絲綢之路經濟帶核心區新疆城鎮建設用地擴展的時空演變特征及影響機理

高 倩,方創琳,張小雷,劉海猛,任宇飛,4

1 新疆大學資源與環境科學學院,烏魯木齊 8300462 中國科學院地理科學與資源研究所,北京 1001013 中國科學院新疆生態與地理研究所,烏魯木齊 8300114 中國科學院大學,北京 100049

地球邁入“人類世”后,認知人類活動與地表環境系統的影響機理進而調控和管理人類行為,成為國際“Future Earth”研究計劃、IPCC項目、生物多樣性和生態系統服務政府間科學-政策平臺(IPBES)等重大研究計劃倡導的前沿領域與優先級主題[1-2]。自20世紀80年代,國內地理學者也先后強調要將自然環境過程與人文社會經濟現象的互動機理研究作為當代地理學發展的重要方向之一[3-4]。近年來,生態環境與城鎮化兩大系統的耦合與脅迫機理調控的研究框架強調自然與人文兩大系統之間的動態作用,也要認知系統內部各要素之間對另一系統要素的動態效應[5-6]。全球范圍的城鎮化引發的城鎮土地擴張,是人類活動影響自然環境系統改變的直觀體現[7]。城鎮建設用地,是陸地表層系統演化過程中人地矛盾最突出、最不可逆轉的地域,也是城鎮化復雜系統內部自組織和動態演化效應對生態環境系統影響最深、作用最直接的要素之一[8-9]。由城鎮建設用地擴展引發的區域生物地球化學循環[10]、氣溫變化[11]、生物多樣性減少[12]、不透水表面增加[13]等相繼引起科學家們的重視。因此,在對城鎮體系規劃、資源環境管理和調控、市場分析和服務分配等領域宏觀決策前,探明歷史階段和現狀實情的城鎮建設用地格局與擴展過程,實證解析城鎮建設用地擴展變化的主控要素及影響機理,是區域可持續發展的一項必要性工作[14]。

對已有城鎮建設用地擴展研究作以歸納和分析,在用地數據源方面,美國國家地理信息中心(NGDC)提供的夜間燈光影像適宜全球大、中尺度城鎮信息提取[15],Landsat等多源遙感數據與統計數據[16-17]多用于區域中、小尺度城鎮信息提取,我國搭建了LUCC時空平臺提供上世紀末至今的LUCC數據集[18]。城鎮建設用地時空特征模擬方面,除傳統土地利用動態度等表征指標外,近年來相繼應用自組織映射神經網絡[19]、Dyna-CLUE[20]、FLUS[21]、元胞自動機CA(Cellular Automata)與多智能體ABM(Agent-Based Model)[22]等新模型。在識別驅動因子的方法和技術手段上,相關或回歸分析[23]、SD系統動力學[24]、協整分析[25]等及基于空間分層異質性原理開發的地理探測器(Geodetector)新方法[26-28]先后被有效應用。已有文獻結論[27-29]證實自然要素中的地形、海拔、到市中心距離等和人文要素中的GDP、固定資產投資、人口密度、二三產業產值、城鎮化率等是影響城鎮建設用地擴展的主要因素。綜合來看,遙感監測數據與新模型方法的結合、自然條件和社會經濟條件綜合考慮探尋演變機理,是國內外城鎮建設用地擴展研究的新近趨勢。

2014年5月二次中央新疆工作會議,新疆被確立為“絲綢之路經濟帶核心區”,2015年4月,絲綢之路經濟帶被全國兩會列為中國新時期發展的三條戰略支撐帶之一,2016年3月,絲綢之路經濟帶核心區建設作為“十三五”規劃國家完善對外開放布局的重要部署。城鎮建設用地作為絲綢之路經濟帶核心區生產與生活的重要場所,也是絲綢之路經濟帶國內段邊疆支點與走廊門戶建設水準的重要體現,把控好絲綢之路經濟帶核心區新疆今天與未來城鎮建設用地布局的現實意義深遠。然而,絲綢之路經濟帶核心區新疆建設用地時空格局及其影響因子的目前研究[30-33]尚存在一些不足之處：①在城鎮建設用地時空格局的研究單元上,主要以個別區域或個別城市為案例區,全疆尺度的完整分析較少；②研究時段上,以近10—20年時間序列居多；③驅動要素探索上,多局限于分析人文經濟影響因素,而鮮少見自然環境本底因素和人文經濟因素共同解釋用地演變的時空分異程度及各因素交互作用影響的著眼點。鑒于此,本研究通過提取1980—2015年絲綢之路經濟帶核心區新疆城鎮建設用地變化信息,從總量趨勢、分地州市級區域、分用地類型及特殊性全面探析擴展的時空演變特征,在縣域尺度與各影響要素進行空間耦合匹配分析,定量判別影響城鎮建設用地擴展的人文主控要素和自然主控要素,探尋其作用機理,并以核心區重點發展區域天山北坡城市群和喀什都市圈的區域分異特征作分析和對比,以期對絲綢之路經濟帶核心區新疆城鎮建設用地有序調控和可持續管理提供科學認知及決策依據。

