安陽(yáng)市土地利用變化特征及驅(qū)動(dòng)因素分析

王 嚴(yán) 孫婷婷 馮鵬宇

(1.河南一目智能科技有限公司,河南 鄭州 450052;2.河南省科學(xué)院地理研究所,河南 鄭州 450052;3.淇縣博物館,河南 鶴壁 458000)

0 引言

土地是自然環(huán)境給予人類的基礎(chǔ)條件,因此土地利用類型變化(land use and land cover changes,LUCC)與人類生活是緊密相關(guān)的,也在一定程度上反映著人類與環(huán)境之間的相互作用[1-3]。伴隨著人類社會(huì)的逐漸進(jìn)步,人口數(shù)量快速增加以及人類對(duì)于精神生活和物質(zhì)生活要求水平的不斷提高,人地矛盾已成為影響社會(huì)可持續(xù)發(fā)展的重大挑戰(zhàn)[4],因此需不斷關(guān)注土地利用類型變化數(shù)量及其規(guī)律[5-6]?，F(xiàn)今大量學(xué)者對(duì)土地利用的變化特征及驅(qū)動(dòng)因素進(jìn)行詳細(xì)分析。呂暉等[7]對(duì)河南省2011—2016年土地變化特征進(jìn)行分析,指出需要加強(qiáng)對(duì)河南省的土地利用效率并重視環(huán)境保護(hù)。李一瓊等[8]分析近20年間蘇州市土地利用時(shí)空變化特征,揭示城鎮(zhèn)化的快速發(fā)展導(dǎo)致農(nóng)田數(shù)量快速減少,并且蘇州土地利用變化具有明顯的向城鎮(zhèn)聚集的特點(diǎn)。喬海燕[9]等對(duì)山東省肥城市開展分析,指出肥城市在1994—2017年耕地面積減少最多,水域面積減少最小,同時(shí)人為活動(dòng)也對(duì)其土地利用變化造成影響。張家旗[10]分析河南省漯河市近40年的土地變化特征,表明改革開放以來(lái)建設(shè)用地的增加趨勢(shì)最為明顯,并且為實(shí)現(xiàn)漯河市可持續(xù)發(fā)展戰(zhàn)略,需要對(duì)土地利用類型進(jìn)行科學(xué)規(guī)劃。張雪英[11]通過(guò)設(shè)計(jì)支持向量機(jī)(support vector machine,SVM)多分類器提取遼西地區(qū)土地利用信息,在此基礎(chǔ)之上選取12個(gè)驅(qū)動(dòng)因子,對(duì)遼西土地利用的內(nèi)在機(jī)理和外部因素進(jìn)行分析。趙飛[12]通過(guò)解譯Landsat的3期遙感影像數(shù)據(jù),總體精度達(dá)到92.698%,并在此基礎(chǔ)之上,對(duì)黃河三角洲地區(qū)土地利用類型進(jìn)行監(jiān)測(cè)與分析。孫姣姣等[13]、陳麗[14]、韓騰騰等[15]、李嘉琪等[16]、賴小霞等[17]使用遙感(remote sensing,RS)解譯技術(shù)和地理信息系統(tǒng)(geographic information system,GIS)空間分析技術(shù),揭示大英縣、銀川市、武漢市、青島市和南昌市的土地利用變化的原因以及驅(qū)動(dòng)因素。

隨著國(guó)家對(duì)文化產(chǎn)業(yè)的不斷重視,近年來(lái)安陽(yáng)市依托文博產(chǎn)業(yè)和旅游產(chǎn)業(yè)打造出專屬自己的特色產(chǎn)業(yè),不僅帶動(dòng)了諸多旅游產(chǎn)業(yè),還吸引一大批優(yōu)秀人才。與此同時(shí),人口和經(jīng)濟(jì)的增加勢(shì)必會(huì)對(duì)土地利用變化產(chǎn)生較大的影響。在此研究背景下,本研究以GlobeLand 30數(shù)據(jù)為基礎(chǔ),使用土地利用轉(zhuǎn)移矩陣、土地利用動(dòng)態(tài)度、標(biāo)準(zhǔn)差橢圓等方法,并結(jié)合GIS空間分析技術(shù),探究安陽(yáng)市近20年來(lái)土地利用變化規(guī)律及驅(qū)動(dòng)因素,為安陽(yáng)市土地利用可持續(xù)發(fā)展提供一定的現(xiàn)實(shí)依據(jù)。

