河南省2000—2020年土地利用时空变化特征及驱动因素分析

张雨蒙，马 明，林佳佳

(安徽建筑大学建筑与规划学院，安徽合肥 230601)

经济社会与生态环境协同发展是一个复杂而艰巨的难题，土地利用变化反映了自然环境和人类活动相互作用后的生态环境变化特征，受到了国内外学者的广泛关注。土地利用是指人类与土地进行物质、能量和价值、信息的交流、转换，从中获得物质产品和服务的经济活动过程。近年来国内外学者对于土地利用的主要研究集中于土地利用分类及演变特征分析、土地利用数据模型构建、土地利用转型、土地利用演变驱动机制等方面。如Letourneau等提出了一种新的土地利用分类和建模方法，使用基于土地利用系统 (LUS)的分类，从而代表人类与环境相互作用的特定组合。董宁等开展全球社会经济和排放情景下的我国土地利用预测研究，构建了基于不同情景下的土地利用变化评估框架。尹登玉等结合山东省土地利用变化，并分析了土地利用对生态系统服务价值的影响；龙花楼等开展了土地利用转型与乡村转型发展的耦合过程及互动机理的研究；陈百明展开对我国土地利用和土地覆被变化的研究并分析了人类驱动力影响因素；吕双双等认为影响土地利用功能的因素主要分为自然、交通区位、经济、社会、生态(环境)、政策6个因素。就目前而言，国内外学者已经针对土地利用变化在不同方向上展开了大量研究，但仍然存在一些不足，如土地利用涉及方面广，与自然地理学、人文经济、生态学等理论密切相关，而目前的研究缺乏统一的理论指导；关于影响土地利用的人文或者自然因素具有不确定性，大多模型的数据标准无法统一，缺乏可比性；关于土地利用的数据获取大多来源于遥感技术，其获取、解译、处理等方面存在相关误差。笔者基于河南省2000、2010、2015、2020年土地利用遥感数据，利用ArcGIS 10.2软件进行空间分析与计算，总结分析研究时间段内各土地利用类型的变化和影响因素。

1 资料与方法

河南省位于黄河中下游地区(110°21′～116°39′E、31°23′～36°22′N)，东连山东、安徽，西邻陕西，北接河北、山西，南临湖北。全省总面积167 000 km，地势西高东低。河南省属于大陆性季风气候(北亚热带向暖温带过渡)，季节过渡分明、降雨和高温季节同步，年平均气温为10.5～16.7 ℃，气候适宜多种农作物生长。全省耕地面积居全国第二，达到6 871 000 hm。截至2000年底，河南省共有17个设区的市，21个县级市(图1)；常住人口达到9 936万，常住人口城镇化率达到54.2%；全省生产总值54 997.07亿元，经济发展态势良好。

图1 河南省行政区地图Fig.1 Map of Henan Province Administrative Region

2000、2010、2015、2020年的土地利用遥感数据，来源于中国科学院资源环境科学数据中心(http://www.resdc.cn)，精度是1 km×1 km。土地利用分类按照 《土地利用现状分类标准》(GB/T 21010—2007)的规定，划分为耕地、林地、草地、水域、建设用地和未利用地6种类型。社会经济指标等数据来源于2020年河南省政府统计报告、河南省统计年鉴。

单一土地利用动态度。用来对某一时期、某一区域内不同土地利用类型变化的速率及变化幅度指标的描述，通过对数据的进一步分析以预测土地利用变化的趋势。其计算表达公式如下：

(1)

式(1)中,表示研究时间内某一种土地利用类型的动态度；和分别表示某一种土地类型开始和结束时的面积；是研究时间长度，一般单位设定为年。为了便于数据分析，将持续时间分为3 个阶段，即2000—2010、2010—2015和2015—2020年。

土地利用转移矩阵。用来描述在研究开始时和结束时的土地利用变化结构特征，以及各类土地的具体转移情况，包括没有发生变化的、转入的和转出的情况，是对某种状态转换的定量描述。其计算表达公式如下:

(2)

式(2)中,表示用地面积；表示土地类型数目；、分别表示开始时和结束时的各种土地类型。

土地利用程度综合指数模型。土地利用程度综合指数反映了人类对区域土地开发利用的程度﹐是衡量区域土地利用深度和广度的重要指标。其计算表达公式如下：

(3)

式中，表示土地利用程度综合指数；表示第级土地利用程度分级指数；表示土地利用程度分级数，根据相关学者研究，赋值分别为未利用地=1、林地、草地和水域=2，耕地=3，建设用地=4；是对应地类的面积比例。

