0 引言

土地資源是人類發(fā)展的重要基礎(chǔ),是人民安身立命之本以及開展各種生產(chǎn)建設(shè)活動的前提條件[1],不過,人類活動也會改變土地利用結(jié)構(gòu)和功能[2],在一定范圍與時期內(nèi)形成穩(wěn)定的土地利用類型分布與構(gòu)成,同時,土地利用類型的分布還將影響土地資源的使用效率和產(chǎn)出效益。研究區(qū)域土地利用的現(xiàn)狀與變化過程,優(yōu)化區(qū)域土地利用結(jié)構(gòu),為區(qū)域產(chǎn)業(yè)分布與社會發(fā)展提供高效優(yōu)質(zhì)的土地資源,促進(jìn)社會經(jīng)濟(jì)的高速發(fā)展與人民生活水平的快速提升。

近年來,有很多學(xué)者進(jìn)行了土地利用及其時空變化方面的相關(guān)研究。Kucsicsa等[3]通過對羅馬尼亞1990—2006年土地利用/覆被變化的研究,確定主要的土地利用變化過程;Philogene等[4]調(diào)查巴西圣保羅州2002—2017年的土地利用/覆被變化情況,確定林區(qū)是否被焚燒,探究圣保羅州土地利用變化與火災(zāi)之間的關(guān)系,得出圣保羅州火災(zāi)事件呈下降趨勢的結(jié)論;Tiando等[5]基于2010年和2020年的GlobeLand 30影像數(shù)據(jù),利用效益分轉(zhuǎn)移(BTA)對西非貝寧熱帶沿海地區(qū)土地利用變化對生態(tài)服務(wù)價值的影響進(jìn)行考察;Saeed等[6]以利用多層感知機(jī)神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)(MLP-NN)算法預(yù)測沙特阿拉伯半干旱地區(qū)土地利用/覆被的空間和年代;Jukneliene·等[7]通過全局莫蘭指數(shù)和局部莫蘭指數(shù)對立陶宛各市的土地利用分布中的模式進(jìn)行檢查,分析立陶宛土地利用變化的時空格局;Mamun等[8]基于TM影像數(shù)據(jù),利用GIS評價唐奈爾市土地利用時空變化。

伊木然江·阿卜來提等[9]基于GlobeLand 30數(shù)據(jù)集,通過土地利用轉(zhuǎn)移矩陣以及土地重心遷移,分析新疆維吾爾族自治區(qū)哈密市2000—2020年土地利用變化的時空特征;李亞麗等[10]利用核密度分析法來表達(dá)土地利用格局的變化,采用土地利用變化強(qiáng)度、土地利用轉(zhuǎn)移矩陣指數(shù)分析近40a榆林市土地利用變化的速度、強(qiáng)度、結(jié)構(gòu)以及影響因素。葛志楠等[11]通過SWAT模型研究渭河流域土地利用變化對徑流的影響,發(fā)現(xiàn)渭河流域土地利用變化對徑流有抑制作用,影響小于10%。Liu Jiaming 等[12]通過深度學(xué)習(xí)模擬蘭州市生態(tài)服務(wù)對土地利用變化的響應(yīng),彌補(bǔ)了現(xiàn)有邏輯單元模擬模型僅用一個數(shù)據(jù)時間片提取鄰域效應(yīng)的不足。王育紅等[13]設(shè)計一種基于矢量數(shù)據(jù)的LUCC廣義轉(zhuǎn)移矩陣自動挖掘方法,提高轉(zhuǎn)移矩陣矢量化計算的準(zhǔn)確度和靈活性。羅婭等[14]應(yīng)用“縱橫向”拉開檔次法對石漠化治理區(qū)土地利用的安全性進(jìn)行評價,為評估石漠化治理區(qū)土地利用效應(yīng)提供了借鑒。李玉等[15]對撫順礦區(qū)1989—2019年土地利用/覆被進(jìn)行分析,通過轉(zhuǎn)移矩陣定量描述各地類演變方向,根據(jù)轉(zhuǎn)移圖譜確定不同年份各地類之間轉(zhuǎn)換位置和數(shù)量,利用主成分分析方法揭示主要驅(qū)動力。廖偉華等[16]基于序列模式對廣西壯族自治區(qū)土地利用變化進(jìn)行分析,彌補(bǔ)了傳統(tǒng)的轉(zhuǎn)移矩陣只能對兩期土地利用數(shù)據(jù)相互比較的不足,總結(jié)長期整體的變化。

