银川市三区土地利用时空变化研究

时间：2024-05-22

陈丽

（1.宁夏自然资源信息中心，宁夏银川 750002）

目前，国内关于土地利用变化的研究主要是研究方法和研究区域不同[1-2]，大致分为以下几类研究：最多的一类是探究土地利用时空变化特征及驱动因素，如张浚茂[3]等利用GIS技术手段，结合统计分析方法研究了东南诸河流域1990－2015年土地利用时空变化特征及驱动机制；一类是探究土地利用变化与城镇化的关系，如陈娟[4]等利用RS、GIS和相关性分析方法建立函数响应度模型，探究土地利用变化与城镇化的关系；一类是基于土地利用变化探究生态系统服务价值，如吕霜霜[5]等利用RS和GIS技术基于LUCC进行了生态服务价值变化研究；一类利用转移矩阵等方法的简单分析土地利用空间及时空变化情况，如张永彬[6]等利用转移矩阵、信息熵等对研究区的土地利用变化空间分布特征等进行分析；一类是引入景观格局相关指标分析土地利用情况，如佟光臣[7]等分析南京市土地利用/覆被景观格局时空变化及驱动力因素。

本文选取银川市3个市辖区（兴庆区、西夏区和金凤区，简称“银川市三区”）作为研究区域，主要是考虑到城市用地变化频率快，通过利用GIS手段分析土地利用变化规律，希望能为城市用地规划及合理利用提供一定的参考。

1 研究区域概况

银川市是宁夏回族自治区首府，目前下辖3个市辖区、2个县、代管1个县级市，分别是：兴庆区、金凤区、西夏区、永宁县、贺兰县、灵武市。本次研究选择3个市辖区，即兴庆区、西夏区、金凤区作为研究区域。

兴庆区地理坐标为106°17′E～106°66′E、38°28′N～38°65′N，总面积648.08 km2；西夏区地理坐标为105°50′E～106°14′E，38°19′N～38°43′N，辖区面积883.84 km2；金凤区地处银川市中心，地理坐标为106°03′E～106°17′E，38°17′N～38°38′N，辖区总面积270.27 km2。银川市三区位于银川中部，从西往东分别为西夏区、金凤区和兴庆区，北与贺兰县和石嘴山市的平罗县相邻，南与永宁县和灵武市相邻。地形分为山地和平原两大部分，地貌类型复杂，自西向东分为贺兰山地、洪积扇前倾斜平原、洪积冲积平原、冲积湖沼平原、河谷平原等。海拔在1 010～1 150 m之间，土层较厚。位于银川市三区西部的贺兰山为石质中高山，呈北偏东走向。全长约150 km，宽20～30 km，最高峰海拔3 556 m，是阻挡西北冷空气和风沙长驱直入银川的天然屏障。地表水水源充足，年平均降水量200 mm左右，境内沟渠成网，湖泊湿地众多，黄河是银川的主要河流，流经银川市的兴庆区、永宁县和灵武市80多km，引黄灌渠有唐徕、汉延、惠农、西干等渠。

2 研究方法

2.1 数据源及其预处理

2009年、2013年、2018年的土地利用调查数据来源于宁夏自然资源信息中心（自治区自然资源档案馆），将三期数据的三级分类归类到二级类，共八大类，分别是耕地、园地、林地、草地、交通运输用地、水域及水利设施用地、其他土地、城镇村及工矿用地。利用ArcGIS软件的叠加分析制作土地利用转移矩阵，确定土地利用数量变化，利用标准差椭圆分析、变化图谱确定土地利用变化空间特征[8]。通过叠加后的结果计算土地利用强度和动态度指数来研究土地利用的时间变化规律。

