Spatio-temporal differentiation of urbanization in the Xiangjiang Valley from 1990 to 2010
GONGJunxia1,2,, ZOUBin1,2,, LIUXingquan2 1. Key Laboratory of Metallogenic Prediction of Nonferrous Metals and Geological Environment Monitoring (Central South University),Ministry of Education,Changsha 410083,China2. School of Geosciences and Info-Physics Central South University,Changsha 410083,China 通讯作者:通讯作者:邹滨,E-mail:210010@csu.edu.cn 收稿日期:2016-02-22 修回日期:2016-06-20 网络出版日期:2016-09-25 版权声明:2016《资源科学》编辑部《资源科学》编辑部 基金资助:国家自然科学基金(41201384)湖南省地理国情监测重大专项(HNGQJC201503)中南大学创新驱动计划(2015CXS005)地理国情监测国家测绘地理信息局重点实验室开放基金项目(重点)(2014NGCM) 作者简介: -->作者简介:宫俊霞,女,山西宁武人,硕士生,研究方向为城市生态环境效应。E-mail:gjx1115@sina.com
关键词:湘江流域;城镇化;时空演化;空间自相关;离差系数 Abstract Because of rapid urbanization,China is facing a series of problems related to the disconnection between urban population growth and land expansion,and increasingly empty cities. Accurately identifying the spatio-temporal regularity of population urbanization and land urbanization is significant for reasonable planning and regional urbanization construction in China. Here,we took the ecological protection area of the Xiangjiang Valley as our focal area. Data included total population and non-agricultural population at a country scale according to the China Statistical Yearbooks Database and 30 m spatial resolution land use data from the Geographical Information Monitoring Cloud Platform. We then used the deviation coefficient index and GIS spatial autocorrelation model to assess the coordination degree and spatio-temporal cluster characteristic of population urbanization and land urbanization at a county level from 1990 to 2010. Results demonstrated that both the level of population urbanization and land urbanization increased over the study period across the Xiangjiang Valley. The level of population urbanization showed generally low growth rates and the growth rate was obviously lower than land urbanization. Different from population urbanization of the single center mode,the progress of land urbanization of the Xiangjiang Valley clearly demonstrated multinuclear group development structure with centers at Chang-zhu-tan Urban Agglomerations,Loudi,Shaoyang and Hengyang city. The growth rate of population urbanization and land urbanization was imbalanced,and these imbalanced areas are mainly located around the ‘four axes and one nuclear’ of Xiangjiang Valley with significant spatial clustering. The nuclear is Changsha-zhuzhou-xiangtan urban agglomeration and the four axes are the Beijing-Hong Kong-Macao axis,Lou-Shao-Yong axis,Tan-Lou-Shao axis and Heng-Yong axis. The results will help optimize land development activities and provide scientific decision-making when protecting the ecological environment of the Xiangjiang Valley.
