巖溶山地城市建設用地擴展的地形梯度特征
——以貴陽市為例

魏小芳，趙宇鸞,2*，朱昌麗，薛朝浪

(1.貴州師范大學 地理與環境科學學院，中國 貴陽 550001；2.中國科學院 地理科學與資源研究所，中國 北京 100101)

土地利用/覆被變化研究關注的是人類利用土地的格局—過程—驅動力以及資源環境效應[1-2]，地形因子對人為活動具有約束性，使得土地利用在地形梯度上具有顯著特征[3]。近年來，土地利用與地形因子相結合的研究較多，多關注行政單元[4-6]、貧困脆弱區域[7-10]、流域[11-14]等，基于地形梯度分析已從單一地形因子[15]過渡到坡度、坡向、起伏度、高程等多地形因子的研究[10-14,16]，研究內容上主要是基于地形梯度從土地利用的空間分布格局[4,17]、土地利用及其圖譜變化[6,10,18]、土地利用的景觀生態風險空間分析[19]、景觀生態效應[20]等方面進行研究。從單一土地利用類型與地形梯度特征的研究較少，主要有楊廣斌等[21]對巖溶山區林地景觀梯度變化的分析，門明新等[22]對沽源縣未利用地生態重要性空間識別及其地形梯度特征分析，李陽兵等[23]對草堂溪流域耕地在地形梯度上的變化規律進行了分析。關于城市安全的研究多與社交大數據[24]、韌性城市視角[25]等相結合，從地形梯度與城市安全視角相結合方面的研究較少。建設用地作為土地資源的一種利用類型，其變化與經濟發展水平、地形等相關，地形影響著城市建設用地的方向和格局變化[26-27]，城市建設用地擴展在地形因子的約束下影響著城市的安全發展，山區尤為明顯。20世紀90年代以來山區城鎮化進程加速，大量人口的涌入刺激了各類開發項目的建設，導致山區城市用地需求增大，用地擴張迅速[28]，城市建設不僅占用耕地、林草地等生態用地[29-30]，且逐漸向坡度較大、海拔較高的自然山體方向推進[6,11]，極易引發崩塌、滑坡等城市自然災害，對生態環境的破壞加重。中共中央、國務院2015年印發《關于加快推進生態文明建設的意見》，住房和城鄉建設部出臺了《關于加強生態修復城市修補工作的指導意見》(建規〔2017〕59號)，2018年中共中央、國務院辦公廳也發布了《關于推進城市安全發展的意見》，為促進生態環境保護與城市安全發展提供了保障。

貴陽市作為巖溶山區生態脆弱區典型城市，處在城鎮化中期用地快速擴張時期，且近幾年崩塌、滑坡等災害時有發生，故而對其建設用地擴展與地形梯度特征研究顯得尤為重要。本文利用ArcGIS作為基礎空間分析工具，基于城市擴展強度、轉移速率、地形位指數、地形分布指數、地理信息圖譜方法，從城市安全的視角對貴陽市建設用地擴展及其空間差異特征進行研究，進一步厘清建設用地在地形梯度上的演變規律，旨在優化山地城市土地資源配置、保障山地城市安全發展和促進巖溶山區生態文明示范城市建設。

1 研究區概況

貴陽市地處貴州高原中部，位于黔中經濟區核心地帶，是貴州省省會及區域政治、經濟、交通中心，轄6區3縣1市，國土面積約8 043 km2。地勢起伏較大，南北高，中心低，呈東西向擴展延伸，海拔約916～1 720 m；丘陵、谷地、盆地、洼地等地貌相間分布。氣候屬亞熱帶季風氣候，年平均降水量1 200 mm，年平均氣溫15.3 ℃，具有雨熱同期、四季分明的特征。截至2015年，常住人口達462.18萬人，城鎮化率約73.25%；GDP總量為2 891.16億元，第一、二、三產業比重分別為4.5%，38.3%和57.2%；建成區面積達299 km2，人均居住用地面積15.86 m2。

