2021, Vol. 41 
2. 河南理工大学, 土地经济与城乡发展研究中心, 河南 焦作 454000
2. He'nan University of Technology, Land Economy and Urban-Rural Development Research Center, Jiaozuo, He'nan 454000, China
改革开放以来，中国经济社会快速发展，城市化率由1978年的18%上升至2019年的60.6%。但仍然有许多城市主要依赖占用大量耕地、森林、牧草地和水域的方式提高城市化水平[1]，这些不合理的土地利用造成了生物多样性降低[2]、土壤质量退化[3]、大气污染[4]、水环境恶化等[5]一系列生态和环境问题。在地区生态与经济转型发展过程中，分析土地利用变化对自然环境的影响是研究全球生态环境变化的重要内容，也是构建区域可持续发展的方向[6]。土地利用转型及其生态环境效应已经吸引了环境学、生态经济学以及地理学等学科的兴趣，成为国内外学者们研究的重点。在研究尺度上，大多集中于全球[7-8]、国家[9-10]、省市[11]和流域等[12]单个尺度的土地利用转型及其生态环境效应，对流域尺度和市域范围相结合的研究较少，流域作为复合系统，其生态环境更敏感[13]，将其与市域叠加更能反映行政单元的生态环境质量。在研究对象上，主要集中于农业[14]、林业[15]、生活用地等[16]单一土地要素以及区域多地类转型变化[17-18]对生态环境的影响，其中区域多地类转型变化更能体现区域转型对生态环境的影响程度。在研究方法上，大多学者采用土地利用类型转移矩阵、土地利用动态度研究土地转型结构、数量占比等特性[19-20]，采用数理统计法、综合评价法、空间计量法、耦合协调度模型等研究土地利用转型和生态环境的关系[21-23]，这些方法为本文的研究提供了参考。党的十八大着眼于土地利用功能视角，提出要构建“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“三生”空间[24]，指明土地的生产功能、生态功能和生活功能的协调发展是未来国土空间有序开发的目标。因此，基于“三生”空间将土地利用转型与国土空间开发相联系，是研究土地利用转型及其生态环境效应的重要视角。
黄河流域是中华民族的发源地，横贯我国东中西三大区域，其串联着中国7大城市群，包括山东半岛城市群、中原城市群、关中平原城市群、晋中城市群、呼包鄂榆城市群、宁夏回族自治区沿黄城市群和兰西城市群等人口密集、经济发达区，承载着我国社会经济和生态文明建设的重要任务。近几十年，黄河流域部分地区高速城镇化导致流域用水总量负荷过大，资源利用方式粗放，土地质量持续恶化，土地承载力处于超载或严重超载状态，严重制约了生态环境的良性发展[25]，研究其土地利用变化及生态环境质量非常紧迫。因此，本文以黄河流域为研究对象，结合GIS空间分析技术，研究2000—2020年黄河流域“三生”空间土地利用转型的规律、空间结构特征与生态环境效应，定量权衡土地资源开发与生态环境保护之间的关系，为黄河流域的生态保护和高质量发展提供决策支持。
1 研究区概况、数据来源、研究方法 1.1 研究区概况黄河流域位于东经96°—119°，北纬32°—42°，发源于中国青藏高原巴颜喀拉山脉北麓，流域幅员辽阔，包括青海省、四川省、甘肃省、宁夏回族自治区、内蒙古自治区、陕西省、山西省、河南省、山东省9个省区，后于山东省东营市垦利县注入渤海。黄河流域跨越我国三大阶梯，形成干旱、半干旱、半湿润的气候，各区地貌、降水、蒸发等天然条件差异明显。参考相关研究对黄河流域研究范围的划定[26-27]，本文以青海省、甘肃省、宁夏回族自治区、内蒙古自治区(不包含蒙东地区)、山西省、陕西省、河南省、山东省8省90市为研究对象，研究黄河流域土地利用转型及其生态环境效应。
1.2 数据来源黄河流域2000，2010和2020年的土地利用数据来源于中国科学院资源环境科学数据中心(http://www.resdc.cn)，该数据为基于Landsat TM/ETM遥感影像，通过人工目视解译生成，空间分辨率为1 000 m×1 000 m。杨清可在研究长江三角洲核心区的土地利用转型时，基于“三生”空间和土地利用主导功能的思考，建立“三生”土地利用主导功能分类方案，包括3个一级用地类型和8个二级用地类型[6]。本文将依据杨清可建立的“三生”土地利用主导功能分类方案对土地利用类型基础数据进行重新划分；同时，参考冉端[28]、李晓文等[29]制定的地类生态环境质量指数值，对“三生”空间功能分类生态环境质量进行修正与赋值(表 1)。
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表 1 黄河流域“三生”空间土地利用分类及其生态环境质量指数 |
