城市收縮背景下鶴崗市土地利用結構演變研究

耿 聰，董會和，吳思宇

（吉林大學地球科學學院，長春 130061）

收縮城市一詞起源于德國，國外已有30多年的研究歷史［1］。中國學術界近幾年才開始關注城市收縮的問題。吳康等［2］、龍瀛等［3］基于人口的統計數據對全國的收縮城市進行了識別。張偉等［4］從人口、經濟、空間3個方面對收縮城市進行了多維度識別。劉春陽等［5］將中外收縮城市動因機制與表現特征進行對比分析，發現存在全球化、去工業化、人口老齡化等共同動因，但對于中國而言，西方發達國家收縮現象出現的更早，且收縮程度更高。多數學者均認為人口衰減是城市收縮的核心特征，同時伴隨著經濟衰退和空間衰敗［2，6］，而在空間表現上，中國又呈現出與西方國家不同的特點［5］。目前關于城市收縮的研究大部分集中在收縮城市的識別、表現特征、產生機制等方面，而在城市收縮背景下，土地利用結構的演變還缺乏更加深入的研究。

城市是一個復雜的系統，土地作為其中一個重要的子系統，是表征城市發展動力的景觀載體［2］。土地利用結構的演變是土地城市化的核心體現［7］。徐麗華等［7］、馬淇蔚等［8］利用RS和GIS技術，并結合土地轉移矩陣、重心遷移模型分析了杭州市近15年來土地利用結構的時空演變；李志英等［9］運用GIS和象限分析法對昆明市中心城區的建設用地擴展特征進行了研究。Rimal等［10］利用CA-Markov模型分析了尼泊爾南部土地利用變化的時空特征。孫雁等［11］在GIS技術支持下，研究了沈陽市近百年來土地利用結構的變化及互相轉化特征。黑龍江省鶴崗市作為東北地區典型的煤炭資源型城市，由于資源枯竭已經表現出比較明顯的城市收縮特征。本研究以鶴崗市作為研究區，深入探索城市收縮背景下土地結構演變過程及特征，以期為資源枯竭型城市經濟轉型、用地規劃、完善收縮城市的研究框架提供參考借鑒。

1 鶴崗市城市收縮概況

鶴崗市下轄六區兩縣，研究區為鶴崗市中心城區，包括向陽區、興山區、工農區、南山區、興安區的全部以及東山區的南部，總面積約1 364 km2。鶴崗市是黑龍江省四大煤城之一，1918年開始采煤，原煤產量曾居全國第四位。經過百年開采，煤炭資源枯竭殆盡，昔日輝煌已不在，呈現“煤竭城衰”的局面，而且面臨著生態環境的惡化，2011年被確定為全國第三批資源枯竭型城市［12］。根據第五次、第六次全國人口普查公報，鶴崗市市區常住人口由69.46萬人下降到66.45萬人，減少3.01萬人。人口與經濟統計數據顯示，2001—2016年鶴崗市總人口持續減少，人口凈減少4.7萬人；GDP指標2001—2012年持續增長，但2012—2014年明顯下降，2014年以后下降趨勢減弱（圖1），2017年鶴崗市市區人均GDP為22 946元，遠低于全國（59 660元/人）平均水平。按照人口與經濟指標界定，鶴崗市已經表現出明顯的城市收縮特征。

圖1 2001—2016年鶴崗市市區人口、GDP變化

2 數據與方法

2.1 數據來源與處理

2.1.1 統計數據 由于統計年鑒中缺失連續的常住人口數據，故采用市區年末戶籍人口進行分析。采用的市區人口及市區GDP數據來源于《中國城市建設統計年鑒》（2002—2017年）、《中國城市統計年鑒》（2002—2017年）。

