黨雪薇,周 亮,胡鳳寧,袁 博,唐建軍

1 蘭州交通大學(xué)測(cè)繪與地理信息學(xué)院,蘭州 730070

2 中國科學(xué)院地理科學(xué)與資源研究所/資源與環(huán)境信息系統(tǒng)國家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室,北京 100101

3 地理國情監(jiān)測(cè)技術(shù)應(yīng)用國家地方聯(lián)合工程研究中心,蘭州 730070

城市擴(kuò)張對(duì)生態(tài)用地的影響是城市化進(jìn)程中“人-地”矛盾形成與激化的空間投影。城市用地的快速擴(kuò)展對(duì)生態(tài)環(huán)境造成了現(xiàn)實(shí)和潛在的威脅,不僅從根本上改變了地區(qū)景觀生態(tài)條件[1—2],也導(dǎo)致耕地流失、生境破壞、水資源緊缺、生物多樣性喪失等土地生態(tài)問題的加劇[3—7],對(duì)地球生物圈造成不可逆轉(zhuǎn)的影響[8]。城市形態(tài)高度一體化、人口高度集中、土地資源集約的城市群區(qū)域?qū)?huì)率先面臨土地生態(tài)安全問題,受到更加顯著的資源約束與生態(tài)環(huán)境脅迫[9]。因此,理解城市群擴(kuò)張與生態(tài)保護(hù)之間交互脅迫、相互促進(jìn)的復(fù)雜影響,協(xié)調(diào)城市群地區(qū)城鎮(zhèn)化與生態(tài)環(huán)境之間的耦合關(guān)系,是構(gòu)建與生態(tài)環(huán)境格局相匹配的城市群空間組織格局的重要基礎(chǔ)[10],對(duì)實(shí)現(xiàn)國家生態(tài)文明建設(shè)和區(qū)域高質(zhì)量發(fā)展意義重大。

城市擴(kuò)張通常以犧牲自然和半自然土地為代價(jià)[11],在不同尺度上造成了自然棲息地和耕地的顯著減少[12—13],對(duì)生態(tài)用地造成直接和間接的影響。直接影響是指建設(shè)用地?cái)U(kuò)張直接作用于生態(tài)用地產(chǎn)生的影響。已有的大量研究集中關(guān)注城市擴(kuò)張對(duì)生態(tài)用地面積、生態(tài)服務(wù)與功能[14—15]、生態(tài)質(zhì)量[16]、生態(tài)足跡[17]、碳循環(huán)[18]、生態(tài)景觀連通性和破碎化[19]以及生態(tài)安全格局[20—21]等方面產(chǎn)生的影響。間接影響指在耕地保護(hù)的背景下,由于城鎮(zhèn)發(fā)展占用耕地,為保障糧食安全,新開墾的耕地?cái)D占自然生態(tài)用地造成的影響[4]。目前僅有的估算城鎮(zhèn)擴(kuò)張對(duì)自然生態(tài)用地間接影響的研究大致分為兩類。一類是基于土地利用轉(zhuǎn)移矩陣計(jì)算耕地占用林地、草地等自然生態(tài)用地的面積[22—23]。該方法簡單直觀,但是沒有考慮城市擴(kuò)張占用的耕地與補(bǔ)償?shù)母刂g的生產(chǎn)力差異。另一類方法是基于建設(shè)用地占用導(dǎo)致的耕地生產(chǎn)力損失估算受影響的自然生態(tài)用地面積[4,24]。盡管已有研究表明,全球范圍內(nèi)城市擴(kuò)張對(duì)生態(tài)用地的的間接影響高于直接影響[25—26]。但有關(guān)城市擴(kuò)張對(duì)生態(tài)用地的間接影響分析仍然不足。此外,鮮有研究從多尺度分析城市擴(kuò)張對(duì)生態(tài)用地的直接和間接影響,且研究尺度大多局限在城市群、省、市等行政單元中,對(duì)城市化過程中最敏感,變化最大、最迅速,景觀結(jié)構(gòu)最不穩(wěn)定的城市邊緣區(qū)考慮較少。

