呂 冰,王 越,李炆穎,李佩澤,沈殿示,高 佳

(1.沈陽師范大學 管理學院,遼寧 沈陽 110034;2.東北大學 文法學院,遼寧 沈陽 110169)

近年來，東北經濟持續(xù)下滑，其發(fā)展滯后固然存在體制和機制的弊端。但不可否認的是，土地作為東北振興的基礎和載體，長期以來存在不合理的土地利用問題已成為阻礙東北振興與發(fā)展的瓶頸[1]，諸多土地利用過程引起的社會經濟問題亦亟待破解[2-4]。沈陽經濟區(qū)作為東北振興的核心區(qū)域，當前在東北振興的過程中多注重體制機制建設、經濟轉型和資源型城市轉型等方面的研究[5-6]。針對土地利用存在問題方面的研究十分薄弱，沈陽經濟區(qū)土地利用亟待轉型。土地利用轉型的科學內涵十分豐富，綜合已有研究成果，本研究將土地利用轉型界定為一定時空范圍內，土地利用類型由一種空間形態(tài)轉變?yōu)榱硪环N空間形態(tài)的過程[7]，即土地利用形態(tài)的趨勢性轉折[8]。土地利用轉型作為研究土地利用/覆被變化的一種綜合方法[9-11]，可對土地利用過程和空間結構做出表征[12]。當前研究將土地利用轉型理解為土地利用空間形態(tài)和土地利用功能形態(tài)的變化[11]，在衡量土地利用空間形態(tài)變化方面，通過測量各種土地利用類型的數(shù)量結構及空間分布、構建土地利用轉移矩陣、測算各種土地利用類型的動態(tài)度相關指標等方法，表征土地利用空間形態(tài)的變化[13-14]，在衡量土地利用功能形態(tài)變化方面，常與人類對土地的非商品性產出需求緊密度聯(lián)系起來，通過衡量人口、GDP等與社會經濟發(fā)展密切相關的指標，表征土地利用功能的變化，在描述土地利用轉型時空分異特征方面，多局限于對土地利用空間指數(shù)的靜態(tài)解釋上[15]，有關土地利用空間形態(tài)在空間上的重心轉移及其與社會經濟發(fā)展關系的研究相對薄弱。相關研究應用了3S技術和土地利用信息圖譜及計量分析等模型方法[16-17]，為分析土地利用轉型時空分異特征提供了可靠的研究方法和技術支撐。本研究以沈陽經濟區(qū)為研究區(qū)，以1980—2018年遙感影像數(shù)據(jù)為基礎，建立1980，1990，2000，2010和2018年5期研究區(qū)土地利用現(xiàn)狀數(shù)據(jù)庫，采用土地利用轉移矩陣，明確1980—1990年、1990—2000年、2000—2010年和2010—2018年研究區(qū)各種土地利用類型的轉入轉出關系，運用土地利用重心轉移軌跡模型，明確各種土地利用類型(耕地、林地、草地、建設用地、水域和其他用地)以及人口和GDP的重心轉移軌跡，進一步揭示土地利用轉型與社會經濟發(fā)展的時空分異特征，研究成果可為區(qū)域土地可持續(xù)利用提供科學參考。

1 研究區(qū)概況及數(shù)據(jù)來源與處理

1.1 研究區(qū)概況

研究區(qū)沈陽經濟區(qū)地處中國東北地區(qū)的南部，遼寧省的中部，屬東北亞核心地帶，位于122°10′56″—125°47′05″N，40°02′10″—43°02′25″E，是國務院于2010年批準設立的第8個國家綜合配套改革試驗區(qū)(新型工業(yè)化配套綜合改革試驗區(qū))，也是我國東北振興的核心地區(qū)。2017年遼寧省政府調整了沈陽經濟區(qū)范圍，劃定以沈陽為核心，連同鞍山、撫順、本溪和遼陽等5個地級市作為協(xié)同一體化發(fā)展區(qū)域，區(qū)域土地面積4.66×104km2，占遼寧省土地總面積的31.55%，區(qū)域總人口為1 615.3萬人，城市化率高達65%[18]，GDP總量為1.08萬億，占遼寧省總量的42.69%，占東北地區(qū)總量的19%，在1980—2018年期間，遼寧省GDP與東北地區(qū)GDP同步變化，其中沈陽經濟區(qū)GDP占東北地區(qū)GDP的比重，在1980—1990年由24%減少至21%，1990—2010年增至26%，2010—2018年又減少至19%，呈現(xiàn)“減—增—減”的波浪式變化。研究區(qū)屬溫帶半濕潤大陸性季風氣候，地勢自北向南、自東向西傾斜，土壤類型復雜，四季氣候變化明顯，土地利用類型多樣，研究區(qū)土地利用問題主要表現(xiàn)為人多地少，建設用地擴張現(xiàn)象嚴重，土地資源開發(fā)利用不合理，土地負載率變大且后備資源嚴重不足[13,19]，核心城市沈陽市對區(qū)域整體的輻射作用較弱[20-21]，針對上述問題，探討沈陽經濟區(qū)土地利用轉型與社會經濟發(fā)展關系十分必要且緊迫。

