喀斯特山区城乡建设用地时空演化特征分析

乔宝

摘要： 基于2008、2013、2018年的3期土地利用数据，利用城乡建设用地核密度和动态度模型并结合GIS空间分析方法，以贵州省普定县为例研究喀斯特典型山区城乡建设用地的时空演化特征。研究表明：（1）普定县城乡建设用地数量演化剧烈且表现为阶段性特征，其中城镇村及工矿用地占比和演化较快;（2）演化的空间特征表现为显著的区域分异，主城区及其附近乡镇演化最快、偏远山区乡镇演化缓慢，演化方向由主城区向东南和西南方向展开;（3）空间关联下普定县城乡建设用地演化的空间集聚程度更为明显，演化动态度热点区域表现为交通和经济指向，由主城区东南部向北部和西部衰减，交通、人口、经济发展以及生态保护等是其演化的驱动因素。研究结果能够为喀斯特山区可持续发展、国土空间规划和土地资源优化配置提供科学依据和决策参考。

关键词： 城乡建设用地;时空演化;普定县

【中图分类号】 F301【文献标识码】A【文章编号】1674-3733（2020）16-0264-03

新时代喀斯特山区土地利用的主要特征表现为城乡建设用地的急剧演化，其演化规律特征是全球人地关系及可持续发展研究热点[1]。城镇化和工业化需以土地作为空间载体，随着工业化、城镇化的推进和社会经济的快速发展，城乡建设用地不断扩张已成为新时代土地利用/覆被变化（LUCC）的主要特征[2]。不同时期各种人类活动与功能组织在城乡地域上的空间叠加直接表现为城乡建设用地的扩张，是人类活动与地理环境相互作用的综合体[3]。全球土地利用与覆盖变化的普遍趋势表现为建设用地扩张（包括城市或建制镇、农村居民点、独立工矿、交通运输、水域及水利设施等非农建设用地）以及由此带来的农用地转换[4]。

文献检索表明，城乡建设用地时空演化研究近年来得到学术界的普遍重视。国外研究集中于城乡建设用地变化及其驱动力，1995年，“全球环境变化的人文领域计划”（IHDP）和“国际地圈与生物圈计划”（IGBP）共同拟定并发表了《土地利用/土地覆盖变化科学研究计划》，将研究的重点定为土地利用变化机制、土地覆盖变化机制、建立区域和全球尺度模型[5]。此后，以人地耦合关系为核心的土地利用研究成为国外学者关注的焦点领域。但是，相关研究主要体现在城市土地利用研究中，以经济、人口、政策要素分析城市扩张机制尤其受关注[6，7]。相比而言国内研究总体起步较晚，改革开放以后中国社会经济快速发展，城市化、工业化进程加快，土地资源利用处于快速的变化过程中，国土空间开发普遍存在开发利用的低效浪费和违背空间属性的盲目开发现象。研究内容主要聚焦在城市（镇）扩张[8，9]、农村居民点用地变化[10]、城乡建设用地增减挂钩[11，12]等方面，以及人口、社会、经济、政策及景观生态等因素对城乡建设用地的驱动力分析[13，14]。现有研究聚焦城市建设用地的扩张与驱动机制，为本文提供了丰富的经验借鉴，但研究尺度上以长江三角洲、珠江三角洲和京津冀等城市群为主体，鲜有学者分析山区特别是喀斯特山区的城乡建设用地时空演化，方法上缺乏系统性和整體性，较少顾及城乡建设用地的内部空间关联性。

根据《全国土地利用总体规划纲要（2006-2020年）》，乡村人口大量减少的同时农村居民点用地却增加了近11.75万hm2。建设用地尤其是宅基地呈现出面积超标、一户多宅、大量闲置低效利用的现象[15]，且随着农村人口的非农化转移，农村陷入了村庄空心化与“人减地增”并存的怪圈[16]。城镇工矿用地和农村居民点用地同时增加占用了大量宝贵的农用地特别是耕地资源，这与中国人口多、人均土地占有量和人均耕地占有量少、耕地后备资源不足的土地资源基本国情严重不符。为了充分、合理地利用城乡土地资源，遏制城镇建设用地的盲目扩张和乡村建设用地随人口减少而增加的问题，有必要系统探讨城乡建设用地时空演化规律，实现城乡土地、人口与资金要素的良性互动，促进城乡建设用地优化配置[17]。鉴于此，本文以喀斯特典型山区贵州省普定县城乡建设用地为对象，基于ArcGIS10.5空间分析功能着重分析其时空演化特征，对缓解建设用地供需矛盾、提高其利用效率具有十分重要的现实意义。

