吉林省城市建设用地扩张时空特征及驱动因素分析

刘宝涛,刘惠清2,郭 佳3，陈婧怡

(1.吉林农业大学 经济管理学院,吉林 长春130118;2.东北师范大学 地理科学学院,吉林 长春130024;3.长春市国土资源局 长春新区分局,吉林 长春130000)

1 引言

土地利用/土地覆被变化(LUCC)是国内外土地科学研究领域的前沿热点问题[1]。我国目前已经进入快速城镇化、工业化时期,城市建设用地扩张成为城市土地利用变化的主要特征。但是城市建设用地快速扩张在为城市发展提供空间承载的同时,也引发了一系列问题:城市扩张蚕食良田,威胁粮食安全;征地拆迁引发失地农民不满,威胁社会稳定;城市无序蔓延加剧环境污染、交通拥堵,威胁资源环境与生态安全等。在此背景下,城市建设用地扩张及其机理受到了政府部门、学术领域和社会公众的广泛关注[2]。

目前国内外关于城市建设用地相关研究成果较为丰富。研究内容上,主要包括城市建设用地扩张趋势、驱动机制、扩张预测等方面研究[2,3];研究技术上,运用GIS、RS软件、DSR框架等研究其空间扩展特征[4-6];研究方法上,有因子分析法、回归分析法、灰色关联分析、成因分析方法、信息熵等方法探究其驱动机理[7-12];研究区域上,多以经济发达的单一城市、沿江、沿海城市群为主或典型生态脆弱区[13-15],较少涉及省域尺度研究,而至今尚无学者以吉林省开展研究[16,17]。

吉林省是我国重要的粮食主产区之一，为八大牧区之一、六大林区之一,各地方自然环境、资源禀赋、城市发展、经济基础等方面差异显著。随着新一轮东北振兴政策的实施,以及未来新型城镇化规划的引导,吉林省经济社会快速发展,城市建设用地需求加剧,城乡空间形态优化重构,势必引发各地区都市城镇区、农业主产区、生态主导区功能的互补和协同共生,引导区域人口分布、经济基础与资源环境协调良性发展。因此，研究揭示吉林省城市建设用地扩张的时空特征,探究其驱动因素,对国家“一带一路”建设、新一轮东北振兴、吉林省社会经济可持续发展、城市土地可持续利用的实现具有十分重要的意义[18-20]。

本文以吉林省为研究区域,引入扩张速度指数、扩张强度指数,测算并分析了2000—2014年吉林省及9地市(州)城市(长春市、白城市、松原市、四平市、吉林市、辽源市、通化市、白山市和延边州)建设用地扩张的时空特征,并运用灰色关联分析法探究其驱动因素,为吉林省社会经济可持续发展、城市土地可持续利用与规划管理提供科学的决策依据和重要参考。

2 研究区概况

吉林省位于我国东北地区的中部,地理座标为121°38′—131°19′E、40°52′—46° 18′N,总面积18.74万km2,辖1个副省级城市(长春市)、7个地级市(吉林市、四平市、辽源市、通化市、白山市、松原市、白山市)和1个延边朝鲜族自治州(图1)。

图1 吉林省9地市(州)地理位置

2014年末,吉林省总人口约2752.38万人,地区生产总值13803.81亿元,按可比价格计算比2013年增长了6.5%。吉林省地貌形态差异显著,主要表现为东南高、西北低。中部以大黑山西麓为界；东部为长白山地、低山丘陵,植被以森林为主;西部为松辽平原腹地，主要以森林草原、草原为主。吉林省河流分布不均,东部多,西部较少。吉林省气候差异较显著,东部湿润多雨,属温带季风气候；西部气候干燥,属典型大陆性气候。吉林省中部黑土肥沃,是我国重要的粮食主产区;东部森林覆盖率较高,是我国六大林区之一;西部草地资源丰富,是我国八大牧区之一。

3 研究方法与数据来源

3.1 研究方法

扩张速度指数(ESIi):扩张速度指数主要表示城市建设用地的年均扩张率。即城市建设用地扩张的速度和趋势,其绝对值表示速度,符号表示趋势[3,8]。

公式为:

(1)

式中,Ao为研究起始年建设用地的面积;At为第t年建设用地面积;Δt为时间跨度。

扩张强度指数(EIIi):扩张强度指数是用各空间单元的面积对扩张速度进行标准化处理[3,8],便于对比各空间单元和分析空间差异,其大小表明区域城市建设用地扩张幅度。