河北省是我國農(nóng)業(yè)大省之一,在京津冀一體化中有著舉足輕重的作用。土地資源豐富是河北省的最大優(yōu)勢,京津發(fā)展對河北省最大需求是土地資源的需求,擴(kuò)大其發(fā)展空間,研究河北省土地利用變化以及優(yōu)化河北省土地利用結(jié)構(gòu),能促進(jìn)京津冀經(jīng)濟(jì)區(qū)經(jīng)濟(jì)發(fā)展和人民生活水平快速提高。目前關(guān)于河北省土地利用的研究很少,以河北省為研究對象,基于土地利用數(shù)據(jù),分析河北省1980—2020年期間的土地利用時空變化特征,使河北省土地資源發(fā)揮更大作用與效益。

1 研究區(qū)及所用數(shù)據(jù)

1.1 研究區(qū)概況

河北省位于北緯36°—43°,東經(jīng)113°—120°之間,環(huán)抱北京和天津,下轄石家莊、唐山、秦皇島、邯鄲、邢臺、保定、張家口、承德、滄州、廊坊、衡水11個地級市,總面積18.88萬平方公里,省會石家莊市,北距北京283公里,東與天津市毗連并緊傍渤海,東南部、南部銜山東、河南兩省,西倚太行山與山西省為鄰,西北部、北部與內(nèi)蒙古自治區(qū)交界,東北部與遼寧省接壤。

河北地區(qū)地勢西北高、東南低,地貌類型齊全,地貌單元包括:燕山和太行山山地、河北平原、壩上高原。河北省氣候類型屬于溫帶大陸性季風(fēng)氣候,大部分地區(qū)四季分明。

1.2 所用數(shù)據(jù)

所用數(shù)據(jù)包括1980年、1990年、2000年、2010年、2020年共5期土地利用/覆被(LUCC)數(shù)據(jù),格式為柵格數(shù)據(jù)格式,柵格大小為1 km,根據(jù)國家標(biāo)準(zhǔn)《土地利用現(xiàn)狀分類(GB/T21010—2017)》,土地利用類型包括25個二級地類。河北省行政區(qū)劃數(shù)據(jù)數(shù)據(jù)格式為矢量數(shù)據(jù)格式。二者均來源于中國科學(xué)院資源環(huán)境與數(shù)據(jù)中心(https://www.resdc.cn/)。

2 土地利用時空變化研究

2.1 近40年河北省土地利用結(jié)構(gòu)狀態(tài)

基于河北省1980年、1990年、2000年、2010年2020年的土地利用數(shù)據(jù),利用ArcGIS軟件空間分析模塊下的重分類工具,將二級地類合并為一級地類,包括耕地、林地、草地、水域、城鎮(zhèn)用地、未利用土地、海洋。制作出河北省1980年、1990年、2000年、2010年、2020年的土地利用分布示意圖,如圖1所示。對土地利用數(shù)據(jù)進(jìn)行統(tǒng)計,進(jìn)一步獲取河北省不同年份各土地利用類型的面積及比率,見表1。

表1 河北省土地利用結(jié)構(gòu)(km2;%)Table 1 Land use structure of Hebei Province (km2;%)

