基于“三生空間”的土地利用轉型的生態(tài)效應及驅動力分析—以蘇州市為例

賁薛晨，余成

1.蘇州科技大學環(huán)境科學與工程學院

2.蘇州科技大學地理科學與測繪工程學院

土地利用變化是自然系統(tǒng)和社會系統(tǒng)在不同時間和空間尺度上相互作用的復雜過程[1]，是人類活動對生態(tài)環(huán)境施加影響的主要表現形式[2]。土地利用轉型的表現之一是土地利用主導功能的轉型，即土地利用的生產、生活、生態(tài)（簡稱“三生”）三大主導功能間的轉化[3]。十八大報告提出“調整空間結構、促進生產空間集約高效、生活空間宜居適度、生態(tài)空間山清水秀”，標志著我國國土空間開發(fā)格局由生產空間為主導轉向生產、生活、生態(tài)空間相協(xié)調的“三生”空間模式[4]。我國城市化快速發(fā)展階段對各類土地需求的多元化[5]，加劇了各類土地類型在時空上的變化，影響了人類賴以生存的自然環(huán)境[6]。土地利用轉型研究也成為深入了解人地關系，揭示社會經濟發(fā)展問題及其生態(tài)效應的關鍵切入點[7]。目前國內外學者對土地利用變化產生的生態(tài)效應做了大量研究，如李根明等[8]利用3S技術研究了豫北平原的土地利用轉型規(guī)律，并衡量了當地的生態(tài)系統(tǒng)服務價值；李付杰等[9]基于遙感影像解譯探討了遼河保護區(qū)土地利用格局的時空變化特征及其生態(tài)效應；Du等[10]基于遙感影像分析了快速城市化進程中杭州市土地利用轉型的生態(tài)效應。但目前的研究成果大多集中在土地利用轉型的時間和空間變化格局方面，而通過土地資源在“三生”功能之間進行數量再分配和空間再配置的動態(tài)過程來反映區(qū)域社會轉型特征的研究較為缺乏[11]。

蘇州位于長江三角洲的核心區(qū)域，處于高速城市化階段。近年來以蘇州市為研究區(qū)的土地利用變化及其產生的生態(tài)效應主要集中在土地利用變化及其驅動力分析[12]、土地利用的生態(tài)服務價值[13]、土地利用變化的生態(tài)連通性研究[14]等。筆者以蘇州市為例，基于“三生”用地的分類體系，利用1980—2018年土地利用數據，定量研究蘇州市基于“三生”用地的土地利用轉型特征及其生態(tài)效應，揭示影響蘇州生態(tài)環(huán)境質量變化的主要因素，以期為蘇州市的土地利用規(guī)劃及生態(tài)環(huán)境保護提供借鑒。

1 研究區(qū)概況與研究方法

1.1 研究區(qū)概況

蘇州市（30°47′N～32°02′N，119°55′E～121°20′E）位于長江三角洲中部，東臨上海，西傍太湖，北枕長江，南鄰湖州。地形以平原為主，全市地勢低平，一般高程為3.5～5.0 m。全市總面積為8 657.32 km2，下轄4個縣級市(常熟市、張家港市、昆山市、太倉市)，6個區(qū)（姑蘇區(qū)、吳中區(qū)、相城區(qū)、髙新區(qū)、虎丘區(qū)，吳江區(qū)）（圖1）。截至2019年末，蘇州市地區(qū)生產總值為19 235.80億元，居江蘇省第1位，常住人口為1 074.99萬人，城鎮(zhèn)化率達77%[15]，屬于高度城市化區(qū)域。

