馬才學, 孟 芬, 趙利利

(華中農(nóng)業(yè)大學 公共管理學院, 武漢 430070)

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1990-2005年武漢市土地利用時空變化及其政策驅動因素分析

馬才學, 孟 芬, 趙利利

(華中農(nóng)業(yè)大學 公共管理學院, 武漢 430070)

基于湖北省武漢市1990，1995，2000，2005年四個時相的土地利用數(shù)據(jù)，利用ArcGIS的空間分析方法和技術，獲取土地利用轉移矩陣、土地利用面積變化圖及土地利用分布中心研究武漢市土地利用的時空變化特征，并從政策層面分析1990—2005年政策因素對武漢市土地利用變化的驅動影響。結果表明在1990—2005年：1) 武漢市土地利用變化以耕地、城市建設用地、水域的變化及它們之間的相互轉換為主，其中耕地面積持續(xù)下降，建設用地面積持續(xù)擴張，水域面積緩慢增加；2) 武漢市林地、耕地和水域的空間分布中心均有向北遷移的趨勢，建設用地中心有向西南遷移的趨勢，而草地中心則有向東遷移的趨勢；3) 耕地保護、退耕還林和中部崛起等相關政策對武漢市土地利用時空變化存在著影響。

土地利用時空變化; 政策驅動因素; 武漢市

自1995年“LUCC(土地利用/土地覆蓋變化科學研究計劃)”被IGBP(國際地圈生物圈計劃)和IHDP(人與環(huán)境計劃)制定并執(zhí)行以來，關于LUCC的研究受到國內外學者的廣泛關注[1]。隨著城市化進程的推進，城市土地利用狀態(tài)處于劇烈的變化之中，基于此，城市被選為LUCC研究的“熱點地區(qū)”[2]。目前國內關于城市LUCC的研究主要集中于土地利用覆蓋變化的過程及驅動力上[3-4]。關于土地利用覆蓋變化的過程研究，主要有揭示土地利用變化(數(shù)量、利用程度)、土地利用變化方向(類型的來源與去向)、土地利用的空間變化等3類，常用的研究方法有土地利用轉移矩陣、土地利用程度綜合指數(shù)、土地利用動態(tài)度、類型重心的遷移、景觀格局指數(shù)等[5-7]。關于土地利用覆蓋變化的驅動力研究，按照驅動力產(chǎn)生的來源可分為自然驅動力和社會驅動力，常見的方法有定性或定量分析法[8]。

武漢市是我國中部地區(qū)的中心城市，是湖北省、武漢城市圈區(qū)域經(jīng)濟發(fā)展的龍頭，武漢市土地利用動態(tài)度較大[9]，時空變化明顯。本文以武漢市為研究案例區(qū)，選取1990年，1995年，2000年，2005年總時間跨度為15 a的數(shù)據(jù)，從1990—1995年、1995—2000年、2000—2005年3個時間段對武漢市耕地、林地、草地、建設用地和水域的時空變化進行動態(tài)分析，并剖析影響土地利用變化的重要政策驅動因素，在揭示武漢市土地利用時空格局的變化特征和演變機制的基礎上，有利于了解政策因素對不同土地利用類型的影響程度和驅動作用，從而為新一輪土地利用總體規(guī)劃修編和區(qū)域土地資源可持續(xù)利用提供理論依據(jù)和決策支持。

1 研究區(qū)概況

武漢市地處中國腹地中心(介于東經(jīng)113°41′—115°05′，北緯29°58′—31°22′)、湖北省東部、長江與漢江交匯之處，是全國特大城市和重要的交通樞紐，也是湖北省省會，華中地區(qū)和長江中游的經(jīng)濟、科技、教育和文化中心。截至2005年年底，武漢市全市土地總面積8 494.41 km2，常住人口858萬人，人均國內生產(chǎn)總值達到26 238元。

