生产-生活-生态的空间转换特征及冲突测度
—来自中国城市群的证据
摘要：人类对土地的开发已经从最初的小规模、低水平的改造转变为大规模、高强度的综合利用。在攫取土地红利的同时，生产-生活-生态空间(PLES)的矛盾日益突出。作为中华文明的重要发祥地之一和北方地区的生态屏障，黄河流域(YRB)的快速城市化和工业化使生态环境十分脆弱，土地和空间发展不平衡极其严重。因此，根据土地利用的多功能特征，建立了生产空间、生活空间和生态空间的分类体系，并借助转移矩阵和空间冲突指数探讨了PLES的时空演变和冲突分布特征。结果如下。1990-2020年，农业生产空间(APS)、草地生态空间(GES)和其他生态空间(OES)产生了YRB最大比例的PLES。然而，与1990年相比，这些空间类型的面积在2020年有所减少，而城市居住空间(ULS)迅速扩大。PLES的分布格局大体一致，宁夏PLES、内蒙古中部、黄土高原及下游地区之间的转化相对剧烈。PLES的冲突指数呈上升趋势，但总体处于可控范围。稳定和可控区域集中在城市群上游，中游和下游分别基本失控和严重失控。
关键词:生产-生活-生态；空间转换特征；空间冲突；城市群
一、引言
现代化建设的进行，土地资源的供需不平衡日益加剧，有限的土地资源在各种利益的博弈中得到数量和空间上的重新分配。新时期以来，我国高度重视土地规划，以解决土地资源过度开发带来的一系列负面问题。黄河流域生态环境脆弱，资源环境承载力较弱，土地关系的相互作用和耦合系统表现出很强的不协调性，研究该区域PLES的土地利用冲突，有助于了解土地利用冲突现状，优化土地利用功能，提高土地利用质量。
二、研究区及数据源
（一）研究区
地理位置：黄河位于北纬31°31′- 43°31′,东经89°19′- 119°39′，发源于青藏高原的巴颜喀拉山脉，向东流经青海、四川、甘肃、宁夏、内蒙古、陕西、山西、河南、山东九个省(区)。黄河横贯中国东、中、西三大战略区域，是连接青藏高原、内蒙古高原、黄土高原、华北平原四大地貌单元的巨型生态走廊。
地势：盆地整体地势西高东低。西源区平均海拔4000m以上，山地众多，地形起伏较大。中部地区的海拔高度为1000-2000m；地质构造破碎；而且土质疏松。东部大部分海拔不超过50m，主要是由黄河泥沙冲积而成的平原。
目前现状：YRB总人口4.2亿，约占中国总人口的30%，地区生产总值23.9万亿元，占中国四分之一以上，在工农业生产中，煤炭、石油、天然气和矿产资源丰富。以能源资源开采和加工为依托的资源型城市占流域城市总数的47%，农牧业生产在国民经济格局中也占有举足轻重的地位。YRB的生态环境非常脆弱；上游天然草地生态功能严重退化；中游地区面临着严重的水土流失问题；城市生活、工业和农业对水资源造成污染。
（二）数据来源
PLES数据—中国科学院资源与环境科学数据中心。土地利用数据包括1990年、2000年、2010年和2020年1km±1km的格网数据集。利用ArcGIS 10.2软件，基于行政区划矢量文件提取YRB土地利用类型；通过重新分类和其他方法对PLES进行了划分，该软件用于制图和数据分析。
三、研究方法
(一）PLES分类系统的构建
根据土地利用主体的主观意图和某一类土地利用的主导功能，采用生产、生活、生态三种空间类型来涵盖不同的土地利用模式。不同土地利用模式和分类系统之间的冲突与协调如图所示：
一级分类
二级分类
三级分类
生产空间
农业生产空间
工业生产空间
水田、旱地
工矿交通建设用地
生活空间
城市生活空间
农村居住空间
城市土地
农村居住用地
生态空间
林地生态空间
草地生态空间
水生态空间
其他生态空间
林地、灌木林地、疏林地、其他林地
高、中、低盖度草地
运河、湖泊、水库坑、永久冰川积雪、滩涂等
沙地、戈壁、盐碱地、湿地、裸地、裸岩
PLES演化的本质是一个复杂的土地利用变化过程。在社会经济和自然环境等多种驱动因素的影响下，表现为各利益相关者对土地利用结构和形式的竞争。
（二）土地利用转移矩阵
PLES类型和结构的转换通过土地利用转移矩阵模型来实现。公式如下:
其中S为陆地面积；n是土地类型的总数；I和j分别是研究期开始和结束时的土地利用类型。
（三)空间冲突指数
综合考虑研究范围、数据类型、空间分辨率、斑块条件等因素，在综合测试和比较的基础上，选择30km×30km的空间网格作为评价单元。将研究区边界内未覆盖整个网格的空间板块作为一个完整的网格进行计算，计算各个空间单元内的景观生态指数，以定量评价空间冲突的程度。公式如下：
