丹江口市2010-2020年土地利用時(shí)空動(dòng)態(tài)變化分析

孫佩，易潔偉，周凌云，尹偉，張馳，康全國，袁知洋

（湖北省地質(zhì)科學(xué)院研究院，湖北武漢 430000）

1 引言

土地利用是一種社會(huì)動(dòng)態(tài)的概念，是在人體活動(dòng)和自然界共同影響下的綜合活動(dòng)[1]。土地利用程度、利用狀況的分析為土地開發(fā)利用的廣度和深度指明了方向[2]。通過對(duì)土地利用的時(shí)空動(dòng)態(tài)研究分析，可為預(yù)測(cè)未來土地利用的發(fā)展趨勢(shì)提供基礎(chǔ)[3]，對(duì)促進(jìn)區(qū)域土地資源、經(jīng)濟(jì)社會(huì)、環(huán)境的平衡可持續(xù)發(fā)展提供重要的戰(zhàn)略意義和應(yīng)用價(jià)值[3-6]。大量學(xué)者從不同角度探索了土地利用變化狀況，如劉紀(jì)遠(yuǎn)、李小根等對(duì)土地利用的時(shí)空演變特征及成因的分析[7-8]，楊麗萍、馬彩虹、傅加儀等在土地利用格局及驅(qū)動(dòng)機(jī)制的研究[9-11]，羅開盛、郭玉靜等對(duì)土地利用變化趨勢(shì)的分析等等[12-13]。很多學(xué)者在構(gòu)建不同模型的基礎(chǔ)上對(duì)土地利用結(jié)構(gòu)的變化、土地利用情景的模擬等也有深入的研究[14-16]。此外，在土地利用變化對(duì)生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)價(jià)值的影響[17-18]、基于土地利用變化的景觀生態(tài)風(fēng)險(xiǎn)評(píng)價(jià)[19-21]、三生空間等方面的學(xué)術(shù)研究也層出不窮[22]，并取得一定成果。隨著經(jīng)濟(jì)迅速發(fā)展，土地利用類型的變化也愈發(fā)對(duì)生態(tài)環(huán)境及社會(huì)發(fā)展產(chǎn)生深遠(yuǎn)的影響。在已有研究成果中，大部分成果主要是通過遙感影像解譯的方式獲取土地利用數(shù)據(jù)[23]，該方法受到遙感影像的分辨率以及來源的限制，導(dǎo)致土地利用數(shù)據(jù)精度難以保證。本文采用計(jì)算機(jī)技術(shù)與野外實(shí)地調(diào)查和人工處理相結(jié)合的方式獲取精度高的國土變更調(diào)查數(shù)據(jù)，對(duì)土地利用的時(shí)空動(dòng)態(tài)變化做出深入分析。

丹江口市既是我國南水北調(diào)中線工程核心水源區(qū)[24]，又坐擁國家5A級(jí)風(fēng)景名勝區(qū)武當(dāng)山以及國家級(jí)風(fēng)景名勝區(qū)——丹江口水庫風(fēng)景區(qū)[8]，通過動(dòng)態(tài)性、連續(xù)性的土地利用數(shù)據(jù)分析能夠比較全面地反映研究區(qū)的土地利用變化的歷史演變狀況[4]。對(duì)該區(qū)域土地利用時(shí)間與空間動(dòng)態(tài)變化的深入研究，可為研究區(qū)的國土資源管理和開發(fā)利用、城市化的發(fā)展等提供相應(yīng)的科學(xué)依據(jù)，能夠更好地協(xié)調(diào)經(jīng)濟(jì)、生態(tài)與土地利用三者之間的發(fā)展關(guān)系，兼顧三者的預(yù)期目標(biāo)，統(tǒng)籌調(diào)度用地規(guī)模[2]。

2 數(shù)據(jù)來源及研究方法

丹江口市位于湖北省西北部，漢江中上游，東經(jīng)110°47′53″-110°34′47″，北緯32°14′10″-32°58′10″之間，國土總面積為3121 km2，地勢(shì)高低懸殊，地貌單元眾多。氣候以亞熱帶半濕潤季風(fēng)氣候區(qū)為主，年降雨量豐富，年平均氣溫15.9℃，以黃棕壤和黃壤為主[17]?？?cè)丝诩s47萬。

