基于GM( 1，1)模型的長(zhǎng)株潭地區(qū)土地覆被變化分析及趨勢(shì)預(yù)測(cè)

郭榮中　申海建　楊敏華

摘要：對(duì)長(zhǎng)株潭地區(qū)2002-2014年的土地覆被變化和土地利用強(qiáng)度進(jìn)行了定量評(píng)價(jià)，并利用GM（1，1）模型對(duì)其發(fā)展趨勢(shì)進(jìn)行了預(yù)測(cè)分析。結(jié)果表明，2002-2014年長(zhǎng)株潭地區(qū)各種土地利用類型均發(fā)生了較大的變化，城鎮(zhèn)村及工礦用地、交通運(yùn)輸用地面積凈增加，其他各類用地面積凈減少。同期長(zhǎng)株潭地區(qū)土地墾殖指數(shù)呈逐年下降趨勢(shì);土地開發(fā)強(qiáng)度指數(shù)、土地利用率指數(shù)、土地利用強(qiáng)度綜合指數(shù)均呈逐年上升趨勢(shì)。同時(shí)預(yù)測(cè)出研究區(qū)域2017-2026年各類土地利用數(shù)量情況，園地、草地、未利用土地、林地、耕地、水域面積出現(xiàn)不同程度減少，變化率分別達(dá)-19.15%、-12.31%、-7.10%、-3.12%、-2.80%、-1.18%;交通用地、居民點(diǎn)及工礦用地面積出現(xiàn)不同程度增加，變化率分別達(dá)35.57%、15.61%。

關(guān)鍵詞：土地利用類型;土地利用強(qiáng)度;GM（ 1，1）模型;長(zhǎng)株潭地區(qū)

中圖分類號(hào)： F299.21 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A

文章編號(hào)：0439-8114（2020） 16-0054-07

D0I：10.14088/j.cnki.issn0439-8114.2020.16.011

土地利用/土地覆蓋的變化（Land-use and land-cover change， LUCC ） 在全球環(huán)境變化和可持續(xù)發(fā)展中占有重要地位，是所有與可持續(xù)發(fā)展相關(guān)問題的核心，已經(jīng)成為全球環(huán)境研究的熱點(diǎn)和前沿問題[1，2]。國內(nèi)外學(xué)者開展了大量的研究，Aspinall[3]利用經(jīng)驗(yàn)統(tǒng)計(jì)模型在多個(gè)尺度上研究了土地利用與覆被變化;Lambin等[4]闡述了過去300多年人類擾動(dòng)造成的LUCC時(shí)空格局演變，揭示了社會(huì)經(jīng)濟(jì)因素對(duì)全球尺度LUCC時(shí)空過程的驅(qū)動(dòng)作用;Wolter等[5]對(duì)1992-2001年美國大湖流域土地利用覆被變化情況進(jìn)行了研究;Engstrtrom等[6]利用節(jié)省參數(shù)模型對(duì)全球農(nóng)業(yè)土地利用變化進(jìn)行了分析。國內(nèi)則比較重視對(duì)LUCC時(shí)空過程與格局演替的描述、解釋、預(yù)測(cè)及與之相關(guān)的政策分析。Yue等[7]、劉紀(jì)遠(yuǎn)等[8]、王少華[9]對(duì)一定區(qū)域土地利用的空間格局演替進(jìn)行了研究，楊梅等[10]、袁磊等[11]對(duì)土地利用變化的驅(qū)動(dòng)力進(jìn)行了分析，還有不少學(xué)者[12-16]采用不同方法對(duì)區(qū)域土地利用變化進(jìn)行了模擬。土地利用/ 土地覆蓋變化作為全球環(huán)境變化和陸地生態(tài)系統(tǒng)對(duì)全球氣候變化和人類活動(dòng)最重要的響應(yīng)之一，它不僅影響人類生存與發(fā)展的自然基礎(chǔ)，而且通過人類對(duì)與土地有關(guān)的自然資源利用活動(dòng)深刻影響了全球及其活動(dòng)區(qū)域。本課題以長(zhǎng)株潭地區(qū)為研究對(duì)象，分析了2002-2014年長(zhǎng)株潭地區(qū)年土地利用變化情況，并對(duì)其發(fā)展趨勢(shì)進(jìn)行了預(yù)測(cè)，以期為政府制定國土空間規(guī)劃提供科學(xué)依據(jù)。

