突變視角下城鎮建設用地形態演變與轉型分區
——以長江中游地區為例

瞿 詩 進，李 全 峰，胡 守 庚

(1.中國地質大學(武漢)公共管理學院，湖北 武漢 430074；2.自然資源部法治研究重點實驗室，湖北 武漢 430074;3.東北農業大學公共管理與法學院，黑龍江 哈爾濱 150036)

0 引言

土地利用轉型是土地利用變化研究的新途徑[1,2]，將土地利用形態(包含顯性與隱性)變化與社會經濟發展階段演替過程相結合，探究區域土地利用形態的趨勢性和階段性變化規律，可為優化土地利用配置、協調土地利用與區域發展之間的矛盾提供新視角[3-5]。當前，中國正經歷新一輪社會經濟轉型，經濟結構、發展方式和增長動力均面臨深刻變革[6,7]，城鎮建設用地是城鎮化和工業化的主要載體，系統探究其形態演變規律，是合理引導建設用地高效利用和保障社會經濟成功轉型的必然選擇[8,9]。

國際學者在早期研究中將土地利用形態定義為某區域在特定時期由土地利用類型構成的結構[2]。隨著土地利用轉型研究引入中國并不斷發展，土地利用形態被拓展為顯性與隱性兩種形式，其中顯性形態主要指能直接觀察的數量和空間結構兩重屬性，而隱性形態指依附于顯性形態并需要通過分析、調查等才能獲得的土地利用形態，包括質量、產出和功能等多種屬性[4]。由于土地利用轉型過程具有連續和非線性特征[10,11]，因此識別其趨勢性轉折點是土地利用轉型研究的關鍵和焦點。已有研究對耕地[12,13]、城鄉居民點[14,15]、農村宅基地[16]等單一地類的轉型過程以及不同地類之間轉換特征進行了系統刻畫[17-20]，也有學者從縣域等尺度分析城鎮建設用地轉型的時空過程及其階段性演變規律[21-25]，研究內容偏重于城鎮面積擴展、用地結構轉變、用地功能演化等方面[26,27]，多通過時間序列數據統計和空間數據疊加分析揭示城鎮建設用地的變化特征和空間指向。研究發現，城鎮建設用地面積呈現S形變化規律[28]，與城鎮化進程相吻合，在空間上則表現出蔓延型、填充型和跳躍型等不同模式[29]。還有學者采用洛倫茲曲線、偏離—份額分析等方法探究城鎮建設用地內部不同功能用地結構變化特征[30-32]，發現中國城鎮用地結構會朝均衡方向轉型[33]，城鎮用地增長主導類型逐漸由工業用地向居住用地轉變[34]。

綜上，已有研究對土地利用轉型過程進行了定性探究，并基于不連續時點的截面數據對土地利用形態的趨勢性轉變過程進行了實證分析。受社會經濟發展和土地政策等影響，土地利用形態盡管在長期會存在穩定的階段性和趨勢性轉型過程[23,35]，但在短期內具有波動變化特征[5]，如何定量識別土地利用形態變化過程中的趨勢性轉折點，進而劃分轉型階段并分析不同階段土地利用形態的空間演變規律，仍有待進一步探索。連續的時序數據能保留土地利用形態變化過程的更多細節，有利于準確識別土地利用形態在某時期內趨勢性轉折的關鍵節點。鑒于此，本文從突變視角出發，利用Mann-Kendall(M-K)方法定量探測1990-2015年長江中游地區湖南、湖北和江西三省城鎮建設用地形態變化的突變點，據此劃分長江中游地區城鎮建設用地轉型階段并分析其空間格局，以期為充分認識城鎮建設用地變化過程提供新視角與方法借鑒，為社會經濟轉型背景下區域城鎮建設用地優化提供支撐。

