快速城市化進程中土地利用沖突時空演化特征與模擬預測

陳文慧++劉慶++朱紅梅++陳伊翔

摘要：土地利用沖突已成為制約土地可持續利用的主要問題，威脅到社會經濟的健康發展。為處理好城市發展和土地利用的協調關系，以長株潭城市群為例，運用PSR評價模型、空間自相關理論對1999—2010年土地利用沖突時空演化特征進行研究；運用ARIMA模型和BP神經網絡組合模型對2011—2020年土地利用沖突發展趨勢進行預測。結果表明，土地利用沖突的強度在不斷增強；空間分布上由分散趨于集中，空間集聚程度提高；未來的土地利用沖突強度仍保持上升的動態變化，但增長速度變緩；最后提出協調人地關系、轉變經濟發展方式、調整土地利用結構的對策，為緩解土地利用沖突提供參考。

關鍵詞：土地利用沖突；時空特征；模擬預測；長株潭城市群

中圖分類號： F301.24文獻標志碼： A

文章編號：1002-1302（2017）09-0286-06

我國正處于快速城市化的發展時期，城市化水平從1949年的7.3%提高到2014年的54.77%[1]，已成為推動經濟社會發展的重要引擎。同時，“城市群”作為城市化高級主體形態，其空間框架體系也在逐步形成并發展壯大，成為帶動區域均衡發展的重要增長極。隨著城市化進程的明顯加快和城市群的形成壯大，城市國土空間開發受物質流、能量流和信息流的影響，表現出鄰域推進和邊緣區擴張的發展格局[2]，土地資源高強度開發利用，城鎮用地擴張失控，土地利用結構失衡逐步凸顯[3-4]，衍生出一系列“土地利用沖突”的問題，并有加劇的趨勢。

土地利用沖突作為城市化深入發展中土地利用演化過程與結果的突出表現，已成為土地可持續利用的主要障礙，是當前學術界和實踐部門關注的重點。目前關于土地利用沖突的研究主要集中在土地利用沖突的概念內涵[5-7]、類型劃分[8]、產生原因[9-10]、評價診斷[11-13]等方面，主要發生在農牧交錯帶、水陸過渡帶、城市邊緣區以及城市化發展較快的地區[5，14]。研究方法多采用參與式調查法[13]、博弈論[10]等定性分析為主，定量分析則主要包括PSR評價模型及其擴展模型、多目標評價模型，并結合層次分析法對土地利用沖突的強度進行測算[3，11-12，15]。此外，對土地利用沖突的研究也主要集中在時間序列的變化上。事實上，土地利用沖突不僅是一種社會現象的縮影，更是一種具有空間異質性的地理現象[14]，對其空間特征的研究尤為重要。不同社會經濟條件下，土地利用沖突的強度與表現形式也各不相同，須要加強對未來土地利用沖突動態模擬。但縱觀目前的研究，并沒有形成完善的土地利用沖突理論體系，尤其對土地利用沖突時空演化規律和區域土地利用沖突情景模擬預測的研究較少。

關于土地利用沖突的概念，目前國內外學者并沒有形成統一而明確的定義。于伯華等認為，土地利用沖突指各利益相關者對土地資源利用的方式、數量等方面不一致、不和諧，以及土地利用與環境方面之間的矛盾狀態[5]。周德等把土地利用沖突定義為不同的土地利用主體在利用土地資源、土地資產、土地空間時產生的矛盾與對立，并對社會、經濟、生態環境造成了一定危害[2]。本研究將土地利用沖突定義為由于土地資源的有限性和利用方式的多樣性，經濟利益的獲取、生態環境的保護、社會效益的實現共同構成土地壓力，影響土地的利用結構和產出效益。為滿足人們生存、生產和發展的需要，在對土地資源利用的過程中產生經濟沖突、生態沖突、社會沖突的不和諧狀態。

因此，本研究在構建PSR土地利用沖突模型的基礎上，對1999—2010年長株潭城市群土地利用沖突進行評價，歸納其動態變化規律與趨勢；運用全局和局部空間自相關，揭示土地利用沖突的空間集聚分異特征與規律；利用ARIMA模型和BP神經網絡組合模型，對未來10年長株潭地區土地利用沖突演化的趨勢進行動態模擬，為促進區域可持續發展、土地利用沖突的合理調控和城鎮化的良性發展提供參考依據。

