土地利用变化是指在一定时期内与区域社会经济转型发展相对应的土地利用形态在时空序列上的演变过程^[1-2], 包括土地利用结构和功能的演变过程^[3]。土地利用结构演变表现为区域土地资源数量在土地利用类型之间的相互转换以及空间布局的演变, 土地利用功能演变表现为土地利用的生产、生活、生态(简称“三生”)三大主导功能之间的相互转换及空间分布的演变^[4]。近年来众多学者纷纷对土地利用变化的概念、理论与假说、必然性等问题进行研究, 成果大多基于土地利用结构演变的视角探讨土地利用变化时空格局^[5-7]、城市扩张与土地利用变化^[8-9]、土地利用变化对区域社会经济以及生态环境质量的影响^[10-12]、土地利用变化驱动力分析^[13-14]、土地利用演变模式^[15]等。土地利用变化对生态环境的影响是全球关注的焦点问题之一, 研究内容从地表生态环境系统演变到大气变化均有涉及, 可概况为以下几种类型：一是从生境破碎度的视角分析土地利用变化引起景观格局的演变及由此对生物生存环境产生的影响^[16]；二是从环境质量演变的视角分析土地利用变化对生态系统服务价值产生的影响^[17-18]；三是土地利用格局演变对空气质量及PM_2.5浓度的影响^[19-20]。基于“三生空间”的土地利用主导功能演变将土地利用变化与区域社会经济转型发展相衔接, 是研究土地利用变化问题的新视角。党的“十八大”提出“生产空间集约高效、生活空间宜居适度、生态空间山清水秀”的国土空间规划目标, “十九大”进一步强调“坚定走生产发展、生活富裕、生态良好的文明发展道路”, 此后学术界纷纷从理论框架、划定方法、格局演变、多功能评价等方面对土地利用功能演变进行研究^[21-25]。2019年5月, 国家颁布的《关于建立国土空间规划体系并监督实施的若干意见》明确提出“三区空间”划定的基本要求, 标志着国土空间开发格局从以生产空间为主导转向生产、生活和生态“三生空间”相协调的开发模式^[26]。“三生空间”成为当前地理学、生态学和经济学等众多学科研究土地利用变化的热点^[27-29]。基于“三生空间”土地利用功能演变产生的土地破坏、大气污染、水体恶化、生态系统退化等环境问题已引起广大学者的关注, 但研究成果尚不多见。已有研究对“三生空间”的识别仍有不足, 关于“三生空间”功能分类体系中各功能地类的生态环境质量指数赋值思想和观点尚未统一, 仍有可改进之处。

桂西资源富集区是国家西部大开发明确支持建设的8个重点能源资源富集地区之一, 是中国通往东盟国家的重要通道, 也是广西经济新的增长极。近年来, 在政策与经济的驱动下, 区域土地利用形态随着矿产资源开发、工业化水平提高、区域城镇化等发生明显转变, 土地开发强度不断增大, 土地利用功能随之发生变化。桂西资源富集区作为区域资源开发的新战场, 土地利用变化逐年活跃, 由此引起的生态环境变化值得广大政府工作人员和科技工作者深入思考和研究, 因此, 定量研究桂西资源富集区社会经济转型发展过程中1995—2015年各时段土地利用功能演变的时空特征及生态环境响应规律, 可为资源型地区土地资源开发和生态环境保护提供借鉴。

1 研究区概况与数据来源 1.1 研究区概况

桂西资源富集区是指地处广西西部的河池、百色、崇左三市所辖的30个县(市、区), 土地面积869万hm², 占全区土地总面积37.8%, 2018年末总人口约920万人, 具有资源富集、生态脆弱、沿边开放、扶贫开发、西南出海大通道支撑点等鲜明特征, 是我国西南自然资源丰富、民族文化浓郁、区位条件较好、发展潜力较大的地区, 具体位置及研究范围见图 1。近年来伴随着城镇化快速推进和矿产资源不断开发, 土地利用功能发生变化, 研究桂西资源富集区土地利用功能演变及生态环境响应规律, 对未来国土空间规划和管控以及区域生态环境保护等具有典型性和较强的现实指导意义。

