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縣域土地利用變化研究

2017-11-07 21:15胡碧霞郭元武鄭向莞
關(guān)鍵詞:土地利用變化

胡碧霞+郭元武+鄭向莞

摘要:從縣域土地利用視角出發(fā),運(yùn)用數(shù)理統(tǒng)計(jì)方法和灰色預(yù)測模型GM(1,1)對常寧市2005-2016年土地利用變化水平及結(jié)構(gòu)變化、動態(tài)度變化、變化強(qiáng)度等方面進(jìn)行分析,并預(yù)測了2021年常寧市土地利用變化情況,從而達(dá)到把握土地利用變化規(guī)律的目的。結(jié)果表明:①城市建設(shè)用地的增加、生態(tài)類型用地的減少是常寧市11年間土地利用變化的總體特征。其中,城鎮(zhèn)村及工礦用地呈上升趨勢,林地呈下降趨勢。②利用Matlab強(qiáng)大的矩陣功能,實(shí)現(xiàn)灰色GM(1,1)模型算法,從模擬結(jié)果來看,精確度較高,預(yù)測結(jié)果與實(shí)際土地利用情況有較好的一致性,可為常寧市土地利用規(guī)劃提供科學(xué)依據(jù)。③切實(shí)保護(hù)耕地,優(yōu)化城市建設(shè)用地結(jié)構(gòu),協(xié)調(diào)土地利用與生態(tài)建設(shè)是今后常寧市土地利用規(guī)劃的一個重要方向。

關(guān)鍵詞:土地利用變化,動態(tài)分析,灰色模型,常寧市

中圖分類號:F293.2 文獻(xiàn)標(biāo)識碼:A

文章編號:1001-9138-(2017)09-0016-22 收稿日期:2017-08-14

1 引言

土地利用變化是全球環(huán)境變化和可持續(xù)發(fā)展研究的重要課題之一,它不僅反映了城市土地利用系統(tǒng)內(nèi)部各要素協(xié)調(diào)發(fā)展的過程,也呈現(xiàn)出其與自然、經(jīng)濟(jì)、社會等要素耦合循環(huán)交換的結(jié)果。隨著生產(chǎn)力的發(fā)展,探討土地利用水平及變化過程并分析其未來發(fā)展走勢,具有重大理論和現(xiàn)實(shí)意義。

目前,國內(nèi)外學(xué)者們通過選取不同的計(jì)量方法,構(gòu)建指標(biāo)體系,從不同的研究視角對我國城市土地利用的變化狀況進(jìn)行了理論探討和實(shí)證分析。楊依天等基于和田綠洲3期18景TM/ETM+遙感影像目視解譯,從空間耦合角度分析了研究區(qū)土地利用變化及其環(huán)境效應(yīng)。羅婭等使用土地利用變化重要性指數(shù)、土地利用變化面積比重和林草植被變化指數(shù)3個指標(biāo)研究黃河河口鎮(zhèn)——潼關(guān)區(qū)間1998-2010年土地利用變化特征。韓會然等從土地利用變化幅度、土地利用變化速度、土地利用轉(zhuǎn)移方向等方面分析了北京市土地利用變化特征及相關(guān)驅(qū)動因子。匡兵等以武漢城市群為研究對象,運(yùn)用洛倫茨曲線和偏移份額分析法探討了城市群用地結(jié)構(gòu)變化的內(nèi)在機(jī)理。Najmuddin,O.等采用DLS模型模擬了喀布爾河流域2020年和2030年的土地利用情況,建議政府需制定符合社會經(jīng)濟(jì)水平的土地利用總體規(guī)劃。孫哲等利用Logistic-CA-Markov模型從目前趨勢發(fā)展、生態(tài)環(huán)境保護(hù)和綜合發(fā)展3種情況出發(fā),模擬預(yù)測了無錫市2020年土地利用結(jié)構(gòu)。周子英等運(yùn)用信息熵探討了長沙市土地利用系統(tǒng)的演化規(guī)律和空間格局,揭示影響長沙市土地利用結(jié)構(gòu)信息熵變化的驅(qū)動因素。也有學(xué)者分析了處于不同工業(yè)發(fā)展時期的土地利用變化對經(jīng)濟(jì)發(fā)展的影響??傮w而言,學(xué)者們從多維度揭示了土地利用變化的復(fù)雜過程,但很少將土地利用變化狀況與模擬預(yù)測相結(jié)合進(jìn)行綜合研究。同時,現(xiàn)有成果對處于快速發(fā)展中的縣域城市的關(guān)注還有待加強(qiáng)。

