不同等级公路对城市土地利用变化及景观格局的影响分析——以西宁市为例

Analysis on the impact of different grades of roads on urban land use change and landscape pattern ——A case study of Xining City

摘要

目的 交通系统与城市土地利用系统耦合，为明确公路系统与城市土地利用及景观格局的深层次关系，以期对土地集约利用、资源环境与生态保护的统筹协调发展提供理论依据。 方法 以西宁市作为案例，建立土地利用及景观格局指标体系，利用缓冲区分析，探究不同等级公路与各指数间时空变化规律。 结果 发现公路影响域内建设用地占比最高，且比例逐渐增加；各级公路对于不同土地利用类型的影响具有显著差异，且存在空间异质性；乡镇道路及其他道路对景观格局破碎化作用最明显；公路对土地利用及景观格局影响随缓冲区距离增加而减弱，且这一影响域随着经济发展而增大。 结论 表明不同等级公路对土地利用及景观格局变化具有类别选择性和影响方向性差异，同时还存在明显的空间异质性。同时这一影响遵循距离衰减效应，且最大影响距离与城市经济发展、人口经济体量相关。

Abstract

Objective The transportation system and urban land use system are coupled to clarify the deep-seated relationship between the highway system and urban land use and landscape pattern，and provide a theoretical basis for the coordinated development of intensive land utilization，resource environment，and ecological protection. Method Xining City is taken as a case study to establish a land use and landscape pattern index system，and using buffer zone analysis to investigate the spatiotemporal variation patterns between different grades of highways and various indices. Result The results show that the proportion of construction land within the highway influence area is the highest and gradually increasing.Different grades of roads have significant differences in their impact on various types of land use and exhibit spatial heterogeneity.Township roads and other roads have the most prominent fragmentation effect on the landscape pattern.The impact of highways on land use and landscape pattern decreases with the increase of buffer zone distance and this impact range increases with economic development. Conclusion The findings indicate that different grades of roads have category selectivity and directional differences in their impact on land use and landscape pattern changes，while exhibiting obvious spatial heterogeneity.Additionally，this impact follows the distance attenuation effect，and the maximum impact distance is related to the city's economic development and population economy volume.

Graphical abstract

关键词

公路交通 / 土地利用 / 景观格局 / 西宁市

Key words

highway traffic / land use / landscape pattern / Xining City

快速城镇化背景下，交通—土地利用模式之间存在着复杂的空间联系^［1-2］。修建道路交通设施，会改善道路沿线可达性，道路沿线可达性的改善从而影响道路沿线地区区位，区位改变又会影响到土地价格，进而对土地利用的性质、土地开发方式和强度造成影响^［3-4］。而城市土地是城市经济活动的基本载体，城市土地利用的性质与变化会影响交通系统选线和布局，甚至影响整个城市的交通发展模式^［5］。交通与土地利用的协调发展是提高城市土地利用效率、促进城市经济蓬勃发展、缓解城市拥堵问题、提升城市交通水平的关键^［6］。公路是城市内部交通系统重要组成，分析公路交通系统对于城市土地利用的影响及驱动因素是分析城市交通和城市土地利用相互作用过程、研究城市交通—土地利用一体化的重要科学依据。

交通和土地利用的相关研究可概括为以下几类：（1）交通发展作为土地利用变化的重要驱动因素及其影响机制^［7-8］，主要关注交通路网对土地利用结构^［9-10］、区域和城市发展^［11］、土地利用价格^［12］的影响等；（2）以单个城市或城市群为例，实证分析城市交通对于城市土地利用的作用及影响，包括以综合交通运输系统^{［11，13］}为基础进行分析，以高速铁路^［14］、公路^［15-16］或基于TOD理念的城市轨道交通为基础进行分析的；（3）利用可视化手段或基于国内外文献对交通—土地利用相关研究进展进行综述^［17-18］。

