近30年貴陽市土地利用沖突時空變化分析

陳大蓉, 周 旭, 胡 鋒, 裴 宇, 胡玉雪, 羅為維

(1.貴州師范大學 地理與環(huán)境科學學院, 貴陽 550025; 2.貴州省生態(tài)氣象和衛(wèi)星遙感中心, 貴陽 550002)

土地是人類活動的基本場所,是社會經(jīng)濟發(fā)展和自然生態(tài)環(huán)境的重要資源[1]。土地資源的多宜性和土地供給的有限性往往使其在社會經(jīng)濟和生態(tài)環(huán)境之間存在博弈,衍生出許多土地利用之間的矛盾和沖突[2]。隨著城市化和工業(yè)化進程加快,土地資源的多樣化需求日益增加,不同利益相關者基于目標需求不同,造成土地利用沖突,使人與地之間的關系緊張,對區(qū)域穩(wěn)定性和可持續(xù)發(fā)展構成了嚴重威脅。土地利用沖突的實質是不同利益相關者在利用土地資源的過程中因需求存在差異,在如何利用土地、所需土地數(shù)量等方面不一致、不和諧,以及不同土地利用方式與環(huán)境之間存在的矛盾狀態(tài)[2]。因此,科學識別土地利用沖突類型,揭示沖突發(fā)生的原因和內在機制,探討土地資源可持續(xù)管理方式是解決土地利用沖突問題的關鍵,是實現(xiàn)人與自然和諧共生的必要條件。

20世紀70年代以來,土地利用沖突成為全球土地利用及相關學科研究關注的熱點問題之一[3]。2001年“自然資源管理和利用中的沖突管理辦法”會議的召開,讓土地利用沖突問題逐漸受到國內學者的關注。至今,土地利用沖突經(jīng)歷了從社會學、經(jīng)濟學、管理學到地理學的發(fā)展歷程[4-5],其研究也由沖突的概念、識別方法向時空演變、驅動因素和優(yōu)化調控逐步擴展[5-7]。定性和定量識別土地利用沖突的方法很多,主要包括參與式方法[8]、博弈論[9]、壓力—狀態(tài)—響應概念模型[10]、多目標評價[11]、空間疊加法[12]和景觀生態(tài)風險評價[13]等。不同的研究方法所適應的研究場景不同,參與式方法能深入了解沖突產(chǎn)生的原因,但易受被調查者主觀影響,且耗時耗力。博弈論能探索土地利用沖突的內在機理,但不能識別沖突類型和空間分布。隨著遙感技術的引入,實現(xiàn)了土地利用沖突的快速精準監(jiān)測[14]。景觀生態(tài)風險評價基于遙感監(jiān)測的土地利用數(shù)據(jù),借鑒生態(tài)風險評價概念模型和景觀格局指數(shù)構建土地利用沖突模型。這種方法可以準確識別土地利用沖突的位置,揭示土地利用沖突的空間異質性,追蹤區(qū)域時空變化特征。目前,從景觀生態(tài)風險評價開展土地利用沖突的研究多從快速城市化出發(fā),包括中國[15]、京津冀地區(qū)[16]、長株潭城市群[17-18]、黑河中游等[13,19]中宏觀尺度,以及江蘇省里下河[20]、重慶市江津區(qū)[21]等局地區(qū)域,對特殊地貌的山地城市關注較少。

山地城市土地資源有限,人口密度增加和社會經(jīng)濟的不發(fā)達,造成土地資源的不可持續(xù)發(fā)展,導致生態(tài)失衡,景觀連通性下降,土地利用沖突問題頻頻發(fā)生,影響區(qū)域生態(tài)安全。如何實現(xiàn)社會經(jīng)濟和生態(tài)環(huán)境和諧共存,筑牢生態(tài)安全屏障,是現(xiàn)階段山地城市面臨問題與挑戰(zhàn)。經(jīng)濟和人口的快速增長加快了貴陽市的城市化步伐,土地利用空間沖突顯著,亟需研究沖突的原因和空間分異特征。因此,本文以貴陽市為研究對象,采用景觀生態(tài)學中的生態(tài)風險評價模型識別快速城市化和生態(tài)建設雙重背景下的土地利用沖突及其時空變化特征,旨在協(xié)調山地城市的生產(chǎn)發(fā)展、生活宜居和生態(tài)安全格局,為山地城市綠色可持續(xù)發(fā)展提供科學依據(jù)。

