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2025 , Vol. 53 >Issue 5: 26 - 37

DOI: https://doi.org/10.15983/j.cnki.jsnu.2025503

“双碳”目标下国土空间规划新技术专题(主持人:黄晓燕)

城乡梯度下关中平原城市群耕地破碎化时空特征及其差异

  • 孙震 1 ,
  • 孙钦珂 , 1, 2, 3, * ,
  • 周亮 1, 2, 3
展开
  • 1 兰州交通大学 测绘与地理信息学院,甘肃 兰州 730070
  • 2 地理国情监测技术应用国家地方联合工程研究中心,甘肃 兰州 730070
  • 3 甘肃省测绘科学与技术重点实验室,甘肃 兰州 730070
*孙钦珂,男,讲师,主要研究方向为城市灾害与风险分析。E-mail:

Copy editor: 程琴娟

收稿日期: 2025-04-27

  网络出版日期: 2025-09-24

基金资助

兰州市科技计划项目(2024-3-93)

甘肃省青年科技基金(25JRRA209)

收起

Spatiotemporal characteristics and differentiation of cultivated land fragmentation in the Guanzhong Plain urban agglomeration under the urban-rural gradient

  • SUN Zhen 1 ,
  • SUN Qinke , 1, 2, 3, * ,
  • ZHOU Liang 1, 2, 3
Expand
  • 1 Faculty of Geomatics, Lanzhou Jiaotong University, Lanzhou 730070, Gansu, China
  • 2 National-Local Joint Engineering Research Center of Technologies and Applications for National Geographic State Monitoring, Lanzhou 730070, Gansu, China
  • 3 Key Laboratory of Science and Technology in Surveying & Mapping, Gansu Province (Lanzhou Jiaotong University), Lanzhou 730070, Gansu, China

Received date: 2025-04-27

  Online published: 2025-09-24

Fold

摘要

城市扩张引发的耕地破碎化对自然资源的可持续利用和粮食安全构成了严峻威胁。以关中平原城市群为例,构建景观格局视角的耕地破碎化综合指数(cultivated land fragmentation index,CLFI),结合CRITIC(criteria importance through intercriteria correlation)权重法、圈层梯度分析法和土地利用转移矩阵等方法,系统探讨了1990—2023年城市群扩张与耕地破碎化的时空特征及其关联响应。结果表明:1990—2023年,关中平原城市群耕地面积减少6.01×103 km2,其中4.30×103 km2转化为建设用地,占新增建设用地的46.62%,耕地破碎化主要集中于城市边缘和海拔较高的地区;各城市耕地破碎化在城乡梯度上的变化趋势显著,反映了不同城市的发展规模和阶段差异;耕地破碎化综合指数差值显示,1990—2023年耕地破碎化程度总体增加,咸阳市破碎化程度增幅最大且随距离递增,而多数城市的破碎化程度随距离递减。研究揭示了城市群扩张背景下耕地破碎化在城乡梯度上的时空演变规律,为耕地保护、科学规划城市扩展及优化土地利用格局提供了科学参考。

关键词： 城市扩张; 耕地破碎化; 城乡梯度; 关中平原城市群; CRITIC权重法

本文引用格式

孙震 , 孙钦珂 , 周亮 . 城乡梯度下关中平原城市群耕地破碎化时空特征及其差异[J]. 陕西师范大学学报(自然科学版), 2025 , 53(5) : 26 -37 . DOI: 10.15983/j.cnki.jsnu.2025503

