中國高鐵沿線區(qū)域土地利用景觀格局變化分析

何丹, 周璟, 蔡建明, 陳子軒

中國高鐵沿線區(qū)域土地利用景觀格局變化分析

何丹1, 周璟2,*, 蔡建明3, 陳子軒1

1. 北京聯(lián)合大學(xué)應(yīng)用文理學(xué)院城市科學(xué)系, 北京 100191 2. 中國科學(xué)院青藏高原研究所，北京 100101 3. 中國科學(xué)院地理科學(xué)與資源研究所中國科學(xué)院區(qū)域可持續(xù)發(fā)展分析與模擬重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室, 北京 100101

高鐵建設(shè)會(huì)對(duì)周邊土地利用格局產(chǎn)生重要影響, 但目前對(duì)中國高鐵周邊土地利用時(shí)空變化缺乏系統(tǒng)性研究?；谕恋乩米兓治鲋笜?biāo)、景觀格局指數(shù)、緩沖區(qū)等方法, 系統(tǒng)研究近年來中國高鐵沿線土地利用景觀格局時(shí)空動(dòng)態(tài)變化。結(jié)果表明: (1)耕地和林地是沿線主要地類; 城鄉(xiāng)、工礦、居民用地變化幅度和單一動(dòng)態(tài)度最大, 耕地變化幅度位居其次; 各類用地綜合動(dòng)態(tài)度不高; 土地利用變化程度逐漸上升。不同類型用地的土地利用轉(zhuǎn)移程度各異。(2)耕地和城鄉(xiāng)、工礦、居民用地變化幅度呈距離衰減; 距高鐵線越近, 土地利用程度綜合指數(shù)越高。(3)景觀多樣性指數(shù)先增后減; 各類用地分形維數(shù)較接近; 景觀破碎化加劇。研究可為高鐵規(guī)劃和建設(shè)、沿線區(qū)域土地規(guī)劃和開發(fā)利用提供決策參考。

高速鐵路; 土地利用; 景觀格局; 時(shí)空變化; 沿線區(qū)域

0 前言

高鐵飛速發(fā)展影響著城市內(nèi)部經(jīng)濟(jì)、社會(huì)空間重構(gòu), 也導(dǎo)致土地利用模式演變。高鐵建設(shè)對(duì)土地資源原貌改變有較負(fù)面影響[1], 對(duì)周邊自然資源、耕地保護(hù)產(chǎn)生破壞和影響如侵蝕耕地、植被和動(dòng)物棲息地破壞等。此外, 高鐵周邊土地利用變化會(huì)影響地表景觀變化過程和格局[2]。高鐵站點(diǎn)附近土地常被開發(fā)為經(jīng)濟(jì)投入產(chǎn)出的實(shí)體空間, 高鐵建設(shè)與運(yùn)營對(duì)線路尤其是站點(diǎn)周邊土地格局與利用模式會(huì)隨時(shí)間而產(chǎn)生影響。

伴隨高鐵發(fā)展, 20世紀(jì)90年代以來, 國內(nèi)外相關(guān)研究不斷深化[3]。國外注重使用智能化測度模型。Basse R M[4]采用約束性細(xì)胞自動(dòng)機(jī)模型模擬了 2000—2040 年間法國、意大利和摩納哥邊界高鐵附近的土地空間演化格局, 證明了高鐵建設(shè)對(duì)站點(diǎn)附近土地空間格局的影響隨時(shí)間而演變。Shen Y 等[5]采用基于可達(dá)性的空間混合logit 模型研究發(fā)現(xiàn)高鐵對(duì)馬德里阿托查火車站為中心20 km緩沖區(qū)土地覆被變化過程的顯著影響。Knowles等[6]發(fā)現(xiàn)交通規(guī)劃與建設(shè)資金投入對(duì)土地利用景觀格局的影響。我國高鐵方面研究工作起步較晚但進(jìn)步較快。趙婷婷等[7]采用面向?qū)ο蠓椒▽?duì)石武客專鄭州東站段沿線土地空間演變進(jìn)行了遙感監(jiān)測。國巧真等[8]基于RS 和 GIS 技術(shù)研究近 10 年來京津城際沿線土地利用時(shí)空演變。王麗等[9]發(fā)現(xiàn)高鐵對(duì)沿線土地利用強(qiáng)度產(chǎn)生較大影響, 能有效促使站區(qū)周邊商業(yè)、服務(wù)業(yè)集聚。朱桃杏等[10]研究表明京津冀高鐵對(duì)站點(diǎn)鄰域商業(yè)、居住用地格局產(chǎn)生較大變化。綜合當(dāng)前研究, 機(jī)器學(xué)習(xí)、空間計(jì)量模型、RS與GIS技術(shù)等應(yīng)用到土地利用格局演變和動(dòng)態(tài)監(jiān)測研究中[11-14], 新的智能計(jì)算推廣對(duì)土地利用與覆被變化研究有較強(qiáng)推動(dòng)作用。但目前對(duì)中國高鐵沿線周邊土地利用時(shí)空變化缺乏系統(tǒng)性研究, 高鐵自身難以形成一個(gè)系統(tǒng), 而是將高鐵、土地間交互作用和以人類改造行為為中介的有機(jī)聯(lián)系看成一個(gè)體系, 本文僅考慮高鐵對(duì)土地的系統(tǒng)性影響, 而土地對(duì)高鐵規(guī)劃選線的影響暫不考慮。

