城镇化驱动下济南市土地利用变化特征

2018-04-11李新举

山东农业大学学报（自然科学版） 2018年2期

王恳,李新举

山东农业大学资源与环境学院,山东泰安 271018

城镇化是社会经济发展的必然趋势，而土地是人类赖以生存的基本条件和经济社会发展的重要载体，土地利用是经济社会发展和环境保护在空间上的体现，是映射人类经济社会发展的镜子[1]。

土地利用变化是人类活动对自然环境影响的重要表现形式。因此探讨土地利用的变化过程及驱动机理已成为当前全球变化研究的重要领域[2-4]。城镇化和土地利用本身的相互作用决定了城镇化驱动下各地类变化的复杂性。城镇化推进下的各类土地利用变化特征的研究是国内学者研究的一个热点。在城镇化和土地利用变化的作用关系上，赵可[5]对建设用地与经济发展、城镇化之间的关系进行分析，认为城市建设用地扩张对加速城镇化进程和经济发展有推动作用。孟鹏[6]针对黄淮海平原城镇化对耕地变化影响的差异性分析进行研究。吴巍[7]通过GWLR模型的土地城镇化驱动模式的可视化研究，准确地表达各解释变量的空间变化，为研究区的耕地资源与生态环境的保护提供了新方法。潮洛濛[8]、孟宪磊[9]分别利用遥感数据，缪丽娟[10]利用相关分析、协整分析方法对各地区空间尺度的城镇化与土地利用变化之间的作用关系进行了详细研究。在经济增长和耕地非农化关系方面，黄砺[11]、李永乐[12]、王雨濛[13]对耕地库兹涅兹曲线的验证和变化趋势进行研究。马振邦[14]、黄一绥[15]等对城镇化进程中土地利用变化的环境效应进行了典型区域研究。

济南市作为山东省省会，在快速的城市化进程和持续加快发展的社会经济影响下，土地利用结构的变化也不断加速。日益突出的土地利用冲突和人地矛盾，使济南市耕地资源面临的形势更加严峻。同时出现了城市不断向外扩展与城市内部土地粗放经营并存的现象，有限的土地资源越来越稀缺[16]。城镇化过程中土地资源面临着再配置和利用的问题，能否合理又高效地利用土地成为制约经济发展的重要因素。因此，有必要对济南市城镇化驱动下各类土地利用变化的特征展开分析，从利用和管理上采取综合对策，优化济南市土地利用结构，为实践中进一步因地制宜，统筹规划各类土地合理利用提供技术支撑。

1 数据来源与研究方法

1.1 数据来源及处理

本研究选用1990～2015年间6个时段（1990年、1995年、2000年、2005年、2010年为Landsat-5TM卫星影像；2015年为Landsat8卫星影像）分辨率30 m的遥感影像，收集相应年份的济南市土地利用现状图、济南市乡镇行政区划图辅助影像进行预处理。由于原始影像的覆盖范围大于研究区的范围，故对影像进行裁剪以获取研究区影像资料。裁剪后获取的研究区影像基本无云层覆盖，且地类显示清晰，影像质量较好。

1.2 研究方法

利用ENVI4.7和ENVI5.1软件的部分功能对遥感影像进行预处理。在完成大气校正的基础上，以2005年济南市土地利用现状图为基准进行几何校正。结合济南市行政边界矢量图对已完成几何校正的影像进行镶嵌、裁剪，获取济南市的遥感影像。通过天地图在线查阅相应年份的高分影像，结合2005年济南市土地利用现状图，根据城镇化相关用地要求，在ENVI4.7平台上用最大似然法进行影像的监督分类，将济南市土地利用类型分为6大类：耕地、林地、水域、农村居民点、城镇建设用地、未利用地。采用Majority分析等方法对分类后存在错分、漏分的小图斑进行合并或者剔除，使得分类后的影像更加准确和平滑[17]，保证分类精度达到85%以上。通过观察分类后得到的土地利用数据集，分析研究期内济南市各地类的数量结构特征和变化趋势。

1.2.1 单一土地利用动态度模型为了反映土地类型用地面积的变化幅度、变化速度以及济南土地利用变化中的类型差异，通过土地利用动态度模型真实反映济南土地利用类型的变化剧烈程度。

单一土地利用动态度是在某研究区一定时期内某土地利用类型的面积年平均变化情况，表征单一土地利用类型变化的数量特征[18]，表达式为：

其中，K为研究时段某一土地利用类型动态度；Ub、Ua分别表示研究期末跟研究期初的某一土地利用类型的数量；T表示研究时长，通常以年为单位。

1.2.2 土地利用程度综合指数模型土地利用程度包括土地本身的自然属性及自然与人类的综合效应，主要反映的是研究区每一期土地利用广度及深度。通过ARCGIS软件GRID模块功能，提取研究区域1 km×1 km内土地利用程度指数。土地利用程度指数参照刘纪远、庄大方[19]的综合分析方法，根据土地自然综合体在人类活动影响下的自然平衡的状态，将土地利用程度划分为若干级别，进而分级赋予指数。

