王奕璇,張志斌,王仁慈
(西北師范大學地理與環(huán)境科學學院,甘肅 蘭州 730070)
土地是人類賴以生存和發(fā)展不可或缺的重要基礎,是由自然因素與人文因素共同作用形成的自然—經濟綜合體[1].土地利用變化是人類活動作用于自然生態(tài)最直接客觀的反映[2].自“國際地圈與生物圈計劃(IGBP)”和“全球變化人文因素計劃(IHDP)”兩大組織共同制定的《土地利用/土地覆被變化科學研究計劃》發(fā)布以來,土地利用變化始終是地理學研究的熱點[3-4].目前,國內外關于土地利用時空演變的研究主要集中于:區(qū)域全部土地、分地類土地和城市空間形態(tài)特征三方面[5-8],且當前土地利用數(shù)據(jù)多來源于遙感影像數(shù)據(jù),基于地理國情監(jiān)測數(shù)據(jù)開展的土地利用變化分析相對較少,主要集中于:城市擴張及建設用地變化監(jiān)測[9-10]、區(qū)域土地利用變化分析[11-12]以及生態(tài)環(huán)境效益評價[13-14]等.總體來看,國內外土地利用變化研究已取得了豐碩的成果,主要側重于發(fā)達城市及區(qū)域層面土地利用的動態(tài)監(jiān)測及分析,而對自然條件嚴酷、生態(tài)環(huán)境脆弱的西北內陸國家級新區(qū)土地利用變化的研究相對較少.
國家級新區(qū)作為國家空間戰(zhàn)略序列中級別最高的綜合功能區(qū),既是我國產業(yè)發(fā)展與升級的聚集地,同時也是區(qū)域經濟發(fā)展的關鍵增長極,具有十分重要的戰(zhàn)略地位.蘭州新區(qū)作為西北第一個國家級新區(qū),擁有鐵路和空港雙重樞紐優(yōu)勢,不論是在帶動中心城區(qū)功能疏解、周邊區(qū)域深度融合和省域社會經濟的快速發(fā)展,還是在深入推進西部大開發(fā)、促進國家向西開放中均發(fā)揮著舉足輕重的作用.近幾年,隨著新區(qū)投資規(guī)模的持續(xù)加大、交通網絡的不斷完善,建成區(qū)范圍迅速擴張,土地利用格局也發(fā)生了劇烈的變化,然而對新區(qū)的跟蹤關注和研究相對較少,已有的研究主要集中于土地利用變化的動態(tài)演變特征[15-17]、主要驅動因素[18]、生態(tài)環(huán)境效應[19-20]等.從研究方法來看,主要運用了土地利用動態(tài)度[15,17-18]、分形維數(shù)[15,17]、土地利用結構信息熵[16]、城市擴張強度指數(shù)[17-18]、層次分析法[21]等;就研究的時間尺度而言,最短為1 a[21],最長為20 a[16],以1~3 a居多.總體上看,完整梳理蘭州新區(qū)自設立以來土地利用變化全過程的成果不多,特別是基于地理國情監(jiān)測數(shù)據(jù)闡釋其土地利用時空演變特征的研究更少.鑒于此,本研究借助地理國情監(jiān)測數(shù)據(jù),運用土地利用動態(tài)度、土地利用轉移矩陣、土地利用空間格局重心遷移方法,揭示2010~2019年蘭州新區(qū)土地利用的變化過程,探究其時空變化特征,旨在為促進該地區(qū)土地節(jié)約集約利用提供決策參考.
蘭州新區(qū)地處蘭州市北部秦王川盆地,距蘭州市中心城區(qū)約60 km,白銀市區(qū)約70 km,地處蘭州、銀川、西寧三個省會城市交接的中間位置.蘭州新區(qū)既對蘭州老城起著承接作用,同時也是西北地區(qū)重要的經濟增長極與產業(yè)基地、我國重要的向西開放戰(zhàn)略平臺與承接產業(yè)轉移的示范區(qū),總面積1 763.08 km2,總人口為36萬人(截止2019年).
