丹江口市2010-2020年土地利用时空动态变化分析

孙佩 易洁伟 周凌云 尹伟 张驰 康全国 袁知洋

摘 要：【目的】基于国土变更调查数据，分析丹江口市2010-2020年土地利用时空动态变化过程。【方法】以2010年、2015年、2020年三个时期的国土变更调查成果为数据源，采用ArcGIS软件计算土地利用动态度变化指标，分析丹江口市土地利用时空动态变化过程。【结果】实验结果表明：2010-2020年期间农用地的变化表现在耕地和草地面积的减少，总面积减少944hm2，分布重心整体呈现出向西南方向迁移的特征；建设用地总面积增加2882hm2，建设用地重心向西南方向迁移；未利用地面积持续减少且减少幅度不断增加，减少面积达1938hm2，变化重心向东南方向迁移。【结论】研究结果可以为研究区域的国土资源管理和开发利用、城镇化的建设、开发环境保护等提供一定的科学依据。

关键词：丹江口市；土地利用；时空变化；转移矩阵；重心方向分布

基金项目：荆门市耕地质量生态监测试点（续作）（MSDZ202212）；编制全省耕地保护规划项目（HBECC-ZB-ZC22097）。

1 引言

土地利用是一种社会动态的概念，是在人体活动和自然界共同影响下的综合活动[1]。土地利用程度、利用状况的分析为土地开发利用的广度和深度指明了方向[2]。通过对土地利用的时空动态研究分析，可为预测未来土地利用的发展趋势提供基础[3]，对促进区域土地资源、经济社会、环境的平衡可持续发展提供重要的战略意义和应用价值[3-6]。大量学者从不同角度探索了土地利用变化状况，如刘纪远、李小根等对土地利用的时空演变特征及成因的分析[7-8]，杨丽萍、马彩虹、傅加仪等在土地利用格局及驱动机制的研究[9-11]，罗开盛、郭玉静等对土地利用变化趋势的分析等等[12-13]。很多学者在构建不同模型的基础上对土地利用结构的变化、土地利用情景的模拟等也有深入的研究[14-16]。此外，在土地利用变化对生态系统服务价值的影响[17-18]、基于土地利用变化的景观生态风险评价[19-21]、三生空间等方面的学术研究也层出不穷[22]，并取得一定成果。随着经济迅速发展，土地利用类型的变化也愈发对生态环境及社会发展产生深远的影响。在已有研究成果中，大部分成果主要是通过遥感影像解译的方式获取土地利用数据[23]，该方法受到遥感影像的分辨率以及来源的限制，导致土地利用数据精度难以保证。本文采用计算机技术与野外实地调查和人工处理相结合的方式获取精度高的国土变更调查数据，对土地利用的时空动态变化做出深入分析。

丹江口市既是我国南水北调中线工程核心水源区[24]，又坐拥国家5A级风景名胜区武当山以及国家级风景名胜区——丹江口水库风景区[8]，通过动态性、连续性的土地利用数据分析能够比较全面地反映研究区的土地利用变化的历史演变状况[4]。对该区域土地利用时间与空间动态变化的深入研究，可为研究区的国土资源管理和开发利用、城市化的发展等提供相应的科学依据，能够更好地协调经济、生态与土地利用三者之间的发展关系，兼顾三者的预期目标，统筹调度用地规模[2]。

2 数据来源及研究方法

丹江口市位于湖北省西北部，汉江中上游，东经110°47′53″-110°34′47″，北纬32°14′10″-32°58′10″之间，国土总面积为3121 km2，地势高低悬殊，地貌单元众多。气候以亚热带半湿润季风气候区为主，年降雨量丰富，年平均气温15.9℃，以黄棕壤和黄壤为主[17]。总人口约47万。

2.1 数据来源及处理

土地利用数据主要来源于自然资源局提供的2010年、2015年以及2020年度国土变更调查数据，该数据经过了多次野外实地调查举证以及地方自检和国家质检软件，精度优于传统的遥感解译方式，能够更真实地反映各种土地利用类型的变化情况。根据丹江口市的实际土地利用情况，本文在《土地利用现状分类》国家标准（GB /T 21010—2017）[25]的基础上对所获取的数据进行了重新分类整理，主要分为耕地、林地、草地、建设用地、水域、未利用地和其他土地（主要是设施农用地）7 个一级地类[18]。

