太行山區土地利用沖突測度及其時空特征

薛朝浪,趙宇鸞

(貴州師范大學 地理與環境科學學院,貴州 貴陽 550001)

1 引言

土地資源是人類社會進行物質生產的空間載體與生產資料,土地利用的實質是人類對地球表面空間格局的改造行為與作為生產要素的價值索取,短時期內變化受區域經濟社會活動驅動作用顯著[1]。隨著我國城鄉空間結構的急劇變遷、生產方式的深刻變革,城鎮化與工業化的發展推動城鎮人口集聚愈發顯著,進而導致土地開發外延擴張迅速,趨使“生產—生活—生態”用地時空格局嬗變[2]。因此,在土地資源數量固定且有限的情況下,城鎮建設脅迫農業生產與生態服務空間萎縮加劇,區域土地系統利用結構和功能失衡逐漸凸顯,土地利用沖突日益成為制約區域可持續發展和國土空間功能優化的瓶頸[3,4]。

目前,土地利用沖突問題受到了國內外專家學者的普遍關注[3-5]。眾多學者在土地利用沖突的概念內涵[3,4,6]、分類與特征[7-9]、影響機制[10-12]、診斷模型[13-18]等方面進行了大量研究,研究對象或范圍主要關注城市群[14,16]與大城市邊緣區[11,15]、礦糧復合區[13,17,18]、自然保護區[11,19]、風景名勝區[20]的土地利用沖突問題。然而,學者們對復雜性和異質性較大的山區土地利用沖突研究還略顯不足[21],尤其是缺乏對整個山區內部不同行政單元土地利用沖突的空間分異特征的探討,因此不利于針對性地提出山區土地可持續利用的對策與緩解土地利用沖突具體措施。

太行山區是我國京津冀地區國土資源開發的重要組成部分之一。隨著京津冀協同發展戰略的進一步推進,在華北平原經濟發展加速融合的背景下,太行山區土地資源利用的沖突問題不容忽視。因此,研究以地理區位優勢突出、土地資源利用較緊張的太行山區為例,借鑒并嘗試構建基于PSR評估框架的土地利用沖突強度診斷模型,通過探索性空間數據分析方法(ESDA),對1990—2015年太行山區的土地利用沖突水平進行了定量測度,并對各縣級行政單元土地利用沖突強度演變的時空分異特征進行了探討,以期能為我國山區土地利用沖突強度測度研究提供案例補充,同時為我國太行山區土地資源的可持續利用、區域協調發展、國土空間功能優化提供決策依據。

2 數據與方法

2.1 研究區概況

太行山北起北京西山,向南延伸至河南與山西交界的黃河北岸,西至汾河谷地,東臨華北平原[22],涉及北京、山西、河北、河南4省(市)101個縣級行政區,總面積約13.69×104km2(圖1)。太行山是我國黃土高原和華北平原的地理分界線,受地質構造影響,西部斷陷抬升形成了山西高原,東部斷陷下降形成了華北平原,斷層東西兩側最大高差達1500—2000m,平均海拔約861m。太行山區是太行山地及其與之相鄰的丘陵、平原地區,地勢西高東低,地形起伏大,區域內亞高山、中山、低山、盆地、丘陵等山地類型多樣;氣候屬暖溫帶大陸性季風氣候,多年平均氣溫11.1℃,多年平均降水511.1mm,夏季降水集中,具有雨熱同期、四季分明的特征。太行山區地處京津冀、太原與中原城市群交界地帶,地理區位優勢突出,資源型城市數量多、分布廣,境內有峰峰、井陘、臨城等礦區,礦產資源豐富;太行山區作為華北地區的重要生態屏障,區域生態空間功能效益優勢明顯,有小五臺山、歷山等國家自然保護區,滹沱河、桑干河等河流自西向東匯入渤海,是華北平原的重要水源地。隨著我國經濟社會的快速發展,太行山區的城鄉建設面貌顯著提升,但同時也面臨著經濟建設與生態保護的雙重壓力,土地資源的可持續利用成為區域協調發展普遍關注的問題。