西宁市是青海省省会，湟水及其支流南川河、北川河由西、南、北汇于市区，向东流经全市。作为典型的河谷型城市，其道路系统与土地利用关系更加突显。本文研究区选取以城北区、城东区、城西区、城中区组成的西宁市主城区，研究区范围内，其公路总里程1 075.2 km，公路网密度18.97 km/km²。高速公路目前已建成通车178.6 km，国道总里程80.5 km，省道总里程120.2 km，其余道路总里程共693.7 km（图1）。为了明确其公路道路系统与土地利用的深层次关系，为指导区域集约高效利用土地，从而开展本研究。

1 材料与方法

1.1 数据来源及研究方法

1.1.1 数据来源及处理

本文以中科院地理空间数据云Landsat4-5 TM和Landsat8 OLI卫星数字产品2000年、2011年、2017年遥感影像图为基础，结合Google Earth高清影像，通过ENVI 5.3进行用地分类，获得3个时段的土地利用数据，并在ArcGIS 10.2中进行用地变化的分析。

本文所使用的路网数据来自西宁市自然资源局。根据新版地图的道路分类，按照高速公路、快速路与国道、省市级道路以及城市主干道4类将西宁市公路交通系统划分为4个等级。

1.1.2 用地类型划分

土地利用、景观格局等的科学分类是认识区域土地利用及其影响因素的关键^［19-20］。基于用地分类的综合性和普适性，同时考虑遥感影像目视解译的可操作性，本文选择目前国内使用最为广泛的LUCC分类标准。LUCC分类标准将土地利用类型分为耕地、林地、草地、建设用地、水域、未利用地、海洋等7类用地类型。由于本文以西宁市为例，考虑西宁市用地实际情况及自然条件，将海洋从分类体系中剔除，建立适合西宁市的土地利用分类体系，包括耕地、林地、草地、建设用地、水体、未利用地共6类。

1.1.3 缓冲区分析

通过按公路等级分别建立道路沿线双侧缓冲区，定量研究不同等级公路对沿线不同距离土地利用变化、景观格局变化的影响。道路影响范围与道路等级及特性相关，本文采用国际上常用标准，结合新版地图道路分类标准，确定不同等级公路影响缓冲区距离：高速公路为1 km，快速路与国道为500 m，干线公路为250 m，主干路为100 m。通过建立缓冲区，并使用叠置分析，研究不同等级公路对土地利用强度和景观格局影响的特点。为了探究公路交通系统对土地利用影响机制，在公路两侧按照道路等级分别建立100、200、500、1 000 m的缓冲区，并研究分析不同缓冲带内土地利用及景观格局变化特征，进一步探究公路沿线不同距离对土地利用变化的影响。

1.2 公路交通系统对土地利用影响

1.2.1 研究指标及含义

为多方面反应研究区土地利用变化情况，本文在统计分析研究区内各种类型用地的面积及变化率的基础上，还建立土地利用转移矩阵，计算各时期土地利用程度综合指数、各类型土地利用动态度以及综合土地利用动态度。同时由于土地利用以地块为基本单元，基于此运用景观生态学方法，选取斑块密度、景观形状指数、多样性指数、聚集度指数等4项景观格局指数，从斑块大小、斑块形状、斑块分布情况等多方面分析土地利用的景观格局及其变化情况，以期从更加全面、科学的角度分析研究区土地利用变化情况。具体指标见表1。