本文采用土地利用變化分析指標(biāo)、景觀格局指數(shù)、緩沖區(qū)分析等方法, 系統(tǒng)研究近15年來中國高鐵沿線土地利用時(shí)空變化。通過分析高鐵建設(shè)前后沿線土地利用變化特征及空間格局, 試圖揭示高鐵建設(shè)對(duì)沿線土地利用變化影響特征, 促進(jìn)沿線區(qū)域社會(huì)、產(chǎn)業(yè)經(jīng)濟(jì)、土地開發(fā)與環(huán)境協(xié)同發(fā)展。此研究對(duì)夯實(shí)交通與土地利用互動(dòng)發(fā)展理論、豐富和拓展交通設(shè)施對(duì)土地利用變化影響具有重要作用, 研究結(jié)論可為高鐵規(guī)劃和建設(shè)、線路經(jīng)過和站點(diǎn)所在區(qū)域土地規(guī)劃和開發(fā)利用提供決策依據(jù)及指導(dǎo), 具有重要學(xué)術(shù)和實(shí)踐意義。

1 材料與方法

1.1 數(shù)據(jù)來源

研究區(qū)是2018年中國高鐵沿線20 km緩沖區(qū)范圍(圖1)。空間數(shù)據(jù)包括2018年全國高鐵矢量數(shù)據(jù)及中科院資源環(huán)境科學(xué)數(shù)據(jù)中心(http://www.resdc.cn)提供的2000、2005、2010和2015年4期1 km土地利用柵格數(shù)據(jù)。土地利用類型分為耕地, 林地, 草地, 水域,城鄉(xiāng)、工礦、居民用地和未利用土地共6個(gè)一級(jí)類。

以城市數(shù)據(jù)研習(xí)社2016年中國鐵路網(wǎng)矢量數(shù)據(jù)為基礎(chǔ), 從ArcGIS Online地圖庫的天地圖全球矢量圖提取高鐵矢量數(shù)據(jù), 與原始線數(shù)據(jù)在WGS1984_ UTM投影坐標(biāo)系下路線位置高度匹配。參考官方發(fā)布的中國高鐵及動(dòng)車組運(yùn)行線路示意圖(2018年1月)添改站點(diǎn)數(shù)據(jù), 添加2016—2018年間新增站點(diǎn), 刪除已停運(yùn)站點(diǎn)和非高鐵站點(diǎn), 方法主要為通過百度坐標(biāo)拾取系統(tǒng)拾取點(diǎn)坐標(biāo)并使用坐標(biāo)糾偏插件將百度坐標(biāo)轉(zhuǎn)化為WGS1984坐標(biāo)。然后以站點(diǎn)為參考添改線數(shù)據(jù), 刪除其中非高鐵線部分并合并部分新老線路以確保數(shù)據(jù)準(zhǔn)確。刪改完成后進(jìn)行拓?fù)錂z查, 得到2018年中國高鐵線路和站點(diǎn)數(shù)據(jù)。然后對(duì)線路矢量數(shù)據(jù)建立20 km緩沖區(qū), 選取多種方法分析近15年來中國高鐵沿線土地利用時(shí)空變化。最后, 建立以1 km為間隔的20個(gè)緩沖區(qū), 再用其對(duì)4期土地利用柵格圖做掩膜提取, 從而得到柵格類型緩沖區(qū), 分析4期高鐵沿線緩沖距離與土地利用變化的相互關(guān)系。

圖1 2018年中國高鐵線路和站點(diǎn)分布圖

Figure 1 Distribution map of China's high-speed railway lines and stations in 2018

因?yàn)橹袊哞F沿線間隔1 km的20 個(gè)緩沖區(qū)在全國尺度圖上表達(dá)不清晰, 因此選擇高鐵樞紐站點(diǎn)城市武漢為中心, 進(jìn)行局部放大, 清晰地顯示出5、10、15和20 km緩沖區(qū)空間分布以及不同時(shí)期的土地利用空間分布(圖2)。

1.2 研究方法

1.2.1 土地利用變化分析指標(biāo)

總體來講, 土地利用變化時(shí)空特征表征方法很多, 本文選取土地利用變化幅度、速度、程度、區(qū)域差異、土地利用轉(zhuǎn)移矩陣等方面分析土地利用變化特征。

(1)土地利用變化幅度

土地利用變化幅度包括土地利用類型面積、空間結(jié)構(gòu)和質(zhì)量變化。通過分析各種用地總數(shù)面積變化, 可了解變化總體趨勢。其表達(dá)式為[8]:

