賁薛晨，余成

1.蘇州科技大學(xué)環(huán)境科學(xué)與工程學(xué)院

2.蘇州科技大學(xué)地理科學(xué)與測繪工程學(xué)院

土地利用變化是自然系統(tǒng)和社會(huì)系統(tǒng)在不同時(shí)間和空間尺度上相互作用的復(fù)雜過程[1]，是人類活動(dòng)對生態(tài)環(huán)境施加影響的主要表現(xiàn)形式[2]。土地利用轉(zhuǎn)型的表現(xiàn)之一是土地利用主導(dǎo)功能的轉(zhuǎn)型，即土地利用的生產(chǎn)、生活、生態(tài)（簡稱“三生”）三大主導(dǎo)功能間的轉(zhuǎn)化[3]。十八大報(bào)告提出“調(diào)整空間結(jié)構(gòu)、促進(jìn)生產(chǎn)空間集約高效、生活空間宜居適度、生態(tài)空間山清水秀”，標(biāo)志著我國國土空間開發(fā)格局由生產(chǎn)空間為主導(dǎo)轉(zhuǎn)向生產(chǎn)、生活、生態(tài)空間相協(xié)調(diào)的“三生”空間模式[4]。我國城市化快速發(fā)展階段對各類土地需求的多元化[5]，加劇了各類土地類型在時(shí)空上的變化，影響了人類賴以生存的自然環(huán)境[6]。土地利用轉(zhuǎn)型研究也成為深入了解人地關(guān)系，揭示社會(huì)經(jīng)濟(jì)發(fā)展問題及其生態(tài)效應(yīng)的關(guān)鍵切入點(diǎn)[7]。目前國內(nèi)外學(xué)者對土地利用變化產(chǎn)生的生態(tài)效應(yīng)做了大量研究，如李根明等[8]利用3S技術(shù)研究了豫北平原的土地利用轉(zhuǎn)型規(guī)律，并衡量了當(dāng)?shù)氐纳鷳B(tài)系統(tǒng)服務(wù)價(jià)值；李付杰等[9]基于遙感影像解譯探討了遼河保護(hù)區(qū)土地利用格局的時(shí)空變化特征及其生態(tài)效應(yīng)；Du等[10]基于遙感影像分析了快速城市化進(jìn)程中杭州市土地利用轉(zhuǎn)型的生態(tài)效應(yīng)。但目前的研究成果大多集中在土地利用轉(zhuǎn)型的時(shí)間和空間變化格局方面，而通過土地資源在“三生”功能之間進(jìn)行數(shù)量再分配和空間再配置的動(dòng)態(tài)過程來反映區(qū)域社會(huì)轉(zhuǎn)型特征的研究較為缺乏[11]。

蘇州位于長江三角洲的核心區(qū)域，處于高速城市化階段。近年來以蘇州市為研究區(qū)的土地利用變化及其產(chǎn)生的生態(tài)效應(yīng)主要集中在土地利用變化及其驅(qū)動(dòng)力分析[12]、土地利用的生態(tài)服務(wù)價(jià)值[13]、土地利用變化的生態(tài)連通性研究[14]等。筆者以蘇州市為例，基于“三生”用地的分類體系，利用1980—2018年土地利用數(shù)據(jù)，定量研究蘇州市基于“三生”用地的土地利用轉(zhuǎn)型特征及其生態(tài)效應(yīng)，揭示影響蘇州生態(tài)環(huán)境質(zhì)量變化的主要因素，以期為蘇州市的土地利用規(guī)劃及生態(tài)環(huán)境保護(hù)提供借鑒。

1 研究區(qū)概況與研究方法

1.1 研究區(qū)概況

蘇州市（30°47′N～32°02′N，119°55′E～121°20′E）位于長江三角洲中部，東臨上海，西傍太湖，北枕長江，南鄰湖州。地形以平原為主，全市地勢低平，一般高程為3.5～5.0 m。全市總面積為8 657.32 km2，下轄4個(gè)縣級(jí)市(常熟市、張家港市、昆山市、太倉市)，6個(gè)區(qū)（姑蘇區(qū)、吳中區(qū)、相城區(qū)、髙新區(qū)、虎丘區(qū)，吳江區(qū)）（圖1）。截至2019年末，蘇州市地區(qū)生產(chǎn)總值為19 235.80億元，居江蘇省第1位，常住人口為1 074.99萬人，城鎮(zhèn)化率達(dá)77%[15]，屬于高度城市化區(qū)域。

