成渝城市群土地利用變化與沖突識別研究

張岳,孫夢鑫,辛宇,楊存建,3*

1.四川師范大學(xué)西南土地資源評價與監(jiān)測教育部重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室,四川 成都 610068；2.四川師范大學(xué)地理與資源科學(xué)學(xué)院,四川 成都 610068；3.四川省生態(tài)文明促進(jìn)會專家委員會,四川 成都 610068

土地是人類賴以生存的基本載體[1]。隨著經(jīng)濟(jì)發(fā)展，大量的優(yōu)質(zhì)土地資源向城鎮(zhèn)化與工業(yè)化傾斜，生態(tài)林草地以及生產(chǎn)農(nóng)用地被大量侵占，土地利用沖突問題日益顯著[2]。在我國生態(tài)文明建設(shè)推進(jìn)下，如何對土地利用沖突測度以及優(yōu)化土地資源配置緩解土地利用沖突成為學(xué)者們的熱點(diǎn)研究問題[3-5]。

近年來，諸多學(xué)者以不同的研究方法和尺度對土地利用沖突進(jìn)行研究。研究方法上，主要有參與式調(diào)查法、博弈論、PSR 模型、多目標(biāo)評價以及景觀生態(tài)風(fēng)險評價等方法[6-9]，其中景觀生態(tài)風(fēng)險評價通過景觀指數(shù)構(gòu)建模型，能夠準(zhǔn)確識別出土地沖突在空間上的位置而受到眾多學(xué)者關(guān)注，廖李紅等從三生空間角度出發(fā)對平潭島土地利用沖突進(jìn)行測度[10]，王娟娟等利用景觀指數(shù)構(gòu)建土地利用沖突測度模型對干旱區(qū)河谷土地利用沖突的空間分布特征進(jìn)行研究[11]。在研究尺度上，眾多學(xué)者從流域、城市群、礦區(qū)以及縣域等多個尺度進(jìn)行了研究，陳竹安等對南昌市土地利用沖突進(jìn)行測度并提出了優(yōu)化方案[12]，李晨欣等以廈門、漳州和泉州城市群為例進(jìn)行土地利用沖突測度，結(jié)果表明在城區(qū)邊緣地區(qū)土地利用沖突尤為強(qiáng)烈[13]?？傊?，目前大多數(shù)學(xué)者多采用景觀指數(shù)構(gòu)建土地利用沖突測度模型對經(jīng)濟(jì)發(fā)達(dá)的城市群、都市圈以及干旱區(qū)河谷城市等進(jìn)行研究，缺乏對新生欠發(fā)達(dá)城市群土地利用沖突問題的關(guān)注[14]。

成渝城市群作為西部最大的城市群與重要經(jīng)濟(jì)增長極[15]，相較于其他城市群起步較晚，發(fā)展十分迅速[16]。隨著成渝城市群人口不斷聚集，對建設(shè)用地的需求不斷增加，導(dǎo)致了土地資源的不合理利用，耕地、草地等用地類型被大量侵占，區(qū)域生態(tài)環(huán)境受到巨大挑戰(zhàn)。此外，由于成渝城市群位于長江上游生態(tài)功能區(qū)，需加強(qiáng)對林地的保護(hù)涵養(yǎng)水源，但受制于自然條件影響，成渝城市群四周山地、耕地與林地間轉(zhuǎn)換頻繁，土地利用沖突異常激烈?；谏鲜霰尘跋拢疚慕柚鶳SR 模型的思維邏輯，采用景觀生態(tài)風(fēng)險評價方法對成渝城市群近10a 土地利用沖突進(jìn)行研究，精準(zhǔn)識別土地沖突發(fā)生區(qū)域和類型，以期為成渝城市群區(qū)域協(xié)調(diào)發(fā)展提供理論支持。

