安陽市土地利用變化特征及驅動因素分析

王 嚴 孫婷婷 馮鵬宇

(1.河南一目智能科技有限公司,河南 鄭州 450052;2.河南省科學院地理研究所,河南 鄭州 450052;3.淇縣博物館,河南 鶴壁 458000)

0 引言

土地是自然環境給予人類的基礎條件,因此土地利用類型變化(land use and land cover changes,LUCC)與人類生活是緊密相關的,也在一定程度上反映著人類與環境之間的相互作用[1-3]。伴隨著人類社會的逐漸進步,人口數量快速增加以及人類對于精神生活和物質生活要求水平的不斷提高,人地矛盾已成為影響社會可持續發展的重大挑戰[4],因此需不斷關注土地利用類型變化數量及其規律[5-6]?，F今大量學者對土地利用的變化特征及驅動因素進行詳細分析。呂暉等[7]對河南省2011—2016年土地變化特征進行分析,指出需要加強對河南省的土地利用效率并重視環境保護。李一瓊等[8]分析近20年間蘇州市土地利用時空變化特征,揭示城鎮化的快速發展導致農田數量快速減少,并且蘇州土地利用變化具有明顯的向城鎮聚集的特點。喬海燕[9]等對山東省肥城市開展分析,指出肥城市在1994—2017年耕地面積減少最多,水域面積減少最小,同時人為活動也對其土地利用變化造成影響。張家旗[10]分析河南省漯河市近40年的土地變化特征,表明改革開放以來建設用地的增加趨勢最為明顯,并且為實現漯河市可持續發展戰略,需要對土地利用類型進行科學規劃。張雪英[11]通過設計支持向量機(support vector machine,SVM)多分類器提取遼西地區土地利用信息,在此基礎之上選取12個驅動因子,對遼西土地利用的內在機理和外部因素進行分析。趙飛[12]通過解譯Landsat的3期遙感影像數據,總體精度達到92.698%,并在此基礎之上,對黃河三角洲地區土地利用類型進行監測與分析。孫姣姣等[13]、陳麗[14]、韓騰騰等[15]、李嘉琪等[16]、賴小霞等[17]使用遙感(remote sensing,RS)解譯技術和地理信息系統(geographic information system,GIS)空間分析技術,揭示大英縣、銀川市、武漢市、青島市和南昌市的土地利用變化的原因以及驅動因素。

隨著國家對文化產業的不斷重視,近年來安陽市依托文博產業和旅游產業打造出專屬自己的特色產業,不僅帶動了諸多旅游產業,還吸引一大批優秀人才。與此同時,人口和經濟的增加勢必會對土地利用變化產生較大的影響。在此研究背景下,本研究以GlobeLand 30數據為基礎,使用土地利用轉移矩陣、土地利用動態度、標準差橢圓等方法,并結合GIS空間分析技術,探究安陽市近20年來土地利用變化規律及驅動因素,為安陽市土地利用可持續發展提供一定的現實依據。

1 研究區概況和數據

1.1 研究區概況

安陽市位于河南省北部,面積為7 413 km2,轄區內共分為4縣(包括滑縣為直管縣)4區,地勢東高西低,地形包括丘陵、平原和山地等。氣候溫潤,四季分明,雨量充沛,年平均氣溫14.3 ℃,年平均降水量達到556.4 mm。近些年來,因為安陽市大力發展旅游經濟,截至2020年底,安陽市生產總值達到2 692.18億元,人均生產總值達到75 676元,第三產業總值達到1 222.2億元,常住人口數為665萬人,在文旅產業加持之下,安陽市已成為河南省較為具有代表性的地區之一。

1.2 數據來源

從全國地理信息資源目錄服務系統下載的GlobeLand 30數據的2000年、2010年和2020年3期的土地利用類型數據,空間分辨率為30 m,同時根據國家現有土地利用類型的分類標準并結合安陽市自身區域特點,將GlobeLand 30數據進行數據重分類及相關操作,最后確定安陽市的土地利用類型共計為5類,依次為耕地、林地、草地、水域和建設用地。安陽市邊界矢量數據來源于全國地理信息資源目錄服務系統。安陽市國民生產總值(萬元)、第二產業(萬元)、第三產業(萬元)、總人口(萬人)、城鎮化率(%)來自安陽市統計年鑒(2021年),由安陽市人民政府網站獲得(https://www.anyang.gov.cn/2022/02-08/2317010.html)。

