南昌市半城市化地區土地利用變化分析

韓 然,葉長盛,華吉慶

(東華理工大學 地球科學學院，江西 南昌 330013)

0 引言

改革開放以來，我國城鎮化加速發展，城市邊緣地區出現了產業、就業結構的非農業化和產業、人口與城鎮的空間集聚程度較低的矛盾，呈現出“似城非城”的獨特景觀形態[1]，這種城鄉之間的過渡地域稱之為“半城市化”地區，區域內的土地主要表現為城鄉土地利用類型混雜、土地利用粗放低效、土地利用變化迅速等問題[2]，使得區內生態安全受到嚴重威脅。黨的十九大提出了鄉村振興戰略，作為城市與鄉村之間的過渡區域，要降低半城市化地區的生態風險，首要任務就是解決區內土地利用方面呈現出的一系列問題，通過深入分析探討半城市化地區土地的具體特征，進而揭示該地區土地利用及變化的基本規律，對區域土地資源持續利用和鄉村振興戰略的實施具有重要意義。

國內外學者對于半城市化地區土地利用變化開展了一系列研究，1826年德國經濟學家杜能就提出了經典的“孤立國”理論，闡述了城市周圍地區隨距離遠近的變化土地利用所呈現的地域分異規律，是研究城市邊緣區和半城市化地區土地利用所能借鑒的最為經典的理論[3]，其后國外學者所展開的研究大多是針對半城市化地區土地利用出現的問題，并為之提出合理的規劃建議，如霍華德提出了城市與鄉村結合的“田園城市理論”，建議在城市郊區設置永久性綠地，供農業生產使用[4]。國內研究更多針對半城市化地區土地利用格局特征和影響因素，研究方法多基于RS/GIS技術，采用土地利用轉移矩陣、動態度、景觀格局指數和分形理論[5]等，研究區域多集中于經濟快速發展地區的上海[6]、廈門[7]、北京[8]、成都[9]等。結果顯示：我國諸多城市半城市化地區各類土地利用變化迅速，在時間上呈階段性波動，同時建設用地增長迅速，利用效率低，耕地和農村居民點用地受到大量侵占轉化為建設用地，而政府、社會、市場和其他因素則是產生以上變化的主要驅動力[10]，為城市治理提供了科學依據。

南昌市位于長江中游城市群，近年來城鎮化進程不斷加快，同樣出現了“似城非城”的半城市化地區，2013年面積高達67.32 km2，以12塊獨立、間斷的片狀區域分布于城區周圍[11]，土地利用變化迅速、類型混雜，土地利用問題突出。為此，本研究基于南昌市2000、2010和2015年3期遙感影像，從時間、緩沖帶、象限方位3個層面對半城市化地區的土地結構、利用程度以及景觀紊亂度進行研究，揭示半城市化地區土地利用變化的特征與規律，為解決半城市化地區土地利用類型混雜且變化迅速等問題提供借鑒，也為土地利用規劃和城市治理提供了決策依據。

1 研究區概況

1.1 研究區域

南昌市是江西省省會，地處江西中部偏北，贛江、撫河下游，瀕臨我國第一大淡水湖鄱陽湖西南岸。位于115°27′～116°35′ E、28°10′～29°11′ N之間。南昌市下轄東湖、西湖、青云譜、灣里、青山湖、新建6個區和南昌、進賢、安義3個縣。全市土地總面積為7402 km2，占全省土地總面積的4.43%。2015年行政區內總人口為520.38萬人，三次產業比重為4.3∶54.5∶41.2，第二、三產業產值占總GDP的95.72%，2015年全市地區生產總值達4000.01億元，人均GDP已達7.69萬元。近年來，隨著南昌經濟發展速度的加快和城市化水平的提高以及長江中游城市群的形成，南昌市建成區與周圍縣區的界限開始變得模糊，形成和培育了較大范圍的半城市化區域。

1.2 南昌市半城市化地區范圍界定

基于國外學者洛斯烏姆“將城市建成區外10 km左右的環城地帶劃為城市邊緣區”的界定方法[12]，本研究分別從行政區劃和區域特點2個方面來闡述選擇南昌市建成區周圍10 km環城地帶作為半城市化地區的理由，該區域位于南昌市東湖區、西湖區、青云譜區和青山湖區四大中心城區的外圍，2000～2015年隨著南昌市建成區面積的不斷擴大，該環城區域也不斷擴張，但始終位于灣里區、新建區、南昌縣與主城區的交界過渡區域，該區域緊鄰南昌市中心城區，受到其輻射帶動作用最為典型，并且具有城鄉土地利用類型混雜、產業與就業的非農水平較高、景觀功能混亂等特點。同時，直到2015年新建區才撤縣設區，而南昌縣至今未設區，該環城區域內的戶籍、土地等管理體系仍較落后，符合半城市化地區的典型特征[13]。圖1為2000、2010和2015年3個年份的南昌市半城市化地區范圍(圖1)。

