藍(lán)貴文,張凡,吳靜,江凡

(1.桂林理工大學(xué)測繪地理信息學(xué)院,廣西桂林 541006;2.廣西壯族自治區(qū)自然資源生態(tài)修復(fù)中心,南寧 530022)

國土空間是人類生產(chǎn)生活和社會經(jīng)濟(jì)活動及生態(tài)文明建設(shè)的重要空間載體[1],是“三生”功能間交互作用的復(fù)雜系統(tǒng)和場所[2]?！叭惫δ苤干a(chǎn)功能、生活功能和生態(tài)功能,是國土空間的三大主導(dǎo)功能[3]。其中,生產(chǎn)功能是指人類以土地為對象直接獲取各種物質(zhì)或以其為載體產(chǎn)出產(chǎn)品和服務(wù)的功能,是推動生活、生態(tài)功能變化的根本動力;生活功能是在人類發(fā)展過程中提供基本生活保障的能力,促進(jìn)生產(chǎn)、生態(tài)功能的提升和改善;生態(tài)功能指滿足區(qū)域人類基本生態(tài)需求的能力,是生產(chǎn)、生活功能發(fā)展的保障[4],三者共同構(gòu)成一個整體性系統(tǒng)[3]。隨著工業(yè)化、城鎮(zhèn)化的快速推進(jìn),我國在經(jīng)濟(jì)迅速發(fā)展的同時,人地矛盾、城鄉(xiāng)發(fā)展失衡、環(huán)境污染等問題也不斷涌現(xiàn),使得國土空間格局發(fā)生劇烈演變,進(jìn)而也對“三生”功能這一整體性系統(tǒng)帶來了前所未有的沖擊。面對這一嚴(yán)峻形勢,黨中央自十八大以來,不斷優(yōu)化國土空間開發(fā)格局,為新時期區(qū)域協(xié)同發(fā)展指明了方向,而探究“三生”功能的演化特征是實(shí)現(xiàn)區(qū)域協(xié)同發(fā)展的基礎(chǔ)[4]。因此,識別“三生”功能的時空格局特征對于優(yōu)化國土空間格局、促進(jìn)地區(qū)可持續(xù)發(fā)展具有重要意義。

現(xiàn)有“三生”功能的研究在時空演變特征及影響因素、耦合協(xié)調(diào)性時空變化、分區(qū)優(yōu)化路徑等方面成果頗豐。如逯承鵬等[5]以黃河流域甘肅段57個縣域?yàn)檠芯繀^(qū),采用加權(quán)平均法分析了研究區(qū)“三生”功能時空變化特征,并借助地理探測器揭示了其時空變化的影響因素。程憲波[6]和紀(jì)璇[7]等借助耦合協(xié)調(diào)模型,分別分析了江蘇省和安徽省各縣區(qū)“三生”功能間耦合協(xié)調(diào)度的時空分布特征及演變規(guī)律;徐磊等[8]在運(yùn)用綜合評價法及標(biāo)準(zhǔn)差橢圓模型對環(huán)京津地區(qū)“三生”功能時空演變特征進(jìn)行分析的基礎(chǔ)上,通過結(jié)合共生模型和共生系數(shù),將研究區(qū)劃分為了4個一類功能區(qū)和11個二類功能區(qū),并提出了相應(yīng)的優(yōu)化策略;金貴等[9]以農(nóng)業(yè)生產(chǎn)、城鎮(zhèn)利用及生態(tài)轉(zhuǎn)換的效率為核心,構(gòu)建了相應(yīng)的國土空間開發(fā)保護(hù)情景方案及指標(biāo)體系,利用體現(xiàn)決策偏好差異模型來評價不同情景方案下的國土空間的發(fā)展?jié)摿?并定量刻畫了不同情景國土空間布局藍(lán)圖,隨后構(gòu)建了一種權(quán)衡多方利弊的國土空間優(yōu)化策略,為現(xiàn)階段國土空間規(guī)劃和高質(zhì)量發(fā)展提供了重要的決策參考意義。