武漢市現(xiàn)轄江岸區(qū)、江漢區(qū)、硚口區(qū)、漢陽區(qū)、武昌區(qū)、青山區(qū)、洪山區(qū)7個主城區(qū)和蔡甸區(qū)、江夏區(qū)、東西湖區(qū)、漢南區(qū)、黃陂區(qū)、新洲區(qū)6個遠城區(qū)。研究區(qū)屬亞熱帶濕潤季風氣候，日照充足，雨量充沛，多年平均氣溫15.8～17.5℃，年均降雨量1 269 mm。市域地勢北高南低，中部低平，以丘陵和平原相間的波狀起伏地貌為主，土地利用類型多樣，利用程度較高。

2 研究數(shù)據(jù)及方法

2.1 數(shù)據(jù)源

本研究所涉及的數(shù)據(jù)包括武漢市1990年，1995年，2000年，2005年4個時相的土地利用數(shù)據(jù)、武漢市行政區(qū)劃數(shù)據(jù)及歷年武漢市統(tǒng)計年鑒資料。其中多時相的土地利用數(shù)據(jù)來源于中國科學院資源環(huán)境科學數(shù)據(jù)中心的土地利用數(shù)據(jù)庫，該數(shù)據(jù)利用陸地資源衛(wèi)星數(shù)據(jù)作為基礎數(shù)據(jù)解譯得到，含耕地、林地、草地、建設用地、水域、未利用地6種用地類型，空間分辨率為30 m；武漢市行政區(qū)劃數(shù)據(jù)通過在ArcGIS中數(shù)字化獲?。惠o助研究武漢市土地利用時空動態(tài)變化的其他相關社會經(jīng)濟資料均來源于《武漢市統(tǒng)計年鑒》(1991年，1996年，2001年，2006年)。

2.2 總體思路和研究方法

2.2.1 總體思路 分3個時間段從時空尺度研究武漢市各土地利用類型數(shù)量上的相互轉移和空間格局的變化。首先運用ArcGIS對4個時相的土地利用數(shù)據(jù)進行統(tǒng)計和疊加分析，計算出武漢市1990—1995年、1995—2000年、2000—2005年的土地利用轉移矩陣及土地利用面積變化圖，從數(shù)量上反映耕地、林地、草地、建設用地、水域和未利用地6種土地利用類型間的轉換程度和轉移方向；然后，通過ArcGIS的空間分析功能計算出各土地利用類型的空間分布中心，在時間軸上分析空間分布中心的遷移方向和遷移距離，得到土地利用類型分布中心的遷移規(guī)律；最后，從政策層面入手分析導致1990—1995年、1995—2000年、2000—2005年武漢市土地利用時空變化的政策驅動因素，進一步認識和解釋武漢市土地利用的時空變化歷史和趨勢。

2.2.2 土地利用轉移矩陣 土地利用轉移矩陣是描述不同時期各種土地利用類型間的數(shù)量變化和轉移趨勢的分析矩陣，可作為土地利用類型結構分析和變化方向分析的基礎[4]。劉瑞在《基于轉移矩陣的土地利用變化信息挖掘方法探討》一文中提出了如表1所示的土地利用轉移矩陣[10]，其中行、列分別表示T2、T1時點的土地利用類型，Aij表示從T1到T2時刻土地利用類型i轉換為土地利用類型j的面積，Aii表示從T1到T2時間段內土地利用類型i保持不變的面積。Ai+代表T1時間段內土地利用類型i的總面積，A+j代表T2時間段內土地利用類型j的總面積，其中轉出總量和轉入總量分別表示從從T1到T2時間段內某種土地利用類型轉換為其他類型的面積和其他用地類型轉換為該種土地利用類型的面積。

2.2.3 空間分布中心 空間分布中心是指將各類土地利用斑塊抽象為空間離散的點(斑塊質心)，并以斑塊面積占該地類總面積的比例為權重，通過下式計算出某類土地利用類型分布的加權平均中心，也即該地類空間分布的重心，這個值的變化能大致體現(xiàn)出各地類分布總體位置的變化及空間格局變化[11]。其計算公式為：

3 結果與分析

3.1 基于轉移矩陣的武漢市土地利用的數(shù)量轉變

在ArcGIS 10.0環(huán)境中，將武漢市1990，1995，2000，2005年4個時相的土地利用柵格數(shù)據(jù)轉換為矢量數(shù)據(jù)，然后對其進行統(tǒng)計、疊加分析，分別生成1990—1995年、1995—2000年、2000—2005年3個時間段的土地利用轉移矩陣(表2，表3和表4)。結果表明，1990—2005年耕地、水域和建設用地是武漢市數(shù)量變化最大的土地利用類型。下面就每一種土地利用類型的變化情況作出具體分析。