圖 1 蘇州市行政區(qū)劃Fig.1 Administrative divisions of Suzhou City

1.2 數據來源

蘇州市1980年、2000年、2010年、2018年4期土地利用數據來源于中國科學院資源環(huán)境科學與數據中心[16]。其原始數據包括耕地、林地、草地、水域、建設用地、未利用土地6種地類，借鑒孫善良等[4]的研究成果，通過整合原始數據，按照滿足人類的不同需求將原始地類劃分為生產用地、生活用地和生態(tài)用地，包括3個一級地類，8個二級地類和18個三級地類。同時借鑒李曉文等[17]的研究成果，結合研究區(qū)現狀，確定生態(tài)環(huán)境質量賦值（表1）。

表 1 “三生”土地利用主導分類及生態(tài)環(huán)境質量賦值Table 1 Dominant land use classification and ecological environment quality assignment of the PEL space

1.3 研究方法

1.3.1 土地利用轉移矩陣

土地利用轉移矩陣是描述研究區(qū)不同時段任意2期土地利用類型轉移方向和數量變化的方法[18]?；贏rcGIS軟件對不同時期土地利用類型圖進行空間疊置運算，利用Excel軟件的數據透視圖進行處理，建立土地利用轉移矩陣，從而揭示引起土地利用變化的過程[19]。

1.3.2 生態(tài)環(huán)境質量指數

生態(tài)環(huán)境質量指數用于定量描述區(qū)域土地利用變化的生態(tài)效應，評價區(qū)域生態(tài)環(huán)境質量的總體狀況[20]，其計算公式為：

式中：EVt為研究區(qū)域t時期的生態(tài)環(huán)境質量指數；LUi為第i種土地利用類型的面積，km2；Ci為第i種土地利用類型的生態(tài)質量賦值；A為研究區(qū)總面積，km2；n為土地利用類型數量。

1.3.3 土地利用變化的生態(tài)貢獻率

土地利用變化的生態(tài)貢獻率用于表征土地利用變化造成的區(qū)域生態(tài)環(huán)境質量的變化，其可較好地衡量生態(tài)環(huán)境質量對土地利用類型轉變的效應情況[21]，探究造成區(qū)域生態(tài)環(huán)境質量變化的主導因素，其表達式為：

式中：LEI為土地利用轉變類型生態(tài)貢獻率，%；Vb和Va分別表示某種土地利用類型在變化末期和初期的生態(tài)環(huán)境質量指數；LA為該土地利用類型轉變的面積，km2。

1.3.4 偏最小二乘回歸模型

1.3.4.1 偏最小二乘回歸法原理

偏最小二乘回歸法（PLS）具有主成分分析、典型相關分析和線性回歸等方法的特點，在成分提取時既考慮了自變量和因變量之間的線性關系，又選擇了對自變量、因變量解釋性最強的綜合變量，既保證了多重共線性的問題，又保證了模型的穩(wěn)定性[22-23]。

1.3.4.2 模型指標的構建

蘇州市的生態(tài)環(huán)境質量主要受社會經濟和政策等因素的影響，因此在綜合考慮各影響因素的基礎上，以生態(tài)環(huán)境質量指數作為因變量Y，從人口〔年末戶籍總人口（X1）〕、經濟〔地區(qū)生產總值（X2）、城鎮(zhèn)化率〔X3）〕、產業(yè)結構〔第二產業(yè)比重（X4）〕、社會消費〔社會消費品零售總額（X5）〕、進出口貿易〔進口總額（X6）、出口總額（X7）〕、能源消費結構〔煤炭消費比重（X8）〕6個角度選取8個影響因子作為自變量，用SIMCA-P軟件進行PLS分析，數據來自1990年、1995年、2000年、2010年、2015年、2018年《蘇州統(tǒng)計年鑒》[15]。

2 結果與分析

2.1 土地利用轉型分析

1980—2018年蘇州市“三生”用地分布如圖2所示。由圖2可知，生產用地主要分布在蘇州市東部與西北部，生態(tài)用地主要分布在西南部和北部，生活用地主要分布在中部。從二級地類的空間分布來看，農業(yè)生產用地分布最為廣泛，水域生態(tài)用地、城鎮(zhèn)生活用地和農村生活用地其次，除西南部太湖區(qū)域外，農業(yè)生產用地在各區(qū)（市）都有所分布。1980—2018年，蘇州市土地格局發(fā)生了顯著變化，農業(yè)生產用地面積大幅減少，城鎮(zhèn)和農村生活用地面積增長較快。