在國家新型城鎮(zhèn)化、黃河流域生態(tài)保護(hù)和高質(zhì)量發(fā)展的背景下,關(guān)中平原城市群作為黃河流域中游最大的城市群,將面臨更大的綠色、協(xié)調(diào)、可持續(xù)發(fā)展挑戰(zhàn)[27],其城市發(fā)展與生態(tài)保護(hù)的矛盾更加突出。尤其是在城市群內(nèi)部以低密度、分散式為主要發(fā)展模式的城市邊緣區(qū),生態(tài)用地所受的脅迫影響更為嚴(yán)峻[28]。而目前與關(guān)中平原城市群相關(guān)的研究仍較為單一地從生態(tài)安全[29]、生態(tài)服務(wù)價(jià)值[30]等角度分析和測(cè)度生態(tài)環(huán)境的變化,少有研究分析城市群發(fā)展對(duì)生態(tài)用地的多尺度影響。因此,在耕地保護(hù)、生態(tài)保育和城鎮(zhèn)發(fā)展三類政策的牽引下,從城市群、地級(jí)市以及城市邊緣區(qū)3個(gè)尺度揭示關(guān)中平原城市群的土地利用變化規(guī)律,量化城鎮(zhèn)擴(kuò)張對(duì)各類生態(tài)用地的直接和間接影響,掌握城市群發(fā)展對(duì)生態(tài)影響的過程、特征和規(guī)律,對(duì)強(qiáng)化區(qū)域生態(tài)保護(hù)與修復(fù),優(yōu)化生態(tài)安全格局,促進(jìn)黃河流域高質(zhì)量發(fā)展和區(qū)域包容、綠色、彈性有序發(fā)展具有重要的理論價(jià)值和實(shí)踐意義。

1 研究區(qū)與數(shù)據(jù)

1.1 研究區(qū)

關(guān)中平原城市群是引領(lǐng)西部地區(qū)發(fā)展的重要增長極和面向中東部地區(qū)的重要門戶。區(qū)域范圍涉及陜西、甘肅和山西三省11個(gè)地級(jí)市(圖1),面積達(dá)1.07×105km2,2018年末常住人口為3948.53萬。城市群南接秦嶺,北抵黃土高原,是黃河流域中游核心區(qū),也是“人-地”矛盾突出的典型西部城市群。人類活動(dòng)對(duì)生態(tài)用地的擾動(dòng)相對(duì)劇烈,城市群內(nèi)部發(fā)展不協(xié)調(diào)問題仍然突出。特殊的地理位置與復(fù)雜的地形地貌加劇了地區(qū)生態(tài)環(huán)境的脆弱性,土地的不合理利用使城市發(fā)展建設(shè)與生態(tài)保護(hù)之間的矛盾愈加突出。《關(guān)中平原城市群發(fā)展規(guī)劃》已將確保城市群生態(tài)安全作為實(shí)現(xiàn)人與自然和諧共生的新型城市群建設(shè)的重要目標(biāo)之一。因此,該地區(qū)的生態(tài)研究對(duì)黃河流域生態(tài)保護(hù)和高質(zhì)量發(fā)展具有重要意義。

圖1 研究區(qū)

1.2 數(shù)據(jù)源

研究采用的數(shù)據(jù)主要包括DEM、植被凈初級(jí)生產(chǎn)力等自然環(huán)境和生態(tài)數(shù)據(jù)以及土地利用、夜間燈光、統(tǒng)計(jì)數(shù)據(jù)等社會(huì)經(jīng)濟(jì)數(shù)據(jù),具體數(shù)據(jù)來源如表1所示。由于DMSP/OLS數(shù)據(jù)(1992—2013年)與NPP/VIIRS數(shù)據(jù)(2012—2018年)之間存在嚴(yán)重的不一致性,難以應(yīng)用于長時(shí)間序列的研究。因此,本文采用Li等[31]基于上述兩種燈光數(shù)據(jù),通過校準(zhǔn)后發(fā)布的1992—2018年具有一致性的全球夜間燈光數(shù)據(jù),劃分城市邊緣區(qū)。土地利用數(shù)據(jù)時(shí)間跨度為1990—2018年,一級(jí)分類包括耕地、林地、草地、水域、建設(shè)用地和未利用土地六類。此外,本文參考殷嘉迪等對(duì)生態(tài)空間的界定[32],將林地、草地、水域與未利用土地劃分為生態(tài)用地(自然生態(tài)用地),耕地為半生態(tài)用地。

表1 數(shù)據(jù)源

2 研究方法

2.1 景觀指數(shù)

景觀指數(shù)是量化景觀格局最常用的方法之一。本文在類型水平上選擇斑塊密度、邊緣密度、平均斑塊面積和面積加權(quán)形狀指數(shù)4個(gè)表示破碎化的指數(shù),以及斑塊結(jié)合度、散布并列指數(shù)和聚合度指數(shù)3個(gè)表示連通性的指數(shù)。各類指數(shù)的具體含義如表2所示。