圖1 研究區示意圖

根據區域自然地理特征和經濟社會梯度差異，選取貴陽市南明區、云巖區、白云區、花溪區、烏當區、觀山湖區為研究范圍，面積為2 473.22 km2，占貴陽市國土面積的30.78%。為反映地貌單元整體性并兼顧行政區劃的完整性和建設用地統計數據的可得性，以鄉鎮界線為最小劃分單元，并利用DEM數據作為參考底圖，將研究區劃分為：盆地老城區(Ⅰ區48.02 km2)和盆地花溪區(Ⅱ區42.68 km2)、盆周山區(Ⅲ區225.59 km2)、城市新區(Ⅳ區2 156.93 km2)4個次級研究單元，如圖1所示。

2 數據來源及處理

研究所需的數據包括土地利用矢量數據、DEM數據及行政單元邊界數據。土地利用數據由國家重點基礎研究“973”項目“山區國土空間功能優化與調控對策”課題組提供，時間為1990，2000，2010和2015年4期，該數據是基于30 m TM遙感影像、30 m DEM及Googel高分影像解譯所得，解譯總精度達85%以上，能滿足研究需求。DEM數據來源于中國科學院山地表生過程與生態調控重點實驗室，數據格式為GRID格式，空間分辨率為30 m。行政單元邊界數據由貴州省山地環境重點實驗室提供，分為省、市、縣(區)、鄉(鎮)4個級別。運用行政單元邊界數據對DEM數據及土地利用數據進行裁剪，并將土地利用數據劃分為6個一級地類，即耕地、林地、草地、水域、建設用地及未利用地，提取建設用地圖斑轉換為30 m柵格數據。采用ArcGIS軟件分析研究區建設用地分布的地形梯度特征。

3 研究方法

3.1 擴展強度

建設用地資源變化快慢程度可以用擴展強度進行度量。擴展強度表示研究區起止時間段建設用地變化的數量多少和快慢程度。具體公式如下[12]:

(1)

式中：G為研究時段建設用地擴展強度，La和Lb為研究期初和研究期末建設用地的面積，T為研究時段長。

3.2 地形梯度等級劃分

綜合考慮地形因子對建設用地空間格局變化的約束，選取高程、坡度兩個因子分析建設用地擴展的空間差異特征。高程指的是某點沿鉛垂線方向到絕對基面的距離，坡度是指高程在水平表面的變化率，反映地形的陡緩程度。利用ArcGIS空間分析工具中的表面分析—坡度，對貴陽市DEM提取出30 m坡度數據。地形位作為地形復合因子能夠綜合體現高程和坡度的特征，以ArcGIS空間分析工具的柵格計算器為基礎工具，對高程與坡度運用地形位指數公式進行計算，得出30 m地形位指數的柵格數據。地形位指數公式如下[31]：

(2)

基于研究區實際情況，采用ArcGIS重分類工具，將坡度劃分為5級，平坡[0,6°)，緩坡[6,15°)，斜坡[15,25°)，緩陡坡[25,35°)，陡坡(≥35°)[6]。為了與坡度相對應，采用自然間斷點分級法(自然間斷點分級法能夠使各級別中的變異總和達到最小，使地形特征更明顯)將高程[880 m,1 720 m)和地形位(0.024 2，1.108)重分類為30 m柵格數據，共劃分為5級(表1)，其中高程分別為[916 m,1 137 m)，[1 137 m,1 228 m)，[1 228 m,1 308 m)，[1 308 m,1 409 m)，[1 409 m,1 720 m)，地形位指數分為[0.24,0.39)，[0.39,0.53)，[0.53,0.65)，[0.65,0.78)，[0.78,1.10)。

表1 地形梯度分級及面積比例

3.3 圖譜變化

對1990—2015年4個分區土地利用圖進行矢量疊加，提取出建設用地變化圖譜，根據建設用地與其他用地的變化特征，將圖譜變化劃分為穩定型(1990—2015年建設用地未發生變化)，前期變化型(僅1990—2000年轉為建設用地變化類)，中期變化型(僅2000—2010年轉為建設用地變化類)，后期變化型(僅2010—2015年轉為建設用地變化類)，變化類代碼如表2所示，具體公式如下[6]：

