南昌市半城市化地区土地利用变化分析

韩 然,叶长盛,华吉庆

(东华理工大学 地球科学学院，江西 南昌 330013)

0 引言

改革开放以来，我国城镇化加速发展，城市边缘地区出现了产业、就业结构的非农业化和产业、人口与城镇的空间集聚程度较低的矛盾，呈现出“似城非城”的独特景观形态[1]，这种城乡之间的过渡地域称之为“半城市化”地区，区域内的土地主要表现为城乡土地利用类型混杂、土地利用粗放低效、土地利用变化迅速等问题[2]，使得区内生态安全受到严重威胁。党的十九大提出了乡村振兴战略，作为城市与乡村之间的过渡区域，要降低半城市化地区的生态风险，首要任务就是解决区内土地利用方面呈现出的一系列问题，通过深入分析探讨半城市化地区土地的具体特征，进而揭示该地区土地利用及变化的基本规律，对区域土地资源持续利用和乡村振兴战略的实施具有重要意义。

国内外学者对于半城市化地区土地利用变化开展了一系列研究，1826年德国经济学家杜能就提出了经典的“孤立国”理论，阐述了城市周围地区随距离远近的变化土地利用所呈现的地域分异规律，是研究城市边缘区和半城市化地区土地利用所能借鉴的最为经典的理论[3]，其后国外学者所展开的研究大多是针对半城市化地区土地利用出现的问题，并为之提出合理的规划建议，如霍华德提出了城市与乡村结合的“田园城市理论”，建议在城市郊区设置永久性绿地，供农业生产使用[4]。国内研究更多针对半城市化地区土地利用格局特征和影响因素，研究方法多基于RS/GIS技术，采用土地利用转移矩阵、动态度、景观格局指数和分形理论[5]等，研究区域多集中于经济快速发展地区的上海[6]、厦门[7]、北京[8]、成都[9]等。结果显示：我国诸多城市半城市化地区各类土地利用变化迅速，在时间上呈阶段性波动，同时建设用地增长迅速，利用效率低，耕地和农村居民点用地受到大量侵占转化为建设用地，而政府、社会、市场和其他因素则是产生以上变化的主要驱动力[10]，为城市治理提供了科学依据。

南昌市位于长江中游城市群，近年来城镇化进程不断加快，同样出现了“似城非城”的半城市化地区，2013年面积高达67.32 km2，以12块独立、间断的片状区域分布于城区周围[11]，土地利用变化迅速、类型混杂，土地利用问题突出。为此，本研究基于南昌市2000、2010和2015年3期遥感影像，从时间、缓冲带、象限方位3个层面对半城市化地区的土地结构、利用程度以及景观紊乱度进行研究，揭示半城市化地区土地利用变化的特征与规律，为解决半城市化地区土地利用类型混杂且变化迅速等问题提供借鉴，也为土地利用规划和城市治理提供了决策依据。

1 研究区概况

1.1 研究区域

南昌市是江西省省会，地处江西中部偏北，赣江、抚河下游，濒临我国第一大淡水湖鄱阳湖西南岸。位于115°27′～116°35′ E、28°10′～29°11′ N之间。南昌市下辖东湖、西湖、青云谱、湾里、青山湖、新建6个区和南昌、进贤、安义3个县。全市土地总面积为7402 km2，占全省土地总面积的4.43%。2015年行政区内总人口为520.38万人，三次产业比重为4.3∶54.5∶41.2，第二、三产业产值占总GDP的95.72%，2015年全市地区生产总值达4000.01亿元，人均GDP已达7.69万元。近年来，随着南昌经济发展速度的加快和城市化水平的提高以及长江中游城市群的形成，南昌市建成区与周围县区的界限开始变得模糊，形成和培育了较大范围的半城市化区域。

1.2 南昌市半城市化地区范围界定

基于国外学者洛斯乌姆“将城市建成区外10 km左右的环城地带划为城市边缘区”的界定方法[12]，本研究分别从行政区划和区域特点2个方面来阐述选择南昌市建成区周围10 km环城地带作为半城市化地区的理由，该区域位于南昌市东湖区、西湖区、青云谱区和青山湖区四大中心城区的外围，2000～2015年随着南昌市建成区面积的不断扩大，该环城区域也不断扩张，但始终位于湾里区、新建区、南昌县与主城区的交界过渡区域，该区域紧邻南昌市中心城区，受到其辐射带动作用最为典型，并且具有城乡土地利用类型混杂、产业与就业的非农水平较高、景观功能混乱等特点。同时，直到2015年新建区才撤县设区，而南昌县至今未设区，该环城区域内的户籍、土地等管理体系仍较落后，符合半城市化地区的典型特征[13]。图1为2000、2010和2015年3个年份的南昌市半城市化地区范围(图1)。

