丹江口市2010-2020年土地利用時空動態變化分析

孫佩　易潔偉　周凌云　尹偉　張馳　康全國　袁知洋

摘 要：【目的】基于國土變更調查數據，分析丹江口市2010-2020年土地利用時空動態變化過程?！痉椒ā恳?010年、2015年、2020年三個時期的國土變更調查成果為數據源，采用ArcGIS軟件計算土地利用動態度變化指標，分析丹江口市土地利用時空動態變化過程?！窘Y果】實驗結果表明：2010-2020年期間農用地的變化表現在耕地和草地面積的減少，總面積減少944hm2，分布重心整體呈現出向西南方向遷移的特征；建設用地總面積增加2882hm2，建設用地重心向西南方向遷移；未利用地面積持續減少且減少幅度不斷增加，減少面積達1938hm2，變化重心向東南方向遷移?！窘Y論】研究結果可以為研究區域的國土資源管理和開發利用、城鎮化的建設、開發環境保護等提供一定的科學依據。

關鍵詞：丹江口市；土地利用；時空變化；轉移矩陣；重心方向分布

1 引言

土地利用是一種社會動態的概念，是在人體活動和自然界共同影響下的綜合活動[1]。土地利用程度、利用狀況的分析為土地開發利用的廣度和深度指明了方向[2]。通過對土地利用的時空動態研究分析，可為預測未來土地利用的發展趨勢提供基礎[3]，對促進區域土地資源、經濟社會、環境的平衡可持續發展提供重要的戰略意義和應用價值[3-6]。大量學者從不同角度探索了土地利用變化狀況，如劉紀遠、李小根等對土地利用的時空演變特征及成因的分析[7-8]，楊麗萍、馬彩虹、傅加儀等在土地利用格局及驅動機制的研究[9-11]，羅開盛、郭玉靜等對土地利用變化趨勢的分析等等[12-13]。很多學者在構建不同模型的基礎上對土地利用結構的變化、土地利用情景的模擬等也有深入的研究[14-16]。此外，在土地利用變化對生態系統服務價值的影響[17-18]、基于土地利用變化的景觀生態風險評價[19-21]、三生空間等方面的學術研究也層出不窮[22]，并取得一定成果。隨著經濟迅速發展，土地利用類型的變化也愈發對生態環境及社會發展產生深遠的影響。在已有研究成果中，大部分成果主要是通過遙感影像解譯的方式獲取土地利用數據[23]，該方法受到遙感影像的分辨率以及來源的限制，導致土地利用數據精度難以保證。本文采用計算機技術與野外實地調查和人工處理相結合的方式獲取精度高的國土變更調查數據，對土地利用的時空動態變化做出深入分析。

丹江口市既是我國南水北調中線工程核心水源區[24]，又坐擁國家5A級風景名勝區武當山以及國家級風景名勝區——丹江口水庫風景區[8]，通過動態性、連續性的土地利用數據分析能夠比較全面地反映研究區的土地利用變化的歷史演變狀況[4]。對該區域土地利用時間與空間動態變化的深入研究，可為研究區的國土資源管理和開發利用、城市化的發展等提供相應的科學依據，能夠更好地協調經濟、生態與土地利用三者之間的發展關系，兼顧三者的預期目標，統籌調度用地規模[2]。

2 數據來源及研究方法

丹江口市位于湖北省西北部，漢江中上游，東經110°47′53″-110°34′47″，北緯32°14′10″-32°58′10″之間，國土總面積為3121 km2，地勢高低懸殊，地貌單元眾多。氣候以亞熱帶半濕潤季風氣候區為主，年降雨量豐富，年平均氣溫15.9℃，以黃棕壤和黃壤為主[17]?？側丝诩s47萬。

2.1 數據來源及處理

土地利用數據主要來源于自然資源局提供的2010年、2015年以及2020年度國土變更調查數據，該數據經過了多次野外實地調查舉證以及地方自檢和國家質檢軟件，精度優于傳統的遙感解譯方式，能夠更真實地反映各種土地利用類型的變化情況。根據丹江口市的實際土地利用情況，本文在《土地利用現狀分類》國家標準（GB /T 21010—2017）[25]的基礎上對所獲取的數據進行了重新分類整理，主要分為耕地、林地、草地、建設用地、水域、未利用地和其他土地（主要是設施農用地）7 個一級地類[18]。

