管子隆,劉 園,強敏敏,張星辰

(1. 中國電建集團西北勘測設計研究院有限公司，西安 710065；2. 陜西省水生態(tài)環(huán)境工程技術研究中心，西安 710065；3. 中國電建水環(huán)境治理研究(實驗)中心，西安 710065；4.中國電建集團西北勘測設計研究院有限公司 博士后科研工作站，西安 710065)

0 前 言

土地是一個由經(jīng)濟、社會和生態(tài)環(huán)境組成的復雜系統(tǒng)[1]。土地不僅是人類開展生產(chǎn)生活的場所，同樣生產(chǎn)生活所需的物質(zhì)基礎，有效利用土地是實現(xiàn)可持續(xù)發(fā)展的重要保證[2]。而城市化在社會經(jīng)濟發(fā)展和民生福利方面發(fā)揮著重要作用，但其對當?shù)睾腿虻淖匀画h(huán)境都有負面影響[3-4]，因此也一直是學術討論的重要課題。隨著以犧牲自然覆蓋為代價的建成區(qū)擴張，城市化被認為是“導致不可逆轉(zhuǎn)的景觀變化的最劇烈的土地利用變化形式”[5]。作為世界上最大的城市化國家，中國的土地利用結構變化劇烈，其中以建設用地面積急劇增加最為顯著，導致大量農(nóng)田、林地、果園、草地和水域等優(yōu)質(zhì)生態(tài)用地被占用[6]。新建城區(qū)作為我國現(xiàn)階段區(qū)域發(fā)展的重要戰(zhàn)略，是在新時期發(fā)展背景下對區(qū)域發(fā)展的重新定位。新建城區(qū)的不斷擴張，必定會帶來土地利用的變化，而土地利用作為人與自然聯(lián)系最為緊密的紐帶，其變化對區(qū)域生態(tài)環(huán)境、局部氣候及社會生產(chǎn)生活帶來沖擊，甚至引起更大范圍的環(huán)境變化[7-8]。土地利用變化日漸成為國內(nèi)外學者研究全球變化的重要課題之一，國內(nèi)外研究人員從區(qū)域差異[9]、尺度效應[10]以及情景背景[11-12]等角度對土地利用時空變化進行了專項研究。土地利用變化下社會經(jīng)濟發(fā)展與生態(tài)環(huán)境變化的響應也逐漸成為學者研究的重點[13-14]。合理的土地利用規(guī)劃方案應考慮經(jīng)濟增長和生態(tài)環(huán)境，而如何平衡生態(tài)保護和經(jīng)濟發(fā)展仍然是區(qū)域和國家發(fā)展中關注的焦點。前期土地利用規(guī)劃主要注重經(jīng)濟效益，導致生態(tài)系統(tǒng)保護壓力加大，土地利用效率低下[15]。我國西部地區(qū)天然氣候條件和生態(tài)本底條件較差，用地類型復雜，經(jīng)濟發(fā)展和用地類型有明顯的地域差異，城市的全面興起和發(fā)展，土地利用隨之發(fā)生劇烈變化[16]，特別是新建城區(qū)的不斷擴張導致的建設用地的增加。

作為我國中西部地區(qū)新建城區(qū)的代表，西咸新區(qū)成立于2014年1月6日，是由國務院發(fā)布國函〔2014〕2號文件正式批準成立的我國第七個國家級新區(qū)。它位于陜西省西安市和咸陽市之間的區(qū)域內(nèi)，土地面積達到882 km2。隨著國家政策對區(qū)域發(fā)展的引導，新區(qū)城鎮(zhèn)化在快速推進，隨之而來的是土地資源的高強度開發(fā)利用，研究人員也針對新建城區(qū)影響下土地利用轉(zhuǎn)變、影響因素和環(huán)境效應等問題開展了研究[17-18]，但就土地利用和區(qū)域經(jīng)濟的耦合關系研究還不多。因此，在明晰土地利用變化特征的基礎上，深入探討區(qū)域經(jīng)濟發(fā)展和土地利用的耦合制約關系，對區(qū)域的長期可持續(xù)發(fā)展意義重大，同時可為其他新建城區(qū)的建設提供決策建議。

