近20年陕西省土地利用时空格局分析

张 阳

（长安大学土地工程学院，陕西 西安 710054）

0 引言

土地是人类赖以生存的基本物质资源，是人类进行生产、生活的重要载体，一定程度上反映着区域人类活动的强度［1］。土地利用的实质是人类为满足社会经济生产发展的需要而对地表形态进行开发利用的活动过程［2］。在过去的几十年里，由于快速城镇化的驱动，土地利用方式在深度与广度上呈现出剧烈改变，直接或间接影响着区域人地关系的演变［3］。大量研究表明，土地利用变化会对碳储量、水文径流、区域降雨等自然生态系统产生影响［4-5］。因此，作为反映自然生态过程与人类社会发展建设活动相互作用的桥梁，区域用地格局演变成为社会-经济-生态发展在空间上的投影，研究区域土地利用时空变化格局有利于掌握自然生态系统与人类社会系统相互机制，对于理解区域人地关系演化至关重要，有利于减少土地不合理利用带来的消极影响，促进土地资源合理利用，受到了学术界和实践者的高度重视［6-7］。因此，本研究基于2000、2010、2020三期土地利用数据，从数量变化、方向变化、重心变化三个角度试图揭示陕西省土地利用时空变化特征，以期为国土空间优化布局与人地关系协调发展提供科学参考。

1 研究区概况与数据来源

1.1 研究区概况

陕西省坐落于我国西北内陆腹地（位于105°29＇E~111°15＇E和31°42＇N~39°35＇N之间），是连接中国东、中部地区和西北、西南枢纽，属于东南湿润地区到西北干旱地区的过渡带。全省共辖10个市，107个县，各地年平均气温在7~16℃左右，年降水量400~900 mm，气温和降水空间分布均呈现出由南向北依次降低的特征。地势南北高、中间低，从南向北横跨陕南秦巴山地、关中平原、陕北黄土高原等3个地貌单元。

1.2 数据来源

本研究土地利用数据来自中国科学院空天信息创新研究院全球30 m地表覆盖精细分类产品（GLC_FCS30~1985_2020）V1.0［8］，共包含29个地表覆盖类型，本研究为更准确地揭示不同地类形态的空间分异特征，将土地利用类型归并为耕地、林地、草地、水域、建设用地、其他用地，分类原则见表1。

表1 土地利用类型分类规则

2 研究方法

本研究通过计算土地利用转移矩阵、土地利用综合变化率、土地利用重心迁移规律来表征陕西省2000—2020年土地利用时空变化特征，主要研究方法如下。

2.1 土地利用转移矩阵

土地利用转移矩阵不仅能够反映土地利用的结构特征，同时还能反映各地类类型之间的转化程度和方向，从而揭示土地利用格局的时空演变过程［9］。其数学表达式为式（1）。

式中：Sij表示土地利用类型i转换为土地利用类型j的面积。n为土地利用的类型。

2.2 综合土地利用动态率

综合土地利用动态率与传统土地利用动态度测算方法不同的是在测算动态度时它综合考虑了不同地类的转移与新增这一对互为相逆的变化过程，能够更精准的反映土地利用变化综合活跃程度［10］，计算公式为式（2）至式（4）。

式中：T RL i为转移速率，I RL i为新增速率，B B L i表示特定时间内某一种地类的综合土地利用动态率；分别为i地类在初期和末期的面积，ULAi为i地类未变化部分的面积。

2.3 重心迁移模型

重心迁移模型可以有效反映不同土地利用类型在特定时间内的空间演变过程。其计算公式为［11］式（5）和式（6）。

式中：X和Y分别表示特定区域内某种土地利用类型重心空间坐标，Xi和Yi分别表示特定土地利用类型的经度和维度坐标，Tti和n分别表示某种土地利用类型的第i个斑块的面积和该土地利用类型的斑块数量。

3 结果与分析

3.1 陕西省土地利用时空变化总体特征

2000年以来陕西省土地利用格局发生了较为明显的变化，变化总面积达11 815.9 km2，占陕西省总面积的5.75%，主要变化的用地类型包括耕地、林地、草地、建设用地，且发生变化的区域有所缩小。相较于2000年，2020年陕西省耕地面积减少了3 212.70 km2（5.98%），林地面积增加了1 919.57 km2（2.02%），草地面积增加了854.47 km2（1.74%），建设用地增加了2 887.79 km2（113.25%）。

从时间上来看，在快速城镇化、退耕还林还草及“十三五”以来严格的耕地保护制度等多重因素影响下，陕西省耕地面积总体上表现为持续减少，但降幅变缓逐渐变缓（见表2），2000—2020年以2010年为节点先后减少2 080.69 km2和1 132.01 km2。2000—2010年耕地主要流向林草地（71.85%），转出面积达2 731.85 km2，其次为建设用地（24.17%），转出面积达919.05 km2。转入地类主要为草地和未利用地（93.52%），共计1 609.79 km2。2010—2020年耕地转为建设用地面积为1 632.14 km2（54.55%），转为林草地面积为1 181.82 km2（39.50%），草地为该阶段主要转入类型，面积为1 452.26 km2（78.09%）。林地总体上表现为面积持续增加，增幅变缓的特点，2000—2020年间以2010年为节点先后增加1 427.7 km2和491.87 km2。主要来源地类为耕地和草地，其中耕地贡献占比58.65%和40.73%、草地贡献占比39.82%和64.00%。建设用地扩张速度不断加快，其间先后增加1 036.23 km2和1 851.56 km2，年均增长率由3.46%上升到4.25%，表明陕西省城镇化进程加快，发展程度进一步提升。

