西北旱区土地利用变化的时空异质性研究——以陕西铜川耀州区为例

鱼 坤，陈学渊，韩晓静，位佳佳，零丽斯

(中国农业科学院 农业经济与发展研究所，北京 100081)

在全球环境变化及可持续发展研究中,土地利用/覆被变化是自然与人文过程交叉最为密切的问题[1]。土地利用变化研究作为揭示区域空间格局变化的重要途径[2-3]，是当前各国学术界的研究热点。区域内土地利用变化受人类土地利用活动与其所处社会经济条件长期共同作用[4],对区域土地利用结构和发展规律产生深刻影响[5]。随着社会经济快速发展及城市化水平提高, 各地区土地利用有了不同程度的变化[6]。因此，开展我国广大区域的土地利用空间信息特征及其变化特征的空间差异性分析,才能充分了解土地利用的时空演变过程[7]，掌握通过土地利用调整人地关系的有效途径，进一步保护土地资源、改善区域生态环境[8]。

由于中国社会经济快速且不均衡发展以及区域自然地形地貌迥异而形成人文与自然的“叠加差异”,导致各研究区域侧重点不尽相同[9]。目前学者关于西北旱区土地利用的研究主要围绕土地利用现状分析[10-11]、土地利用生态效应分析[12-13]展开，并在此基础上进行土地类型变化驱动因素探索[14-16]，从而进一步对区域水土资源监测及优化模式进行探讨[17-19]。研究方法多采用“3S”技术[20-22]、数理模型[23-24]、空间计量[25-27]等,围绕时间域和空间域两个角度对区域土地利用变化及其驱动机制进行定量研究[28-29]。现阶段，尺度多样化、区域差异化及方法综合化成为土地利用动态变化研究的重要发展方向[2]，目前从多维角度对西北旱区典型县域土地利用变化进行的综合研究稍显薄弱，仍需进一步探索。

强化区域耕地数量保护和质量提升，扎实推进重点生态系统保护和修复是我国“十四五”规划的重要内容。我国自然资源与社会经济发展空间差异显著,特别是随着近年来的经济发展,区域土地资源显现出更为明显的区域特点[30]。西北旱区是中国重要的粮食生产和耕地资源后备基地[31]，也是生态脆弱区。随着城市化、工农业现代化进程的不断加快, 水土资源短缺、质量退化等问题已成为制约西北旱区社会经济可持续发展的瓶颈[32]。基于此，本研究以陕西铜川耀州区为例，从土地利用的程度、过程及空间变化3个维度对西北旱区土地利用状况进行综合分析，以期准确反映西北旱区典型县域土地利用现状，洞悉其发展态势，为区域耕地保护、生态与经济协调发展及相关部门制定符合本地区发展的土地利用规划提供科学依据。

1 方法与数据

1.1 研究区概况

耀州区地处铜川市西南部，地理位置位于东经108°34′-109°06′、北纬34°50′-35°20′，东西宽约43 km，南北长约56 km，全区总面积约1 622 km2。耀州区位于关中平原与渭北高原的接壤地带，自西北向东南依次从山地、丘陵、黄土塬向起伏平原过渡，土地利用类型丰富多样，各区域土地利用差异明显。全区植被覆盖率平均41%，北部山区森林覆盖率较高，其中庙湾镇香山及其周围地区森林覆盖率达85%以上，是天然植被保存完整的典型次生林区。耀州区属暖温带大陆性半干旱、半湿润、易旱区气候，年平均日照2 356.6 h，年均降水量554.5 mm，年均气温8.4～12.3 ℃，光、热资源比较丰富，水资源则较匮乏。作为传统农业县区，全区形成了以苹果、干杂果为主的种植业和“两牛一羊”为主的养殖业及以苹果加工为主的农副产品加工业模式。