Abstract

The fragmentation of cultivated land caused by urban expansion poses a serious threat to the sustainable use of natural resources and food security. Taking the Guanzhong Plain urban agglomeration as a case study, this paper constructs a cultivated land fragmentation index (CLFI) from the perspective of landscape pattern.By integrating the CRITIC weighting method, concentric zone gradient analysis, and land use transition matrix, it systematically explores the spatiotemporal characteristics and response mechanisms of cultivated land fragmentation driven by urban expansion from 1990 to 2023. The results reveal that the total area of cultivated land in the study area decreased by 6.01×103 km2 from 1990 to 2023, of which 4.30×103 km2 was converted to construction land, accounting for 46.62% of new construction land. Fragmentation was primarily concentrated at urban fringes and higher elevations. The degree of cultivated land fragmentation exhibits a significant gradient across urban-rural zones, reflecting variations in urban development scale and stage across cities. The difference in the CLFI (ΔI) indicates an overall increase in fragmentation between 1990 and 2023, with Xianyang city showing the greatest increase in ΔI, which also intensifies with distance from the city center, whereas in most other cities, fragmentation decreases outward. These findings reveal the spatiotemporal evolution patterns of cultivated land fragmentation along the urban-rural gradient under the backdrop of urban agglomeration expansion, offering scientific insights for cultivated land protection, urban expansion planning, and land use optimization.

Key words： urban expansion; fragmentation of cultivated land; urban-rural gradient; Guanzhong Plain urban agglomeration; CRITIC weighting method

随着全球城市化进程的持续加快,城市扩张所引发的土地利用结构变迁与生态环境干扰已成为国际社会高度关注的焦点问题。城市扩张产生大量土地开发需求,特别是在城市边缘区域,其往往以侵占耕地为代价,造成耕地资源持续流失与空间破碎化问题日益严重[1-3]。耕地作为国家粮食安全和生态平衡的重要基础,其被占用和破坏程度直接关系到粮食生产能力、生态环境质量以及农村社会结构的稳定性[4-6]。不仅如此,耕地在城市扩张过程中还面临破碎化等间接威胁,这种现象已成为耕地保护的重要挑战之一[7-9]。当前,耕地保护与粮食安全已成为全球共识。联合国可持续发展目标(sustainable development goals,SDGs)中明确提出“消除饥饿”(SDG2)、“可持续城市和社区”(SDG11)等目标,强调要通过遏制耕地流失、提升土地资源利用效率和强化农业生态系统保护,实现可持续的粮食生产和城乡协调发展。联合国粮食及农业组织亦多次警示,耕地破碎化及城市扩张已严重威胁全球粮食安全、农村生计与生态稳定,呼吁各国加强土地用途监管和耕地保护政策的落实。近年来,全球范围内出台了一系列旨在减少耕地流失、优化土地空间格局的国际政策和行动计划,推动区域尺度上的土地整治与景观连通性维护,提升农业系统韧性与粮食安全保障水平。
耕地破碎化是指耕地在土地利用变化中被分割成不规则的小斑块,导致耕地的连贯性和整体性受到破坏[10-11],这不仅降低了耕地的农业生产效率和生态功能[12-14],还增加了农业生产和管理的难度,对生态环境造成深远影响[15-16]。随着城市的不断扩张,耕地破碎化主要集中在城市边缘和复杂地形区域,呈现出空间异质性和动态演变特征[17-18]。探讨城市扩张背景下耕地破碎化的形成机制及其城乡梯度上的空间分布规律,对于粮食安全、生态环境保护、城乡区域协调发展、土地利用政策优化等具有重要意义。
当前关于耕地破碎化的研究主要聚焦于其形成机制、空间格局及影响因素,研究方法日益多元,涵盖景观生态学分析、地理信息系统建模、遥感影像解译与空间计量统计等多个技术体系[19-21]。如:有学者采用景观格局指数刻画耕地破碎化程度,并结合地理探测、形态学梯度分析等方法识别其空间分布规律,指出破碎化程度通常随距城市中心距离的增加而增强[22-23];也有学者借助多期遥感数据与地统计模型对耕地破碎化的时序演变进行量化追踪,指出其在不同区域与时间尺度下的演化路径具有显著异质性,并受到交通基础设施建设、土地利用政策调整等人为因素的综合驱动[24]。现有研究在土地覆盖变化、景观格局演变、耕地破碎化的定量测算等方面取得了重要进展,并探讨了其与农村收入、粮食产量及耕地撂荒等因素的关系[25-27],但仍聚焦于单一城市或短期阶段,缺乏在城市群尺度与城乡梯度背景下对破碎化时空特征的系统探讨。这限制了对耕地破碎化过程及其与城市扩张关联的深入理解。
关中平原城市群是中国西部第二大城市群,自1990年以来经历了快速城镇化,城市用地扩张以大量耕地为代价,导致严重的耕地破碎化和粮食安全问题。本研究以关中平原城市群为典型区域,以揭示城市扩张背景下耕地破碎化的动态特征及其对农业生产和生态环境的影响为目标,利用CLCD(China land cover dataset)数据详细刻画关中平原城市群的扩张过程及土地利用转移,分析城市扩张对耕地空间格局的具体影响;通过景观格局指数结合CRITIC权重法计算耕地破碎化综合指数(CLFI),量化破碎化程度;使用圈层梯度分析法对城市群进行城乡梯度划分,计算并分析各梯度带的CLFI变化趋势。本研究聚焦城市扩张驱动下耕地破碎化的时空演变过程,旨在识别城乡梯度下破碎化的空间差异格局,量化耕地破碎化强度随距离变化的梯度响应,并结合典型城市的变化趋势,揭示区域间破碎化发展路径的异质性。这不仅有助于揭示城市群扩张对耕地景观格局的深层次影响,还为科学规划土地利用、制定有效的耕地保护政策提供理论支持和实践指导。