表1 土地利用轉移矩陣

表2 1990-1995年武漢市土地利用轉移矩陣 km2

表3 1995-2000年武漢市土地利用轉移矩陣 km2

表4 2000-2005年武漢市土地利用轉移矩陣 km2

在1990—2005年間，武漢市耕地面積持續(xù)減小。在此時間段內，武漢市耕地共轉入126.82 km2，轉出400.46 km2，是面積變化最大的一種土地利用類型。武漢市耕地面積的減小主要表現(xiàn)為耕地與城市建設用地、水域、林地之間的不平衡的相互轉換。值得注意的是，在1995—2000年，耕地的轉出量為107.62 km2，同時其轉入量為62.80 km2，其轉出轉入量之差為3個時段內最小。

水域數(shù)量在這15 a間呈現(xiàn)總體上升的趨勢，水域的變化特征主要與耕地、建設用地、未利用地相關。相比于其他用地類型，各個時間段內水域的轉入轉出量值較大，總共轉出量為139.41 km2，轉入量為212.58 km2，說明武漢市水域處于劇烈變化的過程之中。

建設用地在這15 a間，共轉入265.28 km2，轉出31.05 km2，是面積變化第二的地類。建設用地在研究的3個時間段內，呈現(xiàn)總體上升的趨勢，尤其是在2000—2005年，建設用地的轉入轉出量之差達到了127.63 km2，大于前2個時間段內建設用地增加的總量。建設用地增加的主要來源為耕地、水域、林地。

草地面積在15 a間呈現(xiàn)先增加后減小的趨勢，在1990—1995年間，草地面積略微增加，其增加值主要來源于耕地、林地、水域；在1995—2005年10 a間，草地面積緩慢下降，其減少主要是由于草地轉換為城市建設用地、林地、水域。

林地的發(fā)展趨勢表現(xiàn)為倒寫“N”的形式，即先減小后增加再減小的趨勢，1990—1995年林地的轉出總量大于轉入總量，其轉出類型主要為耕地；1995—2000年林地的轉入總量大于轉出總量，其主要原因是部分耕地轉為林地；前2個階段林地面積的變化主要集中于耕地和林地之間的相互轉換，但在2000—2005年間，林地面積再次下降，主要是由于林地被建設用地占用。

3.2 基于空間分布中心的武漢市土地利用的空間遷移

1990—2005年，武漢市社會經(jīng)濟處于一個穩(wěn)定上升的發(fā)展趨勢，隨著城市化進程的加速，城鎮(zhèn)用地的擴張，耕地、林地、草地、建設用地和水域景觀的空間結構和布局發(fā)生了變化，其分布中心也隨之發(fā)生了遷移。

武漢市五種土地利用類型的空間分布中心分別位于不同的位置，并且，在1990—2005年間遷移的方向和距離各不相同。耕地的分布中心位于武漢市青山區(qū)附近，在1990—1995年和1995—2000年，中心明顯的向東北方向進行了遷移，但是幅度不大，這種變化主要是由于該階段武漢市西南部的漢陽區(qū)和硚口區(qū)的耕地轉變?yōu)榱私ㄔO用地。然而在2000—2005年，耕地中心向北發(fā)生了較大幅度的遷移，而該階段武漢市南部的漢陽區(qū)和江夏區(qū)出現(xiàn)了大量耕地轉為建設用地的情況，因此，此階段分布中心的遷移情況正好反映了這種實際變化。

水域的分布中心位于洪山區(qū)南部，并且有向北遷移的大趨勢，原因在于原本位于武漢市南部漢陽區(qū)、江夏區(qū)和蔡甸區(qū)較集中的水域被大量地轉化為耕地、建設用地，水域的中心才會向北遷移。

建設用地的分布中心位于武昌區(qū)和青山區(qū)交界的區(qū)域，并且有明顯有向西南遷移的趨勢，結合前面分析得到的建設用地是轉入量最大的用地類型，可知近十五年，武漢市南部的蔡甸區(qū)、漢陽區(qū)和江夏區(qū)有大量耕地和水域轉變?yōu)榻ㄔO用地，這佐證了建設用地分布中心向西南遷移的趨勢。