1.2 数据来源与处理

研究区1995年、2000年、2005年、2010年和2015年土地利用数据来源及特征见表 1。基于遥感影像, 利用ENVI5.1进行几何校正、影像增强、影像融合、镶嵌与裁剪等一系列处理后, 在ArcGIS 10.2平台上进行目视解译。参考中国科学院土地分类体系, 结合研究区土地利用特点, 将土地利用/覆被类型划分为水田、旱地、有林地等17种类型, 并利用GPS进行野外定点核查, 同时与Google Earth高分辨率影像进行精度验证, 数据解译精度均在90%以上, 满足研究要求。行政区界线来源于2017年版全国基础地理信息数据库。

2 研究方法 2.1 “三生空间”分类体系构建及生态环境质量指数计算

土地是一个集生产、生活和生态功能于一体的多功能复杂综合体, 但由于土地利用方式、强度等不同, 使不同土地利用类型的主导功能差异较大, 因此科学识别区域“三生空间”是本研究的重要基础。以中国科学院土地分类体系为基础, 参考张红旗等^[30]对中国“三生用地”分类体系结合研究区土地利用特点, 以土地主导功能和次要功能相结合的原则构建研究区“三生空间”分类体系, 其空间布局见图 2；受李晓文等^[31]制定的土地利用类型生态环境质量值过程和结果的启示, 笔者认为同一地类在不同的土地利用结构中所体现的生态环境质量应不同, 因此本文利用面积加权法^[32]动态计算研究区不同年份“三生”土地利用主导功能分类的生态环境质量指数(表 2)。

2.2 土地利用功能转移矩阵

土地利用功能结构演变可通过土地利用类型转移矩阵模型来实现, 转移矩阵既能反映土地利用的数量变化, 又能体现“三生空间”的转移方向。基于研究区1995年、2000年、2005年、2010年和2015年5期影像数据, 利用ArcGIS10.2中的重分类和地图代数运算功能, 获取各时段土地利用功能转移面积, 进而借助Excel的数据透视表功能构建土地利用功能转移矩阵。

2.3 土地利用功能重心转移模型

土地利用功能重心转移模型基于人口地理学中的人口分布重心原理构建而得, 基本方法是：把研究区分为k个评价单元, 确定每个评价单元的几何中心坐标(以经纬度表示), 然后将中心坐标乘以该评价单元该类型功能用地的面积, 最后将累加后的乘积除以研究区该类型功能用地的总面积, 即可求出研究区域内某种土地功能的重心坐标^[33-34], 表达式为：

(1)

式中, X_t、Y_t分别为第t年某种土地资源分布重心的经纬度坐标；X_k、Y_k分别为第k个评价单元几何中心的经纬度坐标；S_ki为第k个评价单元某类功能用地的面积；n为基于“三生功能”的土地资源类型数量。重心转移距离指某年份重心与随后相邻年份重心之间的直线距离, 设第t, (t+1)年份重心分别为P_tX_t, Y_t), P_t+1X_t+1, Y_t+1), 则相邻年份重心转移距离为：

(2)

2.4 土地利用功能演变的生态环境响应模型 2.4.1 生态环境质量指数

区域生态环境质量指数是该区域内“三生用地”具有的生态环境质量及其面积比例综合作用的结果^[35-36], 计算公式如下：

(3)

式中, EV_k为第k个评价单元的生态环境质量指数, S_ki为第k个评价单元某类功能用地的面积；S_k为第k个评价单元的土地总面积, V_i为第i类功能用地的生态环境质量指数, n为基于“三生功能”的土地资源类型数量。

2.4.2 生态贡献度

土地利用功能演变的生态贡献度指土地利用功能转换导致的区域环境生态质量改变的影响程度^[37-38], 正值表示该类转型改善区域生态环境质量, 负值表示该类转型导致区域生态环境质量下降。计算公式如下：

(4)

式中, LEI为土地利用功能演变的生态贡献度, LE_j、LE_i分别为某种土地利用功能变化类型所反映的变化初期和末期土地利用类型所具有生态环境质量指数, ΔS_k为该变化类型的面积；S_k为第k个评价单元的土地总面积；n为基于“三生功能”的土地资源类型数量。

