河北省近40年土地利用时空变化特征研究

0 引言

土地资源是人类发展的重要基础,是人民安身立命之本以及开展各种生产建设活动的前提条件[1],不过,人类活动也会改变土地利用结构和功能[2],在一定范围与时期内形成稳定的土地利用类型分布与构成,同时,土地利用类型的分布还将影响土地资源的使用效率和产出效益。研究区域土地利用的现状与变化过程,优化区域土地利用结构,为区域产业分布与社会发展提供高效优质的土地资源,促进社会经济的高速发展与人民生活水平的快速提升。

近年来,有很多学者进行了土地利用及其时空变化方面的相关研究。Kucsicsa等[3]通过对罗马尼亚1990—2006年土地利用/覆被变化的研究,确定主要的土地利用变化过程;Philogene等[4]调查巴西圣保罗州2002—2017年的土地利用/覆被变化情况,确定林区是否被焚烧,探究圣保罗州土地利用变化与火灾之间的关系,得出圣保罗州火灾事件呈下降趋势的结论;Tiando等[5]基于2010年和2020年的GlobeLand 30影像数据,利用效益分转移(BTA)对西非贝宁热带沿海地区土地利用变化对生态服务价值的影响进行考察;Saeed等[6]以利用多层感知机神经网络(MLP-NN)算法预测沙特阿拉伯半干旱地区土地利用/覆被的空间和年代;Jukneliene·等[7]通过全局莫兰指数和局部莫兰指数对立陶宛各市的土地利用分布中的模式进行检查,分析立陶宛土地利用变化的时空格局;Mamun等[8]基于TM影像数据,利用GIS评价唐奈尔市土地利用时空变化。

伊木然江·阿卜来提等[9]基于GlobeLand 30数据集,通过土地利用转移矩阵以及土地重心迁移,分析新疆维吾尔族自治区哈密市2000—2020年土地利用变化的时空特征;李亚丽等[10]利用核密度分析法来表达土地利用格局的变化,采用土地利用变化强度、土地利用转移矩阵指数分析近40a榆林市土地利用变化的速度、强度、结构以及影响因素。葛志楠等[11]通过SWAT模型研究渭河流域土地利用变化对径流的影响,发现渭河流域土地利用变化对径流有抑制作用,影响小于10%。Liu Jiaming 等[12]通过深度学习模拟兰州市生态服务对土地利用变化的响应,弥补了现有逻辑单元模拟模型仅用一个数据时间片提取邻域效应的不足。王育红等[13]设计一种基于矢量数据的LUCC广义转移矩阵自动挖掘方法,提高转移矩阵矢量化计算的准确度和灵活性。罗娅等[14]应用“纵横向”拉开档次法对石漠化治理区土地利用的安全性进行评价,为评估石漠化治理区土地利用效应提供了借鉴。李玉等[15]对抚顺矿区1989—2019年土地利用/覆被进行分析,通过转移矩阵定量描述各地类演变方向,根据转移图谱确定不同年份各地类之间转换位置和数量,利用主成分分析方法揭示主要驱动力。廖伟华等[16]基于序列模式对广西壮族自治区土地利用变化进行分析,弥补了传统的转移矩阵只能对两期土地利用数据相互比较的不足,总结长期整体的变化。

河北省是我国农业大省之一,在京津冀一体化中有着举足轻重的作用。土地资源丰富是河北省的最大优势,京津发展对河北省最大需求是土地资源的需求,扩大其发展空间,研究河北省土地利用变化以及优化河北省土地利用结构,能促进京津冀经济区经济发展和人民生活水平快速提高。目前关于河北省土地利用的研究很少,以河北省为研究对象,基于土地利用数据,分析河北省1980—2020年期间的土地利用时空变化特征,使河北省土地资源发挥更大作用与效益。

1 研究区及所用数据

1.1 研究区概况

河北省位于北纬36°—43°,东经113°—120°之间,环抱北京和天津,下辖石家庄、唐山、秦皇岛、邯郸、邢台、保定、张家口、承德、沧州、廊坊、衡水11个地级市,总面积18.88万平方公里,省会石家庄市,北距北京283公里,东与天津市毗连并紧傍渤海,东南部、南部衔山东、河南两省,西倚太行山与山西省为邻,西北部、北部与内蒙古自治区交界,东北部与辽宁省接壤。

河北地区地势西北高、东南低,地貌类型齐全,地貌单元包括:燕山和太行山山地、河北平原、坝上高原。河北省气候类型属于温带大陆性季风气候,大部分地区四季分明。

1.2 所用数据

所用数据包括1980年、1990年、2000年、2010年、2020年共5期土地利用/覆被(LUCC)数据,格式为栅格数据格式,栅格大小为1 km,根据国家标准《土地利用现状分类(GB/T21010—2017)》,土地利用类型包括25个二级地类。河北省行政区划数据数据格式为矢量数据格式。二者均来源于中国科学院资源环境与数据中心(https://www.resdc.cn/)。

