河南省光山縣土地利用時(shí)空變化特征分析

佟艷 張慧慧,2

（1.河南理工大學(xué) 測(cè)繪與國(guó)土信息工程學(xué)院，河南 焦作 454000；2.河南省地圖院，河南 鄭州 450000）

1 研究背景

光山縣位于河南省東南部、信陽(yáng)市中部，南依大別山，北臨淮河，地處鄂豫皖三省連接地帶，全縣東西長(zhǎng)60km，南北寬55km?？h境東鄰潢川和商城，西連羅山，南接新縣，北與息縣相望。地處亞熱帶向暖溫帶過(guò)渡地帶，屬亞熱帶北部季風(fēng)型濕潤(rùn)、半濕潤(rùn)氣候，光山是中國(guó)天然氧吧縣，自2015 年來(lái)空氣質(zhì)量排名多次位居全省第一。為促進(jìn)土地利用與區(qū)域經(jīng)濟(jì)協(xié)調(diào)發(fā)展，我國(guó)學(xué)者對(duì)土地利用變化及生態(tài)環(huán)境質(zhì)量關(guān)系進(jìn)行了大量研究。張雪英選取1990 ～2020 年間的遙感影像數(shù)據(jù)，研究遼西地區(qū)的土地利用和土地覆蓋格局及轉(zhuǎn)移情況，發(fā)現(xiàn)該地區(qū)主要土地類型為耕地、林地、建筑用地和未利用土地[1]。王有小等對(duì)1995 ～2018年間廣西中越邊境地區(qū)的土地利用變化和生態(tài)風(fēng)險(xiǎn)進(jìn)行研究，發(fā)現(xiàn)影響土地利用類型變化的主要原因是當(dāng)?shù)亟?jīng)濟(jì)快速發(fā)展和城市化進(jìn)程加快，提出應(yīng)重視生態(tài)和經(jīng)濟(jì)的協(xié)同發(fā)展[2]。為更好地利用土地利用數(shù)據(jù)，合理分配當(dāng)?shù)赝恋刭Y源，研究一條可促進(jìn)經(jīng)濟(jì)快速發(fā)展和生態(tài)環(huán)境保護(hù)服務(wù)功能提升相結(jié)合的道路，本文選取光山縣為研究區(qū)域，基于Landset TM 30m 遙感影像生產(chǎn)的全國(guó)土地利用數(shù)據(jù)產(chǎn)品，按照國(guó)家土地利用分類方法，結(jié)合劉紀(jì)遠(yuǎn)等在建設(shè)“中國(guó)20 世紀(jì)LUCC時(shí)空平臺(tái)”建立的LUCC 分類系統(tǒng)，研究光山縣的土地利用數(shù)據(jù)，提取2000 年和2015 年兩期數(shù)據(jù)進(jìn)行動(dòng)態(tài)分析，對(duì)光山縣的整體土地利用框架有了大致了解。

2 數(shù)據(jù)分析

2.1 土地類型分析

本研究根據(jù)國(guó)家土地利用分類方法，結(jié)合LUCC 分類系統(tǒng)將土地利用數(shù)據(jù)進(jìn)行分類，其中一級(jí)類型分為6 大類，主要包括耕地、林地、草地、水域、建設(shè)用地和未利用地。二級(jí)分類主要包括水田、旱地、有林地、灌木林等25 種類型（如表1 所示）。根據(jù)研究需求，在此主要采用一級(jí)分類，獲得了2000 年和2015 年的土地利用矢量數(shù)據(jù)（如圖1 所示）。

表1 土地利用類型分類

2.2 研究方法

為了明確光山縣該時(shí)期的土地利用時(shí)空變化特征，選用以下3 種土地類型分析方法。

2.2.1 土地利用變化幅度

2.2.2 單一土地利用變化動(dòng)態(tài)度

受自然和社會(huì)條件影響，同一地區(qū)在不同時(shí)間段的土地利用方式存在差異，并且不同時(shí)期的土地利用類型變化速度和幅度也有較大差異。單一土地利用變化動(dòng)態(tài)度可以表示一定時(shí)間段內(nèi)不同土地利用變化的速度和變化幅度[4]，總結(jié)一定的規(guī)律，便于分析相應(yīng)時(shí)間段土地利用類型變化的走向，并且對(duì)未來(lái)一段時(shí)間的土地利用變化趨勢(shì)做出預(yù)測(cè)。其數(shù)學(xué)公式為：

