基于分形理論的西部中小城市土地利用空間結構變化研究
——以天水市為例

王 樂

(天水市自然資源勘測規劃研究院有限公司，甘肅 天水 741000)

土地具備空間承載功能，是人類生產生活的重要載體，也是人類賴以生存的重要生產要素。多年來，圍繞合理利用土地資源、不斷優化土地利用結構，諸多學者進行了廣泛研討，國家土地資源管理部門也結合工作實際進行了諸多實踐，取得了許多成果。近年來，隨著生態文明理念貫徹實施，對土地資源的開發、利用和保護逐步從注重數量轉向“數質并重”，即開發、利用和保護土地資源，既要保證數量可控，也要確保質量穩定。

土地利用是一個復雜的系統，本身具備不確定性、開放性和動態性、自適應性和自組織性等特征。隨著城鎮化加速推進，人類生產生活對土地資源的影響日益加劇，土地原生的規則形態受人類活動干擾逐步趨于不規則，利用傳統統計學方法研究土地數量變化已經難以全面反映土地利用的實際情況。

分形理論(Fractal Theory)最初由美籍數學家本華·曼德博(Benoit B.Mandelbrot)提出，逐步發展為一門新興的橫斷學科，具有很高程度的應用普遍性，給自然科學、社會科學、工程技術、文學藝術等極廣泛的學科領域提供了一般的科學方法和思考方式。近年來，分形理論在國內土地利用研究領域取得廣泛應用。

本文基于分形理論，以天水市為例，從土地數量結構變化、土地利用空間格局、景觀布局特征3個維度出發，對天水市2000—2020年20a間土地利用空間結構變化情況進行研究，為天水市優化國土空間格局，規劃發展本底提供參考。

1 研究區概況

天水市位于甘肅省東南部，地處秦嶺西段、渭水中游，是甘肅省域副中心城市、絲綢之路經濟帶重要節點城市。以西秦嶺為分水嶺，北部為黃土梁峁溝壑區，主要為寬谷與峽谷相間的盆地與河谷階地，中東部為秦嶺、關山山區。下轄秦州、麥積2區和武山、甘谷、秦安、清水、張家川回族自治縣5縣。自西部大開發戰略實施以來，天水市經濟快速發展，全市GDP由2000年的80.31億元增長到2020年的666.9億元。截至2020年，全市常住人口336.89萬人，其中城鎮人口142.46萬人，常住人口城鎮化率為45.57%，與全國平均水平63.89%仍有較大差距。2020年，《中共中央、國務院關于新時代推進西部大開發形成新格局的指導意見》印發實施，西部大開發進入新階段。土地資源作為重要的生產要素，對經濟發展具有舉足輕重的作用。研究土地利用空間結構變化，優化國土空間布局，對促進天水在新一輪西部大開發中搶占發展先機、提高城市能級具有重要參考價值。

2 數據來源

研究采用2000年、2010年、2020年3期土地覆蓋數據，數據來源于武漢大學黃昕教授團隊制作的30m年度土地覆蓋產品(http://doi.org/10.5281/zenodo.4417809)，該數據基于GEE上獲得的Landsat數據，CLCD的總體準確率達80%，能夠反映城鎮化背景下人類活動對區域地表覆蓋的影響。根據研究目標及數據情況，參照國家標準(GB/T 21010-2015)對數據進行重分類，得到耕地、林地、草地、水域、建設用地和未利用地等6個地類。

3 研究方法

本研究基于分形理論，運用ArcGIS 10.8平臺和FRAGSTATSv 4.2.1軟件，通過計算相關景觀指數，從土地數量結構變化、土地利用空間格局、景觀布局特征3個維度對天水市2000—2020年20a間土地利用空間結構變化情況進行研究。

3.1 土地數量結構變化指數

土地利用結構是各土地利用類型占區域土地總面積的比例關系及其組合方式，能夠反映國民經濟各部門間及部門內部的分配狀況。由于受到自然、人為復合因素的持續影響，區域土地利用結構始終處于動態變化中，如果主管機構不能科學引導、適度調控，各用地主體盲目追求經濟效益，忽視社會效益、生態效益，將難以實現經濟社會可持續發展。土地數量結構能夠反映土地利用結構短期變化及長期趨勢，能夠為政府科學配置土地資源，實現生態、經濟和社會效益的統一提供參考。選取土地數量變化幅度、土地數量耗減度、土地數量變化強度等3個指標，分別描述土地利用變化情況、單位時間內某地類消耗程度以及土地利用變化過程。