2 研究方法

2.1 土地利用轉移矩陣

土地利用轉移矩陣由馬爾科夫提出的一種表達事物在自然界客觀轉移規律的數學方法,可以描述不同類型在選定時間內在數量、方向上的變化情況,包括在不同時期各個土地利用類型的轉入數量和轉出數量,及其轉移的比率。因為其在面積分析之上具有優勢,因此被廣泛應用于在對土地利用類型的轉化上,其數學表達式為(1)。

(1)

其中,P表示土地類型的面積;i表示研究區開始時期的土地利用類型;j表示研究區結束時期土地利用類型。

2.2 土地利用動態度

土地利用動態度反映的是土地利用類型在一定時間內變化快速的一種指標,動態度越大表示在此時間內土地類型的變化速率越快,反之動態度越小變化速率越小,其數學表達式為(2)。

(2)

其中,T表示動態度;Ua為研究區內初期的土地利用類型面積;Ub為研究區內末期的土地利用類型面積;A表示研究區內特定時間段。

2.3 標準差橢圓

標準差橢圓是由Lefever提出的,它能通過對土地利用類型分析,判斷出土地利用類型在某個時間段的方向及其集中/離散的趨勢,并進行可視化的表達,使數據更加清晰可觀,易于理解[18]。

3 結果分析與討論

3.1 土地利用類型在空間和數量上的變化

從空間分布來看(圖1),安陽市在2000—2020年土地利用類型為耕地、林地、草地、水域和建設用地,主要以耕地為主,占研究區總面積的69.32%～76.10%。從2000、2010和2020年這三個時間段來看,建設用地面積變化的趨勢最為明顯,主要分布在殷都區、龍安區、北關區、文峰區,湯陰縣中部、內黃縣的東部和滑縣的西部,這些地方因為地處安陽市中心地區,人員流動較大,經濟較為發達,因此建設用地的增加較為明顯。建設用地的增加勢必會引起安陽市耕地面積的減少,耕地減少區域與建設用地增加區域形成相互呼應。

圖1 安陽市2000—2020年土地利用類型空間分布

從數量結構上看(表1),2000—2020年耕地面積減少面積為496.76 km2,占比也由76.10%減少至69.32%;建設用地面積增加面積為463.15 km2,占比也由10.03%增加至16.35%;草地面積增加面積為31.165 km2,占比也由4.90%增加至5.32%;水域面積增加面積為12.98 km2,占比也由0.12%增加至0.29%;林地面積減少面積為10.53 km2,占比也由8.86%減少至8.72%。但從整體趨勢來看,2000—2020年之間,安陽市土地利用類型的面積和占比一直都是耕地>建設用地>林地>草地>水域,雖說面積上有浮動,但整體還是趨于穩定狀態。

表1 安陽市2000—2020年土地利用類型及占比

表2 安陽市2000—2020年土地利用變化動態度

3.2 土地利用變化動態度

為直觀看出安陽市在2000—2020年每個類型的變化情況,將其分為三個時間段,即2000—2010年,2010—2020年和2000—2020年。2000—2010年間,動態度變化較大的分別為建設用地的0.694和林地的0.122,2010—2020年間,動態度變化較大的分別為水域的15.540和建設用地的5.241。2010—2020年間的動態度顯著高于2000—2010年的動態度,表明在2010—2020年土地利用變化幅度更為劇烈。從20年區間來看,動態度變化較大的分別為水域7.619和建設用地3.149。特別是水域動態度高達15.540,而建設用地動態度也能達到7.619,因此,可以得出結論,建設用地和水域在2000—2020年變化趨勢最為明顯,耕地、林地和草地雖然面積也有變化,但是趨勢較為平緩。

