杨江州，熊 军，陈 洪，徐 林，龙华平
(贵州省地质矿产勘查开发局117地质大队，贵州 贵阳 550018)
自我国改革开放以来，社会经济快速发展，城镇化与工业化进程不断推进，带来了国土空间剧烈演变的同时，也面临着土地利用率低、生态环境污染、城乡发展失衡、人地关系矛盾等问题(Liu Yan et al 2014，刘纪远 等，2014)。为了促进社会经济增长与生态环境保护的可持续发展，党的十八大报告明确提出“要将优化国土空间开发格局作为生态文明建设的首要举措，促进生产空间集约高效、生活空间宜居适度、生产空间山清水秀”的指导思想(胡锦涛，2012)。“三生空间”作为国土空间格局优化的主体，已成为当今学者研究热点。起初，“三生空间”研究主要侧重概念与内涵(江曼琦 等，2020，武占云，2014)、用地分类体系(李广东 等，2016，张红旗 等，2017)、以及格局优化(刘鹏 等，2017，王成 等，2018)等方面。随着GIS快速发展，研究方法由定性向定量分析转变，研究尺度由小尺度向大尺度转变(党杰，2018，李欣 等，2019)。然而，大多数研究集中于流域(柳冬青 等，2018)、山区(Geng Shoubao et al 2019)、城市群(李慧燕，2021)等区域，对喀斯特山区研究较少，尤其是缺乏长时间序列的数据支撑，不足以揭示喀斯特山区“三生空间”演变特征。本文以贵州喀斯特山区为研究对象，基于土地利用遥感监测数据，分析其自20世纪80年代到2018年“三生空间”用地变化特征，力图为区域国土空间优化与区域可持续发展提供重要参考。
图1 贵州省地理区位图Fig.1 Geographical location of Guizhou province1—最高点；
2—最低点；
3—省界；
4—市州界
3.1 数据来源
贵州省1980年、1990年、2000年、2010年、2018年5期土地利用/土地覆盖遥感监测数据来自于中科院资源环境科学与数据中心数据平台(http：//www.resdc.cn)。该数据基于美国陆地卫星Landsat遥感影像数据，通过人工目视解译，采用《全国遥感监测土地利用/覆盖分类体系》得到。根据已有研究成果(黄天能 等，2021，王泽 等，2020，徐磊 等，2018)，建立“生产、生活、生态”为主导的土地利用体系与土地利用类型衔接表(表1)。本文主要应用ArcGIS10.8对数据进行处理与分析。
表1 “三生空间”结构与土地利用类型衔接表Table 1 Join table of “Production-living-ecological” spaces and land use type
3.2 研究方法
单一土地利用变化动态度是指某种土地利用类型在一定时期内的变化速度与变化幅度，计算公式为(牛潜 等，2018)：
式中，ΔV为土地利用变化动态度；
Va和Vb分别表示某一土地利用类型在研究初期和末期的面积，单位是km2；
T为研究的时间长度，单位是年。
转移矩阵模型可直观反映系统内在转换特征，其表达式为：
式中：S为面积；
n为土地利用类型数量；
i，j分别为研究初期与末期的土地利用类型。
重心迁移模型直观地反映该地区土地利用空间格局变迁的过程和变化的速度，t时期土地利用类型为j的重心坐标计算公式为(杨浩 等，2020，赵珍珍 等，2019)：
式中：X(j，t)，Y(j，t)——t时期土地利用类型为j的重心经度和纬度坐标；
n——t时期土地利用类型为j的斑块总数；
LA(i，t)——t时期土地利用类型为j的第i个图斑的面积；
X(i，t)，Y(i，t)——t时期土地利用类型为j的第i个图斑的几何中心经度坐标和几何中心纬度坐标。
4.1 “三生空间”时空变化分析
4.1.1 “三生空间”空间分布分析
通过ArcGIS10.8对土地利用/土地覆盖遥感监测数据处理，得出1980年、1990年、2000年、2010年、2018年5期“三生空间”的面积变化分布(图2)。从图2可以看出，生态空间最为广泛，其中绿色生态空间用地最大，主要集中分布在贵州东南部。其次为生产空间，其中农业生产用地面积次之，主要集中分布毕节市东部、贵阳市南部、遵义市北部、安顺市东北部、黔东南西部、黔西南北部，这些地区地势相对平缓，土壤肥沃，易于农作物的耕作。生活空间相对较小，其中城镇生活空间，主要集中各地级市；
