劉金花，鄭新奇

（1.山東建筑大學(xué) 管理學(xué)院，濟南250101；2.中國地質(zhì)大學(xué) 土地科學(xué)技術(shù)學(xué)院，北京100083）

土地利用／土地覆被變化對全球氣候變化[1]、全球陸—海生態(tài)系統(tǒng)產(chǎn)生重要的影響[1－4]，部分學(xué)者認(rèn)為土地利用／土地覆被變化已成為全球三大環(huán)境變化之一[5]，影響著人類社會的經(jīng)濟發(fā)展，對于全球糧食安全[6]、人類身體健康、可持續(xù)發(fā)展[7－8]乃至真正實現(xiàn)人地和諧局面產(chǎn)生重要的影響。土地利用／土地覆被變化研究已成為全球研究的熱點和焦點[1，9]。近年來，城市化的快速發(fā)展導(dǎo)致土地利用變化的加劇[10－12]，但大型運動會的召開這種特定背景下的土地利用變化研究較少。2004年10月山東省政府向國家體育總局遞交申辦十一屆全運會的報告，2005年2月申辦報告得到正式批準(zhǔn)，主場地設(shè)在省政府駐地——濟南。為促進(jìn)全運會的順利召開，濟南市投入1 400多億元進(jìn)行城建和城市面貌改造，建設(shè)“一軸”、“兩環(huán)”、“三區(qū)”，實施八大工程，開展六項整治，為實現(xiàn)“和諧全運”做好充分準(zhǔn)備。這些硬件的建設(shè)無疑在一定程度上加快了土地利用變化。為揭示全運會大型運動會的召開對舉辦城市土地利用的影響，本文采用濟南市2003年、2005年兩期土地利用現(xiàn)狀圖，借助ArcView提取信息，通過計算動態(tài)度、開發(fā)度、耗減度、信息熵等指標(biāo)，分析土地利用變化程度和結(jié)構(gòu)變化合理性，探討大型運動會的舉辦對土地利用數(shù)量及結(jié)構(gòu)的影響，為其他舉辦大型運動會的城市及相關(guān)部門提供決策支持。

1 研究區(qū)概況及數(shù)據(jù)預(yù)處理

濟南市位于山東省中部，土地總面積為8 177 km2，市區(qū)面積為3 296km2，建城區(qū)面積190km2。南部為泰山山地，北部為黃河沖積平原，地勢南高北低，地形復(fù)雜，氣候類型為暖溫帶大陸性季風(fēng)氣候，多年平均降雨量約650mm?？?cè)丝?92萬人，其中市轄區(qū)人口350萬人。濟南市現(xiàn)轄六區(qū)三縣一市，本文選取土地利用變化的“熱點”區(qū)域（規(guī)劃城區(qū)）作為研究區(qū)，即歷下、市中、槐蔭、天橋、歷城、長清6區(qū)。按照全國土地利用分類（過渡時期適用）將濟南市城區(qū)土地利用分為十類：耕地、園地、林地、牧草地、其它農(nóng)用地、居民點及獨立工礦用地、交通運輸用地、水利設(shè)施用地、未利用土地、其它土地。

本文采用2003—2005年1∶10 000土地利用現(xiàn)狀圖作為數(shù)據(jù)源，基于地理信息系統(tǒng)軟件ArcView提取城區(qū)范圍數(shù)據(jù)和土地利用類型變化數(shù)據(jù)。屬性數(shù)據(jù)來源于《濟南市統(tǒng)計年鑒（2004，2006）》、《濟南市年鑒（2004，2006）》以及濟南市土地利用總體規(guī)劃（2006—2020年）中相關(guān)數(shù)據(jù)。

2 土地利用數(shù)量變化分析

2.1 指標(biāo)選取

為體現(xiàn)土地利用動態(tài)變化過程及方向，常采用土地利用動態(tài)度、開發(fā)度、耗減度等指標(biāo)對土地利用數(shù)量變化進(jìn)行定量評價[13－14]。

