改革开放以来，中国经历了由计划经济向社会主义市场经济的转变，经济体制的转变伴随着快速工业化、城市化，大量人口向城市迁移，土地利用急剧变化给生态环境施加极大压力^[1-4]，土地利用/覆被变化(LUCC)一直备受学术界关注^[5]。受苏格兰地理学家Mather森林转型假说^[6]的启发，1995年Grainger^[7]提出土地利用转型的概念。我国学者龙花楼^[8]将其作为土地利用/覆被变化(LUCC)研究的新途径引入中国。土地利用转型是指在经济社会变化和革新的驱动下，一段时间内与经济和社会发展阶段转型相对应的区域土地利用由一种形态(显性形态和隐性形态)转变为另一种形态的过程^[9]。国外学者早期的研究重点主要集中在森林转型，主要包括森林转型影响因素^[10-12]、理论^[13]、假说等^[14]方面。而国内学者在理论假设^[15]、研究框架^[16]，土地利用转型的时空演变特征^[17]、驱动因素^[18]、生态系统服务价值^[19-20]、生态环境效应等^[21-22]方面进行深入系统研究。国内外学者在土地利用转型方面的研究成果进一步丰富了土地利用转型的内容，为后续相关研究提供借鉴参考。从研究尺度看，以往基于土地利用转型的生态环境质量研究主要以行政区作为研究单元，从而对尺度依赖性有所忽略。土地利用转型并非发生在行政区全部范围内，只涉及到区内局部地块^[23]，用行政区整体变化表征区域内各地块的变化情况稍有欠缺，会导致政策制定的针对性不强，从而使政策实施效果受到影响^[24]。因此，研究格网尺度下土地利用转型对生态环境质量的影响显得尤为重要，能为特定区域生态环境保护和土地资源可持续利用提供参考。

对广东省土地利用相关文献进行梳理后发现，前人研究重点主要集中在探究阶段特征^[25]、时空格局^[26]、驱动力^[27]、对生境的影响等^[28]方面，其中在土地利用转型部分，龚亚男等^[29]以各地级市作为研究单元，对广东省生态环境效应进行研究。广东省区域分异明显，经济差距大。因此探究广东省“三生”用地转型对生态环境质量的影响，对于统筹“三生”用地空间具有指导性作用。鉴于此，在分析广东省1980—2018年“三生”用地数量变化、结构转型、空间转型的基础上，基于格网尺度，借助ArcGIS中的热点分析，探明由“三生”用地转型导致生态环境质量变化的空间分布特征，并利用生态贡献率模型量化“三生”用地相互转化导致的生态环境质量的变化，为促进广东省以及类似省份土地利用精准调控和区域协调发展提供科学支撑。

1 数据来源与研究方法 1.1 数据来源

广东省土地利用数据来源于中国科学院资源环境科学数据中心(http://www.resdc.cn)，包含1980，1990，1995，2000，2005，2010，2015和2018年8期栅格数据，分辨率为1 km。其土地利用分类系统为2级，6个一级土地利用类型和25个二级土地利用类型。广东省行政边界数据来源于国家基础地理信息中心(http://ngcc.sbsm.gov.cn/)。

1.2 分类体系构建及指数赋值

由于同一地类具有多种功能，而清楚区分其利用功能内部情况具有一定难度，如城镇用地既是人们居住的载体，其内部的公园与绿地又具有生态功能，同时也能提供医疗、教育等服务，但一般而言，城镇用地主要是为人们提供居住和休憩的场所，因此基于土地利用主导功视角，将其归为生活用地。本研究在土地利用功能主导的“三生”用地分类相关研究^[30-32]的基础上，结合广东省实际情况，进行土地利用类型划分。同时，参考吕立刚等^[33]与李晓文等^[34]制定的主导功能分类下的二级土地利用生态环境质量值，利用面积加权法^[35]对生态环境质量进行修正，最终构建“三生”功能下土地利用的生态环境质量指数(表 1)。