常寧市地處湖南省南部,衡陽市西南部,湘江中游南岸,地處環(huán)長株潭城市群的南緣,是湘南地區(qū)的“中心區(qū)”,有“有色金屬之鄉(xiāng)”與“非金屬之鄉(xiāng)”之稱,也是全國第三批資源枯竭城市。全市土地總面積為204790.46hm?,境內(nèi)地勢南高北低,大致呈兩級階梯形分布,境內(nèi)地勢類型分山地、丘陵、平原三種,分別占常寧市土地總面積的37.60%、26.00%和37.40%。土壤分為地帶性土壤和非地帶性土壤,其中以水稻土、紅壤土、紫色土、黃壤土面積較大,分布甚廣,利用率最高。境內(nèi)水系發(fā)育良好,四季分明,雨量充沛。近年來,常寧市城市建設(shè)步伐加快,土地利用結(jié)構(gòu)調(diào)整頻繁,在土地資源有限的實(shí)際情況中,如何實(shí)現(xiàn)各地類之間的最優(yōu)配置,并在此基礎(chǔ)上最大限度地發(fā)揮土地利用效率成為常寧市土地利用過程中亟需解決的關(guān)鍵問題。本文以常寧市2005-2016年土地利用數(shù)據(jù)為基礎(chǔ),運(yùn)用數(shù)理統(tǒng)計(jì)方法對土地利用水平及結(jié)構(gòu)變化、動態(tài)度變化、變化強(qiáng)度等方面進(jìn)行分析,揭示常寧市土地利用結(jié)構(gòu)的演變規(guī)律,再利用灰色模型GM(1,1)預(yù)測2021年土地利用變化情況,為優(yōu)化常寧市土地利用格局和促進(jìn)區(qū)域經(jīng)濟(jì)發(fā)展提供科學(xué)支撐。

2 研究方法與數(shù)據(jù)來源

2.1 土地利用程度變化分析

土地利用動態(tài)度模型能夠定量地描述土地利用的變化速度,單一土地利用類型動態(tài)度表示某特定區(qū)域在一定時間范圍內(nèi)某種土地利用類型的數(shù)量變化情況,在比較土地利用變化區(qū)域差異和預(yù)測未來土地利用變化趨勢上可發(fā)揮作用。計(jì)算公式為:

式1

式中,K表示研究時段內(nèi)某一土地利用類型的動態(tài)度;Lm為研究期初某種土地利用類型的面積;Ln為研究期末某種土地利用類型的面積;t為土地利用變化的時間段。

分析土地利用變化強(qiáng)度,其得出的強(qiáng)度指數(shù)可定量描述在一定時間范圍內(nèi)土地利用變化的強(qiáng)弱或趨勢,用各空間單元的土地面積對其變化速度進(jìn)行標(biāo)準(zhǔn)化處理,使其具有可比性。計(jì)算公式為:

式2

式中,P表示研究時段內(nèi)某一土地利用類型的變化強(qiáng)度;Lm為研究期初某種土地利用類型的面積;Ln為研究期末某種土地利用類型的面積;S為研究期末常寧市土地總面積。

2.2 灰色模型

灰色預(yù)測模型是基于一階常微分方程的基本思想,利用現(xiàn)有不完全信息建立預(yù)測模型對研究對象未來的發(fā)展趨勢和狀況進(jìn)行分析和預(yù)測的統(tǒng)計(jì)方法,也稱為一元一階灰色模型(GM(1,1))。因其所需信息量少、運(yùn)算精度高的優(yōu)勢被廣泛運(yùn)用于土地利用分析、碳排放預(yù)測等領(lǐng)域。本文在分析灰色預(yù)測模型基本原理的基礎(chǔ)上,利用Matlab7.6強(qiáng)大的矩陣功能,實(shí)現(xiàn)灰色GM(1,1)模型算法。其計(jì)算步驟如下:

