2005-2010年河南省土地利用結構變化分析

張永民, 程維明, 劉海江, 曹彥榮

(1.河南財經政法大學 資源與環境學院, 鄭州450046;2.中國科學院 地理科學與資源研究所 資源與環境信息系統國家重點實驗室, 北京 100101;3.中國環境監測總站,北京 100012; 4.北京山海礎石信息技術有限公司,北京 100101)

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2005-2010年河南省土地利用結構變化分析

張永民1, 程維明2, 劉海江3, 曹彥榮4

(1.河南財經政法大學 資源與環境學院, 鄭州450046;2.中國科學院 地理科學與資源研究所 資源與環境信息系統國家重點實驗室, 北京 100101;3.中國環境監測總站,北京 100012; 4.北京山海礎石信息技術有限公司,北京 100101)

土地利用結構變化是實施土地利用總體規劃關注的核心內容。根據2005年和2010年的2期土地利用空間數據，運用GIS技術和土地利用轉換矩陣等方法，分析了2005—2010年河南省土地利用結構的變化。從全省來看，土地利用結構的數量變化主要表現為：城鄉工礦居民用地和未利用地增加(增幅分別為6.71%和16.97%)，而耕地和水域減少(減幅分別為1.26%和0.98%)。空間變化主要表現為：耕地與林地、耕地與水域、耕地與城鄉工礦居民用地之間的空間位置的變換，以及水域向未利用地的轉變。從土地利用綜合區來看，土地利用結構的數量變化主要表現為：各區城鄉工礦居民用地增加(增幅為3.70%～16.71%)，耕地減少(減幅為0.48%～2.15%)。此外，中原城市群區未利用地和林地的增加、水域的減少，豫北區林地和水域的減少，豫西南區水域的增加，以及黃淮四市區草地的增加也較顯著。空間變化主要表現為：各區耕地和城鄉工礦居民用地之間的空間位置的變換。此外，中原城市群區耕地和林地、耕地和水域之間的位置變換，豫北區林地和水域向耕地的轉變，豫西南區耕地向水域的轉變，以及黃淮四市區耕地和水域之間的位置變換、耕地向草地的轉變也較顯著。研究結果為河南省土地利用總體規劃(2006—2020)的實施提供了科學依據。

河南省; 土地利用綜合區; 土地利用結構

土地利用結構是指特定區域國民經濟各部門占地的比重及其相互關系的總和[1-2]。土地利用結構變化不僅關系國民經濟各部門之間合理分配土地資源和實現土地利用效率最大化，而且直接影響土地退化、環境污染和氣候變化等資源與環境問題[3-8]，因而屬于土地利用總體規劃關注的核心內容，并已成為土地科學研究的熱點之一[9-10]。河南是人口大省、糧食和農業生產大省、新興工業大省，人地矛盾尖銳，土地利用變化引人注目。例如Li等[11]評估了1996—1999年伊洛河流域中部地區的土地利用/覆被變化與可持續發展狀況；張桂賓等[12]分析了1949—2005年河南省耕地的動態變化及其人文驅動力；張本昀等[13]和李謝輝等[14]分別對2000年河南省土地利用景觀格局和1980—2005年河南省土地利用景觀格局的動態變化進行了分析；申懷飛等[15]探討了1988—2008年河南省土地利用變化的空間分布特征。目前，雖然關于河南省土地利用變化的研究頗多，但多是從單一的土地利用類型或者單一的空間尺度探討2005年之前的土地利用變化，對2005年以來土地利用結構的變化報道甚少，而后者對于實施《河南省土地利用總體規劃(2006—2020年)》卻至關重要。因此，本文擬從全省和土地利用綜合區2個尺度研究2005—2010年河南省土地利用結構的變化，從而為河南省實施土地利用總體規劃，進而探索不以犧牲農業和糧食、生態和環境為代價的經濟社會發展模式提供科學依據。

