基于遥感的辽中南城市群建设用地扩张及其占用耕地的时空特征

图1 研究区地理位置

Fig.1 Location of study area

1.2 数据来源与处理

遥感影像来源于美国地质调查局网站(http://glovis.usgs.gov/)。收集覆盖整个研究区行政范围1990年、2000年、2010年和2015年4个时期6—10月间的Landsat TM/ETM+/OLI遥感影像(6—10月份为研究区植被生长茂盛期),以便分类时能准确的识别耕地。影像空间分辨率为30 m,卫星影像云量均小于5%,在ENVI5.2软件中对影像进行辐射定标、大气校正、影像融合等处理; 以研究区1:5万地形图为基准对影像进行几何精纠正,误差控制在0.5像元以内^[17]。以遥感影像分类软件eCognition作为数据解译平台,对影像进行多尺度分割,采用面向对象的分类方法对影像进行分类,以获取地类的空间信息。分类参考中国科学院遥感应用研究所于2011年提出的全国土地覆被分类系统,建设用地包括居住地和工业用地,不包括交通用地和采矿场,耕地包括水田和旱地。采用大量野外验证点和高分辨率遥感影像对解译后的数据进行验证,总体精度大于95%。数据处理流程如图2所示。本文所用的辽中南城市群数字高程模型数据来源于中国科学院计算机网络信息中心科学数据中心,空间分辨率为30 m。从《中国城市统计年鉴》、《辽宁省统计年鉴》及辽宁省统计局官网中获取研究期内辽中南城市群人口、国内生产总值(gross domestic product,GDP)及粮食产量数据作为辅助数据。

图2

图2 数据处理流程

Fig.2 Data processing flowchart

1.3 数据分析

1.3.1 扩张速度与扩张强度的计算

本文对辽中南城市群建设用地的空间扩张变化情况采用扩张速度与扩张强度2个指标进行分析^[18]。

1)扩张速度。扩张速度为城市建设用地的年均增长率,表示单位时间内建设用地面积变化的速度,即

(1)

V_{i} = Δ U_{ij} / (Δ t_{j}) \times 100 %

式中: $V_{i}$ 为城市 $i$ 的扩张速度; $Δ U_{ij}$ 为j时段城市 $i$ 的扩张面积; $Δ tj$ 为 $j$ 时段以年为单位的时间跨度。

2)扩张强度。扩张强度为某一时间段 $j$ 内建设用地面积相对于最初面积的年均扩张比例,表示单位时间内建设用地扩张的幅度,即

(2)

N_{i} = Δ U_{ij} / (Δ t_{j} \times M_{i}) \times 100 %

式中: $N_{i}$ 为建设用地扩张强度; $Δ U_{ij}$ 为 $j$ 时段内城市 $i$ 的建设用地的扩张面积; $Δ t_{j}$ 为 $j$ 时段的时间跨度; $M_{i}$ 为 $j$ 时段初期城市 $i$ 建设用地总面积。

1.3.2 空间叠加分析

对建设用地扩张占用耕地的时空变化采用地理信息系统(geographic information system,GIS)空间叠加技术,对每个研究时间段期末新增的建设用地与期初的耕地进行相交操作,再将得出的结果进行计算及空间可视化,然后对辽中南城市群建设用地扩张对耕地占用特征作进一步分析。

2 辽中南城市群建设用地扩张分析

2.1 建设用地扩张的时序变化

1990—2015年间辽中南城市群建设用地持续扩张,建设用地空间范围变化如图3所示。25 a间建设用地共增加了1 942.07 km²,增长了30.52%。1990—2000年、2000—2010年、2010—2015年3个时间段内建设用地面积分别扩张了356.27 km²,1 105.52 km²和480.29 km²,扩张幅度分别为5.60%,16.45%和6.14%。随时间的变化,辽中南城市群建设用地扩张呈现先加速后减速的波动过程,扩张速度由35.63 km²·a^-1增加至110.55 km²·a^-1,而后在2010—2015年下降到96.06 km²·a^-1。由于各城市初始规模的差异,建设用地扩张趋势也明显不同。25 a间大连市建设用地扩张最显著,共扩张了473.83 km²,沈阳市建设用地扩张了450.01 km²,盘锦市扩张强度最大,本溪市扩张态势最弱,25 a间城乡建设用地仅扩张了45.5 km²。各市建设用地扩张速度与扩张强度变化如图4所示。

