，也面臨著土地利用率低、生態(tài)環(huán)境污染、城鄉(xiāng)發(fā)展失衡、人地關(guān)系矛盾等問題(Liu Yan et al 2014，劉紀(jì)遠(yuǎn) 等，2014)。為了促進(jìn)社會經(jīng)濟(jì)增長與生態(tài)環(huán)境保護(hù)的可持續(xù)發(fā)展，黨的十八大報告明確提出“要將優(yōu)化國土空間開發(fā)格局作為生態(tài)文明建設(shè)的首要舉措，促進(jìn)生產(chǎn)空間集約高效、生活空間宜居適度、生產(chǎn)空間山清水秀”的指導(dǎo)思想(胡錦濤，2012)。“三生空間”作為國土空間格局優(yōu)化的主體，已成為當(dāng)今學(xué)者研究熱點。起初，“三生空間”研究主要側(cè)重概念與內(nèi)涵(江曼琦 等，2020，武占云，2014)、用地分類體系(李廣東 等，2016，張紅旗 等，2017)、以及格局優(yōu)化(劉鵬 等，2017，王成 等，2018)等方面。隨著GIS快速發(fā)展，研究方法由定性向定量分析轉(zhuǎn)變，研究尺度由小尺度向大尺度轉(zhuǎn)變(黨杰，2018，李欣 等，2019)。然而，大多數(shù)研究集中于流域(柳冬青 等，2018)、山區(qū)(Geng Shoubao et al 2019)、城市群(李慧燕，2021)等區(qū)域，對喀斯特山區(qū)研究較少，尤其是缺乏長時間序列的數(shù)據(jù)支撐，不足以揭示喀斯特山區(qū)“三生空間”演變特征。本文以貴州喀斯特山區(qū)為研究對象，基于土地利用遙感監(jiān)測數(shù)據(jù)，分析其自20世紀(jì)80年代到2018年“三生空間”用地變化特征，力圖為區(qū)域國土空間優(yōu)化與區(qū)域可持續(xù)發(fā)展提供重要參考。

2 研究區(qū)概況

圖1 貴州省地理區(qū)位圖Fig.1 Geographical location of Guizhou province1—最高點；2—最低點；3—省界；4—市州界

3 數(shù)據(jù)來源與研究方法

3.1 數(shù)據(jù)來源

貴州省1980年、1990年、2000年、2010年、2018年5期土地利用/土地覆蓋遙感監(jiān)測數(shù)據(jù)來自于中科院資源環(huán)境科學(xué)與數(shù)據(jù)中心數(shù)據(jù)平臺(http：//www.resdc.cn)。該數(shù)據(jù)基于美國陸地衛(wèi)星Landsat遙感影像數(shù)據(jù)，通過人工目視解譯，采用《全國遙感監(jiān)測土地利用/覆蓋分類體系》得到。根據(jù)已有研究成果(黃天能 等，2021，王澤 等，2020，徐磊 等，2018)，建立“生產(chǎn)、生活、生態(tài)”為主導(dǎo)的土地利用體系與土地利用類型銜接表(表1)。本文主要應(yīng)用ArcGIS10.8對數(shù)據(jù)進(jìn)行處理與分析。

表1 “三生空間”結(jié)構(gòu)與土地利用類型銜接表Table 1 Join table of “Production-living-ecological” spaces and land use type

3.2 研究方法

單一土地利用變化動態(tài)度是指某種土地利用類型在一定時期內(nèi)的變化速度與變化幅度，計算公式為(牛潛 等，2018)：

式中，ΔV為土地利用變化動態(tài)度；Va和Vb分別表示某一土地利用類型在研究初期和末期的面積，單位是km2；T為研究的時間長度，單位是年。

轉(zhuǎn)移矩陣模型可直觀反映系統(tǒng)內(nèi)在轉(zhuǎn)換特征，其表達(dá)式為：

式中：S為面積；n為土地利用類型數(shù)量；i，j分別為研究初期與末期的土地利用類型。

重心遷移模型直觀地反映該地區(qū)土地利用空間格局變遷的過程和變化的速度，t時期土地利用類型為j的重心坐標(biāo)計算公式為(楊浩 等，2020，趙珍珍 等，2019)：

式中：X(j，t)，Y(j，t)——t時期土地利用類型為j的重心經(jīng)度和緯度坐標(biāo)；n——t時期土地利用類型為j的斑塊總數(shù)；LA(i，t)——t時期土地利用類型為j的第i個圖斑的面積；X(i，t)，Y(i，t)——t時期土地利用類型為j的第i個圖斑的幾何中心經(jīng)度坐標(biāo)和幾何中心緯度坐標(biāo)。

