岩溶山地城市建设用地扩展的地形梯度特征——以贵阳市为例

魏小芳，赵宇鸾,2*，朱昌丽，薛朝浪

(1.贵州师范大学 地理与环境科学学院，中国 贵阳 550001；2.中国科学院 地理科学与资源研究所，中国 北京 100101)

土地利用/覆被变化研究关注的是人类利用土地的格局—过程—驱动力以及资源环境效应[1-2]，地形因子对人为活动具有约束性，使得土地利用在地形梯度上具有显著特征[3]。近年来，土地利用与地形因子相结合的研究较多，多关注行政单元[4-6]、贫困脆弱区域[7-10]、流域[11-14]等，基于地形梯度分析已从单一地形因子[15]过渡到坡度、坡向、起伏度、高程等多地形因子的研究[10-14,16]，研究内容上主要是基于地形梯度从土地利用的空间分布格局[4,17]、土地利用及其图谱变化[6,10,18]、土地利用的景观生态风险空间分析[19]、景观生态效应[20]等方面进行研究。从单一土地利用类型与地形梯度特征的研究较少，主要有杨广斌等[21]对岩溶山区林地景观梯度变化的分析，门明新等[22]对沽源县未利用地生态重要性空间识别及其地形梯度特征分析，李阳兵等[23]对草堂溪流域耕地在地形梯度上的变化规律进行了分析。关于城市安全的研究多与社交大数据[24]、韧性城市视角[25]等相结合，从地形梯度与城市安全视角相结合方面的研究较少。建设用地作为土地资源的一种利用类型，其变化与经济发展水平、地形等相关，地形影响着城市建设用地的方向和格局变化[26-27]，城市建设用地扩展在地形因子的约束下影响着城市的安全发展，山区尤为明显。20世纪90年代以来山区城镇化进程加速，大量人口的涌入刺激了各类开发项目的建设，导致山区城市用地需求增大，用地扩张迅速[28]，城市建设不仅占用耕地、林草地等生态用地[29-30]，且逐渐向坡度较大、海拔较高的自然山体方向推进[6,11]，极易引发崩塌、滑坡等城市自然灾害，对生态环境的破坏加重。中共中央、国务院2015年印发《关于加快推进生态文明建设的意见》，住房和城乡建设部出台了《关于加强生态修复城市修补工作的指导意见》(建规〔2017〕59号)，2018年中共中央、国务院办公厅也发布了《关于推进城市安全发展的意见》，为促进生态环境保护与城市安全发展提供了保障。

贵阳市作为岩溶山区生态脆弱区典型城市，处在城镇化中期用地快速扩张时期，且近几年崩塌、滑坡等灾害时有发生，故而对其建设用地扩展与地形梯度特征研究显得尤为重要。本文利用ArcGIS作为基础空间分析工具，基于城市扩展强度、转移速率、地形位指数、地形分布指数、地理信息图谱方法，从城市安全的视角对贵阳市建设用地扩展及其空间差异特征进行研究，进一步厘清建设用地在地形梯度上的演变规律，旨在优化山地城市土地资源配置、保障山地城市安全发展和促进岩溶山区生态文明示范城市建设。

1 研究区概况

贵阳市地处贵州高原中部，位于黔中经济区核心地带，是贵州省省会及区域政治、经济、交通中心，辖6区3县1市，国土面积约8 043 km2。地势起伏较大，南北高，中心低，呈东西向扩展延伸，海拔约916～1 720 m；丘陵、谷地、盆地、洼地等地貌相间分布。气候属亚热带季风气候，年平均降水量1 200 mm，年平均气温15.3 ℃，具有雨热同期、四季分明的特征。截至2015年，常住人口达462.18万人，城镇化率约73.25%；GDP总量为2 891.16亿元，第一、二、三产业比重分别为4.5%，38.3%和57.2%；建成区面积达299 km2，人均居住用地面积15.86 m2。