1 研究区概况

关中平原城市群(图1)位于中国内陆腹地,地处东经104°34'~112°34'、北纬33°34'~36°56'之间,涵盖陕西省西安、咸阳、宝鸡、渭南、铜川、商洛,甘肃省天水、平凉、庆阳(西峰区),以及山西省运城、临汾等11个地级市,总面积约1.07×105 km2,是国家西部大开发战略中的重点城市集聚区。地貌上,研究区呈现“南山北塬、中部平原”的地势格局,南部为秦巴山地,北部属黄土高原,中部为冲积平原,地势整体西南高、东北低,地形起伏对耕地连片性和破碎化格局形成具有重要影响。本区属温带半湿润季风气候,四季分明,降水集中于夏季,年均降水量500~700 mm,年均气温约12℃。地理环境与气候条件共同造就了研究区优良的农业基础,被誉为“关中粮仓”,但山区与塬区耕地利用受地形与水土资源约束明显。区域生态敏感性强,城市扩张与农业空间存在空间竞争,破碎化趋势明显。土地利用结构以耕地、林地和建设用地为主。根据CLCD多期遥感监测数据,1990—2023年耕地面积由5.60×104 km2降至5.00×104 km2,建设用地则由2.35×103 km2增至6.68×103 km2,年均增长率达5.85%,土地利用结构重塑特征显著。耕地破碎化问题尤以城市边缘与丘陵区最为突出,2023年耕地中单斑块面积小于10 hm2的破碎耕地达2 790 km2,占总耕地面积的5.57%。
图1 关中平原城市群区位图

注:网络版为彩图。

Fig.1 Location of the Guanzhong Plain urban agglomeration

社会经济方面,关中平原城市群2023年总人口已突破4 800万人,地区生产总值约为4.1万亿元,城市化率超过70%,形成以西安为核心的“一圈一轴三带”空间格局。其中西安为国家中心城市,咸阳、宝鸡为区域次中心,西咸一体化发展趋势明显,城市空间持续向外围蔓延。交通基础设施完善,陇海铁路、连霍高速等交通廊道贯穿区域,加速了城市间连通与土地利用转型。快速城市化推动下,城市建设用地与农业空间发生显著错位与重叠,耕地资源保护压力不断加剧,为本研究提供了典型案例场域与实践背景。