2 数据来源与研究方法

2.1 数据来源与预处理

本研究采用的土地利用数据源为2000、2010和2015年Landsat TM遥感影像，空间分辨率为30 m×30 m，经辐射校正，几何校正、图像配准和人工解译等处理后得到3个年份的土地利用类型图，土地利用类型分为建设用地、耕地、林地、水域和未利用地五大类。本研究的人口、社会经济和土地数据来源于《南昌市统计年鉴》。

影像经预处理后，根据不同地表覆盖的影像光谱特征，选择训练样区，首先对影像只分建成区和非建成区两类，这样有利于分清城镇地域，消除多类别的干扰，然后选用最大似然法进行分类，对分类图做了5pixel×5pixel的滤波，以便栅格数据转换成矢量，将矢量图从ArcGIS软件中打开，删除不必要的区域只留下城市建成区部分，从而绘制出南昌市建成区的边界，其中中心城区内的湖泊以及河流都被纳入到了建成区的范围内。在划分好的南昌市建成区外，以其几何中心为原点，向外至10 km处做缓冲区，依次与3个时段的南昌市土地利用类型图进行空间叠加分析，获得2000、2010和2015年3个年份南昌市半城市化地区土地利用类型(图2)。

图1 南昌市半城市化地区范围的演变

图2 2000～2015年南昌市半城市化地区土地类型

2.2 研究方法

2.2.1 土地利用程度综合指数 庄大方等[14]提出土地利用程度综合分析方法，按照土地自然综合体在社会因素影响下的自然平衡状态分为若干级,赋予分级指数(表1),并给出土地利用程度综合指数的定量化表达式。土地利用程度的大小不仅反映土地本身的自然属性,也反映人类因素与自然环境因素的综合效应。某区域土地利用程度综合指数可表达为：

式中,L为某研究区域土地利用程度综合指数；Ai为研究区内第i级土地利用程度分级指数；Ci为研究区内第i级土地利用程度面积百分比；n为土地利用程度分级数。

表1 土地利用程度分级赋值表

2.2.2 景观紊乱度 一般来说，在单一的城市或乡村地域中，土地利用类型多以单一的建设用地或农业用地为主，而半城市化地区土地利用类型多样，农业用地和建设用地相间分布，因此引入景观紊乱度，用以表达半城市化地区土地利用类型多样性的特点。C.E.香农提出的信息熵原理，可用来衡量半城市化地区土地利用的景观紊乱度，信息熵是反映在多种信息干扰下传输信号损失的物理量，干扰信号越杂乱，信号损失越大，熵值越高，反之熵值越低。如果将信息类型等同于半城市化地区用地类型，则其表达公式如下：

式中，Xi表示样本中某种用地类型所占面积的百分比；i表示样本中用地类型数量；S表示景观紊乱度熵，熵值越大，表明区内不同职能的土地利用类型越多，且各类型的百分比相差越小，土地系统越无序；熵值越小，则土地利用类型越单一，且各地类之间百分比相差越大，土地系统越有序[15]。

2.2.3 空间拓展分析方法 (1)缓冲带分析法。将缓冲带作为研究半城市化地区扩展空间分异的基本单元，据此分析2000、2010和2015年3个时期内城市扩展过程所表现的空间特征及其梯度效应。在划分好的南昌市建成区外以1 km等距步长向外至10 km处分别做十级缓冲区，由于各个缓冲区内有互相叠置情况出现，因此，用ArcGIS 10.2软件中的“相交取反”工具进行缓冲区相减，得到0～1 km，1～2 km，…，9～10 km共10个缓冲带并将其与土地利用类型图做相交分析，经过计算得到十级缓冲带的土地利用结构、程度和景观紊乱度，由此分析南昌市半城市化地区在不同缓冲带内的土地利用变化情况。

