地形梯度视角下郑州城镇建设用地扩张格局时空动态特征

穆 博，张若兰，穆 涛，董娜林，盛思雨，赵汝婷，田国行

(河南农业大学 a.资源与环境学院；b.风景园林与艺术学院，郑州 450002)

0 引言

改革开放以来，人口和经济快速增长对用地空间的需求催生了中国高密度快速度的特色城镇化过程，城镇建设用地的扩张呈现明显的地域和速度差异。P.Gong等基于遥感影像对不透水面的反演解译结果显示，1978—2017年中国城市建成区面积增长速度非常快，人均不透水表面面积已超过日本等发达国家[1]。快速的城镇化过程和城市空间的无序扩张对生态环境和人类社会产生了很多负面影响[2-3]。其中，城镇建设用地的开发和建设对平原地区的耕地等农业空间的侵占尤为严重[4-5]，城镇建设用地和耕地对平坦地形的共同适宜性需求加剧了两类用地之间的冲突。虽有“占补平衡”等政策对耕地进行保护，但大多占补的耕地耕种条件较差，且位于距离城市较远的农村，而农民向城市的流动又导致大量耕地被撂荒[6-7]。2020年以来，国家又出台了更为严格的耕地保护政策和制度[8]。但中国大部分城市的城镇化仍处于持续增长的阶段，土地的开发建设与生态环境和耕地保护之间的矛盾和冲突依然尖锐。在有限的空间领域范围内和多重因素的制约下，中国未来城镇空间的发展何去何从？在国家经济和技术达到一定程度的基础上以及耕地严格保护的背景下，在地形地貌多样化的区域范围内，城镇空间的建设一味地向平原地区扩张、侵占更多优质农田的发展方式是不可持续的，能否向丘陵浅山区争取更多的发展空间，充分利用不同地形地貌，依形就势，从而营造更丰富的城市风貌和特色？这都是值得探讨的议题。

对城镇建设用地扩张格局的研究有助于更深入地理解人类对地球表面的改造和影响过程，进而更好地把握城镇发展方向。多年来，国内外学者从不同视角对城镇建设用地的扩张开展了研究。国外研究起步较早，在建设用地扩张模式[9]、驱动因素[10]和扩张管控[11]等方面进行过大量研究。国内研究起步虽晚但发展迅速，研究方向主要集中在格局演变[12]、扩张或收缩规律[13]、驱动力机制[14]和模型预测[15]等方面。尤其是随着科学技术的发展，遥感技术逐渐成为研究空间动态变化的有效手段，中高精度遥感影像和地理信息技术常被用来进行相关数据分析和量化研究[16]，涉及全国、区域、流域、城市群、都市区、市县乡等多种尺度。以往研究揭示了我国改革开放以来快速城镇化进程中城镇建设用地的演变规律和关联因素，为该领域的研究和国土空间可持续发展提供了科学依据。其中有研究显示，地形地貌对城镇建设用地和土地利用格局的影响和约束作用较大[17-18]，但对其空间关系的量化研究还较为欠缺。在已有研究的基础上，将自然地形要素与人类建城活动进行关联性研究，能更好地理解城镇建设用地在三维空间上的变化特征以及城市与自然的关系。因此，本研究以“依嵩山抱黄河”和“山丘向平原过渡地带”的郑州市为研究区域，基于Landsat遥感影像和ALOS高程数据对1995—2020年郑州市的城镇建设用地空间格局演变过程和地形地貌特征进行分析，揭示城镇建设用地扩张格局在不同地形域的梯度变化特征，以期对今后城镇建设用地的发展和规划提供一定的参考。

1 研究区域、数据来源与研究方法

1.1 研究区域

郑州位于黄河中下游和伏牛山脉东北翼向黄淮平原过渡的交接地带，地势西高东低，西部为沟壑连绵的山地丘陵地貌，东南为广阔的黄淮平原，北临蜿蜒九曲的黄河，有“西依嵩山北抱黄河”的地理格局。市域总面积7 446 km2，下辖五市一县六区(图1)，其中荥阳、巩义、新密和登封四市均位于西部浅山丘陵区，中牟县位于东部平原区，中心城区面积为1 010 km2，位于山区向平原的过渡地带。随着20世纪90年代高新技术产业开发区和经济技术开发区的建设和发展，郑州开启了快速城镇化过程，城镇建设用地迅速扩张，人口和经济飞速发展。2020年，郑州市常住人口1 260万人，城镇人口987.9万人，城镇化率78.4%，现已成为我国中部地区重要的中心城市、新一线特大城市和中原城市群核心城市。“十四五”规划郑州的发展目标是成为具有显著国际影响力的社会主义现代化国家中心城市。

