太行山区土地利用冲突测度及其时空特征

薛朝浪,赵宇鸾

(贵州师范大学 地理与环境科学学院,贵州 贵阳 550001)

1 引言

土地资源是人类社会进行物质生产的空间载体与生产资料,土地利用的实质是人类对地球表面空间格局的改造行为与作为生产要素的价值索取,短时期内变化受区域经济社会活动驱动作用显著[1]。随着我国城乡空间结构的急剧变迁、生产方式的深刻变革,城镇化与工业化的发展推动城镇人口集聚愈发显著,进而导致土地开发外延扩张迅速,趋使“生产—生活—生态”用地时空格局嬗变[2]。因此,在土地资源数量固定且有限的情况下,城镇建设胁迫农业生产与生态服务空间萎缩加剧,区域土地系统利用结构和功能失衡逐渐凸显,土地利用冲突日益成为制约区域可持续发展和国土空间功能优化的瓶颈[3,4]。

目前,土地利用冲突问题受到了国内外专家学者的普遍关注[3-5]。众多学者在土地利用冲突的概念内涵[3,4,6]、分类与特征[7-9]、影响机制[10-12]、诊断模型[13-18]等方面进行了大量研究,研究对象或范围主要关注城市群[14,16]与大城市边缘区[11,15]、矿粮复合区[13,17,18]、自然保护区[11,19]、风景名胜区[20]的土地利用冲突问题。然而,学者们对复杂性和异质性较大的山区土地利用冲突研究还略显不足[21],尤其是缺乏对整个山区内部不同行政单元土地利用冲突的空间分异特征的探讨,因此不利于针对性地提出山区土地可持续利用的对策与缓解土地利用冲突具体措施。

太行山区是我国京津冀地区国土资源开发的重要组成部分之一。随着京津冀协同发展战略的进一步推进,在华北平原经济发展加速融合的背景下,太行山区土地资源利用的冲突问题不容忽视。因此,研究以地理区位优势突出、土地资源利用较紧张的太行山区为例,借鉴并尝试构建基于PSR评估框架的土地利用冲突强度诊断模型,通过探索性空间数据分析方法(ESDA),对1990—2015年太行山区的土地利用冲突水平进行了定量测度,并对各县级行政单元土地利用冲突强度演变的时空分异特征进行了探讨,以期能为我国山区土地利用冲突强度测度研究提供案例补充,同时为我国太行山区土地资源的可持续利用、区域协调发展、国土空间功能优化提供决策依据。

2 数据与方法

2.1 研究区概况

太行山北起北京西山,向南延伸至河南与山西交界的黄河北岸,西至汾河谷地,东临华北平原[22],涉及北京、山西、河北、河南4省(市)101个县级行政区,总面积约13.69×104km2(图1)。太行山是我国黄土高原和华北平原的地理分界线,受地质构造影响,西部断陷抬升形成了山西高原,东部断陷下降形成了华北平原,断层东西两侧最大高差达1500—2000m,平均海拔约861m。太行山区是太行山地及其与之相邻的丘陵、平原地区,地势西高东低,地形起伏大,区域内亚高山、中山、低山、盆地、丘陵等山地类型多样;气候属暖温带大陆性季风气候,多年平均气温11.1℃,多年平均降水511.1mm,夏季降水集中,具有雨热同期、四季分明的特征。太行山区地处京津冀、太原与中原城市群交界地带,地理区位优势突出,资源型城市数量多、分布广,境内有峰峰、井陉、临城等矿区,矿产资源丰富;太行山区作为华北地区的重要生态屏障,区域生态空间功能效益优势明显,有小五台山、历山等国家自然保护区,滹沱河、桑干河等河流自西向东汇入渤海,是华北平原的重要水源地。随着我国经济社会的快速发展,太行山区的城乡建设面貌显著提升,但同时也面临着经济建设与生态保护的双重压力,土地资源的可持续利用成为区域协调发展普遍关注的问题。