式(1)中:U和U分別代表研究期末與期初某類土地利用區(qū)域面積。

(2)土地利用變化速度

土地利用變化速度反映土地利用開發(fā)改造的劇烈程度。土地利用動(dòng)態(tài)度可定量描述土地利用變化速度, 分為單一和綜合土地利用動(dòng)態(tài)度。

單一土地利用動(dòng)態(tài)度是某研究區(qū)一定時(shí)期內(nèi)某種用地?cái)?shù)量變化情況[15], 其表達(dá)式為:

式(2)中:為研究期內(nèi)某一用地動(dòng)態(tài)度; U和U為研究期初和期末某一用地?cái)?shù)量;為研究時(shí)段, 當(dāng)?shù)臅r(shí)段設(shè)定為年時(shí),值就是該研究區(qū)某用地年變化率。

綜合土地利用動(dòng)態(tài)度是某研究區(qū)一定時(shí)期內(nèi)所有列為研究對(duì)象的土地利用整體變化情況。其表達(dá)式為:

式(3)中,LU為研究期初第類用地面積; ΔLU-為研究時(shí)段內(nèi)第類用地轉(zhuǎn)為非類用地面積的絕對(duì)值;為研究時(shí)段長, 當(dāng)?shù)臅r(shí)段設(shè)定為年時(shí),值就是該研究區(qū)土地利用年綜合變化率[16]。

(3)土地利用變化程度

土地利用程度反映土地利用的廣度和深度, 未利用地被看作是最初級(jí)用地, 隨著對(duì)土地廣度和深度的開發(fā), 依次衍生出林草地、農(nóng)用地、城鎮(zhèn)聚落用地等人類改造日益強(qiáng)烈的地類, 表征出人類活動(dòng)對(duì)土地的影響作用。劉紀(jì)遠(yuǎn)先生等提出了土地利用程度綜合指數(shù)公式[17]。其為:

式(4)中,L為土地利用程度綜合指數(shù),A為第級(jí)土地的土地利用程度分級(jí)指數(shù), C為第級(jí)土地的面積百分比。為土地利用程度分級(jí)數(shù)。該指數(shù)是一個(gè)取值區(qū)間為[100, 400]之間的連續(xù)函數(shù)。各類土地分級(jí)及分級(jí)指數(shù)確定見表1。

(4)土地利用變化區(qū)域差異

土地利用變化區(qū)域差異可用各區(qū)域某種用地相對(duì)變化率來反映, 其公式為:

式(5)中:K和K分別代表某區(qū)域某一特定用地研究期初及期末面積;C和C分別代表整個(gè)研究區(qū)內(nèi)某一特定用地研究期初及期末面積。如果某區(qū)域某種用地相對(duì)變化率>1, 則表示該區(qū)域這種用地變化較全區(qū)域平均變化水平大。

(5)土地利用轉(zhuǎn)移矩陣

土地利用轉(zhuǎn)移矩陣可具體而全面地分析土地利用類型間相互轉(zhuǎn)換的數(shù)量和轉(zhuǎn)移方向, 是研究土地利用類型相互轉(zhuǎn)化關(guān)系的重要方法[18]。

1.2.2 景觀格局指數(shù)方法

通過景觀格局度量, 可增加對(duì)土地利用的空間理解, 對(duì)土地利用景觀特征有更豐富、系統(tǒng)化的認(rèn)知, 從微觀空間上對(duì)研究區(qū)土地開發(fā)和利用進(jìn)行解讀。本文主要采用景觀類型多樣性指數(shù)、破碎度指數(shù)和分形維數(shù), 定量分析土地利用景觀格局變化。

(1)多樣性指數(shù)

景觀類型多樣性指數(shù)可度量區(qū)域土地利用與覆被多樣化程度。土地覆被種類越豐富, 可能表明某一區(qū)域提供的功能越豐富, 社會(huì)、產(chǎn)業(yè)、經(jīng)濟(jì)、環(huán)境等要素發(fā)展更平衡。當(dāng)景觀是均質(zhì)的, 由單一要素構(gòu)成,為0; 由兩個(gè)以上類型構(gòu)成的景觀, 當(dāng)各景觀類型所占比例相等時(shí),最高; 各景觀類型所占比例差別增大, 則下降, 其指數(shù)模型為:

Figure 2 An enlarged map of the 20 buffer zones at 5 km intervals and the spatial distribution of land use along the high-speed railway line with Wuhan as the center

表1 土地利用程度分級(jí)賦值表

式(6)中為地類數(shù)目,P為第年第種用地面積比例。研究區(qū)地類越復(fù)雜或斑塊面積差異減小時(shí),就越大, 反映了地類多少及各類所占比例變化[19]。

(2)破碎度指數(shù)

破碎度指土地利用被分割的破碎程度。公式為:

式(7)中:為景觀破碎度,值越大, 表示景觀破碎程度越大;為景觀中各類斑塊體總數(shù);為研究區(qū)內(nèi)景觀總面積與最小斑塊體面積的比值。景觀破碎度能反映景觀空間結(jié)構(gòu)復(fù)雜性[20]。

(3)分形維數(shù)指數(shù)

斑塊分形維數(shù)越大, 邊界越簡單, 邊緣地帶越小, 面積有效性越大; 分形維數(shù)越高, 則景觀形成過程受到的限制越小[19]。其公式為:

式(8)中:是分形維數(shù),為斑塊周長,是斑塊面積,是常數(shù)。一般來說, 歐幾里德幾何形狀的分形維數(shù)為1; 具有復(fù)雜邊界斑塊的分形維數(shù)則在[1,2]之間。

2 結(jié)果與分析

2.1 土地利用變化時(shí)空特征分析

構(gòu)建中國高鐵沿線20 km緩沖區(qū), 從數(shù)量和空間分布兩方面分析土地利用和景觀格局變化特征。

2.1.1 城鄉(xiāng)、工礦、居民用地變化幅度最大, 其次是耕地

中國高鐵沿線以耕地和林地為主, 二者面積占比之和在4期均達(dá)到70%以上(表2和圖3)。從2000—2015年, 耕地、林地、草地和未利用土地面積一直減少。而水域和城鄉(xiāng)、工礦、居民用地面積持續(xù)增加。從變化幅度絕對(duì)值可知各地類變化劇烈程度, 除林地和水域外, 其他地類變化程度均在2000—2005年最大。城鄉(xiāng)、工礦、居民用地在各時(shí)段變化幅度均為最大, 耕地位居其次(表3)。這是國家為建設(shè)高鐵而開發(fā)征用耕地所帶來的結(jié)果, 同時(shí)也帶來沿線城鄉(xiāng)居民用地面積大量增加, 高鐵由于高速、便捷和舒適而遠(yuǎn)勝普鐵, 所以其沿線即使沒有設(shè)站的地方也會(huì)在土地利用上引起響應(yīng)。

圖3 不同時(shí)期中國高鐵沿線20 km緩沖區(qū)內(nèi)土地利用分布圖

Figure 3 Distribution map of land use in the 20km buffer zone along China's high-speed railway in different periods

表2 各期土地利用類型比例表

表3 各時(shí)段土地利用變化幅度

2.1.2 城鄉(xiāng)、工礦、居民用地單一動(dòng)態(tài)度最大, 各類用地綜合動(dòng)態(tài)度不高

從3個(gè)時(shí)段單一土地利用動(dòng)態(tài)度來看, 耕地為負(fù)值, 面積不斷減少, 且2000—2005時(shí)段大于后兩個(gè)時(shí)段; 城鄉(xiāng)、工礦、居民用地是正值且數(shù)值在各地類中均為最大, 2000—2005時(shí)段達(dá)到15.27%。3個(gè)時(shí)段綜合土地利用動(dòng)態(tài)度依次是0.32%、0.14%和0.29%, 可見研究期內(nèi)土地利用動(dòng)態(tài)度不高(表4和圖4), 這是由于不同用地面積有增有減而導(dǎo)致相對(duì)穩(wěn)定的平衡, 即我國高鐵建設(shè)后所有地類從整體上看變化動(dòng)態(tài)不劇烈, 實(shí)際上各類用地變化動(dòng)態(tài)是不同的。所以單一動(dòng)態(tài)度是對(duì)綜合動(dòng)態(tài)度的補(bǔ)充, 觀察視角更詳細(xì)。

在高鐵建設(shè)期間需建設(shè)路基、路橋, 沿線要建設(shè)處理沙土、磚石、鐵礦的廠房, 這些除源于未利用地、宅基地外, 耕地占用量很大, 所以高鐵建成后耕地占用減少, 2000—2005年間耕地動(dòng)態(tài)度超過后兩個(gè)時(shí)期。高鐵開通后, 高鐵輻射和集聚效應(yīng)漸顯, 沿線城鄉(xiāng)、工礦、居民用地仍不斷增長, 隨后一些規(guī)模較小的縣城和城市可能成長為城市網(wǎng)絡(luò)中一個(gè)貨物、服務(wù)中心點(diǎn)。結(jié)合土地利用變化幅度可知, 從2000—2015年高鐵沿線土地利用由線狀向箱狀或帶狀格局演化。

2.1.3 土地利用變化程度逐漸上升

從2000—2015年, 中國高鐵沿線土地利用程度逐漸上升(表5), 其原因是研究區(qū)城鄉(xiāng)、工礦、居民用地隨高鐵建設(shè)與投入運(yùn)營而增長較快, 所占比例逐漸加大, 并且其分級(jí)指數(shù)很高。林地分級(jí)指數(shù)較低, 耕地分級(jí)指數(shù)較高, 但由于城市化推進(jìn)或結(jié)構(gòu)功能調(diào)整, 這兩類用地面積所占比例持續(xù)減少, 因此造成后兩期土地利用程度綜合指數(shù)較前兩期高。