總的來看,當(dāng)前“三生”功能研究包含國家、城市群、流域等不同范圍,其中,流域關(guān)注點(diǎn)多以長江流域[10]、黃河流域等[11]部分沿線經(jīng)濟(jì)發(fā)達(dá)地區(qū)為主,而對于經(jīng)濟(jì)相對欠發(fā)達(dá)且生態(tài)敏感性高的喀斯特流域地區(qū)的關(guān)注則相對較少;從研究所采用的尺度上來看,大多數(shù)學(xué)者基于宏觀尺度,以行政區(qū)[2-5,10-11]為評價單元,從生產(chǎn)、生活及生態(tài)3個方面選取指標(biāo)構(gòu)建評價體系來對“三生”功能開展定量評價。與宏觀尺度研究相比,基于微觀尺度的“三生”功能研究則相對較少,相關(guān)研究主要基于地理格網(wǎng)評價單元,以土地利用類型、地形區(qū)位等為基礎(chǔ),并借助加權(quán)指數(shù)法[12]來揭示“三生”功能時空變化規(guī)律。此外,當(dāng)前“三生”功能研究的時間范圍主要集中在單一年份[13]或是某一特定時段[14],較少對“三生”功能未來發(fā)展趨勢展開模擬預(yù)測,且現(xiàn)有的CLEU-S(conversion of land use and its effects at small region extent model)、FLUS(future land use simulation)等基于模式分析策略(pattern analysis strategy,PAS)的土地利用變化模擬預(yù)測模型缺乏能夠揭示某一時段內(nèi)土地利用變化驅(qū)動因素的能力[15],而斑塊生成土地利用變化模擬模型(patchgenerating land use simulation,PLUS)模型能夠克服這一不足,其包含一個新的數(shù)據(jù)挖掘框架及多類斑塊生成策略的元胞自動機(jī)(cellular automata,CA)模型,能夠更精確地模擬不同年份、環(huán)境下的土地利用斑塊級變化,并挖掘驅(qū)動因素[16]。

漓江流域作為典型的喀斯特流域,一方面,由于喀斯特地貌土壤貧瘠、植被稀疏及水土流失等本底自然因素帶來的影響,經(jīng)濟(jì)社會的發(fā)展受到制約;另一方面,工業(yè)化、城鎮(zhèn)化的推進(jìn)在擴(kuò)大生產(chǎn)空間的同時,也使得生活、生態(tài)空間在一定程度上受到脅迫,進(jìn)而導(dǎo)致國土空間格局發(fā)生劇烈變化。因此,分析喀斯特流域地區(qū)“三生”功能的變化特征及未來發(fā)展趨勢,對優(yōu)化當(dāng)?shù)貒量臻g格局具有重要意義。本文針對現(xiàn)有研究存在的不足之處,從格網(wǎng)尺度入手,通過重心模型等方法分析2010—2020年漓江流域“三生”功能的時空演變特征,并利用PLUS模型模擬自然發(fā)展、生態(tài)保護(hù)兩種不同情景下的2030年“三生”功能發(fā)展趨勢,以期為漓江流域高質(zhì)量發(fā)展提供科學(xué)參考。

1 研究區(qū)概況及數(shù)據(jù)處理

1.1 研究區(qū)概況

漓江流域位于廣西壯族自治區(qū)東北部的桂林市境內(nèi),地理位置為110°07′39″—110°42′57″E,24°38′10″—25°53′59″N,涉及桂林市“六區(qū)六縣一市”,境內(nèi)北、東、西三面地勢較高,中部和南部相對平坦,氣候條件優(yōu)越,且擁有豐富的動植物及礦產(chǎn)資源,屬于典型的喀斯特巖溶區(qū)。漓江流域是“兩屏三帶”中“南方山地丘陵帶”的重要組成部分,是珠江水系重要的水源涵養(yǎng)地。根據(jù)《廣西統(tǒng)計(jì)年鑒》的統(tǒng)計(jì)數(shù)據(jù),2020年流域常住人口約為388.31萬人,完成地區(qū)生產(chǎn)總值1 770.01億元,分別占桂林市的79%,83%。隨著工農(nóng)業(yè)生產(chǎn)、礦產(chǎn)資源開發(fā)等活動規(guī)模的擴(kuò)大及流動人口數(shù)量的增加,流域水源涵養(yǎng)能力下降、自然棲息地縮減等問題不斷涌現(xiàn)。這些問題不僅使中下游水土流失和石漠化現(xiàn)象加劇,而且對區(qū)域經(jīng)濟(jì)發(fā)展造成了很大影響。

1.2 數(shù)據(jù)來源與處理

在分析“三生”功能時空演變特征時所用的2010年、2015年及2020年30 m 分辨率土地利用數(shù)據(jù)均來自中國科學(xué)院資源環(huán)境科學(xué)與數(shù)據(jù)中心(http:∥www.resdc.cn)。在進(jìn)行土地利用模擬預(yù)測時所用數(shù)據(jù)除土地利用數(shù)據(jù)外,還包括社會經(jīng)濟(jì)、氣候環(huán)境及約束數(shù)據(jù)(限制發(fā)展區(qū)域)3方面的11項(xiàng)數(shù)據(jù),各數(shù)據(jù)的來源情況見表1。其中,限制發(fā)展區(qū)域是嚴(yán)格禁止生態(tài)用地轉(zhuǎn)換為非生態(tài)用地的區(qū)域,通常包括永久基本農(nóng)田、生態(tài)保護(hù)紅線、水域等,本文顧及限制發(fā)展區(qū)數(shù)據(jù)的可獲取性并借鑒相關(guān)文獻(xiàn)[17-18]的設(shè)置方案,充分考慮《桂林漓江流域生態(tài)環(huán)境保護(hù)總體規(guī)劃(2022—2035)》和《桂林漓江流域山水林田湖草沙一體化保護(hù)修復(fù)工程實(shí)施方案》對于流域水域的發(fā)展限制和保護(hù),最終將水域設(shè)置為本文的限制發(fā)展區(qū)域。