1 研究區(qū)概況和數(shù)據(jù)

1.1 研究區(qū)概況

安陽(yáng)市位于河南省北部,面積為7 413 km2,轄區(qū)內(nèi)共分為4縣(包括滑縣為直管縣)4區(qū),地勢(shì)東高西低,地形包括丘陵、平原和山地等。氣候溫潤(rùn),四季分明,雨量充沛,年平均氣溫14.3 ℃,年平均降水量達(dá)到556.4 mm。近些年來(lái),因?yàn)榘碴?yáng)市大力發(fā)展旅游經(jīng)濟(jì),截至2020年底,安陽(yáng)市生產(chǎn)總值達(dá)到2 692.18億元,人均生產(chǎn)總值達(dá)到75 676元,第三產(chǎn)業(yè)總值達(dá)到1 222.2億元,常住人口數(shù)為665萬(wàn)人,在文旅產(chǎn)業(yè)加持之下,安陽(yáng)市已成為河南省較為具有代表性的地區(qū)之一。

1.2 數(shù)據(jù)來(lái)源

從全國(guó)地理信息資源目錄服務(wù)系統(tǒng)下載的GlobeLand 30數(shù)據(jù)的2000年、2010年和2020年3期的土地利用類型數(shù)據(jù),空間分辨率為30 m,同時(shí)根據(jù)國(guó)家現(xiàn)有土地利用類型的分類標(biāo)準(zhǔn)并結(jié)合安陽(yáng)市自身區(qū)域特點(diǎn),將GlobeLand 30數(shù)據(jù)進(jìn)行數(shù)據(jù)重分類及相關(guān)操作,最后確定安陽(yáng)市的土地利用類型共計(jì)為5類,依次為耕地、林地、草地、水域和建設(shè)用地。安陽(yáng)市邊界矢量數(shù)據(jù)來(lái)源于全國(guó)地理信息資源目錄服務(wù)系統(tǒng)。安陽(yáng)市國(guó)民生產(chǎn)總值(萬(wàn)元)、第二產(chǎn)業(yè)(萬(wàn)元)、第三產(chǎn)業(yè)(萬(wàn)元)、總?cè)丝?萬(wàn)人)、城鎮(zhèn)化率(%)來(lái)自安陽(yáng)市統(tǒng)計(jì)年鑒(2021年),由安陽(yáng)市人民政府網(wǎng)站獲得(https://www.anyang.gov.cn/2022/02-08/2317010.html)。

2 研究方法

2.1 土地利用轉(zhuǎn)移矩陣

土地利用轉(zhuǎn)移矩陣由馬爾科夫提出的一種表達(dá)事物在自然界客觀轉(zhuǎn)移規(guī)律的數(shù)學(xué)方法,可以描述不同類型在選定時(shí)間內(nèi)在數(shù)量、方向上的變化情況,包括在不同時(shí)期各個(gè)土地利用類型的轉(zhuǎn)入數(shù)量和轉(zhuǎn)出數(shù)量,及其轉(zhuǎn)移的比率。因?yàn)槠湓诿娣e分析之上具有優(yōu)勢(shì),因此被廣泛應(yīng)用于在對(duì)土地利用類型的轉(zhuǎn)化上,其數(shù)學(xué)表達(dá)式為(1)。

(1)

