近20年中心城市土地利用時空變化和驅動力分析

柳 明

(山東省地質礦產勘查開發局第三地質大隊，山東 煙臺 264004)

土地利用及其演變特征是景觀生態學研究的核心內容，是人類活動最直觀的表現。自20世紀70年代以來，國內外學者逐漸開始從定量角度分析土地利用情況。隨著研究的深入，國內學者為分析國內城市化進程發展、深入研究土地利用變化驅動機制，為城市規劃提供數據支持，開展了城市土地利用類型演化及其生態效應研究[1-2]。

土地利用類型受生態環境、經濟發展、社會變革等多類型因素影響。生態環境對土地利用類型變化具有引導作用，而經濟發展、社會發展政策等人類活動對土地利用變化在一定程度上起到了決定性作用，因而土地利用類型演變歷程是自然與人文過程交叉最為密切的問題。開展土地利用以及覆被類型變化研究，分析土地利用類型演變機制，可為土地利用規劃提供依據，為區域可持續性發展提供支持[3-6]。

目前對土地利用演變分析研究多以單一的土地利用類型變化、空間格局變化、重心變化等為主，本文基于GIS技術以2000～2020年期間鄭州市土地覆被數據，同時對研究區土地利用類型空間格局變化、重心遷移進行分析，并構建土地利用區位指數、多樣性指數、土地利用綜合程度指數等動態度指數綜合分析鄭州市土地覆被類型變化趨勢，對鄭州市土地利用類型變化驅動力分析，為鄭州市在土地利用規劃方面提供有效的數據支撐。

1 研究區概況

鄭州市地處河南省中部偏北，北臨黃河，西依嵩山，緊鄰黃淮平原，總面積約為7 567 km2，常住人口1 260萬人，城鎮人口987.9萬人，城鎮化率78.4%。鄭州市是河南省省會，全省的政治、經濟、文化中心，下轄12個縣(市)、區，其中,縣1個、縣級市5個、區6個。在我國經濟發展格局中，鄭州承東啟西，連接南北，是重要的商品生產、貨物集散地及交通樞紐。

2 數據來源與方法

2.1 數據源與處理

研究所用數據來源于GlobeLand30數據集，GlobeLand30數據集是中國國家高技術研究發展計劃(863計劃)全球地表覆蓋遙感制圖與關鍵技術研究項目的重要成果[7]。數據集中包含地類利用類型達十多種。分別獲取鄭州市2000、2010、2020年土地利用數據，并完成對數據的裁剪、投影變換等基本操作和數據預處理。

2.2 研究方法

本文主要從鄭州市土地利用空間變化過程、變化動態度2個維度展開分析，分別運用土地利用占比變化、程度指數、空間質心遷移狀態、多樣性分析等分析鄭州市2000～2020年土地利用演變過程。

2.2.1 土地利用空間質心轉移分析

土地利用空間質心轉移反映土地利用類型在空間上的集中分布情況。通過研究區內研究期間始末土地利用類型質心變化及分布特征，研究分析土地利用類型質心轉移情況?？臻g質心計算公式如下：

(1)

式中，Xi為第i類土地利用類型質心X坐標；Yi為第i類土地利用類型質心Y坐標；n為研究區按區縣劃分小區域的數目；Si為第i類土地利用類型面積；xi為第i區域內質心x坐標；yi為第i區域內質心y坐標。

2.2.2 土地利用綜合程度分析

土地利用綜合程度的大小直接反映了該區域內土地利用程度的高低水平。由于自然環境、經濟結構改革以及社會發展是驅動土地利用/覆被變化的重要因素，通過對土地利用綜合指數分析，能夠客觀反映土地利用驅動力因素對土地利用現狀的影響。針對土地利用開發程度，結合土地利用的可持續發展提出了土地利用程度的綜合分析方法，對不同土地利用類型設定分級指數，構建耕地、林地、水體、濕地、草地、人造地表利用程度分級指數分別為3、2、2、2、2、4。用土地利用程度綜合指數來表示區域土地利用程度，計算公式如下[7-8]:

(2)

式中，LUI為土地利用程度綜合指數；Gi為第i種土地利用類型的分級指數；Si為第i種土地利用類型面積的百分比。

2.2.3 土地利用多樣性分析

土地利用類型多樣化程度是對區域性土地利用類型豐富性和總體結構進行評價的一項重要指標。研究采用吉布斯-馬丁(Gibbs-Martin)的多樣化指數模型分析構建鄭州市土地利用多樣化程度指數。計算公式如下[9-10]：

(3)

式中，GM為單位面積內土地利用多樣化指數；Si為單位面積內第i種用地類型面積。土地利用多樣化指數GM取值范圍[0～1]，GM值越大說明區域用地多樣化程度越高。當區域內多樣化指數為0時，說明該區域內僅含有一類土地類型；當GM值為1時，土地利用類型多樣化程度高，土地利用類型發展均衡。

3 結果與分析

3.1 土地利用空間變化分析

3.1.1 土地利用空間分布

通過不同年份土地利用分類，將柵格數據轉換為矢量數據，進行圖層融合，并賦予相對應屬性信息，根據不同年份屬性信息，進行統計匯總得到2000～2020年土地利用轉移矩陣。鄭州市土地利用結構變化情況如表1所示。