图1 研究区示意图

根据区域自然地理特征和经济社会梯度差异，选取贵阳市南明区、云岩区、白云区、花溪区、乌当区、观山湖区为研究范围，面积为2 473.22 km2，占贵阳市国土面积的30.78%。为反映地貌单元整体性并兼顾行政区划的完整性和建设用地统计数据的可得性，以乡镇界线为最小划分单元，并利用DEM数据作为参考底图，将研究区划分为：盆地老城区(Ⅰ区48.02 km2)和盆地花溪区(Ⅱ区42.68 km2)、盆周山区(Ⅲ区225.59 km2)、城市新区(Ⅳ区2 156.93 km2)4个次级研究单元，如图1所示。

2 数据来源及处理

研究所需的数据包括土地利用矢量数据、DEM数据及行政单元边界数据。土地利用数据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，时间为1990，2000，2010和2015年4期，该数据是基于30 m TM遥感影像、30 m DEM及Googel高分影像解译所得，解译总精度达85%以上，能满足研究需求。DEM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，数据格式为GRID格式，空间分辨率为30 m。行政单元边界数据由贵州省山地环境重点实验室提供，分为省、市、县(区)、乡(镇)4个级别。运用行政单元边界数据对DEM数据及土地利用数据进行裁剪，并将土地利用数据划分为6个一级地类，即耕地、林地、草地、水域、建设用地及未利用地，提取建设用地图斑转换为30 m栅格数据。采用ArcGIS软件分析研究区建设用地分布的地形梯度特征。

3 研究方法

3.1 扩展强度

建设用地资源变化快慢程度可以用扩展强度进行度量。扩展强度表示研究区起止时间段建设用地变化的数量多少和快慢程度。具体公式如下[12]:

(1)

式中：G为研究时段建设用地扩展强度，La和Lb为研究期初和研究期末建设用地的面积，T为研究时段长。

3.2 地形梯度等级划分

综合考虑地形因子对建设用地空间格局变化的约束，选取高程、坡度两个因子分析建设用地扩展的空间差异特征。高程指的是某点沿铅垂线方向到绝对基面的距离，坡度是指高程在水平表面的变化率，反映地形的陡缓程度。利用ArcGIS空间分析工具中的表面分析—坡度，对贵阳市DEM提取出30 m坡度数据。地形位作为地形复合因子能够综合体现高程和坡度的特征，以ArcGIS空间分析工具的栅格计算器为基础工具，对高程与坡度运用地形位指数公式进行计算，得出30 m地形位指数的栅格数据。地形位指数公式如下[31]：

(2)

基于研究区实际情况，采用ArcGIS重分类工具，将坡度划分为5级，平坡[0,6°)，缓坡[6,15°)，斜坡[15,25°)，缓陡坡[25,35°)，陡坡(≥35°)[6]。为了与坡度相对应，采用自然间断点分级法(自然间断点分级法能够使各级别中的变异总和达到最小，使地形特征更明显)将高程[880 m,1 720 m)和地形位(0.024 2，1.108)重分类为30 m栅格数据，共划分为5级(表1)，其中高程分别为[916 m,1 137 m)，[1 137 m,1 228 m)，[1 228 m,1 308 m)，[1 308 m,1 409 m)，[1 409 m,1 720 m)，地形位指数分为[0.24,0.39)，[0.39,0.53)，[0.53,0.65)，[0.65,0.78)，[0.78,1.10)。

表1 地形梯度分级及面积比例

3.3 图谱变化

对1990—2015年4个分区土地利用图进行矢量叠加，提取出建设用地变化图谱，根据建设用地与其他用地的变化特征，将图谱变化划分为稳定型(1990—2015年建设用地未发生变化)，前期变化型(仅1990—2000年转为建设用地变化类)，中期变化型(仅2000—2010年转为建设用地变化类)，后期变化型(仅2010—2015年转为建设用地变化类)，变化类代码如表2所示，具体公式如下[6]：