1 研究區(qū)概況與數(shù)據(jù)來源

長(zhǎng)株潭地區(qū)位于湖南省中東部丘陵區(qū)，位于羅霄山脈與雪峰山脈之間的湘江谷地。下轄3個(gè)地級(jí)市，共12個(gè)市轄區(qū)，4個(gè)縣級(jí)市，7個(gè)縣。位于東經(jīng)111°53'-114°15'，北緯 26°03' —28°41'。

數(shù)據(jù)來源于第二次土地調(diào)查及其年度變更數(shù)據(jù)。

2研究方法

2.1 土地覆被變化分析

土地利用動(dòng)態(tài)變化度可定量描述區(qū)域土地利用變化的速度。本研究用單一土地利用類型動(dòng)態(tài)度表達(dá)區(qū)域一定時(shí)間范圍內(nèi)某種土地利用類型的數(shù)量變化情況[17]，即：K動(dòng)=（Ub - Ua）/ua × T-1×100% （1）

式中，K動(dòng)為研究時(shí)段內(nèi)某種土地利用類型動(dòng)態(tài)度;U0為研究初期某種土地利用類型的數(shù)量;Ub為研究末期某種土地利用類型的數(shù)量;T為研究時(shí)段長(zhǎng)，設(shè)定為年。

2.2 土地利用強(qiáng)度分析

土地利用強(qiáng)度主要反映土地利用的深度和廣度。本研究用土地墾殖指數(shù)、土地開發(fā)強(qiáng)度指數(shù)、土地利用率指數(shù)、土地利用強(qiáng)度綜合指數(shù)來反映人類活動(dòng)的強(qiáng)度差異。

2.2.1 土地墾殖指數(shù) 土地墾殖指數(shù)表示耕地面積占區(qū)域土地面積的比重。土地墾殖指數(shù)越高，說明該區(qū)域的的耕地開發(fā)利用程度越高。表達(dá)式為：K墾=（G/A） × 100 （2）

式中，K墾為研究區(qū)域的土地墾殖指數(shù);G為區(qū)域已開墾種植的耕地面積;A為區(qū)域土地總面積。

2.2.2 土地開發(fā)強(qiáng)度指數(shù) 土地開發(fā)強(qiáng)度指數(shù)指建設(shè)用地總量占區(qū)域總面積的比例。土地開發(fā)強(qiáng)度指數(shù)越高，說明區(qū)域內(nèi)其他類型土地向建設(shè)用地轉(zhuǎn)換的速度越快。表達(dá)式為：

F = （J/A） ×100 （3）

式中，F(xiàn)為研究區(qū)域的土地開發(fā)強(qiáng)度指數(shù);J為區(qū)域建設(shè)用地面積;A為區(qū)域土地總面積。

2.2.3 土地利用率指數(shù) 土地利用率指數(shù)是表示已經(jīng)開發(fā)利用的土地面積占整個(gè)研究區(qū)域面積的比例，是土地自然、社會(huì)和經(jīng)濟(jì)綜合效益的集中體現(xiàn)。表達(dá)式：

C = [（A - W）/A]×100 （4）

式中，C為研究區(qū)域的土地利用率指數(shù);W為區(qū)域未利用土地面積以為區(qū)域土地總面積。

2.2.4 土地利用強(qiáng)度綜合指數(shù) 根據(jù)劉紀(jì)遠(yuǎn)[18]的研究成果，把研究區(qū)域的各種土地利用類型按照利用程度分為4級(jí)。通過每級(jí)土地利用類型在研究區(qū)域中所占的百分比乘以其分級(jí)指數(shù)進(jìn)行加權(quán)求和，最后得到研究區(qū)域的土地利用強(qiáng)度綜合指數(shù)。表達(dá)式為：LUD = n∑i=1 Li×Ai （5）

式中，LUD為研究區(qū)域土地利用強(qiáng)度綜合指數(shù);Li為研究區(qū)域內(nèi)第i類土地利用類型的土地利用強(qiáng)度分級(jí)指數(shù)，其中，難利用地（其他土地）取值為1，林地、草地和水域及水利設(shè)施用地取值為2，耕地、園地取值為3，建設(shè)用地（含城鎮(zhèn)村及工礦用地、交通運(yùn)輸用地）Li取值為4;Ai為研究區(qū)域內(nèi)第i類土地利用類型在區(qū)域內(nèi)的面積百分比;n為土地利用強(qiáng)度分級(jí)數(shù)。