将土地利用的综合指标按照数学的方法进行综合，进而得到一系列连续分布的综合指数，通过综合指数数值的大小来反映该研究区域内土地利用的程度，计算模型表达式为：

其中，La为研究区土地利用程度综合指数；Ai为研究区第i类土地利用类型的土地利用程度分级指数；Ci为研究区域第i类土地利用类型面积占总面积百分比；n为土地利用程度分级数。

1.2.3 综合土地利用程度变化模型一个特定范围内土地利用程度的变化是多种土地利用类型变化的结果，土地利用程度变化量和土地利用程度变化率不但能定量地揭示该区域土地利用的综合程度，而且还能够预测其未来变化的趋势[20]。

陶瓷这一艺术品，同山水画一样，伴随着山水画的发展而发展，具有悠久的历史，早在宋代时期，陶瓷的器型就发展到数百种之多，而且成功地烧造出大批造型各异、风格独特的影青釉瓷雕和仿造出了多种颜色釉瓷器，产生了著名的五大名窑：官、汝、定、钧、哥。所产瓷器，有“白如玉、明如镜、薄如纸、声如磬”之美誉。不言而喻，陶瓷与山水画一样经过数千年时间的洗礼，它们的结合是必然的，也是极致的。

其中，ΔLb-a代表研究时段内土地利用程度变化量；a、b分别代表研究期期初和研究期期末；

Lb、La分别代表研究期期初和研究期期末的土地利用程度指数；Ai为研究区第i类土地利用类型的土地利用程度分级指数；Cia为研究期期初该区域第i类土地利用类型面积占总面积百分比；Cib为研究期期末该区域第i类土地利用类型面积占总面积百分比；Rb-a为ab时段内土地利用变化率。

1.2.4 土地利用转移矩阵为研究土地利用类型转化，进一步分析各土地利用类型在不同时期的流入和流出的动态过程和各地类面积变化的来龙去脉。我们以某些年份作为时间点，判断这些时间点以及相邻两两之间各种土地利用类型的转移，建立土地利用转移矩阵[21]。在转移矩阵中横行表示某一土地利用类型由其他类型流入的面积，纵列表示某一土地利用类型流出为其他类型的面积。

2 结果与分析

2.1 济南市土地利用数量变化特征

图1 1990-2015年济南市土地利用变化趋势Fig.1 The change trend of land-use in Jinan from 1990 to 2015

从图1可以看出，耕地在所有土地利用类型中所占比例最大，1990～2000年间耕地面积小范围地持续减少，2000年耕地面积达到最小值3341.15 km2。2000～2015年间耕地面积持续上升，其中2005年耕地面积有较大的增幅，与2000年相比增加114.36 km2，2015年耕地面积达到最大值3513.20 km2，25年内耕地面积共增加131.64 km2。

林地在所有土地利用类型中所占的比例仅次于耕地，1990～2000年间林地数量持续上升，2000年达到最大值2157.73 km2。2000～2015年间林地数量大幅下降，其中2010年林地数量比2005年减少147.70 km2，这5年林地数量减少的速率最大，2015年林地数量达到最小值1929.90 km2，25年内林地共减少158.60 km2。

水域在所有土地利用类型中所占的比例最低，25年内水域面积持续小范围上下波动，其中2010～2015年波动最大，2010年水域面积达到最大值158.85 km2，2015年水域面积降至最小值106.42 km2，25年内水域面积共减少43.03 km2。

农村居民点面积总体呈上升态势，1990～2005年间经历了小幅度的上下波动，2005年农村居民点面积达到最小值744.13 km2，2010年农村居民点面积与2005年相比，增加133.39 km2，这5年农村居民点增加的速率最大，2015年达到最大值936.37 km2，25年内农村居民点面积共增加143.91 km2。

城镇建设用地面积呈总体上升态势，在土地利用类型中变化幅度最大，由1990年的最小值384.30 km2增至2015年的最大值741.22 km2，25年内城镇建设用地面积共增加356.92 km2，增幅达92.88%。

