安徽省城镇用地时空格局演变研究

袁 婷，曹卫东，2，张 宇

(1.安徽师范大学 地理与旅游学院，安徽 芜湖 241002；2.安徽师范大学 城市与区域规划研究中心，安徽 芜湖 241002)

0 引言

土地利用是人类活动与自然环境交互的直观体现，其中一个重要表现就是用地性质的改变，而城市扩展是城镇化对土地覆被变化影响的具体表现[1，2]。城镇是区域经济发展的核心与载体，城镇用地的空间扩展已经成为土地利用和土地覆被变化最重要的类型之一[3]，而作为城市空间扩展最有力的土地表征类型，城镇用地变化的形态、结构和强度等特征，对学者研究城市扩展有越来越重要的指示作用[4]。随着GIS与RS技术的发展，为城市土地利用空间制图与动态监测提供了海量的数据源和强有力的技术支持，有效地推动了城市扩展相关研究的纵深发展[5]。

国内外学者相关研究集中在探究不同尺度、不同区域的城镇用地的时空格局演变及特征、影响因素及驱动机制、扩张模式及模拟预测等方面[6，7]，并从城市形态、城镇体系等角度综合研究城镇用地的扩张情况，以便分析这一复杂的时空过程[8-10]。已有学者对单个城市建设用地空间格局扩展进行研究[11，12]，利用城市增长模型，研究不同类型城市的发展机制[13，14]。马荣华等详细分析了常熟市建设用地的时空特征，揭示了苏南经济发达地区城镇建设用地的扩展规律[15]；舒帮荣等探析了太仓市区不同经济发展阶段城镇用地扩张特征、动力及其作用效果[16]。孔雪松等从更小研究范围和尺度，对武汉城市圈内的嘉鱼县鱼岳镇城镇用地空间动态变化与景观结构特征进行研究[17]。李加林从则更大的尺度分析长江三角洲的城镇用地的时空特征[18]；曹广忠等在划分都市空间单元类型的基础上，考察了长三角都市区与非都市区以及各类型都市区之间城镇工矿用地增长的差异，并据此探讨在中国特殊经济社会环境下都市区地域的空间发展规律[19]。李进涛等则对1985～2015年京津冀地区城市建设用地进行时空演变特征及其驱动因素研究[20]；黄琳珊等利用城镇建设用地和总建设用地的多分维谱分析了京津冀地区城镇体系及主要城市的空间演化问题[21]。除此，提取灯光数据中建成区范围从而对建设用地扩张及利用效率进行研究成为新的热点[22]。

综上所述，国内学者从多维度、多尺度对不同区域范围内的建设用地或城镇用地扩展方向、强度、分布格局等进行了分析，但研究范围主要集中于长三角、珠三角、都市圈等城市群热点区域或小尺度热点城市[23-24]，而对省域范围这种中尺度、欠发达地区的城镇用地扩展关注较少；同时以往研究中多运用LUCC标准中的一级分类，多为建设用地扩展过程的研究，而对二级亚类土地类型的转移情况研究较少。基于此，本研究选取安徽省为研究对象，对各市县镇以上的城镇用地的时空格局进行研究，从LUCC二级分类制定转移指标入手，探究安徽省近20年城镇用地格局演变，理清各市城镇用地扩张的特征与差异。作为东部和中部的枢纽地区，安徽在联系东部发达省份和中西部欠发达省份中承担着至关重要的关联作用，安徽省的发展既能看到东部发达省份的辐射作用，又能看到西部欠发达地区的发展未来，对安徽省城镇用地的时空演变的特征的研究，从空间尺度和时间尺度上对安徽省的城镇用地的演变、格局等方面进行综合分析，是有实质性的意义。

1 数据来源与研究方法

1.1 研究区概况

安徽省地处华东地区，既是长三角城市群的重要组成部分又是中部6省之一，下辖16个地级市。《安徽省城镇体系规划2012—2030》中将安徽省分为皖南、皖中、皖北3个地区，其中皖南地区6市：黄山、芜湖、马鞍山、铜陵、宣城、池州；皖中地区4市：合肥、六安、滁州、安庆；皖北地区6市：宿州、淮北、蚌埠、阜阳、淮南、亳州。