圖 2 蘇州市“三生用地”空間格局Fig.2 Spatial pattern of PEL land use in Suzhou City

2018年蘇州市水域生態(tài)用地和農業(yè)生產用地面積分別為2 850.47和2 848.72 km2，分別占蘇州市總面積的33.88%和33.86%。蘇州河湖水網分布密集，水域生態(tài)用地占比較高，牧草生態(tài)用地、林地生態(tài)用地和其他生態(tài)用地占比較小，合計僅占總面積的3.16%。

由1980—2018年蘇州市各類用地面積及變化如表2所示。由表2可知，生產用地面積從1980年的 4 959.64 km2降至2018年的 2 892.87 km2；生態(tài)用地面積少量增加，2018年較1980年增加179.96 km2；生活用地面積迅速增加，從1980年的513.08 km2增至 2018年的 2 404.74 km2，增加1 891.66 km2。

表 2 1980—2018年蘇州市各類用地面積及變化Table 2 Area and change of each type of land use from 1980 to 2018 km2

由二級地類的結構變化來看，1980—2018年蘇州市農業(yè)生產用地面積大幅減少（減少了2 101.16km2），城鎮(zhèn)和農村生活用地面積則不斷增加, 其中城鎮(zhèn)生活用地面積增幅最大，由1980年的185.87 km2增至2018年的1 718.35 km2，增加了1 532.48 km2。水域生態(tài)用地和牧草生態(tài)用地的面積有少量增加，分別增加145.65和54.21 km2?？梢姡诳焖俪鞘谢尘跋?，蘇州市城鎮(zhèn)生活用地需求增加，土地供需矛盾進一步加劇。

2.2 土地利用轉型模式

為了更直觀地分析蘇州市土地利用轉型特征，利用軟件的空間疊加分析，按照蘇州市“三生”用地主導分類，建立蘇州1980—2000年和2000—2018年2個時期的土地利用轉移矩陣如表3、表4所示。由表3可知，1980—2000年蘇州市土地利用轉型主要表現為城鎮(zhèn)和農村生活用地、水域生態(tài)用地面積的增加，農業(yè)生產用地、林地和牧草地生態(tài)用地面積的減少。農業(yè)生產用地主要轉化為城鎮(zhèn)生活用地、農村生活用地、水域生態(tài)用地，轉移面積分別為268.7、278.96和191.45 km2。牧草地生態(tài)用地主要轉化為水域生態(tài)用地，轉移面積為9.44 km2。水域生態(tài)用地也有部分轉化為農業(yè)生產用地，轉移面積為61.08 km2，其他土地類型間轉化不明顯。

由表4可知，2000—2018年土地利用轉型主要表現為農業(yè)生產用地面積減少，城鎮(zhèn)生活用地和農村生活用地面積增加。農業(yè)生產用地主要轉化為城鎮(zhèn)和農村生活用地與水域生態(tài)用地，轉移面積分別為999.16、333.72和212.52 km2。但水域生態(tài)用地也有部分轉化為城鎮(zhèn)生活用地、牧草生態(tài)用地和農業(yè)生產用地，轉移面積分別為82.78、56.6、55.2 km2。其他土地類型間轉化不明顯。

2.3 土地利用轉型的生態(tài)效應分析

2.3.1 生態(tài)環(huán)境質量指數變化特征

根據式（1）計算出蘇州市各區(qū)（市）1980—2018年的生態(tài)環(huán)境質量指數如表5所示。由表5可知，蘇州市生態(tài)環(huán)境質量指數從1980年的0.431 2降至2018年的0.413 9，各區(qū)（市）的生態(tài)環(huán)境質量指數除昆山市和吳江區(qū)外均呈現下降趨勢。

