蘭州市土地利用變化研究

高秉麗，高雅彬

(蘭州博文科技學(xué)院 工程管理學(xué)院，甘肅 蘭州 730101)

1 引言

土地利用變化是全球環(huán)境變化、氣候變化和可持續(xù)發(fā)展研究的核心領(lǐng)域和重要內(nèi)容[1]。土地利用是人類活動(dòng)行為對地球表層系統(tǒng)作用的表征，是全球環(huán)境變化的主要原因之一，也是人類活動(dòng)與自然生態(tài)環(huán)境交互的紐帶[1～3]。隨著對全球變化研究的不斷深入，土地利用變化研究已成為地理學(xué)研究關(guān)注的焦點(diǎn)，同時(shí)也是相關(guān)學(xué)科研究的基礎(chǔ)。

蘭州市在中國西北地區(qū)處于“座中六聯(lián)”的獨(dú)特位置，是西北地區(qū)重要的中心城市、工業(yè)基地和綜合交通樞紐、絲綢之路經(jīng)濟(jì)帶的核心節(jié)點(diǎn)城市，區(qū)域優(yōu)勢明顯[4]。近年來，蘭州市土地利用結(jié)構(gòu)受自然環(huán)境、政策及社會(huì)經(jīng)濟(jì)等綜合影響發(fā)生了顯著變化，分析其總體土地利用演變，對蘭州市土地利用合理性選擇及可持續(xù)發(fā)展有重要意義?；诖耍疚倪x取蘭州市為研究區(qū)域，以該區(qū)域2000、2010、2020年3期土地利用數(shù)據(jù)為基礎(chǔ)，通過ArcGIS軟件空間分析模塊，結(jié)合土地利用變化相關(guān)研究方法，對蘭州市近21年土地利用演變進(jìn)行了系統(tǒng)分析，以期為蘭州市土地資源可持續(xù)發(fā)展提供參考。

2 研究區(qū)概況

蘭州市位于我國西北部、甘肅省中部(35°34′20″～37°07′07″N，102°35′58″～104°34′29″E)，總面積約1.31×104km2。蘭州市是中國陸地的幾何中心，同時(shí)是甘肅省政治、文化、經(jīng)濟(jì)和科教中心，包括七里河區(qū)、城關(guān)區(qū)、安寧區(qū)、西固區(qū)和紅谷區(qū)以及榆中縣、皋蘭縣和永登縣。截至2020年底，全市戶籍人口為334.0萬人，城鎮(zhèn)人口和鄉(xiāng)村人口分別占全市總?cè)丝诘?3.69%和26.31%，國民生產(chǎn)總值2886.74億元，人均國內(nèi)生產(chǎn)總值66680元。蘭州市屬于溫帶大陸性氣候，年均溫為10.3 ℃，年降水量347 mm，年平均蒸發(fā)量為1448 mm，水資源十分短缺。蘭州市地貌屬于黃土高原丘陵溝壑區(qū)，地勢西南高，東北低，海拔1421～3675m。

3 數(shù)據(jù)來源及研究方法

3.1 數(shù)據(jù)來源

蘭州市2000、2010、2020年3期土地利用數(shù)據(jù)源于中國科學(xué)院資源環(huán)境科學(xué)與數(shù)據(jù)中心(https://www.resdc.cn/)，參照劉紀(jì)元等[5，6]建立的中國土地利用遙感制圖分類系統(tǒng)并結(jié)合研究區(qū)實(shí)際情況，將研究區(qū)土地利用類型劃分為耕地、林地、草地、水域、建設(shè)用地和未利用地6大類，數(shù)據(jù)解譯精度達(dá)95%[7]，空間分辨率為30 m×30 m，符合研究需求。蘭州市統(tǒng)計(jì)數(shù)據(jù)來源于《蘭州統(tǒng)計(jì)年鑒》(http://tjj.lanzhou.gov.cn/)。

