吴碧兰，向冬蕾，陈运春

（1.云南农业大学，a.资源与环境学院；b.国土资源科学技术工程研究中心；c.水利学院，昆明 650201；2.云南省国土资源规划设计研究院，昆明 650216）

土地是一个综合的功能整体［1］，土地利用的可持续性也是其功能目标。一个健康的土地系统不仅具有结构上的完整性，还必须实现功能上的连续性，其中功能优化为核心和最终目标。土地功能指土地利用系统和特定景观尺度上的生态系统所能提供的资产和服务［2，3］，包括生态、生产和生活3种不同类型功能，是自然和社会经济耦合发展的产物。任何人类生存的国土空间都具有生产、生活和生态功能。“三生空间”（生产、生活和生态空间）是从使用功能出发，反映不同人类活动在空间上的体现，其功能属性大过空间属性。同时“三生”功能具备尺度依赖性、功能复合性、时序演变性等特征，不同尺度“三生”功能并存，主次地位有异，并体现出一定的时空分布特征［4-6］。地域实体不具有重叠性，但位于地域实体上的“三生”功能存在一定的重叠。土地利用“三生”功能分类体系可有效衔接国土“三生”空间规划和区域转型发展战略制定，已成为国土空间开发格局和综合效益研究的新视角［7］。

乡村空间是由生产空间、生活空间以及生态空间所构成的［8］。乡村空间的特征之一是功能差异［9］，而功能变化体现着乡村空间的土地利用形态，可表达乡村多元发展主体需求与乡村空间的满足程度。乡村空间功能是指在乡村地域内，其内部构成要素和外部环境对人类生产、生活等活动互相作用形成的具有一定影响的特性或能力［10］。随着乡村经济发展和土地利用结构调整，乡村空间功能的多样化和复合性特征日益突出。参考乡村空间多功能已有相关研究［5，9，11］，结合“三生空间”理论，可将乡村空间功能识别为生产功能、生活功能、生态功能，而乡村“三生功能”之间的复杂关系对乡村空间的发展布局有着重要的影响［5，12］。

1 研究区概况与数据来源

1.1 研究区概况

禄劝彝族苗族自治县（简称禄劝县）位于滇中高原北部，是云南省昆明市的郊区县，具体位置见图1。地处东经102°13′—102°57′、北纬25°25′—26°22′，属横断山纵谷区东部边缘地域，位于金沙江南岸和普渡河下游地带。禄劝县版图呈梨叶状，东西窄，南北长，东西长96 km，南北长105 km。该县下辖3镇13乡，分别为屏山镇、撒营盘镇、转龙镇、茂山乡、翠华乡、团结乡、中屏乡、皎平渡乡、乌东德乡、九龙乡、云龙乡、汤郎乡、马鹿塘乡、则黑乡、乌蒙乡、雪山乡。县内地势东北高、西南低，地势高低悬殊大，属北亚热带季风气候，由于山高谷深，立体气候明显。该地处金沙江水系，除金沙江外，有431条流经河流，其中径流面积大于50 km2的有22条河流。同时土壤类型多样，植被、矿产资源丰富。

图1 禄劝县区位及行政村界

1.2 数据来源

土地利用现状数据来自2017年年度变更调查数据库；数字高程模型（DEM）数据来自NASA公布的SRTMDEM数据集；社会经济数据来自禄劝县2018年度统计年鉴和禄劝县2017年国民经济和社会发展统计公报；土壤数据来自HWSD世界土壤数据库中国区数据，数据源为中国科学院南京土壤研究所提供的1∶100万土壤数据；气象数据来自中国气象数据网。

2 研究方法

2.1 “三生空间”分类体系构建

2.1.1 分类原则

1）突出土地的多功能性。土地是生产功能、生活功能和生态功能相互关联和统一的整体［13］，不同的利用方式、强度和相关的使用者可使土地表现出上述3种功能的主次和高低［14，15］，即分类时既要考虑土地的主导功能，又要考虑其次要功能。

2）与现行国家土地利用分类标准相结合。土地的生产和生活功能分类与《GB/T 21010—2017，土地利用现状分类》结合，将土地利用类型能提供生产产品和生活服务功能的用地分别划分为生产用地和生活用地。

