全運會對濟南市城區土地利用變化的影響分析

劉金花，鄭新奇

（1.山東建筑大學 管理學院，濟南250101；2.中國地質大學 土地科學技術學院，北京100083）

土地利用／土地覆被變化對全球氣候變化[1]、全球陸—海生態系統產生重要的影響[1－4]，部分學者認為土地利用／土地覆被變化已成為全球三大環境變化之一[5]，影響著人類社會的經濟發展，對于全球糧食安全[6]、人類身體健康、可持續發展[7－8]乃至真正實現人地和諧局面產生重要的影響。土地利用／土地覆被變化研究已成為全球研究的熱點和焦點[1，9]。近年來，城市化的快速發展導致土地利用變化的加劇[10－12]，但大型運動會的召開這種特定背景下的土地利用變化研究較少。2004年10月山東省政府向國家體育總局遞交申辦十一屆全運會的報告，2005年2月申辦報告得到正式批準，主場地設在省政府駐地——濟南。為促進全運會的順利召開，濟南市投入1 400多億元進行城建和城市面貌改造，建設“一軸”、“兩環”、“三區”，實施八大工程，開展六項整治，為實現“和諧全運”做好充分準備。這些硬件的建設無疑在一定程度上加快了土地利用變化。為揭示全運會大型運動會的召開對舉辦城市土地利用的影響，本文采用濟南市2003年、2005年兩期土地利用現狀圖，借助ArcView提取信息，通過計算動態度、開發度、耗減度、信息熵等指標，分析土地利用變化程度和結構變化合理性，探討大型運動會的舉辦對土地利用數量及結構的影響，為其他舉辦大型運動會的城市及相關部門提供決策支持。

1 研究區概況及數據預處理

濟南市位于山東省中部，土地總面積為8 177 km2，市區面積為3 296km2，建城區面積190km2。南部為泰山山地，北部為黃河沖積平原，地勢南高北低，地形復雜，氣候類型為暖溫帶大陸性季風氣候，多年平均降雨量約650mm。總人口592萬人，其中市轄區人口350萬人。濟南市現轄六區三縣一市，本文選取土地利用變化的“熱點”區域（規劃城區）作為研究區，即歷下、市中、槐蔭、天橋、歷城、長清6區。按照全國土地利用分類（過渡時期適用）將濟南市城區土地利用分為十類：耕地、園地、林地、牧草地、其它農用地、居民點及獨立工礦用地、交通運輸用地、水利設施用地、未利用土地、其它土地。

本文采用2003—2005年1∶10 000土地利用現狀圖作為數據源，基于地理信息系統軟件ArcView提取城區范圍數據和土地利用類型變化數據。屬性數據來源于《濟南市統計年鑒（2004，2006）》、《濟南市年鑒（2004，2006）》以及濟南市土地利用總體規劃（2006—2020年）中相關數據。

2 土地利用數量變化分析

2.1 指標選取

為體現土地利用動態變化過程及方向，常采用土地利用動態度、開發度、耗減度等指標對土地利用數量變化進行定量評價[13－14]。

土地利用動態度（LUDI）是用動態度反映單位時間內某一土地利用類型面積變化程度的指標，其傳統表達式為：

式中：Ua——a時刻某種土地利用類型的面積；Ub——b時刻某種土地利用類型的面積；t——a，b時刻的時間間隔。該模型有兩點不足：首先，模型反映的是在a，b兩個時間點的離散變化，當選取的時間跨度較大時，無法反映時間間隔內變化的連續性和變化的頻率。文中筆者采用時間跨度為兩年的數據資料進行計算，該因素可以忽略；其次，此指標無法表征兩種土地類型之間的相互轉化，即無法表征土地利用變化的局部活躍程度。對于第二個缺點，將土地利用變化借助于空間分析引入開發度（LUD）和耗減度（LCD）兩個指標來衡量，能夠有效地反映土地利用類型的增加和轉換速率。

其中Δ′ab＝│Cab＋Dab│，考慮的是轉換速率和增加速率之和，其它參數含義同上。該模型可以有效地將土地利用變化速率顯著化。

2.2 濟南市土地利用數量變化分析

為定量分析濟南市各土地利用類型數量上的變化，本文基于地理信息系統中ArcView軟件進行空間分析和統計處理，利用ArcView的tabulate areas功能統計匯總各類土地面積，建立2003—2005年的土地利用類型變化轉移矩陣，如表1所示。

將表1數據及在ArcView中對各類土地面積進行的統計結果進行處理，運用上述表征土地利用動態變化的各公式（1—3）進行計算，結果見表2。

式中：Dab，Cab——由時刻a至時刻b新增和轉出的某土地利用類型面積，即分別表示由其它土地利用類型轉化為該土地利用類型的面積和該類型轉出的面積。Cab在本文中為轉換矩陣（表1）每一行中除該地類面積之外的其它列數值之和；Dab為轉換矩陣每一列中除該地類面積之外的其它行數值之和。可知式（1）中Δab＝│Cab－Dab│。

