近20年陜西省土地利用時(shí)空格局分析

張 陽(yáng)

（長(zhǎng)安大學(xué)土地工程學(xué)院，陜西 西安 710054）

0 引言

土地是人類賴以生存的基本物質(zhì)資源，是人類進(jìn)行生產(chǎn)、生活的重要載體，一定程度上反映著區(qū)域人類活動(dòng)的強(qiáng)度［1］。土地利用的實(shí)質(zhì)是人類為滿足社會(huì)經(jīng)濟(jì)生產(chǎn)發(fā)展的需要而對(duì)地表形態(tài)進(jìn)行開(kāi)發(fā)利用的活動(dòng)過(guò)程［2］。在過(guò)去的幾十年里，由于快速城鎮(zhèn)化的驅(qū)動(dòng)，土地利用方式在深度與廣度上呈現(xiàn)出劇烈改變，直接或間接影響著區(qū)域人地關(guān)系的演變［3］。大量研究表明，土地利用變化會(huì)對(duì)碳儲(chǔ)量、水文徑流、區(qū)域降雨等自然生態(tài)系統(tǒng)產(chǎn)生影響［4-5］。因此，作為反映自然生態(tài)過(guò)程與人類社會(huì)發(fā)展建設(shè)活動(dòng)相互作用的橋梁，區(qū)域用地格局演變成為社會(huì)-經(jīng)濟(jì)-生態(tài)發(fā)展在空間上的投影，研究區(qū)域土地利用時(shí)空變化格局有利于掌握自然生態(tài)系統(tǒng)與人類社會(huì)系統(tǒng)相互機(jī)制，對(duì)于理解區(qū)域人地關(guān)系演化至關(guān)重要，有利于減少土地不合理利用帶來(lái)的消極影響，促進(jìn)土地資源合理利用，受到了學(xué)術(shù)界和實(shí)踐者的高度重視［6-7］。因此，本研究基于2000、2010、2020三期土地利用數(shù)據(jù)，從數(shù)量變化、方向變化、重心變化三個(gè)角度試圖揭示陜西省土地利用時(shí)空變化特征，以期為國(guó)土空間優(yōu)化布局與人地關(guān)系協(xié)調(diào)發(fā)展提供科學(xué)參考。

1 研究區(qū)概況與數(shù)據(jù)來(lái)源

1.1 研究區(qū)概況

陜西省坐落于我國(guó)西北內(nèi)陸腹地（位于105°29＇E~111°15＇E和31°42＇N~39°35＇N之間），是連接中國(guó)東、中部地區(qū)和西北、西南樞紐，屬于東南濕潤(rùn)地區(qū)到西北干旱地區(qū)的過(guò)渡帶。全省共轄10個(gè)市，107個(gè)縣，各地年平均氣溫在7~16℃左右，年降水量400~900 mm，氣溫和降水空間分布均呈現(xiàn)出由南向北依次降低的特征。地勢(shì)南北高、中間低，從南向北橫跨陜南秦巴山地、關(guān)中平原、陜北黃土高原等3個(gè)地貌單元。

1.2 數(shù)據(jù)來(lái)源

本研究土地利用數(shù)據(jù)來(lái)自中國(guó)科學(xué)院空天信息創(chuàng)新研究院全球30 m地表覆蓋精細(xì)分類產(chǎn)品（GLC_FCS30~1985_2020）V1.0［8］，共包含29個(gè)地表覆蓋類型，本研究為更準(zhǔn)確地揭示不同地類形態(tài)的空間分異特征，將土地利用類型歸并為耕地、林地、草地、水域、建設(shè)用地、其他用地，分類原則見(jiàn)表1。

表1 土地利用類型分類規(guī)則

2 研究方法

本研究通過(guò)計(jì)算土地利用轉(zhuǎn)移矩陣、土地利用綜合變化率、土地利用重心遷移規(guī)律來(lái)表征陜西省2000—2020年土地利用時(shí)空變化特征，主要研究方法如下。