1.3 “三生”用地转型分析模型 1.3.1 转移矩阵

转移矩阵用于表示土地利用转型的动态变化过程，其计算公式为：

$ {{\boldsymbol{S}}_{ij}}\left[ {\begin{array}{*{20}{c}} {{S_{11}}}&{{S_{12}}}& \cdots &{{S_{1n}}}\\ {{S_{21}}}&{{S_{22}}}& \cdots &{{S_{2n}}}\\ \vdots & \vdots & \vdots & \vdots \\ {{S_{n1}}}&{{S_{n2}}}& \cdots &{{S_{nn}}} \end{array}} \right] $

(1)

式中：S_ij为i地类转化为j地类的面积; n为土地利用类型数。

1.3.2 中心转移

识别某一要素的地理中心可通过计算平均中心实现，常用于追踪其空间分布情况。其计算公式为^[36]：

$ {\bar X_w} = \frac{{\sum\limits_{i = 1}^n {{W_i}{X_i}} }}{{\sum\limits_{i = 1}^n {{W_i}} }}, {\bar Y_w} = \frac{{\sum\limits_{i = 1}^n {{W_i}{Y_i}} }}{{\sum\limits_{i = 1}^n {{W_i}} }}, $

(2)

式中：(X_w, Y_w)为加权平均中心; W_i为地块的面积值; (X_i, Y_i)为经纬度坐标。

1.4 生态环境质量分析模型 1.4.1 生态环境质量指数

为探究广东省生态环境质量时空演变特征，以格网作为研究单元。相关研究中的格网单元常有1 km^[37]，2 km^[38]，3 km^[39]，4 km^[40]，5 km和10 km等^[41]，结合广东省实际情况，发现以3 km格网作为研究单元能够有效表征生态环境质量差异。生态环境质量指数可用于定量表示某区域生态环境质量的总体情况，其计算公式为^[34]：

$ {E_t} = \frac{{\sum\limits_{i = 1}^n {{S_i}{R_i}} }}{S} $

(3)

式中：E_t为某格网单元第t时期生态环境质量指数; S_i，R_i该格网单元t时期第i种土地利用类型的面积和生态环境质量指数; S为该格网单元总面积。

1.4.2 热点分析

热点分析是聚类分析方法之一，判断某一要素是否能成为具有统计显著性的热点或冷点，必须满足两个条件：①要素为高值/低值；②此要素邻近的其他要素亦为高值/低值，可通过计算Getis-Ord Gⁱ统计实现，其计算公式为^[42]：

$ G_i^ * = \frac{{\sum\limits_{j = 1}^n {{w_i}, {x_j} - \bar x\sum\limits_{j = 1}^n {{w_{i, j}}} } }}{{S\sqrt {n\sum\limits_{j = 1}^n {w_{i, j}^2 - {{\left( {\sum\limits_{j = 1}^n {{w_{i, j}}} } \right)}^2}} } }} $

(4)

$ S = \sqrt {\frac{{\sum\limits_{j = 1}^n {x_j^2} }}{n}} $

(5)

式中：G_i^*统计量为z得分; w_ij为要素i和j之间的空间权重; x_j为变量x在相邻配对空间点的取值; S为标准差。

1.4.3 生态贡献率

生态贡献率可用于量化各功能地类相互转化所导致的生态环境质量的改变，其计算公式为^[43]：

$ L = \frac{{\left( {{R_{t + 1}} - {R_t}} \right){S_c}}}{S} $

(6)

式中：L为某一土地利用变化类型生态贡献率; R_t+1, R_t分别为某种土地利用变化类型在末期和初期所赋予的生态环境质量指数; S_c为该变化用地的面积; S为区域总面积。

2 结果与分析 2.1 广东省“三生”用地转型分析 2.1.1 “三生”用地数量变化特征

对8期土地利用数据进行可视化表达，得到广东省“三生”用地空间分布情况(图 1)。从图 1可以看出，1980—2018年生态用地均为广东省主要用地类型。从二级地类看，在广东省分布最广泛的地类是林地生态用地和农业生产用地，其中，粤北是林地生态用地的主要分布地区，粤西是农业生产用地的主要分布地区。城镇生活用地主要分布于珠江三角洲地区，而粤东西北地区的城镇生活用地较少，但分布较为集中。对8期土地利用数据进行统计分析，得到广东省“三生”用地面积及其变化情况(表 2)，在此基础上分别与广东省行政边界数据进行叠加分析，得到各地级市“三生”用地面积及其变化情况。