表2 景觀指數(shù)及含義

2.2 耕地補(bǔ)償面積測(cè)算

耕地補(bǔ)償是按照補(bǔ)償城鎮(zhèn)擴(kuò)張引起的作物產(chǎn)量損失所需的耕地面積進(jìn)行估算,依據(jù)補(bǔ)償區(qū)域的范圍分為兩類：一是本地補(bǔ)償,即某城市耕地補(bǔ)償?shù)膩碓磧H限于該地區(qū),補(bǔ)償依據(jù)是該區(qū)域內(nèi)2000—2018年出現(xiàn)的所有新增耕地的平均生產(chǎn)力。二是異地補(bǔ)償,即某城市耕地補(bǔ)償?shù)膩碓纯蓙碜猿鞘腥旱钠渌鞘?依據(jù)是2000—2018年城市群所有新增耕地的平均生產(chǎn)力。由于難以將糧食產(chǎn)量直接映射到地理空間上進(jìn)行分析,本文采用植被凈初級(jí)生產(chǎn)力(NPP)代替糧食產(chǎn)量進(jìn)行計(jì)算。為驗(yàn)證NPP與糧食產(chǎn)量的相關(guān)性,本文對(duì)2018年研究區(qū)所有縣(區(qū))的糧食產(chǎn)量以及NPP總值進(jìn)行Pearson相關(guān)性分析。結(jié)果表明,在α=0.01顯著性水平下,NPP總量與糧食產(chǎn)量存在顯著的正相關(guān)性,相關(guān)性系數(shù)達(dá)0.648。因此,利用NPP總量代表研究區(qū)的耕地產(chǎn)量具有可靠性。

城鎮(zhèn)擴(kuò)張對(duì)自然生態(tài)用地間接影響的測(cè)算包括以下三步：首先,計(jì)算城鎮(zhèn)擴(kuò)張占用耕地造成的總損失量,其計(jì)算公式如下[24]：

(1)

2.3 城市邊緣區(qū)劃分

城市邊緣區(qū)是城市空間擴(kuò)展和蔓延的前沿陣地,其土地利用變化更加復(fù)雜,生態(tài)環(huán)境問題更為突出[33]。基于城市邊緣區(qū)的空間突變性特征,考慮到城市邊緣區(qū)的人口、經(jīng)濟(jì)、基礎(chǔ)設(shè)施等介于城市核心區(qū)和鄉(xiāng)村之間,因此本文采用夜間燈光數(shù)據(jù)作為劃分邊緣區(qū)的基礎(chǔ)數(shù)據(jù),以西安市中心為原點(diǎn),以0.5°的方向間隔劃出720條斷面線并將其與燈光亮度等值線相交,提取原點(diǎn)到邊緣經(jīng)過的每條等值線的值,采用Mann-Kendall(M-K)算法進(jìn)行突變檢測(cè)。然后,依據(jù)突變點(diǎn)確定相應(yīng)的等值線,并根據(jù)等值線與城市中心的距離,篩選內(nèi)邊界和外邊界。由于缺少1990年的夜間燈光數(shù)據(jù),因此研究采用1992年作為替代。鑒于城市邊緣區(qū)的時(shí)間性原則和瞬時(shí)性特點(diǎn),不同時(shí)段的城市邊緣區(qū)的范圍不同,無法進(jìn)行多時(shí)相土地利用變化的對(duì)比,因此本文選擇1992年城市邊緣區(qū)的內(nèi)邊界,2018年城市邊緣區(qū)的外邊界所包含的區(qū)域作為分析邊緣區(qū)尺度的范圍,并統(tǒng)計(jì)其面積進(jìn)行排序,篩選出關(guān)中平原城市群的4個(gè)主要城市邊緣區(qū)：西-咸-渭邊緣區(qū)、臨汾市邊緣區(qū)、寶雞市邊緣區(qū)與運(yùn)城市邊緣區(qū)(圖2)。

圖2 2018年土地利用與城市邊緣區(qū)