图3

图3 1990—2015年辽中南城市群建设用地空间范围变化

Fig.3 Changes of spatial extent of construction land among cities in urban agglomeration of central and southern Liaoning from 1990 to 2015

图4

图4 辽中南城市群建设用地扩张速度、扩张强度变化

Fig.4 Changes in the expansion speed and expansion intensity of construction land in urban agglomeration of central and southern

3个扩张时期内辽中南群各市建设用地扩张特征可为3类,即低速-高速-快速型、低速-快速-高速型、快速-高速-低速型。建设用地扩张呈现低速-高速-快速型的城市包括沈阳、大连、营口、铁岭4市,其扩张速度的峰值出现在第二阶段,第三阶段扩张速度比第二阶段有所下降但仍快于第一阶段; 扩张趋势呈现低速-快速-高速型扩张的城市为抚顺、本溪、丹东和盘锦,在第二阶段城市群总体扩张显著的背景下这4个城市的发展相对滞后于其他城市,而在第三阶段建设用地扩张显著; 呈现快速-高速-低速型扩张特征的城市有鞍山、辽阳2市,这2个城市在1990—2010年间建设用地呈现加速扩张趋势,到第三阶段建设用地扩张几乎停滞。

2.2 建设用地扩张的空间差异

1990—2015年间辽中南城市群建设用地扩张空间分异明显。从新增建设用地的空间分布(图5)来看,扩张建设用地分布以副省级城市沈阳、大连为高值中心,沿主要交通干线轴向蔓延,在地级市主城区边缘呈连续的面状集聚逐渐变为呈零星点状在镇村周边扩散。扩张规模呈现出西北部城市最大,西南部次之,东南部城市最小的空间分异特征。建设用地扩张经历了从内部填充为主到边缘式连片扩张,再到外延式零散分布的过程。

图5

图5 1990—2015年辽中南城市群扩张建设用地空间分布

Fig.5 Spatial distribution of construction land expansion in urban agglomeration of central and southern Liaoning from 1990 to 2015

扩张建设用地的集聚区域随时间不断变化。1990—2000年间,72%的扩张建设用地分布在沈阳、大连、鞍山3市,空间分布呈现较为零散的状态; 2000—2010年间,扩张建设用地主要分布在沈阳、大连、营口、鞍山、辽阳5市,此阶段建设用地扩张图斑较大空间分布较为集聚,沈阳经济区内城市及大连市在此阶段扩张建设用地总量达到研究期内峰值; 2010—2015年间,扩张建设用地主要分布在大连、盘锦、沈阳、营口、丹东,此阶段西北部资源型工业城市发展明显滞后于沿海城市。对比3个阶段扩张建设用地在城市间的分布,沈阳、大连始终是建设用地扩张的高值区,辽中地区城乡建设用地2010年间前扩张较快,2010年后扩张态势明显弱于辽南沿海地区。

2.3 扩张建设用地的主要来源

在ArcGIS软件中对每阶段年末新增建设用地与年初耕地数据进行叠加分析,通过计算建设用地对耕地的依赖度,即扩张建设用地来源于耕地的面积与扩张总面积的百分比来评估耕地对建设用地扩张的贡献值。结果表明,辽中南城市群1990—2015年间的新增建设用地对耕地的依赖度为65%,耕地是辽中南城市群扩张建设用地的最主要来源。不同阶段建设用地扩张对耕地的依赖度有所变化,在1990—2000年间,辽中南城市群建设用地扩张的356.27 km²中有79%来源于耕地; 2000—2010年间扩张的1 105.52 km²建设用地中66.78%来源于耕地; 2010—2015年间480.29 km²的扩张建设用地中49.36%由耕地转化而来。总体来看辽中南城市群新增建设用地对耕地的依赖度呈现逐渐下降的趋势。