3 结果与分析 3.1 土地利用功能演变特征

由图 3可知：随着矿产资源开发和城镇化快速发展, 桂西资源富集区生态生产空间和生活生产空间呈上升趋势, 20年间生态生产空间面积增加了124.95 hm², 2015年较1995年增长了20.40%；生活生产空间面积增加了174.77 hm², 2015年较1995年增长了24.03%, 其中2010—2015年增长幅度最大, 增加了134.47 hm², 占研究期增长幅度的76.94%。生态空间总体呈下降趋势, 20年间生态空间面积减少了267.32 hm², 其中1995—2000年减少幅度最大, 为170.90 hm², 占研究期减少幅度的63.93%；生产生态空间呈先上升后下降的趋势, 1995—2000年增长了145.02 hm², 随后2000—2015年持续下降了177.42 hm², 总的来说, 即使受国家耕地保护制度的制约, 研究期内桂西资源富集区生产生态空间面积仍减少了32.40 hm²。

为进一步研究土地利用功能演变过程和特征, 以“三生空间”构建了转移矩阵, 结果如表 3：1995—2000年转移面积最大的是生态空间转为生产生态空间, 为154.01 hm², 主要是林地和草地转为旱地；其次是生态空间转为生态生产空间, 面积为18.02 hm², 主要是局部地区开挖坑塘水面养殖占用其他林地和草地；少量生产生态空间转为生态生产空间和生活生产空间。2000—2005年转移面积最大的是生产生态空间转为生态空间, 这一转移过程与上一时期最大转移类型相逆, 面积为52.01 hm², 主要是耕地撂荒后转变为草地和林地；其次是生态空间转为生态生产空间, 面积为15.13 hm², 具体转移地类类似于上一时段；生态空间和生产生态空间向生活生产空间转移较上一时期明显增大。2005—2010年, 生态空间转为生态生产空间上升为最显著的转移类型, 面积达43.27 hm², 占该时期转移面积的45.98%。其次是生产生态空间向生活生产空间和生态生产空间转变, 分别为20.43 hm²和16.23 hm², 主要表现为耕地被建设占用以及耕地转变为养殖水面；生态空间向生活生产空间转移6.07 hm², 亦有生态空间和生产生态空间相互转化, 但生态空间向生产生态空间转移占主导地位。2010—2015年, 生活生产空间面积大幅提升, 增加面积136.47 hm², 主要来自生产生态空间和生态空间, 分别为82.14 hm²和54.33 hm², 说明该时期建设主要占用了耕地, 其次是林地和草地；发生转移的还有生态空间向生态生产空间转移、生态空间和生产生态空间相互转化、生产生态空间向生态生产空间转移。值得注意的是2010—2015年首次出现了生活生产空间向生产生态空间转移, 体现为建设用地转变为耕地, 这可能是近年来易地扶贫搬迁、农村建设用地整理以及矿山复垦的综合作用对耕地保护的贡献。总的来说, 生态生产功能和生活生产功能增强、生态功能和生产生态功能减弱是研究区三生空间转型的主基调；“三生空间”转型受资源开发、精准扶贫、土地管理政策等因素的共同影响。

3.2 土地利用功能重心转移

根据公式(1)分别计算了研究区1995年、2000年、2005年、2010年和2015年的“三生空间”重心坐标并判别重心位置及转移方向, 根据公式(2)计算重心转移距离, 结果如图 4。

从重心位置来看, 20年间, 生态空间重心均落在田阳县境内, 主要是该县以低山丘陵土山地为主, 占全县土地总面积的比例约为55%, 土山地易于植被生长, 使该区域成为桂西资源富集区重要的生态屏障；生产生态空间重心均落在田东县境内, 源于生产生态功能对自然条件要求相对较高, 而田东县地处右江河谷冲积平原, 中部为平缓开阔的盆地, 右江河穿过盆地中间流向东南, 两岸形成比较平坦的耕作高产地, 是广西重要的粮食生产基地, 也是万亩高标准基本农田建设基地；生态生产空间重心均落在田阳县境内, 田阳县地处右江河谷中部, 水域总面积约为616667 hm², 占全县土地总面积的2.58%, 境内水利设施相对完善, 是重要的水产养殖基地；生活生产空间重心均落在大新县境内, 大新县锰矿、铁矿、石炭岩、稀土矿等矿产资源丰富, 境内以小型矿山为主, 分布广泛, 近年来矿产资源开发及矿山修复使建设用地迁移活跃。