表1 數(shù)據(jù)信息Table 1 Data information

此外,為了保證流域尺度下研究區(qū)的范圍大小及評價的準(zhǔn)確性,經(jīng)多次實(shí)踐,本文最終采用3 km×3 km 的單元網(wǎng)格,共得到2 095個評價單元,并將所有數(shù)據(jù)設(shè)置為相同分辨率。

2 研究方法

本文的主要研究思路是,首先基于ArcGIS平臺創(chuàng)建3 km×3 km 漁網(wǎng),通過地類功能賦值法構(gòu)建基于格網(wǎng)尺度的漓江流域“三生”功能評價模型,揭示漓江流域2010—2020年“三生”功能時空分布格局和動態(tài)變化情況;隨后,借助重心模型對“三生”功能重心的分布和遷移情況開展分析;最后,運(yùn)用PLUS模型模擬得到2030年自然發(fā)展、生態(tài)保護(hù)兩種不同情景下的土地利用空間分布,并再次借助文章構(gòu)建的“三生”功能評價模型得到2030年自然發(fā)展、生態(tài)保護(hù)兩種不同情景下“三生”功能分布情況。

2.1 漓江流域“三生”功能指數(shù)計(jì)算方法

土地是一個集生產(chǎn)、生活、生態(tài)功能為一體的多功能綜合系統(tǒng),不同的地類往往不只具備某一特定的功能,但由于不同的利用目標(biāo)和強(qiáng)度,使得地類的功能表現(xiàn)出一定的主導(dǎo)性。因此,有學(xué)者根據(jù)土地利用功能的強(qiáng)弱、差異等因素,采用賦值的方式來表達(dá)不同地類的“三生”功能。本研究借鑒馮曉娟[19]和金星星[20]等構(gòu)建的土地利用“三生”功能評分標(biāo)準(zhǔn)和漓江流域不同地類的特點(diǎn),將3種功能分為完整、半、弱和無功能4種狀態(tài),分別對應(yīng)5,3,1,0分,并依據(jù)各二級地類的“三生”功能狀態(tài)得分及面積得到每一個采樣網(wǎng)格的“三生”功能指數(shù)PLEi:

式中:PLEi為網(wǎng)格i的生產(chǎn)/生活/生態(tài)功能指數(shù)Pi/Li/Ei;n為每個網(wǎng)格中的二級地類數(shù)量;Aj為網(wǎng)格中第j種二級地類的面積(km2);Wj為第j種二級地類的生產(chǎn)/生活/生態(tài)功能的狀態(tài)得分值,最終的地類功能賦分結(jié)果見表2。

表2 研究區(qū)土地利用分類體系及功能賦分Table 2 Classification system and function assignment of land use in the study area

2.2 重心模型

重心是物理學(xué)中的一個名詞,表示物體各部分所受重力的合力點(diǎn),關(guān)于重心的研究已在社會經(jīng)濟(jì)[21]、土地利用[22]等方面得到應(yīng)用,是一個從時空尺度反映研究區(qū)土地利用、經(jīng)濟(jì)發(fā)展等要素集聚和變化狀況的工具。本研究將重心遷移模型引入格網(wǎng)尺度“三生”功能的時空演變特征分析中,通過2010年、2015年及2020年生產(chǎn)、生活、生態(tài)功能重心坐標(biāo)的遷移情況來直觀反映各“三生”子功能變化的方向和趨勢。公式如下:

式中:LONt,LATt分別為t年份研究區(qū)“三生”功能重心的經(jīng)、緯度坐標(biāo);PLEi為網(wǎng)格i的生產(chǎn)/生活/生態(tài)功能指數(shù);Xi,Yi分別為網(wǎng)格i的經(jīng)、緯度坐標(biāo);n為網(wǎng)格總數(shù)。

2.3 PLUS模型

PLUS(patch-generating land use simulation)模型是一種模擬全局土地利用變化的模型,包括土地擴(kuò)展分析策略(LEAS)模塊和多類型隨機(jī)斑塊種子的CA 模型(CARS)模塊。LEAS模塊通過提取兩期土地利用數(shù)據(jù)中各用地的擴(kuò)展部分,并采用隨機(jī)森林算法得到各用地的發(fā)展概率;CARS模塊則結(jié)合隨機(jī)種子生成和閾值遞減機(jī)制,完成土地利用變化動態(tài)模擬。與其他模型相比,該模型能夠在斑塊尺度上模擬土地利用變化及探求地類變化的驅(qū)動因素[16],且準(zhǔn)確度更高。模擬步驟為:(1)選擇土地利用模擬所需的驅(qū)動力數(shù)據(jù);(2)提取兩期土地利用數(shù)據(jù)中各用地的擴(kuò)展部分,運(yùn)用LEAS模塊得到各類用地的發(fā)展概率;(3)結(jié)合各用地目標(biāo)像元數(shù)、過渡轉(zhuǎn)移矩陣及鄰域權(quán)重對未來土地利用情況進(jìn)行模擬預(yù)測。

