城镇化进程中洞庭湖区“三生空间”格局演变与驱动机制

杨 帆,熊素文,*,雷 婷,赵子羽,刘传虎

1 中南大学建筑与艺术学院, 长沙 410000 2 岳阳市规划勘查设计研究院, 岳阳 414000

改革开放以来,我国城镇化和工业化进程取得巨大成就,同时也带来了“三生空间”(生产、生活、生态空间)冲突矛盾的加剧[1—3]。加快构建“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“三生空间”土地利用新格局,已成为城镇化进程下优化国土空间资源配置与推进生态文明可持续发展的迫切需求[4—7]。

西方国家早在20世纪60年代起便开始通过优化“三生空间”格局、加强环境治理效率等措施应对生态空间的城镇化蚕食[8]。我国正处于“三生空间”格局由生产空间主导向“三生空间”协调永续发展方向转变的重要转型期[9],当前,国内外相关研究内容主要围绕“三生空间”格局演变与生态系统服务价值、土地利用存量与驱动机制发展规律、时空耦合协调与开发适宜度评价等方面展开[10—14]。但研究对象多针对城市群、省、市等单一行政区划或单一用地功能类型开展用地格局演变研究[15—19],大湖流域作为我国生态修复与治理的战略性板块,具有地理形态特异性、形态功能多样性及水陆关系复杂性等特征,更易遭受城镇化发展的胁迫影响,是研究“三生空间”格局演变与转型的最典型空间地理单元之一,亟待基于“三生空间”视角,进行河湖单元国土空间格局演变与驱动机制的综合性研究。

洞庭湖是长江流域重要的调蓄湖泊,被誉为“长江之肾”,是长江流域特殊地理单元保护治理中的薄弱领域。本文以洞庭湖区域内的典型城市为研究对象,通过构建多源指标数据体系,考虑城镇化发展对国土生态空间侵蚀改造的影响,探索各辖区“三生空间”格局演变在结构与功能层面的典型特征,基于土地利用合理优化及流域资源环境统筹发展目标,将地域差异特点融入定量过程分析并提取重要阻力因子,探明城镇扩张作用下“三生空间”格局演变的潜在驱动机制,对大湖流域土地资源合理规划具有重要的样本意义和应用价值。

1 研究区概况与数据来源

1.1 研究区概况

洞庭湖区地处长江中游地段,地跨湘、鄂两省,大部分地区海拔高度低于50m,且超过85%的面积位于湖南省境内[20]。区域以洞庭湖为核心,向东部、南部、西部三个方向呈现出由河湖冲击平原向环湖丘陵岗地及低山过渡的地理空间形态,用地类型与结构较为复杂。本文选取洞庭湖区范围内的典型城市作为研究对象,包含湖南省境内3个地级市(岳阳市、常德市、益阳市)、湖北省荆州市及其32个县域数据样本,研究面积共5.95万km2(图1)。

图1 研究区域示意图Fig.1 Schematic diagram of the research area

1.2 数据来源及处理

1.2.1指标选取

“三生空间”国土空间格局转型特征在演变过程中受城镇化扩张影响明显。为探究城镇化进程与用地空间格局的时空耦合关联程度,本文基于现有研究基础[21—23],结合洞庭湖区国土空间开发与土地利用实际情况,以城镇化、工业化、农业现代化驱动作为研究洞庭湖区各城市“三生空间”格局演变的切入点,探讨影响洞庭湖区4市“三生空间”格局变化的驱动因子。具体二级指标因子的选择如下：①选择城镇人口和城镇化率体现人口层面城镇化,第三产业比重体现经济层面城镇化,城镇居民可支配收入体现社会生活层面城镇化,共4个二级指标代表区域综合城镇化水平。②选取工业总产值、国内生产总值(GDP)、第二产业比重和固定资产投资4个二级指标,以代表工业化在国民经济建设中的比重与分配。③选择农业机械总动力、第一产业比重、单位面积粮食产量3个二级指标代表农业现代化水平。

