蘇州城鄉非建設用地破碎化的時空特征?

邵大偉 吳殿鳴

蘇州科技大學建筑與城市規劃學院 江蘇蘇州 215011

規劃的要意不僅在規劃建造的部分, 更要千方百計保護好留空的非建設用地[1-2]。 當前,針對建設用地的界定較為明確[3], 然而因不同學科領域所關注視角的差異, 對于非建設用地一直存在較多的理解, 一種強調城市非建設用地, 突出城市規劃的范圍, 將非建設用地定位為區域或市域范圍內的非建設用地( 《城市用地分類與規劃建設標準》 (GB50137-2011) ); 另外, 又有非城市建設用地和非建設用地區分,前者重在城市范圍之外的非建設用地, 包括了鄉村建設用地, 而后者則不包括[4-7]。 本研究重點關注非建設用地景觀空間的縮減和破碎化問題, 內部類型的劃分也主要參考了新的《城市用地分類與規劃建設標準》 (GB50137-2016),著眼于城鄉統籌的視角, 包括了建設用地之外的城鄉非建設用地, 不包括鄉村建設用地。

城市規模的急劇擴張是我國城市高速發展的主要表現, 大量相關研究關注了建設用地的擴張、 格局演變、 利用評價、 景觀特征、 生態效應等問題[8-11]。 然而, 與建設用地相對應的非建設用地的受關注程度依然相對較低, 現有研究主要集中在非建設用地的政策研究、 規劃理念、 保護對策, 諸如非建設用地的“控用結合” 規劃思路, 綠色基礎設施、 生態網絡視角下的規劃策略[12-15]。 破碎化現象是城鎮化進程中城鄉景觀格局演變的突出問題, 制約著非建設用地生態服務功能的發揮, 也是生態環境質量提升、 生物多樣性保護的重要限制性因素。破碎化研究主要集中在森林、 耕地、 草地等自然資源方面, 近年來人類活動程度較高的城市空間或城市綠地的相關研究逐漸增多[16-19]。 空間破碎化改變了城鄉土地利用結構特征, 并對人的經濟與社會活動在空間上的表現產生影響,成為阻礙城鄉可持續發展的重要因素。 快速城鎮化進程中, 尤其是在我國綠色轉型發展、 深入貫徹實踐“兩山理念” 的背景下, 以“山水林田湖草” 為主體的城鄉非建設用地作為一個生命共同體, 具有何種演化趨勢、 破碎化程度如何、 呈現怎樣的空間特征、 在空間的重點區域如何識別并加以控制或修復, 成為亟待揭示或解決的問題。

1 研究地概況及研究方法

蘇州地處東經119°55′～121°20′、 北緯30°47′～32°02′, 總面積8 657.32 km2。 全市地勢低平, 境內河流縱橫、 湖泊眾多, 是著名的江南水鄉, 自然生態環境優良。 蘇州地處我國東部發達地區、 城鎮密集區, 社會經濟發達, 城鎮化水平高, 截至2017 年, 蘇州市人均GDP 達到14.56 萬元, 城市化率78%, 遠高于58.5%的全國平均水平(源自《中華人民共和國2017 年國民經濟和社會發展統計公報》 )。 蘇州社會經濟的快速發展和高度快速的城鎮化, 促使城鄉建設規模和速度一直處于較高的水平, 建設用地擴張對非建設用地空間的蠶食和侵占問題較為突出, 具有較強的代表性和研究價值。

1.1 數據來源及處理

選用多時相Landsat TM ＼ ETM 遙感影像作為基礎數據來源, 分辨率30 m。 結合蘇州城鎮化進程及城市建設用地的擴張特征, 并充分考慮時間跨度的均衡性, 確定時間節點為1995、2000、 2005、 2010、 2015 年5 個年份。 以2016年55 個鎮和41 個街道為研究單元(源自《蘇州統計年鑒-2017》 ), 同時將平江城區、 金閶區城區、 平江區城區的街道進行合并, 把太湖、長江作為單獨的一個自然空間單元進行觀測,研究單元共計89 個。