(2)象限方位分析法。采用象限方位法旨在揭示南昌市半城市化地区研究期内在各个象限中的土地利用类型方位特征。以2000、2010和2015年南昌市建成区几何中心为原点，东西方向为横轴，南北方向为纵轴，按照四象限八方位将研究区划分为8个象限分区，分别与3个时相的半城市化地区土地利用类型图进行空间叠加并作统计分析，通过计算获取不同时期内半城市化地区在各象限分区内的土地利用类型结构、土地利用程度以及景观紊乱度，再以各象限为单元，利用ArcGIS中的自然断裂分级法对3个年份的土地利用程度和景观紊乱度进行分级，分为极高、高、中、低4个等级，由此分析南昌市半城市化地区在不同象限内的土地利用变化情况。

3 结果与分析

3.1 半城市化地区土地利用结构变化

3.1.1 土地利用结构变化 2000～2015年，南昌市半城市化地区土地利用结构呈现明显的差异(图3)，整体上以耕地所占比例最大，林地、水域次之，建设用地、未利用地占比较小的结构特征。南昌市半城市化地区中，耕地占比由2000年的65.11%降至2015年的55.53%，水域占比则由17.16%降至7.27%；林地占比由2000年的11.00%增加到2015年的21.21%；建设用地占比由6.0%增至14.79%。其中，2000～2010年林地占比增幅高达44.64%，2010～2015年建设用地占比增幅更是达到了51.18%，增幅都极为显著；未利用地所占比重略有上升，由0.23%增至1.19%。

图3 2000～2015年南昌市半城市化地区各地类面积占比

3.1.2 土地利用空间变化 2000～2015年，南昌市半城市化地区土地利用空间差异显著(图4)，整体上是距离建成区越近的缓冲带内，建设用地、水域面积占比越大，耕地、林地占比越小。距离建成区越近，建设用地比例越高，3个年份的建设用地占比均在0～1 km缓冲带内达到峰值，分别为8.1%、13.55%和25.08%；9～10 km缓冲带内分别降为4.79%、5.10%和8.40%。水域面积在距离建成区近的缓冲带内也占有较大比重，3个年份均在1～2 km缓冲区范围内达到峰值，分别为22.28%、19.61%、12.70%，随着距离增加，比例波动下降。距离建成区越近，耕地面积占比较小，3个年份占比的谷值出现在0～5 km范围内，分别为60.99%、60.44%和40.84%。距离建成区越近，林地占比也越小，3个年份的峰值均在8～10 km范围的缓冲带内达到，分别为13.99%、26.29%和25.52%，原因是南昌市梅岭森林公园的大部分位于该缓冲区内，森林覆盖率更高。2000、2010年，距离建成区越近未利用地占比越大，而2015年距离建成区越近未利用地面积占比越小。

在象限方位方面，2000～2015年南昌市半城市化地区各象限土地利用结构差异明显(图5)。3年中耕地在第Ⅰ～Ⅵ象限内占比均超过60%，而在第Ⅶ、Ⅷ象限内占比较小，林地面积却在第Ⅶ象限占比最大，均超过30%，主要原因是南昌市梅岭森林公园的大部主要集中于第Ⅶ、Ⅷ象限，因此，区内耕地面积所占比例较小而林地占比较大。建设用地集中分布于东部Ⅰ～Ⅳ象限内，2000年在第Ⅱ象限达到峰值(8.55%)，2010、2015年在第Ⅳ象限占比最大，分别为11.13%和16.65%，这是由于南昌市的赣江东部地区发展历史悠久，基础雄厚，建设用地在该区域内分布广泛，但随着红谷滩新区的开发，第Ⅶ象限内建设用地占比也逐渐提高。2000～2015年水域占比的峰值分别位于第Ⅵ象限(27.39%)、第Ⅴ象限(26.97%)和第Ⅰ象限(15.11%)，赣江穿城而过，流经以上三象限，因此，区内水域面积占比较其他象限更显著；未利用地多分布在开发建设较晚的Ⅴ、Ⅵ象限。

图4 2000～2015年南昌市半城市化地区各缓冲带土地利用结构

图5 2000～2015年南昌市半城市化地区各象限土地利用结构

3.2 半城市化地区土地利用程度变化

3.2.1 土地利用程度变化 2000、2010和2015年南昌市半城市化地区土地利用程度综合指数分别为275.88、274.86和283.90。2000～2010年南昌市半城市化地区土地利用程度综合指数下降了0.37%，表明在此阶段，研究区内土地开发进程略有减缓；2010～2015年南昌市半城市化地区的土地利用程度上升明显，增幅达3.29%，说明在此阶段南昌市半城市化地区土地得到了高效开发利用。