1.2 数据来源

根据耀州区土地利用的特点和遥感影像数据的可获取性，本研究以Landsat遥感影像为主要数据源,从中国科学院地理空间数据云平台分别获取2000年5月、2008年7月的Landsat5 TM遥感影像和2015年8月的Landsat8 OLI_TIRS 3个不同时期的土地利用类型信息(30 m分辨率)。根据土地资源及其利用、自然属性状况，利用数据处理平台ENVI 5.0软件和Arcgis 10.2软件，将研究区土地利用类型进行归类处理，共分为7种类型，分别是林地、耕地、草地、农村居民点、城镇用地、其他建设用地和水库坑塘(图1)。数据精度验证结果显示，空间数据总体解译精度约91.5%，其中耕地解译精度为93%，林地解译精度为92.3%。

图1 陕西铜川耀州区2000，2008和2015年的土地利用情况Fig.1 Land use in Yaozhou District,Tongchuan,Shaanxi in 2000,2008 and 2015

1.3 研究方法

研究主要基于2000，2008和2015年3期土地利用空间格局数据，从土地利用变化特征、过程、空间3个维度，定量探索西北旱区典型县域耀州区土地利用的时空变化规律及空间分异特征。首先，在变化程度方面，采用土地利用程度指数及变化量进行分析；其次，在变化过程方面，采用土地利用转移矩阵来分析其动态转移数量及方向；最后，在空间变化方面，采用土地利用重心迁移模型对其空间格局进行探索。

1.3.1 土地利用程度 (1)土地利用程度综合指数。对研究期内区域土地利用程度的变化进行分析，可以揭示人类生产活动对研究区土地利用开发所产生的影响。土地利用程度综合指数的计算公式为：

(1)

式中：L为土地利用程度综合指数，Ai为区域内第i级土地利用程度分级指数，Pi为区域内第i级土地利用程度分级面积百分比，n为土地利用程度分级数(本研究中n=4)。为了与其他分类系统统一标准，土地利用分类主要参照庄大方和刘纪远[33]的方法，将土地利用程度分为4级，每级对应的相应分级指数见表1。

表1 不同土地利用程度的分级指数Table 1 Classification index of different land use degrees

(2)土地利用程度变化量。其计算公式为：

(2)

式中：ΔLb-a为土地利用程度变化量，La和Lb分别为a时间和b时间的区域土地利用程度综合指数，Pia和Pib分别为a时间和b时间第i级土地利用程度的面积比。若ΔLb-a>0，则该区域内b时段土地利用程度综合指数大于a时段土地利用程度综合指数，表明该区域土地利用处于发展时期；反之，则处于衰退或调整期。

(3)土地利用程度变化率。其计算公式为：

(3)

式中：R为各个时期土地利用程度变化率。

1.3.2 土地利用转移矩阵 土地利用面积转移矩阵可表征区域土地利用变化的结构特征，揭示土地利用变化方向和数量[34]。首先利用ArcGIS 10.2软件地理处理模块下的intersect工具将2000，2008以及2015年的土地利用类型图进行叠加分析，求得交集并输出相交后结果，再利用EXCEL数据透视功能分别得到研究区不同时间段内土地利用转移矩阵，进而对耀州区各土地利用类型间的转化作出分析。其计算公式为：

(4)

式中：i、j分别代表研究初期与末期的土地利用类型,S为土地类型面积,n为土地利用类型数量。

1.3.3 土地利用重心迁移模型 (1)土地利用类型重心坐标。土地利用重心迁移模型能有效反映土地利用类型在时空上的演变过程，通过将重心转移的方向、距离与区域社会经济发展趋势和地方政策相联系，从而更好地揭示研究区土地利用空间变化特征[35]，有助于了解人类对土地利用方式进行改造和利用的轨迹，其计算公式为：

(5)

式中：Xt和Yt分别表示第t年某土地利用类型分布重心的经度和纬度，Ati表示第t年第i个斑块的面积，Xi和Yi分别为第i个斑块几何中心的经度和纬度。

(2)土地利用类型重心转移距离。

(6)