3.2 研究方法

3.2.1 單一土地利用動(dòng)態(tài)度

單一土地利用動(dòng)態(tài)度表征區(qū)域不同土地利用類型在一定時(shí)段內(nèi)的數(shù)量變化情況，對預(yù)測土地利用變化趨勢有積極作用，反映人類活動(dòng)對單一土地利用類型的影響[8,9]。其計(jì)算公式：

(1)

式(1)中，K為T1至T2時(shí)段內(nèi)第i類土地利用類型的動(dòng)態(tài)度；i為第i類土地利用類型；T1、T2為研究時(shí)間節(jié)點(diǎn)，T2-T1為土地利用類型變化時(shí)段；Uit1、Uit2為T1、T2時(shí)間節(jié)點(diǎn)第i類土地利用類型的面積。

3.3.2 綜合土地利用動(dòng)態(tài)度

綜合土地利用動(dòng)態(tài)度描述土地利用變化速率的區(qū)域差異[10]。其計(jì)算公式：

(2)

式(2)中，S為T1至T2時(shí)段內(nèi)的綜合土地利用動(dòng)態(tài)度；i為第i類土地利用類型；n為土地利用類型總數(shù)，本文n=6；T1、T2為研究時(shí)間節(jié)點(diǎn)；ΔSi-j為T1至T2時(shí)段內(nèi)第i類土地利用類型轉(zhuǎn)為非i類土地利用類型面積的總和；Si為T1時(shí)間節(jié)點(diǎn)第i類土地利用類型的總面積。

3.3.3 土地利用轉(zhuǎn)移矩陣

北京大學(xué)房地產(chǎn)研究中心主任樓建波表示，《房產(chǎn)測量規(guī)范》提到的公攤面積計(jì)算方式在《住宅設(shè)計(jì)規(guī)范》中無相應(yīng)體現(xiàn)，致使國內(nèi)報(bào)批、設(shè)計(jì)、施工每個(gè)環(huán)節(jié)都不是特別清楚公攤?cè)绾斡?jì)算，只能等著房子蓋出來，測繪部門最終來測公攤大小，導(dǎo)致出現(xiàn)不少亂象。

土地利用轉(zhuǎn)移矩陣描述不同土地利用類型間的轉(zhuǎn)移情況，更好表達(dá)土地利用類型格局的時(shí)空演變過程[11～13]。其計(jì)算公式：

(3)

式(3)中，Sij為時(shí)段內(nèi)第i類土地利用類型轉(zhuǎn)為第j類土地利用類型的面積；n為土地利用類型總數(shù)。

3.3.4 土地利用結(jié)構(gòu)信息熵

土地利用結(jié)構(gòu)信息熵反映研究區(qū)在某階段土地利用類型的復(fù)雜程度及綜合性變化，熵值越大，不同土地利用類型越多，面積相差越小，結(jié)構(gòu)越均衡[14，15]。其計(jì)算公式：

(4)

式(4)中，H為土地利用結(jié)構(gòu)信息熵，Pi為第i類土地利用類型面積占區(qū)域總面積的比例。

本文引入均衡度增加信息熵的可信度，均衡度是表征土地利用均質(zhì)情況的指標(biāo)，值越高，土地利用結(jié)構(gòu)的均質(zhì)性越強(qiáng)[14]。其計(jì)算公式：

(5)

式(5)中，J為土地利用結(jié)構(gòu)均衡度；H為土地利用結(jié)構(gòu)信息熵；n為土地利用類型數(shù)量。由于H≤Hmax，可知J的取值在[0,1]之間，當(dāng)J=0時(shí)表示土地處于最不均勻狀態(tài)，當(dāng)J=1時(shí)表示土地利用類型達(dá)到理想的平衡狀態(tài)。

優(yōu)勢度與均衡度的意義相反，反映研究區(qū)內(nèi)一種或幾種土地利用類型支配該區(qū)域土地類型的程度。其計(jì)算公式：

I=1-J

(6)

