張雨蒙，馬 明，林佳佳

(安徽建筑大學(xué)建筑與規(guī)劃學(xué)院，安徽合肥 230601)

經(jīng)濟(jì)社會(huì)與生態(tài)環(huán)境協(xié)同發(fā)展是一個(gè)復(fù)雜而艱巨的難題，土地利用變化反映了自然環(huán)境和人類活動(dòng)相互作用后的生態(tài)環(huán)境變化特征，受到了國(guó)內(nèi)外學(xué)者的廣泛關(guān)注。土地利用是指人類與土地進(jìn)行物質(zhì)、能量和價(jià)值、信息的交流、轉(zhuǎn)換，從中獲得物質(zhì)產(chǎn)品和服務(wù)的經(jīng)濟(jì)活動(dòng)過(guò)程。近年來(lái)國(guó)內(nèi)外學(xué)者對(duì)于土地利用的主要研究集中于土地利用分類及演變特征分析、土地利用數(shù)據(jù)模型構(gòu)建、土地利用轉(zhuǎn)型、土地利用演變驅(qū)動(dòng)機(jī)制等方面。如Letourneau等提出了一種新的土地利用分類和建模方法，使用基于土地利用系統(tǒng) (LUS)的分類，從而代表人類與環(huán)境相互作用的特定組合。董寧等開展全球社會(huì)經(jīng)濟(jì)和排放情景下的我國(guó)土地利用預(yù)測(cè)研究，構(gòu)建了基于不同情景下的土地利用變化評(píng)估框架。尹登玉等結(jié)合山東省土地利用變化，并分析了土地利用對(duì)生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)價(jià)值的影響；龍花樓等開展了土地利用轉(zhuǎn)型與鄉(xiāng)村轉(zhuǎn)型發(fā)展的耦合過(guò)程及互動(dòng)機(jī)理的研究；陳百明展開對(duì)我國(guó)土地利用和土地覆被變化的研究并分析了人類驅(qū)動(dòng)力影響因素；呂雙雙等認(rèn)為影響土地利用功能的因素主要分為自然、交通區(qū)位、經(jīng)濟(jì)、社會(huì)、生態(tài)(環(huán)境)、政策6個(gè)因素。就目前而言，國(guó)內(nèi)外學(xué)者已經(jīng)針對(duì)土地利用變化在不同方向上展開了大量研究，但仍然存在一些不足，如土地利用涉及方面廣，與自然地理學(xué)、人文經(jīng)濟(jì)、生態(tài)學(xué)等理論密切相關(guān)，而目前的研究缺乏統(tǒng)一的理論指導(dǎo)；關(guān)于影響土地利用的人文或者自然因素具有不確定性，大多模型的數(shù)據(jù)標(biāo)準(zhǔn)無(wú)法統(tǒng)一，缺乏可比性；關(guān)于土地利用的數(shù)據(jù)獲取大多來(lái)源于遙感技術(shù)，其獲取、解譯、處理等方面存在相關(guān)誤差。筆者基于河南省2000、2010、2015、2020年土地利用遙感數(shù)據(jù)，利用ArcGIS 10.2軟件進(jìn)行空間分析與計(jì)算，總結(jié)分析研究時(shí)間段內(nèi)各土地利用類型的變化和影響因素。

1 資料與方法

河南省位于黃河中下游地區(qū)(110°21′～116°39′E、31°23′～36°22′N)，東連山東、安徽，西鄰陜西，北接河北、山西，南臨湖北。全省總面積167 000 km，地勢(shì)西高東低。河南省屬于大陸性季風(fēng)氣候(北亞熱帶向暖溫帶過(guò)渡)，季節(jié)過(guò)渡分明、降雨和高溫季節(jié)同步，年平均氣溫為10.5～16.7 ℃，氣候適宜多種農(nóng)作物生長(zhǎng)。全省耕地面積居全國(guó)第二，達(dá)到6 871 000 hm。截至2000年底，河南省共有17個(gè)設(shè)區(qū)的市，21個(gè)縣級(jí)市(圖1)；常住人口達(dá)到9 936萬(wàn)，常住人口城鎮(zhèn)化率達(dá)到54.2%；全省生產(chǎn)總值54 997.07億元，經(jīng)濟(jì)發(fā)展態(tài)勢(shì)良好。