1 研究區(qū)概況與數(shù)據(jù)來源

1.1 研究區(qū)域概況

成渝城市群地處中國西南部四川盆地，介于北緯27°39′至32°19′、東經(jīng)101°55′至109°14′之間，包括重慶市部分地區(qū)、四川省成都市、綿陽市（除北川縣）、眉山市、南充市、廣安市、雅安市部分地區(qū)等15 個市（見圖1）。地形復(fù)雜多樣，中部以平原、丘陵為主，四周環(huán)山，長江橫貫其中，總面積為18.51 km2。截至2020 年初，區(qū)域總?cè)丝跒? 854.46萬人，城鎮(zhèn)化率為64.48%。2018 年11 月國務(wù)院明確要求成渝經(jīng)濟(jì)圈以重慶、成都為中心，引領(lǐng)成渝城市群發(fā)展。同時，成渝城市群是國家推進(jìn)新型城鎮(zhèn)化的重要示范區(qū)，也是一帶一路與長江經(jīng)濟(jì)帶的重要戰(zhàn)略支點(diǎn)。

圖1 研究區(qū)圖Fig.1 Sketch of the study area

1.2 數(shù)據(jù)來源

2010、2015、2020 年3 期Landsat TM/ETM 遙感影像數(shù)據(jù)來源于中國科學(xué)院地理科學(xué)與資源研究所資源環(huán)境數(shù)據(jù)云平臺共享（http://www.resdc.cn/DOI），按照《土地利用現(xiàn)狀分類》標(biāo)準(zhǔn)將土地覆被劃分為耕地、林地、草地、水域、建設(shè)用地以及未利用地6 類。根據(jù)影像紋理、幾何形狀和光譜特征使用ENVI5.3 進(jìn)行影像解譯，對解譯圖像與GlobeLand30 數(shù)據(jù)集進(jìn)行精度驗(yàn)證，后再使用ENVI 對分類結(jié)果進(jìn)行輔助修改，最后得到3 期土地利用類型圖。DEM 數(shù)據(jù)來源于美國地質(zhì)調(diào)查局（http://glovis.usgs.gov/），分辨率為30 m。社會經(jīng)濟(jì)統(tǒng)計數(shù)據(jù)來源于《四川省統(tǒng)計年鑒》、《重慶市統(tǒng)計年鑒》以及各市統(tǒng)計年鑒。氣象數(shù)據(jù)由四川省、重慶市共計179 個氣象站點(diǎn)數(shù)據(jù)，采用線性內(nèi)插法和相鄰年份的數(shù)據(jù)來對缺失數(shù)據(jù)進(jìn)行插補(bǔ)，后使用克里金插值方法進(jìn)行空間插值，其分辨率為1 km。

2 研究方法

2.1 土地利用轉(zhuǎn)移矩陣法

土地利用轉(zhuǎn)移矩陣是馬爾科夫模型在土地利用變化上的方法，能夠定量的表示各土地利用類型間的轉(zhuǎn)換量[17，18]。通過ArcGIS 軟件對3 期土地利用數(shù)據(jù)疊加產(chǎn)生轉(zhuǎn)移矩陣，用“轉(zhuǎn)入”、“轉(zhuǎn)出”來表示各土地利用類型間的轉(zhuǎn)換關(guān)系，得出2010-2020 年間成渝城市群各土地利用類型間的轉(zhuǎn)換面積。

2.2 土地利用沖突指數(shù)構(gòu)建

土地利用方式的更迭對區(qū)域景觀格局變化具有重要影響[9]。不同的土地利用方式對生態(tài)系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)和組成影響不同，其結(jié)果反映在景觀格局上。因此，當(dāng)土地系統(tǒng)受到人為或自然因素影響時，其結(jié)果必然會影響到生物多樣性與空間組成結(jié)構(gòu)，進(jìn)而影響生態(tài)安全。土地利用系統(tǒng)作為復(fù)雜的綜合體，具有復(fù)雜性、動態(tài)性和脆弱性等特點(diǎn)[13]，從景觀生態(tài)學(xué)角度出發(fā)，選取空間復(fù)雜性指數(shù)、脆弱性指數(shù)、穩(wěn)定性指數(shù)構(gòu)建土地利用沖突指數(shù)定量分析研究區(qū)土地利用沖突空間分布和時間演變特征。為避免景觀斑塊過于破碎，結(jié)合研究區(qū)大小以及數(shù)據(jù)分辨率、研究尺度等，參考彭佳捷等格網(wǎng)選取方法[19]，選擇5 km×5 km 的格網(wǎng)作為基本評價單元，共8 213個評價單元，其中將未完全充滿整個格網(wǎng)的單元作為完整單元計算。其公式如下：

