張 陽

（長安大學(xué)土地工程學(xué)院，陜西 西安 710054）

0 引言

土地是人類賴以生存的基本物質(zhì)資源，是人類進(jìn)行生產(chǎn)、生活的重要載體，一定程度上反映著區(qū)域人類活動的強度［1］。土地利用的實質(zhì)是人類為滿足社會經(jīng)濟生產(chǎn)發(fā)展的需要而對地表形態(tài)進(jìn)行開發(fā)利用的活動過程［2］。在過去的幾十年里，由于快速城鎮(zhèn)化的驅(qū)動，土地利用方式在深度與廣度上呈現(xiàn)出劇烈改變，直接或間接影響著區(qū)域人地關(guān)系的演變［3］。大量研究表明，土地利用變化會對碳儲量、水文徑流、區(qū)域降雨等自然生態(tài)系統(tǒng)產(chǎn)生影響［4-5］。因此，作為反映自然生態(tài)過程與人類社會發(fā)展建設(shè)活動相互作用的橋梁，區(qū)域用地格局演變成為社會-經(jīng)濟-生態(tài)發(fā)展在空間上的投影，研究區(qū)域土地利用時空變化格局有利于掌握自然生態(tài)系統(tǒng)與人類社會系統(tǒng)相互機制，對于理解區(qū)域人地關(guān)系演化至關(guān)重要，有利于減少土地不合理利用帶來的消極影響，促進(jìn)土地資源合理利用，受到了學(xué)術(shù)界和實踐者的高度重視［6-7］。因此，本研究基于2000、2010、2020三期土地利用數(shù)據(jù)，從數(shù)量變化、方向變化、重心變化三個角度試圖揭示陜西省土地利用時空變化特征，以期為國土空間優(yōu)化布局與人地關(guān)系協(xié)調(diào)發(fā)展提供科學(xué)參考。

1 研究區(qū)概況與數(shù)據(jù)來源

1.1 研究區(qū)概況

陜西省坐落于我國西北內(nèi)陸腹地（位于105°29＇E~111°15＇E和31°42＇N~39°35＇N之間），是連接中國東、中部地區(qū)和西北、西南樞紐，屬于東南濕潤地區(qū)到西北干旱地區(qū)的過渡帶。全省共轄10個市，107個縣，各地年平均氣溫在7~16℃左右，年降水量400~900 mm，氣溫和降水空間分布均呈現(xiàn)出由南向北依次降低的特征。地勢南北高、中間低，從南向北橫跨陜南秦巴山地、關(guān)中平原、陜北黃土高原等3個地貌單元。

1.2 數(shù)據(jù)來源

本研究土地利用數(shù)據(jù)來自中國科學(xué)院空天信息創(chuàng)新研究院全球30 m地表覆蓋精細(xì)分類產(chǎn)品（GLC_FCS30~1985_2020）V1.0［8］，共包含29個地表覆蓋類型，本研究為更準(zhǔn)確地揭示不同地類形態(tài)的空間分異特征，將土地利用類型歸并為耕地、林地、草地、水域、建設(shè)用地、其他用地，分類原則見表1。

表1 土地利用類型分類規(guī)則

2 研究方法

本研究通過計算土地利用轉(zhuǎn)移矩陣、土地利用綜合變化率、土地利用重心遷移規(guī)律來表征陜西省2000—2020年土地利用時空變化特征，主要研究方法如下。

2.1 土地利用轉(zhuǎn)移矩陣

土地利用轉(zhuǎn)移矩陣不僅能夠反映土地利用的結(jié)構(gòu)特征，同時還能反映各地類類型之間的轉(zhuǎn)化程度和方向，從而揭示土地利用格局的時空演變過程［9］。其數(shù)學(xué)表達(dá)式為式（1）。

式中：Sij表示土地利用類型i轉(zhuǎn)換為土地利用類型j的面積。n為土地利用的類型。

2.2 綜合土地利用動態(tài)率

綜合土地利用動態(tài)率與傳統(tǒng)土地利用動態(tài)度測算方法不同的是在測算動態(tài)度時它綜合考慮了不同地類的轉(zhuǎn)移與新增這一對互為相逆的變化過程，能夠更精準(zhǔn)的反映土地利用變化綜合活躍程度［10］，計算公式為式（2）至式（4）。

式中：T RL i為轉(zhuǎn)移速率，I RL i為新增速率，B B L i表示特定時間內(nèi)某一種地類的綜合土地利用動態(tài)率；分別為i地類在初期和末期的面積，ULAi為i地類未變化部分的面積。

