周吉星，张前进

（天津城建大学 地质与测绘学院，天津 300384）

土地利用转型是指在经济社会变化和革新的驱动下，土地利用形态在一段时间内由一种形态向另一种形态转变的过程[1].随着城镇化进程的加快、社会经济的快速发展及人口的不断增长，人类对土地资源开发利用程度逐步提升，人地矛盾以及用地转型给生态环境带来的正负效应差异等[2-4]状况日益加剧.十八大以来，“生产空间集约高效、生活空间宜居适度、生态空间山清水秀”的理念不断强化. 在此背景下分析特定区域土地利用转型及生态环境效应，对统筹城乡发展和优化空间布局具有重要的现实意义.

目前相关研究选择长江三角洲核心区[5]、广东省[6]、重庆北碚区[7]、昌黎县[8]等为研究区，并从“三生空间”视角进行土地利用主导功能的分类，分析其土地利用转型特征及生态环境效应.从研究区域的特点来看，主要集中于城市群和单个区、县，而对单体城市的土地利用转型特点和生态环境变化规律的研究则相对缺乏.天津作为北方第二发达的城市，在京津冀一体化发展中占有重要的地位.本文以天津市为例，基于“三生空间”视角定量研究2000—2018 年间天津市土地利用转型特征及其与生态环境响应关系，分析天津市19 a 间土地利用变化规律以及变化所带来的环境影响，为天津市进一步完善国土空间整体布局奠定一定的理论基础.

1 研究区概况

天津市坐落于 116°43′E~118°04′E，38°34′N~40°15′N，全市共有 16 个辖区（见图 1）.天津主要有平原、山地、滩涂、丘陵等地貌，其中以平原为主，约占93%.其海拔由北向南逐渐变低.截至2018 年末，全市常住人口1 559.60 万人，人口城市化率为83.15%，人口总量处于基本稳定的状态. 2018 年全市GDP 增速为3.6%，总规模达到1.88 万亿元.

图1 天津市各区分布图

2 数据来源与研究方法

2.1 数据来源

研究数据来自美国地质勘探局（USGS）提供的landsat 影像（2000 年、2010 年和 2018 年），之后采用人机交互方式在ArcGIS 10.5 中进行解译，根据《土地利用现状分类》GB/T21010—2017 得到研究区三期土地利用数据.最后在ArcGIS 10.5 随机选取300 个点进行精度验证，三期数据解译精度达到85%以上，基本满足数据精度要求.

本文基于“三生空间”视角，结合实际情况并参照杨清可等[5]对于“三生空间”土地利用主导功能的分类方案，将天津市遥感数据按照土地利用二级分类系统进行分类的25 个二级地类划分为生产、生态、生活3个一级用地类型，农业和工矿生产用地，林地、牧草、水域和其他生态用地，城镇和农村生活用地等8 个二级地类（见表1）.同时根据李晓文[9]，杨述河等[10]研究，并考虑到天津市的实际状况，本文采用面积加权法确定了二级地类的生态环境质量指数.

表1 土地利用主导功能分类及生态环境质量指数

2.2 研究方法

2.2.1 土地利用转移矩阵

土地利用转移矩阵可以计算出不同土地利用类型在一段时期内互相转换的情况，也可得到它们之间的转换速率. 利用其分析土地利用转型，可以清楚地得到土地利用分布的变化规律及特征，其数学表达式为[5]

式中：Sij是i 地类转换为j 地类的面积；i 是转换前地类；j 是转换后地类；n 是研究区的地类总数.

2.2.2 区域生态环境质量指数

区域生态环境质量指数（EV）是某一时期某一区域中所有土地利用类型的面积与各自生态环境质量指数的加权计算总和与区域总面积的比值，该值表示区域生态环境质量的综合状况，其表达式为[11]

式中：EVt是区域整体生态环境质量指数；LUi为区域内t 时期第i 种地类面积；Ci是第i 种土地利用类型的生态环境指数（见表1）；TA 是所研究区域面积总和；n 是区域地类个数.

2.2.3 土地利用转型的生态贡献率

土地利用转型的生态贡献率是某种土地利用类型在研究初期与末期的生态环境质量指数的变化对区域整体生态环境质量的影响情况，其表达式为[11-12]

式中：CLEI 是土地利用转型对区域整体环境质量变化的生态贡献率；LE1，LE0分别是某种地类转型在研究开始和结束时对应的生态质量指数；LA 是此地类转型的面积；TA 是区域面积总和.