本研究的湘江流域包括湖南境内的长沙、湘潭、株洲、衡阳等9市67个县市区,人口约4000万、面积约8.5万km2。湘江流域是湖南省新型工业化、城镇化、农业现代化的集中区和引领区。流域城镇空间格局呈现出以长株潭城市群为核心,衡阳、郴州、永州、娄底等四个次级中心城市为支撑极点,京港澳、娄邵永、潭娄邵、衡永等四条交通走廊为轴线的“一核四极四轴”发展格局。流域内主要包括重点开发区域、农产品主产区和重点生态功能区三类功能分区,如图1所示。伴随着城镇化、工业化的加速,人口快速增长、城镇建设用地加速扩张、人类活动广度与强度空前加剧,城镇发展所致的环境污染加剧,生态环境面临前所未有的压力。人口、资源、环境与发展的失调已经成为影响湘江流域生态屏障保护功能实现的重要因素,也已发展成为困扰长株潭城市群两型社会建设目标实现的重要原因之一。 显示原图|下载原图ZIP|生成PPT 图1湘江流域区域范围 -->Figure 1A range of Xiangjiang Valley -->
离差系数常用于定量刻画某一时期一定地域范围内人口城镇化与土地城镇化间的不匹配关系,表现为城镇人口增长与城镇建设用地增长之间的差异状况[9]。离差系数计算公式如下: (3) 式中 为离差系数;P为城镇人口综合增长率;L为城镇建设用地综合增长率;S、 分别为基于变量P、L计算的标准差和平均值。同一时期某地域单元人口城镇化水平与土地城镇化水平的离差系数越小,表示该时期该地域单元内人口城镇化增长速率和土地城镇化增长速率相当,失调性小;反之,表明人口城镇化增长速率和土地城镇化增长速率相差较大,失调性严重。参照相关研究成果[9],依据公式(3)计算出离差系数的值,将人口城镇化水平和土地城镇化水平的协调程度分为极度失调、严重失调、高度失调、中度失调、轻度失调和协调发展六类,如表1所示。 Table 1 表1 表1基于离差系数的人口城镇化和土地城镇化失调等级划分阈值 Table 1Thresholds of imbalance levels between population urbanization and land urbanization based on deviation coefficient
Northam认为城镇化呈“S”型曲线发展,其过程可划分为三个阶段,城镇化水平较低且发展缓慢的初始阶段、城镇化水平急剧上升的加速阶段、城镇化水平较高且发展平缓的最终阶段[20]。对此,综合国内****研究成果,本研究将<30%、30%~50%、50%~70%、>70%分别作为划分城镇化初期、加速期、减速期和后期的依据[21,22],据此分析湘江流域城镇化空间维度特征。 就地级市单元而言,1990-2010年,湘江流域各市人口城镇化水平与土地城镇化水平均呈现持续上升的趋势。1990年及2000年湘江流域人口城镇化水平呈现“中间高,两端低”的发展趋势,长沙市及周边湘潭市、株洲市、娄底市人口城镇化水平较高,永州市、衡阳市人口城镇化水平相对较低。2010年,湘江流域人口城镇化水平由“中间高,两端低”的发展趋势转变为以“长株潭城市群”为中心的圈层结构,表现为长沙市人口城镇化水平最高,株洲市、湘潭市、衡阳市次之的圈层结构。1990-2010年,土地城镇化空间格局基本稳定,高值区主要集中在长株潭城市群。 图2是湘江流域县域城镇化水平空间分布图。图2显示,湘江流域人口及土地城镇化水平县域分布不平衡。1990年,湘江流域人口城镇化水平整体偏低且圈层结构不明显,表现为单中心的人口城镇化,人口城镇化水平大多处于城镇化初期,人口城镇化水平和土地城镇化水平高值区主要分布在长沙市、株洲市、湘潭市等发展较快的中心点,绝大多数县域土地城镇化水平较低。2000年,湘江流域人口城镇化水平空间分布较1990年有所变化,人口城镇化水平高值区开始向长沙市、株洲市、湘潭市、衡阳市等近郊市县扩张,人口城镇化水平低值区主要集中于邵阳县等农产品主产区及宁远县和江华瑶族自治县等生态功能区。同期,长沙市、湘潭市、株洲市及其周边市县域土地城镇化水平有明显提高,呈现出以长株潭城市群为中心的圈层结构,但江永县、桂阳县等重要生态功能区以及湘阴县等农产品主产区土地城镇化水平较低。