邢佳麗, 史文嬌, 郭旭東, 王鳴雷, 王曉青, 石曉麗, 張智杰, 王玥, 馮冬賓, 邵景安

2010—2017年中國典型城市群土地利用格局變化及其驅(qū)動力比較分析

邢佳麗1, 2, 史文嬌1, 3, *, 郭旭東4, 王鳴雷1, 3, 王曉青5, 石曉麗6, 張智杰7, 3, 王玥8, 馮冬賓9, 邵景安10

1. 中國科學(xué)院地理科學(xué)與資源研究所, 陸地表層格局與模擬院重點實驗室, 北京 100101 2. 中國地質(zhì)大學(xué)(北京), 地球科學(xué)與資源學(xué)院, 北京 100083 3. 中國科學(xué)院大學(xué), 資源與環(huán)境學(xué)院, 北京 100049 4. 中國國土勘測規(guī)劃院, 自然資源部土地利用重點實驗室, 北京 100035 5. 南京大學(xué), 地理與海洋科學(xué)學(xué)院, 南京 210023 6. 河北師范大學(xué), 資源與環(huán)境科學(xué)學(xué)院, 河北省環(huán)境演變與生態(tài)建設(shè)實驗室, 河北省環(huán)境變化遙感識別技術(shù)創(chuàng)新中心, 石家莊 050024 7. 中國科學(xué)院空天信息創(chuàng)新研究院, 數(shù)字地球重點實驗室, 北京 100094 8. 沈陽建筑大學(xué), 管理學(xué)院, 沈陽 110168 9. 遼寧省朝陽市自然資源局, 朝陽 122000 10. 重慶師范大學(xué), 地理與旅游學(xué)院, 重慶 401331

明確典型城市群土地利用格局變化及其驅(qū)動力, 對生態(tài)環(huán)境保護與國土空間規(guī)劃有重要意義。以2010與2017年哈長城市群、山東半島城市群和海峽西岸城市群土地利用變更調(diào)查數(shù)據(jù)為基礎(chǔ), 采用土地利用變化幅度、土地利用變化速率、土地利用類型轉(zhuǎn)移矩陣等定量和定性方法對2010—2017年三大城市群的土地利用格局變化及其驅(qū)動力進行比較分析。結(jié)果表明, 三大城市群的主要土地利用變化表現(xiàn)為其他土地利用類型向建設(shè)用地的轉(zhuǎn)化, 其規(guī)模由大到小依次為: 海峽西岸城市群(2186.27 km2) >山東半島城市群(1056.45 km2) >哈長城市群(897.91 km2); 海峽西岸城市群的耕地面積表現(xiàn)為凈增長(192.00 km2), 其中流失面積為18755.00 km2, 新增面積為18948.00 km2, 而其余兩個城市群的耕地變化則以凈流失為主。人口增長、經(jīng)濟發(fā)展、交通建設(shè)是三大城市群建設(shè)用地擴張的主要驅(qū)動力, 而氣候變暖促進了哈長城市群新增耕地的北移。研究得出三大城市群土地利用格局變化及其驅(qū)動力存在明顯差異。

哈長城市群; 山東半島城市群; 海峽西岸城市群; 土地利用格局變化; 驅(qū)動力

0 前言

我國將城市群建設(shè)作為全球和地區(qū)經(jīng)濟競爭的政策工具, 計劃制定數(shù)十個國家級、地區(qū)和地方級城市群[1]。然而, 隨著城市群的城鎮(zhèn)化、工業(yè)化和區(qū)域經(jīng)濟快速發(fā)展, 土地利用類型隨之發(fā)生變化, 對我國的生態(tài)環(huán)境產(chǎn)生一系列影響, 如人地矛盾、資源枯竭、環(huán)境惡化等[2–4]。為此, 明確城市群的土地利用格局變化及其驅(qū)動力對未來的政策制定和生態(tài)保護至關(guān)重要。

