瞿 诗 进，李 全 峰，胡 守 庚
(1.中国地质大学(武汉)公共管理学院，湖北 武汉 430074；
2.自然资源部法治研究重点实验室，湖北 武汉 430074;3.东北农业大学公共管理与法学院，黑龙江 哈尔滨 150036)
土地利用转型是土地利用变化研究的新途径[1,2]，将土地利用形态(包含显性与隐性)变化与社会经济发展阶段演替过程相结合，探究区域土地利用形态的趋势性和阶段性变化规律，可为优化土地利用配置、协调土地利用与区域发展之间的矛盾提供新视角[3-5]。当前，中国正经历新一轮社会经济转型，经济结构、发展方式和增长动力均面临深刻变革[6,7]，城镇建设用地是城镇化和工业化的主要载体，系统探究其形态演变规律，是合理引导建设用地高效利用和保障社会经济成功转型的必然选择[8,9]。
国际学者在早期研究中将土地利用形态定义为某区域在特定时期由土地利用类型构成的结构[2]。随着土地利用转型研究引入中国并不断发展，土地利用形态被拓展为显性与隐性两种形式，其中显性形态主要指能直接观察的数量和空间结构两重属性，而隐性形态指依附于显性形态并需要通过分析、调查等才能获得的土地利用形态，包括质量、产出和功能等多种属性[4]。由于土地利用转型过程具有连续和非线性特征[10,11]，因此识别其趋势性转折点是土地利用转型研究的关键和焦点。已有研究对耕地[12,13]、城乡居民点[14,15]、农村宅基地[16]等单一地类的转型过程以及不同地类之间转换特征进行了系统刻画[17-20]，也有学者从县域等尺度分析城镇建设用地转型的时空过程及其阶段性演变规律[21-25]，研究内容偏重于城镇面积扩展、用地结构转变、用地功能演化等方面[26,27]，多通过时间序列数据统计和空间数据叠加分析揭示城镇建设用地的变化特征和空间指向。研究发现，城镇建设用地面积呈现S形变化规律[28]，与城镇化进程相吻合，在空间上则表现出蔓延型、填充型和跳跃型等不同模式[29]。还有学者采用洛伦兹曲线、偏离—份额分析等方法探究城镇建设用地内部不同功能用地结构变化特征[30-32]，发现中国城镇用地结构会朝均衡方向转型[33]，城镇用地增长主导类型逐渐由工业用地向居住用地转变[34]。
综上，已有研究对土地利用转型过程进行了定性探究，并基于不连续时点的截面数据对土地利用形态的趋势性转变过程进行了实证分析。受社会经济发展和土地政策等影响，土地利用形态尽管在长期会存在稳定的阶段性和趋势性转型过程[23,35]，但在短期内具有波动变化特征[5]，如何定量识别土地利用形态变化过程中的趋势性转折点，进而划分转型阶段并分析不同阶段土地利用形态的空间演变规律，仍有待进一步探索。连续的时序数据能保留土地利用形态变化过程的更多细节，有利于准确识别土地利用形态在某时期内趋势性转折的关键节点。鉴于此，本文从突变视角出发，利用Mann-Kendall(M-K)方法定量探测1990-2015年长江中游地区湖南、湖北和江西三省城镇建设用地形态变化的突变点，据此划分长江中游地区城镇建设用地转型阶段并分析其空间格局，以期为充分认识城镇建设用地变化过程提供新视角与方法借鉴，为社会经济转型背景下区域城镇建设用地优化提供支撑。
1.1 研究区概况
长江中游地区包括湖南、湖北、江西三省，国土面积合计56.47万km2(图1)，区内地形多样，山岭环绕，江汉平原、洞庭湖平原和鄱阳湖平原分布其中。作为我国“中部崛起”、长江经济带等重大发展战略的叠加区，长江中游地区是我国粮食主产区、生态关键区(北纬30°关键段)，是承东启西的纽带，两型社会建设实验区和重要经济增长极。2021年以来国家先后发布《中共中央 国务院关于新时代推动中部地区高质量发展的意见》《长江中游城市群发展“十四五”实施方案》，明确支持长江中游地区高质量发展，长江中游地区显著的战略地位和社会经济发展必然要求区域土地利用转型以适应社会经济发展转型，适时开展长江中游地区城镇建设用地转型研究，是促进区域协调发展、服务于国家发展战略的重要体现。