2 结果与分析

2000—2020年河南省的土地利用/土地覆盖类型主要分为6个一级类型和25个二级类型。利用ArcGIS 10.2软件对河南省土地利用现状遥感监测数据进行提取、重分类以及统计分析，结果发现(图2和表1～2),2000—2020年河南省建设用地、水域、林地面积趋向增加，而草地、耕地和未利用地面积趋向减少。在此期间，河南省建设用地面积增加5 002 km、林地面积增加361 km、水域面积增加818 km，草地面积减少469 km、耕地面积减少5 591 km、未利用地面积减少68 km。以 2015—2020年变化尤为显著，各地类的变化速度和幅度差异明显，且不同地类间转换频繁。具体分析如下：

(1)耕地面积由2000年的108 692 km(占比65.65%)变化到2020年的 103 101 km，共计减少了5 591 km，2015—2020年耕地面积减少了3 536 km，土地利用动态度为-0.66%。

(2)林地面积变化表现为2000年的26 798 km变化到2020年的27 159 km，总体上增加了361 km。其中2000—2010年增加了14 km,2010—2015年减少了21 km,2015—2020年增加了368 km，其中2015—2020年变化速率最大，土地利用动态度为0.27%。

(3)草地面积由2000年的9 411 km变化到2020年的8 942 km，减少了469 km，2000—2010、2010—2015、2015—2020年3个时期中逐渐呈现减少趋势，且减少速率逐渐加快。

(4)水域面积变化总体呈现增加趋势，具体表现为2000年面积3 536 km变化到2020年的4 354 km，水域总面积增加了818 km，2000—2020年的土地利用动态度为1.16%。

(5)建设用地面积由2000年的17 036 km变化到2020年的22 038 km，增加了5 002 km，2000—2010、2010—2015、2015—2020年3个时期中逐渐呈现增加的趋势，且增加速率逐渐加快；2015—2020年增加了3 369 km，土地利用动态度为3.61%。

(6)未利用地面积总体呈现减少趋势，2000—2010年减少了29 km，2010—2015年基本无变化；2015—2020年减少了40 km，土地利用动态度为13.11%。

使用ArcGIS 10.2软件的空间模块分析功能对河南省2000—2020年的土地利用/覆盖数据进行转移矩阵运算，通过统计分析得到表3。

从转出角度来看，2000—2020年耕地总转出面积为23 303 km，主要转出为草地、林地、建设用地、水域，转出面积分别为2 536、3 146、15 408、2 210 km，另外有少量面积转化为未利用地。草地总转出面积为4 615 km，主要转向耕地2 652 km、林地1 470 km，另外有301 km转出到建设用地、189 km转出到水域。林地共转出面积为4 577 km，主要转出为草地和耕地，转出面积分别为1 403、2 562 km。水域总转出面积为2 121 km，主要转出到耕地1 516 km、建设用地305 km。建设用地总转出面积为11 322 km，大量转出到耕地，转出面积为10 920 km。未利用地总转出面积为86 km，主要转出到耕地、林地、水域，转出面积分别为49、17、15 km。

图2 2000—2020年河南省土地利用变化Fig.2 Land use change of Henan Province from 2000 to 2020

表1 2000—2020年河南省土地利用类型面积统计Table 1 Statistics of land use types and areas in Henan Province from 2000 to 2020

表2 2000—2020年河南省土地利用单一动态度Table 2 Single dynamic change degree of land use in Henan Province from 2000 to 2020

从转入角度来看，2000—2020年草地转入总面积为4 144 km，主要由耕地、林地转入，转入面积分别为2 356、1 403 km。耕地总转入面积为17 699 km，主要由草地、建设用地、林地、水域转入，转入面积分别为2 652、10 920、2 562、1 516 km。建设用地总面积趋于增加，总转入为16 318 km，主要由草地、耕地、林地、水域转入，转入面积分别为301、15 408、301、305 km。林地总转入面积为4 919 km，主要由草地、耕地转入，转入面积分别为1 470、3 146 km。水域总转入面积是2 926 km，主要是由耕地转入2 210 km、草地转入189 km、建设用地转入213 km、林地转入299 km。未利用地总转入面积为18 km，主要由林地转入，转入面积为12 km。

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

土地利用程度综合指数可以反映河南省土地利用的集约程度，运用公式(3)计算得到图3，从图3可以看出，2000—2020年的土地利用程度综合指数总体呈现上升的趋势。其中，2000—2015年土地利用程度综合指数变化较小，仅为0.74；2015—2020年提升幅度较为明显，增加了1.93。土地利用程度综合指数越高说明土地集约利用程度越高，以上数据的变化表明河南省从2015年以后各城市的建设用地面积开始大幅度扩展，河南省土地利用逐渐走向集约化。

