喀斯特山區(qū)城鄉(xiāng)建設用地時空演化特征分析

喬寶

摘要： 基于2008、2013、2018年的3期土地利用數(shù)據(jù)，利用城鄉(xiāng)建設用地核密度和動態(tài)度模型并結合GIS空間分析方法，以貴州省普定縣為例研究喀斯特典型山區(qū)城鄉(xiāng)建設用地的時空演化特征。研究表明：（1）普定縣城鄉(xiāng)建設用地數(shù)量演化劇烈且表現(xiàn)為階段性特征，其中城鎮(zhèn)村及工礦用地占比和演化較快;（2）演化的空間特征表現(xiàn)為顯著的區(qū)域分異，主城區(qū)及其附近鄉(xiāng)鎮(zhèn)演化最快、偏遠山區(qū)鄉(xiāng)鎮(zhèn)演化緩慢，演化方向由主城區(qū)向東南和西南方向展開;（3）空間關聯(lián)下普定縣城鄉(xiāng)建設用地演化的空間集聚程度更為明顯，演化動態(tài)度熱點區(qū)域表現(xiàn)為交通和經濟指向，由主城區(qū)東南部向北部和西部衰減，交通、人口、經濟發(fā)展以及生態(tài)保護等是其演化的驅動因素。研究結果能夠為喀斯特山區(qū)可持續(xù)發(fā)展、國土空間規(guī)劃和土地資源優(yōu)化配置提供科學依據(jù)和決策參考。

關鍵詞： 城鄉(xiāng)建設用地;時空演化;普定縣

【中圖分類號】 F301【文獻標識碼】A【文章編號】1674-3733（2020）16-0264-03

新時代喀斯特山區(qū)土地利用的主要特征表現(xiàn)為城鄉(xiāng)建設用地的急劇演化，其演化規(guī)律特征是全球人地關系及可持續(xù)發(fā)展研究熱點[1]。城鎮(zhèn)化和工業(yè)化需以土地作為空間載體，隨著工業(yè)化、城鎮(zhèn)化的推進和社會經濟的快速發(fā)展，城鄉(xiāng)建設用地不斷擴張已成為新時代土地利用/覆被變化（LUCC）的主要特征[2]。不同時期各種人類活動與功能組織在城鄉(xiāng)地域上的空間疊加直接表現(xiàn)為城鄉(xiāng)建設用地的擴張，是人類活動與地理環(huán)境相互作用的綜合體[3]。全球土地利用與覆蓋變化的普遍趨勢表現(xiàn)為建設用地擴張（包括城市或建制鎮(zhèn)、農村居民點、獨立工礦、交通運輸、水域及水利設施等非農建設用地）以及由此帶來的農用地轉換[4]。

文獻檢索表明，城鄉(xiāng)建設用地時空演化研究近年來得到學術界的普遍重視。國外研究集中于城鄉(xiāng)建設用地變化及其驅動力，1995年，“全球環(huán)境變化的人文領域計劃”（IHDP）和“國際地圈與生物圈計劃”（IGBP）共同擬定并發(fā)表了《土地利用/土地覆蓋變化科學研究計劃》，將研究的重點定為土地利用變化機制、土地覆蓋變化機制、建立區(qū)域和全球尺度模型[5]。此后，以人地耦合關系為核心的土地利用研究成為國外學者關注的焦點領域。但是，相關研究主要體現(xiàn)在城市土地利用研究中，以經濟、人口、政策要素分析城市擴張機制尤其受關注[6，7]。相比而言國內研究總體起步較晚，改革開放以后中國社會經濟快速發(fā)展，城市化、工業(yè)化進程加快，土地資源利用處于快速的變化過程中，國土空間開發(fā)普遍存在開發(fā)利用的低效浪費和違背空間屬性的盲目開發(fā)現(xiàn)象。研究內容主要聚焦在城市（鎮(zhèn)）擴張[8，9]、農村居民點用地變化[10]、城鄉(xiāng)建設用地增減掛鉤[11，12]等方面，以及人口、社會、經濟、政策及景觀生態(tài)等因素對城鄉(xiāng)建設用地的驅動力分析[13，14]?，F(xiàn)有研究聚焦城市建設用地的擴張與驅動機制，為本文提供了豐富的經驗借鑒，但研究尺度上以長江三角洲、珠江三角洲和京津冀等城市群為主體，鮮有學者分析山區(qū)特別是喀斯特山區(qū)的城鄉(xiāng)建設用地時空演化，方法上缺乏系統(tǒng)性和整體性，較少顧及城鄉(xiāng)建設用地的內部空間關聯(lián)性。