上述三個指標在測算區域的綜合土地利用數量變化時是有效的，盡管采用某一個指標對一種土地類型計算時表征的是單方向的變化，加和則可反映出各類型間相互變化的趨勢。但由于土地本身的自然特性，具有位置固定性的特點，動態度只體現土地利用類型數量的變化，無法定量表示土地空間變化方向及速率等方面，因此本文借鑒劉盛和，何書金提出的“空間分析模型”（CCL為改進后的動態度值）彌補上述缺陷[15]。

表1 2003－2005年濟南市城區土地利用類型轉換矩陣 km2

表2 2003－2005年濟南市城區土地利用動態變化指數

由表2可知，2003—2005年期間土地利用變化速度較快，各土地利用類型發生變化區域總面積達到1 111.336km2，占城區總面積的近34%，變化幅度十分明顯。

2.2.1 土地利用類型的轉移變化 在各地類的轉移變化過程中，以耕地和未利用地的轉換最為突出。耕地轉移面積為285.87km2，占區域轉移總面積的25.72%，位列各地類轉移面積之首；耗減度為0.11，空間轉移較為明顯，主要流向居民點及工礦用地、林地、未利用地，三項轉移占到耕地轉移面積的71.7%，其中居民點及工礦用地占轉移總量的29.5%，究其原因，濟南市正處于城市化快速發展期，城鎮建設用地的增加主要通過占用耕地實現，且為迎接全運會的召開，新建14個體育場館，7個市級全民健身中心及相關配套設施，僅奧體中心占地約70hm2，導致耕地空間轉移主要流向居民點及工礦。林地占耕地轉移總量的20%，位列第二，這與響應合理利用土地，改善生態環境，實行退耕還林還草分不開的；也是全運會八大工程之一——生態景觀工程的要求。從耕地總量變化看，2005年耕地比2003年增加68.46km2，耕地呈現增長勢態，這一過程主要是通過土地綜合整治確保耕地占補平衡，結合優化土地利用結構來實現的。

未利用土地轉移速度較快，轉移率（轉移面積占初期年該地類總面積的比例）為51.59%，達到每年平均142.62km2，轉移速度較快；耗減度達到0.26，從空間轉移流向來看，主要轉移為耕地和林地。其中轉移為耕地的面積占總轉移量的35.17%，這也是濟南市耕地總量呈增加趨勢的主要原因之一；轉移為林地面積126.7km2，提高了區域綠化率，極大地改善了區域生態環境，從而為全運會的召開創造良好的生態環境。

居民點及工礦用地的轉移亦十分明顯，轉移面積占區域總轉移面積的15.43%。耗減度為0.14，流向主要轉移為耕地和林地。其中轉移為耕地的面積占總轉移面積的54.87%，這也是該區域耕地總量增加的主要原因之一，通過工礦用地的綜合整治，既補充了耕地又改善了生態環境。

林地的轉移面積也達到了153.945km2，占轉移總面積的13.85%，其中轉移為耕地的比例為35%。交通用地的耗減度為0.36，轉移面積41.24km2，轉移率為72.16%。

從轉移流向來看，耕地、未利用地、居民點及工礦用地依次是轉移速度較快的地區。耕地主要流向居民點及工礦用地、林地；未利用地主要流向耕地和林地；居民點及工礦用地主要流向耕地和林地。在快速城市化和全運會場館及配套設施的集中建設背景下，濟南市城鎮建設用地快速增加，主要靠侵占耕地而來，但是通過對工礦用地和未利用地的有步驟有計劃的綜合整治，確保了耕地占補平衡，保障耕地總量非但沒減少反而呈增加趨勢。

2.2.2 土地利用類型的新增變化 耕地新增面積354.33km2，占區域新增總面積的31.88%，年均新增177km2，變化較快；從表1轉換矩陣來看，耕地增加的來源主要是未利用土地和居民點及工礦用地，其中未利用土地在新增部分的貢獻率達到了28.33%，但由于未利用土地的有限性及適宜性，今后通過未利用地開發補耕難度越來越大。

林地新增226.42km2，占區域新增總面積的20.37%，開發度為0.29；林地增加的來源主要是未利用地及耕地，其中未利用土地轉入126.70km2，占新增林地的55.96%，退耕還林還草也是林地增加的主要來源之一。

未利用土地新增面積167.31km2，主要來自于耕地及林地，兩項之和為124.25km2，從中可見生態退耕工作取得一定進展。

居民點及工礦用地新增面積占區域新增總面積的14.00%，占原面積的25.24%，增長幅度較大；從新增來源看主要是耕地和未利用地、林地，與耕地、林地轉移流向相吻合。

交通用地新增35.21km2，開發度為0.31，來源為居民點及工礦用地、耕地和林地。雖然新增交通用地占區域新增總面積的3.17%，但卻占原面積的61.6%，增加速度堪稱歷年之最，這主要是由于全運會的召開對交通設施的需求和刺激。期間，濟南實施道路暢通工程，包含路網改造、快速公交、鐵路和公路建設等六大類335項，均極大地促進了濟南市交通設施的發展，導致交通用地的急劇增加。從2005年土地利用結構來看，交通用地所占總面積比例雖較往年提高，但從濟南市經濟社會發展需求來看，交通用地仍顯不足，這也是今后用地調整的一個重點方向。

