2.1 “三生”空间面积变化与转移类型
河谷型城市“三生”空间分布深受地形条件制约影响,伴随着快速城镇化进程,生产、生活空间显著扩张,生态空间总体萎缩,但不同类型、不同区域的生态空间情况有所不同。由附图3可以看出,生产空间、生活空间作为人类活动的主要场所,具有靠近河流水源与平整土地的特点,主要分布在黄河干流、湟水河、大通河、庄浪河、宛川河河谷及其支流沟谷地带以及秦王川盆地; 生态空间受人类活动干预较小,主要分布在河谷盆地外围的广大黄土丘壑区,近郊的连城、吐鲁沟、兴隆山等森林公园或自然保护区,以及远郊的高海拔山区。
由分析统计可知,1995—2018年期间,工矿生产空间和城镇生活空间分别扩大为原有的11.36倍和1.94倍,呈现快速扩张态势,主要集中于秦王川盆地南部(兰州新区),城关区雁滩、九州、青石片区,安宁区西部,榆中县和平镇与永登、皋兰县城。与此同时,农业生产空间(减少7.87%)、草地生态空间(减少2.23%)出现面积萎缩; 林地生态空间(增加3.67%)、水域生态空间(增加5.19%)面积小幅增加。其他生态空间(裸土地)增加40.32%。
兰州市“三生”空间类型转换中,农业生产空间和草地生态空间成为转出面积最大的两类用地,“耕—草”互转成为最显著的土地转换方式,说明在农牧交错的黄土高原河谷地区,农牧兼营的生产方式下,“退耕还草”与“占草开耕”的行为同时存在(表2)。此外,转换面积超过100 km2的土地转换方式还有:农业生产空间转为工矿生产用地、农业生产空间转为城镇生活用地、农业生产空间转为乡村生活用地、林地生态空间转为草地生态空间、草地生态空间转为工矿生产空间、草地生态空间转为林地生态空间。由此可知,1995—2018年兰州市快速的土地城镇化进程中,城镇生产—生活空间对耕地和生态空间的挤占较为显著,林地和草地两类生态空间的彼此转换,也较为突出。
表2 1995-2018年兰州市“三生”空间转移矩阵 km2
2.2 “三生”空间梯度分异与重心迁移
兰州市“三生”空间地形梯度特征见表3—4所示,农业生产空间在河谷川区和阶地总体萎缩,并向海拔2 500 m以上、坡度15°以上的高海拔坡地“跃迁”,体现出河谷盆地型城市土地开发与“占补平衡”进程中,耕地从河川地逐步被“边缘化”的总体特征,高坪地区农田提灌设备的完善,高原农业生产技术的推广推动了这一进程。工矿生产空间与城镇生活空间在海拔1 501~2 000 m、坡度6°以内的河谷地带快速扩张,并向海拔2 500 m以内的高台高坪及缓坡地带蔓延,呈现明显的“爬升效应”,主要是受房地产开发和工业园区布局的影响,反映出河谷型城市有限的土地储量与生产、生活用地刚性需求的矛盾。乡村生活空间在各海拔和坡度区间小幅扩张,与农村宅基地的适度发展相符。林地生态空间在河川地区萎缩,较高海拔地区扩张,体现了生态空间在河谷川区让位于城市建设,转向山区的特征。草地生态空间在各海拔、坡度地区均有萎缩,成为生产、生活空间挤占的重点对象。水域除河谷川地略有萎缩外,均有小幅扩张,是由于伴随着“耕地上山”,相应的水渠、坑塘等水利设施有所增加。其他生态空间(裸土地)在3 000 m以上地区因森林恢复而减少,而在1 500~2 000 m,2°~6°的缓坡台地,以及6°~15°坡度的黄土丘壑区小幅扩张,主要原因是草地退化与耕地撂荒。
各类空间在河谷盆地内的竞争十分激烈,工矿生产空间、城乡生活空间的扩张在河谷平坦地区占据优势,海拔2 000 m以下地区扩张351.02 km2,坡度6°以下地区扩张357.42 km2。城镇空间在水平和垂直方向具有明显的“扩张效应”与“爬坡效应”,爬坡强度随海拔和坡度增大而递减。由于城镇空间对农业空间、生态空间形成挤占、胁迫和抬升影响,使得耕地质量下降、水土流失等生态风险和隐患不容忽视。
