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.山東省煤田地質局物探測量隊,山東 濟南 250104;2.中國礦業大學,江蘇 徐州 221116)

0 引言

土地利用變化是人類活動與自然環境相互影響、相互作用最直接的表現形式,與人類經濟社會活動的活躍程度密切相關[1-2]。當前,我國處于城市化、工業化高速發展階段,人類社會經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],如何平衡社會經濟快速增長與有限土地資源之間的關系是當前面臨的重要問題之一[8-11],分析區域土地利用變化特征及預測其未來發展趨勢,對區域合理利用土地資源、優化土地資源利用結構,促進社會經濟良性發展具有重要意義。當前,國內外學者利用土地利用變化動態指數、土地利用綜合程度指數、土地利用轉移矩陣、地理探測器等方法對土地利用時空演變特征及驅動機制做了大量研究[12-16],同時,GIS技術的發展為監測和分析土地利用時空變化提供了重要的技術手段[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。當前,商河縣社會經濟發展處于從“高速”向“高質量”轉型的階段,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、優化土地利用格局和促進社會經濟高質量發展提供理論參考和決策依據。

1 研究區概況

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,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,年日照時數為2737.4h。四季分明,季風特征明顯。春季干旱、風多、回暖迅速,蒸發量大;夏季濕熱、雨量集中、受海上副熱帶高壓影響,盛行偏南風;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。

2 數據來源與研究方法

2.1 數據來源

研究采用的數據包括兩類,分別為土地利用數據和研究時段的社會經濟統計數據。土地利用數據來源于濟南市2011年、2014年、2017年和2020年土地變更調查數據,利用ArcGIS 10.2將土地利用類型規整為耕地、林地、草地、水體、建設用地和未利用地6類(圖2)。人口(萬人)、國內生產總值GDP(億元)、固定資產投資(億元)、房地產開發投資(億元)4項社會經濟統計數據來源于《濟南市商河縣國民經濟和社會發展統計公報》和《濟南市統計年鑒》。

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 綜合土地利用動態度指數

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

(1)

式中:LC為綜合土地利用動態度(%);LUi為研究初期第i類土地面積(hm2);LUi-j為研究時段內第i類土地轉為非i類土地面積(hm2)的絕對值;T為研究時段,當T設定為年時,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模型

劉紀遠等學者以西藏自治區為例,對土地利用程度進行數量化表達,給出了土地利用程度的計算公式[21-22]。此后,很多學者采用此方法,將理想狀態的土地利用綜合體分為4種,分別對這4種土地利用狀態賦予其本身類別的值。土地利用程度一方面是土地開發利用深度和廣度的體現,另一方面也是人口、社會和經濟等影響因素共同推動土地利用發生變化后的綜合體現,可用土地利用程度綜合指數模型來表示,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;Ai為第i級土地利用程度分級指數;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,土地利用程度變化是多種土地利用類型變化的結果,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,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;Lb為b時段土地利用程度綜合指數;Ai為第i級土地利用程度分級指數;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展期,△Lb-a<0,表示土地利用處于調整或衰退期。

2.2.3 土地利用變化轉移矩陣

土地利用變化轉移矩陣是馬爾科夫模型(Markov Model)在土地利用變化方面的應用,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化情況和轉移速率[23-24],具體的數學形式如式(5)。

(5)

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

3 結果與分析

3.1 土地利用數量變化分析

利用ArcGIS10.2統計功能,在空間數據庫中統計商河縣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、建設用地、水體、林地、未利用地、草地。耕地面積總體呈現減少趨勢,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年呈現遞減趨勢,變化幅度較小,2017—2020年呈現明顯增長趨勢;水體面積呈現遞減趨勢,從2011年的102.8494km2減少到2020年的99.4471km2,累積減少3.4023km2;建設用地面積2011—2017年呈現遞增趨勢,2017—2020年面積略有減少;未利用地面積呈現遞減趨勢,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 土地利用變化動態度分析

根據商河縣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度,并繪制土地利用動態度如圖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度均為負值,且數值較小,說明2011—2017年間商河縣林地、草地面積在持續、緩慢減少。2017—2020年,林地、草地的單一土地利用動態度分別為71.3117%、10.9922%,均呈現急速增長的趨勢,與商河縣地方政府踐行綠色發展、退耕還林還草等政策有很大關系。水體的單一土地利用動態度均為負值,分別為-0.0436%、-0.2386%和-0.8278%,說明水體一直處于減少的狀態,且減少的速率逐年增加。建設用地在2011—2014年和2014—2017年的單一土地利用動態度分別為0.2607%和1.0490%,2011—2017年間,商河縣建設用地持續增加,且在2014—2017年增長速率最快,說明在該時段內城市發展快速,擴張明顯,大量土地被開發利用。2017—2020年,單一土地利用動態度為-0.7266%,說明商河縣在該時段內放緩了城市擴張的腳步,更加注重可持續、高質量的城市建設。未利用地在2011—2014年、2014—2017年和2017—2020年的單一土地利用動態度均為負值,分別為-2.1650%、-1.3733%和-32.9893%,未利用地面積呈現逐年減少趨勢,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強度持續增加。