1研究區概況與數據來源

1.1研究區概況

長株潭城市群位于湖南省中東部，湘江下游，現轄長沙、株洲、湘潭3個地級市4個縣級市和8個縣。土地總面積為28 070 km2，屬亞熱帶季風氣候，地勢東北高西南低，地貌類型以丘陵、崗地、平原為主，兼有山地、水面。2007年被確定為“兩型”社會建設綜合配套改革試驗區；2014年長株潭城市群實現GDP 11 555.9億元，占全省42.7%，城市化水平為55.91%。長株潭城市群兼具東部發達地區和中部發展地區的特征，隨著快速城市化發展，城市周邊農用地不斷被占用、用地效率低、糧食安全與環境安全日趨嚴峻等一系列問題給區域土地利用造成巨大壓力，產生沖突。如何緩解土地利用沖突、處理好城市發展和土地利用變化之間的協調關系，對促進長株潭城市群的可持續發展、落實國家中部崛起戰略具有積極意義。

1.2數據來源

數據主要來源于1999—2010年長株潭土地利用現狀數據、2000—2015年湖南統計年鑒、2000—2011年湖南農村統計年鑒、長株潭城市群行政區劃矢量圖。

2長株潭城市群土地利用沖突評價體系的構建

2.1評價指標的建立

影響土地利用沖突的因素錯綜復雜，PSR模型能綜合考慮社會、經濟、資源和環境[16]，探究各要素之間的因果關系，對復雜性的土地可持續問題進行有效評價[7]，揭示壓力之下土地利用所處狀態的變化以及相關土地管理者作出的響應。從快速城市化角度，結合國內相關研究成果以及長株潭城市群土地利用的實際狀況，根據研究方法的需要和要求、指標數據的可獲取性、整體性、可量化性原則，構建以土地利用沖突強度為目標層，以壓力、狀態、響應為準則層，選取18個社會經濟指標來綜合測算土地利用沖突綜合評價指數（表1）。

2.2指標的無量綱化

由于各指標對土地利用沖突的正負影響存在差異，且單位不同，須要對原始數據進行標準化，消除量綱和數量級的影響，使指標具有可比性。

對于正向指標：

對于逆向指標：

式中：Vij表示標準化后的值；Xij表示第i行第j列指標的實際值；minXj表示第j列指標的最小值；maxXj表示第j列指標的最大值。

2.3利用熵權法確定權重

計算第i年j項指標的比重：

計算指標信息熵：

通常令k=1/lnm，則有0≤ej≤1，且當Yij=0時，令Yij×lnYij=0。

計算信息熵冗余度：

式中：dj越大，代表指標越重要。

計算指標權重：

式中：m表示評價年數；n表示指標個數。

2.4土地利用沖突強度的測算

為全面反映長株潭城市群土地利用沖突的強度，本研究借鑒楊永芳等提出的區域土地利用沖突綜合指數[7]來探究其發展程度，其公式為：

式中：xij表示第i項分類指標的第j個單項指標的標準化值；wij表示相應的權重；Ri表示第i項分類指標的權重，即壓力、狀態、響應三者的權重；∑ nj=1 xij×wij分別表示壓力、狀態、響應3個分類指標的綜合評價值。

3長株潭城市群土地利用沖突時空演化特征分析

3.1長株潭城市群土地利用沖突時序變化特征分析

根據上述長株潭城市群土地利用沖突評價模型，得出長株潭城市群1999—2010年土地利用沖突的壓力、狀態、響應三者的評價值（圖1）土地利用沖突綜合指數（圖2）。

（1）壓力指數。由圖1可知，長株潭城市群壓力指數整體呈現直線上升趨勢，上升速度也逐漸加快。2000、2001年，壓力指數略有下降，主要是因為自然災害等得到有效控制，受災面積和受災頻率減少，緩解了用地壓力。1999—2005年，壓力指數都處于相對較低的水平，且增長幅度較平緩，由1999年的0.054上升到2005年的0.069，共增加0.015，增幅為27.78%。從2005年以后，壓力指數進入快速增長階段，由2006年的0.104上升到2010年的0.214，共增加0.11，增幅達105.77%。造成壓力迅速增長的主要原因是城市化的發展，地均二三產業總產值與地均農林牧漁產值的差距、城鄉固定投資比不斷擴大，導致農用地與建設用地矛盾加劇。同時，GDP、人口的快速增長，對土地的需求加劇，這無疑給長株潭城市群的土地利用帶來了巨大壓力。