1 研究區(qū)概況

貴陽市地處云貴高原黔中山原丘陵中部,地理坐標為東經(jīng)106°07′—107°17′,北緯26°11′—26°55′,是貴州省政治、經(jīng)濟、文化、科教、交通中心(圖1)。貴陽市國土總面積約為8 043 km2,下轄六區(qū)(云巖區(qū)、南明區(qū)、觀山湖區(qū)、花溪區(qū)、白云區(qū)、烏當區(qū))三縣(修文縣、息烽縣、開陽縣)和一個縣級市(清鎮(zhèn)市)。貴陽市位于長江流域和珠江流域的分水嶺,屬亞熱帶季風性濕潤氣候,氣候溫和,降水豐沛,雨熱同季,年平均氣溫約15.3℃,多年平均降水量約1 096 mm。地形以山地、丘陵為主,山多坡陡、景觀異質性強,山地面積占52.30%[22-23]。區(qū)內喀斯特面積占85.02%,生態(tài)環(huán)境脆弱,破壞后難以恢復[24]。近30年來貴陽市發(fā)展迅速,據(jù)《貴陽市統(tǒng)計年鑒》和《貴州省統(tǒng)計年鑒》統(tǒng)計,1990—2020年,人口由285.15萬人增加到598.98萬人,GDP由60.22億元增長至4 311.65億元,翻了近70倍;城市化率由43.91%增加到80.07%,增長率達82.35%。隨著城市空間發(fā)展需要,建成區(qū)面積也由80.85 km2擴張到369 km2。同時,貴陽生態(tài)環(huán)境持續(xù)改善,森林覆蓋率由14.5%增長到55%。

圖1 研究區(qū)示意圖(審圖號:GS(2019)1822號)Fig. 1 Sketch map of the research area

2 研究數(shù)據(jù)與方法

2.1 數(shù)據(jù)獲取與處理

研究使用1990年、2000年、2010年、2020年四期土地利用數(shù)據(jù)是基于Landsat衛(wèi)星在GEE平臺衍生的中國年度土地覆蓋產(chǎn)品CLUDs(https:∥doi.org/10.5281/zenodo.4417810)[25]。以Google Earth遙感影像為底圖,對其目視修正,經(jīng)檢驗Kappa系數(shù)均在80%以上。依據(jù)CLUDs分類體系、《土地利用現(xiàn)狀分類》(GB/T2010-2017)將土地利用類型分為林地、草地、耕地、水域、建設用地和未利用地6類。其中,采用ArcGIS將上述數(shù)據(jù)重采樣為30 m×30 m的柵格單元;投影坐標系均為WGS_1984_UTM_Zone_48 N。

2.2 土地利用沖突指數(shù)構建

基于生態(tài)安全視角,土地利用空間沖突指數(shù)可借鑒“風險源—風險受體—風險效應”的相對生態(tài)風險評價概念模型和景觀生態(tài)學理論進行測度[13]。風險源是指可能對區(qū)域生態(tài)系統(tǒng)造成不利作用的風險來源[26],選用土地利用強度相關的外部壓力因子作為指標;風險受體指生態(tài)系統(tǒng)中受到風險源不利作用的載體[27],選用空間脆弱性作為指標;風險效應指不同風險源作用于不同風險受體后的反應[27],選用空間穩(wěn)定性指數(shù)作為指標。空間單元的外部壓力越大,風險暴露程度越高,內部穩(wěn)定性越低,生態(tài)風險的可能性越大,也就意味著生態(tài)系統(tǒng)會遭受更大的干擾,加深各類土地利用間的矛盾,土地利用沖突問題亦更加突出。同理,空間格局變化對區(qū)域生態(tài)系統(tǒng)功能的影響越小,帶來的空間生態(tài)風險越小,則土地利用沖突程度越低[28]。參考以往研究[18],土地利用沖突指數(shù)LUCI(Land Use Conflict Index)可以表示為:

LUCI=PI+Ⅵ-SI

(1)

式中:LUCI為土地利用沖突指數(shù);PI為外部壓力指數(shù);Ⅵ為脆弱性指數(shù);SI為穩(wěn)定性指數(shù)。

(1) 空間外部壓力指數(shù)(PI)。城市化不斷加快及人類活動的過度干預使得區(qū)域內的土地利用變得更加復雜和破碎,降低土地利用效率的同時加劇了土地利用沖突。面積加權平均斑塊分維數(shù)(AWMPFD)基于周長—面積的關系來度量景觀斑塊的復雜性,即表示鄰域景觀對當前土地利用的干擾影響程度[29]。因此,借鑒AWMPFD度量空間外部壓力指數(shù),分維數(shù)越大則表示景觀斑塊的形狀越復雜,不易受人類活動影響;反之,分維數(shù)越小則容易受人類活動影響[18]。其計算公式為:

(2)

式中:Pij為斑塊周長;aij為斑塊面積;A為景觀總面積;m為空間單元總數(shù);n為土地利用類型。

(2) 空間脆弱性指數(shù)(Ⅵ)。空間脆弱性指數(shù)是用來表征不同風險受體(不同土地利用類型)抵抗外界干擾能力的大小,其值越高,生態(tài)風險越大[29]。不同土地利用類型對外部壓力的抗干擾能力不同,借鑒景觀脆弱性指數(shù)(FI)來度量空間脆弱性,參考已有文獻[30],確定建設用地、其他用地、水域、耕地、草地、林地的脆弱度指數(shù)分別為5,4,3,2,1,1。其計算公式為:

(3)

式中:Fi為景觀i的脆弱性指數(shù);ai為單元內景觀i的面積;S為空間單元總面積。

(3) 空間穩(wěn)定性指數(shù)(SI)。景觀破碎化是區(qū)域空間形態(tài)中土地利用沖突的主要后果之一,景觀斑塊越破碎,穩(wěn)定性越差、空間沖突越強烈,同時越容易誘發(fā)生物多樣性喪失,導致生態(tài)系統(tǒng)失衡[31]。因此,借鑒景觀生態(tài)學中的斑塊密度(PD)從負面衡量區(qū)域景觀的穩(wěn)定性[7]。

(4)

式中:ni為單元內景觀i的斑塊數(shù)目;A為空間單元面積。

2.3 土地利用沖突分析尺度

景觀格局指數(shù)對景觀尺度具有明顯的依賴性[13],貴陽市南北最大縱距和東西最大橫距分別為130 km,115 km,參考彭佳捷等[18]選擇空間單元尺度的方法,文中選擇2 400 m格網(wǎng)尺度為評價單元。其中,研究區(qū)邊界沒有覆蓋整個單元面積的斑塊按一個完整單元進行計算。為方便計算,將公式(2)—(4)的外部壓力指數(shù)、脆弱性指數(shù)和穩(wěn)定性指數(shù)分別標準化處理至(0,1),代入公式(1)中計算各空間單元的土地利用沖突指數(shù)并標準化至(0,1)。通過測算4個時期各空間單元網(wǎng)格的土地利用沖突強度,參考吳蒙等[28]提出的空間沖突分級方法將其劃分為4個等級,其中[0,0.5]為穩(wěn)定可控、(0.5,0.7]為基本可控、(0.7,0.8]為基本失控、(0.8,1]為嚴重失控。