土地利用转型矩阵是将研究期初至期末各土地利用类型的转移面积以矩阵方式加以表示，它是土地利用变化方向和数量分析的基础，能够表现土地利用转型的具体变化[30]。计算公式为：
| $ {{\boldsymbol{S}}_{ij}} = \left( {\begin{array}{*{20}{c}} {{S_{11}}}& \cdots &{{S_{1n}}}\\ \vdots & \vdots & \vdots \\ {{S_{n1}}}& \cdots &{{S_{nn}}} \end{array}} \right) $ | (1) |
式中：S表示土地面积; n表示用地类型数; i表示研究期初的土地利用类型；j表示研究期末的土地利用类型。
1.3.2 生态环境质量指数测度生态环境质量指数是评估区域内生态环境质量状况的指数，通过对各土地利用类型面积比例计算得出，其与生态环境质量呈正相关。经典的生态环境质量模型考虑各用地类型的生态质量指数和面积比例[21-30]，本文利用“三生”空间将各用地类型分类，借鉴经典生态环境质量模型定量测算黄河流域生态环境质量总体状况，并将黄河流域生态环境质量分类。计算公式为：
| $ {\rm{E}}{{\rm{V}}_t} = \sum\limits_{i = 1}^n {{\rm{LUA}} \times {\rm{E}}{{\rm{V}}_i}/{\rm{TA}}} $ | (2) |
式中：EVt为第t时期区域生态质量指数; LUAi，EVi分别为第t时期区域的第i类土地利用类型面积及其生态环境质量指数; TA为土地利用总面积。
1.3.3 土地利用转型对生态环境的贡献指数土地利用转型对生态环境的贡献指数能定量表示某种土地利用类型的变化对生态环境的影响程度[31]。计算公式为：
| $ {\rm{LEI = }}\left( {{\rm{L}}{{\rm{E}}_{t + 1}} - {\rm{L}}{{\rm{E}}_t}} \right){\rm{LA/TA}} $ | (3) |
式中：LEI为土地利用转型对生态环境的贡献指数; LEt+1，LEt分别为研究末期和初期生态质量指数; LA为发生变化的土地利用类型面积。
2 结果与分析 2.1 黄河流域土地利用基本情况2000—2020年黄河流域“三生”空间土地利用结构转型中，生产用地面积从2000年的494 929.4 km2降至2020年的481 793.6 km2，减少了13 135.8 km2；生态用地面积基本稳定，数量约为2 000 000 km2；生活用地面积从2 000年的41 994.1 km2增长至2020年的59 691.7 km2，其年均增长1.9%。从黄河流域“三生”空间土地用地二级分类来看，牧草、其他生态用地和农业生产用地的分布最为广泛，牧草、其他生态用地主要分布在黄河流域内蒙古高原区和黄土高原区，主要包括内蒙古(不包含蒙东地区)大部分区域、山西省与河南省西部、陕西省中北部、甘肃省中东部、宁夏回族自治区南部以及青海省东部；农业生产用地则集中在黄淮海平原、汾渭平原、宁夏平原等地区，2020年黄河流域牧草、其他生态用地和农业生产用地面积分别为41.1%，27.1%和18.5%；在快速城镇化过程中，黄河流域乡村生活用地呈增加趋势，凌乱分散在各省；2020年黄河流域城镇生活用地面积为19 708.6 km2，是2000年的2.5倍，这是黄河流域近20 a经济的高速发展和城市迅速扩张的结果，也是农业生产用地与其他生态用地锐减的结果(表 2，图 1)。
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表 2 2000-2020年黄河流域各地类面积及其变化 |
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图 1 黄河流域2000-2020年“三生”土地利用状况 |
2000—2020年黄河流域土地格局发生了显著变化，农业生产用地和其他生态用地面积大幅减少，分别减少了20 614和30 227 km2，牧草生态用地和城镇生活用地面积增长较快，分别增加了13 420和11 969.2 km2，其中城镇生活用地年均增幅达到5%，说明伴随着黄河流域城市建设的逐步展开，黄河流域生活用地需求逐步增长，用地矛盾凸显，需合理开发其他生态用地等土地后备资源；水域生态用地和工矿生产用地随着区域经济政策、发展战略、交通便捷程度等的影响，各区域用地分布和变化程度各不相同(图 1)。
2.2 黄河流域土地利用转型分析利用ArcGIS软件的空间分析功能对黄河流域四期土地利用现状图进行叠加，获得黄河流域土地利用转型矩阵(表 3)，发现2000—2010年各用地变化率远低于2010—2020年，说明2010年后黄河流域土地转型规模空前巨大，人类影响活动愈演愈烈。