式中：m和n分别表示两个不同的年份；Dm-n表示第m至第n年某土地利用类型重心迁移的距离；C为常数，取值为111.111，是将地理坐标单位(经纬度)转化为平面距离的系数[36]；Xm、Ym表示第m年某土地利用类型的经度和纬度；Xn、Yn表示第n年某土地利用类型的经度和纬度。

2 结果与分析

2.1 土地利用程度变化分析

由表2可知，2000，2008及2015年耀州区土地利用程度综合指数依次为252.65，247.69和250.66，其中，2000-2008年耀州区土地利用程度变化量为-4.97，变化率为-0.02，土地开发利用程度变化不大，处于调整期，说明研究区域土地利用的广度和深度还有较大的上升空间，土地开发利用力度有待进一步提高；2008-2015年，耀州区土地利用程度变化量为2.97，变化率为0.01，处于发展期，表明耀州区土地利用程度不断加强，受城市发展需求影响，人们对土地的开发利用程度逐渐加大；2000-2015年，耀州区土地利用程度变化量为-2.00，变化率为-0.01，表明在15年间，耀州区土地利用处于调整期，土地利用程度处于较低水平，未来可通过政策趋势导向，优化耀州区土地利用结构，提升土地利用程度。

表2 2000-2015年陕西铜川耀州区土地利用程度的变化Table 2 Change of land use degree in Yaozhou District,Tongchuan,Shaanxi during 2000-2015

由表2可知， 2000-2015年，耕地利用程度变化量为-22.34，负向变动最大，且在2000-2008,2008-2015年两个阶段中均为负值，表明其开发利用水平较低，呈衰退趋势；林地利用程度变化量为10.58，总体呈发展趋势；其他建设用地、农村居民点及城镇用地的利用程度变化量分别为5.45，3.30，2.16，且在2000-2008、2008-2015两个阶段中均呈持续增长的趋势，处于快速发展阶段；水库坑塘和草地的利用程度变化量的绝对值均较低，其中水库坑塘总体来看呈发展趋势，草地则呈衰退趋势。以上结果表明，2000-2015年耀州区土地利用结构变动较为剧烈。

2.2 土地利用转移矩阵

(1)第一阶段：2000-2008年。2000-2008年陕西铜川耀州区土地利用转移矩阵见表3。

表3 2000-2008年陕西铜川耀州区土地利用转移矩阵Table 3 Land use transfer matrix of Yaozhou District,Tongchuan,Shaanxi during 2000-2008 hm2

由表3可知，2000-2008年，耀州区不同土地利用类型之间发生转移面积(转出/转入总面积)为23 362.44 hm2，占土地利用总面积的14.42%；未发生转移面积为138 606.08 hm2，占土地利用总面积的85.58%，各土地类型均进行了一定程度的相互转移。在转出方面，耕地和林地转出面积居前两位，分别为15 544.89，4 772.55 hm2，二者转出面积之和占耀州区总转出面积的86.97%，其次依次为草地、农村居民点、其他建设用地、城镇用地和水库坑塘，转出面积分别为1 385.78，1 179.91，198.47，184.19和96.66 hm2，分别占耀州区总转出面积的5.93%，5.05%，0.85%，0.79%和0.41%；在转入方面，林地转入面积居首位，为14 609.68 hm2，耕地转入面积居其次，为6 467.29 hm2，二者转入面积之和占耀州区总转入面积的90.22%，其次依次为农村居民点、其他建设用地、城镇用地、草地和水库坑塘，转入面积分别为1 238.40，459.84，380.62，154.35和52.28 hm2，分别占耀州区总转入面积的5.30%，1.97%，1.63%，0.66%和0.22%。