SCI = CI + FI − SI
SCI为空间冲突的综合指数，CI、FI、SI分别为空间复杂性指数、脆弱性指数和稳定性指数。
PLES复杂性指数反映了快速城市化导致的土地利用规模和强度的逐渐增加，以及地表形态的不断塑造，导致了斑块的破碎化和空间利用矛盾的加剧。面积加权平均斑块分形维数（AWMPFD)反映了域板块对实测斑块的干扰程度，在一定程度上反映了人类活动对空间格局的影响。该值越高，补丁的外部压力越大。景观生态指数中的AWMPFD用于表征PLES的空间复杂度指数（CI)，以度量空间斑块的形状复杂度。公式如下：
Pij是补丁的周长；aij是补丁的面积；A是景观中各空间类型的总面积；i和j是第i个空间单元中的第j个空间类型；m是YRB中空间评价单元的总数；n是PLES类型的总数。
在不同阶段，各种土地利用类型对外来干扰有不同的响应。抵抗力越弱，越容易受到外界影响，空间冲突水平越高。因此，从景观生态学的角度，利用空间内部各种景观的脆弱性来计算PLES脆弱性指数，公式如下:
n是空间类型的总数；Fi为不同空间类型的脆弱性指数，参考已有研究成果，为每个空间类型分配值:PS = 3，ES = 2，LS = 1；ai是贴片面积；A是景观中空间类型的总面积。
PLES稳定指数是指区域空间格局在外部压力的干扰下破碎化景观斑块的现象，空间形态越破碎、越复杂，空间单元内的稳定性越差，空间风险越大，空间冲突的强度越高。因此，选择景观生态的破碎化程度来表示空间稳定性指数，公式如下:
SI代表PLES的稳定性指数。PD为斑块密度，斑块密度越大，空间破碎化程度越高，其空间景观稳定性越低；ni是每个空间单元中第I个空间类型的面片数；a是景观中空间类型的总面积。
将空间冲突指数标准化为(0，1)。根据倒“U”型空间冲突轨迹模型，将空间冲突指数分为稳定可控(0，0.5)和基本可控(0.5，0.7)、基本失控(0.7，0.9)和严重失控(0.9，1)。
四、结果分析
（一）PLES的演变特征分析
1、PLES时空演变特征
在ArcGIS 10.2软件的帮助下，提取了1990、2000、2010和2020年YRB PLES的面积，并计算了各类别空间面积的变化。结果如表所示1990-2020年，YRB的PLES主要是APS,FES GES OES主导。1990-2000年，总体ES呈下降趋势，GES和OES的下降最为明显。IPS和ULS大幅增。2000-2010年，PS和ES都有不同程度的下降，其中APS和OES下降明显。相比之下，LS迅速扩大，ULS比RLS扩张更快。2010-2020年，随着城市化和工业化的不断推进，LS持续增长，PS的IPS有明显的增长趋势，而ES持续下降，GES和OES的减少是最明显的。
从1990年到2020年，PLES的分布格局基本一致，没有明显的本土的变化。(1)PS以APS为主，集中在黄河下游的河南、山东等传统粮食主产区。关中平原、河套平原和宁夏平原是重要的农业生产基地。(2)LS的分布与工农业生产空间的位置相对应。下游区域的LS密度明显大于上游和中游区域，而ULS呈现明显的扩张趋势，斑块面积显著增加。(3)ES分布西高东低。其中，FES主要分布在豫南、秦岭和太行山；GES广泛分布于青海、甘肃、内蒙古东部等干旱半干旱地区。受地形和气候差异的限制，WES和OES主要集中在黄河上游。
2、PLES的结构转变特征
1990-2020年，除APS、GES和OES减少外，其他土地类型的结构空间增加。与基期面积相比，期内IPS和UPS均有较大幅度增长，分别增加8828 km2和12,439 km2，增长率分别为225.22%和169.52%。内部转变，从转入来看，PS方面，APS主要由RLS和GES转制，IPS主要由APS和GES转制；LS方面，ULS和RLS都是以APS转化为主；ES方面，FES主要由APS和GES转化而来，GES主要由APS和OES转化而来。WES主要由APS、GES和OES转化而来，OES主要由GES转化而来。从转出来看，PS方面，APS主要向ULS、RLS、GES转型，IPS向OES转移最多。LS方面，ULS向其他类型空间的转化不明显，RLS主要转向APS。ES方面，FES主要转化为GES；GES转化为APS和OES；OES主要转化为GES。
根据不同时期土地流转的空间分布，如图，从1990年到2020年，YRB PLES的变化以ES和PS之间的转换为主，广泛分布于区域的上、中、下游。同时，下游区域表现出明显的PS和LS相互转化的特征，ES和LS的转化零星分布在各个区域。
