王肖芳

(河南財政金融學(xué)院工商管理學(xué)院, 鄭州 450046)

0 引言

土地是人們賴以生存及繁衍的重要資源，人們常將地球表面陸地由泥土和砂石組成的場所稱作土地。隨著城市化、工業(yè)化快速發(fā)展，經(jīng)濟發(fā)展對土地資源的依賴度有增無減。土地利用變化作為全球環(huán)境變化的重要原因之一，對景觀格局、景觀等級產(chǎn)生重要的影響。

目前，已有多數(shù)學(xué)者和專家對這方面開展全面的研究，形成相對成熟的理論體系。劉紀遠等[1]研究稱，土地利用變化研究應(yīng)該包括變化監(jiān)測、驅(qū)動力分析、全球變化對土地利用的影響、土地利用變化預(yù)測的建模以及土地利用變化導(dǎo)致的生物地球化學(xué)過程等。李平等[2]指出，我國現(xiàn)階段土地利用變化驅(qū)動力存在空間差異，不同地區(qū)的土地利用變化情況不同。柴宏博等[3]以無錫市為研究對象，研究該區(qū)域2001～2008年土地利用情況與景觀格局演變特征，說明無錫市存在突出的土地非農(nóng)化和農(nóng)用地非耕地化問題。倪杰、徐躍通等[4]以山東濟寧省為對象，探析該地區(qū)土地利用及覆被空間格局演變情況，并得出人類活動對土地利用變化的影響已經(jīng)超過了自然因素。

而在土地利用變化研究方法及途徑方面，比較常見的是利用ArcGIS軟件。ArcGIS軟件可以用來創(chuàng)建地理數(shù)據(jù)庫并構(gòu)造信息和知識，編輯地理數(shù)據(jù)集，建立數(shù)據(jù)編輯和質(zhì)量控制的工作流，創(chuàng)建地圖和分析模型并將工作和方法記錄成文檔。蘭寅等[5]通過ArcGIS軟件，生成了銅仁市濱江旅游大道的不規(guī)則三角網(wǎng)圖，并用于后續(xù)研究，指出該方法不需要投入大量的設(shè)備，成本低，速度快，值得大力推廣使用。劉立國等[6]于2011年就ArcGIS軟件生成土地利用現(xiàn)狀圖的步驟過程進行了詳細說明，主要介紹了制圖綜合的原理，借助ArcGIS軟件提供的功能模塊及編輯工具，進行人機分工，交互式完成土地利用現(xiàn)狀圖的縮編。趙德[7]利用ArcGIS軟件提取TM影像波段值，并計算植被指數(shù)，用于研究青海省海南藏族自治州天然草地植被特征。張霞[8]等以ArcGIS為技術(shù)平臺，結(jié)合景觀分析軟件Fragstats3.3，應(yīng)用空間分析法和景觀指數(shù)分析法，分析了重慶市低山丘陵區(qū)農(nóng)村居民點分布格局及其影響因素。

現(xiàn)階段，河南處在綜合實力和社會經(jīng)濟快速發(fā)展的時期，保障國家糧食安全任務(wù)艱巨。因此，其對土地資源的需求更強烈。但該地區(qū)在發(fā)展中存在各類用地盲目擴張、低效率用地等問題，制約河南省經(jīng)濟的發(fā)展。如何處理好經(jīng)濟可持續(xù)發(fā)展與土地高效率利用之間的關(guān)系，成為河南省急需研究和解決的問題?，F(xiàn)已涉及的關(guān)于河南省土地利用變化特征及空間布局的研究比較薄弱[9]。該文以河南省為研究對象，在地理信息和遙感技術(shù)的支持下，借助ArcGIS軟件，深入分析2005～2010年土地利用變化情況，以期為日后合理開發(fā)、利用土地資源提供一定指導(dǎo)。

1 研究地概況

河南地處我國中部偏東、黃河中下游地區(qū)，與河北省、安徽省、陜西省等地毗鄰，河南界于北緯31°23′～36°22′，東經(jīng)110°21′～116°39′之間。地勢西高東低，西、南兩地多為丘陵、山地，東、中、北部均為遼闊的平原地帶，省域面積約為16.70萬km2，其中，平原和盆地、山地、丘陵分別占總面積的55.70%、26.60%和17.70%。河南省土地利用主要以耕地、林地及建設(shè)用地為主，自20世紀90年代末，耕地逐漸向建設(shè)用地轉(zhuǎn)化。河南省境內(nèi)流域面積100km2以上的河流有493條，分別屬于黃河、海河、長江和淮河四大水系。河南省屬于溫度大陸性季風(fēng)氣候區(qū)，全省由南向北年平均氣溫為15.7～12.1℃，年均降水量532.5～1 380.6mm，降雨以6～8月份最多，年均日照1 848.0～2 488.7h。綜上所述，優(yōu)越的地理位置、適宜的氣候條件、肥沃土地等資源，為河南省的經(jīng)濟和社會發(fā)展提供充足的條件。了解河南省地理環(huán)境情況的變化規(guī)律及特點，能夠更好地利用土地資源，促進經(jīng)濟健康、可持續(xù)發(fā)展。