由表3可知，2000-2008年，耕地主要转出为林地，转出面积达到13 699.10 hm2，占耕地总转出面积的88.13%，这主要受退耕还林政策影响所致；其次耕地转出为农村居民点用地、城镇用地、其他建设用地及草地，转出面积分别为1 125.94，342.89，241.32和116.63 hm2，这是因为在西部大开发机遇下，城镇化进程加快，城镇及农村居民点建设用地需求迅速扩张，耕地作为新增建设用地的主要来源被大量占用。林地、农村居民点和其他建设用地的主要转出类型均为耕地，转出为耕地的面积分别为4 511.96，1 079.90和97.53 hm2。草地主要转出为耕地和林地，其中转出林地面积最多，达到731.39 hm2；草地共转入154.35 hm2，主要由耕地转入，转入面积为116.63 hm2，占草地总转入面积的75.56%。这一结果的出现主要和研究区域调整产业结构，大面积种植林木有关。水库坑塘主要转出为耕地和林地，转出面积相当，分别为36.40和38.43 hm2，分别占水库坑塘总转出面积的37.66%和39.76%。

2000-2008年耀州区7种土地利用类型的主要转出土地类型的空间分布状况如图2所示。

图2 2000-2008年陕西铜川耀州区不同土地利用类型之间转移状况分布Fig.2 Distribution map of land use changes among different land use types in Yaozhou District, Tongchuan,Shaanxi during 2000-2008

从图2可以看出，耕地向林地的转移区域多分布于耀州区东北部山地峡谷区；耕地向林地的转移区域多分布于中部丘陵区；草地向林地的转移范围包括耀州区中南大部分区域以及西南少部分区域；农村居民点向耕地的转移范围较广，涵盖了耀州区中东部及南部大部分地区；城镇用地、水库坑塘和其他建设用地的发生转移区域均分布于耀州区南部台塬川道区。

(2)第二阶段：2008-2015年。由表4可知，2008-2015年，耀州区不同土地利用类型之间发生转移面积(转出/转入总面积)为21 579.20 hm2，占土地利用总面积的13.32%，较2000-2008年有所减少；未发生转移面积为140 388.40 hm2，占土地利用总面积的86.68%。2008-2015年，耀州区发生转移的土地利用类型仍主要集中在耕地和林地，转出面积分别为11 543.93，8 723.94 hm2，二者转出面积之和占耀州区总转出面积的93.92%；转入面积分别为8 559.65，7 450.53 hm2，分别占耀州区总转入面积的39.67%和34.53%。其余土地利用类型转出面积从大到小依次为农村居民点、草地、其他建设用地、城镇用地和水库坑塘，转出面积分别为790.70，190.21，163.58，120.07和46.77 hm2，分别占耀州区总转出面积的3.66%，0.88%，0.76%，0.56%和0.22%；其余土地利用类型转入面积从大到小依次为其他建设用地、农村居民点、城镇用地、草地和水库坑塘，转入面积分别为2 107.73，2 068.79，796.40，495.97和100.12 hm2，分别占耀州区总转入面积的9.77%，9.59%，3.69%，2.30%和0.46%。

表4 2008-2015年陕西铜川耀州区土地利用转移矩阵Table 4 Land use transfer matrix of Yaozhou District,Tongchuan,Shaanxi during 2008-2015 hm2

由表4可知，与2000-2008年相比，2008-2015年耕地的转出面积减少，转入面积增加，主要转出土地利用类型仍为林地，转出面积为7 321.00 hm2，占耕地总转出面积的63.42%，其次转出为农村居民点、其他建设用地和城镇用地，转出面积分别为1 875.60，1 417.76，和730.44 hm2，分别占耕地总转出面积的16.25%，12.28%和6.33%。与2000-2008年相比，2008-2015年林地的转出面积增加，转入面积减少，主要转出土地利用类型仍为耕地，转出面积为7 528.53 hm2，占林地总转出面积的86.30%。与2000-2008年相比，2008-2015年农村居民点的转出面积减少，转入面积增加，主要转出土地利用类型仍为耕地，转出面积为704.30 hm2，占农村居民点总转出面积的89.07%。与2000-2008年相比，2008-2015年草地的转出面积大幅减少，主要转出土地利用类型从双地类(耕地与林地)转变为单一地类(耕地)，转出耕地面积达162.86 hm2，占草地总转出面积的85.62%;在转入方面，主要转入类型由耕地转变为林地，林地转入面积309.42 hm2，占草地总转入面积的62.39%。与2000-2008年相比，2008-2015年其他建设用地转出面积无较大变动，而在城市化发展进程下，转入面积增长更为剧烈，主要由耕地和林地转入，转入类型和面积均较为集中。与2000-2008年相比，2008-2015年城镇用地和水库坑塘转移类型及面积基本无明显改变，仅局部发生少量转移。

