城乡交错带的三维动态识别及空间演变机制——以厦门市为例

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梁晨^,, 曾坚^,天津大学建筑学院,天津300072

Three-dimensional dynamic identification and spatial evolution mechanism of urban-rural fringe: A case study of Xiamen

LIANG Chen^,, ZENG Jian^,School of Architecture, Tianjin University, Tianjin 300072, China

通讯作者: 曾坚（1957-）,男,广东平远人,博士,教授,博士生导师,研究方向为滨海城市防灾减灾与生态安全。E-mail:13602058416@vip.163.com

收稿日期:2020-05-18接受日期:2020-09-30网络出版日期:2021-05-10

基金资助:

国家重点研发计划.2016YFC0502903

Received:2020-05-18Accepted:2020-09-30Online:2021-05-10
作者简介 About authors
梁晨（1991-）,男,河北保定人,博士研究生,研究方向为城市增长管理与韧性城市规划。E-mail:liangc1015@163.com

摘要
城乡交错带是人地系统矛盾最集中的区域之一,对其进行科学识别与动态监测对中国新时期城乡统筹和空间治理有重大意义。提出了一种综合城乡交错带三维特征指数、动态线性加权与空间自相关分析的空间识别方法,基于LULC数据提取了厦门市1990—2018年城乡交错带的空间范围,进一步通过GIS揭示其格局规模、土地利用、空间功能的演变特征和机制。结果表明：① 城乡交错带三维动态识别方法在长时序空间识别中效果良好。② 近30 a厦门城乡交错带规模持续扩大并向陆域腹地推移,包括“组团生成-连片外延-跳跃扩张-内部分异”四种模式,存在外圈扩张与内圈消减的双重过程。③ 土地利用动态和面积变化速率分别在2010年达到顶峰26.85%和22.70 km²/a后降低并趋稳,研究期内建设用地对耕地和其他生态空间不断侵蚀。④ 空间功能混合度持续增强,复合功能空间占比由63.80%提升至75.72%,其中生产、生态功能在城市化前期和中期存在较强权衡关系,生活功能最薄弱。⑤ 城乡交错带空间演进包括三个阶段,受经济、社会、政策、环境四方面因素共同驱动。研究对补充城市地域结构理论体系有一定价值,为城乡交错地区国土空间规划实践提供支撑。
关键词： 城乡交错带;动态识别;热点分析;空间演变;驱动机制;厦门市

Abstract

Urban-rural fringe (URF) is a region with intense conflicts in the human-environment system. Scientific spatial identification and dynamic monitoring of URF are of great importance to China’s urban-rural integration and spatial governance in the new era. The previous methods show limitations in the URF identification of multi-center cities. Moreover, the evolution mechanism of URF is not clear at present due to inadequacy of long-term monitoring. In this research, a URF spatial identification approach integrating the three-dimensional characteristic index of URF, dynamic linear weights and spatial autocorrelation analysis (Getis-Ord Gi*) was put forward. Through this approach, the URF of Xiamen in 1990, 2000, 2010 and 2018 was identified based on LULC data. Furthermore, the characteristics and driving mechanism of URF evolution was analyzed with application of GIS platform from aspects of spatial pattern, land use and function. The results were as follows: (1) The approach of three-dimensional dynamic spatial identification of URF proved to be effective in long-time identification circumstances. (2) In the past 30 years, the URF of Xiamen kept expanding from 240.50 km² to 723.20 km² towards inland region. This process contains four stages, i.e., group forming, integrated expansion, leaping expansion, and internal differentiation. Additionally, it showed characteristic of simultaneous outward loop expansion and inward shrinking. (3) Dynamic degree and changing rate of land use in URF decreased and stabilized after peaking at 26.85% and 22.70 km²/a, respectively, in 2010. Besides, construction land continued occupying cultivated land and other ecological spaces, and the balance of land use structure relied on supplement of external ecological resources. (4) The proportion of spatial units with multifunction continued to increase from 63.80% to 75.72%. In addition, the trade-offs between functions of production and ecology were intense in the early and middle stages of urbanization. In the three spatial functions of URF, living function accounted for the smallest proportion. (5) There is a three-stage evolution path of URF, which is driven by factors of economy, society, policy and environment. This research can enrich theories related with urban spatial structure. In practice, it can also provide quantitative support for the decision-making of spatial planning in urban-rural areas.

