基于地理国情监测的兰州新区土地利用时空演变分析

2021-03-15王奕璇张志斌王仁慈

甘肃农业大学学报 2021年1期

王奕璇，张志斌，王仁慈

(西北师范大学地理与环境科学学院,甘肃兰州 730070)

土地是人类赖以生存和发展不可或缺的重要基础，是由自然因素与人文因素共同作用形成的自然—经济综合体[1].土地利用变化是人类活动作用于自然生态最直接客观的反映[2].自“国际地圈与生物圈计划(IGBP)”和“全球变化人文因素计划(IHDP)”两大组织共同制定的《土地利用/土地覆被变化科学研究计划》发布以来，土地利用变化始终是地理学研究的热点[3-4].目前，国内外关于土地利用时空演变的研究主要集中于：区域全部土地、分地类土地和城市空间形态特征三方面[5-8]，且当前土地利用数据多来源于遥感影像数据，基于地理国情监测数据开展的土地利用变化分析相对较少，主要集中于：城市扩张及建设用地变化监测[9-10]、区域土地利用变化分析[11-12]以及生态环境效益评价[13-14]等.总体来看，国内外土地利用变化研究已取得了丰硕的成果，主要侧重于发达城市及区域层面土地利用的动态监测及分析，而对自然条件严酷、生态环境脆弱的西北内陆国家级新区土地利用变化的研究相对较少.

国家级新区作为国家空间战略序列中级别最高的综合功能区，既是我国产业发展与升级的聚集地，同时也是区域经济发展的关键增长极，具有十分重要的战略地位.兰州新区作为西北第一个国家级新区，拥有铁路和空港双重枢纽优势，不论是在带动中心城区功能疏解、周边区域深度融合和省域社会经济的快速发展，还是在深入推进西部大开发、促进国家向西开放中均发挥着举足轻重的作用.近几年，随着新区投资规模的持续加大、交通网络的不断完善，建成区范围迅速扩张，土地利用格局也发生了剧烈的变化，然而对新区的跟踪关注和研究相对较少，已有的研究主要集中于土地利用变化的动态演变特征[15-17]、主要驱动因素[18]、生态环境效应[19-20]等.从研究方法来看，主要运用了土地利用动态度[15,17-18]、分形维数[15,17]、土地利用结构信息熵[16]、城市扩张强度指数[17-18]、层次分析法[21]等；就研究的时间尺度而言，最短为1 a[21]，最长为20 a[16]，以1～3 a居多.总体上看，完整梳理兰州新区自设立以来土地利用变化全过程的成果不多，特别是基于地理国情监测数据阐释其土地利用时空演变特征的研究更少.鉴于此，本研究借助地理国情监测数据，运用土地利用动态度、土地利用转移矩阵、土地利用空间格局重心迁移方法，揭示2010～2019年兰州新区土地利用的变化过程，探究其时空变化特征，旨在为促进该地区土地节约集约利用提供决策参考.

1 研究范围、数据来源及方法

1.1 研究区概况

兰州新区地处兰州市北部秦王川盆地，距兰州市中心城区约60 km，白银市区约70 km，地处兰州、银川、西宁三个省会城市交接的中间位置.兰州新区既对兰州老城起着承接作用，同时也是西北地区重要的经济增长极与产业基地、我国重要的向西开放战略平台与承接产业转移的示范区，总面积1 763.08 km2，总人口为36万人(截止2019年).

1.2 数据来源

本研究采用的基础数据来源于甘肃省基础地理信息中心提供的地理国情监测数据，包括遥感影像数据、地表覆盖数据等.遥感影像数据为World View-2影像(0.5 m，多光谱2 m)、高分2号(0.8 m)、资源3号(2 m)，所有影像资料都为RGB彩色模式.地表覆盖数据来源于2010、2013、2016和2019年的地表覆盖信息数据搜集成果，结合第一次全国地理国情普查内容及指标中对地表覆盖数据的一级分类体系[22](表1)，该数据通过分类编码唯一标记出来，既保证了地表覆盖数据的全覆盖、无压盖、无裂缝，又完整地展现了研究区域地表中的所有地物.