3）明确生态功能的基础作用，构建土地生产、生活、生态功能并重的分类体系。现行的土地分类系统对土地生态功能考虑不足，亟需构建一个生态、生产、生活功能并重的分类体系。本研究主要考虑生态的调节功能，结合云南省生态安全格局作用，选取土地提供的土壤保持服务、水源供给服务、生物多样性保护服务和气候调节4种生态服务来对生态功能进行量化测算。

2.1.2 分类方法 现行的土地利用分类国家标准是以生产、生活为主导进行的分类，对生态功能的考虑稍有不足，而生态功能是生产、生活的基础，须强调其重要基础作用。本研究通过对土地能提供产品和服务角度对“三生空间”的分类方法进行了探讨，形成的分类体系见表1。

表1 乡村“三生空间”分类体系

2.2 “三生空间”分类评价体系构建

“三生空间”是通过土地的主导功能划分的，但其具有功能复合性、尺度差异性等特征，不同空间尺度和区域功能研究视角下有不同的分类结果，即一次性绝对的空间划定是不合理的［16］。本研究引入了目前对生态系统服务量测算较为广泛的InVEST模型，定量测算土地的生态功能。并结合云南省的实际情况，运用层次分析法，结合专家意见确定4种生态系统服务权重得分，得到土地的生态功能分布情况。同时与《GB1T 21010—2017，土地利用现状分类》衔接，进行土地生产功能及生活功能的量化评价，参考刘继来等［17］、李广东等［2］、刘玉等［18］对土地利用多功能性的研究成果，结合研究区实际用地现状及用地习惯，将生产功能分为生产主导功能、生产辅助功能、生产次级功能、非生产功能4级（生活功能亦同），对其分级分别赋值10、6、2、0，以此来定量识别乡村“三生空间”功能。本研究所定义的主导功能、辅助功能和次级功能都是根据土地利用方式所能提供的产品和服务的相对差异而确定。其中，对生产、生活、生态功能的评价标准如表2所示。

表2 乡村“三生空间”评价体系

2.3 生态功能的测算

2.3.1 土壤保持功能InVEST土壤保持模块认为土壤侵蚀减少量与持留量的差值即为土壤保持量。基于通用的土壤流失方程（USLE）对土壤侵蚀量进行估算，具体公式如下。

式中，A是流域内任意栅格x的实际土壤侵蚀量；Ap和Ac分别为流域内任意栅格x的潜在土壤侵蚀量和土壤保持量；Rx、Kx、Cx、Px分别为栅格的降雨侵蚀力、土壤可蚀性、地表覆盖管理因子和土壤保持管理因子；Lx、Sx分别为坡长和坡度因子。

1）降雨侵蚀力因子（R）。选择Wischmeier等［19］月尺度计算公式来进行计算。

式中，P为年平均降水量；Pi为月降水量。根据研究区及外围气象站数据，采用反距离权重（IDW）插值方法获得研究区年降雨侵蚀力栅格图。

2）土壤可侵蚀性因子（K）。采用Wischmeier等［19］提出的EPIC模型计算，利用土壤性质中的颗粒组成和有机碳数据，同时结合研究区内1∶100万土壤属性数据库，运用IDW插值得到研究区土壤可侵蚀性因子的空间分布图，具体公式如下。

式中，K为土壤可蚀性；SAN、SIL、CLA分别为沙粒、粉粒以及黏粒的含量；C为有机碳含量（%）。

3）生物物理属性。生物物理属性包括植被覆盖和管理因子（C）和土壤保持措施因子（P）。植被覆盖和管理因子指某一类特定作物或植被被实施了植被管理措施后，其覆盖下土壤流失量与未实施管理措施时的土壤流失量的比值，比值在0～1，当C接近0时，表示地面植被覆盖良好。土壤保持措施因子指采取了水土保持措施后的土壤流失量与不采取任何措施时的土壤流失量的比值，比值在0～1，0表示采取了比较好的工程措施，土壤侵蚀量非常少或几乎没有被侵蚀；1表示未采用任何措施，土壤侵蚀严重或全部被侵蚀。基于研究区的实际情况，参考已有的研究成果［20］和InVEST模型手册对各个物理量进行设置。

