城市收缩背景下鹤岗市土地利用结构演变研究

耿 聪，董会和，吴思宇

（吉林大学地球科学学院，长春 130061）

收缩城市一词起源于德国，国外已有30多年的研究历史［1］。中国学术界近几年才开始关注城市收缩的问题。吴康等［2］、龙瀛等［3］基于人口的统计数据对全国的收缩城市进行了识别。张伟等［4］从人口、经济、空间3个方面对收缩城市进行了多维度识别。刘春阳等［5］将中外收缩城市动因机制与表现特征进行对比分析，发现存在全球化、去工业化、人口老龄化等共同动因，但对于中国而言，西方发达国家收缩现象出现的更早，且收缩程度更高。多数学者均认为人口衰减是城市收缩的核心特征，同时伴随着经济衰退和空间衰败［2，6］，而在空间表现上，中国又呈现出与西方国家不同的特点［5］。目前关于城市收缩的研究大部分集中在收缩城市的识别、表现特征、产生机制等方面，而在城市收缩背景下，土地利用结构的演变还缺乏更加深入的研究。

城市是一个复杂的系统，土地作为其中一个重要的子系统，是表征城市发展动力的景观载体［2］。土地利用结构的演变是土地城市化的核心体现［7］。徐丽华等［7］、马淇蔚等［8］利用RS和GIS技术，并结合土地转移矩阵、重心迁移模型分析了杭州市近15年来土地利用结构的时空演变；李志英等［9］运用GIS和象限分析法对昆明市中心城区的建设用地扩展特征进行了研究。Rimal等［10］利用CA-Markov模型分析了尼泊尔南部土地利用变化的时空特征。孙雁等［11］在GIS技术支持下，研究了沈阳市近百年来土地利用结构的变化及互相转化特征。黑龙江省鹤岗市作为东北地区典型的煤炭资源型城市，由于资源枯竭已经表现出比较明显的城市收缩特征。本研究以鹤岗市作为研究区，深入探索城市收缩背景下土地结构演变过程及特征，以期为资源枯竭型城市经济转型、用地规划、完善收缩城市的研究框架提供参考借鉴。

1 鹤岗市城市收缩概况

鹤岗市下辖六区两县，研究区为鹤岗市中心城区，包括向阳区、兴山区、工农区、南山区、兴安区的全部以及东山区的南部，总面积约1 364 km2。鹤岗市是黑龙江省四大煤城之一，1918年开始采煤，原煤产量曾居全国第四位。经过百年开采，煤炭资源枯竭殆尽，昔日辉煌已不在，呈现“煤竭城衰”的局面，而且面临着生态环境的恶化，2011年被确定为全国第三批资源枯竭型城市［12］。根据第五次、第六次全国人口普查公报，鹤岗市市区常住人口由69.46万人下降到66.45万人，减少3.01万人。人口与经济统计数据显示，2001—2016年鹤岗市总人口持续减少，人口净减少4.7万人；GDP指标2001—2012年持续增长，但2012—2014年明显下降，2014年以后下降趋势减弱（图1），2017年鹤岗市市区人均GDP为22 946元，远低于全国（59 660元/人）平均水平。按照人口与经济指标界定，鹤岗市已经表现出明显的城市收缩特征。

图1 2001—2016年鹤岗市市区人口、GDP变化

2 数据与方法

2.1 数据来源与处理

2.1.1 统计数据 由于统计年鉴中缺失连续的常住人口数据，故采用市区年末户籍人口进行分析。采用的市区人口及市区GDP数据来源于《中国城市建设统计年鉴》（2002—2017年）、《中国城市统计年鉴》（2002—2017年）。

2.1.2 遥感影像 遥感影像数据来源于Landat-5TM、Landsat-7 ETM+（SLC-on）、Landsat-8 OLI影像，行列号为（116027），具体拍摄时间分别为2001年11月10日、2006年9月29日、2011年9月11日、2016年8月23日。2001年与2016年的遥感影像分辨率为15 m，2006年与2011年的遥感影像分辨率为30 m。鹤岗市中心城区土地利用规划图（2006—2020年）来源于中华人民共和国自然资源部官网。

在ENVI中对遥感影像进行辐射校正、几何校正、边界裁剪等预处理后，采用最大似然法进行监督分类。样本分离度均在1.8以上，其中耕地与林地分离度相对较低，是产生误差的主要原因，结合同期影像、土地利用规划图以及Google Earth进行目视解译，人为修改错分地类，最终得到2001年、2006年、2011年、2016年遥感影像监督分类的Kappa系数分别为 0.989 3、0.979 5、0.938 4、0.998 6，满足精度要求。

