近20年陜西省土地利用時空格局分析

張 陽

（長安大學土地工程學院，陜西 西安 710054）

0 引言

土地是人類賴以生存的基本物質資源，是人類進行生產、生活的重要載體，一定程度上反映著區域人類活動的強度［1］。土地利用的實質是人類為滿足社會經濟生產發展的需要而對地表形態進行開發利用的活動過程［2］。在過去的幾十年里，由于快速城鎮化的驅動，土地利用方式在深度與廣度上呈現出劇烈改變，直接或間接影響著區域人地關系的演變［3］。大量研究表明，土地利用變化會對碳儲量、水文徑流、區域降雨等自然生態系統產生影響［4-5］。因此，作為反映自然生態過程與人類社會發展建設活動相互作用的橋梁，區域用地格局演變成為社會-經濟-生態發展在空間上的投影，研究區域土地利用時空變化格局有利于掌握自然生態系統與人類社會系統相互機制，對于理解區域人地關系演化至關重要，有利于減少土地不合理利用帶來的消極影響，促進土地資源合理利用，受到了學術界和實踐者的高度重視［6-7］。因此，本研究基于2000、2010、2020三期土地利用數據，從數量變化、方向變化、重心變化三個角度試圖揭示陜西省土地利用時空變化特征，以期為國土空間優化布局與人地關系協調發展提供科學參考。

1 研究區概況與數據來源

1.1 研究區概況

陜西省坐落于我國西北內陸腹地（位于105°29＇E~111°15＇E和31°42＇N~39°35＇N之間），是連接中國東、中部地區和西北、西南樞紐，屬于東南濕潤地區到西北干旱地區的過渡帶。全省共轄10個市，107個縣，各地年平均氣溫在7~16℃左右，年降水量400~900 mm，氣溫和降水空間分布均呈現出由南向北依次降低的特征。地勢南北高、中間低，從南向北橫跨陜南秦巴山地、關中平原、陜北黃土高原等3個地貌單元。

1.2 數據來源

本研究土地利用數據來自中國科學院空天信息創新研究院全球30 m地表覆蓋精細分類產品（GLC_FCS30~1985_2020）V1.0［8］，共包含29個地表覆蓋類型，本研究為更準確地揭示不同地類形態的空間分異特征，將土地利用類型歸并為耕地、林地、草地、水域、建設用地、其他用地，分類原則見表1。

表1 土地利用類型分類規則

2 研究方法

本研究通過計算土地利用轉移矩陣、土地利用綜合變化率、土地利用重心遷移規律來表征陜西省2000—2020年土地利用時空變化特征，主要研究方法如下。

2.1 土地利用轉移矩陣

土地利用轉移矩陣不僅能夠反映土地利用的結構特征，同時還能反映各地類類型之間的轉化程度和方向，從而揭示土地利用格局的時空演變過程［9］。其數學表達式為式（1）。

式中：Sij表示土地利用類型i轉換為土地利用類型j的面積。n為土地利用的類型。

2.2 綜合土地利用動態率

綜合土地利用動態率與傳統土地利用動態度測算方法不同的是在測算動態度時它綜合考慮了不同地類的轉移與新增這一對互為相逆的變化過程，能夠更精準的反映土地利用變化綜合活躍程度［10］，計算公式為式（2）至式（4）。

式中：T RL i為轉移速率，I RL i為新增速率，B B L i表示特定時間內某一種地類的綜合土地利用動態率；分別為i地類在初期和末期的面積，ULAi為i地類未變化部分的面積。

2.3 重心遷移模型

重心遷移模型可以有效反映不同土地利用類型在特定時間內的空間演變過程。其計算公式為［11］式（5）和式（6）。

式中：X和Y分別表示特定區域內某種土地利用類型重心空間坐標，Xi和Yi分別表示特定土地利用類型的經度和維度坐標，Tti和n分別表示某種土地利用類型的第i個斑塊的面積和該土地利用類型的斑塊數量。

3 結果與分析

3.1 陜西省土地利用時空變化總體特征

2000年以來陜西省土地利用格局發生了較為明顯的變化，變化總面積達11 815.9 km2，占陜西省總面積的5.75%，主要變化的用地類型包括耕地、林地、草地、建設用地，且發生變化的區域有所縮小。相較于2000年，2020年陜西省耕地面積減少了3 212.70 km2（5.98%），林地面積增加了1 919.57 km2（2.02%），草地面積增加了854.47 km2（1.74%），建設用地增加了2 887.79 km2（113.25%）。

從時間上來看，在快速城鎮化、退耕還林還草及“十三五”以來嚴格的耕地保護制度等多重因素影響下，陜西省耕地面積總體上表現為持續減少，但降幅變緩逐漸變緩（見表2），2000—2020年以2010年為節點先后減少2 080.69 km2和1 132.01 km2。2000—2010年耕地主要流向林草地（71.85%），轉出面積達2 731.85 km2，其次為建設用地（24.17%），轉出面積達919.05 km2。轉入地類主要為草地和未利用地（93.52%），共計1 609.79 km2。2010—2020年耕地轉為建設用地面積為1 632.14 km2（54.55%），轉為林草地面積為1 181.82 km2（39.50%），草地為該階段主要轉入類型，面積為1 452.26 km2（78.09%）。林地總體上表現為面積持續增加，增幅變緩的特點，2000—2020年間以2010年為節點先后增加1 427.7 km2和491.87 km2。主要來源地類為耕地和草地，其中耕地貢獻占比58.65%和40.73%、草地貢獻占比39.82%和64.00%。建設用地擴張速度不斷加快，其間先后增加1 036.23 km2和1 851.56 km2，年均增長率由3.46%上升到4.25%，表明陜西省城鎮化進程加快，發展程度進一步提升。