（2）狀態指數。長株潭城市群狀態指數整體處于波動中增長。1999—2003年狀態指數平緩上升，從0.017增長到 0.056。原因是土地的利用效率較低，土地的產出效益不高，人均糧食產量和耕地復種指數的下降，加大了土地利用的沖突。2003—2005年狀態指數有所下降，從0.056下降到 0.048。其間土地的利用效率得到提高，緩解了土地利用沖突。2005—2010年，狀態指數在波動中上升，從0.048增加至0.100。該階段土地利用結構處于變動中，耕地、未利用地面積逐年減少，而建設用地面積卻大量增加。

（3）響應指數。從評價結果來看，長株潭城市群的響應指數基本處于下降狀態。表明在面對社會經濟發展的壓力和所處的土地利用狀態，長株潭雖希望通過增加旱澇保收面積、有效灌溉面積，提高農業機械化水平，降低GDP能耗等措施來提高土地的經濟產出，緩解土地利用壓力的進一步增大所帶來的影響，但由于各種響應措施投入力度不夠，各響應指標呈現波動起伏，效益并沒有得到充分反映，對有效緩和土地利用沖突的作用有限。因此，未來仍須繼續采取加大技術和資金的投入以及降低污染消耗等措施來進一步提高響應指數，以積極應對土地利用帶來的各種沖突壓力。

由圖2可知，1999—2010年長株潭城市群土地利用沖突的強度除2000年略微下降外，整體保持增長趨勢。2000年壓力指數下降，響應指數上升，緩解了土地利用沖突，使土地利用沖突綜合指數下降。說明通過制定合理有效的措施，土地利用沖突問題在某種程度上是可以控制的。12年間，土地利用沖突綜合指數最低時為0.076，最高值達到0.321，增長幅度為322.37%，土地利用沖突的強度增加速度較快。以2005年為轉折點，2005年以前土地利用沖突保持較緩的增長速度，2005年以后土地利用沖突明顯增強，并有加速增長的趨勢。

3.2長株潭城市群土地利用沖突空間分異特征分析

傳統的統計方法僅側重于對數值或空間的獨立研究，并未將二者之間的相互作用機制綜合考慮[17]，無法揭示數據的空間關聯性和依賴性[18]。本研究運用全局和局部空間自相關的方法來探討長株潭城市群土地利用沖突的空間關聯與異質狀況，識別土地利用沖突的空間分異格局，揭示土地利用沖突的空間集聚演化規律。

全局自相關是反映屬性值在研究區域內的空間關聯或差異程度。全局Morans I指數公式為：

式中：xi、xj分別表示變量x在相鄰配對空間上的取值；x[TX-*5]表示n個空間單元變量x的平均值；[WTHX][STHX]wij表示空間權重矩陣，i與j相鄰時為1，不相鄰為0。I的取值范圍是-1～1，值越趨近1，代表空間差異越小，存在正的空間相關性；I<0，代表空間差異顯著，存在負的空間相關性；I=0，表明在空間上相互獨立、不相關。

局部自相關進一步揭示屬性值在局部空間上高值簇和低值簇分布格局。局部LISA指數公式為：

式中：S2表示n個空間單元變量x的方差。

計算1999、2010年長株潭城市群各縣（市）土地利用沖突綜合評價指數，利用ArcGIS 9.3、Geoda 0.9.5i軟件對 Morans I 指數和LISA指數進行測度，繪制Morans I散點（圖3）和LISA聚集（圖4），識別各縣（市）單元土地利用沖突的空間差異程度。

