濟南市商河縣2011—2020年土地利用時空分異特征及其成因

戴文婷,鐘鳴,李芳芳,施真,魏忠勇*

(1.山東省煤田地質(zhì)局物探測量隊,山東 濟南 250104;2.中國礦業(yè)大學(xué),江蘇 徐州 221116)

0 引言

土地利用變化是人類活動與自然環(huán)境相互影響、相互作用最直接的表現(xiàn)形式,與人類經(jīng)濟社會活動的活躍程度密切相關(guān)[1-2]。當(dāng)前,我國處于城市化、工業(yè)化高速發(fā)展階段,人類社會經(jīng)濟活動作用于土地的強度日益增強,土地利用粗放、不合理等引起了一系列社會和生態(tài)問題[3],如糧食安全、碳儲量損失、生物多樣性損失等[4-7],如何平衡社會經(jīng)濟快速增長與有限土地資源之間的關(guān)系是當(dāng)前面臨的重要問題之一[8-11],分析區(qū)域土地利用變化特征及預(yù)測其未來發(fā)展趨勢,對區(qū)域合理利用土地資源、優(yōu)化土地資源利用結(jié)構(gòu),促進社會經(jīng)濟良性發(fā)展具有重要意義。當(dāng)前,國內(nèi)外學(xué)者利用土地利用變化動態(tài)指數(shù)、土地利用綜合程度指數(shù)、土地利用轉(zhuǎn)移矩陣、地理探測器等方法對土地利用時空演變特征及驅(qū)動機制做了大量研究[12-16],同時,GIS技術(shù)的發(fā)展為監(jiān)測和分析土地利用時空變化提供了重要的技術(shù)手段[17-19]。土地利用變化研究已形成了較為成熟的研究范式[20]。

本文以濟南市商河縣為例,運用ArcGIS定量提取2011—2020年商河縣土地利用分布信息、計算土地利用變化矩陣,揭示近10年濟南市商河縣土地利用時空變化特征。當(dāng)前,商河縣社會經(jīng)濟發(fā)展處于從“高速”向“高質(zhì)量”轉(zhuǎn)型的階段,研究商河縣土地利用變化格局及影響因素,可為商河縣合理利用土地資源、優(yōu)化土地利用格局和促進社會經(jīng)濟高質(zhì)量發(fā)展提供理論參考和決策依據(jù)。

1 研究區(qū)概況

商河縣隸屬于山東省濟南市,地處山東省西北部,是濟南市的北大門,東靠濱州市的惠民、陽信,西與德州市的臨邑毗鄰,南臨濟陽區(qū),北與德州市的樂陵接壤(圖1)。該縣屬于華北沖積平原,縣境內(nèi)無高山和丘陵。地勢平緩,自西南向東北緩緩傾斜。由于黃河多次漫溢潰決和淤淀不均,遺留下5條古河道高地帶,在古河道間形成了坡地和洼地。高地、坡地、洼地相間分布,洼地星羅棋布全境,素有72洼之稱。地處中緯度,屬暖溫帶半濕潤季風(fēng)氣候。氣候干燥度為1.2,大陸度65.7%。氣候溫和,年平均氣溫12.6℃;降水偏少,年平均降水量為591.1mm;光照充足,年日照時數(shù)為2737.4h。四季分明,季風(fēng)特征明顯。春季干旱、風(fēng)多、回暖迅速,蒸發(fā)量大;夏季濕熱、雨量集中、受海上副熱帶高壓影響,盛行偏南風(fēng);秋季天高氣爽、氣溫下降急;冬季干冷、雨雪稀少,受歐亞大陸冷高壓的控制,盛行干冷的偏北風(fēng)。

2 數(shù)據(jù)來源與研究方法

2.1 數(shù)據(jù)來源

研究采用的數(shù)據(jù)包括兩類,分別為土地利用數(shù)據(jù)和研究時段的社會經(jīng)濟統(tǒng)計數(shù)據(jù)。土地利用數(shù)據(jù)來源于濟南市2011年、2014年、2017年和2020年土地變更調(diào)查數(shù)據(jù),利用ArcGIS 10.2將土地利用類型規(guī)整為耕地、林地、草地、水體、建設(shè)用地和未利用地6類(圖2)。人口(萬人)、國內(nèi)生產(chǎn)總值GDP(億元)、固定資產(chǎn)投資(億元)、房地產(chǎn)開發(fā)投資(億元)4項社會經(jīng)濟統(tǒng)計數(shù)據(jù)來源于《濟南市商河縣國民經(jīng)濟和社會發(fā)展統(tǒng)計公報》和《濟南市統(tǒng)計年鑒》。