在模擬預(yù)測前,需要先對模擬精度進(jìn)行評價,一般用Kappa系數(shù)及FoM 值進(jìn)行衡量。通常Kappa系數(shù)大于0.75,FoM 值小于0.1時,則認(rèn)為模擬精度較高[23]。在模擬精度達(dá)到要求的前提下,通過過渡轉(zhuǎn)移矩陣的設(shè)置來得到不同情景下的土地利用變化結(jié)果。

《桂林市國土空間總體規(guī)劃(2021—2035年)》表明桂林市未來將突出“資源、景觀、文化”融合特征,強(qiáng)化保護(hù),綠色發(fā)展,以旅游名城、生態(tài)宜居、產(chǎn)業(yè)創(chuàng)新及門戶樞紐四大戰(zhàn)略共同發(fā)力,打造世界級旅游都市,并加大對漓江流域的生態(tài)保護(hù)修復(fù)力度,落實(shí)好“三線一單”生態(tài)環(huán)境分區(qū)管控,實(shí)現(xiàn)生態(tài)保護(hù)修復(fù)與社會經(jīng)濟(jì)間的協(xié)調(diào)發(fā)展。因此,生態(tài)保護(hù)仍是漓江流域未來關(guān)注的重點(diǎn)。本文參考已有研究[24-26]的情景設(shè)置經(jīng)驗(yàn),并顧及漓江流域規(guī)劃政策,共設(shè)置自然發(fā)展、生態(tài)保護(hù)兩種情景。其中,在自然發(fā)展情景中,各地類延續(xù)之前的結(jié)構(gòu)變化趨勢,不同地類間的轉(zhuǎn)化概率不變,該情景下的過渡轉(zhuǎn)移矩陣設(shè)置方法參考前人經(jīng)驗(yàn)[27]及研究區(qū)實(shí)際情況,根據(jù)2010—2020年土地利用轉(zhuǎn)移矩陣中各地類轉(zhuǎn)移面積的大小進(jìn)行簡化設(shè)置;在生態(tài)保護(hù)情景中,未來流域的發(fā)展將以生態(tài)環(huán)境保護(hù)為首要目的,城鎮(zhèn)化發(fā)展得到限制,同時耕地將得到進(jìn)一步保護(hù),并且土地利用的發(fā)展對環(huán)境更加友好。該情景下減少林地、草地的轉(zhuǎn)出,并加大未利用地、耕地向它們的轉(zhuǎn)入。具體的設(shè)置結(jié)果見表3。

表3 過渡轉(zhuǎn)移矩陣參數(shù)設(shè)置Table 3 Parameter setting of transition matrix

3 結(jié)果與分析

3.1 “三生”功能時空演變特征

2010—2020年,流域生產(chǎn)功能呈增加趨勢,2010年、2015年及2020年生產(chǎn)功能均值分別為10.901,10.918,10.985,共上升了0.77%。高值區(qū)分布在海拔較低的地區(qū),主要位于桂林市區(qū)、靈川縣、興安縣、荔浦市及平樂縣(圖1)。此外,在研究時段的前5 a(2010—2015年),漓江流域生產(chǎn)功能增強(qiáng)和減弱區(qū)域的面積分別占總面積的42.3%,41.6%,空間上表現(xiàn)出較強(qiáng)的交織分布特征,其中,增長強(qiáng)度較大的地區(qū)主要分布在桂林市區(qū)及流域北部的靈川縣、興安縣(圖2);在研究時段的后5 a(2015—2020年),研究區(qū)生產(chǎn)功能增強(qiáng)和減弱區(qū)域的面積占比依舊維持高位,分別為46.3%,38.4%,與上一階段相比,該階段生產(chǎn)功能增強(qiáng)區(qū)域的面積增加了4%,且增長強(qiáng)度較大的地區(qū)明顯增多,呈向桂林市區(qū)和流域南部部分市縣轉(zhuǎn)移的趨勢(圖3),生產(chǎn)功能減弱區(qū)域的面積則下降了3.2%。

圖1 2010-2020年漓江流域生產(chǎn)功能等級分布Fig.1 Distribution of production function levels in the Lijiang River watershed from 2010 to 2020