3.2.2 土地利用程度空间变化 2000～2015年，南昌市半城市化地区的土地利用程度空间差异明显(图6)，整体呈现出距离建成区越近的区域，土地利用程度越高的趋势，半城市化地区土地表现出明显的“圈层”结构。3个年份土地利用程度均在0～2 km范围内达到峰值，分别为279.36、284.63和291.70，这是因为0～2 km的范围距离建成区较近，受其影响最大，其中建设用地面积占比较大，对土地利用程度综合指数起决定性作用；在2～6 km范围内土地利用程度下降明显，原因是建设用地面积锐减，且梅岭的林地大多集中在此范围内，因此土地利用程度相对较低；而在6～10 km的缓冲带内又出现小幅度抬升，主要因为耕地面积占很大比重，均为60%以上，带动了整个缓冲带土地利用程度综合指数一定幅度的提高。

图6 2000～2015年南昌市半城市化地区各缓冲带土地利用程度综合指数

在象限方位方面，2000～2015年南昌市半城市化地区的土地利用程度在各象限差异显著(图7)，具有明显的轴向性，东部地区的土地利用程度明显高于西部地区，第Ⅳ象限的土地利用程度在3年内都为“极高”等级，而第Ⅵ、Ⅷ象限内的土地利用程度则相对较低，保持“中、低”等级。2000年，第Ⅳ象限土地利用程度最高，Ⅲ象限次之，以上两区域位于赣江东部南昌市老城区的周围，受到的辐射带动作用最强，建设用地占比较大，土地利用程度较高，而位于西部的Ⅵ、Ⅶ象限则由于林地面积广、开发建设较晚等因素，土地利用程度呈现“低”等级。2010年，第Ⅳ象限依然保持“极高”等级，同时随着南昌市红谷滩新区的开发建设，位于新区周围的第Ⅶ象限，建设用地面积增加，土地利用程度由“低”等级升为“高”等级。2015年，除第Ⅶ、Ⅷ象限之外，其他象限土地利用程度均出现明显提升，尤其是第Ⅱ象限由“低”等级升至“高”等级，第Ⅲ象限由“中”等级提升至“极高”等级，主要原因是区内建设用地和耕地的增加。

图7 2000～2015年南昌市半城市化地区不同象限土地利用程度差异

3.3 半城市化地区景观紊乱度变化

3.3.1 景观紊乱度变化 2000～2015年，南昌市半城市化地区景观紊乱度变化显著，3个年份的熵值分别为1.01、1.07和1.18，熵值逐年提高，景观的有序性逐年降低，各地类面积占比趋向均衡化。第一阶段即2000～2010年，景观紊乱度熵值增幅为5.94%，而第二阶段即2010～2015年熵值增幅扩大到10.28%，这表明研究期内南昌市半城市化地区土地利用结构更加“平衡”，打破了原有的一种或几种土地利用类型占优势的局面，其中第二阶段较第一阶段增幅更大，表明在第二阶段中，土地利用结构变化更大，主要原因是2010～2015年建设用地面积所占比例提高了7.57%，与2000～2010年建设用地面积占比提高1.22%相比，增幅扩大明显，是建成区辐射强度增强的表现，也是工业化和城市化程度提高的表现；而2000～2010年，南昌市重视园林城市的建设，区内林地覆盖率大大提高，突出了“林地”一种地类的优势，使得景观紊乱度在此阶段内增幅不如第二阶段明显。2000～2015年南昌市半城市化地区景观紊乱度的变化反映了南昌市半城市化地区在土地扩张、产业结构升级调整的过程中，单一的农业用地向多样化的非农业用地转化，景观有序性下降，各地类面积占比趋于平衡，从而导致土地的景观紊乱度熵值逐渐加大。

3.3.2 景观紊乱度空间变化 2000～2015年，南昌市半城市化地区景观紊乱度空间差异明显(图8)，整体呈现出距离建成区越近，景观紊乱度熵越高。各年度均在0～3 km区域内达到峰值，熵值分别为1.06、1.13和1.34，这是由于距离建成区近的区域内，土地利用类型复杂多样，各种地类交错分布，因此景观紊乱度熵值较高，有序性较低；而随着距离建成区的距离越远，缓冲带内表现出较高的乡村地域特征，耕地占主导地位的情况愈加突出，因此景观紊乱度熵值波动下降，景观越有序。