2.2 研究方法

2.2.1 土地利用動态变化的衡量

土地利用转移矩阵是马尔科夫模型在土地利用变化方面的应用[8，26]。基于Arcgis平台，利用转移矩阵分析各种土地利用类型之间的流向，通过对面积变化分析，更清晰地展示各种土地利用类型之间的转移量以及概率[4]，计算公式为：

式中：S-土地利用面积，i-研究初期土地利用类型，j-研究末期的土地利用类型，Sij-研究期内第i类向第j类转化的面积，m-土地利用类型数[27]。

2.2.2 方向分布的计算

也称为Lefevers “Standard DeviationalEllipse”（利菲弗方向性分布），该算法在1926年最早由美国南加州大学社会学教授韦尔蒂·利菲弗（D.Welty Lefever）提出[28]，可以用来度量概括地理要素中心趋势、离散和方向趋势的空间特征[29]，生成的结果为椭圆。Arcgis平台提供了“椭圆大小”（Ellipse_Size）参数，表示生成的椭圆级别。总共分为三个等级，分别表示生成的椭圆能够包含68%，95%和99%的数据，可以通过指定要表示的标准差数（1、2 或 3）来决定生成的椭圆包含的数据比例。本文选取一个标准差数描述土地利用情况在时空尺度上的转移变化特征。

2.2.3 土地利用速度的变化衡量

土地利用动态度可以真实反映土地利用类型动态变化情况。单一土地利用类型动态度可表示为某个地区或某个时间区域的特定土地使用类型的数量或变动状态[4]，其表达式为：

式中：K表示土地利用类型动态度；Ua和Ub分别表示研究期初、期末某种土地利用类型的数量；T表示研究时段[4]。

2.2.4 土地利用程度的衡量

土地利用程度是对土地开发利用情况的定量化描述，体现了特定时期内土地利用变化状况及综合利用程度[18]。庄大方、刘纪远[30]将不同的土地利用类型分成未利用土地级、林草水用地级、农业用地级和城镇聚落用地级4级[4]，得到4种土地利用程度的分级指数（表1）[31]，用土地利用程度指数来表达研究区的土地利用程度，表达式为：

式中，L为研究区土地利用程度综合指数；m为土地利用类型数量；Si为第i类土地利用类型面积[32]；ST为研究区域总面积；Pi为不同类型的土地利用程度参数[17]。根据公式（4）进而计算土地利用程度变化量，若ΔLb-a>0，则说明该区域的土地利用处于发展时期，反之则处于衰退期[4，33]。

3 结果与分析

3.1 土地利用动态变化

通过对土地利用面积变化情况（表2）分析发现，研究区的土地利用变化特征如下：（1）农用地面积占土地总面积的比重由96.12%下降至95.82%，总面积减少了944hm2。农用地面积减少主要是耕地和草地面积在减少。（2）建设用地面积占土地总面积的比重由2010年的3.20%上升到2020年的4.12%，总面积增加了2882hm2。（3）未利用地面积一直在减小，减少面积达1938hm2，2015年之后减少加快。

2010-2020年间，丹江口市土地利用总变化面积约53 308.03hm2，占整个研究区国土总面积的17.04%。在土地流向方面（表3），以林地的转入为主，尤其是耕地转为林地的面积较大，多达14 438.36hm2，约占土地利用变化总面积的27.08%，草地转为林地的面积约9894.27hm2，占土地利用变化的18.56%，草地转为其他地类的面积不大，建设用地和未利用地转为林地的面积也较大，分别为2654.52hm2和1859.66hm2，占土地利用变化总面积的4.98%和3.49%，其他地类转为林地的面积较小。其次是林地的转出，其中林地转为耕地面积为6331.81hm2，占土地利用变化的11.88%，林地转为建设用地与水域的面积分别为4144.55hm2和4058.74hm2，约占土地利用变化总面积的7.77%和7.61%，另外有少部分转为草地、其他土地和未利用地。再者是耕地的转移，耕地除了转为林地之外，转为水域与建设用地的面积分别是2939.79hm2和2264.21hm2，占土地利用变化总面积的5.51%和4.25%，耕地转为其他地类的面积较少。其他土地的流向变化不明显。