土地利用動態(tài)度（LUDI）是用動態(tài)度反映單位時間內(nèi)某一土地利用類型面積變化程度的指標(biāo)，其傳統(tǒng)表達(dá)式為：

式中：Ua——a時刻某種土地利用類型的面積；Ub——b時刻某種土地利用類型的面積；t——a，b時刻的時間間隔。該模型有兩點不足：首先，模型反映的是在a，b兩個時間點的離散變化，當(dāng)選取的時間跨度較大時，無法反映時間間隔內(nèi)變化的連續(xù)性和變化的頻率。文中筆者采用時間跨度為兩年的數(shù)據(jù)資料進(jìn)行計算，該因素可以忽略；其次，此指標(biāo)無法表征兩種土地類型之間的相互轉(zhuǎn)化，即無法表征土地利用變化的局部活躍程度。對于第二個缺點，將土地利用變化借助于空間分析引入開發(fā)度（LUD）和耗減度（LCD）兩個指標(biāo)來衡量，能夠有效地反映土地利用類型的增加和轉(zhuǎn)換速率。

其中Δ′ab＝│Cab＋Dab│，考慮的是轉(zhuǎn)換速率和增加速率之和，其它參數(shù)含義同上。該模型可以有效地將土地利用變化速率顯著化。

2.2 濟南市土地利用數(shù)量變化分析

為定量分析濟南市各土地利用類型數(shù)量上的變化，本文基于地理信息系統(tǒng)中ArcView軟件進(jìn)行空間分析和統(tǒng)計處理，利用ArcView的tabulate areas功能統(tǒng)計匯總各類土地面積，建立2003—2005年的土地利用類型變化轉(zhuǎn)移矩陣，如表1所示。

將表1數(shù)據(jù)及在ArcView中對各類土地面積進(jìn)行的統(tǒng)計結(jié)果進(jìn)行處理，運用上述表征土地利用動態(tài)變化的各公式（1—3）進(jìn)行計算，結(jié)果見表2。

式中：Dab，Cab——由時刻a至?xí)r刻b新增和轉(zhuǎn)出的某土地利用類型面積，即分別表示由其它土地利用類型轉(zhuǎn)化為該土地利用類型的面積和該類型轉(zhuǎn)出的面積。Cab在本文中為轉(zhuǎn)換矩陣（表1）每一行中除該地類面積之外的其它列數(shù)值之和；Dab為轉(zhuǎn)換矩陣每一列中除該地類面積之外的其它行數(shù)值之和?？芍剑?）中Δab＝│Cab－Dab│。

上述三個指標(biāo)在測算區(qū)域的綜合土地利用數(shù)量變化時是有效的，盡管采用某一個指標(biāo)對一種土地類型計算時表征的是單方向的變化，加和則可反映出各類型間相互變化的趨勢。但由于土地本身的自然特性，具有位置固定性的特點，動態(tài)度只體現(xiàn)土地利用類型數(shù)量的變化，無法定量表示土地空間變化方向及速率等方面，因此本文借鑒劉盛和，何書金提出的“空間分析模型”（CCL為改進(jìn)后的動態(tài)度值）彌補上述缺陷[15]。

表1 2003－2005年濟南市城區(qū)土地利用類型轉(zhuǎn)換矩陣 km2

表2 2003－2005年濟南市城區(qū)土地利用動態(tài)變化指數(shù)

由表2可知，2003—2005年期間土地利用變化速度較快，各土地利用類型發(fā)生變化區(qū)域總面積達(dá)到1 111.336km2，占城區(qū)總面積的近34%，變化幅度十分明顯。