兰州市“三生”空间重心具有相对独立而明显的位移。城镇空间重心移动幅度明显大于农业空间和生态空间。受到兰州新区开发建设的影响,工矿生产空间重心向北偏东方向迁23.63 km,城镇生活空间重心向北偏西方向移动14.50 km,均从安宁区迁移至皋兰县境内。其他生态空间(裸土地)重心向西偏北方向移动15.42 km,侧面印证了兰州市东南方向的榆中县和平镇、定远镇等地开发强度较大。耕地、林地、水域重心移动幅度较小,说明兰州市农业生产空间与主要生态空间的基本格局保持稳定。
2.3 “三生”空间转型的生态环境效应
“三生”空间因主导功能的差异,致使生态环境质量也存在客观差异,可以通过赋值方法确定各类用地的生态环境质量指数。结合表1信息可知,兰州市共有7种大小不等的生态环境质量指数。为便于进行生态环境质量的变化分析,将生态环境质量指数由低到高7个等级依次赋值为1~7,对应赋予1995年和2018年“三生”空间土地栅格,并用2018年的生态环境质量数据与1995年的生态环境质量数据进行栅格相减运算,将差值在[-2,+2]的像元分布区定义为生态环境质量稳定区,差值在[+3,+6]的像元分布区定义为生态环境质量改善区,差值在[-6,-3]的像元分布区定义为生态环境质量恶化区,结果见图2。
经计算可得,兰州市生态环境质量稳定区面积9 960.630 9 km2,约占土地总面积的96.44%,说明全市生态环境质量总体稳定。生态环境质量改善区面积为123.668 8 km2,约占土地总面积的1.20%; 生态环境质量恶化区面积为243.700 3 km2,约占土地总面积的2.36%。可以得知,兰州市“三生”空间转换面积比例较小,生态环境质量总体平稳,但在“三生”空间的边缘地带,生态改善和生态恶化两种趋势并存,生态改善区面积约为恶化区的50.76%。生态改善区主要分布在兰州市主城区南部皋兰山,榆中县夏官营与兴隆山,兰州新区西北部的上川镇—秦川镇西部; 生态恶化区主要分布在城关区北部的大沙坪、九州片区、青石片区,安宁区北部与北滨河路东段,皋兰县水阜镇、九和镇、黑石镇,以及兰州新区东南部的中川镇和西岔镇一带。全市生态环境质量总体呈现“南高北低”的格局态势,是因为主城区南部地势起伏较大,土地开发难度较大,保留了林草等生态空间,生态环境质量指数较高; 而主城区北部存在较多的房产开发项目和工业区项目,“削山造地”使得部分生态空间转为生产与生活空间,加之兰州新区的设立与开发,使得秦王川盆地部分农田和草地转为建设用地,因而北部的生态环境质量指数有所下降。
分析不同用地转换方式对生态环境质量变化的贡献,有助于河谷型城市生态风险管控与生态格局优化。研究表明,促进生态环境质量改善的主要行为因素依次为:(1)退耕还草(LEI=81.39%),广泛分布在黄土沟壑地区;(2)退耕还林(LEI=7.15%),集中分布在永登县大通河流域连城镇、河桥镇,兰州新区北部上川镇、西岔镇北部,榆中县宛川河流域夏官营镇、金崖镇、龙泉乡;(3)草地向林地自然演替(LEI=3.76%),主要分布在永登县连城自然保护区,吐鲁沟国家森林公园,榆中县兴隆山西部,永登县北部武胜驿镇山区;(4)荒山草被恢复(LEI=2.05%),分布在榆中县兴隆山区新营镇、甘草店镇,G30(连霍高速)北龙口沿线,以及永登县七山乡南部—苦水镇西部山区。致使生态恶化的主要行为因素依次为:(1)占草开耕(LEI=63.63%),广泛分布在黄土沟壑地区;(2)占草开工(LEI=9.83%),集中分布在兰州新区东南部,安宁区—皋兰县毗邻的部分房地产企业开发用地,皋兰县水阜镇、九和镇与黑石镇,以及城关区九州、青石片区等地;(3)占林开耕(LEI=4.66%),主要分布在永登县大通河谷两侧(连城镇、河桥镇)与庄浪河沿岸,红古区湟水河沿线,西固区柴家台,七里河区G75兰海高速北段及八里窑镇,榆中县兴隆山山麓局部地区。(4)草地退化(LEI=3.31%),主要分布在永登县苦水镇西部山区,榆中县清水驿乡东部山区,高崖镇,园子岔乡,以及城关区北部青石片区。