3 结果与分析

3.1 土地利用变化分析

天津市土地利用类型以农业生产用地、水域生态用地为主（见表2 和图2），它们在2000 年所占比重最大，分别为55.6%、22.5%.由表2 及图2 可看出：①2000—2018 年的一级地类变化明显，主要体现在生活用地从2000 年的1 366.4 km2增加到2018 年的2 349.3 km2，年均增长3.1%；生态用地由2000 年的3 657.2 km2减少为2018 年的2 650.0 km2，生产用地在此期间总量变化较小，基本维持在6 660 km2.②从2000 到2018 年的二级地类变化来看，天津市土地利用结构发生了显著变化.农业生产用地、水域、林地和牧草生态用地等用地面积持续减少；城镇和农村生活用地及工矿生产用地等区域逐渐扩大；其他生态用地先减少再增加.其中水域生态用地和农业生产用地减少量较大，分别减少896.6 km2和579.9 km2；工矿生产用地、城镇和农村生活用地分别增加604.2，602.1，380.8 km2.这说明天津市城镇生活用地需求随着城镇化水平的提升而增加，人地之间的供需矛盾加剧.③从土地利用结构转换来看，天津市农业生产用地占据最宽广的区域，其次是水域生态用地.农业生产用地更多地聚集在平原区域，水域生态用地主要分布在滨海新区，其他主要散落在蓟州区的东部、静海区的东北部以及武清区的东北部等区域.2018 年农业生产用地和水域生态用地面积分别为5 919.1，1 738.7 km2，占总面积的50.7%和14.9%.2018 年其他生态用地面积为286.9 km2，所占比重较小，与2000 和2010 年相比面积增加明显，其主要原因是水库暂时性水源不足形成沼泽地，待到水源补足，将变回水域生态用地.总体上看，天津市可供开发利用的后备土地资源不足.

表2 2000—2018 年天津市各地类面积及其变化 km2

3.2 土地利用转型分析

为了更好地表示天津市土地利用类型的转型特征，本文以图2 为基础，运用ArcGIS 软件中的功能对不同时期的土地利用图进行叠加分析，得到3 个时期土地利用功能类型的转移矩阵，从而确定了土地利用功能类型相互转化的方向和数量（见表3 和表4）.具体特征如下：

表3 2000—2010 年天津市土地利用变化转移矩阵 km2

表4 2010—2018 年天津市土地利用变化转移矩阵 km2

图2 天津市2000 年、2010 年、2018 年土地利用变化

（1）2000—2010 年，土地利用类型的变化特点是农业生产和水域生态用地面积减少，城镇生活用地增加.在生产用地方面，农业生产用地更多地向农村和城镇生活用地转化，转移面积分别353.8 km2和248.4 km2；与之相比工矿生产用地增幅较小，其转入量中农业生产和水域生态用地占有较大比重，所占比例为32.9%和24.5%.在生态用地方面，水域、林地和牧草生态用地均有不同程度地减少，其中水域生态用地减少面积最大，农业生产用地是它们共同的主要去向，转移面积分别为 285.3，80.5，57.8 km2；其他生态用地整体变化不大，其减少量主要转移方向是工矿生产和城镇生活用地，转移比例分别为46.0%和31.5%.在生活用地方面，农业生产和水域生态用地占有城镇生活用地增加量的较大比重，分别占23.9%和10.7%；农村生活用地与之相比增幅较小，农业生产用地是主要增加来源，比例是35.6%.

（2）2010—2018 年，土地利用类型的变化特点是农业生产和水域生态用地变少，工矿生产用地、城镇和农村生活用地变多，地类之间转移节奏减缓，土地利用功能结构逐渐稳定.在生产用地方面，农业生产用地相对2000—2010 年转移幅度略大，农村生活和工矿生产用地在其转出量中占有较大比重，所占比例为4.9%和3.6%；工矿生产用地相比2000—2010 年增加幅度变大，在其转入量中农业生产用地所占比重最大，比例为30.1%.在生态用地方面，林地和水域生态用地减少，农业生产用地在它们转出量中均占有较大比重，所占比例分别为24.4%和8.9%；牧草生态用地也略有减少，其主要减少量来自城镇生活用地，转移面积为61.8 km2；其他生态用地增加，主要转入来源是水域生态面积，转移面积为261.8 km2.在生活用地方面，与2000—2010 年相比城镇生活用地面积增加量变小，农业生产用地、水域和牧草生态用地在其转入量中占有较大比重，转移比例分别为12.0%，7.3%和5.5%；农村生活用地的增加量来源于农业生产用地，转移比例为25.3%.这表明在城镇化进程中，城镇人口的增加对土地资源产生了巨大压力.

总体上看，天津市2000—2018 年土地利用变化特点是生活及生产用地增加而生态用地减少，在此期间各二级土地类型之前的转移方向以城镇、农村生活用地的扩张以及工矿生产用地的发展为主.