其中,P表示土地類型的面積;i表示研究區(qū)開始時(shí)期的土地利用類型;j表示研究區(qū)結(jié)束時(shí)期土地利用類型。

2.2 土地利用動(dòng)態(tài)度

土地利用動(dòng)態(tài)度反映的是土地利用類型在一定時(shí)間內(nèi)變化快速的一種指標(biāo),動(dòng)態(tài)度越大表示在此時(shí)間內(nèi)土地類型的變化速率越快,反之動(dòng)態(tài)度越小變化速率越小,其數(shù)學(xué)表達(dá)式為(2)。

(2)

其中,T表示動(dòng)態(tài)度;Ua為研究區(qū)內(nèi)初期的土地利用類型面積;Ub為研究區(qū)內(nèi)末期的土地利用類型面積;A表示研究區(qū)內(nèi)特定時(shí)間段。

2.3 標(biāo)準(zhǔn)差橢圓

標(biāo)準(zhǔn)差橢圓是由Lefever提出的,它能通過(guò)對(duì)土地利用類型分析,判斷出土地利用類型在某個(gè)時(shí)間段的方向及其集中/離散的趨勢(shì),并進(jìn)行可視化的表達(dá),使數(shù)據(jù)更加清晰可觀,易于理解[18]。

3 結(jié)果分析與討論

3.1 土地利用類型在空間和數(shù)量上的變化

從空間分布來(lái)看(圖1),安陽(yáng)市在2000—2020年土地利用類型為耕地、林地、草地、水域和建設(shè)用地,主要以耕地為主,占研究區(qū)總面積的69.32%～76.10%。從2000、2010和2020年這三個(gè)時(shí)間段來(lái)看,建設(shè)用地面積變化的趨勢(shì)最為明顯,主要分布在殷都區(qū)、龍安區(qū)、北關(guān)區(qū)、文峰區(qū),湯陰縣中部、內(nèi)黃縣的東部和滑縣的西部,這些地方因?yàn)榈靥幇碴?yáng)市中心地區(qū),人員流動(dòng)較大,經(jīng)濟(jì)較為發(fā)達(dá),因此建設(shè)用地的增加較為明顯。建設(shè)用地的增加勢(shì)必會(huì)引起安陽(yáng)市耕地面積的減少,耕地減少區(qū)域與建設(shè)用地增加區(qū)域形成相互呼應(yīng)。

圖1 安陽(yáng)市2000—2020年土地利用類型空間分布

從數(shù)量結(jié)構(gòu)上看(表1),2000—2020年耕地面積減少面積為496.76 km2,占比也由76.10%減少至69.32%;建設(shè)用地面積增加面積為463.15 km2,占比也由10.03%增加至16.35%;草地面積增加面積為31.165 km2,占比也由4.90%增加至5.32%;水域面積增加面積為12.98 km2,占比也由0.12%增加至0.29%;林地面積減少面積為10.53 km2,占比也由8.86%減少至8.72%。但從整體趨勢(shì)來(lái)看,2000—2020年之間,安陽(yáng)市土地利用類型的面積和占比一直都是耕地>建設(shè)用地>林地>草地>水域,雖說(shuō)面積上有浮動(dòng),但整體還是趨于穩(wěn)定狀態(tài)。

表1 安陽(yáng)市2000—2020年土地利用類型及占比

表2 安陽(yáng)市2000—2020年土地利用變化動(dòng)態(tài)度

3.2 土地利用變化動(dòng)態(tài)度

為直觀看出安陽(yáng)市在2000—2020年每個(gè)類型的變化情況,將其分為三個(gè)時(shí)間段,即2000—2010年,2010—2020年和2000—2020年。2000—2010年間,動(dòng)態(tài)度變化較大的分別為建設(shè)用地的0.694和林地的0.122,2010—2020年間,動(dòng)態(tài)度變化較大的分別為水域的15.540和建設(shè)用地的5.241。2010—2020年間的動(dòng)態(tài)度顯著高于2000—2010年的動(dòng)態(tài)度,表明在2010—2020年土地利用變化幅度更為劇烈。從20年區(qū)間來(lái)看,動(dòng)態(tài)度變化較大的分別為水域7.619和建設(shè)用地3.149。特別是水域動(dòng)態(tài)度高達(dá)15.540,而建設(shè)用地動(dòng)態(tài)度也能達(dá)到7.619,因此,可以得出結(jié)論,建設(shè)用地和水域在2000—2020年變化趨勢(shì)最為明顯,耕地、林地和草地雖然面積也有變化,但是趨勢(shì)較為平緩。

