哈尔滨市“三生空间”时空演变特征分析★

李 莹，陈志玲，谭 诚

(黑龙江科技大学矿业工程学院，黑龙江 哈尔滨 150022)

土地利用/覆被变化是改变生态环境质量的重要因素，是人类活动对自然环境进行改造的最直观表现[1]。近年来，高速发展的人类经济生产活动造成了土地利用方式和格局的大幅度改变，导致了一系列生态问题，也因此土地利用变化研究日益成为解决生态系统可持续健康发展的热点途径[2]。从功能的角度出发土地被划分为生产用地、生态用地和生活用地，形成一个相互关联和相互统一的多功能综合体[3]。但现行的《土地利用现状分类》标准是按照土地用途进行分类的[4]，这导致土地的生态功能被严重忽视，所以亟须构建一个基于土地功能角度的、突出生态功能的分类体系[5-6]。基于以上原因，中共十八大报告中明确指出“生产空间集约高效、生活空间宜居适度、生态空间山清水秀”国土空间发展目标，使得“三生空间”概念由此产生[7]。当前，国内学者从不同视角对“三生空间”分类进行了诠释，例如李广东等[8]基于城市尺度从土地功能、生态系统服务和景观功能综合的视角构建城市生态-生产-生活空间功能分类体系，刘继来等[9]基于国家尺度，依据土地利用现状分类国家标准，建立了中国三生空间分类与评价体系。国际上，Zhou等[10]提出了土地利用多功能性评价的新概念指标体系，并分析了土地利用各子功能之间的关系；Wei等[11]构建了生产-生活-生态(PLE)功能评价指标体系；通过评价模型和空间集中指数分析了吉林省PLE功能特征。纵观不同学者对“三生空间”分类的见解可得出一个结论：“三生空间”是一种功能空间，“三生空间”的分类是以土地利用主导功能为基础的[12]。

本文立足于“三生空间”视角，以人口密集、城镇化高、经济较发达的哈尔滨市辖区为研究区域，选取2000年、2010年、2020年三期土地利用现状数据，结合土地利用主导功能对研究区进行“三生空间”的识别与分类，从数量结构变化和空间格局演变两个方面对哈尔滨市辖区“三生空间”时空演变特征进行探讨，以期为哈尔滨市辖区生态环境保护和国土空间规划提供参考策略。

1 研究区概况与数据来源

哈尔滨位处中国东北地区、东北亚中心地带，在黑龙江省西南部，是黑龙江省的省会，副省级市，是中国东北北部政治、经济、文化中心，被誉为欧亚大陆桥的明珠，是第一条欧亚大陆桥和空中走廊的重要枢纽、“一带一路”节点区域、哈长城市群核心城市、国家战略定位的沿边开发开放中心城市。本文以哈尔滨市辖区为研究区，其位于哈尔滨市西部，介于东经125°41′～127°39′，北纬45°43′～46°25′之间，包括道里区、道外区、南岗区、平房区、香坊区、松北区、呼兰区、双城区、阿城区九个区(见图1)，全市辖区面积10 198 km2，总人口551.9万人，分别占哈尔滨总面积、总人口的19.2%，58.5%，由此可见哈尔滨市辖区的人口密集和城市化程度。

本文应用2000年、2010年、2020年的哈尔滨市辖区土地利用/覆盖数据来源于资源环境科学与数据中心，该数据是中国科学院在国家资源环境数据库基础上，以美国陆地卫星Landsat遥感影像数据作为主信息源，通过人工目视解译建立的国家尺度1∶10比例尺多时期土地利用/土地覆盖遥感监测数据集(CNLUCC)[13]。哈尔滨行政边界数据也来源于资源环境科学与数据中心。

2 研究方法

2.1 “三生空间”分类

“三生空间”的分布格局是区域内自然环境演变与人类经营活动是否和谐发展的象征，因此对于“三生空间”的划分要具有科学性、适用性。本研究依据GB/T 21010—2017土地利用现状分类标准，结合土地利用主导功能，参考前人对“三生空间”概念、内涵、分类体系的研究对哈尔滨市辖区进行“三生空间”分类[14-15]。主要分为3个一级类，并根据空间各自所具有的属性再细分为8个二级类。具体的划分依据和分类体系见表1。

