南昌市为江西省省会城市,位于江西中部偏北,地处赣江、抚河下游,鄱阳湖西南岸,位于东经115°27'—116°35'、北纬28°10'—29°11'。截至2018年,全市下辖6个区3个县,分别为东湖区、西湖区、青山湖区、青云谱区、湾里区、新建区和南昌县、进贤县、安义县。全市总面积7 194.61 km²,常住人口554.55万人,城镇人口411.64万人,城镇化率74.32%。地区生产总值5 274.67亿元,是江西省经济最发达的城市之一。2000—2017年,建成区面积增加了247.56 km²,林地草地面积共减少132.51 km²,农用地面积减少253.10 km²,可以看出伴随着工业化和城市化进程的快速推进,生态空间与生产空间、生活空间的冲突愈加明显,继而带来耕地后备资源不足和生态环境遭到破坏等问题,开展其“三生”空间研究具有较强的理论和实践意义。

本文的土地利用数据来源于南昌市2000年、2010年、2017年的Landsat TM/ETM影像,其空间分辨率为30 m×30 m,经过辐射校正、几何校正、图像配准以及人工目视解译得到3个年份的土地利用现状图,依据《土地利用现状分类》文件,进行地类划分。通过外业调查和随机抽取动态图斑进行重复判读相结合的方法评价分类精度,总体精度均85%以上,满足研究所需数据的精度要求。DEM数据来源于地理空间数据云平台,其空间分辨率为30 m,通过ArcGIS的3 DanalystTools工具提取出坡向和坡度因子。交通、水系分布数据来源于TM影像,对其进行数字化配准而得。社会经济数据来源于《南昌市统计年鉴(1995—2019年)》。

“三生”空间的分类与空间范围界定是“三生”空间研究以及其管理实践的基础。本文从区域层面,基于国土系统土地分类《土地利用现状分类2017》各类型用地的主导功能,结合行为主体的主观用地意图,同时参考江曼琦^[4]、张红旗^[7]和华吉庆^[15]等对“三生”空间分类的研究成果,来确定南昌市“三生”空间的分类体系(表1)。

表1 南昌市“三生”空间分类体系

土地利用动态度模型反映研究期间内不同的地类变化数量^[24],为更好地分析南昌市近20年来的各类空间的变化幅度,选用此模型来分析南昌市“三生”空间的数量变化特征。其计算公式如下:

式中:K_i表示研究期内某类土地的动态度; S_(i,t1),S_i,t2表示期初和期末某地类的面积; T表示研究时长。

土地转移矩阵,采用转移矩阵能反应研究期内南昌市各类空间相互转化的动态信息^[25]。土地利用转移矩阵形式为:

式中:S_ij表示由空间i转换成空间j的面积; i,j表示转移前后的空间类型; n表示空间类型数。

全局自相关Moran's I指数可反映区域空间是否相关,Moran's I指数的值域位于[-1,1]之间,I值越接近1,表明在空间分布上呈现出来的集聚效应越显著; I值越接近-1,表明在空间分布上呈现出来的趋异性越显著^[26]。为进一步研究各镇(街道)之间的集聚程度模式,采用局部空间自相关分析,创建研究年份南昌市镇域“三生”空间的LISA聚集图。

CLUE-S模型是由Peter Verburg团队在CLUE模型的基础上改进而来,是一个较好的模拟全局土地利用变化的模型^[27-28]。这一模型包括非空间分析模块和空间分配模块。非空间分析模块用于计算目标年研究区各地类的需求数量,需要借助外部模型或数学方法计算得到^[29]。空间分配模块是在输入土地需求参数的基础上,依据驱动因子的空间分布特征,对栅格单元的地类归属进行分配迭代,进而实现各年份地类的时空模拟。本文将模拟南昌市2030年3种情景下的分布,分别为:自然增长情景、生态保护情景及耕地保护情景,模型的相关参数设置见表2。