1.2 数据来源与处理

土地利用数据来源于中国科学院资源环境科学数据中心(http：//www.resdc.cn)，精度达到90%以上[25]。中国多时期土地利用/土地覆被变化(CNLUCC)遥感监测数据集采用三级分类系统：一级根据土地资源及其利用属性分为6类，分为耕地、林地、草地、水域、建设用地和未利用土地；二级主要根据土地资源的自然属性分为25个类型；三级根据耕地的地貌部位分为8个类型。其中建设用地包括城镇用地、农村居民点、其他建设用地3个亚类，城镇用地指的是指大、中、小城市及县镇以上建成区用地。

根据二级分类提取安徽省1995年、2005年、2015年三期土地利用数据，使用ArcGIS 10.2软件，对同种土地利用类型的斑块进行融合，相交之后得到某一种类型用地的位置和面积以及土地利用类型的转移矩阵，运用扩展速率、扩展强度、扩展差异性指数等指标分析安徽省土地利用格局、演变情况。因安徽省在2011年前后发生重大行政区划变动，各市均采用2012年市域划分最新范围对土地利用进行裁剪，未考虑2012年前后县级行政区以下行政范围变动。

1.3 研究方法

1.3.1 土地利用转移矩阵

土地利用转移是指某一时间段内某一区域范围内各种利用类型的土地相互转化的动态过程信息，它不但包括静态的一定区域某时间点的各类型土地面积数据，而且含有更为丰富的期初各类型土地转出和期末各类型土地面积转入的信息[26]。土地利用转移矩阵通用形式为[27]：

(1)

式中：S表示土地面积；i和j分别表示土地利用性质变化前后的利用类型；Sij表示由i类型土地变换成j类型土地的面积，矩阵中的每一行表示的是i类型的土地向其他类型的土地转移的面积，每一列表示其他类型土地都转化成j类型土地的面积[26]。

1.3.2 扩展速率与强度

扩展速率主要针对城镇用地扩张，是城镇化中土地城镇化的一个重要体现，表示的是某一个时间段内城镇用地的增加速率，其公式如下：

(2)

式中：USI表示城镇用地扩展速率；UAt1、UAt2分别表示一个t1时期和t2时期的城镇用地面积；T表示研究时间段，一般为年限。

扩展强度(UII)是在扩展速率基础上，表征单位面积城镇用地的扩展速率，一般公式为：

(3)

城镇扩展差异指数(Urban Expansion Differentiation Index，UEDI)是指某空间单元的城镇扩展变化率与研究区内的城镇扩展变化率的比值[28]，其实质就是某空间单元城镇用地动态度与区域城镇用地动态度的比值。该指数使不同空间单元的城镇用地扩展速率具有可比性，可用以分析城镇用地空间扩展的区域性差异与热点区域[29]。

(4)

式中：UEDIi表示各市城镇扩展差异指数，UAt2、UAt1分别表示整个研究区在t1、t2时期的城镇用地总面积。

1.3.3 空间重心转移模型

本研究中的空间重心指的是各市城镇用地的中心，空间重心转移是各市在1995年、2005年、2015年3个时间点上空间重心的转移情况，在ArcGIS软件中用平均中心工具实现。

2 安徽省城镇用地时空演变分析

2.1 城镇用地扩展时空格局分析

2.1.1 城镇用地占比分析

提取不同年份各市城镇用地面积，计算其在当年全省城镇用地总面积与在市域总面积中的占比，分析其时空异质性。

(1)从地区尺度看，3个时间断面上，地区城镇用地面积占全省城镇用地总面积的比重均呈现皖北地区>皖中地区>皖南地区格局。1995～2015年，皖北地区占比发生较大幅度降低，占比从1995年的48.68%下降至2015年38.37%，下降了10个百分点；皖中地区占比呈增长趋势，20年间均增加了5个百分点，其中1995～2005年增长最明显；皖南地区占比呈波动增长，近20年也增加了5个百分点，其中2005～2015年增长最显著。对全省城镇用地总面积贡献率上最大仍为皖北地区，其次是皖中地区，最后是皖南地区。皖北地区早期土地扩张现象严重，而皖南整体由于自然条件影响土地扩张相对较慢，后因经济发展加快城市扩张步伐。