根據(jù)《全國土地利用總體規(guī)劃綱要（2006-2020年）》，鄉(xiāng)村人口大量減少的同時農村居民點用地卻增加了近11.75萬hm2。建設用地尤其是宅基地呈現(xiàn)出面積超標、一戶多宅、大量閑置低效利用的現(xiàn)象[15]，且隨著農村人口的非農化轉移，農村陷入了村莊空心化與“人減地增”并存的怪圈[16]。城鎮(zhèn)工礦用地和農村居民點用地同時增加占用了大量寶貴的農用地特別是耕地資源，這與中國人口多、人均土地占有量和人均耕地占有量少、耕地后備資源不足的土地資源基本國情嚴重不符。為了充分、合理地利用城鄉(xiāng)土地資源，遏制城鎮(zhèn)建設用地的盲目擴張和鄉(xiāng)村建設用地隨人口減少而增加的問題，有必要系統(tǒng)探討城鄉(xiāng)建設用地時空演化規(guī)律，實現(xiàn)城鄉(xiāng)土地、人口與資金要素的良性互動，促進城鄉(xiāng)建設用地優(yōu)化配置[17]。鑒于此，本文以喀斯特典型山區(qū)貴州省普定縣城鄉(xiāng)建設用地為對象，基于ArcGIS10.5空間分析功能著重分析其時空演化特征，對緩解建設用地供需矛盾、提高其利用效率具有十分重要的現(xiàn)實意義。

1研究區(qū)域、數(shù)據(jù)與方法

1.1研究區(qū)概況

普定縣位于貴州省中部偏西，隸屬安順市，北抵織金縣、西接六枝特區(qū)、南靠鎮(zhèn)寧縣、東鄰西秀區(qū)和平壩區(qū)，南北寬40 km、東西長51 km，國土面積1080 km2。普定縣氣候宜人，屬于亞熱帶高原季風濕潤氣候，區(qū)內冬無嚴寒、夏無酷暑，氣候溫和、雨量充沛，境內地勢東北西高向南敞開，平均海拔1355.72 m（圖1）。截至2018年年底，轄12個鄉(xiāng)鎮(zhèn)（街道），55個社區(qū)、120個行政村，居住著漢、苗、布依等民族，總人口51.28萬人;完成地區(qū)生產總值124.89億元，同比增長105%，其中一產、二產、三產增加值分別為19.58億元、5149億元、53.82億元;全縣城鄉(xiāng)建設用地7033.29 hm2，其中建制鎮(zhèn)1862.12 hm2、農村居民點2528.37 hm2、采礦用地34029 hm2、風景名勝及特殊用地166.92 hm2、交通運輸用地601.99 hm2、水域及水利設施用地1533.59 hm2，占城鄉(xiāng)建設用地比率分別為26.48%、35.95%、4.84%、2.37%、856%、21.80%。