從空間上來看，關中平原地區快速的城鎮化進程依托于建設用地占用大量優質耕地，耕地和建設用地作為區域主導的地類變化類型（見表2），占區域變化面積的80%以上，研究期內耕地減少了908.98 km2和1 265.88 km2，建設用地增加了767.40 km2和1 209.82 km2，耕地向建設用地的轉移分別占到了81.56%和91.96%。陜北地區土地利用變化以耕地與林草地之間的互換為主，未利用地的開墾次之。研究期內，陜北地區受制于前一階段的退耕還林還草工程和后一階段大量的占補平衡項目配置，耕地面積先減少626.7 km2后增加672.3 km2，林地面積先后增加838.92 km2和380.61 km2。陜南地區地處秦嶺大巴山山脈，是我國重要的生態屏障，開發水平有限，面對生態保護經濟發展的雙重壓力，土地利用變化活躍度較低，總體上表現為耕地面積不斷減少，建設用地面積快速增加的趨勢。

表2 陜西省主要用地類型轉移面積單位：km2

3.2 綜合土地利用動態率

本研究通過計算綜合土地利用動態率來表征區域土地利用類型間轉換的活躍程度，結果如表3所示?？梢园l現在所有地類中，綜合土地利用動態率最高的為建設用地，最低的為林地。其中，耕地的轉移面積和轉移速度最大，轉移率是同期新增率的2倍左右，屬于高速衰減土地利用類型，轉移面積占所有土地利用類型總轉移面積的46.83%，且轉移速度也遠遠高于新增速度，說明耕地是人類進行開發等活動的重要載體，但由于耕地初期面積較大，導致其轉移速率并不為最高。得益于退耕還林工程，林地新增速率是同期轉移速率的6倍，新增速度是同期轉移速度的6.6倍，凈面積不斷增長，增加勢頭較為迅猛。草地屬于微擴張土地利用類型，其轉移速率與轉移速度均大于同期的新增速率與新增速度，凈面積少量增長。建設用地的新增速度快，新增面積和份額大，雖建設用地短時間內轉移難以發生，但其新增速率遠大于同期其他土地利用類型的轉移速率，屬典型的高速擴張地類。2000—2020年，建設用地新增速率為5.66%，是同期其他土地利用類型的2.11～47.12倍，表明建設用地是其他土地類型轉移部分的主要去向。水域與其他用地同為陜西省為“敏感”的地類，雖然二者占地面積較少，但2000—2020年，水域與其他用地的綜合變化率為2.96%與3.81%，僅次于同期建設用地，其中水域屬于轉換增加型地類，其他用地屬于轉換減少型地類。

表3 陜西省2000—2020年土地利用綜合變化率

3.3 土地利用重心遷移規律

通過計算土地利用重心遷移，可以一定程度上反映人類活動強度的變化，由圖1可知，陜西省不同土地類型整體上都表現不斷向北方移動的趨勢。具體來看，2000—2020年耕地、建設用地遷移方向互動最為強烈，大致呈“L”型。其中耕地重心在2000—2010年間向西北偏移，2010以后重心開始轉向東北方向，2010—2020年遷移幅度最大；建設用地重心由向東北方向偏移轉向西北方向，2000—2010年與2010—2020年遷移幅度趨于一致；2000—2010年其他用地的重心向東北遷移，遷移幅度較大，2010—2020年其他用地的重心開始向東南方向遷移，偏移幅度較小。研究期內，林地、草地與水域的遷移方向表現出耕地、建設用地、其他用地不同的特點，其重心遷移的方向幾乎不變，呈現出直線遷移的特征。其中，林地與水域重心不斷向東北遷移，林地2000—2010年遷移幅度大于2010—2020年；水域兩階段的遷移幅度呈現幾乎不變的特點；草地重心持續向西北方向遷移，2000—2010年的遷移幅度遠大于2010—2020年的遷移幅度。

圖1 2000—2020年陜西省特定地類重心轉移方向

4 結論

本研究基于2000、2010、2020年三期土地利用數據，以陜西省為例，從數量變化、方向變化、空間變化三個方面分析了2000—2020年土地利用變化時空演變特征，得出以下結論。

①研究期內，陜西省主要變化地類為耕地、林地、草地、建設用地?？v向上，耕地凈面積持續下降，主要流向與新增面積來源均主要為草地與建設用地；林地面積與建設用地持續增長，主要來源為耕地和草地，建設用地面積的增加主要得益于耕地的轉入。橫向上，關中平原快速城鎮化侵占大量優質耕地，陜北地區以耕地與林草地之間的互換為主，未利用地的開墾次之。陜南地區土地利用變化活躍度較低，耕地面積持續減少，建設用地面積快速增加。

②2000—2020年，陜西省不同土地利用類型間轉換顯著，耕地屬于高速衰減土地利用類型。建設用地屬于典型的高速擴張土地利用類型。水域與其他用地綜合土地利用率遠大于其他土地利用類型，是研究區域內較為“敏感”的用地類型。

③2000—2020年，陜西省不同土地利用類型的重心遷移軌跡表現出明顯的方向性。關中平原耕地面積不斷減少，重心向西北遷移。林地、草地、水域等生態用地呈現直線型遷移特征，重心不斷向北。建設用地重心的遷移方向說明社會經濟發展逐漸向北方活躍。