图1 研究区域

1.2 数据来源和预处理

基于以往对郑州城乡景观空间格局演变过程研究的基础[4]，选取1995年、2004年、2013年和2020年为研究时间节点，从地理空间数据云网站获取4期基本无云、质量较高、季节相同的30 m分辨率Landsat遥感影像产品数据，用于提取研究对象。影像的解译采用ENVI 5.3软件进行校正、分类、精度验证和对象提取。分类结果包括城镇建设用地、林地、水域、耕地和其他用地5类用地。4个时期的用地分类总体精度分别为98.13%，98.89%，98.41%和97.63%。最后，借助ArcGIS 10.2软件对分类后的栅格数据进行重分类和目标对象提取。另外，郑州12.5 m ALOS高程数据来源于Local Space View平台，用于地形梯度的分析和研究。其他相关数据包括郑州市行政区划、Google Earth高清历史卫星精度影像、城市建设和发展统计年鉴等用于辅助影像解译和数据分析。

1.3 研究方法

1.3.1地形梯度分类分级。采用ArcGIS 10.2软件对郑州12.5 m ALOS数据进行高程和坡度信息提取与分析，采用自然断点法根据高程将郑州划分为4个地形区：平原区(6～186 m)、丘陵区(187～363 m)、浅山区(364～631 m)和深山区(632～1 459 m)(图2)。根据建设用地对地形坡度的常规要求[19]，将坡度分为3个等级：平坡型(<10°)、缓坡型(10°～25°)、陡坡型(>25°)。最后，将高程和坡度进行叠加处理，共划分为12个地形梯度类型(表1)。

图2 郑州地形区划分

表1 郑州地形梯度划分

1.3.2景观分布指数。为了避免各地形域范围不一致对研究结果的影响，采用景观分布指数定量分析各类景观在不同地形域上的分布特征[20]。该指数可以使不同范围之间的变量因子具有可比性。其值越大，表明某景观在某一研究区域内出现的频率越高[5]。计算公式为:

式中：P为景观分布指数；Sij为地形梯度i上景观j的面积;Sj为研究范围内景观j的总面积;Si为地形梯度i的面积;S为研究范围总面积。

1.3.3扩张程度指数。借鉴相关研究[21]，采用扩张程度指数来衡量城镇建设用地扩张特征。扩张程度指数是在扩张速度指数和扩张强度指数的基础上，借助内梅罗公式将两个指数进行标准化后合成的，可以兼顾两个指数的综合影响，能更加全面地反映郑州建设用地扩张的时空特征。计算公式为：

式中：EDI为扩张程度指数；ESI为扩张速度指数；EII为扩张强度指数；St和St+n分别为第t年和第t+n年的建设用地面积；S0为研究区域土地利用总面积。

1.3.4景观格局指数。景观格局指数在地表空间格局的演变过程研究中的应用已经非常广泛，能帮助人们深入理解空间形态和景观构成等方面的信息特征[22]。借助Fragstats 4.2软件，选取斑块密度指数(PD)、最大斑块指数(LPI)、面积加权平均分形维数(FRAC_AM)和聚合度指数(AI)4个景观格局指数，分别反映景观破碎度、景观优势度、景观形状和景观集聚程度，对不同地形梯度上的城镇建设用地景观格局进行量化比较。

2 结果与分析

2.1 城镇建设用地时空分布特征

在时间尺度上，1995—2020年郑州城镇建设用地的空间分布特征发生了巨大变化(图3)，有明显的向东南方向扩张的变化趋势，变化位置主要集中在中心城区周边，中心城区的规模不断扩大，且与周边城市组团和县市的联系越来越紧密。

图3 郑州城镇建设用地变化

由量化结果可知，郑州城镇建设用地总面积由1995年的646.86 km2快速增至2020年的2 266.73 km2，增加1 619.87 km2，增速为64.79 km2/a。其中，1995—2004年增加557.76 km2，增速为61.97 km2/a；2004—2013年增加626.51 km2，增速为69.61 km2/a；2013—2020年增加435.60 km2，增速为62.23 km2/a。总的来看，这3个阶段郑州城镇建设用地总面积在不断增长，且增速先增后降，其中，2004—2013年增速最快。2013年之后，一方面受空间和资源有限性的约束，另一方面在生态文明建设的引导下，政府对生态环境和耕地保护越发重视，郑州土地城镇化速度逐渐下降。