水利設施用地開發度為0.14，新增來源主要是耕地。增加用地主要用于對大明湖進行改造、環城公園通航、小清河等城區河道水環境整治，實施綜合保泉，突顯濟南的“泉城”特色。

從開發度方面來看，交通用地、林地、園地、耕地增長速率較快，開發度依次為0.31，0.29，0.26，0.13。從新增來源來看，新增耕地主要來源于未利用地和居民點及工礦用地；林地主要來源于未利用地和生態退耕；居民點及工礦用地主要來源于耕地和林地；交通用地主要來源于居民點及工礦和耕地、林地；水利設施用地主要來源于耕地。其中交通用地開發度較高，這與全運會的召開對交通設施需求增加密切相關。各種土地類型的轉移情況如圖1所示：

圖1 2003－2005年濟南市城區各類用地構成

3 空間結構變化分析

由于土地利用結構的復雜性，土地利用類型數量上的變化難以直觀地反映土地利用結構的合理性。為此采用信息論的方法進行分析研究。

信息熵是衡量土地利用空間結構的一個有效指標，陳彥光、劉明華曾給出城市土地利用結構的熵值定律[16]；劉耀彬等借助于信息熵對武漢城市土地空間結構進行了變動分析[17]。其一般表達式為：

式中：Pi——各土地利用類型占該區域土地總面積的比例；H——土地利用結構信息熵，反映土地利用類型的多少和各土地類型空間數量分布的均勻程度；Ai（i＝1，2，…，n）——各土地類型面積；A總——區域土地總面積。從式（5）中可以看出，土地類型越多，熵值H越大。所以，通過比較不同時間的H值可以衡量空間結構的變化情況。但這種模型的缺點也是顯而易見的：無論某一類用地成片分布或是破碎分布對于結果沒有影響，也就是說熵只能反映區域土地整體的空間分布均勻程度，無法表達某一類土地的內部維度特征。本文只對濟南市城區土地利用結構在時間序列上的趨勢進行研究，采用熵能夠反映其土地利用結構的變化。

通過計算可得濟南市歷年城區的土地利用結構信息熵，如圖2所示。可見，信息熵呈現明顯的上升趨勢，反映了濟南市城區土地利用結構在1996—2004年間有序度下降，其中1997—1998年和2003—2004年兩個時間段呈現快速下降趨勢，主要原因是建設用地比重加大，而耕地面積不斷減小，交通設施用地迅速擴大。在此過程當中，牧草地急劇萎縮，但比重太小，不足以影響熵值的有效變化。而2005年信息熵有所下降，相對2003年減小1.4%。可見信息熵值已經出現收斂的跡象，而收斂過程一般會有所波動，最終達到一個穩定狀態，即土地利用結構成熟的狀態，在此過程當中，對于不同類型的城市，其土地政策應該有何區別，濟南作為一個綜合性的城市，應該加強對土地尤其是耕地的保護。

圖2 1996－2004年濟南市城區土地利用結構信息熵變化

濟南市投資1 400億用于全運會的各項準備工作，這一巨大的資金注入為濟南市的經濟發展打了一針強心劑，帶動各行業快速發展，城市整體功能和區域功能也在產生更替，即中心城市功能正由生產型轉向管理服務型，中心城區的工業、倉儲等功能逐漸向外圍轉移，工業用地也同時發生轉移，因此經濟發展是土地利用變化產生的根本原因。為達到土地資源的優化配置的目標，實現資源、環境、經濟協調發展，政府的宏觀調控也至關重要。影響土地利用變化的因素較多，但大型運動會的召開對區域土地利用變化乃至經濟、社會、生態都會產生較為深遠的影響。

4 結論

本文采用高精度土地利用數據，研究全運會背景下濟南市城區土地利用的數量變化，發現濟南市城區耕地、未利用土地、居民點及工礦用地、林地為土地利用變化的“熱區”，相互之間轉換明顯，耕地轉移面積和新增面積最大；全運會對體育場館、交通設施及配套設施的需求使得2003—2005年期間交通設施用地動態度最大。1996—2004年土地利用信息熵的變化可看出，濟南市土地利用結構總體呈現良性變化，空間布局漸趨合理。大型運動會的召開需要在生態環境、場館建設、基礎設施及配套設施等方面做好充分的準備，這些最終落實到土地上，使得區域土地利用在結構和空間上產生較大的變化。該研究對于舉辦大型運動會的政府或相關部門提供決策支持，短期內大量投資項目的落實，要嚴格按照各項規劃和國家政策有計劃有步驟的實施。唯有如此，才能既拉動經濟增長，促進城鎮建設，改善基礎設施，又促進土地利用結構的合理調整和布局的優化配置。本文在大型運動會的召開對區域土地利用空間布局的影響方面未作詳細研究，有待進一步深化。

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