近年來, 眾多學(xué)者利用多源衛(wèi)星遙感技術(shù)提取土地覆被信息等方法[5–8], 從多種角度出發(fā)分析了城市群建設(shè)過程中的土地利用格局變化及驅(qū)動力[9–12], 為城市化和可持續(xù)發(fā)展提供了重要技術(shù)支撐[13–14]。已有成果表明, 土地利用格局變化受人口增長、經(jīng)濟發(fā)展、交通建設(shè)等社會經(jīng)濟因素和氣候、水文、地形地貌等自然因素的多重影響[8, 15–17]。城市群建設(shè)會加快土地利用格局變化, 造成土地退化、水土流失、碳排放增加、生態(tài)系統(tǒng)脆弱等問題[18]。例如, 閩三角城市群城鄉(xiāng)建設(shè)引發(fā)土地利用持續(xù)巨變, 導(dǎo)致水源涵養(yǎng)能力減弱[7]; 哈長城市群建設(shè)用地擴張致使土壤保持量和碳儲量減少[19]。因此, 亟需開展長時間序列的城市群土地利用格局變化及其驅(qū)動力比較分析, 探究城市群土地利用變化下的生態(tài)系統(tǒng)影響機理, 為后續(xù)城市群建設(shè)提供理論和數(shù)據(jù)支撐。

以往研究大多采用分類精度較低的多源遙感數(shù)據(jù)進行土地利用類型的解譯分析[20], 導(dǎo)致土地利用類型的分類精度差, 時空格局、驅(qū)動機制、生態(tài)效應(yīng)等的評估結(jié)果與實際情況脫節(jié)[6, 9–17], 難以滿足實際管理需求。此外, 對不同典型城市群間土地利用格局變化及其驅(qū)動力比較分析的研究較少。據(jù)此, 本研究選取自然條件與社會經(jīng)濟發(fā)展水平具有鮮明區(qū)域差異的三個城市群(哈長、山東半島和海峽西岸城市群), 基于我國2010和2017年地方實地調(diào)查的土地利用變更調(diào)查數(shù)據(jù), 比較分析三大城市群土地利用格局變化特征, 厘清土地利用格局變化的驅(qū)動力, 探討三大城市群土地利用格局變化對生態(tài)系統(tǒng)的影響, 為構(gòu)建可持續(xù)的土地利用模式提供科學(xué)依據(jù)。

1 材料與方法

1.1 研究區(qū)概況

根據(jù)我國城市群建設(shè)“5+9+6”空間格局[21], 選擇我國東部的3個區(qū)域性城市群(國家二級城市群)作為研究區(qū)[22], 由北向南依次為哈長城市群(122°24′—131°18′ E, 42°00′—48°55′ N)、山東半島城市群(116°13′—122°42′ E, 35°04′—38°23′ N)和海峽西岸城市群(113°54′—121°16′ E, 22°53′—29°42′ N)。在自然條件方面, 哈長城市群西北部的松嫩平原, 耕地與建設(shè)用地集中分布(圖1a); 山東半島城市群中部低洼平坦, 耕地集中連片(圖1b); 海峽西岸城市群山地丘陵廣泛分布, 森林覆蓋率高(圖1c)。在社會經(jīng)濟方面, 三大城市群側(cè)重點各有不同, 如哈長城市群既是我國重要的老工業(yè)區(qū), 也是我國最大的商品糧基地, 2017年, 第一產(chǎn)業(yè)比重達11.76%; 山東半島城市群城鎮(zhèn)化率突破60%; 海峽西岸城市群人均GDP達53491.01元·人–1。

1.2 數(shù)據(jù)來源

年總?cè)丝跀?shù)、城鎮(zhèn)人口數(shù)、地區(qū)生產(chǎn)總值、三大產(chǎn)業(yè)、城鎮(zhèn)人口比重等社會經(jīng)濟數(shù)據(jù)來源于2011—2018年地方統(tǒng)計年鑒以及2010—2017年地方國民經(jīng)濟和社會發(fā)展統(tǒng)計公報。DEM數(shù)據(jù)來源于地理空間數(shù)據(jù)云平臺(http: //www.gscloud.cn/), 空間分辨率為90 m×90 m; 2010及2017年土地利用變更調(diào)查數(shù)據(jù)來源于中國國土勘測規(guī)劃院數(shù)據(jù)中心, 空間分辨率為250 m×250 m。