圖 1 蘇州市行政區(qū)劃Fig.1 Administrative divisions of Suzhou City

1.2 數(shù)據(jù)來源

蘇州市1980年、2000年、2010年、2018年4期土地利用數(shù)據(jù)來源于中國科學(xué)院資源環(huán)境科學(xué)與數(shù)據(jù)中心[16]。其原始數(shù)據(jù)包括耕地、林地、草地、水域、建設(shè)用地、未利用土地6種地類，借鑒孫善良等[4]的研究成果，通過整合原始數(shù)據(jù)，按照滿足人類的不同需求將原始地類劃分為生產(chǎn)用地、生活用地和生態(tài)用地，包括3個(gè)一級(jí)地類，8個(gè)二級(jí)地類和18個(gè)三級(jí)地類。同時(shí)借鑒李曉文等[17]的研究成果，結(jié)合研究區(qū)現(xiàn)狀，確定生態(tài)環(huán)境質(zhì)量賦值（表1）。

表 1 “三生”土地利用主導(dǎo)分類及生態(tài)環(huán)境質(zhì)量賦值Table 1 Dominant land use classification and ecological environment quality assignment of the PEL space

1.3 研究方法

1.3.1 土地利用轉(zhuǎn)移矩陣

土地利用轉(zhuǎn)移矩陣是描述研究區(qū)不同時(shí)段任意2期土地利用類型轉(zhuǎn)移方向和數(shù)量變化的方法[18]?；贏rcGIS軟件對不同時(shí)期土地利用類型圖進(jìn)行空間疊置運(yùn)算，利用Excel軟件的數(shù)據(jù)透視圖進(jìn)行處理，建立土地利用轉(zhuǎn)移矩陣，從而揭示引起土地利用變化的過程[19]。

1.3.2 生態(tài)環(huán)境質(zhì)量指數(shù)

生態(tài)環(huán)境質(zhì)量指數(shù)用于定量描述區(qū)域土地利用變化的生態(tài)效應(yīng)，評(píng)價(jià)區(qū)域生態(tài)環(huán)境質(zhì)量的總體狀況[20]，其計(jì)算公式為：

式中：EVt為研究區(qū)域t時(shí)期的生態(tài)環(huán)境質(zhì)量指數(shù)；LUi為第i種土地利用類型的面積，km2；Ci為第i種土地利用類型的生態(tài)質(zhì)量賦值；A為研究區(qū)總面積，km2；n為土地利用類型數(shù)量。

1.3.3 土地利用變化的生態(tài)貢獻(xiàn)率

土地利用變化的生態(tài)貢獻(xiàn)率用于表征土地利用變化造成的區(qū)域生態(tài)環(huán)境質(zhì)量的變化，其可較好地衡量生態(tài)環(huán)境質(zhì)量對土地利用類型轉(zhuǎn)變的效應(yīng)情況[21]，探究造成區(qū)域生態(tài)環(huán)境質(zhì)量變化的主導(dǎo)因素，其表達(dá)式為：

式中：LEI為土地利用轉(zhuǎn)變類型生態(tài)貢獻(xiàn)率，%；Vb和Va分別表示某種土地利用類型在變化末期和初期的生態(tài)環(huán)境質(zhì)量指數(shù)；LA為該土地利用類型轉(zhuǎn)變的面積，km2。

1.3.4 偏最小二乘回歸模型

1.3.4.1 偏最小二乘回歸法原理

偏最小二乘回歸法（PLS）具有主成分分析、典型相關(guān)分析和線性回歸等方法的特點(diǎn)，在成分提取時(shí)既考慮了自變量和因變量之間的線性關(guān)系，又選擇了對自變量、因變量解釋性最強(qiáng)的綜合變量，既保證了多重共線性的問題，又保證了模型的穩(wěn)定性[22-23]。