2.1.2 遙感影像 遙感影像數據來源于Landat-5TM、Landsat-7 ETM+（SLC-on）、Landsat-8 OLI影像，行列號為（116027），具體拍攝時間分別為2001年11月10日、2006年9月29日、2011年9月11日、2016年8月23日。2001年與2016年的遙感影像分辨率為15 m，2006年與2011年的遙感影像分辨率為30 m。鶴崗市中心城區土地利用規劃圖（2006—2020年）來源于中華人民共和國自然資源部官網。

在ENVI中對遙感影像進行輻射校正、幾何校正、邊界裁剪等預處理后，采用最大似然法進行監督分類。樣本分離度均在1.8以上，其中耕地與林地分離度相對較低，是產生誤差的主要原因，結合同期影像、土地利用規劃圖以及Google Earth進行目視解譯，人為修改錯分地類，最終得到2001年、2006年、2011年、2016年遙感影像監督分類的Kappa系數分別為 0.989 3、0.979 5、0.938 4、0.998 6，滿足精度要求。

2.2 土地利用結構變化分析方法

2.2.1 土地利用轉移矩陣 馬爾可夫過程是一種特殊的隨機運動過程。一個運動系統t+1時刻的狀態與t時刻的狀態有關，與t時刻以前的狀態無關［13］，土地利用變化的過程與馬氏可夫過程相符。基于馬爾可夫鏈的轉移矩陣分析法已在土地利用格局動態變化的研究中廣泛應用［8］，其數學表達式為［7，13，14］：

式中，Pij為土地類型i轉變為土地類型j的轉移概率［7］。土地利用轉移矩陣可以清晰地刻畫由t時刻至t+1時刻不同土地利用類型之間相互轉變的數量及概率。

2.2.2 重心轉移模型 王秀蘭等［15］將地理學中的人口重心分布原理應用到土地利用中，通過計算不同時期各土地利用類型面積的重心來研究土地利用的空間變化。借助ArcGIS的空間分析功能，得到重心坐標，并計算轉移距離和角度。

式中，（Xt，Yt）為t時刻某種土地利用類型的重心坐標，Cti表示t時刻該種土地利用類型第i個區域的面積，（Xi，Yi）表示t時刻該種土地利用類型第i個區域的重心坐標［15］。

從t時刻到t+1時刻重心轉移距離D的計算公式［7］：

從t時刻到t+1時刻重心轉移角度θ的計算公式如下，其中θ為重心轉移方向與正東方向夾角，范圍0°～360°［7］。

2.2.3 象限方位分析法 象限方位分析法用于分析不同時期各個方向上建設用地的增減特征［9］。運用ArcGIS，以2001年建設用地重心作為中心點，即鶴崗市南山區獲勝一隊村一帶，建立半徑為35 km的緩沖區，并將其分為16個等扇面，再與不同時期的建設用地增量、減量相疊加，得到各個方向上的增、減面積。建設用地減量的獲得過程與增量相反。最后結果以雷達圖的形式呈現［8，9，16，17］。

2.3 土地利用分類

根據土地利用和覆被類別的波譜特征和中等分辨率遙感影像的特征［18］以及研究區土地利用狀況，并參照《土地利用現狀分類》（GB/T 21010—2017），將土地利用類型分為5類，分別為耕地、林地、水域、建設用地和其他土地，其他土地包括裸土地和裸巖石礫地。

3 土地利用結構演變分析

3.1 土地利用類型的變化

各土地利用類型面積和比例的統計結果見表1，ENVI對研究區遙感影像監督分類的結果見圖2。總體來看，鶴崗市中心城區耕地面積占比最高，各時期占比均在50%以上，其次是林地，占比20%左右，而建設用地占比為9%左右，水域和其他土地占比均不到5%（表1）。耕地與林地的總和達80%以上，這也印證了鶴崗市是黑龍江省重要的木材產區和商品糧生產基地。

耕地主要分布在東南部，為三江平原的邊緣地帶，地勢平坦適宜耕種，有大面積的水田和旱地；林地分布在西北、西南，正南也有小部分林地；建設用地集中分布在西部，農村居民點零星散落在東南部的耕地中間；水域和其他土地夾雜在林地和耕地之間，呈點狀和條帶狀分布（圖2）。西部山區建有多個水庫，東部為鶴立河與梧桐河交匯處，分布大量灘涂。

