基于分形理论的西部中小城市土地利用空间结构变化研究——以天水市为例

王 乐

(天水市自然资源勘测规划研究院有限公司，甘肃 天水 741000)

土地具备空间承载功能，是人类生产生活的重要载体，也是人类赖以生存的重要生产要素。多年来，围绕合理利用土地资源、不断优化土地利用结构，诸多学者进行了广泛研讨，国家土地资源管理部门也结合工作实际进行了诸多实践，取得了许多成果。近年来，随着生态文明理念贯彻实施，对土地资源的开发、利用和保护逐步从注重数量转向“数质并重”，即开发、利用和保护土地资源，既要保证数量可控，也要确保质量稳定。

土地利用是一个复杂的系统，本身具备不确定性、开放性和动态性、自适应性和自组织性等特征。随着城镇化加速推进，人类生产生活对土地资源的影响日益加剧，土地原生的规则形态受人类活动干扰逐步趋于不规则，利用传统统计学方法研究土地数量变化已经难以全面反映土地利用的实际情况。

分形理论(Fractal Theory)最初由美籍数学家本华·曼德博(Benoit B.Mandelbrot)提出，逐步发展为一门新兴的横断学科，具有很高程度的应用普遍性，给自然科学、社会科学、工程技术、文学艺术等极广泛的学科领域提供了一般的科学方法和思考方式。近年来，分形理论在国内土地利用研究领域取得广泛应用。

本文基于分形理论，以天水市为例，从土地数量结构变化、土地利用空间格局、景观布局特征3个维度出发，对天水市2000—2020年20a间土地利用空间结构变化情况进行研究，为天水市优化国土空间格局，规划发展本底提供参考。

1 研究区概况

天水市位于甘肃省东南部，地处秦岭西段、渭水中游，是甘肃省域副中心城市、丝绸之路经济带重要节点城市。以西秦岭为分水岭，北部为黄土梁峁沟壑区，主要为宽谷与峡谷相间的盆地与河谷阶地，中东部为秦岭、关山山区。下辖秦州、麦积2区和武山、甘谷、秦安、清水、张家川回族自治县5县。自西部大开发战略实施以来，天水市经济快速发展，全市GDP由2000年的80.31亿元增长到2020年的666.9亿元。截至2020年，全市常住人口336.89万人，其中城镇人口142.46万人，常住人口城镇化率为45.57%，与全国平均水平63.89%仍有较大差距。2020年，《中共中央、国务院关于新时代推进西部大开发形成新格局的指导意见》印发实施，西部大开发进入新阶段。土地资源作为重要的生产要素，对经济发展具有举足轻重的作用。研究土地利用空间结构变化，优化国土空间布局，对促进天水在新一轮西部大开发中抢占发展先机、提高城市能级具有重要参考价值。

2 数据来源

研究采用2000年、2010年、2020年3期土地覆盖数据，数据来源于武汉大学黄昕教授团队制作的30m年度土地覆盖产品(http://doi.org/10.5281/zenodo.4417809)，该数据基于GEE上获得的Landsat数据，CLCD的总体准确率达80%，能够反映城镇化背景下人类活动对区域地表覆盖的影响。根据研究目标及数据情况，参照国家标准(GB/T 21010-2015)对数据进行重分类，得到耕地、林地、草地、水域、建设用地和未利用地等6个地类。

3 研究方法

本研究基于分形理论，运用ArcGIS 10.8平台和FRAGSTATSv 4.2.1软件，通过计算相关景观指数，从土地数量结构变化、土地利用空间格局、景观布局特征3个维度对天水市2000—2020年20a间土地利用空间结构变化情况进行研究。

3.1 土地数量结构变化指数

土地利用结构是各土地利用类型占区域土地总面积的比例关系及其组合方式，能够反映国民经济各部门间及部门内部的分配状况。由于受到自然、人为复合因素的持续影响，区域土地利用结构始终处于动态变化中，如果主管机构不能科学引导、适度调控，各用地主体盲目追求经济效益，忽视社会效益、生态效益，将难以实现经济社会可持续发展。土地数量结构能够反映土地利用结构短期变化及长期趋势，能够为政府科学配置土地资源，实现生态、经济和社会效益的统一提供参考。选取土地数量变化幅度、土地数量耗减度、土地数量变化强度等3个指标，分别描述土地利用变化情况、单位时间内某地类消耗程度以及土地利用变化过程。

