河南省土地利用變化特征及其空間格局*

呂 暉，郭雪白，趙萬東

(鄭州工商學(xué)院建筑工程學(xué)院,河南鄭州 451400)

·資源利用·

河南省土地利用變化特征及其空間格局*

呂 暉，郭雪白，趙萬東

(鄭州工商學(xué)院建筑工程學(xué)院,河南鄭州 451400)

目的通過分析河南省2011～2016年土地利用變化特征和空間格局狀況，以期為日后河南省合理開發(fā)、利用土地資源提供一定的理論指導(dǎo)。方法基于河南省土地變化特征，通過馬爾科夫模型對(duì)河南省2011～2016年土地變化特征進(jìn)行分析，從多個(gè)角度揭示該地區(qū)土地利用結(jié)構(gòu)變化情況，并對(duì)河南省土地空間利用變化進(jìn)行評(píng)價(jià)。結(jié)果河南省建設(shè)用地增加幅度最大，耕地、水域用地有不同程度的減少。土地空間變換主要表現(xiàn)為耕地和林地、水域用地、建設(shè)用地等土地類型之間的變換。由土地利用綜合區(qū)可知，不同土地類型轉(zhuǎn)換過程中，草地是轉(zhuǎn)換比率最小的類型。結(jié)論河南省的各類土地利用之間的矛盾日益激烈，直接或間接地影響社會(huì)經(jīng)濟(jì)制度、土地政策和土地管理，因此，有必要加強(qiáng)開展土地資源管理和規(guī)劃、保護(hù)生態(tài)環(huán)境等方面的工作。

河南省 土地變化特征 空間布局 馬爾科夫模型 變化幅度

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(jì)發(fā)展對(duì)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，區(qū)域土地利用對(duì)景觀格局、等級(jí)等產(chǎn)生重要的影響。目前，已有多數(shù)學(xué)者和專家對(duì)這方面開展全面的研究，也已形成相對(duì)成熟的理論體系。柴宏博等[1]以無錫市為研究對(duì)象，研究該區(qū)域2001～2008年土地利用情況與景觀格局演變。申懷飛等[2]以河南省為例，探析該地區(qū)土地利用及覆被空間格局演變情況。劉紀(jì)遠(yuǎn)等[3]研究中國1990～2010年土地利用變化的空間格局和時(shí)空特征發(fā)現(xiàn)中國土地利用變化表現(xiàn)出明顯的時(shí)空差異，耕地呈現(xiàn)南減北增，總量基本持衡，新增耕地的重心逐步由東北向西北移動(dòng)，呈現(xiàn)建設(shè)用地呈現(xiàn)擴(kuò)展提速，東部為重心，向中西部蔓延。宋戈等[4]研究黑龍江巴彥縣1976～2011年間各類土地類型的數(shù)量、結(jié)構(gòu)、組合方式變化特征及空間格局特征，結(jié)果表明巴彥縣建設(shè)用地和其它用地面積不斷減少，旱地面積不斷增加，土地利用類型變化最頻繁的區(qū)域?yàn)楦唤l(xiāng)、松花江鄉(xiāng)、洼興鎮(zhèn)、西集鎮(zhèn)和紅光鄉(xiāng)。但是涉及河南省土地利用變化特征及空間布局的研究比較薄弱，尤其缺少全面、長尺度的研究。因此，如何處理好經(jīng)濟(jì)可持續(xù)發(fā)展與土地高效率利用之間的關(guān)系，成為河南省急需解決的問題。文章以河南省為研究對(duì)象，在地理信息技術(shù)的支持下，借助幅度變化和馬爾可夫模型，深入分析2011～2016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理論指導(dǎo)。

1 研究區(qū)概況及數(shù)據(jù)來源

1.1 研究區(qū)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，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16.7萬km2，其中，平原、山地丘陵面積占總面積55.7%、44.3%。屬于溫度大陸性季風(fēng)氣候區(qū)，年均氣溫14℃，年降水量在600～1200mm，年均日照時(shí)數(shù)處在2 000～2 600h范圍之內(nèi)。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(jì)90年代末，耕地逐漸向建設(shè)用地轉(zhuǎn)化。河南省境內(nèi)共有1500多條河流，分別屬于黃河、海河、長江和淮河四大水系。綜上所述，具有優(yōu)勢的地理位置、適宜的氣候條件、肥沃土地等資源，為河南省的經(jīng)濟(jì)和社會(huì)發(fā)展提供充足條件。分析河南省地理環(huán)境情況，了解其變化規(guī)律及特點(diǎn)，以便更好的利用土地資源，促進(jìn)經(jīng)濟(jì)健康、可持續(xù)發(fā)展。