1研究区域、数据与方法

1.1研究区概况

普定县位于贵州省中部偏西，隶属安顺市，北抵织金县、西接六枝特区、南靠镇宁县、东邻西秀区和平坝区，南北宽40 km、东西长51 km，国土面积1080 km2。普定县气候宜人，属于亚热带高原季风湿润气候，区内冬无严寒、夏无酷暑，气候温和、雨量充沛，境内地势东北西高向南敞开，平均海拔1355.72 m（图1）。截至2018年年底，辖12个乡镇（街道），55个社区、120个行政村，居住着汉、苗、布依等民族，总人口51.28万人;完成地区生产总值124.89亿元，同比增长105%，其中一产、二产、三产增加值分别为19.58亿元、5149亿元、53.82亿元;全县城乡建设用地7033.29 hm2，其中建制镇1862.12 hm2、农村居民点2528.37 hm2、采矿用地34029 hm2、风景名胜及特殊用地166.92 hm2、交通运输用地601.99 hm2、水域及水利设施用地1533.59 hm2，占城乡建设用地比率分别为26.48%、35.95%、4.84%、2.37%、856%、21.80%。

图1研究区区位与地形分布图

1.2数据来源与处理

本文以2008、2013、2018年共3期土地利用现状信息为主要数据源，进行喀斯特山区城乡建设用地时空演化分析，城乡建设用地数据来源于2008、2013、2018年覆盖普定县的Landsat TM数字影像解译;行政区划数据来源于国家科技基础条件平台—国家地球系统科学数据中心（http：//www.geodata.cn/），地形数据来自地理空间数据云（http：//www.gscloud.cn/）;社会、经济、人口数据来源于《普定县统计年鉴（2008～2018）》、政府工作报告和城建等相关资料。参考土地利用现状分类系统（GB/T21010-2007）以及喀斯特山区土地利用方式特点将将城乡建设用地划分为建制镇用地、农村居民点、采矿用地、风景名胜及特殊用地、交通运输用地、水域及水利设施用地。运用ArcGIS10.5构建不同时期土地利用现状数据库和生成建设用地专题图。近十年来普定县行政区划变动较多，特别是近年来对龙场乡和城关镇行政区划进行了较大调整，增设了定南街道、玉秀街道和黄桶街道，为确保数据的可比性，以2008年行政区划为基准（共11个乡镇级行政单元），对2018年相关数据进行整合。

1.3研究方法

1.3.1核密度估计

核密度估计（kernel density estimation）是概率论中估计未知的密度函数，该方法借助移动的单元格对点或线格局的密度进行估计，有效刻画空间单元要素的集聚密度态势[18]。通过对每个要素点建立平滑圆形表面，兼顾不同位置聚集强度的差异性和连续性，计算其到参考位置的距离，然后对参考位置的所有表面值求和，建立这些点的峰值或核来创建平滑的连续表面。核密度值随中心辐射距离增大而衰减，有效测度空间分布的位置与强度关系：

（1）式中，f（x，y）为空间位置（x，y）处的密度估计，

为核函数，di为位置（x，y）距第i个观测点的距离，n为样本点数，h为带宽或平滑参数。

1.3.2城乡建设用地动态度

随着社会经济的发展，城乡建设用地总规模随用地需求的增加在不断增长。采用“建设用地动态度”揭示城乡建设用地扩张的强度差异，单位为%/yr。其中计算公式为：

（2）式中，Si为监测开始时间城乡建设用地总面积;ΔSij为监测开始至监测结束时段内城乡建设用地转化为其他土地利用类型的面积总和;t为时间段;动态度K反映了与t时段对应的研究区建设用地变化的剧烈程度。

1.3.3ESDA空间关联模型

为进一步评价城乡建设用地动态度的空间关联格局，在整体上把握其区域分异的内在规律，引入探索性空间数据分析全局MoranI指数进行定量模拟。联系强度高低值集聚状态由MoranI值的正负体现，为正表示在空间上显著集聚，反之表明该区域的供需联系水平与周围地区差异显著[19]。不同空间位置的低值簇和高值簇由识别：的数学期望和方差，城乡建设用地动态度冷热点区分布可通过Z（

2结果与分析

2.1城乡建设用地演化规模数量特征

近十年来普定县城乡建设用地增加较快，由2008年的4971.25 hm2增加到2013年的5816.62 hm2，再增加到2018年的7033.29 hm2，十年间增加了2062.04 hm2，增长幅度为41.48%。其中，2008年城镇村及工矿用地、交通运输用地、水域及水利设施用地占比分别为66.29%、2.87%、30.84%，2013年占比分别为66.23%、6.95%、26.82%，2018年占比分别为69.64%、8.34%、21.80%，城镇村及工矿用地占比最大且增长最快，交通运输用地增长相对缓慢，水域及水利设施用地占比降低了9.03%;增长规模较大的乡镇有城关镇、白岩镇和马官镇，分别增长了1007.52 hm2、466.10 hm2、347.04 hm2，增长幅度分别为62.17%、146.40%、56.67%;增长规模较小的乡镇有马场镇、补郎苗族鄉和候场苗族仡佬族乡，仅仅分别增长了13.17 hm2、16.11 hm2、17.87 hm2，增长幅度分别为5.83%、5.68%、12.36%（表1）。