3 結果與分析

3.1 土地利用沖突的時間演變特征

從土地利用沖突指數(shù)結果(表1)可以看出:貴陽市1990年、2000年、2010年、2020年土地利用沖突的平均值分別為0.573,0.567,0.479,0.485,即貴陽市在研究期間以穩(wěn)定可控和基本可控為主,土地利用沖突呈現(xiàn)出“先降低后增加”的變化趨勢。其中,穩(wěn)定可控的空間單元數(shù)量占比在1990—2000年穩(wěn)定在24%,到2010年和2020年空間單元數(shù)量占比增加了近1.5倍,占貴陽市空間單元數(shù)量的3/5左右;基本可控級別空間單元數(shù)量所占比例在研究期間內呈先增后減趨勢,在2000年達到最大值,但增加的比例遠遠小于減少的比例,對調控空間沖突生態(tài)風險及預防區(qū)域生態(tài)安全問題發(fā)生發(fā)揮積極作用。與之相反,基本失控和嚴重失控的空間單元數(shù)量所占比例呈先減少后增加趨勢。1990—2010年基本失控的空間單元占比大幅度減少,由11.07%降到2.11%,2020年又上升至3.71%,基本失控是土地利用沖突的初始表現(xiàn),對區(qū)域生態(tài)安全存在潛在威脅,調控不當容易加劇沖突;嚴重失控空間單元數(shù)量占比變化趨勢與基本失控一致,2010—2020年從0.77%增加到2.43,增幅1.66%,有逐漸加重的發(fā)展趨勢,是今后要重點調控土地利用方式的空間單元,以降低生態(tài)安全風險。

表1 貴陽市1990-2020年空間沖突測算統(tǒng)計結果Table 1 The statistical results of spatial conflict measurement in Guiyang City from 1990 to 2020

3.2 土地利用沖突的空間演變特征

從貴陽市1990—2020年30年間土地利用沖突空間分布(圖2)可以看出:空間上具有顯著的南北差異,即“南高北低”。土地利用沖突的高值區(qū)主要分布于城市中心及周邊區(qū)域,這些區(qū)域地勢相對較低,人口和資本相對集中,城市建成區(qū)不斷向外延伸,侵占周邊的林地、耕地等,造成土地利用沖突水平提高;土地利用沖突低值區(qū)主要分布于息烽縣、開陽縣、烏當區(qū)、修文縣東部和花溪區(qū)中部等山地丘陵地區(qū),這些區(qū)域林地資源豐富且連片、植被覆蓋度高,受人類活動擾動小,因此土地利用沖突水平較低。

圖2 貴陽市1990-2020年空間沖突指數(shù)變化圖Fig. 2 The spatial conflict index changes in Guiyang City from 1990 to 2020

結合土地利用沖突空間變化趨勢和面積轉移特征(圖3)來看,1990—2000年貴陽市土地利用沖突失控級別區(qū)域主要集中在農(nóng)村,各沖突級別轉移情況較少,以維持自身沖突狀態(tài)為主。此時人口快速增加,且聚集于農(nóng)村,人們?yōu)闈M足生活需要盲目開荒毀林,耕地大面積擴張的同時加劇土地的破碎化,導致土地沖突水平較高。

2000—2010年貴陽市土地利用沖突問題得到明顯的控制,處于研究期間的最低水平,失控級別區(qū)域主要集中在中心城區(qū)及周邊區(qū)域。各沖突級別變化顯著,基本可控轉向穩(wěn)定可控的面積有3 150.72 km2,占基本可控單元的53.57%,轉向基本失控和嚴重失控的較少,分別占0.78%和0.39%;基本失控分別轉向穩(wěn)定可控和基本可控57.6 km2,639.36 km2,二者占比達到90.98%。貴陽市作為西部重要的經(jīng)濟發(fā)展區(qū),在西部大開發(fā)戰(zhàn)略的實施中,對土地利用需求日益增多,建成區(qū)向白云區(qū)、觀山湖區(qū)和花溪區(qū)方向蔓延,但土地利用沖突并未呈現(xiàn)增加態(tài)勢,這主要歸功于貴陽市在發(fā)展經(jīng)濟的時候注重生態(tài)文明建設,同步實施了石漠化治理、退耕還林等生態(tài)工程,有目標的提升區(qū)域生態(tài)環(huán)境質量和生態(tài)韌性。

2010—2020年貴陽市土地利用沖突開始出現(xiàn)“反彈”,中心城區(qū)土地利用沖突問題上升,與其他各區(qū)縣沖突問題對比顯著。失控級別變化比較明顯,嚴重失控有5.76 km2的面積轉向基本失控,但遠不及基本失控向嚴重失控轉移面積97.92 km2,且可控級別也有少量空間單元轉為失控級別。2010年以后,一系列生態(tài)工程雖有效緩解土地利用沖突,但貴陽市城市化水平仍不斷提升,建設用地持續(xù)擴張,侵占周邊土地,以及大量農(nóng)村自建房占用耕地,進一步加劇人地矛盾,進而加重土地利用沖突。