Y=G1×10n-1+G2×10n-2+…+Gn×10n-n,

(3)

式中：Y为土地利用代码计算合成的n位数字；n为土地利用的时期数目；Gn为第n期土地利用单元。

表2 土地利用分类代码

3.4 地形分布指数

地形分布指数(distribution index，DI)表示建设用地及图谱变化在不同地形位区间上的分布频率，能够消除土地利用类型在地形梯度区间受面积的干扰。具体公式如下[10]：

(4)

式中：DI为分布指数，Wje为e地形区间的j地类的面积；Wj为研究区j地类的总面积；We为研究区e地形区间的总面积，W为研究区的总面积。当DI>1时，表示e地形区间上j地类的分布为优势分布。DI越高，表示优势分布程度越大。

3.5 转移速率

转移速率表示相应时段相对应的土地利用转移速率，该公式在本文表示其它用地转为建设用地的快慢程度。具体公式如下[11]：

(5)

式中：S反映与t时段相对应的研究土地利用转移速率，Si为研究初期第i类土地利用面积,ΔSi-j为t时段内i转为建设用地的面积，t为时间段。

4 结果与分析

4.1 建设用地扩展分析

从表3可以看出，1990—2015年贵阳市建设用地增长迅速，扩展面积达9 654.21 hm2，年均扩展面积386.17 hm2，扩展强度为2.98%。具体来看，城市新区扩展强度最大，居所有区域首位，为5.48%，扩展面积达7 670.07 hm2，说明建设用地增长的来源主要为城市新区的建设和开发，这可能与区域的经济社会发展和人口增长有关。人口增长与经济增强导致住房需求旺盛及大量产业用地布局，驱动建设用地需求增加。其次为盆地老城区，扩展强度居第二位，为2.03%，扩展面积782.28 hm2，这与区域的经济首位度及人口承载力有关。盆地老城区发展基础深厚，各项配套设施齐全，人口集聚性较强，但受盆地地形制约，可利用土地面积有限，新增建设用地多来源于存量用地、低效用地及旧城改造，驱使建设用地内生扩展。盆地花溪区建设用地扩展强度较小，仅为0.98%，扩展面积为24.12 hm2，反映了该区域近年来建设用地增长不足，这可能与区域的生态保护及可利用土地较少有关。盆周山区建设用地的扩展强度最小，为0.82%，但扩展量相比盆地老城区及盆地花溪区较大，达1 177.74 hm2，可知盆地老城区、盆地花溪区的建设用地扩展逐渐向盆周山区转移，呈“盆地区—山地区”的转移路径，随着经济社会的进一步发展，该趋势将愈发显著。

4.2 建设用地扩展的地形梯度特征

通过ArcGIS空间分析工具提取出盆地老城区(Ⅰ区)、盆地花溪区(Ⅱ区)、盆周山区(Ⅲ区)、城市新区(Ⅳ区)建设用地面积，将建设用地数据转换为30×30 m栅格，并与DEM、坡度、地形位数据做相应的栅格计算，通过式(1)，(2)和(4)计算，得出1990—2015期间研究区建设用地扩展的梯度特征及分布变化(图2)。

表3 1990—2015期间研究区建设用地扩展情况表

1990—2015年贵阳市建设用地在高程梯度上呈先增后减的趋势，扩展强度在中海拔区最大(图2a)，说明贵阳市在城市化进程中向海拔较高的区域扩展。具体来看，盆地老城区建设用地在低—较低海拔区呈上升的趋势，这是因为海拔低的区域经济较为发达，基础设施较为完善，人口、产业集聚能力较强，但受盆地地形限制，建设用地扩展强度在较低—中海拔区急剧减弱，在中—较高区建设用地扩展强度呈递增的趋势，说明盆地老城区建设用地趋于饱和在向盆周山区溢出；盆地花溪区在经济发展与生态保护的双重压力下，建设用地扩展在高程梯度上变化不甚明显，主要在低—较低海拔区呈递减的趋势；盆周山区自低—较高海拔区扩展强度呈递增的趋势，在较高海拔区达最大值，说明盆地区域建设用地的路径转移，迫使盆周山区建设用地向更高海拔区域扩展；城市新区受政策及开发区建设等影响，人口、产业集聚能力增强，建设用地扩展强度在低—中海拔区比盆地区、盆周山区高。