2.2 土地利用结构变化分析方法

2.2.1 土地利用转移矩阵 马尔可夫过程是一种特殊的随机运动过程。一个运动系统t+1时刻的状态与t时刻的状态有关，与t时刻以前的状态无关［13］，土地利用变化的过程与马氏可夫过程相符。基于马尔可夫链的转移矩阵分析法已在土地利用格局动态变化的研究中广泛应用［8］，其数学表达式为［7，13，14］：

式中，Pij为土地类型i转变为土地类型j的转移概率［7］。土地利用转移矩阵可以清晰地刻画由t时刻至t+1时刻不同土地利用类型之间相互转变的数量及概率。

2.2.2 重心转移模型 王秀兰等［15］将地理学中的人口重心分布原理应用到土地利用中，通过计算不同时期各土地利用类型面积的重心来研究土地利用的空间变化。借助ArcGIS的空间分析功能，得到重心坐标，并计算转移距离和角度。

式中，（Xt，Yt）为t时刻某种土地利用类型的重心坐标，Cti表示t时刻该种土地利用类型第i个区域的面积，（Xi，Yi）表示t时刻该种土地利用类型第i个区域的重心坐标［15］。

从t时刻到t+1时刻重心转移距离D的计算公式［7］：

从t时刻到t+1时刻重心转移角度θ的计算公式如下，其中θ为重心转移方向与正东方向夹角，范围0°～360°［7］。

2.2.3 象限方位分析法 象限方位分析法用于分析不同时期各个方向上建设用地的增减特征［9］。运用ArcGIS，以2001年建设用地重心作为中心点，即鹤岗市南山区获胜一队村一带，建立半径为35 km的缓冲区，并将其分为16个等扇面，再与不同时期的建设用地增量、减量相叠加，得到各个方向上的增、减面积。建设用地减量的获得过程与增量相反。最后结果以雷达图的形式呈现［8，9，16，17］。

2.3 土地利用分类

根据土地利用和覆被类别的波谱特征和中等分辨率遥感影像的特征［18］以及研究区土地利用状况，并参照《土地利用现状分类》（GB/T 21010—2017），将土地利用类型分为5类，分别为耕地、林地、水域、建设用地和其他土地，其他土地包括裸土地和裸岩石砾地。

3 土地利用结构演变分析

3.1 土地利用类型的变化

各土地利用类型面积和比例的统计结果见表1，ENVI对研究区遥感影像监督分类的结果见图2。总体来看，鹤岗市中心城区耕地面积占比最高，各时期占比均在50%以上，其次是林地，占比20%左右，而建设用地占比为9%左右，水域和其他土地占比均不到5%（表1）。耕地与林地的总和达80%以上，这也印证了鹤岗市是黑龙江省重要的木材产区和商品粮生产基地。

耕地主要分布在东南部，为三江平原的边缘地带，地势平坦适宜耕种，有大面积的水田和旱地；林地分布在西北、西南，正南也有小部分林地；建设用地集中分布在西部，农村居民点零星散落在东南部的耕地中间；水域和其他土地夹杂在林地和耕地之间，呈点状和条带状分布（图2）。西部山区建有多个水库，东部为鹤立河与梧桐河交汇处，分布大量滩涂。

1）耕地的变化。从数量上看，耕地面积在持续减少。2001年耕地面积为930.32 km2，2016年耕地面积减少至798.32 km2，共减少132.00 km2。其中，2001—2011年，耕地仅减少40.43 km2，占比下降2.98个百分点；2011—2016年为耕地面积的锐减阶段，减少91.57 km2，占比下降6.70个百分点。由于耕地基数大，分布广，在空间上衰退表现并不明显。

2）林地的变化。2001—2016年林地整体呈增加趋势，前期面积稍有减少。2001—2006年林地减少33.87 km2，占比下降2.49个百分点；2006—2016年林地面积增长较大，共增长73.19 km2，占比增长5.37个百分点。林地面积的增加得益于鹤岗市加大植树造林力度，提高森林覆盖率的政策，以充分发挥林地调节生态环境、水土保持的重要作用。

表1 2001—2016年鹤岗市中心城区土地利用结构

3）建设用地的变化。建设用地始终处于增长的态势，2001—2016年共增加80.53 km2，占比增长5.90个百分点。其中，2011—2016年建设用地增长速度最快，占比增长3.18个百分点；2001—2006年次之，占比增长2.00个百分点；2006—2011年增速最慢，占比仅增长了0.72个百分点。城市建成区面积的扩张是建设用地增加的主要原因，农村居民点扩张不明显。

4）水域的变化。水域的面积在2001—2016年共减少了14.44 km2，占比下降了1.06个百分点。西部水库面积变化不大，主要是东部滩涂面积在减少。其他土地数量少，分布零散。