表1 土地利用類型分類體系

一級分類二級分類編號名稱編號名稱1耕地11水田12旱地2林地21有林地22灌木林地23疏林地24其他林地3草地31高覆蓋度草地32中覆蓋度草地33地覆蓋度草地4水域用地41河渠42湖泊43水庫、坑塘44冰川永久積雪45海涂46灘地5建設(shè)用地51城鎮(zhèn)52農(nóng)村居民點53工交建設(shè)用地6未利用地61沙地62戈壁63鹽堿地64沼澤地65裸土地66裸巖石礫地67其他未利用地

2 數(shù)據(jù)來源與研究方法

2.1 數(shù)據(jù)來源

研究數(shù)據(jù)源自中國科學(xué)院資源與保護信息系統(tǒng)國家實驗室，依據(jù)2005～2010年Landsat TM影像通過人機交互、野外考察得到。

2.2 研究方法

2.2.1 ArcGIS10.2軟件

使用ArcGIS10.2軟件對所得數(shù)據(jù)展開分析。搜集到的數(shù)據(jù)和圖像，利用ArcGIS10.2軟件建立矢量圖層并人工勾畫圖斑范圍。根據(jù)影像特征并結(jié)合土地利用類型分類體系進行地塊類別解譯分類，最終得到河南省土地利用類型面積表(表2)。其中，土地利用類型根據(jù)國土資源部發(fā)布文件的規(guī)定進行劃分，分為耕地、林地、草地、水域用地、建設(shè)用地、未利用地6類(表1)。此外，采用ArcGIS10.2軟件中的“交集制表”空間分析設(shè)備工具計算并獲取了2005～2010年土地利用類型轉(zhuǎn)移矩陣(表3)，具體操作是借助ArcGIS10.2空間分析功能對河南省20年土地利用情況進行疊加，獲得土地利用類型轉(zhuǎn)移情況。

表2 2005年、2010年河南省土地利用類型面積

土地類型20052010面積(萬hm2)比例(%)面積(萬hm2)比例(%)耕地1051 229663 931037 964663 12林地339 405520 64340 501620 71草地41 54692 5341 28302 50水域用地29 16171 7728 87461 76建設(shè)用地178 817110 87190 807311 6未利用地4 29900 265 02870 31

表3 2005～2010年河南土地利用類型數(shù)量轉(zhuǎn)移矩陣 萬hm2

圖1 2005年、2010年河南省土地利用類型分布

圖2 2005年、2010年河南省土地利用數(shù)量變化

2.2.2 馬爾科夫模型

利用ArcGIS10.2軟件制作土地利用轉(zhuǎn)移矩陣的參照模型是馬爾科夫模型。馬爾可夫模型是一種統(tǒng)計模型，用于描述某個包含隱含未知參數(shù)的馬爾可夫過程，隨之運用上述參數(shù)進行深入的分析，例如模式識別。馬爾科夫鏈(Markov chain)是一種時間和狀態(tài)均為離散的隨機過程[10]。馬爾柯夫的中心機制是轉(zhuǎn)移概率和數(shù)量，在一定的時間內(nèi)，土地類型i轉(zhuǎn)化為j的轉(zhuǎn)移發(fā)生率和轉(zhuǎn)移數(shù)量。計算轉(zhuǎn)移發(fā)生率是通過對過去土地利用轉(zhuǎn)移數(shù)量的統(tǒng)計得出的[11]。采用馬爾科夫模型描述河南省土地利用類型轉(zhuǎn)移情況，即：每段時期各種土地利用類型增加與減少面積情況。

馬爾可夫在研究自然界一類事物變化過程中僅與事物近期狀態(tài)有關(guān)，與事物過去狀態(tài)不關(guān)聯(lián)，這種特性稱作無后效性。無后效性計算公式為：

Xn+1=Xn×狀態(tài)轉(zhuǎn)移概率(P)

(1)

