近20年中心城市土地利用时空变化和驱动力分析

柳 明

(山东省地质矿产勘查开发局第三地质大队，山东 烟台 264004)

土地利用及其演变特征是景观生态学研究的核心内容，是人类活动最直观的表现。自20世纪70年代以来，国内外学者逐渐开始从定量角度分析土地利用情况。随着研究的深入，国内学者为分析国内城市化进程发展、深入研究土地利用变化驱动机制，为城市规划提供数据支持，开展了城市土地利用类型演化及其生态效应研究[1-2]。

土地利用类型受生态环境、经济发展、社会变革等多类型因素影响。生态环境对土地利用类型变化具有引导作用，而经济发展、社会发展政策等人类活动对土地利用变化在一定程度上起到了决定性作用，因而土地利用类型演变历程是自然与人文过程交叉最为密切的问题。开展土地利用以及覆被类型变化研究，分析土地利用类型演变机制，可为土地利用规划提供依据，为区域可持续性发展提供支持[3-6]。

目前对土地利用演变分析研究多以单一的土地利用类型变化、空间格局变化、重心变化等为主，本文基于GIS技术以2000～2020年期间郑州市土地覆被数据，同时对研究区土地利用类型空间格局变化、重心迁移进行分析，并构建土地利用区位指数、多样性指数、土地利用综合程度指数等动态度指数综合分析郑州市土地覆被类型变化趋势，对郑州市土地利用类型变化驱动力分析，为郑州市在土地利用规划方面提供有效的数据支撑。

1 研究区概况

郑州市地处河南省中部偏北，北临黄河，西依嵩山，紧邻黄淮平原，总面积约为7 567 km2，常住人口1 260万人，城镇人口987.9万人，城镇化率78.4%。郑州市是河南省省会，全省的政治、经济、文化中心，下辖12个县(市)、区，其中,县1个、县级市5个、区6个。在我国经济发展格局中，郑州承东启西，连接南北，是重要的商品生产、货物集散地及交通枢纽。

2 数据来源与方法

2.1 数据源与处理

研究所用数据来源于GlobeLand30数据集，GlobeLand30数据集是中国国家高技术研究发展计划(863计划)全球地表覆盖遥感制图与关键技术研究项目的重要成果[7]。数据集中包含地类利用类型达十多种。分别获取郑州市2000、2010、2020年土地利用数据，并完成对数据的裁剪、投影变换等基本操作和数据预处理。

2.2 研究方法

本文主要从郑州市土地利用空间变化过程、变化动态度2个维度展开分析，分别运用土地利用占比变化、程度指数、空间质心迁移状态、多样性分析等分析郑州市2000～2020年土地利用演变过程。

2.2.1 土地利用空间质心转移分析

土地利用空间质心转移反映土地利用类型在空间上的集中分布情况。通过研究区内研究期间始末土地利用类型质心变化及分布特征，研究分析土地利用类型质心转移情况。空间质心计算公式如下：

(1)

式中，Xi为第i类土地利用类型质心X坐标；Yi为第i类土地利用类型质心Y坐标；n为研究区按区县划分小区域的数目；Si为第i类土地利用类型面积；xi为第i区域内质心x坐标；yi为第i区域内质心y坐标。

2.2.2 土地利用综合程度分析

土地利用综合程度的大小直接反映了该区域内土地利用程度的高低水平。由于自然环境、经济结构改革以及社会发展是驱动土地利用/覆被变化的重要因素，通过对土地利用综合指数分析，能够客观反映土地利用驱动力因素对土地利用现状的影响。针对土地利用开发程度，结合土地利用的可持续发展提出了土地利用程度的综合分析方法，对不同土地利用类型设定分级指数，构建耕地、林地、水体、湿地、草地、人造地表利用程度分级指数分别为3、2、2、2、2、4。用土地利用程度综合指数来表示区域土地利用程度，计算公式如下[7-8]:

(2)

式中，LUI为土地利用程度综合指数；Gi为第i种土地利用类型的分级指数；Si为第i种土地利用类型面积的百分比。

2.2.3 土地利用多样性分析

土地利用类型多样化程度是对区域性土地利用类型丰富性和总体结构进行评价的一项重要指标。研究采用吉布斯-马丁(Gibbs-Martin)的多样化指数模型分析构建郑州市土地利用多样化程度指数。计算公式如下[9-10]：

(3)

式中，GM为单位面积内土地利用多样化指数；Si为单位面积内第i种用地类型面积。土地利用多样化指数GM取值范围[0～1]，GM值越大说明区域用地多样化程度越高。当区域内多样化指数为0时，说明该区域内仅含有一类土地类型；当GM值为1时，土地利用类型多样化程度高，土地利用类型发展均衡。

3 结果与分析

3.1 土地利用空间变化分析

3.1.1 土地利用空间分布

通过不同年份土地利用分类，将栅格数据转换为矢量数据，进行图层融合，并赋予相对应属性信息，根据不同年份属性信息，进行统计汇总得到2000～2020年土地利用转移矩阵。郑州市土地利用结构变化情况如表1所示。