图1 研究区位置Figure 1 The location of the study area

表1 第一次全国地理国情普查中地表覆盖数据的一级分类体系Table 1 The first-level classification system of land surface coverage data in the first national geographic survey

1.3 研究方法

1.3.1 单一土地利用动态度用来定量分析研究区域内特定时间段某种土地利用类型数量变化的速度[23].表达式为：

(1)

式中：K表示单一土地利用动态度，Ub和Ua分别表示研究期末期和初期某种土地利用类型的面积，T表示以年为单位的时间间隔.

1.3.2 综合土地利用动态度用来定量分析研究区域特定时间段总体土地利用数量变化快慢的情况[3]，表达式为：

(2)

式中：R表示综合土地利用动态度，Ubi和Uai分别代表土地利用类型i在研究期末期和初期的面积，T表示以年为单位的时间间隔.

1.3.3 土地利用转移矩阵土地利用转移矩阵表示在研究区域内研究初期和研究末期各种土地利用类型之间转入和转出的面积[24].表达式为：

(3)

式中：Sij表示由土地利用类型i转变为土地利用类型j的面积.n表示研究区内所有的土地利用类型.

1.3.4 重心迁移土地利用的空间分布变化会引起各类型地物重心的迁移，因此土地利用类型重心迁移可以反应区域土地利用变化的空间格局特征[25].土地类型重心的概念引自经济地理学和人文地理学中的人口重心和经济重心概念，假设研究区内某类型土地由i个地块构成，则该类型土地在第t年的重心坐标如下所示[18].

(4)

(5)

式中：Xt和Yt分别为第t年该类型分布重心的经纬度坐标，Xi和Yi分别为第i个地块的几何中心经纬度坐标，Gti表示第i个地块的面积.

2 结果与分析

2.1 土地利用变化总体特征

兰州国家级新区于2012年设立，仅有8 a时间，发展时间较短.为完整反映其土地利用变化过程，本研究选取2010年为起始年份，以2019年为截止年份，按3 a为一个时间段，运用ArcGIS 10.2刻画2010、2013、2016和2019年四个节点上的土地利用状况，通过对比分析揭示其时空演变特征(表2、图2).

图2 2010～2019年兰州新区土地利用空间格局演变Figure 2 Evolution of land use spatial pattern in Lanzhou New District from 2010 to 2019

表2 2010～2019年兰州新区土地利用类型面积变化及百分比Table 2 Land use type area change and percentage in Lanzhou New District from 2010 to 2019

1)从数量结构来看，2010年在兰州新区未被确定为国家级新区之前，土地利用类型主要以耕地、草地为主，分别占总面积的20.57%和70.74%.随着新区的建设发展，2019年耕地面积为228.32 km2，占总面积的12.95%.草地面积为1 101.10 km2，占总面积的62.45%.林地面积为49.37 km2，占总面积的2.80%.房屋建筑(区)面积为45.23 km2，占总面积的2.57%.道路面积为43.92 km2，占总面积的2.49%.构筑物面积为58.30 km2，占总面积的3.31%.人工堆掘地面积为169.39 km2，占总面积的9.61%.水域面积为6.94 km2，占总面积的0.39%.从数量结构变化来看，面积变化最大的是人工堆掘地和草地.其中，人工堆掘地面积增加了157.29 km2,占比从0.7%上升到9.6%，是土地利用类型中面积增加最多的一类.草地面积减少了146.19 km2，占比从70.74%下降到62.45%，是土地利用类型中面积减少最多的一类；其次是耕地和园地.其中，耕地面积减少134.41 km2，占比从20.57%下降为12.95%，仅次于草地.园地面积呈先增加后减少的波动变化态势，其中2010～2016年增加了42.52 km2，2017～2019年减少了11.71 km2；最后，道路、林地、构筑物、房屋建筑(区)与水域等面积均呈一定幅度的增长，其中道路面积增加了28.70 km2，所占比例由0.86%增加为2.49%.林地面积增加了24.43 km2,所占比例从1.4%增加到2.8%.构筑物面积增加了18.87 km2，所占比例由2.24%增长为3.31%.房屋建筑(区)面积增加了17.46 km2，百分比从1.58%增长到2.57%.水域面积增加了3.32 km2,所占比例由0.21%增长为0.39%，变化较小.9 a间林地、房屋建筑(区)、道路、构筑物、人工堆掘地、水域的面积在不断增加，而主要土地利用类型耕地、草地的面积相对减少.