图1 研究区区位Fig.1 Location of the study area
1.2 数据来源与处理
受当前中国科学院资源与环境数据中心GDP公里网格数据起始年份为1995-2015年限制，本文研究数据包括：1)1990-2015年县级以上城市建设用地面积和二、三产业GDP数据，来源于《中国城市建设统计年鉴》，用于识别城镇建设用地转型阶段。2)1995-2015年土地利用数据、GDP公里网格数据和行政区划数据，其中，土地利用数据主要包括耕地、林地、草地、建设用地、水域和未利用地六大类，建设用地包含农村居民点、城镇居民点和工矿及交通用地3个二级类，本文将与城镇生产生活密切相关的城镇居民点和工矿及交通用地合并为城镇建设用地，一级类型综合分类精度达94.3%以上，二级类型综合分类精度达91.2%以上[36]。为与GDP公里网格数据分辨率保持一致，将30 m分辨率的土地利用数据重采样至1 km×1 km网格。
2.1 城镇建设用地形态表征指标
土地利用形态包括显性与隐性两方面，借鉴已有研究[18,25]，本文选取城镇建设用地面积(ULA)作为显性形态(MUL)的表征指标(式(1))，采用城镇建设用地平均GDP产出(PGUL)作为隐性形态(RUL)的表征指标(式(2))。
MUL=ULA
(1)
RUL=PGUL=GDP/ULA
(2)
2.2 基于突变点检测的转型阶段识别方法
本文引入M-K方法[37]识别土地利用形态变化的突变点，并结合突变点前后土地利用形态变化趋势差异的对比分析划分转型阶段。M-K方法基本原理为：对于具有n个样本的时间序列数据X，可构建一个秩序列Sk(式(3))，假设该序列无趋势，逼近正态分布，据此定义统计量UFk(式(5))。将该方法逆向使用，即将时间序列X逆序排列(xn,xn-1,…,x1),再重复以上操作，得到新统计量UB(式(9))。若UF和UB两条曲线相交，且交点在临界值之间，则说明原序列数据在交点对应的年份存在突变，土地利用形态发生趋势性转折。本文分别以显性和隐性形态的年增量构建对应的UF和UB统计量，为保证M-K方法识别突变点的准确性和稳定性，采用滑动T检验方法验证M-K方法的识别结果。
(3)
(4)
(5)
UF1=0
(6)
E(Sk)=k(k-1)/4
(7)
Var(Sk)=k(k-1)(2k+5)/72
(8)
UBk=-UFk，UB1=0k=1,2,…,n
(9)
2.3 基于空间聚类的转型空间分区方法
本文采用冷热点分析城镇建设用地形态在不同转型阶段的空间格局，为进一步显示城镇建设用地转型空间差异，采用最小生成树[38]的空间聚类方法对研究区进行转型空间分区。聚类的最终类别数通过Calinski-Harabas 的F统计量确定，较大的F统计量意味着较大的组内相似度和组间差距。因此,聚类过程中可通过对比不同类别数下聚类结果的F统计量确定最佳类别数。具体计算公式为：
(10)
R2=(SST-SSE)/SST
(11)
(12)
(13)
3.1 长江中游地区城镇建设用地转型过程
3.1.1 显性形态突变点识别 图2a显示，UF与UB的交点出现在2001年附近，结合滑动T检验结果(图2b)分析，2000年城镇建设用地面积增量的T统计量(T2000=-4.27)超过0.05显著性水平的临界值(T(0.05,8)=-2.31)。由于M-K方法和T检验结果存在细微差别，为准确判断突变时点，本文分别以2000年和2001年为分界点对显性形态进行分段拟合，并对比分界点前后形态变化的差异特征，结果显示，2000年前后的拟合斜率变化幅度为228.93%，大于2001年前后的220.04%，因此可综合判断长江中游地区城镇建设用地显性形态在2000年发生突变。以2000年为分界点的分段线性拟合结果(图2c)显示,1990-2000年和2000-2015年的拟合斜率分别为48.25和158.71，表明2000年以后城镇建设用地面积年均扩张速度提升了11 046 hm2;进一步采用1990年、1995年、2000年、2005年、2010年和2015年遥感影像提取的城镇建设用地数据进行验证，结果(图2d)显示，长江中游地区城镇建设用地变化曲线在2000年存在明显拐点，城镇建设用地扩张提速明显。