表1 郑州市2000～2020年土地利用变化特征

如图1所示，土地利用空间分布上，2000～2020年郑州市土地利用类型可以分为耕地、林地、草地、湿地、水体和人造地表。耕地作为主要用地类型，占据郑州市60%以上面积；林地、草地主要分布于西部巩义市、登封市范围内；郑州市水域面积较少，湿地、水体主要分布在北部黄河沿岸附近；人造地表呈逐年递增趋势，以各区县主要经济发展区向周边扩增，主要集中在东北部地区。

图1 2000～2020年郑州市土地利用空间格局

数量变化上，2000～2010年期间耕地用地类型变化量在11%左右，人造地表面积增加一倍，湿地减少41%；2010～2020年期间人造地表面积增加最多，变化量为67%，湿地增加1.75倍，耕地面积减少最多。2000～2020年期间耕地、水体均在减少且变化量较大，湿地、人造地表均有明显增加。总体上，随着郑州市经济发展、人口扩增体现现代化城镇建设的建筑区呈现快速增长趋势。

3.1.2 土地利用类型空间质心

分析土地利用类型空间质心，可分析了解研究区内各土地利用类型的聚集中心的变化情况，研究迁移趋势，推断研究区发展方向。如表2和图2所示，2000～2010年间郑州市发展主要集中在北部二七区、管城回族区等区县，随着西部地区的荥阳市、上街区、巩义市的快速发展，人造地表向西南方向迁移3 753.29 m；水体向东北迁移4 999.06 m，湿地向西南迁移18 788.25 m；其他用地空间质心基本未发生远距离转移。2010～2020年间，郑州市城市发展开始逐渐向东部转移，形成郑东新区CBD，人造地表质心向东部迁移。

表2 2000～2020年土地利用类型空间质心迁移距离/m

图2 2000～2020年土地利用类型空间质心迁移

3.2 土地利用动态度分析

3.2.1 土地利用综合程度变化

计算郑州市各区县不同时期的土地利用程度和变化量，如图3和表3所示，结果表明：2000～2010年、2010～2020年两个时间段内各区县土地利用综合指数变化量均呈正值，2000～2020年期间郑州市空间分布土地利用综合程度指数值较大的区域集中在经济发展良好、人造地表占比大、城镇化发展迅速的区域。研究期间郑州市正处于持续发展期，表明经济改革、社会发展对土地综合利用程度具有推动作用。

图3 2000～2020年郑州市各区县土地利用综合程度指数变化

表3 2000～2020年各区县土地利用程度指数变化分析

3.2.2 土地利用多样性变化

建立1 km×1 km网格，基于GIS数据处理工具统计分析各网格内各类土地利用类型面积，并根据式(3)计算各网格内多样化指数，结果如图4所示。不同区县土地利用类型多样性在空间上差异较为明显，GM整体取值在[0～0.75]范围内，大部分区域内GM值在0.47以下，受区域经济发展影响，郑州市土地利用类型多样化程度整体偏低。

图4 2000～2020年郑州市各区县土地利用多样性指数变化

结果表明：(1)2000年研究区内部分区县发展较缓慢地区GM值偏低，主要发展农牧业，耕地集中分布；发展程度较高的区县内GM值偏低的主要原因是城镇化发展程度高，人造地表集中分布。(2)GM取值在[0～0.01]的主要集中在耕地、城镇化发展程度、土地利用类型单一区域；GM取值在[0.01～0.19]的主要集中在人造地表聚集或用地类型向单一化人造地表发展的区域，土地利用多样性指标偏低；GM取值在[0.19～0.37]的主要处于地类变化交界处；GM取值在[0.37～0.75]的多为耕地、林草、水体、人造地表交错带，这类区域属于耕地、林地、草地、人造地表之间的缓冲过渡带。从GM取值范围可以分析得到郑州市由西北逐渐向东部、南部拓延，主城区中的金水区、中原区、管城回族区等城镇化发展进程迅速，主要是因为随着经济改革，社会发展需要用地类型逐渐呈现多样化发展。

4 结 论

2000～2020年郑州市土地利用空间结构持续性变化，主要表现为:人造地表、耕地、湿地、水体面积变化较大，人造地表动态度变化最大，耕地面积持续减少，转化为人造地表、林地和草地；部分区域土地利用类型单一。各区域土地利用类型、多样性指数与自然和社会经济因素有着直接关系，人造地表空间质心整体朝着郑州市郑东新区、高新区、航空港区几个方向迁移，经济结构改变和社会变革是郑州市土地利用变化的主要驱动因素。今后，在本研究的基础上，还可以利用相关模型来预测出未来的土地利用发展特征及驱动力因素分析，更好的完成土地利用规划，实现人与自然的可持续性发展。