李柳杰，劉丙軍，韋秋瑩

(1.中山大學(xué)土木工程學(xué)院，廣東 珠海 519082；2.華南地區(qū)水循環(huán)與水安全廣東省普通高校重點實驗室，廣東 珠海 519082；3.南方海洋實驗室，廣東 珠海 519000)

隨著中國城市化進程飛速發(fā)展，城鎮(zhèn)用地近二十年擴展提速、工礦用地加速擴張導(dǎo)致人均耕地資源十分緊張[1-2]，耕地中心逐步由東北向西北移動，呈現(xiàn)“南減北增”的變化趨勢[3]，人地矛盾日益突出，已經(jīng)嚴重阻礙中國可持續(xù)發(fā)展戰(zhàn)略實施[4-6]。被城鎮(zhèn)用地所覆蓋的中小型流域，由于人造地表大面積占用導(dǎo)致自身系統(tǒng)調(diào)節(jié)能力嚴重受損，人口與自然平衡遭到破壞。當前，以流域為單元的土地利用研究成果十分豐富，但如何將其真正應(yīng)用到流域可持續(xù)管理中還存在疑問[7]。探究中小型流域在城鎮(zhèn)化進程快速推進背景下土地利用時空演變格局，對于中國城市化地區(qū)緩解人地矛盾及可持續(xù)發(fā)展具有重要意義。

當前，國內(nèi)外眾多學(xué)者開展了快速城市化背景下土地利用格局演變研究。國際上，Hashem Dadashpoor等[8]分析1996—2016年伊朗大不里士都市區(qū)快速城市化對景觀格局變化影響，研究發(fā)現(xiàn)，過去二十年大量生態(tài)用地(如草地、林地等)轉(zhuǎn)變?yōu)槌鞘杏玫?，城市擴張已是普遍趨勢；Gong等[9]利用景觀指標量化廣州市耕地和建設(shè)用地景觀格局變化，結(jié)果表明廣州城市擴張速度前所未有，耕地碎片化顯著，建設(shè)用地聚集。國內(nèi)，王甜等[10]利用灰色預(yù)測模型來模擬吉隆坡市2025年土地利用，探討快速城市化進程下港口城市用地轉(zhuǎn)變規(guī)律；孫善良等[11]分析陜西省土地利用時空演變特征，發(fā)現(xiàn)陜西生態(tài)環(huán)境脆弱，不宜進行大規(guī)模工業(yè)化、城市化。當前，對于土地利用格局演變研究內(nèi)容，國外研究側(cè)重于景觀格局、土地利用變化與可持續(xù)性等方面，國內(nèi)研究主要集中在土地生態(tài)評估、土地利用及其評價、國土空間規(guī)劃、土地利用格局轉(zhuǎn)變驅(qū)動因素等方面[12]，國內(nèi)驅(qū)動因素研究對象主要以氣候、人口、社會經(jīng)濟、產(chǎn)業(yè)結(jié)構(gòu)、政策為主，而針對城市化進程中景觀湖泊等水利工程建設(shè)對土地利用變化的影響研究較少。

當前，中國存在大量以工業(yè)為經(jīng)濟支柱的高密度開發(fā)中小型流域，城市擴張已嚴重威脅當?shù)厣鷳B(tài)安全，未來土地利用轉(zhuǎn)變走向?qū)τ谠擃惖貐^(qū)發(fā)展至關(guān)重要。本文選取典型城市化地區(qū)白云湖流域為研究對象，基于流域1980、1990、2000、2010、2020年5期土地利用數(shù)據(jù)，分析該流域土地利用結(jié)構(gòu)、空間格局變化特征，討論白云景觀湖泊建成前后對該研究區(qū)土地利用帶來的影響，并借助CA-Markov模型對模擬流域未來2030年土地利用，揭示該區(qū)域40 a間土地利用變化格局及未來演變趨勢，為白云湖流域及其他高密度開發(fā)地區(qū)土地管控、開發(fā)利用提供參考依據(jù)。