圖1 研究區示意圖

2.2 數據來源與處理

本研究中，土地利用數據(1990年、2000年、2010年、2015年)由國家重點基礎研究“973”項目“山區國土空間功能優化與調控對策”課題組提供。該數據基于TM影像解譯而來,采用Googel高分影像及野外調查驗證,總精度達到85%以上。縣級行政單元界線等矢量數據來源于中國科學院山地表生過程與生態調控重點實驗室。1990年、2000年、2010年的經濟社會統計數據獲取自中國科學院資源環境數據中心,2015年的經濟社會統計數據由各省(市、縣、區)統計年鑒和統計公報整理獲得。本文利用ArcGIS軟件提取太行山區各縣級行政單元的不同土地利用類型數量,并與同時期的經濟社會數據構建土地利用沖突分析數據庫,使用Geoda軟件進行空間關聯性測度。

2.3 測度方法與指標構建

土地利用沖突指數:土地利用沖突主要是指經濟社會發展過程中土地系統利用不盡協調,社會、經濟、生態效益互為矛盾的現象[4]?？捎猛恋乩脹_突綜合指數(Land Use Conflict Index,LUCI)來定量表征區域土地利用沖突的整體發展程度與水平,具體由壓力指數(TP)、狀態指數(TS)和響應指數(TR)構成[21](表1)。

表1 土地利用沖突綜合指數計算方法

注:r1,r2,…,rn為每類指數對應的權重;wi,j,k為單個指標對應的權重;U(Xi,j,k)為單個指標的標準化值;i、j和k分別表示各指標的序號。

指標體系構建:本文基于PSR評估框架,并結合層次分析法,制定了指標構建應遵循的幾項主要原則:厘清評價的目標導向并兼顧單項指標系統完整,使各指標間既相互獨立又整體關聯;參考已有的指標體系[13,21],依據科學性自上而下編制指標分類;梳理各指標的典型代表性,刪減冗余指標,征詢領域內專家意見并采用Delphi法[23]確定各指標權重,由此構建適宜太行山區土地利用沖突評價的指標體系(表2)。

表2 土地利用沖突強度診斷的PSR評價指標體系構建

具體來看,各指標的選取應與太行山區的經濟社會發展要素相匹配,通過分析區域土地利用變化驅動力,對反映區域土地系統利用脅迫程度、利用格局、策略行為的影響因子進行篩選。經濟發展與人口增長是土地利用沖突發生與發展的根本原因,山區則因地域的特殊性而更加顯著,因此選取耕地復種指數、農業機械總動力、水果面積占種植業比重、大牲畜年末存欄數、鄉村勞動力總量、農民人均年收入為土地利用沖突壓力指標,用以從農牧業發展狀況、城鄉人口結構、經濟收入水平方面量化土地系統承載壓力;土地利用結構是土地資源具有多宜性特征的表現形式,而功能作用是土地作為生產要素的本質體現,不同社會團體與個人根據自身利益需求,在一定時期和一定程度上對土地利用形態進行改造,以滿足利益需求最大化,因此土地利用狀態指標從用地結構和利用程度方面進行考量,選取墾殖系數、建設用地比例、勞均耕地面積、未利用地面積比值、土地利用綜合程度指數來反映區域土地利用狀況。同時,各利益相關方為提高土地利用效益、發揮土地基本功能效用、維持土地生態效益和可持續性,進而采取工程技術手段或政策措施等方式對土地資源的利用加以管制。由于政策性因素難以量化,研究選取灌溉面積占耕地比例、化肥投入水平、林草地比例作為土地利用沖突響應指標。

指標中，土地利用綜合程度指數的計算公式為[24]:

(1)

式中,La為土地利用綜合程度指數;Ci為第i級土地利用程度分級面積百分比;Ai為第i級土地利用類型分級指數,各土地利用類型分級指數按受人類活動影響程度及生態效益進行賦值:未利用地為1,林草水用地為2,耕地為3,城鎮、農村居民點、工礦等建設用地為4。

由于各指標具有不同的衡量單位,為使其評估結果具有可靠性,需對指標原始數值進行標準化處理。依據各指標對評價結果的正負向作用,采用max-min標準化方法,公式為[25]:

(2)

式中,xij為i個評價單元的第j個指標數值；i=1,2,…,n;j=1,2,…,m。

2.4 空間關聯分析

Global Moran′s I指數計算公式為[27]:

(3)

(4)

(5)

(6)