表1 哈尔滨市辖区“三生空间”分类体系

2.2 动态度模型

本文应用动态度模型来分析哈尔滨市辖区“三生空间”的数量变化,其可分为空间单一动态度和空间综合动态度两类,其中空间单一动态度不仅能反映区域内不同时期不同空间类型的变化量并且能直观显示其变化速率。其计算公式如式(1)所示:

(1)

其中，K为空间类型的单一利用动态度；Ua,Ub分别为研究时段的初期面积、末期面积；T为研究时长。

空间综合动态度可以反映区域内地类变化数量的整体情况,综合表达某一研究时段的空间类型变化强度。其计算公式如式(2)所示:

(2)

其中，LC为综合利用动态度；T为研究时长；LUi为研究初期i类空间类型面积;LUi-j为T时段内i类空间类型变为j类空间类型的面积绝对值。

2.3 “三生空间”转型特征分析

本文应用转移矩阵来分析哈尔滨市辖区“三生空间”转型特征,转移矩阵可以定量计算各研究时段各空间类型的转移数量和转移关系,反映区域内空间分布趋势。其计算公式如式(3)所示:

(3)

其中,S为面积;n为转移前后的空间类型数;i,j均为转移前后的空间类型；Sij为研究区域内“三生空间”某一空间类型i转移到j类空间的面积。矩阵中的每一行元素代表转移前的i地类向转移后的各地类的流向信息,矩阵中的每一列元素代表转移后的j地类面积从转移前的各地类的来源信息[16]。

2.4 “三生空间”重心迁移分析

本文应用重心模型来探讨哈尔滨市辖区“三生空间”演变方向,可直观反映空间要素的时间演化轨迹。其计算公式如式(4)所示:

(4)

其中,LONG,LAT分别为研究区各类空间分布的重心的经度坐标和纬度坐标;longi,lati分别为“三生空间”的经度坐标和纬度坐标;Si为某类空间的面积。

3 结果分析

3.1 “三生空间”时序变化特征

3.1.1 面积变化特征

根据哈尔滨市辖区一级“三生空间”分类统计结果表2显示,在3个不同研究时段内,生产空间是全市辖区占比面积最大的,在69%左右,反映了研究区的农业基础之强,2000年—2010年间生产空间大幅度减小,缩减面积达140.97 km2,2010年—2020年间生产空间面积稍有增长,增加面积为36.59 km2。生态空间面积变化不显著,总面积占比维持在23%左右,2000年—2020年间先增长80.76 km2,后下降88.28 km2。生活空间面积呈持续增长趋势,2000年—2010年间增长60.24 km2,2010年—2020年间又增长51.59 km2。

表2 哈尔滨市辖区一级“三生空间”类型面积与占比

根据哈尔滨市辖区二级“三生空间”分类统计结果表3显示,研究区总体上以农业生产空间为主,工矿生产空间面积最小。生产空间中农业生产空间所占比例高达99%,面积约高达7 000 km2,工矿生产空间仅有小部分但增长幅度明显,2000年—2010年间农业生产空间下降了1.9%,193.11 km2,2010年—2020年间又稍有回升,上升了0.35%,35.59 km2。生态空间中主要以林地生态空间为主,但其分布不均,只集中在阿城区的东南部,并且呈逐渐减小之态,2000年—2020年从1 274.79 km2减少至1 181.06 km2,一共缩减了93.73 km2,水域生态空间在研究时段内不断减小,变化幅度强烈,研究初期10年间面积减少168.18 km2,研究末期10年面积又持续减少了246.5 km2,草地生态空间呈先增长后下降的趋势,其他生态空间不断增长。生活空间中城镇生活空间不断扩张,2000年—2010年扩张面积最为显著,增加达79.6 km2,农村生活空间先减小19.38 km2,后增加37.85 km2。