3.2 土地利用转移方向趋势的空间特征

图1分别展示了农用地、建设用地和未利用地从2010-2020年的标准差椭圆分布情况：（1）农用地在2010年主要分布在丹江口市偏东北方向，在2010-2015年间，呈现出向西南迁移的特征，且幅度较大，在2015-2020年间向东北方向迁移。（2）建设用地在2010-2015年间变化很小，所以标准差椭圆呈现几乎重合的现象，说明丹江口市在此期间城市化发展速度较慢，而2015-2020年间建设用地向西南方向迁移。（3）未利用地在2010-2015年间经人为干扰小，所以几乎没什么变化，2015-2020年间呈现向东南方向迁移的特征。

3.3 土地利用变化的速度

從土地利用类型动态度的分布情况（表4）分析可知：（1）2010-2015年与2015-2020年土地利用变化速度相差不大，相较而言2015-2020年的速度慢一些，为14.51%。（2）土地利用变化速度最快的是其他土地，尤其是在2015-2020年间，变化速度高达45.50%，其次是建设用地，在2010-2015年间，变化速度较快，为3.79%。水域与林地的增长速率在2010- 2015年为负值，但变化较小，在2015-2020年为正值，分别是3.41%和1.28%。未利用地与草地在2010-2020一直呈现负增长的情况，在2015-2020年，耕地的土地增长速率也为负值。

3.4 土地利用程度的变化

根据表5分析统计情况可得出：（1）建设用地与其他土地的土地利用程度综合指数和土地利用程度变化量在各阶段时间内均体现出逐年增加的趋势，一直处于土地利用的快速增长期，其面积将继续增加；（2）耕地和草地土地利用程度综合指数在2015年前逐年增大，2015年后减小，且土地利用程度变化量呈现负值，说明耕地和草地已经从发展时期进入衰退期。（3）未利用地在2015年之前土地利用程度综合指数没有变化，林地和水域呈现逐年减小，2015年后均增加，且土地利用程度变化量较大，表明未利用地、林地和水域已经从衰退时期进入发展期。

4 结论

通过对2010-2020年土地利用变化情况分析，本文得出以下结论。

（1）2010-2020年，由于草地的开发利用以及退耕还林等项目的实施，农用地内部的相互转换幅度较大，但农用地占土地总面积的比重有所下降；因城市化的发展，2010-2020年建设用地的面积有小幅度的增加；对未利用地的开发利用导致面积逐年减少。

（2）在空间变化上，研究区土地利用变化情况整体上在2015-2020年间最为显著，2010-2015年间建设用地与未利用地变化很小，但建设用地与未利用地变化较大。

（3）在土地利用速度方面，2015-2020年比2010-2015年土地利用变化速度慢，但建设用地程度在各阶段都呈现出增加的趋势，土地利用变化速度最快的是农用地中的其他土地（设施农用地），未利用地与草地在研究时段内一直是负增长的情况，耕地在2015年后增长速度变为负值。

（4）2010-2020年以来，土地利用程度的变化在建设用地中一直呈现增加的趋势且面积将会继续增加，2015年后未利用地、林地和水域利用程度指数增加，对这三类土地的利用进入了发展期，而耕地和草地在减少，甚至出现了负值，这两类土地的利用进入了衰退期，面积可能还会进一步减少。

基于ArcGIS平台结合土地利用动态度变化指标，通过对丹江口市国土自然资源的时空动态变化分析，不仅可以定量描述各类土地的利用现状以及发展变化趋势，还可以为研究区域国土资源管理和开发利用、城镇化的建设、开发环境保护等提出一定的科学依据。对土地利用动态变化情况的掌握，可以更好地协调经济发展与生态保护，合理统筹安排用地比例。

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