2)从空间格局来看，耕地和园地主要分布在中部和北部片区.林地主要分布在建成区南部和东部的低山丘陵区、东一干渠沿线及北部片区.房屋建筑(区)与道路主要分布在中部地带，并呈组团向四周扩展.构筑物主要围绕道路在中部片区分布，同时在北部片区零星分布.增加最明显的人工堆掘地，主要分布在中部、东南、东北片区，并向东南、东北片区延伸.水域主要分布在中部农业区及建成区内部片区，在建成区内部主要围绕房屋建筑(区)分布.草地沿新区边界环绕各用地类型分布.从空间格局变化来看，9 a间人工堆掘地的变化最为明显，主要表现为：中部、东南、东北片区的草地、耕地、部分园地及建成区南部和东部低山丘陵区的部分林地转化为人工堆掘地.人工堆掘地总体呈不断向东南、东北片区的耕地、草地、园地扩张的趋势，且在其内部不断转换为道路、构筑物、房屋建筑(区)以及小部分水域；北部片区部分耕地与草地转换为园地、构筑物，使园地、构筑物在北部片区不断增加，但总体呈零星分布；东北地区的小部分草地转化为水域.

2.2 土地利用变化速度特征

2.2.1 单一土地利用类型变化速度根据公式(1)及兰州新区2010～2019年间四期地表覆盖数据计算出各土地利用类型面积变化及单一动态度.由表3可以看出，2010～2013年，兰州新区单一土地利用动态度最大的是人工堆掘地，为0.694%；其次为林地(0.144%)、道路(0.070%)、水域(0.063%)、房屋建筑(区)(0.054%)；最小的分别为构筑物(0.028%)、园地(0.024%)、草地(-0.004%)、耕地(-0.032%).从土地利用变化的时序特征来看，2010～2013年为兰州新区被确立为国家级新区的初始阶段，土地利用变化速度相对较慢.

表3 2010～2019年兰州新区各土地利用类型面积变化及动态度Table 3 Land use type area change and dynamic degree Lanzhou New District from 2010 to 2019

2013～2016年，兰州新区单一土地利用动态度最大的仍是人工堆掘地，达0.902%；其次为园地(0.451%)、道路(0.322%)、水域(0.112%)、房屋建筑(区)(0.108%)、耕地(-0.105%)，最小的是草地，为-0.021%.此时段土地利用变化速度最快.其中，人工堆掘地面积呈迅猛增加趋势，园地面积增速次之.同时，随着城市建设步伐的推进，道路、水域、房屋建筑(区)也呈稳步增长态势.

2016～2019年，增速最快的仍是人工堆掘地，达0.075%；其次为道路(0.071%)、水域(0.07%)、林地(0.065%)、构筑物(0.059%)和房屋建筑(区)(0.02%)，最小的是耕地(0.006%).此时段内，建成区内部的快速建设推动了人工堆掘地的较快增长；城市交通路网的不断完善，使得道路面积增长较快；随着新区南部生态林业休闲区的建设发展，林地面积增长较为迅速；并且此时由于住房以及产业发展对房屋建筑用地的需求不断增加，导致房屋建筑(区)的面积增长最快.

2.2.2 综合土地利用类型变化速度根据公式(2)，从土地利用综合动态度(图3)来看，兰州新区9 a间土地利用年变化率为0.017 7%，而2010～2013时段内土地利用年变化率为0.009 4%，2013～2016年时段内土地利用年变化率为0.034 7%，2016～2019年时段内土地利用年变化率为0.011 2%.

图3 2010～2019年兰州新区综合土地利用动态度Figure 3 Comprehensive land use dynamics of Lanzhou New District from 2010 to 2019

综上所述，从综合土地利用类型变化速度来看，在2010～2016年期间变化活跃，此阶段新区建设以外部扩展为主，在规划指导下区域道路空间的快速拓展以及土地的开发整理(平山造地)引起了土地利用的快速变化；而2016年后新区建设以城市内部填充为主，各类产业开始逐步发展建设，平山造地工程的推进也缓慢下来，土地利用变化趋缓.

