安阳市土地利用变化特征及驱动因素分析

王 严 孙婷婷 冯鹏宇

(1.河南一目智能科技有限公司,河南 郑州 450052;2.河南省科学院地理研究所,河南 郑州 450052;3.淇县博物馆,河南 鹤壁 458000)

0 引言

土地是自然环境给予人类的基础条件,因此土地利用类型变化(land use and land cover changes,LUCC)与人类生活是紧密相关的,也在一定程度上反映着人类与环境之间的相互作用[1-3]。伴随着人类社会的逐渐进步,人口数量快速增加以及人类对于精神生活和物质生活要求水平的不断提高,人地矛盾已成为影响社会可持续发展的重大挑战[4],因此需不断关注土地利用类型变化数量及其规律[5-6]。现今大量学者对土地利用的变化特征及驱动因素进行详细分析。吕晖等[7]对河南省2011—2016年土地变化特征进行分析,指出需要加强对河南省的土地利用效率并重视环境保护。李一琼等[8]分析近20年间苏州市土地利用时空变化特征,揭示城镇化的快速发展导致农田数量快速减少,并且苏州土地利用变化具有明显的向城镇聚集的特点。乔海燕[9]等对山东省肥城市开展分析,指出肥城市在1994—2017年耕地面积减少最多,水域面积减少最小,同时人为活动也对其土地利用变化造成影响。张家旗[10]分析河南省漯河市近40年的土地变化特征,表明改革开放以来建设用地的增加趋势最为明显,并且为实现漯河市可持续发展战略,需要对土地利用类型进行科学规划。张雪英[11]通过设计支持向量机(support vector machine,SVM)多分类器提取辽西地区土地利用信息,在此基础之上选取12个驱动因子,对辽西土地利用的内在机理和外部因素进行分析。赵飞[12]通过解译Landsat的3期遥感影像数据,总体精度达到92.698%,并在此基础之上,对黄河三角洲地区土地利用类型进行监测与分析。孙姣姣等[13]、陈丽[14]、韩腾腾等[15]、李嘉琪等[16]、赖小霞等[17]使用遥感(remote sensing,RS)解译技术和地理信息系统(geographic information system,GIS)空间分析技术,揭示大英县、银川市、武汉市、青岛市和南昌市的土地利用变化的原因以及驱动因素。

随着国家对文化产业的不断重视,近年来安阳市依托文博产业和旅游产业打造出专属自己的特色产业,不仅带动了诸多旅游产业,还吸引一大批优秀人才。与此同时,人口和经济的增加势必会对土地利用变化产生较大的影响。在此研究背景下,本研究以GlobeLand 30数据为基础,使用土地利用转移矩阵、土地利用动态度、标准差椭圆等方法,并结合GIS空间分析技术,探究安阳市近20年来土地利用变化规律及驱动因素,为安阳市土地利用可持续发展提供一定的现实依据。

1 研究区概况和数据

1.1 研究区概况

安阳市位于河南省北部,面积为7 413 km2,辖区内共分为4县(包括滑县为直管县)4区,地势东高西低,地形包括丘陵、平原和山地等。气候温润,四季分明,雨量充沛,年平均气温14.3 ℃,年平均降水量达到556.4 mm。近些年来,因为安阳市大力发展旅游经济,截至2020年底,安阳市生产总值达到2 692.18亿元,人均生产总值达到75 676元,第三产业总值达到1 222.2亿元,常住人口数为665万人,在文旅产业加持之下,安阳市已成为河南省较为具有代表性的地区之一。

1.2 数据来源

从全国地理信息资源目录服务系统下载的GlobeLand 30数据的2000年、2010年和2020年3期的土地利用类型数据,空间分辨率为30 m,同时根据国家现有土地利用类型的分类标准并结合安阳市自身区域特点,将GlobeLand 30数据进行数据重分类及相关操作,最后确定安阳市的土地利用类型共计为5类,依次为耕地、林地、草地、水域和建设用地。安阳市边界矢量数据来源于全国地理信息资源目录服务系统。安阳市国民生产总值(万元)、第二产业(万元)、第三产业(万元)、总人口(万人)、城镇化率(%)来自安阳市统计年鉴(2021年),由安阳市人民政府网站获得(https://www.anyang.gov.cn/2022/02-08/2317010.html)。