2.1 土地利用轉(zhuǎn)移矩陣

土地利用轉(zhuǎn)移矩陣不僅能夠反映土地利用的結(jié)構(gòu)特征，同時(shí)還能反映各地類類型之間的轉(zhuǎn)化程度和方向，從而揭示土地利用格局的時(shí)空演變過(guò)程［9］。其數(shù)學(xué)表達(dá)式為式（1）。

式中：Sij表示土地利用類型i轉(zhuǎn)換為土地利用類型j的面積。n為土地利用的類型。

2.2 綜合土地利用動(dòng)態(tài)率

綜合土地利用動(dòng)態(tài)率與傳統(tǒng)土地利用動(dòng)態(tài)度測(cè)算方法不同的是在測(cè)算動(dòng)態(tài)度時(shí)它綜合考慮了不同地類的轉(zhuǎn)移與新增這一對(duì)互為相逆的變化過(guò)程，能夠更精準(zhǔn)的反映土地利用變化綜合活躍程度［10］，計(jì)算公式為式（2）至式（4）。

式中：T RL i為轉(zhuǎn)移速率，I RL i為新增速率，B B L i表示特定時(shí)間內(nèi)某一種地類的綜合土地利用動(dòng)態(tài)率；分別為i地類在初期和末期的面積，ULAi為i地類未變化部分的面積。

2.3 重心遷移模型

重心遷移模型可以有效反映不同土地利用類型在特定時(shí)間內(nèi)的空間演變過(guò)程。其計(jì)算公式為［11］式（5）和式（6）。

式中：X和Y分別表示特定區(qū)域內(nèi)某種土地利用類型重心空間坐標(biāo)，Xi和Yi分別表示特定土地利用類型的經(jīng)度和維度坐標(biāo)，Tti和n分別表示某種土地利用類型的第i個(gè)斑塊的面積和該土地利用類型的斑塊數(shù)量。

3 結(jié)果與分析

3.1 陜西省土地利用時(shí)空變化總體特征

2000年以來(lái)陜西省土地利用格局發(fā)生了較為明顯的變化，變化總面積達(dá)11 815.9 km2，占陜西省總面積的5.75%，主要變化的用地類型包括耕地、林地、草地、建設(shè)用地，且發(fā)生變化的區(qū)域有所縮小。相較于2000年，2020年陜西省耕地面積減少了3 212.70 km2（5.98%），林地面積增加了1 919.57 km2（2.02%），草地面積增加了854.47 km2（1.74%），建設(shè)用地增加了2 887.79 km2（113.25%）。

從時(shí)間上來(lái)看，在快速城鎮(zhèn)化、退耕還林還草及“十三五”以來(lái)嚴(yán)格的耕地保護(hù)制度等多重因素影響下，陜西省耕地面積總體上表現(xiàn)為持續(xù)減少，但降幅變緩逐漸變緩（見(jiàn)表2），2000—2020年以2010年為節(jié)點(diǎn)先后減少2 080.69 km2和1 132.01 km2。2000—2010年耕地主要流向林草地（71.85%），轉(zhuǎn)出面積達(dá)2 731.85 km2，其次為建設(shè)用地（24.17%），轉(zhuǎn)出面積達(dá)919.05 km2。轉(zhuǎn)入地類主要為草地和未利用地（93.52%），共計(jì)1 609.79 km2。2010—2020年耕地轉(zhuǎn)為建設(shè)用地面積為1 632.14 km2（54.55%），轉(zhuǎn)為林草地面積為1 181.82 km2（39.50%），草地為該階段主要轉(zhuǎn)入類型，面積為1 452.26 km2（78.09%）。林地總體上表現(xiàn)為面積持續(xù)增加，增幅變緩的特點(diǎn)，2000—2020年間以2010年為節(jié)點(diǎn)先后增加1 427.7 km2和491.87 km2。主要來(lái)源地類為耕地和草地，其中耕地貢獻(xiàn)占比58.65%和40.73%、草地貢獻(xiàn)占比39.82%和64.00%。建設(shè)用地?cái)U(kuò)張速度不斷加快，其間先后增加1 036.23 km2和1 851.56 km2，年均增長(zhǎng)率由3.46%上升到4.25%，表明陜西省城鎮(zhèn)化進(jìn)程加快，發(fā)展程度進(jìn)一步提升。