表1 土地数量结构变化指数表

3.2 土地利用空间格局指数

本研究基于分形理论，主要采用周长面积分维数、稳定性指数、斑块密度指标等进行土地利用空间格局指数分析。周长面积分维数能够描述地类斑块的自我相似性及空间镶嵌结构的复杂程度，稳定性指数能够描述土地利用空间格局的潜在变动趋势。

表2 土地利用空间格局指数表

3.3 景观布局特征指数

景观格局描述了不同景观要素在空间上的排列和组合，体现了景观异质性和各种生态过程在不同尺度上作用的结果。本研究选取景观形状指数、景观聚集指数、有效粒度尺寸等指标分析景观布局特征。景观形状指数反映斑块形状的复杂程度，景观聚集指数反映景观中不同斑块类型的非随机性或聚集程度，有效粒度尺寸反映景观破碎化程度。

表3 景观布局特征指数

4 结果与分析

4.1 土地利用结构变化分析

如表4所示，2000—2020年，全市耕地减少约98445.92hm2，其中，2000—2010年增加27920.49hm2，2010—2020年减少126368.63hm2；林地、草地合计增加90400.49hm2，其中，2000—2010年林地增加22783.12hm2，草地减少54065.86hm2，2010—2020年林地、草地分别增加38540.02hm2、83141.01hm2；建设用地增加7859.48hm2，其中，2000—2010年增加3392.76hm2，2010—2020年增加4466.7hm2；水域增加151.76hm2，其中，2000—2010年减少13.97hm2，2010—2020年增加165.74hm2；未利用地增加34.26hm2，其中，2000—2010年增加11.19hm2，2010—2020年增加23.07hm2。总体而言，20a间除耕地总量减少，其他地类面积均有所增加。

表4 土地数量结构变化表

表5 2000—2020年土地数量变化矩阵表

2000—2020年，耕地合计流出177164.66hm2，其中流向草地最多，占比为85.28%，林地占比为10.88%，建设用地占比为3.73%，三者合计占比达到99.89%；耕地合计流入78718.74hm2，其中草地流入最多，占比为97.6%，林地占比为2.36%，二者合计占比达到99.96%；林地合计流出2677.28hm2，其中流向耕地最多，占比为69.33%，草地占比为3.062%，二者合计占比达到99.95%；林地合计流入64001.56hm2，其中草地流入最多，占比为69.89%，耕地占比为30.1%，二者合计占比达到99.99%；草地合计流出122871.46hm2，其中流向耕地最多，占比为62.53%，林地占比36.4%，建设用地占比1%，三者合计占比达到99.93%；草地合计流入151947.59hm2，其中耕地流入最多，占比为99.43%，林地占比为0.54%，二者合计占比达到99.97%。水域合计流出136.60hm2，其中流向建设用地最多，占比为61.60%，耕地占比为21.51%，草地占比为16.22%，三者合计占比达到99.33%；水域合计流入288.35hm2，其中耕地流入最多，占比为49.14%，草地占比为28.71%，建设用地占比为22.09%，三者合计占比达到99.95%。未利用地合计流出21.33hm2，其中流向草地最多，占比为80.63%，建设用地占比为13.03%，耕地占比为6.33%，三者合计占比达到99.99%；未利用地合计流入55.60hm2，其中耕地流入最多，占比为89.46%，草地占比为9.32%，二者合计占比达到98.78%。建设用地合计流出67.09hm2，主要流向水域，占比为94.96%；建设用地合计流入7926.58hm2，其中耕地流入最多，占比为83.45%，草地占比为15.44%，水域占比为1.06%，三者合计占比达到99.95%。