1 數據與研究方法

1.1 研究區概況

絲綢之路經濟帶核心區新疆,位于歐亞大陸中部,橫跨東經73°40′—96°23′,縱踞北緯34°25′—49°10′。疆域面積166 km2位列中國省區最廣,邊境線5600 km位列中國省區最長,接壤鄰境8國位列中國省區最多,是“古絲綢之路”的重要經商通道、民族遷徙走廊和多元文化交融地,是“新絲綢之路”北、中、南三條大通道的必經門戶。疆域典型地貌構造單元由高緯至低緯依次是：阿爾泰山、準噶爾盆地、天山、塔里木盆地、昆侖山,地形起伏大,海拔高程-155 m至8611 m,地物分布的垂直地帶性明顯,溫帶大陸性干旱氣候區,年均降水約155 mm,現有綠洲面積約14.3萬km2。2015年土地覆被類型按分布面積占比值大小依次為：未利用地(60.8%)、草地(28.6%)、耕地(4.7%)、水域(3.2%)、林地(2.3%)、城鄉建設用地(0.4%),見圖1。20世紀80年代至2015年,絲綢之路經濟帶核心區新疆全域城鎮化率由29.0%提升至47.2%,人口密度7.7%增至14.2%,年末總人口達2360萬人,約占全國總人口的1.7%；GDP由53億元增至9325億元,約占全國總GDP的1.4%；固定資產投資額由20.5億元增至2606億元,約占全國總投資額的1.8%。

圖1 絲綢之路經濟帶核心區新疆土地利用現狀及高程示意圖Fig.1 Land use status and the elevation map in Xinjiang, the Core Area of the Silk Road Economic Belt

本文研究區域定義為絲綢之路經濟帶核心區新疆下轄的14地、州、市,約占全疆域總面積的99.5%,不包括生產建設兵團“師市合一”城市性質的8個縣級市。另天山北坡城市群是國家主體功能區劃的重點開發區,也是中國—中亞—西亞國際經濟走廊的國內段起點,喀什都市圈是新疆“十三五”規劃綱要的重點建設區,也是中巴經濟走廊的國內段起點,因此將核心區這兩個重點區域作為案例區,對比分析了二者用地擴展的區域特征、主控要素及其影響機理的共性與分異性。

1.2 數據來源與影響要素選擇

研究區空間行政邊界矢量數據,取自全國地理信息資源目錄服務系統(http://www.webmap.cn)1∶100萬基礎地理信息數據庫。土地利用柵格數據,采用中國科學院資源環境數據云共享平臺(http://www.resdc.cn)1980—2015年7期1 km遙感監測數據,各期數據重建的用地類型綜合判別精度均符合制圖要求,解譯分類系統一致利于長時間序列用地信息獲取。DEM數據來源于國家地理信息中心。各年份有關社會經濟數據,來源于《中國縣(市)社會經濟統計年鑒》、《新疆五十年》、《新疆統計年鑒》等文獻資料。

城鎮建設用地擴展是社會經濟發展和環境本底條件約束共同作用結果。絲綢之路經濟帶核心區新疆三大山系包圍兩大盆地的特殊地貌輪廓是城市空間擴展的剛性環境約束基底,海拔高程、坡度及地形位等自然要素的地域分異特征明顯。自改革開放后,研究區經濟體量和城市體量不斷壯大,產業結構優化明顯,現代化建設成效顯著,非均衡性城市發展差異仍客觀存在。基于已有城鎮建設用地空間擴展因素研究的理論與實證分析結果[26-33],考慮近35年研究區人文因子的數據可得性與自然因子的可定量性質和對城鎮建設用地時空演變的影響程度,本文影響要素指標的選擇如下：選取X1(城鎮化率指數)、X2(人口密度指數)、X3(GDP指數)、X4(二三產業結構指數)、X5(固定資產投資指數),作為表征社會經濟發展的人文驅動要素；選取X6(地形起伏度)、X7(坡度)和X8(地形位),作為表征區域本底環境的自然驅動要素。所選指標均采用縣域統計數據,市單元不細分至轄區。