表1 不同年份各市占比情况Tab.1 The proportion of cities in different years /%

(2)从地区内部差异看，皖南6市差异不明显，皖中4市差异在增大，皖北6市差异在缩小。皖南地区的芜湖、马鞍山和池州波动上升，其他城市呈上升趋势，其中马鞍山和芜湖所占比重较高，芜湖由1995年占比5.21%升至6.79%成为皖南地区占比最高的城市，马鞍山由1995年占比5.80%降至5.55%，而池州、黄山2015年占比仅增至2.54%、3.03%，但地区内城市差异未明显扩大。皖中4市占比相对不平均，合肥领先优势明显，但排名第二的滁州1995年的占比只有合肥比重一半，到2015年仅达到合肥1/3，地区内部的城市之间差距在增大。皖北6市占比均呈下降趋势，占比最高仍为阜阳，由1995年的10.55%降至2015年的8.03%，宿州下降趋势最显著，下降近4个百分比，但皖北6市之间占比差异在减小。

(3)从城市差异来看，各市占全省城镇用地总面积的比重中皖南、皖中城市出现波动增长，皖北城市比重下降，合肥占比增加最高。在全省范围内，省会合肥3个时间断面上占比最大，皖南3市(黄山、铜陵、宣城)、皖中3市(合肥、六安、安庆)比重持续升高，皖北6市(宿州、淮北、蚌埠、阜阳、淮南、亳州)比重整体出现下降趋势。其中合肥的比重由14.69%上升至18.58%，比占比最低的池州在1995年和2015年分别高了12.96%、15.04%，省会优势明显；池州、芜湖、蚌埠在2005年有较小程度比重减少，但在2015年比重增加；马鞍山、滁州和皖北6市(宿州、淮北、蚌埠、阜阳、淮南、亳州)在整体上比重呈下降趋势，其中淮北和阜阳虽在2005年有回升，但在2015年下降趋势明显。

(4)各市城镇用地面积存在不同幅度增长。整体上，安徽省城镇用地占总面积的比重从1995年的0.68%增加至2015年的1.72%，增加了1.04个百分点。其中占市域总面积比重提升最多的是合肥，增加了2.68个百分点，增幅达到220%。池州、黄山、宣城、安庆、滁州、阜阳、宿州占比增量不超过1%，六安和宣城分别仅增加了0.53、0.58个百分点。

2.1.2 城镇用地转入源分析

基于土地转移矩阵得到各市土地动态转移状况，分析1995～2005年、2005～2015年两个时间段内各市城镇用地转入与转出情况(含城镇用地性质未发生改变部分)(表2、表3)，其演变趋势呈现以下特征：

表2 1995～2005年各市城镇用地转入情况Tab.2 Transfer of urban land use in cities from 1995 to 2005 /%

注：表1、表2中数字是依据LUCC分类体系中各地类的编号分别表示：水田(11)、旱地(12)、有林地(21)、灌木林(22)、疏林地(23)、其他林地(24)、高覆盖度草地(31)、河渠(41)、湖泊(42)、水库坑塘(43)、城镇用地(51)、农村居民点(52)、其他建设用地(53)，表中占比情况表示各种类型向城镇用地转入量占城镇用地总转入量的比重.