这一特点与长株潭城市群北部多为地势低缓的开阔平原,西南整体地势起伏较为和缓,中部以沿江冲积台地和相间分布的岭谷地形为主的地形特征相关。2010年,湘江流域人口城镇化空间分布格局为:人口城镇化水平较低的县域集中在安仁县、宁远县、道县及汝城县,多数县域人口城镇化水平处于城镇化初期。长沙市、株洲市、湘潭市、邵阳市、娄底市及衡阳市人口城镇化水平较高,且处于城镇化减速期。土地城镇化水平空间分异现象明显,受湘江流域南北长,东西窄,长株潭城市群对南北边缘的城镇带动作用弱的特征,湘江流域土地城镇化出现了长株潭城市群、娄底市、邵阳市和衡阳市多极核心,并呈现出以这些区域为中心的多核组团圈层式发展结构。 显示原图|下载原图ZIP|生成PPT 图2湘江流域城镇化水平空间分布 -->Figure 2The spatial difference of urbanization rates in Xiangjiang Valley -->
4.2 湘江流域城镇化时间维度特征
就市域单元而言,1990-2000年,长沙市及湘江流域西部部分市土地城镇化增长率较高;2000-2010年,湘江流域北部和南部土地城镇化增长率较高,中部地区土地城镇化增长较为缓慢,人口城镇化增长率高值区主要集中在湘江流域中部如邵阳市、衡阳市;1990-2010年,湘江流域土地城镇化增长率整体呈现单轴辐射发展趋势,分别以长沙市和永州市为中心,向湘江下游轴线发展。 图3为湘江流域县域人口城镇化增长率与土地城镇化增长率变化空间分布。图3显示,1990-2010年湘江流域人口与土地城镇化水平整体呈上升趋势,但呈现明显时序差异。土地城镇化增长率大于人口城镇化增长率的区域占比较高,反映出微观上湘江流域人口城镇化速率滞后于土地城镇化速率。空间上,人口城镇化增长率仅湘江两侧县域较高,而土地城镇化增长率同时相各县域均较高。具体而言,第一阶段1990-2000年人口城镇化增长率较快,长株潭及衡阳周边增长尤为迅速,而同期土地城镇化增长率发展缓慢,仅部分重点开发区域土地城镇化增长较快;第二阶段2000-2010年人口城镇化增长率有所减缓,多数地区人口城镇化增长率均在20%以下,而此阶段除湘潭市、株洲市等地区外土地城镇化增长率均处于80%以上,这表明整体上湘江流域不同阶段城镇化特点不同,人口城镇化增速第一阶段快于第二阶段,土地城镇化增速第二阶段快于第一阶段,且人口城镇化增长具有区域选择性,而土地城镇化呈现冒进式增长。 显示原图|下载原图ZIP|生成PPT 图3湘江流域人口城镇化增长率与土地城镇化增长率变化空间分布 -->Figure 3Variations of the growth rates of population urbanization and land urbanization in Xiangjiang Valley -->
湘江流域各市县人口城镇化与土地城镇化协调程度的空间分布如图4所示(见第1729页)。从图4可知,湘江流域1990-2010年人口-土地城镇化离差系数为0.56,呈中度失调趋势且失调区域空间特征差异明显,主要集中在湘江流域的“一核四轴”,即以长株潭城市群为核心,京港澳、娄邵永、潭娄邵、衡永四条交通走廊为轴线。其中以长株潭城市群为中心,失调程度以圈层结构递减,而四条发展轴上的县域人口和土地城镇化协调度多属于高度失调和严重失调。分阶段而言,2000-2010年湘江流域城镇化失调现象较1990-2000年呈现恶化趋势,主要表现为严重失调和极度失调区域增多,协调发展区域减少。以极度失调区域为例,1990-2000年极度失调区域集中于部分市辖区,2000-2010年极度失调区由3个增长到14个,且城镇化极度失调格局具有南北差异性,湘江流域北部呈现出长株潭城市群和衡阳两个组团极度失调的态势,南部呈现极度失调区域分散分布特征。协调程度恶化区主要集中在湘江流域“一核四轴”的国家重点开发区域以及流域中部部分国家级农产品主产区,主要由于国家级、省级新型工业化产业示范基地和特色专业园区的建设,造成重点开发区域以及部分国家级农产品主产区城镇人口聚集、大量建设用地扩张,产业发展速度与土地扩张速度失衡,人口吸纳能力不足。各县域人口城镇化与土地城镇化协调度整体趋于恶化,仅湘乡市、永州市和临武县同比趋于协调发展,其余市县均呈现不同程度的失调趋势,其中株洲市、冷水江市、衡山县和双峰县的失衡情况尤为严重。 显示原图|下载原图ZIP|生成PPT 图4湘江流域人口和土地城镇化协调格局空间分布 -->Figure 4The spatial distribution of coordination pattern between population and land urbanization in Xiangjiang Valley -->
