張宇碩 趙林 吳殿廷等

摘要：基于2000、2010年京津冀都市圈30 m分辨率的地表覆蓋數據，提取出建設用地數據信息，運用空間統計分析、空間自相關、土地類型轉換及景觀指標測算的方法，從規(guī)模變化、空間變化和景觀格局變化的角度，揭示京津冀都市圈建設用地的空間格局及時空變化特征，并通過多元回歸模型對影響建設用地變化的驅動因素進行分析。結果表明：2000年～2010年間，在京津冀一體化發(fā)展戰(zhàn)略背景下，伴隨產業(yè)升級與產業(yè)轉移的快速發(fā)展，京津冀都市圈建設用地規(guī)模經歷了快速增長，高密度區(qū)縣數量及其空間集聚性均呈顯著上升趨勢；空間變化的非均衡性和兩極分化特征明顯，整體沿北京—保定—石家莊、北京—天津、唐山—天津—滄州三條軸線擴展，同時京津唐地區(qū)的組團擴展和網絡擴展特征日趨明顯，呈現“中心—外圍—邊緣”的圈層式結構；景觀格局的空間分散態(tài)勢有所增加，各區(qū)縣建設用地緊湊度指數較低，變化程度較小，建設用地的斑塊變化具有一定的粗放性和無序性。運用多元回歸對建設用地變化的驅動因素進行分析發(fā)現，人口、GDP和固定資產投資是影響京津冀都市圈建設用地的主導因素，其中人口是影響兩期建設用地擴展的主導因素。

關鍵詞：建設用地；建設用地變化；京津冀都市圈；土地利用；京津冀一體化

中圖分類號：K921 文獻標識碼：A

0引言

建設用地是人類對土地利用的重要方式之一，與人類的社會經濟活動密不可分，也是城市化過程的必然需求。隨著全球城市化進程的推進和社會經濟的加速發(fā)展，城市需要不斷向外擴展以尋求新的發(fā)展空間，城市建設用地擴展及所引起的其他土地類型的變化成為重要特征，對社會、經濟和生態(tài)環(huán)境等方面產生了綜合的影響。建設用地變化引發(fā)了不同領域學者的廣泛研究，是區(qū)域和城市發(fā)展研究的重點與熱點。國外學者很早就從建設用地的擴展模式、時空擴展模型及對其他土地類型的影響等方面對城市建設用地進行了大量的研究，揭示了城市擴展過程中建設用地擴展的過程、模式及驅動力等。中國是全球城市化發(fā)展最快的國家之一，2000年～2010年中國城鄉(xiāng)建設用地增加了1.61×10²km²，增長率高達11.17%。中國城市化引起的建設用地擴展受到學者們的高度關注，并對建設用地的時空擴展過程、擴展模式、驅動機制及情景預測等方面進行了廣泛的研究。目前國內對建設用地快速擴展的長三角和珠三角已有深入的研究，而對于京津冀的研究則相對較少。

