基于分形理論的西部中小城市土地利用空間結(jié)構(gòu)變化研究
——以天水市為例

王 樂(lè)

(天水市自然資源勘測(cè)規(guī)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(lèi)生產(chǎn)生活的重要載體，也是人類(lèi)賴以生存的重要生產(chǎn)要素。多年來(lái)，圍繞合理利用土地資源、不斷優(yōu)化土地利用結(jié)構(gòu)，諸多學(xué)者進(jìn)行了廣泛研討，國(guó)家土地資源管理部門(mén)也結(jié)合工作實(shí)際進(jìn)行了諸多實(shí)踐，取得了許多成果。近年來(lái)，隨著生態(tài)文明理念貫徹實(shí)施，對(duì)土地資源的開(kāi)發(fā)、利用和保護(hù)逐步從注重?cái)?shù)量轉(zhuǎn)向“數(shù)質(zhì)并重”，即開(kāi)發(fā)、利用和保護(hù)土地資源，既要保證數(shù)量可控，也要確保質(zhì)量穩(wěn)定。

土地利用是一個(gè)復(fù)雜的系統(tǒng)，本身具備不確定性、開(kāi)放性和動(dòng)態(tài)性、自適應(yīng)性和自組織性等特征。隨著城鎮(zhèn)化加速推進(jìn)，人類(lèi)生產(chǎn)生活對(duì)土地資源的影響日益加劇，土地原生的規(guī)則形態(tài)受人類(lèi)活動(dòng)干擾逐步趨于不規(guī)則，利用傳統(tǒng)統(tǒng)計(jì)學(xué)方法研究土地?cái)?shù)量變化已經(jīng)難以全面反映土地利用的實(shí)際情況。

分形理論(Fractal Theory)最初由美籍?dāng)?shù)學(xué)家本華·曼德博(Benoit B.Mandelbrot)提出，逐步發(fā)展為一門(mén)新興的橫斷學(xué)科，具有很高程度的應(yīng)用普遍性，給自然科學(xué)、社會(huì)科學(xué)、工程技術(shù)、文學(xué)藝術(shù)等極廣泛的學(xué)科領(lǐng)域提供了一般的科學(xué)方法和思考方式。近年來(lái)，分形理論在國(guó)內(nèi)土地利用研究領(lǐng)域取得廣泛應(yīng)用。

本文基于分形理論，以天水市為例，從土地?cái)?shù)量結(jié)構(gòu)變化、土地利用空間格局、景觀布局特征3個(gè)維度出發(fā)，對(duì)天水市2000—2020年20a間土地利用空間結(jié)構(gòu)變化情況進(jìn)行研究，為天水市優(yōu)化國(guó)土空間格局，規(guī)劃發(fā)展本底提供參考。

1 研究區(qū)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(jīng)濟(jì)帶重要節(jié)點(diǎn)城市。以西秦嶺為分水嶺，北部為黃土梁峁溝壑區(qū)，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(guān)山山區(qū)。下轄秦州、麥積2區(qū)和武山、甘谷、秦安、清水、張家川回族自治縣5縣。自西部大開(kāi)發(fā)戰(zhàn)略實(shí)施以來(lái)，天水市經(jīng)濟(jì)快速發(fā)展，全市GDP由2000年的80.31億元增長(zhǎng)到2020年的666.9億元。截至2020年，全市常住人口336.89萬(wàn)人，其中城鎮(zhèn)人口142.46萬(wàn)人，常住人口城鎮(zhèn)化率為45.57%，與全國(guó)平均水平63.89%仍有較大差距。2020年，《中共中央、國(guó)務(wù)院關(guān)于新時(shí)代推進(jìn)西部大開(kāi)發(fā)形成新格局的指導(dǎo)意見(jiàn)》印發(fā)實(shí)施，西部大開(kāi)發(fā)進(jìn)入新階段。土地資源作為重要的生產(chǎn)要素，對(duì)經(jīng)濟(jì)發(fā)展具有舉足輕重的作用。研究土地利用空間結(jié)構(gòu)變化，優(yōu)化國(guó)土空間布局，對(duì)促進(jìn)天水在新一輪西部大開(kāi)發(fā)中搶占發(fā)展先機(jī)、提高城市能級(jí)具有重要參考價(jià)值。

2 數(shù)據(jù)來(lái)源

研究采用2000年、2010年、2020年3期土地覆蓋數(shù)據(jù)，數(shù)據(jù)來(lái)源于武漢大學(xué)黃昕教授團(tuán)隊(duì)制作的30m年度土地覆蓋產(chǎn)品(http://doi.org/10.5281/zenodo.4417809)，該數(shù)據(jù)基于GEE上獲得的Landsat數(shù)據(jù)，CLCD的總體準(zhǔn)確率達(dá)80%，能夠反映城鎮(zhèn)化背景下人類(lèi)活動(dòng)對(duì)區(qū)域地表覆蓋的影響。根據(jù)研究目標(biāo)及數(shù)據(jù)情況，參照國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)(GB/T 21010-2015)對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行重分類(lèi)，得到耕地、林地、草地、水域、建設(shè)用地和未利用地等6個(gè)地類(lèi)。