圖2 2010-2015年“三生”功能變化Fig.2 Changing characteristics of production-living-ecology function in the Lijiang River watershed from 2010 to 2015

圖3 2015-2020年“三生”功能變化Fig.3 Changing characteristics of production-living-ecology function in the Lijiang River watershed from 2015 to 2020

2010—2020年,流域生活功能整體上也呈現(xiàn)增加的趨勢,2010年、2015年及2020年生活功能均值分別為0.889,0.938,1.101,共上升了23.85%。生活功能中、高值區(qū)主要分布在流域海拔較低的桂林市區(qū)、陽朔縣、恭城縣及荔浦市,其中高值區(qū)主要集中在桂林市區(qū);低值區(qū)則主要分布在流域地勢較高的地方(圖4)。此外,2010—2015年,流域生活功能增強(qiáng)和減弱區(qū)域的面積與研究區(qū)總面積的比值分別為20%,23.8%,空間上也集中分布在低海拔地區(qū)。與生產(chǎn)功能的情況相似,生活功能增長強(qiáng)度較大的地區(qū)也主要在桂林市區(qū)、靈川縣和興安縣;2015—2020年,功能增強(qiáng)和減弱區(qū)域的面積比例分別為31.6%,14.4%。與上一階段相比,該階段生活功能增強(qiáng)區(qū)域的面積增加了11.6%,且增長強(qiáng)度較大的地區(qū)呈現(xiàn)向桂林市區(qū)及流域南部的荔浦、陽朔、平樂三縣轉(zhuǎn)移的特征,生活功能減弱區(qū)域的面積則下降了9.4%。

圖4 2010-2020年漓江流域生活功能等級分布Fig.4 Distribution of living function levels in the Lijiang River watershed from 2010 to 2020

2010—2020年,流域生態(tài)功能整體上呈現(xiàn)不斷下降的趨勢,2010年、2015年及2020年生態(tài)功能均值分別為36.756,36.447,36.245,共下降了1.39%。與生活功能的分布情況相反,漓江流域生態(tài)功能高值區(qū)在10 a間呈沿高海拔地區(qū)分布的特點(diǎn),低值區(qū)則集中分布在桂林市區(qū)(圖5)。2010—2015年,流域生態(tài)功能增強(qiáng)和減弱區(qū)域的面積與研究區(qū)總面積的比值分別為44.2%,38%,空間上無明顯分布規(guī)律。其中,生態(tài)功能增長強(qiáng)度較大的地區(qū)較少,零散分布在靈川縣;相較于前一時段,2015—2020年生態(tài)功能增強(qiáng)和減弱區(qū)域的面積比例分別為27.8%,55.3%,功能存在增強(qiáng)的地區(qū)明顯下降,共減少了16.4%,但增長強(qiáng)度較大的地區(qū)與上一階段相比有較明顯增加,零散分布于流域中部和北部的陽朔縣、永福縣、靈川縣和興安縣,功能存在減弱的地區(qū)明顯增加,共上升了17.3%。主要是由于隨著社會經(jīng)濟(jì)的發(fā)展,人口聚集、建設(shè)活動等人類活動一定程度上對生態(tài)空間造成影響,進(jìn)而造成生態(tài)功能的整體下降?？偟膩砜?2010—2020年,“三生”功能變化幅度大小為生產(chǎn)功能＜生活功能＜生態(tài)功能。

圖5 2010-2020年漓江流域生態(tài)功能等級分布Fig.5 Distribution of ecology function levels in the Lijiang River watershed from 2010 to 2020

3.2 “三生”功能重心遷移特征

由圖6可知,漓江流域“三生”功能重心在不同階段的偏移程度有所不同,生活功能重心遷移距離最大,生產(chǎn)功能和生態(tài)功能重心的遷移不明顯。生產(chǎn)功能重心10 a間均分布于雁山區(qū)的大埠鄉(xiāng),其中2010—2015年往東北方向移動,主要是因?yàn)樵摃r期流域東北地區(qū)不斷加大信息技術(shù)與傳統(tǒng)農(nóng)業(yè)的結(jié)合力度,增加了資源利用效率和生產(chǎn)效益,從而有效提升了當(dāng)?shù)氐霓r(nóng)業(yè)生產(chǎn)水平;2015—2020年生產(chǎn)功能轉(zhuǎn)向西北方向遷移,表明該時期流域西北地區(qū)在政策扶持下著力調(diào)整農(nóng)業(yè)產(chǎn)業(yè)結(jié)構(gòu)、提升農(nóng)業(yè)品質(zhì)品牌等方面成效明顯,促進(jìn)了農(nóng)產(chǎn)品生產(chǎn)的優(yōu)化,并有效提升了農(nóng)業(yè)效率和競爭力,使得生產(chǎn)功能得到進(jìn)一步提升。

圖6 2010-2020年漓江流域“三生”功能重心遷移Fig.6 Gravity center migration of production-living-ecology function in the Lijiang River watershed from 2010 to 2020