3 城市擴(kuò)張對(duì)生態(tài)用地的直接影響

3.1 城市群尺度

圖3 1990—2018年關(guān)中平原城市群建設(shè)用地、半生態(tài)用地與自然生態(tài)用地面積比例

關(guān)中平原城市群土地利用類型以耕地為主,面積占比超過40%。建設(shè)用地被耕地所包圍,面積占比不足6%。草地和林地分布在北部和南部地勢(shì)相對(duì)較高的區(qū)域,面積占比在20%—30%之間。1990—2018年,建設(shè)用地面積比例呈明顯的增長趨勢(shì)(圖3),由3.67%增長至5.93%,且2010年后增長速度加快。半生態(tài)用地(耕地)主要呈現(xiàn)為減少的趨勢(shì),由1990年的49817.74 km2減少至2018年的46785.63 km2,共計(jì)減少3032.11 km2。2010年之前,半生態(tài)用地和自然生態(tài)用地的變化完全相反,自然生態(tài)用地的面積比例呈現(xiàn)為“增長-減小-增長”的趨勢(shì),而半自然生態(tài)用地呈現(xiàn)為“減小-增長-減小”的趨勢(shì)。不同時(shí)期關(guān)中平原城市群土地利用轉(zhuǎn)移方向基本相似,最主要的轉(zhuǎn)移方向?yàn)榘肷鷳B(tài)用地轉(zhuǎn)建設(shè)用地以及半生態(tài)用地與自然生態(tài)用地之間的相互轉(zhuǎn)移。1990—2018年,89.82%的新增建設(shè)用地來自耕地,而草地、林地和水域分別貢獻(xiàn)了5.59%、2.96%和1.45%的土地。耕地主要轉(zhuǎn)變?yōu)椴莸?9.98%)和建設(shè)用地(6.11%),而草地主要轉(zhuǎn)變?yōu)楦?15.35%)和林地(g7.2%),僅有0.66%的草地轉(zhuǎn)移為建設(shè)用地。關(guān)中平原城市群建設(shè)用地?cái)U(kuò)張對(duì)半生態(tài)用地的影響遠(yuǎn)大于對(duì)自然生態(tài)用地的影響。且自然生態(tài)用地與半生態(tài)用地的轉(zhuǎn)移變化主要受耕地占補(bǔ)政策和生態(tài)環(huán)境保護(hù)政策的雙重影響。由于2003年之前更注重耕地的數(shù)量補(bǔ)償,因此耕地面積在1995—2000年間上升。盡管2004—2012年耕地政策進(jìn)一步發(fā)展,提出基本農(nóng)田總量不減少,注重?cái)?shù)量和質(zhì)量相結(jié)合,但退耕還林還草等生態(tài)保護(hù)政策也提出將水土流失嚴(yán)重、糧食產(chǎn)量低而不穩(wěn)的耕地停止耕種,恢復(fù)植被。因此耕地與自然生態(tài)用地之間的轉(zhuǎn)移變化較為明顯。

1990—2018年不同土地利用類型的景觀指數(shù)變化(圖4)表明,建設(shè)用地斑塊平均規(guī)模逐漸增大的同時(shí),形狀變得越來越不規(guī)則,但破碎程度并未增大,且聚集程度明顯增強(qiáng)。耕地的平均斑塊面積(MPS)由1990年的334.5 m2減少至332.4 m2,面積加權(quán)形狀指數(shù)(AWMSI)由115.75減少至105.19,散布并列指數(shù)(IJI)逐漸增大,聚合度指數(shù)(AI)逐漸減小。表明單位面積的耕地斑塊數(shù)量減少,形狀復(fù)雜度減小,聚集程度和整體連通性下降。林地的聚合度最高,表明林地斑塊的聚集程度最強(qiáng),除面積加權(quán)形狀指數(shù)(AWMSI)在2005—2010年間有所上升以外,其他景觀指數(shù)變化極小。因此城市群林地斑塊的連通性和破碎性沒有發(fā)生明顯變化。草地的景觀指數(shù)變化與林地類似,但草地的散布并列指數(shù)與聚合度明顯增長,表明草地斑塊的聚集程度增強(qiáng),連通性提升。

圖4 1990—2018年關(guān)中平原城市群景觀指數(shù)