1.3 研究方法

(1)城鎮建設用地時空演變信息提取與統計

文中定義的城鎮建設用地包含城鎮用地與其它建設用地2類,現絲綢之路經濟帶核心區新疆城鎮建設用地總面積約為6700 km2,約占全疆域總面積0.4%,面積數值變化難以揭示時空擴展形態演進,遙感監測產品和GIS技術結合能直觀刻畫用地演變過程。對1980—2015年7期土地利用柵格數據,經重分類將城鎮建設用地像元類型定義為1,非城鎮建設用地定義為0。針對城鎮建設用地的動態演變特征,經柵格運算和制圖融合識別出穩定型、擴展型和轉化為其它用地三種類型[34],提取各年份城鎮建設用地時空信息。根據絲綢之路經濟帶核心區新疆地域面積大,城鎮建設用地零星分散特點,經比對不同尺寸的網格單元大小對縣域尺度用地信息的空間表達效果,最終確定,以創建10 km×10 km漁網(Fishnet)為宜,在研究區域形成15704個完整的百公里方格單元,與各年份用地數據作疊置分析,記錄每個網格內城鎮建設用地面積及其占網格面積百分比值；運用屬性選擇功能和字段計算器工具,對疊置后的數據圖層屬性表結果融合處理,統計絲綢之路經濟帶核心區新疆城鎮建設用地時空演變信息。用城市擴展強度指數UEII(Urban Expansion Intensity Index)表征起止時相的年均用地規模數量在時間維度的相對變化幅度,表達式為[35]：

(1)

式中,UAn+i與UAi分別表示起止時相的城鎮建設用地面積,n為起止時相間隔年份。

(2)地形要素指數提取

地形起伏度、坡度和地形位指數是地形因子最常用的指標[36]。其中,地形起伏度,是特定地域內最高海拔與最低海拔高程的差值,宏觀表征地表形態和地貌類型的空間分異程度。地形位指數,是高程和坡度的復合地理因子,綜合表征城鎮建設用地空間格局與地形梯度的關系,表達式為[37]：

T=ln[(E/E0+1)×(S/S0+1)]

(2)

式中,T為地形位指數；E和S分別為某點的海拔高程值(m)和坡度(°),E0和S0分別為某點所在區域的平均海拔高程值(m)和平均坡度(°),本文定義該點為各行政單元的政府所在地。海拔高程越高、坡度越大的區域地形位指數愈大,反之則愈小。對研究區DEM數據利用表面分析工具提取研究區地形起伏度、坡度和地形位指數,然后對各地形要素進行等級劃分。

(3)地理探測器模型

基于空間分層異質原理開發的地理探測器,是定量表達不同區域之間地理現象差異性因子解釋效應的有力工具,且可揭示任意兩個自變量對因變量的交互作用類型,已被廣泛運用在自然環境科學和社會經濟等領域[38-42]。該模型可將用地擴展的多類影響要素在同一空間尺度下離散歸一化處理,能有效解析城市擴展空間分異的驅動機理[26-28]。其優點在于影響因素的地理探測力q值沒有線性假設,其明確的物理含義能客觀地探測出自變量解釋100×q%的因變量[43-44],地理探測力q值的表達公式為：

(3)

2 絲綢之路經濟帶核心區新疆城鎮建設用地擴展的時空演變特征

基于各期遙感解譯數據集提取的用地類型信息,從總量趨勢、分地州市級區域、分二級用地類型及特殊性方面把握絲綢之路經濟帶核心區新疆城鎮建設用地擴展的時空格局與演變過程。研究區全域城鎮建設用地總面積由1980年的881 km2擴展至2015年的3416 km2,35年間共擴展約2.9倍,時間序列下的空間演變特征如下圖2。

圖2 1980—2015年絲綢之路經濟帶核心區新疆城鎮建設用地時空演變圖Fig.2 Spatio-temporal evolution map of urban construction land in Xinjiang, the Core Area of the Silk Road Economic Belt (1980—2015)

