长株潭都市圈“三生空间”用地转型及生态环境效应

张蓉 毛德华

張 蓉，毛德华. 长株潭都市圈“三生空间”用地转型及生态环境效应［J］. 湖北农业科学，2024，63（2）：120-127．

摘要：在构建“三生空间”用地类型划分体系的基础上综合运用土地用地转移矩阵、生态环境质量指数及土地利用转型生态贡献率等方法，定量分析2000—2020年长株潭都市圈“三生空间”用地的转型特征及其生态环境效应。结果表明，2000—2020年，长株潭都市圈“三生空间”用地中生态用地为主要用地类型，生活用地和生产用地数量动态变化幅度大；从“三生空间”用地转型结构来看，以农业生产用地和林地生态用地的相互转化为主导，同时农业生产用地和林地生态用地大量转为工矿生产用地和城镇生活用地；长株潭都市圈生态环境质量总体呈逐渐减缓的下降趋势，其中2005—2010年恶化程度最突出，研究期内低质量区和较低质量区不断扩张；影响生态环境改变的主导因素是农业生产用地和林地生态用地的相互转换以及城镇生活用地和工矿生产用地的对外扩展侵占了大量的林地生态用地。

关键词：“三生空间”用地转型；生态环境效应；生态贡献率；长株潭都市圈

中图分类号：F327；F301.2         文献标识码：A

文章编号：0439-8114（2024）02-0120-08

DOI：10.14088/j.cnki.issn0439-8114.2024.02.020 开放科学（资源服务）标识码（OSID）：

Land use transformation and ecological environment effects of “production-living-ecological spaces” in Changsha-Zhuzhou-Xiangtan Metropolitan Area

ZHANG Rong， MAO De-hua

（School of Geographical Sciences， Hunan Normal University， Changsha  410081， China）

Abstract：Based on the construction of the land type division system of “production-living-ecological spaces”， comprehensively using the methods of land transfer matrix， ecological environment quality index and ecological contribution rate of land use transformation， the characteristics and ecological environmental effects of “production-living-ecological spaces” land transformation in Changsha-Zhuzhou-Xiangtan Metropolitan Area were quantitatively analyzed from 2000 to 2020. The results showed that from 2000 to 2020， the ecological land was the main land type in the “production-living-ecological spaces” land in Changsha-Zhuzhou-Xiangtan Metropolitan Area， and the dynamic changes of the quantity of living land and production land were large； from the perspective of the “production-living-ecological spaces” land use transformation structure， the agricultural production land and forest land ecological land were mainly transformed into each other， and a large number of agricultural production land and forest land ecological land were transformed into industrial and mining production land and urban living land； the ecological environment quality of the Changsha-Zhuzhou-Xiangtan Metropolitan Area showed a gradual decline trend， and the deterioration was the most prominent from 2005 to 2010. During the study period， low-quality areas and lower quality areas continued to expand； the main factors affecting the change of ecological environment were the conversion of agricultural production land and forest ecological land and the external expansion of urban living land and industrial and mining production land， which occupied a large amount of forest ecological land.

Key words： land use transformation of “production-living-ecological spaces”； ecological environment effects； ecological contribution rate； Changsha-Zhuzhou-Xiangtan Metropolitan Area

土地是一种数量有限、可耗竭性的资源，为人类的生产生活提供了最基本的生产空间与生活环境基础，其利用与覆被变化是可持续发展及生态环境变化与保护的重要议题^［1］。土地利用转型概念由龙花楼等^［2］于2002年引入国内，将土地利用转型定义为与区域社会经济发展阶段相对应的土地利用由一种形态转变为另一种形态的过程。土地利用转型是当前地理学、生态学、环境科学、资源科学、管理学等多个学科共同关注的热点问题，研究内容涉及土地利用转型显隐形态^［3，4］、土地利用转型驱动^［5，6］、土地利用转型生态环境效应^［7］等方面。在中共十八大报告中，关于推动新时代“五位一体”总体布局做出的全面部署明确提出了要构建“生产空间集约高效、生活空间宜居适度、生态空间山清水秀”的国土“三生空间”优化格局，“三生空间”正式成为中国新时代国土空间优化配置的重要风向标^［8］。国内对土地利用转型及其生态环境效应的研究鲜见从“三生空间”用地的角度分析^［9］，研究大多集中在从区域土地利用转型^［10-12］或土地功能转型^［13］分类体系角度引起的生态环境变化，研究方法包括转移矩阵、土地利用动态度模型、景观格局指数和生态环境质量指数等^［14-16］。在研究尺度上，大多是对省^［17］、市^［18］、流域^［19］、经济带^［20］尺度的研究，鲜有基于都市圈尺度的研究，长株潭地区一直是长江中游经济带的核心组成部分，在2021年由国家发展和改革委员会批复成为全国第四个国家级都市圈，该区域“三生空间”用地博弈冲突引起的生态环境变化对长江经济带的环境保护和生态安全具有重要意义。综上所述，本研究基于“三生空间”的视角综合评估2000—2020年长株潭都市圈“三生空间”用地转型特征及其生态环境效应，以期为都市圈国土空间优化及生态环境综合管制提供参考，为各项政策的制定提供科学依据。