1 研究區(qū)概況與數(shù)據(jù)來源

1.1 研究區(qū)概況

白云湖流域?qū)僦榻?，主要由與白云湖相連的海口涌、環(huán)滘涌、滘心涌、石井河組成，位于東經(jīng)113°10′～113°19′、北緯23°8′～23°17′，面積120 km2左右。地勢自東南向西北逐漸降低,除東南部丘陵地帶白云山風(fēng)景區(qū)較高總體較為平坦。主要土壤類型為沖擊土和人為土。氣候類型為海洋性亞熱帶季風(fēng)氣候，年平均氣溫20～22℃，年平均降雨量1 675.5 mm。研究區(qū)東南部以林地覆蓋為主，城中村、工業(yè)園區(qū)聚集在中部地區(qū)，由于工業(yè)園區(qū)以及居民地擴張，占用大量生態(tài)用地，到2020年建設(shè)用地占整片流域70.13%，生態(tài)基礎(chǔ)性用地密度低于0.3，生態(tài)環(huán)境日益脆弱。白云湖流域地理位置見圖1。

1.2 數(shù)據(jù)來源

本文采用1980、1990、2000、2010、2020年5期土地利用數(shù)據(jù)，分辨率為30 m，數(shù)據(jù)來源于資源環(huán)境科學(xué)與數(shù)據(jù)中心(http://www.resdc.cn)，所用數(shù)據(jù)統(tǒng)一采用Krasovsky_1940_Albers坐標系投影，將研究區(qū)用地劃分為耕地、未利用地、林地、草地、水田及建設(shè)用地6種地類。

2 研究方法

2.1 土地利用變化參數(shù)

2.1.1土地利用動態(tài)度

土地利用動態(tài)度能夠反映區(qū)域土地利用變化動態(tài)速率，分為單一土地利用動態(tài)度和綜合土地利用動態(tài)度[13]。單一土地利用動態(tài)度反映區(qū)域研究期間某一用地變化速率；綜合土地利用動態(tài)度反映研究期間區(qū)域用地整體變化速率[14]，見式(1)、(2)。

(1)

(2)

式中K——流域單一土地利用動態(tài)度；U2、U1——研究區(qū)初期、末期某一地類面積；T、(t2-t1)——研究時長；LC——流域綜合土地利用動態(tài)度；ΔLAij——研究初期第i類土地利用到末期轉(zhuǎn)化為其他用地絕對值；ΔLAi——流域第i類土地利用研究初期面積。

2.1.2土地利用強度

土地利用強度是反映區(qū)域土地利用受人為活動影響的可視化特征指數(shù)，目前采用較多方法是劉紀遠等[15]劃分土地利用強度等級方法，具體劃分為未利用地1級，林地、草地、水體2級，耕地3級，建設(shè)用地4級。

土地利用強度綜合指數(shù)和變化率，具體公式如下：

(3)

(4)

(5)

式中L——土地利用強度綜合指數(shù)；Ai——流域第i級用地強度分級指數(shù)；Ci——流域第i級土地利用占流域總面積百分比,%； ΔLb-a——流域研究初期到研究末期土地利用強度綜合指數(shù)變化量；La、Lb——流域研究初期和末期土地利用強度綜合指數(shù)；Cia、Cib——流域研究初期和末期第i級土地利用占總面積百分比,%；Rb-a——研究期間流域土地利用強度綜合指數(shù)變化率；若ΔLb-a>0或Rb-a>0,表明流域處于發(fā)展上升期。

2.2 標準差橢圓

利用標準差橢圓模型描繪流域建設(shè)用地空間轉(zhuǎn)移特征，主要由圓心、長短半軸、旋轉(zhuǎn)角組成[16]。圓心代表某一地類分布中心位置。橢圓長半軸反映各用地分布方向，短半軸反映分布范圍。長短半軸值差距越大(橢圓越扁)，代表用地分布方向性越明顯。短半軸表示各用地分布范圍，短半軸越短，數(shù)據(jù)集群特征越明顯；反之，短半軸越長，各用地類型離散程度越大。算數(shù)平均中心SDE(x,y)、旋轉(zhuǎn)角tanθ與長、短半軸σx、σy計算公式如下[17]：