3.2 城市尺度

盡管城市群內(nèi)部自然資源與社會(huì)經(jīng)濟(jì)發(fā)展?fàn)顩r存在差異,但所有城市的建設(shè)用地面積占比均呈現(xiàn)不同程度的增長,且自然生態(tài)用地面積占比的變化差異明顯,半生態(tài)用地面積占比變化幾乎與自然生態(tài)用地面積變化相反(圖5)。不同城市土地利用轉(zhuǎn)移方向大同小異,新增建設(shè)用地的主要來源均為耕地,耕地流失的方向主要分為兩類,一類是轉(zhuǎn)移為建設(shè)用地,另一類是轉(zhuǎn)移為林地和草地。具體來看,西安建設(shè)用地面積占比由1990年的7.37%上升至2018年的13.53%,增長幅度幅最大,其次是慶陽市(4.67%)。值得注意的是,2015—2018年運(yùn)城市和臨汾市建設(shè)用地面積占比年均增長量分別是2010—2015年的12.9倍和14.56倍,表明2015年后運(yùn)城和臨汾市城市建設(shè)用地的擴(kuò)展開始增速。1990—2018年,關(guān)中平原城市群大部分城市耕地面積減少。西安、運(yùn)城、咸陽、渭南等城市耕地流失的主要方向是轉(zhuǎn)為建設(shè)用地,其中西安市耕地轉(zhuǎn)建設(shè)用地的面積比例最大,占1990年耕地面積的16.26%。而臨汾市耕地面積占比少量增長,盡管6.53%的耕地轉(zhuǎn)變?yōu)榻ㄔO(shè)用地,但大量的草地和少部分林地對(duì)耕地面積進(jìn)行了補(bǔ)償。銅川、寶雞、商洛、天水、平?jīng)?、慶陽等市耕地轉(zhuǎn)移的主要方向?yàn)椴莸亍８剞D(zhuǎn)移為建設(shè)用地的同時(shí),林地和草地也對(duì)耕地面積進(jìn)行了補(bǔ)償,所有城市草地對(duì)新增耕地的貢獻(xiàn)均高于林地。1990—2018年臨汾、運(yùn)城和西安市自然生態(tài)用地面積占比減少,商洛、渭南和寶雞市自然生態(tài)用地面積占比幾乎不變,而其他城市均呈現(xiàn)為增長,且除西安市以外,其他所有城市中草地對(duì)建設(shè)用地的貢獻(xiàn)均高于林地。

圖5 1990—2018年關(guān)中平原城市群各城市土地利用變化

耕地的景觀格局指數(shù)變化分析可知,1990—2018年臨汾、寶雞、運(yùn)城與天水等城市耕地斑塊密度(PD)下降,平均斑塊面積顯著增加,邊緣密度(ED)減少,且聚合度指數(shù)明顯上升。西安、咸陽、平?jīng)龅瘸鞘械母仄骄邏K面積、斑塊結(jié)合度和聚合度表現(xiàn)為顯著減小的趨勢(shì),即耕地破碎度上升,連通性下降。1990—2018年林地的景觀指數(shù)變化表明,平?jīng)鍪械牧值匕邏K破碎度上升,連通性下降。臨汾、咸陽、運(yùn)城和西安市林地斑塊的聚集程度上升,連通性增強(qiáng)。而草地的景觀指數(shù)變化與林地差異較大,平?jīng)鍪胁莸匕邏K面積增長最大,聚集度上升,連通性逐漸增強(qiáng)。臨汾市草地景觀指數(shù)的變化與林地幾乎完全相反,與銅川市的草地景觀變化相似,都呈現(xiàn)出斑塊逐漸破碎,連通性逐漸降低的特點(diǎn)。總而言之,不同地區(qū)建設(shè)用地對(duì)生態(tài)用地的影響具有差異,不同類型的生態(tài)用地的破碎度和連通性變化差異較大,在建設(shè)用地不斷擴(kuò)張發(fā)展的前提下,難以做到保障所有生態(tài)用地景觀的連通性,因此各地應(yīng)明確當(dāng)?shù)氐闹匾鷳B(tài)用地類型,并加強(qiáng)對(duì)該類用地的保護(hù)與修復(fù)。

3.3 核心城市邊緣區(qū)尺度

城市群核心城市邊緣區(qū)的主要土地利用類型為耕地和建設(shè)用地。2018年,西-咸-渭邊緣區(qū)、寶雞市邊緣區(qū)、臨汾市邊緣區(qū)耕地面積占比均高于建設(shè)用地。而運(yùn)城市邊緣區(qū)建設(shè)用地面積占比最高,達(dá)60.93%,其次是耕地(34.73%)。1990—2018年邊緣區(qū)土地利用結(jié)構(gòu)變化(圖6)表明,運(yùn)城市邊緣區(qū)和西-咸-渭邊緣區(qū)土地利用變化更為顯著,耕地面積占比顯著減少,建設(shè)用地面積比例明顯增加,而自然生態(tài)用地面積占比呈現(xiàn)出不同程度的減少。寶雞市邊緣區(qū)的土地利用變化與運(yùn)城市邊緣區(qū)相似,但變化程度明顯較低。與其他邊緣區(qū)相比,臨汾市邊緣區(qū)土地利用變化最小,僅在2015—2018年間出現(xiàn)明顯變化,建設(shè)用地面積占比增加6.6%,而耕地面積減少了4.9%,草地面積占比減少1.39%。