1 研究區概況

河南省地處中國中東部的中緯度內陸地區，地理位置110°21′—116°39′E，31°23′—36°22′N，氣候為北亞熱帶向暖溫帶過渡的大陸性季風氣候[16]，土地總面積是16.55萬km2。河南省地形呈西高東低之勢，北部、西部和南部主要為丘陵和山地，是河南省的主要生態屏障；東部為黃淮海平原，是全國重要的糧食主產區。河南省土地利用以耕地、林地和建設用地為主(3者之和占全省土地總面積的90%以上)，但自20世紀90年代末，耕地向建設用地的轉化已成為土地利用變化的主要特征[12-15]。《河南省土地利用總體規劃(2006—2020年)》(源自國土資源部網站http:∥www.mlr.gov.cn/zwgk/ghjh/201004/t20100406_143920.htm)根據各地資源條件、土地利用現狀、經濟社會發展水平和區域發展戰略定位的差異，把河南省劃分為中原城市群土地利用綜合區(簡稱中原城市群區)、豫北土地利用綜合區(簡稱豫北區)、豫西南土地利用綜合區(簡稱豫西南區)和黃淮四市土地利用綜合區(簡稱黃淮四市區)，并按照促進人口、經濟、社會與資源環境協調發展的要求，明確各區域土地利用管理的重點和對策措施，指導各區域土地利用的調控。

2 數據資料與研究方法

2.1 數據資料

土地利用空間數據來源于中國科學院資源與環境信息系統國家重點實驗室，該數據是根據2005年和2010年的Landsat TM影像通過人機交互解譯、野外實地考察驗證得出的。本研究根據原數據(coverage格式)把河南省的土地利用劃分為耕地、林地、草地、水域(指天然陸地水域和水利設施用地)、城鄉工礦居民用地(指城鄉居民點及其以外的工礦、交通等用地)和未利用地共6種類型[17]。

2.2 研究方法

1) 土地利用轉換矩陣。首先，運用地理信息系統軟件ArcGIS 8.3中的Toolbox模塊，通過intersect命令對2005年和2010年的2期土地利用數據進行疊加，得到反映2005—2010年各土地利用類型相互轉化情況的土地利用變化類型圖。然后，根據土地利用變化類型圖的屬性數據表計算2005—2010年各土地利用類型之間的轉化面積，得出土地利用轉換矩陣[18-19]，進而計算各土地利用類型的空間變化和數量變化。轉換矩陣的數學表達見公式(1)。

(1)

式中：Cij——2005年的i種土地利用類型轉變為2010年的j種土地利用類型的面積。

2) 空間變化和數量變化。土地利用結構變化包括各土地利用類型的空間變化和數量變化兩部分，空間變化是指各土地利用類型在轉出和轉入之后沒有導致其數量發生改變的空間位置變換，而數量變化是指轉入和轉出相抵后各土地利用類型數量的增加或減少。

根據土地利用轉換矩陣，運用公式(2) 和公式(3) 分別計算各土地利用類型的空間變化和數量變化的面積[20]。

Sj=min(Cj+-Cjj,C+j-Cjj)

(2)Qj=max(Cj+-Cjj,C+j-Cjj)-min(Cj+-Cjj,C+j-Cjj)

(3)

式中：Sj——地類j的空間變化；Qj——地類j的數量變化；Cj+和C+j——2005年和2010年地類j的面積；Cjj——2005—2010年沒有發生變化的地類j的面積，即轉換矩陣中對角線上的元素；C+j-Cjj，Cj+-Cjj——2005—2010年由其它地類轉為j地類的轉入面積和由j地類轉為其它地類的轉出面積。

3 結果與分析

3.1 全省土地利用結構的變化

1) 數量變化。全省土地利用結構的數量變化主要表現為城鄉工礦居民用地、未利用地和林地增加，而耕地、水域和草地減少(見表1)。其中，城鄉工礦居民用地和未利用地增幅較大，分別為6.71%和16.97%，而耕地和水域減幅較大，分別為1.26%和0.98%。