2010—2015年,流域生活功能重心由雁山區(qū)的草坪回族鄉(xiāng)向西北方向遷移,主要是由于流域該時期加快中心城區(qū)的生活服務(wù)配套設(shè)施及交通體系建設(shè),并圍繞老城疏解改造提升,從而不斷提高了城鄉(xiāng)居民的生活水平;2015—2020年,流域生活功能重心則轉(zhuǎn)向西南方向偏移,說明流域西南地區(qū)該時期在完善勞動人口密集區(qū)域路網(wǎng)建設(shè)、強(qiáng)化城市精細(xì)化管理等方面效果明顯,進(jìn)一步推動了生活功能重心向西南方向的轉(zhuǎn)移。

生態(tài)功能重心的分布與生產(chǎn)功能相同,在整個研究時段內(nèi)均位于大埠鄉(xiāng),且遷移得不明顯,2010—2015年重心往東南部移動,而后在2015—2020年繼續(xù)向東南方向偏移,一方面說明流域東南部在大氣、水、土壤等方面開展的污染防治攻堅(jiān)戰(zhàn)取得了明顯的成效,另一方面也表明在生態(tài)立市的背景下,流域東南部是漓江流域未來發(fā)揮生態(tài)優(yōu)勢的主要方向。

3.3 “三生”功能多情景模擬預(yù)測

為驗(yàn)證模擬結(jié)果的可靠性,本研究通過2010年土地利用數(shù)據(jù)來模擬2020 年土地利用空間分布類型,并通過Confusion Matrix and Fom 模塊計(jì)算Kappa系數(shù)及Fo M 值來判斷模擬精度。在模擬過程中,各類用地目標(biāo)像元數(shù)通過ArcGIS軟件獲取,過渡轉(zhuǎn)移矩陣按表3自然發(fā)展情景設(shè)置,鄰域權(quán)重通過各用地類型擴(kuò)張占比來表示。最終計(jì)算得到Kappa系數(shù)為0.944,Fo M 值為0.06,表明本研究的模擬精度較高。隨后,根據(jù)上述模擬過程,利用2020年土地利用數(shù)據(jù)模擬2030年土地利用空間分布結(jié)果。在這一階段中,利用該模型的Markov Chain功能預(yù)測得到各類用地目標(biāo)像元數(shù),并分別按表3中的兩種情景設(shè)置過渡轉(zhuǎn)移矩陣,模擬得到2030年土地利用數(shù)據(jù)。最后,基于預(yù)測結(jié)果,利用公式(1)計(jì)算得到各評價網(wǎng)格的2030年自然發(fā)展和生態(tài)保護(hù)兩種情景下的“三生”功能指數(shù),并通過ArcGIS進(jìn)行可視化。

2030年兩種情景下的“三生”功能空間分布與2020年相似,仍是以低生產(chǎn)功能區(qū)、低生活功能區(qū)和高生態(tài)功能區(qū)為主(圖7),且生產(chǎn)功能高值區(qū)同樣也呈沿低地勢分布的特征,生活功能高值區(qū)也主要集中在桂林市區(qū),生態(tài)功能高值區(qū)則仍沿高地勢分布。由表4知,在自然發(fā)展情景下,生產(chǎn)、生活及生態(tài)功能均值分別為11.263,1.501,36.107。與2020年相比,流域生產(chǎn)功能和生活功能均值分別上升了0.278,0.4,且高值區(qū)的面積也均呈上升趨勢,而生態(tài)功能均值下降了0.138,生態(tài)功能高值區(qū)的面積也保持下降。主要是因?yàn)榘凑宅F(xiàn)有發(fā)展趨勢,漓江流域不斷加快城鎮(zhèn)化建設(shè)及經(jīng)濟(jì)發(fā)展的推進(jìn),農(nóng)村居民點(diǎn)、城鎮(zhèn)用地不斷擴(kuò)張,城鄉(xiāng)基礎(chǔ)設(shè)施建設(shè)進(jìn)一步得到完善,使得居民生活水平提升明顯。此外,按照當(dāng)前生態(tài)產(chǎn)業(yè)發(fā)展趨勢,當(dāng)?shù)赝ㄟ^探索生態(tài)產(chǎn)業(yè)化、產(chǎn)業(yè)生態(tài)化的可持續(xù)發(fā)展模式,帶動區(qū)域經(jīng)濟(jì)轉(zhuǎn)型升級發(fā)展,進(jìn)而提升了生產(chǎn)水平。同時,人類活動也在一定程度上也對生態(tài)空間造成影響,進(jìn)而也對整體生態(tài)功能造成影響。

圖7 2030年兩種情景下的“三生”功能等級分布Fig.7 Distribution of production-living-ecology function levels in the Lijiang River watershed in 2030 under two scenarios