表1 土地數量結構變化指數表

3.2 土地利用空間格局指數

本研究基于分形理論，主要采用周長面積分維數、穩定性指數、斑塊密度指標等進行土地利用空間格局指數分析。周長面積分維數能夠描述地類斑塊的自我相似性及空間鑲嵌結構的復雜程度，穩定性指數能夠描述土地利用空間格局的潛在變動趨勢。

表2 土地利用空間格局指數表

3.3 景觀布局特征指數

景觀格局描述了不同景觀要素在空間上的排列和組合，體現了景觀異質性和各種生態過程在不同尺度上作用的結果。本研究選取景觀形狀指數、景觀聚集指數、有效粒度尺寸等指標分析景觀布局特征。景觀形狀指數反映斑塊形狀的復雜程度，景觀聚集指數反映景觀中不同斑塊類型的非隨機性或聚集程度，有效粒度尺寸反映景觀破碎化程度。

表3 景觀布局特征指數

4 結果與分析

4.1 土地利用結構變化分析

如表4所示，2000—2020年，全市耕地減少約98445.92hm2，其中，2000—2010年增加27920.49hm2，2010—2020年減少126368.63hm2；林地、草地合計增加90400.49hm2，其中，2000—2010年林地增加22783.12hm2，草地減少54065.86hm2，2010—2020年林地、草地分別增加38540.02hm2、83141.01hm2；建設用地增加7859.48hm2，其中，2000—2010年增加3392.76hm2，2010—2020年增加4466.7hm2；水域增加151.76hm2，其中，2000—2010年減少13.97hm2，2010—2020年增加165.74hm2；未利用地增加34.26hm2，其中，2000—2010年增加11.19hm2，2010—2020年增加23.07hm2。總體而言，20a間除耕地總量減少，其他地類面積均有所增加。

表4 土地數量結構變化表

表5 2000—2020年土地數量變化矩陣表

2000—2020年，耕地合計流出177164.66hm2，其中流向草地最多，占比為85.28%，林地占比為10.88%，建設用地占比為3.73%，三者合計占比達到99.89%；耕地合計流入78718.74hm2，其中草地流入最多，占比為97.6%，林地占比為2.36%，二者合計占比達到99.96%；林地合計流出2677.28hm2，其中流向耕地最多，占比為69.33%，草地占比為3.062%，二者合計占比達到99.95%；林地合計流入64001.56hm2，其中草地流入最多，占比為69.89%，耕地占比為30.1%，二者合計占比達到99.99%；草地合計流出122871.46hm2，其中流向耕地最多，占比為62.53%，林地占比36.4%，建設用地占比1%，三者合計占比達到99.93%；草地合計流入151947.59hm2，其中耕地流入最多，占比為99.43%，林地占比為0.54%，二者合計占比達到99.97%。水域合計流出136.60hm2，其中流向建設用地最多，占比為61.60%，耕地占比為21.51%，草地占比為16.22%，三者合計占比達到99.33%；水域合計流入288.35hm2，其中耕地流入最多，占比為49.14%，草地占比為28.71%，建設用地占比為22.09%，三者合計占比達到99.95%。未利用地合計流出21.33hm2，其中流向草地最多，占比為80.63%，建設用地占比為13.03%，耕地占比為6.33%，三者合計占比達到99.99%；未利用地合計流入55.60hm2，其中耕地流入最多，占比為89.46%，草地占比為9.32%，二者合計占比達到98.78%。建設用地合計流出67.09hm2，主要流向水域，占比為94.96%；建設用地合計流入7926.58hm2，其中耕地流入最多，占比為83.45%，草地占比為15.44%，水域占比為1.06%，三者合計占比達到99.95%。