2.1 數(shù)據(jù)來源及處理

土地利用數(shù)據(jù)主要來源于自然資源局提供的2010年、2015年以及2020年度國土變更調(diào)查數(shù)據(jù)，該數(shù)據(jù)經(jīng)過了多次野外實(shí)地調(diào)查舉證以及地方自檢和國家質(zhì)檢軟件，精度優(yōu)于傳統(tǒng)的遙感解譯方式，能夠更真實(shí)地反映各種土地利用類型的變化情況。根據(jù)丹江口市的實(shí)際土地利用情況，本文在《土地利用現(xiàn)狀分類》國家標(biāo)準(zhǔn)（GB /T 21010—2017）[25]的基礎(chǔ)上對(duì)所獲取的數(shù)據(jù)進(jìn)行了重新分類整理，主要分為耕地、林地、草地、建設(shè)用地、水域、未利用地和其他土地（主要是設(shè)施農(nóng)用地）7 個(gè)一級(jí)地類[18]。

2.2 研究方法

2.2.1 土地利用動(dòng)態(tài)變化的衡量

土地利用轉(zhuǎn)移矩陣是馬爾科夫模型在土地利用變化方面的應(yīng)用[8，26]?；贏rcgis平臺(tái)，利用轉(zhuǎn)移矩陣分析各種土地利用類型之間的流向，通過對(duì)面積變化分析，更清晰地展示各種土地利用類型之間的轉(zhuǎn)移量以及概率[4]，計(jì)算公式為：

式中：S-土地利用面積，i-研究初期土地利用類型，j-研究末期的土地利用類型，Sij-研究期內(nèi)第i類向第j類轉(zhuǎn)化的面積，m-土地利用類型數(shù)[27]。

2.2.2 方向分布的計(jì)算

也稱為Lefever’s “Standard DeviationalEllipse”（利菲弗方向性分布），該算法在1926年最早由美國南加州大學(xué)社會(huì)學(xué)教授韋爾蒂·利菲弗（D.Welty Lefever）提出[28]，可以用來度量概括地理要素中心趨勢(shì)、離散和方向趨勢(shì)的空間特征[29]，生成的結(jié)果為橢圓。Arcgis平臺(tái)提供了“橢圓大小”（Ellipse_Size）參數(shù)，表示生成的橢圓級(jí)別?？偣卜譃槿齻€(gè)等級(jí)，分別表示生成的橢圓能夠包含68%，95%和99%的數(shù)據(jù)，可以通過指定要表示的標(biāo)準(zhǔn)差數(shù)（1、2 或 3）來決定生成的橢圓包含的數(shù)據(jù)比例。本文選取一個(gè)標(biāo)準(zhǔn)差數(shù)描述土地利用情況在時(shí)空尺度上的轉(zhuǎn)移變化特征。

2.2.3 土地利用速度的變化衡量

土地利用動(dòng)態(tài)度可以真實(shí)反映土地利用類型動(dòng)態(tài)變化情況。單一土地利用類型動(dòng)態(tài)度可表示為某個(gè)地區(qū)或某個(gè)時(shí)間區(qū)域的特定土地使用類型的數(shù)量或變動(dòng)狀態(tài)[4]，其表達(dá)式為：

式中：K表示土地利用類型動(dòng)態(tài)度；Ua和Ub分別表示研究期初、期末某種土地利用類型的數(shù)量；T表示研究時(shí)段[4]。

2.2.4 土地利用程度的衡量

土地利用程度是對(duì)土地開發(fā)利用情況的定量化描述，體現(xiàn)了特定時(shí)期內(nèi)土地利用變化狀況及綜合利用程度[18]。莊大方、劉紀(jì)遠(yuǎn)[30]將不同的土地利用類型分成未利用土地級(jí)、林草水用地級(jí)、農(nóng)業(yè)用地級(jí)和城鎮(zhèn)聚落用地級(jí)4級(jí)[4]，得到4種土地利用程度的分級(jí)指數(shù)（表1）[31]，用土地利用程度指數(shù)來表達(dá)研究區(qū)的土地利用程度，表達(dá)式為：