2 數據來源與研究方法

2.1 數據來源與預處理

本研究采用的土地利用數據源為2000、2010和2015年Landsat TM遙感影像，空間分辨率為30 m×30 m，經輻射校正，幾何校正、圖像配準和人工解譯等處理后得到3個年份的土地利用類型圖，土地利用類型分為建設用地、耕地、林地、水域和未利用地五大類。本研究的人口、社會經濟和土地數據來源于《南昌市統計年鑒》。

影像經預處理后，根據不同地表覆蓋的影像光譜特征，選擇訓練樣區，首先對影像只分建成區和非建成區兩類，這樣有利于分清城鎮地域，消除多類別的干擾，然后選用最大似然法進行分類，對分類圖做了5pixel×5pixel的濾波，以便柵格數據轉換成矢量，將矢量圖從ArcGIS軟件中打開，刪除不必要的區域只留下城市建成區部分，從而繪制出南昌市建成區的邊界，其中中心城區內的湖泊以及河流都被納入到了建成區的范圍內。在劃分好的南昌市建成區外，以其幾何中心為原點，向外至10 km處做緩沖區，依次與3個時段的南昌市土地利用類型圖進行空間疊加分析，獲得2000、2010和2015年3個年份南昌市半城市化地區土地利用類型(圖2)。

圖1 南昌市半城市化地區范圍的演變

圖2 2000～2015年南昌市半城市化地區土地類型

2.2 研究方法

2.2.1 土地利用程度綜合指數 莊大方等[14]提出土地利用程度綜合分析方法，按照土地自然綜合體在社會因素影響下的自然平衡狀態分為若干級,賦予分級指數(表1),并給出土地利用程度綜合指數的定量化表達式。土地利用程度的大小不僅反映土地本身的自然屬性,也反映人類因素與自然環境因素的綜合效應。某區域土地利用程度綜合指數可表達為：

式中,L為某研究區域土地利用程度綜合指數；Ai為研究區內第i級土地利用程度分級指數；Ci為研究區內第i級土地利用程度面積百分比；n為土地利用程度分級數。

表1 土地利用程度分級賦值表

2.2.2 景觀紊亂度 一般來說，在單一的城市或鄉村地域中，土地利用類型多以單一的建設用地或農業用地為主，而半城市化地區土地利用類型多樣，農業用地和建設用地相間分布，因此引入景觀紊亂度，用以表達半城市化地區土地利用類型多樣性的特點。C.E.香農提出的信息熵原理，可用來衡量半城市化地區土地利用的景觀紊亂度，信息熵是反映在多種信息干擾下傳輸信號損失的物理量，干擾信號越雜亂，信號損失越大，熵值越高，反之熵值越低。如果將信息類型等同于半城市化地區用地類型，則其表達公式如下：

式中，Xi表示樣本中某種用地類型所占面積的百分比；i表示樣本中用地類型數量；S表示景觀紊亂度熵，熵值越大，表明區內不同職能的土地利用類型越多，且各類型的百分比相差越小，土地系統越無序；熵值越小，則土地利用類型越單一，且各地類之間百分比相差越大，土地系統越有序[15]。

2.2.3 空間拓展分析方法 (1)緩沖帶分析法。將緩沖帶作為研究半城市化地區擴展空間分異的基本單元，據此分析2000、2010和2015年3個時期內城市擴展過程所表現的空間特征及其梯度效應。在劃分好的南昌市建成區外以1 km等距步長向外至10 km處分別做十級緩沖區，由于各個緩沖區內有互相疊置情況出現，因此，用ArcGIS 10.2軟件中的“相交取反”工具進行緩沖區相減，得到0～1 km，1～2 km，…，9～10 km共10個緩沖帶并將其與土地利用類型圖做相交分析，經過計算得到十級緩沖帶的土地利用結構、程度和景觀紊亂度，由此分析南昌市半城市化地區在不同緩沖帶內的土地利用變化情況。