2.2 研究方法

2.2.1 土地利用動態變化的衡量

土地利用轉移矩陣是馬爾科夫模型在土地利用變化方面的應用[8，26]。基于Arcgis平臺，利用轉移矩陣分析各種土地利用類型之間的流向，通過對面積變化分析，更清晰地展示各種土地利用類型之間的轉移量以及概率[4]，計算公式為：

式中：S-土地利用面積，i-研究初期土地利用類型，j-研究末期的土地利用類型，Sij-研究期內第i類向第j類轉化的面積，m-土地利用類型數[27]。

2.2.2 方向分布的計算

也稱為Lefevers “Standard DeviationalEllipse”（利菲弗方向性分布），該算法在1926年最早由美國南加州大學社會學教授韋爾蒂·利菲弗（D.WeltyLefever）提出[28]，可以用來度量概括地理要素中心趨勢、離散和方向趨勢的空間特征[29]，生成的結果為橢圓。Arcgis平臺提供了“橢圓大小”（Ellipse_Size）參數，表示生成的橢圓級別?？偣卜譃槿齻€等級，分別表示生成的橢圓能夠包含68%，95%和99%的數據，可以通過指定要表示的標準差數（1、2 或 3）來決定生成的橢圓包含的數據比例。本文選取一個標準差數描述土地利用情況在時空尺度上的轉移變化特征。

2.2.3 土地利用速度的變化衡量

土地利用動態度可以真實反映土地利用類型動態變化情況。單一土地利用類型動態度可表示為某個地區或某個時間區域的特定土地使用類型的數量或變動狀態[4]，其表達式為：

式中：K表示土地利用類型動態度；Ua和Ub分別表示研究期初、期末某種土地利用類型的數量；T表示研究時段[4]。

2.2.4 土地利用程度的衡量

土地利用程度是對土地開發利用情況的定量化描述，體現了特定時期內土地利用變化狀況及綜合利用程度[18]。莊大方、劉紀遠[30]將不同的土地利用類型分成未利用土地級、林草水用地級、農業用地級和城鎮聚落用地級4級[4]，得到4種土地利用程度的分級指數（表1）[31]，用土地利用程度指數來表達研究區的土地利用程度，表達式為：

式中，L為研究區土地利用程度綜合指數；m為土地利用類型數量；Si為第i類土地利用類型面積[32]；ST為研究區域總面積；Pi為不同類型的土地利用程度參數[17]。根據公式（4）進而計算土地利用程度變化量，若ΔLb-a>0，則說明該區域的土地利用處于發展時期，反之則處于衰退期[4，33]。

3 結果與分析

3.1 土地利用動態變化

通過對土地利用面積變化情況（表2）分析發現，研究區的土地利用變化特征如下：（1）農用地面積占土地總面積的比重由96.12%下降至95.82%，總面積減少了944hm2。農用地面積減少主要是耕地和草地面積在減少。（2）建設用地面積占土地總面積的比重由2010年的3.20%上升到2020年的4.12%，總面積增加了2882hm2。（3）未利用地面積一直在減小，減少面積達1938hm2，2015年之后減少加快。

2010-2020年間，丹江口市土地利用總變化面積約53 308.03hm2，占整個研究區國土總面積的1 7 . 0 4 % 。在土地流向方面（表3），以林地的轉入為主，尤其是耕地轉為林地的面積較大，多達14 438.36hm2，約占土地利用變化總面積的27.08%，草地轉為林地的面積約9894.27hm2，占土地利用變化的18.56%，草地轉為其他地類的面積不大，建設用地和未利用地轉為林地的面積也較大，分別為2654.52hm2和1859.66hm2，占土地利用變化總面積的4.98%和3.49%，其他地類轉為林地的面積較小。其次是林地的轉出，其中林地轉為耕地面積為6331.81hm2，占土地利用變化的11.88%，林地轉為建設用地與水域的面積分別為4144.55hm2和4058.74hm2，約占土地利用變化總面積的7.77%和7.61%，另外有少部分轉為草地、其他土地和未利用地。再者是耕地的轉移，耕地除了轉為林地之外，轉為水域與建設用地的面積分別是2939.79hm2和2264.21hm2，占土地利用變化總面積的5.51%和4.25%，耕地轉為其他地類的面積較少。其他土地的流向變化不明顯。