1.2 數(shù)據(jù)來源

該文數(shù)據(jù)源自中國科學(xué)院資源與保護(hù)信息系統(tǒng)國家實(shí)驗(yàn)室，該數(shù)據(jù)依據(jù)Landsat TM影像通過人機(jī)交互、野外考察得到，使用ArcGIS軟件對(duì)所得數(shù)據(jù)展開分析。根據(jù)國土資源部發(fā)布文件的規(guī)定進(jìn)行劃分，將河南省土地利類型劃分為耕地、林地、水域、建設(shè)及未利用地6個(gè)類型。

2 研究方法

2.1 馬爾科夫模型

馬爾科夫模型是一種統(tǒng)計(jì)模型，一種特殊的隨機(jī)運(yùn)動(dòng)過程，用于描述某個(gè)包含隱含未知參數(shù)的馬爾科夫過程，隨之對(duì)上述參數(shù)進(jìn)行深入的分析，例如：模式識(shí)別。正常的馬爾科夫模型中，狀態(tài)對(duì)觀察者來說是清晰可見的，這種狀態(tài)轉(zhuǎn)變概率就是所有參數(shù)。而隱馬爾科夫模型中，狀態(tài)并不能直接觀看到，但部分受狀態(tài)影響的變量是可見的。馬爾科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，這個(gè)隨機(jī)過程就是馬爾科夫過程[5-6]。無后效性計(jì)算公式如下。

X(n+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)化的初始轉(zhuǎn)移概率矩陣P，馬爾科夫過程具有無后效性和穩(wěn)定性，關(guān)鍵在于轉(zhuǎn)移概率矩陣的確定，其表達(dá)公式如下。

(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(shí)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GIS空間分析功能對(duì)河南省土地利用情況進(jìn)行統(tǒng)計(jì)，獲得土地利用類型轉(zhuǎn)移情況。

2.2 土地利用變化幅度

土地利用變化主要體現(xiàn)在土地利用類型改變、結(jié)構(gòu)空間變化、土地利用質(zhì)量變化等方面。該文采用土地利用變化幅度指標(biāo)反映各類土地在總量上的變化狀況，通過研究河南省土地利用類型總量變化情況，了解其變化總趨勢和土地利用結(jié)構(gòu)改變情況，其模型如下。

ΔU=Ub-Ua

(3)

其中，Ua表示研究初期某類土地面積，Ub代表研究末期某類土地面積。

3 土地利用分類變化特征

農(nóng)用地包含耕地、林地、草地及水域用地等多種類型，其中，耕地是所有土地類型中面積比例最高的類型之一。為深入分析河南省土地利用變化情況，揭示各類型土地間轉(zhuǎn)變數(shù)量及概率，該文采用ArcGIS軟件空間獲取2011～2016年土地利用轉(zhuǎn)移矩陣，見表1。從表1可以看出，不同類型土地利用情況均發(fā)生相應(yīng)改變。其中，耕地所占比例最大，建設(shè)用地所占比例不斷增多。主要表現(xiàn)為：(1)耕地向草地、林地等類型轉(zhuǎn)移概率最小，主要是因?yàn)楹幽鲜∈侵袊霓r(nóng)業(yè)大省的關(guān)系。(2)建設(shè)用地量增多主要來自耕地、草地的轉(zhuǎn)移，分析其原因?yàn)椋弘S著河南省經(jīng)濟(jì)的發(fā)展和城市化進(jìn)程加快，該地交通運(yùn)輸、大眾居住條件有所改善，這種情況必然會(huì)加大耕地資源占用量，導(dǎo)致耕地面積有不同程度的減少。因此，城市化發(fā)展過程中，耕地保護(hù)依然是各部門必須關(guān)注的問題，需要增加重視力度和控制度。(3)未使用類型出現(xiàn)轉(zhuǎn)移的概率最大，這些未使用地主要向耕、水域用地轉(zhuǎn)出，而水域用地減少則是由于其慢慢向耕地及未使用地轉(zhuǎn)出，表明隨著降水量減少、人類過于消耗水資源等因素的影響，部分水域慢慢干涸變?yōu)槲词褂玫鼗蚋氐默F(xiàn)象非常嚴(yán)重，水資源保護(hù)形勢日益嚴(yán)峻[7]。同時(shí)，河南省還存在耕地向未使用地轉(zhuǎn)移的情況，說明該地區(qū)耕地面積在大量流失，這種情況值得深入展開調(diào)查。