在空间梯度上，郑州城镇建设用地均集中分布在地势平坦和坡度平缓的平原平坡型和丘陵平坡型地形域内，且随高程和坡度的增加景观分布指数呈下降的梯度变化特征(表2)。在12种地形域中，平原平坡型和丘陵平坡型区域景观分布权重最高，其值均大于1，平原缓坡型、浅山平坡型区域次之，其他地形域分布权重较低，4个时期的景观分布指数最低值均位于深山陡坡型区域。在地形域上进行横向比较，城镇建设用地分布权重随地形和坡度的升高而逐渐降低，这是因为随着地形、坡度的增加，建设难度也相应增加，建设用地分布权重就越低。通过比较4个时期各地形域建设用地的景观分布指数发现,1995—2020年平原平坡型、平原缓坡型、丘陵平坡型区域城镇建设用地景观分布指数呈现出波动增加，而其他地形域内城镇建设用地景观分布指数均呈不同程度降低的变化趋势。2004年城镇建设用地在丘陵平坡型区域分布较多，随后保持向东部平原区发展的趋势。

表2 不同地形域城镇建设用地景观分布指数变化Tab.2 Change of landscape distribution index of urban built-up land on different terrain areas

从不同时间段不同地形域上城镇建设用地面积的增长速率来看(表3)，平原区增速最快，其次为丘陵和浅山区，且每类地形域内城镇建设用地的增长均主要发生在坡度小于10°的区域。郑州城镇建设用地的增长在高程和坡度上均表现出明显的梯度变化特征。

表3 不同阶段不同地形域城镇建设用地面积增长速率 km2/a

2.2 城镇建设用地扩张程度的时空动态

根据表4，平原平坡型、丘陵平坡型、丘陵缓坡型、深山平坡型区域3个时段的EDI均呈递减趋势，平原陡坡型和深山陡坡型区域的EDI均呈递增趋势，其余地形域的EDI呈波动增加或降低趋势，表明1995—2020年平原平坡型、丘陵平坡型、丘陵缓坡型、深山平坡型区域的建设用地扩张均呈减速扩张态势，而平原陡坡型和深山陡坡型区域建设用地扩张均呈加速扩张态势，其余地形域建设用地扩张呈波动扩张态势。1995—2004年丘陵平坡型区域EDI最高，平原缓坡型区域次之，丘陵陡坡型区域最低；2004—2013年平原平坡型区域EDI最高，平原陡坡型区域次之，深山陡坡型区域最低；2013—2020年，平原陡坡型区域EDI最高，平原缓坡型区域次之，浅山平坡型区域EDI紧随其后，丘陵陡坡型区域最低，且在同一地形域上，随坡度增加EDI基本上均呈降低趋势。通过比较不同时段郑州各地形域EDI情况，反映出郑州城镇建设用地的主要扩张方向呈前期向丘陵区发展、中期向平原区发展、后期向平原区坡度较大区域和浅山平坡型区域发展的特征。

表4 不同阶段不同地形域城镇建设用地扩张程度指数Tab.4 Comprehensive expansion intensity of urban built-up land on different terrain regions in different period

2.3 城镇建设用地空间形态的时空变化特征

城镇建设用地的增长主要集聚在各地形区的平坡型地带，因此，通过比较4种地形上平坡型区域的城镇建设用地景观格局指数变化过程可以一定程度上反映不同地形上人类活动强度，以及不同地形上城镇建设用地空间形态特征的变化过程。

斑块密度(PD)计算结果显示(图4a)，平原平坡型地形域上的城镇建设用地的斑块密度指数先降低后增加，2004年为转折点，2020年与1995年的斑块密度指数水平较为一致。丘陵平坡型地形域上的城镇建设用地斑块密度指数变化趋势也是先降低后增加，但在2004年之后，丘陵平坡型地形域上的城镇建设用地斑块密度指数增速较快；浅山平坡型和深山平坡型地形域上的城镇建设用地斑块密度指数也在2004年之后表现为显著快速增加。表明人类活动强度在2004年之后大幅增加，且造成不同地形区城镇建设用地景观破碎度的增加，其中平原区由于城镇建设用地的快速扩张和蔓延，其景观破碎度增加缓慢，而丘陵、浅山和深山区则可能是由于城镇建设用地的点状增加和自然地形的阻隔等因素的影响出现城镇建设用地景观破碎度快速增加的变化趋势。

1995—2020年城镇建设用地的最大斑块指数(LPI)、面积加权平均分形维数(FRAC_AM)和聚合度指数(AI)均表现出明显的地形梯度差异特征，随时间的变化趋势较相似，均随地形的升高而降低(图4b～4d)。1995—2020年各地形区的平坡型区域城镇建设用地的最大斑块指数和面积加权平均分形维数均呈增加趋势，表明其景观优势度和景观形态复杂程度均增加，其中，平原平坡型增速最快，增幅最大；1995—2020年聚合度指数均呈先增后降的变化趋势，其中以2013—2020年降速最快，这可能是由于该时期郑州实施了组团式的城镇空间发展战略，避免了城镇建设用地“摊大饼式”的增长。不同地形梯度相比之下，平原平坡型地形域上的城镇建设用地分布更加集聚，而丘陵山区受地形阻隔作用，城镇建设用地分布较分散。