1 研究區概況與數據來源

1.1 研究區概況

長江中游地區包括湖南、湖北、江西三省，國土面積合計56.47萬km2(圖1)，區內地形多樣，山嶺環繞，江漢平原、洞庭湖平原和鄱陽湖平原分布其中。作為我國“中部崛起”、長江經濟帶等重大發展戰略的疊加區，長江中游地區是我國糧食主產區、生態關鍵區(北緯30°關鍵段)，是承東啟西的紐帶，兩型社會建設實驗區和重要經濟增長極。2021年以來國家先后發布《中共中央 國務院關于新時代推動中部地區高質量發展的意見》《長江中游城市群發展“十四五”實施方案》，明確支持長江中游地區高質量發展，長江中游地區顯著的戰略地位和社會經濟發展必然要求區域土地利用轉型以適應社會經濟發展轉型，適時開展長江中游地區城鎮建設用地轉型研究，是促進區域協調發展、服務于國家發展戰略的重要體現。

圖1 研究區區位Fig.1 Location of the study area

1.2 數據來源與處理

受當前中國科學院資源與環境數據中心GDP公里網格數據起始年份為1995-2015年限制，本文研究數據包括：1)1990-2015年縣級以上城市建設用地面積和二、三產業GDP數據，來源于《中國城市建設統計年鑒》，用于識別城鎮建設用地轉型階段。2)1995-2015年土地利用數據、GDP公里網格數據和行政區劃數據，其中，土地利用數據主要包括耕地、林地、草地、建設用地、水域和未利用地六大類，建設用地包含農村居民點、城鎮居民點和工礦及交通用地3個二級類，本文將與城鎮生產生活密切相關的城鎮居民點和工礦及交通用地合并為城鎮建設用地，一級類型綜合分類精度達94.3%以上，二級類型綜合分類精度達91.2%以上[36]。為與GDP公里網格數據分辨率保持一致，將30 m分辨率的土地利用數據重采樣至1 km×1 km網格。

2 研究方法

2.1 城鎮建設用地形態表征指標

土地利用形態包括顯性與隱性兩方面，借鑒已有研究[18,25]，本文選取城鎮建設用地面積(ULA)作為顯性形態(MUL)的表征指標(式(1))，采用城鎮建設用地平均GDP產出(PGUL)作為隱性形態(RUL)的表征指標(式(2))。

MUL=ULA

(1)

RUL=PGUL=GDP/ULA

(2)

2.2 基于突變點檢測的轉型階段識別方法

本文引入M-K方法[37]識別土地利用形態變化的突變點，并結合突變點前后土地利用形態變化趨勢差異的對比分析劃分轉型階段。M-K方法基本原理為：對于具有n個樣本的時間序列數據X，可構建一個秩序列Sk(式(3))，假設該序列無趨勢，逼近正態分布，據此定義統計量UFk(式(5))。將該方法逆向使用，即將時間序列X逆序排列(xn,xn-1,…,x1),再重復以上操作，得到新統計量UB(式(9))。若UF和UB兩條曲線相交，且交點在臨界值之間，則說明原序列數據在交點對應的年份存在突變，土地利用形態發生趨勢性轉折。本文分別以顯性和隱性形態的年增量構建對應的UF和UB統計量，為保證M-K方法識別突變點的準確性和穩定性，采用滑動T檢驗方法驗證M-K方法的識別結果。

(3)

(4)

(5)

UF1=0

(6)

E(Sk)=k(k-1)/4

(7)

Var(Sk)=k(k-1)(2k+5)/72

(8)

UBk=-UFk，UB1=0k=1,2,…,n

(9)

2.3 基于空間聚類的轉型空間分區方法

本文采用冷熱點分析城鎮建設用地形態在不同轉型階段的空間格局，為進一步顯示城鎮建設用地轉型空間差異，采用最小生成樹[38]的空間聚類方法對研究區進行轉型空間分區。聚類的最終類別數通過Calinski-Harabas 的F統計量確定，較大的F統計量意味著較大的組內相似度和組間差距。因此,聚類過程中可通過對比不同類別數下聚類結果的F統計量確定最佳類別數。具體計算公式為：

(10)

R2=(SST-SSE)/SST

(11)

(12)

(13)