土地利用轉換矩陣表明(見表2)，城鄉工礦居民用地的增加主要源于耕地的轉入，而耕地的減少主要源于向城鄉工礦居民用地的轉出，二者的變化具有直

接的因果關系。結合文獻[12-15]報道發現，截至2010年，河南省自20世紀90年代末開始的以城鄉工礦居民用地增加、耕地減少為主要特征的土地利用變化趨勢仍未發生顯著變化，說明城市化過程中的耕地保護問題依然突出，需要持續關注。

表1 2005-2010年河南省土地利用結構的變化 km2

注：括號中的數字前兩列是占全省土地總面積的百分比，后兩列是變化幅度(%)。

未利用地的增加主要源自水域和耕地的轉入，而水域的縮減主要源于向未利用地和耕地的轉出，說明由于降水減少等自然因素以及人類活動加劇、過度消耗水資源等人為因素的共同作用，部分水域干涸轉變為未利用地或者被開墾為耕地的情況比較嚴重，水資源保護形勢嚴峻。此外，耕地向未利用地的轉化，說明耕地在大量流失的同時，還存在一定程度的荒廢現象，值得深入調查。

表2 2005-2010年河南省土地利用轉換矩陣 km2

2) 空間變化。全省土地利用結構的空間變化主要表現為耕地與林地、耕地與水域、耕地與城鄉工礦居民用地之間空間位置的變換，各土地利用類型空間位置變換的面積大小依次為耕地>水域>林地>城鄉工礦居民用地>未利用地>草地(見表1)。其中，耕地的位置變換面積最大(為505.54 km2)，而水域的位置變換幅度最大(為7.49%)。

耕地與林地的位置變換源于一部分耕地通過退耕還林轉換為林地的同時，一部分林地又因毀林轉換為耕地。說明林業生態建設不能只強調植樹造林，生態保育也至關重要。耕地與水域的位置變換源于一部分水域干枯后被開墾為耕地(包括部分水域直接開墾為水田)的同時，一部分耕地又因河道變遷，以及人工引水、蓄水轉換為水域。耕地與城鄉工礦居民用地的位置變換源于一部分耕地因城鄉工礦居民用地擴張被占用的同時，通過對空心村、工礦廢棄地和黏土磚瓦窯進行整理和復墾，一部分廢棄的城鄉工礦居民用地又轉換為耕地。需要強調的是，廢棄城鄉工礦居民用地的整理與復墾是增加耕地的有效途徑，也是調整土地利用結構關注的重點。

3.2 各土地利用綜合區土地利用結構的變化

1) 中原城市群區土地利用結構的變化。中原城市群區是中部崛起的重要增長極，土地總面積為58 318 km2，占全省土地總面積的35.46%。該區土地利用結構的數量變化主要表現為城鄉工礦居民用地、林地和未利用地增加，而耕地、水域和草地減少(見表3)。

其中，城鄉工礦居民用地和未利用地增幅較大，分別為7.02%和86.48%，而耕地和水域減幅較大，分別為1.78%和6.78%。需要指出的是，在4個土地利用綜合區中，該區林地增幅比較突出(為1.34%)，其余3個區都出現了不同程度的減少；未利用地增幅最大，是導致全省該地類大幅增加的直接原因；水域減幅最大，水資源消耗比較嚴重。土地利用轉換矩陣表明(見表4)，林地的增加主要源于耕地的轉入，未利用地的增加主要源于水域的轉入，而水域的減少主要源于向耕地和未利用地的轉出。這主要是由于該區黃河河床擺動、水量變化以及河灘地的利用變化引起的，據調研黃河生態帶建設對林地增加具有重要的決定性作用。

表3 2005-2010年各土地利用綜合區土地利用結構的變化

注：括號外的數字為面積(km2)，括號中的數字是變化幅度(%)。

表4 2005-2010年中原城市群區土地利用轉換矩陣 km2

中原城市群區土地利用結構的空間變化主要表現為耕地和林地、耕地和水域，以及耕地和城鄉工礦居民用地之間空間位置的變換；各土地利用類型位置變換的面積大小依次為耕地>水域>林地>城鄉工礦居民用地>未利用地>草地(見表4)。其中，耕地的位置變換面積最大(為285.25 km2)，而未利用地的位置變換幅度最大(為22.62%)。