2 研究方法

2.1 土地利用转移矩阵

土地利用转移矩阵由马尔科夫提出的一种表达事物在自然界客观转移规律的数学方法,可以描述不同类型在选定时间内在数量、方向上的变化情况,包括在不同时期各个土地利用类型的转入数量和转出数量,及其转移的比率。因为其在面积分析之上具有优势,因此被广泛应用于在对土地利用类型的转化上,其数学表达式为(1)。

(1)

其中,P表示土地类型的面积;i表示研究区开始时期的土地利用类型;j表示研究区结束时期土地利用类型。

2.2 土地利用动态度

土地利用动态度反映的是土地利用类型在一定时间内变化快速的一种指标,动态度越大表示在此时间内土地类型的变化速率越快,反之动态度越小变化速率越小,其数学表达式为(2)。

(2)

其中,T表示动态度;Ua为研究区内初期的土地利用类型面积;Ub为研究区内末期的土地利用类型面积;A表示研究区内特定时间段。

2.3 标准差椭圆

标准差椭圆是由Lefever提出的,它能通过对土地利用类型分析,判断出土地利用类型在某个时间段的方向及其集中/离散的趋势,并进行可视化的表达,使数据更加清晰可观,易于理解[18]。

3 结果分析与讨论

3.1 土地利用类型在空间和数量上的变化

从空间分布来看(图1),安阳市在2000—2020年土地利用类型为耕地、林地、草地、水域和建设用地,主要以耕地为主,占研究区总面积的69.32%～76.10%。从2000、2010和2020年这三个时间段来看,建设用地面积变化的趋势最为明显,主要分布在殷都区、龙安区、北关区、文峰区,汤阴县中部、内黄县的东部和滑县的西部,这些地方因为地处安阳市中心地区,人员流动较大,经济较为发达,因此建设用地的增加较为明显。建设用地的增加势必会引起安阳市耕地面积的减少,耕地减少区域与建设用地增加区域形成相互呼应。

图1 安阳市2000—2020年土地利用类型空间分布

从数量结构上看(表1),2000—2020年耕地面积减少面积为496.76 km2,占比也由76.10%减少至69.32%;建设用地面积增加面积为463.15 km2,占比也由10.03%增加至16.35%;草地面积增加面积为31.165 km2,占比也由4.90%增加至5.32%;水域面积增加面积为12.98 km2,占比也由0.12%增加至0.29%;林地面积减少面积为10.53 km2,占比也由8.86%减少至8.72%。但从整体趋势来看,2000—2020年之间,安阳市土地利用类型的面积和占比一直都是耕地>建设用地>林地>草地>水域,虽说面积上有浮动,但整体还是趋于稳定状态。

表1 安阳市2000—2020年土地利用类型及占比

表2 安阳市2000—2020年土地利用变化动态度

3.2 土地利用变化动态度

为直观看出安阳市在2000—2020年每个类型的变化情况,将其分为三个时间段,即2000—2010年,2010—2020年和2000—2020年。2000—2010年间,动态度变化较大的分别为建设用地的0.694和林地的0.122,2010—2020年间,动态度变化较大的分别为水域的15.540和建设用地的5.241。2010—2020年间的动态度显著高于2000—2010年的动态度,表明在2010—2020年土地利用变化幅度更为剧烈。从20年区间来看,动态度变化较大的分别为水域7.619和建设用地3.149。特别是水域动态度高达15.540,而建设用地动态度也能达到7.619,因此,可以得出结论,建设用地和水域在2000—2020年变化趋势最为明显,耕地、林地和草地虽然面积也有变化,但是趋势较为平缓。

