近20年中心城市土地利用時(shí)空變化和驅(qū)動(dòng)力分析

柳 明

(山東省地質(zhì)礦產(chǎn)勘查開(kāi)發(fā)局第三地質(zhì)大隊(duì)，山東 煙臺(tái) 264004)

土地利用及其演變特征是景觀生態(tài)學(xué)研究的核心內(nèi)容，是人類活動(dòng)最直觀的表現(xiàn)。自20世紀(jì)70年代以來(lái)，國(guó)內(nèi)外學(xué)者逐漸開(kāi)始從定量角度分析土地利用情況。隨著研究的深入，國(guó)內(nèi)學(xué)者為分析國(guó)內(nèi)城市化進(jìn)程發(fā)展、深入研究土地利用變化驅(qū)動(dòng)機(jī)制，為城市規(guī)劃提供數(shù)據(jù)支持，開(kāi)展了城市土地利用類型演化及其生態(tài)效應(yīng)研究[1-2]。

土地利用類型受生態(tài)環(huán)境、經(jīng)濟(jì)發(fā)展、社會(huì)變革等多類型因素影響。生態(tài)環(huán)境對(duì)土地利用類型變化具有引導(dǎo)作用，而經(jīng)濟(jì)發(fā)展、社會(huì)發(fā)展政策等人類活動(dòng)對(duì)土地利用變化在一定程度上起到了決定性作用，因而土地利用類型演變歷程是自然與人文過(guò)程交叉最為密切的問(wèn)題。開(kāi)展土地利用以及覆被類型變化研究，分析土地利用類型演變機(jī)制，可為土地利用規(guī)劃提供依據(jù)，為區(qū)域可持續(xù)性發(fā)展提供支持[3-6]。

目前對(duì)土地利用演變分析研究多以單一的土地利用類型變化、空間格局變化、重心變化等為主，本文基于GIS技術(shù)以2000～2020年期間鄭州市土地覆被數(shù)據(jù)，同時(shí)對(duì)研究區(qū)土地利用類型空間格局變化、重心遷移進(jìn)行分析，并構(gòu)建土地利用區(qū)位指數(shù)、多樣性指數(shù)、土地利用綜合程度指數(shù)等動(dòng)態(tài)度指數(shù)綜合分析鄭州市土地覆被類型變化趨勢(shì)，對(duì)鄭州市土地利用類型變化驅(qū)動(dòng)力分析，為鄭州市在土地利用規(guī)劃方面提供有效的數(shù)據(jù)支撐。

1 研究區(qū)概況

鄭州市地處河南省中部偏北，北臨黃河，西依嵩山，緊鄰黃淮平原，總面積約為7 567 km2，常住人口1 260萬(wàn)人，城鎮(zhèn)人口987.9萬(wàn)人，城鎮(zhèn)化率78.4%。鄭州市是河南省省會(huì)，全省的政治、經(jīng)濟(jì)、文化中心，下轄12個(gè)縣(市)、區(qū)，其中,縣1個(gè)、縣級(jí)市5個(gè)、區(qū)6個(gè)。在我國(guó)經(jīng)濟(jì)發(fā)展格局中，鄭州承東啟西，連接南北，是重要的商品生產(chǎn)、貨物集散地及交通樞紐。

2 數(shù)據(jù)來(lái)源與方法

2.1 數(shù)據(jù)源與處理

研究所用數(shù)據(jù)來(lái)源于GlobeLand30數(shù)據(jù)集，GlobeLand30數(shù)據(jù)集是中國(guó)國(guó)家高技術(shù)研究發(fā)展計(jì)劃(863計(jì)劃)全球地表覆蓋遙感制圖與關(guān)鍵技術(shù)研究項(xiàng)目的重要成果[7]。數(shù)據(jù)集中包含地類利用類型達(dá)十多種。分別獲取鄭州市2000、2010、2020年土地利用數(shù)據(jù)，并完成對(duì)數(shù)據(jù)的裁剪、投影變換等基本操作和數(shù)據(jù)預(yù)處理。

2.2 研究方法

本文主要從鄭州市土地利用空間變化過(guò)程、變化動(dòng)態(tài)度2個(gè)維度展開(kāi)分析，分別運(yùn)用土地利用占比變化、程度指數(shù)、空間質(zhì)心遷移狀態(tài)、多樣性分析等分析鄭州市2000～2020年土地利用演變過(guò)程。

2.2.1 土地利用空間質(zhì)心轉(zhuǎn)移分析

土地利用空間質(zhì)心轉(zhuǎn)移反映土地利用類型在空間上的集中分布情況。通過(guò)研究區(qū)內(nèi)研究期間始末土地利用類型質(zhì)心變化及分布特征，研究分析土地利用類型質(zhì)心轉(zhuǎn)移情況?？臻g質(zhì)心計(jì)算公式如下：

(1)