2 结果与分析

2.1 公路影响域内土地利用数量结构变化

建设用地显著增长，未利用地、耕地为其主要转化来源。研究区总的公路影响域面积为229.84 km²，占研究区用地总面积的49.83%。2000年公路影响域内建设用地面积为54.32 km²，而2017年公路影响域内建设用地为141.82 km²，占公路影响域面积的61.7%，建设用地面积年均增长率为9.48%，且主要通过开发未利用地和占用耕地进行增长。根据识别结果（表2），2017年，除高速公路影响域内建设用地占比为54.44%，低于公路影响域内建设用地占比平均水平以外，其他各等级公路影响范围内建设用地占比均高于总体水平。这说明非封闭式公路交通系统与城市建设用地具有相互集聚的特点，且常表现为对于城市建设具有吸引、导向、驱动作用，如TOD模式，且封闭式道路系统如高速，对于建设用地吸引作用不如非封闭式道路强。2000~2017年间，各等级道路影响域内未利用地、耕地、水体占比总体表现为减小，草地、林地占比总体增加，表明道路系统对土地利用类型影响具有选择性及方向性。

不同等级公路对沿线土地利用变化的影响存在明显的空间差异性，国道及省道、乡镇道路及其他道路影响域土地利用程度综合指数明显高于高速和县道影响区域（图2）。其中乡镇道路及其他道路影响域内土地利用综合指数最大，自2000年的287增长至2017年的369。由于研究区内建设用地明显增加，各等级道路影响范围内土地利用综合指数自2000~2017年均表现为持续增长。结合其各等级公路空间分布可以得出，公路交通系统对其影响域内土地利用变化的影响存在明显空间异质性。国道及省道、乡镇道路及其他道路路网密度较大、道路封闭性较小且靠近经济发达城镇化水平较高区域，土地利用程度综合指数均较大。主要表现为沿南北向、东西向城市公路交通干道的“十字型”分布，道路对于经济发展和土地利用开发的驱动作用明显。

国道及省道、乡镇道路和其他道路对影响域内土地利用动态变化影响强于高速和县道。结合土地利用程度综合指数和综合土地利用动态度指标，比较各级公路影响域内土地利用分布与变化，从道路等级角度分析道路系统对土地利用的影响。结果显示，国道及省道、乡镇道路及其他道路沿线土地利用综合指数高，且土地利用变化速率较快，其2011~2017年土地利用动态度分别为66.32%和64.71%，且近年来公路沿线土地利用变化速率明显加快，2011~2017年间平均比2000~2010年间土地利用动态度高30%，其中高速和国道及省道影响域内土地利用动态度增幅大于县道及乡镇道路及其他道路。

建设用地动态度相对减缓，且不同等级公路对不同土地利用类型动态度变化影响不同。对公路影响域内各土地利用类型的土地利用动态度分析发现（图3）：从2个时段总的差异分析，除建设用地外，其余用地类型2011~2017年土地利用动态度基本大于2000~2011年。从各土地利用类型的角度分析，对于建设用地、未利用地而言，高速、国道及省道乡镇道路及其他道路影响与范围内其土地利用动态度较大；对耕地、草地、林地而言，县道影响域范围内其土地利用动态度大；对于水体而言，高速和国道及省道影响与范围内其土地利用动态度较大。从道路等级角度分析，高速、国道及省道和乡镇道路及其他道路对于建设用地、未利用地、水体土地利用变化影响较大，而县道则对耕地、草地等地类影响较大，且县道影响域范围内建设用地、耕地、草地动态度均表现为增加，表明县道影响域内土地动态转化速度加快，建设用地占用耕地、草地等开发利用现象更为明显。

2.2 公路影响域内土地利用景观格局变化

道路是影响区域景观破碎化的重要因素^［21］。同时，区域景观格局的特征又能很好的反映区域景观结构的生态过程^［22］。本文选取斑块密度（PD）、景观形状指数（LSI）、多样性指数（SHDI）以及聚集度指数（AI）等4个指标，从不同角度分析景观格局变化（图4）。从2000~2017年，4种道路类型影响域内自身对比分析发现：随时间推移，除高速影响域范围内，多样性指数呈先增加后减小趋势，其余均表现为斑块密度、景观形状指数、多样性指数持续减小，聚集度指数持续增加。表明西宁市公路沿线土地利用景观格局逐步呈用地集中化、形状规整化。通过横向比较分析不同等级道路对影响域范围内土地利用景观格局影响发现：相较其他道路，乡镇道路及其他道路影响域土地利用斑块破碎化程度最严重，形状最不规整；县道影响域斑块形状最为规整，高速影响域斑块破碎化程度最低，国道及省道影响域斑块聚集度及形状规整程度居中。