公式为:

(2)

式中,Ao为研究区域研究起始年建设用地的面积;At为第t年建设用地面积;t为时间跨度(年);S为区域总土地面积。

灰色关联分析:灰色关联分析是根据因素之间发展态势的相似或相异程度来衡量因素之间关联程度的一种系统分析法[21]。本文结合吉林省实际情况,参照相关文献,选取对建设用地扩展的有重要影响的驱动因子,运用应用灰色关联计算各驱动因子对城市建设用地扩张的灰色关联度,得出各因子的相对重要性[21,22]。

3.2 数据来源

本文选取吉林省及其9地市(州)为主要研究对象,数据跨度为2000—2014年,所需社会经济数据和土地利用数据来源于相应年份的《中国统计年鉴》、《中国城市统计年鉴》、《吉林统计年鉴》、《吉林省国土资源统计年报》和吉林省9地市(州)的统计年鉴、城镇土地利用变更调查数据和其他相关部门的统计资料和实地调查资料,部分缺失数据通过插补的方法获得。

4 结果与分析

4.1 时序特征分析

测算2000—2014年吉林省及9地市(州)城市建设用地变化量、扩张速度指数、扩张强度指数,结果见表1、图2—4。

表1 2000—2014年吉林省9地市(州)城市建设用地变化量(km2)

图2 吉林省城市建设用地变化趋势

图3 吉林省城市建设用地ESIi指数

随着吉林省经济社会的持续发展,研究期内城市建设用地经历了初期平缓扩张—中期快速扩张—后期平缓扩张的变化过程(图1)。其中,2000—2003年吉林省城市建设用地扩张缓慢,由517.11km2增加到574.79km2,年均增加了19.23km2,扩张速度指数、扩张强度指数均持续偏低但波动较为明显;2003年以后,随着“东北振兴”政策的实施,城镇化、工业化进程快速推进,吉林省城市建设用地进入快速扩张期,建设用地面积由2003年的574.79km2增加到2009年的854.83km2,年均增加了46.67km2,扩张速度指数、扩张强度指数持续快速提升;2009—2014年,吉林省城市建设用地扩张趋于缓慢,建设用地面积由854.83km2增加到1013.35km2,年均增加了31.70km2,扩张速度指数、扩张强度指数急剧下降并伴有小幅波动。究其原因主要与国土资源部提出的土地粗放型向节约集约利用型转变的政策有关,同时受当时全球金融危机的持续影响,出现区域市场萎缩、经济增长衰退等现象,城市建设用地扩张趋于放缓。

在研究期内,吉林省城市建设用地总量共增加了496.24km2,增长了近0.96倍,年均增长率为6.85%。吉林省中部地区的长春市、吉林市、辽源市分别增加了281.37km2、74.31km2、15.98km2,分别增长了近1.77倍、0.79倍、0.53倍;吉林东部地区的通化市、白山市、延边州也分别增加了23.77km2、19.28km2、33.73km2,分别增长了近0.86倍、0.94倍、0.38倍;吉林西部地区的松原市、白城市、四平市分别增加了17.01km2、13.89km2、16.9km2,分别增长了近0.54倍、0.49倍、0.46倍。

图4 2000—2014年吉林省城市建设用地EIIi指数

城市建设用地扩张主要有三种模式,即“圈层式、辐射式、跳跃式”[2]。从吉林省的省域尺度和市域尺度研究分析城市建设用地扩张的时序特征,均体现出城市建设用地扩张的一般模式,且具有明显的阶段性。2000—2003年,吉林省城市建设用地属于平缓扩张初期,ESI(吉林省)指数、EII(吉林省)指数均值分别为3.4346%、0.0095%。在此期间,吉林省长春市、吉林市、辽源市、通化市两指数均值均大于吉林省的同期均值,表现出由中心地区向两翼城市递减的“辐射式”扩展模式。2003—2009年,吉林省城市建设用地属于快速扩张中期,ESI(吉林省)指数、EII(吉林省)指数均值分别为6.4844%、0.0228%。在此期间,吉林省长春市两个指数的均值明显高于吉林省的同期均值,表现出以省会城市长春为扩张热点集聚中心,同时向周边城市“阶梯圈层式”扩展模式。2009—2014年,吉林省城市建设用地属于平缓扩张后期,ESI(吉林省)指数、EII(吉林省)指数均值分别为4.3496%、0.0198%。在此期间,长春市两个指数的均值均大于吉林省同期的均值,城市扩张处于相对稳定状态,其他地市(州)均表现出不同程度的扩张速度和扩张强度,而且吉林省四平市、白山市、松原市出现突变式的扩张速度,分别增长了6.0550%、4.7388%、4.7395,此阶段为以长春市为扩张稳定中心的“跳跃式”扩展模式。