2.2.1 土地利用類型的轉(zhuǎn)移變化 在各地類的轉(zhuǎn)移變化過程中，以耕地和未利用地的轉(zhuǎn)換最為突出。耕地轉(zhuǎn)移面積為285.87km2，占區(qū)域轉(zhuǎn)移總面積的25.72%，位列各地類轉(zhuǎn)移面積之首；耗減度為0.11，空間轉(zhuǎn)移較為明顯，主要流向居民點及工礦用地、林地、未利用地，三項轉(zhuǎn)移占到耕地轉(zhuǎn)移面積的71.7%，其中居民點及工礦用地占轉(zhuǎn)移總量的29.5%，究其原因，濟南市正處于城市化快速發(fā)展期，城鎮(zhèn)建設(shè)用地的增加主要通過占用耕地實現(xiàn)，且為迎接全運會的召開，新建14個體育場館，7個市級全民健身中心及相關(guān)配套設(shè)施，僅奧體中心占地約70hm2，導(dǎo)致耕地空間轉(zhuǎn)移主要流向居民點及工礦。林地占耕地轉(zhuǎn)移總量的20%，位列第二，這與響應(yīng)合理利用土地，改善生態(tài)環(huán)境，實行退耕還林還草分不開的；也是全運會八大工程之一——生態(tài)景觀工程的要求。從耕地總量變化看，2005年耕地比2003年增加68.46km2，耕地呈現(xiàn)增長勢態(tài)，這一過程主要是通過土地綜合整治確保耕地占補平衡，結(jié)合優(yōu)化土地利用結(jié)構(gòu)來實現(xiàn)的。

未利用土地轉(zhuǎn)移速度較快，轉(zhuǎn)移率（轉(zhuǎn)移面積占初期年該地類總面積的比例）為51.59%，達(dá)到每年平均142.62km2，轉(zhuǎn)移速度較快；耗減度達(dá)到0.26，從空間轉(zhuǎn)移流向來看，主要轉(zhuǎn)移為耕地和林地。其中轉(zhuǎn)移為耕地的面積占總轉(zhuǎn)移量的35.17%，這也是濟南市耕地總量呈增加趨勢的主要原因之一；轉(zhuǎn)移為林地面積126.7km2，提高了區(qū)域綠化率，極大地改善了區(qū)域生態(tài)環(huán)境，從而為全運會的召開創(chuàng)造良好的生態(tài)環(huán)境。

居民點及工礦用地的轉(zhuǎn)移亦十分明顯，轉(zhuǎn)移面積占區(qū)域總轉(zhuǎn)移面積的15.43%。耗減度為0.14，流向主要轉(zhuǎn)移為耕地和林地。其中轉(zhuǎn)移為耕地的面積占總轉(zhuǎn)移面積的54.87%，這也是該區(qū)域耕地總量增加的主要原因之一，通過工礦用地的綜合整治，既補充了耕地又改善了生態(tài)環(huán)境。

林地的轉(zhuǎn)移面積也達(dá)到了153.945km2，占轉(zhuǎn)移總面積的13.85%，其中轉(zhuǎn)移為耕地的比例為35%。交通用地的耗減度為0.36，轉(zhuǎn)移面積41.24km2，轉(zhuǎn)移率為72.16%。

從轉(zhuǎn)移流向來看，耕地、未利用地、居民點及工礦用地依次是轉(zhuǎn)移速度較快的地區(qū)。耕地主要流向居民點及工礦用地、林地；未利用地主要流向耕地和林地；居民點及工礦用地主要流向耕地和林地。在快速城市化和全運會場館及配套設(shè)施的集中建設(shè)背景下，濟南市城鎮(zhèn)建設(shè)用地快速增加，主要靠侵占耕地而來，但是通過對工礦用地和未利用地的有步驟有計劃的綜合整治，確保了耕地占補平衡，保障耕地總量非但沒減少反而呈增加趨勢。

2.2.2 土地利用類型的新增變化 耕地新增面積354.33km2，占區(qū)域新增總面積的31.88%，年均新增177km2，變化較快；從表1轉(zhuǎn)換矩陣來看，耕地增加的來源主要是未利用土地和居民點及工礦用地，其中未利用土地在新增部分的貢獻(xiàn)率達(dá)到了28.33%，但由于未利用土地的有限性及適宜性，今后通過未利用地開發(fā)補耕難度越來越大。

林地新增226.42km2，占區(qū)域新增總面積的20.37%，開發(fā)度為0.29；林地增加的來源主要是未利用地及耕地，其中未利用土地轉(zhuǎn)入126.70km2，占新增林地的55.96%，退耕還林還草也是林地增加的主要來源之一。