從河北省1980—2020年的5期土地利用分布來看,耕地主要集中分布于河北省的南部地區(qū);林地集中分布在河北省的北部地區(qū);草地多分布于河北省中部和北部區(qū)域;城鎮(zhèn)用地多分布于河北省的中部、南部地區(qū);水域大多分布在河北省的東部、南部地區(qū);未利用地面積較小,零星分布于河北省內(nèi)。

從河北省的土地利用結(jié)構(gòu)來看,最主要的土地利用類型為耕地,各年份總面積都在9萬 km2以上,1980—2010年占河北省總面積的比重都在50%以上,2020年也接近50%;其次是林地和草地,各年份總面積均在3萬 km2以上,占河北省總面積比重均大于15%;城鎮(zhèn)用地各年份面積均大于1萬km2,并在2020年達(dá)到21 347 km2;水域、未利用地和海洋面積相對較小,各年份面積均小于5 000 km2,所占比重都在3%以下,其中未利用地占河北省總面積的比重接近于1%,海洋占河北省總面積的比重近乎于0。河北省1980—2020年,土地利用結(jié)構(gòu)明顯變化特征為:耕地的比重逐年減小,城鎮(zhèn)用地的比重逐年增長,其它的土地利用類型比重變化相對較小。

2.2 近40年河北省土地利用動態(tài)度分析

通?？梢岳猛恋乩脛討B(tài)度對土地利用的變化進(jìn)行研究分析,土地利用動態(tài)度表征地類變化速度的快慢,代表著某個時間段人類活動對土地利用覆被變化影響的大小[17]。選取土地利用變化幅度對河北省土地利用變化進(jìn)行動態(tài)研究。

土地利用變化幅度是指某一特定研究時段內(nèi),研究區(qū)土地利用面積變化的絕對量[18],包括總體變化幅度和平均變化幅度:

式(1)中,C代表土地利用總變化幅度,Ua,Ub分別代表研究期初、期末土地利用類型的面積。平均變化幅度為總體變化幅度與研究時段間隔的比值。

計算出河北省近40年間的土地利用變化幅度,見表2,正數(shù)表示土地利用類型面積增加,反之,負(fù)數(shù)表示土地利用類型面積減少。從河北省1980—2020年分期土地利用變化幅度來看,不同土地類型面積的變化差異很大,不同的時段變化波動也很大?？傮w上來看,耕地、草地、未利用地的面積呈減少的趨勢,其中耕地面積減少了8 757 km2,草地減少的面積為1 096 km2,未利用地面積減少了796 km2;林地、水域和城鎮(zhèn)用地呈現(xiàn)增長的趨勢,增長量最大的為城鎮(zhèn)用地,增長了9 975 km2,水域的增長面積為699 km2,林地增長面積為300 km2。從平均變化幅度的角度來看,減小幅度最大的是耕地,減少面積為218.925 km2,增長幅度最大的是城鎮(zhèn)用地,增長了249.375 km2。

表2 河北省土地利用變化幅度(km2)Table 2 Land use change range in Hebei Province (km2)

2.3 河北省近40年土地利用轉(zhuǎn)移圖譜分析

土地利用轉(zhuǎn)移圖譜是進(jìn)行“空間與過程”研究的時空復(fù)合體,對它的描述可以通過同時反映土地空間差異和時序變化過程的狀態(tài)變量來實現(xiàn)[19]。轉(zhuǎn)移圖譜的一般基于ArcGIS的地圖代數(shù)功能,通過加法和乘法實現(xiàn)。通常為前一期土地利用數(shù)據(jù)×10+后一期土地利用類型,這樣就可以把任意兩期土地利用類型數(shù)據(jù)疊加在一起,反映出不同時間段之間不同的土地利用類型之間相互轉(zhuǎn)換的位置和數(shù)量。