3.3 土地利用轉(zhuǎn)移矩陣

為了能更加清晰明了地了解安陽(yáng)市2000—2020年土地利用類型的轉(zhuǎn)入面積和轉(zhuǎn)出面積,將其分為2個(gè)區(qū)間,即2000—2010年和2010—2020年,通過(guò)對(duì)其土地利用轉(zhuǎn)移矩陣進(jìn)行分析。

從表3看,2000—2010年間,草地面積減少19.19 km2,增加15.90 km2,凈減少3.29 km2;耕地面積減少130.55 km2,增加74.65 km2,凈減少55.90 km2;建設(shè)用地面積減少65.12 km2,增加116.10km2,凈增加50.98 km2;林地面積減少12.72 km2,增加21.00 km2,凈增加8.28 km2;水域面積減少3.53 km2,增加3.45 km2,凈減少0.08 km2。從凈增加或者減少面積來(lái)比較,面積排序?yàn)楦?建設(shè)用地>林地>草地>水域。

表3 安陽(yáng)市2000—2010年土地利用轉(zhuǎn)移矩陣

從表4看,2010—2020年間,草地面積減少68.73 km2,增加103.14 km2,凈增加34.41 km2;耕地面積減少540.96 km2,增加99.89 km2,凈減少441.07 km2;建設(shè)用地面積減少52.87 km2,增加464.97 km2,凈增加412.10 km2;林地面積減少78.82 km2,增加60.30 km2,凈減少18.52 km2;水域面積減少1.48 km2,增加14.55 km2,凈增加13.07 km2。從凈增加或者減少面積來(lái)比較,面積排序?yàn)楦?建設(shè)用地>草地>林地>水域。

表4 安陽(yáng)市2010—2020年土地利用轉(zhuǎn)移矩陣

對(duì)比分析之后,發(fā)現(xiàn)除了草地面積和林地面積排序略有浮動(dòng)之外,安陽(yáng)市2000—2020年土地利用類型排序大致是一致的,這與前面土地利用類型在空間上變化是相同的,這也表明這是土地利用類型兩種不同的表現(xiàn)形式。

3.4 土地利用空間方向特征分析

為了進(jìn)一步分析安陽(yáng)市2000—2020年土地利用類型在空間上的特征,使用ArcGIS空間分析工具分別計(jì)算2000、2010和2020年的標(biāo)準(zhǔn)差橢圓空間分布圖(圖2)及其對(duì)應(yīng)橢圓參數(shù)(表5)。橢圓對(duì)應(yīng)參數(shù)有其代表的含義,長(zhǎng)半軸代表土地利用類型在空間上的分布方向,短半軸代表土地利用類型在空間上的分布范圍。

表5 安陽(yáng)市2000—2020年標(biāo)準(zhǔn)差橢圓參數(shù)

