The Evolution of Urban Ecological Spatial Pattern of Typical Karst Mountainous Cities——A Case Study of Huaxi District of Guiyang City

贵阳市花溪区地处云贵高原苗岭山脉中段，贵州高原的第二台阶上，长江流域和珠江流域的分水岭带(图 1a)，距离贵阳主城区仅12 km.地势呈明显的东西高、中间低特征，东南部最高，海拔1 400 m以上，中部海拔在1 100 m左右.全区剥蚀丘陵与盆地、谷地、洼地相间，地貌破碎.亚热带湿润温和型气候，冬无严寒，夏无酷暑，气候宜人.区内大小河流51条、总长约390 km，松柏山水库、花溪水库两座中型水库总库容达约7 140万m³，阿哈水库、百花湖的重要流域也在花溪区，因此该区也是贵阳市重要的水源保护区. 2000年贵州省全面启动天然林保护工程，由于贵阳环城林带生态防护林建设的需要，花溪区成为天然林保护工程实施的重点地区；创建“两湖”生态功能示范区等均对花溪区自然、社会与经济发展产生重要影响. 2017年发布的《花溪区土地利用总体规划(2006-2020年)调整方案》围绕花溪区2006年至2020年发展空间格局，规划通过土地利用方式转变，实施集约高效、保护优先、可持续发展的战略，开展基本农田调整划分、建设用地节约集约利用、生态保护红线划定、开展饮用水源地保护工程、基础型生态用地保护等措施，规划至2020年林地面积达到36 145.47 hm²，基本农田面积达到22 421.07 hm²，生态保护红线面积总规模达到25 162.26 hm²，以实现土地利用与生态环境保护的协调持续发展.

本研究以贵阳市花溪区2008年Landsat-5遥感影像(坐标系统WGS_1984_UTM_Zone_48N，空间分辨率30 m×30 m)、2013年及2018年Landsat-8遥感影像(坐标系统WGS_1984_UTM_Zone_48N，空间分辨率15 m×15 m)为主要数据源，开展研究区土地利用变化研究.遥感影像来源于地理空间数据云网站(http://www.gscloud.cn/)，各时期遥感影像获取时间均介于7-9月，各影像含云量均小于5%，数据质量较好.首先，基于ENVI 5.3软件对3期遥感影像进行几何校正、图像镶嵌、图像剪裁和图像增强等预处理；进而，依据全国土地利用分类标准，结合研究区实际情况，建立相应的土地利用解译标志，运用支持向量机监督分类方法，将研究区土地利用分为建设用地、耕地、林地、灌木林地、草地、未利用地和水域等7种类型，得到花溪区2008年、2013年和2018年3期土地利用类型空间分布图，3期土地利用监督分类精度均达到90%以上，Kappa系数0.85以上，精度满足本研究需要.

基于ArcMap10.4软件平台，开展花溪区近10年土地利用时空变化特征与演变规律研究，主要包括土地利用面积和强度变化两部分.其中：土地利用变化幅度用于表征土地利用变化量；土地利用单一动态度用于表征某一类型土地利用变化的速度；综合土地利用动态度用于表征区域整体土地利用变化的速度；土地利用程度综合指数用以表征土地利用广度和深度，反映自然和人类因素的综合效应；土地利用转移图谱用于表示不同地类的转入转出及空间分布特征；土地利用梯度分析用于表征不同土地利用的空间差异，借鉴相关研究对城市土地利用空间梯度研究的梯度划分方法^[11]，本研究以花溪区人民政府为缓冲中心，选取3 km为缓冲半径，同时，将缓冲区分割为4个象限(图 1b)，分析不同方位不同空间梯度的土地利用变化规律.各指标计算公式或方法详见文献[12-15].