2 数据来源与研究方法

2.1 数据来源

研究采用的1990年、2000年、2010年、2023年4期关中平原城市群土地利用数据均来源于CLCD(China land cover dataset)数据(https://zenodo.org/records/12779975),空间分辨率为30 m,CLCD是第一个基于Landsat的1990—2023年中国土地覆盖年度产品,总体精度为79.31%。结合关中平原城市群的实际情况和本研究的需求,将研究区土地利用类型重分类为耕地、林地、草地、水体、建设用地和未利用地。数字高程模型(digital elevation model,DEM)数据(空间分辨率为30 m×30 m)来源于中国科学院地理空间数据云(https://www.gscloud.cn),坐标系统为UTM/WGS84。行政区划矢量数据来自国家基础地理信息中心,根据关中平原城市群区划利用ArcGIS得到行政边界。
从CLCD数据集中提取大规模耕地与破碎耕地[28]。参考已有研究中的耕地规模划分标准,将耕地面积10 hm2设定为区分破碎耕地与大规模耕地的阈值,即面积小于10 hm2的耕地被界定为破碎耕地,用以衡量耕地空间完整性与连贯性[29],计算各个年份破碎耕地的面积并绘制关中平原城市群破碎耕地分布图。

2.2 土地利用转移矩阵

耕地与其他类型土地之间的相互转换可以看作是耕地变化的一种具体表现[30]。土地利用转移矩阵是一种广泛应用于地理信息科学中的空间分析工具,用于揭示地表不同用途之间的转变关系,通过计算转移矩阵,可以从数量上描绘土地利用类型之间的流动关系,为深入理解土地利用变化提供重要的基础。构建关中平原城市群总体的土地利用转移矩阵,量化耕地对其他土地利用类型的侵蚀或损失:
S= S 11 … S 1 n ︙ ︙ ︙ S n 1 … S n n。
式中:Sij为土地面积,i为初始土地利用类型,j为最终土地利用类型;n为土地利用类型数量。

2.3 圈层梯度分析法

梯度分析是分析城市景观格局和变化最广泛的方法之一,它包括条带法和同心圆法[31-33]。其中,同心圆法是以城市中心为中心,按一定距离向外延伸,划定一系列缓冲区,每个缓冲区被视为确定统计数据的一个单元。在本研究中,将城市的地标或地方政府作为城市中心,然后从中心向外每1 km定义同心缓冲区,直到缓冲区完全覆盖定义的最大圆圈。最大圆圈的确定标准为:1)需覆盖城市大部分建成区(>90%),这些建成区通常被视为城市部分,以及一些建成区与城市没有直接联系的村镇;2)圈内不包括邻近的市、县;3)城市群中的一些城市彼此靠近,造成相邻缓冲区的重叠,故使用行政边界来划分重叠区域[34]。
关中平原城市群中西安市是最大的城市,本文将圆的半径扩大到50 km后可以覆盖西安市的大部分建成区,所以50 km的半径是本研究中使用的缓冲区最大距离。由于关中平原城市群中的平凉市现有建设用地呈现条带状,不适用该梯度分析方法,而庆阳市只有西峰区在关中平原城市群规划中且面积较小,所以本研究中不对这两个城市进行分析。采用1 km的间隔计算每个城市50 km内各缓冲带的景观格局指数,以景观格局指数从中心到边缘的分布来表示城乡梯度上的耕地景观格局破碎化情况。
需要说明的是,由于城市核心区多为建成区域,耕地分布较为稀疏,部分缓冲带(0~5 km)内可能存在耕地斑块数量较少甚至缺失的情况。为保持圈层梯度分析结构的连续性与完整性,避免人为设限所带来的空间结构扭曲,本研究在计算过程中未对缓冲区设置下限,即保留了从城市中心至外围50 km范围内的所有缓冲带。对于核心区斑块稀少导致的CLFI波动问题,在后续分析与结果解读中予以区别对待,不将其作为主要结论依据,而是用于反映破碎化从近城向远郊的整体变化趋势。