从各功能空间重心转移方向和距离来看, 向东偏北方向迁移是生态空间重心转移的主体趋势, 20年间共向东偏北方向移动333.89 m(如图 4虚线所示, 下同), 由田阳向巴马方向转移。生产生态空间重心先向西北转移909.41 m, 后向西南转移729.29 m, 最后向东北方向转移254.32 m, 20年间生产生态空间重心共向西北方向转移959.94 m, 由田东向田阳方向转移。生态生产空间重心转移距离最大, 达25526.52 m, 四个时段均向西北方向转移。生活生产空间重心因矿产开采和矿山复垦的复杂性转移方向多变, 1995—2015年共向西南方向转移11579.48 m。生态生产空间和生活生产空间转移距离明显大于生产生态空间和生态空间, 说明坑塘水面和建设用地受人类干扰强烈, 土地利用变化活跃程度较高；而耕地、林地、草地等生产生态用地和生态用地受自然环境的约束较大, 短时期内不会发生强烈演变。

3.3 土地利用功能演变的生态环境响应 3.3.1 生态环境质量演变

研究区各年份生态环境质量指数计算结果显示(表 4)：1995—2015年研究区生态环境质量指数由1995年的0.6337持续降至2015年的0.6323, 表明生态环境总体质量有所下降。从1995到2015各年中, 虽然生态环境质量年度变化量不大, 但处于持续降低的状态, 可能的原因：一是2000年以前桂西资源富区矿产资源开发主要集中在平果和南丹, 其他地方以小规模矿山为主, 2000年后开始对德保、靖西等地进行大规模的铝矿资源开发, 目前仍处于矿产资源开发周期的初始阶段, 短时间内生态环境质量不会发生太大变化, 但生态环境质量持续降低的问题应引起政府部门和学术界的重视；二是研究区生态环境质量同时存在改善和降低两种趋势, 一定程度上相互中和, 降低趋势略占优势。根据图 5结合图 2可知, 各评价时点上, 田林、都安、大化、凭祥、凌云、西林、乐业等以林草地为主要地类的县域生态环境质量较高, 田林和凭祥以发展林木业产品为主要产业, 生态环境质量较高, 而都安、大化、凌云、西林、乐业等县受地形地貌影响, 限制了工业发展和城镇聚集, 生态环境质量较高。南丹、靖西、德保、平果等重点矿产资源型县域生态环境质量较低；田阳和田东作为广西重要的农产品生产基地, 生态环境质量普遍偏低；宜州市、江州区和扶绥县是近年来广西重点推进城镇化的区域, 生态环境质量最低, 表明城镇扩张过程中建设用地规模扩大严重影响区域生态环境质量；金城江因四面环山发展受限, 河池市选择宜州市作为重点发展区域, 各项产业向宜州市转移；崇左2003年撤县立市后, 江州区作为全市的政治、经济、文化中心, 近年来城镇建设规模不断扩大；扶绥县作为南宁市的后花园, 不仅煤矿资源丰富, 也是广西推进城镇化的重点区域, 近年来不断吸引各大中专院校和房产企业入驻, 城镇建设用地面积迅速增长, 生态环境质量指数较低。从时间序列对比单个县域的评价结果可知, 研究期间, 有26个县(市、区)生态环境质量处于下降态势, 占总研究区域的86.67%, 因此持续下降是研究区生态环境质量的主体趋势, 低质量区主要集中在中部的田阳、田东、平果县和东南部的宜州市、江州区和扶绥县。

3.3.2 生态贡献率差异

区域内生态环境质量同时存在着改善与下降两种相逆的趋势, 在一定程度上相互抵消使区域生态环境质量维持在一定范围内。各研究时段内导致生态环境质量改善和下降的主要土地功能转移类型的生态贡献指数和贡献度见表 5。四个时期的综合生态贡献指数均为负数, 结合表 4可知, 研究期内研究区生态环境质量处于持续下降的态势。

农业生产用地转为水域生产用地、一般生态用地和重点生态用地, 一般生态用地转为水域生产用地和重点生态用地, 城乡生活用地转为农业生产用地是生态环境质量改善的主导因素。1995—2000年一般生态用地转为重点生态用地贡献度达97.3%, 主要是该时期内大量草地和其他林地转为灌木林地和有林地；2000—2005年一般生态用地转为重点生态用地贡献度仍占据首要地位, 达68.35%, 受退耕还林等政策影响, 开始出现农业用地转为林地等生态用地, 贡献度为25.84%；2005—2010年一般生态用地转为重点生态用地贡献度达84.32%；2010—2015年使生态环境质量改善的转移类型较前三期发生明显变化, 一般生态用地转为重点生态用地贡献度降至46.30%, 同时农业生产用地转为水域生产用地贡献度从2005—2010年的9.00%上升到31.35%, 主要是该时期内田阳县将水田和旱地开挖为坑塘水面, 大量进行水产养殖。