图8 2000～2016年各缓冲带景观紊乱度

在象限方位方面，2000～2015年南昌市半城市化地区各象限景观紊乱度差异明显(图9)，整体来看，熵值较高的地区集中于北部第Ⅰ、Ⅷ象限，始终保持“高”或“极高”等级，而东部第Ⅳ象限景观紊乱度熵值始终保持“低”等级。2000年，Ⅳ、Ⅴ象限景观紊乱度熵值相对较小，土地系统有序程度高，主要原因是3个年份中，第Ⅳ象限内耕地面积占比均大于78%，有突出地位，带动区内景观有序性较强，而第Ⅴ象限土地利用类型以耕地、水域为主，土地利用类型较为单一，熵值较小。2010年，第Ⅴ象限熵值提高，除第Ⅳ象限外，还增加了Ⅱ、Ⅲ2个熵值较低的区域，以上3个熵值较低等级的区域内各地类面积占比不平衡，耕地、建设用地、水域面积占较大比重，土地系统呈有序状态。2015年，熵值低水平的区域进一步扩大，仅剩Ⅰ、Ⅴ、Ⅷ象限为景观紊乱度熵值“高”或“极高”区域，期内以上3个象限的各种土地利用类型交错分布，表现出无序状态。综上所述，研究期内南昌市半城市化地区中，东部、南部象限的景观紊乱度熵值普遍低于北部，但景观有序程度则优于北部象限。

图9 2000～2015年南昌市半城市化地区各象限景观紊乱度差异

4 结论与讨论

4.1 结论与建议

本研究解译了南昌市2000、2010和2015年3个年份的遥感影像，得出了各期南昌市土地利用数据，分别从时间变化和空间差异2个角度，对2000～2015年南昌市半城市化地区的土地利用结构、土地利用程度和景观紊乱度的特征规律进行了分析，结论如下。

各地类分布不均，建设用地扩张迅速，威胁到生态安全。2000～2015年南昌市半城市化地区土地利用类型以耕地、林地为主，主要变化趋势为耕地、水域面积所占比重逐年下降，林地、建设用地面积所占比重逐年上升，未利用地变化不明显，可见存在占用耕地等危害生态安全的现象；距离建成区越近的缓冲带中，建设用地、水域面积所占比例越大，耕地、林地、未利用地面积占比越小；建设用地集中于东部Ⅰ～Ⅳ象限，耕地在Ⅰ～Ⅵ象限内面积占比均超过60%，水体主要分布于赣江两岸的Ⅰ、Ⅴ、Ⅵ象限，林地集中于西北方向第Ⅶ象限。

土地利用程度变化迅速，距离建成区越近土地利用程度越高，呈现明显轴向性。2000～2015年南昌市半城市化地区土地利用程度综合指数由2000年的275.9提高到2015年的283.9，提升迅速；十级缓冲带之间土地利用程度差异显著，距离建成区越近，土地利用程度越高，3个年份土地利用程度均在0～2 km范围内达到峰值；在8个象限中土地利用程度具有明显轴向性，表现为东部高于西部，东部第Ⅳ象限的土地利用程度在3年内都为最高，而西部第Ⅵ、Ⅷ象限则相对较低。

土地利用类型混杂交错，景观紊乱度较高。2000～2015年研究区域景观紊乱度熵值随时间不断提高，分别为1.01、1.07和1.18，景观的有序性降低；距离建成区越近的缓冲带，景观紊乱度熵值越高，3年均在0～3 km区域内达到峰值；景观紊乱度象限空间差异明显，熵较高的地区集中于第Ⅰ、Ⅷ象限，第Ⅳ象限，景观紊乱度熵始终保持低值，南昌市半城市化地区中，东部、南部象限景观紊乱度熵值低于北部，但景观有序程度则优于北部象限。

为此，在南昌市半城市化地区，政府首先应该调整土地管理政策，明确土地的产权主体，严格控制建设用地的快速扩张，加强对耕地安全的保护；其次要均衡整个区域内的土地利用程度，避免土地的闲置和浪费现象；最后要因地制宜的合理布局各种土地利用类型，科学配置土地资源，保护区域内的生态安全，切实保障半城市化地区土地资源的可持续利用。

4.2 讨论

本研究仅基于2000、2010和2015年3个年份的数据进行分析，若能增加其他相关年份的数据进行分析，并且增加影响土地利用类型分布和变化的地形因素、行政区因素等指标，强化半城市化地区的土地特征，会更有利于了解南昌市半城市化地区的土地利用变化情况。同时，半城市化现象是一种城市化进程中的过渡类型，属于非稳定和非定式的现象和过程，因此，还需要针对各种不同类型的地区进行分析和深入探究，从而找出半城市化地区土地利用变化的总体特征。