3 结论与讨论

3.1 结论

(1)1995—2020年，郑州市城镇建设用地规模快速增加，扩大2.5倍，其中2004—2013年城镇建设用地面积增速最快。

图4 平坡型地形域上城镇建设用地景观格局指数变化

(2)城镇建设用地的扩张在高程和坡度上均表现出明显的梯度变化特征，且主要集中在平原平坡型和坡度小于10°的地形域上，坡度对城镇建设用地扩张的约束作用更加明显。平原平坡型地域内城镇建设用地的景观破碎度较小，聚集性较强，空间形态较复杂。1995—2020年城镇建设用地的最大斑块指数、面积加权平均分形维数和聚合度指数均表现出随地形的升高而降低，以及在各地形域随时间的变化趋势较相似的特征。

(3)城镇建设用地的主要扩张方向呈现前期向丘陵区发展、中期向平原区发展、后期向平原区坡度较大区域和浅山平坡型区域发展的特征。

3.2 讨论

(1)影响城镇建设用地扩张格局与城市空间形态的因素有很多，地形地貌是最为基础的限制和约束因素。通过研究可知，地形地貌对城镇建设用地的空间分布、扩张方向和扩张强度影响均较大。在快速城镇化初期，我国财富和城市经济水平有限，受建设成本的影响，中国的城市扩张主战场主要在平原地区，导致大量的优质耕地被侵占或置换，尤其是在大城市的城乡结合部区域，城市建设用地与耕地的冲突较大，耕地减少较多。为了保证耕地总量的不减少，浅山区或滩涂区被开垦为新的耕地，而这些区域的耕地由于耕作不便最终被撂荒，导致真正进行耕种的耕地数量锐减。因此，这一阶段的城镇化和建设用地的扩张一度被认为是以牺牲耕地为代价的。随着城镇化进程的逐步推进，社会经济水平的大幅提高，人类对生态环境的重视，以及人与自然和谐共生理念的升华，一些城镇化水平较高的城市开始提出城市与其周边自然山水要和谐共存，城市空间向浅山区发展能够节约更多的耕地和有利于塑造更丰富更有特色的城市风貌等观点。如叶剑平等[23]研究了福建省城市空间拓展方向，根据福建省的实际情况总结出一条“挖潜、上山、下海”的发展道路，其中“上山”指对丘陵山区的合理开发。2020年北京市发布的《北京市浅山区保护规划》提出浅山区发展战略，把高程在65～300 m、坡度在2°～20°的地区确定为浅山区，明确浅山区建设不能重复过去城市建设出现的过度开发占用耕地资源的问题，而是在国家生态保护建设的背景下有序地、有规划地进行。一些学者也针对北京浅山区的土地利用发展战略进行了探讨和研究[24-25]。在现代科学技术的迅速发展下，对地形复杂区域的合理开发和科学利用已经不再是技术难题。郑州平原区面积较大，丘陵和浅山面积占全市面积的37%，可利用土地资源较为丰富，对这些区域的合理开发有助于缓解用地矛盾，塑造富有中原特色、嵩山文化和黄河文明的城市风貌特征，凸显郑州“依嵩山抱黄河”的城市风貌特色，实现将城市轻轻放在山水间的美好愿景。

(2)改革开放以来，中国的城镇化过程是快速粗暴的、无序不健康的[26]。虽然在21世纪生态文明建设战略的导向下，无序的城市扩张现象有所缓解[27]，但“人与自然、城市与耕地”的矛盾依旧突出。人类对地球的剧烈扰动使地球环境不堪重负，近年来，极端天气和自然灾害频发，疾病疫情蔓延肆虐，亟需探索更符合科学规律、更适应气候变化和更具韧性的城市建设法则。对郑州这种“依山抱河”的城市，应科学处理城市的开发建设与地形地貌的关系，做好竖向规划。“山城相依、自然做工”的发展理念有助于城镇空间的健康发展。在新时代发展背景下，未来的城镇建设发展过程应更加重视山与城的关系，充分利用自然地形的排水排涝作用来营造更加科学的城市竖向空间，降低城市内涝风险，同时减少城市用地与耕地的冲突，利用自然地形对城市空间的自然阻隔作用避免城市的过度密集和“摊大饼式”发展，以人与自然和谐相处为宗旨，营造更健康的城镇空间。