1）耕地的變化。從數量上看，耕地面積在持續減少。2001年耕地面積為930.32 km2，2016年耕地面積減少至798.32 km2，共減少132.00 km2。其中，2001—2011年，耕地僅減少40.43 km2，占比下降2.98個百分點；2011—2016年為耕地面積的銳減階段，減少91.57 km2，占比下降6.70個百分點。由于耕地基數大，分布廣，在空間上衰退表現并不明顯。

2）林地的變化。2001—2016年林地整體呈增加趨勢，前期面積稍有減少。2001—2006年林地減少33.87 km2，占比下降2.49個百分點；2006—2016年林地面積增長較大，共增長73.19 km2，占比增長5.37個百分點。林地面積的增加得益于鶴崗市加大植樹造林力度，提高森林覆蓋率的政策，以充分發揮林地調節生態環境、水土保持的重要作用。

表1 2001—2016年鶴崗市中心城區土地利用結構

3）建設用地的變化。建設用地始終處于增長的態勢，2001—2016年共增加80.53 km2，占比增長5.90個百分點。其中，2011—2016年建設用地增長速度最快，占比增長3.18個百分點；2001—2006年次之，占比增長2.00個百分點；2006—2011年增速最慢，占比僅增長了0.72個百分點。城市建成區面積的擴張是建設用地增加的主要原因，農村居民點擴張不明顯。

4）水域的變化。水域的面積在2001—2016年共減少了14.44 km2，占比下降了1.06個百分點。西部水庫面積變化不大，主要是東部灘涂面積在減少。其他土地數量少，分布零散。

圖2 2001—2016年鶴崗市中心城區土地利用結構

表2 2001—2016年鶴崗市中心城區土地利用類型轉移矩陣（單位：km2）

3.2 土地利用類型的相互轉移

每種土地利用類型均存在轉入、轉出、不變3種情況［11］，轉入即增加，轉出為減少。利用ENVI計算研究區每隔5年土地利用變化的轉移矩陣（表2），來探究土地利用結構動態變化的具體情況。由表2可知，2001—2016年耕地與林地的轉入、轉出面積始終較突出，說明耕地與林地的流動性大；水域的流動性最小。

自2001年起，每隔5年耕地的轉入面積分別為83.25、87.53、61.01 km2，轉出面積為 92.92、118.41、152.32 km2。耕地的轉出面積始終大于轉入面積，所以耕地始終在減少。耕地轉入的面積主要來自林地，而2006—2011年，有1/4以上的轉入面積源于建設用地。耕地的主要去向分為兩部分，一是轉變為林地，二是轉變為建設用地。耕地與林地之間的流轉根源在于農業結構的調整。自2008年起，鶴崗市開始實施煤礦棚戶區改造工程，一部分拆舊區經過整治后轉變為耕地，所以2006—2011年建設用地轉入耕地的數量較多。耕地變更為建設用地是城鎮擴張的典型表現。

2001—2006年、2006—2011年和2011—2016年林地的轉入面積分別為 60.18、81.22、113.14 km2，轉出面積分別為93.83、65.67、54.91 km2。林地的轉入面積一直在增加，轉出面積一直在減少，進而導致林地總面積的變化分為兩個階段，2001—2006年處于下降階段，2006—2016年為上升階段。林地的增加主要源于耕地的大量轉入，主要去向同樣是演變為耕地，林地與耕地存在雙向流轉。這表明退耕還林持續推進，毀林開荒的現象也被逐步遏制。此外，林地的增加也得益于部分建設用地的轉入，這部分建設用地主要是廢棄的礦區。比如，礦區最北端的興山煤礦廢棄后，通過土地復墾轉變為林地。