表3 2005～2015年各市城镇用地转入情况Tab.3 Transfer of urban land use in cities from 2005 to 2015 /%

(1)从城镇用地的转入类型和转入量占比上看，主要是耕地向城镇用地转移。皖南与皖中地区城镇用地的转入源主要是水田，皖北地区集中于旱地，且随着时间推移耕地比重仍有上升趋势。具体来看，各市在1995～2005年中均有超85%转入量为耕地，其中蚌埠城镇用地全部由耕地转入，亳州城镇用地转入类型基本源于旱地，而宣城新增长的城镇用地中85%来源于水田。相较于1995～2005年，2005～2015年耕地转向城镇用地的占比在2005～2015年有所减少，城镇用地转入源呈现多元化。铜陵2005～2015年新增城镇用地中无耕地转入，转入类型增多，其中有12.6%的有林地、35.56%的灌木林以及47.44%的高覆盖度草地；其他市2005～2015年耕地转入量占比普遍有所降低，而其他类型土地转入量占比在增加。

(2)从土地转移整体情况看，城镇用地总转入量占比在增加(图1)。1995～2005年皖中的安庆、合肥、滁州、六安和皖南的黄山、宣城、铜陵、马鞍山、芜湖均超过13%的转移量是向城镇用地转移，安庆更是以42.15%位于首位，合肥、黄山、宣城以超过25%位列其后；2005～2015年安徽省各地级市均有超过30%转移量向城镇用地转移，城镇用地总转入量占比相较于1995～2005年有大幅度增加，尤其以池州、黄山、芜湖等皖南城市最明显，增加了近50个百分点。

图1 各市分时段总转入量占比Fig.1 Percentage of total transfer volume in each city

(3)从城镇用地转出情况来看，对比其他类型用地转入城镇用地，城镇用地转出比重微乎其微。1995～2005年各市城镇用地转出占比基本可以忽略，2005～2015年各市城镇用地转出量相对有所增加，宿州、淮南存在大于1%转出量占比，其他市转出量占比均低于1%，可认为是无转出。

2.2 城镇用地扩展差异分析

2.2.1 城镇用地扩展速率及强度分析

图2中显示了不同时段各市城镇用地扩张速率和强度。比较1995～2005年各市扩张速率发现：合肥、安庆和阜阳3市明显超过全省平均扩张水平，其他市均在平均水平上下浮动，各市城镇用地扩张较为稳定。总体上199～2005年各市扩张趋势较为平缓，在合肥市出现第一个至高点，说明省会城市的发展较其他市发展速度快，城镇扩张明显。

图2 各市不同时间段扩张速率、强度对比图Fig.2 Comparison of expansion rate and intensity of different time periods in different cities

2005～2015年扩张速率与1995～2005年扩张速率走势基本相同，均在合肥处存在最高点，但不同的是2005～2015年在芜湖处出现次高点。2005～2015年超平均扩张水平的城市仍有4个，合肥优势依旧明显，安庆已降至平均水平上下，而芜湖异军突起，成为扩张“第二速率”。各市扩张速率开始出现参差不齐现象，总体均在平均水平左右，皖北地区均低于平均扩张水平，且有下滑趋势，皖南地区的池州和铜陵也存在较显著的下滑幅度。

从扩张强度上看，1995～2005年平均扩张强度较2005～2015年扩张强度弱，且各市的扩张强度没有较大的差距，徘徊在平均扩张强度水平上下，而2005～2015年扩张强度地域差异显现。安庆和合肥在1995～2005年时间段内的扩张强度突出，可能因其经济基础较夯实，人口基数较大，有利于城市生长。若以平均扩张强度为基本线，高于平均水平为正向变化，低于平均水平为逆向变化，扩张速率正向变化较大主要有池州、黄山、铜陵、芜湖和宣城，逆向变化较大主要有亳州、滁州、阜阳、淮北、淮南、宿州等市，这种逆向变化主要集中在皖北地区。

对于各市而言，1995～2005年省会城市合肥扩张速率快且扩张强度相对较强，而在2005～2015年合肥扩张速率一直位列全省首位但扩张强度却相对较弱，说明其扩张开始注重质与量的同步发展。作为“第二速率”的芜湖在1995～2005年扩张速率和扩张强度在平均水平上下浮动，而在2005～2015年扩张进程加快，扩张速率成为全省第二，扩张强度也较强。1995～2005年全省各市扩张速率和强度相对平均，速率与强度之间的较为协调，而2005～2015年间各市之间开始出现非均衡扩张的现象，各市在扩张过程中表现出的速率差异明显、强度参差不齐，扩张速率和扩张强度之间也开始出现不协调。不少城市在扩张过程中只注重城市扩张的量，而不注重质，使得大部分市城镇建设用地大幅度增加，迅速铺开，这是经济社会发展的一个重要体现，但此过程中，往往伴随着不均衡、不平等的现象，这些与当地经济社会发展水平、政府政策、科技发展水平等相关。