3.3 土地利用轉移矩陣

為了能更加清晰明了地了解安陽市2000—2020年土地利用類型的轉入面積和轉出面積,將其分為2個區間,即2000—2010年和2010—2020年,通過對其土地利用轉移矩陣進行分析。

從表3看,2000—2010年間,草地面積減少19.19 km2,增加15.90 km2,凈減少3.29 km2;耕地面積減少130.55 km2,增加74.65 km2,凈減少55.90 km2;建設用地面積減少65.12 km2,增加116.10km2,凈增加50.98 km2;林地面積減少12.72 km2,增加21.00 km2,凈增加8.28 km2;水域面積減少3.53 km2,增加3.45 km2,凈減少0.08 km2。從凈增加或者減少面積來比較,面積排序為耕地>建設用地>林地>草地>水域。

表3 安陽市2000—2010年土地利用轉移矩陣

從表4看,2010—2020年間,草地面積減少68.73 km2,增加103.14 km2,凈增加34.41 km2;耕地面積減少540.96 km2,增加99.89 km2,凈減少441.07 km2;建設用地面積減少52.87 km2,增加464.97 km2,凈增加412.10 km2;林地面積減少78.82 km2,增加60.30 km2,凈減少18.52 km2;水域面積減少1.48 km2,增加14.55 km2,凈增加13.07 km2。從凈增加或者減少面積來比較,面積排序為耕地>建設用地>草地>林地>水域。

表4 安陽市2010—2020年土地利用轉移矩陣

對比分析之后,發現除了草地面積和林地面積排序略有浮動之外,安陽市2000—2020年土地利用類型排序大致是一致的,這與前面土地利用類型在空間上變化是相同的,這也表明這是土地利用類型兩種不同的表現形式。

3.4 土地利用空間方向特征分析

為了進一步分析安陽市2000—2020年土地利用類型在空間上的特征,使用ArcGIS空間分析工具分別計算2000、2010和2020年的標準差橢圓空間分布圖(圖2)及其對應橢圓參數(表5)。橢圓對應參數有其代表的含義,長半軸代表土地利用類型在空間上的分布方向,短半軸代表土地利用類型在空間上的分布范圍。

表5 安陽市2000—2020年標準差橢圓參數

圖2 安陽市2000—2020年土地利用類型標準差橢圓分布圖

對2000、2010和2020年標準差橢圓分析后可知(表5),周長由2000年137.81 km減少到2010年135.45 km,最后至2020年134.71 km,面積由2000年3 820.26 km2減少到2010年3 025.16 km2,最后至2020年2 382.47 km2,都是呈現逐漸減少的趨勢,表明在2000—2020年土地利用類型的空間分布是逐漸集聚。2000年長短軸之間差值為33.30 km,2010年長短軸之間差值為30.42 km,2020年長短軸之間差值為31.05 km。2000年長短軸小于2010年長短軸的差值,表明在2000—2010年,相較于2000年,2010年土地利用類型的變化范圍更大。2010年長短軸小于2020年長短軸的差值,表明在2010—2020年間,相較于2020年,2010年土地利用類型的變化范圍更大。同時,方位角也從2000年的114.64°減少至2010年的114.42°,最后至2020年的114.40°,扁率也由2000年的9.43增加至2010年的11.06,最后至2020年的14.03,方位角的減少和扁率的增加也意味著隨著時間的推移,土地利用類型在空間上呈現逐漸擴張的趨勢,同時整體上表現出從東北向西南方向集中分布的特征。

3.5 土地利用變化驅動因素分析

土地利用變化很大程度上與人們生活是息息相關的,不僅僅要分析數據直觀的變化,更要分析影響土地利用變化的深層次的原因。選取安陽市自2000—2020年20年間的相關數據,分析其引起土地利用變化的內在驅動因素。

3.5.1政策因素

《安陽市“十二五”旅游產業發展規劃》的出臺,將重點放在旅游產業,紅旗渠、安陽殷墟等一大批國家知名旅游景點,促進產業不斷升級的過程中也在影響著安陽市土地利用結構的調整。