2.4 耕地变化特征与景观格局指数计算

鉴于本研究关注的是耕地在城市扩张背景下的空间破碎特征演变,需综合反映其数量变化、空间密度、结构形态及聚集程度,因此选取了5个代表性景观格局指数(表1):斑块数量(number of plaques,NP,式中记为N)与斑块密度(patch density,PD,式中记为D)用于表征耕地斑块的数量与密集程度,最大斑块指数(largest plaque index,LPI,式中记为ILP)与景观形态指数(landscape shape index,LSI,式中记为ILS)反映斑块的规模特征与边界复杂性,聚集指数(aggregation index,AI,式中记为IA)则用于度量耕地斑块的空间连通性[35-37]。上述指标共同覆盖了破碎化分析所需的主要维度,具有良好的可比性与实用性。由于本研究以耕地单一类型为对象,属于典型的类型水平(class-level)分析,相关指标的计算方式与生态意义在耕地破碎化研究中已有广泛应用,具有较强代表性与科学性[38-39]。
表1 景观指标选取及意义

Tab.1 Landscape metrics selection and their significance

景观指标 计算公式 意义
PD D=n/a 表示某种斑块在景观中的密度,值越高,破碎程度越高,可反映景观整体的异质性与破碎度以及某一类型的破碎化程度。n、a分别为耕地数量、耕地面积(km2)。
AI IA= 1 + ∑ P l n ( P ) 2 l n ( n )×100 表示每一种景观类型斑块间的连通性,值越高,斑块越集聚。n、P分别为耕地数量、耕地斑块的周长(km)。
NP N=n 表示斑块的个数或者某一类景观斑块的个数,值越高,破碎程度越高。n为耕地数量。
LPI ILP=amax/A×100 表示最大斑块占整个景观面积的比例,值越高,斑块越集聚。amax、A分别为最大耕地面积(km2)、耕地的总面积(km2)。
LSI ILS=0.25∑e/ a 表示整个景观内斑块形状特点,值越高,形状越不规则,反映斑块周边复杂性。a、e分别为耕地面积(km2)、斑块边界总长度(km)。

2.5 客观赋权法构建耕地综合破碎化指数

客观赋权法(CRITIC权重法)是一种相较于熵权法和标准离差法更好的赋权法[40]。它是基于评价指标的对比强度和指标之间的冲突性来综合衡量指标的客观权重,完全利用数据自身的客观属性进行科学评价[41]。对比强度是指同一个指标各个评价方案之间取值差距的大小,以标准差的形式来表现,标准差越大,说明数据的波动越大,权重越高。指标之间的相关系数反映数据之间的冲突性,若两个指标之间具有较强的正相关,说明其冲突性越小,权重会越低。表达式为
Cj=Sj ∑ i (1-rij)。
式中:Cj表示第j个指标在评价指标体系中的信息量;Sj表示第j个指标的标准差;rij表示指标i和j之间的相关系数。
耕地破碎化综合评价指数(CLFI,式中记为I)可以表示为
I= C j ∑ j C j×x'ij。
式中:x'ij是消除量纲过程中数据归一化处理后的值。经过计算,PD、AI、NP、LPI和LSI 5个景观指标的权重分别为0.21、0.17、0.22、0.18、0.22。
为更直观揭示城市扩张对耕地破碎化的冲击效应,本研究基于不同缓冲区距离带的CLFI值变化,计算其时序差值,定义为耕地破碎化综合评价指数差值(ΔI)。ΔI用于衡量1990—2023年同一梯度带的耕地破碎化变化趋势,计算公式为
ΔIk=Ik,2023-Ik,1990。
其中k表示各城市从中心向外每1 km划分的同心缓冲带序号。ΔI>0表示破碎化程度加剧,ΔI<0表明破碎化程度缓解。