1.2 數(shù)據(jù)來源與處理

1.2.1 數(shù)據(jù)來源 ①遙感影像來源。選取研究區(qū)1980，1990，2000，2010和2018年5期Landsat TM遙感影像(30 m×30 m)，為確保遙感影像清晰度，綜合考慮研究區(qū)自然物候特點，選用6—9月且云覆蓋率低于影像面積10%的遙感影像。②社會經濟數(shù)據(jù)來源。本文采用人口和GDP來表征社會經濟發(fā)展。1990，2000，2010和2018年研究區(qū)人口和GDP公里網格數(shù)據(jù)，通過中國科學院地理空間數(shù)據(jù)云平臺以及中國科學院資源環(huán)境數(shù)據(jù)云平臺獲得；收集1983—2018年《遼寧統(tǒng)計年鑒》以及研究區(qū)各地級市統(tǒng)計年鑒中區(qū)縣一級的人口和GDP數(shù)據(jù)，采用最小二乘法推算1980年研究區(qū)各區(qū)縣人口和GDP的統(tǒng)計數(shù)據(jù)，將以區(qū)縣一級行政區(qū)為基本統(tǒng)計單元的1980年人口和GDP數(shù)據(jù)展布到空間網格上，實現(xiàn)1980年研究區(qū)人口和GDP的空間化。

1.2.2 數(shù)據(jù)處理 ①土地利用數(shù)據(jù)處理。運用RS，GIS技術，對研究區(qū)1980—2018年5期遙感影像進行幾何校正、裁剪、數(shù)據(jù)融合、影像增強等處理，結合研究區(qū)實際，采用監(jiān)督分類法進行解譯，獲取研究區(qū)1980，1990，2000，2010和2018年5期土地利用數(shù)據(jù)，分為耕地、林地、草地、建設用地、水域和其他用地6種一級土地利用類型，和21種二級土地利用類型，并對其位置、面積及分布信息進行統(tǒng)計，土地利用解譯數(shù)據(jù)精度達到92%以上。②社會經濟數(shù)據(jù)處理。在ArcGIS平臺下，將研究區(qū)行政界限作為掩膜，分別對1980，1990，2000，2010和2018年全國人口和GDP空間分布公里網格數(shù)據(jù)進行裁剪，得到1980—2018年研究區(qū)人口和GDP空間分布公里網格數(shù)據(jù)，并對其進行矢量化處理，以便對其進行后續(xù)的空間量化分析。

2 研究方法

2.1 土地利用轉移矩陣

土地利用轉移矩陣能夠反映各種土地利用類型在某一時點的靜態(tài)信息，以及在一段時間范圍內各種土地利用類型面積轉入轉出變化的動態(tài)信息[22]。在ArcGIS平臺下，分別對1980，1990，2000，2010和2018年土地利用數(shù)據(jù)進行數(shù)據(jù)融合，并對各研究時段初、末兩期數(shù)據(jù)進行疊置分析與面積計算，利用Excel軟件的數(shù)據(jù)管理和計算功能，分別計算研究區(qū)4個研究時段的土地利用轉移矩陣，明確研究區(qū)內各種土地利用類型的轉移方向和數(shù)目[23-24]。

2.2 重心轉移軌跡模型建立

為更直觀地表現(xiàn)研究區(qū)土地利用轉型和社會經濟發(fā)展的時空演變過程，本文采用重心轉移軌跡模型，分別計算1980，1990，2000，2010和2018年區(qū)域某屬性的重心坐標(Xk，Yk)，描述其重心轉移軌跡〔公式(1)—(2)〕。

(1)

(2)

式中：Xk，Yk分別代表區(qū)域某屬性k重心的經、緯度值；Xki，Yki分別為區(qū)域某屬性k中圖斑i對應范圍內X與Y坐標的平均值；AkI為區(qū)域某屬性k中圖斑i的面積。