1.2.2数据来源及处理

本文数据主要包含多时段(1980、1990、2000、2010、2015、2020)遥感卫星影像数据以及社会经济统计指标。在空间数据的信息来源上,土地利用覆被数据和数字高程模型(DEM)数据均来源于中国科学院资源环境科学数据中心(http://www.resdc.cn/),空间分辨率为30m；洞庭湖区4市及各县域行政边界数据来源于国家基础地理信息中心(http://ngcc.sbsm.gov.cn)；社会经济统计数据来源于洞庭湖区各市的统计公报和年鉴。在数据单元的处理技术上,土地利用覆被信息以六期Landsat TM/ETM遥感影像为主要数据源,通过人机交互解译方法得到[24],地形起伏度与垂直海拔高程在GIS技术支持下通过SRTM DEM(30m)数据提取拼接得到；将上述空间地理栅格数据与洞庭湖区各市县行政矢量边界进一步整合,利用ArcGIS 10.5软件中的栅格裁剪、相交融合等地理处理技术,分区统计域内4市及其32个县域的用地覆被及地形高程信息,并由多组两期土地利用数据进行空间叠加运算与地图可视化处理,显示洞庭湖区“三生空间”的格局演变情况。在社会经济数据的处理层面,本文重点选取了洞庭湖区2000年、2010年、2015年、2020年4个关键年份的社会经济统计指标,对域内土地利用转型与各驱动因子间的复杂影响进行相关性定量分析。

2 研究方法

本文研究方法体系与技术路线主要包含以下四个方面(图2)：①结合1980—2020年多时段遥感影像图、统计年鉴等基础本底数据,归纳 “三生空间”主要用地类别,构建洞庭湖区“三生空间”自然-社会多源数据库。②在“三生空间”分类体系构建的基础上,将各要素数据与洞庭湖区市县行政单元相结合,进行地理空间要素与社会阻力指标的动态变化信息数据处理：一方面,对土地利用覆被数据和DEM数据进行遥感识别解译与提取拼接,并运用GIS地理处理技术叠加融合县域信息,分区统计域内各县域 “三生空间”多时段的时空格局演变与垂直梯度差异信息；另一方面,对社会经济指标进行城镇化驱动因素的分类汇总,提取用地转型的主要阻力因子。③基于处理后的多时段空间变化数据,采用土地利用动态度及土地利用转移矩阵方法,分别探究洞庭湖区“三生空间”格局在结构变化和功能转型上的时空演变动态规律；结合灰色关联度模型,研判“三生空间”用地转型在城镇化进程中的潜在驱动机制。④基于上述结果,形成工作数据库及图示平台,启动国土“三生空间”格局变化预警模式,引导洞庭湖用地模式合理优化,为大湖流域生态修复回归提供理论与技术支撑。

图2 城镇化进程中洞庭湖区“三生空间”格局演变与驱动机制技术路径Fig.2 Technology routine map for the evolution of the “production-living-ecological space” pattern and driving mechanisms in the Dongting Lake area during the urbanization process

本文研究的关键科学问题包含以下两个方面：一是考虑城镇化发展对流域侵蚀改造的影响,总结洞庭湖区各城市“三生空间”格局演变与转型的典型特征,进一步识别诊断城镇化进程中 “三生空间”的冲突博弈区域；二是基于土地利用合理优化提取重要阻力因子,探明城镇扩张作用下洞庭湖区“三生空间”格局演变的潜在驱动机制。

2.1 三生空间”分类体系

土地利用是国土空间开发的承载主体,开展洞庭湖区“三生空间”格局演变研究的前提是构建多要素综合的国土空间多功能分类体系[25]。本文结合大湖流域国土空间开发与保护实际,构建洞庭湖区国土“三生空间”各等级分类体系[26](表1)。

2.2 土地利用动态度

城镇化胁迫致使洞庭湖区各城市在用地结构上发生了一定程度的变化,本文使用土地利用动态度模型定量描述生产、生活、生态各类土地利用类型的面积变化情况,以反映“三生空间”用地格局结构变化特征[27]。其表达式为：

(1)