图1 研究区示意图

2.2 数据来源与处理

本研究中，土地利用数据(1990年、2000年、2010年、2015年)由国家重点基础研究“973”项目“山区国土空间功能优化与调控对策”课题组提供。该数据基于TM影像解译而来,采用Googel高分影像及野外调查验证,总精度达到85%以上。县级行政单元界线等矢量数据来源于中国科学院山地表生过程与生态调控重点实验室。1990年、2000年、2010年的经济社会统计数据获取自中国科学院资源环境数据中心,2015年的经济社会统计数据由各省(市、县、区)统计年鉴和统计公报整理获得。本文利用ArcGIS软件提取太行山区各县级行政单元的不同土地利用类型数量,并与同时期的经济社会数据构建土地利用冲突分析数据库,使用Geoda软件进行空间关联性测度。

2.3 测度方法与指标构建

土地利用冲突指数:土地利用冲突主要是指经济社会发展过程中土地系统利用不尽协调,社会、经济、生态效益互为矛盾的现象[4]。可用土地利用冲突综合指数(Land Use Conflict Index,LUCI)来定量表征区域土地利用冲突的整体发展程度与水平,具体由压力指数(TP)、状态指数(TS)和响应指数(TR)构成[21](表1)。

表1 土地利用冲突综合指数计算方法

注:r1,r2,…,rn为每类指数对应的权重;wi,j,k为单个指标对应的权重;U(Xi,j,k)为单个指标的标准化值;i、j和k分别表示各指标的序号。

指标体系构建:本文基于PSR评估框架,并结合层次分析法,制定了指标构建应遵循的几项主要原则:厘清评价的目标导向并兼顾单项指标系统完整,使各指标间既相互独立又整体关联;参考已有的指标体系[13,21],依据科学性自上而下编制指标分类;梳理各指标的典型代表性,删减冗余指标,征询领域内专家意见并采用Delphi法[23]确定各指标权重,由此构建适宜太行山区土地利用冲突评价的指标体系(表2)。

表2 土地利用冲突强度诊断的PSR评价指标体系构建

具体来看,各指标的选取应与太行山区的经济社会发展要素相匹配,通过分析区域土地利用变化驱动力,对反映区域土地系统利用胁迫程度、利用格局、策略行为的影响因子进行筛选。经济发展与人口增长是土地利用冲突发生与发展的根本原因,山区则因地域的特殊性而更加显著,因此选取耕地复种指数、农业机械总动力、水果面积占种植业比重、大牲畜年末存栏数、乡村劳动力总量、农民人均年收入为土地利用冲突压力指标,用以从农牧业发展状况、城乡人口结构、经济收入水平方面量化土地系统承载压力;土地利用结构是土地资源具有多宜性特征的表现形式,而功能作用是土地作为生产要素的本质体现,不同社会团体与个人根据自身利益需求,在一定时期和一定程度上对土地利用形态进行改造,以满足利益需求最大化,因此土地利用状态指标从用地结构和利用程度方面进行考量,选取垦殖系数、建设用地比例、劳均耕地面积、未利用地面积比值、土地利用综合程度指数来反映区域土地利用状况。同时,各利益相关方为提高土地利用效益、发挥土地基本功能效用、维持土地生态效益和可持续性,进而采取工程技术手段或政策措施等方式对土地资源的利用加以管制。由于政策性因素难以量化,研究选取灌溉面积占耕地比例、化肥投入水平、林草地比例作为土地利用冲突响应指标。

指标中，土地利用综合程度指数的计算公式为[24]:

(1)

式中,La为土地利用综合程度指数;Ci为第i级土地利用程度分级面积百分比;Ai为第i级土地利用类型分级指数,各土地利用类型分级指数按受人类活动影响程度及生态效益进行赋值:未利用地为1,林草水用地为2,耕地为3,城镇、农村居民点、工矿等建设用地为4。

由于各指标具有不同的衡量单位,为使其评估结果具有可靠性,需对指标原始数值进行标准化处理。依据各指标对评价结果的正负向作用,采用max-min标准化方法,公式为[25]:

(2)

式中,xij为i个评价单元的第j个指标数值；i=1,2,…,n;j=1,2,…,m。

2.4 空间关联分析

Global Moran′s I指数计算公式为[27]:

(3)

(4)

(5)

(6)