1.3.4.2 模型指標(biāo)的構(gòu)建

蘇州市的生態(tài)環(huán)境質(zhì)量主要受社會(huì)經(jīng)濟(jì)和政策等因素的影響，因此在綜合考慮各影響因素的基礎(chǔ)上，以生態(tài)環(huán)境質(zhì)量指數(shù)作為因變量Y，從人口〔年末戶籍總?cè)丝冢╔1）〕、經(jīng)濟(jì)〔地區(qū)生產(chǎn)總值（X2）、城鎮(zhèn)化率〔X3）〕、產(chǎn)業(yè)結(jié)構(gòu)〔第二產(chǎn)業(yè)比重（X4）〕、社會(huì)消費(fèi)〔社會(huì)消費(fèi)品零售總額（X5）〕、進(jìn)出口貿(mào)易〔進(jìn)口總額（X6）、出口總額（X7）〕、能源消費(fèi)結(jié)構(gòu)〔煤炭消費(fèi)比重（X8）〕6個(gè)角度選取8個(gè)影響因子作為自變量，用SIMCA-P軟件進(jìn)行PLS分析，數(shù)據(jù)來自1990年、1995年、2000年、2010年、2015年、2018年《蘇州統(tǒng)計(jì)年鑒》[15]。

2 結(jié)果與分析

2.1 土地利用轉(zhuǎn)型分析

1980—2018年蘇州市“三生”用地分布如圖2所示。由圖2可知，生產(chǎn)用地主要分布在蘇州市東部與西北部，生態(tài)用地主要分布在西南部和北部，生活用地主要分布在中部。從二級(jí)地類的空間分布來看，農(nóng)業(yè)生產(chǎn)用地分布最為廣泛，水域生態(tài)用地、城鎮(zhèn)生活用地和農(nóng)村生活用地其次，除西南部太湖區(qū)域外，農(nóng)業(yè)生產(chǎn)用地在各區(qū)（市）都有所分布。1980—2018年，蘇州市土地格局發(fā)生了顯著變化，農(nóng)業(yè)生產(chǎn)用地面積大幅減少，城鎮(zhèn)和農(nóng)村生活用地面積增長較快。

圖 2 蘇州市“三生用地”空間格局Fig.2 Spatial pattern of PEL land use in Suzhou City

2018年蘇州市水域生態(tài)用地和農(nóng)業(yè)生產(chǎn)用地面積分別為2 850.47和2 848.72 km2，分別占蘇州市總面積的33.88%和33.86%。蘇州河湖水網(wǎng)分布密集，水域生態(tài)用地占比較高，牧草生態(tài)用地、林地生態(tài)用地和其他生態(tài)用地占比較小，合計(jì)僅占總面積的3.16%。

由1980—2018年蘇州市各類用地面積及變化如表2所示。由表2可知，生產(chǎn)用地面積從1980年的 4 959.64 km2降至2018年的 2 892.87 km2；生態(tài)用地面積少量增加，2018年較1980年增加179.96 km2；生活用地面積迅速增加，從1980年的513.08 km2增至 2018年的 2 404.74 km2，增加1 891.66 km2。

表 2 1980—2018年蘇州市各類用地面積及變化Table 2 Area and change of each type of land use from 1980 to 2018 km2

由二級(jí)地類的結(jié)構(gòu)變化來看，1980—2018年蘇州市農(nóng)業(yè)生產(chǎn)用地面積大幅減少（減少了2 101.16km2），城鎮(zhèn)和農(nóng)村生活用地面積則不斷增加, 其中城鎮(zhèn)生活用地面積增幅最大，由1980年的185.87 km2增至2018年的1 718.35 km2，增加了1 532.48 km2。水域生態(tài)用地和牧草生態(tài)用地的面積有少量增加，分別增加145.65和54.21 km2?？梢姡诳焖俪鞘谢尘跋?，蘇州市城鎮(zhèn)生活用地需求增加，土地供需矛盾進(jìn)一步加劇。