导致生态环境质量下降的因素较多, 其中重点生态用地转为农业生产用地、一般生态用地和城乡生活用地以及农业生产用地转为城乡生活用地是导致生态环境质量下降的主要因素, 导致生态环境下降的土地利用功能转移类型随时间推移不断增多。1995—2000年导致生态环境下降的主要因素是重点生态用地转为农业生产用地和一般生态用地, 贡献度达85.16%, 主要原因是林地砍伐以及林地和高覆盖草地被开垦为耕地。2000—2005年重点生态用地转为一般生态用地贡献度高达92.20%, 该时期虽受退耕还林政策影响使大量耕地转为林地, 但是该时期也是研究区桉树大量砍伐的时期, 相逆的两种因素综合作用后生态环境下降的趋势占据主导地位。2005—2010年重点生态用地转为一般生态用地贡献度为87.56%, 略高于同期内一般生态用地转为重点生态用地贡献度(84.32%)。2010—2015年导致生态环境质量下降的主导因素与前三期相比发生显著变化, 该时期最主要特征是在社会经济发展、城镇化政策等因素的综合作用下, 城乡生活用地大幅提升。重点生态用地转为城乡生活用地导致生态环境下降贡献度首次跃居第一, 为45.57%, 主要是城镇扩张及局部地区矿山迁移和复垦使建设用地规模和布局急剧发生变化；农业生产用地转为城乡生活用地导致生态环境下降贡献度由上一时期的2.04%上升至15.24%, 一般生态用地转为城乡生活用地由上一时期的0.97%上升至10.65%, 主要原因是城镇扩张占用周边的耕地、林地和草地。

4 研究结论

基于“三生空间”视角, 利用GIS空间分析和重心转移、生态环境质量指数、生态贡献率等模型, 分析了桂西资源富集区1995—2015年各时段土地利用功能演变特征及生态环境响应情况, 结论如下：

(1) 从“三生空间”面积变化来看, 20年间桂西资源富集区生态生产空间和生活生产空间呈上升趋势, 生产生态空间面积增加了124.95 hm², 2015年较1995年增长了20.40%；生活生产空间面积增加了174.77 hm², 2015年较1995年增长了24.03%；生态空间总体呈下降趋势, 面积减少了267.32 hm²；生态生产空间呈先上升后下降的趋势, 最终面积减少了32.40 hm²。生态生产功能和生活生产功能增强、生态功能和生产生态功能减弱是研究区三生空间演变的主基调；三生空间演变受资源开发、城镇化发展、精准扶贫、土地管理政策等因素的共同影响。

(2) 从各空间重心转移方向和距离来看, 生态生产空间重心转移距离最大, 20年间由田阳中部向西北方向转移距离达25526.52 m；生产生活空间重心由大新东北部向西南方向转移11579.48 m；生产生态空间重心由田东中部向西北方向转移959.94 m, 趋近于田阳县；生态空间重心向东偏北方向移动333.89 m, 呈现由田阳向巴马转移的趋势。

(3) 从生态环境质量评价结果看, 研究期间研究区生态环境质量处于不断下降态势。田林、都安、大化、凭祥、凌云、西林、乐业等以林草地为主要地类的县域生态环境质量较高, 南丹、靖西、德保、平果等重点矿产资源型县域生态环境质量较低；田阳和田东作为广西重要的农产品生产基地, 生态环境质量普遍偏低；宜州市、江州区和扶绥县作为近年来广西重点推进城镇化的区域, 生态环境质量最低。

(4) 区域内生态环境质量同时存在着改善与下降两种相逆的趋势, 生态环境质量下降占据主导地位。农业生产用地转为水域生产用地、一般生态用地和重点生态用地, 一般生态用地转为水域生产用地和重点生态用地, 城乡生活用地转为农业生产用地是生态环境质量改善的主导因素。导致生态环境质量下降的因素较多, 其中重点生态用地转为农业生产用地、一般生态用地和城乡生活用地以及农业生产用地转为城乡生活用地是导致生态环境质量下降的主要因素, 导致生态环境下降的土地利用功能转移类型随时间推移不断增多。