从表 2可知，38 a来广东省“三生”用地总体变化特征表现为农业生产用地、牧草、林地及其他生态用地、农村生活用地面积减少，其中农业生产用地大幅度减少，面积从1980年的47 779.16 km²降至2018年的42 409.55 km²，共计减少5 369.61 km²。城镇生活用地、工矿生产用地、水域生态用地面积增加，其中城镇生活用地和工矿生产用地大幅度增加，面积分别扩大了4 526.02 km²和2 406.93 km²。从各地级市来看，广州和东莞为1980—2018年农业生产用地减少最为明显的地区，农业生产用地面积分别从2 883.78 km²和893.99 km²减少至2 101.00 km²和301.15 km²，分别减少了782.78 km²和592.84 km²，减少幅度分别为27.14%，66.31%。佛山和惠州为1980—2018年工矿生产用地增加最明显的地区，面积分别从42.93 km²和86.40 km²增加至347.22 km²和336.13 km²，对应年均增长率分别为5.81%和3.74%。所有地级市的城镇生活用地均有明显增加，其中东莞、广州、深圳和佛山市最显著。

2.1.2 “三生”用地结构转型特征

将1980年和2018年土地利用数据进行叠加分析后，得到1980—2018年广东省“三生”用地转移矩阵(表 3)，在此基础上与广东省行政边界数据进行叠加分析，得到各地级市“三生”用地转移矩阵。从表 3可以看出1980—2018年，广东省“三生”用地发生动态变化的面积为62 813.09 km²，占总面积的33.30%。按照“三生”用地类型统计，农业生产用地、林地生态用地土地转型最为强烈，分别有24 818.16 km²和21 587.82 km²的农业生产用地、林地生态用地转化为其他用地类型，对应变化率分别为51.94%和20.14%；其中转化为林地生态用地的农业生产用地占比29.53%，转化为农业生产用地的林地生态用地占比12.51%，两者相互转换情况显著。分别有4 861.22 km²和2 995.87 km²的其他用地类型转化为城镇生活用地、工矿生产用地，两者面积增加量最大，且主要来源于农业生产用地和林地生态用地。从各地级市来看，清远、湛江、韶关和梅州土地利用动态变化最明显，变化面积分别为5 967.45，5 447.07，5 443.11 km²和4 447.51 km²，分别占总面积的31.34%，44.15%，29.56%和28.03%。

2.1.3 “三生”用地空间转型特征

通过中心转移模型，计算出广东省几何中心及不同年份“三生”用地中心，广东省几何中心位于广州市白云区东北方，1980—2018年农业生产用地、牧草生态用地、农村生活用地中心在空间上较为集中，说明研究期内其区域差异不明显；而工矿生产用地、林地及其他生态用地、城镇生活用地中心在空间上较为分散，表明其区域存在明显差异。农业生产用地中心均位于广东省几何中心的西南方，中心转移主要在西北方向上展开，其空间分布不均衡性有所增加。工矿生产用地中心移动方面，由于1980—2018年粤北地区工矿生产用地面积增幅(566.88 km²)较粤西地区(95.95 km²)大，工矿生产用地中心总体向东北方向迁移，并逐渐向何中心靠近，表明其空间分布均衡性有所增加。林地生态用地中心逐渐靠近广东省几何中心，表明林地生态用地空间分布不均衡性有所缓和。牧草生态用地中心均位于几何中心的东北方，中心迁移在西北方向上进行。水域生态用地中心均位于几何中心的西南方，2018年向东北方向大幅度迁移，主要是佛山水域生态用地面积急剧减少(376.36 km²)，但其空间分布不均衡的现象得到一定改善。其他生态用地中心位于几何中心的西南方，由于粤东、粤北地区其他生态用地均减少，而粤西地区增加，中心转移主要在西南方向上展开。城镇生活用地中心均位于广东省几何中心的东南方，经向移动0.13°，纬向移动0°，表明城镇生活用地区域差异扩大的方向主要在东西方向上进行，2018年中心较1980年与广东省几何中心的距离有所增加，表明其空间分布不均衡性有所减少。农村生活用地中心均位于几何中心的西南方，2018年农村生活用地中心位于1980年的西南方，转移主要在西南方向上展开。