Y=G1×10n-1+G2×10n-2+…+Gn×10n-n,

(3)

式中：Y為土地利用代碼計算合成的n位數字；n為土地利用的時期數目；Gn為第n期土地利用單元。

表2 土地利用分類代碼

3.4 地形分布指數

地形分布指數(distribution index，DI)表示建設用地及圖譜變化在不同地形位區間上的分布頻率，能夠消除土地利用類型在地形梯度區間受面積的干擾。具體公式如下[10]：

(4)

式中：DI為分布指數，Wje為e地形區間的j地類的面積；Wj為研究區j地類的總面積；We為研究區e地形區間的總面積，W為研究區的總面積。當DI>1時，表示e地形區間上j地類的分布為優勢分布。DI越高，表示優勢分布程度越大。

3.5 轉移速率

轉移速率表示相應時段相對應的土地利用轉移速率，該公式在本文表示其它用地轉為建設用地的快慢程度。具體公式如下[11]：

(5)

式中：S反映與t時段相對應的研究土地利用轉移速率，Si為研究初期第i類土地利用面積,ΔSi-j為t時段內i轉為建設用地的面積，t為時間段。

4 結果與分析

4.1 建設用地擴展分析

從表3可以看出，1990—2015年貴陽市建設用地增長迅速，擴展面積達9 654.21 hm2，年均擴展面積386.17 hm2，擴展強度為2.98%。具體來看，城市新區擴展強度最大，居所有區域首位，為5.48%，擴展面積達7 670.07 hm2，說明建設用地增長的來源主要為城市新區的建設和開發，這可能與區域的經濟社會發展和人口增長有關。人口增長與經濟增強導致住房需求旺盛及大量產業用地布局，驅動建設用地需求增加。其次為盆地老城區，擴展強度居第二位，為2.03%，擴展面積782.28 hm2，這與區域的經濟首位度及人口承載力有關。盆地老城區發展基礎深厚，各項配套設施齊全，人口集聚性較強，但受盆地地形制約，可利用土地面積有限，新增建設用地多來源于存量用地、低效用地及舊城改造，驅使建設用地內生擴展。盆地花溪區建設用地擴展強度較小，僅為0.98%，擴展面積為24.12 hm2，反映了該區域近年來建設用地增長不足，這可能與區域的生態保護及可利用土地較少有關。盆周山區建設用地的擴展強度最小，為0.82%，但擴展量相比盆地老城區及盆地花溪區較大，達1 177.74 hm2，可知盆地老城區、盆地花溪區的建設用地擴展逐漸向盆周山區轉移，呈“盆地區—山地區”的轉移路徑，隨著經濟社會的進一步發展，該趨勢將愈發顯著。

4.2 建設用地擴展的地形梯度特征

通過ArcGIS空間分析工具提取出盆地老城區(Ⅰ區)、盆地花溪區(Ⅱ區)、盆周山區(Ⅲ區)、城市新區(Ⅳ區)建設用地面積，將建設用地數據轉換為30×30 m柵格，并與DEM、坡度、地形位數據做相應的柵格計算，通過式(1)，(2)和(4)計算，得出1990—2015期間研究區建設用地擴展的梯度特征及分布變化(圖2)。

表3 1990—2015期間研究區建設用地擴展情況表

1990—2015年貴陽市建設用地在高程梯度上呈先增后減的趨勢，擴展強度在中海拔區最大(圖2a)，說明貴陽市在城市化進程中向海拔較高的區域擴展。具體來看，盆地老城區建設用地在低—較低海拔區呈上升的趨勢，這是因為海拔低的區域經濟較為發達，基礎設施較為完善，人口、產業集聚能力較強，但受盆地地形限制，建設用地擴展強度在較低—中海拔區急劇減弱，在中—較高區建設用地擴展強度呈遞增的趨勢，說明盆地老城區建設用地趨于飽和在向盆周山區溢出；盆地花溪區在經濟發展與生態保護的雙重壓力下，建設用地擴展在高程梯度上變化不甚明顯，主要在低—較低海拔區呈遞減的趨勢；盆周山區自低—較高海拔區擴展強度呈遞增的趨勢，在較高海拔區達最大值，說明盆地區域建設用地的路徑轉移，迫使盆周山區建設用地向更高海拔區域擴展；城市新區受政策及開發區建設等影響，人口、產業集聚能力增強，建設用地擴展強度在低—中海拔區比盆地區、盆周山區高。