2008-2015年耀州区7种土地利用类型的主要转出土地类型的空间分布状况如图3所示。图3显示，与2000-2008年相比，2008-2015年耀州区土地利用类型转移空间分布情况有部分差异，其中耕地向林地的重点转移区域从北部变为中部，而耕地向林地的重点转移区域则从中部变为北部。草地发生转移范围缩小，集中于耀州区南部，农村居民点向耕地的转移范围持续向东北部扩张。城镇用地、水库坑塘以及其他建设用地发生转移区域变化不显著，仍主要位于南部台塬川道区。

图3 2008-2015年陕西铜川耀州区不同土地利用类型之间转移状况分布Fig.3 Distribution of land use changes among different land use types in Yaozhou District, Tongchuan,Shaanxi during 2008-2015

2.3 土地利用重心迁移

由表5和图4～5可知，在2000-2015年，耀州区各土地利用类型重心均进行了一定程度的空间迁移。其中，林地广泛分布于耀州区北部地区。从迁移距离来看，2000-2008年耀州区林地重心向东北方向转移，转移距离较小，为248.45 m；2008-2015年，林地重心又转移至108°47′50.791″ E，35°05′19.631″ N，迁移距离为598.35 m，该变化主要受退耕还林政策影响，但由于耀州区林地面积基数大，变化较不明显。

表5 2000-2015年陕西铜川耀州区各土地利用类型重心坐标Table 5 Barycenter coordinates of land use types in Yaozhou District,Tongchuan,Shaanxi during 2000-2015

由表5和图4可知，2000年耕地重心坐标为108°51′24.818″ E、35°01′18.367″ N，2008年耕地重心坐标迁移至108°51′57.408″ E、35°00′30.924″ N，2000-2008年耕地重心由东南方向转移，转移距离为1 756.82 m；2008-2015年耀州区耕地重心向北部转移，转移距离为1 242.26 m。总体来看，耕地利用重心位于耀州区中心位置，2000-2008年耕地重心迁移主要是由于退耕还林工程的影响，导致北部山地峡谷地区大量零散耕地转化成林地，从而使重心南移；而2008-2015年耕地重心迁移则由于东北部区域建设用地及农村居民点迅猛扩张所致。

由表5和图4可知，2000年农村居民用地重心坐标为108°55′41.091″ E、34°58′14.716″ N，2008年坐标为108°54′50.812″ E、34°58′32.626″ N，2000-2008年农村居民点重心向西北方向迁移，迁移距离1 617.80 m；2008-2015年迁移至108°55′04.378″ E、34°57′34.837″ N，整体向东南方向迁移1 724.91 m。总体来看，农村居民用地在初期主要分布在南部台原川道区，随后向中部地区蔓延，而随着南部地区城镇迅速发展，农村居民点扩张成为必然趋势。

图4 2000-2015年陕西铜川耀州区6类主要土地利用类型的重心转移图Fig.4 Shifts of gravity centers of 6 major land use types in Yaozhou District,Tongchuan,Shaanxi during 2000-2015

图5 2000-2015年陕西铜川耀州区水库坑塘的重心转移图Fig.5 Shift of gravity center of reservoir ponds in Yaozhou District,Tongchuan,Shaanxi during 2000-2015

