河南省2000—2020年土地利用時空變化特征及驅動因素分析

張雨蒙，馬 明，林佳佳

(安徽建筑大學建筑與規劃學院，安徽合肥 230601)

經濟社會與生態環境協同發展是一個復雜而艱巨的難題，土地利用變化反映了自然環境和人類活動相互作用后的生態環境變化特征，受到了國內外學者的廣泛關注。土地利用是指人類與土地進行物質、能量和價值、信息的交流、轉換，從中獲得物質產品和服務的經濟活動過程。近年來國內外學者對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、土地利用數據模型構建、土地利用轉型、土地利用演變驅動機制等方面。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 (LUS)的分類，從而代表人類與環境相互作用的特定組合。董寧等開展全球社會經濟和排放情景下的我國土地利用預測研究，構建了基于不同情景下的土地利用變化評估框架。尹登玉等結合山東省土地利用變化，并分析了土地利用對生態系統服務價值的影響；龍花樓等開展了土地利用轉型與鄉村轉型發展的耦合過程及互動機理的研究；陳百明展開對我國土地利用和土地覆被變化的研究并分析了人類驅動力影響因素；呂雙雙等認為影響土地利用功能的因素主要分為自然、交通區位、經濟、社會、生態(環境)、政策6個因素。就目前而言，國內外學者已經針對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、人文經濟、生態學等理論密切相關，而目前的研究缺乏統一的理論指導；關于影響土地利用的人文或者自然因素具有不確定性，大多模型的數據標準無法統一，缺乏可比性；關于土地利用的數據獲取大多來源于遙感技術，其獲取、解譯、處理等方面存在相關誤差。筆者基于河南省2000、2010、2015、2020年土地利用遙感數據，利用ArcGIS 10.2軟件進行空間分析與計算，總結分析研究時間段內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(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，地勢西高東低。河南省屬于大陸性季風氣候(北亞熱帶向暖溫帶過渡)，季節過渡分明、降雨和高溫季節同步，年平均氣溫為10.5～16.7 ℃，氣候適宜多種農作物生長。全省耕地面積居全國第二，達到6 871 000 hm。截至2000年底，河南省共有17個設區的市，21個縣級市(圖1)；常住人口達到9 936萬，常住人口城鎮化率達到54.2%；全省生產總值54 997.07億元，經濟發展態勢良好。

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

2000、2010、2015、2020年的土地利用遙感數據，來源于中國科學院資源環境科學數據中心(http://www.resdc.cn)，精度是1 km×1 km。土地利用分類按照 《土地利用現狀分類標準》(GB/T 21010—2007)的規定，劃分為耕地、林地、草地、水域、建設用地和未利用地6種類型。社會經濟指標等數據來源于2020年河南省政府統計報告、河南省統計年鑒。

單一土地利用動態度。用來對某一時期、某一區域內不同土地利用類型變化的速率及變化幅度指標的描述，通過對數據的進一步分析以預測土地利用變化的趨勢。其計算表達公式如下：

(1)

式(1)中,表示研究時間內某一種土地利用類型的動態度；和分別表示某一種土地類型開始和結束時的面積；是研究時間長度，一般單位設定為年。為了便于數據分析，將持續時間分為3 個階段，即2000—2010、2010—2015和2015—2020年。

土地利用轉移矩陣。用來描述在研究開始時和結束時的土地利用變化結構特征，以及各類土地的具體轉移情況，包括沒有發生變化的、轉入的和轉出的情況，是對某種狀態轉換的定量描述。其計算表達公式如下:

(2)

式(2)中,表示用地面積；表示土地類型數目；、分別表示開始時和結束時的各種土地類型。

土地利用程度綜合指數模型。土地利用程度綜合指數反映了人類對區域土地開發利用的程度﹐是衡量區域土地利用深度和廣度的重要指標。其計算表達公式如下：

(3)

式中，表示土地利用程度綜合指數；表示第級土地利用程度分級指數；表示土地利用程度分級數，根據相關學者研究，賦值分別為未利用地=1、林地、草地和水域=2，耕地=3，建設用地=4；是對應地類的面積比例。

2 結果與分析

2000—2020年河南省的土地利用/土地覆蓋類型主要分為6個一級類型和25個二級類型。利用ArcGIS 10.2軟件對河南省土地利用現狀遙感監測數據進行提取、重分類以及統計分析，結果發現(圖2和表1～2),2000—2020年河南省建設用地、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，共計減少了5 591 km，2015—2020年耕地面積減少了3 536 km，土地利用動態度為-0.66%。

(2)林地面積變化表現為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，土地利用動態度為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個時期中逐漸呈現減少趨勢，且減少速率逐漸加快。

(4)水域面積變化總體呈現增加趨勢，具體表現為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年的土地利用動態度為1.16%。

(5)建設用地面積由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個時期中逐漸呈現增加的趨勢，且增加速率逐漸加快；2015—2020年增加了3 369 km，土地利用動態度為3.61%。

(6)未利用地面積總體呈現減少趨勢，2000—2010年減少了29 km，2010—2015年基本無變化；2015—2020年減少了40 km，土地利用動態度為13.11%。