综上所述,吉林省城市建设用地扩张具有显著的扩张时序性、阶段性特征,建设用地总量呈初期平缓扩张—中期快速扩张—后期平缓扩张，城市建设用地的时序扩展过程与扩展模式反映出吉林“省域—市域”城市的成长、发展、成熟历程。

4.2 空间特征分析

本文测算了吉林省9地市(州)城市建设用地在2000—2005年、2005—2010年、2010—2014年3个时期的扩张速度指数和扩张强度指数。同时,根据数据数理统计特征,将吉林省3个时期9地市(州)城市建设用地扩张速度指数和扩张强度指数划分为5个等级,以此揭示其空间扩张特征[23],结果见表2、图5—图10。

表2 城市建设用地扩张分级标准

图5 2000—2005年吉林省9地市(州)城市建设用地ESIi指数

图6 2000—2005年吉林省9地市(州)城市建设用地EIIi指数

研究发现,吉林省3个时期9地市(州)的城市建设用地扩张具有显著的地域差异特征。随着经济社会的快速发展,吉林省的城市扩张也在持续、快速地推进。总体看来,吉林省建设用地以长春市为中心向周围城市放射状扩张,中部城市快于两翼城市,东部城市快于西部城市,且表现出明显的时序空间格局差异递减特征。

第一阶段：吉林省城市建设用地扩张主要以长春市、吉林市为中心,带动周边城市建设扩张。尤其是在“十五”期间,吉林省重点建设长吉经济走廊,促进了长吉林都市区的快速扩张,刺激了周围地区发展,在此阶段还表现出相同扩张级别城市的局部非均衡集聚现象。此外,吉林省通化市建设用地高速度—较低强度扩张特征尤为显著。

第二阶段：吉林省城市建设用地扩张以长春市为增长极,呈现以组团式扩张为主,辅以零星分布的特征,且表现出向东偏移态势。究其原因,主要是“十一五”期间长吉图先导区建设战略的实施,促使吉林省城市建设用地扩张向东部地区偏移,且地域差异性有所减小。

第三阶段：吉林省除长春市、四平市、辽源市外,其他地区城市建设用地扩张明显,且逐渐向西部地区偏移。在此期间吉林省西部地区强化农畜产品加工业发展,积极调整产业结构,加强土地整治,优化土地利用结构,带动了吉林省西部地区城市建设用地的迅速扩张。总之,吉林省城市建设用地呈现出中部率先扩张、东部中后期显著扩张、西部后期迅速扩张的地域特征,且各地市(州)地域差异性日趋缩小,城市建设用地趋向均衡、稳定的扩张态势。

图7 2005—2010年吉林省9地市(州)城市建设用地ESIi指数

图8 2005—2010年吉林省9地市(州)城市建设用地EIIi指数

图9 2010—2014年吉林省9地市(州)城市建设用地ESIi指数

图10 2010—2014年吉林省9地市(州)城市建设用地EIIi指数

5 驱动因素

城市建设用地扩张受到一系列自然、社会、经济、政策等因素的综合影响。由于自然因素、政策因素、制度因素的主观性和复杂性,不易量化处理,但这类因素通过影响社会经济发展共同驱动城市扩张。因此,本文结合吉林省实际情况,参考国内相关权威文献[15-17],选取对城市建设用地扩张有重要影响的社会经济驱动因子,共选取GDP(X1),第二、三产业产值比重(X2),第一产业产值比重(X3),总人口(X4),非农业人口比重(X5),城镇化率(X6),全社会固定资产投资额(X7)7个指标,对吉林省城市建设用地扩张驱动因子进行定量分析,测算各因子与吉林省城市建设用地面积(X0)的灰色关联度,以探究其主要驱动因素(表4)。