4 結(jié)果與分析

4.1 “三生空間”時空變化分析

4.1.1 “三生空間”空間分布分析

通過ArcGIS10.8對土地利用/土地覆蓋遙感監(jiān)測數(shù)據(jù)處理，得出1980年、1990年、2000年、2010年、2018年5期“三生空間”的面積變化分布(圖2)。從圖2可以看出，生態(tài)空間最為廣泛，其中綠色生態(tài)空間用地最大，主要集中分布在貴州東南部。其次為生產(chǎn)空間，其中農(nóng)業(yè)生產(chǎn)用地面積次之，主要集中分布畢節(jié)市東部、貴陽市南部、遵義市北部、安順市東北部、黔東南西部、黔西南北部，這些地區(qū)地勢相對平緩，土壤肥沃，易于農(nóng)作物的耕作。生活空間相對較小，其中城鎮(zhèn)生活空間，主要集中各地級市；農(nóng)村生活空間受自然條件和社會經(jīng)濟(jì)影響，零散分布。從時間變化來看，1980—2000年，各類型空間變化并不明顯；2000年以后，工礦生產(chǎn)空間、城鎮(zhèn)生活空間和農(nóng)村生活空間顯著增加。這表明2000年以后，貴州省經(jīng)濟(jì)建設(shè)得到快速發(fā)展，建設(shè)用地急劇擴(kuò)張。從整體來看，38年間，貴州省的工礦生產(chǎn)空間與城鎮(zhèn)生活空間明顯增加，綠色生態(tài)空間與農(nóng)業(yè)生產(chǎn)空間大幅縮減，主要集中于能源化工基地與貴陽省會城市。工礦生產(chǎn)空間與城鎮(zhèn)生活空間擴(kuò)張，主要源于以貴陽市為核心的城市基礎(chǔ)建設(shè)擴(kuò)大以及能源化工基地的擴(kuò)展。

圖2 1980—2018年貴州省“三生空間”分布圖Fig.2 Distribution of “Production-living-ecological” spaces in Guizhou province from 1980 to 2018

4.1.2 “三生空間”結(jié)構(gòu)變化分析

通過對數(shù)據(jù)處理統(tǒng)計得出“三生空間”變化特征(表1)。可知1980—2018年，綠地生態(tài)空間面積最大，平均占比為71%，但變化幅度最小?？傮w來看，貴州省38年來的工礦生產(chǎn)空間、城鎮(zhèn)生活空間、農(nóng)村生活空間、水域生態(tài)空間呈增長趨勢，動態(tài)度分別為26.86%、5.58%、0.83%、3.65%，農(nóng)業(yè)生產(chǎn)空間、綠地生態(tài)空間、其他生態(tài)空間減少，動態(tài)度分別為-0.06%、-0.02%、-1.20%。正反映了貴州省積極響應(yīng)黨的十二大以來重要精神、改革開放和西部大開發(fā)重要指示，經(jīng)濟(jì)得到快速發(fā)展，加速城鎮(zhèn)化的推進(jìn)，使其建設(shè)用地迅速增長。其中農(nóng)業(yè)生產(chǎn)空間縮減，表明仍需加強(qiáng)耕地保護(hù)與占補(bǔ)平衡的力度，優(yōu)化土地利用結(jié)構(gòu)與布局，保障糧食安全。

1980—1990年，貴州省的城鎮(zhèn)生活空間和綠地生態(tài)空間呈增長趨勢，動態(tài)度分別為0.30%、0.02%，工礦生產(chǎn)空間、農(nóng)村生活空間、水域生態(tài)空間大面積減少，動態(tài)度分別為-0.71%、-0.88%、-0.91%，表明城鎮(zhèn)生活空間和綠地生態(tài)空間是該階段“三生空間”變更主導(dǎo)類型。1990—2000年，貴州省的各類型空間均呈增長趨勢，除了綠地生態(tài)空間以外，表明綠地生態(tài)空間是該階段“三生空間”重要轉(zhuǎn)換類型。2000—2010年，貴州省的工礦生產(chǎn)空間、城鎮(zhèn)生活空間、農(nóng)村生活空間、水域生態(tài)空間均呈增長趨勢，動態(tài)度分別為12.91%、4.22%、1.24%、6.92%，農(nóng)業(yè)生產(chǎn)空間、綠地生態(tài)空間、其他生態(tài)空間呈減少趨勢，其中其他生態(tài)空間減少最為顯著，表明在該階段貴州省石漠化治理初步得到顯著成效。2010—2018年，較上一階段相比，工礦生產(chǎn)空間、城鎮(zhèn)生活空間、農(nóng)村生活空間顯著增加，農(nóng)業(yè)生產(chǎn)空間和綠地生態(tài)空間顯著減少，表明該階段絕大部分農(nóng)業(yè)生產(chǎn)空間與綠地生態(tài)空間被應(yīng)用于建設(shè)用地中。