使用馬爾科夫模型的關(guān)鍵在于明確各類土地之間相互轉(zhuǎn)化的初始概率矩陣P，其具體表達過程為：假設(shè)共有E1、E2、En種土地利用類型，每次只能處于一種土地利用狀態(tài)，但每種狀態(tài)都有n中轉(zhuǎn)向(包括轉(zhuǎn)向自身，E1→E1，E1→E2，…，E1→En)。由土地利用類型Ei轉(zhuǎn)移到Ej的概率為Pij(1≤i，j≤n)。

(2)

采用馬爾科夫模型描述河南省土地利用類型轉(zhuǎn)移情況，即：每段時期各種土地利用類型增加與減少面積情況，具體操作中，借助ArcGIS10.2空間分析功能對河南省20年土地利用情況進行疊加，獲得土地利用類型轉(zhuǎn)移情況。

3 結(jié)果與分析

3.1 土地利用格局分析

河南省土地利用程度較高，土地利用類型以耕地和林地為主，共占河南省總面積的83.00%以上。2005年的耕地面積和林地面積分別為1 051.229 6萬hm2和339.405 5萬hm2， 2010年的耕地面積和林地面積分別為1 037.964 6萬hm2和340.501 6萬hm2。其次是建設(shè)用地， 2005年的建設(shè)用地面積為178.817 1萬hm2， 2010年的建設(shè)用地面積為190.807 3萬hm2，占河南省總面積的11.00%左右。草地、水域用地和未利用地面積較小，占河南省總面積比例較小。

2005～2010年間，耕地、草地、水域用地面積減少。其中，耕地面積減少數(shù)量最多，為13.265 0萬hm2，減少數(shù)量占2005年耕地面積總數(shù)量的1.26%。草地和水域用地分別減少2 639hm2和2 871hm2，減少數(shù)量占2005年原有土地類型面積總數(shù)量的0.64%和0.98%。建設(shè)用地、林地和未利用地面積增多，建設(shè)用地面積增加幅度最大，其次是未利用地和林地。未利用地增加1.096 2萬hm2，增加數(shù)量占2005年未利用地數(shù)量的16.97%。建設(shè)用地和林地分別增加11.990 2萬hm2和7 297hm2，增加數(shù)量占2005年原有面積數(shù)量的6.71%和0.32%。

3.2 土地利用類型空間轉(zhuǎn)換

土地利用轉(zhuǎn)移矩陣可以很好地顯示各種用地間的流轉(zhuǎn)關(guān)系，并且對各種用地間流轉(zhuǎn)面積的確定也有一定的參考價值[12]，能深入分析河南省土地利用變化情況，揭示各類土地間轉(zhuǎn)變數(shù)量及概率。2005～2010年間不同類型土地利用情況均發(fā)生了相應(yīng)改變。

(1)耕地向建設(shè)用地轉(zhuǎn)移量最大，轉(zhuǎn)移面積為13.403 1萬hm2。其次是林地和水域用地，轉(zhuǎn)移面積分別為2.854 4萬hm2和1.703 5萬hm2。耕地向草地、未利用地等土地利用類型轉(zhuǎn)移概率最小。河南省是我國的農(nóng)業(yè)大省，耕地面積的大小直接影響到農(nóng)業(yè)種植生產(chǎn)規(guī)模的大小。近年來，為提高農(nóng)作物產(chǎn)量、加快建設(shè)現(xiàn)代化農(nóng)業(yè)，河南省政府加大了耕地質(zhì)量監(jiān)測力度和耕地保護力度，進一步降低違法占用耕地比例，一定程度上使得耕地面積減少。另一方面，政府希望通過開墾增加耕地面積，但由于適宜開墾的耕地后備資源日趨減少，農(nóng)村建設(shè)用地拆舊復(fù)墾難度增大，占補平衡困難，可利用的高質(zhì)量耕地面積屈指可數(shù)。此外，農(nóng)民的知識水平較為落后，農(nóng)作物缺乏科學(xué)的施肥處理。目前，我國化肥中氮素的利用率為30%～70%，磷肥為10%～25%，鉀肥為40%～70%，肥料利用率較低[13]。過量的化肥和農(nóng)藥殘留在土壤中，導(dǎo)致土壤肥力下降甚至板結(jié)，耕地向其他土地利用類型轉(zhuǎn)移。耕地轉(zhuǎn)移的現(xiàn)象與自然環(huán)境也有很大的關(guān)系。近幾年，河南省耕地沙漠化問題嚴重，一些自然災(zāi)害也導(dǎo)致耕地大面積的轉(zhuǎn)移。此外，近年來河南省現(xiàn)代化建設(shè)速度的加快，也是導(dǎo)致河南省耕地面積減少，向建設(shè)用地轉(zhuǎn)移量增多的原因。大力開發(fā)現(xiàn)代化樓盤和越來越密集的商業(yè)用房，占用了用于農(nóng)業(yè)的土地。