采用ArcGIS 與易康(eCognition) 結合分析地物光譜特征和其他圖像特征, 針對地形破碎、地物分布復雜的特點, 充分利用高程、 坡度等地理輔助信息以有效提高分類精度。 參考國內外現有的土地利用、 土地覆蓋分類體系, 以及遙感信息源的實際情況進行遙感影像的解譯和驗證, 將城鄉非建設用地數據類型劃分為耕地、林地、 草地、 水域、 未利用土地。

1.2 主要研究方法

景觀格局指數和空間自相關分析是當前景觀格局研究中最為廣泛和有效的手段。 借助斑塊密度 (PD)、 最大斑塊占景觀面積的比例(LPI)、 景觀形狀指數 (LSI)、 分離度指數(DIVISION)、 聚合度指數(AI) 考察破碎化景觀格局的整體演變特征[20], 并利用主成分降維分析去除共線性等問題[21], 進一步利用空間自相關揭示非建設用地破碎化演變的區域特征[22]。

2 非建設用地的破碎化趨勢及特征

2.1 非建設用地的整體破碎化趨勢及特征

蘇州城鄉非建設用地呈現出快速縮減的趨勢, 1995—2015 年 由 7 708.49 km2減 少 到6 243.70 km2, 減少為1995 年的81.0%。 20 年共減少1 464.79 km2, 年均減少73.24 km2。 減少最多的時段為2000—2005 年, 減少810.38 km2,占減少總量的55.3%。

蘇州城鄉非建設用地的快速減少, 其破碎化趨勢明顯。 PD、 LSI 指標增加明顯, 分別由1995 年的0.174 7、 41.888 5 增長到2015 年的0.297 3、 51.915 1, 斑塊減小, 密集程度直線上升, 形狀邊緣復雜程度在逐漸提高, 土地利用程度更加豐富, 其不定性的信息含量也越大。與此同時, LPI 和AI 指數逐漸下降, 由1995 年的42.080 1、 98.110 1 減小到2015 年的29.064 0、97.459 2, LPI 反映出最大斑塊的優勢在減小,大型自然生態型斑塊受到持續的蠶食; AI 的減小則表明非建設用地斑塊的離散化程度在增加,愈加分散。

2.2 不同類型非建設用地的破碎化趨勢及特征

2.2.1 不同類型非建設用地破碎化指數的演化特征(表1)

1995—2015 年, 蘇州市域非建設用地的主體均為耕地和水域, 但內部類型空間發生較大改變,1995 年耕地、 水域分別占非建設用地總面積的58.7%和38.4%, 2015 年兩者分別為45.7%和51.0%, 耕地占比減少13 個百分點、 水域占比增長13 個百分點。 耕地面積減少1 671.11 km2、 水域面積則增加218.30 km2, 草地、 林地、 未利用土地面積總體較少, 整體幅度變化不大。

表1 不同類型非建設用地破碎化指數及其變化

1) 耕地銳減, 破碎化強烈。 1995—2015年, 耕地PD、 LPI 和DIVISION 指數快速增加,PD 指數增長5.2 倍, LPI 指數增長1.3 倍, DIVISION 指數增長1.2 倍, 斑塊密度大幅增加,形狀曲折化程度和被蠶食程度顯著加深, 相互之間的聯系和聚集程度也明顯減弱。 與此同時,LPI 指數減小為1995 年的1/3, 最大斑塊對整體的控制和影響銳減; AI 整體減小, 耕地斑塊的分散化程度在逐步加深, 但強度不大, 表明耕地的減少以邊緣蠶食為主。 景觀破碎化程度最為明顯的時段與面積減少同步。