3.3 土地利用程度變化分析

根據商河縣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呈現穩步遞增趨勢,2017—2020年土地利用程度指數有所降低。2011—2017年間,商河縣城市化快速推進,經濟發展速度加速,土地利用程度加深,土地利用效率穩步提升,土地利用的深度和廣度逐步增強;2017—2020年間,由于綠色、高質量發展理念和退耕還林等政策實施影響,耕地面積大幅減少,建設用地也呈現減少趨勢,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,即城市發展和自然環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商河縣土地利用處于發展期,經濟社會發展加速,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,說明這個時間段內商河縣土地利用處于調整期,結合前文對商河縣土地利用程度綜合指數的分析可知,2017—2020年,踐行綠色、高質量發展理念,商河縣經濟社會發展速度有所減緩,耕地和建設用地面積減少,降低了人類活動對土地的利用程度。

3.4 土地利用變化轉移分析

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

表2 2011—2014年商河縣土地利用變化轉移矩陣

表3 2014—2017年商河縣土地利用變化轉移矩陣

表4 2017—2020年商河縣土地利用變化轉移矩陣

2011—2014年,相較于其他4個土地利用類型,耕地和建設用地的土地流向更為復雜。2011—2014年,耕地因為城鎮建設、生態退耕、農田水利建設和水產養殖等原因轉移為建設用地2.4297km2、林地0.1536km2、水體0.7700km2,轉移為建設用地的面積占轉移總面積的72.46%。建設用地主要轉移為耕地、林地、水體和未利用地,轉移為耕地2.5328km2,占轉移總面積的98.22%。草地、林地、水體和未利用地均轉移為耕地和建設用地,且轉移面積較小。相較于2011—2014年,2014—2017年各類土地之間的轉移更為簡單。2014—2017年,耕地轉移的土地利用類型仍是建設用地、林地和水體,其中,轉移為建設用地的面積占轉移總面積的97.85%。建設用地全部轉移為耕地。草地、林地和未利用地轉移情況與2011—2014年相似,均轉移為耕地和建設用地,且轉移面積較小。水體轉移為耕地、建設用地和林地,轉移為建設用地的面積占轉移總面積的84.09%。2017—2020年,土地流向很復雜,各類土地利用類型之間基本呈現出雙向轉移現象。2017—2020年,草地主要轉移為耕地和林地,轉移為耕地和林地的面積占轉移總面積的73.11%。耕地主要轉移為建設用地、林地和水體,轉移為建設用地、林地和水體的面積占轉移總面積的99.55%。建設用地主要轉移為耕地、林地和水體,轉移為耕地、林地和水體的面積占轉移總面積的92.65%。林地主要轉移為耕地,轉移為耕地的面積占轉移總面積的77.05%。水體主要轉移為耕地和林地,轉移為耕地和林地的面積占轉移總面積的85.95%。未利用地主要轉移為耕地,轉移為耕地的面積占轉移總面積的66.62%,商河縣的未利用地由于轉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濟因素的影響,有關驅動力的研究結果表明,在短時期內,作用于土地利用變化的驅動因素主要為人類的社會經濟活動[25]。結合商河縣2011年、2014年、2017年和2020年人口(萬人)、國內生產總值GDP(億元)、固定資產投資(億元)、房地產開發投資(億元)等社會經濟數據、相關政策等對商河縣近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)、國內生產總值GDP(億元)、固定資產投資(億元)、房地產開發投資(億元)等4個社會經濟指標,定量分析了兩者的關聯關系。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,固定資產投資從44.54億元增加到178.80億元,這兩個經濟因子均呈現逐年遞增趨勢。房地產開發投資從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年商河縣社會經濟發展迅速,對工礦用地、交通運輸用地、水利設施用地、住宅用地、商業用地等建設用地的需求不斷增加,必然導致其他類型土地利用面積的減少。2017—2020年,商河縣社會經濟發展速度放緩,加之近年來國家大力倡導“生態文明建設”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環境保護、退耕還林措施,對建設用地需求相對減少,林地、草地等用地面積有所增加?？梢?社會經濟發展和相關政策實施對土地利用變化均起到主導作用。

4 結論

(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展、退耕還林還草等政策有很大關系;建設用地面積先增長后緩慢減少,2017—2020年,建設用地單一土地利用動態度為-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、高質量的城市建設。

(2)2011—2017年,商河縣土地利用處于發展期,經濟社會發展加速,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,土地利用處于調整期,經濟社會發展速度有所減緩,耕地和建設用地面積減少,人類活動對土地的利用程度降低。研究期內,土地利用程度綜合指數均在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,土地轉移主要表現為耕地和建設用地之間的流轉,2011—2014年,耕地轉移為建設用地、建設用地轉移為耕地的面積占轉移總面積的72.46%、98.22%;2014—2017年,耕地轉移為建設用地、建設用地轉移為耕地的面積占轉移總面積的97.85%、100.00%。2017—2020年,6個土地利用類型之間基本呈現出雙向轉移現象。

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