2) 豫北區土地利用結構的變化。豫北區是河南省推進城鄉一體化發展的先導區，土地總面積為13 588 km2，占全省土地總面積的8.27%。該區土地利用結構的數量變化主要表現為城鄉工礦居民用地和未利用地增加，而耕地、林地、水域和草地減少(見表3)。其中，城鄉工礦居民用地增幅較大(為16.71%)，而耕地、林地和水域減幅較大，分別為2.15%，1.44%和5.77%。

需要指出的是，在4個土地利用綜合區中，該區城鄉工礦居民用地增幅最大，耕地和林地減幅最大。土地利用轉換矩陣表明(見表5)，耕地的減少主要源于向城鄉工礦居民用地的轉出，而林地和水域的減少又主要源于向耕地的轉出，說明在推進城鄉一體化發展的過程中，城鄉工礦居民用地急劇擴張已對農業和糧食、生態和環境構成威脅，必須高度重視。

豫北區土地利用結構的空間變化主要表現為耕地和城鄉工礦居民用地之間空間位置的變換，以及林地和水域向耕地的轉變；各土地利用類型位置變換的面積大小依次是耕地>城鄉工礦居民用地>林地>水域>草地>未利用地(見表3)。其中，耕地的位置變換面積最大(為61.85 km2)，而水域的位置變換幅度最大(為1.42%)。

表5 2005-2010年豫北區土地利用轉換矩陣 km2

3) 豫西南區土地利用結構的變化。豫西南區是南水北調中線工程的主要水源地，土地總面積為36 249 km2，占全省土地總面積的22.04%。該區土地利用結構的數量變化主要表現為水域和城鄉工礦居民用地增加，而耕地、未利用地、林地和草地減少(見表3)。其中，水域增幅較大(為5.14%)，未利用地減幅較大(為5.85%)。需要指出的是，在4個土地利用綜合區中，該區城鄉工礦居民用地增幅最小，耕地減幅也最小。此外，該區水域增幅比較突出，而且水域的增加主要源于耕地的轉入(見表6)，說明水源地保育工作成效顯著，但農業和糧食方面也付出了一定的代價，因此必須高度關注生態補償問題。

表6 2005-2010年豫西南區土地利用轉換矩陣 km2

豫西南區土地利用結構的空間變化主要表現為耕地和城鄉工礦居民用地之間空間位置的變換，以及耕地向水域、林地向耕地的轉變；各土地利用類型位置變換的面積大小依次為耕地>城鄉工礦居民用地>林地>水域>草地>未利用地(見表3)。其中，耕地的位置變換面積最大(為73.98 km2)，而城鄉工礦居民用地的位置變換幅度最大(為1.94%)。

4) 黃淮四市區土地利用結構的變化。黃淮四市區是重要的農業現代化基地，土地總面積為56 291 km2，占全省土地總面積的34.23%。該區土地利用結構的數量變化主要表現為城鄉工礦居民用地、草地和水域增加，而耕地、林地和未利用地減少(見表3)。其中，城鄉工礦居民用地和草地增幅較大，分別為5.29%和11.56%，而未利用地和耕地減幅較大，分別為1.78%和0.94%。

需要指出的是，在4個土地利用綜合區中，該區草地增幅比較突出，其余3個區出現了不同程度的減少。土地利用轉換矩陣表明(見表7)，草地的增加主要源于耕地的轉入，說明糧食主產區城鎮化過程中同時存在耕地的流失和荒廢問題，尤其是棄耕引起的荒廢更需要高度關注。