本研究采用的基礎數(shù)據(jù)來源于甘肅省基礎地理信息中心提供的地理國情監(jiān)測數(shù)據(jù),包括遙感影像數(shù)據(jù)、地表覆蓋數(shù)據(jù)等.遙感影像數(shù)據(jù)為World View-2影像(0.5 m,多光譜2 m)、高分2號(0.8 m)、資源3號(2 m),所有影像資料都為RGB彩色模式.地表覆蓋數(shù)據(jù)來源于2010、2013、2016和2019年的地表覆蓋信息數(shù)據(jù)搜集成果,結合第一次全國地理國情普查內容及指標中對地表覆蓋數(shù)據(jù)的一級分類體系[22](表1),該數(shù)據(jù)通過分類編碼唯一標記出來,既保證了地表覆蓋數(shù)據(jù)的全覆蓋、無壓蓋、無裂縫,又完整地展現(xiàn)了研究區(qū)域地表中的所有地物.
圖1 研究區(qū)位置Figure 1 The location of the study area
表1 第一次全國地理國情普查中地表覆蓋數(shù)據(jù)的一級分類體系Table 1 The first-level classification system of land surface coverage data in the first national geographic survey
1.3.1 單一土地利用動態(tài)度 用來定量分析研究區(qū)域內特定時間段某種土地利用類型數(shù)量變化的速度[23].表達式為:
(1)
式中:K表示單一土地利用動態(tài)度,Ub和Ua分別表示研究期末期和初期某種土地利用類型的面積,T表示以年為單位的時間間隔.
1.3.2 綜合土地利用動態(tài)度 用來定量分析研究區(qū)域特定時間段總體土地利用數(shù)量變化快慢的情況[3],表達式為:
(2)
式中:R表示綜合土地利用動態(tài)度,Ubi和Uai分別代表土地利用類型i在研究期末期和初期的面積,T表示以年為單位的時間間隔.
1.3.3 土地利用轉移矩陣 土地利用轉移矩陣表示在研究區(qū)域內研究初期和研究末期各種土地利用類型之間轉入和轉出的面積[24].表達式為:
(3)
式中:Sij表示由土地利用類型i轉變?yōu)橥恋乩妙愋蚸的面積.n表示研究區(qū)內所有的土地利用類型.
1.3.4 重心遷移 土地利用的空間分布變化會引起各類型地物重心的遷移,因此土地利用類型重心遷移可以反應區(qū)域土地利用變化的空間格局特征[25].土地類型重心的概念引自經濟地理學和人文地理學中的人口重心和經濟重心概念,假設研究區(qū)內某類型土地由i個地塊構成,則該類型土地在第t年的重心坐標如下所示[18].
(4)
(5)
式中:Xt和Yt分別為第t年該類型分布重心的經緯度坐標,Xi和Yi分別為第i個地塊的幾何中心經緯度坐標,Gti表示第i個地塊的面積.
蘭州國家級新區(qū)于2012年設立,僅有8 a時間,發(fā)展時間較短.為完整反映其土地利用變化過程,本研究選取2010年為起始年份,以2019年為截止年份,按3 a為一個時間段,運用ArcGIS 10.2刻畫2010、2013、2016和2019年四個節(jié)點上的土地利用狀況,通過對比分析揭示其時空演變特征(表2、圖2).