圖2 安陽(yáng)市2000—2020年土地利用類型標(biāo)準(zhǔn)差橢圓分布圖

對(duì)2000、2010和2020年標(biāo)準(zhǔn)差橢圓分析后可知(表5),周長(zhǎng)由2000年137.81 km減少到2010年135.45 km,最后至2020年134.71 km,面積由2000年3 820.26 km2減少到2010年3 025.16 km2,最后至2020年2 382.47 km2,都是呈現(xiàn)逐漸減少的趨勢(shì),表明在2000—2020年土地利用類型的空間分布是逐漸集聚。2000年長(zhǎng)短軸之間差值為33.30 km,2010年長(zhǎng)短軸之間差值為30.42 km,2020年長(zhǎng)短軸之間差值為31.05 km。2000年長(zhǎng)短軸小于2010年長(zhǎng)短軸的差值,表明在2000—2010年,相較于2000年,2010年土地利用類型的變化范圍更大。2010年長(zhǎng)短軸小于2020年長(zhǎng)短軸的差值,表明在2010—2020年間,相較于2020年,2010年土地利用類型的變化范圍更大。同時(shí),方位角也從2000年的114.64°減少至2010年的114.42°,最后至2020年的114.40°,扁率也由2000年的9.43增加至2010年的11.06,最后至2020年的14.03,方位角的減少和扁率的增加也意味著隨著時(shí)間的推移,土地利用類型在空間上呈現(xiàn)逐漸擴(kuò)張的趨勢(shì),同時(shí)整體上表現(xiàn)出從東北向西南方向集中分布的特征。

3.5 土地利用變化驅(qū)動(dòng)因素分析

土地利用變化很大程度上與人們生活是息息相關(guān)的,不僅僅要分析數(shù)據(jù)直觀的變化,更要分析影響土地利用變化的深層次的原因。選取安陽(yáng)市自2000—2020年20年間的相關(guān)數(shù)據(jù),分析其引起土地利用變化的內(nèi)在驅(qū)動(dòng)因素。

3.5.1政策因素

《安陽(yáng)市“十二五”旅游產(chǎn)業(yè)發(fā)展規(guī)劃》的出臺(tái),將重點(diǎn)放在旅游產(chǎn)業(yè),紅旗渠、安陽(yáng)殷墟等一大批國(guó)家知名旅游景點(diǎn),促進(jìn)產(chǎn)業(yè)不斷升級(jí)的過(guò)程中也在影響著安陽(yáng)市土地利用結(jié)構(gòu)的調(diào)整。

3.5.2人口因素

自2000—2020年,安陽(yáng)市總?cè)丝谟?000年的518.66萬(wàn)人增加到2020年的547.63萬(wàn)人,城鎮(zhèn)化率由2000年的22.56%增加到2020年的53.04%。人口因素以及城鎮(zhèn)化率的不斷增加,必然會(huì)引起人地關(guān)系之間的矛盾,在人口不斷增加的情況下,人們對(duì)于衣、食、住、行的要求不斷提升,對(duì)住房、學(xué)校、交通、醫(yī)院、周邊大型超市等一系列需要增加,城鎮(zhèn)用地的擴(kuò)張以及耕地面積的減少也就在情理之中,人口因素是導(dǎo)致土地利用變化的重要原因之一。

3.5.3經(jīng)濟(jì)因素

自2000—2020年,安陽(yáng)市的國(guó)內(nèi)生產(chǎn)總值由2000年的2 522 165萬(wàn)元增加到2020年的23 004 759萬(wàn)元,約為2000年的9倍,呈現(xiàn)幾何倍數(shù)的爆發(fā)式增加。同時(shí),第二產(chǎn)業(yè)由2000年的1 158 648萬(wàn)元增加到2020年的10 082 842萬(wàn)元,約為2000年的8.7倍;第三產(chǎn)業(yè)由2000年的831 346萬(wàn)元增加到2020年的10 529 138萬(wàn)元,約為2000年的12.6倍。第二、第三產(chǎn)業(yè)的快速發(fā)展也導(dǎo)致安陽(yáng)市文博產(chǎn)業(yè)、建筑行業(yè)的不斷發(fā)展,建設(shè)用地的規(guī)模不斷地?cái)U(kuò)大。

4 結(jié)論

以GlobeLand 30數(shù)據(jù)集為基礎(chǔ)數(shù)據(jù),采用ArcGIS空間分析技術(shù),構(gòu)建安陽(yáng)市2000—2010年和2010—2020年的土地利用轉(zhuǎn)移矩陣,定量分析安陽(yáng)市2000—2020年間土地利用類型的轉(zhuǎn)移特征,同時(shí)與土地利用動(dòng)態(tài)度、標(biāo)準(zhǔn)差橢圓等方法相結(jié)合,探究安陽(yáng)市在2000—2020年在空間和時(shí)間上土地利用類型的變化規(guī)律。結(jié)論如下:

(1)土地利用類型在空間上來(lái)看,安陽(yáng)市主要以耕地為主,占研究區(qū)總面積的69.32%—76.10%。建設(shè)用地和耕地面積變化的趨勢(shì)最是明顯。從數(shù)量上來(lái)看,2000—2020年之間,安陽(yáng)市土地利用類型的面積和占比一直都是耕地>建設(shè)用地>林地>草地>水域,雖說(shuō)面積上有浮動(dòng),但整體還是趨于穩(wěn)定狀態(tài)。

(2)從土地利用變化動(dòng)態(tài)度來(lái)看,在研究時(shí)間中,動(dòng)態(tài)度變化較大的分別為水域的7.619和建設(shè)用地的3.149。特別是水域動(dòng)態(tài)度高達(dá)15.540,而建設(shè)用地動(dòng)態(tài)度也能達(dá)到7.619,可以得出結(jié)論,建設(shè)用地和水域在2000—2020年變化趨勢(shì)最為明顯,耕地、林地和草地雖然面積也有變化,但是趨勢(shì)較為平緩。

(3)從2000—2010年和2010—2020年的兩期土地利用轉(zhuǎn)移矩陣來(lái)看,2000—2010年,草地面積凈減少3.29 km2,耕地面積凈減少55.90 km2,建設(shè)用地面積凈增加50.98 km2;林地面積凈增加8.28 km2;水域面積凈減少0.08 km2。2010—2020年,草地面積凈增加34.41 km2,耕地面積凈減少441.07 km2,建設(shè)用地面積凈增加412.10 km2,林地面積凈減少18.52 km2,水域面積凈增加13.07 km2。除了草地面積和林地面積排序略有浮動(dòng)之外,安陽(yáng)市2000—2020年土地利用類型的排序大致是一致的,這與前面土地利用類型在空間上的變化是相同的。

(4)從土地利用空間方向特征分析來(lái)看,2000年、2010年和2020年周長(zhǎng)和面積依次減小,表明在2000—2020年土地利用類型的空間分布是逐漸集聚的。2000年、2020年長(zhǎng)短軸之間的差值小于2010年長(zhǎng)短軸之間的差值,數(shù)據(jù)表明相較于2000年和2020年,2010年土地利用類型的變化范圍更大。方位角的減少和扁率的增加也意味著隨著時(shí)間的推移,土地利用類型在空間上呈現(xiàn)逐漸擴(kuò)張的趨勢(shì),同時(shí)整體上表現(xiàn)出從東北向西南方向集中分布的跡象。

(5)從2000—2020年安陽(yáng)市統(tǒng)計(jì)年鑒數(shù)據(jù)可知,人口的快速增加及其對(duì)生活品質(zhì)的要求是造成安陽(yáng)市人地關(guān)系矛盾的重要原因之一。同時(shí),經(jīng)濟(jì)的顯著增加和政策的頒布也在一定程度上影響著安陽(yáng)市土地利用的結(jié)構(gòu)的調(diào)整。

安陽(yáng)市作為河南地區(qū)文博產(chǎn)業(yè)和旅游產(chǎn)業(yè)的帶頭人之一,一方面要全力保障旅游和文博行業(yè)的發(fā)展,一方面又要避免因?yàn)檫^(guò)度開發(fā)對(duì)土地利用類型造成不良影響,兼顧兩頭,不斷在發(fā)展中及時(shí)調(diào)整,促進(jìn)土地利用的可持續(xù)發(fā)展。本研究雖涉及人口和經(jīng)濟(jì)對(duì)安陽(yáng)市土地變化的影響,但浮于文字表面,未對(duì)收集到的可靠數(shù)據(jù)進(jìn)行科學(xué)分析,這將是下一步研究重點(diǎn)。