(2)建設(shè)用地的變化主要來自耕地、林地的轉(zhuǎn)移，耕地轉(zhuǎn)移13.403 1萬hm2成為建設(shè)用地，林地轉(zhuǎn)移1 607hm2成為建設(shè)用地。河南省的經(jīng)濟在不斷發(fā)展，城市化進程在不斷加快。2005年河南省國民生產(chǎn)總值為1.053 520萬億元， 2010年河南省國民生產(chǎn)總值為2.294 268萬億元，年平均增長速率23.55%。在這種背景下，河南省不斷改進當?shù)亟煌ㄟ\輸和大眾居住條件，勢必會增加建設(shè)用地面積。而建設(shè)用地多選擇在地勢較為平穩(wěn)的地方。耕地、草地和林地成為首選。此外，農(nóng)村勞動力大規(guī)模轉(zhuǎn)移進入城市， 2005年河南省農(nóng)村勞動力轉(zhuǎn)移數(shù)量為1 557.45萬人， 2010年河南省農(nóng)村勞動力轉(zhuǎn)移數(shù)量為2 216.22萬人，年平均增長速率8.46%。勞動力的轉(zhuǎn)移造成大量耕地空閑待耕，耕地有效利用率下降。為保證土地資源的有效利用，空閑的耕地和農(nóng)村居住用地被劃分為建設(shè)用地。建設(shè)用地面積不斷增加，耕地面積不斷減少。

表4 2005～2010年河南省土地利用動態(tài)度

土地類型空間變化面積(萬hm2)動態(tài)度(%)耕地5 05540 48林地1 96860 58建設(shè)用地1 73890 97草地0 24240 58水域用地2 18487 49未利用地0 29496 86

(3)未使用地出現(xiàn)轉(zhuǎn)移的概率最大。這些未使用地主要向耕地和水域用地轉(zhuǎn)出，轉(zhuǎn)移面積分別為2 568hm2和7 673hm2。2010年河南省年降水量841.70mm，與2005年年降水量905.80mm相比，減少了64.10mm。此外，在河南省年降水量減少的前提下，河南省的地表水資源也在慢慢減少。2005～2010年，從435.92億m3減少到415.70億m3。部分水域慢慢干涸，水資源過度開發(fā)利用情況嚴重。在這種情況下，大量的水域用地變成未利用地，導(dǎo)致未利用地面積增加。同時，河南省還存在耕地向未使用地轉(zhuǎn)移的情況，主要是由于耕地過度開墾，化肥農(nóng)藥污染嚴重，肥力大幅度降低，耕地面積大量流失，這種情況值得深入展開調(diào)查。

3.3 土地利用類型變化動態(tài)度

圖3 2005～2010年河南省土地利用空間變化

依托ArcGIS10.2軟件，通過對2005年、2010年土地利用空間分析，獲得河南省不同土地利用類型動態(tài)度變化(表4)，并繪制土地利用類型動態(tài)度圖(圖3)。

河南省土地利用空間轉(zhuǎn)移面積大小為耕地>水域用地>林地>建設(shè)用地>未利用地>草地。其中，耕地轉(zhuǎn)移面積最大，為5.055 4萬hm2。其次為水域用地，轉(zhuǎn)移面積2.184 8萬hm2。草地轉(zhuǎn)移面積最小，轉(zhuǎn)移面積為2 424hm2。而在動態(tài)度方面，不同土地利用類型的動態(tài)度大小為水域用地>未利用地>建設(shè)用地>林地、草地>耕地。動態(tài)度之所以出現(xiàn)與空間轉(zhuǎn)移數(shù)量不同的變化，主要是由于2005年不同土地利用類型面積基數(shù)不同。水域用地動態(tài)度變化為7.49%，未利用地動態(tài)度變化為6.86%，耕地變化動態(tài)度最小，為0.48%。

耕地和林地之間的變換則表現(xiàn)為部分耕地退耕還林過程中在轉(zhuǎn)為林地的同時，一些林地由于毀林轉(zhuǎn)換成耕地，表明林業(yè)建設(shè)不可只重視植樹造林，生態(tài)保護也應(yīng)受到關(guān)注。然而，水域用地面積則經(jīng)歷先減少后增加的發(fā)展過程，這種情況與河南省氣候、農(nóng)業(yè)發(fā)展情況存在一定聯(lián)系。耕地與水域用地位置轉(zhuǎn)換源自部分水域干涸后被人們開墾為耕地，而有些耕地由于河道變遷或人工蓄水等轉(zhuǎn)換成水域[14]。此外，河南省建設(shè)用地一直處于增加狀態(tài)，主要源于某些耕地由于建設(shè)用地擴張被占用。開墾廢棄的工礦居民用地是增加有效耕地的重要途徑，也是合理調(diào)整土地利用結(jié)構(gòu)必須關(guān)注的內(nèi)容。此外，耕地和建設(shè)用地轉(zhuǎn)換過程中，建設(shè)用地轉(zhuǎn)移為耕地的可逆性較小，主要因城市周邊和人口密集的農(nóng)村耕地明顯向建設(shè)用地轉(zhuǎn)移。