(6)

tanθ=

(7)

(8)

2.3 未來土地利用預(yù)測方法

CA模型(元胞自動機)能夠在實現(xiàn)土地利用動態(tài)模擬過程中，綜合人為因素(人口、經(jīng)濟、政策等)和自然因素(地形、地貌等)影響。Markov模型是基于隨機過程預(yù)測隨機變量各時刻可能存在狀態(tài)的理論方法，通過計算各用地轉(zhuǎn)移概率矩陣，確定未來變化趨勢[18]。

CA-Markov模型綜合2種模型優(yōu)勢，既能對復(fù)雜空間過程進行模擬，同時進行長時間序列預(yù)測[19]。模型誤差參數(shù)設(shè)置為0.1，預(yù)測時間跨度為10年。白云湖流域由于城市化高度發(fā)展，城鎮(zhèn)居民地覆蓋廣泛，交通設(shè)備完善。CA-Markov模型能綜合考慮這些因素，來修正土地轉(zhuǎn)換規(guī)律。

3 結(jié)果與分析

3.1 土地利用結(jié)構(gòu)變化特征

利用五期土地利用數(shù)據(jù)進行重分類，結(jié)果見圖2，1980—2020年林地分布集中，主要分布在流域東南部丘陵地區(qū)，40 a間面積大小基本保持一致；耕地、未利用地分布被建設(shè)用地劃分相對零散，主要分布在流域西北部區(qū)域；建設(shè)用地前期分布零散，村鎮(zhèn)以點狀分布；2000年城市化水平加快，建設(shè)用地分布逐漸集中，占據(jù)主導(dǎo)地位。

白云湖流域多年來，建設(shè)用地分布最為廣泛，年平均占比達51.77%，占據(jù)主導(dǎo)地位；林地基本不變，面積在17 km2上下浮動，多年來平均占比維持在14.42%；耕地以及未利用地面積逐年下降，耕地從1980年的29.68 km2下降到2020年的2.07 km2；草地多年來面積占比最小，年平均占比為0.48%。

3.2 土地利用動態(tài)轉(zhuǎn)移特征

根據(jù)白云湖流域土地利用變化趨勢，分別計算該流域各10 a間共4個階段土地利用動態(tài)度，結(jié)果見表1。

a)40 a間耕地、未利用地不斷轉(zhuǎn)出，建設(shè)用地持續(xù)轉(zhuǎn)入，林地、草地整體處于轉(zhuǎn)出狀態(tài)。耕地和未利用地單一動態(tài)度多年一直為負，表明該兩種地類研究期間持續(xù)轉(zhuǎn)出；耕地轉(zhuǎn)出速率先上升后下降，1990—2000年轉(zhuǎn)出速率達到最快，為-6.54%；未利用地轉(zhuǎn)出速率在2000—2010年達到最快，為-6.67%，此時耕地和未利用地流失劇烈；林地變化速率較小，常年保持穩(wěn)定；草地因2010年遙感影像解譯所得面積太小，動態(tài)度異常，不具統(tǒng)計意義；建設(shè)用地常年持續(xù)轉(zhuǎn)入，變化速率先上升后下降，1990—2000年達到最快，2010—2020年由于此階段流域城市化水平相對較高，變化速率減緩。

b)從綜合土地利用動態(tài)度來看，40 a間流域土地利用整體變化速率先上升后下降。1980—2020年土地利用變化速率為0.94%，流域不斷發(fā)展；2000—2010年土地活動最為活躍，變化速率達1.87%，土地流轉(zhuǎn)頻繁，主要由于城鎮(zhèn)建設(shè)占用大量耕地和未利用地；2010—2020年土地利用變化速率減緩，土地利用功能逐漸單一化，結(jié)構(gòu)趨于穩(wěn)定。