2.2 GIS分析工具

2.2.1 叠加分析

地理信息系统（GIS）空间分析是地理信息系统的核心功能，也是地理信息系统与其他计算机系统的根本区别[9]。地理信息系统的空间分析可分为：叠加分析、方位分析、度量分析、栅格分析和地形分析等。GIS的叠加分析功能有擦除（Erase）、识别（Identity）、相交（Intersect）等。本文主要用到GIS的相交分析功能，三期数据先进行融合（Dissolve），通过相交分析，导出属性表，利用Excel中的数据透视表得到2009－2013年、2013－2018年的土地利用转移矩阵，得到土地利用的数量变化。

变化图谱是一种时空复合分析方法[10-11]，本质上也是GIS的叠加分析。利用ArcGIS10.2.2软件将研究期内的3期数进行叠置并利用属性字段计算器计算3 a地类变化，并进行分类，最终生成一幅可以直观地反映各地类空间变化过程的变化图。

2.2.2 土地利用标准差椭圆分析

创建标准差椭圆或椭圆体来汇总地理要素的空间特征：中心趋势、离散和方向趋势。测量一组点或区域的趋势的一种常用方法是计算X、Y和Z方向上的标准距离，利用椭圆体，可以查看要素的分布时候为狭长形，是否具有特定方向。

本文利用ArcGIS软件中的空间统计分析工具中的方向分布Directional土地利用变化的离散和方向趋势，分析2009－2013年，2013－2018年的土地利用变化方向。

2.3 土地利用强度与动态度指数

土地利用强度指数LTIi是某一空间单元i内，土地利用类型j从a时期到b时期在单位面积上发生的变化[12]，是该空间单元土地面积变化速度的标准化，计算公式如下：

式中，Kj，a、Kj，b分别为研究初期a及研究末期b土地利用类型j在空间单元i内的面积；LAi为空间单元i的土地面积；T为研究时段长，最终结果取绝对值。

土地利用动态度是土地利用类型变化速度的直观反映，本文利用单一动态度K[13]用于衡量某一具体用地类型在一定时间范围内的数量变化情况，公式如下：

式中，Uai、Ubi分别是研究期初和研究期末某土地利用类型i的面积；T为研究时段长。

3 结果与分析

3.1 转移矩阵

将银川市三区2009年和2013年、2013年和2018年的土地利用分类结果利用ArcGIS软件进行叠加分析，得到2009－2013年，2013－2018年的土地利用面积转移情况如表1和表2所示。

表2 2013～2018年银川市三区土地利用变化面积转移矩阵hm 2

从表1可以看出，2009－2013年间，耕地和草地面积转出最大，分别是2 720.65 hm2和1 821.17 hm2，转出率分别为38.87%和26.02%；园地和交通运输用地转出最少，分别是173.49 hm2和21.73 hm2，转出率分别为2.48%和0.31%，从转出的地类占用的面积比率来看，各种地类转出为城镇村及工矿用地比率最大。在转入地类中，转入最多的是城镇村及工矿用地和耕地，分别是4 570.48 hm2和989.05 hm2，转入率分别为65.30%和14.13%，转入最少的是园地和林地，分别是95.17 hm2和2.85 hm2，转入率分别为1.36%和0.04%。

表1 2009－2013年银川市三区土地利用变化面积转移矩阵/hm 2

2009－2013年间，2013年城镇村及工矿用地与交通运输用地较2009年有大幅增长，分别增长4 304.32 hm2和560.01 hm2。充分体现了2009－2013年银川市三区城区的扩张及交通设施的建设对用地的需求，从而导致耕地、园地、林地、草地和其他土地都有不同程度的减少。其中，耕地减少面积最大，达到3 731.61 hm2，主要转向城镇村及工矿用地，其次是草地面积减少1 665.79 hm2，主要转向城镇村及工矿用地。