2.3 土地利用类型转换特征

根据公式(3)得到兰州新区2010～2019年间的土地利用转移矩阵(表4)及土地利用类型转换空间分布图(图4).总体来看，2010～2019年兰州新区共发生了89种土地利用转换类型，耕地转出面积为25.241 9 km2，其中83.07%转为草地，12.15%转为园地，2.53%转为构筑物，0.99%转为林地，0.89%转为人工堆掘地.耕地转入面积为159.533 6 km2，其中26.06%来自草地，24.7%来自人工堆掘地，24.36%来自园地，7.6%来自道路，6.03%来自林地，5.79%来自构筑物，4.58%来自房屋建筑(区)；草地转出面积为51.584 2 km2，其中80.59%转为耕地，4.43%转为构筑物，4.33%转为林地，3.87%转为人工堆掘地，3.85%转为园地.草地转入面积为197.730 3 km2，其中55.4%来自人工堆掘地，10.61%来自耕地，9.99%来自林地，9.3%来自构筑物，7.17%来自道路；林地转出面积为31.877 6 km2，其中61.99%转为草地，30.16%转为耕地，1.93%转为构筑物，1.37%转为人工堆掘地，1.33%转为房屋建筑(区).林地转入面积为 7.448 km2，其中39.78%来自人工堆掘地，29.96%来自草地，11.29%来自道路，7.4%来自构筑物；人工堆掘地转出面积为162.892 6 km2，其中67.24%转为草地，24.19%转为耕地，2.18%转为园地，2.06%转为构筑物，1.82%转为林地，1.55%转为房屋建筑(区)，0.63%转为道路.人工堆掘地转入面积为6.003 7 km2，其中33.29%来自草地，31.44%来自构筑物，13.15%来自房屋建筑(区)，7.27%来自林地，3.73%来自耕地.

图4 2010～2019年兰州新区土地利用类型转换图Figure 4 Land use type conversion map in Lanzhou New District from 2010 to 2019

表4 2010～2019年兰州新区土地利用转移矩阵Table 4 Land use transfer matrix of Lanzhou New District from 2010 to 2019 km2

总体来看，耕地、草地、林地大规模向人工堆掘地的转变，体现了国家级新区建设初期的特征，即：人工堆掘地面积急剧增加.随着新区的持续建设发展，人工堆掘地开始向房屋建筑(区)、道路、构筑物等地类转变，说明已有一定面积的房屋建筑(区)、道路等建设完成或处于开工建设中.

2.4 土地利用空间格局重心变化特征

兰州新区土地利用变化主要为人工堆掘地的不断扩张，大量占用耕地和草地.图5表示2010、2013、2016和2019年四个时期人工堆掘地重心的变化，图5中十字符号表示不同时刻人工堆掘地的空间格局重心.其余地类空间格局重心变化见表5.

由表5和图5可知，2010～2013年间人工堆掘地重心向东南方向偏移，此时为新区开发的初级阶段，位于东南片区的耕地、草地、开始向人工堆掘地转变；人工堆掘地重心在2013～2016年间向东北方向偏移，且偏移程度较其他时段来说，最为明显.这一时期新区建设以外部扩展为主，此时土地的开发整理项目(平山造地)造成了大规模人工堆掘地的增加；2016～2019年间人工堆掘地重心向东南方向偏移，此时新区建设逐渐由外部拓展转向内部填充，人工堆掘地扩张渐缓，部分人工堆掘地开始转化为道路、房屋建筑(区)等类型.而9 a间耕地、园地、林地重心的总体变化趋势都为向西北方向偏移；房屋建筑(区)、道路、构筑物重心的总体变化趋势为向东南方向偏移；草地、荒漠与裸露地表重心的总体变化趋势为向西南偏移；仅水域重心向东北方向偏移.