2.2 广东省生态环境质量分析 2.2.1 生态环境质量时空分异特征

以3km格网作为研究单元，通过生态环境质量指数模型，得到1980—2018年广东省各地级市生态环境质量情况(表 4)，在此基础上利用自然断点法，得到1980—2018年广东省生态环境质量时空演变情况(图 2)，从图 2可以看出，广东省生态环境质量存在明显的“内陆高—沿海低”的空间分布特征，即内陆地区为海拔较高的生态环境质量高值区，主要地类为林地生态用地、牧草生态用地，沿海地区为地势较为平坦的生态环境质量低值区，主要地类为农业生产用地、生活用地。从表 4可知，广东省内仅1/3地级市的生态环境质量优于省内平均值。河源、梅州、肇庆、韶关的生态环境质量大于0.7，明显高于其他区域，是因为这些地级市具有良好的自然生态本底，林地生态用地占比均大于75%，对于城镇生活用地及工矿生产用地的扩张起到了一定的平衡作用，但2018年生态环境质量较1980年仍有所降低。而中山、东莞、佛山的生态环境质量较低，一方面是由于其自然生态本底以生态环境质量指数较低的农业生产用地为主，另一方面是城镇生活用地及工矿生产用地所占比重较大。1980—2018年广东省生态环境质量发生明显变化，其中湛江、阳江表现为生态环境质量上升，分别从0.481 6，0.633 4上升至0.490 9，0.632 8，因为林地生态用地的增加，生态环境恶化情况得到缓和；由于农业生产用地、生态用地被城镇生活用地、工矿生产用地大量占用，导致深圳、东莞、佛山是生态环境质量出现明显下降，分别下降了0.116 5，0.096 7，0.052 2。

2.2.2 生态环境质量变化热点分布特征

通过ArcGIS中的热点分析，得到1980—2018年广东省生态环境质量变化热点区空间分布格局(图 3)，选取的冷热点均在95%以上置信度内具有统计显著性，从图 3可以看出除1980—1990年外，其他各阶段冷点区面积都大于热点区，与表 4的结果相吻合。从热点区来看，各阶段的热点区分布均较为分散，主要集中在粤北、粤西、粤东地区，出现这一现象主要原因是部分农业生产用地退耕还林。

根据冷点区分布情况看，各阶段的冷点区主要分布于珠江三角洲地区，且分布较为集中，主要是经济效益推动下，城镇生活用地、工矿生产用地不断扩张，给生态环境带来极大压力。从整体来看，1980—2018年广东省生态环境质量增值热点区主要分布在湛江，冷点区主要分布在深圳、东莞、广州、佛山，呈现连片状分布。

2.2.3 “三生”用地转型对生态环境质量的影响

广东省生态环境质量改善和恶化两种趋势同时存在，并在一定程度上能够相互抵消，从而使整体生态环境质量维持在稳定水平。

根据生态贡献率模型计算出1980—2018年期间广东省导致生态环境改善和恶化的主要“三生”用地转型和贡献率(表 5)，从表 5可以看出，农业生产用地退耕还林是广东省生态环境质量改善的主要原因，占到生态贡献率的62.82%，牧草及水域生态用地、农村生活用地和工矿生产用地转化为林地生态用地对生态环境的改善也起到了积极作用，占到生态贡献率的33.40%，农村生活用地、水域生态用地及牧草生态用地转化为农业生产用地对生态环境改善有一定的贡献。而林地生态用地被非林地生态用地占用是促使广东省生态环境恶化的主要原因，占比91.38%，农业生产用地转化为城镇生活用地和农村生活用地对生态环境质量的降低影响较小，但也是导致生态环境恶化的原因之一。

3 讨论与结论 3.1 讨论

本文基于“三生”用地转型分析模型，探究“三生”用地结构及空间转型特征；借助生态环境质量分析模型，计算不同年份各地级市生态环境质量，刻画生态环境质量时空分布特征及生态环境质量变化热点分布特征，探讨“三生”用地转型对生态环境质量的影响，为区域协调发展及土地资源可持续利用提供一定参考。