草地的分布中心位于洪山區(qū)的北端，整體有向東遷移的趨勢，并且在2000—2005年遷移的距離較大，在1990—1995和2000—2005年，在武漢市東西湖區(qū)和江岸區(qū)有大量草地轉移為水域，因此導致了草地中心的向東遷移。同時，在1995—2000年，草地中心向西南角進行了程度較小的遷移，分析可知，此階段在武漢市洪山區(qū)等原中心的西南方向有部分林地和建設用地轉換過來的草地。

林地的分別中心位于武漢市黃陂區(qū)內，在1990—1995年和2000—2005年，中心向北遷移，并且前者遷移的距離較大，主要是由于武漢市北部黃陂區(qū)、新洲區(qū)等有耕地轉為林地，而南部漢南區(qū)和江夏區(qū)建設用地侵占了林地。在1995—2000年，林地中心向東南方向進行了轉移，但是距離較小，在此階段在武漢市東南方向有耕地轉變?yōu)榱值亍?/p>

3.3 政策因素驅動力分析

影響城市土地利用動態(tài)變化的驅動因素可分為兩類：自然因素和人為因素[12]。鑒于城市生態(tài)系統(tǒng)是人類通過對自然環(huán)境的適應、加工、改造而建立起來的特殊的人工生態(tài)系統(tǒng)，在分析城市土地利用類型變化的過程中，人為因素起著重要的驅動作用。其中人為因素主要又包括政治、經(jīng)濟、社會等驅動因素，但政策作為政治的外在表現(xiàn)，其導向直接決定了經(jīng)濟社會的發(fā)展方向，從而影響土地利用格局[13]。因此，從政策因素來解釋前文分析得到的土地利用時空變化具有可行性和必要性，也能為未來土地政策的制定提供有益的參考。本文主要從定性角度分析全國及省、市、區(qū)的政策要素對武漢市土地利用變化的驅動作用。

圖1顯示的是根據(jù)土地利用數(shù)據(jù)統(tǒng)計得出的1990年，1995年，2000年，2005年4個時相的武漢市土地利用類型面積變化圖。

結合土地利用轉移矩陣(表2，表3，表4)，以國家和地方政策為切入點，從政策層面分析1990—2005年武漢土地利用變化。

耕地：1990—2005年武漢市市域內耕地面積呈現(xiàn)持續(xù)下降的趨勢，不同時間段內下降的幅度不同：1990—1995年，是我國進一步推進改革開放和發(fā)展市場經(jīng)濟的關鍵時期，彼時在全國范圍內出現(xiàn)了“開發(fā)區(qū)熱”和“房地產(chǎn)熱”，再加上在此階段武漢市非農(nóng)產(chǎn)業(yè)建設用地及城鎮(zhèn)規(guī)模的擴張，耕地大量轉出，主要轉為水域和城鎮(zhèn)建設用地[14]。1995—2000年，是當前我國很多關于耕地的政策、法規(guī)出臺的關鍵時期，如1997年《刑法》中增設的“破壞耕地罪”、“非法批地罪”、“非法轉讓土地罪”，1999年開始執(zhí)行的新《土地管理法》等，在如此積極的耕地保護政策的驅動下，此階段內耕地面積下降趨勢減緩，其轉出轉入面積之差為三個時間段內最小；此外由于1998年長江流域發(fā)生的特大洪澇災害，武漢市的生態(tài)安全也得到了空前重視，為響應朱镕基總理提出的“封山植樹、退耕還林；退田還湖，平垸行洪；以工代賑，移民建鎮(zhèn)；加固干堤，疏浚河道”的32字災后重建指導原則，政府相應地出臺了封山植樹退耕還林等政策，其中耕地轉為林地面積在此階段為最大。2000—2005年間，武漢市作為彼時國務院批復的“中部重要的中心城市”，城市化進程的加快和人口的迅速膨脹，城市空間擴張壓力進一步加大，而城市周圍分布的主要是優(yōu)質耕地，加上耕地與城市用地在比較效益方面的顯著差異，使得實行城市擴展政策的直接結果就是對耕地的大面積開發(fā)占用，這是導致耕地大幅度減少的重要原因。