2 土地利用时空变化研究

2.1 近40年河北省土地利用结构状态

基于河北省1980年、1990年、2000年、2010年2020年的土地利用数据,利用ArcGIS软件空间分析模块下的重分类工具,将二级地类合并为一级地类,包括耕地、林地、草地、水域、城镇用地、未利用土地、海洋。制作出河北省1980年、1990年、2000年、2010年、2020年的土地利用分布示意图,如图1所示。对土地利用数据进行统计,进一步获取河北省不同年份各土地利用类型的面积及比率,见表1。

表1 河北省土地利用结构(km2;%)Table 1 Land use structure of Hebei Province (km2;%)

从河北省1980—2020年的5期土地利用分布来看,耕地主要集中分布于河北省的南部地区;林地集中分布在河北省的北部地区;草地多分布于河北省中部和北部区域;城镇用地多分布于河北省的中部、南部地区;水域大多分布在河北省的东部、南部地区;未利用地面积较小,零星分布于河北省内。

从河北省的土地利用结构来看,最主要的土地利用类型为耕地,各年份总面积都在9万 km2以上,1980—2010年占河北省总面积的比重都在50%以上,2020年也接近50%;其次是林地和草地,各年份总面积均在3万 km2以上,占河北省总面积比重均大于15%;城镇用地各年份面积均大于1万km2,并在2020年达到21 347 km2;水域、未利用地和海洋面积相对较小,各年份面积均小于5 000 km2,所占比重都在3%以下,其中未利用地占河北省总面积的比重接近于1%,海洋占河北省总面积的比重近乎于0。河北省1980—2020年,土地利用结构明显变化特征为:耕地的比重逐年减小,城镇用地的比重逐年增长,其它的土地利用类型比重变化相对较小。

2.2 近40年河北省土地利用动态度分析

通常可以利用土地利用动态度对土地利用的变化进行研究分析,土地利用动态度表征地类变化速度的快慢,代表着某个时间段人类活动对土地利用覆被变化影响的大小[17]。选取土地利用变化幅度对河北省土地利用变化进行动态研究。

土地利用变化幅度是指某一特定研究时段内,研究区土地利用面积变化的绝对量[18],包括总体变化幅度和平均变化幅度:

式(1)中,C代表土地利用总变化幅度,Ua,Ub分别代表研究期初、期末土地利用类型的面积。平均变化幅度为总体变化幅度与研究时段间隔的比值。

计算出河北省近40年间的土地利用变化幅度,见表2,正数表示土地利用类型面积增加,反之,负数表示土地利用类型面积减少。从河北省1980—2020年分期土地利用变化幅度来看,不同土地类型面积的变化差异很大,不同的时段变化波动也很大。总体上来看,耕地、草地、未利用地的面积呈减少的趋势,其中耕地面积减少了8 757 km2,草地减少的面积为1 096 km2,未利用地面积减少了796 km2;林地、水域和城镇用地呈现增长的趋势,增长量最大的为城镇用地,增长了9 975 km2,水域的增长面积为699 km2,林地增长面积为300 km2。从平均变化幅度的角度来看,减小幅度最大的是耕地,减少面积为218.925 km2,增长幅度最大的是城镇用地,增长了249.375 km2。

表2 河北省土地利用变化幅度(km2)Table 2 Land use change range in Hebei Province (km2)

2.3 河北省近40年土地利用转移图谱分析

土地利用转移图谱是进行“空间与过程”研究的时空复合体,对它的描述可以通过同时反映土地空间差异和时序变化过程的状态变量来实现[19]。转移图谱的一般基于ArcGIS的地图代数功能,通过加法和乘法实现。通常为前一期土地利用数据×10+后一期土地利用类型,这样就可以把任意两期土地利用类型数据叠加在一起,反映出不同时间段之间不同的土地利用类型之间相互转换的位置和数量。

2.3.1 1980—2020年河北省土地利用转移图谱

土地利用转移图谱能够表达出不同年份之间不同的土地利用类型之间转换的位置和数量,借助ArcGIS软件平台地图代数模块,对不同时期的土地利用数据进行叠加分析,绘制河北省1980年和2020年两期土地利用数据的转移图谱,如图2 所示,对转移图谱进行分类,将土地利用类型未发生改变的区域分为未变,土地利用类型发生改变的区域分为变化,未变区域的面积远大于变化区域,表明1980—2020年,河北省的土地利用方式相对稳定。