圖2 2010~2019年蘭州新區(qū)土地利用空間格局演變Figure 2 Evolution of land use spatial pattern in Lanzhou New District from 2010 to 2019
表2 2010~2019年蘭州新區(qū)土地利用類型面積變化及百分比Table 2 Land use type area change and percentage in Lanzhou New District from 2010 to 2019
1)從數(shù)量結構來看,2010年在蘭州新區(qū)未被確定為國家級新區(qū)之前,土地利用類型主要以耕地、草地為主,分別占總面積的20.57%和70.74%.隨著新區(qū)的建設發(fā)展,2019年耕地面積為228.32 km2,占總面積的12.95%.草地面積為1 101.10 km2,占總面積的62.45%.林地面積為49.37 km2,占總面積的2.80%.房屋建筑(區(qū))面積為45.23 km2,占總面積的2.57%.道路面積為43.92 km2,占總面積的2.49%.構筑物面積為58.30 km2,占總面積的3.31%.人工堆掘地面積為169.39 km2,占總面積的9.61%.水域面積為6.94 km2,占總面積的0.39%.從數(shù)量結構變化來看,面積變化最大的是人工堆掘地和草地.其中,人工堆掘地面積增加了157.29 km2,占比從0.7%上升到9.6%,是土地利用類型中面積增加最多的一類.草地面積減少了146.19 km2,占比從70.74%下降到62.45%,是土地利用類型中面積減少最多的一類;其次是耕地和園地.其中,耕地面積減少134.41 km2,占比從20.57%下降為12.95%,僅次于草地.園地面積呈先增加后減少的波動變化態(tài)勢,其中2010~2016年增加了42.52 km2,2017~2019年減少了11.71 km2;最后,道路、林地、構筑物、房屋建筑(區(qū))與水域等面積均呈一定幅度的增長,其中道路面積增加了28.70 km2,所占比例由0.86%增加為2.49%.林地面積增加了24.43 km2,所占比例從1.4%增加到2.8%.構筑物面積增加了18.87 km2,所占比例由2.24%增長為3.31%.房屋建筑(區(qū))面積增加了17.46 km2,百分比從1.58%增長到2.57%.水域面積增加了3.32 km2,所占比例由0.21%增長為0.39%,變化較小.9 a間林地、房屋建筑(區(qū))、道路、構筑物、人工堆掘地、水域的面積在不斷增加,而主要土地利用類型耕地、草地的面積相對減少.
2)從空間格局來看,耕地和園地主要分布在中部和北部片區(qū).林地主要分布在建成區(qū)南部和東部的低山丘陵區(qū)、東一干渠沿線及北部片區(qū).房屋建筑(區(qū))與道路主要分布在中部地帶,并呈組團向四周擴展.構筑物主要圍繞道路在中部片區(qū)分布,同時在北部片區(qū)零星分布.增加最明顯的人工堆掘地,主要分布在中部、東南、東北片區(qū),并向東南、東北片區(qū)延伸.水域主要分布在中部農業(yè)區(qū)及建成區(qū)內部片區(qū),在建成區(qū)內部主要圍繞房屋建筑(區(qū))分布.草地沿新區(qū)邊界環(huán)繞各用地類型分布.從空間格局變化來看,9 a間人工堆掘地的變化最為明顯,主要表現(xiàn)為:中部、東南、東北片區(qū)的草地、耕地、部分園地及建成區(qū)南部和東部低山丘陵區(qū)的部分林地轉化為人工堆掘地.人工堆掘地總體呈不斷向東南、東北片區(qū)的耕地、草地、園地擴張的趨勢,且在其內部不斷轉換為道路、構筑物、房屋建筑(區(qū))以及小部分水域;北部片區(qū)部分耕地與草地轉換為園地、構筑物,使園地、構筑物在北部片區(qū)不斷增加,但總體呈零星分布;東北地區(qū)的小部分草地轉化為水域.
2.2.1 單一土地利用類型變化速度 根據(jù)公式(1)及蘭州新區(qū)2010~2019年間四期地表覆蓋數(shù)據(jù)計算出各土地利用類型面積變化及單一動態(tài)度.由表3可以看出,2010~2013年,蘭州新區(qū)單一土地利用動態(tài)度最大的是人工堆掘地,為0.694%;其次為林地(0.144%)、道路(0.070%)、水域(0.063%)、房屋建筑(區(qū))(0.054%);最小的分別為構筑物(0.028%)、園地(0.024%)、草地(-0.004%)、耕地(-0.032%).從土地利用變化的時序特征來看,2010~2013年為蘭州新區(qū)被確立為國家級新區(qū)的初始階段,土地利用變化速度相對較慢.
表3 2010~2019年蘭州新區(qū)各土地利用類型面積變化及動態(tài)度Table 3 Land use type area change and dynamic degree Lanzhou New District from 2010 to 2019
2013~2016年,蘭州新區(qū)單一土地利用動態(tài)度最大的仍是人工堆掘地,達0.902%;其次為園地(0.451%)、道路(0.322%)、水域(0.112%)、房屋建筑(區(qū))(0.108%)、耕地(-0.105%),最小的是草地,為-0.021%.此時段土地利用變化速度最快.其中,人工堆掘地面積呈迅猛增加趨勢,園地面積增速次之.同時,隨著城市建設步伐的推進,道路、水域、房屋建筑(區(qū))也呈穩(wěn)步增長態(tài)勢.