表4 吉林省城市建设用地扩张与驱动因子的关联度

研究发现,各驱动因子与吉林省建设用地扩张间的灰色关联度大于0.5,说明之间的关联程度显著。按照r值大小排序:第二、三产业产值比重(X2)>城镇化率(X6)>非农业人口比重(X5)>总人口(X4)>第一产业产值比重(X3)> GDP(X1)>全社会固定资产投资额(X7)。第二、三产业产值比重、城镇化水平和非农业人口比重是推动城市建设用地扩张进程的主要驱动因素,其他因素也有重要影响。

5.1 产业结构调整

产业结构即三次产业构成及其比例关系,其结构调整对城市建设用地扩张具有重要影响。以X3和X2来反映产业结构转型。吉林省第二、三产业产值比重与建设用地的关联度为0.9620,位居第一,表明第二、三产业产值比重是影响吉林省城市建设用地扩张的首要驱动因素。吉林省三次产业比从2000年的21.89∶43.95∶34.16转变为2014年的11.04∶52.79∶36.17;第一产业比重不断降低,第二产业产业持续增到2011年出现回落,说明当前吉林省建设用地扩张主要是第二、三产业对建设用地引致需求,产业结构不断优化,与吉林省的实际情况相符。产业结构调整,扩大第二、三产业用地规模,引致城市建设用地需求,同时农村人口迁移,对城市居住和公共基础设施需求提升,导致城市居住、道路、绿地及公共设施等用地日趋增长,区域产业结构调整影响土地利用结构,其相关性日益增强。

5.2 城镇化发展

城镇化是人口迁移、产业结构优化、土地及地域空间功能转型的变化过程,城镇化水平提高,对建设用地需求量也会增加。吉林省正处于快速城镇化发展阶段,其城镇化率从2000年的49.66%增长到2014年的54.81%,城镇化发展水平与城市建设用地扩张程度相适应,呈现相同增长趋势。吉林省城镇化率和城市建设用地面积的关联度达0.9615,仅次于第二、三产业产值比重,说明吉林省城镇化发展是城市建设用地扩张重要驱动因素。

5.3 人口因素

吉林省总人口和非农业人口比重与城市建设用地扩张灰色关联度分别为0.9575和0.9600,位居第四和第三。吉林省总人口和非农业人口均在2011年达到极值后开始下降,这与吉林省城市建设用地扩张变化趋势有一定相似性,说明人口因素是城市建设用地扩张的重要驱动因素。

5.4 经济增长

GDP和全社会固定资产投资额是反映经济因素的重要指标,两者与吉林省城市建设用地扩张的灰色关联度均达到0.6以上,表明经济增长与建设用地面积的关联度显著。期间，GDP增长了6.07倍,社会固定资产投资额增长了18.3倍,资金和投资结构优化为国家、省级重点项目建设与地方企业的大量兴起提供了物资基础,加大了对工业用地、仓储用地和基础设施用地的需求,经济快速增长必然导致城市建设用地需求增加,加快城市建设用地步伐。

6 结论

本文引入扩张速度指数、扩张强度指数,研究和分析了2000—2014年吉林省城市建设用地扩张时空特征,运用灰色关联分析法探究其驱动因素。结果表明:①研究期内,吉林省城市建设用地扩张呈现明显的时序性、阶段性特征。吉林省建设用地总量经历了初期平缓扩张—中期快速扩张—后期平缓扩张的变化过程;9地市(州)城市建设用地呈现平缓扩张初期的“辐射式”扩张、快速扩张中期的“阶梯圈层式”扩张;平缓扩张后期的“跳跃式”扩张。②3个时期吉林省9地市(州)城市建设用地扩张具有显著的地域差异特征。中部初期率先扩张、东部中后期显著扩张、西部后期迅速扩张的地域特征,且各地市(州)地域差异性日趋缩小,城市建设用地扩张趋向均衡、稳定的扩张态势。③研究期内,吉林省城市建设用地扩张驱动因子灰色关联度均大于0.5,说明其关联程度显著。按照r值大小排序为:第二、三产业产值比重(X2)>城镇化率(X6)>非农业人口比重(X5)>总人口(X4)>第一产业产值比重(X3)> GDP(X1)>全社会固定资产投资额(X7)。由此可知,产业结构调整、城镇化发展、人口因素、经济增长是吉林省城市建设用地扩张的重要驱动因素。