圖2 濟南市商河縣2011—2020年土地利用分類圖

2.2 研究方法

2.2.1 綜合土地利用動態(tài)度指數(shù)

綜合土地利用動態(tài)度指數(shù)LC反映研究區(qū)域內(nèi)所有土地類型在某一研究時段內(nèi)的總體變化情況[21],計算公式如式(1)。

(1)

式中:LC為綜合土地利用動態(tài)度(%);LUi為研究初期第i類土地面積(hm2);LUi-j為研究時段內(nèi)第i類土地轉(zhuǎn)為非i類土地面積(hm2)的絕對值;T為研究時段,當(dāng)T設(shè)定為年時,LC值為土地利用年變化率。

2.2.2 土地利用程度變化模型

(1)土地利用程度綜合指數(shù)模型

劉紀遠等學(xué)者以西藏自治區(qū)為例,對土地利用程度進行數(shù)量化表達,給出了土地利用程度的計算公式[21-22]。此后,很多學(xué)者采用此方法,將理想狀態(tài)的土地利用綜合體分為4種,分別對這4種土地利用狀態(tài)賦予其本身類別的值。土地利用程度一方面是土地開發(fā)利用深度和廣度的體現(xiàn),另一方面也是人口、社會和經(jīng)濟等影響因素共同推動土地利用發(fā)生變化后的綜合體現(xiàn),可用土地利用程度綜合指數(shù)模型來表示,其表達式如式(2)。

Lj∈[100,400)

(2)

式中:Lj為土地利用程度綜合指數(shù);Ai為第i級土地利用程度分級指數(shù);Ci為第i級土地利用類型面積比例。

(2)土地利用程度變化模型

在某一特定范圍內(nèi),土地利用程度變化是多種土地利用類型變化的結(jié)果,為分析土地利用綜合水平及變化趨勢,引入土地利用程度變化量和土地利用變化率的指標(biāo),具體公式如式(3)、式(4)。

(3)

(4)

式中:△Lb-a為土地利用程度變化量;R為土地利用程度變化率;La為a時段土地利用程度綜合指數(shù);Lb為b時段土地利用程度綜合指數(shù);Ai為第i級土地利用程度分級指數(shù);Ci為第i級土地利用類型面積比例。若△Lb-a>0,表示土地利用處于發(fā)展期,△Lb-a<0,表示土地利用處于調(diào)整或衰退期。

2.2.3 土地利用變化轉(zhuǎn)移矩陣

土地利用變化轉(zhuǎn)移矩陣是馬爾科夫模型(Markov Model)在土地利用變化方面的應(yīng)用,該矩陣能夠定量地、清晰地反映不同土地利用類型之間的轉(zhuǎn)化情況和轉(zhuǎn)移速率[23-24],具體的數(shù)學(xué)形式如式(5)。

(5)

式中:S為土地面積;n為土地利用類型數(shù);i、j分別為初期、末期土地利用類型序號。

3 結(jié)果與分析

3.1 土地利用數(shù)量變化分析

利用ArcGIS10.2統(tǒng)計功能,在空間數(shù)據(jù)庫中統(tǒng)計商河縣2011—2020年4期6類土地利用類型的面積,并繪制商河縣2011—2020年6類土地利用面積和占比變化情況如圖3。

圖3 商河縣2011—2020年6大土地利用類型面積及占比

從圖3可以看出,2011—2020年商河縣土地利用類型占比由大到小依次為耕地、建設(shè)用地、水體、林地、未利用地、草地。耕地面積總體呈現(xiàn)減少趨勢,從2011年的828.9175km2減少到2020年的779.1871km2,累積減少49.7304km2,占土地總面積比例由71.31%降至67.03%,降幅最大;林地面積2011—2017年變化幅度較小,2017—2020年呈現(xiàn)明顯增長趨勢,占土地總面積比例由2.95%增至9.26%,增幅最大;草地面積變化趨勢與林地相同,2011—2017年呈現(xiàn)遞減趨勢,變化幅度較小,2017—2020年呈現(xiàn)明顯增長趨勢;水體面積呈現(xiàn)遞減趨勢,從2011年的102.8494km2減少到2020年的99.4471km2,累積減少3.4023km2;建設(shè)用地面積2011—2017年呈現(xiàn)遞增趨勢,2017—2020年面積略有減少;未利用地面積呈現(xiàn)遞減趨勢,其中,2011—2017年減少幅度較小,2017—2020年減少幅度較大,從2017年的21.1452km2減少到2020年的0.2183km2,累積減少了20.9269km2。整體上來看,2011—2020年商河縣各土地利用類型的面積變化明顯。