公式（2）中：K為研究時(shí)期內(nèi)單一土地利用類型的動(dòng)態(tài)度；Ua、Ub分別為研究初期、末期某種土地利用類型的面積；T為研究時(shí)長(zhǎng)[3]。

2.2.3 土地轉(zhuǎn)移矩陣

不同時(shí)期土地利用類型的轉(zhuǎn)變可通過(guò)土地轉(zhuǎn)移矩陣具體分析。土地利用轉(zhuǎn)移矩陣源于系統(tǒng)分析中對(duì)系統(tǒng)狀態(tài)與狀態(tài)轉(zhuǎn)移的定量描述[5]。利用ArcGIS 對(duì)兩期土地利用矢量數(shù)據(jù)進(jìn)行空間疊加分析，獲取研究時(shí)段內(nèi)土地利用類型的轉(zhuǎn)移矩陣，清晰地分析不同類型間的轉(zhuǎn)化，同一類型向何種類型轉(zhuǎn)化，哪種土地類型轉(zhuǎn)移面積最多，轉(zhuǎn)化類型最多或最少，并具體分析研究時(shí)段內(nèi)此地土地類型轉(zhuǎn)變的特征和原因。其表達(dá)式為：

3 光山縣土地利用類型分析

3.1 光山縣土地利用空間分析

由光山縣土地利用現(xiàn)狀圖（圖1）可知，光山縣耕地分布較為均勻，幾乎覆蓋所有區(qū)域；林地主要分布于縣城周邊，主要位于西南和東南區(qū)域；建設(shè)用地分布較為分散，其中東部地區(qū)比較集中；草地主要分布于西南和南部區(qū)域 ；水域主要呈線狀分布，主要分布在南部和東南方位，未利用地主要分布在東南區(qū)域。

圖1 光山縣2000年、2015年土地利用現(xiàn)狀

對(duì)光山縣2000 年和2015 年土地類型面積統(tǒng)計(jì)可知（如圖2 和圖3 所示），耕地、建設(shè)用地、林地是光山縣的主要土地類型。其中2000 年光山縣土地類型主要包括5 大類（如表2 和表3 所示），耕地占全縣面積比例較大為1425.44km2，占全縣面積的77.72%；其次為林地，面積為179.04km2，占全縣面積的9.76%；光山縣土地類型還包括建設(shè)用地、水域和草地，面積分別為119.54km2、82.57km2、27.38km2，分別占全縣總面積的6.52%、4.5%、1.49%。2015年光山縣土地類型包括6大類，耕地仍是最主要的土地類型，面積為1365.95km2，占全縣總面積的74.48%；林地面積為218.50km2，占全縣總面積的11.91%；建設(shè)用地面積為134.35km2，占全縣總面積的7.33%；水域面積為87.93km2，占全縣總面積的4.79%；草地面積為26.73km2，占全縣總面積的1.46%；未利用地面積為0.51km2，占全縣總面積的0.03%。

圖2 土地類型結(jié)構(gòu)

圖3 土地類型結(jié)構(gòu)

表2 2000年、2015年光山縣土地利用變化（單位：km2）

表3 2000年、2015年各類型占全縣總面積比例（比例：%）

3.2 光山縣土地利用類型時(shí)空演變分析

3.2.1 變化幅度和動(dòng)態(tài)度分析

從2000 ～2015 年光山縣土地利用數(shù)量變化中分析，6 種土地類型變化呈現(xiàn)“四增二減”趨勢(shì)[6]，建設(shè)用地、林地、水域、未利用地總面積增加，草地和耕地總面積減少，并且不同類型的動(dòng)態(tài)度差異較大。其中與2000 年數(shù)據(jù)相比，2015 年林地變化幅度較大，為22.04%，年增速為1.47%，凈增加39.46km2；其次為建設(shè)用地，變化幅度為12.39%，年增速為0.83%，凈增長(zhǎng)14.81km2；水域變化幅度為6.5%，年增速為0.43%，凈增長(zhǎng)5.36km2；未利用地凈增長(zhǎng)0.51km2；耕地和草地變化幅度呈現(xiàn)下降趨勢(shì)，其中耕地下降幅度較大，變化幅度為-4.17%，每年以0.28%的速度減少，凈減少面積為59.49km2；草地變化幅度為-2.39%，每年以0.16%的速度減少，凈減少面積為0.65km2。