3.3 空間自相關分析

采用ArcGIS 10.2中空間統(tǒng)計的Moran′sI對貴陽市1990—2020年土地利用沖突綜合指數(shù)進行全局空間自相關分析,結果顯示:各期的全局自相關Moran′sI指數(shù)分別為0.516 1,0.493 6,0.560 4,0.652 4,均為正值,Z值分別為28.31,27.08,30.75,35.79,p值均小于0.001,分析表明貴陽市不同空間單元的空間沖突水平在空間格局呈正相關,存在明顯的聚集趨勢,并非隨機分布。隨著時間的推移,Moran′sI指數(shù)先降后升,Z值亦是如此,呈現(xiàn)“V”型變化趨勢,在2000年達到最低值,表明2000年空間沖突聚集性下降。2000年以后宏觀政策對土地利用變化起導向作用,使沖突的空間分布具有明顯的聚集趨勢。

為進一步探究不同沖突級別的集聚和離散規(guī)律,采用Anselin Local Moran′sI工具得到1990—2020年局部空間自相關LISA聚集圖(圖4)。高—高類型在1990—2020年呈現(xiàn)零散逐漸集中的變化趨勢,1990年高—高類型聚集狀態(tài)較分散,主要分布在清鎮(zhèn)市東部和西部、花溪區(qū)南部和北部,云巖區(qū)、南明區(qū)和修文縣零星分布;2000年高—高類型小幅度減少,主要分布在清鎮(zhèn)市西部,花溪區(qū)南部由高—高類型轉為不顯示類型;2010年的高—高類型在中部出現(xiàn)明顯的聚集現(xiàn)象,且清鎮(zhèn)市西部分布范圍再次減少,修文縣亦減少;2020年高—高類型在中部范圍向花溪區(qū)、白云區(qū)和觀山湖區(qū)延伸,小部分零星分布,說明貴陽市生態(tài)保護政策對土地利用沖突的正向影響顯著。低—低類型主要分布在貴陽市西北方向,即烏當區(qū)和開陽縣,30年變化不大。這些區(qū)域受交通條件和地形影響,城市擴張受到限制,同時離城市中心較遠,土地利用沖突發(fā)生可能性較低。

圖4 貴陽市1990-2020年空間沖突局部自相關LISA聚集圖Fig. 4 The spatial conflict local autocorrelation LISA aggregation map from in Guiyang City 1990 to 2020

3.4 沖突冷熱點分析

采用ArcGIS 10.2中空間統(tǒng)計的關聯(lián)指數(shù)Getis-OrdGi*,選取置信度分別為90%,95%和99%的冷熱點來分析貴陽市近30年空間沖突的冷熱點空間分布可知(圖5):貴陽市空間沖突冷熱點空間分布與局部空間自相關LISA聚集分布特征較為一致,冷熱點沿西北—東南軸相對分布,軸線以上為冷點分布區(qū),反之為熱點分布區(qū)。1990—2020年30年的熱點區(qū)域差異明顯,呈現(xiàn)由四周零散分布向中心城區(qū)集中分布的變化趨勢,冷點區(qū)域變化不明顯。具體而言,1990年貴陽市熱點主要分布于中部和西部清鎮(zhèn)市、西北部修文縣、南部花溪區(qū)邊緣地區(qū)零星分布;2000年與1990年較為接近,差異之處在于修文縣西部出現(xiàn)明顯熱點區(qū);2010年清鎮(zhèn)縣和修文縣熱點區(qū)明顯減少,中部顯著增加,除息烽縣外,各區(qū)縣零星分布;2020年熱點區(qū)集中分布于中部平緩地,該區(qū)域根據(jù)地形特征將建成區(qū)布局沿中曹司盆地南北向拓展,以及設立觀山湖新區(qū)以解決人口增長對住宅和城市設施的需求。冷點區(qū)域主要分布于烏當區(qū)、開陽縣東部和息烽縣、開陽縣交界處,且逐漸向烏當區(qū)和開陽縣方向偏移。

圖5 貴陽市1990-2020年空間沖突冷熱點分布Fig. 5 The distribution of spatial conflict cold hotspots in Guiyang City from 1990 to 2020