2.3.1 1980—2020年河北省土地利用轉(zhuǎn)移圖譜

土地利用轉(zhuǎn)移圖譜能夠表達(dá)出不同年份之間不同的土地利用類型之間轉(zhuǎn)換的位置和數(shù)量,借助ArcGIS軟件平臺地圖代數(shù)模塊,對不同時期的土地利用數(shù)據(jù)進(jìn)行疊加分析,繪制河北省1980年和2020年兩期土地利用數(shù)據(jù)的轉(zhuǎn)移圖譜,如圖2 所示,對轉(zhuǎn)移圖譜進(jìn)行分類,將土地利用類型未發(fā)生改變的區(qū)域分為未變,土地利用類型發(fā)生改變的區(qū)域分為變化,未變區(qū)域的面積遠(yuǎn)大于變化區(qū)域,表明1980—2020年,河北省的土地利用方式相對穩(wěn)定。

為了定量分析土地利用類型之間的演變方向和數(shù)量,通過面積制表功能計算出河北省1980—2020年的土地利用轉(zhuǎn)移矩陣,見表3。土地利用轉(zhuǎn)移矩陣是用來研究區(qū)域內(nèi)不同土地利用類型變化的方向,它不僅包含了靜態(tài)的地類面積信息,還包含動態(tài)的地類面積轉(zhuǎn)入轉(zhuǎn)出信息[20]。轉(zhuǎn)移矩陣可以將任意兩個時期不同土地利用類型之間的相互轉(zhuǎn)化關(guān)系有效地表示出來[21]。從土地利用類型轉(zhuǎn)入的部分來看,草地和城鎮(zhèn)用地轉(zhuǎn)入耕地的面積最大,分別為6 801 km2、5 823 km2;草地和耕地轉(zhuǎn)為林地的面積最大,分別為6 172 km2、3 942 km2;林地和耕地轉(zhuǎn)為草地的面積最大,分別為6 571 km2、6 316 km2;耕地和城鎮(zhèn)用地轉(zhuǎn)為水域的面積最大,分別為1 876 km2、746 km2;耕地和林地轉(zhuǎn)為建設(shè)用地的面積最大,分別為14 280 km2、1 283 km2;耕地和水域轉(zhuǎn)為未利用地的面積最大,分別為262 km2、254 km2;從土地利用類型轉(zhuǎn)出的部分來看,耕地轉(zhuǎn)為城鎮(zhèn)用地和草地的面積最大,分別為為14 280 km2和6 316 km2;林地轉(zhuǎn)為草地和耕地的面積最大,分別為6 571 km2、2 963 km2;草地轉(zhuǎn)為耕地和林地的面積最大,分別為6 801 km2、6 172 km2;水域轉(zhuǎn)為耕地和城鎮(zhèn)用地的面積最大,分別為1 594 km2、395 km2;城鎮(zhèn)用地轉(zhuǎn)為耕地和水域的面積最大,分別為5 823 km2、746 km2;未利用地轉(zhuǎn)為耕地和水域面積最大,分別為848 km2、313 km2。

表3 河北省1980—2020年土地利用轉(zhuǎn)移矩陣(km2)Table 3 Land use transfer matrix of Hebei Province from 1980 to 2020 (km2)

2.3.2 1980—2020年土地利用漲勢圖譜

土地利用類型的變化有轉(zhuǎn)入和轉(zhuǎn)出情況,轉(zhuǎn)入會導(dǎo)致土地利用類型面積的增加。為了進(jìn)一步確定不同年份之間,不同土地利用類型新增的位置和數(shù)量,繪制河北省1980—2020年間的土地利用漲勢圖譜,如圖3所示。將所有其它土地利用類型轉(zhuǎn)為某一種土地利用類型的情況歸為該類型新增的面積,在此基礎(chǔ)上得到漲勢圖譜結(jié)構(gòu)表,見表4。

表4 1980—2020年 河北省土地利用漲勢圖譜結(jié)構(gòu)表(km2)Table 4 Map structure of land use rise in Hebei Province from 1980 to 2020 (km2)