2.3 重心遷移模型

重心遷移模型可以有效反映不同土地利用類型在特定時間內(nèi)的空間演變過程。其計算公式為［11］式（5）和式（6）。

式中：X和Y分別表示特定區(qū)域內(nèi)某種土地利用類型重心空間坐標(biāo)，Xi和Yi分別表示特定土地利用類型的經(jīng)度和維度坐標(biāo)，Tti和n分別表示某種土地利用類型的第i個斑塊的面積和該土地利用類型的斑塊數(shù)量。

3 結(jié)果與分析

3.1 陜西省土地利用時空變化總體特征

2000年以來陜西省土地利用格局發(fā)生了較為明顯的變化，變化總面積達(dá)11 815.9 km2，占陜西省總面積的5.75%，主要變化的用地類型包括耕地、林地、草地、建設(shè)用地，且發(fā)生變化的區(qū)域有所縮小。相較于2000年，2020年陜西省耕地面積減少了3 212.70 km2（5.98%），林地面積增加了1 919.57 km2（2.02%），草地面積增加了854.47 km2（1.74%），建設(shè)用地增加了2 887.79 km2（113.25%）。

從時間上來看，在快速城鎮(zhèn)化、退耕還林還草及“十三五”以來嚴(yán)格的耕地保護(hù)制度等多重因素影響下，陜西省耕地面積總體上表現(xiàn)為持續(xù)減少，但降幅變緩逐漸變緩（見表2），2000—2020年以2010年為節(jié)點先后減少2 080.69 km2和1 132.01 km2。2000—2010年耕地主要流向林草地（71.85%），轉(zhuǎn)出面積達(dá)2 731.85 km2，其次為建設(shè)用地（24.17%），轉(zhuǎn)出面積達(dá)919.05 km2。轉(zhuǎn)入地類主要為草地和未利用地（93.52%），共計1 609.79 km2。2010—2020年耕地轉(zhuǎn)為建設(shè)用地面積為1 632.14 km2（54.55%），轉(zhuǎn)為林草地面積為1 181.82 km2（39.50%），草地為該階段主要轉(zhuǎn)入類型，面積為1 452.26 km2（78.09%）。林地總體上表現(xiàn)為面積持續(xù)增加，增幅變緩的特點，2000—2020年間以2010年為節(jié)點先后增加1 427.7 km2和491.87 km2。主要來源地類為耕地和草地，其中耕地貢獻(xiàn)占比58.65%和40.73%、草地貢獻(xiàn)占比39.82%和64.00%。建設(shè)用地擴張速度不斷加快，其間先后增加1 036.23 km2和1 851.56 km2，年均增長率由3.46%上升到4.25%，表明陜西省城鎮(zhèn)化進(jìn)程加快，發(fā)展程度進(jìn)一步提升。

從空間上來看，關(guān)中平原地區(qū)快速的城鎮(zhèn)化進(jìn)程依托于建設(shè)用地占用大量優(yōu)質(zhì)耕地，耕地和建設(shè)用地作為區(qū)域主導(dǎo)的地類變化類型（見表2），占區(qū)域變化面積的80%以上，研究期內(nèi)耕地減少了908.98 km2和1 265.88 km2，建設(shè)用地增加了767.40 km2和1 209.82 km2，耕地向建設(shè)用地的轉(zhuǎn)移分別占到了81.56%和91.96%。陜北地區(qū)土地利用變化以耕地與林草地之間的互換為主，未利用地的開墾次之。研究期內(nèi)，陜北地區(qū)受制于前一階段的退耕還林還草工程和后一階段大量的占補平衡項目配置，耕地面積先減少626.7 km2后增加672.3 km2，林地面積先后增加838.92 km2和380.61 km2。陜南地區(qū)地處秦嶺大巴山山脈，是我國重要的生態(tài)屏障，開發(fā)水平有限，面對生態(tài)保護(hù)經(jīng)濟發(fā)展的雙重壓力，土地利用變化活躍度較低，總體上表現(xiàn)為耕地面積不斷減少，建設(shè)用地面積快速增加的趨勢。