2.3土地利用預(yù)測(cè)分析

為了預(yù)測(cè)研究區(qū)域土地利用變化情況，本研究利用灰色GM（1，1）模型[19]進(jìn)行預(yù)測(cè)。即：～x（1）（t+1）=（x（0） （1）-u/a e-at）+u/a，（x（1）（0） ）x（0）（1）

（6）a a～x（0）（t）=～x（1）（t）-～x（t-1） （7）

3結(jié)果與分析

3.1 2002-2014年長(zhǎng)株潭地區(qū)土地覆被動(dòng)態(tài)變化

長(zhǎng)株潭地區(qū)土地利用類型面積變化如表1所示，2002-2014年研究區(qū)域內(nèi)各類土地利用均發(fā)生了較大的變化。在耕地、園地、林地、草地、水域及水利設(shè)施用地、其他土地面積凈減少量中，林地減少量最多，達(dá)21692.40 hm2;其次是耕地，達(dá)20332.48hm2。城鎮(zhèn)村及工礦用地、交通運(yùn)輸用地面積凈增量中，城鎮(zhèn)村及工礦用地增加居首位，達(dá)51904.56hm2;交通運(yùn)輸用地次之，達(dá)14699.05 hm2。從變化幅度來看，交通運(yùn)輸用地變化幅度最大，高達(dá)29.18%;其次是園地，為-27.89%;再次是城鎮(zhèn)村及工礦用地，為19.80%;最小的是林地，僅為-1.44%。

根據(jù)式（1）計(jì)算研究區(qū)域單一土地利用類型動(dòng)態(tài)度，從表1可知，交通運(yùn)輸用地變化幅度最大，為2.43%/年;其次是園地，為-2.32%/年;再次是城鎮(zhèn)村及工礦用地，為1.65 %/年;最小的是林地，僅為-0.12%/年。

3.2 長(zhǎng)株潭地區(qū)2002-2014年土地利用強(qiáng)度變化

3.2.1 土地墾殖指數(shù)變化 根據(jù)式（2），計(jì)算出研究區(qū)域2002-2014年的土地墾殖指數(shù)（表2）。由表2可知，2002-2014年長(zhǎng)株潭地區(qū)土地墾殖指數(shù)呈逐年下降趨勢(shì)，從2002年的23.51減少到2014年的22.79，下降了0.72，年均減少0.06。其中，長(zhǎng)沙市由初期的24.48下降至23.59，下降了 0.89，年均減少0.07;株洲市由初期的18.88下降至18.58，下降了0.30，年均減少0.03;湘潭市由初期的31.64下降至30.34，下降了1.30，年均減少0.11。表明研究區(qū)域內(nèi)耕地面積在2002-2014年持續(xù)減少，由2002年的659964.74 hm2減少到2014年的639632.26 hm2，導(dǎo)致土地墾殖指數(shù)持續(xù)下降。

3.2.2 土地開發(fā)強(qiáng)度指數(shù)變化 根據(jù)式（3），計(jì)算出研究區(qū)域2002-2014年的土地開發(fā)強(qiáng)度指數(shù)（表3）。由表3可知，2002-2014年長(zhǎng)株潭地區(qū)土地開發(fā)強(qiáng)度指數(shù)呈逐年上升趨勢(shì)，從2002年的10.45增加到2014年的13.07，增長(zhǎng)了2.62，年均增長(zhǎng)0.21。其中長(zhǎng)沙市由初期的11.42增加至15.33，上升了3.91，年均增加0.33;株洲市由初期的7.80增加至9.51，上升了1.71，年均增加0.14;湘潭市由初期的14.10增加至15.76，上升了1.66，年均增加0.14。表明長(zhǎng)株潭地區(qū)城鎮(zhèn)村及工礦用地、交通運(yùn)輸用地等建設(shè)用地面積在研究期間持續(xù)增加，由2002年的293210.20 hm2增加到 2014年的366995.37 hm2，導(dǎo)致土地開發(fā)強(qiáng)度指數(shù)持續(xù)上升。