由此可知，乡镇道路及其他道路对于地块切割作用明显，造成影响域范围内土地利用景观格局破碎化；县道对于地块形状规整作用明显，高速、国道及省道对于地块切割作用和形状规整作用均不明显。综上分析，将路网密度高且道路封闭性差的乡镇道路及其他道路和路网密度低且道路封闭性良好的高速相比，可以得出路网密度和道路封闭性是公路交通系统对土地利用景观格局造成影响的主要因子的结论。

2.3 道路系统的驱动作用分析

为进一步探究公路交通系统对土地利用的驱动机制，本文沿公路两侧建立不同距离的缓冲区，比较分析不同距离缓冲区内各土地利用类型的变化情况，以期得到公路交通系统对土地利用影响与其缓冲距离之间的关系。

据表3结果所示，建设用地所占用地面积比例随缓冲区距离增加而持续减少，2017年道路缓冲区100 m内，建设用地占比为78.77%，而500~1 000 m内为16.14%；未利用地所占用地面积比例随缓冲区距离增加而持续增加，2017年道路缓冲区100 m内，未利用地占比4.46%，500~1 000 m内占比为42.25%；耕地、草地、林地、水体所占用地面积比例随距离增加呈先增加后减小趋势。其中以2017年为例，水体在100~200 m缓冲带内占比出现峰值6.14%，耕地、草地占比峰值出现在200~500 m缓冲带范围内，峰值分别为0.42%和9.56%，林地占比峰值在500~1 000 m范围内，峰值为29.21%。表明距离道路的缓冲距离对于各土地利用类型影响具有明显差异，并且这种影响随着距离增加而逐渐衰减。

计算分析土地利用综合指数，结果如图5。与用地类型分布格局相对应，土地利用综合指数随缓冲距离的增加而减小，且减小速率随距离的增加而增加。2000~2017年各缓冲带土地利用综合指数持续增长，应是建设用地大幅增长，未利用地及耕地大幅度减少。

综合土地利用动态度变化情况与土地利用综合指数保持一致，随缓冲距离增加而减小，且2011~2017年不同缓冲带内综合土地利用动态度明显高于2000~2011年，表明公路交通系统对于沿线临近的土地利用变化有明显的驱动作用。

各土地利用类型的土地利用动态度与缓冲距离之间的关系有明显差异。建设用地的土地利用动态度随缓冲距离增加而增加，且2011~2017年土地利用动态度小于2000~2011年，平均降低6%；未利用地的土地利用动态度随缓冲距离增加而减小，且2011~2017年土地利用动态度大于2000~2011年，平均增加1.2%；除2011~2017年500~1 000 m缓冲距离内，耕地土地利用动态度有所上升，耕地的土地利用动态度与未利用地的基本保持一致。草地和林地2000~2011年期间的土地利用动态度随缓冲距离增加而增加，2011~2017年期间正好相反，随缓冲距离增加而减小；水体的土地利用动态度随距离增加呈先减小后增大的趋势。由此可知，道路对不同土地利用类型变化影响距离具有明显差距，建设用地受道路影响会在既有基础上向道路系统影响腹地扩展，影响范围内未利用地、耕地逐步转化为建设用地、草地、林地。道路对土地利用变化的影响具有极限距离，如2010~2010年间未利用地、水体、草地等在公路1 000 m缓冲区影响域内处，土地利用动态度趋近于0，但2011~2017年1 000 m缓冲区处，其土地利用动态度已有显著增加。表明随着社会经济发展、城市人口、经济体量的增加，公路交通系统对于不同土地利用类型的最大影响距离会变大。

