城鎮化驅動下濟南市土地利用變化特征

王 懇,李新舉

山東農業大學資源與環境學院,山東 泰安 271018

城鎮化是社會經濟發展的必然趨勢，而土地是人類賴以生存的基本條件和經濟社會發展的重要載體，土地利用是經濟社會發展和環境保護在空間上的體現，是映射人類經濟社會發展的鏡子[1]。

土地利用變化是人類活動對自然環境影響的重要表現形式。因此探討土地利用的變化過程及驅動機理已成為當前全球變化研究的重要領域[2-4]。城鎮化和土地利用本身的相互作用決定了城鎮化驅動下各地類變化的復雜性。城鎮化推進下的各類土地利用變化特征的研究是國內學者研究的一個熱點。在城鎮化和土地利用變化的作用關系上，趙可[5]對建設用地與經濟發展、城鎮化之間的關系進行分析，認為城市建設用地擴張對加速城鎮化進程和經濟發展有推動作用。孟鵬[6]針對黃淮海平原城鎮化對耕地變化影響的差異性分析進行研究。吳巍[7]通過GWLR模型的土地城鎮化驅動模式的可視化研究，準確地表達各解釋變量的空間變化，為研究區的耕地資源與生態環境的保護提供了新方法。潮洛濛[8]、孟憲磊[9]分別利用遙感數據，繆麗娟[10]利用相關分析、協整分析方法對各地區空間尺度的城鎮化與土地利用變化之間的作用關系進行了詳細研究。在經濟增長和耕地非農化關系方面，黃礪[11]、李永樂[12]、王雨濛[13]對耕地庫茲涅茲曲線的驗證和變化趨勢進行研究。馬振邦[14]、黃一綏[15]等對城鎮化進程中土地利用變化的環境效應進行了典型區域研究。

濟南市作為山東省省會，在快速的城市化進程和持續加快發展的社會經濟影響下，土地利用結構的變化也不斷加速。日益突出的土地利用沖突和人地矛盾，使濟南市耕地資源面臨的形勢更加嚴峻。同時出現了城市不斷向外擴展與城市內部土地粗放經營并存的現象，有限的土地資源越來越稀缺[16]。城鎮化過程中土地資源面臨著再配置和利用的問題，能否合理又高效地利用土地成為制約經濟發展的重要因素。因此，有必要對濟南市城鎮化驅動下各類土地利用變化的特征展開分析，從利用和管理上采取綜合對策，優化濟南市土地利用結構，為實踐中進一步因地制宜，統籌規劃各類土地合理利用提供技術支撐。

1 數據來源與研究方法

1.1 數據來源及處理

本研究選用1990～2015年間6個時段（1990年、1995年、2000年、2005年、2010年為Landsat-5TM衛星影像；2015年為Landsat8衛星影像）分辨率30 m的遙感影像，收集相應年份的濟南市土地利用現狀圖、濟南市鄉鎮行政區劃圖輔助影像進行預處理。由于原始影像的覆蓋范圍大于研究區的范圍，故對影像進行裁剪以獲取研究區影像資料。裁剪后獲取的研究區影像基本無云層覆蓋，且地類顯示清晰，影像質量較好。

1.2 研究方法

利用ENVI4.7和ENVI5.1軟件的部分功能對遙感影像進行預處理。在完成大氣校正的基礎上，以2005年濟南市土地利用現狀圖為基準進行幾何校正。結合濟南市行政邊界矢量圖對已完成幾何校正的影像進行鑲嵌、裁剪，獲取濟南市的遙感影像。通過天地圖在線查閱相應年份的高分影像，結合2005年濟南市土地利用現狀圖，根據城鎮化相關用地要求，在ENVI4.7平臺上用最大似然法進行影像的監督分類，將濟南市土地利用類型分為6大類：耕地、林地、水域、農村居民點、城鎮建設用地、未利用地。采用Majority分析等方法對分類后存在錯分、漏分的小圖斑進行合并或者剔除，使得分類后的影像更加準確和平滑[17]，保證分類精度達到85%以上。通過觀察分類后得到的土地利用數據集，分析研究期內濟南市各地類的數量結構特征和變化趨勢。