使用ArcGIS 10.2軟件的空間模塊分析功能對河南省2000—2020年的土地利用/覆蓋數據進行轉移矩陣運算，通過統計分析得到表3。

從轉出角度來看，2000—2020年耕地總轉出面積為23 303 km，主要轉出為草地、林地、建設用地、水域，轉出面積分別為2 536、3 146、15 408、2 210 km，另外有少量面積轉化為未利用地。草地總轉出面積為4 615 km，主要轉向耕地2 652 km、林地1 470 km，另外有301 km轉出到建設用地、189 km轉出到水域。林地共轉出面積為4 577 km，主要轉出為草地和耕地，轉出面積分別為1 403、2 562 km。水域總轉出面積為2 121 km，主要轉出到耕地1 516 km、建設用地305 km。建設用地總轉出面積為11 322 km，大量轉出到耕地，轉出面積為10 920 km。未利用地總轉出面積為86 km，主要轉出到耕地、林地、水域，轉出面積分別為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計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態度Table 2 Single dynamic change degree of land use in Henan Province from 2000 to 2020

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

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

土地利用程度綜合指數可以反映河南省土地利用的集約程度，運用公式(3)計算得到圖3，從圖3可以看出，2000—2020年的土地利用程度綜合指數總體呈現上升的趨勢。其中，2000—2015年土地利用程度綜合指數變化較小，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越高說明土地集約利用程度越高，以上數據的變化表明河南省從2015年以后各城市的建設用地面積開始大幅度擴展，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生的，由于河南省地處中原，地形地勢較為平坦，且大體位于溫帶季風氣候區，自然氣候較為穩定，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經濟活動引起的變化機制。河南土地利用類型變化的驅動因素主要有城鎮化進程、經濟發展、人口增長、政策等。

城鎮化進程。在人類歷史長河中，農業生產作為人們生存的根本，是人類得以生存的根本保證，是其他一切社會經濟活動的基礎。河南省是農業大省，糧食總產量一直位居我國前列，數據顯示河南省糧食總產量近4年均超過650億kg。農業科技的進步和農業投入水平的提高促進了農業的產出效率和產出質量，改變了傳統的土地利用方式。信息、生物等高新技術逐漸應用于農業生產，使得農業產量提升的同時，也進一步釋放了農村地區的勞動力，農村剩余勞動力進入城市，促進了城鎮化水平快速提升。河南省統計年鑒數據顯示，2020年河南省常住人口城鎮化率(54.2%)較2019年城鎮化率(53.2%)相比增長了1百分點。城鎮化率的提高、城鎮化進程的加快促使建設用地的擴張，從而導致建設用地面積增加。

經濟發展因素。經濟的發展與消費水平的不斷提高推動了產業轉型和服務業的蓬勃發展，增加了城市的建設擴張需求，從而進一步推動土地利用類型的變化。近年來，河南省作為我國經濟發展的中堅力量之一，經濟發展呈現穩步上升趨勢，20年內生產總值穩居全國第五名，人均生產總值由2000年的5 450元上升至2019年的56 388元(表4、圖4)。

人口增長因素。人口增長因素也是影響河南省土地利用變化的驅動因素之一。河南省人口數量眾多，第七次全國人口普查數據顯示，河南省常住人口9 936.6萬，占全國人口的7.04%；僅次于廣東省、山東省，位居全國第三，與2010年第六次人口普查相比，增加了534.2萬人，增長了5.68%。從人口結構與土地利用結構來看，河南省2020年城鎮居住人口5 507.9萬(占55.43%)，鄉村居住人口4 428.7萬(占44.57%)；與2010年相比，城鎮人口增多1 885.9萬，鄉村人口減少了1 352.3萬，城鎮人口占比增多16.91%。人口結構的變化使得建設用地增加、耕地和未利用地面積減少，從而導致土地利用變化結構發生變化。

表4 河南省重要經濟指標Table 4 List of important economic indicators in Henan Province

政策因素。從政策上來看，相關政策對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《中華人民共和國土地管理法》的3次修訂(1998、2004、2019年)，結合當地實際情況，制定了實施土地管理法的相關政策法規，為合理利用各種土地類型、科學開發未利用土地提供了方向及相關保護方法。同時，河南為農業大省、國家重要的糧食生產基地，在土地管理中恪守耕地紅線，嚴格保護耕地，因而耕地面積變化較少。而自十八大以來，隨著生態文明理念的貫徹實施，尤其針對自然生態與耕地保護的高標準要求，使得耕地、草地、林地的面積出現一定程度的回增。與此同時，南水北調工程等國家、區域水利工程的修建，也導致全省水體的面積有所增加。

圖4 2000—2019年河南省國民生產總值變化Fig.4 Change of GDP of Henan Province from 2000 to 2019

3 結語

基于2000—2020年河南省土地利用/土地覆蓋遙感數據，對2000、2010、2015、2020 年4個時間節點的土地利用數據進行處理，運用ArcGIS 10.2軟件平臺對20年間土地利用變化數據進行空間分析與計算，總結分析研究時間段內各土地利用類型的變化和影響因素。結果表明，河南省2000—2020年建設用地、水域、林地面積呈現增加趨勢，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在2000—2020年不斷增加，2015—2020年提升程度最為明顯，說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動力因素為城鎮化進程、經濟發展、人口增長和政策。土地利用變化可以反映城市經濟社會的發展與土地利用程度，在短期的變化主要受人類社會活動的影響。對于土地利用時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、模擬預測未來土地利用變化，從而更好地促進土地集約利用、城鄉高質量發展。