3 研究方法

本研究基于分形理論，運(yùn)用ArcGIS 10.8平臺(tái)和FRAGSTATSv 4.2.1軟件，通過(guò)計(jì)算相關(guān)景觀指數(shù)，從土地?cái)?shù)量結(jié)構(gòu)變化、土地利用空間格局、景觀布局特征3個(gè)維度對(duì)天水市2000—2020年20a間土地利用空間結(jié)構(gòu)變化情況進(jìn)行研究。

3.1 土地?cái)?shù)量結(jié)構(gòu)變化指數(shù)

土地利用結(jié)構(gòu)是各土地利用類(lèi)型占區(qū)域土地總面積的比例關(guān)系及其組合方式，能夠反映國(guó)民經(jīng)濟(jì)各部門(mén)間及部門(mén)內(nèi)部的分配狀況。由于受到自然、人為復(fù)合因素的持續(xù)影響，區(qū)域土地利用結(jié)構(gòu)始終處于動(dòng)態(tài)變化中，如果主管機(jī)構(gòu)不能科學(xué)引導(dǎo)、適度調(diào)控，各用地主體盲目追求經(jīng)濟(jì)效益，忽視社會(huì)效益、生態(tài)效益，將難以實(shí)現(xiàn)經(jīng)濟(jì)社會(huì)可持續(xù)發(fā)展。土地?cái)?shù)量結(jié)構(gòu)能夠反映土地利用結(jié)構(gòu)短期變化及長(zhǎng)期趨勢(shì)，能夠?yàn)檎茖W(xué)配置土地資源，實(shí)現(xiàn)生態(tài)、經(jīng)濟(jì)和社會(huì)效益的統(tǒng)一提供參考。選取土地?cái)?shù)量變化幅度、土地?cái)?shù)量耗減度、土地?cái)?shù)量變化強(qiáng)度等3個(gè)指標(biāo)，分別描述土地利用變化情況、單位時(shí)間內(nèi)某地類(lèi)消耗程度以及土地利用變化過(guò)程。

表1 土地?cái)?shù)量結(jié)構(gòu)變化指數(shù)表

3.2 土地利用空間格局指數(shù)

本研究基于分形理論，主要采用周長(zhǎng)面積分維數(shù)、穩(wěn)定性指數(shù)、斑塊密度指標(biāo)等進(jìn)行土地利用空間格局指數(shù)分析。周長(zhǎng)面積分維數(shù)能夠描述地類(lèi)斑塊的自我相似性及空間鑲嵌結(jié)構(gòu)的復(fù)雜程度，穩(wěn)定性指數(shù)能夠描述土地利用空間格局的潛在變動(dòng)趨勢(shì)。

表2 土地利用空間格局指數(shù)表

3.3 景觀布局特征指數(shù)

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(xiàn)了景觀異質(zhì)性和各種生態(tài)過(guò)程在不同尺度上作用的結(jié)果。本研究選取景觀形狀指數(shù)、景觀聚集指數(shù)、有效粒度尺寸等指標(biāo)分析景觀布局特征。景觀形狀指數(shù)反映斑塊形狀的復(fù)雜程度，景觀聚集指數(shù)反映景觀中不同斑塊類(lèi)型的非隨機(jī)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(shù)

4 結(jié)果與分析

4.1 土地利用結(jié)構(gòu)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(jì)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(shè)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?？傮w而言，20a間除耕地總量減少，其他地類(lèi)面積均有所增加。

表4 土地?cái)?shù)量結(jié)構(gòu)變化表

表5 2000—2020年土地?cái)?shù)量變化矩陣表

2000—2020年，耕地合計(jì)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(shè)用地占比為3.73%，三者合計(jì)占比達(dá)到99.89%；耕地合計(jì)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(jì)占比達(dá)到99.96%；林地合計(jì)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(jì)占比達(dá)到99.95%；林地合計(jì)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(jì)占比達(dá)到99.99%；草地合計(jì)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(shè)用地占比1%，三者合計(jì)占比達(dá)到99.93%；草地合計(jì)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(jì)占比達(dá)到99.97%。水域合計(jì)流出136.60hm2，其中流向建設(shè)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(jì)占比達(dá)到99.33%；水域合計(jì)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(shè)用地占比為22.09%，三者合計(jì)占比達(dá)到99.95%。未利用地合計(jì)流出21.33hm2，其中流向草地最多，占比為80.63%，建設(shè)用地占比為13.03%，耕地占比為6.33%，三者合計(jì)占比達(dá)到99.99%；未利用地合計(jì)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(jì)占比達(dá)到98.78%。建設(shè)用地合計(jì)流出67.09hm2，主要流向水域，占比為94.96%；建設(shè)用地合計(jì)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(jì)占比達(dá)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(shù)，能夠描述景觀破碎化程度。20a間，除水域外，其他地類(lèi)斑塊密度均增加，其中耕地、草地、建設(shè)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(guò)了2000年水平，顯示上述地類(lèi)的破碎化程度均進(jìn)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(shì)。