①由原始數(shù)據(jù)序列x(0)計(jì)算一次累加序列x(1)(i);

②建立矩陣B,y;

B U=

y=B*U

③求逆矩陣(BTB)-1;

④根據(jù) 求估計(jì)值和

⑤用時間相應(yīng)方程計(jì)算擬合值,再用后減運(yùn)算還原,即endprint

當(dāng)k等于1,2,…,N-1時,即可得到原始序列X(0)的擬合值;當(dāng)k大于或等于N時,即可得到原始序列X(0)的預(yù)測值。

為了提高GM(1,1)模型預(yù)測結(jié)果的科學(xué)性,本次研究利用后驗(yàn)差檢驗(yàn)法對其預(yù)測結(jié)果進(jìn)行精度校驗(yàn)。其表達(dá)式為:

式中:Sa是原始數(shù)據(jù)標(biāo)準(zhǔn)差;Sb為預(yù)測數(shù)據(jù)標(biāo)準(zhǔn)差;C為后驗(yàn)差比值,其數(shù)值的大小直接體現(xiàn)模型預(yù)測結(jié)果與實(shí)際數(shù)值之差的離散程度;P為小誤差頻率;是預(yù)測數(shù)據(jù)誤差;是預(yù)測誤差的均值。根據(jù)模型預(yù)測精度等級評定標(biāo)準(zhǔn),參見表1,當(dāng)C<0.35且P≥0.95時,其精確性較高,為一級;當(dāng)C≥0.65且P≤0.7時,精確性較差,不可使用。

2.3 數(shù)據(jù)來源

研究基礎(chǔ)數(shù)據(jù)以常寧市2005-2016年土地利用變更調(diào)查數(shù)據(jù)為基礎(chǔ),相關(guān)資料結(jié)合常寧市歷年統(tǒng)計(jì)年鑒與政府工作報告。

3 結(jié)果分析

3.1 土地利用變化趨勢

3.1.1 土地利用水平結(jié)構(gòu)變化分析

根據(jù)常寧市2005-2016年的土地利用變更調(diào)查,整理出土地利用變化的基本數(shù)據(jù)。常寧市各地類面積都發(fā)生了不同程度的變化,①總體而言,各類城市功能性用地面積均呈上升態(tài)勢,不同類型用地增長幅度存在差異,變化較大的依次為:林地、城鎮(zhèn)村及工礦用地、耕地、草地、交通運(yùn)輸用地、其他用地、水域及水利設(shè)施用地、園地,分別變化-1754.64hm?、1518.3hm?、970.46hm?、-207.5hm?、196.14hm?、107.69hm?、-105.18hm?、-51.83hm?;②從變化規(guī)模來看,城鎮(zhèn)村及工礦用地、耕地、交通運(yùn)輸用地在考察期內(nèi)分別增長1518.3hm?、970.46hm?、196.14hm?,是增長幅度最大的3個地類,這與貫徹落實(shí)國家保護(hù)耕地政策、區(qū)域功能定位及近年來常寧市城區(qū)大規(guī)模的基礎(chǔ)設(shè)施建設(shè)等有密切聯(lián)系。