表1 鄭州市2000～2020年土地利用變化特征

如圖1所示，土地利用空間分布上，2000～2020年鄭州市土地利用類型可以分為耕地、林地、草地、濕地、水體和人造地表。耕地作為主要用地類型，占據鄭州市60%以上面積；林地、草地主要分布于西部鞏義市、登封市范圍內；鄭州市水域面積較少，濕地、水體主要分布在北部黃河沿岸附近；人造地表呈逐年遞增趨勢，以各區縣主要經濟發展區向周邊擴增，主要集中在東北部地區。

圖1 2000～2020年鄭州市土地利用空間格局

數量變化上，2000～2010年期間耕地用地類型變化量在11%左右，人造地表面積增加一倍，濕地減少41%；2010～2020年期間人造地表面積增加最多，變化量為67%，濕地增加1.75倍，耕地面積減少最多。2000～2020年期間耕地、水體均在減少且變化量較大，濕地、人造地表均有明顯增加?？傮w上，隨著鄭州市經濟發展、人口擴增體現現代化城鎮建設的建筑區呈現快速增長趨勢。

3.1.2 土地利用類型空間質心

分析土地利用類型空間質心，可分析了解研究區內各土地利用類型的聚集中心的變化情況，研究遷移趨勢，推斷研究區發展方向。如表2和圖2所示，2000～2010年間鄭州市發展主要集中在北部二七區、管城回族區等區縣，隨著西部地區的滎陽市、上街區、鞏義市的快速發展，人造地表向西南方向遷移3 753.29 m；水體向東北遷移4 999.06 m，濕地向西南遷移18 788.25 m；其他用地空間質心基本未發生遠距離轉移。2010～2020年間，鄭州市城市發展開始逐漸向東部轉移，形成鄭東新區CBD，人造地表質心向東部遷移。

表2 2000～2020年土地利用類型空間質心遷移距離/m

圖2 2000～2020年土地利用類型空間質心遷移

3.2 土地利用動態度分析

3.2.1 土地利用綜合程度變化

計算鄭州市各區縣不同時期的土地利用程度和變化量，如圖3和表3所示，結果表明：2000～2010年、2010～2020年兩個時間段內各區縣土地利用綜合指數變化量均呈正值，2000～2020年期間鄭州市空間分布土地利用綜合程度指數值較大的區域集中在經濟發展良好、人造地表占比大、城鎮化發展迅速的區域。研究期間鄭州市正處于持續發展期，表明經濟改革、社會發展對土地綜合利用程度具有推動作用。

圖3 2000～2020年鄭州市各區縣土地利用綜合程度指數變化

表3 2000～2020年各區縣土地利用程度指數變化分析

3.2.2 土地利用多樣性變化

建立1 km×1 km網格，基于GIS數據處理工具統計分析各網格內各類土地利用類型面積，并根據式(3)計算各網格內多樣化指數，結果如圖4所示。不同區縣土地利用類型多樣性在空間上差異較為明顯，GM整體取值在[0～0.75]范圍內，大部分區域內GM值在0.47以下，受區域經濟發展影響，鄭州市土地利用類型多樣化程度整體偏低。

圖4 2000～2020年鄭州市各區縣土地利用多樣性指數變化

結果表明：(1)2000年研究區內部分區縣發展較緩慢地區GM值偏低，主要發展農牧業，耕地集中分布；發展程度較高的區縣內GM值偏低的主要原因是城鎮化發展程度高，人造地表集中分布。(2)GM取值在[0～0.01]的主要集中在耕地、城鎮化發展程度、土地利用類型單一區域；GM取值在[0.01～0.19]的主要集中在人造地表聚集或用地類型向單一化人造地表發展的區域，土地利用多樣性指標偏低；GM取值在[0.19～0.37]的主要處于地類變化交界處；GM取值在[0.37～0.75]的多為耕地、林草、水體、人造地表交錯帶，這類區域屬于耕地、林地、草地、人造地表之間的緩沖過渡帶。從GM取值范圍可以分析得到鄭州市由西北逐漸向東部、南部拓延，主城區中的金水區、中原區、管城回族區等城鎮化發展進程迅速，主要是因為隨著經濟改革，社會發展需要用地類型逐漸呈現多樣化發展。

4 結 論

2000～2020年鄭州市土地利用空間結構持續性變化，主要表現為:人造地表、耕地、濕地、水體面積變化較大，人造地表動態度變化最大，耕地面積持續減少，轉化為人造地表、林地和草地；部分區域土地利用類型單一。各區域土地利用類型、多樣性指數與自然和社會經濟因素有著直接關系，人造地表空間質心整體朝著鄭州市鄭東新區、高新區、航空港區幾個方向遷移，經濟結構改變和社會變革是鄭州市土地利用變化的主要驅動因素。今后，在本研究的基礎上，還可以利用相關模型來預測出未來的土地利用發展特征及驅動力因素分析，更好的完成土地利用規劃，實現人與自然的可持續性發展。