京津冀都市圈是中國重要的城市化區(qū)域，快速的城市化過程對建設用地的需求量越來越高，建設用地迅速擴展導致土地利用結構發(fā)生顯著變化。伴隨巨大的人口壓力、資源緊缺、產業(yè)結構調整、生態(tài)環(huán)境保護等問題，人地矛盾日益尖銳，已成為限制京津冀都市圈協同發(fā)展的重要因素。目前京津冀協同發(fā)展已上升為國家戰(zhàn)略，因此深入分析京津冀都市圈建設用地擴展的時空特征和驅動因素，可以有效避免或減緩其帶來的矛盾，對京津冀一體化協同發(fā)展具有重要的參考價值。近年來學者們從不同角度對京津冀都市圈的建設用地擴展進行了研究。徐新良等利用GIS空間分析方法，分析了1990年～2008年京津冀都市圈城鎮(zhèn)擴展的時空過程，并運用SLEUTH模型模擬了不同發(fā)展場景下京津冀都市圈城鎮(zhèn)擴展的未來情景，發(fā)現京津冀都市圈的城鎮(zhèn)擴展速率具有一定的減緩趨勢，擴展過程中對耕地的占用特別明顯，擴展格局呈現顯著的“雙核、一帶和兩軸、多中心”的特征。劉翠玲等以城市增長理論和約束性元胞自動機模型為基礎構建了京津冀城鎮(zhèn)空間發(fā)展分析模型（BUDEM-JJJ），對京津冀地區(qū)2049年的城鎮(zhèn)形態(tài)進行了多種情景模擬，并分析了不同發(fā)展情景下京津冀地區(qū)城鎮(zhèn)空間發(fā)展格局的變化。王利偉等運用夜間燈光數據，通過擴展強度指數、空間關聯模型、多維驅動力分析模型等方法，定量揭示了1992年～2012年京津冀城市群時空擴展路徑及動力機制?，F有的研究為認識京津冀都市圈建設用地擴展提供了堅實的基礎，但這些研究多注重對不同時期建設用地空間擴展強度與范圍的定量分析，容易遺漏不同尺度上建設用地的局部變異特征，對建設用地擴展過程與格局的空間分異特征的揭示有待進一步的深入研究。以往研究所使用的建設用地數據多為100m、250m或1km的空間分辨率，對建設用地局部變化的細節(jié)展現和分析具有一定的局限性。因此，本文以建設用地擴展的空間分異為切入點，使用30m分辨率的建設用地數據，運用空間自相關、GIS空間分析和景觀生態(tài)分析的方法，從建設用地的規(guī)模變化、空間分異、景觀格局三個方面對京津冀都市圈建設用地的時空變化進行了系統分析，并對影響建設用地擴展的主要驅動因素進行探討。

1研究區(qū)、數據來源及研究方法

1.1研究區(qū)概況

京津冀都市圈包括北京市、天津市以及河北省的承德、張家口、保定、唐山、廊坊、滄州、秦皇島和石家莊8個地級市。位于東經113°04′～119°53′，北緯36°01′～42°37′，屬溫帶半濕潤半干旱大陸性季風氣候，大部分地區(qū)四季分明，冬季寒冷少雪，夏季炎熱多雨。地勢由西北向東南傾斜，西北部為山區(qū)、丘陵和高原且其間分布有盆地和谷地，中部和東南部為廣闊的平原。土地總面積約18萬km²，是我國北方重要的人口、經濟、文化密集區(qū)，也是我國東部沿海三大都市圈（城市群）之一。

1.2數據來源與處理

本研究所采用的地表覆蓋數據來自我國2014年研制的首套全球30m分辨率的地表覆蓋數據產品（GlobeLand30），該數據產品包括2000年和2010年兩個基準年，具體包括耕地、林地、草地、灌叢、濕地、水體、人造地表、裸地、冰雪、苔原十大類。根據第三方驗證，該產品的分類精度為80.3%。已有學者采用該數據產品對不同尺度區(qū)域的地表覆蓋格局和變化進行了研究。從該數據產品中提取出京津冀都市圈的兩期建設用地數據作為京津冀都市圈建設用地擴展時空過程研究的數據基礎（圖1）。根據GlobeLand30數據的產品說明，該產品中對建設用地的定義是人工活動形成的由瀝青、混凝土、沙石、磚瓦以及其他建材覆蓋的地表覆蓋類型，包括居民區(qū)（城市、鄉(xiāng)鎮(zhèn)、村莊）、交通、通訊以及工礦等設施類型，考慮到城市中綠地及水體所占比例較小，故不包括下墊面為土壤的城市綠地（如公園、高爾夫球場）和水體。采用的人口數據來自北京市、天津市、河北省2000年和2010年的人口普查統計資料，社會經濟數據來源于2001年和2011年的《中國縣（市）社會統計年鑒》、《中國城市統計年鑒》。將研究區(qū)130個區(qū)縣單元的矢量數據對建設用地的柵格數據進行空間統計運算，獲得各區(qū)縣的兩期建設用地數據。