式(6)中，I為土地利用結(jié)構(gòu)優(yōu)勢度，J為土地利用結(jié)構(gòu)均衡度。

4 結(jié)果分析

4.1 土地利用類型結(jié)構(gòu)變化

2000～2020年蘭州市的土地利用類型面積變化如表1所示。2000～2020年，草地、耕地和林地為蘭州市主導(dǎo)土地利用類型，其中，草地面積分布最廣，多年平均面積占比為59.86%；其次是耕地，多年平均面積占比為27.58%；林地多年平均面積占比為7.11%；建設(shè)用地、水域和未利用地多年平均面積僅占蘭州市總面積的5.45%(表1)。

表1 2000～2020年蘭州市土地利用類型面積統(tǒng)計(jì)

研究期間，蘭州市不同土地利用類型的面積變化存在差異。具體來看，耕地呈大幅減少趨勢，近21年共減少260.60 km2；林地和草地均呈先增加后減少的趨勢，近21年共減少1.66 km2、121.29 km2；水域、建設(shè)用地和未利用地均呈逐漸增加趨勢，其中，建設(shè)用地增加面積最多，為374.36 km2，新增加的建設(shè)用地主要集聚于永登縣和皋蘭縣的交界位置即蘭州新區(qū)。

4.2 土地利用結(jié)構(gòu)信息熵

根據(jù)公式(4)～(6)計(jì)算得到2000～2020年蘭州市土地利用結(jié)構(gòu)信息(表2)。2000～2020年，蘭州市土地利用結(jié)構(gòu)信息熵和均衡度均有所上升，土地利用結(jié)構(gòu)信息熵由2000年的1.020Nat逐漸上升到2020年的1.080Nat，土地利用結(jié)構(gòu)均衡度由2000年的0.569上升至2020年的0.603，而優(yōu)勢度有所下降。

表2 2000～2020年蘭州市土地利用結(jié)構(gòu)信息

4.3 土地利用類型動(dòng)態(tài)度變化

蘭州市各土地利用類型在不同時(shí)段內(nèi)變化速率不同(表3)。2000～2010年，建設(shè)用地增長速度最快，達(dá)0.94%；未利用地、林地、水域面積增長速度較快，分別為0.38%、0.14%、0.06%；草地面積增長速度較慢，為0.01%；耕地面積呈減少趨勢，動(dòng)態(tài)度為-0.17%。2010～2020年，建設(shè)用地變化速率最高，動(dòng)態(tài)度為7.07%，可能原因?yàn)樵摃r(shí)段蘭州市經(jīng)歷了快速的城市擴(kuò)張；未利用地和耕地次之，動(dòng)態(tài)度分別為0.64%和-0.53%；水域增長速度持續(xù)增快，為0.20%；草地和林地的變化速率最低，分別為-0.16%和-0.15%。

表3 2000～2020年蘭州市土地利用變化動(dòng)態(tài)度 %

從蘭州市綜合動(dòng)態(tài)度來看，2000～2020年蘭州市綜合土地利用動(dòng)態(tài)度呈持續(xù)增長趨勢，從0.43%增至2.95%。

4.4 土地利用類型轉(zhuǎn)移變化

基于ArcGIS軟件將不同時(shí)期蘭州市各土地利用類型面積疊加分析，獲得2000～2020年蘭州市土地利用轉(zhuǎn)移矩陣，探究不同土地利用類型轉(zhuǎn)移過程(表4、表5)。

由表4可知，2000～2010年，蘭州市耕地、林地和建設(shè)用地間的轉(zhuǎn)化極為顯著，其中，耕地減少幅度最大，轉(zhuǎn)為建設(shè)用地和林地的面積分別占耕地轉(zhuǎn)出總面積的45.57%和27.38%；建設(shè)用地和林地則大幅增加，前者由耕地、林地轉(zhuǎn)入的面積分別占總轉(zhuǎn)入面積的77.66%和17.05%，后者由耕地、草地轉(zhuǎn)入的面積分別占林地總轉(zhuǎn)入面積的87.78%和12.22%。