农村生活空间受自然条件和社会经济影响，零散分布。从时间变化来看，1980—2000年，各类型空间变化并不明显；
2000年以后，工矿生产空间、城镇生活空间和农村生活空间显著增加。这表明2000年以后，贵州省经济建设得到快速发展，建设用地急剧扩张。从整体来看，38年间，贵州省的工矿生产空间与城镇生活空间明显增加，绿色生态空间与农业生产空间大幅缩减，主要集中于能源化工基地与贵阳省会城市。工矿生产空间与城镇生活空间扩张，主要源于以贵阳市为核心的城市基础建设扩大以及能源化工基地的扩展。
图2 1980—2018年贵州省“三生空间”分布图Fig.2 Distribution of “Production-living-ecological” spaces in Guizhou province from 1980 to 2018
4.1.2 “三生空间”结构变化分析
通过对数据处理统计得出“三生空间”变化特征(表1)。可知1980—2018年，绿地生态空间面积最大，平均占比为71%，但变化幅度最小。总体来看，贵州省38年来的工矿生产空间、城镇生活空间、农村生活空间、水域生态空间呈增长趋势，动态度分别为26.86%、5.58%、0.83%、3.65%，农业生产空间、绿地生态空间、其他生态空间减少，动态度分别为-0.06%、-0.02%、-1.20%。正反映了贵州省积极响应党的十二大以来重要精神、改革开放和西部大开发重要指示，经济得到快速发展，加速城镇化的推进，使其建设用地迅速增长。其中农业生产空间缩减，表明仍需加强耕地保护与占补平衡的力度，优化土地利用结构与布局，保障粮食安全。
1980—1990年，贵州省的城镇生活空间和绿地生态空间呈增长趋势，动态度分别为0.30%、0.02%，工矿生产空间、农村生活空间、水域生态空间大面积减少，动态度分别为-0.71%、-0.88%、-0.91%，表明城镇生活空间和绿地生态空间是该阶段“三生空间”变更主导类型。1990—2000年，贵州省的各类型空间均呈增长趋势，除了绿地生态空间以外，表明绿地生态空间是该阶段“三生空间”重要转换类型。2000—2010年，贵州省的工矿生产空间、城镇生活空间、农村生活空间、水域生态空间均呈增长趋势，动态度分别为12.91%、4.22%、1.24%、6.92%，农业生产空间、绿地生态空间、其他生态空间呈减少趋势，其中其他生态空间减少最为显著，表明在该阶段贵州省石漠化治理初步得到显著成效。2010—2018年，较上一阶段相比，工矿生产空间、城镇生活空间、农村生活空间显著增加，农业生产空间和绿地生态空间显著减少，表明该阶段绝大部分农业生产空间与绿地生态空间被应用于建设用地中。
4.1.3 “三生空间”转型分析
为了探索贵州省“三生空间”的内在转换规律，应用ArcGIS10.8对1980年和2018年土地利用数据进行叠加处理得到土地利用转移矩阵(表2)。可知1980—2018年，最突出表现的是农业生产空间、绿地生态空间向其他类型空间转移，其中主要转向工矿生产空间。
表2 1980—2018年贵州省“三生空间”结构表Table 2 The structure of “Production-living-ecological” spaces in Guizhou province from 1980 to 2018
农业生产空间转入和转出面积分别为4 759.83 km2、3 721.24 km2，转入面积比转出面积大幅减少1 038.59 km2，表明其他空间类型对农业生产空间的蚕食较为严重，耕地保护面临较大压力。工矿生产空间转入和转出面积分别为1 076.42 km2、46.25 km2，转入面积比转出面积大幅增加1 030.17 km2，其中转入主要类型空间是农业生产空间和绿地生态空间，分别占转入总面积52%、46%。城镇生活空间与工矿生产空间转入类似，主要转入类型也为农业生产空间和绿地生态空间，分别占转入总面积66%、25%，表明该期间工矿生产空间与城镇生活空间正快速向外扩张，逐渐将城镇周边农业生产空间和绿地生态空间并入其中。农村生活空间转入类型只有农业生产空间和绿地生态空间，分别为96.71 km2、33.64 km2，表明农业生产空间和绿地生态空间是农村生活空间扩张的后备资源。