1.2.1 單一土地利用動態度模型 為了反映土地類型用地面積的變化幅度、變化速度以及濟南土地利用變化中的類型差異，通過土地利用動態度模型真實反映濟南土地利用類型的變化劇烈程度。

單一土地利用動態度是在某研究區一定時期內某土地利用類型的面積年平均變化情況，表征單一土地利用類型變化的數量特征[18]，表達式為：

其中，K為研究時段某一土地利用類型動態度；Ub、Ua分別表示研究期末跟研究期初的某一土地利用類型的數量；T表示研究時長，通常以年為單位。

1.2.2 土地利用程度綜合指數模型 土地利用程度包括土地本身的自然屬性及自然與人類的綜合效應，主要反映的是研究區每一期土地利用廣度及深度。通過ARCGIS軟件GRID模塊功能，提取研究區域1 km×1 km內土地利用程度指數。土地利用程度指數參照劉紀遠、莊大方[19]的綜合分析方法，根據土地自然綜合體在人類活動影響下的自然平衡的狀態，將土地利用程度劃分為若干級別，進而分級賦予指數。

將土地利用的綜合指標按照數學的方法進行綜合，進而得到一系列連續分布的綜合指數，通過綜合指數數值的大小來反映該研究區域內土地利用的程度，計算模型表達式為：

其中，La為研究區土地利用程度綜合指數；Ai為研究區第i類土地利用類型的土地利用程度分級指數；Ci為研究區域第i類土地利用類型面積占總面積百分比；n為土地利用程度分級數。

1.2.3 綜合土地利用程度變化模型 一個特定范圍內土地利用程度的變化是多種土地利用類型變化的結果，土地利用程度變化量和土地利用程度變化率不但能定量地揭示該區域土地利用的綜合程度，而且還能夠預測其未來變化的趨勢[20]。

陶瓷這一藝術品，同山水畫一樣，伴隨著山水畫的發展而發展，具有悠久的歷史，早在宋代時期，陶瓷的器型就發展到數百種之多，而且成功地燒造出大批造型各異、風格獨特的影青釉瓷雕和仿造出了多種顏色釉瓷器，產生了著名的五大名窯：官、汝、定、鈞、哥。所產瓷器，有“白如玉、明如鏡、薄如紙、聲如磬”之美譽。不言而喻，陶瓷與山水畫一樣經過數千年時間的洗禮，它們的結合是必然的，也是極致的。

其中，ΔLb-a代表研究時段內土地利用程度變化量；a、b分別代表研究期期初和研究期期末；

Lb、La分別代表研究期期初和研究期期末的土地利用程度指數；Ai為研究區第i類土地利用類型的土地利用程度分級指數；Cia為研究期期初該區域第i類土地利用類型面積占總面積百分比；Cib為研究期期末該區域第i類土地利用類型面積占總面積百分比；Rb-a為ab時段內土地利用變化率。

1.2.4 土地利用轉移矩陣 為研究土地利用類型轉化，進一步分析各土地利用類型在不同時期的流入和流出的動態過程和各地類面積變化的來龍去脈。我們以某些年份作為時間點，判斷這些時間點以及相鄰兩兩之間各種土地利用類型的轉移，建立土地利用轉移矩陣[21]。在轉移矩陣中橫行表示某一土地利用類型由其他類型流入的面積，縱列表示某一土地利用類型流出為其他類型的面積。

2 結果與分析

2.1 濟南市土地利用數量變化特征

圖1 1990-2015年濟南市土地利用變化趨勢Fig.1 The change trend of land-use in Jinan from 1990 to 2015