2.2.2 城镇用地扩展差异指数分析

为比较不同市之间的扩张差异，引入扩展差异指数(UEDI)，利用自然断裂法将所得的分为5类，即高速扩展、快速扩展、中速扩展、低速扩展、缓慢扩展。1995～2005年仅安庆和合肥两市扩展速率高，其余14市均处于中低速甚至缓慢扩展阶段。具体来看，省内扩展热点城市是安庆市，UEDI指数达到2.53；省会合肥仅处于快速扩展，UEDI指数仅为1.75；中速扩展的城市有马鞍山、淮南、滁州、铜陵、淮北、六安、阜阳、黄山、宣城，UEDI指数均接近1.00；芜湖、宿州、池州处于低速扩展阶段，UEDI指数均接近0.60；亳州和蚌埠处于缓慢扩展阶段，UEDI指数低于0.40。整体上，1995～2005年皖中城市扩展超前，皖南城市扩张速率较高。

2005～2015年池州、黄山、铜陵、芜湖和宣城扩展速率高，UEDI指数超过1.60；其他11市为中低速甚至缓慢扩展，UEDI指数低于1.50。整体上，皖北城市基本转为低速或缓慢扩展，皖中城市扩张速率放缓，皖南城市转向快速或高速扩展。各市扩展差异指数在空间分布上呈现明显长江—淮河自然界线带。1995年以来，安徽省对皖江城市带给予了重大经济政策扶持，而对皖西、皖北等地区的扶持力度不足，正因为区域政策的倾斜带来了城市发展机会，也开始拉大了城市之间的差距；2005年安徽省又提出了东西轴线发展加速融入长三角，进一步使安徽省的南部与北部的差距加大[30]。城市扩张就是经济发展在空间上作用的结果，安徽省各市城市扩展的差异性除了自然因素的影响，很大程度也是经济发展水平的映射。同时，池州、黄山这类山地旅游类城市因经济发展、基数小等原因，扩展速率和强度也会有很大程度提升。

图3 各市不同时段扩展差异对比图
Fig.3 Comparison of the differences in the expansion of different time periods in different cities

2.2.3 城镇用地重心偏移分析

为进一步探析各市城镇用地格局引入重心偏移模型，其中重心相对于前一个时间断面重心发生偏移的距离和角度，其中偏移角度是两重心关于正东方向的夹角，正值表示向北方向偏移，负值表示向南方向偏移。研究发现：(1)2005年重心偏移距离呈现马鞍山<淮南<亳州<蚌埠<合肥<阜阳<黄山<铜陵<淮北<芜湖<滁州<池州<宿州<安庆<宣城<六安，而偏移角度中，安庆、池州、淮北、淮南、铜陵主要是向北偏东方向偏移，宿州向北偏西方向偏移，六安、宣城、滁州、黄山、亳州主要是向南偏东方向偏移，芜湖、蚌埠、马鞍山、阜阳主要是向南偏西偏移。(2)2015年重心偏移距离呈现淮北<黄山<宣城<阜阳<滁州<铜陵<合肥<马鞍山<亳州<淮南<蚌埠<安庆<六安<宿州<池州<芜湖，在偏移角度方面，淮北、芜湖、铜陵、池州4市主要是向北偏东方向偏移，安庆、亳州、滁州3市主要是向北偏西方向偏移，宿州、阜阳、六安、马鞍山、宣城4市主要是向南偏东方向偏移，合肥、黄山、蚌埠、淮南4市主要是向南偏西方向偏移。