表1 土地利用程度分級(jí)賦值表

式中，L為研究區(qū)土地利用程度綜合指數(shù)；m為土地利用類型數(shù)量；Si為第i類土地利用類型面積[32]；ST為研究區(qū)域總面積；Pi為不同類型的土地利用程度參數(shù)[17]。根據(jù)公式（4）進(jìn)而計(jì)算土地利用程度變化量，若ΔLb-a＞0，則說明該區(qū)域的土地利用處于發(fā)展時(shí)期，反之則處于衰退期[4，33]。

3 結(jié)果與分析

3.1 土地利用動(dòng)態(tài)變化

通過對(duì)土地利用面積變化情況（表2）分析發(fā)現(xiàn)，研究區(qū)的土地利用變化特征如下：（1）農(nóng)用地面積占土地總面積的比重由96.12%下降至95.82%，總面積減少了944hm2。農(nóng)用地面積減少主要是耕地和草地面積在減少。（2）建設(shè)用地面積占土地總面積的比重由2010年的3.20%上升到2020年的4.12%，總面積增加了2882hm2。（3）未利用地面積一直在減小，減少面積達(dá)1938hm2，2015年之后減少加快。

表2 研究區(qū)不同年份土地利用面積變化對(duì)比

2010-2020年間，丹江口市土地利用總變化面積約53 308.03hm2，占整個(gè)研究區(qū)國土總面積的17.04%。在土地流向方面（表3），以林地的轉(zhuǎn)入為主，尤其是耕地轉(zhuǎn)為林地的面積較大，多達(dá)14 438.36hm2，約占土地利用變化總面積的27.08%，草地轉(zhuǎn)為林地的面積約9894.27hm2，占土地利用變化的18.56%，草地轉(zhuǎn)為其他地類的面積不大，建設(shè)用地和未利用地轉(zhuǎn)為林地的面積也較大，分別為2654.52hm2和1859.66hm2，占土地利用變化總面積的4.98%和3.49%，其他地類轉(zhuǎn)為林地的面積較小。其次是林地的轉(zhuǎn)出，其中林地轉(zhuǎn)為耕地面積為6331.81hm2，占土地利用變化的11.88%，林地轉(zhuǎn)為建設(shè)用地與水域的面積分別為4144.55hm2和4058.74hm2，約占土地利用變化總面積的7.77%和7.61%，另外有少部分轉(zhuǎn)為草地、其他土地和未利用地。再者是耕地的轉(zhuǎn)移，耕地除了轉(zhuǎn)為林地之外，轉(zhuǎn)為水域與建設(shè)用地的面積分別是2939.79hm2和2264.21hm2，占土地利用變化總面積的5.51%和4.25%，耕地轉(zhuǎn)為其他地類的面積較少。其他土地的流向變化不明顯。

表3 2010-2020年丹江口市土地利用轉(zhuǎn)移矩陣（單位：hm2）

3.2 土地利用轉(zhuǎn)移方向趨勢(shì)的空間特征

圖1分別展示了農(nóng)用地、建設(shè)用地和未利用地從2010-2020年的標(biāo)準(zhǔn)差橢圓分布情況：（1）農(nóng)用地在2010年主要分布在丹江口市偏東北方向，在2010-2015年間，呈現(xiàn)出向西南遷移的特征，且幅度較大，在2015-2020年間向東北方向遷移。（2）建設(shè)用地在2010-2015年間變化很小，所以標(biāo)準(zhǔn)差橢圓呈現(xiàn)幾乎重合的現(xiàn)象，說明丹江口市在此期間城市化發(fā)展速度較慢，而2015-2020年間建設(shè)用地向西南方向遷移。（3）未利用地在2010-2015年間經(jīng)人為干擾小，所以幾乎沒什么變化，2015-2020年間呈現(xiàn)向東南方向遷移的特征。