对比分析2000—2017年南昌市“三生”空间的空间分布及面积变化,生活空间集中分布在南昌市中部,并向赣江西岸扩展,生产和生态空间比较分散(图1)。生产空间面积比例和生态空间面积比例持续减少,生活空间面积比例持续增加,由3.78%增长到8.03%(图2)。“三生”空间及其二级分类在17 a之间的变化面积和速度见表3,南昌市生产空间面积由2000年的407 108.80 hm²减至2017年的393 547.90 hm²,动态度为-0.20%,面积相对保持稳定; 生活空间快速扩张,在17 a间增加了22 738.33 hm²,动态度达6.6%,生态空间呈减少趋势,减少了10 466.23 hm²,动态度为-0.36%。二级分类中,17 a间面积增长最快为工业生产空间,动态度为21.36%,面积减少最快为水域生态空间,动态度-0.21%。分时间段看,2000—2010年城镇生活空间增长最快,高达20.28%,其他变动幅度都不大; 2010—2017年工业生产空间变化增幅最大,达到44.73%。总体而言,17 a间南昌市前期以城市空间发展为主,后期以工业发展为主的动态发展模式。

表2 CLUE_S模型参数设置

图1 南昌市2000-2017年“三生”空间分布格局

图2 南昌市2000-2017年“三生”空间面积比例

本文从时间和空间的角度上分析了南昌市“三生”空间的演变特征,进而利用CLUE-S模型预测在自然增长情景、生态保护情和耕地保护情景下对南昌市2030年“三生”空间格局变化。主要结论如下:

(1)2000—2017年,南昌市“三生”空间变化趋势为生产空间和生态空间持续缓慢减少,生活空间持续显著增加。其二级分类的变动揭示出随着南昌市城镇化的加速推进,农村人口大量向城市人口转变,导致城镇生活用地向农村周围扩张,农业生产用地减少,呈现出生产空间向生活空间大量转变的局面; 赣江以西工业生产面积增加,呈现出生态空间大量向生产空间转变的局面。因此,在南昌市未来城市建设过程中,重点协调“三生”空间发展之间的矛盾,秉承规划优先的原则,严格控制城镇生活空间的增量,战略性保护生态空间及其多样性,对于基本农田,不仅要保证在占补过程中耕地数量相当,也要保证其质量相当,优先将高质、优质的耕地划入基本农田区域。

图6 南昌市2017年“三生”空间二级分类模拟

图7 南昌市2030年“三生”空间情景模拟布局

表6 南昌市2030年“三生”空间与2010年变化统计

(2)2000—2017年,南昌市“三生”空间存在空间正相关,进而对南昌市各镇域进行局部自相关分析,在17 a内,生活空间集聚的状态有弱化的趋势,生态空间在进贤县的高集聚地区也出现减少现象,生产空间的集聚状态没有太大变化。生产空间的集聚效应可以形成一种向心力,吸引经济活动向一定地区靠近,形成集约的高效城市,因此,南昌市应协调基本农田保护和建设发展的空间布局关系,促使农业生产和工业生产都形成强有力的集聚模式,以提高经济效率,发挥空间—经济的协调统一作用。

(3)经模拟验证,CLUE-S模型适用于模拟南昌市未来“三生”空间分布情况。与2010年相比,在自然增长情境中,生产和生态空间减少,在生态保护和耕地保护情境中,生活空间的面积均为持续增加,且与来南昌市的建设用地发展较为一致,均表现为生活空间扩张最明显的南昌县、新建县。3种模式下的差异呈现出生态空间由退化到优化,生活空间由沿江边建设到逐渐分布到其他地区,生产空间由没有规划到限制性发展的特点。此预测的不同结果体现出了政府空间规划及政策调节对空间演化的刚性指引力,为其进行规划修编并采取有效的预防措施提供参考依据。

本文的“三生”空间分类体系仅根据用地意图和参考前人的研究成果,主观意识较强,应结合相应的定性划分方法,对于“三生”空间的划分会更加精确。在选择影响因子进行模拟时,社会经济因素方面仅在县级程度上选取了人口密度、地区生产总值两种因子,在一定程度上可能会对模拟结果有所影响。今后研究方向可放在选取因素更加全面,精度更加准确。模型参数设置带有主观性,比如ELSA系数,是通过现有的成果和经验,通过不断调试确定的,其结果相对合理又具有局限性,因此对其参数设置需寻求更为科学合理的方法。