图3 土地利用程度变化Fig.3 Changes of the degree of land use

土地利用类型的变化是由多种因素共同作用下发生的，由于河南省地处中原，地形地势较为平坦，且大体位于温带季风气候区，自然气候较为稳定，因此土地利用变化在2000—2020年受自然因素的影响不大，故该研究主要分析由人类社会经济活动引起的变化机制。河南土地利用类型变化的驱动因素主要有城镇化进程、经济发展、人口增长、政策等。

城镇化进程。在人类历史长河中，农业生产作为人们生存的根本，是人类得以生存的根本保证，是其他一切社会经济活动的基础。河南省是农业大省，粮食总产量一直位居我国前列，数据显示河南省粮食总产量近4年均超过650亿kg。农业科技的进步和农业投入水平的提高促进了农业的产出效率和产出质量，改变了传统的土地利用方式。信息、生物等高新技术逐渐应用于农业生产，使得农业产量提升的同时，也进一步释放了农村地区的劳动力，农村剩余劳动力进入城市，促进了城镇化水平快速提升。河南省统计年鉴数据显示，2020年河南省常住人口城镇化率(54.2%)较2019年城镇化率(53.2%)相比增长了1百分点。城镇化率的提高、城镇化进程的加快促使建设用地的扩张，从而导致建设用地面积增加。

经济发展因素。经济的发展与消费水平的不断提高推动了产业转型和服务业的蓬勃发展，增加了城市的建设扩张需求，从而进一步推动土地利用类型的变化。近年来，河南省作为我国经济发展的中坚力量之一，经济发展呈现稳步上升趋势，20年内生产总值稳居全国第五名，人均生产总值由2000年的5 450元上升至2019年的56 388元(表4、图4)。

人口增长因素。人口增长因素也是影响河南省土地利用变化的驱动因素之一。河南省人口数量众多，第七次全国人口普查数据显示，河南省常住人口9 936.6万，占全国人口的7.04%；仅次于广东省、山东省，位居全国第三，与2010年第六次人口普查相比，增加了534.2万人，增长了5.68%。从人口结构与土地利用结构来看，河南省2020年城镇居住人口5 507.9万(占55.43%)，乡村居住人口4 428.7万(占44.57%)；与2010年相比，城镇人口增多1 885.9万，乡村人口减少了1 352.3万，城镇人口占比增多16.91%。人口结构的变化使得建设用地增加、耕地和未利用地面积减少，从而导致土地利用变化结构发生变化。

表4 河南省重要经济指标Table 4 List of important economic indicators in Henan Province

政策因素。从政策上来看，相关政策对土地的利用有着直接而深刻的影响。2000—2020年，河南省政府根据《中华人民共和国土地管理法》的3次修订(1998、2004、2019年)，结合当地实际情况，制定了实施土地管理法的相关政策法规，为合理利用各种土地类型、科学开发未利用土地提供了方向及相关保护方法。同时，河南为农业大省、国家重要的粮食生产基地，在土地管理中恪守耕地红线，严格保护耕地，因而耕地面积变化较少。而自十八大以来，随着生态文明理念的贯彻实施，尤其针对自然生态与耕地保护的高标准要求，使得耕地、草地、林地的面积出现一定程度的回增。与此同时，南水北调工程等国家、区域水利工程的修建，也导致全省水体的面积有所增加。

图4 2000—2019年河南省国民生产总值变化Fig.4 Change of GDP of Henan Province from 2000 to 2019

3 结语

基于2000—2020年河南省土地利用/土地覆盖遥感数据，对2000、2010、2015、2020 年4个时间节点的土地利用数据进行处理，运用ArcGIS 10.2软件平台对20年间土地利用变化数据进行空间分析与计算，总结分析研究时间段内各土地利用类型的变化和影响因素。结果表明，河南省2000—2020年建设用地、水域、林地面积呈现增加趋势，而草地、耕地和未利用地面积逐渐减少；2015—2020年的变化幅度明显大于2000—2015年的变化幅度。河南省土地利用程度综合指数在2000—2020年不断增加，2015—2020年提升程度最为明显，说明河南省土地利用集约程度有较大的提高。影响河南省 2000—2020 年土地利用变化的主要驱动力因素为城镇化进程、经济发展、人口增长和政策。土地利用变化可以反映城市经济社会的发展与土地利用程度，在短期的变化主要受人类社会活动的影响。对于土地利用时空变化特征的分析有助于深入了解河南省近期的土地利用情况、模拟预测未来土地利用变化，从而更好地促进土地集约利用、城乡高质量发展。