式中,K为研究时间段内某一土地利用类型动态度；Ua为研究初期某一土地利用类型数量；Ub为研究末期某一土地利用类型数量；T为研究时段长。

表1 “三生空间”分类体系

2.3 土地利用转移矩阵

城镇化对洞庭湖区国土空间格局的影响还体现在各类特定用地间的功能转化层面。本文使用土地利用转移矩阵,对特定区域与时段内各土地利用类型面积之间相互转变的过程进行分析,以显示各土地利用类型功能转型的动态增减信息[28]。其表达式为：

(2)

式中,S为用地类型的面积；n为土地利用类型；Sij表示研究初期i类土地到末期转为j类土地的面积。

2.4 灰色关联度模型

洞庭湖区各城市“三生空间”格局演变与转型的驱动指标因子种类繁多,鉴于研究区土地覆被信息样本量较少,本文运用灰色关联度模型探究各用地与经济社会因子间的驱动关系,基本原理是根据子母序列间曲线的相似度,用关联度系数的排序分析来描述两者关系大小及强弱[29—31]。其表达式为：

(3)

(4)

Δi(k)=|X0i(k)-Xi(k)|

(5)

(6)

(7)

式中,ri为灰色关联度,ξi(k)为关联系数；0<ρ<1,为分辨系数,通常ρ取值0.5。

3 洞庭湖区“三生空间”格局演变

3.1 “三生空间”总体分布

洞庭湖区“三生空间”总体分布主要基于域内各城市1980—2020年土地利用覆被信息及DEM数据,归纳其在水平地域分异和垂直梯度差异两个方面的典型特征。

3.1.1水平地域分异

洞庭湖区“三生空间”总体分布特征在水平地域层面差异明显,其中自然地理环境基础对国土空间格局的影响尤为突出(图3)。生态空间长久以来占据洞庭湖区的主体地位,主要集中在区域中部洞庭湖水域部分及东部、南部、西部的外围林地丘陵区；生产空间主要位于河网冲刷形成的湖滨平原区,呈现出“北多南少”的空间地域格局；生活空间呈点状零散穿插分布于生产、生态空间之中,斑块随时序不断扩张,与城镇化关联最为密切。

图3 洞庭湖区“三生空间”水平地域分异Fig.3 Geographical differentiation in the level of the “production-living-ecological space” in the Dongting Lake area

3.1.2垂直梯度差异

洞庭湖区“三生空间”的垂直梯度差异显著(图4)。在地势分布上,国土“三生空间”资源广泛分布于海拔小于100m范围内,以农业生产用地和水域生态用地占比最高；在用地比例上,随着海拔升高,生产、生活用地占比逐渐减小,生态用地比例显著升高,在生态用地各类型中以林地资源占比最高,草地生态资源比例随海拔上升呈现先降低、后增长的波动变化态势。

图4 洞庭湖区“三生空间”垂直梯度差异Fig.4 Vertical gradient differences of the “production-living-ecological space” in the Dongting Lake area

图5 洞庭湖区“三生空间”结构变化情况Fig.5 Changes in the structure of the “production-living-ecological space” in the Dongting Lake area

3.2 “三生空间”时空格局演变

城镇化进程下,人类开发建设逐渐向大湖流域生态高敏感地区蚕食延伸,致使洞庭湖区各市县“三生空间”土地利用格局随时序发生不同程度的转变。本文基于数值特征及空间分布两大板块,明确洞庭湖区国土空间格局的“三生”结构面积变化情况,并深入探讨各类用地内部功能转型的时空演变规律。

3.2.1国土空间“三生”结构变化

1980—2020年,洞庭湖区生产、生活、生态三类用地的土地利用结构面积变化较活跃,生产空间面积变化较大,生活空间不断扩大且增幅最大,生态空间波动变化(图5)。基于数值分析表明：①生产空间是三者中面积变化最大的用地类型,其中以农业生产用地的变化最为显著,40年间面积缩减1776.31km2；此外,工矿生产空间逐年稳步增加,尤以2000—2010年增幅最为明显。②城镇生活空间和乡村生活空间显著扩大,40年来共增长394.23km2,其中以靠近水域覆盖范围内的城镇生活空间增长最为迅速,当下较1980年增长1.29倍。③生态空间40年来增长0.02倍,变化幅度较小,但各类生态用地面积随时序波动明显,其中林地、草地生态空间发生细微下降,水域生态空间呈现先上升,后下降的波动态势。