表2 陜西省主要用地類型轉(zhuǎn)移面積單位：km2

3.2 綜合土地利用動態(tài)率

本研究通過計算綜合土地利用動態(tài)率來表征區(qū)域土地利用類型間轉(zhuǎn)換的活躍程度，結(jié)果如表3所示?？梢园l(fā)現(xiàn)在所有地類中，綜合土地利用動態(tài)率最高的為建設(shè)用地，最低的為林地。其中，耕地的轉(zhuǎn)移面積和轉(zhuǎn)移速度最大，轉(zhuǎn)移率是同期新增率的2倍左右，屬于高速衰減土地利用類型，轉(zhuǎn)移面積占所有土地利用類型總轉(zhuǎn)移面積的46.83%，且轉(zhuǎn)移速度也遠(yuǎn)遠(yuǎn)高于新增速度，說明耕地是人類進(jìn)行開發(fā)等活動的重要載體，但由于耕地初期面積較大，導(dǎo)致其轉(zhuǎn)移速率并不為最高。得益于退耕還林工程，林地新增速率是同期轉(zhuǎn)移速率的6倍，新增速度是同期轉(zhuǎn)移速度的6.6倍，凈面積不斷增長，增加勢頭較為迅猛。草地屬于微擴張土地利用類型，其轉(zhuǎn)移速率與轉(zhuǎn)移速度均大于同期的新增速率與新增速度，凈面積少量增長。建設(shè)用地的新增速度快，新增面積和份額大，雖建設(shè)用地短時間內(nèi)轉(zhuǎn)移難以發(fā)生，但其新增速率遠(yuǎn)大于同期其他土地利用類型的轉(zhuǎn)移速率，屬典型的高速擴張地類。2000—2020年，建設(shè)用地新增速率為5.66%，是同期其他土地利用類型的2.11～47.12倍，表明建設(shè)用地是其他土地類型轉(zhuǎn)移部分的主要去向。水域與其他用地同為陜西省為“敏感”的地類，雖然二者占地面積較少，但2000—2020年，水域與其他用地的綜合變化率為2.96%與3.81%，僅次于同期建設(shè)用地，其中水域?qū)儆谵D(zhuǎn)換增加型地類，其他用地屬于轉(zhuǎn)換減少型地類。

表3 陜西省2000—2020年土地利用綜合變化率

3.3 土地利用重心遷移規(guī)律

通過計算土地利用重心遷移，可以一定程度上反映人類活動強度的變化，由圖1可知，陜西省不同土地類型整體上都表現(xiàn)不斷向北方移動的趨勢。具體來看，2000—2020年耕地、建設(shè)用地遷移方向互動最為強烈，大致呈“L”型。其中耕地重心在2000—2010年間向西北偏移，2010以后重心開始轉(zhuǎn)向東北方向，2010—2020年遷移幅度最大；建設(shè)用地重心由向東北方向偏移轉(zhuǎn)向西北方向，2000—2010年與2010—2020年遷移幅度趨于一致；2000—2010年其他用地的重心向東北遷移，遷移幅度較大，2010—2020年其他用地的重心開始向東南方向遷移，偏移幅度較小。研究期內(nèi)，林地、草地與水域的遷移方向表現(xiàn)出耕地、建設(shè)用地、其他用地不同的特點，其重心遷移的方向幾乎不變，呈現(xiàn)出直線遷移的特征。其中，林地與水域重心不斷向東北遷移，林地2000—2010年遷移幅度大于2010—2020年；水域兩階段的遷移幅度呈現(xiàn)幾乎不變的特點；草地重心持續(xù)向西北方向遷移，2000—2010年的遷移幅度遠(yuǎn)大于2010—2020年的遷移幅度。

圖1 2000—2020年陜西省特定地類重心轉(zhuǎn)移方向

4 結(jié)論

本研究基于2000、2010、2020年三期土地利用數(shù)據(jù)，以陜西省為例，從數(shù)量變化、方向變化、空間變化三個方面分析了2000—2020年土地利用變化時空演變特征，得出以下結(jié)論。

①研究期內(nèi)，陜西省主要變化地類為耕地、林地、草地、建設(shè)用地?？v向上，耕地凈面積持續(xù)下降，主要流向與新增面積來源均主要為草地與建設(shè)用地；林地面積與建設(shè)用地持續(xù)增長，主要來源為耕地和草地，建設(shè)用地面積的增加主要得益于耕地的轉(zhuǎn)入。橫向上，關(guān)中平原快速城鎮(zhèn)化侵占大量優(yōu)質(zhì)耕地，陜北地區(qū)以耕地與林草地之間的互換為主，未利用地的開墾次之。陜南地區(qū)土地利用變化活躍度較低，耕地面積持續(xù)減少，建設(shè)用地面積快速增加。

②2000—2020年，陜西省不同土地利用類型間轉(zhuǎn)換顯著，耕地屬于高速衰減土地利用類型。建設(shè)用地屬于典型的高速擴張土地利用類型。水域與其他用地綜合土地利用率遠(yuǎn)大于其他土地利用類型，是研究區(qū)域內(nèi)較為“敏感”的用地類型。

③2000—2020年，陜西省不同土地利用類型的重心遷移軌跡表現(xiàn)出明顯的方向性。關(guān)中平原耕地面積不斷減少，重心向西北遷移。林地、草地、水域等生態(tài)用地呈現(xiàn)直線型遷移特征，重心不斷向北。建設(shè)用地重心的遷移方向說明社會經(jīng)濟發(fā)展逐漸向北方活躍。