本文以新建城區(qū)西咸新區(qū)為研究對象，基于新區(qū)成立前后不同時期的土地利用情況，分析區(qū)域土地利用空間格局特征和時空變化趨勢,選取指標定量評價土地利用程度和經(jīng)濟發(fā)展水平直接的耦合關系,研究成果為分析新建城區(qū)土地利用的演變規(guī)律，促進區(qū)域土地資源合理利用與經(jīng)濟可持續(xù)發(fā)展提供支撐。

1 研究區(qū)域和方法

1.1 研究區(qū)概況

西咸新區(qū)位于陜西省西安市和咸陽市建成區(qū)之間(E108°31′47"～108°58′19"，N34°10′15"～34°33′16"之間)，是首個以創(chuàng)新城市發(fā)展方式為主題的國家級新區(qū)。西咸新區(qū)規(guī)劃面積為882 km2，現(xiàn)有戶籍人口103萬人。西咸新區(qū)內(nèi)根據(jù)行政區(qū)域細分為空港新城、灃東新城、秦漢新城、灃西新城、涇河新城(見圖1)。2018年西咸新區(qū)生產(chǎn)總值381.94億元，同比增長13.3%，增速在陜西省各地市中穩(wěn)居第一。

西咸新區(qū)平均海拔約440 m，地貌有徑河沖積平原、渭河沖積平原、二級灘、黃土臺塬等。新區(qū)屬半濕潤氣候，區(qū)內(nèi)有隸屬黃河水系的渭河，涇河、澇河、灃河、新河、沙河、皂河7條河流穿過，區(qū)內(nèi)河流覆蓋總長度約為118.97 km。新區(qū)多年平均降水量為532.0 mm，多年平均氣溫12 ℃左右。

1.2 數(shù)據(jù)來源及預處理

土地利用數(shù)據(jù)根據(jù)新區(qū)成立時間，分別選取了新區(qū)成立前的2010年和成立后的2015、2018年土地利用數(shù)據(jù)，數(shù)據(jù)選自中國科學院資源環(huán)境科學與數(shù)據(jù)中心(http://resdc.cn)，數(shù)據(jù)在Landsat遙感影像數(shù)據(jù)基礎上，通過人工目視解譯得到，分辨率為30m。結合研究區(qū)域?qū)嶋H情況在原有的分類基礎上將研究區(qū)內(nèi)用地類型劃分為耕地、林地、草地、建設用地、未利用地和水域。社會經(jīng)濟數(shù)據(jù)主要來自于西咸新區(qū)統(tǒng)計局。

1.3 土地利用變化率

土地利用面積變化率是對一定時期內(nèi)研究區(qū)土地利用變化的一個具象性表達，它能夠反映研究區(qū)的一個變化趨勢，其中又可細分為相對變化率和凈變化速度[19]。相對變化率是較研究區(qū)內(nèi)初期的變化而言，凈變化速度則是對研究區(qū)年均變化速度的一種表達。根據(jù)分析研究區(qū)內(nèi)的面積變化率、相對變化率和凈變化率，從而得到一個多緯度的系統(tǒng)分析結果。

(1)

(2)

公式(1)～(2)中：Nc為面積的相對變化率；Rs為凈變化速度；Ua、Ub為研究期始末時間點的面積，km2；T為時間段,a。此處涉及的變化面積，均不包含各類型的相互轉(zhuǎn)入與轉(zhuǎn)出。

圖1 西咸新區(qū)位置及區(qū)劃范圍

1.4 土地綜合利用程度

土地綜合利用程度反映了某區(qū)域在一定時間段內(nèi)的土地利用強度，其包含了自然環(huán)境和人類生產(chǎn)生活等活動對土地利用產(chǎn)生的綜合影響。本文參考Zhuang等[20]定義的土地綜合利用程度指數(shù)，包含了4個等級，同時對每個級別賦值相應的指數(shù)，具體見表1。

表1 土地利用程度分級指數(shù)表

基于各土地利用類型分級指數(shù)表及面積，通過計算土地綜合利用程度來評價不同階段研究區(qū)域的土地利用程度。具體計算方法如下：

(3)