2001—2006年、2006—2011年和2011—2016年建設用地的轉入面積分別為50.85、45.09、60.23 km2，轉出面積分別為 23.78、35.17、17.92 km2。建設用地的增量始終大于減量，呈增長態勢。建設用地的擴張主要占用的是耕地，建設用地的流出多是轉變為耕地、林地，極少部分轉變為水域或其他土地。增加的建設用地主體為城鎮用地，減少的建設用地大多是采煤沉陷區和農村居民點。

鶴崗市水域面積無論是整體的增減，還是轉移量大小的對比，其變化相對較小。水域各個階段的轉入量分別為 5.84、5.16、3.52 km2，轉出量分別為6.45、12.27、10.42 km2，轉出面積均大于轉入面積，水域總面積在減少，后兩個階段下降趨勢更加明顯。其他土地數量的變化和其與耕地、林地之間的流轉相關。

表3 2001—2016年鶴崗市中心城區各土地利用類型重心轉移距離及角度

圖3 2001—2016年鶴崗市中心城區各土地利用類型重心轉移軌跡

3.3 各用地類型的重心轉移

根據表3和圖3，重心轉移距離最小的是耕地，最大的是水域。2001—2016年耕地總面積以及流轉面積的變化都是非常顯著的，但耕地的重心轉移距離卻是最小的，兩者矛盾的主要原因是耕地總量大、分布廣，幾乎遍布整個中心城區，面積的增減對重心轉移的影響不大。水域則恰好相反，水域的總面積以及流轉面積是各地類中變化最小的，而重心轉移距離是變化最大的，原因在于水域總量少，分布不集中，散落在中心城區的東西邊緣，因而面積的變化對重心轉移影響大。

2001—2016年，耕地重心先向東北遷移，后持續向東南轉移，轉移距離較小，總的來說重心稍向東南方向轉移（圖3a）。中心城區的東部是大規模的農田，決定了耕地重心的基本位置。梧桐河、鶴立河流域的部分灘涂轉變為耕地，建設用地西南向的擴張占用耕地，綜合導致耕地重心向東南遷移。

2001—2016年，建設用地的重心轉移過程為正南—西南—東南，總體在向西南方向偏移（圖3b）。鶴崗市建成區北部為林地，東部為礦區，由此限制了建設用地的發展方向。鶴伊公路為西部的發展提供了牽引力，帶動著沿線的經濟。南部建有鶴大公路、鶴北鐵路，交通便利，為建設用地南部擴張奠定了基礎。鶴崗市政府于2011年提出建設鶴西生態新城、鶴南工業新城的“兩城”建設戰略決策［19］，帶動了建設用地向西、向南方向的擴張。除此之外，位于建成區東北方向的采煤沉陷區棚戶區改造工程削減了部分建設用地，推動了重心向西南遷移。綜上所述，建設用地逐步向西南推進，而耕地向東南后退，二者此消彼長，軌跡相悖。

林地的重心經歷了向東南、西北又向東南轉移的過程，整體來看，林地的重心在向東南遷移（圖3c）。其中，2011—2016年向東南方向轉移距離較大，為2 059.37 m。鶴崗作為一個以煤礦為主導產業的資源型城市，隨著煤礦的枯竭，正面臨著經濟、產業結構轉型的問題。由此，根據《鶴崗市國民經濟和社會發展“十一五”規劃和2020年遠景目標綱要》以及生態省戰略的實施，鶴崗市大力支持林業的發展，在河流周邊建設林業生態工程，并完善了農田道路防護林體系，進而導致林地的重心向東南遷移。

水域的重心遷移軌跡為西南—西北—西北，整體而言在向西北轉移（圖3d）。2006—2011年轉移距離為6 073.99 m，2011—2016年轉移距離為5 624.15 m。水域分布在中心城區的東西邊緣，東部為河流、灘涂，西部水庫居多。為了實現耕地占一補一、占補平衡，東部灘涂被圍墾為耕地，面積逐年減少，因此水域重心大范圍向西北轉移。其他土地的數量少且研究意義不大，故這里不做分析。