3 結果分析

3.1 長江中游地區城鎮建設用地轉型過程

3.1.1 顯性形態突變點識別 圖2a顯示，UF與UB的交點出現在2001年附近，結合滑動T檢驗結果(圖2b)分析，2000年城鎮建設用地面積增量的T統計量(T2000=-4.27)超過0.05顯著性水平的臨界值(T(0.05,8)=-2.31)。由于M-K方法和T檢驗結果存在細微差別，為準確判斷突變時點，本文分別以2000年和2001年為分界點對顯性形態進行分段擬合，并對比分界點前后形態變化的差異特征，結果顯示，2000年前后的擬合斜率變化幅度為228.93%，大于2001年前后的220.04%，因此可綜合判斷長江中游地區城鎮建設用地顯性形態在2000年發生突變。以2000年為分界點的分段線性擬合結果(圖2c)顯示,1990-2000年和2000-2015年的擬合斜率分別為48.25和158.71，表明2000年以后城鎮建設用地面積年均擴張速度提升了11 046 hm2;進一步采用1990年、1995年、2000年、2005年、2010年和2015年遙感影像提取的城鎮建設用地數據進行驗證，結果(圖2d)顯示，長江中游地區城鎮建設用地變化曲線在2000年存在明顯拐點，城鎮建設用地擴張提速明顯。

圖2 長江中游地區城鎮建設用地顯性形態轉型階段識別Fig.2 Identification of dominant transition stages of urban construction land in the middle reaches of the Yangtze River

3.1.2 隱性形態突變點識別 由圖3a和圖3b可知，UF與UB的交點出現在2006年附近，而T統計量在2006年的絕對值亦大于2.31，通過了0.05水平的顯著性檢驗，表明長江中游地區城鎮建設用地隱性形態在2006年發生趨勢性變化。1990-2006年、2006-2015年線性擬合函數斜率分別為2 039.3、6 266.9(圖3c)，可見2006年后城鎮建設用地隱性形態增速快速提升，增幅達207.31%;基于多期遙感數據與地區二、三產業GDP數據測算的長江中游地區城鎮建設用地隱性形態變化(圖3d)也與統計數據揭示的規律基本一致。

圖3 長江中游地區城鎮建設用地隱性形態轉型階段識別Fig.3 Identification of recessive transition stages of urban construction land in the middle reaches of the Yangtze River

3.1.3 基于形態突變的轉型階段劃分 基于上述分析，1990-2015年長江中游地區城鎮建設用地顯性形態變化可分為1990-2000年和2000-2015年兩個階段，后一階段城鎮建設用地面積增速顯著提升，這一轉型過程契合我國社會經濟發展階段的轉變以及相應社會經濟體制、發展戰略和用地政策的轉型。1998年我國修訂土地管理法，城鎮土地市場化改革進一步深入，2001年正式加入世貿組織，標志著我國社會主義市場經濟體制的初步建立，擴大外商投資和對外貿易導致用地需求上升，在經濟發展和土地政策雙重作用下，2000年以后長江中游地區城鎮建設用地面積呈現快速上升趨勢。1990-2015年城鎮建設用地隱性形態變化也可分為兩個階段，轉折點在2006年，這一結果與我國市場經濟體制改革大背景下長江中游地區實施“中部崛起”戰略的區域特點相吻合。綜上，可將1990-2015年長江中游地區城鎮建設用地轉型過程劃分為3個階段(表1)，分別對應理論階段中的發展期、發展期向融合期轉變的過渡期和融合期的前中期階段。

表1 長江中游地區社會經濟發展與城鎮建設用地轉型關系Table 1 Relationship between urban land use transition and social-economic development in the middle reaches of the Yangtze River

3.2 城鎮建設用地轉型空間格局

3.2.1 柵格尺度城鎮建設用地顯性形態轉型空間格局 由圖4a可知，1995-2000年大部分柵格城鎮建設用地年均增量小于0.25hm2，年均增量大于1 hm2的高值區主要位于武漢、長沙和南昌等大城市的中心地區；由圖4b可知，2000-2015年高值區柵格數量比1995-2000年明顯增多。冷熱點分析結果(圖4c、圖4d)表明，1995-2000年湖北的武漢市和宜昌市、湖南的長沙市、岳陽市以及江西的南昌市是城鎮建設用地轉型的熱點集聚區域，而湖北的十堰、咸寧等地市是冷點集聚區域，2000-2015年江西城鎮建設用地轉型的熱點區域明顯增多，城鎮建設用地擴張速度顯著提升。值得注意的是，武漢城市圈內僅武漢市城鎮建設用地增長較快，其他地區均為冷點區域，武漢城市圈應加強地區間協作互補，實現區域均衡發展。