從空間上來(lái)看，關(guān)中平原地區(qū)快速的城鎮(zhèn)化進(jìn)程依托于建設(shè)用地占用大量?jī)?yōu)質(zhì)耕地，耕地和建設(shè)用地作為區(qū)域主導(dǎo)的地類變化類型（見(jiàn)表2），占區(qū)域變化面積的80%以上，研究期內(nèi)耕地減少了908.98 km2和1 265.88 km2，建設(shè)用地增加了767.40 km2和1 209.82 km2，耕地向建設(shè)用地的轉(zhuǎn)移分別占到了81.56%和91.96%。陜北地區(qū)土地利用變化以耕地與林草地之間的互換為主，未利用地的開(kāi)墾次之。研究期內(nèi)，陜北地區(qū)受制于前一階段的退耕還林還草工程和后一階段大量的占補(bǔ)平衡項(xiàng)目配置，耕地面積先減少626.7 km2后增加672.3 km2，林地面積先后增加838.92 km2和380.61 km2。陜南地區(qū)地處秦嶺大巴山山脈，是我國(guó)重要的生態(tài)屏障，開(kāi)發(fā)水平有限，面對(duì)生態(tài)保護(hù)經(jīng)濟(jì)發(fā)展的雙重壓力，土地利用變化活躍度較低，總體上表現(xiàn)為耕地面積不斷減少，建設(shè)用地面積快速增加的趨勢(shì)。

表2 陜西省主要用地類型轉(zhuǎn)移面積單位：km2

3.2 綜合土地利用動(dòng)態(tài)率

本研究通過(guò)計(jì)算綜合土地利用動(dòng)態(tài)率來(lái)表征區(qū)域土地利用類型間轉(zhuǎn)換的活躍程度，結(jié)果如表3所示?？梢园l(fā)現(xiàn)在所有地類中，綜合土地利用動(dòng)態(tài)率最高的為建設(shè)用地，最低的為林地。其中，耕地的轉(zhuǎn)移面積和轉(zhuǎn)移速度最大，轉(zhuǎn)移率是同期新增率的2倍左右，屬于高速衰減土地利用類型，轉(zhuǎn)移面積占所有土地利用類型總轉(zhuǎn)移面積的46.83%，且轉(zhuǎn)移速度也遠(yuǎn)遠(yuǎn)高于新增速度，說(shuō)明耕地是人類進(jìn)行開(kāi)發(fā)等活動(dòng)的重要載體，但由于耕地初期面積較大，導(dǎo)致其轉(zhuǎn)移速率并不為最高。得益于退耕還林工程，林地新增速率是同期轉(zhuǎn)移速率的6倍，新增速度是同期轉(zhuǎn)移速度的6.6倍，凈面積不斷增長(zhǎng)，增加勢(shì)頭較為迅猛。草地屬于微擴(kuò)張土地利用類型，其轉(zhuǎn)移速率與轉(zhuǎn)移速度均大于同期的新增速率與新增速度，凈面積少量增長(zhǎng)。建設(shè)用地的新增速度快，新增面積和份額大，雖建設(shè)用地短時(shí)間內(nèi)轉(zhuǎn)移難以發(fā)生，但其新增速率遠(yuǎn)大于同期其他土地利用類型的轉(zhuǎn)移速率，屬典型的高速擴(kuò)張地類。2000—2020年，建設(shè)用地新增速率為5.66%，是同期其他土地利用類型的2.11～47.12倍，表明建設(shè)用地是其他土地類型轉(zhuǎn)移部分的主要去向。水域與其他用地同為陜西省為“敏感”的地類，雖然二者占地面積較少，但2000—2020年，水域與其他用地的綜合變化率為2.96%與3.81%，僅次于同期建設(shè)用地，其中水域?qū)儆谵D(zhuǎn)換增加型地類，其他用地屬于轉(zhuǎn)換減少型地類。