表1 白云湖流域土地利用動態(tài)度 %

3.3 土地利用空間格局特征

3.3.1土地利用強度分析

將流域各網(wǎng)格土地利用強度分為極低強度(100～182)、低強度(182～245)、中強度(245～300)、高強度(300～360)、極高強度(360～400)5個級別，見圖3，1980—2020年流域土地利用強度逐年增加，40年間土地利用強度綜合指數(shù)變化率達23.4%，流域處于上升發(fā)展期；1980—1990年土地利用強度指數(shù)僅增加0.02，城市發(fā)展速度緩慢；2000—2010年土地利用強度指數(shù)劇增，10年增加45.78，土地開發(fā)活動最為劇烈，大量土地用于居民地建設(shè)及工業(yè)園區(qū)擴建；2010—2020年土地利用強度指數(shù)僅增加1.11，由于白云人工湖建成，城市化速度減緩，土地結(jié)構(gòu)進一步固定。

從土地利用強度空間分布可以看出，1980—2020年流域土地利用強度變化顯著。1980年極低強度和低強度地區(qū)分布集中，低強度片區(qū)主要位于流域東南部白云山風(fēng)景區(qū)，該區(qū)主要用地為林地，土地結(jié)構(gòu)單一，受人為活動影響較低，土地利用強度低；土地利用極低強度區(qū)域除個別零散村莊開發(fā)程度較高之外主要集中在流域西北部地區(qū)；土地利用高強度和極高強度區(qū)主要沿石井河兩岸分布，位于石井和新市街道之間。2020年土地利用高強度及極高強度地區(qū)占流域71.03%，極高強度地區(qū)占64.81%；除去白云山風(fēng)景區(qū)以及白云湖、珠江水域三處固定地類，剩余用地中94.26%達到高強度及極高強度土地利用標準，流域高度發(fā)展，建設(shè)用地大面積擴張，土地利用集約度高。

3.3.2城鎮(zhèn)擴張標準差橢圓分析

分析白云湖流域1980—2020年城鎮(zhèn)擴張空間轉(zhuǎn)移特征，見圖4。1980—2020年耕地持續(xù)向城市、商業(yè)用地轉(zhuǎn)化，建設(shè)用地標準差橢圓扁率逐年上升，方向性越明顯，城市建設(shè)中心總體先西北方向擴張，再向西南方向擴張。1980—1990年正處改革開放初期，城市建設(shè)還在籌備階段，建設(shè)用地中心轉(zhuǎn)移特征不明顯；1990—2000年改革開放不斷深入，流域內(nèi)沿石井河、夏茅涌兩岸興建工業(yè)街，標準差橢圓長半軸逐年增加，方向性逐漸顯著；到2010年流域內(nèi)主體經(jīng)濟發(fā)展模式由傳統(tǒng)漁業(yè)、農(nóng)業(yè)逐漸轉(zhuǎn)向輕工業(yè)、房地產(chǎn)業(yè)，工廠及城中村沿河涌相繼建設(shè)，標準差橢圓長半軸變長，建設(shè)中心向西北方向加速移動，城鎮(zhèn)中心向西北方向總體位移839.07 m；2010—2020年由于中心區(qū)域白云人工湖建設(shè)，城鎮(zhèn)逐漸向西南方向擴張，總體位移518.56 m。

3.4 城市景觀湖庫對周邊土地利用影響

由于白云湖景觀湖泊建設(shè)，部分城市用地向林地、水域轉(zhuǎn)移，使流域中心城區(qū)土地利用強度降低，改變各地類空間轉(zhuǎn)移趨勢，城市化速度減緩，有利于未來土地利用格局管控。2010年未建成白云人工湖之前流域土地利用強度指數(shù)為335.08，建成后2020年土地利用強度指數(shù)為336.19，增幅較小，10 a僅增加1.11，土地利用強度上升減緩。