4.2 土地利用空間格局分析

斑塊密度表示單位面積上的斑塊數，能夠描述景觀破碎化程度。20a間，除水域外，其他地類斑塊密度均增加，其中耕地、草地、建設用地、未利用地2000—2010年期間有所降低，2010—2020年有所增加，且到2020年超過了2000年水平，顯示上述地類的破碎化程度均進一步加深。林地斑塊密度在2000—2010年有所上升，到2010—2020年又有所回落，總體呈上升趨勢。

天水市2000年、2010年、2020年景觀級別周長面積分維數分別為1.423、1.4252、1.4001，總體呈下降趨勢。所有地類各時間節點周長面積分維數均低于1.5，表明各地類斑塊的自我相似性及空間鑲嵌結構的復雜程度在降低。2020年各地類周長面積分維數按由大到小排序分別是草地、耕地、建設用地、林地、水域及未利用地。20a間，各地類穩定性指數均有所增加，土地利用結構趨于穩定，2020年各地類穩定性指數按由大到小排序分別為耕地、草地、建設用地、林地、水域、未利用地。

表6 土地利用空間格局指數表

表7 景觀布局特征指數表

4.3 景觀布局特征指數分析

景觀形狀指數方面，耕地、未利用地先降后升，呈V型反彈，林地、建設用地持續增大，各地類景觀形狀指數均呈增大趨勢，斑塊形狀復雜程度均有所提高，表明人類活動對上述地類干擾逐步增強。

景觀聚集指數方面，耕地、林地均減少，其中耕地先升后降，林地微降后微升，總體而言斑塊聚集程度有所下降；草地、建設用地、水域、未利用地均增加，其中草地先降后升，其余均持續增大，建設用地增量顯著，總體而言斑塊聚集程度有所提高。

有效粒度尺寸方面，耕地、草地均大幅減少，其中耕地先微升后大幅下降，草地前10a下降幅度接近50%，表明耕地、草地景觀破碎化程度顯著增加；建設用地、林地均增加，建設用地增量顯著，表明景觀破碎化程度顯著降低。

5 結論和討論

本研究基于分形理論，選用相關指數對天水市土地利用結構變化情況進行分析，得出如下結論。

5.1 耕地是建設用地主要來源

2000—2020年，全市建設用地總量翻倍，且主要來源于耕地。實際上，適宜耕種的土地一般都適宜搞建設，耕地與建設用地天然沖突。因此，必須嚴格控制建設占用優質，嚴格落實耕地占補平衡，堅決制止耕地“非農化”、“非糧化”，切實做好耕地保護工作。

5.2 行政手段對土地利用結構變化影響巨大

20a間，耕地、林地、草地之間互相轉化，且數量較大，原因是自2000年起國家大力推動退耕還林還草政策，大量水土流失嚴重的耕地，沙化、鹽堿化、石漠化嚴重的耕地以及糧食產量低而不穩的耕地，逐步停止耕種，因地制宜的造林種草；同時，大量耕地轉為建設用地。無論是退耕還林還草，還是建設占用耕地，均體現了明顯的政府意志和政策影響，充分表明政府行政手段對土地利用結構能夠產生深刻影響。因此，必須加強規劃引領和政策論證，確保行政手段對土地利用結構的影響是正向的。

5.3 人工景觀、自然景觀景觀指數差異顯著

總體而言，天水市人工景觀、自然景觀集聚性具有顯著差異，即建設用地景觀破碎化降低、斑塊集聚性顯著提升，耕地、草地景觀破碎化程度顯著增加，耕地、林地斑塊集聚性有所下降。各地類周長面積分維數均較小，斑塊復雜性降低，呈現簡單化、規則化的特征，土地利用結構趨于穩定。

通過對天水市2000—2020年20a間土地利用空間結構變化的研究，可以得出耕地是建設用地主要來源、行政手段對土地利用結構變化影響巨大、人工景觀和自然景觀景觀指數差異顯著等結論。因此，為保護生態本底、保障糧食安全、保障城市建設需求，應嚴格劃定落實生態保護紅線、永久基本農田和城鎮開發邊界，科學編制國土空間規劃，充分發揮規劃引領作用，從而規范和引導用地行為，將耕地保護、建設用地、土地利用結構調整、景觀格局優化等統籌納入規劃管控范圍，為天水市搶抓新一輪西部大開發機遇，提高城市能級提高基礎支撐。