1990—2015年貴陽市建設用地在平坡—陡坡上呈先增后減的趨勢(圖2b)，在緩坡處擴展強度最大，說明緩坡以下建設用地承載力受人類活動壓力大，轉而向緩坡擴展。

圖2 建設用地擴展的地形梯度特征

具體來看，城市新區經濟發展速度加快、基礎設施服務水平提高，吸引大量人口轉移，進而刺激了建設用地的擴展，從而擴展程度相較于盆地區與盆周山區強；盆地老城區在平坡—斜坡區呈遞增的趨勢，由于平坦的區域生產條件好，適宜基礎設施建設，故而人口、產業相對集中，建設用地擴展的趨勢明顯；盆地花溪區在平坡—緩坡擴展強度呈上升的趨勢，由于區域生態保護紅線限制，適宜建設用地資源較少，在斜坡—陡坡區急劇上升。盆周山區在平坡—斜坡區擴展強度遞增趨勢明顯，說明在盆地建設用地溢出的效應下，迫使盆周山區侵占斜坡山體，但在脆弱的生態環境下建設用地向緩陡坡及以上區域擴展的強度變弱。

4.3 建設用地圖譜變化及梯度特征

圖3 研究區建設用地圖譜變化

4.3.1 主要圖譜變化分析 通過ArcGIS空間分析工具對4期各區土地利用數據疊加，得出圖譜變化數據，通過計算得出圖譜變化特征(圖3)，貴陽市主要圖譜變化中穩定型占比較大，占圖譜總面積的56.34%，說明貴陽市在建設用地擴展的過程中，挖掘了城市存量建設用地的潛力，大量城中村建設用地的內生改造，致使穩定型面積居多。在圖譜變化類型中，由于耕地、林地、草地轉建設用地面積居多，能在地形梯度上體現其它用地轉為建設用地的變化特征，故在后文將主要對該3類用地轉為建設用地的地形梯度特征進行分區域分時段研究。

貴陽市在耕地保護、生態建設等政策下，前期—中期—后期耕地、林地和草地轉建設用地面積呈先增后減的趨勢。具體來看，盆地老城區在城市化過程中，農村人口不斷向城市遷移，刺激了建設用地的需求，故而在前期—中期侵占耕地、林地資源嚴重，后期由于達到飽和狀態可供侵占的用地資源不足，城區內生改造的趨勢明顯。盆地花溪區受盆地地形的影響，在生態保護政策影響下，建設用地可供開發的用地資源少。盆周山區隨著經濟發展水平的不斷提升，開始承擔著盆地區域的外溢功能，故而在前期—中期侵占耕地、林地資源呈增加的趨勢，后期由于政府政策與規劃導向，耕地、林地轉為建設用地的面積減少，迫使盆周山區在后期向草地擴展，且面積相較于中期增加。城市新區經濟社會發展水平提高，住房及產業用地的需求增加，致使前期—中期建設用地侵占耕地、林地、草地面積增加，但后期注重生態旅游建設與生態保護，林、草地轉建設用地面積減少，但耕地依舊是建設用地最主要的來源。