圖1研究區(qū)區(qū)位與地形分布圖

1.2數(shù)據(jù)來源與處理

本文以2008、2013、2018年共3期土地利用現(xiàn)狀信息為主要數(shù)據(jù)源，進行喀斯特山區(qū)城鄉(xiāng)建設用地時空演化分析，城鄉(xiāng)建設用地數(shù)據(jù)來源于2008、2013、2018年覆蓋普定縣的Landsat TM數(shù)字影像解譯;行政區(qū)劃數(shù)據(jù)來源于國家科技基礎條件平臺—國家地球系統(tǒng)科學數(shù)據(jù)中心（http：//www.geodata.cn/），地形數(shù)據(jù)來自地理空間數(shù)據(jù)云（http：//www.gscloud.cn/）;社會、經濟、人口數(shù)據(jù)來源于《普定縣統(tǒng)計年鑒（2008～2018）》、政府工作報告和城建等相關資料。參考土地利用現(xiàn)狀分類系統(tǒng)（GB/T21010-2007）以及喀斯特山區(qū)土地利用方式特點將將城鄉(xiāng)建設用地劃分為建制鎮(zhèn)用地、農村居民點、采礦用地、風景名勝及特殊用地、交通運輸用地、水域及水利設施用地。運用ArcGIS10.5構建不同時期土地利用現(xiàn)狀數(shù)據(jù)庫和生成建設用地專題圖。近十年來普定縣行政區(qū)劃變動較多，特別是近年來對龍場鄉(xiāng)和城關鎮(zhèn)行政區(qū)劃進行了較大調整，增設了定南街道、玉秀街道和黃桶街道，為確保數(shù)據(jù)的可比性，以2008年行政區(qū)劃為基準（共11個鄉(xiāng)鎮(zhèn)級行政單元），對2018年相關數(shù)據(jù)進行整合。

1.3研究方法

1.3.1核密度估計

核密度估計（kernel density estimation）是概率論中估計未知的密度函數(shù)，該方法借助移動的單元格對點或線格局的密度進行估計，有效刻畫空間單元要素的集聚密度態(tài)勢[18]。通過對每個要素點建立平滑圓形表面，兼顧不同位置聚集強度的差異性和連續(xù)性，計算其到參考位置的距離，然后對參考位置的所有表面值求和，建立這些點的峰值或核來創(chuàng)建平滑的連續(xù)表面。核密度值隨中心輻射距離增大而衰減，有效測度空間分布的位置與強度關系：

（1）式中，f（x，y）為空間位置（x，y）處的密度估計，

為核函數(shù)，di為位置（x，y）距第i個觀測點的距離，n為樣本點數(shù)，h為帶寬或平滑參數(shù)。

1.3.2城鄉(xiāng)建設用地動態(tài)度

隨著社會經濟的發(fā)展，城鄉(xiāng)建設用地總規(guī)模隨用地需求的增加在不斷增長。采用“建設用地動態(tài)度”揭示城鄉(xiāng)建設用地擴張的強度差異，單位為%/yr。其中計算公式為：

（2）式中，Si為監(jiān)測開始時間城鄉(xiāng)建設用地總面積;ΔSij為監(jiān)測開始至監(jiān)測結束時段內城鄉(xiāng)建設用地轉化為其他土地利用類型的面積總和;t為時間段;動態(tài)度K反映了與t時段對應的研究區(qū)建設用地變化的劇烈程度。

1.3.3ESDA空間關聯(lián)模型

為進一步評價城鄉(xiāng)建設用地動態(tài)度的空間關聯(lián)格局，在整體上把握其區(qū)域分異的內在規(guī)律，引入探索性空間數(shù)據(jù)分析全局MoranI指數(shù)進行定量模擬。聯(lián)系強度高低值集聚狀態(tài)由MoranI值的正負體現(xiàn)，為正表示在空間上顯著集聚，反之表明該區(qū)域的供需聯(lián)系水平與周圍地區(qū)差異顯著[19]。不同空間位置的低值簇和高值簇由識別：的數(shù)學期望和方差，城鄉(xiāng)建設用地動態(tài)度冷熱點區(qū)分布可通過Z（