1.3 研究方法

1.3.1 土地利用變化幅度

土地利用變化幅度能夠反映同一地區(qū)不同土地利用類型在數(shù)量與結(jié)構(gòu)上變化的總體趨勢, 計算公式如下:

式中, Δ代表該時段內(nèi)某類土地利用變化幅度(%),U、U分別代表研究初期、末期某類土地利用類型的面積(km2)。

1.3.2 土地利用變化動態(tài)度

土地利用動態(tài)度是反映一定時段某土地利用類型數(shù)量變化程度, 計算公式如下:

式中, K代表研究期土地利用類型的動態(tài)度(%); Ua、Ub代表研究初期與末期該類土地利用類型的面積(km2); T代表研究時長。

Figure 1 The patterns of land use in the three urban agglomerations in 2017

1.3.3 土地利用類型轉(zhuǎn)移矩陣

土地利用類型轉(zhuǎn)移矩陣用于定量描述各土地利用類型間的轉(zhuǎn)化, 能夠表述時空演變過程, 計算公式如下:

式中,代表土地利用轉(zhuǎn)移矩陣;S代表面積;,(,= 1, 2, …,) 分別表示研究初期和末期的土地利用類型。

1.3.4 驅(qū)動因素分析

城市群的發(fā)展建設(shè)以社會經(jīng)濟因素影響為主, 自然因素影響為輔[8, 15-17]。本研究選擇城鎮(zhèn)化率、人口密度、三大產(chǎn)業(yè)、人均GDP、交通建設(shè)、氣候變化以及國家政策等指標(biāo)綜合分析城市群發(fā)展建設(shè)過程中土地利用格局變化的驅(qū)動作用。

2）測量放線。通常，會根據(jù)施工圖紙所標(biāo)注的各個坐標(biāo)點在施工現(xiàn)場進行標(biāo)注，在一般情況下，需要每隔30cm打1根邊樁，但是如果打樁地區(qū)的地形變化較大，或是處于轉(zhuǎn)彎路段，需要根據(jù)實際情況進行調(diào)整。

2 結(jié)果與分析

2.1 2010—2017年三大城市群土地利用空間格局變化

2010—2017年, 哈長城市群土地利用格局變化主要在西南部, 轉(zhuǎn)移類型以耕地、林地、草地轉(zhuǎn)建設(shè)用地為主; 北部以耕地占用草地為主(圖2a)。山東半島城市群東北部(膠東丘陵區(qū))和西南部(魯中南山區(qū))的地類變化主要為林草地之間的轉(zhuǎn)換; 西北部以其他土地向耕地、建設(shè)用地轉(zhuǎn)換為主; 東南部以耕地與建設(shè)用地之間的轉(zhuǎn)換為主(圖2b)。海峽西岸城市群內(nèi)陸地區(qū)的耕地與林地相互轉(zhuǎn)換尤為明顯; 東南沿海、閩西及閩北地區(qū)的土地利用變化以林草地轉(zhuǎn)建設(shè)用地及耕地為主(圖2c)。

2.2 2010—2017年三大城市群土地利用變化特征

2.2.1 2010—2017年三大城市群土地利用數(shù)量變化特征

哈長城市群的建設(shè)用地以擴張(897.91 km2)為主(表1), 主要表現(xiàn)為城市與建制鎮(zhèn)用地面積增加(表1); 山東半島城市群的建設(shè)用地面積增加了1056.45 km2(表1), 主要表現(xiàn)為城市與村莊用地面積的增加(表1); 海峽西岸城市群的建設(shè)用地擴張面積(2186.27 km2)分別是哈長、山東半島城市群的2.43、2.07倍(表1), 其中公路用地與建制鎮(zhèn)用地增加面積在三大城市群中均位居首位(表1)。此外, 海峽西岸城市群的耕地是三大城市群中面積唯一小幅增長的(0.27%), 而林地(1463.44 km2)和水域(216.43 km2)則是三大城市群中面積減少最大的。