從圖1可以看出，耕地在所有土地利用類型中所占比例最大，1990～2000年間耕地面積小范圍地持續減少，2000年耕地面積達到最小值3341.15 km2。2000～2015年間耕地面積持續上升，其中2005年耕地面積有較大的增幅，與2000年相比增加114.36 km2，2015年耕地面積達到最大值3513.20 km2，25年內耕地面積共增加131.64 km2。

林地在所有土地利用類型中所占的比例僅次于耕地，1990～2000年間林地數量持續上升，2000年達到最大值2157.73 km2。2000～2015年間林地數量大幅下降，其中2010年林地數量比2005年減少147.70 km2，這5年林地數量減少的速率最大，2015年林地數量達到最小值1929.90 km2，25年內林地共減少158.60 km2。

水域在所有土地利用類型中所占的比例最低，25年內水域面積持續小范圍上下波動，其中2010～2015年波動最大，2010年水域面積達到最大值158.85 km2，2015年水域面積降至最小值106.42 km2，25年內水域面積共減少43.03 km2。

農村居民點面積總體呈上升態勢，1990～2005年間經歷了小幅度的上下波動，2005年農村居民點面積達到最小值744.13 km2，2010年農村居民點面積與2005年相比，增加133.39 km2，這5年農村居民點增加的速率最大，2015年達到最大值936.37 km2，25年內農村居民點面積共增加143.91 km2。

城鎮建設用地面積呈總體上升態勢，在土地利用類型中變化幅度最大，由1990年的最小值384.30 km2增至2015年的最大值741.22 km2，25年內城鎮建設用地面積共增加356.92 km2，增幅達92.88%。

未利用地面積總體呈下降趨勢，由1990年的最大值1224.92 km2降至2015年的最小值794.12 km2，25年內未利用地共減少430.80 km2。

2.2 濟南市土地利用動態變化分析

土地利用動態變化分析將從單一土地利用動態度、土地利用程度、土地利用類型轉化三個方面展開，重點體現土地利用變化的時間特征。

2.2.1 單一土地利用動態度 通過單一土地利用動態度公式計算得出濟南市1990～2015年各土地利用類型的單一土地利用動態度。其中，年變化速度最大的是城鎮建設用地，變化率為3.72%；未利用地面積大幅度減少，年變化率為-1.41%。從表1可以看出1990～2015期間，用地面積增加的地類包括耕地、農村居民點和城鎮建設用地，其中城鎮建設用地的年變化率最大，說明濟南市城鎮化進程在這25年內快速發展；用地面積減少的地類包括林地、水域和未利用地，其中未利用地的減少幅度最大，說明濟南市在城鎮化進程中注重挖掘未利用地潛力，加大對未利用地的開發利用。

表1 1990～2015年濟南市各地類土地利用動態Table 1 Dynamic uses of various lands in Jinan from 1990 to 2015

2.2.2 土地利用程度 本文結合實際情況將土地利用程度劃分為4類（見表2）。通過為研究區不同土地利用類型賦利用程度值，將各地類面積百分比與利用程度值加權，得到整個區域在研究期內的土地利用程度變化值。

表2 土地利用程度賦值表Table 2 Land use degree assignment table

（1）土地利用程度綜合指數模型 土地利用程度綜合指數一定程度上反映了研究區內土地利用的集約程度，從圖2可以看出，1990～2015年間，濟南市土地利用程度在不斷提高，說明人類的活動對土地利用的影響越來越大。隨著濟南城鎮化進程的加快，農業人口向非農業人口轉變的趨向越來越明顯(見圖3)，城市人口的擴張、產業的升級使得許多農業用地和未利用地轉變為建設用地，加之農民生活水平的提高，使他們更加追求生活舒適度，農村居民點數量也在不斷增加。農業用地和非農業用地的內部結構在數量上的變化，是加大土地利用程度的重要因素。

圖2 濟南市土地利用程度綜合指數圖Fig.2 Comprehensive index of land use degree in Jinan

圖3 1990～2014年濟南市城鄉人口對比狀況Fig.3 Comparison of urban and rural population in Jinan from 1990 to 2014