图2 2001—2016年鹤岗市中心城区土地利用结构

表2 2001—2016年鹤岗市中心城区土地利用类型转移矩阵（单位：km2）

3.2 土地利用类型的相互转移

每种土地利用类型均存在转入、转出、不变3种情况［11］，转入即增加，转出为减少。利用ENVI计算研究区每隔5年土地利用变化的转移矩阵（表2），来探究土地利用结构动态变化的具体情况。由表2可知，2001—2016年耕地与林地的转入、转出面积始终较突出，说明耕地与林地的流动性大；水域的流动性最小。

自2001年起，每隔5年耕地的转入面积分别为83.25、87.53、61.01 km2，转出面积为 92.92、118.41、152.32 km2。耕地的转出面积始终大于转入面积，所以耕地始终在减少。耕地转入的面积主要来自林地，而2006—2011年，有1/4以上的转入面积源于建设用地。耕地的主要去向分为两部分，一是转变为林地，二是转变为建设用地。耕地与林地之间的流转根源在于农业结构的调整。自2008年起，鹤岗市开始实施煤矿棚户区改造工程，一部分拆旧区经过整治后转变为耕地，所以2006—2011年建设用地转入耕地的数量较多。耕地变更为建设用地是城镇扩张的典型表现。

2001—2006年、2006—2011年和2011—2016年林地的转入面积分别为 60.18、81.22、113.14 km2，转出面积分别为93.83、65.67、54.91 km2。林地的转入面积一直在增加，转出面积一直在减少，进而导致林地总面积的变化分为两个阶段，2001—2006年处于下降阶段，2006—2016年为上升阶段。林地的增加主要源于耕地的大量转入，主要去向同样是演变为耕地，林地与耕地存在双向流转。这表明退耕还林持续推进，毁林开荒的现象也被逐步遏制。此外，林地的增加也得益于部分建设用地的转入，这部分建设用地主要是废弃的矿区。比如，矿区最北端的兴山煤矿废弃后，通过土地复垦转变为林地。

2001—2006年、2006—2011年和2011—2016年建设用地的转入面积分别为50.85、45.09、60.23 km2，转出面积分别为 23.78、35.17、17.92 km2。建设用地的增量始终大于减量，呈增长态势。建设用地的扩张主要占用的是耕地，建设用地的流出多是转变为耕地、林地，极少部分转变为水域或其他土地。增加的建设用地主体为城镇用地，减少的建设用地大多是采煤沉陷区和农村居民点。

鹤岗市水域面积无论是整体的增减，还是转移量大小的对比，其变化相对较小。水域各个阶段的转入量分别为 5.84、5.16、3.52 km2，转出量分别为6.45、12.27、10.42 km2，转出面积均大于转入面积，水域总面积在减少，后两个阶段下降趋势更加明显。其他土地数量的变化和其与耕地、林地之间的流转相关。

表3 2001—2016年鹤岗市中心城区各土地利用类型重心转移距离及角度

图3 2001—2016年鹤岗市中心城区各土地利用类型重心转移轨迹

3.3 各用地类型的重心转移

根据表3和图3，重心转移距离最小的是耕地，最大的是水域。2001—2016年耕地总面积以及流转面积的变化都是非常显著的，但耕地的重心转移距离却是最小的，两者矛盾的主要原因是耕地总量大、分布广，几乎遍布整个中心城区，面积的增减对重心转移的影响不大。水域则恰好相反，水域的总面积以及流转面积是各地类中变化最小的，而重心转移距离是变化最大的，原因在于水域总量少，分布不集中，散落在中心城区的东西边缘，因而面积的变化对重心转移影响大。

2001—2016年，耕地重心先向东北迁移，后持续向东南转移，转移距离较小，总的来说重心稍向东南方向转移（图3a）。中心城区的东部是大规模的农田，决定了耕地重心的基本位置。梧桐河、鹤立河流域的部分滩涂转变为耕地，建设用地西南向的扩张占用耕地，综合导致耕地重心向东南迁移。

2001—2016年，建设用地的重心转移过程为正南—西南—东南，总体在向西南方向偏移（图3b）。鹤岗市建成区北部为林地，东部为矿区，由此限制了建设用地的发展方向。鹤伊公路为西部的发展提供了牵引力，带动着沿线的经济。南部建有鹤大公路、鹤北铁路，交通便利，为建设用地南部扩张奠定了基础。鹤岗市政府于2011年提出建设鹤西生态新城、鹤南工业新城的“两城”建设战略决策［19］，带动了建设用地向西、向南方向的扩张。除此之外，位于建成区东北方向的采煤沉陷区棚户区改造工程削减了部分建设用地，推动了重心向西南迁移。综上所述，建设用地逐步向西南推进，而耕地向东南后退，二者此消彼长，轨迹相悖。