表3 哈尔滨市辖区一级“三生空间”类型面积与占比

3.1.2 动态度变化特征

根据土地利用动态度模型分析哈尔滨市辖区“三生空间”数量结构变化,用单一动态度反映各空间类型变化活跃程度,综合动态度可以反映区域内部各类空间局部和整体变化强度。从一级“三生空间”动态度(如表4所示)来看,2000年—2010年间生产空间单一动态度为-0.2%,面积减少最大,总共减少140.97 km2,生态空间和生活空间有所增长,其中生活空间变化剧烈,扩张速度快,单一动态度达0.82%;2010年—2020年间生态空间大幅度减少,单一动态度为-0.37,生活空间依旧持续扩张,扩张速度相比较前10年较有缓和,单一动态度为0.65%,生产空间后10年面积变化不明显,单一动态度为0.05%。纵观整研究期的“三生空间”动态度,2000年—2020年综合动态度中生产和生态空间变化相对稳定,生活空间变化较剧烈;单一动态度中生产空间先减后增,生态空间先增后减,生活空间不断增加的趋势。

表4 哈尔滨市辖区一级“三生空间”动态度 %

从二级“三生空间”动态度(如表5所示)来看,2000年—2010年间单一动态度为负的有农业生产空间、林地生态空间、草地生态空间和农村生活空间,其中农业生产空间面积减少最多,单一动态度达-0.27%,反映农业生产空间被大量侵占,水域生态空间变化最为强烈,单一动态度为-2.53%,反映水域生态空间在这前10年间发生了激烈演变,林地生态空间和农村生活空间的单一动态度为-0.58%和-0.38%,这反映了前10年生态环境在恶化,城镇化进程在加速。单一动态度为正的有草地生态空间、城镇生活空间、工矿生产空间和其他生态空间,其中工矿生产空间单一动态度最高,达到65.99%,直接说明了2000年初哈尔滨市辖区的工业生产能力微不足道,到2010年时工业生产已经得到高速发展。城镇生活空间随着经济发展持续扩张,单一动态度为3.76%。2010年—2020年间单一动态度为负的有林地、草地、水域生态空间,单一动态度分别为-0.16%，-6.75%，-4.97%。其余单一动态度均为正且保持相对稳定,其中值得注意的是其他生态空间大面积增加,单一动态度达19.74%,间接反映后10年间生态保护政策起到了关键性作用。观察整个研究区的综合动态度可以发现,前期由于国家处于经济加紧追赶阶段,工矿生产空间和城镇生活空间的变化相对剧烈,后期国家提出诸多生态保护政策使工业生产和城市化速度得以控制,生态用地有所增加。

表5 哈尔滨市辖区二级“三生空间”动态度 %

3.1.3 “三生空间”结构转型特征

本文利用ArcGIS的叠加分析功能得到哈尔滨市辖区2000年—2020年两个时段的“三生空间”转移矩阵(见表6，表7),以此来明确反映各空间类型之间的转移关系和转移数量。纵观整个研究期,2000年—2010年间以生产空间转出为主,约占总转出面积的55%,达547.32 km2,其中农业生产空间转变为农村生活空间最为明显,转移面积有164.52 km2,转变为城镇生活空间相对较少,有58.56 km2,转变为工矿生产空间只有37.99 km2的极少部分。生态空间的转出面积256.97 km2,占25.9%,其中草地、林地生态空间转变为农业生产空间较为明显，分别是62.98 km2和79.03 km2。生活空间转出面积最小。2010年—2020年间以生产空间转入为主,转入总面积约为50.06%,其中农村生活空间转入为农业生产空间的面积最大,有154.64 km2,这是由于后10年 当地政府意识到地处幅员辽阔的平原地复农业生产的重要性,这不仅是粮食的保证更是对生态的恢复。也是基于生态保护的原则,2010年—2020年间工矿生产空间的转入面积相较于10年前有相对减小,主要是从农业生产空间准入了19.42 km2。

表6 哈尔滨市辖区2000年—2010年“三生空间”转移矩阵 km2

表7 哈尔滨市辖区2010年—2020年“三生空间”转移矩阵 km2

3.2 空间变化特征分析

3.2.1 “三生空间”分布特征

根据上述“三生空间”分类体系,使用ArcGIS软件对哈尔滨市辖区土地利用数据进行分类,形成哈尔滨市辖区“三生空间”分布图(见图2)。从图2中可以看出,哈尔滨市辖区2000年—2020年的“三生空间”整体变化并不突兀,大多在原有空间类型下进行扩张或缩小。全市辖区主要以生产空间为主,其中双城区的生产空间面积最大,其次是呼兰区、阿城区;生态空间主要分布在松花江流经区域和阿城区东南部;生活空间一部分集中分布在道里区、道外区、香坊区、平房区和南岗区彼此相邻所形成的环形区域内,其余零星四散,形成“一星多点”的分布格局。值得注意的是阿城区三生空间分布极具特点,由于阿城区地处张广才岭与松嫩平原的缓冲地带,东部山区峰峦叠翠,西部平原坦荡开阔,就此形成了东部生态空间与西部生产空间包围中部生活空间的特点。