黃淮四市區土地利用結構的空間變化主要表現為耕地和城鄉工礦居民用地、耕地和水域之間空間位置的變換，以及林地向耕地、耕地向草地的轉變；各土地利用類型位置變換的面積大小依次為耕地>城鄉工礦居民用地>水域>林地>草地>未利用地(見表3)。其中，耕地的位置變換面積最大(為84.44 km2)，而草地的位置變換幅度最大(為23.37%)。

表7 2005-2010年黃淮四市區土地利用轉換矩陣 km2

4 結論與討論

1) 從全省來看，土地利用結構的數量變化主要表現為：城鄉工礦居民用地和未利用地增加(增幅分別為6.71%和16.97%)，而耕地和水域減少(減幅分別為1.26%和0.98%)。空間變化主要表現為：耕地與林地、耕地與水域、耕地與城鄉工礦居民用地之間空間位置的變換，以及水域向未利用地的轉變。各土地利用類型空間位置變換的面積大小依次為耕地>水域>林地>城鄉工礦居民用地>未利用地>草地。其中，耕地的位置變換面積最大(為505.54 km2)，而水域的位置變換幅度最大(為7.49%)。

2) 從土地利用綜合區來看，土地利用結構的數量變化主要表現為：各區城鄉工礦居民用地增加(增幅為3.70%～16.71%)，耕地減少(減幅為0.48%～2.15%)。此外，中原城市群區未利用地和林地的增加、水域的減少，豫北區林地和水域的減少，豫西南區水域的增加，以及黃淮四市區草地的增加也較顯著。空間變化主要表現為：各區耕地和城鄉工礦居民用地之間空間位置的變換。此外，中原城市群區耕地和林地、耕地和水域之間的位置變換，豫北區林地和水域向耕地的轉變，豫西南區耕地向水域的轉變，以及黃淮四市區耕地和水域之間的位置變換、耕地向草地的轉變也較顯著。

3) 城鄉工礦居民用地增加和與此相對應的耕地減少是河南省土地利用結構變化的主要特征，也是實施《河南省土地利用總體規劃(2006—2020年)》調整土地利用結構面臨的嚴峻問題。此外，中原城市群區水域的減少、未利用地的增加，豫北區林地和水域的減少，豫西南區水域的增加，黃淮四市區草地的增加，以及它們對農業與糧食、生態與環境產生的影響，也都是亟待研究的重要問題。

[1] 張占錄,張正峰.土地利用規劃學[M].北京：中國人民大學出版社,2006.

[2] 封志明,楊艷昭,宋玉,等.中國縣域土地利用結構類型研究[J].自然資源學報,2003,18(5):552-561.

[3] Wu J J. Land Use Changes: Economic, Social and Environmental Impacts[J]. Choices,2008,23(4):6-10.

[4] Gao J, Liu Y. Climate warming and land use change in Heilongjiang Province, Northeast China[J]. Applied Geography,2011,31(2):476-482.

[5] Lubowski R N, Plantinga A J, Stavins R N. What drives land-use change in the United States? A national analysis of landowner decisions[J]. Land Economics,2008,84(4):529-550.

[6] 倪晉仁,李英奎.基于土地利用結構變化的水土流失動態評估[J].地理學報,2001,56(5):611-621.

[7] 李俊然,陳利頂.土地利用結構對非點源污染的影響[J].中國環境科學,2000,20(6):506-510.

[8] 傅伯杰,陳利頂,王軍,等.土地利用結構與生態過程[J].第四紀研究,2003,23(3):247-255.

[9] Drummond M A, Loveland T R. Land-use pressure and a transition to forest-cover loss in the eastern United States[J]. Bioscience,2010,60(4):286-298.

[10] 張增祥,汪瀟,王長耀,等.基于框架數據控制的全國土地覆蓋遙感制圖研究[J].地球信息科學學報,2009,11(2):216-224.

[11] Li X, Peterson J, Liu G J, et al. Assessing regional sustainability: the case of land use and land cover change in the middle Yiluo catchment of the Yellow River basin, China[J]. Applied Geography,2001,21(1):87-106.