表3 陜西省2000—2020年土地利用綜合變化率

3.3 土地利用重心遷移規(guī)律

通過(guò)計(jì)算土地利用重心遷移，可以一定程度上反映人類活動(dòng)強(qiáng)度的變化，由圖1可知，陜西省不同土地類型整體上都表現(xiàn)不斷向北方移動(dòng)的趨勢(shì)。具體來(lái)看，2000—2020年耕地、建設(shè)用地遷移方向互動(dòng)最為強(qiáng)烈，大致呈“L”型。其中耕地重心在2000—2010年間向西北偏移，2010以后重心開(kāi)始轉(zhuǎn)向東北方向，2010—2020年遷移幅度最大；建設(shè)用地重心由向東北方向偏移轉(zhuǎn)向西北方向，2000—2010年與2010—2020年遷移幅度趨于一致；2000—2010年其他用地的重心向東北遷移，遷移幅度較大，2010—2020年其他用地的重心開(kāi)始向東南方向遷移，偏移幅度較小。研究期內(nèi)，林地、草地與水域的遷移方向表現(xiàn)出耕地、建設(shè)用地、其他用地不同的特點(diǎn)，其重心遷移的方向幾乎不變，呈現(xiàn)出直線遷移的特征。其中，林地與水域重心不斷向東北遷移，林地2000—2010年遷移幅度大于2010—2020年；水域兩階段的遷移幅度呈現(xiàn)幾乎不變的特點(diǎn)；草地重心持續(xù)向西北方向遷移，2000—2010年的遷移幅度遠(yuǎn)大于2010—2020年的遷移幅度。

圖1 2000—2020年陜西省特定地類重心轉(zhuǎn)移方向

4 結(jié)論

本研究基于2000、2010、2020年三期土地利用數(shù)據(jù)，以陜西省為例，從數(shù)量變化、方向變化、空間變化三個(gè)方面分析了2000—2020年土地利用變化時(shí)空演變特征，得出以下結(jié)論。

①研究期內(nèi)，陜西省主要變化地類為耕地、林地、草地、建設(shè)用地?？v向上，耕地凈面積持續(xù)下降，主要流向與新增面積來(lái)源均主要為草地與建設(shè)用地；林地面積與建設(shè)用地持續(xù)增長(zhǎng)，主要來(lái)源為耕地和草地，建設(shè)用地面積的增加主要得益于耕地的轉(zhuǎn)入。橫向上，關(guān)中平原快速城鎮(zhèn)化侵占大量?jī)?yōu)質(zhì)耕地，陜北地區(qū)以耕地與林草地之間的互換為主，未利用地的開(kāi)墾次之。陜南地區(qū)土地利用變化活躍度較低，耕地面積持續(xù)減少，建設(shè)用地面積快速增加。

②2000—2020年，陜西省不同土地利用類型間轉(zhuǎn)換顯著，耕地屬于高速衰減土地利用類型。建設(shè)用地屬于典型的高速擴(kuò)張土地利用類型。水域與其他用地綜合土地利用率遠(yuǎn)大于其他土地利用類型，是研究區(qū)域內(nèi)較為“敏感”的用地類型。

③2000—2020年，陜西省不同土地利用類型的重心遷移軌跡表現(xiàn)出明顯的方向性。關(guān)中平原耕地面積不斷減少，重心向西北遷移。林地、草地、水域等生態(tài)用地呈現(xiàn)直線型遷移特征，重心不斷向北。建設(shè)用地重心的遷移方向說(shuō)明社會(huì)經(jīng)濟(jì)發(fā)展逐漸向北方活躍。