2.2.2 2010—2017年三大城市群土地利用類型轉(zhuǎn)移特征

2010—2017年間, 哈長城市群以耕地和建設(shè)用地變化為主。其中, 新增建設(shè)用地的81.77%來自耕地(69.17%)和林地(12.60%), 新增耕地主要由草地(43.27%)和水域(27.18%)轉(zhuǎn)入(表2); 在山東半島城市群, 新增耕地的56.61%來自林地和水域, 有27.47%的耕地和17.01%的林地由草地轉(zhuǎn)入。此外, 新增建設(shè)用地的76.52%主要來自于耕地(54.96%)和林地(21.55%) (表2); 在海峽西岸城市群, 新增耕地的71.43%由林地轉(zhuǎn)入, 新增建設(shè)用地的84.17%來自耕地(43.14%)和林地(41.03%), 而15.99%的耕地和36.93%的林地則是由草地轉(zhuǎn)入(表2)。

圖2 2010—2017年三大城市群土地利用類型轉(zhuǎn)移空間分布

Figure 2 Spatial distributions of the transformation types of land use in the three urban agglomerations from 2010 to 2017

表1 2010—2017年三大城市群各類型土地利用變化

表2 2010—2017年三大城市群土地利用類型轉(zhuǎn)移矩陣(×102 km2)

2.3 三大城市群土地利用格局變化驅(qū)動力

2.3.1人口因素

哈長城市群的人口流失導(dǎo)致人口密度下降4.76%, 其四個主要城市中哈爾濱市的城鎮(zhèn)化率增幅最小(0.61%) (表3), 城鎮(zhèn)化速率緩慢增長和人口密度降低可能導(dǎo)致耕地撂荒(表1)。而山東半島和海峽西岸城市群的人口密度均增加, 其中海峽西岸城市群增幅最大(7.92%), 為滿足人們對住宅和糧食的需求, 通過占用周邊土地來建設(shè)村莊(384.66 km2)和開墾旱地(562.03 km2)。在城鎮(zhèn)化發(fā)展建設(shè)中, 山東半島城市群的淄博市和青島市是開展城市和建制鎮(zhèn)建設(shè)工作的重點城市, 而海峽西岸城市群的福州市和泉州市城鎮(zhèn)化率較其他城市高, 加快了城市和建制鎮(zhèn)的擴張速度。

2.3.2 經(jīng)濟因素

表3 2010—2017年三大城市群城鎮(zhèn)化率及人口密度變化

圖3 2010—2017年三大城市群人均GDP(a)及第一、二、三產(chǎn)業(yè)增加值比重(b–d)

Figure 3 The per capital GDP (a) and the proportion of value-added from the Primary (b), Secondary (c) and Tertiary (d) Industries in the three urban agglomerations from 2010 to 2017

2.3.3 交通建設(shè)

發(fā)達的交通網(wǎng)絡(luò)擴大了建設(shè)用地占用其他土地利用類型的范圍[3]。海峽西岸城市群內(nèi)陸地區(qū)多山地, 通過鐵路(42.35 km2)和干線公路(601.37 km2)的建設(shè)推動內(nèi)陸地區(qū)的經(jīng)濟發(fā)展(表1); 東部沿海地區(qū)地勢平坦適合修筑港口(18.22 km2)以及大型國際機場(6.68 km2), 以此引進外資, 提升國民生產(chǎn)總值。山東半島城市群中部以北為沖積平原, 具有增設(shè)河運與內(nèi)河港口(24.76 km2)以及推進公路(124.31 km2)和鐵路(42.69 km2)建設(shè)的優(yōu)勢, 在沿海地區(qū)增設(shè)機場(8.32 km2)與海港促進對外經(jīng)濟貿(mào)易發(fā)展。哈長城市群西北平原區(qū)地處內(nèi)陸, 在交通建設(shè)中以鐵路(50.64 km2)和公路(141.15 km2)為主。

2.3.4 氣候因素

東北北部在氣候變暖的影響下大面積林草地被開墾為耕地, 農(nóng)作物的種植邊界逐步北移[16]。2017年各站點的年積溫較2010年高, 且2010年各氣象站點的年積溫最低值位于哈長城市群北部的嫩江(2555.60 ℃·d) (圖4), 超過了東北地區(qū)早熟水稻的下限積溫(≥10℃ 2000 ℃·d)。氣候變暖為哈長城市群北部的水稻生長提供了熱量資源, 促使水田開墾(776.49 km2)向北移動(表1)。