3.1.2 土地利用動態(tài)度變化分析

依據(jù)式1計(jì)算出2005-2016年常寧市土地利用動態(tài)度,詳見表2。從表2可以看出,常寧市2005-2016年土地利用變化的速度依次為城鎮(zhèn)村及工礦用地>交通運(yùn)輸用地>其他用地>耕地>水域及水利設(shè)施用地>林地>園地>草地。其中,年際變化速度最大的是城鎮(zhèn)村及工礦用地,動態(tài)度為0.9516%,變化最小的為水域及水利設(shè)施用地,僅為-0.0704%。通過查閱常寧市相關(guān)土地資料得知,全市土地利用與區(qū)域經(jīng)濟(jì)增長在數(shù)量和空間分布上均呈現(xiàn)出較強(qiáng)的相關(guān)性。目前,常寧市仍然處于新型城鎮(zhèn)化、新型工業(yè)化的快速發(fā)展階段,隨著人口的不斷增長,經(jīng)濟(jì)的快速發(fā)展,加上“十三五”期間省市重點(diǎn)項(xiàng)目的陸續(xù)實(shí)施,建設(shè)用地的需求將快速增長。隨著城鎮(zhèn)化水平的提高,城鎮(zhèn)工礦建設(shè)用地呈上升趨勢,城鎮(zhèn)工礦用地比重較大,建設(shè)用地動態(tài)變化度也相對較高。

3.1.3 土地利用變化強(qiáng)度分析

依據(jù)式2計(jì)算出2005-2016年常寧市土地利用變化強(qiáng)度指數(shù),詳見表2??梢钥闯?,在增加的土地類型中,城鎮(zhèn)村及工礦用地的變化強(qiáng)度指數(shù)最大,在減少的土地類型中,林地的減少變化強(qiáng)度指數(shù)最大,這說明常寧市土地類型變化起作用的主要是林地。這十多年間,當(dāng)?shù)貒窠?jīng)濟(jì)建設(shè)取得巨大成就,人民生活水平提高,但也不能忽視林地、草地、園地的保護(hù)建設(shè)。在未來,應(yīng)當(dāng)控制各項(xiàng)建設(shè)工程征占自然保護(hù)區(qū)、森林公園及生態(tài)脆弱地區(qū)的林地,重點(diǎn)保護(hù)和建設(shè)宜水、潭水、主要鐵路、公路沿線防護(hù)林地。建設(shè)高標(biāo)準(zhǔn)綠色通道、防護(hù)林體系、自然保護(hù)區(qū)等生態(tài)林地。加強(qiáng)低效林地的改造,加快受損林地的恢復(fù)和重建。重點(diǎn)保護(hù)大義山自然保護(hù)區(qū)、天堂山國家森林公園、天湖國家濕地公園、廟前地質(zhì)公園、印山天堂山西江風(fēng)景名勝區(qū)等山地、水體及其周邊生態(tài)環(huán)境,做好宜潭兩水濱江防護(hù)林建設(shè),逐步改善宜水生態(tài)環(huán)境;重點(diǎn)做好水源涵養(yǎng)林建設(shè),為人民群眾提供優(yōu)質(zhì)安全的水源保障;通過水土保持林和生態(tài)林建設(shè),治理水土流失,提高環(huán)境自養(yǎng)能力。

3.2 灰色預(yù)測模型GM(1,1)分析

根據(jù)2005-2016年常寧市土地利用變更調(diào)查原始數(shù)據(jù),運(yùn)用Matlab7.6軟件對2021年土地利用變化情況進(jìn)行預(yù)測,得到基于GM(1,1)模型的各類土地利用變化預(yù)測結(jié)果如表3所示。從預(yù)測結(jié)果可以看出,①在未來的土地利用中,常寧市的耕地、園地、林地、草地、水域及水利設(shè)施用地將進(jìn)一步減少,城鎮(zhèn)村及工礦用地、交通運(yùn)輸用地有所增加;②與2005年相比,其中變化最大的為城鎮(zhèn)村及工礦用地,增加了2225.5228hm?;③與生態(tài)安全息息相關(guān)的園地和林地,較2005年相比,分別減少了104.1017hm?和2200.0404hm?。

為了提高模型預(yù)測的準(zhǔn)確性,本文利用后驗(yàn)比和小誤差概率對模型進(jìn)行診斷,結(jié)果見表4,所有8個地類模型都是后驗(yàn)比<0.35,小誤差概率>0.95,精確性較高,為一級,相對誤差檢驗(yàn)也為一級,證明預(yù)測具有較高的精度,預(yù)測有效。