Keywords：urban-rural fringe;dynamic identification;hotspots analysis;spatial evolution;driving mechanism;Xiamen

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本文引用格式
梁晨, 曾坚. 城乡交错带的三维动态识别及空间演变机制——以厦门市为例. 地理研究[J], 2021, 40(5): 1404-1420 doi:10.11821/dlyj020200416
LIANG Chen, ZENG Jian. Three-dimensional dynamic identification and spatial evolution mechanism of urban-rural fringe: A case study of Xiamen. Geographical Research[J], 2021, 40(5): 1404-1420 doi:10.11821/dlyj020200416

1 引言

城乡交错带是城市与乡村两大区域系统相互作用、相互渗透形成的独特空间^[1],其边缘效应明显、功能互补突出^[2],土地、景观、产业、人口等要素在空间分布上具有显著的异质性、过渡性和动态性特征^[3,4,5]。在中国城市化新阶段,城市空间结构网络化、扁平化趋势显著,并且随着新一轮人口格局重构与创新资源郊区化,城乡交错带成为城市结构调整,城乡联动的前沿空间,战略地位持续提升。然而,城乡交错带也是人地系统矛盾最集中的区域之一,城镇低密度蔓延、耕地快速流失、生态系统退化等问题十分严峻^[6]。城乡交错带固有的空间复杂性与边界模糊性使其成为城市地域结构中的灰箱系统,因此科学识别城乡交错带的空间边界并明确其动态演变机制是该区域国土空间开发与管控的前提,对中国新时期城乡统筹和空间治理意义重大。

定量研究已成为城乡交错带空间识别的主流方法^[3],其本质是对城乡交错带的特征进行指标量化和空间判别。在识别指标上,随着地理信息技术的发展,土地利用/土地覆被（LULC）衍生的景观紊乱度^[7]、土地利用动态度^[8]、土地利用综合指数^[9]等指标得到广泛应用,相比于近期应用的夜间灯光数据^[10]以及POI数据^[11],LULC更适于长时序动态监测,并且对人地系统演变有更加综合的反映。然而,现阶段相关识别指标体系的构建普遍缺乏系统性,大多围绕单一维度进行特征刻画,并且广泛应用的静态线性加权聚合法忽略了城乡交错带演变的时间异质性,在纵向对比中对其空间属性的表达效果不理想。在判别方法上,肇始于新古典主义学派的单中心模型仍是主要理论支撑^[12],代表性的方法是从城市中心向外划定径向样线,并与人工阈值^[8]、突变检验^[13]、引力模型^[14]等方法配合使用界定城乡交错带的范围。然而新经济地理学派指出单中心模型的局限^[15],特别是在中国城乡关系中忽略了乡村地区城市化与工业化的作用,因此现有方法在多中心组团型城市的复杂情景中对城乡交错带的识别误差较大。K-means空间聚类^[16]与深度学习^[11]等方法虽然一定程度上解决了该问题,却无法摆脱初始聚类中心或训练样本标签选择的主观判断干扰,空间自相关模型^[8,17]在城乡交错带的空间识别上表现出较高的灵活性与适用性。

另一方面,城乡交错带的空间演变在中国快速城市化背景下受到广泛关注,已经形成初步理论架构^[1,6],然而由于长时序动态识别方法的匮乏,多数研究主要从静态、定性的视角解释其空间特征属性^[14,18],城乡交错带作为独立地域实体的演变过程和机制尚不明确,并且现有研究主要关注空间形态和土地利用的动态,城乡交错带在城乡系统中承载功能的定量测度及其变异规律还鲜见论及,仍是城市地域结构理论中的模糊地带。此外,中国现有研究的时间幅度偏短（主要是10~20 a）、粒度较大^[16,19],还难以全面反映城乡交错带在城市化各阶段的演变特点与机制,Shaw等^[20]梳理涉及欧洲27个国家的142个城乡交错带的实证研究中平均时间跨度达到28 a,还有研究表明时间尺度≥6 a才能有效抑制城市扩张随机性影响^[21],因此研究在时间尺度上还需优化。

综上所述,本文着力在方法论上提出适用于长时序动态监测的城乡交错带定量识别模型,同时基于厦门市1990—2018年城乡交错带的空间识别结果,揭示其格局规模、土地利用、空间功能的动态演变特征,并进一步挖掘城乡交错带的演变路径与驱动机制,对于补充城市地域结构演变理论体系有一定价值,也为城乡交错地区的国土空间规划实践提供理论支撑。

2 研究区域与数据来源

2.1 研究区域

厦门市位于福建省东南部,地处117°53′E~118°26′E,24°23′N~24°54′N之间,是中国东南沿海重要中心城市,经济特区。全市由岛屿（厦门本岛、鼓浪屿等）及大陆两部分组成,其中陆域面积1699 km²（含滩涂）。研究期内厦门及周边地区行政区划发生数次调整,为保证研究连贯性,以现状区划展开分析（图1）。自1980年经济特区设立以来,厦门市人口从92.3万人增加到2018年的411万人,GDP从6.4亿元增加到4791.4亿元。在此期间,城市空间从厦门本岛西南一隅逐步扩展至岛外区域形成多中心、组团式的格局。然而40 a快速城市化进程也伴随着厦门城乡交错地区的空间破碎、结构失衡以及功能混乱等问题,作为研究区域有一定代表性。由于城乡交错带是动态变化的空间范围,所以各个时期的研究区域以相应年份的空间界定为准。