表1 2011～2016年河南土地利用類型轉(zhuǎn)移矩陣 %

4 土地利用空間變化情況

依托ArcCIS軟件，通過對(duì)2011～2016年土地利用空間分析，獲得河南省不同類型分類變化情況。研究發(fā)現(xiàn)，河南省土地利用變化具體表現(xiàn)為耕地與林地、水域、建設(shè)用地空間位置之間的變換，不同土地利用空間變換面積大小為耕地>水域>林地>建設(shè)用地>未利用地>草地。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轉(zhuǎn)為林地，但同時(shí)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(hù)也應(yīng)受到所有人的重視和關(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[8]。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則轉(zhuǎn)換成水域[9]。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)用地被占用。同時(shí)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。由此可知，政府實(shí)施的退耕還林政策、人口增加、城市化發(fā)展、人類不合理利用等均是導(dǎo)致本地土地利用變化的因素[10]。為全面了解河南省土地利用變化狀況，借助GIS軟件在疊加分析條件下分類輸出相應(yīng)結(jié)果。研究結(jié)果證實(shí)，耕、草、林三種土地類型出現(xiàn)轉(zhuǎn)移地主要在新鄉(xiāng)、安陽、濟(jì)源、洛陽、三門峽、信陽大部分及南陽西部地區(qū)。其中，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。同時(shí)，草地、林地與其他各類土地類型轉(zhuǎn)換主要展現(xiàn)在豫西、豫南地區(qū)，這與河南省林地和草地分布情況存在必然的聯(lián)系。

5 結(jié)論

綜上所述，河南省作為我國人口和農(nóng)業(yè)大省，耕地、水域用地均有所減少，建設(shè)用地增幅最明顯。空間變化主要表現(xiàn)為：耕地和林地、水域用地、建設(shè)用地之間空間位置的變化。各種土地類型空間位置變化面積最大、最小分別為耕地和草地，而耕地變換面積最大。同時(shí)基于馬爾科夫模型從總體層面分析，河南省在日后的發(fā)展中，各類土地利用之間的矛盾日益激烈，建議相關(guān)部門制定土地規(guī)劃時(shí)，依據(jù)各地地理?xiàng)l件、經(jīng)濟(jì)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(hù)好已有土地資源。該文對(duì)河南省土地利用變化特征和空間格局進(jìn)行了分析，但相關(guān)形成機(jī)理、原因分析不夠深入，因此有待進(jìn)一步深入研究。

[1] 柴宏博， 楊山.2001～2008年無錫市土地利用景觀格局變化分析.人文地理， 2012, 15(4): 94～97

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[3] 劉紀(jì)遠(yuǎn)， 匡文慧，張?jiān)鱿?，?20世紀(jì)80年代末以來中國土地利用變化的基本特征與空間格局.地理學(xué)報(bào), 2014，(1)： 3～14

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[5] 陳春， 張愛玲，于立，等.農(nóng)村集體建設(shè)用地空間研究進(jìn)展與展望.中國農(nóng)業(yè)資源與區(qū)劃， 2016, 37(8): 135～141

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[7] 渠立權(quán)， 邵遠(yuǎn)征，舒幫榮，等.農(nóng)村新型社區(qū)建設(shè)的可行性評(píng)價(jià)方法和規(guī)劃體系.中國農(nóng)業(yè)資源與區(qū)劃， 2014, 35(1): 89～94

[8] 石峽， 朱道林，張軍連，等.土地整治農(nóng)民需求層次特征及影響因素研究.農(nóng)業(yè)工程學(xué)報(bào)， 2015, 15(3): 304～311

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CHARACTERISTICSANDSPATIALPATTERNOFLANDUSECHANGEINHENANPROVINCE*

LvHui，GuoXuebai，ZhaoWandong

(School of Civil Engineering and Architecture, Zhengzhou Technology and Business University, Zhengzhou, Henan 451400, China)

The spatial structure can reflect the characteristics of land use evolution in the process of urbanization development. This paper analyzed the land change characteristics of Henan province from 2011 to 2016 by Markov model. The results showed that the increase of construction land in Henan province was the largest, the cultivated land and water area land reduced in different degrees. The land was transformed among the cultivated land and forest land, water area land, construction land and other land types. Grassland was the type of the minimum conversion ratio during the conversion of different land types. It concluded that the contraction among different land use types became more and more serious, which directly or indirectly impacted the social economy, land policy, and land management. So it was necessary to enhance the land resources management and planning, and protect ecological environment.

Henan province; land change feature space; spatial distribution; Markov model; change range

F301

A

1005-9121[2017]07142-04

10.7621/cjarrp.1005-9121.20170722

2016-05-21

呂暉(1983—)，女，河南新鄉(xiāng)人，碩士、講師。研究方向：土地生態(tài)、“3S”在土地管理中的應(yīng)用等。

Email：lvhui0909@sina.com

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河南省哲學(xué)社會(huì)科學(xué)規(guī)劃項(xiàng)目“河南空間類規(guī)劃‘多規(guī)融合’問題與對(duì)策研究”(2015JC015)