未利用土地新增面積167.31km2，主要來自于耕地及林地，兩項之和為124.25km2，從中可見生態(tài)退耕工作取得一定進(jìn)展。

居民點及工礦用地新增面積占區(qū)域新增總面積的14.00%，占原面積的25.24%，增長幅度較大；從新增來源看主要是耕地和未利用地、林地，與耕地、林地轉(zhuǎn)移流向相吻合。

交通用地新增35.21km2，開發(fā)度為0.31，來源為居民點及工礦用地、耕地和林地。雖然新增交通用地占區(qū)域新增總面積的3.17%，但卻占原面積的61.6%，增加速度堪稱歷年之最，這主要是由于全運會的召開對交通設(shè)施的需求和刺激。期間，濟南實施道路暢通工程，包含路網(wǎng)改造、快速公交、鐵路和公路建設(shè)等六大類335項，均極大地促進(jìn)了濟南市交通設(shè)施的發(fā)展，導(dǎo)致交通用地的急劇增加。從2005年土地利用結(jié)構(gòu)來看，交通用地所占總面積比例雖較往年提高，但從濟南市經(jīng)濟社會發(fā)展需求來看，交通用地仍顯不足，這也是今后用地調(diào)整的一個重點方向。

水利設(shè)施用地開發(fā)度為0.14，新增來源主要是耕地。增加用地主要用于對大明湖進(jìn)行改造、環(huán)城公園通航、小清河等城區(qū)河道水環(huán)境整治，實施綜合保泉，突顯濟南的“泉城”特色。

從開發(fā)度方面來看，交通用地、林地、園地、耕地增長速率較快，開發(fā)度依次為0.31，0.29，0.26，0.13。從新增來源來看，新增耕地主要來源于未利用地和居民點及工礦用地；林地主要來源于未利用地和生態(tài)退耕；居民點及工礦用地主要來源于耕地和林地；交通用地主要來源于居民點及工礦和耕地、林地；水利設(shè)施用地主要來源于耕地。其中交通用地開發(fā)度較高，這與全運會的召開對交通設(shè)施需求增加密切相關(guān)。各種土地類型的轉(zhuǎn)移情況如圖1所示：

圖1 2003－2005年濟南市城區(qū)各類用地構(gòu)成

3 空間結(jié)構(gòu)變化分析

由于土地利用結(jié)構(gòu)的復(fù)雜性，土地利用類型數(shù)量上的變化難以直觀地反映土地利用結(jié)構(gòu)的合理性。為此采用信息論的方法進(jìn)行分析研究。

信息熵是衡量土地利用空間結(jié)構(gòu)的一個有效指標(biāo)，陳彥光、劉明華曾給出城市土地利用結(jié)構(gòu)的熵值定律[16]；劉耀彬等借助于信息熵對武漢城市土地空間結(jié)構(gòu)進(jìn)行了變動分析[17]。其一般表達(dá)式為：

式中：Pi——各土地利用類型占該區(qū)域土地總面積的比例；H——土地利用結(jié)構(gòu)信息熵，反映土地利用類型的多少和各土地類型空間數(shù)量分布的均勻程度；Ai（i＝1，2，…，n）——各土地類型面積；A總——區(qū)域土地總面積。從式（5）中可以看出，土地類型越多，熵值H越大。所以，通過比較不同時間的H值可以衡量空間結(jié)構(gòu)的變化情況。但這種模型的缺點也是顯而易見的：無論某一類用地成片分布或是破碎分布對于結(jié)果沒有影響，也就是說熵只能反映區(qū)域土地整體的空間分布均勻程度，無法表達(dá)某一類土地的內(nèi)部維度特征。本文只對濟南市城區(qū)土地利用結(jié)構(gòu)在時間序列上的趨勢進(jìn)行研究，采用熵能夠反映其土地利用結(jié)構(gòu)的變化。