4）其他设置。累计汇流量是通过确定DEM的流向以及最小汇水面积生成研究区河网数据进行计算，最小汇水面积的阈值越大，生成的子流域就越少，并与研究区实际水系进行比较，多次重复试验，找到误差较小的值。其他参数主要参照InVEST模型默认值设置。

2.3.2 水源供给功能 以InVEST模型中的产水量模块测算结果表征水源供给功能，具体计算公式如下。

式中，Yx为栅格单元x的年产水量；AETx为栅格单元x的实际的蒸散量；Px为栅格单元x的年均降水量。

式中，PETx为栅格单元x的潜在蒸散量；ET0x为参考作物蒸散量；Kcx为参考作物蒸散系数；AWCx为植被有效利用水含量，表示土壤为植被生产所储存和释放的水量；wx为自然气候-土壤性质的非物理参数；Z为Zhang系数，maxSoilDepthx为最大的土壤深度，RootDepthx为根系深度，PAWCx为栅格单元x的植物有效水储量。

1）降水量图层。利用土壤保持模块所需气象站点数据，通过克里金插值得到研究区的年均降水量空间分布图。

2）潜在蒸散发图层。潜在蒸散量用Hamon公式［21］来计算。

式中，EThamon为潜在蒸散量；d为每月日数；D为按年计算平均每月日照时数（以12 h为单位）；Wt为饱和水汽密度；T为月均温。每个栅格单元按月计算所得潜在蒸散量，再加和转换为研究时段内年均潜在蒸散发量。根据研究区气象站点的气温数据，运用克里金插值方法可得研究区年潜在蒸散量。

3）土壤深度图层。选取中国1∶100万土壤属性数据库中土壤深度数据样点，运用克里金插值方法得到研究区的土壤深度栅格图层。

4）植物可利用水图层。植被可利用含水量（PAWC）由土壤的机械组成和植被根系的深度决定，据土壤质地，利用周文佐的经验公式［22］计算得出，计算公式如下。

式中，sand为土壤沙粒含量；silt为土壤粉粒含量；clay为土壤黏粒含量；OM为土壤有机质含量。计算后的结果通过克里金插值得到研究区植物可利用水分布图。

5）研究区流域图层。使用行政边界代替流域边界。

6）生物物理系数。其包括土地利用类型、地类代码、蒸散系数、植物根系深度、属性类别5个参数，其中，蒸散系数为无量纲，植物根系深度单位为mm。各参数主要根据联合国粮农组织（FAO）出版的《作物蒸散量-作物需水量计算指南》、InVEST3.2.0模型用户指南以及参考前人的相关研究结果［20，23，24］和研究区实际情况设置。

7）Zhang系数。Zhang系数是表示区域降水量的特征参数，体现降水的季节性分布特征，取值在0～1，重复试验找到与研究区实际水量较接近的值。

2.3.3 气候调节功能 生态系统通过吸收CO2等气体来调节全球的气候，而碳储量和碳密度是可以体现碳存储能力的指标［25］。本研究以InVEST模型中的碳储量模块测算结果表征气候调节功能。具体公式如下。

式中，Ctot为总碳储量；Cabove为地上生物碳储量；Cbelow为地下生物碳储量，Csoil为土壤碳储量；Cdead为枯落物碳储量。

2.3.4 生物多样性保护功能 以In VEST模型中的生境质量模块测算结果表征生物多样性的功能。生境质量模块基于通过分析人为活动或自然灾害等生态威胁因子对区域景观水平下土地利用与土地覆盖斑块的影响程度，评价不同用地格局下的生境状况（Qxj）［26］。其计算公式如下。

式中，Hj为生境类型j的生境适合性；Dxj为生境类型j在栅格x处的生境退化度；Z为2.5，是模型的默认参数；K为半饱和常数，等于最大退化度的1/2。

式中，R为所有的胁迫因子数量；r为生境的胁迫因子；y为胁迫源r中的单个栅格；Yr为栅格图r中总的栅格数量；Wr为胁迫影响的权重；ry用于判断胁迫因子r的来源地；irxy为胁迫源栅格r在y处对生境类型在x处的影响程度；βx为到栅格x处的可达性水平；Sjr为生境类型j对于胁迫源r的敏感程度，取值为［0-1］。模型中提供了线型和指数型两种距离衰变函数来表述某胁迫因子随距离衰变的方式，具体公式如下。