绿地生态空间主要由农业生产空间转入，其转入占总面积的97%，可见贵州实施退耕还林政策后，大量的坡耕地转入林地的主要原因是贵州地处喀斯特山区，坡耕地不易于农业的生产。水域生态空间转入和转出面积分别为6 541.74 km2、50.45 km2，转入面积比转出面积增加601.29 km2，且由农业生产空间和绿地生态空间转入。这表明贵州的河流治理有了明显成效，流域面积增加，将原来流域两边的低洼滩涂耕地与草地淹没。其他生态空间只转入绿地生态空间，转入面积为21.02 km2，主要源于贵州省石漠化的治理，将裸土地与裸岩石质地恢复成了灌木林地，促进绿色生态发展。
表3 贵州省1980—2018年土地利用转移矩阵表Table 3 Land use transfer matrix in Guizhou province from 1980 to 2018
4.2 “三生空间”重心迁移特征分析
基于贵州省5期的土地利用数据以及利用重心迁移模型，得出1980—2018年贵州省不同时期各土地利用类型重心迁移特征(如图3-5)。从图3可知，农业生产空间重心总体上向东南移动，最西北出现在1990年，最东南出现在2018年；
工矿生产空间重心总体上向东北移动，最西北出现在2010年，最东北出现在2018年。
(a)农业生产空间 (b)工矿生产空间图3 1980—2018年贵州省生产空间重心迁移特征图Fig.3 The migration characteristics of the production center in Guizhou province from 1980 to 2018
(a)城镇生活空间 (b)农村生活空间图4 1980—2018年贵州省生活空间重心迁移特征图Fig.4 Migration characteristics of the living center in Guizhou province from 1980 to 2018
图5 1980—2018年贵州省生态空间重心迁移特征图Fig.5 The migration characteristics of the ecological space center in Guizhou province from 1980 to 2018
1980—1990年，农业生产空间重心经向与纬向均移动0.001°，移动方向为西北，移动距离为134.3 m；
工矿生产空间重心经向移动0.017°，纬向移动0.012°，移动方向东北，移动距离为2 120.7 m。1990—2000年，农业生产空间重心经向移动0.006°，纬向移动0.004°，移动方向东南，移动距离为770.2 m，工矿生产空间重心经向移动0.003°，纬向移动0.041°，移动方向西南，移动距离为4 527.2 m。2000—2010年，农业生产空间重心经向移动0.009°，纬向移动0.001°，移动方向东北，移动距离为840.5 m，工矿生产空间重心经向移动0.012°，纬向移动0.143°，移动方向西南，移动距离为19 848.7 m。2010—2018年，农业生产空间重心经向移动0.010°，纬向移动0.007°，移动方向东南，移动距离为 1309.1 m，工矿生产空间重心经向移动0.151°，纬向移动0.076°，移动方向东北，移动距离为17 303.9 m。
根据图4可知，城镇生活空间重心总体上向西北移动，移动的最大经度为0.203°，最大纬度为0.049°；
农村生活空间重心总体上向东北移动，移动的最大经度为0.064°，最大纬度为0.048°。