4.2 土地利用空间格局分析

斑块密度表示单位面积上的斑块数，能够描述景观破碎化程度。20a间，除水域外，其他地类斑块密度均增加，其中耕地、草地、建设用地、未利用地2000—2010年期间有所降低，2010—2020年有所增加，且到2020年超过了2000年水平，显示上述地类的破碎化程度均进一步加深。林地斑块密度在2000—2010年有所上升，到2010—2020年又有所回落，总体呈上升趋势。

天水市2000年、2010年、2020年景观级别周长面积分维数分别为1.423、1.4252、1.4001，总体呈下降趋势。所有地类各时间节点周长面积分维数均低于1.5，表明各地类斑块的自我相似性及空间镶嵌结构的复杂程度在降低。2020年各地类周长面积分维数按由大到小排序分别是草地、耕地、建设用地、林地、水域及未利用地。20a间，各地类稳定性指数均有所增加，土地利用结构趋于稳定，2020年各地类稳定性指数按由大到小排序分别为耕地、草地、建设用地、林地、水域、未利用地。

表6 土地利用空间格局指数表

表7 景观布局特征指数表

4.3 景观布局特征指数分析

景观形状指数方面，耕地、未利用地先降后升，呈V型反弹，林地、建设用地持续增大，各地类景观形状指数均呈增大趋势，斑块形状复杂程度均有所提高，表明人类活动对上述地类干扰逐步增强。

景观聚集指数方面，耕地、林地均减少，其中耕地先升后降，林地微降后微升，总体而言斑块聚集程度有所下降；草地、建设用地、水域、未利用地均增加，其中草地先降后升，其余均持续增大，建设用地增量显著，总体而言斑块聚集程度有所提高。

有效粒度尺寸方面，耕地、草地均大幅减少，其中耕地先微升后大幅下降，草地前10a下降幅度接近50%，表明耕地、草地景观破碎化程度显著增加；建设用地、林地均增加，建设用地增量显著，表明景观破碎化程度显著降低。

5 结论和讨论

本研究基于分形理论，选用相关指数对天水市土地利用结构变化情况进行分析，得出如下结论。

5.1 耕地是建设用地主要来源

2000—2020年，全市建设用地总量翻倍，且主要来源于耕地。实际上，适宜耕种的土地一般都适宜搞建设，耕地与建设用地天然冲突。因此，必须严格控制建设占用优质，严格落实耕地占补平衡，坚决制止耕地“非农化”、“非粮化”，切实做好耕地保护工作。

5.2 行政手段对土地利用结构变化影响巨大

20a间，耕地、林地、草地之间互相转化，且数量较大，原因是自2000年起国家大力推动退耕还林还草政策，大量水土流失严重的耕地，沙化、盐碱化、石漠化严重的耕地以及粮食产量低而不稳的耕地，逐步停止耕种，因地制宜的造林种草；同时，大量耕地转为建设用地。无论是退耕还林还草，还是建设占用耕地，均体现了明显的政府意志和政策影响，充分表明政府行政手段对土地利用结构能够产生深刻影响。因此，必须加强规划引领和政策论证，确保行政手段对土地利用结构的影响是正向的。

5.3 人工景观、自然景观景观指数差异显著

总体而言，天水市人工景观、自然景观集聚性具有显著差异，即建设用地景观破碎化降低、斑块集聚性显著提升，耕地、草地景观破碎化程度显著增加，耕地、林地斑块集聚性有所下降。各地类周长面积分维数均较小，斑块复杂性降低，呈现简单化、规则化的特征，土地利用结构趋于稳定。

通过对天水市2000—2020年20a间土地利用空间结构变化的研究，可以得出耕地是建设用地主要来源、行政手段对土地利用结构变化影响巨大、人工景观和自然景观景观指数差异显著等结论。因此，为保护生态本底、保障粮食安全、保障城市建设需求，应严格划定落实生态保护红线、永久基本农田和城镇开发边界，科学编制国土空间规划，充分发挥规划引领作用，从而规范和引导用地行为，将耕地保护、建设用地、土地利用结构调整、景观格局优化等统筹纳入规划管控范围，为天水市抢抓新一轮西部大开发机遇，提高城市能级提高基础支撑。