2.1 擴展總量不斷增加,但強度波動增長且以分散小斑塊為主

據時間序列的動態視角,絲綢之路經濟帶核心區新疆城鎮建設用地面積總量不斷增加,但擴展強度呈波動增長態勢。具體表現為：1980—1990年和2000—2005年為較快擴展,年均擴展強度為4.9%、5.4%；1990—1995年為近乎停滯狀態,年均僅擴展0.2%；1995—2000年和2005—2010年為緩慢擴展,年均擴展強度1.2%、1.6%；2010年后城鎮建設用地擴展為近35年來最強,年均擴展強度15.4%。據空間過程的動態視角,整體呈現擴展態勢,但城鎮建設用地斑塊以小面積單元為主,且在核心區全域空間極為分散。如表1,絲綢之路經濟帶核心區新疆城鎮建設用地斑塊網格數量在1990—1995年擴展停滯階段略減少,其他年份均增加；百公里方格網內分布的城鎮建設用地斑塊面積以1—10 km2為主導,占總網格數57%—67%；百公里方格網內分布的城鎮建設用地在10—50 km2斑塊數量逐年增加,50 km2以上斑塊數量有擴增潛力。說明城鎮建設用地總體仍呈現擴展態勢,用地斑塊以小面積單元為主,且在核心區全域空間極為分散。

表1基于10km×10km格網的絲綢之路經濟帶核心區新疆城鎮建設用地擴展程度統計

Table1Theurbanconstructionlandexpansiondegreeusinga10km×10kmgridinXinjiang,theCoreAreaoftheSilkRoadEconomicBelt

年份Year城鎮建設用地Urban construction land用地斑塊面積Patch size/km20—11—1010—5050≤總計Total1980網格數63141170221面積39.0496.0340.30875.31990網格數 77147322258面積42.0552.3597.3115.01306.61995網格數73144342253面積39.9545.0631.6108.01322.52000網格數66154353258面積39.0570.3611.5178.51399.32005網格數75168493295面積43.1629.4904.4190.81767.72010網格數64183514302面積32.2662.6962.8254.51912.22015網格數 107396828593面積50.81201.61621.5502.93375.7

2.2 分地州市城鎮建設用地擴展的時空差異性顯著

絲綢之路經濟帶核心區新疆各地州市城鎮建設用地擴展的時空差異性顯著。在面積規模上,核心區擴展面積最大的地州市烏魯木齊市城鎮建設用地面積值476 km2,城鎮建設用地超過10 km2方格網數量占全市的1/2,超過50 km2方格網數為4個,占了核心區全域的1/2；博爾塔拉蒙古自治州、克孜勒蘇柯爾克孜自治州、和田地區三地州的城鎮建設用地面積都不足60 km2。在擴展程度上,有“華夏第一州”之稱的巴音郭楞蒙古自治州為最高,昌吉回族自治州和烏魯木齊市次之；南疆克孜勒蘇柯爾克孜自治州、和田地區1980—2015年僅擴展了8 km2、19 km2,是全疆城鎮建設用地擴展最慢的地州。在時序變化上,如圖3,1990—1995年和1995—2000年,少數地州市單元出現不同幅度城鎮建設用地向其它用地類型轉化情況；2005—2010年,除巴音郭楞蒙古自治州、喀什地區增勢較為明顯外,其他地州市均無明顯擴展態勢；進入“十二五”后,各地州市城市建設步伐加快,除克拉瑪依市、塔城地區外,其余12地州市的城鎮建設用地擴展強度均為近35年來最高。

圖3 1980—2015年絲綢之路經濟帶核心區新疆各地州市城鎮建設用地擴展情況Fig.3 The urban construction land expansion in various regions in Xinjiang, the Core Area of the Silk Road Economic Belt (1980—2015)

2.3 次一級城鎮建設用地類型擴展的動態變化明顯

城鎮建設用地分次一級類型來看,絲綢之路經濟帶核心區新疆城鎮用地與其它建設用地兩類擴展過程有明顯動態變化特征。如下圖4所示,1980年城鎮用地和其它建設用地面積占比約為2∶1,城鎮用地分布為主導；1990—2000年城鎮用地面積占比逐年增加,2000年占比69.8%達到最大值；2005—2015年其它建設用地擴展明顯增強,其面積占比逐年增加至2015年超過城鎮用地,成為次一級用地的主導類型。20世紀改革開放初期,絲綢之路經濟帶核心區新疆其它建設用地主要零星分布在首府烏魯木齊市、克拉瑪市、吐魯番市、哈密市、昌吉回族自治州等少數資源型城市和工業化較為發達的地州市。大型工業區、礦業區、采石場、油田等工業場地開發建設及交通道路鋪設與基礎設施新建活動,促進其它建設用地大面積擴展。尤其自“十二五”以來,其它建設用地在在巴音郭楞蒙古自治州、阿勒泰地區、阿克蘇地區、伊犁州直屬縣(市)、塔城地區擴展強度也均增幅明顯。

圖4 1980—2015年絲綢之路經濟帶核心區新疆城鎮建設用地分類別擴展情況Fig.4 The classification of construction land urban construction land expansion in Xinjiang, the Core Area of the Silk Road Economic Belt (1980—2015)