3.2.2 光山縣土地轉(zhuǎn)移矩陣分析

本文數(shù)據(jù)處理主要使用ArcGIS10.2 軟件，新建字段，對(duì)圖斑類型進(jìn)行賦值，并以km2為單位對(duì)矢量數(shù)據(jù)進(jìn)行面積計(jì)算，融合處理消除重復(fù)圖層，最后統(tǒng)計(jì)同一時(shí)期不同類型間的面積；對(duì)2000 年和2015 年數(shù)據(jù)進(jìn)行相交處理，統(tǒng)計(jì)出這兩個(gè)時(shí)間段之間土地利用類型的轉(zhuǎn)化（如圖4 所示）；利用Excel 軟件對(duì)2000年和2015 年相交數(shù)據(jù)進(jìn)行處理，生成數(shù)據(jù)透視表，得出土地轉(zhuǎn)移矩陣，如表4 所示。

表4 2000～2015年光山縣土地利用轉(zhuǎn)移矩陣（單位：km2）

由此可知，光山縣2000 ～2015 年間土地類型呈現(xiàn)一種向多種土地類型轉(zhuǎn)化的特征[6]。從土地轉(zhuǎn)出方面分析，耕地2000 ～2015 年間總轉(zhuǎn)出量為69.65km2，其中分別轉(zhuǎn)出為林地（44.04km2），草地（0.11km2），水域（7.43km2），建設(shè)用地（17.99km2），未利用地（0.08km2），耕地主要轉(zhuǎn)出類型為林地、建設(shè)用地和水域。林地2000 ～2015 年間總轉(zhuǎn)出量為5.41km2，其中分別轉(zhuǎn)出為耕地（0.59km2），草地（0.05km2），水域（2.50km2），建設(shè)用地（1.85km2），未利用地（0.42km2），林地主要轉(zhuǎn)出類型為水域和建設(shè)用地。草地2000 ～2015 年間總轉(zhuǎn)出量為1.05km2，其中分別轉(zhuǎn)出為耕地（0.15km2），林地（0.33km2），水域（0.31km2），建設(shè)用地（0.27km2），草地向這四種類型轉(zhuǎn)出量比較均衡。水域2000 ～2015 年間總轉(zhuǎn)出量為5.06km2，其中分別轉(zhuǎn)出為耕地（3.92km2），林地（0.4km2），草地（0.25km2），建設(shè)用地（0.49km2），水域轉(zhuǎn)出主要類型為耕地，向其余三種類型轉(zhuǎn)化面積大致相同。建設(shè)用地2000 ～2015 年間總轉(zhuǎn)出量為5.78km2，其中分別轉(zhuǎn)出為耕地（5.48km2），林地（0.1km2），水域（0.2km2），建設(shè)用地主要轉(zhuǎn)出類型為耕地，少部分向林地和水域轉(zhuǎn)化，未涉及草地和未利用地。