统计分析2008-2018年花溪区不同土地利用类型面积特征，可以看出(表 1，图 2，图 3)：10年间，花溪区不同土地利用类型面积变化剧烈，典型的农业用地主导型土地利用格局被打破，表现为以耕地为主的农业生产用地大量缩减，以林地为主的生态用地和以建设用地为主的生活用地占比快速提升.具体而言，2008年，研究区耕地面积44 029.26 hm²，占比53.38%，占有绝对优势，其次为林地和灌木，建设用地仅有3 657.87 hm²，占比4.43%. 2013年，建设用地和林地快速增加，分别达到7 794.27 hm²和31 358.25 hm²，耕地面积表现出快速减小趋势，但依然是耕地面积最大，其次是林地和建设用地.而2018年，林地面积由2008年的22 724.01 hm²增加到36 084.78 hm²，占比达到43.75%；同时，建设用地面积倍数增长，增至11 938.05 hm²，占比达14.47%，较2008年增加8 280.18 hm²；而耕地面积占比从2008年的53.38%降至27.19%，减幅最大，合计减少21 599.73 hm².即2018年，研究区优势最明显的土地利用类型已由耕地转为林地，其次为耕地和建设用地.

从土地利用单一动态度和综合动态度来看(表 1)，2008-2018年研究区土地利用增速最快的是未利用地，年增速达62.68%，其次是建设用地和林地，土地利用单一动态度分别为22.64%和5.88%；衰减最快的是耕地，达到-4.91%.相较而言，林地和建设用地前一时期变化速度明显快于后一时期；耕地和未利用地后一时期快于前一时期；总体上，2008-2018年研究区土地利用格局整体变化速度较快，前后两个时期分别为3.2%和3.49%，10年平均动态度为2.79%.

土地利用程度是土地利用广度和深度的具体表现，不仅可以反映土地利用资源自身的自然属性，同时也可以反映出人类因素与自然环境条件的综合效应.结合表 1和图 2，从2008-2018年研究区土地利用程度相关指数可以看出(表 2)：2008年、2013年和2018年研究区土地利用程度综合指数分别为261.98，262.59和254.21，呈现轻微增加而后减小的趋势.并且2008-2013年，由于快速城市化驱动下城镇聚落用地级面积的大幅增长，加之农业用地级面积的传统优势地位，研究区土地利用程度变化量和变化率分别为0.61和0.23%，土地利用处于发展期；而2013-2018年间，在快速城市化进程和生态环境建设双重影响下，研究区农业用地级面积大幅减少，林草水地级用地逐渐成为主导优势型土地利用类型，土地利用程度变化量和变化率分别为-8.38和-3.19%，研究区土地利用进入快速调整期.整体而言，2008-2018年的10年间，花溪区城市化发展与生态环境保护和建设耦合，土地利用总体处于明显的调整期.

依据研究区不同时期土地利用空间转移图谱，统计分析不同时期土地利用类型的时空转移特征，可以看出(图 4)：10年间，花溪区土地利用转移以耕地、灌木林地的大量转出，林地和建设用地的大量转入为显著特征.其中，耕地主要转出为林地、建设用地、灌木林地和未利用地，分别转出9 638.10，7 661.52，3 876.75，1 299.96 hm²；灌木林地主要转出为林地(约5 187.78 hm²)；林地转入贡献率最大的是耕地和灌木林地，分别转入9 638.10 hm²和5 187.78 hm²；建设用地的转入主要来源于耕地，转入7 661.52 hm²，占总转入面积的近90%.具体而言，2008-2013年，花溪区土地利用空间转移以耕地和灌木林地的净转出，林地和建设用地的净转入为主要特征.其中：耕地共转出11 563.20 hm²，转出率为26.26%，主要转为林地(5 474.43 hm²)、建设用地(4 133.79 hm²)、灌木地(1 396.71 hm²)和未利用地(406.26 hm²).而转入耕地的仅4 066.92 hm²，主要由灌木林地和林地的转入为主，转入率为11.13%；灌木林地转出面积7 507.71 hm²，转出率为77.22%，主要转为林地和耕地；林地转出面积2 269.71 hm²，转出率为9.99%.而转入面积达到了10 903.95 hm²，转入率为34.77%；建设用地转出313.29 hm²，主要转出为耕地224.91 hm²，转出率为8.56%.而转入建设用地的面积是4 449.69 hm²，转入率为57.09%. 2013-2018年不同土地利用类型的转移规律与2008-2013年基本一致，且耕地转出幅度继续增大，建设用地和林地持续净转入，较大面积的未利用地转入建设用地，同时，耕地和建设用地转为未利用地面积明显上升.