在生态环境质量分析部分，基于格网对生态环境质量进行计算，其结果与前人的研究成果基本一致^[44]，但以格网作为评价单元的生态环境质量与以行政区作为研究单元的结果有细微差别^[29]，与以行政区作为研究单元的结果相比，生态环境质量变化趋势一致，但广东省整体生态环境质量偏高，而各地级市偏低，主要是行政区边界不规整带来的影响。考虑图幅问题以及能够使生态环境质量空间差异性最大化^[4]，选择3 km格网作为评价单元，然而生态环境质量具有很强的尺度依赖性，选择的研究尺度不同，得到结果不同^[41]。因此，生态环境质量会因为选取的研究尺度不同而得到不同的结果。

1980—2018年农业生产用地和城镇生活用地转型明显。其中，农业生产用地面积大幅度减小，一方面主要是转化为林地生态用地，与退耕还林相关政策颁布实施有关；另一方面是被工矿生产用地、城镇生活用地和农村生活用地占用，主要是经济高速发展以及人口的急剧增加，对土地的需求日益增长，导致农业生产用地被占用。城镇生活用地面积大幅度增加，且主要来源于农村生活用地，由于城镇生活用地的经济效益要远高于农业生产用地，大量的农业人口转为非农业人口，都在一定程度上加剧了农业生产用地向城镇生活用地的转化。

生态环境质量变化的主要原因是高生态环境质量指数的地类与低生态环境质量指数的地类相互转化，其中林地生态用地转化为其他非林地生态用地是生态环境质量恶化的原因，而非林地生态用地转化为林地生态用地是生态环境质量改善的原因。

基于格网尺度，分析不同空间区位上生态环境质量变化，能够为广东省土地利用精准调控提供技术支撑，提取生态环境质量提高及下降明显区域，能够制定有针对性的政策措施，使政策实施力度得到有效提高。但由于“三生”用地分类是基于土地利用主导功能进行的，并未探讨同一地类各功能的比例情况，测算出的各地类环境质量精度仍需提高。未来可对土地利用功能进行细化，并结合区域实际情况对生态环境质量指数进行修正，得到更为精确的生态环境质量。同时生态环境质量结果可与区域经济、社会数据相结合，探寻生态环境质量良好且经济发展水平较高的区域，对此区域的发展模式等方面进行系统研究，为其他区域实现绿色发展提供经验。

3.2 结论

(1) 1980—2018年广东省“三生”用地转型明显。从“三生”用地数量变化看，城镇生活用地、工矿生产用地、水域生态用地增加，伴随着农业生产用地、牧草、林地及其他生态用地、农村生活用地减少。从“三生”用地结构转型看，农业生产用地与林地生态用地相互转换面积最大。从“三生”用地空间转型看，农业生产用地、城镇生活用地空间分布均衡性有所减少，而工矿生产用地、林地生态用地空间分布均衡性有所增加。

(2) 1980—2018年广东省生态环境质量变化明显，自1990年增加后逐年递减。从生态环境质量时空分异看，生态环境质量总体呈现“内陆高—沿海低”的分布特征；按照地级市统计，河源、梅州、肇庆、韶关的生态环境质量位于前列，而中山、东莞、佛山排名靠后，且深圳、东莞、佛山的生态环境质量降幅大，应引起重视。从生态环境质量变化热点分布看，冷点区主要集中在珠江三角洲地区，热点区则分布在粤东西北的少部分区域。

(3) 1980—2018年广东省生态环境改善和恶化两种趋势并存，农业生产用地退耕还林是广东省生态环境改善的主导因素，而林地生态用地被农业生产用地和牧草生态用地占用则是生态环境恶化的重要因素。

3.3 建议

广东省生态环境质量呈现下降趋势，反映了工业化、城市化等因素给生态环境带来了负面影响^[45]。广东省生态环境质量区域差异显著，未来应对不同区域提出具有针对性的发展模式。对生态环境质量低值区应进行区域联合整治，保证区域经济稳定发展的同时，对现存的生态环境问题进行治理，生态保护与经济发展两手抓，坚守生态保护红线，实现区域可持续发展；对生态环境质量高值区则需带动其发展，与低值区相比，其基础设施相对滞后，交通可达性较低值区低，对其发展有所制约。因此因地制宜制定土地利用政策，对土地利用方式进行精准调控，有利于实现土地资源可持续利用与区域协调发展。