2.4 城鎮建設用地擴展受自然本底脅迫和經濟社會要素影響的特殊性

絲綢之路經濟帶核心區新疆受自然本底脅迫條件和經濟社會發展進程的多重因素,城鎮建設用地擴展有其特殊性。全域高山與盆地相排列,盆地被高山所環抱,海拔高程、坡度及地形位等自然要素的地域分異特征明顯,決定了適宜城鎮建設用地比重較低的特殊性。孤立且分散的綠洲多分布在塔里木盆地和準噶爾盆地的南緣、西緣、北緣的近山地區,是人類生產生活空間的主要承載地域。研究區2015年城鎮化水平低于全國同期近9個百分點,二三產業比重不足60%的縣域占全域的15%,平均每10000km2土地面積僅分布14人,社會基礎設施建設和運營投資成本較高,決定了城鎮建設用地布局在空間零星散布的不均衡性和擴展緩慢的特殊性。城鎮建設用地擴展區域主要在首府烏魯木齊市、工業化水平較高的克拉瑪依市、條帶狀縣域單元密集的昌吉回族自治州及吐魯番市和哈密市；相較之,自然環境約束程度更高和經濟社會發展水平更低的和田地區、克孜勒蘇柯爾克孜自治州等縣域城鎮建設用地面積較少、擴展較慢。

3 絲綢之路經濟帶核心區新疆城鎮建設用地擴展的影響要素與機理分析

3.1 城鎮建設用地擴展程度與各影響要素的空間耦合分析

利用城鎮建設用地擴展程度與各影響要素的分級在縣域尺度上進行空間耦合匹配分析,其中烏魯木齊市和克拉瑪依市2地級市,因缺少早期市轄區統計資料按現各市級行政區為統計單元；哈密市和吐魯番市2地級市,在2015—2016年更設地級市前分別為哈密地區和吐魯番地區各下轄1市2縣,現以各縣域行政區為統計單元。

與各類要素進行空間匹配結果如圖5所示,城鎮建設用地擴展較低的縣域單元集中在和田地區、喀什地區、克孜勒蘇柯爾克孜自治州、阿克蘇地區、博爾塔拉蒙古自治州、伊犁州直屬縣(市)、阿勒泰地區、巴音郭楞蒙古自治州大部分及哈密地區北部。中城鎮建設用地擴展縣域主要集中在昌吉回族自治州東部、塔城地區部分縣域、吐魯番市東西兩翼及巴音郭楞蒙古自治州庫爾勒市。城鎮建設用地擴展程度較高的地區集中在烏魯木齊市和克拉瑪依市2個傳統的地州級城市,及巴音郭楞蒙古自治州東部的若羌縣和哈密市伊州區(2016年撤地設市前為原哈密地區哈密市)。

圖5 絲綢之路經濟帶核心區新疆城鎮建設用地擴展與要素空間匹配分布Fig.5 Spatial matching distribution of urban construction land expansion and elements in Xinjiang, the Core Area of the Silk Road Economic Belt

3.2 絲綢之路經濟帶核心區新疆城鎮建設用地擴展的主控影響要素

根據地理探測器模型因子分析模塊,8項要素對城鎮建設用地擴展的影響力qD,U值的探測結果(p value = 0.00)分別為X1城鎮化率(0.41)、X2人口密度(0.20)、X3 GDP(0.33)、X4二三產業比重(0.37)、X5固定資產投資(0.31)、X6地形起伏度(0.40)、X7坡度(0.37)、X8地形位(0.57)。由此可知,地形位、地形起伏度、城鎮化發展水平、二三產業比重、坡度的要素影響效力較大；GDP要素、固定資產投資和人口密度要素影響較小。

交互作用探測結果顯示各要素對絲綢之路經濟帶核心區新疆城鎮建設用地擴展的影響起到正向強化效應,各類要素兩兩交互作用后的綜合因子解釋力顯著大于各因子獨立作用之和(表2)。在28對交互因子中,共計有17對交互因子綜合作用的解釋力超過0.990,GDP與二三產業比重、地形起伏度、地形位指數,人口密度與地形位指數、城鎮化率與固定資產投資5對交互因子的影響力qD,U=1,說明該種組合綜合影響力與城鎮建設用地擴展變化在空間上有顯著一致性,極強地解釋了縣域建設用地擴展的分異程度。各交互要素組合效果顯示為非線性協同與雙要素協同兩類,非線性協同效果要更顯著。其中,城鎮化率∩地形位指數的交互作用為雙要素協同類型,其他所有要素交互組合為非線性協同類型。