3.3 土地利用转型的生态环境效益分析

3.3.1 天津市生态环境质量综合变化

通过公式（2） 得到天津市 2000 年、2010 年和2018 年的综合生态环境质量指数，其值分别是0.354，0.334，0.309，年均下降率为0.75%.从这个结果显示：2000—2018 年天津市总体生态环境质量呈现缓慢下降趋势.主要原因是生态环境质量贡献高的生态用地较多地被生态环境质量贡献低的生产用地和生活用地所侵占，用地转型导致的生态环境正负效应在研究区域范围内无法抵消，从而导致天津市总体生态环境质量趋于下降.为了进一步分析天津市各区在研究期间的生态环境质量变化特征，本文以区为基本单元，得到 2000 年、2010 年、2018 年 3 个时期的生态环境质量图（见图3）.从图3 可以看出，天津市各区生态环境质量差异明显，其中宁河区、西青区、津南区、东丽区、北辰区以及滨海新区在研究期间生态环境质量出现下降的趋势，天津其余各区在研究期间较为稳定.此外还可以看出在2000—2010 年各区生态环境质量下降显著，2010—2018 年生态环境质量趋于稳定.

图3 天津市生态环境质量演变的空间分布

3.3.2 天津市各功能用地转型对生态环境影响的贡献度

根据天津市2000—2018 年土地利用变化特征，依据式（3）计算得到天津市2000—2010 年、2010—2018年两个阶段各土地利用功能转型对天津市生态环境影响的贡献率（见表5）.从整体上看生态环境正效应主要是来自各种用地类型转换为生态用地，生态环境负效应主要是生态用地转换为生产和生活用地，由此表明生态用地的面积增减是影响生态环境正负效应的主要原因.

表5 生态环境改善和恶化的主要用地功能转型指数变化及贡献率

2000—2010 年，在促进天津市生态环境正效应的用地转型中，农业生产用地转换成水域、林地和牧草生态用地占有较大的比重，它们的生态贡献率占比分别为25.75%，17.42%，16.56%. 然而致使生态环境负效应的用地转型较多，其中水域和林地生态用地转化成农业生产用地所占比重较大，它们的生态贡献率占比分别为24.41%，13.19%；水域生态用地转换成城镇生活和工矿生产用地所占比重较少，其生态贡献率占比分别为11.19%，8.93%.

2010—2018 年促进天津市生态环境正效应的用地转型中，农业生产用地转换成林地、水域和牧草生态用地等用地转型所占比重较大，它们的生态贡献率占比分别为13.45%，28.64%，20.88%. 在促使天津市生态环境负效应的用地转型中，所占比重较大的用地转型是水域生态用地转化为其他生态用地、林地生态用地转型为农业生产用地，它们的生态贡献率占比分别为18.44%，17.25%；水域生态用地转型为农业和工矿生产用地所占比重较小，它们的生态贡献率占比分别为12.45%，11.99%.

从整体上看，2000—2018 年期间天津市一直存有生态环境正、负效应两种趋势，其中生态环境正效应趋势明显弱于负效应，因此生态环境质量指数表现出减少的状况，但是整个区域总体生态环境质量指数较为稳定.值得注意的是生态用地中水域生态用地是影响生态环境质量变化最大的用地类型，水域生态用地的修复和保护在天津市的生态环境质量的稳定和提升方面占有重要的地位.

4 结 论

（1）按照土地利用主导功能转型的一级地类来看，2000—2018 年天津市土地利用变化特点是生活用地增加、生态用地减少、生产用地相对稳定.从二级地类的角度出发，2000—2018 年期间水域生态用地减少量最多，其次是农业生产用地、林地生态用地.工矿生产用地、牧草和其他生态用地、城镇和农村生活用地均有增加，其中工矿生产用地增幅最为明显.

（2）2000—2018 年天津市生态环境质量指数呈现一定的下降趋势，由2000 年的0.354 下降到2018 年的0.309.天津市各区生态环境质量指数空间差异明显，其中宁河、西青、津南、东丽、北辰以及滨海新区在2000—2018 年间生态环境质量下降趋势明显，其余各区较为稳定.

（3）2000—2018 年天津市一直存在着生态环境正、负效应两种变化趋势，生态环境负效应趋势大于正效应趋势，致使生态环境恶化程度逐渐变大.研究期间农业生产用地转换成林地、牧草和水域生态用地在促进生态环境正效应趋势中占有较大比重；水域生态用地转换成生产和生活用地是致使生态环境负效应的重要因素.

针对天津市土地利用出现的生产和生活用地对生态用地的占用、整体生态环境指数的降低、不同区域生态环境质量存有明显差异等状况，建议天津市政府通过对主体功能区的功能定位来制约空间规划、用途用量，统筹人口分布、土地利用、环境保护等，构造生产、生态、生活等用地之间相互协调的空间布局；落实2018 年天津市政府发布的生态保护红线的同时，严格控制国土开发强度，明确禁止开发区域、生态涵养发展区域；严格执行生态环境保护制度，坚持保护优先、自然恢复为主，不同区依据自身状况进行山水林田湖的生态保护和修复工程，全面提升自然生态系统稳定性和生态服务功能.