2結果與分析

2.1城鄉(xiāng)建設用地演化規(guī)模數(shù)量特征

近十年來普定縣城鄉(xiāng)建設用地增加較快，由2008年的4971.25 hm2增加到2013年的5816.62 hm2，再增加到2018年的7033.29 hm2，十年間增加了2062.04 hm2，增長幅度為41.48%。其中，2008年城鎮(zhèn)村及工礦用地、交通運輸用地、水域及水利設施用地占比分別為66.29%、2.87%、30.84%，2013年占比分別為66.23%、6.95%、26.82%，2018年占比分別為69.64%、8.34%、21.80%，城鎮(zhèn)村及工礦用地占比最大且增長最快，交通運輸用地增長相對緩慢，水域及水利設施用地占比降低了9.03%;增長規(guī)模較大的鄉(xiāng)鎮(zhèn)有城關鎮(zhèn)、白巖鎮(zhèn)和馬官鎮(zhèn)，分別增長了1007.52 hm2、466.10 hm2、347.04 hm2，增長幅度分別為62.17%、146.40%、56.67%;增長規(guī)模較小的鄉(xiāng)鎮(zhèn)有馬場鎮(zhèn)、補郎苗族鄉(xiāng)和候場苗族仡佬族鄉(xiāng)，僅僅分別增長了13.17 hm2、16.11 hm2、17.87 hm2，增長幅度分別為5.83%、5.68%、12.36%（表1）。

2.2城鄉(xiāng)建設用地演化空間格局特征

利用公式（1）對普定縣城鄉(xiāng)建設用地空間格局進行測度，發(fā)現(xiàn)2008年時城鄉(xiāng)建設用地主要以夜郎湖水庫和主城區(qū)為主，集中分布于太平農場至夜郎湖水庫一帶;2013年城鄉(xiāng)建設用地在主城區(qū)朝西南和東南方向擴張明顯，到2018年因承接安順市區(qū)工業(yè)產業(yè)轉移和開發(fā)區(qū)建設，城鄉(xiāng)建設用地繼續(xù)沿安（順）普（定）大道擴張，除了主城區(qū)以外白巖鎮(zhèn)城鄉(xiāng)建設用地增長最為劇烈，其余鄉(xiāng)鎮(zhèn)城鄉(xiāng)建設用地空間分布格局變化則較為平緩;整體上看，普定縣城鄉(xiāng)建設用地演化將主要圍繞主城區(qū)進行，其時空演化具有明顯的階段性特征和區(qū)域分異特征，2013～2018年的增長速度高于2008～2013年的增長速度，演化方向由主城區(qū)向東南和西南方向展開，與普定縣近年來的經濟發(fā)展方向和城鎮(zhèn)發(fā)展戰(zhàn)略相吻合，周圍山區(qū)鄉(xiāng)鎮(zhèn)因為交通不便、人口稀疏和承擔生態(tài)環(huán)境保護功能的需要，近年來城鄉(xiāng)建設用地規(guī)模較少（圖2）。

利用公式（2）得到普定縣各鄉(xiāng)鎮(zhèn)城鄉(xiāng)建設用地動態(tài)度，利用自然間斷點分級法（Jenks）得到其空間分布格局（圖3a、圖3b）。可以看到，普定縣2008～2013年城鄉(xiāng)建設用地演化動態(tài)度由白巖鎮(zhèn)向北、向西遞減，城關鎮(zhèn)2008～2013年動態(tài)度相對回落，馬官鎮(zhèn)動態(tài)度提升較快，表明近十年來普定縣主城區(qū)以及其東南部的白巖鎮(zhèn)和西南部的馬官鎮(zhèn)城鄉(xiāng)建設用地演化強度較為劇烈，城鄉(xiāng)各項建設活動占用土地規(guī)模較大，建設用地與其他用地類型轉化較多。

2.3城鄉(xiāng)建設用地動態(tài)度空間關聯(lián)特征

借助探索性空間數(shù)據(jù)分析（ESDA）揭示連續(xù)變化的城鄉(xiāng)建設用地內部空間結構演化格局，分析空間關聯(lián)性和異質性，其本質以關聯(lián)測度為核心探測動態(tài)度的空間異常和集聚。經測算，普定縣2008～2013年、2013～2018年動態(tài)度的Morans I均為正，分別為0.069097、0.226223，結果為正值（表1）。檢驗結果較為顯著，表明普定縣城鄉(xiāng)建設用地演化存在較強的空間關聯(lián)，屬于集聚分布格局。其中，2013～2018年動態(tài)度的Morans I值明顯大于2008～2013年動態(tài)度的Morans I值，表明2013～2018年普定縣城鄉(xiāng)建設用地演化的關聯(lián)性更強，主城區(qū)以及白巖鎮(zhèn)、馬官鎮(zhèn)的城鎮(zhèn)擴張和用地需求帶動了周圍其他鄉(xiāng)鎮(zhèn)建設用地需求的增長。