圖6 1990—2018年城市邊緣區(qū)土地利用結(jié)構(gòu)變化

1990—2018年4個(gè)核心城市邊緣區(qū)土地利用轉(zhuǎn)移(圖7)表明,新增建設(shè)用地的最大來源均為半自然生態(tài)用地,即耕地。其中運(yùn)城市邊緣區(qū)耕地對(duì)建設(shè)用地的貢獻(xiàn)率最高,達(dá)63.81%。其次是西-咸-渭邊緣區(qū)(59.27%),臨汾市和寶雞市耕地對(duì)建設(shè)用地的貢獻(xiàn)率相近,在47%—50%之間。寶雞市邊緣區(qū)損失的耕地面積主要轉(zhuǎn)為建設(shè)用地,而損失的自然生態(tài)用地主要轉(zhuǎn)變?yōu)楦?少量轉(zhuǎn)變?yōu)榻ㄔO(shè)用地和其他土地利用類型。臨汾市邊緣區(qū)土地利用轉(zhuǎn)移變化最大的土地利用類型是未利用土地,89.84%轉(zhuǎn)為建設(shè)用地,9.38%轉(zhuǎn)為耕地。草地和林地的轉(zhuǎn)移變化也比較劇烈,損失的林地主要轉(zhuǎn)變?yōu)楦?28.71%)、建設(shè)用地(17.46%)和草地(5.98%)。損失的草地主要轉(zhuǎn)變?yōu)楦睾徒ㄔO(shè)用地。綜上所述,由于城市邊緣區(qū)往往以耕地和建設(shè)用地為主要土地利用類型,因此新增建設(shè)用地的主要來源均為耕地,除運(yùn)城市邊緣區(qū)以外,其他邊緣區(qū)耕地的損失均主要由草地進(jìn)行補(bǔ)償,林地對(duì)耕地的貢獻(xiàn)較少。另外,城市邊緣區(qū)耕地撂荒的現(xiàn)象也較為突出,其原因可能為城市發(fā)展吸引了城市周邊農(nóng)村地區(qū)的農(nóng)民遷入,導(dǎo)致邊緣區(qū)耕地缺乏勞動(dòng)力耕種。

城市邊緣區(qū)耕地的散布并列指數(shù)、斑塊結(jié)合度和聚合度都呈現(xiàn)為減少的趨勢(shì),表明城市邊緣區(qū)耕地的破碎度增加,連通性下降,而且比對(duì)應(yīng)的城市的耕地變化更加劇烈。值得注意的是,臨汾市邊緣區(qū)耕地的平均斑塊面積增加。不同城市邊緣區(qū)林地和草地景觀指數(shù)的變化有所差異。臨汾市邊緣區(qū)的林地和草地都呈現(xiàn)出連通性降低的趨勢(shì),但邊緣區(qū)林地連通性下降的程度低于臨汾市林地整體的變化。寶雞市邊緣區(qū)的草地連通性上升,林地的連通性下降。西-咸-渭邊緣區(qū)和運(yùn)城邊緣區(qū)林地和草地的連通性都表現(xiàn)出明顯的下降趨勢(shì),且下降程度比對(duì)應(yīng)城市強(qiáng)。綜上所述,城市邊緣區(qū)景觀格局變化的統(tǒng)一特征是耕地逐漸破碎,連通性下降,且變化幅度高于對(duì)應(yīng)的城市。建設(shè)用地斑塊聚集程度增強(qiáng),導(dǎo)致整個(gè)景觀的連通性增強(qiáng)。因此,邊緣區(qū)城鎮(zhèn)擴(kuò)張對(duì)生態(tài)用地的影響主要是造成了半生態(tài)用地在空間上的破碎化。

4 城市擴(kuò)張對(duì)生態(tài)用地的間接影響

4.1 城市群尺度

耕地占補(bǔ)政策發(fā)布實(shí)施后,為保障耕地面積和耕地質(zhì)量,在保證生態(tài)安全的前提下,部分自然生態(tài)用地被逐步開墾成為耕地,本文對(duì)需要通過自然生態(tài)用地補(bǔ)償耕地?fù)p失的面積進(jìn)行估算,分析城市擴(kuò)張對(duì)自然生態(tài)用地的間接影響。2000—2018年關(guān)中平原城市群需要補(bǔ)償?shù)母孛娣e逐漸增加,且耕地補(bǔ)償?shù)闹饕獊碓礊椴莸?其次為林地。具體而言,2000—2005年需要補(bǔ)償?shù)母孛娣e為266.97 km2,其中88.61%來源于草地,面積達(dá)236.56 km2,其次來源于林地。2005—2010年需要補(bǔ)償?shù)母孛娣e為511.11 km2,其中416.8 km2來源于草地,72.29 km2來源于林地,林地的貢獻(xiàn)率上升。發(fā)展至2010—2015年,需要補(bǔ)償?shù)母孛娣e進(jìn)一步增加至737.13 km2,盡管利用草地補(bǔ)償耕地的面積仍在增加,但草地的貢獻(xiàn)率減少,由上一時(shí)期的81.41%減少至67.85%,然而在2015—2018年,該貢獻(xiàn)率又上升至76.87%。由此可知,需要補(bǔ)償耕地的面積的不斷增長,一方面表明城市擴(kuò)張對(duì)耕地的壓迫不斷增強(qiáng),另一方面也反映了耕地保護(hù)對(duì)自然生態(tài)用地的壓力逐漸增大。因此,如何權(quán)衡城市擴(kuò)張、耕地保護(hù)與生態(tài)安全將是關(guān)中平原城市群發(fā)展面臨的重大挑戰(zhàn)。