4.4 湘江流域城镇化集聚特征
人口-土地城镇化离差系数全局空间自相关分析Moran’s I指数为0.16,表明湘江流域人口-土地城镇化离差系数的空间分布呈现显著的空间集聚性。图5为湘江流域各市县人口-土地城镇化离差系数空间聚集热点空间分布。图5显示,1990-2010年离差系数的高高聚集区主要分布于长沙市、湘潭市、株洲市、望城县、汝城县、资兴市、永兴县,人口城镇化与土地城镇化失调程度较高;同期汨罗市、长沙县人口-土地城镇化离差系数呈现低低聚集,人口城镇化与土地城镇化发展较为协调。分阶段而言,1990-2000年阶段无高高聚集或低低聚集类型,说明1990-2000年湘江流域人口城镇化与土地城镇化发展均质性区域匮乏,仅有部分区域呈现低高集聚或高低聚集的空间异质性发展趋势。2000-2010年阶段,高高聚集县域单元为望城县、长沙市和株洲市等经济社会发达城市,或归于这些区域属于重点开发区域,城镇人口增长,中心城市外扩,受其影响的腹地范围扩大。冷水滩区和常宁市因处于生态功能区,城镇人口增长和城镇建设用地扩张受限制,具有低低聚集的蔓延性特征。 显示原图|下载原图ZIP|生成PPT 图5湘江流域各县域人口-土地城镇化离差系数集聚热点空间分布 -->Figure 5The hot spots of population urbanization and land urbanization deviation coefficient in Xiangjiang Valley -->
5 结论
基于ArcGIS和Geoda平台,以载负生态环境保护重任的湘江流域为对象,选用离差系数指标、借助GIS空间自相关模型动态评估了1990-2010年间湘江流域各市域及各县级单元人口与土地城镇化水平的协调程度与时空集聚过程。研究表明: (1)湘江流域人口和土地城镇化水平整体呈上升趋势且具有明显的时空差异与阶段性。近20年间,湘江流域整体上土地城镇化增速快于人口城镇化,人口城镇化水平普遍较低且圈层结构不明显,表现为单中心的人口城镇化;土地城镇化水平呈现出以长株潭城市群、娄底市、邵阳市、衡阳市为中心的多核组团圈层式发展结构。1990-2010年间,人口-土地城镇化离差系数为0.56,呈中度失调趋势,且在空间上存在明显的空间自相关特征,离差系数集聚显著的区域主要分布湘江流域的“一核四轴”地区。 (2)鉴于湘江流域部分市县人口城镇化与土地城镇化失调以及失调趋势恶化的现状,为保证湘江流域城镇化的健康发展,应合理控制建设用地规模,优化城镇用地内部结构,强化土地资源的集约节约利用,控制土地蔓延式扩张,通过住房、就业、教育、优化产业结构实现经济发展方式根本转变等措施,推动人口城镇化进程,合理引导农村居民向城镇迁移。 (3)作为承载全国两型社会示范基地试点建设的典型流域,湘江流域城镇化研究结果一方面可以直接为优化湘江流域的国土开发活动、保护流域生态环境提供科学决策的依据;与此同时,还可为中国十三五即将全面启动的全国新一轮城镇化建设与流域生态环境综合治理任务提供借鉴。 (4)人口与土地的城镇化是一个复杂的过程,涉及包括社会、经济、环境等多种因素,在国内外当前人口城镇化与土地城镇化水平测算与影响因素分析方法无统一标准的现实约束下,如何在长时间跨度研究中综合考虑方法的普适性问题和统计数据的不确定性问题,是全面深入揭示较大地理尺度人口城镇化与土地城镇化时空演化过程的关键所在。 The authors have declared that no competing interests exist.
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