2.2 土地利用轉(zhuǎn)型模式

為了更直觀地分析蘇州市土地利用轉(zhuǎn)型特征，利用軟件的空間疊加分析，按照蘇州市“三生”用地主導(dǎo)分類，建立蘇州1980—2000年和2000—2018年2個(gè)時(shí)期的土地利用轉(zhuǎn)移矩陣如表3、表4所示。由表3可知，1980—2000年蘇州市土地利用轉(zhuǎn)型主要表現(xiàn)為城鎮(zhèn)和農(nóng)村生活用地、水域生態(tài)用地面積的增加，農(nóng)業(yè)生產(chǎn)用地、林地和牧草地生態(tài)用地面積的減少。農(nóng)業(yè)生產(chǎn)用地主要轉(zhuǎn)化為城鎮(zhèn)生活用地、農(nóng)村生活用地、水域生態(tài)用地，轉(zhuǎn)移面積分別為268.7、278.96和191.45 km2。牧草地生態(tài)用地主要轉(zhuǎn)化為水域生態(tài)用地，轉(zhuǎn)移面積為9.44 km2。水域生態(tài)用地也有部分轉(zhuǎn)化為農(nóng)業(yè)生產(chǎn)用地，轉(zhuǎn)移面積為61.08 km2，其他土地類型間轉(zhuǎn)化不明顯。

由表4可知，2000—2018年土地利用轉(zhuǎn)型主要表現(xiàn)為農(nóng)業(yè)生產(chǎn)用地面積減少，城鎮(zhèn)生活用地和農(nóng)村生活用地面積增加。農(nóng)業(yè)生產(chǎn)用地主要轉(zhuǎn)化為城鎮(zhèn)和農(nóng)村生活用地與水域生態(tài)用地，轉(zhuǎn)移面積分別為999.16、333.72和212.52 km2。但水域生態(tài)用地也有部分轉(zhuǎn)化為城鎮(zhèn)生活用地、牧草生態(tài)用地和農(nóng)業(yè)生產(chǎn)用地，轉(zhuǎn)移面積分別為82.78、56.6、55.2 km2。其他土地類型間轉(zhuǎn)化不明顯。

2.3 土地利用轉(zhuǎn)型的生態(tài)效應(yīng)分析

2.3.1 生態(tài)環(huán)境質(zhì)量指數(shù)變化特征

根據(jù)式（1）計(jì)算出蘇州市各區(qū)（市）1980—2018年的生態(tài)環(huán)境質(zhì)量指數(shù)如表5所示。由表5可知，蘇州市生態(tài)環(huán)境質(zhì)量指數(shù)從1980年的0.431 2降至2018年的0.413 9，各區(qū)（市）的生態(tài)環(huán)境質(zhì)量指數(shù)除昆山市和吳江區(qū)外均呈現(xiàn)下降趨勢。

借助ArcGIS軟件,基于區(qū)（市）尺度分別表達(dá)1980年、2000年、2010年和2018年蘇州生態(tài)環(huán)境質(zhì)量的差異，并根據(jù)自然間斷點(diǎn)分級(jí)法[11]分為低質(zhì)量、中質(zhì)量、高質(zhì)量3個(gè)等級(jí)，結(jié)果如圖3所示。由圖3可知，蘇州市生態(tài)環(huán)境質(zhì)量呈現(xiàn)西南高、東北低的分布格局。1980—2010年，蘇州市生態(tài)環(huán)境高質(zhì)量區(qū)包括吳中區(qū)，中質(zhì)量區(qū)包括張家港市、常熟市、相城區(qū)、虎丘區(qū)、吳江區(qū)和昆山市，低質(zhì)量區(qū)包括太倉市和姑蘇區(qū)。2010—2018年，除張家港市由原先的中質(zhì)量區(qū)變?yōu)榈唾|(zhì)量區(qū)外，其他區(qū)（市）生態(tài)質(zhì)量等級(jí)保持不變。

表 3 1980—2000年蘇州市土地利用轉(zhuǎn)移矩陣Table 3 Land use transfer matrix of Suzhou City from 1980 to 2000 km2

表 4 2000—2018年蘇州市土地利用轉(zhuǎn)移矩陣Table 4 Land use transfer matrix of Suzhou City from 2000 to 2018 km2