2016~2019年,增速最快的仍是人工堆掘地,達0.075%;其次為道路(0.071%)、水域(0.07%)、林地(0.065%)、構筑物(0.059%)和房屋建筑(區(qū))(0.02%),最小的是耕地(0.006%).此時段內,建成區(qū)內部的快速建設推動了人工堆掘地的較快增長;城市交通路網的不斷完善,使得道路面積增長較快;隨著新區(qū)南部生態(tài)林業(yè)休閑區(qū)的建設發(fā)展,林地面積增長較為迅速;并且此時由于住房以及產業(yè)發(fā)展對房屋建筑用地的需求不斷增加,導致房屋建筑(區(qū))的面積增長最快.
2.2.2 綜合土地利用類型變化速度 根據(jù)公式(2),從土地利用綜合動態(tài)度(圖3)來看,蘭州新區(qū)9 a間土地利用年變化率為0.017 7%,而2010~2013時段內土地利用年變化率為0.009 4%,2013~2016年時段內土地利用年變化率為0.034 7%,2016~2019年時段內土地利用年變化率為0.011 2%.
圖3 2010~2019年蘭州新區(qū)綜合土地利用動態(tài)度Figure 3 Comprehensive land use dynamics of Lanzhou New District from 2010 to 2019
綜上所述,從綜合土地利用類型變化速度來看,在2010~2016年期間變化活躍,此階段新區(qū)建設以外部擴展為主,在規(guī)劃指導下區(qū)域道路空間的快速拓展以及土地的開發(fā)整理(平山造地)引起了土地利用的快速變化;而2016年后新區(qū)建設以城市內部填充為主,各類產業(yè)開始逐步發(fā)展建設,平山造地工程的推進也緩慢下來,土地利用變化趨緩.
根據(jù)公式(3)得到蘭州新區(qū)2010~2019年間的土地利用轉移矩陣(表4)及土地利用類型轉換空間分布圖(圖4).總體來看,2010~2019年蘭州新區(qū)共發(fā)生了89種土地利用轉換類型,耕地轉出面積為25.241 9 km2,其中83.07%轉為草地,12.15%轉為園地,2.53%轉為構筑物,0.99%轉為林地,0.89%轉為人工堆掘地.耕地轉入面積為159.533 6 km2,其中26.06%來自草地,24.7%來自人工堆掘地,24.36%來自園地,7.6%來自道路,6.03%來自林地,5.79%來自構筑物,4.58%來自房屋建筑(區(qū));草地轉出面積為51.584 2 km2,其中80.59%轉為耕地,4.43%轉為構筑物,4.33%轉為林地,3.87%轉為人工堆掘地,3.85%轉為園地.草地轉入面積為197.730 3 km2,其中55.4%來自人工堆掘地,10.61%來自耕地,9.99%來自林地,9.3%來自構筑物,7.17%來自道路;林地轉出面積為31.877 6 km2,其中61.99%轉為草地,30.16%轉為耕地,1.93%轉為構筑物,1.37%轉為人工堆掘地,1.33%轉為房屋建筑(區(qū)).林地轉入面積為 7.448 km2,其中39.78%來自人工堆掘地,29.96%來自草地,11.29%來自道路,7.4%來自構筑物;人工堆掘地轉出面積為162.892 6 km2,其中67.24%轉為草地,24.19%轉為耕地,2.18%轉為園地,2.06%轉為構筑物,1.82%轉為林地,1.55%轉為房屋建筑(區(qū)),0.63%轉為道路.人工堆掘地轉入面積為6.003 7 km2,其中33.29%來自草地,31.44%來自構筑物,13.15%來自房屋建筑(區(qū)),7.27%來自林地,3.73%來自耕地.
圖4 2010~2019年蘭州新區(qū)土地利用類型轉換圖Figure 4 Land use type conversion map in Lanzhou New District from 2010 to 2019
表4 2010~2019年蘭州新區(qū)土地利用轉移矩陣Table 4 Land use transfer matrix of Lanzhou New District from 2010 to 2019 km2
總體來看,耕地、草地、林地大規(guī)模向人工堆掘地的轉變,體現(xiàn)了國家級新區(qū)建設初期的特征,即:人工堆掘地面積急劇增加.隨著新區(qū)的持續(xù)建設發(fā)展,人工堆掘地開始向房屋建筑(區(qū))、道路、構筑物等地類轉變,說明已有一定面積的房屋建筑(區(qū))、道路等建設完成或處于開工建設中.