2.3.5 政策因素

除人口、經(jīng)濟、交通和自然因素外, 我國各省頒布實施的土地利用規(guī)劃等政策對三大城市群土地利用格局變化同樣具有推動作用[15]?！陡＝ㄊ⊥恋乩每傮w規(guī)劃》和《山東省土地利用總體規(guī)劃》的生效, 使旱地(562.03 km2, 海峽西岸城市群)和水田(13.28 km2, 山東半島城市群)的非法占用得到有效遏制(表1)?！陡＝ㄊ〕擎?zhèn)體系規(guī)劃(2010—2030)》與《福建省新型城鎮(zhèn)化規(guī)劃(2014—2020年)》等規(guī)劃文件的頒布實施, 實現(xiàn)了中心城市(268.21 km2)擴張輻射帶動周圍中小城鎮(zhèn)(830.09 km2)發(fā)展的新城鎮(zhèn)建設(shè); 山東半島城市群為積極響應(yīng)西氣東輸工程的建設(shè)與石油資源的開發(fā), 大規(guī)模征收運輸管道用地(0.71 km2); 哈長城市群大力支持設(shè)施農(nóng)用地(152.20 km2)建設(shè)以盤活因人口流失而閑置撂荒的土地。

3 討論

城市群是建設(shè)用地擴張的主體區(qū)域, 其擴張規(guī)模與主要來源在各城市群差異明顯。研究發(fā)現(xiàn)哈長城市群與吉林省[23]、北京市[24]、河北省[25]等地區(qū)一樣, 建設(shè)用地擴張以耕地轉(zhuǎn)入為主; 而山東半島城市群的新增建設(shè)用地主要來源于耕地和林地, 與方士源等人[26]的研究一致; 海峽西岸城市群以福建省為主體, 其建設(shè)用地擴張以占用林地為主[27]。

人口規(guī)模和經(jīng)濟發(fā)展是城市群建設(shè)用地占用周邊土地利用類型的主要因素[23, 26–27], 如三大城市群主城區(qū)擴張、城鄉(xiāng)一體化建設(shè)、交通規(guī)劃等; 而自然因素(氣候等)對東北地區(qū)的土地利用格局變化有顯著影響[28], 如哈長城市群新增耕地北移。

城市群的快速發(fā)展在帶來土地利用格局變化的同時, 也會對城市群內(nèi)部的生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)產(chǎn)生重要影響。例如, 哈長城市群建設(shè)用地擴張以占用耕地為主, 導(dǎo)致土壤保持量和固碳量有減少的趨勢[19]; 而耕地開墾區(qū)的土壤保持能力和產(chǎn)水量有增加趨勢,固碳能力有降低的可能[19, 29]。山東半島城市群建設(shè)用地擴張以占用林草地和耕地為主, 變化區(qū)域的植被凈初級生產(chǎn)力有減少的可能[30]; 而林地修復(fù)工程使得植被凈初級生產(chǎn)力以及固碳服務(wù)有所改善[31]。海峽西岸城市群建設(shè)用地擴張以占用林地為主, 其面積的減少使得水源涵養(yǎng)量有減少的趨勢[7]。

4 結(jié)論

2010—2017年哈長城市群、山東半島城市群和海峽西岸城市群三大典型城市群的土地利用格局變化中, 建設(shè)用地擴張是三大城市群的主要土地利用格局變化, 其中海峽西岸城市群建設(shè)用地擴張規(guī)模分別是哈長、山東半島城市群的2.43、2.06倍。建設(shè)用地擴張占用的土地利用類型在三大城市群中具有顯著差異, 其中哈長城市群建設(shè)用地擴張面積的69.17%由耕地轉(zhuǎn)入, 山東半島城市群建設(shè)用地新增面積的76.52%來自耕地和林地, 海峽西岸城市群41.03%的林地轉(zhuǎn)為建設(shè)用地。在此期間, 自然因素(地形、地貌、氣候等)促使哈長城市群新增耕地北移, 而社會經(jīng)濟因素則直接影響三大城市群建設(shè)用地擴張對其他土地利用類型的占用。

圖4 2010—2017年哈長城市群北部鄰近氣象站點≥10℃年積溫變化

Figure 4 The annual accumulated temperature changes of over than 10 ℃from the neighboring meteorological stations in the northern part of Ha-Chang urban agglomeration from 2010 to 2017