3.5.2人口因素

自2000—2020年,安陽市總人口由2000年的518.66萬人增加到2020年的547.63萬人,城鎮化率由2000年的22.56%增加到2020年的53.04%。人口因素以及城鎮化率的不斷增加,必然會引起人地關系之間的矛盾,在人口不斷增加的情況下,人們對于衣、食、住、行的要求不斷提升,對住房、學校、交通、醫院、周邊大型超市等一系列需要增加,城鎮用地的擴張以及耕地面積的減少也就在情理之中,人口因素是導致土地利用變化的重要原因之一。

3.5.3經濟因素

自2000—2020年,安陽市的國內生產總值由2000年的2 522 165萬元增加到2020年的23 004 759萬元,約為2000年的9倍,呈現幾何倍數的爆發式增加。同時,第二產業由2000年的1 158 648萬元增加到2020年的10 082 842萬元,約為2000年的8.7倍;第三產業由2000年的831 346萬元增加到2020年的10 529 138萬元,約為2000年的12.6倍。第二、第三產業的快速發展也導致安陽市文博產業、建筑行業的不斷發展,建設用地的規模不斷地擴大。

4 結論

以GlobeLand 30數據集為基礎數據,采用ArcGIS空間分析技術,構建安陽市2000—2010年和2010—2020年的土地利用轉移矩陣,定量分析安陽市2000—2020年間土地利用類型的轉移特征,同時與土地利用動態度、標準差橢圓等方法相結合,探究安陽市在2000—2020年在空間和時間上土地利用類型的變化規律。結論如下:

(1)土地利用類型在空間上來看,安陽市主要以耕地為主,占研究區總面積的69.32%—76.10%。建設用地和耕地面積變化的趨勢最是明顯。從數量上來看,2000—2020年之間,安陽市土地利用類型的面積和占比一直都是耕地>建設用地>林地>草地>水域,雖說面積上有浮動,但整體還是趨于穩定狀態。

(2)從土地利用變化動態度來看,在研究時間中,動態度變化較大的分別為水域的7.619和建設用地的3.149。特別是水域動態度高達15.540,而建設用地動態度也能達到7.619,可以得出結論,建設用地和水域在2000—2020年變化趨勢最為明顯,耕地、林地和草地雖然面積也有變化,但是趨勢較為平緩。

(3)從2000—2010年和2010—2020年的兩期土地利用轉移矩陣來看,2000—2010年,草地面積凈減少3.29 km2,耕地面積凈減少55.90 km2,建設用地面積凈增加50.98 km2;林地面積凈增加8.28 km2;水域面積凈減少0.08 km2。2010—2020年,草地面積凈增加34.41 km2,耕地面積凈減少441.07 km2,建設用地面積凈增加412.10 km2,林地面積凈減少18.52 km2,水域面積凈增加13.07 km2。除了草地面積和林地面積排序略有浮動之外,安陽市2000—2020年土地利用類型的排序大致是一致的,這與前面土地利用類型在空間上的變化是相同的。

(4)從土地利用空間方向特征分析來看,2000年、2010年和2020年周長和面積依次減小,表明在2000—2020年土地利用類型的空間分布是逐漸集聚的。2000年、2020年長短軸之間的差值小于2010年長短軸之間的差值,數據表明相較于2000年和2020年,2010年土地利用類型的變化范圍更大。方位角的減少和扁率的增加也意味著隨著時間的推移,土地利用類型在空間上呈現逐漸擴張的趨勢,同時整體上表現出從東北向西南方向集中分布的跡象。

(5)從2000—2020年安陽市統計年鑒數據可知,人口的快速增加及其對生活品質的要求是造成安陽市人地關系矛盾的重要原因之一。同時,經濟的顯著增加和政策的頒布也在一定程度上影響著安陽市土地利用的結構的調整。

安陽市作為河南地區文博產業和旅游產業的帶頭人之一,一方面要全力保障旅游和文博行業的發展,一方面又要避免因為過度開發對土地利用類型造成不良影響,兼顧兩頭,不斷在發展中及時調整,促進土地利用的可持續發展。本研究雖涉及人口和經濟對安陽市土地變化的影響,但浮于文字表面,未對收集到的可靠數據進行科學分析,這將是下一步研究重點。