4.2 城市尺度

由于耕地占補(bǔ)需要在完整的行政單元內(nèi)進(jìn)行,因此本文剔除了運(yùn)城、臨汾、商洛、平?jīng)龊蛻c陽市。城市本地補(bǔ)償假設(shè)下,除天水市以外,其他城市需要補(bǔ)償耕地的面積都隨時(shí)間推移呈增長的趨勢(shì)(圖8)。其中,渭南市、西安市和咸陽市需要補(bǔ)償耕地的面積較高,即建設(shè)用地?cái)U(kuò)張對(duì)自然生態(tài)的間接影響較大,其原因在于,這3個(gè)城市位于關(guān)中平原中心,地勢(shì)平坦,耕地面積占比較高。且西-咸-渭邊緣區(qū)的土地利用轉(zhuǎn)移情況也表明,這一地區(qū)耕地受建設(shè)用地?cái)D壓的現(xiàn)象較為嚴(yán)重,因此需要更多的自然生態(tài)用地對(duì)損失的耕地面積進(jìn)行補(bǔ)償。從時(shí)間變化來看,除2000—2005年水域補(bǔ)償耕地面積的比例較高以外,其他時(shí)期補(bǔ)償耕地的來源主要是草地。天水市補(bǔ)償耕地的面積變化較為特殊,2010—2015年間突然減少,其主要原因?yàn)樵摃r(shí)期耕地轉(zhuǎn)移變化的比例極少,僅0.01%的耕地轉(zhuǎn)移為建設(shè)用地。城市群中需要補(bǔ)償耕地的面積最低的城市是銅川市,表明該城市建設(shè)用地對(duì)自然生態(tài)用地的間接影響較低,其原因在于銅川市耕地?fù)p失的主要流向?yàn)椴莸睾土值?少數(shù)耕地轉(zhuǎn)移為建設(shè)用地。

圖8 不同耕地補(bǔ)償假設(shè)下需要補(bǔ)償耕地的面積

異地補(bǔ)償假設(shè)下各城市補(bǔ)償耕地面積的變化與本地補(bǔ)償假設(shè)相似。在城市群異地補(bǔ)償假設(shè)下,咸陽、渭南、天水和銅川市補(bǔ)償耕地的面積低于本地補(bǔ)償假設(shè),表明異地補(bǔ)償機(jī)制下,這些城市建設(shè)用地?cái)U(kuò)張對(duì)自然生態(tài)用地的影響較小。而異地補(bǔ)償假設(shè)下,寶雞市的耕地補(bǔ)償面積始終高于本地補(bǔ)償。2000—2005年西安市異地補(bǔ)償機(jī)制下需要補(bǔ)償給耕地的面積低于本地補(bǔ)償假設(shè),表明該情景下城市擴(kuò)張對(duì)自然生態(tài)用地的間接影響較小。但發(fā)展至后期,異地補(bǔ)償假設(shè)下的補(bǔ)償面積高于本地補(bǔ)償假設(shè),表明城鎮(zhèn)擴(kuò)張對(duì)自然生態(tài)用地的影響隨著不同的時(shí)期的城市發(fā)展產(chǎn)生差異。不同的耕地補(bǔ)償機(jī)制下,不同地區(qū)建設(shè)用地?cái)U(kuò)張對(duì)自然生態(tài)用地的間接影響差異明顯。因此,耕地補(bǔ)償政策應(yīng)當(dāng)結(jié)合區(qū)域?qū)嶋H土地資源和土壤條件,因地制宜進(jìn)行調(diào)整,結(jié)合城市群的主體功能區(qū)規(guī)劃,在控制建設(shè)用地總量的前提下,在農(nóng)產(chǎn)品主產(chǎn)區(qū)實(shí)行本地耕地補(bǔ)償,在重點(diǎn)生態(tài)功能區(qū)實(shí)施異地耕地補(bǔ)償政策,實(shí)現(xiàn)區(qū)域的糧食和生態(tài)可持續(xù)發(fā)展。