以洞庭湖域内主要市辖区岳阳、常德、荆州、益阳4市及其32个县域数据样本为研究对象,进一步归纳其“三生空间”格局在县域空间分布层面的演变规律(图6)。结果显示：①洞庭湖区各地区生产空间发生下降的县域数量占全域总数的93.75%,荆州的洪湖市生产空间减少幅度最大,数值达到417.21km2。其中农业生产空间除位于洞庭湖水域主体部分北侧的君山区外,其余县市均发生了或多或少的降低；32个县域的工矿生产空间均发生了增加,以桃源县增加最为显著。②域内各城市生活空间均呈现增长趋势。其中城镇生活空间相较于乡村生活空间,增长更为显著,增长的区县主要分布于洞庭湖水域主体附近及各市的市辖区范围,城镇化扩张最为迅速的县为岳阳市的岳阳楼区,新增面积45.99km2,城镇生活空间增幅较小的地区主要集中于海拔较高的林地矿区及自然条件恶劣地带；乡村生活空间增加较大的地区主要分布于洞庭湖区北部的荆州市。③区域生态空间40年来发生降低的区域占总县域数量的21.88%,其中益阳的沅江市水域面积减小幅度最大,达到135.16km2；绿色与潜在生态空间缩小的区域占据县域总数的71.88%,总体而言,洞庭湖区生态空间40年来缩减仍较为剧烈。

图6 洞庭湖区“三生空间”结构变化的县域差异Fig.6 County differences in structural changes of the “production-living-ecological space” in the Dongting Lake area

综上所述,洞庭湖区“三生空间”面积随时序变化较为显著,且速率逐渐加快,以城镇生活空间、工矿生产空间、水域生态空间的增加和农业生产空间的缩减最为突出；在县域空间分布上,岳阳楼区的城镇生活空间、沅江市的蓝色生态空间、洪湖市的农业生产空间及绿色生态空间用地面积变化幅度最为剧烈,且农业生产空间的减少面积、空间分布与城镇空间的扩张吻合度较高。表明随着城镇化的迅速推进,城镇村生活空间仍将呈现持续上涨的趋势,生活用地需求的增加将导致未来资源与生境承载压力的不断加剧。

3.2.2国土空间“三生”功能转型

为更直观地观察洞庭湖区“三生空间”40年以来各用地类型内部功能的互相转换情况,本文基于ArcGIS空间叠加分析技术,计算“三生空间”用地类型转移矩阵,以明确域内国土空间“三生”功能转型的数值变化情况(表2)。总体而言,城镇化进程中洞庭湖区各城市主要发生的功能转型为生产、生态空间的相互转化和生活空间的转入。其中,生产空间的转出占洞庭湖区用地类型总转化量的69.88%,以生产用地向生态用地的转出最甚；生态空间的转入比例呈现逐年减小的趋势,从第一阶段的73.86%减小为第四阶段的39.75%。

对域内“三生空间”二级功能地类进行细分,进一步明确各阶段用地功能转型的数值特征(图7)。结果表明：①洞庭湖区各类用地的功能转型在第一阶段表现最为剧烈,“退耕还湖还林”等政策的实施,导致农业生产空间开始向水域生态空间大量转化；此外,随着城镇化推进,城镇生活空间在该阶段迅速增加,主要由农业生产空间转入。②在第二、三阶段中,洞庭湖区主要发生农业生产空间向水域生态空间的转化,其他用地功能转变不明显。③第四阶段主要为农业生产空间向工矿生产空间的转出及耕地资源与水域的互换,农业生产空间向工矿建设用地的转出面积在该阶段大幅增加,数值高达318.45km2；此外,近40年来洞庭湖区耕地资源在向水域生态空间持续回归的同时,首次大面积出现水域生态空间向农业生产空间的逆转。

表2 1980—2020年洞庭湖区“三生空间”土地利用转移矩阵

图7 洞庭湖区“三生空间”二级地类用地功能转变Fig.7 The function transformation of the “production-living-ecological space” secondary land use in the Dongting Lake area