式中，SCCI為沖突水平綜合指數(shù)；CI、FI、SI分別為土地利用復(fù)雜性指數(shù)、脆弱性指數(shù)以及穩(wěn)定性指數(shù)。

（1）土地利用復(fù)雜性指數(shù)（CI）：面積加權(quán)的平均斑塊分緯數(shù)（AWMPFD）在景觀生態(tài)學(xué)上用來表征景觀復(fù)雜性，其值可以表示景觀單元受相鄰景觀單元的擾動程度，數(shù)值越大說明相鄰景觀單元對其景觀干擾程度高，土地利用結(jié)構(gòu)越復(fù)雜。其公式如下：

式中，Pij表示斑塊周長；aij表示斑塊面積；A為格網(wǎng)面積；m表示土地利用類型；n表示格網(wǎng)總數(shù)。

（2）土地利用脆弱性指數(shù)（FI）：城市化過程中的土地利用沖突與景觀脆弱性之間有明顯的相關(guān)關(guān)系，景觀脆弱性越高，土地利用沖突越強(qiáng)。此外，不同的土地利用類型面對外界壓力所帶來的響應(yīng)有所不同，結(jié)合先前研究以及成渝城市群城鎮(zhèn)化特點(diǎn)和土地轉(zhuǎn)移特性將建設(shè)用地、林地、草地、耕地、水域、未利用地景觀脆弱性依次設(shè)置為1、2、3、4、5、6[20]。其公式如下：

式中，F(xiàn)i為各土地利用類型的景觀脆弱度；ai表示各類型在格網(wǎng)內(nèi)的面積；S為格網(wǎng)面積；其中m=4。

（3）土地利用穩(wěn)定性指數(shù)（SI）：選取景觀破碎度指數(shù)來衡量景觀的穩(wěn)定性，在景觀格局中，景觀越破碎，其穩(wěn)定性越差，土地利用沖突越激烈[13]。景觀破碎度用斑塊密度（PD）度量，其值越大，景觀越破碎，相應(yīng)的穩(wěn)定性越弱。其公式如下：

式中，PD為各格網(wǎng)斑塊密度；PDmin、PDmax分別為各格網(wǎng)斑塊密度的最小值與最大值。

為消除數(shù)據(jù)間的范圍差異，將式3—6 中的各計算結(jié)果采用最小-最大值法標(biāo)準(zhǔn)化到0—1 之間，以便土地利用沖突指數(shù)的計算。參考沖突指數(shù)頻率累計值以及周國華“倒U”模型理論并結(jié)合等間距劃分法，將土地利用沖突指數(shù)劃分為穩(wěn)定可控(0—0.35)、基本可控[0.35—0.7)、輕度失控[0.7—0.9)、重度失控[0.9—1.0) 四個評價等級[20]。

2.3 半變異函數(shù)方法

土地利用沖突作為一種區(qū)域化變量，其相鄰單元的土地利用沖突水平存在著某種聯(lián)系，因而適用于空間統(tǒng)計學(xué)分析。地統(tǒng)計學(xué)作為空間統(tǒng)計學(xué)的重要組成部分，其中的半變異函數(shù)作為一種地統(tǒng)計學(xué)方法被廣泛應(yīng)用于地理研究[21]。半變異函數(shù)可用于描述空間相關(guān)性特征，空間相關(guān)性越大，表明空間依賴關(guān)系越明顯，表現(xiàn)為結(jié)構(gòu)性特征。若空間相關(guān)性小，則表現(xiàn)出隨機(jī)性特征，其值與相鄰單元關(guān)系較小，而塊基比值用于表示空間相關(guān)性的強(qiáng)弱。