圖4 各時(shí)段單一土地利用類型動(dòng)態(tài)度

Figure 4 Single land use type dynamics in various periods

表4 各時(shí)段綜合土地利用類型動(dòng)態(tài)度

表5 各期土地利用程度綜合指數(shù)

2.1.4 不同類型用地的土地利用轉(zhuǎn)移程度各異

土地利用類型轉(zhuǎn)移矩陣可全面反映區(qū)域土地利用類型的數(shù)量變化情況, 展示不同時(shí)期時(shí)間間隔內(nèi)各土地利用類型的流入流出情況, 以研究土地利用類型的變化方向和來源構(gòu)成。

由之前的土地利用結(jié)構(gòu)表可以得出, 從2000到2015年, 耕地、林地、草地、未利用土地都是處于減少的狀態(tài), 水域和城鄉(xiāng)、工礦、居民用地處于增加的狀態(tài)。我們將以上三個(gè)轉(zhuǎn)移矩陣的信息結(jié)合起來, 就可以分析2000—2005、2005—2010、2010—2015、2000—2015四個(gè)時(shí)段的土地利用變化特征。

在此, 我們以2000—2015年整個(gè)時(shí)段(表6)為例進(jìn)行分析。城鄉(xiāng)、工礦、居民用地累計(jì)增加了25784 km2, 主要是因?yàn)楦哞F建造需要大量的配套設(shè)施例如車站等, 占用了其他各類用地。水域累計(jì)增加了301 km2, 除了水域向城鄉(xiāng)、工礦、居民用地流出以外, 其余土地類型均是流入。原因是西北以及內(nèi)蒙古一帶加強(qiáng)了自然環(huán)境保護(hù), 水域有較明顯的增長。耕地累計(jì)減少20731 km2, 主要的流出方向是林地、水域和城鄉(xiāng)、工礦、居民用地。耕地向林地的轉(zhuǎn)移主要是因?yàn)楦哞F的建設(shè)需要防風(fēng)固坡, 加固土質(zhì)結(jié)構(gòu)以及噪聲防護(hù)林的建設(shè)帶來的退耕還林。草地累計(jì)減少2160 km2, 主要流出方向是耕地、林地和城鄉(xiāng)、工礦、居民用地。流向耕地的主要原因是, 退耕還林以后, 耕地開始向草地轉(zhuǎn)移, 草地被耕地?cái)D占。未利用土地累計(jì)減少1298 km2, 原因是因?yàn)楦哞F的建設(shè)促進(jìn)了未利用土地的開發(fā), 尤其是西北地區(qū)戈壁荒漠的開發(fā)。林地累計(jì)減少了1896 km2, 雖然耕地退還了許多林地, 但是由于高鐵建設(shè)所需要的大量建筑用地, 所以有更多的林地轉(zhuǎn)移成了城鄉(xiāng)、工礦、居民用地。

表6 各時(shí)段土地利用轉(zhuǎn)移矩陣

2.2 土地利用變化特征與緩沖距離的關(guān)系分析

通過分析全國高鐵2000—2015年緩沖區(qū)各類用地變化特征與距離的關(guān)系, 得出高鐵對(duì)不同地類的軸狀影響。

2.2.1 耕地和城鄉(xiāng)、工礦、居民用地土地利用變化幅度呈距離衰減

從3個(gè)時(shí)段來看, 城鄉(xiāng)、工礦、居民用地在1—20 km緩沖區(qū)內(nèi)面積增加, 變化幅度為正值, 且變化量(變化幅度絕對(duì)值)隨距離增加而漸降; 耕地則變化幅度為負(fù)值, 在各緩沖區(qū)面積均減少且變化量隨距離增加而漸降; 林地、草地、未利用土地和水域相對(duì)來說變化程度較弱, 其折線以近水平狀態(tài)且處于基線位置附近, 變化幅度曲線隨距離增加呈平緩變化。3期耕地和城鄉(xiāng)、工礦、居民用地土地利用變化幅度均隨緩沖距離增加而漸小, 反映出高鐵沿線土地利用梯度變化規(guī)律, 即距高鐵線越近則土地利用變化幅度越大。

從3個(gè)時(shí)段來看, 城鄉(xiāng)、工礦、居民用地和耕地變化幅度曲線均大致在12 km緩沖區(qū)距離之前變化幅度較大, 此后趨于平緩, 說明12 km可能是高鐵線對(duì)周邊土地產(chǎn)生顯著影響的距離閾值。城鄉(xiāng)、工礦、居民用地和耕地變化幅度2010—2015年最大, 2005—2010年最小。