表4 不同情景下2020-2030年“三生”功能均值及高值區(qū)面積變化Table 4 Changes of mean value and the area of high-value region of production-living-ecology function under different scenarios in 2020-2030

生態(tài)保護(hù)情景下,生產(chǎn)、生活及生態(tài)功能均值分別為11.406,1.312,36.305,較2020年分別上升了0.421,0.211,0.06,生產(chǎn)、生活及生態(tài)功能高值區(qū)面積也均有所增加,主要是因?yàn)樵谠撉榫跋?生態(tài)保護(hù)強(qiáng)度得到加大,林地、草地、水域等生態(tài)用地的轉(zhuǎn)出受到限制,且對建設(shè)用地的擴(kuò)張具有一定的約束作用,增強(qiáng)了生產(chǎn)用地的穩(wěn)定性、連通性并提升了生態(tài)用地規(guī)模;此外,在推動城鄉(xiāng)綠色發(fā)展的同時,面源、土壤、地下水等污染也得到了有效控制,進(jìn)而提升了人居生活質(zhì)量。

由表4可以看出,2030年漓江流域生產(chǎn)、生活功能的整體水平及高值區(qū)面積較2020年均有一定程度的上升,但相比自然發(fā)展情景,生態(tài)保護(hù)情景下生產(chǎn)功能的發(fā)展優(yōu)勢更明顯。此外,對比生態(tài)功能在自然發(fā)展情景與生態(tài)保護(hù)情景的模擬結(jié)果可以發(fā)現(xiàn),生態(tài)功能均值及高值區(qū)面積在自然發(fā)展情景中較2020年有所下降,而在生態(tài)保護(hù)情景中較2020年有所上升,一方面說明生態(tài)功能在生態(tài)保護(hù)情景下的發(fā)展優(yōu)勢也更明顯,另一方面也說明在生態(tài)保護(hù)情景中通過加大環(huán)境保護(hù)措施,控制未利用地、耕地向林地、草地的擴(kuò)張,能提升地區(qū)生產(chǎn)、生活功能,并減緩地區(qū)生態(tài)功能的下降。

綜合來看,生態(tài)保護(hù)情景下漓江流域在生產(chǎn)、生態(tài)功能方面具有更大的發(fā)展優(yōu)勢,更符合《桂林市國土空間總體規(guī)劃(2021—2035年)》中提出的“引導(dǎo)特色農(nóng)業(yè)發(fā)展,嚴(yán)保耕地和基本農(nóng)田”的現(xiàn)代農(nóng)業(yè)發(fā)展思路及“筑牢‘兩屏五區(qū)七廊’全域生態(tài)安全總體格局,統(tǒng)籌全域山水林田湖草沙生態(tài)修復(fù)和治理”的生態(tài)發(fā)展格局。

4 討論與結(jié)論

4.1 討論

總的來說,漓江流域未來應(yīng)開展有針對性的專項(xiàng)工程,優(yōu)化生態(tài)、生產(chǎn)、生活空間格局,促進(jìn)“三生”功能間的協(xié)調(diào)發(fā)展。一方面需要政府部門高度重視漓江流域生產(chǎn)、生活水平發(fā)展和生態(tài)保護(hù)間的矛盾,制定差異化的區(qū)域開發(fā)政策。例如,參考《桂林市國土空間總體規(guī)劃(2021—2035年)》中的發(fā)展規(guī)劃,針對生產(chǎn)功能低值區(qū),可在靠近市區(qū)的地區(qū)重點(diǎn)發(fā)展市近郊農(nóng)業(yè),為城市后花園和菜籃子提供日常生活農(nóng)產(chǎn)品服務(wù)配套,并在北部和南部重點(diǎn)推動農(nóng)產(chǎn)品的生產(chǎn)保障功能,同時在東、西地區(qū)依據(jù)地形特點(diǎn)重點(diǎn)打造山地生態(tài)林果產(chǎn)業(yè),從而有效提升生產(chǎn)、生態(tài)功能間的協(xié)調(diào)發(fā)展;針對生活功能低值區(qū),應(yīng)當(dāng)進(jìn)一步推動城市高質(zhì)量發(fā)展,促進(jìn)城市有機(jī)更新,實(shí)施城鎮(zhèn)低效用地再開發(fā)利用,提升功能品質(zhì),并尊重和保護(hù)山水格局,加強(qiáng)城市建設(shè)與自然景觀有機(jī)融合,實(shí)現(xiàn)生活水平及生態(tài)保護(hù)的雙提升;針對生態(tài)功能低值區(qū),應(yīng)當(dāng)進(jìn)一步劃定國土綜合整治及生態(tài)修復(fù)分區(qū)、明確生態(tài)修復(fù)重點(diǎn)工程布局,同時引導(dǎo)多元化的生態(tài)保護(hù)修復(fù)資金投入和多主體協(xié)同工作機(jī)制,進(jìn)而提升生態(tài)功能水平。另一方面,根據(jù)不同情景模擬結(jié)果,未來漓江流域無論是走何種發(fā)展路線,首先都應(yīng)當(dāng)保障生產(chǎn)、生活功能水平不下降的基礎(chǔ)上,進(jìn)一步把握生態(tài)紅線,建立健全生態(tài)保護(hù)修復(fù)和管理機(jī)制,并積極探索“生態(tài)+”綠色產(chǎn)業(yè),促進(jìn)“三生”功能間的協(xié)調(diào)發(fā)展。