式中,E(I)为Moran′s I的期望值;Var(I)为方差。当|ZScore|>1.96(α=0.05)时,属性值在空间分布上存在显著的空间关联性。Moran′s I的值域为[-1,1],可知Moran′s I指数为一个从-1—1之间连续变化的指数。若Moran′s I指数通过显著性水平检验,则存在3个空间关联性判别阶段:①当Moran′s I>0时,存在正的空间关联性,地理要素呈空间集聚态势,值越大，空间集聚趋势越显著;②当Moran′s I<0时,存在负的空间关联性,地理要素呈空间离散状态,即空间异质性增强,值越小，空间异质性越显著;③当Moran′s I=0时,则呈随机分布,不存在空间关联性。

(7)

(8)

3 结果及分析

3.1 土地利用冲突强度变化

根据表1中各指数公式,计算得到1990—2015年太行山区各土地利用冲突指数量化值(图2)。从压力指数来看,1990—2015年土地利用压力指数呈倒“U”型变化态势。1990—2010年从0.287缓慢上升至0.434,上升幅度为51.22%,年均增加2.56%;而2015年土地利用压力大幅跌至0.211,较2010年降低51.38%,年均降幅达10.28%。可知，前20年土地利用增长缓慢,后五年下降快速,土地系统压力有所缓解。从状态指数来看,土地利用状态变化态势随时间发展呈“N”型上下波动,1990—2000年从0.160缓慢上升到0.208,2010年大幅降到0.129,反映出1990—2010年该时段内土地利用结构有较大调整,区域建设用地增长显著,耕地及草地大量减少(图3)。2015年土地利用状态指数又缓慢增至0.147,呈平稳上升趋势,这可能与近年来经济社会的快速发展趋使区域用地需求增长有关。从响应指数来看,1990—2000年变化较稳定,土地利用响应指数值仅增加0.003,2000—2015年呈缓慢下降趋势,降低了0.057,反映太行山区土地利用保护和生态保育水平进一步提高,土地生态环境进一步改善,这可能与国家开展退耕还林、生态建设及农业水利基础设施建设等因素有关。

图2 1990—2015年太行山区各土地利用冲突指数变化状况

图3 1990—2015年太行山区各土地利用类型变化状况

太行山区的土地利用冲突综合指数总体呈下降趋势,区域用地冲突及矛盾有所缓解。具体来看,1990—2010年土地利用冲突指数呈缓慢上升趋势,由0.219上升至0.282,增幅28.77%,年均增加1.44%,表明区域土地系统利用冲突逐渐上升;2010年后土地利用冲突指数快速降到2015年的0.166,降幅达41.13%,年均降低8.22%,土地系统利用冲突状况大幅缓解。可见,1990—2015年太行山区土地利用冲突综合指数总体呈减缓趋势,而在时间段上的变化有所区别,前20年受区域经济社会开发的影响，土地利用冲突积累上升；后五年可能受到国家宏观政策调控和土地可持续性利用认识的影响,在土地生态保护措施、土地用途管制、乡城人口迁移等因素作用下,土地系统利用矛盾进一步持续向好的方向转变。

3.2 土地利用强度变化的空间分异特征

总体空间分异特征:利用GeoDa软件分别计算太行山区各土地利用冲突指数的Global Moran′s I值，见表3。

表3 太行山区不同时段各土地利用冲突指数的Global Moran′s I值

按显著性水平95%(α=0.05)的判断标准对各指数的Global Moran′s I值进行检验,其值在理论上达到了数理统计意义的显著性水平,可知各指数均具有空间集聚性。总体而言,1990—2015年的25年间,土地利用冲突压力指数空间集聚特征最为显著,Global Moran′s I值为0.3059;综合指数和状态指数的Global Moran′s I值次之,分别为0.2811、0.1739;响应指数空间集聚性较小,Global Moran′s I值仅为0.0969。具体来看,土地利用冲突压力指数的Global Moran′s I值从时段Ⅰ的0.2677上升至时段Ⅱ的0.3202,增加了0.0525,表明区域土地系统利用压力空间集聚趋势正逐渐增强,而时段Ⅲ该指数的Global Moran′s I值反降到0.1344,减少0.1858,减幅58.03%,空间集聚性大幅减弱;土地利用冲突状态指数的Global Moran′s I值由时段Ⅰ的0.3058减少到时段Ⅱ的0.2388,减少0.067,空间集聚性小幅降低;时段Ⅲ该指数进一步快速减到0.0049,相比时段Ⅱ减少0.2339,降幅达97.95%,说明状态指数空间集聚性正随时间的推移趋于向异质性转变,反映出区域土地利用结构空间分异愈发显著;土地利用响应指数的Global Moran′s I值由时段Ⅰ的0.2275减少到时段Ⅱ的0.1519,时段Ⅲ再减到0.0023,同样说明该指数空间集聚趋势在减弱。