(2)象限方位分析法。采用象限方位法旨在揭示南昌市半城市化地區研究期內在各個象限中的土地利用類型方位特征。以2000、2010和2015年南昌市建成區幾何中心為原點，東西方向為橫軸，南北方向為縱軸，按照四象限八方位將研究區劃分為8個象限分區，分別與3個時相的半城市化地區土地利用類型圖進行空間疊加并作統計分析，通過計算獲取不同時期內半城市化地區在各象限分區內的土地利用類型結構、土地利用程度以及景觀紊亂度，再以各象限為單元，利用ArcGIS中的自然斷裂分級法對3個年份的土地利用程度和景觀紊亂度進行分級，分為極高、高、中、低4個等級，由此分析南昌市半城市化地區在不同象限內的土地利用變化情況。

3 結果與分析

3.1 半城市化地區土地利用結構變化

3.1.1 土地利用結構變化 2000～2015年，南昌市半城市化地區土地利用結構呈現明顯的差異(圖3)，整體上以耕地所占比例最大，林地、水域次之，建設用地、未利用地占比較小的結構特征。南昌市半城市化地區中，耕地占比由2000年的65.11%降至2015年的55.53%，水域占比則由17.16%降至7.27%；林地占比由2000年的11.00%增加到2015年的21.21%；建設用地占比由6.0%增至14.79%。其中，2000～2010年林地占比增幅高達44.64%，2010～2015年建設用地占比增幅更是達到了51.18%，增幅都極為顯著；未利用地所占比重略有上升，由0.23%增至1.19%。

圖3 2000～2015年南昌市半城市化地區各地類面積占比

3.1.2 土地利用空間變化 2000～2015年，南昌市半城市化地區土地利用空間差異顯著(圖4)，整體上是距離建成區越近的緩沖帶內，建設用地、水域面積占比越大，耕地、林地占比越小。距離建成區越近，建設用地比例越高，3個年份的建設用地占比均在0～1 km緩沖帶內達到峰值，分別為8.1%、13.55%和25.08%；9～10 km緩沖帶內分別降為4.79%、5.10%和8.40%。水域面積在距離建成區近的緩沖帶內也占有較大比重，3個年份均在1～2 km緩沖區范圍內達到峰值，分別為22.28%、19.61%、12.70%，隨著距離增加，比例波動下降。距離建成區越近，耕地面積占比較小，3個年份占比的谷值出現在0～5 km范圍內，分別為60.99%、60.44%和40.84%。距離建成區越近，林地占比也越小，3個年份的峰值均在8～10 km范圍的緩沖帶內達到，分別為13.99%、26.29%和25.52%，原因是南昌市梅嶺森林公園的大部分位于該緩沖區內，森林覆蓋率更高。2000、2010年，距離建成區越近未利用地占比越大，而2015年距離建成區越近未利用地面積占比越小。

在象限方位方面，2000～2015年南昌市半城市化地區各象限土地利用結構差異明顯(圖5)。3年中耕地在第Ⅰ～Ⅵ象限內占比均超過60%，而在第Ⅶ、Ⅷ象限內占比較小，林地面積卻在第Ⅶ象限占比最大，均超過30%，主要原因是南昌市梅嶺森林公園的大部主要集中于第Ⅶ、Ⅷ象限，因此，區內耕地面積所占比例較小而林地占比較大。建設用地集中分布于東部Ⅰ～Ⅳ象限內，2000年在第Ⅱ象限達到峰值(8.55%)，2010、2015年在第Ⅳ象限占比最大，分別為11.13%和16.65%，這是由于南昌市的贛江東部地區發展歷史悠久，基礎雄厚，建設用地在該區域內分布廣泛，但隨著紅谷灘新區的開發，第Ⅶ象限內建設用地占比也逐漸提高。2000～2015年水域占比的峰值分別位于第Ⅵ象限(27.39%)、第Ⅴ象限(26.97%)和第Ⅰ象限(15.11%)，贛江穿城而過，流經以上三象限，因此，區內水域面積占比較其他象限更顯著；未利用地多分布在開發建設較晚的Ⅴ、Ⅵ象限。

圖4 2000～2015年南昌市半城市化地區各緩沖帶土地利用結構

圖5 2000～2015年南昌市半城市化地區各象限土地利用結構

3.2 半城市化地區土地利用程度變化

3.2.1 土地利用程度變化 2000、2010和2015年南昌市半城市化地區土地利用程度綜合指數分別為275.88、274.86和283.90。2000～2010年南昌市半城市化地區土地利用程度綜合指數下降了0.37%，表明在此階段，研究區內土地開發進程略有減緩；2010～2015年南昌市半城市化地區的土地利用程度上升明顯，增幅達3.29%，說明在此階段南昌市半城市化地區土地得到了高效開發利用。