3 讨论

西宁主城区公路系统影响域内土地利用变化过程中，建设用地增长仍占据主导地位，但由于国家重视生态文明建设，尤其是西部地区的生态涵养，其草地、林地、水体等生态用地逐渐得以保护和培育。未来应继续贯彻生态优先原则，保证草地、林地、水体等生态用地数量及质量协同增长。

首先，国道及省道、乡镇道路和其他道路对土地利用变化影响更为显著，且不同等级公路对各类用地影响的选择性及程度具有差异，故结合交通—土地利用一体化的视角考虑土地利用开发与保护将更符合协调发展和可持续发展理念。其次，不同等级道路对于土地利用切割或规整的作用不同，西宁市主城区公路影响域内土地斑块逐步呈现集中化、规整化。应继续加强协调不同道路等级的布局，从城市形态与功能角度提升交通可达性和用地效率，避免过于破碎导致交叉口过多，同时避免过于集中导致干道拥堵和可达性降低。并且，公路系统对土地利用变化的影响具有距离衰减效应，且存在最大影响范围，同时不同等级道路对不同地类的最大影响距离具有差异。但随着城市扩张和社会经济发展，这一影响距离会逐渐扩大。基于此，建议按照公路交通设施影响程度，结合资源环境承载力和国土空间开发适宜性评价等国土空间规划内容，在未来土地利用开发与保护过程中选择合适等级道路。

最后，本文仍有可以继续深入研究的内容，如未纳土地经济效益相关指标，缺乏对土地经济效益与公路交通设施关系的考虑等。未来拟将从更加精细化的尺度出发继续拓展研究年限时长和道路交通设施类型、分别考虑道路影响域重叠区域与非重叠区域、引入土地经济效益指标继续进行研究，同时结合国土空间规划，以交通—土地利用一体化视角探究耕地、建设用地、生态用地协调发展模式。

4 结论

通过比较分析西宁市公路交通系统影响域范围内的土地利用及景观格局变化情况，并结合西宁市经济社会发展情况，得出以下结论。

1） 公路交通系统对土地利用变化具有明显驱动，且具有选择性和方向性，具体表现为建设用地占比显著增加，未利用地、耕地占比显著减少，且未利用地、耕地为建设用地主要转化来源，但近年由于贯彻生态保护思想，草地、林地、水体占比略有上升。

2） 不同等级公路对于土地利用变化的影响程度具有差异。如国道及省道、乡镇道路和其他道路沿线影响域内土地利用综合程度及变化速率相较于高速和县道影响域内更为显著。

3） 不同等级公路对于不同土地利用类型影响效果具有差异。如高速、国道及省道和乡镇道路及其他道路对于建设用地、未利用地、水体土地利用变化影响较大，而县道则对耕地、草地、林地等农林用地影响较大。且非封闭式公路交通系统如国道及省道、县道等对城市建设更具吸引、导向作用，而封闭式道路系统如高速，其作用不如非封闭式道路。

4） 西宁市公路沿线土地利用景观格局逐步呈用地集中化、形状规整化。道路对土地利用景观格局具有显著影响，且不同等级道路对于土地利用景观格局的影响不同。如乡镇道路及其他道路对于地块切割作用明显，土地利用斑块破碎度最高，形状最不规整，高速影响域斑块破碎化程度最低，县道影响域内地块形状最为规整。路网密度和道路封闭性是道路系统对土地利用景观格局造成影响的主要影响因子。

5） 公路交通系统对于不同地类土地利用变化的影响的距离不同，且这种影响随距离增加具有一定衰减作用，存在最大影响范围。如建设用地占比随距离公路距离增加而减少，未利用地占比随距离公路距离增加而增加，土地利用综合指数随缓冲距离的增加而减小，且越远减少越快，综合土地利用动态度变化同样随缓冲距离增加而减小。但随着社会整体经济发展，城市经济、人口体量的增加，道路对土地利用的影响距离会扩大。

参考文献

[1] 李璐，徐磊，董捷.交通设施建设对土地利用效率的空间溢出效应［J］.城市问题，2017（8）：67-73.

