兰州—西宁城市群城乡建设用地开发强度空间格局变化及影响因素分析

李再艳，石培基

(西北师范大学地理与环境科学学院，甘肃兰州 730070)

随着城市化快速扩张及农村建设用地管控不力，我国面临城市建设用地指标紧缺、农村居民点土地利用效率低下等问题，城乡建设用地“双增”导致大量耕地流失并逼近耕地保护红线［1］。与此同时，城乡土地利用过程中配置不合理、土地闲置、粗放低效等问题日趋严重［2］。“十三五”规划指出，强化主体功能，完善开发政策，规范开发秩序，合理控制开发强度，逐步形成人口、经济、资源环境相协调的国土空间开发格局。兰州—西宁(兰西)城市群是国家重点引导和培育的跨省(区、市)城市群之一，也是支撑国土安全和生态安全、维护西北繁荣稳定的重要城市群。因此，研究兰西城市群城乡建设用地开发强度空间格局特征、分布规律、影响因素等，可为城乡建设用地总量控制提供科学依据。

纵观国内外研究进展，学者们对城乡建设用地开发强度问题的关注和讨论主要集中在以下3个方面:(1)关于城乡建设用地的研究，部分学者基于主体功能区划角度对城乡建设用地扩张的时空特征、利用效率进行了分析［3-4］，也有很多学者对城乡建设用地的时空演变特征以及影响因素展开了讨论［5-7］。(2)关于土地开发强度的概念界定、评价方法的研究，有学者采用樊杰在主体功能区划中提出的区域建设用地面积占该区域总面积的比例作为土地开发强度的测度指标［8-9］;有学者从广度、深度、限度3个方面对土地开发强度进行综合测算［10-11］;也有学者从城市规模控制的角度出发，对地块位置、使用性质、建筑高度等进行限定，采取建筑密度、建筑高度、容积率等指标来反映土地开发强度［12］。(3)从土地开发强度的区域差异角度来看，国内研究的热点主要集中在长三角地区［13］、东北地区［14］、沿海城市［15］等经济发展水平较高的地区，目前西北地区城市土地开发强度问题的研究很少。

基于此，以兰西城市群39个县域单元为研究区域，运用趋势面分析法、空间自相关分析和地理探测器分析了1995—2018年城乡建设用地开发强度的空间格局特征及影响因素，以期为土地利用规划、产业结构调整和区域可持续发展提供参考依据。

1 研究区概况与数据来源

1.1 研究区概况

以2018年国务院批复的《兰州—西宁城市群发展规划》范围为研究区，其中包含甘肃省20个县级单元和青海省19个县级单元，共计39个县(区、市)(表1)，研究区总面积为9.75万km2。兰西城市群位于黄河上游和青藏高原东北部生态安全屏障区，是黄土高原向青藏高原的过渡地带，海拔在1 200～5 300 m之间，地形复杂多样，起伏较大，以山地河谷地貌为主。2017年末，兰西城市群总人口数为1 184.12万人，其中甘肃省749.81万人，青海省434.31万人。2005年GDP为1 147亿元，2017年GDP达5 026亿元，平均每年增长19.21%。城乡建设用地面积为 1 901.5 km2，占区域总面积的1.95%。

表1 研究区范围及人口、GDP情况Table 1 The population，GDP and counties included in the study area

1.2 指标选取与数据来源

开发强度可用来衡量一定地域范围内人类活动对土地的开发利用程度。对于开发强度，国际上一般将20%作为宜居水平标准线，30%作为警戒线，《全国国土规划刚要(2016—2030年)》提出我国国土开发强度不得超过4.62%。笔者选取樊杰［8］在主体功能区划中提出的城乡建设用地面积占区域总面积的比例作为城乡建设用地开发强度的衡量指标。

以兰西城市群39个县域空间为基本研究单元，将1995、2005、2015和2018年4个时期的投影坐标统一转换到WGS84坐标系统下。DEM高程数据来源于地理空间数据云(http:∥www.gscloud.cn/)，分辨率为30 m。土地利用数据来源于中国科学院资源环境数据中心，利用ArcGIS 10.2软件重新将城镇用地、农村居民用地、其他建设用地统一合为城乡建设用地。社会经济数据来源于 1995、2005、2015和2018年的《青海统计年鉴》《甘肃统计年鉴》等。