表2 各要素交互作用對城鎮建設用地擴展的影響

UR：城鎮化率,Urbanization rate index；PD：人口密度指數,Population density index；MPSP：二三產業比重指數,Manufacturing and producer services proportion；FAD：固定資產投資指數,Fixed asset investment index；LR：地形起伏度,Landform relief；S：坡度,Slope；TN：地形位指數,Terrain niche;NE(Nonlinear enhancement)表示非線性協同作用,BE(Bi-factor enhancement)表示雙要素協同作用

綜合地理探測器因子分析模塊和交互作用模塊的探測結果,判定地形位指數、城鎮化率、地形起伏度、二三產業比重為影響絲綢之路經濟帶核心區新疆城鎮建設用地擴展的主控要素。

3.3 絲綢之路經濟帶核心區新疆城鎮建設用地擴展的主控要素作用機理

進一步分析研究區影響城鎮建設用地擴展主控要素的作用機理,為城鎮因地制宜、科學規劃和調控未來發展提供參考依據。

(1)高地形位指數限制城鎮建設用地場所的選擇。該指數是地形與坡度的綜合表征,地形位特征為用地格局提供基礎,地形梯度也影響著用地結構與變化方向。該項單因子作用的解釋力為0.57,是影響絲綢之路經濟帶核心區新疆縣域城鎮建設用地分布與擴展規模的首要主控要素。受地形位指數限制較大的縣域主要分布在塔里木盆地北緣、天山南麓的阿克蘇地區、喀什地區、巴音郭楞蒙古自治州北部,及阿爾泰山一帶阿勒泰地區。地形位指數低的區域通常交通較為便利,經濟水平較為發達,信息化條件也較好,人類居住生活和從事生產活動的適宜度與便利度更高,是城鎮建設用地新建的傾向性選擇；而高地形梯度區限制城鎮建設用地場所的選擇與擴建,且高地形位區用地規模擴展對所需的水資源供給、交通道路等配套設施及建筑安全系數皆增加了難度。

(2)城鎮化率提升刺激城鎮建設用地擴展。從縣域尺度看,中高城鎮化水平增長刺激城鎮建設用地擴展集中在天山北坡城市群縣域及東疆若羌縣和伊州區。近35年以來,絲綢之路經濟帶核心區新疆建制市數量明顯增長,城市體系以小城鎮為主向大中城市規模轉變,城市行政地域規模及其常住人口總量直接決定其城鎮化水平的高低,進而影響其實體地域范圍擴展。1980年僅有烏魯木齊1個地級市和克拉瑪依等7個縣級市,2015年末發展至烏魯木齊、克拉瑪依、吐魯番3個地級市和22個縣級市。同期,全域城鎮化水平提升18.2%,城鎮建設用地面積擴展2535 km2,即城鎮化水平每提升1%,所新增的城鎮建設用地面積為139 km2。自治區“撤縣建市”、“撤鄉建鎮”、小城鎮試點改革、新型城鎮化規劃及行動計劃等工作推進及全疆農業轉移人口落戶城鎮的措施與機制制度的補全健全,農村轉移和遷移人口落戶城鎮后的居住、從業、教育、娛樂等功能區的土地需求量對城鎮建設用地擴展起正向協同促進效應。

(3)高地形起伏度脅迫城鎮建設用地擴展。平坦開闊之地,用地選址的自由度較大,且規模擴展的可操作性較強。核心區全域以中海拔梯度為主要地形地貌特征,其占比超過1%的類型有：低海拔(<1 km)占22.4%、中海拔(1—2 km)占42.3%、中高海拔(2—4 km)占14.1%、高海拔(4—6 km)占15.78%、極高海拔(>6 km)占2.8%及現代冰川占1.4%。高地形起伏地勢對城鎮建設用地擴的開發和擴展具有相當大程度的脅迫性,連片的低城鎮建設用地擴展高、中地形起伏度匹配區域集中在昆侖山和天山山脈西側的邊境城鎮帶及北部阿爾泰山麓的部分縣域,高地形起伏度區城鎮建設適宜用地占比也較低。

(4)二三產業比重增高拉動城鎮建設用地擴展。區域產業結構水平,是體現生產社會化程度與市場經濟水平高低的重要標志。全域三次產業結構比由1980年40.4:40.3:19.3變動為2015年16.7:38.6:44.7,實現自“一二三”以農業為主向“三二一”以服務業為主的產業結構升級；同期就業結構也由70.0:14.8:15.2變動為44.1:15.2:40.8。在縣域尺度單元,富蘊縣(60.55%)、柯坪縣(60.2%)、阿克陶縣(57.0%)的二三產業比重提升幅度均實現50%的跨越式發展。一方面,工業、建筑業、各類服務業等二三產業投入產出效率相對較高,生產要素集聚和規模發展均需以土地作為載體,并對與之配套的交通鋪設、商業及公共服務空間等設施提出更高的需求,勢必致使城鎮建設用地擴展的剛性需求；同時,“西部大開發”戰略及內地省市援疆計劃引進建設項目和資金,大規模工業園區、商業園區、基礎設施及民生工程設施等新建在很大程度上拉動城鎮建設用地定向擴展。