3.2 土地利用變化動態(tài)度分析

根據(jù)商河縣2011—2020年6大類土地利用面積,計算商河縣2011—2020年不同時段各土地利用類型的土地利用動態(tài)度,并繪制土地利用動態(tài)度如圖4。

圖4 商河縣2011—2020年各土地利用類型的土地利用動態(tài)度

由圖4可以看出,商河縣耕地在2011—2014年的單一土地利用動態(tài)度為正值,但值極小,僅為0.0345%;在2014—2017年和2017—2020年的單一土地利用動態(tài)度均為負值?？傮w來看,耕地面積在減少,2017—2020年減少速度最快。林地、草地在2011—2014年和2014—2017年的單一土地利用動態(tài)度均為負值,且數(shù)值較小,說明2011—2017年間商河縣林地、草地面積在持續(xù)、緩慢減少。2017—2020年,林地、草地的單一土地利用動態(tài)度分別為71.3117%、10.9922%,均呈現(xiàn)急速增長的趨勢,與商河縣地方政府踐行綠色發(fā)展、退耕還林還草等政策有很大關(guān)系。水體的單一土地利用動態(tài)度均為負值,分別為-0.0436%、-0.2386%和-0.8278%,說明水體一直處于減少的狀態(tài),且減少的速率逐年增加。建設(shè)用地在2011—2014年和2014—2017年的單一土地利用動態(tài)度分別為0.2607%和1.0490%,2011—2017年間,商河縣建設(shè)用地持續(xù)增加,且在2014—2017年增長速率最快,說明在該時段內(nèi)城市發(fā)展快速,擴張明顯,大量土地被開發(fā)利用。2017—2020年,單一土地利用動態(tài)度為-0.7266%,說明商河縣在該時段內(nèi)放緩了城市擴張的腳步,更加注重可持續(xù)、高質(zhì)量的城市建設(shè)。未利用地在2011—2014年、2014—2017年和2017—2020年的單一土地利用動態(tài)度均為負值,分別為-2.1650%、-1.3733%和-32.9893%,未利用地面積呈現(xiàn)逐年減少趨勢,且在2017—2020年減少速率最快,說明近10年來商河縣對未利用地的開發(fā)強度持續(xù)增加。

3.3 土地利用程度變化分析

根據(jù)商河縣2011—2020年6大類土地利用面積,計算2011—2020年不同時段土地利用程度、土地利用程度變化量及變化率,結(jié)果如表1所示。

表1 商河縣2011—2020年不同時段土地利用程度、變化量及變化率

分析表1可知,2011—2017年商河縣土地利用程度綜合指數(shù)呈現(xiàn)穩(wěn)步遞增趨勢,2017—2020年土地利用程度指數(shù)有所降低。2011—2017年間,商河縣城市化快速推進,經(jīng)濟發(fā)展速度加速,土地利用程度加深,土地利用效率穩(wěn)步提升,土地利用的深度和廣度逐步增強;2017—2020年間,由于綠色、高質(zhì)量發(fā)展理念和退耕還林等政策實施影響,耕地面積大幅減少,建設(shè)用地也呈現(xiàn)減少趨勢,降低了整體的土地利用程度。2011—2020年間,商河縣土地利用程度綜合指數(shù)均在290以上,僅小幅度波動,土地利用程度整體處于中等偏上水平,即城市發(fā)展和自然環(huán)境綜合作用于土地資源的壓力處于中等偏上水平。

2011—2014年和2014—2017年,商河縣土地利用程度變化量依次為0.4318、0.7125,變化率為0.1448、0.2386,表明這兩個時間段內(nèi)商河縣土地利用處于發(fā)展期,經(jīng)濟社會發(fā)展加速,2011—2017年間,商河縣土地利用強度呈逐漸增加趨勢,且增加速率有所加快,人類活動對土地資源的影響日益深刻;2017—2020年,商河縣土地利用程度變化量為-2.9237,變化率為-0.9766,說明這個時間段內(nèi)商河縣土地利用處于調(diào)整期,結(jié)合前文對商河縣土地利用程度綜合指數(shù)的分析可知,2017—2020年,踐行綠色、高質(zhì)量發(fā)展理念,商河縣經(jīng)濟社會發(fā)展速度有所減緩,耕地和建設(shè)用地面積減少,降低了人類活動對土地的利用程度。