式中,E(I)為Moran′s I的期望值;Var(I)為方差。當|ZScore|>1.96(α=0.05)時,屬性值在空間分布上存在顯著的空間關聯性。Moran′s I的值域為[-1,1],可知Moran′s I指數為一個從-1—1之間連續變化的指數。若Moran′s I指數通過顯著性水平檢驗,則存在3個空間關聯性判別階段:①當Moran′s I>0時,存在正的空間關聯性,地理要素呈空間集聚態勢,值越大，空間集聚趨勢越顯著;②當Moran′s I<0時,存在負的空間關聯性,地理要素呈空間離散狀態,即空間異質性增強,值越小，空間異質性越顯著;③當Moran′s I=0時,則呈隨機分布,不存在空間關聯性。

(7)

(8)

3 結果及分析

3.1 土地利用沖突強度變化

根據表1中各指數公式,計算得到1990—2015年太行山區各土地利用沖突指數量化值(圖2)。從壓力指數來看,1990—2015年土地利用壓力指數呈倒“U”型變化態勢。1990—2010年從0.287緩慢上升至0.434,上升幅度為51.22%,年均增加2.56%;而2015年土地利用壓力大幅跌至0.211,較2010年降低51.38%,年均降幅達10.28%。可知，前20年土地利用增長緩慢,后五年下降快速,土地系統壓力有所緩解。從狀態指數來看,土地利用狀態變化態勢隨時間發展呈“N”型上下波動,1990—2000年從0.160緩慢上升到0.208,2010年大幅降到0.129,反映出1990—2010年該時段內土地利用結構有較大調整,區域建設用地增長顯著,耕地及草地大量減少(圖3)。2015年土地利用狀態指數又緩慢增至0.147,呈平穩上升趨勢,這可能與近年來經濟社會的快速發展趨使區域用地需求增長有關。從響應指數來看,1990—2000年變化較穩定,土地利用響應指數值僅增加0.003,2000—2015年呈緩慢下降趨勢,降低了0.057,反映太行山區土地利用保護和生態保育水平進一步提高,土地生態環境進一步改善,這可能與國家開展退耕還林、生態建設及農業水利基礎設施建設等因素有關。

圖2 1990—2015年太行山區各土地利用沖突指數變化狀況

圖3 1990—2015年太行山區各土地利用類型變化狀況

太行山區的土地利用沖突綜合指數總體呈下降趨勢,區域用地沖突及矛盾有所緩解。具體來看,1990—2010年土地利用沖突指數呈緩慢上升趨勢,由0.219上升至0.282,增幅28.77%,年均增加1.44%,表明區域土地系統利用沖突逐漸上升;2010年后土地利用沖突指數快速降到2015年的0.166,降幅達41.13%,年均降低8.22%,土地系統利用沖突狀況大幅緩解?？梢?1990—2015年太行山區土地利用沖突綜合指數總體呈減緩趨勢,而在時間段上的變化有所區別,前20年受區域經濟社會開發的影響，土地利用沖突積累上升；后五年可能受到國家宏觀政策調控和土地可持續性利用認識的影響,在土地生態保護措施、土地用途管制、鄉城人口遷移等因素作用下,土地系統利用矛盾進一步持續向好的方向轉變。

3.2 土地利用強度變化的空間分異特征

總體空間分異特征:利用GeoDa軟件分別計算太行山區各土地利用沖突指數的Global Moran′s I值，見表3。

表3 太行山區不同時段各土地利用沖突指數的Global Moran′s I值

按顯著性水平95%(α=0.05)的判斷標準對各指數的Global Moran′s I值進行檢驗,其值在理論上達到了數理統計意義的顯著性水平,可知各指數均具有空間集聚性。總體而言,1990—2015年的25年間,土地利用沖突壓力指數空間集聚特征最為顯著,Global Moran′s I值為0.3059;綜合指數和狀態指數的Global Moran′s I值次之,分別為0.2811、0.1739;響應指數空間集聚性較小,Global Moran′s I值僅為0.0969。具體來看,土地利用沖突壓力指數的Global Moran′s I值從時段Ⅰ的0.2677上升至時段Ⅱ的0.3202,增加了0.0525,表明區域土地系統利用壓力空間集聚趨勢正逐漸增強,而時段Ⅲ該指數的Global Moran′s I值反降到0.1344,減少0.1858,減幅58.03%,空間集聚性大幅減弱;土地利用沖突狀態指數的Global Moran′s I值由時段Ⅰ的0.3058減少到時段Ⅱ的0.2388,減少0.067,空間集聚性小幅降低;時段Ⅲ該指數進一步快速減到0.0049,相比時段Ⅱ減少0.2339,降幅達97.95%,說明狀態指數空間集聚性正隨時間的推移趨于向異質性轉變,反映出區域土地利用結構空間分異愈發顯著;土地利用響應指數的Global Moran′s I值由時段Ⅰ的0.2275減少到時段Ⅱ的0.1519,時段Ⅲ再減到0.0023,同樣說明該指數空間集聚趨勢在減弱。