进一步分析不同土地利用类型在不同区域空间上的转移特征，可以发现：10年间，研究区土地利用空间转移表现出明显的空间分异特征.其中：中北部的石板镇、清溪社区、小孟社区、贵筑社区、溪北社区和孟关乡等6个乡镇(社区)受城市化进程的影响较大，表现为建设用地大量增加的特征，主要由原耕地转移为建设用地.而研究区西南部的燕楼镇和马铃乡、东南部的高坡乡和黔陶乡以及西北部的麦坪乡和久安乡等6个乡镇则以林地的大量转入为主要特征.但不同时期各土地利用类型空间转移的程度不同，2008-2013年，土地利用空间转移较剧烈的区域主要集中在石板镇、溪北社区、清溪社区、小孟社区、孟关乡、高坡乡和燕楼乡等7个乡镇(社区)，其中，研究区南部的高坡乡和燕楼镇以林地的净转入为主，其他5个中北部的乡镇(社区)均以耕地向建设用地转移为主；2013-2018年，转移较明显的乡镇(社区)主要集中在石板镇、久安乡、贵筑社区、麦坪乡和高坡乡，其中，石板镇、贵筑社区和麦坪乡表现为耕地向建设用地和灌木林地的转移，而久安乡和高坡乡主要是耕地向林地和灌木林地的转移.

以花溪区行政中心为中心，通过4个象限不同空间梯度缓冲带土地利用程度的变化特征，可以看出(图 5)：花溪区不同象限不同空间梯度土地利用结构变化具有明显的差异性. 10年间，随着距行政中心的距离不断增大，第一象限(图 5a)土地利用程度综合指数呈“先增后减”的特征，第二象限(图 5b)总体呈“先减后增”的特征(2013年除外，表现为先平缓增加后减小而后增大的特征)，而第三(图 5c)和第四象限(图 5d)均呈现出波动减小的趋势.结合图 3，研究区各象限土地利用程度综合指数增大主要由于建设用地的增加所致，一定程度上反映了花溪区城市化发展水平和扩展方向，而土地利用程度综合指数的减小主要由林地、灌木林地等的大量转入所致，反映了花溪区生态用地的分布区域和建设方向.

由于城市扩展方向和生态建设的空间差异，不同时期研究区土地利用空间梯度变化也呈现出明显差异. 2008-2013年，第一象限(东北方向)除第5缓冲带外，其他缓冲带土地利用程度指数均有不同程度的增加，尤其是第2和第3缓冲带，土地利用程度变化率上升8.63%和4.19%；同时，第二象限(西北方向)的第1-2和5-6缓冲带、第三象限(西南方向)的第1-5缓冲带、以及第四象限(东南方向)第2-3、第8-9缓冲带土地利用程度指数增大，土地利用处于发展期；其他缓冲带土地利用程度指数减小，处于土地利用调整期.2013-2018年，除第一和第四象限的第3缓冲带，第二和第三象限的第1、第3缓冲带土地利用程度指数略有增加(其中，土地利用程度增加较大的区域分布在第二和第三象限的第1缓冲带，土地利用程度变化率分别为4.53%和1.90%)，其他方位的缓冲带土地利用程度均不同程度地减小，整体处于土地利用调整期；总体上，10年间，研究区以快速城市化驱动建设用地增加的土地利用快速发展区域主要集中在距花溪区行政中心0~9 km范围的第1-3缓冲带，且随着距行政中心的距离增大，研究区外围土地利用程度指数均呈减小的趋势，表现为林地、灌木林地等生态用地的大量转入.