3.2.3 土地利用率指數(shù)變化 根據(jù)式（4），計(jì)算出研究區(qū)域2002-2014年的土地利用率指數(shù)（表4）。從表4可知，2002-2014年長(zhǎng)株潭地區(qū)土地利用率指數(shù)呈逐年上升趨勢(shì)，從2002年的95.72增加到2014年的96.27，增加了0.55，年均增長(zhǎng)0.04。其中長(zhǎng)沙市由初期的96.77增加至97.24，上升了0.47，年均增加0.04;株洲市由初期的94.42增加至95.11，上升了 0.69，年均增加0.06;湘潭市由初期的96.15增加至96.56，上升了0.41，年均增加0.03。表明研究區(qū)域未利用土地在研究期間持續(xù)減少，由2002年的 120214.83 hm2減少到2014年的104 769.88hm2，導(dǎo)致土地利用率指數(shù)持續(xù)上升。

3.2.4 土地利用強(qiáng)度綜合指數(shù)變化 根據(jù)式（5），計(jì)算出研究區(qū)域2002-2014年的土地利用強(qiáng)度綜合指數(shù)（表5）。由表5可知，2002-2014年長(zhǎng)株潭地區(qū)土地利用強(qiáng)度綜合指數(shù)呈逐年上升趨勢(shì)，從2002年的241.27增加到2014年的246.03，年均增長(zhǎng)0.40。其中林、草、水用地占比由初期的60.61%下降至59.58%，農(nóng)業(yè)用地占比由初期的24.66%下降至23.62%，未利用地占比由初期的4.28%下降至3.73%，建設(shè)用地占比由初期的10.45%上升至13.07%。研究區(qū)域林地、草地、水域及水利設(shè)施用地和農(nóng)業(yè)用地持續(xù)減少，建設(shè)用地不斷增加，這與該地區(qū)經(jīng)濟(jì)社會(huì)快速發(fā)展，城市化水平不斷提高，城鎮(zhèn)村及工礦用地、交通運(yùn)輸用地不斷占用其他類型土地的宏觀背景相吻合。

3.3 土地利用面積預(yù)測(cè)