式中，dxy为x与y的距离；drmax为胁迫源r的最大影响范围。

1）威胁因子文件夹包括对研究区选取的各威胁因子栅格图，威胁因子的选取主要通过综合前人的研究成果和研究区的实际情况。利用土地利用数据提取威胁因子，威胁因子图层赋值为1，非威胁因子图层赋值为0。

2）生境威胁源属性包括最大影响距离、权重、威胁因子、衰退函数类别4项内容，参考InVEST模型手册和相关文献［20，27，28］对其威胁因子赋值。

3）生境威胁源因子敏感性。各土地利用类型对威胁因子具有不同的敏感度［29］。InVEST模型中敏感性为［0-1］，值越大则敏感度越大。参考InVEST模型手册和相关文献［19，27，28］对各地类生境适宜度及不同威胁因子的敏感度赋值。

2.3.5 生态功能的确定 运用层次分析法结合专家意见，同时云南省位于中国生态安全战略格局的黄土高原-川滇生态屏障部分，在yaahp10.0软件上将土壤保持功能、水源供给功能、气候调节功能、生物多样性保护功能按照生态功能的相对重要性，构建层次结构模型并设置判断矩阵，得到土壤保持功能、水源供给功能、气候调节功能、生物多样性功能的权重分别为0.467 3、0.277 2、0.095 4、0.160 1，并通过加权总和得研究区的生态功能分布。

3 结果与分析

3.1 生产空间

将生产功能分为生产主导功能、生产辅助功能、生产次级功能、非生产功能4级，并分别赋值10、6、2、0，以此衡量乡村生产空间发展的差异，并进行可视化表达，结果见表3、图2。从图2可以看出，禄劝县生产功能较低，生产空间格局较小，主要分布在县城区域和各个相对发展的乡镇，南部地区生产空间大于北部地区，东部地区大于西部地区。生产空间主要分布在屏山街道、茂山镇、团结镇、撒营盘镇、转龙镇。其中功能评分最高的地区为县人民政府所在的屏山街道，当地街道面积占地较广，并且人口众多，与昆明市区连接的高速公路充分带动了当地经济的发展。此外，评分较高的团结镇、茂山镇的特点在于有着连片成区的耕地，形成了密集型农业生产区域，从而提高了当地生产功能评分；位于东部地区的转龙镇评分较高的原因，一方面是当地耕地面积较多且地势平缓，另一方面转龙镇是前往轿子雪山的重要中转站，因此当地交通发达，其是有一定规模的城镇。

图2 禄劝县生产空间格局

表3 禄劝县生产、生活空间功能分类评价体系结果

3.2 生活空间

将生产功能分为生活主导功能、生活辅助功能、生活次级功能、非生活功能4级，并分别赋值10、6、2、0，以此衡量乡村生活空间适宜性的差异，并量化识别进行可视化表达，结果如表3、图3所示。从图3可以看出，禄劝县生活功能较低，生活空间格局较小，主要分布在县城区域，南部地区生活空间大于北部地区，东部地区大于西部地区。当地生活空间较高的地区为屏山街道、转龙镇、撒营盘镇。屏山街道、撒营盘镇两地存在建制镇、村庄，两地人口较多，屏山街道存在少量矿业用地。转龙镇毗邻轿子雪山，该雪山景区为当地带来了经济产品收入，有一定的生活空间。

图3 禄劝县生活空间格局

3.3 生态空间

结合InVEST模型定量测算土地的生态功能，以土壤保持模块、产水量模块、碳储量模块、生境质量模块运行结果量化土地的土壤保持、水源涵养、气候调节、生物多样性保持功能。并运用层次分析法，结合专家意见确定生态系统服务权重，得到土地的生态调节功能分布差异。结合相关经验，统一将所需的各栅格数据分辨率设置为90 m，以便有更好的制图表达效果。