3 結果與分析

3.1 研究區(qū)土地利用轉型時空分異特征

3.1.1 研究區(qū)土地利用轉型地類變化量分析 1980—1990年研究區(qū)耕地面積增加136.09 km2，其中林地和草地向耕地的凈轉入面積分別為60.13和78.14 km2；林地、草地面積分別減少62.13和86.68 km2，水域面積變化不大，建設用地面積增至2 762.74 km2，其他用地面積減少了38.69 km2(見表1)。在空間上耕地主要來源于研究區(qū)西南方向和農牧交錯帶的部分林地以及沈陽市北部和西部水體邊緣的草地，其他用地類型的面積基數(shù)較小，沈陽市北部和南部邊緣的其他用地面積轉為耕地，其他用地整體向研究區(qū)東南方向移動。1990—2000年研究區(qū)耕地面積增加160.27 km2，這一時期林地向耕地的總轉入面積為425.53 km2，凈轉入量高達338.58 km2，其中有132.35 km2耕地轉為建設用地，城市邊緣有向外擴張態(tài)勢；林地、草地面積分別減少了326.11和68.46 km2，損毀嚴重；水域面積增加43.57 km2；建設用地面積增加151.15 km2；其他用地面積增加40.03 km2，回升至原有水平(見表1)。在空間上沈陽市北部、研究區(qū)西部水體邊緣以及撫順市東部的林地均被開墾為耕地，由于農牧交錯帶的面積較大，其邊緣部分林地向耕地的轉出面積遠超研究區(qū)西北部耕地增長面積，使研究區(qū)耕地重心向東南方向轉移；沈陽北部和遼陽南部的草地大面積減少，向耕地、林地、水域和建設用地轉移。2000—2010年研究區(qū)土地利用情況受退耕還林還草政策影響，各種土地利用類型的轉入和轉出面積基本持平，其面積與研究期初各種土地利用類型的面積大致相同(見表1)。在空間上，研究區(qū)東南方向耕地面積減少，西北方向增多，研究區(qū)其他用地面積呈現(xiàn)西側減少東側增加態(tài)勢。

2010—2018年研究區(qū)耕地面積減少762.25 km2，主要轉出方向為水域和建設用地，轉出面積分別為332.78和1 324.91 km2；水域和建設用地面積分別增加了53.60 和871.28 km2，其中建設用地面積較1980年增長1 079.81 km2，研究區(qū)社會經濟發(fā)展和城市化進程在1980—2018年不斷加快；草地面積減少262.02 km2，主要轉出方向為林地；林地面積增加380.33 km2，主要來源為草地和水域(見表1)。從空間上看沈陽市西部和北部的草地向林地大量轉入，使林地面積激增，草地面積銳減；沈陽市和鞍山市建設用地面積在原基礎上有所擴大，遼陽市南部以及研究區(qū)東部建設用地明顯增多；其他用地在研究區(qū)西部增多?？傊?，1980—2018年研究區(qū)各種土地利用類型的面積變化較為平穩(wěn)。耕地面積在1980—2010年穩(wěn)步上漲，但在2010—2018年減少470.63 km2，其主要流向為建設用地；林地面積減少緩慢，2018年林地面積約為1980年林地面積的98.65%，研究區(qū)林地面積損失307.10 km2，林地保護工作不容樂觀；草地面積逐年減少，共減少了414.53 km2，由于研究區(qū)草地面積基數(shù)小，2018年草地面積僅為1980年的45.96%，可見退耕還林還草政策仍需相關部門落實于實處；水域面積在1990—2000年和2010—2018年共增加了91.90 km2；建設用地面積受城市化進程影響持續(xù)上升，防止建設用地的無序擴張應從土地利用的節(jié)約—集約利用入手；其他用地面積總體保持不變，應對其進行合理的規(guī)劃和使用(見圖1)。

表1 沈陽經濟區(qū)1980-2018年土地利用轉移矩陣 km2

圖1 1980-2018年沈陽經濟區(qū)各種土地利用類型的面積變化

3.1.2 研究區(qū)土地利用轉型重心轉移軌跡分析 1980—1990年研究區(qū)耕地重心向東北方向遷移14.21 km；林地重心向南偏西方向遷移5.94 km；草地重心向東南方向遷移12.76 km；水域重心向東遷移4.92 km；建設用地重心向北部僅遷移了0.62 km；其他用地重心向東南方向遷移15.11 km。該時期研究區(qū)內耕地、草地和其他用地的重心遷移程度較大，其主要原因是人為開墾導致耕地面積增加，草地面積減少，以及其他用地被開發(fā)利用(圖2)。