4.1.3 “三生空間”轉(zhuǎn)型分析

為了探索貴州省“三生空間”的內(nèi)在轉(zhuǎn)換規(guī)律，應(yīng)用ArcGIS10.8對1980年和2018年土地利用數(shù)據(jù)進(jìn)行疊加處理得到土地利用轉(zhuǎn)移矩陣(表2)?？芍?980—2018年，最突出表現(xiàn)的是農(nóng)業(yè)生產(chǎn)空間、綠地生態(tài)空間向其他類型空間轉(zhuǎn)移，其中主要轉(zhuǎn)向工礦生產(chǎn)空間。

表2 1980—2018年貴州省“三生空間”結(jié)構(gòu)表Table 2 The structure of “Production-living-ecological” spaces in Guizhou province from 1980 to 2018

農(nóng)業(yè)生產(chǎn)空間轉(zhuǎn)入和轉(zhuǎn)出面積分別為4 759.83 km2、3 721.24 km2，轉(zhuǎn)入面積比轉(zhuǎn)出面積大幅減少1 038.59 km2，表明其他空間類型對農(nóng)業(yè)生產(chǎn)空間的蠶食較為嚴(yán)重，耕地保護(hù)面臨較大壓力。工礦生產(chǎn)空間轉(zhuǎn)入和轉(zhuǎn)出面積分別為1 076.42 km2、46.25 km2，轉(zhuǎn)入面積比轉(zhuǎn)出面積大幅增加1 030.17 km2，其中轉(zhuǎn)入主要類型空間是農(nóng)業(yè)生產(chǎn)空間和綠地生態(tài)空間，分別占轉(zhuǎn)入總面積52%、46%。城鎮(zhèn)生活空間與工礦生產(chǎn)空間轉(zhuǎn)入類似，主要轉(zhuǎn)入類型也為農(nóng)業(yè)生產(chǎn)空間和綠地生態(tài)空間，分別占轉(zhuǎn)入總面積66%、25%，表明該期間工礦生產(chǎn)空間與城鎮(zhèn)生活空間正快速向外擴(kuò)張，逐漸將城鎮(zhèn)周邊農(nóng)業(yè)生產(chǎn)空間和綠地生態(tài)空間并入其中。農(nóng)村生活空間轉(zhuǎn)入類型只有農(nóng)業(yè)生產(chǎn)空間和綠地生態(tài)空間，分別為96.71 km2、33.64 km2，表明農(nóng)業(yè)生產(chǎn)空間和綠地生態(tài)空間是農(nóng)村生活空間擴(kuò)張的后備資源。綠地生態(tài)空間主要由農(nóng)業(yè)生產(chǎn)空間轉(zhuǎn)入，其轉(zhuǎn)入占總面積的97%，可見貴州實施退耕還林政策后，大量的坡耕地轉(zhuǎn)入林地的主要原因是貴州地處喀斯特山區(qū)，坡耕地不易于農(nóng)業(yè)的生產(chǎn)。水域生態(tài)空間轉(zhuǎn)入和轉(zhuǎn)出面積分別為6 541.74 km2、50.45 km2，轉(zhuǎn)入面積比轉(zhuǎn)出面積增加601.29 km2，且由農(nóng)業(yè)生產(chǎn)空間和綠地生態(tài)空間轉(zhuǎn)入。這表明貴州的河流治理有了明顯成效，流域面積增加，將原來流域兩邊的低洼灘涂耕地與草地淹沒。其他生態(tài)空間只轉(zhuǎn)入綠地生態(tài)空間，轉(zhuǎn)入面積為21.02 km2，主要源于貴州省石漠化的治理，將裸土地與裸巖石質(zhì)地恢復(fù)成了灌木林地，促進(jìn)綠色生態(tài)發(fā)展。

表3 貴州省1980—2018年土地利用轉(zhuǎn)移矩陣表Table 3 Land use transfer matrix in Guizhou province from 1980 to 2018