3.2.2 土地利用程度空間變化 2000～2015年，南昌市半城市化地區的土地利用程度空間差異明顯(圖6)，整體呈現出距離建成區越近的區域，土地利用程度越高的趨勢，半城市化地區土地表現出明顯的“圈層”結構。3個年份土地利用程度均在0～2 km范圍內達到峰值，分別為279.36、284.63和291.70，這是因為0～2 km的范圍距離建成區較近，受其影響最大，其中建設用地面積占比較大，對土地利用程度綜合指數起決定性作用；在2～6 km范圍內土地利用程度下降明顯，原因是建設用地面積銳減，且梅嶺的林地大多集中在此范圍內，因此土地利用程度相對較低；而在6～10 km的緩沖帶內又出現小幅度抬升，主要因為耕地面積占很大比重，均為60%以上，帶動了整個緩沖帶土地利用程度綜合指數一定幅度的提高。

圖6 2000～2015年南昌市半城市化地區各緩沖帶土地利用程度綜合指數

在象限方位方面，2000～2015年南昌市半城市化地區的土地利用程度在各象限差異顯著(圖7)，具有明顯的軸向性，東部地區的土地利用程度明顯高于西部地區，第Ⅳ象限的土地利用程度在3年內都為“極高”等級，而第Ⅵ、Ⅷ象限內的土地利用程度則相對較低，保持“中、低”等級。2000年，第Ⅳ象限土地利用程度最高，Ⅲ象限次之，以上兩區域位于贛江東部南昌市老城區的周圍，受到的輻射帶動作用最強，建設用地占比較大，土地利用程度較高，而位于西部的Ⅵ、Ⅶ象限則由于林地面積廣、開發建設較晚等因素，土地利用程度呈現“低”等級。2010年，第Ⅳ象限依然保持“極高”等級，同時隨著南昌市紅谷灘新區的開發建設，位于新區周圍的第Ⅶ象限，建設用地面積增加，土地利用程度由“低”等級升為“高”等級。2015年，除第Ⅶ、Ⅷ象限之外，其他象限土地利用程度均出現明顯提升，尤其是第Ⅱ象限由“低”等級升至“高”等級，第Ⅲ象限由“中”等級提升至“極高”等級，主要原因是區內建設用地和耕地的增加。

圖7 2000～2015年南昌市半城市化地區不同象限土地利用程度差異

3.3 半城市化地區景觀紊亂度變化

3.3.1 景觀紊亂度變化 2000～2015年，南昌市半城市化地區景觀紊亂度變化顯著，3個年份的熵值分別為1.01、1.07和1.18，熵值逐年提高，景觀的有序性逐年降低，各地類面積占比趨向均衡化。第一階段即2000～2010年，景觀紊亂度熵值增幅為5.94%，而第二階段即2010～2015年熵值增幅擴大到10.28%，這表明研究期內南昌市半城市化地區土地利用結構更加“平衡”，打破了原有的一種或幾種土地利用類型占優勢的局面，其中第二階段較第一階段增幅更大，表明在第二階段中，土地利用結構變化更大，主要原因是2010～2015年建設用地面積所占比例提高了7.57%，與2000～2010年建設用地面積占比提高1.22%相比，增幅擴大明顯，是建成區輻射強度增強的表現，也是工業化和城市化程度提高的表現；而2000～2010年，南昌市重視園林城市的建設，區內林地覆蓋率大大提高，突出了“林地”一種地類的優勢，使得景觀紊亂度在此階段內增幅不如第二階段明顯。2000～2015年南昌市半城市化地區景觀紊亂度的變化反映了南昌市半城市化地區在土地擴張、產業結構升級調整的過程中，單一的農業用地向多樣化的非農業用地轉化，景觀有序性下降，各地類面積占比趨于平衡，從而導致土地的景觀紊亂度熵值逐漸加大。

3.3.2 景觀紊亂度空間變化 2000～2015年，南昌市半城市化地區景觀紊亂度空間差異明顯(圖8)，整體呈現出距離建成區越近，景觀紊亂度熵越高。各年度均在0～3 km區域內達到峰值，熵值分別為1.06、1.13和1.34，這是由于距離建成區近的區域內，土地利用類型復雜多樣，各種地類交錯分布，因此景觀紊亂度熵值較高，有序性較低；而隨著距離建成區的距離越遠，緩沖帶內表現出較高的鄉村地域特征，耕地占主導地位的情況愈加突出，因此景觀紊亂度熵值波動下降，景觀越有序。