為進一步在局部空間上確定城鄉(xiāng)建設用地演化集聚位置和區(qū)域關聯(lián)程度，計算城鄉(xiāng)建設用地時空演化動態(tài)度的空間關聯(lián)指數(shù)Getis-Ord G*i探明其內部分異規(guī)律（圖3c、圖3d）。空間關聯(lián)下普定縣城鄉(xiāng)建設用地演化的空間集聚程度更為顯著，2008～2013年、2013～2018年動態(tài)度的熱點區(qū)域均表現(xiàn)為明顯交通和經濟指向，由主城區(qū)東南部的白巖鎮(zhèn)和馬官鎮(zhèn)等地向北部和西部衰減;冷點區(qū)域位于北部和西部山區(qū)，該區(qū)域人口分布較少，交通發(fā)展相對滯后，經濟發(fā)展速度較為緩慢且因為夜郎湖水庫淹沒區(qū)承擔生態(tài)環(huán)境保護功能，城鄉(xiāng)建設用地需求較少、轉變較慢，與上文分析結果一致。由此可見，人口規(guī)模、交通發(fā)展、地形地勢、經濟建設和生態(tài)保護等因素對喀斯特山區(qū)城鄉(xiāng)建設用地演化的空間格局產生較大影響。

3結論與討論

3.1研究結論

（1）近十年來普定縣城鄉(xiāng)建設用地增長速度較快，其中城鎮(zhèn)村及工礦用地占比最大且增長最快，演化的規(guī)模呈現(xiàn)顯著的區(qū)域分異特征，城關鎮(zhèn)、白巖鎮(zhèn)和馬官鎮(zhèn)等鄉(xiāng)鎮(zhèn)增長規(guī)模較大，馬場鎮(zhèn)、補郎苗族鄉(xiāng)和候場苗族仡佬族鄉(xiāng)等鄉(xiāng)鎮(zhèn)增長規(guī)模較小。

（2）整體上看，普定縣城鄉(xiāng)建設用地演化將主要圍繞主城區(qū)進行，其時空演化具有明顯的階段性特征且演化方向由主城區(qū)向東南和西南方向展開，除了主城區(qū)以外白巖鎮(zhèn)城鄉(xiāng)建設用地增長最為劇烈，北部和西部山區(qū)鄉(xiāng)鎮(zhèn)城鄉(xiāng)建設用地空間分布格局變化則較為平緩，與普定縣近年來的經濟發(fā)展方向和城鎮(zhèn)發(fā)展戰(zhàn)略相吻合。

（3）間關聯(lián)下普定縣城鄉(xiāng)建設用地演化的空間集聚程度更為顯著，動態(tài)度的熱點區(qū)域表現(xiàn)為明顯交通和經濟指向，由主城區(qū)東南部的白巖鎮(zhèn)和馬官鎮(zhèn)等地向北部和西部衰減。人口規(guī)模、交通發(fā)展、地形地勢、經濟建設和生態(tài)保護等自然人文因素對喀斯特山區(qū)城鄉(xiāng)建設用地演化的空間格局產生較大影響。城鎮(zhèn)化和工業(yè)化進程加速的同時也暴露出建設擴張占用耕地的現(xiàn)象較為嚴重、城鎮(zhèn)建設用地集約利用水平低下等問題，這些問題的長期存在勢必會影響喀斯特山區(qū)城鄉(xiāng)社會經濟可持續(xù)發(fā)展。

3.2研究討論

本研究通過核密度和動態(tài)度模型分析城鄉(xiāng)建設用地的時空演化，測算結果層次分明、符合實際、科學精確;冷熱點探測可更好分析區(qū)域內部差異，展現(xiàn)空間刻畫能力，為深入探究城鄉(xiāng)建設用地時空演化規(guī)律，識別用地存在的問題提供了案例基礎。然而研究并未考慮城鎮(zhèn)建設用地和鄉(xiāng)村建設用地的時空耦合特征，也未分析城鄉(xiāng)建設用地演化的驅動機制，有待進一步深入探討。

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