3.4 土地利用變化轉(zhuǎn)移分析

在ArcGIS10.2中,將4個年份的矢量土地利用數(shù)據(jù),進行Convert格式轉(zhuǎn)化為Grid柵格數(shù)據(jù),然后在空間分析模塊Calculatior中得到變化圖層,導(dǎo)出數(shù)據(jù)表,在Excel中運用“數(shù)據(jù)透視表”功能得出商河縣土地利用變化轉(zhuǎn)移矩陣(表2、表3和表4)。

表2 2011—2014年商河縣土地利用變化轉(zhuǎn)移矩陣

表3 2014—2017年商河縣土地利用變化轉(zhuǎn)移矩陣

表4 2017—2020年商河縣土地利用變化轉(zhuǎn)移矩陣

2011—2014年,相較于其他4個土地利用類型,耕地和建設(shè)用地的土地流向更為復(fù)雜。2011—2014年,耕地因為城鎮(zhèn)建設(shè)、生態(tài)退耕、農(nóng)田水利建設(shè)和水產(chǎn)養(yǎng)殖等原因轉(zhuǎn)移為建設(shè)用地2.4297km2、林地0.1536km2、水體0.7700km2,轉(zhuǎn)移為建設(shè)用地的面積占轉(zhuǎn)移總面積的72.46%。建設(shè)用地主要轉(zhuǎn)移為耕地、林地、水體和未利用地,轉(zhuǎn)移為耕地2.5328km2,占轉(zhuǎn)移總面積的98.22%。草地、林地、水體和未利用地均轉(zhuǎn)移為耕地和建設(shè)用地,且轉(zhuǎn)移面積較小。相較于2011—2014年,2014—2017年各類土地之間的轉(zhuǎn)移更為簡單。2014—2017年,耕地轉(zhuǎn)移的土地利用類型仍是建設(shè)用地、林地和水體,其中,轉(zhuǎn)移為建設(shè)用地的面積占轉(zhuǎn)移總面積的97.85%。建設(shè)用地全部轉(zhuǎn)移為耕地。草地、林地和未利用地轉(zhuǎn)移情況與2011—2014年相似,均轉(zhuǎn)移為耕地和建設(shè)用地,且轉(zhuǎn)移面積較小。水體轉(zhuǎn)移為耕地、建設(shè)用地和林地,轉(zhuǎn)移為建設(shè)用地的面積占轉(zhuǎn)移總面積的84.09%。2017—2020年,土地流向很復(fù)雜,各類土地利用類型之間基本呈現(xiàn)出雙向轉(zhuǎn)移現(xiàn)象。2017—2020年,草地主要轉(zhuǎn)移為耕地和林地,轉(zhuǎn)移為耕地和林地的面積占轉(zhuǎn)移總面積的73.11%。耕地主要轉(zhuǎn)移為建設(shè)用地、林地和水體,轉(zhuǎn)移為建設(shè)用地、林地和水體的面積占轉(zhuǎn)移總面積的99.55%。建設(shè)用地主要轉(zhuǎn)移為耕地、林地和水體,轉(zhuǎn)移為耕地、林地和水體的面積占轉(zhuǎn)移總面積的92.65%。林地主要轉(zhuǎn)移為耕地,轉(zhuǎn)移為耕地的面積占轉(zhuǎn)移總面積的77.05%。水體主要轉(zhuǎn)移為耕地和林地,轉(zhuǎn)移為耕地和林地的面積占轉(zhuǎn)移總面積的85.95%。未利用地主要轉(zhuǎn)移為耕地,轉(zhuǎn)移為耕地的面積占轉(zhuǎn)移總面積的66.62%,商河縣的未利用地由于轉(zhuǎn)移為其他用地類型而所剩無幾。