圖1 2010-2020年丹江口市土地利用方向分布圖

3.3 土地利用變化的速度

從土地利用類型動(dòng)態(tài)度的分布情況（表4）分析可知：（1）2010-2015年與2015-2020年土地利用變化速度相差不大，相較而言2015-2020年的速度慢一些，為14.51%。（2）土地利用變化速度最快的是其他土地，尤其是在2015-2020年間，變化速度高達(dá)45.50%，其次是建設(shè)用地，在2010-2015年間，變化速度較快，為3.79%。水域與林地的增長速率在2010-2015年為負(fù)值，但變化較小，在2015-2020年為正值，分別是3.41%和1.28%。未利用地與草地在2010-2020一直呈現(xiàn)負(fù)增長的情況，在2015-2020年，耕地的土地增長速率也為負(fù)值。

表4 研究區(qū)土地利用類型動(dòng)態(tài)度

3.4 土地利用程度的變化

根據(jù)表5分析統(tǒng)計(jì)情況可得出：（1）建設(shè)用地與其他土地的土地利用程度綜合指數(shù)和土地利用程度變化量在各階段時(shí)間內(nèi)均體現(xiàn)出逐年增加的趨勢(shì)，一直處于土地利用的快速增長期，其面積將繼續(xù)增加；（2）耕地和草地土地利用程度綜合指數(shù)在2015年前逐年增大，2015年后減小，且土地利用程度變化量呈現(xiàn)負(fù)值，說明耕地和草地已經(jīng)從發(fā)展時(shí)期進(jìn)入衰退期。（3）未利用地在2015年之前土地利用程度綜合指數(shù)沒有變化，林地和水域呈現(xiàn)逐年減小，2015年后均增加，且土地利用程度變化量較大，表明未利用地、林地和水域已經(jīng)從衰退時(shí)期進(jìn)入發(fā)展期。

表5 研究區(qū)土地利用程度綜合指數(shù)和土地利用程度變化量

4 結(jié)論

通過對(duì)2010-2020年土地利用變化情況分析，本文得出以下結(jié)論。

（1）2010-2020年，由于草地的開發(fā)利用以及退耕還林等項(xiàng)目的實(shí)施，農(nóng)用地內(nèi)部的相互轉(zhuǎn)換幅度較大，但農(nóng)用地占土地總面積的比重有所下降；因城市化的發(fā)展，2010-2020年建設(shè)用地的面積有小幅度的增加；對(duì)未利用地的開發(fā)利用導(dǎo)致面積逐年減少。

（2）在空間變化上，研究區(qū)土地利用變化情況整體上在2015-2020年間最為顯著，2010-2015年間建設(shè)用地與未利用地變化很小，但建設(shè)用地與未利用地變化較大。

（3）在土地利用速度方面，2015-2020年比2010-2015年土地利用變化速度慢，但建設(shè)用地程度在各階段都呈現(xiàn)出增加的趨勢(shì)，土地利用變化速度最快的是農(nóng)用地中的其他土地（設(shè)施農(nóng)用地），未利用地與草地在研究時(shí)段內(nèi)一直是負(fù)增長的情況，耕地在2015年后增長速度變?yōu)樨?fù)值。

（4）2010-2020年以來，土地利用程度的變化在建設(shè)用地中一直呈現(xiàn)增加的趨勢(shì)且面積將會(huì)繼續(xù)增加，2015年后未利用地、林地和水域利用程度指數(shù)增加，對(duì)這三類土地的利用進(jìn)入了發(fā)展期，而耕地和草地在減少，甚至出現(xiàn)了負(fù)值，這兩類土地的利用進(jìn)入了衰退期，面積可能還會(huì)進(jìn)一步減少。

基于ArcGIS平臺(tái)結(jié)合土地利用動(dòng)態(tài)度變化指標(biāo)，通過對(duì)丹江口市國土自然資源的時(shí)空動(dòng)態(tài)變化分析，不僅可以定量描述各類土地的利用現(xiàn)狀以及發(fā)展變化趨勢(shì)，還可以為研究區(qū)域國土資源管理和開發(fā)利用、城鎮(zhèn)化的建設(shè)、開發(fā)環(huán)境保護(hù)等提出一定的科學(xué)依據(jù)。對(duì)土地利用動(dòng)態(tài)變化情況的掌握，可以更好地協(xié)調(diào)經(jīng)濟(jì)發(fā)展與生態(tài)保護(hù)，合理統(tǒng)籌安排用地比例。