Moran散點圖將研究區域劃分為4個象限，對應4種空間格局：第Ⅰ象限——高值區域被鄰近高值區域所包圍（高高），二者空間差異較小；第Ⅱ象限——低值區域被鄰近高值區域所包圍（低高），二者空間差異較大；第Ⅲ象限——低值區域被鄰近低值區域所包圍（低低），二者空間差異較小；第Ⅳ象限——高值區域被鄰近低值區域所包圍（高低），二者空間差異較大。

1999年的Morans I值在10%的顯著性檢驗水平下不顯著（P=0.168），土地利用沖突總體上空間分布較分散。2010年的Morans I值在10%的顯著性水平下為正值（P=0.07），表明土地利用沖突在空間分布上較為集中，形成了明顯的空間正相關。Moran值從1999年的0.059 6上升到2010年的0.185 5，也表明土地利用沖突的空間集聚水平在不斷增強。由圖3可知，1999年處于Ⅰ、Ⅲ象限和Ⅱ、Ⅳ象限的值比較均衡，2010年處于Ⅰ、Ⅲ象限的值要多于Ⅱ、Ⅳ象限，即長株潭城市群的土地利用沖突在空間上存在正相關性，形成了高高、低低的集聚類型。以上都說明長株潭城市群土地利用沖突的空間集聚強度在逐漸增強，主要是因為城市間的聯系更為緊密，鄰近地區間發展的差異在逐漸減小。從落入各個象限的點的變化發現，長沙縣、瀏陽市從第Ⅱ象限（低高）轉變成第Ⅰ象限（高高），存在高值區的擴大。第Ⅲ象限（低低）與第Ⅳ象限（高低）沒有明顯變化，但第Ⅳ象限的長沙市有向第Ⅰ象限（高高）趨近的趨勢。位置的變化說明處于第Ⅱ象限低值區域被高值區域包圍時，更容易被空間趨同，減少空間差異。

由圖4可知，長株潭城市群土地利用沖突整體上存在空間集聚性，但并不顯著。長沙縣由1999年的低高區域變成2010年的高高區域，是長株潭城市群土地利用沖突的“熱點”區域，表明長沙縣與周圍的長沙市區、湘潭市區、株洲市區等土地利用沖突較強的縣（市）聯系加強，呈現出顯著集聚的特征。長沙縣成為“熱點”主要是因為其毗鄰長沙市區、湘潭市區、株洲市區，在空間上具有較強的關聯性，易受到城市增長極的影響，城市化水平發展迅速，從1999年的7.17%飛速發展到2010年的50.65%，建設用地與農用地的矛盾深化，加劇了土地利用沖突。

4長株潭城市群土地利用沖突模擬預測與調控對策

4.1長株潭城市群土地利用沖突模擬預測

4.1.1驅動因子的確定

結合國內外相關研究成果、研究需求及數據可得性，選取1999—2014年影響長株潭城市群土地利用沖突變化的11個社會經濟指標。用GDP、地均勞動生產率、城鄉居民收入水平來反映經濟發展水平；用總人口、城市化反映人口狀況；以第一、第二、第三產業產值反映產業結構變化情況；由固定資產投資反映對土地、基礎設施建設的投入程度；用農業機械總動力反映耕作的現代化及科技投入水平；以糧食產量反映耕地產出對社會的滿足度。

由于土地利用沖突受到以上諸多因素的影響，驅動因子之間關系錯綜復雜，呈現出有線性關系的同時又包含了非線性關系的復合特征。ARIMA模型對于有線性關系的數據進行時序預測時精度較高，對于非線性的處理效果欠佳[19]。而BP神經網絡是一種多層前饋型神經網絡，基于誤差反向傳播算法，達到高度的仿真功能，能有效模擬數據的非線性規律[19-21]，因此本研究采用ARIMA模型和BP神經網絡的組合模型對土地利用沖突強度進行預測。

4.1.2組合模型的構建及預測

（1）ARIMA模型預測。建立ARIMA（1，1，1）模型，模擬預測1999—2020年土地利用沖突值，結果見圖5。

（2）BP神經網絡預測ARIMA模型誤差及檢驗。用1999—2010年的驅動因素數據作為網絡訓練輸入層，土地利用沖突評價實際值與ARIMA模型預測值的誤差值作為目標輸出，進行網絡擬合和訓練，輸入層為11，隱含層為14，輸出層[CM（25]為1，學習速率設置為0.25，允許誤差設置為10-8，用得出的誤差值對ARIMA模型預測值進行修正，得到組合模型預測值（表2）。由表2可知，ARIMA模型和BP神經網絡的組合模型對土地利用沖突強度的擬合精度較高，可用于預測。