5 結(jié)論與討論

關(guān)中平原城市群對(duì)西北地區(qū)發(fā)展起核心引領(lǐng)作用,但也面臨生態(tài)環(huán)境脆弱、資源約束加劇、城市發(fā)展不均衡的突出問題。本文圍繞“城市群擴(kuò)張的多尺度生態(tài)影響”問題,以1990—2018年土地利用數(shù)據(jù)為基礎(chǔ),綜合生態(tài)、地形、社會(huì)經(jīng)濟(jì)等綜合數(shù)據(jù),對(duì)城市群、城市和城市邊緣區(qū)的土地利用變化規(guī)律進(jìn)行總結(jié),挖掘不同尺度城鎮(zhèn)擴(kuò)張對(duì)不同生態(tài)用地類型的直接和間接影響。取得的主要結(jié)論如下：

(1)研究區(qū)土地利用結(jié)構(gòu)和變化具有明顯的尺度差異,但建設(shè)用地?cái)U(kuò)張的主要來源均為半生態(tài)用地(耕地),半生態(tài)用地和自然生態(tài)用地的變化呈現(xiàn)出此消彼長的特征。1995—2000年,受耕地占補(bǔ)平衡政策的影響,城市群整體耕地面積出現(xiàn)短暫上升,部分城市耕地變化與城市群相似。然而,2000年后,受退耕還林、生態(tài)保護(hù)紅線、生態(tài)文明等政策和概念的影響,林地、草地等自然生態(tài)用地與耕地呈現(xiàn)為“拉鋸式”發(fā)展。但整體來看,建設(shè)用地?cái)U(kuò)張對(duì)半生態(tài)用地的影響更為顯著,且城市邊緣區(qū)的半生態(tài)用地受城鎮(zhèn)擴(kuò)張的擠占最為突出。

(2)城市群與各城市的土地利用轉(zhuǎn)移變化大同小異,城鎮(zhèn)擴(kuò)張對(duì)自然生態(tài)用地的間接影響大于直接影響。新增建設(shè)用地的主要來源均為耕地,城市邊緣區(qū)是耕地流失最嚴(yán)重的地區(qū)。在建設(shè)用地面積增加、斑塊聚集程度增強(qiáng)的背景下,自然生態(tài)用地斑塊的聚集程度也增強(qiáng),但耕地斑塊的聚集程度和連通性下降。與對(duì)應(yīng)的城市相比,城市邊緣區(qū)耕地破碎度更高,連通性更差,受城鎮(zhèn)擴(kuò)張影響更顯著。

(3)城鎮(zhèn)擴(kuò)張對(duì)自然生態(tài)用地的間接影響隨時(shí)間推移逐漸增大,耕地補(bǔ)償?shù)闹饕獊碓礊椴莸?其次為林地。不同耕地補(bǔ)償機(jī)制下,建設(shè)用地?cái)U(kuò)張對(duì)自然生態(tài)用地的間接影響具有地區(qū)差異性,應(yīng)當(dāng)結(jié)合實(shí)際土地資源和土壤條件,因地制宜進(jìn)行政策調(diào)整,在控制建設(shè)用地總量的前提下,實(shí)現(xiàn)區(qū)域的糧食和生態(tài)可持續(xù)發(fā)展。

本文解析了關(guān)中平原城市群城鎮(zhèn)擴(kuò)張對(duì)生態(tài)用地的多尺度影響特征,但城鎮(zhèn)擴(kuò)張對(duì)生態(tài)用地的直接影響僅停留在面積和景觀格局變化,對(duì)生態(tài)服務(wù)價(jià)值、生境質(zhì)量等的影響尚不清楚。此外,城鎮(zhèn)擴(kuò)張對(duì)自然生態(tài)用地的間接影響是通過區(qū)域植被凈初級(jí)生產(chǎn)力進(jìn)行測(cè)算。由于NPP數(shù)據(jù)的空間分辨率為1 km,土地利用數(shù)據(jù)空間分辨率為100 m,分辨率差異將對(duì)研究結(jié)果產(chǎn)生一定的影響。在后續(xù)研究中,將結(jié)合NDVI等相關(guān)植被指數(shù)采用更加精準(zhǔn)的降尺度方法提升數(shù)據(jù)精度,或直接制備更加精細(xì)的植被凈初級(jí)生產(chǎn)力數(shù)據(jù),結(jié)合深度學(xué)習(xí)模型直接估算區(qū)域糧食產(chǎn)量,進(jìn)而提高間接影響的測(cè)算精度。