從“三生”功能評價結(jié)果來看,本文基于格網(wǎng)尺度對“三生”功能進(jìn)行評價,相比宏觀行政尺度更能體現(xiàn)“三生”功能內(nèi)部的差異性特征,但其同樣也存在不能很好地表達(dá)出宏觀發(fā)展背景的問題。因此,單一尺度研究均難以打破用地類型及行政區(qū)劃所帶來的限制,后續(xù)將進(jìn)一步完善“三生”功能的多尺度集成評價研究。

從模擬結(jié)果看,本文從社會經(jīng)濟(jì)、生態(tài)環(huán)境及約束數(shù)據(jù)三方面共選擇11項(xiàng)驅(qū)動因子來模擬研究區(qū)“三生”功能格局,模擬精度也能夠較好地滿足要求,但也存在一定的不足之處。一是在設(shè)置PLUS模型的過渡轉(zhuǎn)移矩陣及鄰域權(quán)重參數(shù)時,雖然綜合了前人經(jīng)驗(yàn)及流域現(xiàn)狀,并進(jìn)行了多次調(diào)試,但仍具有一定的主觀性,后續(xù)將繼續(xù)探索參數(shù)設(shè)置的定量化方法;二是忽略了生態(tài)保護(hù)紅線、城市開發(fā)邊界等限制因子對地類變化帶來的影響,因此后續(xù)將納入多因素綜合限制因子,提升模擬準(zhǔn)確度。

4.2 結(jié)論

(1)漓江流域2010—2020 年生產(chǎn)、生活功能整體上呈上升趨勢,生態(tài)功能整體上則呈下降趨勢。其中,生產(chǎn)功能和生活功能的高、低值區(qū)分別集中在海拔較低和較高的地區(qū),生態(tài)功能呈相反的分布特征。2010—2015年,生產(chǎn)、生活功能增長強(qiáng)度較大的地區(qū)均集中在桂林市區(qū)、靈川縣和興安縣,生態(tài)功能增長強(qiáng)度較大的地區(qū)則分布在靈川縣。2015—2020 年,生產(chǎn)、生活功能增強(qiáng)地區(qū)的面積有較明顯的增加趨勢,且增長強(qiáng)度較大的地區(qū)均向桂林市區(qū)和流域南部部分市縣集中;生態(tài)功能增強(qiáng)地區(qū)的數(shù)量則有明顯的減少趨勢,且增長強(qiáng)度較大的地區(qū)呈現(xiàn)向流域北部擴(kuò)散的特征?？偟膩砜?生產(chǎn)功能變化幅度較小,生活功能次之,生態(tài)功能變化幅度最大。

(2)生產(chǎn)、生態(tài)功能重心10 a間均位于大埠鄉(xiāng),但生產(chǎn)功能重心先往東北方向偏移,而后轉(zhuǎn)向西北方向,生態(tài)功能重心則持續(xù)向東南方向偏移;生活功能重心先由雁山區(qū)的草坪回族鄉(xiāng)向西北方向遷移至大圩鎮(zhèn),而后向西南側(cè)移動至雁山鎮(zhèn)。

(3)對模擬精度進(jìn)行評價,得到Kappa系數(shù)為0.944,Fo M 值為0.06,表明運(yùn)用PLUS模型模擬預(yù)測土地利用變化是可行的。兩種情景下的“三生”功能空間分布與2020年相似,自然發(fā)展情景2030年流域生產(chǎn)功能和生活功能均值比2020 年分別上升了0.278,0.4,高值區(qū)的面積也均呈上升趨勢,而生態(tài)功能均值則相比2020年下降了0.138,高值區(qū)的面積也有所下降。生態(tài)保護(hù)情景2030年流域生產(chǎn)、生活、生態(tài)功能均值相比2020 年分別上升了0.421,0.211,0.06,高值區(qū)面積也均有所上升。綜合本文的預(yù)測結(jié)果來看,生態(tài)保護(hù)情景更加注重“三生”功能間的協(xié)調(diào)性、整體性,更加符合《桂林市國土空間總體規(guī)劃(2021—2035)》提出的品質(zhì)生活名城和人與自然和諧共生的現(xiàn)代化城市建設(shè)目標(biāo)。