借助ArcGIS軟件,基于區(qū)（市）尺度分別表達1980年、2000年、2010年和2018年蘇州生態(tài)環(huán)境質量的差異，并根據自然間斷點分級法[11]分為低質量、中質量、高質量3個等級，結果如圖3所示。由圖3可知，蘇州市生態(tài)環(huán)境質量呈現西南高、東北低的分布格局。1980—2010年，蘇州市生態(tài)環(huán)境高質量區(qū)包括吳中區(qū)，中質量區(qū)包括張家港市、常熟市、相城區(qū)、虎丘區(qū)、吳江區(qū)和昆山市，低質量區(qū)包括太倉市和姑蘇區(qū)。2010—2018年，除張家港市由原先的中質量區(qū)變?yōu)榈唾|量區(qū)外，其他區(qū)（市）生態(tài)質量等級保持不變。

表 3 1980—2000年蘇州市土地利用轉移矩陣Table 3 Land use transfer matrix of Suzhou City from 1980 to 2000 km2

表 4 2000—2018年蘇州市土地利用轉移矩陣Table 4 Land use transfer matrix of Suzhou City from 2000 to 2018 km2

2.3.2 土地利用轉型生態(tài)貢獻率

區(qū)域生態(tài)環(huán)境質量往往存在好轉與惡化2種變化趨勢，這2種趨勢相互抵消，使得研究區(qū)生態(tài)狀況總體趨于穩(wěn)定[24]。為了揭示各功能用地轉型對區(qū)域生態(tài)環(huán)境質量的影響，測算了土地利用轉型生態(tài)貢獻率，結果如圖4所示。由圖4可知，1980—2000年農業(yè)生產用地轉變?yōu)樗蛏鷳B(tài)用地和林地生態(tài)用地，是促使生態(tài)環(huán)境質量改善的主要因素。與此相反，農業(yè)生產用地對水域生態(tài)用地的擠占以及城鎮(zhèn)和農村生活用地對農業(yè)生產用地的占用是導致生態(tài)環(huán)境質量惡化的主要原因。2000—2018年土地利用轉型對生態(tài)環(huán)境質量的影響與1980—2000年相比，城鎮(zhèn)生活用地對農業(yè)生產用地和水域生態(tài)用地的侵占更為嚴重，農村生活用地轉化為農業(yè)生產用地與水域生態(tài)用地的貢獻率降低；同時農業(yè)生產用地轉變?yōu)榱值睾退蛏鷳B(tài)用地的貢獻率下降，表明這一研究時段內退耕還林、退耕還湖的力度有所下降?？偟膩碚f，城鎮(zhèn)和農村生活用地對農業(yè)生產用地的侵占是導致生態(tài)惡化的主要因素，退耕還湖是生態(tài)環(huán)境質量改善的主要原因。因此在未來，應切實落實蘇州市國民經濟和社會發(fā)展“十四五”規(guī)劃提出的優(yōu)化城鄉(xiāng)布局結構，合理配置“三生”用地，進一步實施退耕還林、還湖等措施，統(tǒng)籌優(yōu)化國土空間布局，保障蘇州市的生態(tài)安全，實現社會經濟發(fā)展與生態(tài)環(huán)境的協(xié)同發(fā)展[25-26]。

表 5 蘇州各區(qū)（市）1980—2018年生態(tài)環(huán)境質量指數Table 5 Ecological environment quality index of different districts (cities) in Suzhou City in 1980-2018

圖 3 1980—2018年蘇州各區(qū)（市）生態(tài)環(huán)境質量等級Fig.3 Ecological environment quality grade of districts (cities) in Suzhou City in 1980-2018

圖 4 蘇州市影響生態(tài)環(huán)境質量的主要用地轉型及貢獻率Fig.4 Major land use transformation and contribution rates affecting ecological environment quality of Suzhou City