1.3研究方法

1.3.1多層次空間統計分析

為方便進行京津冀都市圈建設用地空間格局和變化特征分析，首先對京津冀都市圈全區(qū)2000、2010年建設用地面積進行空間統計分析，繼而對130個區(qū)縣建設用地的時空變化特征進行統計分析，然后通過斑塊指數等分析兩期建設用地的景觀變化特征。

1.3.2空間自相關

空間自相關（Spatial autocorrelation）是空間統計學研究中的一個重要方法，是反映一個區(qū)域單元上某種地理現象或某一屬性值與鄰近區(qū)域單元上同一現象或屬性值相關程度大小的重要指標，包括全局空間自相關（Global Spatial Autocorrelation）和局部空間自相關（Local Spatial Autocorrelation）兩大類。本文主要采用由GIS生成的拓撲信息提供的空間對象鄰接關系，采用Rook方式、一階鄰接關系構建空間權重系數矩陣。

1.3.3土地類型轉換矩陣

土地類型之間的相互轉換可以用Markov地類轉換矩陣來進一步描述，利用該模型來計算建設用地與其他地類間的轉換矩陣，進而分析新增建設用地的來源。

1.3.4建設用地綜合擴展指數

2京津冀都市圈建設用地空間格局

為了更好地比較不同地區(qū)以及同一地區(qū)不同時期建設用地的空間格局，采用各區(qū)縣建設用地密度（建設用地面積/行政區(qū)土地面積）進行空間格局分析。以一階鄰接標準計算京津冀都市圈2000、2010年建設用地密度的Morans Ⅰ系數，2000、2010年的Morans Ⅰ系數分別為0.3203和0.4168（圖2），都為正值。z檢驗的顯著性水平p<0.05。其結果表明：京津冀都市圈建設用地分布存在非常顯著的空間正相關關系，即建設用地分布存在高密度區(qū)域與高密度區(qū)域相互鄰接，低密度區(qū)域與低密度區(qū)域相互鄰接的趨勢，空間分布的集聚現象顯著；2010年的Morans Ⅰ值高于2000年，說明2010年區(qū)縣建設用地分布的集聚程度高于2000年。

在局部空間自相關分析中，使用LISA聚集地圖（LISA Cluster Map）來直觀反映統計上顯著的局部空間自相關及其類型。LISA地圖按局部空間自相關類型將區(qū)域單元劃分為高—高、低—低、高—低、低—高四種類型。

2000年和2010年LISA聚集地圖（圖3）差異很小，顯示京津冀都市圈建設用地密度的總體格局相對穩(wěn)定。從圖中可以看出，局部空間自相關顯著的區(qū)域主要以高—高和低—低類型為主。2000年，顯著的高—高類型區(qū)主要集中在北京中心城區(qū)、天津的近郊區(qū)和石家莊市區(qū)三個高密度聚集區(qū)。2010年，北京近郊區(qū)、天津市區(qū)及唐山市區(qū)也屬高—高類型區(qū)，但并不顯著，主要因為市區(qū)建設用地密度較高，與外圍區(qū)縣差異過大。顯著的低—低類型區(qū)連片分布在區(qū)域北部和西北部的張家口與承德市，形成區(qū)域內建設用地低密度聚集區(qū)?？臻g異質性只反映在少數幾個顯著的低—高和高—低類型區(qū)。低—高類型區(qū)在北京西部的門頭溝區(qū)最為顯著和穩(wěn)定，反映了建設用地密度由市區(qū)的高密度區(qū)向外圍低密度區(qū)的過渡。顯著的高—低類型區(qū)僅有一個，為張家口市區(qū)，表明在北部和西北部地區(qū)，建設用地在城市市區(qū)高度集中，市區(qū)以外區(qū)縣普遍較低。局部空間自相關分析揭示京津冀都市圈內穩(wěn)定存在三個顯著的建設用地高密度區(qū)，以北京中心城區(qū)、天津市區(qū)和石家莊市區(qū)為中心的三個高密度區(qū)主導區(qū)域城鄉(xiāng)建設用地分布格局，可以看作是區(qū)域的三個建設用地高密度中心。低密度建設用地區(qū)呈集聚的連片狀分布，而密度較高區(qū)縣則呈分散的斑塊狀分布，整體呈低值集聚、高值分散特征。