林地的重心经历了向东南、西北又向东南转移的过程，整体来看，林地的重心在向东南迁移（图3c）。其中，2011—2016年向东南方向转移距离较大，为2 059.37 m。鹤岗作为一个以煤矿为主导产业的资源型城市，随着煤矿的枯竭，正面临着经济、产业结构转型的问题。由此，根据《鹤岗市国民经济和社会发展“十一五”规划和2020年远景目标纲要》以及生态省战略的实施，鹤岗市大力支持林业的发展，在河流周边建设林业生态工程，并完善了农田道路防护林体系，进而导致林地的重心向东南迁移。

水域的重心迁移轨迹为西南—西北—西北，整体而言在向西北转移（图3d）。2006—2011年转移距离为6 073.99 m，2011—2016年转移距离为5 624.15 m。水域分布在中心城区的东西边缘，东部为河流、滩涂，西部水库居多。为了实现耕地占一补一、占补平衡，东部滩涂被围垦为耕地，面积逐年减少，因此水域重心大范围向西北转移。其他土地的数量少且研究意义不大，故这里不做分析。

3.4 建设用地的扩张与缩减

根据象限法得到图4和图5，据此分析不同时期鹤岗市中心城区建设用地在各个方向的变化。二者对比分析，发现各个阶段建设用地扩张或缩减的主方向大致重合。

由图4可知，2001—2016年，建设用地在各个方向均有扩张，正南和西南方向的扩张尤为突出。《鹤岗市土地利用总体规划（2006—2020年）》确定，在兴安区西侧设立鹤西新区，带动西部发展；位于南部的新华镇是煤电产业链重点建设区域；东部依托哈萝公路发展工业用地。2011年，鹤岗市市委、市政府提出城市发展战略是“南兴、西拓、北开、东治、中升”。其中，“南兴”指的是将红旗乡撤乡变镇整建制划归兴安区，把兴安区建设为“鹤南新型工业城”［12］；“西拓”战略是建设松鹤生态新区，即鹤西新城［20，21］。在“南兴”“西拓”战略引领下，建设用地持续向南、西南以及西部扩张。相较于西部，正南以及西南向的发展更为迅速。南部有鹤大公路、鹤北线，交通便利，除此之外，还有准备开发建设的新南煤矿［22］。由此，鹤南市工业城有望成为新的增长极［12］。

图4 2001—2016年鹤岗市中心城区建设用地增量空间分异（单位：km2）

由图5可知，2001—2016年，主要是北部和南部的建设用地在减少，转变为其他土地类型，其中2006—2011年减少量最大。鹤岗市是一个因煤而兴的资源型城市，经过百年开采，近年来面临着煤炭枯竭、生态环境恶化等问题。目前，鹤岗市致力于经济转型，由矿业城市向生态城市转变，发展文化产业、旅游产业［12］。北部的煤矿废弃后被复垦为林地，南部重点整治兴安区采煤沉陷区，建设城市生态防护带。为提高村镇用地的集约度，鹤岗市加强了村镇用地的整理，使村镇空闲地减少。另外，采煤沉陷区棚户区改造也是造成建设用地减少的原因之一。

图5 2011—2016年鹤岗市中心城区建设用地减量空间分异（单位：km2）

4 结论

鹤岗市在人口和经济增长表现为明显收缩状态下，城市建设用地仍处于增长状态，这种人口流失与用地空间扩张相悖的现象在中国大多数收缩型城市都普遍存在。鹤岗市土地利用结构演变格局主要表现为4种主要土地利用类型的变化为“两增两减”，即建设用地和林地总量增加，耕地与水域总量减少。耕地、林地的转移量大，水域的转移量最小；耕地的主要来源和去向都为林地，二者存在大面积的双向流转，建设用地的主要来源是耕地，流出转变为耕地、林地的原因有棚户区改造、废弃工矿地复垦、村镇居民点整理。中心城区土地利用呈现出“西北为林地，耕地居东南，中部建成区，水域分两侧”的空间格局。

各土地利用类型中，重心转移距离最大的是水域，最小的是耕地。2001—2016年耕地重心向东南转移，建设用地重心向西南偏移，两者进退消长、方向相悖。林地重心向东南转移，水域重心则转向西北。建设用地表现出“北退南扩”的空间演变特点，北部处于收缩状态，南部则持续扩张，南部建设用地的增减量都比较突出，这也符合建设用地重心南移的特征。鹤南工业城有望成为新的增长极，促进深加工产业、高新技术产业的大力发展，替代传统煤炭产业，走可持续发展、生态文明的道路，带动鹤岗市实现经济转型、产业升级。

城市收缩对建设用地影响大，2001—2011年建设用地转入量减少，转出量增多，扩张速率降低，但是在2011—2016年建设用地扩张速度反弹，转入建设用地的面积明显增加，转出量下降。建设用地主要沿煤炭产业带和农村居民点收缩。