3 辽中南城市群建设用地扩张占用耕地的时空特征

1990—2015年间,辽中南城市群耕地总量流失了1 574.98 km² ,城乡建设用地增加了1 942.07 km²,其中64.68%的新增建设用地来源于侵占耕地,由建设用地扩张引起的耕地流失量为1 256.19 km²,占1990年研究区耕地总面积的3.2%,占研究期内流失耕地总面积的79.76%,建设用地扩张是导致该区域耕地资源流失的最主要原因。各城市建设用地扩张占用耕地的规模与建设用地扩张趋势一致,呈现先增加后减少的特征。

3.1 占用耕地速度阶段性差异显著,比例逐渐下降

1990—2015年间,辽中南地区耕地面积平均以63 km²·a^-1的速度逐年减少,前述3个阶段内耕地面积分别以23.56 km²·a^-1,113.82 km²·a^-1和40.25 km²·a^-1的速度呈现出从低速减少、快速减少到平稳减少的变化特征,耕地的减幅随建设用地的增幅波动。1990—2015年间各市建设用地扩张占用耕地的比例变化如图6所示(其中饼的大小表示建设用地扩张的总量,红色的部分表示扩张占用耕地的部分)。3个阶段内建设用地扩张占用耕地的面积先升高后下降,占用耕地的比例总体呈现下降趋势。

虽然扩张占用耕地总体的比例逐年下降,但部分城市占用耕地比例仍出现逐年上升现象。沈阳市3个阶段内新增建设用地占用耕地的比例依次为93.38%,97.01%和95.69%,在2000—2010年间建设用地扩张对耕地的占用程度高于上一阶段,其25 a间城乡发展占用耕地的总面积达430.61 km² ,是辽中南城市群内城镇开发对耕地资源依赖最大的城市; 大连、鞍山、抚顺、本溪、丹东、辽阳7市3个阶段内建设占用耕地的比例呈现先下降后上涨的变化特征,在2010—2015年间这些城市建设占用耕地的面积虽少,但占用耕地比例却高于上一阶段; 仅营口、盘锦、铁岭3市建设占用耕地的比例逐年下降。

图6

图6 辽中南城市群建设用地扩张占用耕地比例时空演化

Fig.6 Spatiotemporal evolution of the proportion of cultivated land occupied by the expansion of construction land in urban agglomeration of central and southern Liaoning

3.2 建设占用耕地空间差异明显,辽中地区耕地被占严重

1990—2015年间辽中南城市群建设用地扩张占用耕地空间分布如图7所示,后2列图为第二列图中黑框标注部分的影像特征变化,各市建设占用耕地的空间异质性显著。其中沈阳市在研究期内耕地面积流失最多,减少的590.55 km²耕地中430.61 km²转化为了建设用地,25 a间建设占用的耕地沿主城区外围圈层式向外部扩散,主城区北部、南部和西南部的大量耕地被建设用地侵占。鞍山、大连两市建设占用耕地的面积仅次于沈阳。大连市占用耕地面积与其他城市相比虽较多,但比例最低,其25 a间扩张的473.83 km²建设用地中有32.46%来源于耕地。占用耕地比例较大的城市除沈阳外依次为辽阳、铁岭、鞍山、抚顺,这几个城市均属于资源型重工业城市,位于辽河平原上,城市被农田包围,长时期重工业的发展致使建设用地开发粗放,蚕食了周边大量的农田。南部沿海城市建设占用耕地的规模与中部城市相比较少,虽建设占用耕地的比例也在局部阶段出现过上升,但总体占用耕地面积并不多。相比之下辽中地区的耕地保护难度较大。

图7

图7 1990—2015年辽中南城市群建设用地扩张占用耕地空间分布

Fig.7 Distribution of cultivated land occupied by construction land expansion among cities inurban agglomeration of central and southern Liaoning from 1990 to 2015