4.2 “三生空間”重心遷移特征分析

基于貴州省5期的土地利用數(shù)據(jù)以及利用重心遷移模型，得出1980—2018年貴州省不同時期各土地利用類型重心遷移特征(如圖3-5)。從圖3可知，農(nóng)業(yè)生產(chǎn)空間重心總體上向東南移動，最西北出現(xiàn)在1990年，最東南出現(xiàn)在2018年；工礦生產(chǎn)空間重心總體上向東北移動，最西北出現(xiàn)在2010年，最東北出現(xiàn)在2018年。

(a)農(nóng)業(yè)生產(chǎn)空間 (b)工礦生產(chǎn)空間圖3 1980—2018年貴州省生產(chǎn)空間重心遷移特征圖Fig.3 The migration characteristics of the production center in Guizhou province from 1980 to 2018

(a)城鎮(zhèn)生活空間 (b)農(nóng)村生活空間圖4 1980—2018年貴州省生活空間重心遷移特征圖Fig.4 Migration characteristics of the living center in Guizhou province from 1980 to 2018

圖5 1980—2018年貴州省生態(tài)空間重心遷移特征圖Fig.5 The migration characteristics of the ecological space center in Guizhou province from 1980 to 2018

1980—1990年，農(nóng)業(yè)生產(chǎn)空間重心經(jīng)向與緯向均移動0.001°，移動方向為西北，移動距離為134.3 m；工礦生產(chǎn)空間重心經(jīng)向移動0.017°，緯向移動0.012°，移動方向東北，移動距離為2 120.7 m。1990—2000年，農(nóng)業(yè)生產(chǎn)空間重心經(jīng)向移動0.006°，緯向移動0.004°，移動方向東南，移動距離為770.2 m，工礦生產(chǎn)空間重心經(jīng)向移動0.003°，緯向移動0.041°，移動方向西南，移動距離為4 527.2 m。2000—2010年，農(nóng)業(yè)生產(chǎn)空間重心經(jīng)向移動0.009°，緯向移動0.001°，移動方向東北，移動距離為840.5 m，工礦生產(chǎn)空間重心經(jīng)向移動0.012°，緯向移動0.143°，移動方向西南，移動距離為19 848.7 m。2010—2018年，農(nóng)業(yè)生產(chǎn)空間重心經(jīng)向移動0.010°，緯向移動0.007°，移動方向東南，移動距離為 1309.1 m，工礦生產(chǎn)空間重心經(jīng)向移動0.151°，緯向移動0.076°，移動方向東北，移動距離為17 303.9 m。

根據(jù)圖4可知，城鎮(zhèn)生活空間重心總體上向西北移動，移動的最大經(jīng)度為0.203°，最大緯度為0.049°；農(nóng)村生活空間重心總體上向東北移動，移動的最大經(jīng)度為0.064°，最大緯度為0.048°。

1980—1990年，城鎮(zhèn)生活空間重心經(jīng)向移動0.009°，緯向移動0.003°，移動方向西北，移動距離為1 013.1 m，農(nóng)村生活空間重心經(jīng)向移動0.001°，緯向移動0.003°，移動方向西北，移動距離為335.9 m。1990—2000年，城鎮(zhèn)生活空間重心經(jīng)向移動0.097°，緯向移動0.049°，移動方向東北，移動距離為11 111.1 m，農(nóng)村生活空間重心經(jīng)向移動0.019°，緯向移動0.006°，移動方向西南，移動距離為2 015.8 m。2000—2010年，城鎮(zhèn)生活空間重心經(jīng)向移動0.008°，緯向移動0.012°，移動方向西南，移動距離為1 573.1 m，農(nóng)村生活空間重心經(jīng)向移動0.012°，緯向移動0.007°，移動方向西北，移動距離為1 462.1 m。2010—2018年，城鎮(zhèn)生活空間重心經(jīng)向移動0.203°，緯向移動0.047°，移動方向西北，移動距離為20 835.7 m，農(nóng)村生活空間重心經(jīng)向移動0.064°，緯向移動0.048°，移動方向東北，移動距離為8 257.9 m。其中，2010—2018年生活空間重心移動距離最大，其次是1990—2000年。

根據(jù)圖5可知，綠地生態(tài)空間重心總體向西南移動，水域生態(tài)空間重心總體向東北移動，其他生態(tài)空間重心總體向西北移動，三者移動方向和移動距離各有不同，其中2000—2018年，兩個時期的生態(tài)空間重心移動距離較大。