表4 2000～2010年蘭州市土地利用轉(zhuǎn)移矩陣 km2

2010～2020年，蘭州市耕地、建設(shè)用地和草地的轉(zhuǎn)化極為顯著，其中，耕地和草地的減少幅度最大，前者轉(zhuǎn)為建設(shè)用地和未利用地的面積分別占耕地轉(zhuǎn)出總面積的95.34%和2.69%，后者轉(zhuǎn)為建設(shè)用地和未利用地的面積分別占87.39%和8.14%；建設(shè)用地和未利用地則大幅增加，前者主要由耕地和草地轉(zhuǎn)入，共占建設(shè)用地轉(zhuǎn)入總面積的94.40%，后者由草地和耕地轉(zhuǎn)入的面積分別占65.57%和31.55%(表5)。

表5 2010～2020年蘭州市土地利用轉(zhuǎn)移矩陣 km2

5 討論與結(jié)論

從土地利用結(jié)構(gòu)和土地利用動(dòng)態(tài)度看，2000～2020年間，蘭州市的主導(dǎo)土地利用類型為草地、耕地和林地，且耕地、林地和草地均呈減少趨勢，水域、建設(shè)用地和未利用地呈逐漸增加趨勢。區(qū)域內(nèi)各土地利用類型面積發(fā)生了較大變動(dòng)，土地利用結(jié)構(gòu)趨于均衡狀態(tài)，導(dǎo)致土地利用結(jié)構(gòu)的均衡度和信息熵增大。從土地利用轉(zhuǎn)移矩陣看，2000～2010年，蘭州市僅耕地面積減少，其他土地利用類型面積均增加，且建設(shè)用地面積增加最多；2010～2020年，城市化發(fā)展速度較快，建設(shè)用地面積大幅增加，主要轉(zhuǎn)入來源為耕地和草地。

土地利用變化是典型的人地系統(tǒng)相互作用的過程[16～18]。從社會(huì)因素看，高速發(fā)展的經(jīng)濟(jì)是土地利用變化的主要驅(qū)動(dòng)因素[19]。蘭州市2000、2010、2020年的人均GDP分別為10387元/人、31336元/人和66680元/人，表明近21年該市人均GDP持續(xù)增長。2000～2020年蘭州市第一產(chǎn)業(yè)比重呈降低趨勢，第二產(chǎn)業(yè)和第三產(chǎn)業(yè)比重升高，產(chǎn)業(yè)轉(zhuǎn)型影響區(qū)域土地利用類型的變化和經(jīng)濟(jì)的發(fā)展。從人口因素看，人類活動(dòng)在一定程度上影響土地利用結(jié)構(gòu)變化。2000、2010、2020年蘭州市人口分別為290.68萬人、323.54萬人和334萬人，表明近21年該市人口呈增長趨勢，人口增長促使該市建設(shè)用地?cái)U(kuò)張，近21年擴(kuò)張了374.36 km2。此外，隨著蘭州市城鎮(zhèn)化進(jìn)程加快，非農(nóng)用地比重呈上升趨勢。從政策因素看，甘肅省1999年開始實(shí)施退耕還林政策，2000年開始實(shí)施天然林資源保護(hù)工程等[20]；同時(shí)，甘肅省和蘭州市出臺并實(shí)現(xiàn)了一系列“計(jì)劃”，如《甘肅省土地利用總體規(guī)劃(1997-2010年)》《甘肅省土地利用總體規(guī)劃(2006-2020年)》《蘭州市土地利用總體規(guī)劃(1997-2010年)》《蘭州市土地利用總體規(guī)劃(2006-2020年)》《蘭州市城市總體規(guī)劃(2011—2020年)》等，這些政策、“計(jì)劃”的實(shí)施及實(shí)現(xiàn)促使2000～2020年蘭州市土地利用格局發(fā)生巨大變化。