2 研究方法

2.1 三维趋势面分析方法

趋势分析是利用空间数据集生成以某一属性为高度的三维透视图，从不同视角分析数据集的全局趋势，来揭示空间格局的总体分布规律。在趋势面分析图中，浅绿色的点为样本点，绿色点和蓝色点分别为浅绿色点在XZ和YZ面的投影，黑色线表示样本点的数据值(高度)和位置，浅绿色和蓝色曲线分别表示东西走向和南北走向样本的分布趋势。

2.2 空间自相关分析

空间探索性分析(ESDA)是分析某一事物空间分布格局特征的一种空间自相关分析方法，该研究引入Moran"sI指数和局域空间关联指数Getis-Ord Gi*来测度全局和局部的空间关系。

Moran"sI指数可用于分析全局空间自相关，其公式［16］为

式(1)中，I为全局Moran指数值;N为研究空间单元总数;Xi、Xj为i、j地区的观测值;¯X为观测值的平均值;Wij为空间权重矩阵。I的取值范围为［-1，1］。在给定显著性水平的情况下，若I显著为正，则表明观测值在空间上具有集聚特性;若I显著为负，则表明观测值趋于分散分布;若I接近期望值，表明观测值之间呈独立随机分布。

Getis-Ord Gi*(Gi*)可识别不同空间位置上的高值集聚和低值集聚，计算公式为

为了便于解释和比较，对式(2)进行标准化处理:

式(2)～(3)中，Z(Gi*)为Gi*的标准化值;E(Gi*)和的数学期望和方差。如果Z(Gi*)显著为正，表明i地区周边属于城乡建设用地开发强度高值空间集聚区(热点区);反之，如果Z(Gi*)显著为负，则表明i地区周边属城乡建设用地开发强度低值空间集聚区(冷点区)。

2.3 地理探测器

王劲峰等［17］提出的地理探测器被应用于众多领域。该研究借助地理探测器的因子探测来探讨研究区39个县域单元城乡建设用地开发强度格局变化的影响因素，如果某个因子与城乡建设用地开发强度在空间上具有显著一致性，则说明2个变量之间有因果关系。地理探测器模型［18］为

式(4)中，qx为探测因子x的探测力值;n为整个区域的样本数;r2为整个区域的离散方差;M为次一级区域的数量;nx，i为次一级区域的样本数;rx，i2为次一级区域的方差。q的取值区间为［0，1］，q值表征城乡建设用地开发强度的主导因子，q值越大则其对城乡建设用地开发强度的影响越大。

2.4 影响因素指标的选取

已有研究表明，影响土地开发强度的影响因素主要有投资力度［9，11］、人口驱动［12］、经济增长［19］、产业结构［13］等，兰西城市群大部分城市为河谷型城市，沿黄河呈带状分布，且横跨青藏高原和黄土高原，高程相差约3 800 m，海拔高度和地形坡度对城镇空间布局具有重要影响。结合兰西城市群的社会经济、自然环境等实际情况，基于数据的可获取性原则，选取了10个指标作为解释变量(表2)。以地均社会固定资产投资来表征建设用地投资强度;以人均GDP、地均GDP和人均公共财政预算收入表征经济发展水平;以二三产业比重表征产业结构水平;以城镇化率、人口密度和人均建设用地面积表征人口集聚水平;以平均高程和地形坡度表征自然条件基础;以城乡建设用地开发强度作为因变量进行探测研究。借助SPASS 19.0软件对1995、2005、2015和2018年10个因子进行KMO和Bartlett检验，计算得出 KMO 值分别为 0.615、0.628、0.671、0.692，均大于阈值0.5，说明变量之间存在相关性，且Bartlett球形检验结果均在0.01水平显著，表示变量可以进行因子分析。