圖1 河南省行政區(qū)地圖Fig.1 Map of Henan Province Administrative Region

2000、2010、2015、2020年的土地利用遙感數(shù)據(jù)，來(lái)源于中國(guó)科學(xué)院資源環(huán)境科學(xué)數(shù)據(jù)中心(http://www.resdc.cn)，精度是1 km×1 km。土地利用分類按照 《土地利用現(xiàn)狀分類標(biāo)準(zhǔn)》(GB/T 21010—2007)的規(guī)定，劃分為耕地、林地、草地、水域、建設(shè)用地和未利用地6種類型。社會(huì)經(jīng)濟(jì)指標(biāo)等數(shù)據(jù)來(lái)源于2020年河南省政府統(tǒng)計(jì)報(bào)告、河南省統(tǒng)計(jì)年鑒。

單一土地利用動(dòng)態(tài)度。用來(lái)對(duì)某一時(shí)期、某一區(qū)域內(nèi)不同土地利用類型變化的速率及變化幅度指標(biāo)的描述，通過(guò)對(duì)數(shù)據(jù)的進(jìn)一步分析以預(yù)測(cè)土地利用變化的趨勢(shì)。其計(jì)算表達(dá)公式如下：

(1)

式(1)中,表示研究時(shí)間內(nèi)某一種土地利用類型的動(dòng)態(tài)度；和分別表示某一種土地類型開始和結(jié)束時(shí)的面積；是研究時(shí)間長(zhǎng)度，一般單位設(shè)定為年。為了便于數(shù)據(jù)分析，將持續(xù)時(shí)間分為3 個(gè)階段，即2000—2010、2010—2015和2015—2020年。

土地利用轉(zhuǎn)移矩陣。用來(lái)描述在研究開始時(shí)和結(jié)束時(shí)的土地利用變化結(jié)構(gòu)特征，以及各類土地的具體轉(zhuǎn)移情況，包括沒有發(fā)生變化的、轉(zhuǎn)入的和轉(zhuǎn)出的情況，是對(duì)某種狀態(tài)轉(zhuǎn)換的定量描述。其計(jì)算表達(dá)公式如下:

(2)

式(2)中,表示用地面積；表示土地類型數(shù)目；、分別表示開始時(shí)和結(jié)束時(shí)的各種土地類型。

土地利用程度綜合指數(shù)模型。土地利用程度綜合指數(shù)反映了人類對(duì)區(qū)域土地開發(fā)利用的程度﹐是衡量區(qū)域土地利用深度和廣度的重要指標(biāo)。其計(jì)算表達(dá)公式如下：

(3)

式中，表示土地利用程度綜合指數(shù)；表示第級(jí)土地利用程度分級(jí)指數(shù)；表示土地利用程度分級(jí)數(shù)，根據(jù)相關(guān)學(xué)者研究，賦值分別為未利用地=1、林地、草地和水域=2，耕地=3，建設(shè)用地=4；是對(duì)應(yīng)地類的面積比例。

2 結(jié)果與分析

2000—2020年河南省的土地利用/土地覆蓋類型主要分為6個(gè)一級(jí)類型和25個(gè)二級(jí)類型。利用ArcGIS 10.2軟件對(duì)河南省土地利用現(xiàn)狀遙感監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)進(jìn)行提取、重分類以及統(tǒng)計(jì)分析，結(jié)果發(fā)現(xiàn)(圖2和表1～2),2000—2020年河南省建設(shè)用地、水域、林地面積趨向增加，而草地、耕地和未利用地面積趨向減少。在此期間，河南省建設(shè)用地面積增加5 002 km、林地面積增加361 km、水域面積增加818 km，草地面積減少469 km、耕地面積減少5 591 km、未利用地面積減少68 km。以 2015—2020年變化尤為顯著，各地類的變化速度和幅度差異明顯，且不同地類間轉(zhuǎn)換頻繁。具體分析如下：

(1)耕地面積由2000年的108 692 km(占比65.65%)變化到2020年的 103 101 km，共計(jì)減少了5 591 km，2015—2020年耕地面積減少了3 536 km，土地利用動(dòng)態(tài)度為-0.66%。

(2)林地面積變化表現(xiàn)為2000年的26 798 km變化到2020年的27 159 km，總體上增加了361 km。其中2000—2010年增加了14 km,2010—2015年減少了21 km,2015—2020年增加了368 km，其中2015—2020年變化速率最大，土地利用動(dòng)態(tài)度為0.27%。