3.3 土地利用转移矩阵

为了能更加清晰明了地了解安阳市2000—2020年土地利用类型的转入面积和转出面积,将其分为2个区间,即2000—2010年和2010—2020年,通过对其土地利用转移矩阵进行分析。

从表3看,2000—2010年间,草地面积减少19.19 km2,增加15.90 km2,净减少3.29 km2;耕地面积减少130.55 km2,增加74.65 km2,净减少55.90 km2;建设用地面积减少65.12 km2,增加116.10km2,净增加50.98 km2;林地面积减少12.72 km2,增加21.00 km2,净增加8.28 km2;水域面积减少3.53 km2,增加3.45 km2,净减少0.08 km2。从净增加或者减少面积来比较,面积排序为耕地>建设用地>林地>草地>水域。

表3 安阳市2000—2010年土地利用转移矩阵

从表4看,2010—2020年间,草地面积减少68.73 km2,增加103.14 km2,净增加34.41 km2;耕地面积减少540.96 km2,增加99.89 km2,净减少441.07 km2;建设用地面积减少52.87 km2,增加464.97 km2,净增加412.10 km2;林地面积减少78.82 km2,增加60.30 km2,净减少18.52 km2;水域面积减少1.48 km2,增加14.55 km2,净增加13.07 km2。从净增加或者减少面积来比较,面积排序为耕地>建设用地>草地>林地>水域。

表4 安阳市2010—2020年土地利用转移矩阵

对比分析之后,发现除了草地面积和林地面积排序略有浮动之外,安阳市2000—2020年土地利用类型排序大致是一致的,这与前面土地利用类型在空间上变化是相同的,这也表明这是土地利用类型两种不同的表现形式。

3.4 土地利用空间方向特征分析

为了进一步分析安阳市2000—2020年土地利用类型在空间上的特征,使用ArcGIS空间分析工具分别计算2000、2010和2020年的标准差椭圆空间分布图(图2)及其对应椭圆参数(表5)。椭圆对应参数有其代表的含义,长半轴代表土地利用类型在空间上的分布方向,短半轴代表土地利用类型在空间上的分布范围。

表5 安阳市2000—2020年标准差椭圆参数

图2 安阳市2000—2020年土地利用类型标准差椭圆分布图

对2000、2010和2020年标准差椭圆分析后可知(表5),周长由2000年137.81 km减少到2010年135.45 km,最后至2020年134.71 km,面积由2000年3 820.26 km2减少到2010年3 025.16 km2,最后至2020年2 382.47 km2,都是呈现逐渐减少的趋势,表明在2000—2020年土地利用类型的空间分布是逐渐集聚。2000年长短轴之间差值为33.30 km,2010年长短轴之间差值为30.42 km,2020年长短轴之间差值为31.05 km。2000年长短轴小于2010年长短轴的差值,表明在2000—2010年,相较于2000年,2010年土地利用类型的变化范围更大。2010年长短轴小于2020年长短轴的差值,表明在2010—2020年间,相较于2020年,2010年土地利用类型的变化范围更大。同时,方位角也从2000年的114.64°减少至2010年的114.42°,最后至2020年的114.40°,扁率也由2000年的9.43增加至2010年的11.06,最后至2020年的14.03,方位角的减少和扁率的增加也意味着随着时间的推移,土地利用类型在空间上呈现逐渐扩张的趋势,同时整体上表现出从东北向西南方向集中分布的特征。

3.5 土地利用变化驱动因素分析

土地利用变化很大程度上与人们生活是息息相关的,不仅仅要分析数据直观的变化,更要分析影响土地利用变化的深层次的原因。选取安阳市自2000—2020年20年间的相关数据,分析其引起土地利用变化的内在驱动因素。

3.5.1政策因素

《安阳市“十二五”旅游产业发展规划》的出台,将重点放在旅游产业,红旗渠、安阳殷墟等一大批国家知名旅游景点,促进产业不断升级的过程中也在影响着安阳市土地利用结构的调整。