圖1 武漢市土地利用類型面積變化

水域：武漢被稱為“百湖之市”，享有“一城江水半城山”的美譽，其水域面積略占全市土地總面積的20%。1990—2005年十五年間，武漢市的水域處于總面積緩慢上升，但是轉入和轉出劇烈變化的狀態(tài)。一方面是由于90年代初期，房地產(chǎn)開發(fā)熱潮席卷全國，鑒于填占湖泊建高樓的成本遠低于舊城改造，且濱水樓盤售價相對更高，導致武漢市出現(xiàn)了圍湖造地的行為：西北湖上豎起摩天大廈，南湖之中冒出成片住宅，菱角湖上填起的圖書大世界，武漢市眾多知名或不知名的湖泊面積處于逐步衰減之中。另一方面是在1998年長江流域發(fā)生特大洪澇災害之后之后，國務院提出了“封山育林、平垸行洪、退田還湖、移民建鎮(zhèn)、疏浚河湖”的災后重建指導方針，再加上武漢市政府分別于1999年，2001年發(fā)布《武漢市保護城市自然山體湖泊辦法》及《武漢市湖泊保護條例》，同時人們逐步意識到“圍湖造田”所取得的經(jīng)濟效益不及發(fā)展水產(chǎn)養(yǎng)殖業(yè)，因此在經(jīng)濟利益和生態(tài)保護政策的驅動下，部分水域在被占用的情況下，也有其他用地轉換成水域，從而使武漢市水域用地處于劇烈的轉入轉出狀態(tài)之中。

建設用地：早在1993年中共湖北省第六次代表大會上，就做出了“為實現(xiàn)湖北在中部崛起而奮斗”的報告，武漢市作為湖北省的省會，隨著其城鎮(zhèn)化建設步伐的不斷加快，在主城區(qū)內涌現(xiàn)“開發(fā)區(qū)熱”和“房地產(chǎn)熱”的同時，同步發(fā)展遠城區(qū)。在武漢市發(fā)展過程中，南部建設的漢南區(qū)、江夏區(qū)一直是武漢市城鎮(zhèn)化建設政策施行的重要區(qū)域，與建設用地中心向南遷移的趨勢相吻合。

草地：武漢市的草地整體上呈現(xiàn)先增加后減少的趨勢。武漢市草地面積相對較小，僅占武漢市土地總面積的0.85%，且武漢市農(nóng)業(yè)以種植業(yè)為主，牧業(yè)相對不發(fā)達，草地的經(jīng)濟價值未能得到充分體現(xiàn)，因而并未受到足夠的重視，處于粗放型經(jīng)營階段。2000年，隨著國務院推動“退耕還林還草試點工程”以及下發(fā)《關于進一步做好退耕還林還草工作的若干意見》(國發(fā)[2000]24號)，武漢市政府據(jù)此對退耕還林還草地區(qū)給予糧食、資金及稅收補助，此外隨著人們生活水平的提高，對生活環(huán)境的綠化程度的重視，草地的保有量才有略微增加的趨勢。但總體來看，在城鎮(zhèn)化的總體趨勢下，由于草地的經(jīng)濟效應不明顯，草地面積總體上減少了。

林地：受政策的影響，在3個時間段內林地的變化趨勢各不相同：在1990—1995年，武漢市經(jīng)濟發(fā)展還處于“靠山吃山、靠水吃水”的初級生存模式，林地面積呈現(xiàn)減少趨勢，此外由于中國經(jīng)歷了1949—1957年、1962—1970年，1981—1990年三個生育高峰期，1990年人口數(shù)量較大，糧食需求激增，也導致少量水熱條件較好的林地被占用轉變?yōu)楦亍?995—2000年，由于1998年長江流域特大洪水的影響，武漢市人民政府出臺了《武漢市人民政府關于封山植樹退耕還林大力保護和發(fā)展森林資源的通知》，制訂了林業(yè)發(fā)展“調整結構、扶育改造、加強保護、適度開發(fā)、林加結合、綜合利用，努力抓好比較完備的生態(tài)體系和比較發(fā)達的產(chǎn)業(yè)體系建設”的政策，進行了重點對長江防護林、漢江防護林，以及城鎮(zhèn)綠化景觀建設的改造工程。由于這些退耕還林、封山植樹等政策的實施，林地占有量有所回升。在2000—2005年，武漢市政府批準成立武漢科技新城，同時建設武漢·中國光谷，武漢市南部林地減少，與此同時武漢市黃陂區(qū)出臺鼓勵投資林業(yè)的優(yōu)惠政策，吸引人們到該區(qū)荒山上植樹種草，因此黃陂區(qū)林地成為武漢市林地的較聚集區(qū)，武漢市林地中心也向黃陂區(qū)北方遷移。