3 結(jié)果及分析

3.1 土地利用空間格局分析

3.1.1 土地利用時空變化特征

由表1 和圖2 可知，2010-2020 年成渝城市群土地利用類型以耕地、林地為主，各類型面積呈“三增三減”的變化特征。在增長態(tài)勢中，建設(shè)用地面積增加最多，為2 849.42 km2，增幅達(dá)156.1%；其次為林地增長738.96 km2，且林地面積呈現(xiàn)出先減后增的趨勢，在2015 年以后增幅較為明顯；最后為水域，僅增長264.53 km2。此外，耕地、草地、未利用地均處于減少態(tài)勢，其中，耕地在近10 年間降幅最大，減少了2 482.1 km2，占比由61.59%降至60.29%；草地面積處于減少態(tài)勢，并在2015 年以后減少趨勢更加明顯；未利用地面積整體較為穩(wěn)定，僅下降了3.17 km2。

表1 土地利用占比變化表Tab.1 Changes in the proportion of land use types

圖2 研究區(qū)土地利用圖Fig.2 Land use map of the study area

在空間變化上（見圖2），主要中心城區(qū)呈現(xiàn)出明顯的向外圍擴(kuò)張的趨勢，尤其是成都市與重慶市建設(shè)用地向外擴(kuò)張顯著。受此影響，城區(qū)周圍的大片耕地遭到侵占，耕地面積逐年減少，但受耕地保護(hù)措施的影響其下降速度有所放緩。此外，在研究區(qū)四周山地區(qū)域林地面積有所增長，這與2011 年頒發(fā)的《成渝經(jīng)濟(jì)區(qū)區(qū)域規(guī)劃》中加強(qiáng)盆周生態(tài)圈生態(tài)功能區(qū)建設(shè)以及“退耕還林”等生態(tài)保護(hù)措施有關(guān)。

3.1.2 土地利用類型轉(zhuǎn)移特征

由表2 可以看出，2010—2015 年共有6 452.27 km2土地利用方式發(fā)生了改變，占總面積的3.35%，其中，土地轉(zhuǎn)移主要發(fā)生在耕地、林地、建設(shè)用地之間，面積為5 954.22 km2；主要土地轉(zhuǎn)移類型為耕地轉(zhuǎn)為林地、林地轉(zhuǎn)為耕地、耕地轉(zhuǎn)為建設(shè)用地。到2015—2020 年，成渝城市群土地利用發(fā)生改變的區(qū)域上漲至5.05%，面積為9 749.89 km2；除原有的耕地、林地、建設(shè)用地間的轉(zhuǎn)移面積增加外，草地向林地轉(zhuǎn)移大幅增加。整體上看，成渝城市群2010—2020 年土地利用方式變化顯著，主要集中在耕地、林地、建設(shè)用地之間。

表2 土地利用轉(zhuǎn)移矩陣表/km2Tab.2 Land use transfer matrix/km2

3.2 土地利用沖突測算

3.2.1 土地利用沖突時空變化特征

成渝城市群2010—2020 年土地利用沖突變化顯著（見表3 和圖3）。2010 年成渝城市群土地利用沖突以可控級別為主，面積為157 610.03 km2，占比達(dá)81.67%，主要分布在研究區(qū)中部耕地連片區(qū)域以及研究區(qū)西部山地草地與林地連續(xù)分布區(qū)。至2015 年，可控級別比例下降3.6%，面積減少6 942.53 km2，主要發(fā)生在城區(qū)周圍以及盆周山地地區(qū)，到2020 年可控級別降幅有所放緩，降幅為1.77%。與此相對應(yīng)，輕度失控和重度失控單元分別增長了1.96%和3.41%?？傮w情況上，2010—2020 年成渝城市群土地利用沖突有所加劇，但增速有所放緩。

表3 土地利用沖突占比表Tab.3 Proportion of land use spatial conflicts

圖3 研究區(qū)土地利用沖突指數(shù)格局Fig.3 Spatial pattern of spatial conflict index in the study area