由表5和图4可知，2000年耀州区城镇用地重心坐标为108°56′54.405″ E、34°55′39.707″ N，2008年坐标为108°56′43.551″ E、34°55′33.133″ N，2015年坐标为108°55′50.487″ E、34°55′49.746″ N，城镇用地重心2000-2008年迁移距离400.62 m，2008-2015年迁移距离为1 618.80 m。城镇用地重心迁移表现为2000-2008向西南迁移，2008-2015向西北迁移；整体向西北移动，且迁移距离较小。

由表5和图4可知，2000年耀州区草地重心坐标为108°57′11.692″ E、34°56′51.312″ N，2000-2008年整体变化趋势是向东南方向迁移，迁移距离为4 708.80 m，而在2008-2015年耀州区草地重心向东北方向转移，转移距离达5 448.97 m。草地主要分布在研究区南部，但随着草地退化、生态功能的下降等问题，以及林地面积扩张占有草地，使得草地重心逐渐发生转移。与林地和耕地相比，草地是研究区较为匮乏的土地利用类型，由于其面积相对较小，面积小规模变化即可对重心的迁移造成显著变化，因此在迁移距离上，草地呈现出较大的变化趋势。

由表5和图4可知，2000-2008年其他建设用地重心坐标由108°56′41.346″ E、34°59′36.205″ N迁移至108°58′0.628″ E、34°58′35.629″ N，向东南方向转移，转移距离为3 022.55 m；2008-2015年重心又迁移至108°54′13.352″ E、34°58′59.263″ N，重心向西北方向转移7 031.67 m，其重心转移趋势为东南-西北方向。

由表5和图5可知，2000年耀州区水库坑塘用地重心坐标为108°51′51.606″ E、34°57′56.294″ N，2008年坐标为108°52′31.026″ E、34°58′15.143″ N，2015年坐标为108°51′17.577″ E、34°58′51.882″ N，水库坑塘用地重心2000-2008年迁移距离为1 342.56 m，2008-2015年迁移距离为2 484.52 m，其重心转移趋势为东北-西北方向。

3 结 论

以西北旱区典型县域陕西铜川耀州区作为研究区，利用2000，2008，2015年3期土地利用数据，从土地利用变化的程度、过程及空间3个维度对其空间分异特征进行了分析，主要结论如下：

(1)从土地利用变化程度来看，2000-2015年耀州区土地利用程度综合指数变化波动较大，土地利用开发程度从2000-2008年的调整期过渡至2008-2015年的发展期，但在2000-2015年间土地利用程度变化量为-2.00，总体仍处于调整期，土地利用程度较低。2000-2015年耀州区各土地利用类型中，耕地的利用程度变化量绝对值较大，水库坑塘和草地的利用程度变化量绝对值均较低，耕地和草地利用呈衰退趋势，其余土地利用类型均呈持续发展趋势。耀州区土地利用总体处于调整期，仍有较大开发利用空间。

(2)从土地利用变化过程来看，2000-2015年耀州区土地利用类型的转移趋势主要是耕地与林地相互转移及耕地向农村居民点、其他建设用地、城镇用地等人类生产生活用地转移。林地和耕地发生转移区域覆盖范围最大，广泛分布于耀州区北部山地峡谷区和中部丘陵区。农村居民点发生转移区域主要分布于耀州区中东部及南部大部分地区，后期逐渐向东北部扩张。草地发生转移区域呈缩减趋势，由先前的分散于中部和南部区域转变为集中于南部。其余土地利用类型发生转移区域均分布于南部台塬川道区，且转移面积变化不明显。

(3)从土地利用空间变化趋势来看，2000-2015年耀州区各土地利用类型的重心发生了明显迁移，其中其他建设用地和草地重心转移距离均较大，林地重心转移距离最小。林地和农村居民点用地重心迁移呈“先北后南，整体西移”态势；耕地和草地重心迁移呈“先南后北，整体东移”态势；其他建设用地重心转移呈“先东后西，整体南移”态势；城镇用地和水库坑塘重心转移轨迹则表现出较强的趋势性，其中城镇用地重心持续向西部迁移，水库坑塘重心持续向北部迁移。