總體來看,太行山區土地利用沖突綜合指數在空間分布上呈集聚趨勢,但該趨勢隨著時間的推移而逐漸減弱。綜合指數在時段Ⅰ、時段Ⅱ、時段Ⅲ的Global Moran′s I值分別為0.2591、0.2929、0.1767,其動態變化過程呈先增后減的路徑,時段Ⅰ—Ⅱ緩慢增加,增加了0.0338,到時段Ⅲ減少了0.1162,說明1990—2010年太行山區經濟社會發展受資源型產業影響,“先城后礦”模式導致工業化與城鎮化建設過程中的土地利用沖突加劇;而2010—2015年由于資源型城市轉型發展與產業結構調整,加之國家土地用途管制措施大力實施,區域土地利用沖突強度有所減緩,隨著綠色發展政策推行,未來太行山區的土地利用沖突可能將進一步緩解。

從圖4可知,熱點區總體呈“山西—河南—河北”的遷移走勢,說明山西省的土地系統承載壓力有所緩解,河北省的土地系統承載壓力正在逐步增加。具體來看,1990—2000年,太行山區的土地利用沖突壓力指數熱點區主要集聚于山西省長治盆地及其周邊縣域,這與該時期區域的資源型經濟發展有關。長治地區礦產資源豐富、資源型城市眾多,趨使城鎮建設及經濟發展快速,土地系統利用壓力增大;2000—2010年,太行山區土地利用沖突壓力指數的熱點區逐漸遷移到山西與河南兩省交界的黃河經濟帶,在工業經濟建設引導下,區域鋼鐵、化工、冶金等主導優勢產業驅動城市化、工業化進程發展快速,土地系統壓力上升顯著;2010—2015年,太行山區土地利用沖突壓力指數的熱點區進一步遷移至河北省中南部地區,尤其以石家莊及其周邊縣域最為顯著,這與京津地區產業轉移及人口疏解有關。隨著京津冀協同發展戰略進一步推進,區域交通流、人口流、物質流等各種流交匯加速,趨使產業發展承載用地和居住用地需求旺盛,各業用地矛盾加劇。冷點區趨于分散,主要集聚于太行山區地形崎嶇且經濟發展落后的縣域,這可能與自身經濟發展后勁不足、域外城鎮化吸引山區人口外遷有關。

圖4 太行山區土地利用沖突壓力指數的時空演化特征

太行山區土地利用沖突狀態指數的冷、熱點演化趨勢見圖5。從圖5可見,1990—2000年、2000—2010年太行山區土地利用狀態指數的冷、熱點區趨于集中,熱點區主要從河北邯鄲、邢臺、石家莊、保定、張家口等地級市所轄縣域向山西長治、運城、陽泉等地級市所轄縣域遷移；冷點區的遷移趨勢與熱點區相反,從山西長治、運城、陽泉等地級市所轄縣域向河北邯鄲、邢臺、石家莊、保定和河南安陽、鶴壁、新鄉、洛陽等地級市所轄縣域遷移。河北、山西兩省的土地利用系統狀態變化較劇烈。2010—2015年,該區域的土地利用沖突狀態指數冷、熱點區趨于分散,熱點區主要分布于石家莊和邢臺部分縣域,而冷點區主要分布在長治盆地周邊和晉北地區的部分縣域。

圖5 太行山區土地利用沖突狀態指數的時空演化特征

太行山區土地利用沖突響應指數的冷、熱點演化趨勢見圖6。從圖6可見,1990—2000年該區域熱點區主要集聚于山西陽泉、忻州、大同、運城等所轄縣域,2000—2010年逐漸遷移至河北張家口、保定與河南新鄉、焦作所轄地區,2010—2015年分布范圍有所縮小,以邢臺、晉中、安陽所轄縣域較集中。冷點區趨于分散,其范圍主要集中在山西境內,以山地區縣域為主。