3 研究结果

3.1 关中平原城市群土地利用时空特征

1990—2023年,关中平原城市群土地利用结构显著调整,耕地面积持续减少,建设用地和林地则不断增加(表2)。整体来看,耕地面积由5.60×104 km2降至5.00×104 km2,建设用地面积则由2.35×103 km2增至6.68×103 km2。2000年后,受“退耕还林”和“生态保护红线”政策推动,林地面积显著提升,草地、耕地则进一步缩减。关中平原城市群在1990—2023年主要以耕地、林地、草地、建设用地等土地类型为主,四者的面积变动较明显,耕地与草地面积分别减少6 013 km2和4 128 km2,林地和建设用地分别增加5 823 km2和4 324 km2。耕地向建设用地和林地的大规模转化成为土地格局演变的主导特征,其中4.30×103 km2耕地转为建设用地,占新增建设用地的46.62%。
表2 1990—2023年关中平原城市群不同土地利用类型动态度

Tab.2 Dynamics of different land use types in the Guanzhong Plain urban agglomeration from 1990 to 2023 单位:%

年份 耕地 林地 草地 水域 建设用地 未利用地
1990—2000年 -0.41 0.49 -0.30 -3.96 5.73 -2.45
2000—2010年 -0.39 0.60 -1.11 2.64 4.07 -6.00
2010—2023年 0.24 0.58 1.71 0.48 2.49 5.72
1990—2023年 -0.33 0.59 -1.00 -0.57 5.85 -1.43
各时期土地转化特征受政策导向及城市化进程影响明显,城市群扩张始终以边缘区耕地为主要空间来源,带动土地利用类型间的转移与重组(图2),耕地面积共减少6.01×103 km2。
图2 关中平原城市群土地利用转移和弦图

注:网络版为彩图。

Fig.2 Land use transfer chord diagrams of the Guanzhong Plain urban agglomeration

关中平原城市群的快速发展以牺牲大面积的耕地为代价,城市的逐步扩张大多发生在城市边缘区,致使城市边缘区居民失去原有的大部分耕地,进而向更远离市中心的地方开拓耕地,这会使耕地出现城乡梯度上的耕地破碎化。关中平原城市群破碎化耕地的空间格局表现出明显的异质性与动态演变特征。破碎化耕地主要分布于城市外围地带以及地势较高的区域,并在1990—2023年呈现先减后增的趋势。1990—2010年,破碎化面积有所收缩,但2010年后随建设用地加速扩张,破碎化现象再度加剧,至2023年破碎耕地面积达到2 790 km2。空间上,西安市及临汾、铜川等城市的外围区域为破碎化热点(图3),城市扩张对耕地连贯性的削弱效应愈发显著。
图3 关中平原城市群破碎化耕地分布图

注:网络版为彩图。

Fig.3 Distribution of fragmented cultivated land in the Guanzhong Plain urban agglomeration

3.2 关中平原城市群耕地破碎化空间特征

1990—2023年,关中平原城市群各城市耕地从市中心到远郊的CLFI变化趋势如图4所示。关中平原城市群各城市CLFI在不同时期的趋势存在显著差异。
图4 各城市CLFI趋势图