图2 长江中游地区城镇建设用地显性形态转型阶段识别Fig.2 Identification of dominant transition stages of urban construction land in the middle reaches of the Yangtze River
3.1.2 隐性形态突变点识别 由图3a和图3b可知，UF与UB的交点出现在2006年附近，而T统计量在2006年的绝对值亦大于2.31，通过了0.05水平的显著性检验，表明长江中游地区城镇建设用地隐性形态在2006年发生趋势性变化。1990-2006年、2006-2015年线性拟合函数斜率分别为2 039.3、6 266.9(图3c)，可见2006年后城镇建设用地隐性形态增速快速提升，增幅达207.31%;基于多期遥感数据与地区二、三产业GDP数据测算的长江中游地区城镇建设用地隐性形态变化(图3d)也与统计数据揭示的规律基本一致。
图3 长江中游地区城镇建设用地隐性形态转型阶段识别Fig.3 Identification of recessive transition stages of urban construction land in the middle reaches of the Yangtze River
3.1.3 基于形态突变的转型阶段划分 基于上述分析，1990-2015年长江中游地区城镇建设用地显性形态变化可分为1990-2000年和2000-2015年两个阶段，后一阶段城镇建设用地面积增速显著提升，这一转型过程契合我国社会经济发展阶段的转变以及相应社会经济体制、发展战略和用地政策的转型。1998年我国修订土地管理法，城镇土地市场化改革进一步深入，2001年正式加入世贸组织，标志着我国社会主义市场经济体制的初步建立，扩大外商投资和对外贸易导致用地需求上升，在经济发展和土地政策双重作用下，2000年以后长江中游地区城镇建设用地面积呈现快速上升趋势。1990-2015年城镇建设用地隐性形态变化也可分为两个阶段，转折点在2006年，这一结果与我国市场经济体制改革大背景下长江中游地区实施“中部崛起”战略的区域特点相吻合。综上，可将1990-2015年长江中游地区城镇建设用地转型过程划分为3个阶段(表1)，分别对应理论阶段中的发展期、发展期向融合期转变的过渡期和融合期的前中期阶段。
表1 长江中游地区社会经济发展与城镇建设用地转型关系Table 1 Relationship between urban land use transition and social-economic development in the middle reaches of the Yangtze River
3.2 城镇建设用地转型空间格局
3.2.1 栅格尺度城镇建设用地显性形态转型空间格局 由图4a可知，1995-2000年大部分栅格城镇建设用地年均增量小于0.25hm2，年均增量大于1 hm2的高值区主要位于武汉、长沙和南昌等大城市的中心地区；