表2 城乡建设用地开发强度影响因素探测指标Table 2 The influencing factors index of urban-rural construction land development intensity

3 结果与分析

3.1 城乡建设用地开发强度空间格局特征分析

图1 1995—2018年兰西城市群城乡建设用地开发强度空间分布Fig.1 Spatial distribution of the development intensity of urban-rural construction land in Lan-Xi urban agglomeration from 1995 to 2018

兰西城市群城乡建设用地面积由1995年的1 232.52 km2增长至2018年的2 084.34 km2，平均每年增长37.03 km2。采用自然断点法将兰西城市群城乡建设用地开发强度划分为5类(图1)。城乡建设用地开发强度整体呈上升态势，1995、2005、2015和2018年城乡建设用地开发强度平均值分别为2.74%、3.16%、4.31%和 4.45%。其中，1995—2005年兰西城市群城乡建设用地开发强度低值和较低值县域数量有所减少，但整体开发强度还处于较低水平。2005—2018年城乡建设用地开发强度中值和高值县域数量明显增加，这可能是因为2012年兰州新区成立，永登县和皋兰县的邻接地带进行大规模开发建设，从而使得兰西城市群城乡建设用地开发强度明显增加。从兰西城市群城乡建设用地开发强度格局的空间分布来看，总体呈现出兰州—西宁中心高、其他外围地区依次降低的“核心—外围”空间分布格局。即越往城市中心走，城乡建设用地聚集能力越强，开发规模越大;反之，由中心城市向边缘城市走，城乡建设用地开发强度逐渐降低。从社会经济发展水平和自然条件来看，兰州和西宁整体经济水平较好，人口规模较大，且兰州属于黄河河谷盆地，西宁属于湟水流域盆地，地理区位和水土资源条件优于周边山区和牧区。

3.2 城乡建设用地开发强度的三维趋势分布格局

图2为城乡建设用地开发强度格局的趋势面分析结果。从总体上看，东部和西部城乡建设用地开发强度较低，兰州—西宁核心城市较高，显现出扁平的倒“U”型曲线分异态势。1995—2018年，东西方向上城乡建设用地开发强度分维数值趋于稳定，南北方向上城乡建设用地开发强度分维数值逐渐降低，说明在这一时期兰西城市群城乡建设用地开发强度空间差异较大。总体上，空间分布态势与城乡建设用地开发强度“核心—外围”递减的空间分布格局特征基本一致，且该特征更加显著。

图2 1995—2018年兰西城市群城乡建设用地开发强度格局的趋势面分析Fig.2 Trend analysis of the development intensity of urban-rural construction land in Lan-Xi urban agglomeration from 1995 to 2018

3.3 城乡建设用地开发强度空间关联特征分析

为了揭示兰西城市群城乡建设用地开发强度的空间集聚特征，运用 GeoDa软件对1995、2005、2015和2018年兰西城市群城乡建设用地开发强度值进行全局空间自相关分析(图3)，得出Moran"sI值分别为 0.360、0.379、0.388 和 0.414，均大于 0，且通过0.05水平的显著性检验，说明兰西城市群城乡建设用地开发强度具有显著的正相关性，在空间上存在明显的集聚特征。从图3可见，很多数据点落在第Ⅰ、Ⅲ象限，表明兰西城市群城乡建设用地开发强度值呈现出高-高聚集与低-低聚集的特征，即兰西城市群城乡建设用地开发强度高值县域在空间上具有聚集效应，低值县域也同样具有集聚效应。落在Ⅱ、Ⅳ象限的数据点较少，说明较少出现周边县域开发强度值有明显差异的情况。1995—2018年的第Ⅲ象限的数据点越来越密集，第Ⅰ象限的数据点越来越分散，表明兰西城市群城乡建设用地开发强度两极分化现象越来越严重，这与珠三角、长三角等城市群分散式的发展特征恰好相反［20］。一方面由于兰西城市群位于西北内陆地区，城市大多发育于河谷或盆地中，开发建设空间有限，向外扩张开发比较困难;另一方面，相对于沿海城市来说，兰西城市群社会经济水平较低，资金和技术较为缺乏，二三产业发展缓慢，中小企业水平低下，城市外围或乡村地区建设用地开发较少，建设用地开发主要集聚在兰州、西宁等核心城市。