3京津冀都市圈建設用地變化分析

3.1建設用地的規(guī)模變化分析

建設用地規(guī)模變化主要是指建設用地數量和結構的變化。2000年以來，京津冀都市圈經濟發(fā)展迅速，尤其是北京與天津人口增長迅速、產業(yè)升級與產業(yè)轉移蓬勃發(fā)展，河北省各區(qū)縣在承接北京和天津產業(yè)轉移的過程中引發(fā)建設用地規(guī)模高速增長?？傮w來看，京津冀都市圈建設用地增長態(tài)勢顯著（表1），由2000年的1168.13km²增長到2010年的14179.61km²，年均增長率為2.4%。但三大行政區(qū)建設用地的擴展速度存在顯著差異，按年均增長率排列依次為天津（4.82%）、北京（4.17%）、河北（1.35%）。

從各區(qū)縣建設用地密度的數值和等級類型的數量來看（表2、表3），最低值和最高值隨時間變化不大，但均值和標準差均增大，分別從2000年的12.9%和14.1%增長為2010年的15.2%和16.4%，說明建設用地的平均密度水平呈現高速增長趨勢。10年間，建設用地密度介于5.5%-10.5%的區(qū)縣由14個增加到17個，而在26.5%-40.5%和>40.5%范圍內的高密度區(qū)縣數量增加幅度更大，分別增加為13個和8個，使26.5%以上的高密度區(qū)縣數量占區(qū)縣總量的比例由2000年的6.2%增加到2010年的16.2%，呈現出建設用地規(guī)模增加的急劇性和計劃性，區(qū)域非均衡性和非對稱性更加突出（圖4）。

運用ArcGIS10.0的空間分析功能，計算得到新增建設用地來源的地類及其面積（表4）。2000年～2010年京津冀都市圈3275.39km²的非建設用地轉化為建設用地，通過占用耕地的新增建設用地的比重高達78.4%（2567.85km²），通過占用草地的新增建設用地比重為16.4%（537.31km²），說明2000年～2010年京津冀都市圈建設用地擴展速度迅速，且新增建設用地主要來源于對耕地的占用。

3.2建設用地的空間變化分析

通過對兩期數據進行空間分析運算，獲得2000年～2010年京津冀都市圈建設用地擴展狀況（圖5（a））。可以看出，隨著工業(yè)化和經濟發(fā)展對建設用地需求的不斷增加，2000年～2010年間全區(qū)建設用地高速擴展。受地形條件、建設用地擴展的自身階段性規(guī)律及區(qū)域交通等基礎設施條件的影響，建設用地擴展區(qū)域集中分布于中部和東南部平原地區(qū)，北部和西北部山區(qū)除張家口市區(qū)外，均處于建設用地擴展的低谷區(qū)。從空間擴展的整體分布來看，建設用地低增長區(qū)呈現連片狀分布，而高增長區(qū)縣則沿北京一保定一石家莊、北京一天津、唐山一天津一滄州三條軸線呈點軸式分布，交通節(jié)點區(qū)縣建設用地擴展特征顯著。從局部區(qū)縣單元來看，各區(qū)縣建設用地的增加圍繞中心城市呈蔓延式向外擴展，區(qū)縣間建設用地組團擴展和網絡擴展特征明顯?？梢钥闯鰠^(qū)域整體建設用地空間擴展的非均衡特征十分突出。