[2] Antwi A R， Elisabete S.Land use–transport interaction modeling：A review of the literature and future research directions［J］.Journal of Transport and Land Use，2015.

[3] 赵哲，曾晨，程轶皎.交通路网的空间外溢性对土地集约利用的影响—以京津冀城市群为例［J］.经济地理，2020，40（7）：174-183.

[4] 刘志伟，张荣堂，刘建荣.城市土地利用对居民通勤方式选择的影响［J］.武汉理工大学学报（交通科学与工程版），2020，44（6）：989-993.

[5] 杨励雅.城市交通与土地利用相互关系的基础理论与方法研究［D］.北京：北京交通大学，2007.

[6] 赵鹏军，万婕.城市交通与土地利用一体化模型的核心算法进展及技术创新［J］.地球信息科学学报，2020，22（4）：792-804.

[7] 崔学刚，方创琳，张蔷.山东半岛城市群高速交通优势度与土地利用效率的空间关系［J］.地理学报，2018，73（6）：1149-1161.

[8] 牛方曲，王芳.城市土地利用—交通集成模型的构建与应用［J］.地理学报，2018，73（2）：380-392.

[9] 张映雪，莫文波，王勇，等.北京市高速公路周边土地利用变化对景观格局的影响［J］.地球信息科学学报，2017，19（1）：28-38.

[10] 曹武星，罗飞雄，韩骥，等.快速城市化地区交通主干道对景观格局变化的影响［J］.地球信息科学学报，2014，16（6）：898-906.

[11] 陈卓，梁宜，金凤君.基于陆路综合交通系统的中国城市网络通达性模拟及其对区域发展格局的影响［J］.地理科学进展，2021，40（2）：183-193.

[12] 王伟，谷伟哲，翟俊，等.城市轨道交通对土地资源空间价值影响［J］.城市发展研究，2014，21（6）：117-124.

[13] 胡金晓，朱明，濮励杰，等.交通道路对区域土地利用变化的影响研究进展［J］.长江流域资源与环境，2018，27（1）：205-214.

[14] 国巧真，蒋卫国，王志恒.高速铁路对周边区域土地利用时空变化的影响［J］.重庆交通大学学报（自然科学版），2015，34（4）：133-139.

[15] 黄勇，李阳兵，应弘.渝宜高速（重庆段）对土地利用变化驱动及景观格局的响应［J］.自然资源学报，2015，30（9）：1449-1460.

[16] 王慧敏，危小建，刘耀林.武汉城市圈公路沿线土地利用变化规律分析［J］.长江流域资源与环境，2016，25（10）：1585-1593.

[17] 郭源园，李莉，李贵才，等.国内外城市土地利用与交通相互作用研究综述［J］.国际城市规划，2015，30（3）：29-36.

[18] 何尹杰，吴大放，刘艳艳.城市轨道交通对土地利用的影响研究综述：基于Citespace的计量分析［J］.地球科学进展，2018，33（12）：1259-1271.

[19] 徐勇，赵燊，段健.国土空间规划的土地利用分类方案研究［J］.地理研究，2019，38（10）：2388-2401.

[20] 邸向红，侯西勇，吴莉.中国海岸带土地利用遥感分类系统研究［J］.资源科学，2014，36（3）：463-472.

[21] 刘栩成，尹小玲，黄光庆，等.基于GWR模型的道路对景观破碎化影响研究［J］.生态科学，2020，39（6）：120-126.

[22] 阳文锐.北京城市景观格局时空变化及驱动力［J］.生态学报，2015，35（13）：4357-4366.

基金资助

青海省基础研究计划项目(2018-ZJ-787)

国家自然科学基金项目(41971195)