2.3.2 土地利用轉(zhuǎn)型生態(tài)貢獻(xiàn)率

區(qū)域生態(tài)環(huán)境質(zhì)量往往存在好轉(zhuǎn)與惡化2種變化趨勢，這2種趨勢相互抵消，使得研究區(qū)生態(tài)狀況總體趨于穩(wěn)定[24]。為了揭示各功能用地轉(zhuǎn)型對區(qū)域生態(tài)環(huán)境質(zhì)量的影響，測算了土地利用轉(zhuǎn)型生態(tài)貢獻(xiàn)率，結(jié)果如圖4所示。由圖4可知，1980—2000年農(nóng)業(yè)生產(chǎn)用地轉(zhuǎn)變?yōu)樗蛏鷳B(tài)用地和林地生態(tài)用地，是促使生態(tài)環(huán)境質(zhì)量改善的主要因素。與此相反，農(nóng)業(yè)生產(chǎn)用地對水域生態(tài)用地的擠占以及城鎮(zhèn)和農(nóng)村生活用地對農(nóng)業(yè)生產(chǎn)用地的占用是導(dǎo)致生態(tài)環(huán)境質(zhì)量惡化的主要原因。2000—2018年土地利用轉(zhuǎn)型對生態(tài)環(huán)境質(zhì)量的影響與1980—2000年相比，城鎮(zhèn)生活用地對農(nóng)業(yè)生產(chǎn)用地和水域生態(tài)用地的侵占更為嚴(yán)重，農(nóng)村生活用地轉(zhuǎn)化為農(nóng)業(yè)生產(chǎn)用地與水域生態(tài)用地的貢獻(xiàn)率降低；同時(shí)農(nóng)業(yè)生產(chǎn)用地轉(zhuǎn)變?yōu)榱值睾退蛏鷳B(tài)用地的貢獻(xiàn)率下降，表明這一研究時(shí)段內(nèi)退耕還林、退耕還湖的力度有所下降。總的來說，城鎮(zhèn)和農(nóng)村生活用地對農(nóng)業(yè)生產(chǎn)用地的侵占是導(dǎo)致生態(tài)惡化的主要因素，退耕還湖是生態(tài)環(huán)境質(zhì)量改善的主要原因。因此在未來，應(yīng)切實(shí)落實(shí)蘇州市國民經(jīng)濟(jì)和社會(huì)發(fā)展“十四五”規(guī)劃提出的優(yōu)化城鄉(xiāng)布局結(jié)構(gòu)，合理配置“三生”用地，進(jìn)一步實(shí)施退耕還林、還湖等措施，統(tǒng)籌優(yōu)化國土空間布局，保障蘇州市的生態(tài)安全，實(shí)現(xiàn)社會(huì)經(jīng)濟(jì)發(fā)展與生態(tài)環(huán)境的協(xié)同發(fā)展[25-26]。

表 5 蘇州各區(qū)（市）1980—2018年生態(tài)環(huán)境質(zhì)量指數(shù)Table 5 Ecological environment quality index of different districts (cities) in Suzhou City in 1980-2018

圖 3 1980—2018年蘇州各區(qū)（市）生態(tài)環(huán)境質(zhì)量等級(jí)Fig.3 Ecological environment quality grade of districts (cities) in Suzhou City in 1980-2018

圖 4 蘇州市影響生態(tài)環(huán)境質(zhì)量的主要用地轉(zhuǎn)型及貢獻(xiàn)率Fig.4 Major land use transformation and contribution rates affecting ecological environment quality of Suzhou City

2.3.3 生態(tài)環(huán)境質(zhì)量演變的驅(qū)動(dòng)力分析

應(yīng)用PLS回歸分析，共提取了2個(gè)有效成分，各成分累計(jì)交叉有效性Q2（cum）=0.978，對X和Y的解釋能力分別為R2X（cum）=0.956，R2Y（cum）=0.992，表明回歸模型精度高，可信度高，cum表示沿坐標(biāo)軸方向模型的累積解釋率 。由觀測值和預(yù)測值的擬合度（圖5）可以看出，觀測值和預(yù)測值的擬合度較高，說明樣本選取合理，模擬效果較好[11]。由此得出PLS方程如下：

圖 5 蘇州市生態(tài)環(huán)境質(zhì)量指數(shù)預(yù)測值和觀測值擬合Fig.5 Fitting the predicted and observed values of Suzhou ecoenvironmental quality index