圖4 柵格尺度城鎮建設用地顯性形態轉型空間格局Fig.4 Spatial pattern of dominant transition of urban construction land at grid scale

3.2.2 柵格尺度城鎮建設用地隱性形態轉型空間格局 由于本文獲取的土地利用數據為5年期，因此隱性形態轉型空間格局分析以與轉型時點(2006年)鄰近的2005年為節點劃分階段。1995-2005年城鎮建設用地二、三產業GDP產出增速普遍較慢(圖5a)，整體上湖南省增速快于湖北省，而江西省增速普遍較低；2005-2015年得益于“中部崛起”戰略的實施，中部地區得到快速發展,單位建設用地GDP產出顯著提升(圖5b)，武漢市和長沙市增速最明顯，但與城市外圍面積擴張較快相對應，城市邊緣地區地均GDP增速卻較低，一定程度說明了城市的低效擴張。冷熱點分析結果表明：1995-2005年除武漢和長沙外，隱性形態轉型熱點區域還分布在襄陽—宜昌—常德—婁底—郴州沿線，呈不連續帶狀分布(圖5c)；2005-2015年轉型熱點區域明顯減少，但以武漢和長沙為中心的主要熱點區范圍有所擴張(圖5d)，可見長江中游地區中小城市用地效率有待提升。

圖5 柵格尺度城鎮建設用地隱性形態轉型空間格局Fig.5 Spatial pattern of recessive transition of urban construction land at grid scale

3.2.3 縣域尺度城鎮建設用地轉型空間格局 由圖6a可知，1995-2015年城鎮建設用地面積增長較快的縣域總體呈現以省會城市為中心的聚集分布格局。年均增量超過500 hm2的區域主要為省會城市市轄區，省會周邊市縣年均增量也較大；年均增量低于50 hm2的縣域主要分布在研究區邊緣丘陵山區，說明區位和自然條件對城鎮建設用地顯性形態轉型具有重要影響。與湖北省縣域城鎮建設用地面積增長較快不同，研究期內長江中游地區城鎮建設用地GDP產出年均增量增長較快(大于50萬元/(hm2·a))縣域主要分布在湖南省和江西省，湖北省年均增量的增加相對較慢(圖6b)，多低于15萬元/(hm2·a)，江西省雖然用地面積較小，但整體產出增速較高，各縣域多大于15萬元/(hm2·a)。

圖6 縣域尺度城鎮建設用地利用轉型空間格局Fig.6 Spatial pattern of urban construction land transition at county scale

3.3 城鎮建設用地轉型空間分區

根據研究期縣域城鎮建設用地顯性和隱性形態轉型規律的空間相關性，將顯性與隱性形態的變化量作為聚類變量，采用最小生成樹的空間聚類方法分析城鎮建設用地轉型的空間模式，最終將研究區劃分為大都市快速綜合轉型區、江漢平原顯性轉型主導區、洞庭湖—鄱陽湖平原隱性轉型主導區和山地丘陵低速綜合轉型區(圖7)。大都市快速綜合轉型區主要包括武漢、長沙和南昌3個省會城市，其主要特征為顯性與隱性形態轉型速度較快，城鎮建設用地規模和GDP產出均高于其他城市和縣域；江漢平原顯性轉型主導區主要包括荊州、荊門、孝感、天門、仙桃和潛江等城市，區域氣候適宜，水源豐富，土壤肥沃，自然條件優越，人口眾多，城鎮建設用地基礎規模相對較大，加之屬于傳統農業區域，城鎮建設用地GDP產出相對較低，因而城鎮建設用地以顯性轉型為主導特征；洞庭湖—鄱陽湖平原隱性轉型主導區主要包括湖北的黃石和咸寧、湖南的岳陽和株洲以及江西的宜春、新余、九江等城市，這些城市可分為兩類：一類是工業基礎較好的黃石、岳陽和株洲等城市，經濟快速發展推動建設用地隱性形態轉型；另一類則為人口較少、建設用地規模較小的咸寧、宜春等城市，盡管建設用地也以隱性形態轉型為主導，但整體經濟規模小、發展水平相對滯后；山地丘陵地區低速綜合轉型區主要包括巫山、武陵山、雪峰山、羅霄山以及江南丘陵區等地區，該區受自然條件約束，人口相對較少，農業、工業發展較慢，城鎮建設用地顯性與隱性形態轉型速度均較慢。