1990—2000年研究區(qū)耕地、草地重心分別向東南方向遷移17.5和13.7 km；林地的重心向西南方向遷移6.1 km；建設用地重心向北遷移了4.5 km；水域和其他用地重心位置穩(wěn)定。這一時期耕地面積增加和林地、草地面積減少是其重心遷移程度較大的主要原因。

2000—2010年研究區(qū)土地利用轉型重心遷移幅度較為穩(wěn)定，各種土地利用類型的轉入轉出面積均較小，其總面積在研究期前后幾乎不變，重心也都處于一種穩(wěn)定狀態(tài)。這一時期重心遷移幅度最大的是其他用地，其重心向東偏北方向遷移3.7 km。

2010—2018年研究區(qū)土地利用轉型重心遷移幅度最大，耕地重心向西南方向遷移7.2 km，林地、草地、水域和其他用地的重心向西北方向分別遷移63.7，59.7，17.6和27.8 km，建設用地重心向東南方向遷移14.2 km。林地、草地、水域和其他用地重心向沈陽市中部遷移劇烈，其中林地重心遷移主要原因是研究區(qū)北部的耕地和草地向林地的轉移增多；草地重心遷移主要原因是研究區(qū)草地面積基數(shù)小，且東南方向的草地向林地大量轉出，使草地面積銳減。耕地相比其他土地利用類型在這一時期的重心遷移程度相對較小，向研究區(qū)幾何中心靠近(圖2)。

圖2 沈陽經濟區(qū)各種土地利用類型在不同發(fā)展階段的轉移距離

綜上所述，1980—2018年研究區(qū)各種土地利用類型的重心空間遷移方向和速度差異明顯，1980—2010年研究區(qū)林地、建設用地和水域重心位置較為固定，2010—2018年研究區(qū)各種土地利用類型的重心遷移方向均出現(xiàn)明顯轉折，研究區(qū)林地、草地、水域和其他用地重心均向沈陽市中部遷移劇烈，而建設用地的重心則向反方向移動，各種土地利用類型轉移方向的變化主要受沈陽經濟區(qū)建立帶來的各地級市的社會經濟協(xié)同一體化發(fā)展得影響(圖3)。

圖3 沈陽經濟區(qū)經濟發(fā)展重心轉移軌跡

3.2 研究區(qū)社會經濟發(fā)展重心轉移軌跡分析

1980—2018年研究區(qū)人口和GDP重心始終處于沈陽市東南角，人口重心從沈陽和遼陽交匯處開始，呈先“Z型”后“C型”遷移回沈陽和遼陽交界處，經濟重心從沈陽、遼陽與本溪的交匯處，呈“S型”向沈陽市中心方向遷移，研究區(qū)人口和GDP重心均向偏離研究區(qū)幾何中心(123.75°N，41.51°E)方向移動，且主要集中于東西方向上的遷移，南北方向上遷移相對較小，主要原因是受到歷史基礎、自然條件和產業(yè)條件的綜合影響。1980—2000年研究區(qū)人口和經濟重心在沈陽市、遼陽市、本溪市的交界處徘徊，且均有向研究區(qū)西部移動的趨勢；2000—2010年是以沈陽市為首的研究區(qū)經濟發(fā)展增速最高的時期，人口和GDP重心均向沈陽市方向靠近，核心城市的帶頭作用逐步顯現(xiàn)；2010—2018年沈陽經濟區(qū)的成立促進了區(qū)域社會經濟一體化進程，有助于該區(qū)域形成聯(lián)動發(fā)展格局(圖3)。

3.3 研究區(qū)土地利用轉型與社會經濟發(fā)展關系分析

1980—2010年研究區(qū)人口增長速度減緩，GDP水平增加了68倍，這一時期建設用地重心移動較小，耕地、林地、草地、水域和其他用地重心向遠離沈陽市中心方向遷移，人口、GDP的重心與耕地重心遷移的方向相反，沈陽市城鎮(zhèn)化發(fā)展加快。2010—2018年沈陽經濟區(qū)發(fā)展較快，各種土地利用類型的分布發(fā)生較大變化，經濟水平和人口數(shù)量均保持在穩(wěn)定狀態(tài)，在區(qū)域社會經濟一體化發(fā)展現(xiàn)狀下，研究區(qū)各地級市協(xié)同發(fā)展。區(qū)域土地利用轉型在時序上的變化通常與區(qū)域社會經濟發(fā)展相對應[14,25]，土地利用轉型通過改變土地利用方式和結構，影響各種土地利用類型的空間分布特征，特別是生產建設類用地以及農用地的集中連片分布，有助于提升工業(yè)企業(yè)的物流效率和農用地的生產效率，便于實現(xiàn)一體化的經營和管理，綠色生態(tài)類用地的集中連片分布有利于自然生態(tài)環(huán)境保護和旅游業(yè)的開發(fā)建設，從而促進區(qū)域社會經濟發(fā)展。同時區(qū)域社會經濟發(fā)展促使區(qū)域土地利用功能形態(tài)發(fā)生變化，如單位面積內較高的經濟產出和較大的人口承載力等，提升了區(qū)域土地利用集約化水平，改變了區(qū)域土地利用空間形態(tài)，進而實現(xiàn)區(qū)域土地利用轉型?？傊?980—2018年研究區(qū)土地利用轉型促使區(qū)域人口聚集，提升了社會經濟發(fā)展水平。