分別選取流域流入、流出面積最大的2種地類(耕地、建設(shè)用地)進行空間展示，見圖5，耕地除流域西邊一塊區(qū)域，其余大部分轉(zhuǎn)換成建設(shè)用地；中心地帶除白云景觀湖泊建設(shè)，其余部分地類逐漸轉(zhuǎn)換成建設(shè)用地，土地結(jié)構(gòu)趨于單一化，集聚特征明顯，土地管控仍有待加強。

4 白云湖流域未來土地利用情景模擬

將模擬結(jié)果與實際流域2020年土地利用現(xiàn)狀作精度評價，Kappa系數(shù)達到0.92，表明CA-Markov模型在白云湖流域適用性較高，可以用于未來土地利用模擬。模擬結(jié)果與實際土地利用現(xiàn)狀對比見圖6。

白云湖流域未來2030年土地利用模擬結(jié)果見圖7。未來2030年流域用地轉(zhuǎn)移調(diào)整為以林地轉(zhuǎn)入和建設(shè)用地轉(zhuǎn)出為主，城鎮(zhèn)建設(shè)空間得到一定管控。與2020年相比，2030年流域林地有所擴張，增加5.71 km2，增率為33.11%；草地面積增長0.53 km2，由于基數(shù)較小，所得增率沒有統(tǒng)計學(xué)意義；流域未來水體、未利用地面積基本不變；耕地此時面積僅2.07 km2，但仍處于轉(zhuǎn)出狀態(tài)，基本農(nóng)田得不到有效保護；由于白云湖景觀湖庫建成，占用部分建設(shè)用地，改變各地類空間轉(zhuǎn)移趨勢，城市化速度減緩，使得建設(shè)用地與前40 a擴張趨勢相反，整體不增反減，減少6.66 km2。模型預(yù)測結(jié)果顯示，未來白云湖流域城鎮(zhèn)擴張趨勢減緩，城市化速度減慢，表明白云湖景觀湖庫的建成，使得未來研究區(qū)各地類空間轉(zhuǎn)移趨勢改變，對白云湖流域土地利用變化起到一定控制作用。此外研究區(qū)2020—2030年林地擴張、建設(shè)用地縮減，生態(tài)空間得到保護，這趨勢也符合《廣州市國土空間總體規(guī)劃(2018—2035年)》控制要求。因此城市景觀湖泊的建設(shè)能夠有效控制國土空間開發(fā)強度、強化生態(tài)底線管控。

5 結(jié)論

本文以白云湖流域為研究對象，分析流域40 a間土地利用結(jié)構(gòu)變化、空間格局變化特征，并借助CA-Markov模型模擬流域未來2030年土地利用。

a)1980—2020年流域用地以建設(shè)用地為主導(dǎo)，年平均占比達51.77%，其次為林地、未利用地、耕地。40 a間耕地、未利用地、林地、草地處于轉(zhuǎn)出狀態(tài)，水體及建設(shè)用地持續(xù)轉(zhuǎn)入。

b)1980—2020年土地利用強度逐年增加，流域處于上升發(fā)展期。2020年土地利用高強度地區(qū)占流域71.03%，城鎮(zhèn)擴張達到極限，土地利用集約度高。

c)由于白云湖景觀湖泊建設(shè)，占用部分建設(shè)用地，使得未來2030年流域用地轉(zhuǎn)移調(diào)整為以林地轉(zhuǎn)入和建設(shè)用地轉(zhuǎn)出為主，城市化速度減緩，表明城市景觀湖泊的建設(shè)能夠有效優(yōu)化城鎮(zhèn)土地利用格局、控制國土開發(fā)強度，但生態(tài)基礎(chǔ)性用地密度仍低于國家要求，生態(tài)環(huán)境依然脆弱，今后應(yīng)加大改善生態(tài)環(huán)境力度。