利用公式（1）（7）計算得到京津冀都市圈各縣（區(qū)）的建設用地綜合擴展指數。參考相關研究，利用Jenks自然斷裂法將130個區(qū)縣單元的建設用地綜合擴展指數分為了四類：<0、0-1.5、1.5-3.5、3.5-7.5。依據各組間和組內擴展指數的差異將以上四種類型劃分為穩(wěn)定型、弱擴展型、強擴展型、劇烈擴展型（圖5（b））。2000年～2010年間，京津冀都市圈建設用地劇烈擴展型區(qū)縣共有8個，包括北京的朝陽區(qū)、通州區(qū)、豐臺區(qū)、石景山區(qū)及天津的東麗區(qū)、西青區(qū)、津南區(qū)和北辰區(qū)，呈環(huán)形帶狀集中分布于中心城區(qū)外圍。主要由于以上區(qū)域環(huán)繞于發(fā)達的核心城市周圍，與北京、天津市區(qū)存在密切的產業(yè)聯系，在交通條件的引導下快速升級為中心城市居住和產業(yè)功能疏散的重點區(qū)域，成為市區(qū)建設用地向外延伸的主要方向；強擴展型區(qū)縣主要分布于京津唐地區(qū)的城市外圍區(qū)縣，主要由于京津唐區(qū)縣是北京和天津工業(yè)產業(yè)轉移與升級的主要承接區(qū)，第二、三產業(yè)用地特別是工業(yè)用地、城鎮(zhèn)用地和交通用地面積大幅擴展，成為該時段京津冀都市圈建設用地擴展的重要特征，推動京津唐地區(qū)發(fā)展為建設用地擴展的熱點地區(qū)；弱擴展型區(qū)縣數量占區(qū)縣總數的56%，主要包括京津唐地區(qū)的外圍區(qū)縣，與劇烈擴展型、強擴展型共同構成環(huán)狀圈層結構；穩(wěn)定型區(qū)縣連片分布于保定和滄州。綜合以上分析發(fā)現，京津冀都市圈經濟中心與建設用地擴展中心相吻合，建設用地擴展的區(qū)域非均衡性、差異性和“兩極分化”現象日益顯著，“中心—外圍—邊緣”的圈層式空間結構日趨明顯，中心城市與周邊區(qū)縣呈現明顯的核心—邊緣效應，建設用地擴展程度從各城市轄區(qū)由近及遠逐級降低。

3.3建設用地的景觀格局變化分析

2000年～2010年京津冀都市圈建設用地景觀格局特征發(fā)生了顯著變化（表5（a））。斑塊總數從28694個增加到40450個。與此同時，斑塊密度由2.46個/km²增加為2.85個/km²，斑塊平均面積由0.41km²下降到0.35km²，說明建設用地的快速擴展是建立在分散式擴展模式之上。最大斑塊指數由5.89增加到7.12，表明大城市建設用地的蔓延式擴展在逐漸增強。全區(qū)的緊湊度指數從149.62降低為145.48，表明建設用地斑塊形狀越來越復雜，空間格局趨于分散。

采用公式（8）計算各區(qū)縣緊湊度（CI）（圖6），結果表明：10年間，各區(qū)縣建設用地的緊湊度指數變化較小，除北京和天津的轄區(qū)外，其他區(qū)縣的緊湊度指數均較低?？梢钥闯?000年～2010年建設用地擴展的無序性和粗放性較顯著，主要由于：①京津冀都市圈的區(qū)縣大都處于工業(yè)發(fā)展初、中期階段，產業(yè)布局分散化趨勢明顯，建設用地往往呈現分散點狀產生、增長和擴展，不利于提高建設用地空間聚集度；②區(qū)縣間經濟發(fā)展階段差異性和極化性顯著，當缺乏有效的政策與制度引導時，建設用地擴展趨于自發(fā)和無序狀態(tài)，空間分布趨于分散；③城鎮(zhèn)規(guī)劃和政府在大力引進產業(yè)轉移提高經濟發(fā)展水平的同時，缺乏有效、合理和可持續(xù)用地管理政策與制度，短時期內很難協調建設用地擴展的自發(fā)性和隨意性。

4建設用地變化的驅動因素分析

運用多元回歸法對京津冀都市圈建設用地變化的驅動因素進行分析。在借鑒以往研究成果的基礎上，將影響京津冀都市圈建設用地變化的驅動因素分為社會因素、經濟因素、政策因素和交通因素。選擇影響建設用地變化的因子體系：人口數量作為衡量社會因素的影響因子；GDP、第二產業(yè)產值、第三產業(yè)產值為經濟影響因子；固定資產投資額和表征政府財政政策的地方財政支出額作為表征政策因素的影響因子；客運量和貨運量表征交通因素影響因子。為增強驅動因素分析對現實中建設用地管理決策的參考作用，將縣域單元（區(qū)、縣）作為空間單元進行多元回歸分析。以縣域單元的建設用地密度為因變量，以上所選因子為自變量，建立京津冀都市圈建設用地變化的多元回歸模型，在計算之前對所有因子進行了標準化處理。