3.4 絲綢之路經濟帶核心區“一群一圈”城鎮建設用地擴展分異的影響要素及機理

天山北坡城市群,區域總面積19.28萬km2,城鎮建設用地總面積由1980年的472 km2擴展至2015年的1598 km2,35年間共擴展約2.4倍。喀什都市圈,區域總面積18.46萬km2,城鎮建設用地總面積則由1980年的66 km2擴展至2015年的253 km2,35年間共擴展約2.8倍。

根據地理探測器模型分析結果,各要素對“一群一圈”城鎮建設用地擴展的影響力如下圖6。經對比可知,固定資產投資、坡度、地形位指數均是兩重點發展區域共同的主控影響要素(qD,U均高于0.95),GDP指數的影響程度都較低；有明顯分異性的是,天山北坡城市群二三產業比重要素影響力明顯(qD,U=0.86),而喀什都市圈人口密度要素影響力明顯(qD,U=0.94),說明產業結構升級與人口集聚分別是二者城鎮建設用地擴展分異的顯著驅動因素,這與其各自發展階段有關。天山北坡城市群歷來是全疆人口和產業最密集的區域,也是核心區內唯一的城市群建設單元,產業結構升級的利益驅動主導著城鎮建設用地擴展,即處于城市群發展的較高級階段；而喀什都市圈尚處于區域發展的初級階段,以人口數量的增加導致城鎮建設用地的自然擴展。此外,城鎮化率驅動作用天山北坡城市群強于喀什都市圈,而喀什都市圈的地形起伏度限制程度則要高于天山北坡城市群。

圖6 天山北坡城市群和喀什都市圈城鎮建設用地擴展的各要素影響力Fig.6 The explanatory power of influential factors of urban construction land expansion in Tianshan North-slope urban agglomeration and Kashgar metropolitan region

4 結論與討論

本文將絲綢之路經濟帶核心區新疆近35年以來的城鎮建設用地擴展作為一個時空變化系統進行分析,提取1980—2015年七個年份城鎮建設用地演變信息,借助10 km×10 km網格單元對時間過程和空間擴展程度加以統計,從總量趨勢、分地州市級區域、分用地類型及特殊性全面探析擴展的時空演變特征,采用地理探測器模型,在縣域尺度定量診斷城鎮建設用地擴展的人文要素和自然要素的影響程度及要素之間的交互作用,進而識別主控要素并解釋其作用機理,探析天山北坡城市群和喀什都市圈兩個重點發展區域的分異性。主要結論如下：

(1)絲綢之路經濟帶核心區新疆城鎮建設用地總面積由1980年的881 km2擴展至2015年的3416 km2,35年間共擴展約2.9倍。在時間序列上,面積總量不斷增加,但擴展并非逐年增強而呈現波動增長態勢,2010—2015年全域擴展強度最大；在空間過程上,總體呈現擴展態勢,斑塊以小面積單元為主且極為分散。各地州市城鎮建設用地的面積規模和擴展程度時空差異性顯著。城鎮用地與其它建設用地兩類次一級用地擴展具有動態變化特征。受自然本底脅迫條件和經濟社會發展過程的多重影響,絲綢之路經濟帶核心區新疆城鎮建設用地擴展有其特殊性。

(2)對城鎮建設用地擴展程度與各影響要素在縣域尺度進行空間耦合匹配分析,全域以城鎮建設用地低水平擴展與各級影響要素水平的匹配關系為主,中高程度城鎮建設用地擴展集中在北疆天山北坡城市群大部分縣市及東疆部分縣市和巴音郭楞蒙古自治州東部的若羌縣。該結論與前人在全疆域地州尺度的研究結果基本吻合,且在速率程度、結構變化及空間分異的大體態勢也趨近[31]。

(3)綜合地理探測器因子識別和交互作用探測結果,判定地形位指數、城鎮化率、地形起伏度、二三產業比重為影響絲綢之路經濟帶核心區新疆城鎮建設用地擴展的主控要素。綜合來看,以自然環境要素為主導,經濟發展要素次之,人口集聚要素對城鎮建設用地擴展的影響最小。進一步分析各主控要素的作用機理,為絲綢之路經濟帶核心區新疆城鎮因地制宜、科學規劃和調控未來發展提供參考依據。