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表 3 黄河流域2000-2020年土地利用变化转移矩阵 |
(1) 生产用地。2000—2020年黄河流域农业生产用地呈持续减少状态，其主要向牧草生态用地和乡村生活用地转移，转移率分别为16.2%和5.7%，这与国家2002年发布的《关于进一步完善退耕还林还草政策措施的若干意见》及2017年十九大提出的“乡村振兴战略”政策密切相关。2000—2020年黄河流域工矿生产用地呈增加状态，其中，2010—2020年增长幅度最大，占总增加量的78.8%，增加来源主要源于对农业生产用地和牧草生态用地的侵占，分别占总增加量的35.9%和29.8%。
(2) 生态用地。2000—2020年黄河流域林地生态用地总体呈增加态势，主要增加来源为农业生产用地和牧草生态用地，其贡献率分别为10.4%和23.7%。2000—2020年黄河流域牧草生态用地总体呈上升态势，增加了13 420 km2，主要增加来源为农业生产用地和其他生态用地。2000—2020年黄河流域水域生态用地呈增加态势，2010—2020年增长幅度大，占总增长面积的86.5%，主要来源于牧草生态用地和其他生态用地。2000—2020年黄河流域其他生态用地总体呈减少态势，主要转向牧草和水域生态用地。
(3) 生活用地。2000—2020年黄河流域城镇生活用地呈持续增加状态，其中2010—2020年增加幅度最大，占总增加量的72.6%，主要来源于农业生产用地，对其增加的贡献率为38%。2000—2020年黄河流域乡村生活用地变化与城镇生活用地类似，尽管增加面积低于城镇生活用地，但也呈持续增加态势，主要来源于农业生产用地。
总体而言，黄河流域2000—2020年土地利用变化呈现农业生产用地和其他生态用地的逐渐减少和其余用地逐渐增加的特点。随着各项发展战略的推动，如西部大开发和黄河流域高质量发展等，目前黄河流域土地的主导转移方向逐渐以发展城镇和工矿业为主。
2.3 黄河流域生态环境质量时空演变分析根据公式(2)计算得出黄河流域2000，2010和2020年的生态环境质量指数分别为0.450 2，0.450 5和0.456 7，整体上黄河流域生态环境质量指数稳定，呈上升趋势。为进一步分析黄河流域生态环境质量，计算出黄河流域90个地级市2000—2020年的生态环境质量指数，并利用ArcGIS的自然断点法将黄河流域生态环境质量指数划分为5个等级：低质量区、较低质量区、中质量区、较高质量区和高质量区。各级生态环境质量指数有所差异(表 4)，2000—2020年高质量区面积比重保持在28.7%，成为黄河流域土地利用生态环境状况的主体；较高质量区面积急速增长，比重增加8.7%，这与国家近年来极度重视黄河流域生态环境质量有关。中质量区和较低质量区面积减少，比重分别下降7.7%和2.2%；低质量区面积稳定。
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表 4 黄河流域生态环境质量等级面积及比重 |
1990, 2010和2020年3个时期黄河流域生态环境质量指数在空间分布上有明显的差异性，整体呈现由东南向北部递增趋势(图 2)。生态环境高质量区和较高质量区主要位于青海南部三江源草原草甸湿地生态屏障区、内蒙古的一系列草原区及农业区，其主要土地利用类型为生态用地，受地形地貌制约，生产用地和生活用地较少，受人类活动影响小，因此生态环境质量高。
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图 2 黄河流域生态环境质量空间分布 |
生态环境中质量区和较低质量区主要分布于甘肃省和宁夏回族自治区大部分区域、山西省和陕西省北部等经济和工业较发达区域，但随着政策对生态环境的要求提升，例如2010年以前的退耕还林还草制度和2010年后的国家生态补偿制度以及生态保护和高质量发展战略，其比重有所下降。生态环境低质量区从2000—2020年增长3 158.6 km2，主要分布在城市发展水平较高的区域，集中连片分布明显，如各省省会附近和以山东半岛城市群、中原城市群、关中平原城市群、晋中城市群、呼包鄂榆城市群、宁夏沿黄城市群、兰西城市群为主的黄河流域城市群，其主要土地利用类型为农业、工矿生产用地和城镇生活用地，这些用地挤压了绿色生态用地，密集的人口和仍以工业为先导的产业结构导致土地利用强度超过了生态利用承载力。