在空間變化上，近10 年成渝城市群土地利用沖突空間變化顯著（見圖3）。2010 年失控級別主要分布在成都市城區(qū)和重慶市涪陵區(qū)等地的城區(qū)周圍以及達(dá)州市北部、城口縣等地的山地、丘陵地區(qū)，主要土地類型為建設(shè)用地、耕地和林地。隨著時間的推移，上述城區(qū)周圍由于建設(shè)用地的擴(kuò)張導(dǎo)致可控級別單元逐漸減少，至2015 年，成都市西部的溫江區(qū)和崇州市失控單元明顯增加。到2020 年，成都市由于向東發(fā)展的政策導(dǎo)致龍泉驛區(qū)、青白江區(qū)土地沖突得到激化。此外，研究區(qū)四周山地、丘陵地區(qū)由于受地形因素影響，耕地與林地的頻繁轉(zhuǎn)換導(dǎo)致景觀斑塊破碎，增加了各土地類型間接觸的概率，激化了土地利用沖突，尤其在大巴山區(qū)表現(xiàn)明顯。

3.2.2 土地利用沖突空間分異和類型分異特征

為進(jìn)一步了解土地利用沖突的空間分異特征，采取全局Moran’s I 指數(shù)對近10 年土地利用沖突格局進(jìn)行全局空間自相關(guān)檢驗(yàn)，2010 年、2015 年、2020 年Moran’s I 指數(shù)分別為0.721、0.720、0.712，Z 得分均遠(yuǎn)大于0.001 置信水平下的3.29 臨界值（見表4）。說明土地利用沖突評價單元的值與鄰近評價單元值具有較強(qiáng)的正相關(guān)性，土地利用沖突在空間上趨于聚集，這表現(xiàn)在成都市、重慶市以及研究區(qū)東北部的高值聚集和研究區(qū)中部資陽、內(nèi)江等地的低值聚集。研究期內(nèi)，2010—2015 年Moran’s I 值變化并不顯著，僅下降0.01，而2015—2020 年Moran’s I指數(shù)由0.72 下降至0.712，土地利用沖突發(fā)生的空間聚集性降低，空間分布更加分散。

表4 研究區(qū)各階段土地利用沖突Moran's I 值Tab.4 Moran's I value of land use conflict at each stage in the study area

在土地利用類型上，各土地利用類型發(fā)生沖突的概率具有差異性。由圖4 可知：①2010—2020 年成渝城市群耕地和林地整體以可控級別為主，其中穩(wěn)定可控、基本可控級別逐年下降，重度失控、輕度失控級別逐年上升，其原因是耕地受人類活動影響較大，加之耕地與林地間土地頻繁轉(zhuǎn)移，導(dǎo)致耕地、林地斑塊破碎，進(jìn)而引發(fā)土地沖突。②10 年間建設(shè)用地穩(wěn)定可控和基本可控級別分別下降3.47%、3.31%，輕度失控在2010—2015 年稍有上升，2015—2020 年明顯上升，這是由于2016 年《成渝城市群發(fā)展規(guī)劃》印發(fā)后，區(qū)域內(nèi)建設(shè)用地及工礦用地需求激增，激化了土地利用沖突，建設(shè)用地重度失控由3.42%上升至7.43%。③草地與水域沖突級別變化較小，以可控級別為主。2010—2020 年草地輕度失控和重度失控均為波動上升的趨勢，整體變化較小，水域重度失控級別無明顯變化，輕度失控單元有所上升。④未利用地可控級別逐年下降，重度失控單元占比最高，其原因是未利用地的經(jīng)濟(jì)效益較低，極容易被其他用地類型所侵占，但由于研究區(qū)未利用地面積占比較小，其土地利用沖突對研究區(qū)整體影響較小。整體上，2010—2020 年成渝城市群土地利用沖突主主要發(fā)生在建設(shè)用地、耕地和林地類型上。

圖4 2010-2020 年各土地類型沖突等級占比變化圖Fig.4 Proportion of conflict levels of different land types