公式(3)中：L為土地利用程度綜合指數(shù)；Ai為i級的分級指數(shù)；Ci為i級指數(shù)對應用地類型面積百分比；n為總的分級數(shù)。

由于未利用地本身存在天然條件不適宜開發(fā)等因素，其對區(qū)域發(fā)展的體現(xiàn)程度較低，因此，為消除這一影響，在計算土地利用綜合程度指數(shù)時，增加了一種情景，即排除未利用地面積作為調(diào)整后的指數(shù)。

2 結 果

2.1 土地利用變化

不同時期西咸新區(qū)土地利用類型的空間分布如圖2所示，統(tǒng)計不同時期不同土地利用類型的面積及所占比例見表2。由圖2可知，3個時期西咸新區(qū)土地利用類型當中，耕地面積所占比例最高，是該區(qū)域主要的土地利用類型；建設用地次之，未利用土地面積最??；各土地利用類型面積由大到小為：耕地>建設用地>草地>水域>林地>未利用地。分別計算比例可知，2010、2015年和2018年耕地面積所占比例分別達到72.57%、67.38%和65.56%，建設用地面積所占比例分別為20.64%、25.90%和28.21%，而未利用地則僅為1.16%、1.32%和1.13%。

表2 不同時期西咸新區(qū)土地利用格局

圖2 2010—2018年西咸新區(qū)土地利用空間格局分布

由表2同樣可知，自2010年起，西咸新區(qū)耕地、林地和水域面積均逐年減少，其中耕地的減少幅度最大；建設用地面積呈明顯的增加趨勢；草地和未利用地面積則存在波動變化。計算不同時期各土地利用類型變化率見表3，2010—2015年耕地面積減少最明顯，達45.65 km2，林地次之，草地面積減少最少，僅為0.29 km2。消除各土地利用類型面積基數(shù)的影響，由相對變化率和凈變化速度可知，林地面積的相對變化率和凈變化速度最大，分別為-8.55%和-1.77%。建設用地和未利用地面積增加，其中建設用地面積增加最多，為46.27 km2，其相對變化率和凈變化速度同樣最大，分別為25.48%和4.64%。2015—2018年耕地、林地、水域和建設用地面積仍同前一階段保持相同的變化趨勢；草地和未利用地面積則出現(xiàn)和前一階段相反的變化趨勢，草地面積由減少變?yōu)樵黾?，未利用地面積則由增加變?yōu)闇p少。與2010—2015年相比，林地、草地、水域和未利用地的凈變化速度均有所增加，其中，草地變化最大，為前一時期的6.4倍，耕地和建設用地的變化速度均有所降低?？v觀整個研究階段，耕地、林地和水域面積減少，建設用地面積逐年增加，草地面積總體有所增加，未利用地面積先增加后減少，整體有所減少；凈變化速度由大到小排序為：建設用地、林地、耕地、水域、草地和未利用地(見圖3)。

表3 2010—2018年西咸新區(qū)各土地利用類型變化

2.2 土地利用程度

設置調(diào)整前(考慮未利用地)和調(diào)整后(不考慮未利用地)兩種情景進行土地利用程度分析，分別計算兩種情景下土地利用程度綜合指數(shù)，結果見表4。3個時期區(qū)域土地利用程度指數(shù)均在320左右，遠高于蘇明偉等[21]計算的陜西省土地利用程度綜合指數(shù)(2010年為226.57，2018年為232.25)，表明該區(qū)域土地利用程度整體上處于較高水平。

表4 西咸新區(qū)土地利用不同時期程度綜合指數(shù)

調(diào)整前后西咸新區(qū)土地利用程度綜合指數(shù)均隨時間而呈增長趨勢，結合各土地利用類型面積的變化分析可知，雖然耕地和林地面積的減少在一定程度上會導致土地利用程度綜合指數(shù)的減小，但是建設用地面積的急劇增加使得區(qū)域的土地利用程度綜合指數(shù)整體呈現(xiàn)增長。對比調(diào)整前后兩種情景，區(qū)域整體的土地利用程度綜合指數(shù)均有小幅度增加。