从空间上来看，关中平原地区快速的城镇化进程依托于建设用地占用大量优质耕地，耕地和建设用地作为区域主导的地类变化类型（见表2），占区域变化面积的80%以上，研究期内耕地减少了908.98 km2和1 265.88 km2，建设用地增加了767.40 km2和1 209.82 km2，耕地向建设用地的转移分别占到了81.56%和91.96%。陕北地区土地利用变化以耕地与林草地之间的互换为主，未利用地的开垦次之。研究期内，陕北地区受制于前一阶段的退耕还林还草工程和后一阶段大量的占补平衡项目配置，耕地面积先减少626.7 km2后增加672.3 km2，林地面积先后增加838.92 km2和380.61 km2。陕南地区地处秦岭大巴山山脉，是我国重要的生态屏障，开发水平有限，面对生态保护经济发展的双重压力，土地利用变化活跃度较低，总体上表现为耕地面积不断减少，建设用地面积快速增加的趋势。

表2 陕西省主要用地类型转移面积单位：km2

3.2 综合土地利用动态率

本研究通过计算综合土地利用动态率来表征区域土地利用类型间转换的活跃程度，结果如表3所示。可以发现在所有地类中，综合土地利用动态率最高的为建设用地，最低的为林地。其中，耕地的转移面积和转移速度最大，转移率是同期新增率的2倍左右，属于高速衰减土地利用类型，转移面积占所有土地利用类型总转移面积的46.83%，且转移速度也远远高于新增速度，说明耕地是人类进行开发等活动的重要载体，但由于耕地初期面积较大，导致其转移速率并不为最高。得益于退耕还林工程，林地新增速率是同期转移速率的6倍，新增速度是同期转移速度的6.6倍，净面积不断增长，增加势头较为迅猛。草地属于微扩张土地利用类型，其转移速率与转移速度均大于同期的新增速率与新增速度，净面积少量增长。建设用地的新增速度快，新增面积和份额大，虽建设用地短时间内转移难以发生，但其新增速率远大于同期其他土地利用类型的转移速率，属典型的高速扩张地类。2000—2020年，建设用地新增速率为5.66%，是同期其他土地利用类型的2.11～47.12倍，表明建设用地是其他土地类型转移部分的主要去向。水域与其他用地同为陕西省为“敏感”的地类，虽然二者占地面积较少，但2000—2020年，水域与其他用地的综合变化率为2.96%与3.81%，仅次于同期建设用地，其中水域属于转换增加型地类，其他用地属于转换减少型地类。

表3 陕西省2000—2020年土地利用综合变化率

3.3 土地利用重心迁移规律

通过计算土地利用重心迁移，可以一定程度上反映人类活动强度的变化，由图1可知，陕西省不同土地类型整体上都表现不断向北方移动的趋势。具体来看，2000—2020年耕地、建设用地迁移方向互动最为强烈，大致呈“L”型。其中耕地重心在2000—2010年间向西北偏移，2010以后重心开始转向东北方向，2010—2020年迁移幅度最大；建设用地重心由向东北方向偏移转向西北方向，2000—2010年与2010—2020年迁移幅度趋于一致；2000—2010年其他用地的重心向东北迁移，迁移幅度较大，2010—2020年其他用地的重心开始向东南方向迁移，偏移幅度较小。研究期内，林地、草地与水域的迁移方向表现出耕地、建设用地、其他用地不同的特点，其重心迁移的方向几乎不变，呈现出直线迁移的特征。其中，林地与水域重心不断向东北迁移，林地2000—2010年迁移幅度大于2010—2020年；水域两阶段的迁移幅度呈现几乎不变的特点；草地重心持续向西北方向迁移，2000—2010年的迁移幅度远大于2010—2020年的迁移幅度。

图1 2000—2020年陕西省特定地类重心转移方向

4 结论

本研究基于2000、2010、2020年三期土地利用数据，以陕西省为例，从数量变化、方向变化、空间变化三个方面分析了2000—2020年土地利用变化时空演变特征，得出以下结论。

①研究期内，陕西省主要变化地类为耕地、林地、草地、建设用地。纵向上，耕地净面积持续下降，主要流向与新增面积来源均主要为草地与建设用地；林地面积与建设用地持续增长，主要来源为耕地和草地，建设用地面积的增加主要得益于耕地的转入。横向上，关中平原快速城镇化侵占大量优质耕地，陕北地区以耕地与林草地之间的互换为主，未利用地的开垦次之。陕南地区土地利用变化活跃度较低，耕地面积持续减少，建设用地面积快速增加。

②2000—2020年，陕西省不同土地利用类型间转换显著，耕地属于高速衰减土地利用类型。建设用地属于典型的高速扩张土地利用类型。水域与其他用地综合土地利用率远大于其他土地利用类型，是研究区域内较为“敏感”的用地类型。

③2000—2020年，陕西省不同土地利用类型的重心迁移轨迹表现出明显的方向性。关中平原耕地面积不断减少，重心向西北迁移。林地、草地、水域等生态用地呈现直线型迁移特征，重心不断向北。建设用地重心的迁移方向说明社会经济发展逐渐向北方活跃。