县域土地利用变化研究

胡碧霞+郭元武+郑向莞

摘要：从县域土地利用视角出发，运用数理统计方法和灰色预测模型GM（1，1）对常宁市2005-2016年土地利用变化水平及结构变化、动态度变化、变化强度等方面进行分析，并预测了2021年常宁市土地利用变化情况，从而达到把握土地利用变化规律的目的。结果表明：①城市建设用地的增加、生态类型用地的减少是常宁市11年间土地利用变化的总体特征。其中，城镇村及工矿用地呈上升趋势，林地呈下降趋势。②利用Matlab强大的矩阵功能，实现灰色GM（1，1）模型算法，从模拟结果来看，精确度较高，预测结果与实际土地利用情况有较好的一致性，可为常宁市土地利用规划提供科学依据。③切实保护耕地，优化城市建设用地结构，协调土地利用与生态建设是今后常宁市土地利用规划的一个重要方向。

关键词：土地利用变化，動态分析，灰色模型，常宁市

中图分类号：F293.2 文献标识码：A

文章编号：1001-9138-（2017）09-0016-22 收稿日期：2017-08-14

1 引言

土地利用变化是全球环境变化和可持续发展研究的重要课题之一，它不仅反映了城市土地利用系统内部各要素协调发展的过程，也呈现出其与自然、经济、社会等要素耦合循环交换的结果。随着生产力的发展，探讨土地利用水平及变化过程并分析其未来发展走势，具有重大理论和现实意义。

目前，国内外学者们通过选取不同的计量方法，构建指标体系，从不同的研究视角对我国城市土地利用的变化状况进行了理论探讨和实证分析。杨依天等基于和田绿洲3期18景TM/ETM+遥感影像目视解译，从空间耦合角度分析了研究区土地利用变化及其环境效应。罗娅等使用土地利用变化重要性指数、土地利用变化面积比重和林草植被变化指数3个指标研究黄河河口镇——潼关区间1998-2010年土地利用变化特征。韩会然等从土地利用变化幅度、土地利用变化速度、土地利用转移方向等方面分析了北京市土地利用变化特征及相关驱动因子。匡兵等以武汉城市群为研究对象，运用洛伦茨曲线和偏移份额分析法探讨了城市群用地结构变化的内在机理。Najmuddin，O.等采用DLS模型模拟了喀布尔河流域2020年和2030年的土地利用情况，建议政府需制定符合社会经济水平的土地利用总体规划。孙哲等利用Logistic-CA-Markov模型从目前趋势发展、生态环境保护和综合发展3种情况出发，模拟预测了无锡市2020年土地利用结构。周子英等运用信息熵探讨了长沙市土地利用系统的演化规律和空间格局，揭示影响长沙市土地利用结构信息熵变化的驱动因素。也有学者分析了处于不同工业发展时期的土地利用变化对经济发展的影响。总体而言，学者们从多维度揭示了土地利用变化的复杂过程，但很少将土地利用变化状况与模拟预测相结合进行综合研究。同时，现有成果对处于快速发展中的县域城市的关注还有待加强。

常宁市地处湖南省南部，衡阳市西南部，湘江中游南岸，地处环长株潭城市群的南缘，是湘南地区的“中心区”，有“有色金属之乡”与“非金属之乡”之称，也是全国第三批资源枯竭城市。全市土地总面积为204790.46hm?，境内地势南高北低，大致呈两级阶梯形分布，境内地势类型分山地、丘陵、平原三种，分别占常宁市土地总面积的37.60%、26.00%和37.40%。土壤分为地带性土壤和非地带性土壤，其中以水稻土、红壤土、紫色土、黄壤土面积较大，分布甚广，利用率最高。境内水系发育良好，四季分明，雨量充沛。近年来，常宁市城市建设步伐加快，土地利用结构调整频繁，在土地资源有限的实际情况中，如何实现各地类之间的最优配置，并在此基础上最大限度地发挥土地利用效率成为常宁市土地利用过程中亟需解决的关键问题。本文以常宁市2005-2016年土地利用数据为基础，运用数理统计方法对土地利用水平及结构变化、动态度变化、变化强度等方面进行分析，揭示常宁市土地利用结构的演变规律，再利用灰色模型GM（1，1）预测2021年土地利用变化情况，为优化常宁市土地利用格局和促进区域经济发展提供科学支撑。