（3）網絡預測。運用ARIMA模型對已獲取的1999—2014年各驅動因素的值進行預測，得到其2015—2020年的值，再將2011—2020年的值代入訓練好的BP神經網絡，對ARIMA模型進行修正，得到2011—2020年土地利用沖突預測值（圖6）。

預測結果（圖6）表明，長株潭城市群土地利用沖突強度在2011—2020年期間仍保持上升的動態變化，預計2020年土地利用沖突強度達到最高，屆時嚴重威脅到社會經濟的可持續發展。但是在2012年以后增長速度變緩，表明通過積極調整土地利用結構、合理配置土地資源、控制國土開發強度等措施，能有效控制土地利用沖突，促進土地可持續發展。

4.2長株潭城市群土地利用沖突對策建議

在長株潭城市群土地利用沖突發展狀況的基礎上，結合各指標的預測趨勢和權重，判斷出人口因素、經濟發展狀況、土地利用結構是影響土地利用沖突的主要因素。因此，為緩解土地利用沖突、促進城市良性發展與土地合理利用關系的協調主要從上述3個方面進行探討。

4.2.1協調人地關系

人口因素是構成土地利用沖突的主要因素，人口增長過快使有限的土地資源遭到不合理的高強度開發，對土地的重用輕養引起土地資源數量和質量的變化，造成新一輪的土地利用壓力。因此，要控制人口總量，更要提高人口素質，加強土地保護意識，合理安排土地利用布局，構建和諧人地關系。

4.2.2轉變經濟發展方式

長株潭城市群在未來一段時間內仍處于以工業為主導的經濟發展方式，第三產業所占比重偏低。工業需要大量土地支持其發展，而第三產業能吸收剩余勞動力，在一定程度上緩解土地的壓力。因此，要加強產業結構的調整，推進新型工業化，發展高科技低能耗的綠色工業，加快第三產業尤其是服務業的發展。

4.2.3調整土地利用結構

由于土地資源的稀缺性，各行各業對土地的剛性需求帶來了非農建設與農業用地爭地現象。建設用地與耕地的矛盾是最大的土地利用沖突，建設用地相對于耕地能產生更高的經濟效益，城鄉固定投資比也隨之擴大，導致建設用地占用耕地、林地、未利用地的現象頻繁，使土地利用沖突日趨嚴峻。必須嚴格控制建設用地總量，保護耕地總量，提高耕地質量，保障林地覆蓋率，合理使用未利用地，使土地利用呈現多樣化。

對于目前土地利用沖突較為嚴重的長沙市區、株洲市區、湘潭市區等地，要創新土地利用模式，提高土地集約利用水平，推動土地利用方式由外延擴張向內涵挖潛轉變；推進土地整理復墾和開發，加強污染土地的綜合治理，恢復和提高土地的生態功能等措施來緩解土地利用沖突。對于湘鄉市、茶陵縣等土地利用沖突強度較低等地，應保持耕地的數量，提高耕地的產出水平；合理安排土地資源配置，有序控制建設用地增長；落實土地用途管制，統籌安排各類用地等防止土地利用沖突加劇。

5結論

長株潭城市群1999—2010年土地利用沖突的壓力和狀態指數整體上呈現上升趨勢，響應指數基本直線下降，致使土地沖突強度不斷增強，2005年以后增長速度加快。1999年土地利用沖突在空間分布上較為分散，到2010年時空間分布則較為集中，存在高高、低低的正相關性，表明土地利用沖突的空間集聚水平在不斷增強，并且處于第Ⅱ象限低值區域被高值區域包圍時，更容易被空間趨同，減少空間差異。長株潭城市群土地利用沖突強度在2011—2020年仍將保持上升的動態變化，預計2020年達到最高值，但增長速度放緩。提出協調人地關系、轉變經濟發展方式、調整土地利用結構的建議來緩解土地利用沖突，促進城市良性發展與土地合理利用關系的協調。

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