圖3 不同時期西咸新區(qū)土地利用凈變化速度

圖4 西咸新區(qū)2010—2018年土地利用綜合程度空間

基于ArcGIS10.2對土地利用的空間分布特征進行分析(見圖4)。由圖可知，土地利用程度綜合指數(shù)較低(小于200)的區(qū)域面積較少，主要分布在流經(jīng)境內(nèi)的渭河和涇河附近的區(qū)域；指數(shù)在200～300的面積分布最廣；土地利用程度較高(大于300)的區(qū)域在零散分布的基礎上又存在幾個集中的區(qū)域，分別為新區(qū)北部涇河新城的西北部、空港新城西安/咸陽國際機場附近、新區(qū)東南部灃東新城大部，其中灃東新城土地利用程度高的面積最大，其主要原因為灃東新城屬于西咸新區(qū)最靠近西安市主城區(qū)的區(qū)域，其城市建設和土地利用變化受西安市影響較大，土地利用程度普遍較高。從時間角度看，土地利用程度高的幾個集中區(qū)域隨著時間推進在不斷擴張。由于新區(qū)內(nèi)5個新城的產(chǎn)業(yè)引導政策略有不同，導致每個新城的土地利用程度綜合指數(shù)存在一定差異。在同一區(qū)域內(nèi)，地況基本相同情況下，政策的導向同樣對土地利用程度起著至關重要的作用。

2.3 土地利用效益

選擇單位面積GDP為評價指標，定量評價不同時期研究區(qū)土地利用效益。為真實體現(xiàn)區(qū)域經(jīng)濟變化，GDP均轉(zhuǎn)化為2010年可比價。同前節(jié)一樣分為調(diào)整前和調(diào)整后兩種情景分析。隨著西咸新區(qū)的建成，區(qū)域土地利用效益增長明顯(見表5)。計算增長率(見表6)可知，整個研究階段(2010—2018年)研究區(qū)土地利用效益增長率最高，增長一倍以上，而2015—2018年土地利用效益的增長率僅為26%左右，遠低于2010—2015年的70%以上。

表5 西咸新區(qū)土地利用效益

表6 西咸新區(qū)土地利用效益變化率

3 討 論

3.1 土地利用程度與區(qū)域發(fā)展相互關系

為定量分析區(qū)域土地利用程度和社會發(fā)展水平直接的關系，選取單位面積GDP來表征區(qū)域經(jīng)濟發(fā)展水平，城市化指數(shù)(建設用地在區(qū)域總面積中所占比例)來表示城市化水平，土地綜合利用程度指數(shù)來表示區(qū)域土地利用程度。同樣分為調(diào)整前(區(qū)域總面積)和調(diào)整后(剔除未利用地面積)兩種情景，分別計算兩種情景下對應時期西咸新區(qū)各指標(見圖5)。由圖5可知，土地利用程度綜合指數(shù)同空間城市化指數(shù)、單位面積GDP均呈現(xiàn)出同增同減的關系，隨著土地利用程度綜合指數(shù)增加，西咸新區(qū)的空間城市化指數(shù)和單位面積GDP均呈上升趨勢。由于區(qū)域內(nèi)未利用土地所占比例較小，因此，調(diào)整前后土地利用程度與區(qū)域發(fā)展的內(nèi)在耦合關系未發(fā)生明顯變化。2014年西咸新區(qū)的正式成立，使得城市化進程加速，伴隨著土地利用程度綜合指數(shù)的增加以及經(jīng)濟發(fā)展水平的提高。

圖5 西咸新區(qū)土地利用程度與區(qū)域發(fā)展關系

2010年在城區(qū)未建設階段，區(qū)域經(jīng)濟發(fā)展較為緩慢，土地利用程度綜合指數(shù)增長緩慢。2010—2015年為新城區(qū)建設伊始階段，擴張性增長較為突出，土地利用程度綜合指數(shù)也大幅度提升。由于城區(qū)新建時期，政府引導加大基礎設施建設，建設投入力度增加，但實施中很多政策、制度建設及落實還不夠完善，發(fā)生了建筑用地面積增大過快、空間城市化指數(shù)增長過快等現(xiàn)象。2015—2018年期間，經(jīng)過幾年快速發(fā)展，政府對區(qū)域發(fā)展定位及運行方式進行適當調(diào)整，由大力度開展基礎設施建設轉(zhuǎn)為創(chuàng)新城市發(fā)展方式，注重提高土地利用效率，調(diào)整產(chǎn)業(yè)結構，以創(chuàng)新為動力促進產(chǎn)業(yè)升級。因此，建設用地增長變緩，但能保持區(qū)域GDP持續(xù)增長，逐步開始走上又快又好發(fā)展的道路。