图1

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图1研究区域

注：此图基于全国地理信息资源目录服务系统1:100万矢量地图（2019版,图号G50）绘制,底图无修改。
Fig. 1Study area

2.2 数据来源

研究采用的厦门市1980年、1990年、2000年、2010年和2018年土地利用数据来自中国科学院资源环境科学数据中心（http://www.resdc.cn）,分辨率30 m,包括耕地、林地、草地、水域、建设用地、未利用地6个一级类以及25个二级类^[22],土地利用一级类型综合评价精度达到94.3%以上,二级类型分类综合精度达91.2%以上^[23]。各期NDVI数据基于相应年份6—9月Landsat遥感影像红色与近红外波段计算得到,数据来自美国地质勘查局（https://earthexplorer.usgs.gov/）,分辨率为80 m（MSS）和30 m（TM/ETM+/OLI）,其中由于1980年的影像质量较低,采用1982年的作为替代。厦门市行政边界数据来自国家基础地理信息中心（http://www.ngcc.cn/）。文中涉及到的经济社会指标均来自相应年份的《厦门市经济特区年鉴》及统计公报。

3 研究方法

3.1 城乡交错带的三维动态识别

3.1.1 三维特征指数建构城乡交错带是城市化进程的热点区和脆弱区^[24],通过分析提取LULC中城乡交错区域的典型特征指标作为城乡交错带空间识别依据。研究基于城乡交错带的异质性、过渡性与动态性三个本质空间属性^[3],提出城乡交错带三维特征指数评价体系（表1）。

Tab. 1
表1
表1城乡交错带三维特征指数评价指标
Tab. 1Indicators of three-dimensional characteristic index of urban-rural fringe

一级指标	二级指标	计算方法	指标性质
异质性指标（H）	香农多样性指数（H1）	通过Fragstats 4.2基于采样格网对各时期土地利用数据计算,得到各指标空间分布栅格数据	+
	边缘密度（H2）		+
	最大斑块指数（H3）		-
过渡性指标（T）	开发强度梯度（T1）	以采样格网为单元,借鉴土地利用程度综合指数模型^[25]的基础上,在计算中排除城镇用地类别,得到各时期城镇外部的土地开发强度空间格局	+
过渡性指标（T）	城镇影响梯度（T2）	通过ArcGIS 10.2中Euclidean Distance工具计算各时期到城镇用地距离,借鉴Clark负指数函数模型^[26]计算城镇影响力的空间格局,以采样格网进行均值统计取样（Clark模型中距离衰减速率参考相关研究^[27,28,29]赋值,从前起分别为0.3、0.2、0.15与0.1）	+
动态性指标（D）	土地利用动态（D1）	以采样网格为单元,采用综合土地利用动态度公式^[8]计算各时期相对前一时间截面的土地利用演变速度	+
动态性指标（D）	植被覆盖动态（D2）	通过ArcGIS 10.2中Raster Calculator计算各时期NDVI相对前一时间截面的年平均变化幅度（1990年、2000年的结果以采样格网进行均值统计取样）	-

注：单项指标计算结果均以分辨率1000 m的栅格数据呈现,1990年动态性指标的计算以1980年为基准。

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城市化过程中,城乡交错带的土地利用具有复杂无序、景观破碎化特征^{[13, 17]},因此在异质性指标方面,选取香农多样性指数、边缘密度和最大斑块指数刻画空间多样性与景观破碎化程度^[2]。此外,城市与乡村区域的位势差客观存在并具有距离衰减规律^[6],因此经济、社会、功能等要素在空间上均表现出梯度效应^[18],距离城市越近自然环境受到的人工干预越大,城乡交错带邻接城市区域处于梯度中高位,因此在过渡性指标方面选取城市用地外围的土地开发强度和城镇影响力指标刻画城乡交错带的特征。需要注意的是,城乡交错带是开放复杂的动态系统^[3],异质性与过渡性两类静态指标在单一时间截面上较为灵敏,但是无法反映时序变化的动态信息。在城市扩张中,城乡交错带成为土地利用变化最活跃,植被覆盖退化最显著的区域,因此在动态性指标方面,通过土地利用与植被覆盖在各时间截面之间的动态变化程度来刻画城乡交错带的空间特征^[8],计算中采用LULC一级类。

通过对研究区域划分方格网进行采样,结合厦门实际情况,考虑可塑性面积单元对结论的影响并参考相关研究^[8,9,14,17]比较了边长500 m、1000 m、1500 m、2000 m采样格网的分析结果,发现1000 m及以下的分析结果较为稳定,在保证充分提取空间信息基础上减少采样单元破碎化,最终确定1000 m×1000 m作为基本分析单元,共形成2037个采样区。

为消除量纲影响,对各项指标采用以下公式进行标准化^[30]：

正向指标：

S_{i} = \frac{(X_{i} - \min X_{i})}{(\max X_{i} - \min X_{i})}

（1）

负向指标：

S_{i} = \frac{(\max X_{i} - X_{i})}{(\max X_{i} - m in X_{i})}

（2）

式中：

S_{i}

表示原始数据

X_{i}

的标准化值;

\min X_{i}

表示第i项指标的最小值;