由图4b可知，2000-2015年高值区栅格数量比1995-2000年明显增多。冷热点分析结果(图4c、图4d)表明，1995-2000年湖北的武汉市和宜昌市、湖南的长沙市、岳阳市以及江西的南昌市是城镇建设用地转型的热点集聚区域，而湖北的十堰、咸宁等地市是冷点集聚区域，2000-2015年江西城镇建设用地转型的热点区域明显增多，城镇建设用地扩张速度显著提升。值得注意的是，武汉城市圈内仅武汉市城镇建设用地增长较快，其他地区均为冷点区域，武汉城市圈应加强地区间协作互补，实现区域均衡发展。
图4 栅格尺度城镇建设用地显性形态转型空间格局Fig.4 Spatial pattern of dominant transition of urban construction land at grid scale
3.2.2 栅格尺度城镇建设用地隐性形态转型空间格局 由于本文获取的土地利用数据为5年期，因此隐性形态转型空间格局分析以与转型时点(2006年)邻近的2005年为节点划分阶段。1995-2005年城镇建设用地二、三产业GDP产出增速普遍较慢(图5a)，整体上湖南省增速快于湖北省，而江西省增速普遍较低；
2005-2015年得益于“中部崛起”战略的实施，中部地区得到快速发展,单位建设用地GDP产出显著提升(图5b)，武汉市和长沙市增速最明显，但与城市外围面积扩张较快相对应，城市边缘地区地均GDP增速却较低，一定程度说明了城市的低效扩张。冷热点分析结果表明：1995-2005年除武汉和长沙外，隐性形态转型热点区域还分布在襄阳—宜昌—常德—娄底—郴州沿线，呈不连续带状分布(图5c)；
2005-2015年转型热点区域明显减少，但以武汉和长沙为中心的主要热点区范围有所扩张(图5d)，可见长江中游地区中小城市用地效率有待提升。
图5 栅格尺度城镇建设用地隐性形态转型空间格局Fig.5 Spatial pattern of recessive transition of urban construction land at grid scale
3.2.3 县域尺度城镇建设用地转型空间格局 由图6a可知，1995-2015年城镇建设用地面积增长较快的县域总体呈现以省会城市为中心的聚集分布格局。年均增量超过500 hm2的区域主要为省会城市市辖区，省会周边市县年均增量也较大；
年均增量低于50 hm2的县域主要分布在研究区边缘丘陵山区，说明区位和自然条件对城镇建设用地显性形态转型具有重要影响。与湖北省县域城镇建设用地面积增长较快不同，研究期内长江中游地区城镇建设用地GDP产出年均增量增长较快(大于50万元/(hm2·a))县域主要分布在湖南省和江西省，湖北省年均增量的增加相对较慢(图6b)，多低于15万元/(hm2·a)，江西省虽然用地面积较小，但整体产出增速较高，各县域多大于15万元/(hm2·a)。
图6 县域尺度城镇建设用地利用转型空间格局Fig.6 Spatial pattern of urban construction land transition at county scale
3.3 城镇建设用地转型空间分区
根据研究期县域城镇建设用地显性和隐性形态转型规律的空间相关性，将显性与隐性形态的变化量作为聚类变量，采用最小生成树的空间聚类方法分析城镇建设用地转型的空间模式，最终将研究区划分为大都市快速综合转型区、江汉平原显性转型主导区、洞庭湖—鄱阳湖平原隐性转型主导区和山地丘陵低速综合转型区(图7)。大都市快速综合转型区主要包括武汉、长沙和南昌3个省会城市，其主要特征为显性与隐性形态转型速度较快，城镇建设用地规模和GDP产出均高于其他城市和县域；
江汉平原显性转型主导区主要包括荆州、荆门、孝感、天门、仙桃和潜江等城市，区域气候适宜，水源丰富，土壤肥沃，自然条件优越，人口众多，城镇建设用地基础规模相对较大，加之属于传统农业区域，城镇建设用地GDP产出相对较低，因而城镇建设用地以显性转型为主导特征；