河北省1980—2020年期間土地利用類型未發(fā)生改變的面積仍然占大部分,說明土地利用方式相對穩(wěn)定。從整個研究時段來看,各土地利用類型新增(轉(zhuǎn)入)面積大小排名前四的是:耕地、城鎮(zhèn)用地、草地、林地,轉(zhuǎn)入面積分別為:18 014 km2、16 656 km2、13 781 km2、10 555 km2,其中,耕地轉(zhuǎn)入面積排名前四的城市為:張家口4 225 km2、承德3 768 km2、保定1 925 km2、唐山1 569 km2,城鎮(zhèn)用地轉(zhuǎn)入面積前四的城市為:保定2 454 km2、唐山2 016 km2、石 家莊1 818 km2、邯鄲1 703 km2,草地轉(zhuǎn)入面積前四的城市為:承德5 417 km2、張家口3 903 km2、保定1 407 km2、石家莊937 km2,林地轉(zhuǎn)入面積前四的城市為:承德4 528 km2、張家口2 740 km2、保定949 km2、秦皇島931 km2。

2.3.3 1980—2020年土地利用落勢圖譜

土地利用類型的轉(zhuǎn)出會導(dǎo)致該地類面積的減少(萎縮),同理,將某一地類轉(zhuǎn)為其它類型的情況全部歸為該地類萎縮的面積,繪制土地利用落勢圖譜和落勢圖譜結(jié)構(gòu)表,如圖4和表5所示。

表5 1980—2020年河北省土地利用落勢圖譜結(jié)構(gòu)表(km2)Table 5 Structure of land use falling trend map of Hebei Province from 1980 to 2020 (km2)

從圖4和表5可知,在河北省土地利用方式相對穩(wěn)定的情況下,萎縮(轉(zhuǎn)出)面積大小排名前四的類型為:耕地、草地、林地、城鎮(zhèn)用地,轉(zhuǎn)出面積分別為:26 661 km2、14 907 km2、10 276 km2、6 925 km2,其中,耕地轉(zhuǎn)出面積最大的4個城市為:張家口5 017 km2、承德4 190 km2、保定3 064 km2、唐山2 362 km2,草地轉(zhuǎn)出面積最大的4個城市為:承德4 874 km2、張家口4 497 km2、保定1 685 km2、秦皇島1 073 km2,林地轉(zhuǎn)出面積最大的4個城市為:承德5 032 km2、張家口2 093 km2、保定986 km2、秦皇島649 km2,城鎮(zhèn)用地轉(zhuǎn)出面積最大的4個城市為:唐山1 327 km2、滄州1 021 km2、保定836 km2、衡水625 km2。

3 結(jié)論

基于河北省1980—2020年期間5期土地利用數(shù)據(jù),結(jié)合土地利用動態(tài)度、轉(zhuǎn)移圖譜以及轉(zhuǎn)移矩陣等方法對近40年河北省的土地利用時空變化進(jìn)行分析,得到時空變化的特征,具體來說:

(1)在整體結(jié)構(gòu)中,河北省土地利用類型以耕地為主,林地和草地次之,海洋面積最小。

(2)從變化幅度上來看,城鎮(zhèn)用地＞耕地＞草地＞未利用地＞水域＞林地＞海洋。

(3)從時空變化來看,1980—2020年期間,河北省各土地利用類型新增(轉(zhuǎn)出)面積大小前四為:耕地＞城鎮(zhèn)用地＞草地＞林地,其中耕地轉(zhuǎn)入面積最大的城市為張家口,城鎮(zhèn)用地轉(zhuǎn)入面積最大的城市為保定,草地和林地轉(zhuǎn)入面積最大的城市為承德;萎縮(轉(zhuǎn)出)面積最大的4種類型為:耕地＞草地＞林地＞城鎮(zhèn)用地,其中,耕地轉(zhuǎn)出面積最大的城市為張家口,草地和林地轉(zhuǎn)出面積最大的城市為承德,城鎮(zhèn)用地轉(zhuǎn)出面積最大的城市為唐山。