\max X_{i}

表示第i项指标的最大值。

3.1.2 指标动态线性加权目前在综合指标聚合中线性加权法的应用最广泛,主观赋权与客观赋权的有机结合可提高权重的科学性。本研究涉及近30 a的时间跨度,城乡交错带在城市化不同阶段具有不同的地理空间特征^[1],表现为异质性、过渡性与动态性的表达程度不同,静态赋权无法体现长期演变的时间异质性^[31]。因此,在赋权过程中纳入时间因素进行考虑,即分别在城市化前期、中期和后期的情境下对异质性、过渡性和动态性三个一级指标进行专家赋权。向来自地理学、生态学和城乡规划学三个学科背景的10位专家进行咨询,通过李克特五分量表法为各时期一级指标的重要性打分进而汇总得到权重值,其后结合熵权法^[32]对一级指标的权重进一步分解得到各阶段二级指标权重。根据动态权重（表2）对各个指标栅格图层加权求和,得到城乡交错带特征指数空间分布栅格。

Tab. 2
表2
表2城乡交错带特征指数动态权重
Tab. 2Dynamic weights of urban-rural fringe characteristic index

城市化前期（1990年）指标（权重）		城市化前期（2000年）指标（权重）		城市化中期（2010年）指标（权重）		城市化后期（2018年）指标（权重）
H（0.35）	H1（0.1563）	H（0.35）	H1（0.1500）	H（0.40）	H1（0.1187）	H（0.35）	H1（0.1041）
	H2（0.0971）		H2（0.0885）		H2（0.1262）		H2（0.1111）
	H3（0.0966）		H3（0.1115）		H3（0.1551）		H3（0.1348）
T（0.15）	T1（0.0644）	T（0.15）	T1（0.0528）	T（0.20）	T1（0.0585）	T（0.40）	T1（0.1443）
	T2（0.0856）		T2（0.0972）		T2（0.1415）		T2（0.2557）
D（0.50）	D1（0.3482）	D（0.50）	D1（0.3626）	D（0.40）	D1（0.2613）	D（0.25）	D1（0.1676）
	D2（0.1518）		D2（0.1374）		D2（0.1387）		D2（0.0824）

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其中,厦门市城市化阶段判定主要基于两方面依据。在理论上,借鉴赵颖等根据钱纳里模型修订后的划分标准^[33];在实证上,一方面参考李浩等对新中国城市化提出的分期方案^[34],另一方面结合厦门景观格局、土地利用等方面的研究成果^{[35, 36]},最终判定：1990年、2000年属于城市化前期,2010年属于城市化中期,2018年属于城市化后期。

3.1.3 空间范围识别提取 Tobler地理学第一定律阐明空间距离越近的事物关联性越强,决定了土地利用空间自相关存在的客观性,城乡交错带的特征属性同样符合这一规律^[17]。研究利用Getis-Ord Gi*指数（热点分析）探索局域城乡交错带特征指数的高值低值（热点冷点）的集聚情况。

通过ArcGIS 10.2中Hot Spot Analysis工具,在一阶Queen邻接空间权重^[8]下完成各时期的分析计算,可得到每个采样格网计算的标准差倍数Z得分及其对应的在90%、95%、99%置信区间的P值。在通过假设检验的前提下,如果Z得分为正则表示该采样格网与周边格网的城乡交错带特征指数相对较高成为热点区且Z得分越高聚类程度就越高,反之则表示冷点区,未通过假设检验表示数值集聚性不显著。最后,将分析结果（图2）与遥感影像底图比对剔除部分因自然景观演替产生的零星热点区后,逐年划定城乡交错带的空间范围,Getis-Ord Gi*的具体计算公式见参考文献^[17]。

图2

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图21990—2018年厦门市城乡交错带特征指数热点和冷点空间分布

Fig. 2Spatial distribution of hot spots and cold spots of urban-rural fringe characteristic values in Xiamen from 1990 to 2018

3.2 城乡交错带的空间演变分析

3.2.1 土地利用转移矩阵基于系统论的相关原理,土地利用转移矩阵定量刻画了一个处于亚稳态的系统从某一时刻向下一时刻的转化过程,通过矩阵的形式表达各类土地转移的数量与方向,数学表达形式见参考文献^[37]。通过该方法可以反映城乡交错带在城乡系统共同作用下土地利用结构演变过程与转移特征。

由于各时期城乡交错带的空间边界不同,每阶段土地利用转移情况分析边界以末期城乡交错带范围为准。通过ArcGIS 10.2对土地利用数据两两进行融合与交叉分析,进而借助Excel数据透视表建立各阶段城乡交错带的土地类型转移矩阵。

3.2.2 空间功能定量测度城乡交错带作为独立的地域实体在城乡空间体系中发挥特定功能,目前中国“生产-生活-生态”的空间功能划分体系已形成初步框架^[38],基于土地复合功能的思想^[39]引入三生功能的分类评分体系剖析各时期城乡交错带的功能演替。依据各类用地功能强弱及完整性将其分别划分为4个等级,生产、生活、生态功能由高到低分别赋予5分、3分、1分和0分,背景值参考金星星等人对闽三角地区的研究^[40]进行设定（表3）。

Tab. 3
表3
表3厦门市城乡交错带三生空间土地利用分类体系及评分背景值
Tab. 3Land use classification and assessment of production-living-ecological space in urban-rural fringe of Xiamen