运用ArcGIS 10.2软件测算1995、2005、2015和2018年兰西城市群城乡建设用地开发强度的Getis-Ord Gi*指数，并利用自然断点法将其从高到低划分为4类，由此绘制兰西城市群城乡建设用地开发强度的冷热点演变图(图4)。总体来看，1995—2018年间兰西城市群城乡建设用地开发强度热点区和次热点区主要分布在以兰州和西宁为双核心的一主一副2个热点片区，并形成明显的高值簇区。兰州和西宁在经济发展和基础设施配置等方面具有明显的空间溢出效应，能够带动周边县域的发展;次冷点和冷点区主要分布在城市群的中南部和西部的大片边缘县域，受限于西北地区特殊的地形条件、经济发展水平等原因，城乡建设规模较小，形成明显的低值簇区。冷热点区域数量上存在一定的波动，热点区域从1995年的8个增加到2018年的12个;次热点和次冷点区域数量保持相对稳定;冷点区域数量有所减少，由1995年的11个减少到2018年的7个。

图3 兰西城市群城乡建设用地开发强度的Moran"s I散点图Fig.3 Moran scatter plots of the development intensity of urban-rural construction land in Lan-Xi urban

图4 兰西城市群城乡建设用地开发强度格局的冷热点演化图Fig.4 Evolution map of cold and hot spots of the construction land development intensity in Lan-Xi urban agglomeration

3.4 城乡建设用地开发强度格局变化的影响因素分析

利用ArcGIS 10.2软件将各类影响因素采用自然断点法分为5类，利用地理探测器对1995、2005、2015和2018年兰西城市群城乡建设用地开发强度空间格局演变的驱动因素进行探测，结果见表3。2018年单个因子对兰西城市群城乡建设用地开发强度变化的影响程度由高到低依次为人口密度、GDP、二三产业比重、城镇化率、平均高程、人均GDP、人均公共财政预算收入、地形坡度、人均建设用地面积、地均社会固定资产投资。对显著性水平和决定力值较低的因子进行筛选，去掉人均GDP、人均公共财政预算收入、地形坡度、人均建设用地面积、地均社会固定资产投资因子。对主导因子进行诊断，得到人口密度、地均GDP、二三产业比重、城镇化率和平均高程5个因子的决定力值分别为0.925、0.910、0.571、0.517 和 0.284，表明人口密度、地均GDP和城镇化率是影响兰西城市群城乡建设用地开发强度格局变化的主导因素，次要影响因子为二三产业比重、平均高程和人均GDP。同理分析得出1995—2105年人口密度、地均GDP、城镇化率、二三产业比重和平均高程共同影响兰西城市群城乡建设用地开发强度变化。

表3 1995—2018年兰西城市群城乡建设用地开发强度地理探测结果Table 3 Geographical detection results of the development intensity of urban-rural construction land in Lan-Xi urban agglomeration from 1995 to 2018

人口集聚水平是影响兰西城市群城乡建设用地开发强度的主要因素。人口密度主要反映研究区内人口分布的密集程度，也是反映城乡发展水平的一个主要因素，人口分布越集中，说明城乡建设用地开发强度越大。城市经济发展提供了就业机会，增加了其对人口的吸引力。城镇化率也反映了农村人口向城市集聚的过程，城镇化率越高，对城市人口承载的需求就越强。在城镇化进程中，大量的农村人口涌入城市，进一步促进了城市的开发，对城市承载力的提升提出了新的要求，必然导致城乡建设用地扩张，以满足日益增长的人口居住需求。

经济发展水平是影响兰西城市群城乡建设用地开发强度的一个重要因素。地均GDP是反映某一地区产值密度及经济发展水平的重要指标，地均GDP越大说明该地区的土地利用效率越高，经济集中程度越好。2018年地均GDP的高值区集中在兰州和西宁市辖区、临夏市、白银市白银区，与人口密度高值区分布相一致，表明人口和经济高度集中的地区城乡建设用地开发强度也较大。工业和服务业的快速发展以及各类建筑业的发展都提升了城市对居住用地、工业用地、商业用地等生产生活用地的需求，加快了城乡建设用地的扩张。