(4)重點發展區域天山北坡城市群和喀什都市圈城鎮建設用地擴展的各類要素影響力有共性也有分異性。兩區域共同的主控影響要素為固定資產投資、坡度和地形位指數,而二三產業比重要素在天山北坡城市群影響力明顯,人口密度要素在喀什都市圈影響力明顯；且城鎮化率驅動和地形起伏度脅迫程度在兩個區域內有分異性。該結論也驗證了已有研究發現因區域發展階段不同而使城市擴展的主控驅動要素有別的客觀差異,通常經濟發達區域的城市擴展以經濟增長為主要驅動力,而欠發達區域則以人口涌入等自然擴展驅動力為主[45],較為發達的天山北坡城市群與尚處在初級階段的喀什都市圈的對比結果恰驗證了這一客觀規律。

1980年以來,處于西部省區的絲綢之路經濟帶核心區新疆與我國城市擴展集中發生地的東中部地區相比較,其城鎮建設用地時空演變特征共性體現在擴展總量不斷增加,且主要集中在城市群地區,得益于改革開發政策后中國城鎮化與城市群建設的輝煌成就[46]。有明顯差異的是,2010年后,國家主體功能區規劃對國土空間開發格局的有效管控抑制了“攤大餅”傳統擴展模式,東、中部地區建設用地擴展面積分別呈現大幅減少、略有減少態勢,擴展速度放緩[18]；而該時段絲綢之路經濟帶核心區新疆擴展幅度為近35年來最強。東中部地區城市擴展的縣域差異日趨縮小,中小城市發展加快,兩級分化現象緩解,且新增城鎮建設用地的次一級類型始終以城鎮用地為主[47-48]；而新疆城市擴展以建設用地基數大的城市為主,尤其南疆及部分邊境中小城市擴展仍相對緩慢,次一級類型獨立工礦等其它建設用地自2005年后擴展明顯增強,至今面積占比量已超過城鎮用地。東中部濕潤、半濕潤地區城鎮建設用地擴展主要在地形起伏度較小區域[37, 47],而干旱區新疆自然本底基礎決定了城鎮發育以分散綠洲為主體依托,綠洲城鎮沿三大山脈麓前盤踞,環南北疆兩大盆地邊緣呈串珠狀展布。究其根本,絲綢之路經濟帶核心區新疆與東中部地區的城鎮建設用地擴展差異由地域分異自然基礎與社會經濟發展歷史進程和現狀階段差異所致。

科學地監測和認知是可持續發展系統解決方案分解步驟的第一步,本文以分析1980—2015年長時間序列下絲綢之路經濟帶核心區新疆城鎮建設用地擴展時空演變特征——識別城鎮建設用地擴展與各影響要素的耦合匹配關系——判定影響城鎮建設用地擴展的主控要素——探究其作用機理為框架思路展開研究。將陸地表層的自然要素與人類社會經濟要素結合的綜合研究,是當代地理學科發展的重要方向。地理探測器模型的引入,不僅定量診斷核心區縣域尺度的不同類人文經濟要素和自然本底要素對城鎮建設用地擴展的影響及交互作用進而識別其主控驅動要素,而且對比分析了核心區兩個重點區域天山北坡城市群和喀什都市圈用地擴展的共性與差異,進一步揭示用地擴展分異主控要素及其影響機理,兼顧了城鎮建設用地擴展的區域異質性與時空非平穩性的考慮。但研究仍存在一定的局限性：1)本文僅以縣域尺度時間序列完整、可定量的經濟社會因素指標和自然因素指標作以實證剖析,國家及自治區層面的土地差別化宏觀政策及具體指令性用地配額等行政因素[49]未計入探測范圍,一方面因其在縣域尺度難以定量化,另一方面已采用的固定資產投資額指標、二三產業結構優化是政策實施結果的重要表現方面。2)局限于對近35年以來現有數據的探究,后續分析可運用系統耦合模型和計量經濟學模型對耦合關系與狀態、預測及預警方面加以深入研究。在絲綢之路經濟帶核心區新疆經濟社會穩定發展的前提下,充分考慮自然環境本底脅迫性、經濟社會的發展程度及區域特殊性,把握分區域分城市的主控要素,通過一定的政策手段引導城鎮建設用地的理性擴展和總體布局,提高用地效率和協同發展水平,因地因城因類差別化地制定區域調控措施,進一步加快絲綢之路經濟帶國內段邊疆支點和走廊門戶建設。