1 研究区概况与数据来源

1.1 研究区域概况

长株潭都市圈是2021年中共中央、国务院根据《十四五规划》提出的要求，落实建设的第四个国家级都市圈。长株潭都市圈地处湖南省东部偏北，东邻宜春市、萍乡市，西连益阳市、娄底市，北接岳阳市，南靠衡阳市、郴州市，涉及长沙市全域、株洲市中心城区及醴陵市、湘潭市中心城区及韶山市和湘潭县共19个县（市、区）。三大区域沿湘江水系呈“品”字形鼎足分布，总面积为1.89万km²，位于27°12′—28°38′N，111°53′—114°15′E（图1）。

1.2 数据来源

长株潭都市圈2000—2020年土地利用遥感监测数据来源于资源环境科学与数据中心（http：//www.resdc.cn/），土地利用类型包括耕地、林地、草地、水域、居民用地和未利用土地6个一级类型以及25个二级类型。以长株潭都市圈行政界线对遥感影像进行掩膜提取，按照地类满足人类需求的不同方面将土地利用类型从“三生空间”用地视角分为生产用地、生态用地和生活用地，建立基于“三生空间”土地利用主导功能的用地类型^［21］。同时，借鉴李晓文等^［22］、杨清可等^［23］对二级地类生态环境指数的研究成果，采用面积加权法确定“三生空间”用地类型的生态环境质量指数（表1）。

2 方法

2.1 土地利用转型矩阵

从土地利用主导功能视角出发，根据制定的“三生空间”用地分类体系将研究区土地利用数据进行重分类，对研究期内每两期“三生空间”用地数据进行叠加分析与面积计算，再进行数据整理，建立各时期“三生空间”用地转移矩阵，其表达式如下。

式中，S_ij为一类向另一类转换的具体面积；n为“三生空间”用地类型数量； i、j分别表示研究初期和研究末期的“三生空间”用地类型。

2.2 土地利用动态度

为反映研究区内不同“三生空间”用地类型变化的活跃程度，分析区域内某一“三生空间”用地类型在一定年限内的动态变化程度，采用单一土地利用动态度（变化率）指标分析，其表达式如下。

式中，K为S_t至S_T时段内某地类的动态度；S_t、S_T分别为研究初期、研究末期某一“三生空间”用地面积；?T为研究时长。

2.3 生态环境质量指数

在“三生空间”视角下，根据研究区不同“三生空间”用地的面积比例以及生态环境质量指数，计算出研究区不同时期生态环境质量的总体状况，其表达式如下。

式中，EV_t為区域t时期生态环境质量指数；S_i和C_i分别为区域t时期第i种“三生空间”用地类型的面积和生态环境质量指数；S为研究区总面积；n为土地利用类型数。

参考文献^［23］，根据研究区尺度与斑块数量对长株潭都市圈“三生空间”用地数据使用1.5 km×1.5 km的正方形渔网进行等间距采样，将各单元的生态环境质量指数赋值给单元中心点，采用克里金法对生态环境质量指数进行空间插值，得到研究区生态环境质量空间分布情况，并将其分为低质量区（<0.25）、较低质量区（0.25～0.40）、中等质量区（0.40～0.55）、较高质量区（0.55～0.70）和高质量区（>0.70）5个等级。

2.4 生态贡献率

生态贡献率是指某种土地利用转型所引起的区域生态环境的改变，有利于探讨影响区域生态环境质量变化的主要“三生空间”用地转型过程，其表达式如下。

式中，LEI为生态贡献率；LE_t-1、LE_t分别为变化初期、变化末期的“三生”用地类型具有的生态环境质量指数；LA为变化用地的面积；TA为研究区总面积。

3 结果与分析

3.1 “三生空间”用地转型特征分析

3.1.1 “三生空间”用地类型时空变化 长株潭都市圈2000—2020年“三生空间”用地总体面积情况及变化率如表2、表3所示，生态用地分布最广，占研究区总面积的64.37%。从其趋势来看，生产用地经历了先减少后增加的变化，主要由于工矿生产用地面积的增长逐渐抵消了农业生产用地面积的下降。2000—2020年工矿生产用地面积大幅度增加，增量为544.63 km²，用地变化率达45.20%/a；农业生产用地面积减少了528.88 km²，用地变化率为-0.43%/a。生态用地面积从12 160.77 km²减少到11 793.71 km²，年均减少0.15%，主要由林地生态用地面积减少导致。生活用地面积呈现逐年递增的趋势，由466.02 km²增加到817.34 km²，期间年均增加2.85%，主要体现在城镇生活用地的快速扩展，2020年城镇生活用地面积为606.54 km²，用地变化率达6.99%/a。从时间阶段来看，2005—2010年各类“三生空间”用地转型变化率达到峰值，说明此期间长株潭都市圈城镇化、工业化快速推进，城市空间拓展，建设用地扩张迅速，对农业生产用地、林地生态用地产生威胁，“三生空间”用地转型频繁发生。