蘭州新區(qū)土地利用變化主要為人工堆掘地的不斷擴張,大量占用耕地和草地.圖5表示2010、2013、2016和2019年四個時期人工堆掘地重心的變化,圖5中十字符號表示不同時刻人工堆掘地的空間格局重心.其余地類空間格局重心變化見表5.
由表5和圖5可知,2010~2013年間人工堆掘地重心向東南方向偏移,此時為新區(qū)開發(fā)的初級階段,位于東南片區(qū)的耕地、草地、開始向人工堆掘地轉變;人工堆掘地重心在2013~2016年間向東北方向偏移,且偏移程度較其他時段來說,最為明顯.這一時期新區(qū)建設以外部擴展為主,此時土地的開發(fā)整理項目(平山造地)造成了大規(guī)模人工堆掘地的增加;2016~2019年間人工堆掘地重心向東南方向偏移,此時新區(qū)建設逐漸由外部拓展轉向內部填充,人工堆掘地擴張漸緩,部分人工堆掘地開始轉化為道路、房屋建筑(區(qū))等類型.而9 a間耕地、園地、林地重心的總體變化趨勢都為向西北方向偏移;房屋建筑(區(qū))、道路、構筑物重心的總體變化趨勢為向東南方向偏移;草地、荒漠與裸露地表重心的總體變化趨勢為向西南偏移;僅水域重心向東北方向偏移.
表5 2010~2019年蘭州新區(qū)土地利用類型重心變化Table 5 Changes in the center of gravity of land use types of Lanzhou New District from 2010 to 2019
圖5 蘭州新區(qū)人工堆掘地空間重心格局Figure 5 The spatial center of gravity pattern of artificial excavation in Lanzhou New District
由此可見,從2010~2019年,9 a間人工堆掘地面積不斷擴大,重心偏移方向呈先東南后東北再東南的趨勢,主要原因是2010~2019年間蘭州新區(qū)的發(fā)展擴張帶來的土地利用空間格局變化.與此相伴的,必然是建成區(qū)面積的不斷擴大,二、三產業(yè)的不斷發(fā)展,常住人口的持續(xù)增加、基礎設施的不斷完善等.
土地利用變化研究一直是地理學研究的熱點問題,其時空演變分析已經是一個研究成果豐富的主題.然而,當前針對蘭州新區(qū)土地利用變化的跟蹤關注及研究較少,已有研究中,張立峰等[16]選取1993、2013兩個年份,對蘭州新區(qū)土地利用動態(tài)演變的時序特征進行了分析,得出20 a間其耕地、草地面積大幅減少,房屋建筑(區(qū))、人工堆掘地、構筑物、道路、林地不斷增加的結論.牛利斌[17]選取2010、2012、2013三期數(shù)據(jù),對蘭州新區(qū)地表覆蓋時序變化進行探究,得出三年間其耕地、草地、園地、荒漠與裸露地表、構筑物的面積逐漸減小,人工堆掘地、道路、水域、林地和房屋建筑(區(qū))面積逐漸增大的結論.由于選取研究年份不同,研究結論與本研究略有差異.總體來看,不同研究年份中耕地、草地都呈現(xiàn)不斷減少的趨勢,可見新區(qū)的建設發(fā)展必不可少的會對耕地、草地進行一定的占用.在增加的用地類型中,張立峰等[16]的研究結論與本研究相比,未提及水域面積的增長,由此可見在2013年后到本研究的截止年份2019年這一時段內水域面積開始呈現(xiàn)一定幅度的增長;牛利斌[17]的研究結論中構筑物呈減小趨勢,與本研究結論相反,可見2013~2019年間,由于新區(qū)的發(fā)展建設需求,構筑物的面積開始大幅增加.現(xiàn)有關于新區(qū)土地利用的研究中,僅對于新區(qū)土地利用的時序特征或空間特征進行了單一分析,且總體研究年份較為陳舊,尤其對于十三五規(guī)劃時期的研究年份缺乏,無法為準確掌握當前新區(qū)開發(fā)格局、評估其建設發(fā)展整體過程中土地利用合理性提供有效參考.