总体来看,太行山区土地利用冲突综合指数在空间分布上呈集聚趋势,但该趋势随着时间的推移而逐渐减弱。综合指数在时段Ⅰ、时段Ⅱ、时段Ⅲ的Global Moran′s I值分别为0.2591、0.2929、0.1767,其动态变化过程呈先增后减的路径,时段Ⅰ—Ⅱ缓慢增加,增加了0.0338,到时段Ⅲ减少了0.1162,说明1990—2010年太行山区经济社会发展受资源型产业影响,“先城后矿”模式导致工业化与城镇化建设过程中的土地利用冲突加剧;而2010—2015年由于资源型城市转型发展与产业结构调整,加之国家土地用途管制措施大力实施,区域土地利用冲突强度有所减缓,随着绿色发展政策推行,未来太行山区的土地利用冲突可能将进一步缓解。

从图4可知,热点区总体呈“山西—河南—河北”的迁移走势,说明山西省的土地系统承载压力有所缓解,河北省的土地系统承载压力正在逐步增加。具体来看,1990—2000年,太行山区的土地利用冲突压力指数热点区主要集聚于山西省长治盆地及其周边县域,这与该时期区域的资源型经济发展有关。长治地区矿产资源丰富、资源型城市众多,趋使城镇建设及经济发展快速,土地系统利用压力增大;2000—2010年,太行山区土地利用冲突压力指数的热点区逐渐迁移到山西与河南两省交界的黄河经济带,在工业经济建设引导下,区域钢铁、化工、冶金等主导优势产业驱动城市化、工业化进程发展快速,土地系统压力上升显著;2010—2015年,太行山区土地利用冲突压力指数的热点区进一步迁移至河北省中南部地区,尤其以石家庄及其周边县域最为显著,这与京津地区产业转移及人口疏解有关。随着京津冀协同发展战略进一步推进,区域交通流、人口流、物质流等各种流交汇加速,趋使产业发展承载用地和居住用地需求旺盛,各业用地矛盾加剧。冷点区趋于分散,主要集聚于太行山区地形崎岖且经济发展落后的县域,这可能与自身经济发展后劲不足、域外城镇化吸引山区人口外迁有关。

图4 太行山区土地利用冲突压力指数的时空演化特征

太行山区土地利用冲突状态指数的冷、热点演化趋势见图5。从图5可见,1990—2000年、2000—2010年太行山区土地利用状态指数的冷、热点区趋于集中,热点区主要从河北邯郸、邢台、石家庄、保定、张家口等地级市所辖县域向山西长治、运城、阳泉等地级市所辖县域迁移；冷点区的迁移趋势与热点区相反,从山西长治、运城、阳泉等地级市所辖县域向河北邯郸、邢台、石家庄、保定和河南安阳、鹤壁、新乡、洛阳等地级市所辖县域迁移。河北、山西两省的土地利用系统状态变化较剧烈。2010—2015年,该区域的土地利用冲突状态指数冷、热点区趋于分散,热点区主要分布于石家庄和邢台部分县域,而冷点区主要分布在长治盆地周边和晋北地区的部分县域。

图5 太行山区土地利用冲突状态指数的时空演化特征

太行山区土地利用冲突响应指数的冷、热点演化趋势见图6。从图6可见,1990—2000年该区域热点区主要集聚于山西阳泉、忻州、大同、运城等所辖县域,2000—2010年逐渐迁移至河北张家口、保定与河南新乡、焦作所辖地区,2010—2015年分布范围有所缩小,以邢台、晋中、安阳所辖县域较集中。冷点区趋于分散,其范围主要集中在山西境内,以山地区县域为主。