一级类代码（指标）	二级类代码（指标）	生产功能	生活功能	生态功能
1（耕地）	11（水田）	3	0	3
1（耕地）	12（旱地）	3	0	3
2（林地）	21（有林地）	0	0	5
	22（灌木丛）	0	0	5
	23（疏林地）	0	0	5
	24（其他林地）	0	0	5
3（草地）	31（高覆盖度草地）	1	0	5
	32（中覆盖度草地）	0	0	5
	33（低覆盖度草地）	0	0	5
4（水域）	41（河渠）	3	0	1
	42（湖泊）	0	0	5
	43（水库坑塘）	1	0	1
	45（滩涂）	0	0	5
	46（海域）	0	0	5
5（建设用地）	51（城镇用地）	3	5	0
	52（农村居民点）	3	5	0
	53（其他建设用地）	5	3	0
6（未利用地）	61（沙地）	0	0	5
	65（裸土地）	0	0	5
	66（裸岩石砾地）	0	0	5

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通过ArcGIS 10.2对厦门市各时期LULC数据的二级类栅格按照表3进行功能水平赋分,为增强空间分析精度,建立边长500 m的格网对三生功能空间分布的栅格数据进行等间距的均值采样生成分析结果。

4 城乡交错带的空间识别与演变特征

4.1 空间识别结果

通过对热点分析结果进一步处理,得到厦门市1990—2018年四期城乡交错带空间边界（图3）,这一结果较好的反映了在近30 a跨度中城乡交错带演进的代表性特征。其演变过程包括“组团生成-连片外延-跳跃扩张-内部分异”四种模式。第一阶段,厦门在改革开放后完成初期资本积累,郊区及部分乡镇地区进入半城市化状态,城乡交错带表现为组团分布的特点,尚未出现大规模扩张;第二阶段,城乡交错带呈现点轴扩展的连片外延趋势,岛外的海沧、杏林、集美以及同安等组团在海堤以及道路串联下呈线性格局,集中分布在岛外西南海岸线;第三阶段,进入快速城市化过程后厦门城乡交错带大规模扩张并伴有跳跃发展特征,马港、莲花和新圩等组团先后出现独立的城乡交错区域,此外随着岛外东西向交通干线建成,城乡交错带向海沧西部和翔安东部的扩展明显加强;第四阶段,城乡交错带扩张放缓的同时出现内部结构分异,沿海的海沧城区、集美杏林片区、西柯以及内陆的同安、马港、新圩演变为城市地区。从演变过程来看,一方面周边乡村地区进入半城市化状态演变为城乡交错带外围新增圈层,另一方面内部圈层及部分高度城市化地区逐步从城乡交错带中分离转变为城市地区,出现内圈消减和空心化趋势,表明城市郊区化与乡村城市化双向作用机制推动城乡交错带的空间推移和结构演变。

图3

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图31990—2018年厦门市城乡交错带空间演变过程

注：此图基于全国地理信息资源目录服务系统1:100万矢量地图（2019版,图号G50）绘制,底图无修改。
Fig. 3Spatial evolution of urban-rural fringe in Xiamen from 1990 to 2018

4.2 格局规模演变

随着厦门城市空间扩张,城乡交错带的面积从240.50 km²扩展至723.20 km²,以2010年为分界,在城市化中前期呈现加速扩张状态,在2000—2010年其面积变化比率与扩张速率同步达到峰值,分别为63.36%和22.70 km²/a,其后表现为减速扩张模式。根据城乡交错带在各阶段的面积结构（表4）,转为城市面积占比在各阶段保持在13.00%上下浮动,而乡村转入面积占比先增后降,在2010—2018年达到最低值29.82%,结合图3可知城乡交错带的扩张过程放缓,演变模式由外延式空间扩展转为内涵式结构调整。此外,研究期内城市区域与城乡交错带面积比从1:5.63连续降至1:2.74,同时结合厦门市1980年城市总体规划方案的远期建设用地规模以及LULC中实际城市建设用地规模估算当年面积比约为1:2.08,由此可推导城乡交错带在城市地域结构中的变化：早期城镇聚落与乡村地区缺乏关联互动,不存在明确的城乡交错带^[1];快速城市化阶段,在短期利益驱动下土地作为生产要素被大量投入,导致低密度开发和大量半城市化现象,城乡交错带空间迅速膨胀;后期随着城市扩张边际效益收敛以及空间资本的优化重构,其要素布局的有序化表现为相对面积减小的结构性收缩。

Tab. 4
表4
表41990—2018年厦门市城乡交错带演变结构、面积与速度特征
Tab. 4Structure, area and velocity evolution of urban-rural fringe in Xiamen from 1990 to 2018

阶段	1990—2000年		2000—2010年		2010—2018年
阶段	面积（km²）	占比（%）	面积（km²）	占比（%）	面积（km²）	占比（%）
城乡交错带转为城市地区面积	46.20	12.90	77.60	13.26	93.75	12.96
乡村地区转为城乡交错带面积	117.71	32.86	273.16	46.68	215.63	29.82
保持为城乡交错带面积	194.30	54.24	234.41	40.06	413.83	57.22
城乡交错带总面积	358.21	100.00	585.17	100.00	723.20	100.00
城乡交错带面积变化比率（%）	48.94		63.36		23.59
城乡交错带面积变化速率（km²/a）	11.77		22.70		17.25