耕地和城鄉(xiāng)、工礦、居民用地在高鐵規(guī)劃初期(2000—2005年)展現(xiàn)土地利用變化距離遞減規(guī)律, 同時(shí)耕地向城鄉(xiāng)、工礦、居民用地轉(zhuǎn)變。在高鐵建設(shè)初期(2005—2010年) , 沿線城鄉(xiāng)、工礦、居民用地增長量和耕地減少量均下降, 原因可能是高鐵站建設(shè)需征用大量用地, 在當(dāng)時(shí)城市化程度較低的年代, 征用地包含大量耕地, 同時(shí)由于對(duì)未來使用的諸多不確定性, 高鐵線附近土地在當(dāng)時(shí)難以大規(guī)模開發(fā)。在高鐵建成運(yùn)營后(2010—2015年), 隨著我國城市化推進(jìn)速度加快, 大型交通基礎(chǔ)設(shè)施輻射效應(yīng)凸顯, 城鄉(xiāng)、工礦、居民用地為滿足日益增加的服務(wù)、物流、新興技術(shù)行業(yè)不斷增長的需求而導(dǎo)致增長量上升, 耕地減少量同時(shí)上升, 其他耕地也大幅向城鄉(xiāng)、工礦、居民用地轉(zhuǎn)移(圖5)。

2.2.2 距離高鐵線越近, 土地利用程度綜合指數(shù)越高

各年份綜合指數(shù)都表現(xiàn)出土地利用距離效應(yīng),離高鐵線越近的緩沖區(qū)土地利用程度綜合指數(shù)越高, 土地利用程度越強(qiáng), 城鄉(xiāng)、工礦、居民用地所占比重越大。并且除第1個(gè)緩沖區(qū)外, 在其他緩沖區(qū)綜合指數(shù)從2000—2015年均遞增, 2005和2010年1 km緩沖區(qū)內(nèi)綜合指數(shù)都比第2個(gè)緩沖區(qū)(即緩沖半徑在1—2 km范圍間)數(shù)值要小, 原因可能是自高鐵通車后, 高鐵線附近公路等基礎(chǔ)設(shè)施變化不大, 當(dāng)時(shí)產(chǎn)業(yè)還未出現(xiàn)鄰近高鐵線指向, 而在2015年時(shí)1 km內(nèi)土地開發(fā)強(qiáng)度顯著提升, 眾多企業(yè)為了方便貨物、人際交流而選擇在線路或站點(diǎn)附近選址(圖6)。

2.3 土地利用景觀格局特征分析

利用Fragstats4.2軟件計(jì)算多種景觀格局指數(shù), 對(duì)中國高鐵沿線20 km緩沖區(qū)內(nèi)景觀格局變化情況進(jìn)行分析。

2.3.1 景觀多樣性指數(shù)呈先增后減趨勢

2000—2015年景觀多樣性指數(shù)先增后減, 后期高鐵線附近用地漸穩(wěn)定, 生態(tài)環(huán)境問題受到重視, 導(dǎo)致人類對(duì)自然地塊改造活動(dòng)減少。由于耕地面積大幅減少, 高鐵線周邊土地不斷開發(fā), 未利用地、耕地、林地等被用于生產(chǎn)建設(shè), 居住用地成為主流, 但起步階段土地管理混亂, 利用形式較單一, 未考慮游憩、生態(tài)等需求, 導(dǎo)致景觀多樣性減少(表7)。

2.3.2 各地類分形維數(shù)數(shù)值較接近

分形維數(shù)數(shù)值越大, 景觀形狀越復(fù)雜。從時(shí)間上看, 草地、水域分形維數(shù)先增后減, 形狀變得規(guī)則。耕地先減后增, 形狀先簡單后復(fù)雜。林地和未利用地分形維數(shù)先增后減然后又增。城鄉(xiāng)、工礦、居民用地分形維數(shù)一直增加, 形狀變得復(fù)雜, 說明城市用地在空間格局上趨向復(fù)雜化, 土地利用向多功能疊加、交叉混合模式轉(zhuǎn)變, 可能與許多城市開始加速發(fā)展、注重高鐵背景下土地利用格局與經(jīng)濟(jì)緊密聯(lián)系、土地集約化利用成為城市發(fā)展主線等情況有關(guān)。同時(shí), 各地類分形維數(shù)數(shù)值較接近, 范圍基本在1.51—1.66之間, 這可能值得探討, 理論上土地類型迥然不同, 但不同用地分形維數(shù)結(jié)果如此相近, 可能是各類土地開發(fā)格局較接近, 尤其是高鐵密集分布的平原地區(qū), 受到天然阻隔因素很小, 出現(xiàn)類似的土地資源開發(fā)模式(表8)。

圖5 各時(shí)段不同類型用地變化幅度與緩沖區(qū)距離的關(guān)系

Figure 5 Relationship between the variation range of different types of land use and buffer distance in various periods

圖6 各期土地利用程度綜合指數(shù)與緩沖區(qū)距離的關(guān)系

Figure 6 The relationship between comprehensive index of land use degree and buffer distance in each period