（二）浅析PLES的冲突与变化
1、时间演变特征
YRB的空间冲突强度呈上升趋势，但仍属于基本可控水平。可控水平(稳定可控和基本可控)的空间冲突比例保持在74.17%-81.70%之间，占研究区总空间单元的一半以上。稳定可控水平的空间单位比例持续下降，2020年比1990年下降17.23%，期末基本可控水平的空间单位比例比期初上升31.34%。基本失控冲突水平的空间单元比例呈快速增长趋势，增幅最大，2020年比1990年增长了46.29%。处于严重失控冲突水平的空间单位比例呈波浪式上升，1990-2000年略有下降，但2000-2020年迅速上升，增幅为33.04%。从变化趋势来看，稳定可控、基本可控和基本失控均呈线性变化，而严重失控的空间单元数先减少后增加。
1990-2020年PLES冲突指数的空间分布，稳定可控的空间单元主要分布在YRB西部和北部，大部分集中在青海、甘肃和内蒙古。基本可控区主要分布在YRB中游，空间单元的整体分布有由破碎化向集中连片化转变的趋势，这主要是由于稳定可控类型向基本可控转变，导致基本可控空间单元分布向外扩展。基本失控空间单元广泛分布于黄土高原中下游地区。随着时间的推移，黄土高原基本失控空间迅速扩大，而下游基本失控空间相对稳定，主要分布在严重失控空间的外围。严重失控的空间单元分散在YRB中下游。2000-2020年，河套平原严重失控空间单元向基本失控水平转变，豫南、鲁北严重失控空间单元继续蔓延，表明黄河下游PLES冲突加剧。
2、PLES的冲突分化特征
PS的空间冲突主要是可控的，占55%以上。基本可控冲突单位逐年减少，稳定可控和基本失控冲突单位逐年增加，严重失控冲突单位呈波动上升趋势。LS的变化范围和PS差不多，空间冲突还是得到控制的。稳定可控的冲突单元逐渐减少，2000-2010年降幅最大，为29.6%。基本可控、基本失控和严重失控单位分别增长29.3%、42.4%和22.5%。与PS和LS相比，ES中冲突单位的变化幅度较小。虽然稳定可控冲突单位呈缓慢下降趋势，但可控单位仍保持在70%以上。基本可控和基本失控单元呈小幅上升趋势，严重失控单元变化幅度最小。
五、结论与讨论
（一）结论
1、从1990年到2020年，PS和LS分别增长了0.87%和6.75%，ES则下降了0.37%。从空间分布来看，PS的APS集中在下游的传统农业生产区，而中游和上游的APS比较分散。LS的分布对应于农业和工业生产空间。下游LS的密度显著高于中游和上游，生态空间分布西部多东部少。
2、APS、GES和OES减少，其余空间类型呈扩大趋势,IPS和ULS迅速扩大。ES和PS之间的转换是主要的空间转换方向。在下游区域，PS和LS之间的转化主要体现在PS和LS的相互转化上，ES和LS的转化分布比较分散。
3、1990-2020年，PLES的冲突强度逐渐增加，但仍是可控的。稳定和基本可控空间单元占70%以上，基本和严重失控空间单元逐渐增多。从空间上看，基本可控空间单元主要分布在上游区域且相对集中，而在下游区域主要为基本失控和严重失控，分布相对零散。具体来说，PS和LS中冲突单位的变化幅度相同，而ES中冲突单位的变化幅度较小。
（二）建议
1、虽然上游大部分地区处于稳定可控状态，但作为中国的水塔和生态空间集聚区，首先要考虑生态保护；正确处理生产、生活与生态环境的关系，推进水源涵养能力建设，加强区域荒漠化治理，严格执行生态准入原则。
2、中游地区应致力于水土流失的空间治理。要保护林地、草地和未利用地，增强水土保持能力，防止城市化和工业化造成的生态空间破碎，兼顾土地利用的经济效益和生态效益。
3、下游地区作为冲突最严重的地区，人口密集，工农业生产密集度高。一是在合理控制人口规模的同时提高人口素质，以土地高效集约利用为发展目标，优化产业布局，严格控制城乡建设用地无序扩张，提高现有建设用地利用效率。二是对于广阔的农业生产空间，应提高农业机械化水平，保护优质耕地资源，提高土地产出收益，减少对土地资源的依赖。最后，将绿色发展理念与技术手段相结合，运用海绵城市、绿色建筑和生态材料的理论和技术，促进城市生态文明建设。
文献研读人：河南大学2021级土地资源管理硕士研究生 李节
转自：经管学术联盟 2022-05-13 09:34
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