3.2 土地利用變化驅(qū)動因素分析

土地利用受自然和人類活動共同影響，而人類活動本身的復雜性加之城市發(fā)展帶來的活動強度提升，其對土地利用的影響愈發(fā)強烈。主要驅(qū)動因素如下：

(1) 人口變化是土地利用變化最活躍的影響因子，人口的增長必然伴隨著居民建筑和城鎮(zhèn)用地的擴張，西咸新區(qū)成立前的2010年，人口為77.95萬人，成立后的2015年和2018年分別增長至91.50萬和102.32萬，增長率分別為17.38%和31.26%；結合土地利用綜合程度指數(shù)分析，兩者存在很強的線性正相關，R2達到0.99，表明人口增長是新區(qū)土地利用變化的核心驅(qū)動因素之一。

(2) 西咸新區(qū)位于關中經(jīng)濟核心區(qū)，是新絲綢之路的起點城市，承擔著“共建大西安、引領大關中、輻射大西北”的時代重任。因此，西咸新區(qū)的發(fā)展必然會伴隨著產(chǎn)業(yè)集聚、基礎設施建設加速推進、城鄉(xiāng)一體化加速等活動[22]，這些將導致區(qū)域土地利用的急劇變化，最明顯的特點即建設用地面積在3個時期出現(xiàn)連續(xù)增加。根據(jù)《西咸新區(qū)城市總體規(guī)劃(2016—2030年)》，2030年新區(qū)城市建設用地將超過272 km2，城鎮(zhèn)建設空間規(guī)劃總計達到344 km2，城鎮(zhèn)建設帶來的土地利用變化將持續(xù)貫穿新區(qū)的發(fā)展過程。

(3) 西咸新區(qū)作為現(xiàn)代化新區(qū)，在城市建設的過程中融入了更多的生態(tài)和景觀措施，如海綿城市的建設中采用的生物滯留池等LID設施，一定程度上增加了區(qū)域內(nèi)水域和草地的面積[23]。

4 結 論

基于西咸新區(qū)建成前后的2010—2018年三期土地利用和社會經(jīng)濟數(shù)據(jù)，探析新區(qū)土地利用動態(tài)及其與經(jīng)濟發(fā)展的內(nèi)在聯(lián)系，得出以下結論：

(1) 耕地和建設用地是西咸新區(qū)最主要的兩種土地利用類型，兩者面積在流域總面積占比在90%以上。2010—2018年區(qū)域耕地、林地和水域面積連續(xù)減少，其中耕地面積減少最明顯，所占比例由72.57%下降到65.56%；建設用地面積持續(xù)增加，所占比例由20.64%增加到28.21%。土地利用變化與新區(qū)建成發(fā)展過程基本吻合。新建城區(qū)經(jīng)歷較大規(guī)模的基礎設施建設過程，該過程中耕地保護與建設用地的擴張應做好平衡。

(2) 研究期內(nèi)西咸新區(qū)土地利用程度綜合指數(shù)均大于300，普遍較高，且隨時間逐漸增大，2010—2018年增長了2.60%?？臻g上新區(qū)東南部土地利用程度較高，西北部略低。地理位置帶來的大城市輻射效應的差異以及政策導向是土地利用程度空間差異的主要原因。

(3) 2010—2018年西咸新區(qū)土地利用效益連續(xù)增長，增長超過114 %，土地利用程度與經(jīng)濟發(fā)展水平正相關。土地利用與經(jīng)濟發(fā)展既能相互表征又有相互制約關系。土地利用變化的主要驅(qū)動因素為政策性引導的人類活動。