1990—2015年贵阳市建设用地在平坡—陡坡上呈先增后减的趋势(图2b)，在缓坡处扩展强度最大，说明缓坡以下建设用地承载力受人类活动压力大，转而向缓坡扩展。

图2 建设用地扩展的地形梯度特征

具体来看，城市新区经济发展速度加快、基础设施服务水平提高，吸引大量人口转移，进而刺激了建设用地的扩展，从而扩展程度相较于盆地区与盆周山区强；盆地老城区在平坡—斜坡区呈递增的趋势，由于平坦的区域生产条件好，适宜基础设施建设，故而人口、产业相对集中，建设用地扩展的趋势明显；盆地花溪区在平坡—缓坡扩展强度呈上升的趋势，由于区域生态保护红线限制，适宜建设用地资源较少，在斜坡—陡坡区急剧上升。盆周山区在平坡—斜坡区扩展强度递增趋势明显，说明在盆地建设用地溢出的效应下，迫使盆周山区侵占斜坡山体，但在脆弱的生态环境下建设用地向缓陡坡及以上区域扩展的强度变弱。

4.3 建设用地图谱变化及梯度特征

图3 研究区建设用地图谱变化

4.3.1 主要图谱变化分析 通过ArcGIS空间分析工具对4期各区土地利用数据叠加，得出图谱变化数据，通过计算得出图谱变化特征(图3)，贵阳市主要图谱变化中稳定型占比较大，占图谱总面积的56.34%，说明贵阳市在建设用地扩展的过程中，挖掘了城市存量建设用地的潜力，大量城中村建设用地的内生改造，致使稳定型面积居多。在图谱变化类型中，由于耕地、林地、草地转建设用地面积居多，能在地形梯度上体现其它用地转为建设用地的变化特征，故在后文将主要对该3类用地转为建设用地的地形梯度特征进行分区域分时段研究。

贵阳市在耕地保护、生态建设等政策下，前期—中期—后期耕地、林地和草地转建设用地面积呈先增后减的趋势。具体来看，盆地老城区在城市化过程中，农村人口不断向城市迁移，刺激了建设用地的需求，故而在前期—中期侵占耕地、林地资源严重，后期由于达到饱和状态可供侵占的用地资源不足，城区内生改造的趋势明显。盆地花溪区受盆地地形的影响，在生态保护政策影响下，建设用地可供开发的用地资源少。盆周山区随着经济发展水平的不断提升，开始承担着盆地区域的外溢功能，故而在前期—中期侵占耕地、林地资源呈增加的趋势，后期由于政府政策与规划导向，耕地、林地转为建设用地的面积减少，迫使盆周山区在后期向草地扩展，且面积相较于中期增加。城市新区经济社会发展水平提高，住房及产业用地的需求增加，致使前期—中期建设用地侵占耕地、林地、草地面积增加，但后期注重生态旅游建设与生态保护，林、草地转建设用地面积减少，但耕地依旧是建设用地最主要的来源。