产业结构水平是兰西城市群城乡建设用地开发强度的一个推动因素。二三产业比重反映了区域经济结构状况，二三产业比重越高，说明土地的经济产出效率越高。如2018年二三产业比重的高值区分布在兰州和西宁市辖区、白银市白银区、临夏市、海东市平安区，二三产业比重高达90%以上，表明市辖区经济发展的同时也为周边区域产业发展提供了机遇。同时，二三产业占比较大的区域城乡建设用地的需求也较大，由此导致了城乡建设用地开发强度的增加。

平均海拔也是影响兰西城市群城乡建设用地开发强度的因素之一。一般而言，平均海拔越高，越不适宜人类生存，土地开发难度也就越大;平均海拔越低，开发适宜性程度越高。兰西城市群高海拔地区主要为牧区，不适宜大规模开发，低海拔的河谷地区地势平坦，人口集聚，适宜开展城镇建设和农业生产。

4 结论与政策建议

4.1 结论

以兰西城市群为研究区，运用趋势面分析、空间自相关分析和地理探测器等方法，对兰西城市群1995—2018年城乡建设用地开发强度空间格局演变特征及影响因素进行分析，得出以下结论:

(1)1995—2018年兰西城市群城乡建设用地开发强度总体较低，从时间变化上看，整体呈上升态势;从空间分布格局来看，呈现出兰州—西宁中心高、其他外围地区依次降低的“核心—外围”空间分布格局。

(2)城乡建设用地开发强度地域差异明显，东部和西部城乡建设用地开发强度较低，兰州—西宁核心城市比较高，呈扁平的倒“U”型曲线分异态势。

(3)城乡建设用地开发强度在空间上具有显著的正相关性，存在明显的集聚特征，主要以高-高聚集与低-低聚集为主。热点区和次热点区主要分布在以兰州—西宁为双核心的2个热点片区;次冷点和冷点区主要分布在城市群的中南部和西部的大片边缘县域。

(4)1995—2018年城乡建设用地开发强度由人口集聚水平、经济发展水平、产业结构水平和海拔等因素共同影响，不同因素影响力的作用机理和效应存在明显的空间差异。

4.2 政策建议

(1)提高兰西城市群城乡建设用地的利用效率，促进土地的高质量发展。应充分考虑兰州、西宁核心城市独有的战略价值，全面落实土地优化开发策略，充分发挥核心城市的功能和特色，加快兰州—白银都市圈建设。不断发展白银、定西、临夏等重要节点城市，进一步增强和提升中心城市的聚集和带动作用。随着国家西部大开发战略和藏区优惠政策的推进，加快西宁—海东都市圈建设，以西宁和海东为核心，大力提升西宁的综合实力，支持和鼓励周边限制开发区和禁止开发区的人口向西宁—海东转移。

(2)受特殊地形地貌和自然环境影响，兰西城市群大部分城市属于西北半干旱区典型的河谷盆地城市，因周边山体阻挡和内部河流分割，城市拓展空间极其有限，开发水平参差不齐。一方面，应该严格落实主体功能区战略和制度，依据资源环境承载能力和国土空间开发适宜性评价，调整和优化空间结构，实施土地资源分类管控。另一方面，加快兰州、西宁中心城市建设，提高区域产业和人口集聚能力，合理布局人口和产业，引导人口稳定增长和适度集聚，提高人口的承载能力。

(3)坚持开发与保护并存的发展模式，国土空间开发设置一定的上限，建设空间比重不能超过一定的阈值。在综合考虑社会经济发展、产业结构水平等基础上，科学划定并严守生态保护红线和耕地保护红线，严格土地用途管制，落实建设用地总量和强度双控，科学划定城市空间扩展边界，注重生态环境保护与城乡建设用地开发相结合，逐步实现城乡社会的经济一体化发展。