從土地轉(zhuǎn)入方面分析，耕地2000 ～2015 年間總轉(zhuǎn)入量為10.14km2，其中由林地、草地、水域、建設(shè)用地轉(zhuǎn)化，轉(zhuǎn)入面積分別為0.59km2、0.15km2、3.92km2、5.48km2，耕地轉(zhuǎn)入類型主要為建設(shè)用地和水域。林地2000 ～2015 年間總轉(zhuǎn)入量為44.87km2，其中由耕地、草地、水域、建設(shè)用地轉(zhuǎn)化，轉(zhuǎn)入面積分別為44.04km2、0.33km2、0.4km2、0.1km2，林地轉(zhuǎn)入類型主要為耕地。草地2000 ～2015 年間總轉(zhuǎn)入量為0.41km2，其中由耕地、林地、水域轉(zhuǎn)化，轉(zhuǎn)入面積分別為0.11km2、0.05km2、0.25km2，草地總轉(zhuǎn)入面積相對(duì)較少，轉(zhuǎn)化類型特征不明顯。水域2000 ～2015 年間總轉(zhuǎn)入量為10.44km2，其中由耕地、林地、草地、建設(shè)用地轉(zhuǎn)化，轉(zhuǎn)入面積分別為7.43km2、2.5km2、0.31km2、0.2km2，水域轉(zhuǎn)入類型主要為耕地和林地。建設(shè)用地2000 ～2015 年間總轉(zhuǎn)入量為20.6km2，其中由耕地、林地、草地、水域轉(zhuǎn)化，轉(zhuǎn)入面積分別為17.99km2、1.85km2、0.27km2、0.49km2，建設(shè)用地轉(zhuǎn)入類型主要為耕地和林地。未利用地2000 ～2015 年間總轉(zhuǎn)入量為0.5km2，其中由耕地、林地轉(zhuǎn)化，轉(zhuǎn)入面積分別為0.08km2、0.42km2，形成新的光山縣土地類型轉(zhuǎn)化分布如圖4 所示。

圖4 2000年、2015年土地類型轉(zhuǎn)化分布

4 結(jié)論

通過(guò)分析光山縣2000 ～2015 年土地利用類型變化，6 種土地類型變化呈現(xiàn)“四增二減”的特點(diǎn)，其中，建設(shè)用地、林地、水域、未利用地保持增加趨勢(shì)，草地和耕地總面積趨勢(shì)走低。從土地類型面積增加幅度來(lái)看，林地＞建設(shè)用地＞水域＞未利用地，說(shuō)明2000 ～2015 年間該區(qū)域在生態(tài)保護(hù)、植樹(shù)造林方面取得了較大進(jìn)展。從土地類型面積減少幅度來(lái)看，耕地＞草地，耕地凈減少了59.49km2。并且不同類型的動(dòng)態(tài)度差異較大，林地、耕地、草地、建設(shè)用地、水域的動(dòng)態(tài)度分別為1.47%、-0.28%、-0.16%、0.83%、0.43%。

該地的土地類型轉(zhuǎn)變呈現(xiàn)一轉(zhuǎn)多特征，耕地面積轉(zhuǎn)移為林地＞建設(shè)用地＞水域＞草地＞未利用地。耕地面積主要轉(zhuǎn)移為林地、建設(shè)用地。耕地向林地的轉(zhuǎn)變，促進(jìn)了當(dāng)?shù)氐纳鷳B(tài)優(yōu)化發(fā)展，提升了生態(tài)環(huán)境質(zhì)量。耕地向建設(shè)用地轉(zhuǎn)變，說(shuō)明當(dāng)?shù)仉S著城鎮(zhèn)化發(fā)展，不免侵蝕、占用耕地資源，然而耕地是當(dāng)?shù)刈钪饕耐恋仡愋停r(nóng)業(yè)發(fā)展對(duì)當(dāng)?shù)亟?jīng)濟(jì)也有促進(jìn)作用，這就提示當(dāng)?shù)匾侠砼渲觅Y源，在經(jīng)濟(jì)快速發(fā)展的大環(huán)境下，要重視保護(hù)耕地資源，尋找一條經(jīng)濟(jì)發(fā)展和資源合理配置相結(jié)合的道路，為當(dāng)?shù)卣峁├碚撘罁?jù)。

從轉(zhuǎn)入類型分析，林地面積增多，主要從耕地、草地、水域和建設(shè)用地發(fā)展而來(lái),研究期內(nèi)耕地是向林地轉(zhuǎn)移面積較多的類型，說(shuō)明當(dāng)?shù)刈⒅亟?jīng)濟(jì)發(fā)展的同時(shí)，也重視生態(tài)保護(hù)。從位置分布看，建設(shè)用地在東部地區(qū)擴(kuò)展迅速，城鎮(zhèn)化較為明顯；南部和東南部林地面積增加顯著。