(3)草地面積由2000年的9 411 km變化到2020年的8 942 km，減少了469 km，2000—2010、2010—2015、2015—2020年3個(gè)時(shí)期中逐漸呈現(xiàn)減少趨勢(shì)，且減少速率逐漸加快。

(4)水域面積變化總體呈現(xiàn)增加趨勢(shì)，具體表現(xiàn)為2000年面積3 536 km變化到2020年的4 354 km，水域總面積增加了818 km，2000—2020年的土地利用動(dòng)態(tài)度為1.16%。

(5)建設(shè)用地面積由2000年的17 036 km變化到2020年的22 038 km，增加了5 002 km，2000—2010、2010—2015、2015—2020年3個(gè)時(shí)期中逐漸呈現(xiàn)增加的趨勢(shì)，且增加速率逐漸加快；2015—2020年增加了3 369 km，土地利用動(dòng)態(tài)度為3.61%。

(6)未利用地面積總體呈現(xiàn)減少趨勢(shì)，2000—2010年減少了29 km，2010—2015年基本無(wú)變化；2015—2020年減少了40 km，土地利用動(dòng)態(tài)度為13.11%。

使用ArcGIS 10.2軟件的空間模塊分析功能對(duì)河南省2000—2020年的土地利用/覆蓋數(shù)據(jù)進(jìn)行轉(zhuǎn)移矩陣運(yùn)算，通過(guò)統(tǒng)計(jì)分析得到表3。

從轉(zhuǎn)出角度來(lái)看，2000—2020年耕地總轉(zhuǎn)出面積為23 303 km，主要轉(zhuǎn)出為草地、林地、建設(shè)用地、水域，轉(zhuǎn)出面積分別為2 536、3 146、15 408、2 210 km，另外有少量面積轉(zhuǎn)化為未利用地。草地總轉(zhuǎn)出面積為4 615 km，主要轉(zhuǎn)向耕地2 652 km、林地1 470 km，另外有301 km轉(zhuǎn)出到建設(shè)用地、189 km轉(zhuǎn)出到水域。林地共轉(zhuǎn)出面積為4 577 km，主要轉(zhuǎn)出為草地和耕地，轉(zhuǎn)出面積分別為1 403、2 562 km。水域總轉(zhuǎn)出面積為2 121 km，主要轉(zhuǎn)出到耕地1 516 km、建設(shè)用地305 km。建設(shè)用地總轉(zhuǎn)出面積為11 322 km，大量轉(zhuǎn)出到耕地，轉(zhuǎn)出面積為10 920 km。未利用地總轉(zhuǎn)出面積為86 km，主要轉(zhuǎn)出到耕地、林地、水域，轉(zhuǎn)出面積分別為49、17、15 km。

圖2 2000—2020年河南省土地利用變化Fig.2 Land use change of Henan Province from 2000 to 2020

表1 2000—2020年河南省土地利用類型面積統(tǒng)計(jì)Table 1 Statistics of land use types and areas in Henan Province from 2000 to 2020

表2 2000—2020年河南省土地利用單一動(dòng)態(tài)度Table 2 Single dynamic change degree of land use in Henan Province from 2000 to 2020

從轉(zhuǎn)入角度來(lái)看，2000—2020年草地轉(zhuǎn)入總面積為4 144 km，主要由耕地、林地轉(zhuǎn)入，轉(zhuǎn)入面積分別為2 356、1 403 km。耕地總轉(zhuǎn)入面積為17 699 km，主要由草地、建設(shè)用地、林地、水域轉(zhuǎn)入，轉(zhuǎn)入面積分別為2 652、10 920、2 562、1 516 km。建設(shè)用地總面積趨于增加，總轉(zhuǎn)入為16 318 km，主要由草地、耕地、林地、水域轉(zhuǎn)入，轉(zhuǎn)入面積分別為301、15 408、301、305 km。林地總轉(zhuǎn)入面積為4 919 km，主要由草地、耕地轉(zhuǎn)入，轉(zhuǎn)入面積分別為1 470、3 146 km。水域總轉(zhuǎn)入面積是2 926 km，主要是由耕地轉(zhuǎn)入2 210 km、草地轉(zhuǎn)入189 km、建設(shè)用地轉(zhuǎn)入213 km、林地轉(zhuǎn)入299 km。未利用地總轉(zhuǎn)入面積為18 km，主要由林地轉(zhuǎn)入，轉(zhuǎn)入面積為12 km。