为了定量分析土地利用类型之间的演变方向和数量,通过面积制表功能计算出河北省1980—2020年的土地利用转移矩阵,见表3。土地利用转移矩阵是用来研究区域内不同土地利用类型变化的方向,它不仅包含了静态的地类面积信息,还包含动态的地类面积转入转出信息[20]。转移矩阵可以将任意两个时期不同土地利用类型之间的相互转化关系有效地表示出来[21]。从土地利用类型转入的部分来看,草地和城镇用地转入耕地的面积最大,分别为6 801 km2、5 823 km2;草地和耕地转为林地的面积最大,分别为6 172 km2、3 942 km2;林地和耕地转为草地的面积最大,分别为6 571 km2、6 316 km2;耕地和城镇用地转为水域的面积最大,分别为1 876 km2、746 km2;耕地和林地转为建设用地的面积最大,分别为14 280 km2、1 283 km2;耕地和水域转为未利用地的面积最大,分别为262 km2、254 km2;从土地利用类型转出的部分来看,耕地转为城镇用地和草地的面积最大,分别为为14 280 km2和6 316 km2;林地转为草地和耕地的面积最大,分别为6 571 km2、2 963 km2;草地转为耕地和林地的面积最大,分别为6 801 km2、6 172 km2;水域转为耕地和城镇用地的面积最大,分别为1 594 km2、395 km2;城镇用地转为耕地和水域的面积最大,分别为5 823 km2、746 km2;未利用地转为耕地和水域面积最大,分别为848 km2、313 km2。

表3 河北省1980—2020年土地利用转移矩阵(km2)Table 3 Land use transfer matrix of Hebei Province from 1980 to 2020 (km2)

2.3.2 1980—2020年土地利用涨势图谱

土地利用类型的变化有转入和转出情况,转入会导致土地利用类型面积的增加。为了进一步确定不同年份之间,不同土地利用类型新增的位置和数量,绘制河北省1980—2020年间的土地利用涨势图谱,如图3所示。将所有其它土地利用类型转为某一种土地利用类型的情况归为该类型新增的面积,在此基础上得到涨势图谱结构表,见表4。

表4 1980—2020年 河北省土地利用涨势图谱结构表(km2)Table 4 Map structure of land use rise in Hebei Province from 1980 to 2020 (km2)

河北省1980—2020年期间土地利用类型未发生改变的面积仍然占大部分,说明土地利用方式相对稳定。从整个研究时段来看,各土地利用类型新增(转入)面积大小排名前四的是:耕地、城镇用地、草地、林地,转入面积分别为:18 014 km2、16 656 km2、13 781 km2、10 555 km2,其中,耕地转入面积排名前四的城市为:张家口4 225 km2、承德3 768 km2、保定1 925 km2、唐山1 569 km2,城镇用地转入面积前四的城市为:保定2 454 km2、唐山2 016 km2、石 家庄1 818 km2、邯郸1 703 km2,草地转入面积前四的城市为:承德5 417 km2、张家口3 903 km2、保定1 407 km2、石家庄937 km2,林地转入面积前四的城市为:承德4 528 km2、张家口2 740 km2、保定949 km2、秦皇岛931 km2。

2.3.3 1980—2020年土地利用落势图谱

土地利用类型的转出会导致该地类面积的减少(萎缩),同理,将某一地类转为其它类型的情况全部归为该地类萎缩的面积,绘制土地利用落势图谱和落势图谱结构表,如图4和表5所示。

表5 1980—2020年河北省土地利用落势图谱结构表(km2)Table 5 Structure of land use falling trend map of Hebei Province from 1980 to 2020 (km2)

从图4和表5可知,在河北省土地利用方式相对稳定的情况下,萎缩(转出)面积大小排名前四的类型为:耕地、草地、林地、城镇用地,转出面积分别为:26 661 km2、14 907 km2、10 276 km2、6 925 km2,其中,耕地转出面积最大的4个城市为:张家口5 017 km2、承德4 190 km2、保定3 064 km2、唐山2 362 km2,草地转出面积最大的4个城市为:承德4 874 km2、张家口4 497 km2、保定1 685 km2、秦皇岛1 073 km2,林地转出面积最大的4个城市为:承德5 032 km2、张家口2 093 km2、保定986 km2、秦皇岛649 km2,城镇用地转出面积最大的4个城市为:唐山1 327 km2、沧州1 021 km2、保定836 km2、衡水625 km2。

3 结论

基于河北省1980—2020年期间5期土地利用数据,结合土地利用动态度、转移图谱以及转移矩阵等方法对近40年河北省的土地利用时空变化进行分析,得到时空变化的特征,具体来说:

(1)在整体结构中,河北省土地利用类型以耕地为主,林地和草地次之,海洋面积最小。

(2)从变化幅度上来看,城镇用地＞耕地＞草地＞未利用地＞水域＞林地＞海洋。

(3)从时空变化来看,1980—2020年期间,河北省各土地利用类型新增(转出)面积大小前四为:耕地＞城镇用地＞草地＞林地,其中耕地转入面积最大的城市为张家口,城镇用地转入面积最大的城市为保定,草地和林地转入面积最大的城市为承德;萎缩(转出)面积最大的4种类型为:耕地＞草地＞林地＞城镇用地,其中,耕地转出面积最大的城市为张家口,草地和林地转出面积最大的城市为承德,城镇用地转出面积最大的城市为唐山。