4.3.2 主要圖譜變化的地形位梯度特征 通過ArcGIS空間分析工具對4期各區土地利用數據疊加，得出圖譜變化數據，將圖譜變化數據轉換為30×30 m柵格，并與地形位指數做相應的柵格計算，得出1990—2015期間研究區建設用地擴展的梯度特征及分布變化(圖4)。(1)盆地老城區林地轉建設用地前期在低、較低級別區占據主導地位，但城市發展速度加快使得林地轉建設用地中期在中級別區的分布程度增強；耕地轉建設用地前期(1990—2000年)在低、較低級別區占優勢地位，但中期(2000—2010年)在退耕還林政策和建設用地擴展的雙向擠壓下，僅在低級別區占優勢分布；后期(2010—2015年)在地形、耕地保護及生態建設政策等影響下，盆地老城區趨于飽和建設用地擴展變慢。(2)盆地花溪區作為新興發展區，建設用地中期占用較低、中級別區耕地資源，由于花溪公園等生態用地的保護，迫使后期向較高、高級別區林地擴展。(3)盆周山區林地轉建設用地前期受地形因素影響在低級別區的優勢地位最高，中期—后期擴展至中、較高級別區，說明建設用地仍在向坡度較陡的林地擴展；耕地轉建設用地受地形、退耕還林政策和建設用地擴展的多重壓力下，在前期—中期由低—中級別區向低、較低級別區過渡；中期草地轉建設用地在中級別區優勢分布程度最高，后期擴展至較高級別區。總的來說，盆周山區由于盆地區的外溢、本身用地資源的不足，在城鎮化加速的過程中，被迫向坡度較陡、海拔較高的林地、草地擠占用地資源。(4)城市新區林地轉建設用地前期主要分布在低—中級別區，中期在中級別區的分布程度減弱，后期在中—高級別區的優勢分布愈加明顯，說明后期城鄉發展加快，建設用地向坡度大、海拔高的林地擠占資源；前期受農村建房影響，建設用地不斷侵占低、較低級別區耕地資源，中—后期城市發展迅速，大量人口涌入城市致使坡度小、海拔低的耕地資源被占用，且優勢分布指數在低、較低級別區增大；草地轉建設用地前期在較低級別區優勢分布程度最大，中期城市用地需求增加，地形位梯度跨度加大，后期經濟發展水平逐步提升，技術不斷進步，城市建設用地開始向較高級別區擴展，且優勢分布指數增大。

4.4 轉移速率的地形位梯度特征

轉移速率體現其它用地轉為建設用地的轉移快慢情況，從圖5可看出轉移速率在地形位梯度上的變化情況。盆地老城區前期—中期農村人口向城市轉移，城市用地不足，致使耕地轉建設用地的速率在地形位上加快；林地轉建設用地前期—中期變化不甚明顯，說明盆地老城區建設用地前期—中期主要依靠耕地補給。盆地花溪區中期林地轉建設用地在地形位上呈遞增的趨勢，后期耕地轉建設用地的速率在低、較低地形位上呈上升的趨勢，說明在高新技術產業園及大學城的建設下，建設用地擴展速率明顯加快，但用地資源及生態用地建設導致建設用地向盆周轉移。盆周山區耕地、林地轉建設用地受政策影響速率變化不甚明顯。中期、后期草地轉建設用地的速率在加快，且向高地形梯度擴展，說明盆周山區承接盆地區的外溢效應致使生態用地破壞，且變化速率在中、較高地形位上加快。城市新區耕地、林地在城市建設與耕地、生態保護政策雙向壓力下，轉移速率后期在減緩，草地轉建設用地的轉移速率在地形位上變化明顯，在生態建設與城市建設雙重壓力下，轉移速率變緩，但向中、較高地形位梯度上擴展。

圖4 圖譜變化的地形位梯度分布

圖5 轉移速率的地形位梯度變化

5 討論

在政府推行西部大開發、引導近1億人在中西部地區就近城鎮化、易地扶貧搬遷等政策綜合作用下，建設用地擴展仍然不可避免。貴陽市盆地區應深入挖掘潛在用地資源，緩解向盆周山區擴展的外溢壓力，盆周山區、城市新區在城市化進程中，應盡可能減少侵占山體，緩解高地形梯度上草地等生態用地與城市擴展的矛盾，避免發生山體崩塌等自然災害，從而推進城市安全發展，促進城市土地資源的優化配置和可持續發展。