圖8 2000～2016年各緩沖帶景觀紊亂度

在象限方位方面，2000～2015年南昌市半城市化地區各象限景觀紊亂度差異明顯(圖9)，整體來看，熵值較高的地區集中于北部第Ⅰ、Ⅷ象限，始終保持“高”或“極高”等級，而東部第Ⅳ象限景觀紊亂度熵值始終保持“低”等級。2000年，Ⅳ、Ⅴ象限景觀紊亂度熵值相對較小，土地系統有序程度高，主要原因是3個年份中，第Ⅳ象限內耕地面積占比均大于78%，有突出地位，帶動區內景觀有序性較強，而第Ⅴ象限土地利用類型以耕地、水域為主，土地利用類型較為單一，熵值較小。2010年，第Ⅴ象限熵值提高，除第Ⅳ象限外，還增加了Ⅱ、Ⅲ2個熵值較低的區域，以上3個熵值較低等級的區域內各地類面積占比不平衡，耕地、建設用地、水域面積占較大比重，土地系統呈有序狀態。2015年，熵值低水平的區域進一步擴大，僅剩Ⅰ、Ⅴ、Ⅷ象限為景觀紊亂度熵值“高”或“極高”區域，期內以上3個象限的各種土地利用類型交錯分布，表現出無序狀態。綜上所述，研究期內南昌市半城市化地區中，東部、南部象限的景觀紊亂度熵值普遍低于北部，但景觀有序程度則優于北部象限。

圖9 2000～2015年南昌市半城市化地區各象限景觀紊亂度差異

4 結論與討論

4.1 結論與建議

本研究解譯了南昌市2000、2010和2015年3個年份的遙感影像，得出了各期南昌市土地利用數據，分別從時間變化和空間差異2個角度，對2000～2015年南昌市半城市化地區的土地利用結構、土地利用程度和景觀紊亂度的特征規律進行了分析，結論如下。

各地類分布不均，建設用地擴張迅速，威脅到生態安全。2000～2015年南昌市半城市化地區土地利用類型以耕地、林地為主，主要變化趨勢為耕地、水域面積所占比重逐年下降，林地、建設用地面積所占比重逐年上升，未利用地變化不明顯，可見存在占用耕地等危害生態安全的現象；距離建成區越近的緩沖帶中，建設用地、水域面積所占比例越大，耕地、林地、未利用地面積占比越小；建設用地集中于東部Ⅰ～Ⅳ象限，耕地在Ⅰ～Ⅵ象限內面積占比均超過60%，水體主要分布于贛江兩岸的Ⅰ、Ⅴ、Ⅵ象限，林地集中于西北方向第Ⅶ象限。

土地利用程度變化迅速，距離建成區越近土地利用程度越高，呈現明顯軸向性。2000～2015年南昌市半城市化地區土地利用程度綜合指數由2000年的275.9提高到2015年的283.9，提升迅速；十級緩沖帶之間土地利用程度差異顯著，距離建成區越近，土地利用程度越高，3個年份土地利用程度均在0～2 km范圍內達到峰值；在8個象限中土地利用程度具有明顯軸向性，表現為東部高于西部，東部第Ⅳ象限的土地利用程度在3年內都為最高，而西部第Ⅵ、Ⅷ象限則相對較低。

土地利用類型混雜交錯，景觀紊亂度較高。2000～2015年研究區域景觀紊亂度熵值隨時間不斷提高，分別為1.01、1.07和1.18，景觀的有序性降低；距離建成區越近的緩沖帶，景觀紊亂度熵值越高，3年均在0～3 km區域內達到峰值；景觀紊亂度象限空間差異明顯，熵較高的地區集中于第Ⅰ、Ⅷ象限，第Ⅳ象限，景觀紊亂度熵始終保持低值，南昌市半城市化地區中，東部、南部象限景觀紊亂度熵值低于北部，但景觀有序程度則優于北部象限。

為此，在南昌市半城市化地區，政府首先應該調整土地管理政策，明確土地的產權主體，嚴格控制建設用地的快速擴張，加強對耕地安全的保護；其次要均衡整個區域內的土地利用程度，避免土地的閑置和浪費現象；最后要因地制宜的合理布局各種土地利用類型，科學配置土地資源，保護區域內的生態安全，切實保障半城市化地區土地資源的可持續利用。

4.2 討論

本研究僅基于2000、2010和2015年3個年份的數據進行分析，若能增加其他相關年份的數據進行分析，并且增加影響土地利用類型分布和變化的地形因素、行政區因素等指標，強化半城市化地區的土地特征，會更有利于了解南昌市半城市化地區的土地利用變化情況。同時，半城市化現象是一種城市化進程中的過渡類型，屬于非穩定和非定式的現象和過程，因此，還需要針對各種不同類型的地區進行分析和深入探究，從而找出半城市化地區土地利用變化的總體特征。