参照“三生空间”格局演变的地图可视化方法,进一步探究洞庭湖区4市及32个县域样本在空间分布上的用地格局功能转型特征(图8)。结果显示：1980—2020年间洞庭湖区“三生空间”的功能转型主要集中于湖泊水域主体空间及城镇化发展迅速的县域。①北部洞庭湖平原地区主要发生农业生产空间向生态空间的转化,其中以荆州的洪湖市和监利县转化最为剧烈。②中部为洞庭湖的水域主体部分,在前三阶段变化较稳定,进入2010年后开始出现由生态空间向农业生产空间的大量转入,集中发生于岳阳市的君山区,这表明伴随着城镇化的推进,人类开始逐渐依靠水域优良自然环境进行生产种植活动。③此外,生产、生态空间向生活空间的转化亦较为明显,集中在岳阳市的岳阳楼区,常德市的武陵区,益阳市的赫山区及荆州市的荆州区、沙市区,呈现以4市中心城区为辐射核心的放射状分布,且随时间段的推进增幅持续上升。

图8 洞庭湖区“三生空间”功能转型的县域空间分布特征Fig.8 Spatial distribution characteristics of counties in the Dongting Lake area in terms of functional transformation of the “production-living-ecological space”

综上所述,1980年以来,洞庭湖区“三生空间”功能转型主要体现为城镇生活空间侵蚀农业生产空间,农业生产空间挤占水域生态空间,以及农业生产空间向水域生态空间的回归。一方面,城镇化进程提升了大湖流域土地利用强度,进而激发人类对城市居住、公共服务设施、交通运输、工矿企业用地的需求,城镇生活空间开始以城镇化水平较高的中心县域为核心迅速向外辐射扩散,而这些往往都是由农业生产用地或生态用地转化而来。另一方面,“退耕还湖”政策的实施使耕地资源向水域空间持续回归,但进入2010年后,位于洞庭湖中部滨湖平原地带的君山区首次出现耕地向水域的大面积挤占,表明洞庭湖仍存在围湖造田的现象,生态空间面临耕地利用和城镇建设开发胁迫的双重威胁,城镇现代化发展与自然生态保护间的矛盾仍在日益加剧。

4 “三生空间”格局演变驱动机制

为确定洞庭湖区国土空间用地格局转型的城镇化影响因素,本文利用灰色关联度模型对域内各城市“三生空间”的格局演变进行驱动机制关联分析,以探究域内各级驱动指标因子与用地转型间的关联重要程度(图9)。其中,城镇化、工业化及农业现代化作为三大关键驱动力,分别在不同层面加速了城镇化进程中洞庭湖区各行政单元的国土空间格局演变进程。

图9 城镇化进程中洞庭湖区各级驱动因子关联度Fig.9 Correlation degree of driving factors at all levels in the Dongting Lake area during urbanization process

4.1 城镇化驱动机制

城镇化是影响洞庭湖区“三生空间”格局演变的首要驱动因素,主要通过推动城市人口流动及经济活动转型以组织调节域内各功能用地类型。一方面,城镇人口与城镇化率作为人口城镇化因子,对城镇生活空间的驱动效应较强。城镇化造成了乡村居民向城市空间的大量涌入,城市土地资源的高负荷运行使人类通过挤占农业生产空间以获得更多建设用地,耕地向城镇建设用地的转化面积相较20世纪末增长2.45倍。另一方面,以第三产业比重为代表的经济城镇化因子对蓝绿生态空间影响也愈加深刻,表明洞庭湖区作为长江中游城市群发展战略中的重要经济枢纽,优越的区位优势带来港口物流、生态旅游等第三产业的迅速发展,湖区对外开放度的增大也加剧了生态系统演变的不稳定性。

4.2 工业化驱动机制

工业化在一定程度上推动了洞庭湖区各类用地空间转型扩展的速率与方向。洞庭湖区在长江中游城市群发展战略的引领下,现代工业园区与新兴科技基地发展迅速, 20年间GDP总量增长9.27倍,为应对社会工业发展需求,城乡建设用地面积迅速扩张,由1603.96km2上升到2319.55km2,增幅高达49.18%,直接体现GDP、工业总产值、固定资产投资等工业化指标因子对城市工矿建设用地增长的驱动效应。在用地的空间扩展方向上,洞庭湖区城镇生活用地及工矿生产用地整体沿工业化水平较高的城镇郊区或交通沿线分散辐射扩张,呈现多中心、飞地扩展的蚕食演变规律,与工业化发展方向具有高度一致性。