2 研究方法与数据来源

2.1 土地利用程度变化分析

土地利用动态度模型能够定量地描述土地利用的变化速度，单一土地利用类型动态度表示某特定区域在一定时间范围内某种土地利用类型的数量变化情况，在比较土地利用变化区域差异和预测未来土地利用变化趋势上可发挥作用。计算公式为：

式1

式中，K表示研究时段内某一土地利用类型的动态度；Lm为研究期初某种土地利用类型的面积；Ln为研究期末某种土地利用类型的面积；t为土地利用变化的时间段。

分析土地利用变化强度，其得出的强度指数可定量描述在一定时间范围内土地利用变化的强弱或趋势，用各空间单元的土地面积对其变化速度进行标准化处理，使其具有可比性。计算公式为：

式2

式中，P表示研究时段内某一土地利用类型的变化强度；Lm为研究期初某种土地利用类型的面积；Ln为研究期末某种土地利用类型的面积；S为研究期末常宁市土地总面积。

2.2 灰色模型

灰色预测模型是基于一阶常微分方程的基本思想，利用现有不完全信息建立预测模型对研究对象未来的发展趋势和状况进行分析和预测的统计方法，也称为一元一阶灰色模型（GM（1，1））。因其所需信息量少、运算精度高的优势被广泛运用于土地利用分析、碳排放预测等领域。本文在分析灰色预测模型基本原理的基础上，利用Matlab7.6强大的矩阵功能，实现灰色GM（1，1）模型算法。其计算步骤如下：

①由原始数据序列x（0）计算一次累加序列x（1）（i）；

②建立矩阵B，y；

B U=

y=B*U

③求逆矩阵（BTB）-1；

④根据 求估计值和

⑤用时间相应方程计算拟合值，再用后减运算还原，即endprint

当k等于1，2，…，N-1时，即可得到原始序列X（0）的拟合值；当k大于或等于N时，即可得到原始序列X（0）的预测值。

为了提高GM（1，1）模型预测结果的科学性，本次研究利用后验差检验法对其预测结果进行精度校验。其表达式为：

，

式中：Sa是原始数据标准差；Sb为预测数据标准差；C为后验差比值，其数值的大小直接体现模型预测结果与实际数值之差的离散程度；P为小误差频率；是预测数据误差；是预测误差的均值。根据模型预测精度等级评定标准，参见表1，当C<0.35且P≥0.95时，其精确性较高，为一级；当C≥0.65且P≤0.7时，精确性较差，不可使用。

2.3 数据来源

研究基础数据以常宁市2005-2016年土地利用變更调查数据为基础，相关资料结合常宁市历年统计年鉴与政府工作报告。

3 结果分析

3.1 土地利用变化趋势

3.1.1 土地利用水平结构变化分析

根据常宁市2005-2016年的土地利用变更调查，整理出土地利用变化的基本数据。常宁市各地类面积都发生了不同程度的变化，①总体而言，各类城市功能性用地面积均呈上升态势，不同类型用地增长幅度存在差异，变化较大的依次为：林地、城镇村及工矿用地、耕地、草地、交通运输用地、其他用地、水域及水利设施用地、园地，分别变化-1754.64hm?、1518.3hm?、970.46hm?、-207.5hm?、196.14hm?、107.69hm?、-105.18hm?、-51.83hm?；②从变化规模来看，城镇村及工矿用地、耕地、交通运输用地在考察期内分别增长1518.3hm?、970.46hm?、196.14hm?，是增长幅度最大的3个地类，这与贯彻落实国家保护耕地政策、区域功能定位及近年来常宁市城区大规模的基础设施建设等有密切联系。

3.1.2 土地利用动态度变化分析

依据式1计算出2005-2016年常宁市土地利用动态度，详见表2。从表2可以看出，常宁市2005-2016年土地利用变化的速度依次为城镇村及工矿用地>交通运输用地>其他用地>耕地>水域及水利设施用地>林地>园地>草地。其中，年际变化速度最大的是城镇村及工矿用地，动态度为0.9516%，变化最小的为水域及水利设施用地，仅为-0.0704%。通过查阅常宁市相关土地资料得知，全市土地利用与区域经济增长在数量和空间分布上均呈现出较强的相关性。目前，常宁市仍然处于新型城镇化、新型工业化的快速发展阶段，随着人口的不断增长，经济的快速发展，加上“十三五”期间省市重点项目的陆续实施，建设用地的需求将快速增长。随着城镇化水平的提高，城镇工矿建设用地呈上升趋势，城镇工矿用地比重较大，建设用地动态变化度也相对较高。