從其他研究尺度成果來看,徐玉靜等[26]對天津濱海新區(qū)的土地利用變化進行分析,得出水域的銳減以及建筑用地、未利用地的大幅增加結論.鄭敏輝等[12]對清遠開發(fā)區(qū)土地利用時空演變進行分析,得出耕地、水域的大量減少,房屋建筑(區(qū))、道路、構筑物大量增加的結論.劉琦[11]對山西省榆次區(qū)的土地利用時空演變進行分析,得出草地、耕地、林地面積相對減少,道路、房屋建筑(區(qū))、構筑物、人工堆掘地、水域、園地面積不斷增加的結論.以上研究結論體現(xiàn)了區(qū)域建設發(fā)展的一般規(guī)律:生態(tài)用地的不斷減少和建設用地的大量增加,與新區(qū)發(fā)展規(guī)律一致.劉紀遠等[27]對中國土地利用變化時空格局進行研究,得出西部地區(qū)建設用地擴張明顯加速,林地與草地面積持續(xù)減少的結論,除林地外,與本研究結論基本相符,即作為西部地區(qū)的蘭州新區(qū),其發(fā)展9 a間道路、房屋建筑(區(qū))、構筑物、人工堆掘地面積不斷增加,草地面積不斷減少.而新區(qū)林地面積增加的主要原因是南部生態(tài)林業(yè)休閑區(qū)的建設.
整體來看,9 a間蘭州新區(qū)總體時空格局變化較為明顯,土地利用特征從“外延”向“內涵”轉變,說明蘭州新區(qū)城市框架逐漸形成后,其建設發(fā)展開始逐漸轉向城區(qū)內部.當前,蘭州新區(qū)城區(qū)內部的建設開發(fā)仍具有很大潛力,但與其他國家級新區(qū)相比,其經濟發(fā)展較為緩慢,生態(tài)環(huán)境十分脆弱,發(fā)展中仍存在諸多問題,尤其是土地利用方面的發(fā)展現(xiàn)狀與戰(zhàn)略定位還有著較大的差距.因此,亟需對其進行深入研究與持續(xù)關注.本研究主要關注蘭州新區(qū)土地利用時空演變的“過程及格局”,對其“機制及調控”探究欠缺,且由于數(shù)據(jù)資料限制,未來還需進一步關注建成區(qū)內部建設用地擴張的時空演變特征.
文研究以蘭州新區(qū)為例,基于地理國情監(jiān)測遙感影像數(shù)據(jù)、地表覆蓋數(shù)據(jù),對研究區(qū)2010~2019年土地利用變化進行了定量化綜合分析,揭示了其9 a間土地利用的時空演化特征.
1) 從土地利用變化總體特征來看,數(shù)量上主要表現(xiàn)為耕地、草地的減少和林地、房屋建筑(區(qū))、道路、構筑物、人工堆掘地、水域面積的增加;空間上,中部、東南、東北片區(qū)的草地、耕地、部分園地及建成區(qū)南部和東部低山丘陵區(qū)的部分林地逐漸轉化為人工堆掘地.
2) 從土地利用變化速度特征來看,2010~2013年蘭州新區(qū)剛剛開始建設,整體土地利用變化速度較為緩慢;2013~2016年,蘭州新區(qū)建設總體以外部擴展為主,變化迅速;2016年后新區(qū)建設總體以城市內部填充為主,變化漸緩.總體上經歷了先慢后快再趨緩的過程.
3) 從土地利用變化轉換特征來看,以耕地、園地、草地向人工堆掘地的轉變?yōu)橹?,逐漸過渡為以人工堆掘地向建成區(qū)內部道路、房屋建筑(區(qū))、構筑物等類型的轉變?yōu)橹?總體土地利用變化時空特征呈現(xiàn)先“外延”后“內涵”的轉變趨勢.
4) 從土地利用空間格局重心變化特征來看,人工堆掘地重心偏移最為明顯,呈先東南后東北再東南的趨勢;耕地、園地、林地重心的總體變化趨勢為向西北方向偏移;房屋建筑(區(qū))、道路、構筑物重心的總體變化趨勢為向東南方向偏移;草地、荒漠與裸露地表重心的總體變化趨勢為向西南偏移;僅水域重心向東北方向偏移.