（2）綜合土地利用程度變化模型 根據土地利用程度變化量、變化率公式，計算得到1990年、2015年濟南市土地利用程度指數分別為256.23和275.72，說明在25年內濟南市土地利用程度有所提高；1990～2015年間濟南市土地利用程度變化量ΔLb-a=19.49，土地利用程度變化率7.61%＞0，表明濟南市土地利用正處于發展期。

2.2.3 土地利用轉移矩陣分析 利用ENVI CLASSIC中的Change Detection Statistics工具，選擇1990～2000年、2000～2010年、2010～2015年三個時段，分別建立轉移矩陣，對濟南市25年來的土地利用動態變化情況進行計算和分析。

表3 1990-2000濟南市土地利用轉移矩陣 （單位：km2）Table 3 Land use transfer matrix in Jinan from 1990 to 2000 (Unit:km2)

1990～2000 年間，城鎮建設用地從384.30 km2增加到523.81 km2，共增加139.51 km2，在土地利用類型中面積增加量最大、面積變化幅度最大。城鎮建設用地流入來源中耕地最多，占總流入量的44%。這期間隨著濟南經濟發展水平逐漸提高，城市工業化快速發展，土地城鎮化步伐加快，在城鎮擴張過程中出現大量占用耕地的現象。城鎮建設用地的流出主要表現為34.49 km2轉變為耕地，34.53 km2轉變為林地，以耕地占補平衡、增加綠化的形式實現。未利用地從1224.92 km2減至1085.38 km2，共減少139.54 km2，在土地利用類型中面積減少量最大。未利用地的變化除了有219.56 km2被整理后轉為耕地之外，主要是和林地的相互轉變。耕地變化不大，從3381.56 km2減至3341.15 km2，共減少40.41 km2，大部分流向林地和建設用地。農村居民點共減少15.88 km2，林地共增加69.23 km2，水域共減少12.91 km2，這三個地類的變化幅度都不大。

表4 2000～2010濟南市土地利用轉移矩陣 （單位：km2）Table 4 Transfer matrix of land use in Jinan from 2000 to 2010 (Unit:km2)

2000～2010年間，各類用地之間的轉換依舊十分頻繁。其中面積增加量最大的是耕地，由3341.15 km2增加到3478.40 km2，共增加137.25 km2，主要來源是307.98 km2的林地和233.81 km2的未利用地，1999年《新土地管理法》明確關于土地開發和整理的規定，2000年全國開展土地整理的工作，濟南市嚴格按照新土地管理法的規定和市政府關于“土地開發、復墾和整理管理辦法”的立法要求，加大土地開發、復墾和整理的實施，成績顯著，出現大量新增耕地。面積變化幅度最大的是城鎮建設用地，增加量同過去10年相差不大，共增加了136.37 km2。城鎮建設用地來源最大的依舊為耕地，流入量為124.90 km2。自2003年之后濟南城鎮建設用地增長較快，說明城鎮化發展迅速，對建設用地需求大，且總量失控，大量耕地轉化為建設用地。耕地占流出量的比重也是最大，流出量為48.94 km2，“十一五”國土資源規劃期間，濟南市加強土地集約節約利用，整理土地、更新舊城、挖潛存量土地。面積減少量最大的是未利用地，共減少239.00 km2，減少面積較前十年多70%，耕地為主要流出量。農村居民點與過去10年相比有很大的變化，增加100.94 km2，主要是和耕地、未利用地的相互轉變。2003年開始，國家相繼出臺了一系列的惠農政策，如《中共中央國務院關于促進農民增加收入若干政策的意見》“中央一號”文件的頒布。濟南市作為省會城市，對國家政策的執行力度較大，農民減負增收較快。收入增加的農民對改善住宅需求的欲望較迫切，導致大量農村住宅建設用地增加。水域有16.34%較大幅度的增加，林地面積變化幅度不大。