3.1.3 土地利用变化强度分析

依据式2计算出2005-2016年常宁市土地利用变化强度指数，详见表2。可以看出，在增加的土地类型中，城镇村及工矿用地的变化强度指数最大，在减少的土地类型中，林地的减少变化强度指数最大，这说明常宁市土地类型变化起作用的主要是林地。这十多年间，当地国民经济建设取得巨大成就，人民生活水平提高，但也不能忽视林地、草地、园地的保护建设。在未来，应当控制各项建设工程征占自然保护区、森林公园及生态脆弱地区的林地，重点保护和建设宜水、潭水、主要铁路、公路沿线防护林地。建设高标准绿色通道、防护林体系、自然保护区等生态林地。加强低效林地的改造，加快受损林地的恢复和重建。重点保护大义山自然保护区、天堂山国家森林公园、天湖国家湿地公园、庙前地质公园、印山天堂山西江风景名胜区等山地、水体及其周边生态环境，做好宜潭两水滨江防护林建设，逐步改善宜水生态环境；重点做好水源涵养林建设，为人民群众提供优质安全的水源保障；通过水土保持林和生态林建设，治理水土流失，提高环境自养能力。

3.2 灰色预测模型GM（1，1）分析

根据2005-2016年常宁市土地利用变更调查原始数据，运用Matlab7.6软件对2021年土地利用变化情况进行预测，得到基于GM（1，1）模型的各类土地利用变化预测结果如表3所示。从预测结果可以看出，①在未来的土地利用中，常宁市的耕地、园地、林地、草地、水域及水利设施用地将进一步减少，城镇村及工矿用地、交通运输用地有所增加；②与2005年相比，其中变化最大的为城镇村及工矿用地，增加了2225.5228hm?；③与生态安全息息相关的园地和林地，较2005年相比，分别减少了104.1017hm?和2200.0404hm?。

为了提高模型预测的准确性，本文利用后验比和小误差概率对模型进行诊断，结果见表4，所有8个地类模型都是后验比<0.35，小误差概率>0.95，精确性较高，为一级，相对误差检验也为一级，证明预测具有较高的精度，预测有效。

4 结论与讨论

（1）从2005-2015年，常宁市土地利用格局发生了较大变化。园地面积变化较为平稳，耕地利用情况良好，交通运输用地和其他用地有一定程度的增加，林地、草地面积减少较为迅速，城市化进程导致城镇村及工矿用地扩张最为明显。既要满足城市用地快速扩张的需求，又要加强生态用地的保护， 是土地利用决策需要着重协调的一对矛盾。现阶段，要推进田、水、路、林、村的综合整治，确保常宁市耕地保有量目标得以实现，要积极盘活建设用地存量加强对城镇闲散用地进行整合，鼓励低效用地增容改造和深度开发，要更加节约集约利用土地，挖掘内部潜力，提高现有城乡建设用地对经济社会发展的保障能力；积极研究各类建设节地技术和模式，引导城市地上地下空间开发。此外，要与新型城镇化和新农村建设进程相适应，引导城镇建设用地结构调整，控制生产用地，保障生活用地，逐步优化农村建设用地结构，保障农业生产、农民生活必需的建设用地，促进城乡用地结构调整，合理增加城镇建设用地。endprint

（2）根据2021年的预测情况，常宁市土地利用变化呈现出城镇村及工矿建设用地增加、其他用地减少的状态，说明对其后备资源的利用力度不断加大，同时也要看到园地、林地、草地这类生态型处于持续减少状态，水口山重金属污染综合防治亟待加强。按照建设环境友好型社会的要求，协调土地利用与生态建设，因地制宜、因势利导，充分发挥耕地、林地、园地、草地的生态功能，加强对中低产园地的改造和管理，加快受损林地的恢复和重建，积极促进生态绿化系统建设，加强土地生态安全屏障，切实维护湘江流域生态安全，是当前常宁市土地利用过程中必须重视的问题之一。由此可见，利用Matlab7.6情况下的灰色预测模型GM（1，1）可以对土地利用的动态变化进行预测，但要进行全方位和准确地预测，还需要结合其他预测方法进行相互比较和验证，使得土地利用动态变化的预测更为精准。

（3）通过数理统计方法和灰色预测模型GM（1，1），能够较好地研究和预测县域土地利用变化情况，旨在为城市发展新阶段的土地利用规划提供参考，为促进经济社会可持续发展和生态环境良性循环提供一定科学依据。本文没有从空间视角分析常宁市土地利用结构变化的特征，亦没有进一步分析土地利用结构变化的驱动因素，这些都将是我们未来进一步的研究方向。

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