2.4 黄河流域土地利用转型对生态环境的贡献指数在黄河流域2000，2010和2020年3个时期土地利用类型生态环境质量指数中(表 5)，牧草生态用地对黄河流域生态环境质量贡献率均为最高，占比67%左右，其次为林地生态用地和农业生产用地，林地生态用地对区域生态环境质量的贡献随时间推移而递增，农业生产用地则相反，其生态环境质量指数从2000年的0.054 1减小到2020年的0.051 8，贡献率从12.03%减小到11.35%。水域生态用地、城镇和乡村生活用地对区域生态环境质量的贡献较小，但呈现上升趋势。
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表 5 黄河流域2000-2020年土地利用类型环境质量指数和贡献率 |
生态环境质量往往存在着改善和恶化两种相反的发展趋势，这两种趋势一定程度上会相互抵消，使生态环境质量总体上维持相对稳定，但生态环境质量指数的稳定并不代表生态环境未改变[32-33]。
据公式(3)计算得出影响黄河流域生态环境质量的主要用地变化类型及贡献率(表 6)。2000—2010年农业生产用地转型为林地和牧草生态用地，其他生态用地转型为农业生产用地、牧草生态用地，以及水域生态用地、林地生态用地转型为牧草生态用地是黄河流域生态环境质量改善的主要原因，这6种用地转型对黄河流域生态环境质量改善的贡献率达96.75%。牧草生态用地的减少，城镇和乡村生活用地对农业生产用地的占用则是黄河流域生态环境质量恶化的主要原因，前6种导致黄河流域生态环境质量恶化的用地转型贡献率达90.4%。
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表 6 黄河流域2000-2020年影响生态环境质量的主要土地利用转型类型及贡献率 |
2010—2020年的用地转型导致生态环境质量改善的前6种用地转型类型贡献率上升为97.69%，导致生态环境质量恶化的前6种用地转型类型贡献率上升为90.99%，其中，随着时间的推移，其他生态用地转为牧草生态用地成为黄河流域环境质量改善的主导因素，贡献率占比排名第一。农业生产用地对牧草生产用地的占用对环境质量的负作用开始凸显，贡献率占比逐步提高，至2020年达到31.66%。总体而言，黄河流域20 a间生态环境存在改善和恶化两种趋势，恶化的趋势小于改善的趋势，但改善力度仍需加强。
3 讨论与结论(1) 2000—2020年黄河流域“三生”空间土地利用结构转型整体呈现生产用地面积减少，生态用地面积相对稳定，生活用地面积不断增加的格局。从二级地类角度分析，农业生产用地和其他生态用地面积大幅减少，牧草生态用地、工矿生产用地和城镇、乡村生活用地面积增长较快，其中城镇生活用地增幅最大，年均增长5%。
(2) 2000—2020年黄河流域生态环境质量指数分别为0.450 2，0.450 5和0.456 7，整体上黄河流域生态环境质量指数稳定，呈上升趋势。2000—2020年高质量区面积比重保持在28.7%，构成了黄河流域土地利用环境状况的主体；较高质量区面积急速增长，比重增加8.7%；中质量区和较低质量区面积减少，比重分别下降7.7%和2.2%；低质量区面积稳定。
(3) 2000—2020年黄河流域生态环境质量指数在空间分布上有明显的差异性，整体呈现由东南向北部递增趋势。黄河流域生态环境高质量区和较高质量区主要位于青海南部三江源草原草甸湿地生态屏障区、内蒙古的一系列草原区及农业区；生态环境中质量区和较低质量区广泛分布于经济和工业较发达区域，但比重有所下降；生态环境低质量区范围相对稳定，主要分布在城市发展水平较高的区域，集中连片分布明显。
(4) 2000—2020年黄河流域土地利用类型生态环境质量指数中，牧草生态用地对黄河流域生态环境质量贡献率最高，其次为林地生态用地和农业生产用地，水域生态用地、城镇和乡村生活用地对区域生态环境质量的贡献较小，但呈现上升趋势。黄河流域20 a间生态环境存在改善和恶化两种趋势，恶化的趋势小于改善的趋势，农业生产用地和其他生态用地转为牧草生态用地是生态环境改善的主导因素，城镇和乡村生活用地对农业生产用地的占用是生态环境恶化的主导因素，农业生产用地对牧草生产用地的占用对环境质量的负作用开始凸显。
黄河流域是中华民族的“母亲河”，其生态环境安危事关国家盛衰和民族复兴，对于目前出现的城乡生活用地和工矿生产用地对农业生产用地的占用以及各市生态环境质量差异明显等问题，黄河流域应合理规划“三生用地”空间，并适当利用生态补偿机制引导退耕还林还草政策；各地级市也要依据自身的资源条件、产业发展水平、主体功能区定位等规划好对自身的土地利用方案，促进“三生用地”的合理布局，优化国土资源空间配置，落实黄河流域生态保护和高质量发展国家重大战略战略。
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