3.3 土地利用沖突空間分異因素分析

在土地利用沖突中，隨機(jī)性主要表現(xiàn)在人為因素包括突發(fā)自然災(zāi)害、人類活動等外因，結(jié)構(gòu)性主要包括氣候、土壤、光熱條件等內(nèi)在因素[22-23]。因此，選取氣溫、降水、海拔等隨機(jī)性因素以及GDP、人口、城鎮(zhèn)化率等結(jié)構(gòu)性因素（見表5 和圖5），采用半變異函數(shù)方法，使用GS+軟件區(qū)分土地利用沖突空間分異的主導(dǎo)因素，其結(jié)果如表6 所示。

表5 社會經(jīng)濟(jì)因素Tab.5 Socio-economic factors

表6 成渝城市群半變異函數(shù)模擬結(jié)果Tab.6 Simulation results of semi-variogram of Chengdu-Chongqing urban agglomeration

圖5 氣候因素Fig.5 Climatic factors

結(jié)果表明：模型結(jié)果 R2均大于0.75，說明模型結(jié)果較好。2010—2020 年成渝城市群基臺值均小于0.5，說明氣候、海拔等自然因素是影響土地利用沖突空間分異的主要因素。氣候因素影響區(qū)域自然本底，進(jìn)而影響土地利用方式。成渝城市群位于盆地地區(qū)，四周環(huán)山，地形復(fù)雜造成了多樣的氣候條件，不同的水汽組合和復(fù)雜地形形成了錯綜復(fù)雜的景觀斑塊，直接影響到土地利用沖突的強(qiáng)弱。近年來，隨著人類活動頻繁，塊基比由0.197 上升至0.487，轉(zhuǎn)為中等程度空間相關(guān)，由結(jié)構(gòu)性因素主導(dǎo)轉(zhuǎn)變?yōu)榻Y(jié)構(gòu)性與隨機(jī)性因素共同影響。總體來說，成渝城市群在快速城鎮(zhèn)化以及工業(yè)發(fā)展發(fā)展過程中人類活動因素對土地利用沖突的影響越來越重要，自然因素對土地利用沖突影響得到削弱。

4 討論

近年來成渝城市群在國家政策的引導(dǎo)下發(fā)展迅速，各土地利用方式間轉(zhuǎn)換頻繁，主要集中在耕地、林地、建設(shè)用地類型之間，這與已有研究結(jié)果相一致[24]。從本文研究結(jié)果來看，成渝城市群土地利用沖突主要土地類型包括建設(shè)用地、耕地和林地，這與土地轉(zhuǎn)移頻繁的類型相一致。已有眾多研究表明，城鎮(zhèn)化會導(dǎo)致建設(shè)用地擴(kuò)張，加劇城區(qū)周圍土地利用沖突[10,12]，成渝城市群在2016 年發(fā)展規(guī)劃頒發(fā)后，建設(shè)用地的土地利用沖突增長明顯。此外，耕地和林地間的相互轉(zhuǎn)換也導(dǎo)致了土地利用沖突的發(fā)生，在研究區(qū)四周山地地區(qū)因光照、降水、土壤侵蝕等自然因素影響，景觀斑塊破碎，生態(tài)環(huán)境較脆弱。加之該區(qū)域居民主要依靠種植業(yè)獲取收入，對耕地需求量較大，林地和耕地轉(zhuǎn)換頻繁，導(dǎo)致土地利用沖突的發(fā)生，這與Bao 等人對京津冀城市群研究結(jié)果相一致[25]。因此，在未來成渝城市群發(fā)展中，需要對建設(shè)用地進(jìn)行合理規(guī)劃，同時加強(qiáng)對盆周山地地區(qū)生態(tài)保護(hù)，堅持“退耕還林”政策，協(xié)調(diào)耕地、林地間的沖突，促進(jìn)成渝城市群綠色可持續(xù)發(fā)展。

此外，本研究也存在部分局限性，由于土地利用沖突除空間沖突外還具有生態(tài)沖突、經(jīng)濟(jì)沖突等，在未來研究中需從多視角研究土地利用沖突。在對土地利用空間沖突主導(dǎo)因素分析時，缺乏定量分析，無法解釋主導(dǎo)因素對具體生態(tài)過程的影響，在未來研究中應(yīng)深入分析土地利用沖突發(fā)生的體系機(jī)制。