4 討論與結論

4.1 討 論

本文分析了貴陽市土地利用沖突的時空演變特征,研究表明,貴陽市基本失控和嚴重失控區(qū)域向基本可控和穩(wěn)定可控轉變,沖突區(qū)域高度集中在中心城區(qū)及周邊區(qū)域,土地利用沖突先減弱后增加,有逐漸惡化趨勢。土地利用沖突變化情況與曾昉[32]、李雪冬[33]等研究的生態(tài)沖突及生態(tài)安全變化情況基本一致。

隨著喀斯特山地城市經(jīng)濟的快速發(fā)展,生產(chǎn)生活空間持續(xù)擴張,加劇生態(tài)空間的“破碎化”,人地矛盾日益突出,嚴重影響城市的生態(tài)安全。從2001年“環(huán)境立市”發(fā)展戰(zhàn)略的確立,到2014年提出建設全國生態(tài)文明示范城市,貴陽市一直奮力走出一條綠色可持續(xù)發(fā)展道路,以實現(xiàn)經(jīng)濟發(fā)展與生態(tài)保護的有利局面。在這些目標的驅動下,退耕還林、環(huán)城林帶、石漠化治理和天然林林業(yè)生態(tài)建設,采石場、礦山等環(huán)境治理和復墾,城市綠化工程等多項措施的實施增加森林總量,森林覆蓋率由1990年的14.5%提升至2020年的55%,建成區(qū)綠地率由29.4%增長至39.6%,生態(tài)環(huán)境進一步優(yōu)化,土地利用沖突逐漸減弱,城市生態(tài)承載力增強。但2020年中心城區(qū)及周邊區(qū)域,基本失控和嚴重失控區(qū)域空間單元占比增加,空間分布特征與貴陽市“東擴、西連、南延、北拓”的城市擴展路徑一致,土地利用沖突開始有惡化趨勢。因此,未來的城市發(fā)展要秉承“兩山”理論的發(fā)展理念推進城市生態(tài)文明建設,集約化工業(yè)用地和住宅以提高土地利用效率,堅持不以犧牲環(huán)境為代價發(fā)展經(jīng)濟,對已開發(fā)區(qū)域開展生態(tài)修復工程,改善土地利用沖突問題,提高區(qū)域的生態(tài)系統(tǒng)服務效益和生態(tài)環(huán)境承載力,筑牢城市生態(tài)安全。

本文借鑒生態(tài)風險評價概念模型和景觀生態(tài)學理論揭示研究區(qū)土地利用沖突的時空變化規(guī)律。然而,不同利益相關者開發(fā)利用土地資源的原因并不唯一,還涉及了社會、經(jīng)濟、生態(tài)等各方面。本文從土地利用類型角度進行空間沖突的測度,結果獲取快速、直觀、省時省力,但沒有考慮社會、經(jīng)濟等因素,一定程度上限制了其適用性,其計算指標需進一步改進。

4.2 結 論

(1) 1990—2020年貴陽市土地利用空間沖突均值由0.573波動下降到0.485,沖突整體處于可控水平且變化明顯。穩(wěn)定可控2010年的占比是2000年的1.5倍;嚴重失控空間單元由1990年的63個下降到2010年的12個,又上升到2020年的38個,沖突有加劇趨勢。

(2) 1990—2020年貴陽市土地利用沖突空間差異顯著,呈“南高北低”的空間格局,穩(wěn)定可控和基本可控向息烽縣、開陽縣、烏當區(qū)等山地丘陵聚集特征;基本失控和嚴重失控集中于城市市區(qū)及其向外蔓延區(qū)域。

(3) 1990—2020年貴陽市土地利用沖突的全局Moran′sI指數(shù)均大于0,表明空間沖突具有顯著的空間正相關性和聚集效應;不同階段其空間聚集分布特征不同,但整體上與空間沖突“南高北低”相對的空間分布特征一致;熱點區(qū)由清鎮(zhèn)市、修文縣、花溪區(qū)向城市中心遷移,冷點區(qū)主要聚集在烏當區(qū)、開陽縣,且逐漸向城市邊緣偏移。