3.3 建设占用耕地对粮食生产的影响

将1990—2015年间研究区各市耕地面积与粮食产量变化进行的对比结果见图8。4个时间节点辽中南地区粮食产量依次为1 107.21万t、941.2万t、1 292.01万t和1 463.34万t,在耕地逐年减少的背景下该地区25 a间粮食产量总体增产,但在局部年份也出现过减产现象。其中1990—2000年间粮食减产明显,2000年后粮食产量持续增加。在区域粮食总体增产的背景下,大连、铁岭2市粮食产量波动较大,且在局部年份出现过减产严重的现象。

图8

图8 1990—2015年辽中南城市群耕地与粮食产量变化对比

Fig.8 Comparison of cultivated land and grain yield in urban agglomeration of central and southern Liaoning from 1990 to 2015

1990—2000年间辽中南城市群粮食减产了166.01万t,铁岭、辽阳、营口、抚顺4市在此阶段粮食生产均出现过减产现象,这4个城市此阶段建设占用耕地的比例较高,流失的耕地几乎全部转化为建设用地,对粮食产量造成了较明显的影响。铁岭市粮食2000年比1990年减产196万t,为此阶段粮食减产最严重的城市,2000年后其粮食产量又持续上升,在2015年铁岭市粮食产量又重新跃居辽中南地区首位。沈阳市25 a间建设占用耕地面积最多,而其粮食产量总体增产稳定,到2015年其耕地的减少还未对粮食产量造成影响。大连市由于其所处的区位限制,建设用地扩张空间不足,占用了区域内大量优质耕地,25 a间粮食总体减产,其中2015年粮食产量相比2010年减产56.1万t,为后期粮食减产最严重的城市。总体上说,目前辽中南城市群耕地面积的减少对粮食产量产生的影响较小,但若在建设用地持续占用耕地的情况下要始终保证区内粮食生产安全的前景不容乐观。

4 结论

辽中南城市群是我国典型的重工业城市群。本文基于遥感数据分析了其在1990—2015年间建设用地扩张及其占用耕地的时空特征。

1)1990—2015年间辽中南城市群建设用地持续扩张,共增加1 942.07 km²,增长了30.52%,呈现出先加速后减速的波动扩张过程。

2)建设用地扩张表现出空间异质性,辽中地区城市2010年前建设用地扩张较快,2010年后扩张速度明显低于辽南沿海城市。25 a间大连市建设用地扩张最显著,其次为沈阳市,扩张最少的城市为本溪市,盘锦市扩张强度最大。

3)耕地是辽中南城市群建设用地扩张的主要来源,25 a间建设用地占用耕地的面积先升高后下降,占用耕地的比例总体呈现下降趋势,辽中地区建设用地扩张对耕地的依赖度较大。

4)研究期内辽中南城市群耕地面积减少了1 574.98 km²,由建设用地扩张导致的流失耕地达1 256.19 km²,占耕地流失总量的79.76%。在耕地逐年减少的情况下该地区粮食产量总体还保持增产趋势。目前建设占用耕地对粮食生产会造成一定的潜在影响,虽还未构成威胁,但从长远来看保障区域粮食安全仍不容乐观。

1990—2015年间是辽中南城市群受2次“东北现象”影响而形成的人口、经济、产业发展动荡期^[16],这期间辽中南城市群城市之间发展较不均衡,扩张建设用地在沈阳、大连2个副省级城市过分集聚,其余城市扩张值相对较小。在2010年后除沈阳、大连外,其余城市经济与人口发展均出现收缩现象,而建设用地扩张趋势未减,致使主城区周边耕地资源持续流失,影响到区域粮食安全格局。因此在辽中南城市群以后的国土规划中应针对不同城市的发展现状与需求,合理配置土地资源,增强空间规划管制,处理好城镇发展占用农业空间的问题,严守耕地红线,提高城镇化的质量,倡导建设用地合理增长,促进区域协调可持续发展。本文在分析建设用地占用耕地对粮食产量的影响问题上尚未考虑当年气候条件、自然灾害等对耕地生产力的干扰,在未来研究中,仍需采集更多数据集并采取更加完善的方法来进行综合探讨。

志谢:

感谢国家地球系统科学数据中心(http://www.geodata.cn)提供数据支撑。

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