3.5.2人口因素

自2000—2020年,安阳市总人口由2000年的518.66万人增加到2020年的547.63万人,城镇化率由2000年的22.56%增加到2020年的53.04%。人口因素以及城镇化率的不断增加,必然会引起人地关系之间的矛盾,在人口不断增加的情况下,人们对于衣、食、住、行的要求不断提升,对住房、学校、交通、医院、周边大型超市等一系列需要增加,城镇用地的扩张以及耕地面积的减少也就在情理之中,人口因素是导致土地利用变化的重要原因之一。

3.5.3经济因素

自2000—2020年,安阳市的国内生产总值由2000年的2 522 165万元增加到2020年的23 004 759万元,约为2000年的9倍,呈现几何倍数的爆发式增加。同时,第二产业由2000年的1 158 648万元增加到2020年的10 082 842万元,约为2000年的8.7倍;第三产业由2000年的831 346万元增加到2020年的10 529 138万元,约为2000年的12.6倍。第二、第三产业的快速发展也导致安阳市文博产业、建筑行业的不断发展,建设用地的规模不断地扩大。

4 结论

以GlobeLand 30数据集为基础数据,采用ArcGIS空间分析技术,构建安阳市2000—2010年和2010—2020年的土地利用转移矩阵,定量分析安阳市2000—2020年间土地利用类型的转移特征,同时与土地利用动态度、标准差椭圆等方法相结合,探究安阳市在2000—2020年在空间和时间上土地利用类型的变化规律。结论如下:

(1)土地利用类型在空间上来看,安阳市主要以耕地为主,占研究区总面积的69.32%—76.10%。建设用地和耕地面积变化的趋势最是明显。从数量上来看,2000—2020年之间,安阳市土地利用类型的面积和占比一直都是耕地>建设用地>林地>草地>水域,虽说面积上有浮动,但整体还是趋于稳定状态。

(2)从土地利用变化动态度来看,在研究时间中,动态度变化较大的分别为水域的7.619和建设用地的3.149。特别是水域动态度高达15.540,而建设用地动态度也能达到7.619,可以得出结论,建设用地和水域在2000—2020年变化趋势最为明显,耕地、林地和草地虽然面积也有变化,但是趋势较为平缓。

(3)从2000—2010年和2010—2020年的两期土地利用转移矩阵来看,2000—2010年,草地面积净减少3.29 km2,耕地面积净减少55.90 km2,建设用地面积净增加50.98 km2;林地面积净增加8.28 km2;水域面积净减少0.08 km2。2010—2020年,草地面积净增加34.41 km2,耕地面积净减少441.07 km2,建设用地面积净增加412.10 km2,林地面积净减少18.52 km2,水域面积净增加13.07 km2。除了草地面积和林地面积排序略有浮动之外,安阳市2000—2020年土地利用类型的排序大致是一致的,这与前面土地利用类型在空间上的变化是相同的。

(4)从土地利用空间方向特征分析来看,2000年、2010年和2020年周长和面积依次减小,表明在2000—2020年土地利用类型的空间分布是逐渐集聚的。2000年、2020年长短轴之间的差值小于2010年长短轴之间的差值,数据表明相较于2000年和2020年,2010年土地利用类型的变化范围更大。方位角的减少和扁率的增加也意味着随着时间的推移,土地利用类型在空间上呈现逐渐扩张的趋势,同时整体上表现出从东北向西南方向集中分布的迹象。

(5)从2000—2020年安阳市统计年鉴数据可知,人口的快速增加及其对生活品质的要求是造成安阳市人地关系矛盾的重要原因之一。同时,经济的显著增加和政策的颁布也在一定程度上影响着安阳市土地利用的结构的调整。

安阳市作为河南地区文博产业和旅游产业的带头人之一,一方面要全力保障旅游和文博行业的发展,一方面又要避免因为过度开发对土地利用类型造成不良影响,兼顾两头,不断在发展中及时调整,促进土地利用的可持续发展。本研究虽涉及人口和经济对安阳市土地变化的影响,但浮于文字表面,未对收集到的可靠数据进行科学分析,这将是下一步研究重点。