注:网络版为彩图。

Fig.4 CLFI Trend charts for each city

处于中心位置的西安市耕地的整体破碎化程度最高,在5~25 km距离范围内,后两个时期的CLFI较高,耕地破碎化程度上升;而在25~50 km范围,后两个时期的CLFI较低,耕地破碎化程度下降。
临汾市、铜川市、运城市耕地的整体破碎化程度较高,这些城市的CLFI显现出较为明显的时间趋势,整体呈现为CLFI的逐期提升。这是因为1990—2023年建设用地的增加主要集中在东南部的西安市和东北部的铜川市、临汾市的交界处。
咸阳市在1990—2000年耕地破碎程度较低,这个阶段咸阳市的扩张不断向西安市贴近,西咸都市圈初具规模;在2010—2023年,咸阳市的耕地破碎程度升高,这段时间关中平原城市群根据《关中平原城市群发展规划》构建“一圈(西咸都市圈)一轴(沿陇海铁路和连霍高速的主轴线)三带(包茂发展带、京昆发展带、福银发展带)”的总体格局,这也导致宝鸡和天水两个城市在不同时期的耕地破碎化程度逐渐上升。《关中平原城市群发展规划》的实施进一步提升宝鸡和天水等重要节点城市的承载能力,适度扩大这些城市的人口规模和建设用地规模,致使其耕地破碎化程度逐渐升高。
渭南市、商洛市的耕地破碎化程度在4个时期逐期降低,这反映出关中平原城市群生态环境保护工作的成效。秦巴山地生态屏障成功构建,“护山、治水、育林、养田、蓄湖”的生态保护修复工程也得到实施。
各城市的CLFI三次拟合曲线显示:在10~20 km出现第一个单调性变化,在30~40 km出现第二个单调性变化,这是“城市-乡村”梯度的一种体现,也反映关中平原城市群不同城市的发展程度与规模差异。部分城市在近中心缓冲带(0~5 km)由于建成区覆盖程度较高,耕地斑块显著稀疏,导致该区段的CLFI值呈现出一定程度的波动或偏高现象,此类波动主要反映的是样本数量有限条件下的指标敏感性,而非真实的耕地破碎化水平。因此,近核心区的CLFI变化趋势宜作为城市扩张背景下景观结构响应的参考性指标,而不宜作为评估耕地破碎强度的主要依据。中远距离缓冲区所体现的CLFI梯度变化,更能反映城市扩张对耕地空间格局的主导影响。
从CLFI梯度曲线变化来看,核心城市(如西安)在近中心区表现出较高的破碎化水平,而远郊区则呈现出逐步下降的趋势。这一现象反映出城市化进程中,建设用地扩张主要向城市边缘推进,导致该区域耕地斑块频繁被切割,连通性下降,破碎化程度迅速提升;而远郊区受地形限制较大,开发强度相对较低,加之近年来生态保护政策的推动,呈现出一定的破碎化缓解效应。各城市在城乡梯度上的CLFI变化趋势也体现了其空间结构和发展阶段的差异,例如西安、咸阳呈现“高强度中心-扩张边缘-外围修复”的空间格局,而商洛、渭南等地则表现出“低密度中心-生态主导边缘”的相对平稳趋势。这种差异说明城市梯度下耕地破碎化不仅受土地利用动态影响,也受到地理条件、政策导向与空间形态等多重因素的耦合调控。

3.3 关中平原城市群耕地破碎化差异分析

研究区的9个城市在城乡梯度上的耕地破碎化综合评价指数差值可以反映出在时空上城市扩张与耕地破碎之间的冲突程度,采用自然断点法,根据样本值的统计分布自动划分区间,体现耕地破碎化趋势的变化强度与空间分布(图5)。西安市5~10 km耕地破碎化程度减弱、10~25 km破碎化程度加剧,这说明西安的二环线外在研究时间内发展迅速。咸阳市5~40 km 耕地破碎程度始终大于零,说明西咸都市圈的逐步建设导致耕地破碎化程度加剧。运城市在中心与城郊耕地破碎程度提高,这与运城逐步形成的多中心城市结构相关。渭南市在距市中心5~20 km耕地破碎程度明显降低、20~50 km破碎程度均有升高,这与渭南市大力发展农业和逐渐形成的多中心城市结构相关。而宝鸡、商洛、临汾、铜川、天水在距各市中心5~25 km均有不同程度的耕地破碎加剧的情况,但在这个区域以外,破碎程度明显降低,这是“退耕还林”和“耕地占补平衡”政策的严格实施得来的益处。ΔI的变化趋势显示,大多数城市的ΔI平均值为正,表明关中平原城市群整体上的耕地破碎程度提高,其中咸阳市耕地破碎化程度变化最大。而从ΔI的稳定性来看,大多数城市的ΔI趋势斜率为负,表明随着距离的增加,耕地的破碎化程度有所减弱;但少数城市(如咸阳市和临汾市)的趋势斜率显示出耕地破碎程度随距离增加的趋势。在ΔI的趋势分析中,个别城市的近中心缓冲带(0~5 km)亦存在显著的差值波动,主要归因于该区域耕地样本数量不足所引起的数值不稳定性。由于CLFI差值的计算对数据的时序一致性要求较高,核心区的样本稀缺更容易引发局部异常变化,其计算结果主要用于趋势指示,不作为评估结论的核心依据。
图5 各城市CLFI变化图