[12] 張桂賓,王安周,耿秀麗.河南省耕地變化及其人文驅動力研究[J].水土保持研究,2007,14(4):65-68.

[13] 張本昀,申懷飛,鄭敬剛,等.河南省土地利用景觀格局分析[J].資源科學,2009.

[14] 李謝輝,王磊.河南省土地利用/覆蓋景觀格局變化分析[J].水土保持研究,2012,19(5):83-89.

[15] 申懷飛,鄭敬剛,楊雙喜.河南省土地利用變化空間分布特征研究[J].河南科學,2012,30(8):1163-1166.

[16] 李永文，徐曉霞，劉玉振.河南地理[M].北京：北京師范大學出版社,2010.

[17] 劉紀遠.中國資源環境遙感宏觀調查與動態研究[M].北京：中國科學技術出版社,1996.

[18] 張永民,趙士洞.近15年科爾沁沙地及其周圍地區土地利用變化分析[J].自然資源學報,2003,18(2):174-181.

[19] 王根緒,丁永建,王建,等.近15年來長江黃河源區的土地覆被變化[J].地理學報,2004,59(2)：163-173.

[20] 張永民,趙士洞.生態保護背景下奈曼旗土地利用與景觀格局變化[J].資源科學,2003,25(6):43-51.

Analysis on Changes in Land Use Structure in He′nan Province from 2005 to 2010

ZHANG Yongmin1, CHENG Weiming2, LIU Haijiang3, CAO Yanrong4

(1.CollegeofResourcesandEnvironment,He′nanUniversityofEconomicsandLaw,Zhengzhou450046,China; 2.InstituteofGeographicSciencesandNaturalResourcesResearch,CAS,Beijing100101,China; 3.ChinaNationalEnvironmentalMonitoringCentre,Beijing100012,China; 4.BeijingGISTONEInformationTechnologyCo.,Ltd.,Beijing100101,China)

Changes in land use structure are the focus of attention to implement integrated land use plans. Based on digital land use maps of 2005 and 2010, this research showed changes in land use structure in He′nan Province between 2005 and 2010, exerting GIS techniques and mathematical methods. At the whole province scale, the significant quantitative changes in land use structure were that the areas of construction land and unused land increased greatly (increase rates were 6.71% and 16.97%, respectively), and that the areas of cultivated land and water body decreased markedly (decrease rates were 1.26% and 0.98%, respectively); the significant spatial changes were the location swap between cultivated land and forestland, water body and construction land, and the conversion of water body to unused land. At the integrated land use zone scale, in four land use zones the area of construction land increased by 3.70% to 16.71%, while the area of cultivated land decreased by 0.48% to 2.15%. In addition, the increase of unused land and forest land, and the decrease of water body in Zhongyuan Urban Community zone, the loss of forest land and water body in Yubei Zone, the gain of water body in Yuxinan Zone,and the increase of grassland in Huanghuai Four Municipalities Zone were the more significant changes. With respect to spatial changes, the location swap between cultivated land and construction land was extensive and significant in four zones. In addition, the location swap between cultivated land and forestland, and water body in Zhongyuan Urban Community Zone, the conversion of forest land and water body to cultivated land in Yubei Zone, the conversion of cultivated land to water body in Yuxinan Zone, and the location swap between cultivated land and water body, and the conversion of cultivated land to grassland in Huanghuai Four Municipalities Zone were the more significant changes. These findings provide valuable information for the implementation of He′nan integrated land use plan (2006—2020).

He′nan Province; integrated land use zone; land use structure

2014-05-04

2014-05-24

河南省政府決策研究招標課題“2004年以來河南省土地利用結構的變化及趨勢”(2013B017)

張永民(1973—),男,河南延津人,博士,副研究員,主要從事土地利用變化研究。E-mail:zym0810@aliyun.com

劉海江(1978—)，男，內蒙古呼和浩特市人，博士，高工，主要從事生態系統評估研究。E-mail:liuhj@cnemc.cn

F301.24； X171.1

1005-3409(2015)02-0258-06