3.3.1 土壤保持功能 参照现有的研究成果［20］和InVEST模型手册对生物物理属性进行设置，确定不同土地利用类型下的植被覆盖和管理因子（C）与土壤保持措施因子（P）（表4）。经InVEST模型对参数输入运行后得到禄劝县2017年的土壤保持功能情况（图4）。由图4可知，禄劝县土壤保持量较低，处于西南低于东北的状态。

表4 不同土地利用类型植被覆盖和管理因子（C）和土壤保持措施因子（P）

图4 禄劝县土壤保持功能分布

3.3.2 水源供给功能 参考前人的相关研究结果［20，23，24］和研究区实际情况设置生物物理系数，如表5所示，其中属性类别LULCveg为0和1分别表示有植被覆盖和无植被覆盖，Zparameter系数经调试后取3.8。经InVEST模型对参数输入运行后得到禄劝县2017年的产水量分布，即禄劝县水源供给功能分布（图5）。由图5可知，禄劝县水源供给能力东北地区高于西南地区。

图5 禄劝县水源供给功能分布

表5 禄劝县生物物理参数

3.3.3 气候调节功能 各土地利用类型对应4个碳库密度的取值参考孙兴齐［20］、林世伟［30］的研究结果设置（表6）。经InVEST模型对参数输入运行后得到禄劝县2017年的碳储量分布，即禄劝县气候调节功能分布（图6）。由图6可知，禄劝县整体气候调节功能较高，分布比较均匀。

图6 禄劝县气候调节功能分布

3.3.4 生物多样性保护功能 参考InVEST模型手册和相关文献［19，27，28］，对威胁因子属性和生境威胁源因子敏感性赋值，如表7、表8所示。经InVEST模型对参数输入运行后得到禄劝县2017年的生境质量分布，即禄劝县生物多样性保护功能分布（图7）。由图7可知，禄劝县生境质量较高，具有较强的生物多样性保护功能。

图7 禄劝县生物多样性保护功能分布

表7 威胁因子属性

表8 生境威胁源因子敏感性

3.3.5 生态空间确定 在Arcgis中对土壤保持功能、水源供给功能、气候调节功能值进行极差归一化，后将土壤保持功能、水源供给功能、气候调节功能、生物多样性保护功能分布图按照权重得分进行加权总和得到禄劝县生态功能分布图，即禄劝县生态空间格局（图8）。由图8可知，禄劝县生态功能较高，生态空间格局较大，西部地区的生态空间大于东部地区，北部地区大于南部地区。生态功能评分较高的地区有云龙水库、坝子地区。当地坝子主要呈南北分布，坝子周边土壤保持较好，碳固定较为优良，由于坡度较缓，林草地较为丰富，因此生物质量水平较高，生态功能较强；云龙水库水域面积较广且蓄水量巨大，因此物种丰富。水汽使周边气候变得湿润，提高了周边的生态质量。

图8 禄劝县生态空间格局

4 结论

本研究认为生产空间为能提供经济产出服务功能的乡村地域空间，生活空间为能为人类提供生活和居住及相关服务功能的乡村地域空间，生态空间为能够提供土壤保持、水源供给、气候调节、生物多样性保护服务功能的的乡村地域空间。以乡村地域多功能理论为指导，构建生产、生活、生态功能并重的空间分类体系，其中与《GB/T21010—2017，土地利用现状分类》结合，对土地利用类型的生产功能和生活功能分别进行生产主导功能、生产辅助功能、生产次级功能分级赋分，生态功能引入InVEST模型量化土地的土壤保持、水源供给、气候调节、生物多样性保护功能，据云南省的实际确定权重取值，以禄劝县为实例研究，确定了禄劝县“三生空间”分布现状。结果显示：①禄劝县生产功能较低，生产空间格局较小，主要分布在县城区域和各个相对发展的乡镇，南部地区生产空间大于北部地区，东部地区大于西部地区。②禄劝县生活功能同样较低，生活空间格局比生产空间更小，主要分布在县城等地区，生活空间呈东南高、西北低的趋势。③禄劝县生态功能较高，生态空间分布较广，尤其是西部地区生态功能最高。其中，土壤保持量较低，处于西南低于东北的形态；产水量东北地区高于西南地区；碳固定功能分布均匀，整体较高；生境质量整体较高。总的来说，禄劝县“三生空间”结构分异明显，呈生态空间＞生产空间＞生活空间的状态。