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4.3 土地利用演变

从土地利用来看（图4）,1990—2018年厦门城乡交错带的用地构成整体上表现为建设用地增多,水域、林地、草地减少,耕地稳定在40%上下波动。城市化发展增强了建设空间的边际替代性,因此出现了城市区域与城乡交错带的开发规模权衡,城乡交错带的低成本吸引了大量建设活动,建设用地占比在2010年达到峰值42.35%后于2018年小幅回落至38.21%。生态空间在1990—2010年持续减少,由35.33%降至18.86%,其中受填海活动影响水域缩减尤其严重,2018年,耕地、林地与草地占比出现回升,可见厦门近年来不断加强生态环境保护修复的初步成效。此外,城乡交错带是受城市、乡村系统的共同作用的非线性开放系统,符合耗散结构特征^[41],早期城乡交错带的土地利用构成表现为远离平衡态的特点,随着城乡交互作用增强,其土地利用出现混沌无序,表现为综合土地利用动态度^[8]在中期达到峰值26.85%,城市化后期城乡协同效能提升,系统趋于有序化,表现为土地结构基本稳定。

图4

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图41990—2018年厦门市城乡交错带土地利用构成与动态度

Fig. 4Land use structure and dynamic degree of urban-rural fringe in Xiamen from 1990 to 2018

土地利用转移矩阵结果显示（表5）,城乡交错带中土地转移主要方向是耕地、林地、草地和水域向建设用地转化,其中耕地转出量最大,城镇粗放扩张对城乡交错带生态环境质量造成较大破坏。1990—2000年,耕地转出面积2756.68 hm²,其中有67.89%转为建设用地,末期仅有972.45 hm²其他类型用地转入耕地,累计缩减11.14%,建设用地增加21.12%;2000—2010年,各类用地转化幅度均较大,其中耕地、水域、林地和草地分别有35.54%、31.37%、13.57%和12.67%转为建设用地,最终建设用地累计增加13630.25 hm²,占初期的173.00%,此阶段对生态环境破坏最严重;2010—2018年,水域和耕地转出最多,分别有2397.26 hm²和3566.84 hm²转为建设用地,占初期的39.47%和12.06%,此外林地与草地分别增长1.92%和5.89%,生态退化趋势初步得到遏制。值得注意的是,虽然耕地在各阶段持续转出但是由于城乡交错带扩张带来的外部耕地补充,其结构占比稳定在40%,而林地、草地和水域也存在类似问题,这种依赖外部资源机械补充的粗放发展模式亟待扭转。

Tab. 5
表5
表51990—2018年厦门市城乡交错带土地利用类型转移矩阵
Tab. 5Transfer matrix of urban-rural fringe land use types in Xiamen from 1990 to 2018 （hm²）

年份	地类	耕地	林地	草地	水域	建设用地	合计
1990—2000年	耕地	13257.75	5.95	2.16	877.11	1871.46	16014.43
	林地	57.69	2235.27	0.78	0.72	98.01	2392.47
	草地	29.07	1.26	984.42	0.27	0.36	1015.39
	水域	296.19	95.40	0.00	4817.65	162.80	5372.04
	建设用地	589.50	127.66	22.71	39.53	5627.67	6407.08
	合计	14230.20	2465.55	1010.08	5735.28	7760.30	31201.41
2000—2010年	耕地	19565.44	311.90	5.09	409.61	11185.89	31477.93
	林地	55.13	3405.91	5.88	28.95	548.86	4044.74
	草地	2.25	29.40	1540.64	0.18	228.13	1800.60
	水域	6.90	1.27	0.36	3804.33	1742.70	5555.57
	建设用地	41.31	29.88	0.99	3.15	7803.18	7878.51
	合计	19671.04	3778.37	1552.95	4246.22	21508.76	50757.34
2010—2018年	耕地	25400.50	251.32	158.73	191.04	3566.84	29568.43
	林地	108.46	5310.42	44.87	11.71	129.56	5605.01
	草地	67.14	41.46	2734.09	2.34	27.72	2872.76
	水域	61.87	27.69	69.38	3517.94	2397.26	6074.14
	建设用地	586.53	82.11	34.97	189.15	17932.19	18824.95
	合计	26224.51	5713.00	3042.04	3912.18	24053.57	62945.30

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4.4 三生功能演变

在空间功能分析中,首先在时间截面上对厦门城乡交错带主导功能进行评估（图5）。从生产功能看,空间的资本化不断促进城市周边地域的生产功能发展,因此生产功能得分在1990—2010年持续提升,其中2000—2010年厦门岛外地区进行了大规模产业开发,空间的生产功能提升最大;从生活功能看,其演变趋势和生产功能基本一致,反映了城市化过程中产业建设带动生活配套的发展规律,其得分在2010年达到峰值后同样出现小幅下降,在结构上属于次要空间功能;从生态功能看,由于城市化中前期对生态空间的侵占和破坏,前20 a功能得分持续降低,但是在2018年出现转折。综上可见,城乡交错带的三生功能存在显著的权衡关系与主次结构,其功能排序由初期的“生态-生产-生活”演变为中后期的“生产-生态-生活”,并在2018年出现了生产功能收缩、生态功能恢复的态势,体现了生态文明时代生产精明转型与生态保护提升的发展趋势。