天水市2000年、2010年、2020年景觀級(jí)別周長(zhǎng)面積分維數(shù)分別為1.423、1.4252、1.4001，總體呈下降趨勢(shì)。所有地類(lèi)各時(shí)間節(jié)點(diǎn)周長(zhǎng)面積分維數(shù)均低于1.5，表明各地類(lèi)斑塊的自我相似性及空間鑲嵌結(jié)構(gòu)的復(fù)雜程度在降低。2020年各地類(lèi)周長(zhǎng)面積分維數(shù)按由大到小排序分別是草地、耕地、建設(shè)用地、林地、水域及未利用地。20a間，各地類(lèi)穩(wěn)定性指數(shù)均有所增加，土地利用結(jié)構(gòu)趨于穩(wěn)定，2020年各地類(lèi)穩(wěn)定性指數(shù)按由大到小排序分別為耕地、草地、建設(shè)用地、林地、水域、未利用地。

表6 土地利用空間格局指數(shù)表

表7 景觀布局特征指數(shù)表

4.3 景觀布局特征指數(shù)分析

景觀形狀指數(shù)方面，耕地、未利用地先降后升，呈V型反彈，林地、建設(shè)用地持續(xù)增大，各地類(lèi)景觀形狀指數(shù)均呈增大趨勢(shì)，斑塊形狀復(fù)雜程度均有所提高，表明人類(lèi)活動(dòng)對(duì)上述地類(lèi)干擾逐步增強(qiáng)。

景觀聚集指數(shù)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(shè)用地、水域、未利用地均增加，其中草地先降后升，其余均持續(xù)增大，建設(shè)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(shè)用地、林地均增加，建設(shè)用地增量顯著，表明景觀破碎化程度顯著降低。

5 結(jié)論和討論

本研究基于分形理論，選用相關(guān)指數(shù)對(duì)天水市土地利用結(jié)構(gòu)變化情況進(jìn)行分析，得出如下結(jié)論。

5.1 耕地是建設(shè)用地主要來(lái)源

2000—2020年，全市建設(shè)用地總量翻倍，且主要來(lái)源于耕地。實(shí)際上，適宜耕種的土地一般都適宜搞建設(shè)，耕地與建設(shè)用地天然沖突。因此，必須嚴(yán)格控制建設(shè)占用優(yōu)質(zhì)，嚴(yán)格落實(shí)耕地占補(bǔ)平衡，堅(jiān)決制止耕地“非農(nóng)化”、“非糧化”，切實(shí)做好耕地保護(hù)工作。

5.2 行政手段對(duì)土地利用結(jié)構(gòu)變化影響巨大

20a間，耕地、林地、草地之間互相轉(zhuǎn)化，且數(shù)量較大，原因是自2000年起國(guó)家大力推動(dòng)退耕還林還草政策，大量水土流失嚴(yán)重的耕地，沙化、鹽堿化、石漠化嚴(yán)重的耕地以及糧食產(chǎn)量低而不穩(wěn)的耕地，逐步停止耕種，因地制宜的造林種草；同時(shí)，大量耕地轉(zhuǎn)為建設(shè)用地。無(wú)論是退耕還林還草，還是建設(shè)占用耕地，均體現(xiàn)了明顯的政府意志和政策影響，充分表明政府行政手段對(duì)土地利用結(jié)構(gòu)能夠產(chǎn)生深刻影響。因此，必須加強(qiáng)規(guī)劃引領(lǐng)和政策論證，確保行政手段對(duì)土地利用結(jié)構(gòu)的影響是正向的。

5.3 人工景觀、自然景觀景觀指數(shù)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(shè)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(lèi)周長(zhǎng)面積分維數(shù)均較小，斑塊復(fù)雜性降低，呈現(xiàn)簡(jiǎn)單化、規(guī)則化的特征，土地利用結(jié)構(gòu)趨于穩(wěn)定。

通過(guò)對(duì)天水市2000—2020年20a間土地利用空間結(jié)構(gòu)變化的研究，可以得出耕地是建設(shè)用地主要來(lái)源、行政手段對(duì)土地利用結(jié)構(gòu)變化影響巨大、人工景觀和自然景觀景觀指數(shù)差異顯著等結(jié)論。因此，為保護(hù)生態(tài)本底、保障糧食安全、保障城市建設(shè)需求，應(yīng)嚴(yán)格劃定落實(shí)生態(tài)保護(hù)紅線、永久基本農(nóng)田和城鎮(zhèn)開(kāi)發(fā)邊界，科學(xué)編制國(guó)土空間規(guī)劃，充分發(fā)揮規(guī)劃引領(lǐng)作用，從而規(guī)范和引導(dǎo)用地行為，將耕地保護(hù)、建設(shè)用地、土地利用結(jié)構(gòu)調(diào)整、景觀格局優(yōu)化等統(tǒng)籌納入規(guī)劃管控范圍，為天水市搶抓新一輪西部大開(kāi)發(fā)機(jī)遇，提高城市能級(jí)提高基礎(chǔ)支撐。