表3 2000—2020年河南省土地利用轉(zhuǎn)移矩陣Table 3 Transfer matrix of land use in Henan Province during 2000-2020 km2

土地利用程度綜合指數(shù)可以反映河南省土地利用的集約程度，運(yùn)用公式(3)計(jì)算得到圖3，從圖3可以看出，2000—2020年的土地利用程度綜合指數(shù)總體呈現(xiàn)上升的趨勢(shì)。其中，2000—2015年土地利用程度綜合指數(shù)變化較小，僅為0.74；2015—2020年提升幅度較為明顯，增加了1.93。土地利用程度綜合指數(shù)越高說(shuō)明土地集約利用程度越高，以上數(shù)據(jù)的變化表明河南省從2015年以后各城市的建設(shè)用地面積開始大幅度擴(kuò)展，河南省土地利用逐漸走向集約化。

圖3 土地利用程度變化Fig.3 Changes of the degree of land use

土地利用類型的變化是由多種因素共同作用下發(fā)生的，由于河南省地處中原，地形地勢(shì)較為平坦，且大體位于溫帶季風(fēng)氣候區(qū)，自然氣候較為穩(wěn)定，因此土地利用變化在2000—2020年受自然因素的影響不大，故該研究主要分析由人類社會(huì)經(jīng)濟(jì)活動(dòng)引起的變化機(jī)制。河南土地利用類型變化的驅(qū)動(dòng)因素主要有城鎮(zhèn)化進(jìn)程、經(jīng)濟(jì)發(fā)展、人口增長(zhǎng)、政策等。

城鎮(zhèn)化進(jìn)程。在人類歷史長(zhǎng)河中，農(nóng)業(yè)生產(chǎn)作為人們生存的根本，是人類得以生存的根本保證，是其他一切社會(huì)經(jīng)濟(jì)活動(dòng)的基礎(chǔ)。河南省是農(nóng)業(yè)大省，糧食總產(chǎn)量一直位居我國(guó)前列，數(shù)據(jù)顯示河南省糧食總產(chǎn)量近4年均超過(guò)650億kg。農(nóng)業(yè)科技的進(jìn)步和農(nóng)業(yè)投入水平的提高促進(jìn)了農(nóng)業(yè)的產(chǎn)出效率和產(chǎn)出質(zhì)量，改變了傳統(tǒng)的土地利用方式。信息、生物等高新技術(shù)逐漸應(yīng)用于農(nóng)業(yè)生產(chǎn)，使得農(nóng)業(yè)產(chǎn)量提升的同時(shí)，也進(jìn)一步釋放了農(nóng)村地區(qū)的勞動(dòng)力，農(nóng)村剩余勞動(dòng)力進(jìn)入城市，促進(jìn)了城鎮(zhèn)化水平快速提升。河南省統(tǒng)計(jì)年鑒數(shù)據(jù)顯示，2020年河南省常住人口城鎮(zhèn)化率(54.2%)較2019年城鎮(zhèn)化率(53.2%)相比增長(zhǎng)了1百分點(diǎn)。城鎮(zhèn)化率的提高、城鎮(zhèn)化進(jìn)程的加快促使建設(shè)用地的擴(kuò)張，從而導(dǎo)致建設(shè)用地面積增加。

經(jīng)濟(jì)發(fā)展因素。經(jīng)濟(jì)的發(fā)展與消費(fèi)水平的不斷提高推動(dòng)了產(chǎn)業(yè)轉(zhuǎn)型和服務(wù)業(yè)的蓬勃發(fā)展，增加了城市的建設(shè)擴(kuò)張需求，從而進(jìn)一步推動(dòng)土地利用類型的變化。近年來(lái)，河南省作為我國(guó)經(jīng)濟(jì)發(fā)展的中堅(jiān)力量之一，經(jīng)濟(jì)發(fā)展呈現(xiàn)穩(wěn)步上升趨勢(shì)，20年內(nèi)生產(chǎn)總值穩(wěn)居全國(guó)第五名，人均生產(chǎn)總值由2000年的5 450元上升至2019年的56 388元(表4、圖4)。