表7 各期景觀多樣性指數(shù)

2.3.3 景觀破碎化加劇

一般來說, 道路對(duì)景觀格局線性切割作用通常會(huì)導(dǎo)致沿線景觀破碎化效應(yīng)。土地利用景觀破碎化最直觀表現(xiàn)就是原先許多整體分布的土地斑塊分離破碎、離散化的過程。景觀類型中破碎度指數(shù)上升的為林地、草地、水域和未利用土地, 隨經(jīng)濟(jì)發(fā)展強(qiáng)烈需求, 林地、草地和未利用土地失去了以前穩(wěn)定狀態(tài), 不斷被開發(fā)、分割以至空間重構(gòu), 破碎度指數(shù)上升, 而城鄉(xiāng)、工礦、居民用地指數(shù)下降, 這反映了高鐵帶動(dòng)沿線城鄉(xiāng)建設(shè)用地開發(fā)后的一種穩(wěn)定狀態(tài)。耕地指數(shù)為先增后減, 同樣反映了高鐵帶來耕地?fù)p失這一短暫變化而后耕地征用需求減少進(jìn)而轉(zhuǎn)為穩(wěn)定狀態(tài)。

表8 各期分形維數(shù)和破碎度

高鐵建設(shè)和通車改變了原先土地格局較為穩(wěn)定的形態(tài), 地表土地覆被經(jīng)過大規(guī)模開發(fā)而發(fā)生改變, 打破了部分地區(qū)以耕地、宅基地為主的土地利用格局, 其他地類相應(yīng)增加, 使整個(gè)景觀格局變得更加多樣化和均勻化。高鐵建設(shè)和開通運(yùn)營其實(shí)是人文因素對(duì)沿線土地利用格局的干擾, 根據(jù)城市建設(shè)方向的需求而對(duì)土地利用空間重新組合和建構(gòu), 最終導(dǎo)致景觀破碎化程度變大。

3 討論與結(jié)論

關(guān)于國內(nèi)外高鐵對(duì)土地利用影響研究方面, 有學(xué)者研究了高鐵對(duì)土地利用類型轉(zhuǎn)換、時(shí)空變化、影響機(jī)制和土地開發(fā)效率及價(jià)值的影響等[8,21-24]。有學(xué)者采用空間計(jì)量模型研究了高鐵對(duì)城市用地?cái)U(kuò)張的影響[25], 而由于時(shí)間和資料有限, 本文未構(gòu)建相應(yīng)計(jì)量模型研究高鐵對(duì)土地利用的影響, 只是初步分析了沿線土地利用時(shí)空變化特征, 下一步還可深入探討高鐵沿線與站點(diǎn)周邊土地利用變化差異、不同等級(jí)站點(diǎn)周邊土地利用變化差異及原因。

高鐵對(duì)土地利用的影響不僅局限于土地性質(zhì)的轉(zhuǎn)化或空間上的動(dòng)態(tài)演變, 還應(yīng)該綜合考慮環(huán)境效應(yīng)[26], 如通過遙感反演出地表溫度、大氣污染物的分布狀況, 深入闡釋高鐵對(duì)沿線土地利用的多方面影響。我國地貌格局復(fù)雜多樣, 不同區(qū)域的城市發(fā)展速度不同, 因而從全國高鐵沿線土地利用格局變化并不能反映局部區(qū)域規(guī)律。未來可對(duì)不同城市分類或聚類, 以便對(duì)發(fā)展階段不同、進(jìn)度不同、資源環(huán)境稟賦不同的城市受到高鐵線路影響的差異進(jìn)行研究。朱錦等[27]發(fā)現(xiàn)了站點(diǎn)客流對(duì)地鐵站周邊土地利用開發(fā)的影響, 因此可根據(jù)高鐵班次對(duì)設(shè)站城市聚類, 以便對(duì)經(jīng)停不同數(shù)量高鐵班次的城市受到高鐵線路影響的差異進(jìn)行研究。此外,借助大數(shù)據(jù)、統(tǒng)計(jì)數(shù)據(jù)等能發(fā)現(xiàn)高鐵產(chǎn)生的旅客流對(duì)周邊土地利用更深入的影響。有學(xué)者用停站時(shí)間、客流真實(shí)流數(shù)據(jù)表達(dá)高鐵或城市網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)[28], 后續(xù)可采用流空間理論和方法及復(fù)雜網(wǎng)絡(luò)方法研究高鐵網(wǎng)絡(luò)、高鐵連接的城市網(wǎng)絡(luò)動(dòng)態(tài)建設(shè)對(duì)高鐵線路、站點(diǎn)周邊土地利用的影響。在探究高鐵對(duì)城市土地利用影響機(jī)理時(shí), 有學(xué)者采用結(jié)構(gòu)方程模型分析了高鐵流對(duì)土地利用的深層影響機(jī)理[29], 今后可深入研究高鐵沿線土地利用變化綜合效應(yīng), 為政府部門的高鐵交通和土地利用規(guī)劃建設(shè)及協(xié)調(diào)發(fā)展提供更合理周全的科學(xué)和決策依據(jù)。