2) 水域整體性較好, 規模穩中有升。 研究周期內水域表現出一定的破碎化趨向, PD 指數由0.126 5 增加到0.161 6、 LSI 指數由24.951 8增加到29.119 9, 密度增加較為顯著, 形狀指數更加復雜。 相反, 太湖、 長江等大型自然水體未受到明顯影響, 而一些小型水系數量逐漸增加, LPI 指數略有增加, 由23.146 9 增加到29.064 0, 最大斑塊的權重和影響力在增加;DIVISION 指數逐漸減小, 由0.942 2 減小到0.908 5, 斑塊之間有進一步集聚、 聯系加強的趨勢, AI 指數基本未發生明顯變動。

3) 草地、 林地、 未利用土地略有破碎化。草地、 林地、 未利用土地PD 指數均有不同程度增加, 耕地、 草地增長1.2 倍, 未利用土地增長2.1 倍; 形狀指數LSI 存在增減差異, 未利用土地明顯增加, 林地整體在增大, 但不穩定,先增大后有減小趨勢, 形狀更加細碎, 而草地則在波動中下降, 整體化趨勢有所加強; LPI 值變動不穩定, 草地先增大后減小、 林地持續增大、 未利用土地先增大后減小, 表明草地、 林地大斑塊對整體景觀的控制影響具有增大的趨勢, 未利用土地在經歷大斑塊增加后又有破碎加劇的特點; 草地、 林地、 未利用土地的DIVISION 和AI 指數基本未表現出變化, 僅有未利用土地AI 減小, 分散化加劇、 聯系度降低。

2.2.2 不同類型非建設用地破碎化指數演化的綜合特征

根據景觀指數主成分因子載荷和成分矩陣,提取1995 年2 個主成分, 其余4 個時間節點各為1 個, 其中, 1995 年2 個主成分分別為優勢性和集聚性因子; 2000 年和2005 年為優勢性因子; 2010 年和2015 年為集聚性因子。 主成分因子數量和類型的變化表明: 1995 年前后非建設用地未有明顯破碎化問題, 優勢性和集聚性斑塊分布特征均較好; 2000 年后大型斑塊對整體空間格局保有優勢和控制, 但斑塊的密度和集聚程度顯著下降; 2010 年后優勢性因子大大減弱, 聚集性特征具有相對較強的解釋力。 進一步計算各時間節點、 各類型非建設用地的主成分因子得分情況, 結果表明: 5 個時間段不同類型非建設用地得分情況均為耕地＞水域＞林地＞草地＞未利用土地; 除水域外, 其他類型破碎化水平快速下降, 耕地對其他景觀類型的優勢和控制力在逐漸降低, 尤其是2010 年后耕地破碎化形勢較為嚴峻。

3 破碎化的空間相關性特征及其演變規律

3.1 破碎化的全局自相關演變特征

研究周期內非建設用地破碎化在市域空間呈現了較為顯著的空間集聚特征, 但呈現出集聚度逐漸降低、 不顯著的變化趨勢。 1995、2000、 2005、 2010 全局自相關Moran 指數分別為0.473 0、 0.537 7、 0.356 6、 0.248 7, 而2015年的全局空間自相關指數僅為0.070 4, 未達到顯著水平, 表現為隨機分布特征。 非建設用地破碎化水平不斷提高, 空間分布整體呈現出集中開發建設到散點化建設的趨勢, 碎片化程度不斷加深。

3.2 破碎化的局域自相關演變特征

為深入揭示非建設用地破碎化的局域空間特征和關系, 對89 個鎮域單元破碎化水平局域自相關指數的空間分布狀態進行測算。 如果指數值為正、 且顯著的, 表明該單元周圍的值相對較高(高于均值), 屬高值空間集聚(熱點區); 反之, 如果指數值為負、 且顯著的, 則表明該單元周圍的值相對較低(低于均值), 屬低值空間集聚(冷點區)。 進一步采用Jenks 的Natural Break 方法分成熱點區、 次熱區、 次冷區、 冷點區4 類(圖1)。