未利用地面积总体呈下降趋势，由1990年的最大值1224.92 km2降至2015年的最小值794.12 km2，25年内未利用地共减少430.80 km2。

2.2 济南市土地利用动态变化分析

土地利用动态变化分析将从单一土地利用动态度、土地利用程度、土地利用类型转化三个方面展开，重点体现土地利用变化的时间特征。

2.2.1 单一土地利用动态度通过单一土地利用动态度公式计算得出济南市1990～2015年各土地利用类型的单一土地利用动态度。其中，年变化速度最大的是城镇建设用地，变化率为3.72%；未利用地面积大幅度减少，年变化率为-1.41%。从表1可以看出1990～2015期间，用地面积增加的地类包括耕地、农村居民点和城镇建设用地，其中城镇建设用地的年变化率最大，说明济南市城镇化进程在这25年内快速发展；用地面积减少的地类包括林地、水域和未利用地，其中未利用地的减少幅度最大，说明济南市在城镇化进程中注重挖掘未利用地潜力，加大对未利用地的开发利用。

表1 1990～2015年济南市各地类土地利用动态Table 1 Dynamic uses of various lands in Jinan from 1990 to 2015

2.2.2 土地利用程度本文结合实际情况将土地利用程度划分为4类（见表2）。通过为研究区不同土地利用类型赋利用程度值，将各地类面积百分比与利用程度值加权，得到整个区域在研究期内的土地利用程度变化值。

表2 土地利用程度赋值表Table 2 Land use degree assignment table

（1）土地利用程度综合指数模型土地利用程度综合指数一定程度上反映了研究区内土地利用的集约程度，从图2可以看出，1990～2015年间，济南市土地利用程度在不断提高，说明人类的活动对土地利用的影响越来越大。随着济南城镇化进程的加快，农业人口向非农业人口转变的趋向越来越明显(见图3)，城市人口的扩张、产业的升级使得许多农业用地和未利用地转变为建设用地，加之农民生活水平的提高，使他们更加追求生活舒适度，农村居民点数量也在不断增加。农业用地和非农业用地的内部结构在数量上的变化，是加大土地利用程度的重要因素。

图2 济南市土地利用程度综合指数图Fig.2 Comprehensive index of land use degree in Jinan

图3 1990～2014年济南市城乡人口对比状况Fig.3 Comparison of urban and rural population in Jinan from 1990 to 2014

（2）综合土地利用程度变化模型根据土地利用程度变化量、变化率公式，计算得到1990年、2015年济南市土地利用程度指数分别为256.23和275.72，说明在25年内济南市土地利用程度有所提高；1990～2015年间济南市土地利用程度变化量ΔLb-a=19.49，土地利用程度变化率7.61%＞0，表明济南市土地利用正处于发展期。

2.2.3 土地利用转移矩阵分析利用ENVI CLASSIC中的Change Detection Statistics工具，选择1990～2000年、2000～2010年、2010～2015年三个时段，分别建立转移矩阵，对济南市25年来的土地利用动态变化情况进行计算和分析。

表3 1990-2000济南市土地利用转移矩阵（单位：km2）Table 3 Land use transfer matrix in Jinan from 1990 to 2000 (Unit:km2)

1990～2000 年间，城镇建设用地从384.30 km2增加到523.81 km2，共增加139.51 km2，在土地利用类型中面积增加量最大、面积变化幅度最大。城镇建设用地流入来源中耕地最多，占总流入量的44%。这期间随着济南经济发展水平逐渐提高，城市工业化快速发展，土地城镇化步伐加快，在城镇扩张过程中出现大量占用耕地的现象。城镇建设用地的流出主要表现为34.49 km2转变为耕地，34.53 km2转变为林地，以耕地占补平衡、增加绿化的形式实现。未利用地从1224.92 km2减至1085.38 km2，共减少139.54 km2，在土地利用类型中面积减少量最大。未利用地的变化除了有219.56 km2被整理后转为耕地之外，主要是和林地的相互转变。耕地变化不大，从3381.56 km2减至3341.15 km2，共减少40.41 km2，大部分流向林地和建设用地。农村居民点共减少15.88 km2，林地共增加69.23 km2，水域共减少12.91 km2，这三个地类的变化幅度都不大。

表4 2000～2010济南市土地利用转移矩阵（单位：km2）Table 4 Transfer matrix of land use in Jinan from 2000 to 2010 (Unit:km2)