1980—1990年，綠地生態(tài)空間重心經(jīng)向移動0.001°，緯向移動0.002°，移動方向西北，移動距離為202.6 m；水域生態(tài)空間重心經(jīng)向移動0.017°，緯向移動0.012°，移動方向東北，移動距離為2 120.7 m；其他生態(tài)空間重心經(jīng)向移動0.013°，緯向移動0.003°，移動方向西北，移動距離為202.6 m。1990—2000年，綠地生態(tài)空間重心經(jīng)向移動0.005°，緯向移動0.005°，移動方向西北，移動距離為670.6 m；水域生態(tài)空間重心經(jīng)向移動0.003°，緯向移動0.041°，移動方向西南，移動距離為4 527.2 m；其他生態(tài)空間重心不變。2000—2010年，綠地生態(tài)空間重心經(jīng)向移動0.015°，緯向移動0.014°，移動方向西北，移動距離為2 199.9 m；水域生態(tài)空間重心經(jīng)向移動0.012°，緯向移動0.143°，移動方向東北，移動距離為19 848.7 m；其他生態(tài)空間重心經(jīng)向移動0.143°，緯向移動0.077°，移動方向西北，移動距離為16 642.8 m。2010—2018年，綠地生態(tài)空間重心經(jīng)向移動0.002°，緯向移動0.021°，移動方向西南，移動距離為2 337.1 m；水域生態(tài)空間重心經(jīng)向移動0.151°，緯向移動0.076°，移動方向東北，移動距離為17 303.9 m；其他生態(tài)空間重心經(jīng)向移動0.014°，緯向移動0.034°，移動方向東北，移動距離為14 445.0 m。

5 結(jié)論與討論

5.1 結(jié)論

本文基于1980—2018年貴州省土地利用數(shù)據(jù)，應(yīng)用動態(tài)度、轉(zhuǎn)移矩陣、重心遷移模型分析了“三生空間”演變特征，對區(qū)域土地利用資源合理利用與可持續(xù)發(fā)展具有重要意義，主要結(jié)論如下：

(1)1980—2018年，貴州喀斯特山區(qū)“三生空間”用地空間分布特征表現(xiàn)為綠色生態(tài)空間與農(nóng)業(yè)生產(chǎn)空間減少，工礦生產(chǎn)空間、城鎮(zhèn)生活空間和農(nóng)村生活空間顯著增加。總體來看，工礦生產(chǎn)空間與城鎮(zhèn)生活空間擴(kuò)張占據(jù)了優(yōu)質(zhì)農(nóng)田與生態(tài)空間，最為明顯的是以貴陽市為中心向外發(fā)展區(qū)域擴(kuò)張。

(2)貴州喀斯特山區(qū)用地優(yōu)勢功能空間是綠地生態(tài)空間，平均占比為71%，所以其生態(tài)基礎(chǔ)水平較高。從貴州喀斯特山區(qū)“三生空間”動態(tài)度來看，工礦生產(chǎn)空間動態(tài)度最大，為26.86%；其他生態(tài)空間最小，為-1.20%。

(3)貴州喀斯特山區(qū)“三生空間”變化方向主要是農(nóng)業(yè)生產(chǎn)空間轉(zhuǎn)入城鎮(zhèn)生活空間與工礦生產(chǎn)空間，綠色生態(tài)空間轉(zhuǎn)入城鎮(zhèn)生活空間與工礦生產(chǎn)空間，其中其他生態(tài)空間全部轉(zhuǎn)入綠地生態(tài)空間。

(4)38年來以來，貴州喀斯特山區(qū)的農(nóng)業(yè)生產(chǎn)空間重心向東南移動，工礦生產(chǎn)空間重心向東北移動，城鎮(zhèn)生活空間重心向西北移動，農(nóng)村生活空間重心向東北移動，綠地生態(tài)空間重心向西南移動，水域生態(tài)空間重心向東北移動，其他生態(tài)空間重心向西北移動。

5.2 討論

本文基于貴州省“三生空間”來分析貴州喀斯特山區(qū)國土空間結(jié)構(gòu)演變特征，為今后該區(qū)域國土空間優(yōu)化與區(qū)域可持續(xù)發(fā)展提供重要參考，但在“三生空間”的功能分類、基層數(shù)據(jù)選取上存在不足。受數(shù)據(jù)收集限制，本文對“三生空間”格局演變研究只對其功能性水平進(jìn)行分析，沒有引入社會經(jīng)濟(jì)數(shù)據(jù)，缺乏驅(qū)動因素的探討。同時“三生空間”的功能具有土地功能、景觀功能和生態(tài)功能等，而任一土地功能都具有多動能性，今后還需完善“三生空間”功能分類體系。