4.3 农业现代化驱动机制

在以农业种植为主要经济活动的洞庭湖区,农业现代化进程加速了以农业生产空间为首的国土空间格局演变。农业现代化技术水平的进步使农业结构发生调整,农产品播种效率和耕地单位面积粮食产量显著提升,原先属于农业生产空间的面积逐渐向水域等生态空间类型转化回归,以响应国家 “退耕还湖”政策的号召,弥补上世纪因粗放开垦农用地带来的生境破坏。2000—2020年间,域内水域面积主要由农业生产用地转化而来,总转化比例高达50.86%,表明农业生产技术水平的提高推动了“退耕还湖”工程的实施成效,为洞庭湖生态经济区的发展营造了良好的技术基础,湖区蓄洪功能和生态承载力有了一定程度的增加。

5 结论

本文基于国土“三生空间”格局时空演变视角,对洞庭湖区域范围内常德、荆州、益阳、岳阳4市及其32个县域的土地利用格局演变特征与驱动机制开展分析,最终得到以下结论：

①1980—2020年间洞庭湖区“三生空间”格局总体分布在水平地域和垂直梯度上差异显著。生态空间主要集中在区域中部洞庭湖水域部分及东部、南部及西部的外围林地丘陵区,生产空间主要位于河网冲刷形成的湖滨平原区,生活空间呈点状零散穿插分布于生产与生态空间之中；生产、生活空间及蓝色生态空间随海拔升高呈现下降趋势,绿色生态空间随海拔变化起伏较大。

②洞庭湖区“三生空间”用地格局结构变化涵盖数量特征和空间分布两层面。数量变化层面,农业生产空间面积缩减较大,工矿生产空间与生活空间持续增长,水域与潜在生态空间波动变化。空间变化层面,各类用地在县域上存在较强的地区差异性,其中洪湖市的生产空间及绿色生态空间、岳阳楼区的生活空间、沅江市的蓝色生态空间面积变化幅度最为剧烈,且农业生产空间的减少面积、空间分布与城镇空间的扩张吻合度较高。

③洞庭湖区“三生空间”用地格局功能转型随城镇化发展亦在逐渐加快,40年来域内用地功能转型主要表现为城镇生活空间侵蚀农业生产空间,农业生产空间挤占水域生态空间,以及农业生产空间向水域生态空间的回归。在空间分布上,以洪湖市为首的北部平原地区主要发生农业生产空间向生态空间的转化,中部水域主体部分以生态空间向农业生产空间的转入为主,集中体现在君山区,生产、生态空间向生活空间的转化以4市中心县域城区为辐射核心,呈放射状傍水分布。

④城镇化、工业化及农业现代化作为三大关键驱动力,加速了洞庭湖区各城市“三生空间”格局演变进程。其中,人类的各项城市建设活动是影响土地覆被变化的主要驱动因子,农业现代化水平的提高为洞庭湖绿色生态经济区的发展和国土空间结构的调整营造了良好的技术基础,长江中游城市群发展战略和“退耕还湖”等政策的实施,也在一定程度上加速了洞庭湖区“三生空间”格局演化进程。

随着城镇化建设的加快,城镇生活空间面积大幅度增加,生态高敏感空间逐渐增多；此外,在“退耕还湖”政策实施同时,部分流域仍存在占用湖面围垦的现象,导致水域生态空间在2010年后首次出现收缩反弹态势。因此,基于“流域国土资源开发调整与生态空间修复”这一目标,未来洞庭湖区需完善国土“三生空间”布局体系,科学划定城市生产、生活、生态空间各单元的管制范围边界,构建“生产-生活-生态”可持续发展与统筹协调的生态文明建设新格局,完善区域内国土空间资源合理配置与治理应对的关键技术环节,以保障大湖流域地区城镇化高质量发展及生态空间安全。