4 結(jié)論及建議

4.1 結(jié)論

2005～2010年河南省土地利用格局發(fā)生了較大變化，通過對土地利用格局分析、空間轉(zhuǎn)換特征及土地利用類型動態(tài)度分析，得出以下結(jié)論。

(1)2005～2010年河南省主要土地利用類型是耕地、林地和建設(shè)用地。

(2)2005～2010年河南省耕地面積減少，耕地向建設(shè)用地轉(zhuǎn)移量最大。林地、草地和水域用地面積基本不變。建設(shè)用地面積增多，建設(shè)用地主要來自耕地、林地的轉(zhuǎn)移。未利用地出現(xiàn)轉(zhuǎn)移的概率最大，主要向耕地和水域用地轉(zhuǎn)出。

(3)2005～2010年河南省單一土地利用動態(tài)度由大到小為水域用地>未利用地>建設(shè)用地>林地、草地>耕地。

4.2 建議

政府的各項政策、勞動力轉(zhuǎn)移、城市化和現(xiàn)代化農(nóng)業(yè)發(fā)展、資源不合理利用都是導(dǎo)致河南省土地利用類型變化的原因。結(jié)合河南省土地利用變化現(xiàn)狀及其影響因素，政府可從以下幾方面入手，促進河南省土地利用的健康發(fā)展。

(1)制定詳細的土地利用總體規(guī)劃。土地利用總體規(guī)劃既要保證河南省現(xiàn)代化建設(shè)的順利實施，又要滿足農(nóng)民對農(nóng)業(yè)用地的需求，按照保發(fā)展與?！凹t線”并重的原則編制土地利用總體規(guī)劃。規(guī)劃要聯(lián)系實際，做到根據(jù)形勢變化及時修改和完善。例如，耕地面積的多少是一個地區(qū)發(fā)展的基本保障，面對河南省越來越少的耕地現(xiàn)狀，要做到適時開墾，及時保護。此外，既要有總體規(guī)劃，又要有實施細則，既有階段目標，又有年度計劃。河南省發(fā)展迅速，土地利用隨時會出現(xiàn)新情況和新問題，規(guī)劃要面面俱到。

(2)完善和落實各項政策措施。政府要本著節(jié)約優(yōu)先的原則，以合理利用土地資源為核心，根據(jù)實際情況制定各項政策措施。農(nóng)村勞動力的大面積轉(zhuǎn)移已經(jīng)成為土地利用變化的主要影響因素之一。在這樣的背景下，政府有必要出臺政策，對勞動力轉(zhuǎn)移后農(nóng)村的空房、空地進行相應(yīng)的轉(zhuǎn)移。一方面，可以避免土地資源的浪費； 另一方面，可以加快河南省現(xiàn)代化發(fā)展的進程，加快舊房改造進程。

(3)注重生態(tài)環(huán)境保護。保護生態(tài)環(huán)境是一項長遠的工作，任何的政策和措施均不能以犧牲生態(tài)環(huán)境為代價。河南省土地利用類型的變化中，建設(shè)用地的大面積增加雖然有部分來自未利用地的開墾，但也有部分來自于耕地和水域用地。耕地的減少，除了是因為河南省現(xiàn)代化建設(shè)迅速，建設(shè)用地需求量大，耕地向建設(shè)用地轉(zhuǎn)移，也有一部分原因是因為耕地丟荒。在以后的發(fā)展中，要盡量做到保護環(huán)境，加大環(huán)保宣傳力度，促進農(nóng)民合理施肥等，避免有效用地轉(zhuǎn)移成荒地。

河南省各類土地利用之間的矛盾日益激烈，建議相關(guān)部門依據(jù)各地地理條件、經(jīng)濟發(fā)展水平及土地利用中出現(xiàn)的問題，制定合理的政策和措施，努力保護好已有土地資源，為河南乃至中國經(jīng)濟的發(fā)展做出重要貢獻。河南省作為我國的人口和農(nóng)業(yè)大省，研究該地區(qū)土地利用變化情況，有利于在日后發(fā)展為合理利用土地提供一定參考。

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