从“三生空间”用地空间分布（图2）来看，林地生态用地的分布范围广泛，主要位于研究區四周距离城镇生活用地较远的山地丘陵地区。其次是农业生产用地、城镇生活用地和工矿生产用地，农业生产用地主要分布在林地生态用地边缘的地势平缓地带，城镇生活用地和工矿生产用地集中在研究区中部的水域生态用地沿岸。总体来看，2000—2020年城镇生活用地和工矿生产用地具有明显的扩展趋势。

3.1.2 三生空间用地转型结构分析 为了进一步研究长株潭都市圈“三生空间”用地类型的转换方向和数量，利用ArcGIS 10.5软件对研究区相邻两时期的土地利用数据进行叠加分析，基于式（1）形成“三生空间”用地转移矩阵（表4）。

1）2000—2005年，研究区“三生空间”用地转型主要表现为农业生产用地与林地生态用地的相互转换以及农业生产用地和林地生态用地转换为城镇生活用地。农业生产用地转换为林地生态用地和城镇生活用地的面积分别为40.20、37.65 km²，此外还有18.61 km²转换为工矿生产用地；林地生态用地转换为农业生产用地和城镇生活用地的面积分别为35.85、41.03 km²，此外还有20.26 km²转换为工矿生产用地。除了城镇生活用地大规模扩展外，农村生活用地也发生了一定的扩张，此期间长株潭都市圈城镇化和工业化发展初现苗头。

2）2005—2010年，“三生空间”用地转型方向与2000—2005年大致相同，但主要转移类型的面积均有大幅提升。农业生产用地转换为林地生态用地和城镇生活用地的面积分别为68.29、122.77 km²，此外还有73.71 km²转为工矿生产用地；林地生态用地转换为农业生产用地和城镇生活用地的面积分别为57.94、62.95 km²，此外还有99.06 km²转换为工矿生产用地。此期间城镇生活用地扩张主要侵占农业生产用地，工矿生产用地增加主要来源于林地生态用地，长株潭都市圈人口不断膨胀，城镇化进程达到顶峰，工业化进一步发展。

3）2010—2015年，研究区“三生空间”用地转型主要表现为农业生产用地与林地生态用地的相互转换以及农业生产用地和林地生态用地转换为工矿生产用地。农业生产用地转换为林地生态用地和工矿生活用地的面积分别为54.62、90.28 km²；林地生态用地转换为农业生产用地和城镇生活用地的面积分别为49.89、11.74 km²。相比上一阶段城镇生活用地的转入大幅缩减，此期间长株潭都市圈城镇化发展趋于缓和，而工矿生产用地的扩展面积进一步增加，人民日益增长的物质文化需求推动了社会生产力的高速发展，建设用地与生产、生态用地之间的矛盾也不断激化。

4）2015—2020年，“三生空间”用地转型方向与2010—2015年大致相同，工矿生产用地扩张进一步加强，农业生产用地和林地生态用地转换为工矿生产用地的面积分别为124.32、118.40 km²，与此同时生态用地的转型活跃度有较大提升，林地生态用地、水域生态用地的转入面积相比上一阶段成倍增长，在国家出台的“以生态文明建设”为主导的一系列政策推动下，长株潭都市圈各政府开展了一系列退耕还林、还湿试点项目，有效缓解了工矿用地扩张带来的生态环境负效应，在追求经济发展的基础上重视生态保护，正是未来可持续发展的新方向。

3.2 “三生空间”用地转型的生态环境效应

3.2.1 生态环境质量指数分析 根据式（3）计算可得，长株潭都市圈2000—2020年生态环境质量指数分别为0.620 6、0.618 1、0.612 1、0.608 5、0.604 3（图3），生态环境质量整体变化幅度较小。2000—2020年，长株潭都市圈的生态环境质量指数下降了0.016 3，下降幅度呈先增后减的趋势，其中2005—2010年生态环境质量指数下降幅度最大，达0.97%。高质量区和较高质量区面积保持在70%左右，是长株潭都市圈整体生态环境质量保持中高水平的主要贡献区域。但随着城镇化和工业化的高速发展，高质量区和较高质量区面积呈逐渐下降的趋势，较低质量区和中质量区面积开始不断增加，而低质量区也有所扩张（表5）。总体而言，2000—2020年长株潭都市圈区域生态环境质量呈相对稳定但有所恶化的趋势，这是由于生态环境质量低的生产生活用地扩展、生态环境质量高的生态用地退缩而导致的生态环境贡献率正负效应无法抵消。