黔中喀斯特山地城市具有城山镶嵌的典型景观特征，近年来，喀斯特山地城市土地利用格局正在发生剧烈变化，如何协调城市发展和生态保护的关系，优化喀斯特山地城市土地利用格局，对于科学制定国土生态空间规划，推进生态文明示范城市建设具有重要意义.本研究以典型喀斯特山地城市贵阳市花溪区为研究对象，以2008年、2013年和2018年3期Landsat遥感影像为主要数据源，运用空间信息技术和方法，系统分析快速城市化和生态文明示范城市建设背景下花溪区近10年土地利用的时空分布和演变特征，得到以下主要结论：

(1) 2008-2018年，生态用地数量快速增加.研究时段内，土地利用格局发生剧烈变化，由2008年耕地为主的农业用地主导型格局，演变为2018年以林地占优的生态用地主导型格局.

(2) 10年间，花溪区从经济建设转型为生态建设.变化大致经历两个阶段，2008-2013年为土地利用发展期，表现为城市发展速率快于生态建设速率；2013-2018年为土地利用快速调整期，表现为生态建设速率快于城市发展速率.

(3) 花溪区生态用地空间大格局已经基本形成.土地利用类型空间转移表现出耕地和灌木林地大量转出，林地和建设用地大量转入的显著特征，且具有明显的空间分异特征，基本形成“生态用地环抱城市”型空间格局.土地利用程度变化呈现出“北部城市化、南部生态化”的趋势.

2008-2018年研究区土地利用类型面积变化表现出建设用地和林地的持续增加，耕地持续减少的特征，这与李松、张玉彪、韩会庆等学者^{[7, 9-10]}研究结论基本一致.而土地利用结构的变化与研究区土地利用的基础格局、城市化进程和生态保护各项措施密切相关. 2008-2013年，研究区城市化快速发展，花溪区大学城、产业园区、工业园区、高新技术园区以及大量商业住宅等建设项目的大规模实施，导致建设用地面积激增，加之传统农业生产用地(耕地)的大量分布，虽然同一时期林地面积增加8 634.24 hm²，年均增加7.60%，但远小于建设用地的扩张速度(年均增速为22.62%)，表现出土地利用程度综合指数略有增加的趋势；自2012年以后，贵阳市获批建设全国生态文明示范城市，大生态战略贵阳行动的不断深入，研究区在“生态优先、绿色发展”理念的推动下，着力国土生态空间格局优化和生态保护系列工程建设，加强贵阳市环城林带建设，通过退耕还林工程的有效实施，以及花溪湿地公园、各类水源保护区、生态林和防护林等的建设，确保了研究区充足的生态用地供应，截至2018年，研究区林地面积达36 084.78 hm²，耕地面积约22 429.53 hm²，基本达到了《花溪区土地利用总体规划(2006-2020年)调整方案》的预期目标，彰显了花溪区绿色发展的底色，在快速城市化发展的同时，耕地面积持续减小，而林地、灌木林地和草地等生态用地面积快速增加，导致土地利用程度综合指数呈减小趋势，反映出花溪区在牢牢守住生态和发展两条底线的生态文明示范城市建设中，国土生态空间格局趋于优化的特征.