表5 2010～2019年兰州新区土地利用类型重心变化Table 5 Changes in the center of gravity of land use types of Lanzhou New District from 2010 to 2019

图5 兰州新区人工堆掘地空间重心格局Figure 5 The spatial center of gravity pattern of artificial excavation in Lanzhou New District

由此可见，从2010～2019年，9 a间人工堆掘地面积不断扩大，重心偏移方向呈先东南后东北再东南的趋势，主要原因是2010～2019年间兰州新区的发展扩张带来的土地利用空间格局变化.与此相伴的，必然是建成区面积的不断扩大，二、三产业的不断发展，常住人口的持续增加、基础设施的不断完善等.

4 讨论

土地利用变化研究一直是地理学研究的热点问题，其时空演变分析已经是一个研究成果丰富的主题.然而，当前针对兰州新区土地利用变化的跟踪关注及研究较少，已有研究中，张立峰等[16]选取1993、2013两个年份，对兰州新区土地利用动态演变的时序特征进行了分析，得出20 a间其耕地、草地面积大幅减少，房屋建筑(区)、人工堆掘地、构筑物、道路、林地不断增加的结论.牛利斌[17]选取2010、2012、2013三期数据，对兰州新区地表覆盖时序变化进行探究，得出三年间其耕地、草地、园地、荒漠与裸露地表、构筑物的面积逐渐减小，人工堆掘地、道路、水域、林地和房屋建筑(区)面积逐渐增大的结论.由于选取研究年份不同，研究结论与本研究略有差异.总体来看，不同研究年份中耕地、草地都呈现不断减少的趋势，可见新区的建设发展必不可少的会对耕地、草地进行一定的占用.在增加的用地类型中，张立峰等[16]的研究结论与本研究相比，未提及水域面积的增长，由此可见在2013年后到本研究的截止年份2019年这一时段内水域面积开始呈现一定幅度的增长；牛利斌[17]的研究结论中构筑物呈减小趋势，与本研究结论相反，可见2013～2019年间，由于新区的发展建设需求，构筑物的面积开始大幅增加.现有关于新区土地利用的研究中，仅对于新区土地利用的时序特征或空间特征进行了单一分析，且总体研究年份较为陈旧，尤其对于十三五规划时期的研究年份缺乏，无法为准确掌握当前新区开发格局、评估其建设发展整体过程中土地利用合理性提供有效参考.从其他研究尺度成果来看，徐玉静等[26]对天津滨海新区的土地利用变化进行分析，得出水域的锐减以及建筑用地、未利用地的大幅增加结论.郑敏辉等[12]对清远开发区土地利用时空演变进行分析，得出耕地、水域的大量减少，房屋建筑(区)、道路、构筑物大量增加的结论.刘琦[11]对山西省榆次区的土地利用时空演变进行分析，得出草地、耕地、林地面积相对减少，道路、房屋建筑(区)、构筑物、人工堆掘地、水域、园地面积不断增加的结论.以上研究结论体现了区域建设发展的一般规律：生态用地的不断减少和建设用地的大量增加，与新区发展规律一致.刘纪远等[27]对中国土地利用变化时空格局进行研究，得出西部地区建设用地扩张明显加速，林地与草地面积持续减少的结论，除林地外，与本研究结论基本相符，即作为西部地区的兰州新区，其发展9 a间道路、房屋建筑(区)、构筑物、人工堆掘地面积不断增加，草地面积不断减少.而新区林地面积增加的主要原因是南部生态林业休闲区的建设.

整体来看，9 a间兰州新区总体时空格局变化较为明显，土地利用特征从“外延”向“内涵”转变，说明兰州新区城市框架逐渐形成后，其建设发展开始逐渐转向城区内部.当前，兰州新区城区内部的建设开发仍具有很大潜力，但与其他国家级新区相比，其经济发展较为缓慢，生态环境十分脆弱，发展中仍存在诸多问题，尤其是土地利用方面的发展现状与战略定位还有着较大的差距.因此，亟需对其进行深入研究与持续关注.本研究主要关注兰州新区土地利用时空演变的“过程及格局”，对其“机制及调控”探究欠缺，且由于数据资料限制，未来还需进一步关注建成区内部建设用地扩张的时空演变特征.