3.2 土地利用轉移方向趨勢的空間特征

圖1分別展示了農用地、建設用地和未利用地從2010-2020年的標準差橢圓分布情況：（1）農用地在2010年主要分布在丹江口市偏東北方向，在2010-2015年間，呈現出向西南遷移的特征，且幅度較大，在2015-2020年間向東北方向遷移。（2）建設用地在2010-2015年間變化很小，所以標準差橢圓呈現幾乎重合的現象，說明丹江口市在此期間城市化發展速度較慢，而2015-2020年間建設用地向西南方向遷移。（3）未利用地在2010-2015年間經人為干擾小，所以幾乎沒什么變化，2015-2020年間呈現向東南方向遷移的特征。

3.3 土地利用變化的速度

從土地利用類型動態度的分布情況（表4）分析可知：（1）2010-2015年與2015-2020年土地利用變化速度相差不大，相較而言2015-2020年的速度慢一些，為14.51%。（2）土地利用變化速度最快的是其他土地，尤其是在2015-2020年間，變化速度高達45.50%，其次是建設用地，在2010-2015年間，變化速度較快，為3.79%。水域與林地的增長速率在2010-2015年為負值，但變化較小，在2015-2020年為正值，分別是3.41%和1.28%。未利用地與草地在2010-2020一直呈現負增長的情況，在2015-2020年，耕地的土地增長速率也為負值。

3.4 土地利用程度的變化

根據表5分析統計情況可得出：（1）建設用地與其他土地的土地利用程度綜合指數和土地利用程度變化量在各階段時間內均體現出逐年增加的趨勢，一直處于土地利用的快速增長期，其面積將繼續增加；（2）耕地和草地土地利用程度綜合指數在2015年前逐年增大，2015年后減小，且土地利用程度變化量呈現負值，說明耕地和草地已經從發展時期進入衰退期。（3）未利用地在2015年之前土地利用程度綜合指數沒有變化，林地和水域呈現逐年減小，2015年后均增加，且土地利用程度變化量較大，表明未利用地、林地和水域已經從衰退時期進入發展期。

4 結論

通過對2010-2020年土地利用變化情況分析，本文得出以下結論。

（1）2010-2020年，由于草地的開發利用以及退耕還林等項目的實施，農用地內部的相互轉換幅度較大，但農用地占土地總面積的比重有所下降；因城市化的發展，2010-2020年建設用地的面積有小幅度的增加；對未利用地的開發利用導致面積逐年減少。

（2）在空間變化上，研究區土地利用變化情況整體上在2015-2020年間最為顯著，2010-2015年間建設用地與未利用地變化很小，但建設用地與未利用地變化較大。

（3）在土地利用速度方面，2015-2020年比2010-2015年土地利用變化速度慢，但建設用地程度在各階段都呈現出增加的趨勢，土地利用變化速度最快的是農用地中的其他土地（設施農用地），未利用地與草地在研究時段內一直是負增長的情況，耕地在2015年后增長速度變為負值。

（4）2010-2020年以來，土地利用程度的變化在建設用地中一直呈現增加的趨勢且面積將會繼續增加，2015年后未利用地、林地和水域利用程度指數增加，對這三類土地的利用進入了發展期，而耕地和草地在減少，甚至出現了負值，這兩類土地的利用進入了衰退期，面積可能還會進一步減少。

基于ArcGIS平臺結合土地利用動態度變化指標，通過對丹江口市國土自然資源的時空動態變化分析，不僅可以定量描述各類土地的利用現狀以及發展變化趨勢，還可以為研究區域國土資源管理和開發利用、城鎮化的建設、開發環境保護等提出一定的科學依據。對土地利用動態變化情況的掌握，可以更好地協調經濟發展與生態保護，合理統籌安排用地比例。

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基金項目： 荊門市耕地質量生態監測試點（ 續作）（MSDZ202212）；編制全省耕地保護規劃項目（HBECC-ZB-ZC22097）。