4.3.2 主要图谱变化的地形位梯度特征 通过ArcGIS空间分析工具对4期各区土地利用数据叠加，得出图谱变化数据，将图谱变化数据转换为30×30 m栅格，并与地形位指数做相应的栅格计算，得出1990—2015期间研究区建设用地扩展的梯度特征及分布变化(图4)。(1)盆地老城区林地转建设用地前期在低、较低级别区占据主导地位，但城市发展速度加快使得林地转建设用地中期在中级别区的分布程度增强；耕地转建设用地前期(1990—2000年)在低、较低级别区占优势地位，但中期(2000—2010年)在退耕还林政策和建设用地扩展的双向挤压下，仅在低级别区占优势分布；后期(2010—2015年)在地形、耕地保护及生态建设政策等影响下，盆地老城区趋于饱和建设用地扩展变慢。(2)盆地花溪区作为新兴发展区，建设用地中期占用较低、中级别区耕地资源，由于花溪公园等生态用地的保护，迫使后期向较高、高级别区林地扩展。(3)盆周山区林地转建设用地前期受地形因素影响在低级别区的优势地位最高，中期—后期扩展至中、较高级别区，说明建设用地仍在向坡度较陡的林地扩展；耕地转建设用地受地形、退耕还林政策和建设用地扩展的多重压力下，在前期—中期由低—中级别区向低、较低级别区过渡；中期草地转建设用地在中级别区优势分布程度最高，后期扩展至较高级别区。总的来说，盆周山区由于盆地区的外溢、本身用地资源的不足，在城镇化加速的过程中，被迫向坡度较陡、海拔较高的林地、草地挤占用地资源。(4)城市新区林地转建设用地前期主要分布在低—中级别区，中期在中级别区的分布程度减弱，后期在中—高级别区的优势分布愈加明显，说明后期城乡发展加快，建设用地向坡度大、海拔高的林地挤占资源；前期受农村建房影响，建设用地不断侵占低、较低级别区耕地资源，中—后期城市发展迅速，大量人口涌入城市致使坡度小、海拔低的耕地资源被占用，且优势分布指数在低、较低级别区增大；草地转建设用地前期在较低级别区优势分布程度最大，中期城市用地需求增加，地形位梯度跨度加大，后期经济发展水平逐步提升，技术不断进步，城市建设用地开始向较高级别区扩展，且优势分布指数增大。

4.4 转移速率的地形位梯度特征

转移速率体现其它用地转为建设用地的转移快慢情况，从图5可看出转移速率在地形位梯度上的变化情况。盆地老城区前期—中期农村人口向城市转移，城市用地不足，致使耕地转建设用地的速率在地形位上加快；林地转建设用地前期—中期变化不甚明显，说明盆地老城区建设用地前期—中期主要依靠耕地补给。盆地花溪区中期林地转建设用地在地形位上呈递增的趋势，后期耕地转建设用地的速率在低、较低地形位上呈上升的趋势，说明在高新技术产业园及大学城的建设下，建设用地扩展速率明显加快，但用地资源及生态用地建设导致建设用地向盆周转移。盆周山区耕地、林地转建设用地受政策影响速率变化不甚明显。中期、后期草地转建设用地的速率在加快，且向高地形梯度扩展，说明盆周山区承接盆地区的外溢效应致使生态用地破坏，且变化速率在中、较高地形位上加快。城市新区耕地、林地在城市建设与耕地、生态保护政策双向压力下，转移速率后期在减缓，草地转建设用地的转移速率在地形位上变化明显，在生态建设与城市建设双重压力下，转移速率变缓，但向中、较高地形位梯度上扩展。

图4 图谱变化的地形位梯度分布

图5 转移速率的地形位梯度变化

5 讨论

在政府推行西部大开发、引导近1亿人在中西部地区就近城镇化、易地扶贫搬迁等政策综合作用下，建设用地扩展仍然不可避免。贵阳市盆地区应深入挖掘潜在用地资源，缓解向盆周山区扩展的外溢压力，盆周山区、城市新区在城市化进程中，应尽可能减少侵占山体，缓解高地形梯度上草地等生态用地与城市扩展的矛盾，避免发生山体崩塌等自然灾害，从而推进城市安全发展，促进城市土地资源的优化配置和可持续发展。