總的來說, 高鐵建設(shè)對(duì)于我國城市間聯(lián)系與地方發(fā)展都起到了促進(jìn)作用, 致使土地利用模式、空間格局發(fā)生了改變, 本文從一定程度上研究了高鐵對(duì)中國土地利用時(shí)空動(dòng)態(tài)影響特征規(guī)律。但城市土地還需更加協(xié)調(diào)的開發(fā), 高鐵給了改變土地利用現(xiàn)狀的契機(jī), 接下來就是要做好國土空間規(guī)劃, 配合高鐵建設(shè)的動(dòng)態(tài)與潮流, 對(duì)高鐵線路和站點(diǎn)附近的土地開發(fā)做好管控與指引, 使得城市在朝向高鐵線擴(kuò)張方向上的土地利用更加合理有序。

本文基于遙感和GIS數(shù)據(jù), 采用GIS空間分析、景觀格局指數(shù)等方法, 從宏觀角度系統(tǒng)研究近年來中國高鐵沿線土地利用景觀格局時(shí)空動(dòng)態(tài)變化特征, 進(jìn)一步證明了高鐵對(duì)土地利用的線性切割作用和軸狀影響。從土地利用角度對(duì)高鐵周邊影響進(jìn)行研究, 可為今后高鐵交通規(guī)劃建設(shè)提供借鑒和參考。

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Analysis of land use and landscape pattern changes on the areas along the high-speed railway in China

HE Dan1, ZHOU Jing2, *, CAI Jingming3, CHEN Zixuan1

1. College of Arts & Sciences, Beijing Union University, Beijing 100191, China 2. Institute of Tibetan Plateau Research, Chinese Academy of Sciences, Beijing 100101, China 3. Key Laboratory of Regional Sustainable Development Analysis and Simulation, Institute of Geographic Sciences and Natural Resources Research, CAS, Beijing 100101, China

High-speed railway construction will have an important impact on the surrounding land use pattern.However, there is currently a lack of systematic research on the temporal and spatial changes of land use around the high-speed railway in China. Based on the land use change analysis index, landscape pattern index, buffer analysis and other methods, the temporal and spatial dynamics changes of the land use landscape pattern in the buffer area along the high-speed railway in China in the past 15 years were systematically studied. The results show that: (1) Cultivated land and forest land are the most important types of land use around high-speed railway lines; urban and rural areas, industrial and mining, and residential land use change the most, followed by cultivated land; urban and rural areas, industrial and mining, and residential land have the largest single dynamic degree, and comprehensive dynamic degrees of various types of land use are not high. The degree of land use change is gradually increasing; the rate of change of cultivated land and grassland is large, and the axial effect of urban and rural areas, industrial and mining, and residential land is weak. Different types of land have different degrees of land use transfer.(2) The change ranges of land use in cultivated land and urban and rural areas, industrial and mining, and residential land show a distance attenuation effect; the closer to the high-speed railway line, the higher the comprehensive index of land use degree. (3) The landscape diversity index increases first and then decreases; the fractal dimension values of various types of land are relatively close; the landscape fragmentation is intensified.The research can provide decision-making reference for the planning and construction of high-speed railway, land planning and development and utilization along the line.

high-speed railway; land use; landscape pattern; spatial-temporal change; the areas along the line

何丹, 周璟，蔡建明, 等. 中國高鐵沿線區(qū)域土地利用景觀格局變化分析[J]. 生態(tài)科學(xué), 2021, 40(4): 184–194.

HE Dan, ZHOU Jing, CAI Jingming, et al. Analysis of land use and landscape pattern changes on the areas along the high-speed railway in China[J]. Ecological Science, 2021, 40(4): 184–194.

10.14108/j.cnki.1008-8873.2021.04.021

U412.1+4, U2-9

A

1008-8873(2021)04-184-11

2020-08-08;

2020-10-29

北京市社會(huì)科學(xué)基金項(xiàng)目(19JDGLA006) ; 國家自然科學(xué)基金項(xiàng)目(41771089); 北京聯(lián)合大學(xué)人才強(qiáng)校優(yōu)選計(jì)劃項(xiàng)目(BPHR2017CZ01)

何丹(1980—) , 女, 湖南岳陽人, 博士, 北京聯(lián)合大學(xué)應(yīng)用文理學(xué)院副教授, 主要從事交通與土地利用、城市與區(qū)域發(fā)展、GIS空間分析與應(yīng)用研究, E-mail: hedan@buu.edu.cn

周璟(1981—), 男, 中國科學(xué)院青藏高原研究所, 博士, 主要從事氣候和土地利用變化對(duì)生態(tài)水文的影響、冰凍圈水文過程及其數(shù)值模擬等研究, E-mail:zhoujing@itpcas.ac.cn