4 結 論

通過時空分析，本文研究了1990—1995年、1995—2000年、2000—2005年三個時間段15 a間武漢市耕地、林地、草地、水域和建設用地等土地利用類型的時空動態(tài)性，包括這些土地利用類型數(shù)量的變化、空間分布中心位置變化和空間結構變化，最后，還對產(chǎn)生這些時空變化的政策性驅動因素進行了分析。結果表明：

1) 1990—2005年武漢市的土地利用的變化以耕地、水域和建設用地的數(shù)量變化和相互轉移為主。其中耕地面積持續(xù)減小，水域面積緩慢上升，建設用地面積增加明顯，其數(shù)量變化和轉移量具體表現(xiàn)為：耕地共轉入126.82 km2，轉出400.46 km2；水域共轉入212.58 km2，轉出139.41 km2；建設用地共轉入265.28 km2，轉出31.05 km2。

2) 1990—2005年武漢市林地、耕地和水域的空間分布中心均有向北遷移的趨勢，建設用地的空間分布中心有向西南遷移的趨勢，而草地空間分布中心則有向東遷移的趨勢。

3) 1990—2005年國家宏觀政策及區(qū)域發(fā)展政策等對武漢市土地利用時空變化存在著一定的影響，其具體表現(xiàn)在受城鎮(zhèn)化、耕地保護、退耕還林、中部崛起等相關政策影響。

通過本文的研究，從時間、空間和數(shù)量三維度剖析了1990—2005年武漢市耕地、林地、草地、水域、建設用地和未利用地的動態(tài)變化，一方面加深了以土地利用為核心的武漢市城市發(fā)展建設歷史的科學認識，另一方面這對武漢市未來經(jīng)濟社會政策、土地利用政策和城市建設布局規(guī)劃等的制定具有重要的參考價值。

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Analysis on Spatiotemporal Change of Land Use and Its Policy-Driven Factor in Wuhan City from 1990 to 2005

MA Caixue, MENG Fen, ZHAO Lili

(CollegeofPublicManagement,HuazhongAgriculturalUniversity,Wuhan430070,China)

Based on land use data of Wuhan City in 1990, 1995, 2000, and 2005, this paper calculated and analyzed transfer matrixes, made the change maps and migration maps of land use by using spatial analysis methods and ArcGIS. Then study on spatiotemporal characteristics of land use changes in Wuhan City and the driven driving impact from policy factor during 1990—2005 were conducted. The results showed that during 1990—2005： 1) the amount of changes in land use in Wuhan were generated by the exchanges between farmland, construction land, and water area, at the same time, it was noticed that the area of farmland decreased continuously, while construction land presented the opposite trend, and water area slowly increased; 2) the spatial distribution center of forestland, farmland, water area moved to the north, while the center of construction land moved to the south, and the center of grassland moved to the east; 3) it was the policies of protecting arable land, Grain for Green and Rise of Central China that had great influence on spatiotemporal change of land uses in Wuhan City during 1990—2005.

land use spatiotemporal change; policy-driven factor; Wuhan City

2014-04-01

2014-05-30

馬才學(1961—),男,湖北天門人,博士,教授,主要從事土地資源管理相關研究。E-mail:macaixue@mail.hzau.edu.cn

孟芬(1991—),女,湖北天門人,碩士研究生,主要從事基于3S的土地利用變化研究。E-mail:917727164@qq.com

F301

1005-3409(2015)02-0117-06