图5

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图51990—2018年厦门市城乡交错带整体功能演变趋势

Fig. 5General function evolution of urban-rural fringein Xiamen from 1990 to 2018

接着,通过三角图对采样单元进行分类以明确城乡交错带的空间功能特征,借鉴既有研究^[39],以30%为界线将三角图划为7个区域。划分结果中（图6）,单一功能的空间单元占比由初期的36.20%连续下降至24.28%,表明城乡交错带的空间功能混合程度不断增强。总的来看,研究期内生活-生态复合、生活功能的空间单元较少,其占比之和的全周期峰值仅达到3.34%,此外生产-生活复合功能增幅最大,生态-生产复合功能在波动中保持稳定,生态功能降幅最大,可见生产与生活功能融合效果较好,而生活与生态功能的耦合关系亟待优化,生态功能空间快速流失成为厦门城乡交错带现阶段面临的重要问题。

图6

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图61990—2018年厦门市城乡交错带采样单元功能分类

Fig. 6Sampling-units’ function classification of urban-rural fringe in Xiamen from 1990 to 2018

从城乡交错带三生功能的空间格局演变来看（图7,见第1415页）,1990年,生态空间占30.56%,为研究期内最高,主要分布在自然山体和沿岸滩涂,生态-生产复合空间具有显著优势,各类功能空间整体呈离散分布;2000年,生态-生产复合空间进一步扩大,主要分布在岛外广阔的耕地区域,生产-生活复合空间主要分布在杏林、集美以及同安等集中建设区,二者比例超过2:1,体现了城市化和工业化中前期城乡交错带农业型生产功能的活跃性,此外浅山区、海湾区的生态空间大幅缩减,仅占22.79%;2010年,随着厦门岛外地区大规模开发,生产空间快速增长并呈点状分布在城镇周边,生产-生活复合空间占比达到最高水平,主要集中于海沧临港、集美近海以及同安、马港区域,受到城市化中期第二产业规模扩大与第一产业收缩的影响,生态-生产复合空间减少,同时大量生态功能被生产性功能置换且后续补充不足;2018年,城乡交错带功能的空间布局趋于有序,生产-生活复合空间向内部圈层,特别是海沧、集美地区集聚,生态-生产复合空间向外部圈层,特别是同安、翔安地区集聚,生态空间退化趋势得到遏制,小幅回升至14.38%。

图7

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图71990—2018年厦门市城乡交错带功能空间格局演变

注：此图基于全国地理信息资源目录服务系统1:100万矢量地图（2019版,图号G50）绘制,底图无修改。
Fig. 7Function spatial pattern of urban-rural fringe in Xiamen from 1990 to 2018

5 城乡交错带的空间演变路径与机制

5.1 演变路径

城乡交错带的演变同步于城市化过程,同时具有区别于其他地域的鲜明特征,这种差异本质上是城乡关系演进的空间化表现（图8）。新马克思主义理论从社会关系的角度提出城乡关系“共生-对立-融合”三阶段划分的判断,并指出资本在三次循环中不断流动、转移,从而重塑城市空间的特征^[42],结合前文分析结果与该框架从空间功能、土地利用和格局形态三个维度阐释城乡交错带的演变路径：在城市化初期,传统农业部门处于主导地位,城乡处于原始共生状态,此时城乡交错带以农业职能为主,在城镇集聚效应的影响下,城乡交错带逐渐生成;完成早期资本积累的工业化进程推动快速城市化,特别是在中国城乡二元体制下,城乡位势差持续拉大,矛盾突出,生产资料大量从乡村涌入城市完成资本化,城乡交错带成为重要的输送和转化载体,高速大规模扩张并呈现混乱无序的特点;城市化后期,要素驱动逐渐式微,发展质量得到重视,城乡关系走进协同发展、新型共生阶段,而城乡交错带则进入动态有序的发展状态,并且随着流空间逐渐取代场所空间成为城市体系的主导^[43],其区位优势进一步凸显,三生功能充分整合,在城乡系统中发挥重要的连通、服务和调节作用。

图8

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图8城乡交错带空间演变路径

Fig. 8Path of spatial evolution of urban-rural fringe

5.2 驱动机制

城乡交错带的发展演变受到复杂的外部因素驱动,结合前文分析结果从以下四方面归纳（图9）：

第一,经济因素。经济发展是厦门城乡交错带演变的直接驱动因素,开发强度、经济结构决定了扩张规模、空间格局和主导功能,例如独立工矿区作为城市扩张先锋,对城乡交错带的形成有重要促进作用,早期厦门组团状城乡交错区域主要位于岛外台商投资区以及临港产业区。此外,随着经济发展,厦门市域交通廊道的建设影响了城市扩张形态,进而对城乡交错带的发展方向产生作用。