4 結(jié)論與討論

(1)從2005-2015年,常寧市土地利用格局發(fā)生了較大變化。園地面積變化較為平穩(wěn),耕地利用情況良好,交通運(yùn)輸用地和其他用地有一定程度的增加,林地、草地面積減少較為迅速,城市化進(jìn)程導(dǎo)致城鎮(zhèn)村及工礦用地擴(kuò)張最為明顯。既要滿足城市用地快速擴(kuò)張的需求,又要加強(qiáng)生態(tài)用地的保護(hù), 是土地利用決策需要著重協(xié)調(diào)的一對矛盾?,F(xiàn)階段,要推進(jìn)田、水、路、林、村的綜合整治,確保常寧市耕地保有量目標(biāo)得以實(shí)現(xiàn),要積極盤活建設(shè)用地存量加強(qiáng)對城鎮(zhèn)閑散用地進(jìn)行整合,鼓勵低效用地增容改造和深度開發(fā),要更加節(jié)約集約利用土地,挖掘內(nèi)部潛力,提高現(xiàn)有城鄉(xiāng)建設(shè)用地對經(jīng)濟(jì)社會發(fā)展的保障能力;積極研究各類建設(shè)節(jié)地技術(shù)和模式,引導(dǎo)城市地上地下空間開發(fā)。此外,要與新型城鎮(zhèn)化和新農(nóng)村建設(shè)進(jìn)程相適應(yīng),引導(dǎo)城鎮(zhèn)建設(shè)用地結(jié)構(gòu)調(diào)整,控制生產(chǎn)用地,保障生活用地,逐步優(yōu)化農(nóng)村建設(shè)用地結(jié)構(gòu),保障農(nóng)業(yè)生產(chǎn)、農(nóng)民生活必需的建設(shè)用地,促進(jìn)城鄉(xiāng)用地結(jié)構(gòu)調(diào)整,合理增加城鎮(zhèn)建設(shè)用地。endprint

(2)根據(jù)2021年的預(yù)測情況,常寧市土地利用變化呈現(xiàn)出城鎮(zhèn)村及工礦建設(shè)用地增加、其他用地減少的狀態(tài),說明對其后備資源的利用力度不斷加大,同時也要看到園地、林地、草地這類生態(tài)型處于持續(xù)減少狀態(tài),水口山重金屬污染綜合防治亟待加強(qiáng)。按照建設(shè)環(huán)境友好型社會的要求,協(xié)調(diào)土地利用與生態(tài)建設(shè),因地制宜、因勢利導(dǎo),充分發(fā)揮耕地、林地、園地、草地的生態(tài)功能,加強(qiáng)對中低產(chǎn)園地的改造和管理,加快受損林地的恢復(fù)和重建,積極促進(jìn)生態(tài)綠化系統(tǒng)建設(shè),加強(qiáng)土地生態(tài)安全屏障,切實(shí)維護(hù)湘江流域生態(tài)安全,是當(dāng)前常寧市土地利用過程中必須重視的問題之一。由此可見,利用Matlab7.6情況下的灰色預(yù)測模型GM(1,1)可以對土地利用的動態(tài)變化進(jìn)行預(yù)測,但要進(jìn)行全方位和準(zhǔn)確地預(yù)測,還需要結(jié)合其他預(yù)測方法進(jìn)行相互比較和驗(yàn)證,使得土地利用動態(tài)變化的預(yù)測更為精準(zhǔn)。

(3)通過數(shù)理統(tǒng)計(jì)方法和灰色預(yù)測模型GM(1,1),能夠較好地研究和預(yù)測縣域土地利用變化情況,旨在為城市發(fā)展新階段的土地利用規(guī)劃提供參考,為促進(jìn)經(jīng)濟(jì)社會可持續(xù)發(fā)展和生態(tài)環(huán)境良性循環(huán)提供一定科學(xué)依據(jù)。本文沒有從空間視角分析常寧市土地利用結(jié)構(gòu)變化的特征,亦沒有進(jìn)一步分析土地利用結(jié)構(gòu)變化的驅(qū)動因素,這些都將是我們未來進(jìn)一步的研究方向。

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