通過計算可得濟南市歷年城區(qū)的土地利用結(jié)構(gòu)信息熵，如圖2所示?？梢?，信息熵呈現(xiàn)明顯的上升趨勢，反映了濟南市城區(qū)土地利用結(jié)構(gòu)在1996—2004年間有序度下降，其中1997—1998年和2003—2004年兩個時間段呈現(xiàn)快速下降趨勢，主要原因是建設(shè)用地比重加大，而耕地面積不斷減小，交通設(shè)施用地迅速擴大。在此過程當(dāng)中，牧草地急劇萎縮，但比重太小，不足以影響熵值的有效變化。而2005年信息熵有所下降，相對2003年減小1.4%。可見信息熵值已經(jīng)出現(xiàn)收斂的跡象，而收斂過程一般會有所波動，最終達(dá)到一個穩(wěn)定狀態(tài)，即土地利用結(jié)構(gòu)成熟的狀態(tài)，在此過程當(dāng)中，對于不同類型的城市，其土地政策應(yīng)該有何區(qū)別，濟南作為一個綜合性的城市，應(yīng)該加強對土地尤其是耕地的保護(hù)。

圖2 1996－2004年濟南市城區(qū)土地利用結(jié)構(gòu)信息熵變化

濟南市投資1 400億用于全運會的各項準(zhǔn)備工作，這一巨大的資金注入為濟南市的經(jīng)濟發(fā)展打了一針強心劑，帶動各行業(yè)快速發(fā)展，城市整體功能和區(qū)域功能也在產(chǎn)生更替，即中心城市功能正由生產(chǎn)型轉(zhuǎn)向管理服務(wù)型，中心城區(qū)的工業(yè)、倉儲等功能逐漸向外圍轉(zhuǎn)移，工業(yè)用地也同時發(fā)生轉(zhuǎn)移，因此經(jīng)濟發(fā)展是土地利用變化產(chǎn)生的根本原因。為達(dá)到土地資源的優(yōu)化配置的目標(biāo)，實現(xiàn)資源、環(huán)境、經(jīng)濟協(xié)調(diào)發(fā)展，政府的宏觀調(diào)控也至關(guān)重要。影響土地利用變化的因素較多，但大型運動會的召開對區(qū)域土地利用變化乃至經(jīng)濟、社會、生態(tài)都會產(chǎn)生較為深遠(yuǎn)的影響。

4 結(jié)論

本文采用高精度土地利用數(shù)據(jù)，研究全運會背景下濟南市城區(qū)土地利用的數(shù)量變化，發(fā)現(xiàn)濟南市城區(qū)耕地、未利用土地、居民點及工礦用地、林地為土地利用變化的“熱區(qū)”，相互之間轉(zhuǎn)換明顯，耕地轉(zhuǎn)移面積和新增面積最大；全運會對體育場館、交通設(shè)施及配套設(shè)施的需求使得2003—2005年期間交通設(shè)施用地動態(tài)度最大。1996—2004年土地利用信息熵的變化可看出，濟南市土地利用結(jié)構(gòu)總體呈現(xiàn)良性變化，空間布局漸趨合理。大型運動會的召開需要在生態(tài)環(huán)境、場館建設(shè)、基礎(chǔ)設(shè)施及配套設(shè)施等方面做好充分的準(zhǔn)備，這些最終落實到土地上，使得區(qū)域土地利用在結(jié)構(gòu)和空間上產(chǎn)生較大的變化。該研究對于舉辦大型運動會的政府或相關(guān)部門提供決策支持，短期內(nèi)大量投資項目的落實，要嚴(yán)格按照各項規(guī)劃和國家政策有計劃有步驟的實施。唯有如此，才能既拉動經(jīng)濟增長，促進(jìn)城鎮(zhèn)建設(shè)，改善基礎(chǔ)設(shè)施，又促進(jìn)土地利用結(jié)構(gòu)的合理調(diào)整和布局的優(yōu)化配置。本文在大型運動會的召開對區(qū)域土地利用空間布局的影響方面未作詳細(xì)研究，有待進(jìn)一步深化。

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