由式（3）可知，產(chǎn)業(yè)結(jié)構(gòu)優(yōu)化和能源消費(fèi)結(jié)構(gòu)調(diào)整對生態(tài)環(huán)境質(zhì)量有明顯的促進(jìn)作用。1980—2018年，蘇州市產(chǎn)業(yè)結(jié)構(gòu)不斷優(yōu)化，淘汰落后企業(yè)與污染嚴(yán)重的企業(yè)，關(guān)閉污染嚴(yán)重的企業(yè)，高新技術(shù)產(chǎn)業(yè)產(chǎn)值不斷提高，逐漸取代對生態(tài)環(huán)境質(zhì)量產(chǎn)生負(fù)效應(yīng)的產(chǎn)業(yè)，有明顯促進(jìn)生態(tài)環(huán)境質(zhì)量改善的作用。同時(shí)深入實(shí)施“藍(lán)天工程”，推廣清潔能源，以煤炭為主導(dǎo)能源的能源結(jié)構(gòu)逐步改變，既保障了經(jīng)濟(jì)的發(fā)展也改善了生態(tài)質(zhì)量。

人口、經(jīng)濟(jì)、社會(huì)消費(fèi)和進(jìn)出口貿(mào)易的回歸系數(shù)為負(fù)數(shù)（圖6），是生態(tài)環(huán)境質(zhì)量惡化的主要因素。人口增加和社會(huì)消費(fèi)水平的提高，向自然索取了更多的資源與能源，并產(chǎn)生污染物，增加了蘇州市的環(huán)境承載壓力，加大了生態(tài)保護(hù)的壓力。

圖 6 自變量回歸系數(shù)Fig.6 Regression coefficient graph of independent variables

3 結(jié)論與展望

（1）1980—2018年，蘇州市生產(chǎn)用地的面積減少，生態(tài)和生活用地面積增加，生活用地的增加來源于對農(nóng)業(yè)生產(chǎn)用地的侵占，同時(shí)生態(tài)用地有少量增加。

（2）蘇州市生態(tài)環(huán)境質(zhì)量總體有所下降，呈現(xiàn)西南高、東北低的空間分布格局。其中吳中區(qū)為高質(zhì)量區(qū)，姑蘇區(qū)和太倉市為低質(zhì)量區(qū)；1980—2018年，張家港市由中質(zhì)量區(qū)轉(zhuǎn)變?yōu)榈唾|(zhì)量區(qū)，與張家港市大量農(nóng)業(yè)生產(chǎn)用地轉(zhuǎn)化為城鎮(zhèn)生活用地有關(guān)。

（3）1980—2018年，農(nóng)業(yè)生產(chǎn)用地、水域生態(tài)用地、農(nóng)村生活用地和城鎮(zhèn)生活用地的相互轉(zhuǎn)化是導(dǎo)致生態(tài)環(huán)境質(zhì)量變化的主要因素。退耕還湖、還林是生態(tài)改善的主要因素，導(dǎo)致生態(tài)環(huán)境質(zhì)量下降的主要因素是城鎮(zhèn)和農(nóng)村生活用地對農(nóng)業(yè)生產(chǎn)用地和水域生態(tài)用地的侵占。

（4）目前蘇州市已初步形成“三生空間”模式，國土空間格局由以生產(chǎn)用地為主導(dǎo)，逐步轉(zhuǎn)變?yōu)橐陨钣玫貫橹黧w，生產(chǎn)、生活、生態(tài)用地共同發(fā)展的模式。近年來蘇州市水環(huán)境質(zhì)量有了明顯改善，但城鎮(zhèn)和農(nóng)村生活用地侵占農(nóng)業(yè)生產(chǎn)用地與生態(tài)用地的現(xiàn)象仍存在，雖然退耕還林、還湖的措施在一定程度上改善了生態(tài)環(huán)境質(zhì)量，但侵占量高于退耕還湖、還林量，故蘇州生態(tài)環(huán)境質(zhì)量總體來說有所下降。未來蘇州市應(yīng)從全局出發(fā)，統(tǒng)籌優(yōu)化配置蘇州市三生空間，有利于蘇州市國土的合理開發(fā)，對保證蘇州市社會(huì)經(jīng)濟(jì)的可持續(xù)發(fā)展具有重要意義。