式中，Xi為第i類土地利用類型質(zhì)心X坐標(biāo)；Yi為第i類土地利用類型質(zhì)心Y坐標(biāo)；n為研究區(qū)按區(qū)縣劃分小區(qū)域的數(shù)目；Si為第i類土地利用類型面積；xi為第i區(qū)域內(nèi)質(zhì)心x坐標(biāo)；yi為第i區(qū)域內(nèi)質(zhì)心y坐標(biāo)。

2.2.2 土地利用綜合程度分析

土地利用綜合程度的大小直接反映了該區(qū)域內(nèi)土地利用程度的高低水平。由于自然環(huán)境、經(jīng)濟(jì)結(jié)構(gòu)改革以及社會(huì)發(fā)展是驅(qū)動(dòng)土地利用/覆被變化的重要因素，通過(guò)對(duì)土地利用綜合指數(shù)分析，能夠客觀反映土地利用驅(qū)動(dòng)力因素對(duì)土地利用現(xiàn)狀的影響。針對(duì)土地利用開(kāi)發(fā)程度，結(jié)合土地利用的可持續(xù)發(fā)展提出了土地利用程度的綜合分析方法，對(duì)不同土地利用類型設(shè)定分級(jí)指數(shù)，構(gòu)建耕地、林地、水體、濕地、草地、人造地表利用程度分級(jí)指數(shù)分別為3、2、2、2、2、4。用土地利用程度綜合指數(shù)來(lái)表示區(qū)域土地利用程度，計(jì)算公式如下[7-8]:

(2)

式中，LUI為土地利用程度綜合指數(shù)；Gi為第i種土地利用類型的分級(jí)指數(shù)；Si為第i種土地利用類型面積的百分比。

2.2.3 土地利用多樣性分析

土地利用類型多樣化程度是對(duì)區(qū)域性土地利用類型豐富性和總體結(jié)構(gòu)進(jìn)行評(píng)價(jià)的一項(xiàng)重要指標(biāo)。研究采用吉布斯-馬丁(Gibbs-Martin)的多樣化指數(shù)模型分析構(gòu)建鄭州市土地利用多樣化程度指數(shù)。計(jì)算公式如下[9-10]：

(3)

式中，GM為單位面積內(nèi)土地利用多樣化指數(shù)；Si為單位面積內(nèi)第i種用地類型面積。土地利用多樣化指數(shù)GM取值范圍[0～1]，GM值越大說(shuō)明區(qū)域用地多樣化程度越高。當(dāng)區(qū)域內(nèi)多樣化指數(shù)為0時(shí)，說(shuō)明該區(qū)域內(nèi)僅含有一類土地類型；當(dāng)GM值為1時(shí)，土地利用類型多樣化程度高，土地利用類型發(fā)展均衡。

3 結(jié)果與分析

3.1 土地利用空間變化分析

3.1.1 土地利用空間分布

通過(guò)不同年份土地利用分類，將柵格數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換為矢量數(shù)據(jù)，進(jìn)行圖層融合，并賦予相對(duì)應(yīng)屬性信息，根據(jù)不同年份屬性信息，進(jìn)行統(tǒng)計(jì)匯總得到2000～2020年土地利用轉(zhuǎn)移矩陣。鄭州市土地利用結(jié)構(gòu)變化情況如表1所示。

表1 鄭州市2000～2020年土地利用變化特征

如圖1所示，土地利用空間分布上，2000～2020年鄭州市土地利用類型可以分為耕地、林地、草地、濕地、水體和人造地表。耕地作為主要用地類型，占據(jù)鄭州市60%以上面積；林地、草地主要分布于西部鞏義市、登封市范圍內(nèi)；鄭州市水域面積較少，濕地、水體主要分布在北部黃河沿岸附近；人造地表呈逐年遞增趨勢(shì)，以各區(qū)縣主要經(jīng)濟(jì)發(fā)展區(qū)向周邊擴(kuò)增，主要集中在東北部地區(qū)。

圖1 2000～2020年鄭州市土地利用空間格局

數(shù)量變化上，2000～2010年期間耕地用地類型變化量在11%左右，人造地表面積增加一倍，濕地減少41%；2010～2020年期間人造地表面積增加最多，變化量為67%，濕地增加1.75倍，耕地面積減少最多。2000～2020年期間耕地、水體均在減少且變化量較大，濕地、人造地表均有明顯增加?？傮w上，隨著鄭州市經(jīng)濟(jì)發(fā)展、人口擴(kuò)增體現(xiàn)現(xiàn)代化城鎮(zhèn)建設(shè)的建筑區(qū)呈現(xiàn)快速增長(zhǎng)趨勢(shì)。

3.1.2 土地利用類型空間質(zhì)心

分析土地利用類型空間質(zhì)心，可分析了解研究區(qū)內(nèi)各土地利用類型的聚集中心的變化情況，研究遷移趨勢(shì)，推斷研究區(qū)發(fā)展方向。如表2和圖2所示，2000～2010年間鄭州市發(fā)展主要集中在北部二七區(qū)、管城回族區(qū)等區(qū)縣，隨著西部地區(qū)的滎陽(yáng)市、上街區(qū)、鞏義市的快速發(fā)展，人造地表向西南方向遷移3 753.29 m；水體向東北遷移4 999.06 m，濕地向西南遷移18 788.25 m；其他用地空間質(zhì)心基本未發(fā)生遠(yuǎn)距離轉(zhuǎn)移。2010～2020年間，鄭州市城市發(fā)展開(kāi)始逐漸向東部轉(zhuǎn)移，形成鄭東新區(qū)CBD，人造地表質(zhì)心向東部遷移。