從表6可以看出，2000年的模型擬合度（R²）為0.903，擬合程度很高，F值為42.831，通過了5%的顯著性水平檢驗，顯示人口和固定資產投資對城鄉(xiāng)建設用地影響較大，彈性系數分別為1.233和0.469，具有顯著的正向影響；2010年模型擬合度為0.888，F值達到72.193，與建設用地增加關系最密切的因子是人口和GDP，彈性系數分別達到0.949和0.914。由此表明京津冀都市圈建設用地增長受人口、GDP及固定資產投資的影響最大，而人口是影響建設用地擴展的穩(wěn)定因素。在區(qū)位條件、收入水平、產業(yè)發(fā)展需求、市場發(fā)展?jié)摿Φ纫蛩氐拇碳は?，勞動力向大城市或經濟效益好的地方流動，促使城市?guī)模擴大并不斷向外擴展。根據2010年全國“六普”數據顯示，京津冀都市圈的人口規(guī)模達到約1.04億，占全國人口比重的7.79%，與“五普”數據相比，上升了0.58%。人口的增加導致住房、交通等基礎設施相應增加，造成城市和村莊不斷向外圍擴展而占用大量其他用地。

5結論與討論

本文利用GlobeLand30產品的建設用地數據對京津冀都市圈建設用地的空間格局及時空變化特征進行分析，主要得出如下結論：

2000年和2010年，京津冀都市圈形成了北京、天津和石家莊三個穩(wěn)定的建設用地高密度中心，空間格局整體呈低值集聚、高值分散特征；通過建設用地規(guī)模變化可以看出，2000年～2010年，京津冀都市圈建設用地規(guī)模增長顯著，天津建設用地增長速度最快，其次是北京和河北區(qū)。各區(qū)縣建設用地密度的平均水平顯著上升，高密度區(qū)縣數量急劇增加，新增建設用地對耕地的占用特別明顯；從建設用地的空間變化可以看出，京津冀都市圈建設用地整體沿北京—保定—石家莊、北京—天津、唐山—天津—滄州軸線式擴展，同時京津唐地區(qū)呈組團式擴展，全區(qū)呈現出組團式、軸線式及網絡式交織擴展的空間態(tài)勢。在劇烈擴展型（高密度中心）、強擴展型（京津唐地區(qū)）、弱擴展型和穩(wěn)定型（外圍區(qū)縣）的共同作用下，形成了建設用地擴展的環(huán)狀圈層空間結構；透過建設用地的景觀格局變化可以看出，建設用地斑塊的空間分散格局有所加劇，除北京、天津外，其他區(qū)縣的緊湊度指數均較低，建設用地規(guī)劃仍有很大的疏導空間；通過多元回歸分析發(fā)現，人口增加是京津冀都市圈建設用地擴展的主要因素，固定資產投資和GDP是重要的經濟因素。

受土地利用數據來源的年份限制，本研究只對2000、2010年兩個年份的建設用地時空變化與格局進行了分析，今后應進行多時段的序列研究，探索京津冀都市圈建設用地變化的時空規(guī)律。京津冀都市圈建設用地的變化受制度環(huán)境的影響較大，與人口變化、產業(yè)結構、經濟發(fā)展及生態(tài)環(huán)境變化之間具有多維復雜的作用關系。當前，京津冀協同發(fā)展戰(zhàn)略已成為引導京津冀社會、經濟、生態(tài)發(fā)展方向的重要戰(zhàn)略。未來應進一步對京津冀都市圈建設用地的變化趨勢進行多情景的模擬預測，探討建設用地變化與社會、經濟、生態(tài)變化的作用機制，為京津冀協同發(fā)展的決策管理提供有價值的基礎信息和科學依據。