2000～2010年间，各类用地之间的转换依旧十分频繁。其中面积增加量最大的是耕地，由3341.15 km2增加到3478.40 km2，共增加137.25 km2，主要来源是307.98 km2的林地和233.81 km2的未利用地，1999年《新土地管理法》明确关于土地开发和整理的规定，2000年全国开展土地整理的工作，济南市严格按照新土地管理法的规定和市政府关于“土地开发、复垦和整理管理办法”的立法要求，加大土地开发、复垦和整理的实施，成绩显著，出现大量新增耕地。面积变化幅度最大的是城镇建设用地，增加量同过去10年相差不大，共增加了136.37 km2。城镇建设用地来源最大的依旧为耕地，流入量为124.90 km2。自2003年之后济南城镇建设用地增长较快，说明城镇化发展迅速，对建设用地需求大，且总量失控，大量耕地转化为建设用地。耕地占流出量的比重也是最大，流出量为48.94 km2，“十一五”国土资源规划期间，济南市加强土地集约节约利用，整理土地、更新旧城、挖潜存量土地。面积减少量最大的是未利用地，共减少239.00 km2，减少面积较前十年多70%，耕地为主要流出量。农村居民点与过去10年相比有很大的变化，增加100.94 km2，主要是和耕地、未利用地的相互转变。2003年开始，国家相继出台了一系列的惠农政策，如《中共中央国务院关于促进农民增加收入若干政策的意见》“中央一号”文件的颁布。济南市作为省会城市，对国家政策的执行力度较大，农民减负增收较快。收入增加的农民对改善住宅需求的欲望较迫切，导致大量农村住宅建设用地增加。水域有16.34%较大幅度的增加，林地面积变化幅度不大。

表5 2010～2015济南市土地利用转移矩阵（单位：km2）Table 5 Land use transfer matrix in Jinan from 2000 to 2010 (unit:km2)

2010～2015 年间济南市经济飞速发展，新型城镇化进程加快，各类用地间的转换更加复杂。城镇建设用地作为一直增长的土地利用类型，在近5年的面积增长量最大，由660.18 km2增加到741.22 km2，共增加81.04 km2。流入来源除耕地外，农村居民点也占了较大比重。济南在新型城镇化建设当中将发展重点从中心城区逐步转移到周边的卫星城镇，起到分担中心城市职能、结构优化和城乡联系的功能，使得农村居民点有52.88 km2转移给城镇建设用地。城镇建设用地主要的流出来源是52.73 km2的耕地，2012年出台的《济南市耕地保护管理办法》明确规定实行耕地保护实行责任目标考核制度，挖掘城市内涵并加大土地整治力度。面积增长仅次于城镇建设用地的是农村居民点，由877.52 km2增加到936.37 km2，共增加58.85 km2。农村居民点最大流入量为158.10 km2的耕地，说明建设占用耕地现象依旧存在。近年来济南农村居民点呈无规律向村庄周围扩张，很大部分沿主干道路建房，造成村庄内部房屋空置，利用率低下，导致最大流出量为142.25 km2的未利用地。耕地面积增加量为34.77 km2，主要流入来源为198.17 km2的林地和123.59 km2的农村居民点，随着农村土地流转、农村建设用地入市等政策的实施，农村土地整治可以有效增加耕地面积。水域减少幅度达33.01%，原因除了干旱之外主要在于部分水域改造成人工水田和种植林。林地面积变化幅度不大。未利用地作为一直减少的土地利用类型，共减少52.26 km2。

3 结论与讨论

1）研究期内，济南市土地利用程度在不断提高，说明在城镇化进程中人类的活动对土地利用的影响越来越大。济南市土地利用程度变化量为19.49，土地利用程度变化率7.61%＞0，表明济南市土地利用处于持续发展阶段。

2）建设用地总量不断增加，其中城镇建设用地在土地利用类型中面积增加量最大，年变化速度最大，25年内共增加356.92 km2，变化率为3.72%，主要流入来源为耕地，说明城镇建设用地的增长主要以牺牲耕地为代价。城镇化进程中需要合理控制城镇建设用地规模，挖掘土地潜力。流入来源中农村居民点也占很大部分，主要体现在新型城镇化建设中济南市将发展重点从中心城区逐步转移到周边的卫星城镇。研究期内农村居民点持续上升，一方面农民改善住宅水平的要求不断扩大，农村居民点面积相应的增加；另一方面，农民迁城造成了“空心村”现象，村庄内部房屋低矮破旧、致荒闲置现象严重，故势必要加强现有建设用地潜力挖掘和农村居民点整治力度，这也是解决人地供需矛盾的必由之路。

3）耕地经历了先减少后增加的过程，虽然在2000年以后通过整理土地、更新旧城、挖潜存量土地，耕地占补平衡等措施使得耕地面积有所增加，但截止到2015年济南市人均耕地0.9亩，低于全省1.21亩平均水平，更低于全国1.52亩平均水平，耕地保护形势依旧严峻。耕地的主要流出来源为城镇建设用地和农村居民点，说明在城镇化的过程中需要协调好耕地和建设用地之间的矛盾。

4）未利用地在土地利用类型中面积减少量最大，共减少430.80 km2，主要流向耕地和林地。随着济南市土地城镇化步伐加快，城镇化进程中科学推进未利用地的开发利用，既可以保护优质耕地，又可以拓展建设发展空间，成为加快济南市产业转移、促进区域协调发展的有力支撑。

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