表2 2000～2020年土地利用類型空間質(zhì)心遷移距離/m

圖2 2000～2020年土地利用類型空間質(zhì)心遷移

3.2 土地利用動(dòng)態(tài)度分析

3.2.1 土地利用綜合程度變化

計(jì)算鄭州市各區(qū)縣不同時(shí)期的土地利用程度和變化量，如圖3和表3所示，結(jié)果表明：2000～2010年、2010～2020年兩個(gè)時(shí)間段內(nèi)各區(qū)縣土地利用綜合指數(shù)變化量均呈正值，2000～2020年期間鄭州市空間分布土地利用綜合程度指數(shù)值較大的區(qū)域集中在經(jīng)濟(jì)發(fā)展良好、人造地表占比大、城鎮(zhèn)化發(fā)展迅速的區(qū)域。研究期間鄭州市正處于持續(xù)發(fā)展期，表明經(jīng)濟(jì)改革、社會(huì)發(fā)展對(duì)土地綜合利用程度具有推動(dòng)作用。

圖3 2000～2020年鄭州市各區(qū)縣土地利用綜合程度指數(shù)變化

表3 2000～2020年各區(qū)縣土地利用程度指數(shù)變化分析

3.2.2 土地利用多樣性變化

建立1 km×1 km網(wǎng)格，基于GIS數(shù)據(jù)處理工具統(tǒng)計(jì)分析各網(wǎng)格內(nèi)各類土地利用類型面積，并根據(jù)式(3)計(jì)算各網(wǎng)格內(nèi)多樣化指數(shù)，結(jié)果如圖4所示。不同區(qū)縣土地利用類型多樣性在空間上差異較為明顯，GM整體取值在[0～0.75]范圍內(nèi)，大部分區(qū)域內(nèi)GM值在0.47以下，受區(qū)域經(jīng)濟(jì)發(fā)展影響，鄭州市土地利用類型多樣化程度整體偏低。

圖4 2000～2020年鄭州市各區(qū)縣土地利用多樣性指數(shù)變化

結(jié)果表明：(1)2000年研究區(qū)內(nèi)部分區(qū)縣發(fā)展較緩慢地區(qū)GM值偏低，主要發(fā)展農(nóng)牧業(yè)，耕地集中分布；發(fā)展程度較高的區(qū)縣內(nèi)GM值偏低的主要原因是城鎮(zhèn)化發(fā)展程度高，人造地表集中分布。(2)GM取值在[0～0.01]的主要集中在耕地、城鎮(zhèn)化發(fā)展程度、土地利用類型單一區(qū)域；GM取值在[0.01～0.19]的主要集中在人造地表聚集或用地類型向單一化人造地表發(fā)展的區(qū)域，土地利用多樣性指標(biāo)偏低；GM取值在[0.19～0.37]的主要處于地類變化交界處；GM取值在[0.37～0.75]的多為耕地、林草、水體、人造地表交錯(cuò)帶，這類區(qū)域?qū)儆诟亍⒘值?、草地、人造地表之間的緩沖過(guò)渡帶。從GM取值范圍可以分析得到鄭州市由西北逐漸向東部、南部拓延，主城區(qū)中的金水區(qū)、中原區(qū)、管城回族區(qū)等城鎮(zhèn)化發(fā)展進(jìn)程迅速，主要是因?yàn)殡S著經(jīng)濟(jì)改革，社會(huì)發(fā)展需要用地類型逐漸呈現(xiàn)多樣化發(fā)展。

4 結(jié) 論

2000～2020年鄭州市土地利用空間結(jié)構(gòu)持續(xù)性變化，主要表現(xiàn)為:人造地表、耕地、濕地、水體面積變化較大，人造地表動(dòng)態(tài)度變化最大，耕地面積持續(xù)減少，轉(zhuǎn)化為人造地表、林地和草地；部分區(qū)域土地利用類型單一。各區(qū)域土地利用類型、多樣性指數(shù)與自然和社會(huì)經(jīng)濟(jì)因素有著直接關(guān)系，人造地表空間質(zhì)心整體朝著鄭州市鄭東新區(qū)、高新區(qū)、航空港區(qū)幾個(gè)方向遷移，經(jīng)濟(jì)結(jié)構(gòu)改變和社會(huì)變革是鄭州市土地利用變化的主要驅(qū)動(dòng)因素。今后，在本研究的基礎(chǔ)上，還可以利用相關(guān)模型來(lái)預(yù)測(cè)出未來(lái)的土地利用發(fā)展特征及驅(qū)動(dòng)力因素分析，更好的完成土地利用規(guī)劃，實(shí)現(xiàn)人與自然的可持續(xù)性發(fā)展。