从生态环境质量等级空间分布（图4）来看，长株潭都市圈生态环境质量总体呈“东高西低、南高北低”的分布特征。低质量区分散在长沙、株洲、湘潭三市的中心城区，扩张趋势明显；较低质量区以团块状分散于长沙主城区、岳塘区和雨湖区交界处、石峰区和荷塘区交界处、浏阳市西部及望城区北部等主要城镇生活用地和工矿生产用地聚集处，且以较快的速度不断扩展。中质量区及较高质量区主要分布在宁乡市、渌口区、醴陵市以及较低质量区周边区域，这些区域构成了湖南省湘江流域“一圈三区”农业生产用地格局中的长株潭都市农业圈，以林田交融为主要特征，农业生产用地和林业生态用地的反复转化会使较高质量区向中质量区转化。高质量区主要分布在研究区东部、西部及东南部，由生态环境质量较高的林地生态用地和牧草生态用地构成其主体。

3.2.2 “三生空间”用地转型对生态环境质量的贡献度 土地利用转型对区域生态环境质量带来改善和恶化2种趋势，根据式（4）计算得到长株潭都市圈2000—2020年主要“三生空间”用地转型对生态环境带来的正负效应，如表6所示。2000—2020年导致生态环境恶化的主要原因是林地生态用地向农业生产用地和工矿生产用地的转换以及农业生产用地向工矿生产用地和城镇生活用地的转换，贡献占比共计80.47%；生态环境改善的主要贡献类型是农业生产用地向林地生态用地转换，贡献占比高达80.94%，其次是农业生产用地转换为水域生态用地。2000—2020年，随着长株潭都市圈工业化、城镇化不断发展，人们对于生产、生活用地需求不断提高，用地供需矛盾激化，生产用地和生活用地不断侵占生态用地，是导致长株潭都市圈生态环境质量下降的主要因素，可见生态用地尤其是占主要地位的林地生态用地的增减直接影响区域生态环境质量。

4 小结

本研究从“三生空间”用地的视角出发，借助“3S”技术，通过土地利用转移矩阵和用地变化率分析“三生空间”用地转型，运用生态环境质量指数及生态贡献率，定量评估了“三生空间”用地转型引起的生态环境效应。主要分析结论如下。

1）2000—2020年长株潭都市圈“三生空间”用地整体呈农业生产用地和林地生态用地减少，工矿生产用地和城镇生活用地不断增加的特点，前10年以城镇生活用地扩张为主，后期为工业化高速发展导致的工矿生产用地需求增加。

2）2000—2020年长株潭都市圈生态环境质量指数从0.620 6下降到0.604 3，整體保持中等水平，得益于研究区东北部及南部丰富的林地资源，但生态环境高质量区和较高质量区被中质量区和较低质量区不断侵占而缩减。

3）研究区内2000—2020年“三生空间”用地转型对生态环境的影响存在正效应与负效应2种现象，两者相互抵消呈下降趋势。农业生产用地和林地生态用地的相互转换以及农业生产用地和林地生态用地向工矿生产用地和城镇生活用地转换是影响生态环境质量的主导因素。

长株潭都市圈作为中国重要的经济增长极，在过去一段时间里城镇生活用地和工矿生产用地明显扩张，因此造成了一定的生态环境质量下降问题。而在新时代“五位一体”共同发展以及“三生空间”全面优化的背景下，加快区域经济高质量发展的同时，更应注意“三生空间”用地转型带来的生态环境变化，以合理高效的土地开发、配置、管理进一步加强国土空间规划，优化土地利用结构。为此国务院及省政府高度重视，制定了《长株潭生态绿心保护条例》《长株潭环境功能区划分及保护目标》等政策文件，对生态廊道和关键节点进行重点保护及修复，在《长株潭都市圈发展规划》中更是明确了要探索保持生态优势，将其转化为区域经济优势的有效途径，创新绿色生态可持续发展模式的目标，确保区域可持续发展。

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收稿日期：2023-09-07

基金项目：国家自然科学基金区域创新发展联合基金项目（U19A2051）；湖南省哲学社会科学基金项目（21YBA035）；湖南省国内一流培育学科建设项目（5010002）

作者简介：张 蓉（1999-），女，湖南娄底人，在读硕士研究生，研究方向为土地利用，（电话）15273803381（电子信箱）2843261097@qq.com；通信作者，毛德华（1964-），男，湖南益阳人，教授，博士，主要从事国土空间规划与管理、流域水资源与水环境研究，（电话）18684953186（电子信箱）850276407@qq.com。