1) 沿長江、 太湖區域破碎化水平整體較低,但熱點區域逐漸消退。 1995 年破碎化程度較低的區域集中在沿江熱點區域和沿太湖的次冷點區域, 分別包括長江、 金港、 碧溪、 城廂等14 個單元和太湖、 楓橋、 長橋3 個單元; 2000 年后太湖區域的次冷點區域消失, 2000—2010 年沿長江區域約14 個鎮域單元的景觀穩定性相對較好, 持續表現為熱點, 次冷點僅有2000 年的楓橋和長橋、 2005 年的長橋和陸家單元; 2015 年沿長江熱點區域快速消退, 僅有錦豐、 南豐、梅李、 支塘、 沙溪等10 個單元為熱點, 且分割為不連續的3 個小組團, 次冷點則有不連續的婁葑和金閶區城區2 個單元。

2) 蘇州中心城區破碎化壓力較大, 冷點由東西橫向蔓延式發展為南北縱向跳躍式演化。1995、 2000 年非建設用地的破碎化主要集中在平江、 獅山、 金閶、 滄浪、 東部工業園區等蘇州中心城區內, 以及吳江的汾湖鎮, 均表現為冷點區域; 次冷點則主要涉及松陵和金庭2 個單元, 破碎化沿中心城區東西橫向加劇蔓延的趨勢較為明顯。 2005 年后, 隨著中心城區建設趨于穩定, 中心城區破碎化冷點區域趨于消退,而工業園區、 相城區、 滸墅關、 汾湖等相關單元呈現出較為強烈的破碎化特征, 表現為冷點區域; 次冷點則不太穩定, 松陵、 金庭、 瀏河3個單元間斷出現, 整體破碎化也較為突出; 該時段冷點、 次冷點區域主要沿工業園區南北向跳躍式發展, 趨于分散化。

圖1 1995—2015 年非建設用地破碎化局域自相關的冷熱點分布狀況

4 結論與討論

4.1 結論

1) 非建設用地減少強度大、 破碎化加劇趨勢有所放緩。 蘇州城市建設用地擴張強度相對較大, 導致了耕地、 林地、 草地等非建設用地破碎化趨勢尤為突出, 城市、 區域發展的生態本底受到較大破壞, 但近年來趨勢有所減緩,勢頭得到明顯控制。

2) 耕地減少是非建設用地破碎化的根源。耕地減少總面積超過了非建設用地減少的總量(水域等非建設用地略有增加), 是非建設用地銳減和破碎化的根本原因。

3) 破碎化空間集聚化程度在逐漸降低, 分散化加劇。 蘇州市域非建設用地破碎化整體自相關指數逐漸下降, 分散化逐漸加劇, 非建設用地景觀的同質化、 均質化問題較為突出。

4) 破碎化呈現中心城區—東西橫向蔓延式—南北縱向跳躍式的發展規律。 受到建設用地指標供給優先保障中心城區的影響, 蘇州中心城區及周邊破碎化問題尤為突出, 其空間差異較為顯著, 主要表現為集中建設、 擴展建設和跳躍式建設的發展變化。

4.2 討論

中國大部分城市尤其東部大城市均會存在較為突出的非建設用地破碎化問題, 制約了土地生態服務價值和利用效率。 近年來蘇州嚴格控制建設用地蔓延, 借助生態修復、 生態網絡構建有效抑制并進一步緩解了破碎化趨勢。

在國土空間規劃、 統籌“山水林田湖草系統治理” 等背景下, 非建設用地保護還需要繼續強化政策配套和系統修復理念。 積極對接國土空間規劃, 通過“資源環境承載力評價” 和“國土空間開發適宜性評價” 對非建設用地資源分區、 分類開展保護和治理, 形成科學利用和嚴格管控的格局, 劃定并嚴格落實生態紅線,形成政策強約束。 針對已破碎化區域, 尤其是城市邊緣區和大型生態斑塊、 廊道周邊區域,系統開展低效建設用地治理工作, 強化非建設用地的網絡體系建設, 逐步推動“建設用地”向“非建設用地” 的逆向擴張, 從根本上治理破碎化, 優化生態環境。 本研究僅關注了單一城市非建設用地破碎化的時空格局, 不同類型城市以及破碎化的空間效應、 治理等問題均還有待進一步探索。