图6 太行山区土地利用冲突响应指数的时空演化特征

总体来说,太行山区土地利用冲突综合指数的热点区、次热区趋于向京津冀地区迁移,而冷点区、次冷区则趋于向山西广大区域转移(图7)。具体来看,1990—2000年太行山区土地系统利用综合指数的热点区主要集中分布在长治地区及其周边区域,这与区域资源经济的建设有关;随着产业改革和政策导向指引,2000—2010年土地利用热点区逐渐迁移至山西与河南两省交界的运城、洛阳、安阳、鹤壁、新乡、焦作等所辖县域;2010—2015年进一步迁移至石家庄及其与京津相邻的区域,这与京津冀协同发展战略背景下的工业化建设及城镇化人口集聚驱动土地需求增加有关。

图7 太行山区土地利用冲突综合指数的时空演化特征

4 结论与讨论

4.1 结论

研究通过构建基于PSR评估框架的土地利用冲突强度诊断模型,对太行山区的土地利用冲突水平进行了定量测度,并对各县级行政单元土地利用冲突强度演变的时空分异特征进行了探讨,主要结论为:①1990—2015年太行山区的土地利用冲突强度有所缓解,综合指数从0.219下降到0.166,呈进一步减缓趋势。其中,1990—2010年土地利用综合指数呈缓慢上升态势,由0.219上升到0.282,土地利用冲突强度增加,受区域资源型经济发展驱动作用显著;2010—2015年,综合指数由0.282下降到0.166,土地利用冲突强度大幅减缓,降幅达41.13%,受国家绿色发展政策及农业水利等基础设施建设、退耕还林、乡城人口迁移等因素影响,土地利用冲突可能逐步缓解。②1990—2015年太行山区土地利用冲突的压力指数、状态指数、响应指数及综合指数的Global Moran′s I值分别为0.3059、0.1739、0.0969、0.2811,均通过了α=0.05的显著性水平检验,压力指数空间集聚特征最为显著,响应指数空间集聚性较小。土地利用各指数时段Ⅲ的Global Moran′s I值均小于时段Ⅱ的值,说明太行山区时空格局上的土地利用冲突空间异质性逐渐增强。③1990—2015年太行山区各县级行政单元的土地利用冲突综合指数集聚特征显著。土地利用热点区、次热区呈山西—河南—河北的迁移走势,冷点区、次冷区趋于向山西广大区域转移。土地利用热点区趋于向京津冀地区迁移,以石家庄、张家口、保定所辖县域最为显著,受京津冀一体化建设推动土地需求增加影响较大;土地利用冷点区主要分布在太行山区地形崎岖且经济发展落后的县域,这可能与自身经济发展后劲不足,域外城镇化吸引山区人口外迁有关。

4.2 讨论

在京津冀协同发展战略的背景下,未来太行山区的土地利用冲突问题仍将进一步凸显。作为京津地区产业转移及人口疏解承载地的河北省太行山区域,地理区位优势突出、土地资源丰富,在城镇化发展、产业转移承接地建设等方面将发挥重要作用。根据研究结论,建议进一步关注太行山低山丘陵区的土地利用冲突和山区国土空间功能优化问题,加强“京津冀+晋”产业协同发展规划及生态联同保护机制的研究和建设,开展以燕山—太行山区为主体的京冀晋豫四省生态经济走廊建设的研究与探讨。同时,受太行山区经济发展落后的县域人口外迁和农户生计转型的影响,太行山区土地利用的冲突有所缓解,但地形、发展底子薄等多种制约因素叠加的影响,太行山区的土地利用冲突问题不容忽视,特别是环京津贫困带内集中连片特困地区的土地利用冲突问题在精准脱贫中应给予关注。总之,随着城市化与工业化的快速发展,太行山区的土地资源可持续利用及土地利用冲突缓解仍将是该地区协调发展需要关注的焦点。