3.5 土地利用變化成因分析

土地利用變化主要受自然因素和社會經(jīng)濟因素的影響,有關(guān)驅(qū)動力的研究結(jié)果表明,在短時期內(nèi),作用于土地利用變化的驅(qū)動因素主要為人類的社會經(jīng)濟活動[25]。結(jié)合商河縣2011年、2014年、2017年和2020年人口(萬人)、國內(nèi)生產(chǎn)總值GDP(億元)、固定資產(chǎn)投資(億元)、房地產(chǎn)開發(fā)投資(億元)等社會經(jīng)濟數(shù)據(jù)、相關(guān)政策等對商河縣近10年來土地利用變化成因進行分析。

綜合土地利用變化和人口(萬人)、國內(nèi)生產(chǎn)總值GDP(億元)、固定資產(chǎn)投資(億元)、房地產(chǎn)開發(fā)投資(億元)等4個社會經(jīng)濟指標(biāo),定量分析了兩者的關(guān)聯(lián)關(guān)系。2011—2020年,商河縣人口從62.52萬人增長到64.20萬人,呈逐年遞增趨勢,但增速有所放緩。2017—2020年,人口自然增長率為0.17%;GDP從113.10億元增長到179.90億元,固定資產(chǎn)投資從44.54億元增加到178.80億元,這兩個經(jīng)濟因子均呈現(xiàn)逐年遞增趨勢。房地產(chǎn)開發(fā)投資從2011年的8.40億元增加到2017年的20.10億元,2017—2020年有所降低,減少到18.432億元。2011—2017年商河縣社會經(jīng)濟發(fā)展迅速,對工礦用地、交通運輸用地、水利設(shè)施用地、住宅用地、商業(yè)用地等建設(shè)用地的需求不斷增加,必然導(dǎo)致其他類型土地利用面積的減少。2017—2020年,商河縣社會經(jīng)濟發(fā)展速度放緩,加之近年來國家大力倡導(dǎo)“生態(tài)文明建設(shè)”與“綠水青山就是金山銀山”等人與自然和諧共生的理念,商河縣實施了一系列生態(tài)環(huán)境保護、退耕還林措施,對建設(shè)用地需求相對減少,林地、草地等用地面積有所增加?？梢?社會經(jīng)濟發(fā)展和相關(guān)政策實施對土地利用變化均起到主導(dǎo)作用。

4 結(jié)論

(1)2011—2020年,商河縣耕地、水體、未利用地面積呈遞減趨勢;林地、草地面積先緩慢減少后急速增長,這與近年來地方政府踐行綠色發(fā)展、退耕還林還草等政策有很大關(guān)系;建設(shè)用地面積先增長后緩慢減少,2017—2020年,建設(shè)用地單一土地利用動態(tài)度為-0.7266%,說明2017年以來商河縣放緩了城市擴張的腳步,更加注重可持續(xù)、高質(zhì)量的城市建設(shè)。

(2)2011—2017年,商河縣土地利用處于發(fā)展期,經(jīng)濟社會發(fā)展加速,土地利用強度呈逐漸增加趨勢,且增加速率有所加快;2017—2020年,土地利用處于調(diào)整期,經(jīng)濟社會發(fā)展速度有所減緩,耕地和建設(shè)用地面積減少,人類活動對土地的利用程度降低。研究期內(nèi),土地利用程度綜合指數(shù)均在290以上,土地利用程度整體處于中等偏上水平。

(3)2011—2014年和2014—2017年,土地轉(zhuǎn)移主要表現(xiàn)為耕地和建設(shè)用地之間的流轉(zhuǎn),2011—2014年,耕地轉(zhuǎn)移為建設(shè)用地、建設(shè)用地轉(zhuǎn)移為耕地的面積占轉(zhuǎn)移總面積的72.46%、98.22%;2014—2017年,耕地轉(zhuǎn)移為建設(shè)用地、建設(shè)用地轉(zhuǎn)移為耕地的面積占轉(zhuǎn)移總面積的97.85%、100.00%。2017—2020年,6個土地利用類型之間基本呈現(xiàn)出雙向轉(zhuǎn)移現(xiàn)象。

(4)社會經(jīng)濟發(fā)展和相關(guān)政策實施是短期內(nèi)土地利用變化的主要驅(qū)動力,社會經(jīng)濟加速發(fā)展會增加對工礦用地、交通運輸用地、水利設(shè)施用地、住宅用地、商業(yè)用地等建設(shè)用地的需求;生態(tài)文明建設(shè)相關(guān)政策的落實,降低了對建設(shè)用地的需求,林地、草地等面積有所增加。