2.3.3 生態(tài)環(huán)境質量演變的驅動力分析

應用PLS回歸分析，共提取了2個有效成分，各成分累計交叉有效性Q2（cum）=0.978，對X和Y的解釋能力分別為R2X（cum）=0.956，R2Y（cum）=0.992，表明回歸模型精度高，可信度高，cum表示沿坐標軸方向模型的累積解釋率 。由觀測值和預測值的擬合度（圖5）可以看出，觀測值和預測值的擬合度較高，說明樣本選取合理，模擬效果較好[11]。由此得出PLS方程如下：

圖 5 蘇州市生態(tài)環(huán)境質量指數預測值和觀測值擬合Fig.5 Fitting the predicted and observed values of Suzhou ecoenvironmental quality index

由式（3）可知，產業(yè)結構優(yōu)化和能源消費結構調整對生態(tài)環(huán)境質量有明顯的促進作用。1980—2018年，蘇州市產業(yè)結構不斷優(yōu)化，淘汰落后企業(yè)與污染嚴重的企業(yè)，關閉污染嚴重的企業(yè)，高新技術產業(yè)產值不斷提高，逐漸取代對生態(tài)環(huán)境質量產生負效應的產業(yè)，有明顯促進生態(tài)環(huán)境質量改善的作用。同時深入實施“藍天工程”，推廣清潔能源，以煤炭為主導能源的能源結構逐步改變，既保障了經濟的發(fā)展也改善了生態(tài)質量。

人口、經濟、社會消費和進出口貿易的回歸系數為負數（圖6），是生態(tài)環(huán)境質量惡化的主要因素。人口增加和社會消費水平的提高，向自然索取了更多的資源與能源，并產生污染物，增加了蘇州市的環(huán)境承載壓力，加大了生態(tài)保護的壓力。

圖 6 自變量回歸系數Fig.6 Regression coefficient graph of independent variables

3 結論與展望

（1）1980—2018年，蘇州市生產用地的面積減少，生態(tài)和生活用地面積增加，生活用地的增加來源于對農業(yè)生產用地的侵占，同時生態(tài)用地有少量增加。

（2）蘇州市生態(tài)環(huán)境質量總體有所下降，呈現西南高、東北低的空間分布格局。其中吳中區(qū)為高質量區(qū)，姑蘇區(qū)和太倉市為低質量區(qū)；1980—2018年，張家港市由中質量區(qū)轉變?yōu)榈唾|量區(qū)，與張家港市大量農業(yè)生產用地轉化為城鎮(zhèn)生活用地有關。

（3）1980—2018年，農業(yè)生產用地、水域生態(tài)用地、農村生活用地和城鎮(zhèn)生活用地的相互轉化是導致生態(tài)環(huán)境質量變化的主要因素。退耕還湖、還林是生態(tài)改善的主要因素，導致生態(tài)環(huán)境質量下降的主要因素是城鎮(zhèn)和農村生活用地對農業(yè)生產用地和水域生態(tài)用地的侵占。

（4）目前蘇州市已初步形成“三生空間”模式，國土空間格局由以生產用地為主導，逐步轉變?yōu)橐陨钣玫貫橹黧w，生產、生活、生態(tài)用地共同發(fā)展的模式。近年來蘇州市水環(huán)境質量有了明顯改善，但城鎮(zhèn)和農村生活用地侵占農業(yè)生產用地與生態(tài)用地的現象仍存在，雖然退耕還林、還湖的措施在一定程度上改善了生態(tài)環(huán)境質量，但侵占量高于退耕還湖、還林量，故蘇州生態(tài)環(huán)境質量總體來說有所下降。未來蘇州市應從全局出發(fā)，統(tǒng)籌優(yōu)化配置蘇州市三生空間，有利于蘇州市國土的合理開發(fā)，對保證蘇州市社會經濟的可持續(xù)發(fā)展具有重要意義。