1980—1990年，城镇生活空间重心经向移动0.009°，纬向移动0.003°，移动方向西北，移动距离为1 013.1 m，农村生活空间重心经向移动0.001°，纬向移动0.003°，移动方向西北，移动距离为335.9 m。1990—2000年，城镇生活空间重心经向移动0.097°，纬向移动0.049°，移动方向东北，移动距离为11 111.1 m，农村生活空间重心经向移动0.019°，纬向移动0.006°，移动方向西南，移动距离为2 015.8 m。2000—2010年，城镇生活空间重心经向移动0.008°，纬向移动0.012°，移动方向西南，移动距离为1 573.1 m，农村生活空间重心经向移动0.012°，纬向移动0.007°，移动方向西北，移动距离为1 462.1 m。2010—2018年，城镇生活空间重心经向移动0.203°，纬向移动0.047°，移动方向西北，移动距离为20 835.7 m，农村生活空间重心经向移动0.064°，纬向移动0.048°，移动方向东北，移动距离为8 257.9 m。其中，2010—2018年生活空间重心移动距离最大，其次是1990—2000年。
根据图5可知，绿地生态空间重心总体向西南移动，水域生态空间重心总体向东北移动，其他生态空间重心总体向西北移动，三者移动方向和移动距离各有不同，其中2000—2018年，两个时期的生态空间重心移动距离较大。
1980—1990年，绿地生态空间重心经向移动0.001°，纬向移动0.002°，移动方向西北，移动距离为202.6 m；
水域生态空间重心经向移动0.017°，纬向移动0.012°，移动方向东北，移动距离为2 120.7 m；
其他生态空间重心经向移动0.013°，纬向移动0.003°，移动方向西北，移动距离为202.6 m。1990—2000年，绿地生态空间重心经向移动0.005°，纬向移动0.005°，移动方向西北，移动距离为670.6 m；
水域生态空间重心经向移动0.003°，纬向移动0.041°，移动方向西南，移动距离为4 527.2 m；
其他生态空间重心不变。2000—2010年，绿地生态空间重心经向移动0.015°，纬向移动0.014°，移动方向西北，移动距离为2 199.9 m；
水域生态空间重心经向移动0.012°，纬向移动0.143°，移动方向东北，移动距离为19 848.7 m；
其他生态空间重心经向移动0.143°，纬向移动0.077°，移动方向西北，移动距离为16 642.8 m。2010—2018年，绿地生态空间重心经向移动0.002°，纬向移动0.021°，移动方向西南，移动距离为2 337.1 m；
水域生态空间重心经向移动0.151°，纬向移动0.076°，移动方向东北，移动距离为17 303.9 m；
其他生态空间重心经向移动0.014°，纬向移动0.034°，移动方向东北，移动距离为14 445.0 m。
5.1 结论
本文基于1980—2018年贵州省土地利用数据，应用动态度、转移矩阵、重心迁移模型分析了“三生空间”演变特征，对区域土地利用资源合理利用与可持续发展具有重要意义，主要结论如下：
(1)1980—2018年，贵州喀斯特山区“三生空间”用地空间分布特征表现为绿色生态空间与农业生产空间减少，工矿生产空间、城镇生活空间和农村生活空间显著增加。总体来看，工矿生产空间与城镇生活空间扩张占据了优质农田与生态空间，最为明显的是以贵阳市为中心向外发展区域扩张。
(2)贵州喀斯特山区用地优势功能空间是绿地生态空间，平均占比为71%，所以其生态基础水平较高。从贵州喀斯特山区“三生空间”动态度来看，工矿生产空间动态度最大，为26.86%；
其他生态空间最小，为-1.20%。
(3)贵州喀斯特山区“三生空间”变化方向主要是农业生产空间转入城镇生活空间与工矿生产空间，绿色生态空间转入城镇生活空间与工矿生产空间，其中其他生态空间全部转入绿地生态空间。
(4)38年来以来，贵州喀斯特山区的农业生产空间重心向东南移动，工矿生产空间重心向东北移动，城镇生活空间重心向西北移动，农村生活空间重心向东北移动，绿地生态空间重心向西南移动，水域生态空间重心向东北移动，其他生态空间重心向西北移动。
5.2 讨论
本文基于贵州省“三生空间”来分析贵州喀斯特山区国土空间结构演变特征，为今后该区域国土空间优化与区域可持续发展提供重要参考，但在“三生空间”的功能分类、基层数据选取上存在不足。受数据收集限制，本文对“三生空间”格局演变研究只对其功能性水平进行分析，没有引入社会经济数据，缺乏驱动因素的探讨。同时“三生空间”的功能具有土地功能、景观功能和生态功能等，而任一土地功能都具有多动能性，今后还需完善“三生空间”功能分类体系。
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