表5 2010～2015濟南市土地利用轉移矩陣 （單位：km2）Table 5 Land use transfer matrix in Jinan from 2000 to 2010 (unit:km2)

2010～2015 年間濟南市經濟飛速發展，新型城鎮化進程加快，各類用地間的轉換更加復雜。城鎮建設用地作為一直增長的土地利用類型，在近5年的面積增長量最大，由660.18 km2增加到741.22 km2，共增加81.04 km2。流入來源除耕地外，農村居民點也占了較大比重。濟南在新型城鎮化建設當中將發展重點從中心城區逐步轉移到周邊的衛星城鎮，起到分擔中心城市職能、結構優化和城鄉聯系的功能，使得農村居民點有52.88 km2轉移給城鎮建設用地。城鎮建設用地主要的流出來源是52.73 km2的耕地，2012年出臺的《濟南市耕地保護管理辦法》明確規定實行耕地保護實行責任目標考核制度，挖掘城市內涵并加大土地整治力度。面積增長僅次于城鎮建設用地的是農村居民點，由877.52 km2增加到936.37 km2，共增加58.85 km2。農村居民點最大流入量為158.10 km2的耕地，說明建設占用耕地現象依舊存在。近年來濟南農村居民點呈無規律向村莊周圍擴張，很大部分沿主干道路建房，造成村莊內部房屋空置，利用率低下，導致最大流出量為142.25 km2的未利用地。耕地面積增加量為34.77 km2，主要流入來源為198.17 km2的林地和123.59 km2的農村居民點，隨著農村土地流轉、農村建設用地入市等政策的實施，農村土地整治可以有效增加耕地面積。水域減少幅度達33.01%，原因除了干旱之外主要在于部分水域改造成人工水田和種植林。林地面積變化幅度不大。未利用地作為一直減少的土地利用類型，共減少52.26 km2。

3 結論與討論

1）研究期內，濟南市土地利用程度在不斷提高，說明在城鎮化進程中人類的活動對土地利用的影響越來越大。濟南市土地利用程度變化量為19.49，土地利用程度變化率7.61%＞0，表明濟南市土地利用處于持續發展階段。

2）建設用地總量不斷增加，其中城鎮建設用地在土地利用類型中面積增加量最大，年變化速度最大，25年內共增加356.92 km2，變化率為3.72%，主要流入來源為耕地，說明城鎮建設用地的增長主要以犧牲耕地為代價。城鎮化進程中需要合理控制城鎮建設用地規模，挖掘土地潛力。流入來源中農村居民點也占很大部分，主要體現在新型城鎮化建設中濟南市將發展重點從中心城區逐步轉移到周邊的衛星城鎮。研究期內農村居民點持續上升，一方面農民改善住宅水平的要求不斷擴大，農村居民點面積相應的增加；另一方面，農民遷城造成了“空心村”現象，村莊內部房屋低矮破舊、致荒閑置現象嚴重，故勢必要加強現有建設用地潛力挖掘和農村居民點整治力度，這也是解決人地供需矛盾的必由之路。

3）耕地經歷了先減少后增加的過程，雖然在2000年以后通過整理土地、更新舊城、挖潛存量土地，耕地占補平衡等措施使得耕地面積有所增加，但截止到2015年濟南市人均耕地0.9畝，低于全省1.21畝平均水平，更低于全國1.52畝平均水平，耕地保護形勢依舊嚴峻。耕地的主要流出來源為城鎮建設用地和農村居民點，說明在城鎮化的過程中需要協調好耕地和建設用地之間的矛盾。

4）未利用地在土地利用類型中面積減少量最大，共減少430.80 km2，主要流向耕地和林地。隨著濟南市土地城鎮化步伐加快，城鎮化進程中科學推進未利用地的開發利用，既可以保護優質耕地，又可以拓展建設發展空間，成為加快濟南市產業轉移、促進區域協調發展的有力支撐。

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