以2002-2011年長(zhǎng)株潭地區(qū)土地利用變更調(diào)查數(shù)據(jù)為基礎(chǔ)，利用GM（1，1）模型，即式（6）、式（7），預(yù)測(cè)研究區(qū)域2014-2026年各類型土地面積變化情況，預(yù)測(cè)模型見表6。根據(jù)灰色模型殘差檢驗(yàn)的判斷標(biāo)準(zhǔn)，相對(duì)誤差小于等于5%，說明模型精度較高。其中，模型的相對(duì)誤差值小于1%，模型精度為1級(jí);大于1%并小于等于5%，模型精度為2級(jí);大于5%并小于等于10%，模型精度為3級(jí);大于10%并小于等于20%，模型精度為4級(jí)[20]。由表6可知，不同類型土地預(yù)測(cè)模型的精度均較高，其中，未利用地預(yù)測(cè)模型平均相對(duì)誤差值最大，為2.2%，耕地預(yù)測(cè)模型平均相對(duì)誤差最小，僅為0.05%，這表明預(yù)測(cè)模型可信度高。為了進(jìn)一步驗(yàn)證預(yù)測(cè)模型的準(zhǔn)確性，本研究將通過預(yù)測(cè)模型計(jì)算出來的2014年各類型土地面積與實(shí)際值比較，進(jìn)行適用性檢驗(yàn)。結(jié)果如表7所示，比較各類型土地面積的模型值和實(shí)際值，相對(duì)誤差均小于5.00%，模型通過檢驗(yàn)。根據(jù)表6中各種類型土地的預(yù)測(cè)模型，對(duì)長(zhǎng)株潭地區(qū)2017—2026年各類土地面積進(jìn)行預(yù)測(cè)，具體結(jié)果見表8。由表8可知，園地、草地、未利用土地、林地、耕地、水域面積均出現(xiàn)不同程度減少，變化率分別達(dá)-19.15%、-12.31%、-7.10%、-3.12%、-2.80%、-1.18%;交通用地、居民點(diǎn)及工礦用地面積出現(xiàn)不同程度增加，變化率分別達(dá)35.57%、15.61%。這表明預(yù)計(jì)在2017—2026年隨著長(zhǎng)株潭地區(qū)一體化進(jìn)程加快以及交通行業(yè)的快速發(fā)展，建設(shè)用地占用土地的強(qiáng)度還在不斷加大。4小結(jié)1） 從整體上來看，2002—2014年長(zhǎng)株潭地區(qū)各種土地利用類型均發(fā)生了較大的變化。耕地、園地、林地、草地、水域及水利設(shè)施用地、其他土地面積凈減少量中，林地減少量最多，達(dá)21 692.40 hm2。城鎮(zhèn)村及工礦用地、交通運(yùn)輸用地面積凈增量中，城鎮(zhèn)村及工礦用地增加居首位，達(dá)51 904.56 hm2。研究區(qū)域土地利用類型變化的主要原因是長(zhǎng)株潭地區(qū)城市化水平不斷提尚，尤其是在2007年獲批兩型社會(huì)綜合配套改革試驗(yàn)區(qū)之后，區(qū)域經(jīng)濟(jì)社會(huì)快速發(fā)展，基礎(chǔ)設(shè)施建設(shè)的大量占用造成了建設(shè)用地面積的大幅增加。2） 2002—2014年長(zhǎng)株潭地區(qū)土地墾殖指數(shù)呈逐年下降趨勢(shì)，從2002年的23.51減少到2014年的22.79; 土地開發(fā)強(qiáng)度指數(shù)呈逐年上升趨勢(shì)，從2002年的10.45增加到2014年的13.07;土地利用率指數(shù)呈逐年上升趨勢(shì)，從2002年的95.72增加到2014年的96.27; 土地利用強(qiáng)度綜合指數(shù)呈逐年上升趨勢(shì)，從2002年的241.27增加到2014年的246.03，年均增長(zhǎng)0.40。這與該地區(qū)城市化水平不斷提高，城鎮(zhèn)村及工礦用地、交通運(yùn)輸用地不斷占用其他類型土地的宏觀背景相吻合。3） 利用GM（1，1）模型進(jìn)行預(yù)測(cè)可知，2017—2026年長(zhǎng)株潭地區(qū)園地、草地、未利用土地、林地、耕地、水域面積均出現(xiàn)不同程度減少，變化率分別達(dá)-19.15%、-12.31%、-7.10%、-3.12%、-2.80%、-1.18%;交通用地、居民點(diǎn)及工礦用地面積出現(xiàn)不同程度增加，變化率分別達(dá)35.57%、15.61%。

4）根據(jù)研究區(qū)域的具體情況，建議采取如下措施：嚴(yán)格保護(hù)耕地尤其是基本農(nóng)田，充分協(xié)調(diào)“吃飯”與“建設(shè)”的關(guān)系。堅(jiān)持“一要吃飯”“二要建設(shè)”基本原則長(zhǎng)期不動(dòng)搖，嚴(yán)格控制非農(nóng)建設(shè)占耕。各項(xiàng)建設(shè)必須堅(jiān)決執(zhí)行土地利用規(guī)劃，嚴(yán)格控制城鎮(zhèn)、園區(qū)等外延擴(kuò)張占用良田。同時(shí)大力提高耕地質(zhì)量，以基本農(nóng)田保護(hù)示范區(qū)建設(shè)為契機(jī)，切實(shí)加強(qiáng)農(nóng)田基本建設(shè)力度，改善農(nóng)業(yè)生產(chǎn)條件，用好高產(chǎn)田，改造中低產(chǎn)田。優(yōu)化土地利用結(jié)構(gòu)，合理布局城市用地，提局土地集約利用效益。

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收稿日期：2020-01-21

基金項(xiàng)目：湖南省自然科學(xué)基金項(xiàng)目（2019II70013）;湖南省教育廳科研項(xiàng)目（18C1801）;湖南省生態(tài)環(huán)境廳環(huán)保科研項(xiàng)目;湖南省社會(huì)科學(xué)成果評(píng)審委員會(huì)課題（XSP19YBC297）;湖南省自然資源調(diào)查與監(jiān)測(cè)T程技術(shù)研究中心開放課題（2020-14）

作者簡(jiǎn)介：郭榮中（1979-），女，湖南桂東人，教授，高級(jí)工程師，博士，主要從事土地信息與土地生態(tài)研究，（電話）13787027606（電子信箱）865495696@qq.com。