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Comparison of land use change and its driving factors among typical urban agglomerations in China from 2010 to 2017

XING Jiali1, 2, SHI Wenjiao1, 3, *, GUO Xudong4, WANG Minglei1, 3, WANG Xiaoqing5, SHI Xiaoli6, ZHANG Zhijie7, 3, WANG Yue8, FENG Dongbin9, SHAO Jing’an10

1. Key Laboratory of Land Surface Pattern and Simulation, Institute of Geographic Sciences and Natural Resources Research, CAS, Beijing 100101, China 2. School of Earth Sciences and Resources, China University of Geosciences, Beijing, Beijing 100083, China 3. College of Resources and Environment, University of Chinese Academy of Sciences, Beijing 100049, China 4. Key Laboratory of Land Use, China Institute of Land Surveying and Planning, Ministry of Land and Resources, Beijing 100035, China 5. School of Geographic and Oceanographic Sciences, Nanjing University, Nanjing 210023, China 6. College of Resources and Environmental Sciences, Hebei Normal University, Hebei Key Laboratory of Environmental Change and Ecological Construction, Hebei Technology Innovation Center for Remote Sensing Identification of Environmental Change, Shijiazhuang 050024, China 7. Key Laboratory of Digital Earth Science, Aerospace Information Research Institute, Chinese Academy of Sciences, Beijing, 100094, China 8. College of Management, Shenyang Jianzhu University, Shenyang 110168, China 9. Bureau of Natural Resources of Chao Yang in Liaoning Province, Chaoyang 122000, China 10. School of Geography and Tourism, Chongqing Normal University, Chongqing 401331, China

It is of great significance to clarify the land use change and its driving factors in typical urban agglomerations for ecological environment protection and territorial spatial planning. Based on the land use data produced by the National Land Use Survey, we compared the land use change and its driving factors in Harbin-Changchun (HC), Shandong Peninsula (SD) and the western coast of the Taiwan Strait (HX) urban agglomerations from 2010 to 2017 usinga series of qualitative and quantitative methods (such as land use change amplitude, land use change rate, and transition matrix of the land use types). The results showed that the main land use changes in three urban agglomerations were the transformation from other land use types to construction land. The changed area in descending order were HX (2186.27 km2), SD (1056.45 km2) and HC urban agglomerations (897.91 km2). The cropland area in HX urban agglomeration showed a net increase (192.00 km2), in which the cropland loss area was 18755.00 km2and the increased area was 18948.00 km2. However, both of the HC and SD urban agglomerations had net loss in cropland area. Furthermore, population growth, economic development, and transportation construction were the main drivers for the expansion of construction land in the three urban agglomerations, while climate warming also had a positive impact on the northward migration of newly increased cropland in HC urban agglomeration. Therefore, there were significant variations in land use change and the driving factors among the three urban agglomerations.

Harbin-Changchun urban agglomeration; Shandong Peninsula urban agglomeration; the western coast of the Taiwan Strait urban agglomeration; land-use change; driving factors

10.14108/j.cnki.1008-8873.2024.01.006

F293.2

A

1008-8873(2024)01-046-09

2021-07-27;

2021-11-01

國家重點研發(fā)計劃項目(2022YFF1301101); 國家自然科學(xué)基金項目(42330707); 2018年院士牽頭科技創(chuàng)新引導(dǎo)專項

邢佳麗(1996—), 女, 山西晉中人, 碩士, 主要從事國土資源調(diào)查與管理研究, E-mail: X_xingjiali_X@163.com

通信作者:史文嬌, 女, 博士, 研究員, 主要從事土地利用變化研究, E-mail: shiwj@lreis.ac.cn

邢佳麗, 史文嬌, 郭旭東, 等. 2010—2017年中國典型城市群土地利用格局變化及其驅(qū)動力比較分析[J]. 生態(tài)科學(xué), 2024, 43(1): 46–54.

XING Jiali, SHI Wenjiao, GUO Xudong, et al. Comparison of land use change and its driving factors among typical urban agglomerations in China from 2010 to 2017[J]. Ecological Science, 2024, 43(1): 46–54.