哈尔滨市辖区的城镇生活空间集中分布于道里区、道外区、香坊区和南岗区与松花江毗邻的区域以及平房区大部分区域,农村生活空间四处分散于松北区、双城区、呼兰区和阿城区西部。由于本研究区域地势平坦、水源充沛、气候适宜、土壤肥沃,故农业生产空间遍布全市辖区除城镇生活空间以外的区域,工矿生产空间极少,其中有阿城区钢铁产业园区、红星水库等,松北区随着经济发展产生了哈尔滨松北经济开发区,平房区有哈飞公司机场、拉滨铁路等重要的交通与航空运输用地。林地生态空间只在阿城区东南部的松峰山镇、平山镇和金龙山镇等分布,草地生态空间、水域生态空间和其他生态空间主要随松花江流经分布。

3.2.2 重心迁移特征

本文利用ArcGIS的空间统计分析计算哈尔滨市辖区的2000年—2020年的重心迁移轨迹,以此来分析各空间类型的重心转移方向。由图3可知,在研究区20年间,城镇生活空间先从2000年南岗区的东北部逐渐向西南部迁移,到2010后从西南部向平房区和阿城区城镇生活中心迁移,这是由于后期平房区和阿城区经济得到大力发展。工矿生产空间在2000年初主要集中在双城区,到2010年松北区、呼兰区和平房区的工业用地持续狂涨,所以工矿生产重心大幅度迁移到这三个区域的中心。哈尔滨一直是我国重要的粮食生产基地,2000年—2020年农业生产空间没有明显迁移,前后期变化的主要原因分别是受到城市化和生态恢复政策影响。林地生态空间集中分布于阿城区,2000年—2010年间重心迁移变化比较大,主要受城镇和农村生活空间扩张影响;草地的分布主要在松花江流经区域,所以草地和水域的重心迁移方向相似。农村生活空间的重心迁移方向与农业生产空间相似。其他生态空间的重心变化主要受水域的影响,2000年—2020年双城区和呼兰区所含的松花江水域大部分变为其他生态空间。

4 结论

本文基于三生空间视角,结合本研究土地利用特点和前人研究成果建立了哈尔滨市辖区“三生空间”分类体系,并从时间和空间两个维度分析哈尔滨市辖区“三生空间”的时空演变特征,得出主要结论如下:

1)从时序变化方面对比分析2000年—2020年各空间类型的面积和结构变化:前10年城镇生活空间扩张、农村生活空间缩小、工矿生产空间大幅度增加,说明这10年正是哈尔滨城市化进程和工业大力发展的时期。后10年城镇生活空间、工矿生产空间极小扩大,农村生活空间增加,说明政府出台的生态保护政策得到有效实施,但同时也侧面反映了哈尔滨经济状况受到制约。

2)从空间转型方面对比分析2000年—2020年各空间类型的转移矩阵:前10年转出以林地、草地、农村生活用地向农业生产用地最为明显,同时大量农业生产用地转变为其他生态用地。后10年主要是农业生产用地向城镇、农村生活、其他生态用地转移,再由林地、草地、农村生活用地转入,同时其他生态空间有草地、水域用地的大量转入。

3)从空间变化特征方面对比分析2000年—2020年各空间类型的分布和重心迁移:哈尔滨市辖区的国土空间分布格局具有区域规律性,发展历程具有历史性。全市辖区主要以生产空间为主,生态空间集中分布在阿城区,生活空间中城镇生活空间集中在主城区,农村生活空间四处分散全市辖区。研究期间,前10年的重心迁移变化最明显,主要是工矿生产空间和其他生态空间的重心迁移距离最长。

综上,以上研究工作以期为哈尔滨市“三生空间”用地结构规划以及土地资源可持续利用政策的制定提供参考依据。