圖6 太行山區土地利用沖突響應指數的時空演化特征

總體來說,太行山區土地利用沖突綜合指數的熱點區、次熱區趨于向京津冀地區遷移,而冷點區、次冷區則趨于向山西廣大區域轉移(圖7)。具體來看,1990—2000年太行山區土地系統利用綜合指數的熱點區主要集中分布在長治地區及其周邊區域,這與區域資源經濟的建設有關;隨著產業改革和政策導向指引,2000—2010年土地利用熱點區逐漸遷移至山西與河南兩省交界的運城、洛陽、安陽、鶴壁、新鄉、焦作等所轄縣域;2010—2015年進一步遷移至石家莊及其與京津相鄰的區域,這與京津冀協同發展戰略背景下的工業化建設及城鎮化人口集聚驅動土地需求增加有關。

圖7 太行山區土地利用沖突綜合指數的時空演化特征

4 結論與討論

4.1 結論

研究通過構建基于PSR評估框架的土地利用沖突強度診斷模型,對太行山區的土地利用沖突水平進行了定量測度,并對各縣級行政單元土地利用沖突強度演變的時空分異特征進行了探討,主要結論為:①1990—2015年太行山區的土地利用沖突強度有所緩解,綜合指數從0.219下降到0.166,呈進一步減緩趨勢。其中,1990—2010年土地利用綜合指數呈緩慢上升態勢,由0.219上升到0.282,土地利用沖突強度增加,受區域資源型經濟發展驅動作用顯著;2010—2015年,綜合指數由0.282下降到0.166,土地利用沖突強度大幅減緩,降幅達41.13%,受國家綠色發展政策及農業水利等基礎設施建設、退耕還林、鄉城人口遷移等因素影響,土地利用沖突可能逐步緩解。②1990—2015年太行山區土地利用沖突的壓力指數、狀態指數、響應指數及綜合指數的Global Moran′s I值分別為0.3059、0.1739、0.0969、0.2811,均通過了α=0.05的顯著性水平檢驗,壓力指數空間集聚特征最為顯著,響應指數空間集聚性較小。土地利用各指數時段Ⅲ的Global Moran′s I值均小于時段Ⅱ的值,說明太行山區時空格局上的土地利用沖突空間異質性逐漸增強。③1990—2015年太行山區各縣級行政單元的土地利用沖突綜合指數集聚特征顯著。土地利用熱點區、次熱區呈山西—河南—河北的遷移走勢,冷點區、次冷區趨于向山西廣大區域轉移。土地利用熱點區趨于向京津冀地區遷移,以石家莊、張家口、保定所轄縣域最為顯著,受京津冀一體化建設推動土地需求增加影響較大;土地利用冷點區主要分布在太行山區地形崎嶇且經濟發展落后的縣域,這可能與自身經濟發展后勁不足,域外城鎮化吸引山區人口外遷有關。

4.2 討論

在京津冀協同發展戰略的背景下,未來太行山區的土地利用沖突問題仍將進一步凸顯。作為京津地區產業轉移及人口疏解承載地的河北省太行山區域,地理區位優勢突出、土地資源豐富,在城鎮化發展、產業轉移承接地建設等方面將發揮重要作用。根據研究結論,建議進一步關注太行山低山丘陵區的土地利用沖突和山區國土空間功能優化問題,加強“京津冀+晉”產業協同發展規劃及生態聯同保護機制的研究和建設,開展以燕山—太行山區為主體的京冀晉豫四省生態經濟走廊建設的研究與探討。同時,受太行山區經濟發展落后的縣域人口外遷和農戶生計轉型的影響,太行山區土地利用的沖突有所緩解,但地形、發展底子薄等多種制約因素疊加的影響,太行山區的土地利用沖突問題不容忽視,特別是環京津貧困帶內集中連片特困地區的土地利用沖突問題在精準脫貧中應給予關注?？傊?隨著城市化與工業化的快速發展,太行山區的土地資源可持續利用及土地利用沖突緩解仍將是該地區協調發展需要關注的焦點。