注:网络版为彩图。

Fig.5 Changes in CLFI of each city

各城市ΔI的空间分异,不仅揭示了破碎化强度的变化趋势,也折射出城市群内部土地资源利用效率与空间治理能力的差异。咸阳、临汾等城市在中远距离缓冲带内ΔI值升幅显著,表明其在近年城市空间拓展中,外围耕地面临持续破碎,反映出其城乡结合部空间开发存在较强的无序性。而渭南、商洛等地则表现出近中心区ΔI下降,说明在以农业为主导和生态保护导向下,破碎化问题在一定程度上得到控制。总体来看,大多数城市的ΔI均为正值,表明耕地破碎化总体趋于加剧,而趋势斜率为负则意味着随着距离增加破碎程度有所缓解。建议未来在城市扩张管控中引入差异化策略,针对破碎化高风险区域加强土地空间优化配置,强化边缘区开发强度与生态保护之间的平衡,从而实现耕地资源保护与城乡协调发展的双重目标。

4 结论

本文以关中平原城市群为研究区,基于1990—2023年多期土地利用数据,融合CRITIC权重法、圈层梯度分析法和景观格局指数,系统刻画了城市群扩张驱动下耕地破碎化的时空特征及其城乡梯度分异规律。主要结论如下:
1)1990—2023年,关中平原城市群经历了以建设用地大幅扩张和耕地、草地持续流失为主导的土地利用格局重塑,城市边缘与地形复杂区成为耕地破碎化的高发区,反映出城市空间扩展对区域生态安全格局的深层次重构。耕地和草地的面积分别减少6 013 km2和4 128 km2,而林地和建设用地的面积则分别增加5 823 km2和4 324 km2。破碎化耕地主要分布于城市外围地带以及地势较高的区域,并呈现先减后增的趋势。
2)CLFI指数有效揭示了不同城市在城乡梯度上的破碎化演化趋势。西安市等核心城市中心区破碎化程度高,外围地区随距离递增呈现明显的时间趋势,即CLFI指数逐渐增加,部分节点城市受多中心结构与政策调控影响,破碎化程度表现出阶段性波动。各城市拟合曲线的单调性变化反映出“城市-乡村”的梯度变化,这一空间分异格局折射出城市化进程、土地利用政策与地理环境的复杂耦合机制。
3)关中平原城市群整体上在研究期内耕地破碎化趋势加剧。大多数城市的ΔI平均值为正,表明耕地破碎化程度上升,其中咸阳市的耕地破碎化程度变化最大。但城乡梯度下ΔI随距离的递减特征,表明城市扩张压力对近郊耕地冲击最为显著,而远郊区生态保护和政策干预的成效逐步显现,提示未来耕地保护策略需因地制宜、分区施策。
本研究提出的多维景观指标耦合圈层梯度分析方法,能够有效从耕地规模、耕地形状、耕地聚集程度3个方面综合度量城市群扩张下的耕地破碎化程度,突破了以往单个城市或单一尺度的视角,构建了城市群尺度下城市扩张-耕地破碎化动态联动的量化框架,丰富了城市扩张与景观格局演变的理论体系,并为国家和地方政府优化空间管控、完善耕地保护政策提供了量化依据与实践启示。然而,圈层梯度法在处理城市空间格局极为不规则或呈条带状分布的城市时存在一定局限,CLFI指标的区域可比性亦有待更多不同尺度、不同区域的对比检验。未来研究建议引入高分辨率遥感与时空大数据,融合多源景观指标与人类活动强度参数,进一步细化城乡梯度划分与过程机制分析,提升耕地破碎化监测与管理的科学性和前瞻性。

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