表5 1995～2015年各市城镇用地重心偏移表Tab.5 Focus of urban land-use shift from 1995 to 2015

城镇用地重心偏移在一定程度上可测度经济重心的偏移。城镇用地重心的偏移从侧面反映了城镇用地扩张的大致方向，而扩张方向变化可能是经济发展、政府政策、交通发展等导致的结果，也可能是一种社会“自发”现象。其另外的重要原因可能是周边城市相互吸引共同作用的结果，与合肥地理邻近城市受到省会吸引较大，如安庆、六安、淮南、滁州，而铜陵、芜湖和马鞍山虽也是合肥临近城市，但是由于长江的自然阻隔使之吸引减弱，故这3市的重心并未存在明显向省会偏移现象；其他未与合肥直接相邻的城市的重心也均存在向合肥方向移动的现象，如蚌埠、阜阳、池州、宿州；宣城邻近浙江省，故而可能受到湖州的影响较大，重心向南偏东方向移动；黄山地处皖南山区，受自然地形条件影响，重心偏移量较其他市较小。

3 结论与讨论

本研究利用1995年、2005年、2015年3期遥感数据提取安徽省各市土地城镇用地，运用土地利用转移矩阵、土地扩展速率与强度、重心偏移等方法对城镇用地时空演变格局与空间异质性进行分析，得出如下结论。

(1)1995～2015年，安徽城镇用地在总量上有很大增加，各市土地城镇化存在不能程度地提高，在占比上总体呈现皖北地区>皖中地区>皖南地区，但在皖南、皖中地区占全省占比呈上升趋势，皖北地区有大幅下降。地区间差异表现出异质性，皖南6市差异不明显，皖中4市差异在增大，皖北6市差异在缩小。各市差异显著，省会优势明显。

(2)在近20年的转移过程中，耕地贡献率最大。皖南城市水田贡献最大，皖北城市以旱地为主，各市向城镇用地转移类型开始趋向多元化，且在2005～2015年开始出现农村居民点向城镇用地转移。在1995～2005年和2005～2015年各市的城镇用地转入量占比均呈增加趋势，但各市存在明显差异，1995～2005年时段以安庆的城镇用地转入量最多，而2005～2015年皖南城市(池州、芜湖、黄山、宣城)城镇用地转入量占比超过30%。

(3)各市城镇用地在扩张过程中差异明显，主要表现在扩张速率和扩张强度上。1995～2005年皖北地区扩张明显，皖南处于低速扩张阶段，而在2005～2015年皖南扩张突破“低迷状态”，扩张速率和强度有大幅度提升。皖南地区与皖北地区的城市中心建成区在体量上有较大差距，在县镇级城镇用地体积上也有较大差异，皖北地区处于低速扩张阶段，而皖南地区由低速扩张转为中高速扩张。

(4)各市城镇用地重心有所偏移，相比于1995年，2005年偏移距离最长的市为六安，最短的是马鞍山，相比于2005年，2015年偏移距离最长的市为芜湖，最短的为淮北，省会周边城市安庆、六安、淮南、滁州、蚌埠、阜阳、池州、宿州等出现城镇用地重心向合肥偏移，而长江以南的铜陵、芜湖和马鞍山未发现向合肥偏移。

安徽省各市在城镇化过程中可以看到城镇用地转移占比明显增加，城镇用地扩展速率快且强度大，1995～2005年皖北城市表现明显，而2005～2015年皖南城市表现明显。从研究中可以看出，各市城镇用地扩展过程都是建立在耕地、林地、草地面积减少的基础上，也就是说，耕地或者其他绿色覆盖用地对城镇用地的转入贡献率很大，而从城镇用地的转出量上看其转出却几乎为零。一般来说，建设性质特征的城镇用地可逆性小，一旦其它类型用地转为城镇用地或者其他建设用地，逆转成最初用地性质用地的可能性极小，这些类型用地相对脆弱，同时造成了“人地关系”的恶化。总而言，在“大生态”背景下，合理规划建设用地，保护生态脆弱区，不逾“红线”；在新型城镇化背景下，加强土地集约利用以提高土地利用效率尤其是城镇建设用地，合理确定城镇用地规模及空间布局，制定具有阶段性差异的土地利用规划及相关管控政策，从而引导城镇用地合理扩张，让城镇用地扩展适应“人的城镇化”。