人口增長(zhǎng)因素。人口增長(zhǎng)因素也是影響河南省土地利用變化的驅(qū)動(dòng)因素之一。河南省人口數(shù)量眾多，第七次全國(guó)人口普查數(shù)據(jù)顯示，河南省常住人口9 936.6萬(wàn)，占全國(guó)人口的7.04%；僅次于廣東省、山東省，位居全國(guó)第三，與2010年第六次人口普查相比，增加了534.2萬(wàn)人，增長(zhǎng)了5.68%。從人口結(jié)構(gòu)與土地利用結(jié)構(gòu)來(lái)看，河南省2020年城鎮(zhèn)居住人口5 507.9萬(wàn)(占55.43%)，鄉(xiāng)村居住人口4 428.7萬(wàn)(占44.57%)；與2010年相比，城鎮(zhèn)人口增多1 885.9萬(wàn)，鄉(xiāng)村人口減少了1 352.3萬(wàn)，城鎮(zhèn)人口占比增多16.91%。人口結(jié)構(gòu)的變化使得建設(shè)用地增加、耕地和未利用地面積減少，從而導(dǎo)致土地利用變化結(jié)構(gòu)發(fā)生變化。

表4 河南省重要經(jīng)濟(jì)指標(biāo)Table 4 List of important economic indicators in Henan Province

政策因素。從政策上來(lái)看，相關(guān)政策對(duì)土地的利用有著直接而深刻的影響。2000—2020年，河南省政府根據(jù)《中華人民共和國(guó)土地管理法》的3次修訂(1998、2004、2019年)，結(jié)合當(dāng)?shù)貙?shí)際情況，制定了實(shí)施土地管理法的相關(guān)政策法規(guī)，為合理利用各種土地類型、科學(xué)開發(fā)未利用土地提供了方向及相關(guān)保護(hù)方法。同時(shí)，河南為農(nóng)業(yè)大省、國(guó)家重要的糧食生產(chǎn)基地，在土地管理中恪守耕地紅線，嚴(yán)格保護(hù)耕地，因而耕地面積變化較少。而自十八大以來(lái)，隨著生態(tài)文明理念的貫徹實(shí)施，尤其針對(duì)自然生態(tài)與耕地保護(hù)的高標(biāo)準(zhǔn)要求，使得耕地、草地、林地的面積出現(xiàn)一定程度的回增。與此同時(shí)，南水北調(diào)工程等國(guó)家、區(qū)域水利工程的修建，也導(dǎo)致全省水體的面積有所增加。

圖4 2000—2019年河南省國(guó)民生產(chǎn)總值變化Fig.4 Change of GDP of Henan Province from 2000 to 2019

3 結(jié)語(yǔ)

基于2000—2020年河南省土地利用/土地覆蓋遙感數(shù)據(jù)，對(duì)2000、2010、2015、2020 年4個(gè)時(shí)間節(jié)點(diǎn)的土地利用數(shù)據(jù)進(jìn)行處理，運(yùn)用ArcGIS 10.2軟件平臺(tái)對(duì)20年間土地利用變化數(shù)據(jù)進(jìn)行空間分析與計(jì)算，總結(jié)分析研究時(shí)間段內(nèi)各土地利用類型的變化和影響因素。結(jié)果表明，河南省2000—2020年建設(shè)用地、水域、林地面積呈現(xiàn)增加趨勢(shì)，而草地、耕地和未利用地面積逐漸減少；2015—2020年的變化幅度明顯大于2000—2015年的變化幅度。河南省土地利用程度綜合指數(shù)在2000—2020年不斷增加，2015—2020年提升程度最為明顯，說(shuō)明河南省土地利用集約程度有較大的提高。影響河南省 2000—2020 年土地利用變化的主要驅(qū)動(dòng)力因素為城鎮(zhèn)化進(jìn)程、經(jīng)濟(jì)發(fā)展、人口增長(zhǎng)和政策。土地利用變化可以反映城市經(jīng)濟(jì)社會(huì)的發(fā)展與土地利用程度，在短期的變化主要受人類社會(huì)活動(dòng)的影響。對(duì)于土地利用時(shí)空變化特征的分析有助于深入了解河南省近期的土地利用情況、模擬預(yù)測(cè)未來(lái)土地利用變化，從而更好地促進(jìn)土地集約利用、城鄉(xiāng)高質(zhì)量發(fā)展。