第二,社会因素。人口的规模和结构也对城乡交错带的演变产生影响。大城市人口集聚需要充分的工作居住空间支撑,研究期内厦门全市人口共增加1.5倍,同时本地户籍人口仅占59.01%,有超过半数人口定居于岛外地区,人口的规模扩张和较高流动性客观上产生对城市边缘地区的空间开发需求。另外,厦门城乡交错带是全市城乡公共服务网络布局的薄弱地区,随着对高品质空间需求增长,城乡交错带的生活型、生态型功能逐渐提升。

第三,政策因素。近30 a厦门城乡交错带的许多发展特征和转折都源于制度安排和城市管理。在制度安排上,由于早期缺乏规制,在城乡交错带的优势区位和低开发成本吸引下生态、农业资源被大量侵占,另外国有、集体土地的不对称性加剧了城乡交错带的碎片化。城市管理的作用更加直接,例如同安撤县设区和“海湾型城市”战略直接推动了厦门城市扩张和乡村地区城市化进程,城乡交错带因此成为城市功能外溢和资本创造的首选空间。

第四,环境因素。厦门“通山连海、岛陆相依”的地理格局对城乡交错带的演变有根本性限制。从市域来看,厦门地貌形态依次由山地、丘陵、台地、平原向海岸过渡,受地形影响,城乡交错带从空间范围上基本限定在厦门山前平原区域。此外,城乡交错带在区位上具有生态丰富性、农业高产性,对优质资源的价值变现成为空间扩张的重要诱因。

图9

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图9城乡交错带空间演变机制

注：驱动要素对城乡交错带的作用效应加下划线表示。
Fig. 9Mechanism of spatial evolution of urban-rural fringe

6 结论与讨论

6.1 结论

本文提出了一种综合城乡交错带三维特征指数、动态线性加权与空间自相关分析的城乡交错带空间识别方法,基于LULC数据定量识别了1990—2018年厦门城乡交错带的空间范围,并进一步从格局规模、土地利用、空间功能三方面揭示了其动态演变特征和机制。主要得出以下结论：

（1）城乡交错带三维动态识别方法在长时序的空间识别中取得良好效果,厦门城乡交错带的识别结果可分为“组团生成-连片外延-跳跃扩张-内部分异”四种模式,存在外圈扩张与内圈消减的双重过程。

（2）近30 a厦门城乡交错带规模持续扩大,由岛内向岛外推移,其面积扩张速率先升后降,在2000—2010年间达到顶峰22.7 km²/a,其演变模式由外延式空间拓展转为内涵式调整优化,已经处于结构性收缩期。

（3）厦门城乡交错带中土地转移主要方向是耕地、林地、草地和水域向建设用地转化,其中耕地转化量最高。研究期内土地利用动态持续提升,在2010年达到峰值26.85%后用地结构趋于稳定。城乡交错带内部生态退化明显,当前其土地结构平衡主要依赖外部资源机械补充。

（4）厦门城乡交错带的生活功能薄弱,生产、生态功能的矛盾突出,城市化前期生态功能更强,快速城市化时期生产功能更强,城市化后期生态功能有提升趋势。研究期内城乡交错带的功能混合度提升,复合功能的空间单元占比由63.80%提升至75.72%,其功能空间布局趋于有序。

（5）城乡交错带的空间演变包括三个阶段,逐渐发展为三生功能融合、动态有序发展、结构收缩调整的城市地域系统中的重要功能性空间,该过程同时受到经济、社会、政策、环境四方面因素共同驱动。

6.2 讨论

当前,中国社会主要矛盾已经发生全局性变化,空间治理能力的提高成为实现高质量发展的重要基础。海德格尔认为“边缘并非事物的结束,而是其显现的开端”^[41],城乡交错带为解决“城市病”提供了独特视角。包括厦门在内,中国大部分城市尚处于城乡交错带演变的第二阶段,作为衔接城市与乡村的重要过渡空间,城乡交错带内部的乡村振兴、产业更新、灾害防控、环境污染等大量问题亟待解决。在中国新时期转型发展与城乡协同的背景下,城乡交错带正处于重要的演进窗口期。未来城乡交错带的可持续发展主要包括三个要点：其一,城乡交错带内部空间的集约开发是基本前提,同时应着重培育城市近域小城镇,有效削减半城市化空间;其二,加强对农业、生态功能的保护,提升城乡交错带的空间质量,突出比较优势;其三,优化城乡交错带的空间结构,打通城乡脉络,布局生产网络、生活网络、生态网络,多维度提升城乡交错带的综合空间绩效。此外,借助国土空间规划的综合管理平台,结合农村土地制度改革、城市落户放宽等政策红利,城乡交错带还有极大潜力有待释放,在新时期持续关注这一典型地理空间在理论和实践上都具有重要意义。

致谢

匿名评审专家对本文创新点凝练,结构优化以及图表完善等方面给与了建设性意见;哈尔滨工业大学张若晨博士在驱动机制深化方面提供了指导和帮助,在此一并表示衷心感谢！

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