土地利用结构的空间变化方面，研究区中北部的石板镇、清溪社区、小孟社区、贵筑社区、溪北社区和孟关乡等6个乡镇(社区)总体表现为建设用地大量转入，而西南部的燕楼镇和马铃乡、东南部的高坡乡和黔陶乡、以及西北部的麦坪乡和久安乡等6个乡镇则以林地的大量转入为主要特征，反映出研究区城市扩张和生态建设的空间布局与发展方向.花溪区位于贵阳市区西南隅，受贵阳市中心城区城市化发展的辐射带动，花溪区中北部依托“中曹船型”盆地的自然优势，成为城市化发展的主体区位，而散布于研究区西北、西南和东南方向的大量喀斯特自然山体成为得天独厚的生态屏障，在土地利用类型转移过程中，随着退耕还林工程、生态林、环城林带等措施的不断实施，大量耕地转移为林地、灌木林地等生态用地，形成花溪区典型的喀斯特自然山体三面环抱、中北部城市扩张的山地城市生态型城市格局.

不同方位上，研究区第一和第二象限在部分缓冲带土地利用程度综合指数表现出增加趋势，第三和第四象限土地利用程度综合指数均表现出波动减小的趋势.而研究区城镇聚落用地级(建设用地)的增加和林草水用地级(林地、灌木林地和草地等生态用地)面积的增加分别是土地利用程度指数增大或减小的主要原因，不同象限土地利用程度综合指数的变化表征出花溪区城市化扩张和生态保护发展的南北趋异特征.同时，建设用地在不同象限不同缓冲带的土地利用程度变化也呈现出“跳跃式与外延型耦合”的喀斯特山地城市化扩张模式，在土地利用发展期(即建设用地面积增加期)，各象限土地利用程度整体上表现出以行政中心为中心的第1-3缓冲带建设用地面积增加，表征出土地利用程度指数增大的“外延型”城市扩张模式，这与我国非喀斯特城市的城市扩张模式基本一致^[16-18].但由于受喀斯特地形地貌自然本底限制，大量相对独立的喀斯特自然山体镶嵌其中，增加了城市建设和扩张的开发利用难度，因此，城市扩展方向也表现出明显的喀斯特山地城市特色的“跳跃式”扩张模式，如2008-2013年，研究区第二象限的第1-2和5-6缓冲带土地利用程度指数增加，而第3-4和第7缓冲带受喀斯特自然山体遗存的影响，土地利用程度指数呈减小趋势.

总体而言，快速城市化是当前黔中喀斯特山地城市的主要特征，而在生态文明示范城市建设和大生态战略行动的生态文明新时代，如何牢牢守住生态和发展两条底线，优化国土空间布局，构建景观生态安全格局，实现生态优先、绿色发展，是自然生态系统脆弱且社会经济水平相对较低的黔中喀斯特山地城市面临的迫切问题.本研究通过对典型的黔中喀斯特山地城市贵阳市花溪区近10年土地利用格局的时空变化系统分析，可以发现，近年来贵阳市在发挥明显的自然生态环境比较优势，推进生态文明示范城市建设进程中，依托得天独厚的喀斯特山体自然遗存，通过传统土地利用格局转型，在快速城市化驱动建设用地快速增加的同时，积极构筑以林地、灌木林地为优势的生态屏障，国土空间格局趋于优化均衡.但现阶段土地利用总体上处于快速调整期，林地等生态用地和建设用地面积同步增加趋势明显，城市发展与生态保护的耦合矛盾依然存在，且由于城市修补和城市生态修复过程中产生的大量未利用地存量和增量均较大，亟需在今后的城市三生空间规划中合理利用或进行生态恢复.同时，由于喀斯特山地城市自然景观的破碎化程度较高，景观连通性水平较差，因此，在城市化扩张较明显的区域，应在建设用地不断增加的同时，科学规划布局，减少对喀斯特山体自然遗存的切割或蚕食，在促进生态用地总量不断增加的前提下，加强城市化程度较高区域生态廊道建设，提高自然生态景观的连通性水平，确保城市生态用地持续“增量”和土地利用格局景观安全“保质”双措并举，以切实实现“生态美、百姓富有机统一”的喀斯特山地城市国土空间格局优化，有效推进生态文明示范城市建设.