3.4 建設用地的擴張與縮減

根據象限法得到圖4和圖5，據此分析不同時期鶴崗市中心城區建設用地在各個方向的變化。二者對比分析，發現各個階段建設用地擴張或縮減的主方向大致重合。

由圖4可知，2001—2016年，建設用地在各個方向均有擴張，正南和西南方向的擴張尤為突出。《鶴崗市土地利用總體規劃（2006—2020年）》確定，在興安區西側設立鶴西新區，帶動西部發展；位于南部的新華鎮是煤電產業鏈重點建設區域；東部依托哈蘿公路發展工業用地。2011年，鶴崗市市委、市政府提出城市發展戰略是“南興、西拓、北開、東治、中升”。其中，“南興”指的是將紅旗鄉撤鄉變鎮整建制劃歸興安區，把興安區建設為“鶴南新型工業城”［12］；“西拓”戰略是建設松鶴生態新區，即鶴西新城［20，21］。在“南興”“西拓”戰略引領下，建設用地持續向南、西南以及西部擴張。相較于西部，正南以及西南向的發展更為迅速。南部有鶴大公路、鶴北線，交通便利，除此之外，還有準備開發建設的新南煤礦［22］。由此，鶴南市工業城有望成為新的增長極［12］。

圖4 2001—2016年鶴崗市中心城區建設用地增量空間分異（單位：km2）

由圖5可知，2001—2016年，主要是北部和南部的建設用地在減少，轉變為其他土地類型，其中2006—2011年減少量最大。鶴崗市是一個因煤而興的資源型城市，經過百年開采，近年來面臨著煤炭枯竭、生態環境惡化等問題。目前，鶴崗市致力于經濟轉型，由礦業城市向生態城市轉變，發展文化產業、旅游產業［12］。北部的煤礦廢棄后被復墾為林地，南部重點整治興安區采煤沉陷區，建設城市生態防護帶。為提高村鎮用地的集約度，鶴崗市加強了村鎮用地的整理，使村鎮空閑地減少。另外，采煤沉陷區棚戶區改造也是造成建設用地減少的原因之一。

圖5 2011—2016年鶴崗市中心城區建設用地減量空間分異（單位：km2）

4 結論

鶴崗市在人口和經濟增長表現為明顯收縮狀態下，城市建設用地仍處于增長狀態，這種人口流失與用地空間擴張相悖的現象在中國大多數收縮型城市都普遍存在。鶴崗市土地利用結構演變格局主要表現為4種主要土地利用類型的變化為“兩增兩減”，即建設用地和林地總量增加，耕地與水域總量減少。耕地、林地的轉移量大，水域的轉移量最小；耕地的主要來源和去向都為林地，二者存在大面積的雙向流轉，建設用地的主要來源是耕地，流出轉變為耕地、林地的原因有棚戶區改造、廢棄工礦地復墾、村鎮居民點整理。中心城區土地利用呈現出“西北為林地，耕地居東南，中部建成區，水域分兩側”的空間格局。

各土地利用類型中，重心轉移距離最大的是水域，最小的是耕地。2001—2016年耕地重心向東南轉移，建設用地重心向西南偏移，兩者進退消長、方向相悖。林地重心向東南轉移，水域重心則轉向西北。建設用地表現出“北退南擴”的空間演變特點，北部處于收縮狀態，南部則持續擴張，南部建設用地的增減量都比較突出，這也符合建設用地重心南移的特征。鶴南工業城有望成為新的增長極，促進深加工產業、高新技術產業的大力發展，替代傳統煤炭產業，走可持續發展、生態文明的道路，帶動鶴崗市實現經濟轉型、產業升級。

城市收縮對建設用地影響大，2001—2011年建設用地轉入量減少，轉出量增多，擴張速率降低，但是在2011—2016年建設用地擴張速度反彈，轉入建設用地的面積明顯增加，轉出量下降。建設用地主要沿煤炭產業帶和農村居民點收縮。