圖7 長江中游地區城鎮建設用地轉型空間分區Fig.7 Spatial zoning of urban construction land transition in the middle reaches of the Yangtze River

4 結論與討論

本文從突變視角出發，探索性地將M-K和多變量空間聚類方法用于長江中游地區城鎮建設用地轉型及其空間格局研究，揭示了區域城鎮建設用地轉型的非線性時空過程，可為探究城鎮建設用地形態變化規律提供新視角。研究結論如下：1)1990-2015年長江中游地區城鎮建設用地顯性與隱性形態變化分別在2000年和2006年發生突變，用地形態整體經歷了“面積中速擴張—地均GDP中速增長”的發展期、“面積快速擴張—地均GDP中速增長”的過渡期和“面積快速擴張—地均GDP快速增長”的融合期3個轉型階段。2)城鎮建設用地形態轉型過程與區域社會經濟發展階段轉變相對應，區位條件、資源稟賦和地形條件是塑造區域建設用地轉型空間格局的重要原因。1995-2015年長江中游地區城鎮建設用地轉型空間差異明顯，具體可分為大都市快速綜合轉型區、江漢平原顯性轉型主導區、洞庭湖—鄱陽湖平原隱性轉型主導區和山地丘陵低速綜合轉型區四大空間區域。

基于本文實證研究，長江中游地區城鎮建設用地顯性和隱性形態轉型存在失衡情況，隱性形態轉型相對滯后，而這實質是土地利用轉型“沖突—協調”理論模式下，土地利用形態在社會—經濟驅動和社會—生態約束共同作用下的結果[34,39]。具體看，社會經濟發展階段轉變過程中，人口與經濟增長帶來用地需求、分稅制改革與土地財政等多重刺激，是導致區域土地利用顯性形態變化發生趨勢性轉折的重要原因[23，40]。而城鎮建設用地面積快速擴張引發的耕地占用、生態破壞等社會—生態問題不斷加劇，區域人地矛盾日趨劇烈對用地規模的約束則促使城鎮建設用地產出、功能等隱性形態發生轉型。可見，在社會經濟發展的早期階段，土地作為重要且地方政府唯一能方便獲得和利用的生產要素，其投入會高于資本投入，因而顯性形態轉型會先于隱性形態轉型發生；顯性形態轉型導致社會—生態約束不斷增強，又會引發隱性形態轉型以緩解區域人地沖突。綜合看，城鎮建設用地顯性形態與隱性形態轉型是區域人地矛盾由發生到緩解的過程，二者共同決定了區域城鎮建設用地的規模、功能和效率等的協調[41]。針對當前土地利用形態所處階段，未來城鎮建設用地的管控應從完善“增存掛鉤”“人地掛鉤”“效率掛鉤”等多維措施出發，進一步完善對城鎮新增建設用地的控制和對存量用地的盤活政策，促進土地節約集約利用，實現城鎮建設用地由顯性主導向隱性主導的全面轉型。具體而言，針對大都市快速綜合轉型區和江漢平原顯性轉型主導區，應進一步控制建設用地面積增長，通過節約集約利用措施，全面實現城鎮建設用地向隱性主導方向轉型；針對邊緣丘陵山區，未來應在保證用地效率的前提下，適當提高城鎮建設用地供給，以實現城鎮的快速高質量發展。

需指出的是，本研究對轉型規律的揭示未深入考慮國家用地指標控制的特殊性，如何進一步揭示轉型階段的形成原因，系統解析區位條件、自然因素等對轉型空間格局的塑造機制，為準確預測土地利用轉型趨勢提供參考，有待深入研究。