4 討論與結論

4.1 討 論

明確土地利用轉型與社會經濟發(fā)展的關系對人類合理開發(fā)利用土地具有重要意義。目前國內外相關研究對土地利用轉型時空分異特征的研究較多[26-27]，但針對各種土地利用類型的重心轉移與人口、GDP重心轉移關系的研究尚缺少探討。對研究區(qū)進行土地利用空間形態(tài)變化與社會經濟發(fā)展關系的研究，更加直觀的展現(xiàn)1980—2018年研究區(qū)土地利用和社會發(fā)展的現(xiàn)實情況，有助于協(xié)調東北地區(qū)經濟發(fā)展與土地可持續(xù)利用的關系。本文通過測算1980—2018年不同時點研究區(qū)各種土地利用類型的重心轉移特征，將人口、GDP的重心轉移特征以空間化的形式體現(xiàn)，分析各種土地利用類型的空間形態(tài)與人口、GDP的相互作用關系，有助于優(yōu)化區(qū)域土地利用。如何在明確區(qū)域土地利用轉型與社會經濟發(fā)展關系的基礎上，探討自然環(huán)境變化和人類活動對土地利用轉型機理是下一步的研究重點和方向。

4.2 結 論

(1) 1980—2018年研究區(qū)各種土地利用類型存在相互轉化關系，耕地、林地和草地面積均有減少，且主要轉出方向為建設用地，使建設用地面積持續(xù)上升，一定程度上滿足了人民的生產生活的需要，促進區(qū)域經濟的發(fā)展；1990—2000年和2010—2018年這兩個時期研究區(qū)水域面積增加，其主要來源為耕地和草地；其他用地利用較差，研究時段內面積變化不明顯。

(2) 1980—2018年研究區(qū)各種土地利用類型的重心空間遷移方向和速度差異明顯，1980—2010年研究區(qū)林地、建設用地和水域重心遷移范圍較小，重心位置較為固定；2010—2018年沈陽經濟區(qū)被批準設立后，受到沈陽市經濟發(fā)展的影響，研究區(qū)各種土地利用類型的重心遷移方向均出現(xiàn)明顯轉折，其中林地、草地、水域和其他用地重心均向沈陽市中部遷移劇烈，耕地和建設用地重心在區(qū)域社會經濟一體化發(fā)展現(xiàn)狀下，向研究區(qū)幾何中心方向遷移。

(3) 1980—2018年研究區(qū)人口、GDP轉移重心受歷史基礎、自然條件和產業(yè)條件等影響，分別呈現(xiàn)為先“Z型”后“C型”遷移和“S型”遷移，遷移方向主要集中于東西方向，呈現(xiàn)由東向西的趨勢，相比之下南北方向上的遷移較小。1980—2010年沈陽市的經濟水平在研究區(qū)范圍內逐漸占據(jù)領先地位，人口和GDP重心均遠離研究區(qū)幾何中心向靠近沈陽市的研究區(qū)西部遷移；2010—2018年沈陽經濟區(qū)設立，實施區(qū)域社會經濟一體化發(fā)展，人口重心向研究區(qū)幾何中心靠近，而GDP重心受沈陽市城鎮(zhèn)化發(fā)展速度加快和鞍山市、本溪市在這一時期經濟負增長的影響，向沈陽市中心方向靠近。

(4) 1980—2018年研究區(qū)各種土地利用類型的面積變化比較穩(wěn)定，但各種土地利用類型的重心在空間分布上差異較大，區(qū)域土地利用轉型與社會經濟發(fā)展相互促進，在一定程度上刺激了研究區(qū)人口和GDP不斷增長，區(qū)域社會經濟發(fā)展與土地利用空間結構和布局的調整正逐步形成聯(lián)動發(fā)展格局。