洞庭湖—鄱阳湖平原隐性转型主导区主要包括湖北的黄石和咸宁、湖南的岳阳和株洲以及江西的宜春、新余、九江等城市，这些城市可分为两类：一类是工业基础较好的黄石、岳阳和株洲等城市，经济快速发展推动建设用地隐性形态转型；
另一类则为人口较少、建设用地规模较小的咸宁、宜春等城市，尽管建设用地也以隐性形态转型为主导，但整体经济规模小、发展水平相对滞后；
山地丘陵地区低速综合转型区主要包括巫山、武陵山、雪峰山、罗霄山以及江南丘陵区等地区，该区受自然条件约束，人口相对较少，农业、工业发展较慢，城镇建设用地显性与隐性形态转型速度均较慢。
图7 长江中游地区城镇建设用地转型空间分区Fig.7 Spatial zoning of urban construction land transition in the middle reaches of the Yangtze River
本文从突变视角出发，探索性地将M-K和多变量空间聚类方法用于长江中游地区城镇建设用地转型及其空间格局研究，揭示了区域城镇建设用地转型的非线性时空过程，可为探究城镇建设用地形态变化规律提供新视角。研究结论如下：1)1990-2015年长江中游地区城镇建设用地显性与隐性形态变化分别在2000年和2006年发生突变，用地形态整体经历了“面积中速扩张—地均GDP中速增长”的发展期、“面积快速扩张—地均GDP中速增长”的过渡期和“面积快速扩张—地均GDP快速增长”的融合期3个转型阶段。2)城镇建设用地形态转型过程与区域社会经济发展阶段转变相对应，区位条件、资源禀赋和地形条件是塑造区域建设用地转型空间格局的重要原因。1995-2015年长江中游地区城镇建设用地转型空间差异明显，具体可分为大都市快速综合转型区、江汉平原显性转型主导区、洞庭湖—鄱阳湖平原隐性转型主导区和山地丘陵低速综合转型区四大空间区域。
基于本文实证研究，长江中游地区城镇建设用地显性和隐性形态转型存在失衡情况，隐性形态转型相对滞后，而这实质是土地利用转型“冲突—协调”理论模式下，土地利用形态在社会—经济驱动和社会—生态约束共同作用下的结果[34,39]。具体看，社会经济发展阶段转变过程中，人口与经济增长带来用地需求、分税制改革与土地财政等多重刺激，是导致区域土地利用显性形态变化发生趋势性转折的重要原因[23，40]。而城镇建设用地面积快速扩张引发的耕地占用、生态破坏等社会—生态问题不断加剧，区域人地矛盾日趋剧烈对用地规模的约束则促使城镇建设用地产出、功能等隐性形态发生转型。可见，在社会经济发展的早期阶段，土地作为重要且地方政府唯一能方便获得和利用的生产要素，其投入会高于资本投入，因而显性形态转型会先于隐性形态转型发生；
显性形态转型导致社会—生态约束不断增强，又会引发隐性形态转型以缓解区域人地冲突。综合看，城镇建设用地显性形态与隐性形态转型是区域人地矛盾由发生到缓解的过程，二者共同决定了区域城镇建设用地的规模、功能和效率等的协调[41]。针对当前土地利用形态所处阶段，未来城镇建设用地的管控应从完善“增存挂钩”“人地挂钩”“效率挂钩”等多维措施出发，进一步完善对城镇新增建设用地的控制和对存量用地的盘活政策，促进土地节约集约利用，实现城镇建设用地由显性主导向隐性主导的全面转型。具体而言，针对大都市快速综合转型区和江汉平原显性转型主导区，应进一步控制建设用地面积增长，通过节约集约利用措施，全面实现城镇建设用地向隐性主导方向转型；
针对边缘丘陵山区，未来应在保证用地效率的前提下，适当提高城镇建设用地供给，以实现城镇的快速高质量发展。
需指出的是，本研究对转型规律的揭示未深入考虑国家用地指标控制的特殊性，如何进一步揭示转型阶段的形成原因，系统解析区位条件、自然因素等对转型空间格局的塑造机制，为准确预测土地利用转型趋势提供参考，有待深入研究。
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