2.2城乡建设用地演化空间格局特征

利用公式（1）对普定县城乡建设用地空间格局进行测度，发现2008年时城乡建设用地主要以夜郎湖水库和主城区为主，集中分布于太平农场至夜郎湖水库一带;2013年城乡建设用地在主城区朝西南和东南方向扩张明显，到2018年因承接安顺市区工业产业转移和开发区建设，城乡建设用地继续沿安（顺）普（定）大道扩张，除了主城区以外白岩镇城乡建设用地增长最为剧烈，其余乡镇城乡建设用地空间分布格局变化则较为平缓;整体上看，普定县城乡建设用地演化将主要围绕主城区进行，其时空演化具有明显的阶段性特征和区域分异特征，2013～2018年的增长速度高于2008～2013年的增长速度，演化方向由主城区向东南和西南方向展开，与普定县近年来的经济发展方向和城镇发展战略相吻合，周围山区乡镇因为交通不便、人口稀疏和承担生态环境保护功能的需要，近年来城乡建设用地规模较少（图2）。

利用公式（2）得到普定县各乡镇城乡建设用地动态度，利用自然间断点分级法（Jenks）得到其空间分布格局（图3a、图3b）。可以看到，普定县2008～2013年城乡建设用地演化动态度由白岩镇向北、向西递减，城关镇2008～2013年动态度相对回落，马官镇动态度提升较快，表明近十年来普定县主城区以及其东南部的白岩镇和西南部的马官镇城乡建设用地演化强度较为剧烈，城乡各项建设活动占用土地规模较大，建设用地与其他用地类型转化较多。

2.3城乡建设用地动态度空间关联特征

借助探索性空间数据分析（ESDA）揭示连续变化的城乡建设用地内部空间结构演化格局，分析空间关联性和异质性，其本质以关联测度为核心探测动态度的空间异常和集聚。经测算，普定县2008～2013年、2013～2018年动态度的Morans I均为正，分别为0.069097、0.226223，结果为正值（表1）。检验结果较为显著，表明普定县城乡建设用地演化存在较强的空间关联，属于集聚分布格局。其中，2013～2018年动态度的Morans I值明显大于2008～2013年动态度的Morans I值，表明2013～2018年普定县城乡建设用地演化的关联性更强，主城区以及白岩镇、马官镇的城镇扩张和用地需求带动了周围其他乡镇建设用地需求的增长。

为进一步在局部空间上确定城乡建设用地演化集聚位置和区域关联程度，计算城乡建设用地时空演化动态度的空间关联指数Getis-Ord G*i探明其内部分异规律（图3c、图3d）。空间关联下普定县城乡建设用地演化的空间集聚程度更为显著，2008～2013年、2013～2018年动态度的热点区域均表现为明显交通和经济指向，由主城区东南部的白岩镇和马官镇等地向北部和西部衰减;冷点区域位于北部和西部山区，该区域人口分布较少，交通发展相对滞后，经济发展速度较为缓慢且因为夜郎湖水库淹没区承担生态环境保护功能，城乡建设用地需求较少、转变较慢，与上文分析结果一致。由此可见，人口规模、交通发展、地形地势、经济建设和生态保护等因素对喀斯特山区城乡建设用地演化的空间格局产生较大影响。

3结论与讨论

3.1研究结论

（1）近十年来普定县城乡建设用地增长速度较快，其中城镇村及工矿用地占比最大且增长最快，演化的规模呈现显著的区域分异特征，城关镇、白岩镇和马官镇等乡镇增长规模较大，马场镇、补郎苗族乡和候场苗族仡佬族乡等乡镇增长规模较小。

（2）整体上看，普定县城乡建设用地演化将主要围绕主城区进行，其时空演化具有明显的阶段性特征且演化方向由主城区向东南和西南方向展开，除了主城区以外白岩镇城乡建设用地增长最为剧烈，北部和西部山区乡镇城乡建设用地空间分布格局变化则较为平缓，与普定县近年来的经济发展方向和城镇发展战略相吻合。

（3）间关联下普定县城乡建设用地演化的空间集聚程度更为显著，动态度的热点区域表现为明显交通和经济指向，由主城区东南部的白岩镇和马官镇等地向北部和西部衰减。人口规模、交通发展、地形地势、经济建设和生态保护等自然人文因素对喀斯特山区城乡建设用地演化的空间格局产生较大影响。城镇化和工业化进程加速的同时也暴露出建设扩张占用耕地的现象较为严重、城镇建设用地集约利用水平低下等问题，这些问题的长期存在势必会影响喀斯特山区城乡社会经济可持续发展。

3.2研究讨论

本研究通过核密度和动态度模型分析城乡建设用地的时空演化，测算结果层次分明、符合实际、科学精确;冷热点探测可更好分析区域内部差异，展现空间刻画能力，为深入探究城乡建设用地时空演化规律，识别用地存在的问题提供了案例基础。然而研究并未考虑城镇建设用地和乡村建设用地的时空耦合特征，也未分析城乡建设用地演化的驅动机制，有待进一步深入探讨。

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