从表2可以看出，2013－2018年间，耕地和草地转出最大，分别为2 265.39 hm2和1 093.43 hm2，转出率分别为38.64%和18.65%；园地和交通运输用地转出最少，分别是181.09 hm2和10.99 hm2，转出率分别为3.09%和0.19%，从转出的地类占用的面积比率来看，各种地类转出为城镇村及工矿用地比率最大。在转入地类中，转入最多的是城镇村及工矿用地和交通运输用地，分别是3 085.01 hm2和1 431.82 hm2，转入率分别为52.62%和24.42%，园地和林地均无转入，转入最小的是耕地和其他土地，分别为321.01 hm2和205.90 hm2，转入率分别为5.48%和3.51%。

2013－2018年间，2018年城镇村及工矿用地与交通运输用地较2013年有大幅增长，分别增长2 795.72 hm2和1 420.81 hm2。尤其是交通运输用地的需求相比2009－2013年大幅度的增加，耕地也有一定程度的增长（增长55.62 hm2），从而导致园地、林地、草地和其他土地都有不同程度的减少。其中，其他土地减少面积最大，达到了790.29 hm2，主要转向城镇村及工矿用地，其次是草地面积减少663.03 hm2，主要转向城镇村及工矿用地。

3.2 变化图谱

参照张永彬[6]等在研究迁西县土地利用空间变化分析方法，将三期土地利用类型分类结果绘制变化图谱，其结果理论有8×8×8共512种土地利用变化情况，按照每一类图斑在不同时期呈现不同的土地利用类型，将研究区分为前期变化型（B-A-A）、后期变化型（A-A-B）、持续变化型（A-B-C）、反复变化型（A-C-A）和稳定型（A-A-A）5种类型，变化图谱如图1所示。

图1中可以直观地反映出土地利用变化模式中稳定型占比最大，占到总面积的92.99%，其他类型相对较少，其中前期变化型和后期变化型分别占到总面积的3.76%和3.13%，反复变化型和持续变化型分别占到总面积的0.08%和0.05%。这说明近10 a来土地利用总体上稳定的。在稳定型变化模式中,耕地-耕地-耕地所占比例最大，占到土地利用总面积的23.70%，交通运输用地-交通运输用地-交通运输用地的变化模式占比最小，占土地利用总面积的1.53%。

图1 银川市三区土地利用变化合成图谱

在前期变化型中，耕地-城镇村及工矿用地-城镇村及工矿用地的变化模式所占比例最大，面积为2 165.40 hm2，后期变化型中，耕地-耕地-城镇村及工矿用地变化模式所占比例最大，面积为1 285.80 hm2，持续变化型中，林地-园地-城镇村及工矿用地变化模式所占比例最大，面积为20.71 hm2，反复变化型中，草地-城镇村及工矿用地-草地变化模式所占比例最大，面积为40.40 hm2。

综上所述，可以看出研究区土地利用变化以稳定型为主，稳定型的草地、林地主要分布在在西夏区西部的贺兰山自然保护区、兴庆区东部等地。在贺兰山东麓的银川平原，沟渠纵横，是塞上江南、鱼米之乡，稳定型中所占面积最大耕地大多数分布银川市三区城区的周边乡镇，表明银川市三区对于耕地的保护强度大，有利于有效利用银川平原的灌溉优势。稳定型排名第三的城镇村及工矿用地则主要分布银川市三区的中部，这些地区基本上是建成区，所以用地比较稳定。无论是前期变化型还是后期变化型，均是耕地转为城镇村及工矿用地的面积较大，主要集中分布在银川市三区城市周边及部分乡镇政府驻地周边，这说明近10 a来银川市城市的扩张及乡镇用地占用了一定数量的耕地及其他用地。还有一部分前期变化型和后期变化型分布在兴庆区的最南部和最北部，最北部是前期生态移民导致的土地利用变化和后期建设机场导致土地利用的变化；兴庆区的最南部是银川滨河新区，这部分土地利用的变化主要是银川滨河新区的发展导致的土地利用变化，前期主要是建立工厂导致的用地变化，后期用地类型是向城镇村及工矿用地中的城市用地的转换。

3.3 土地利用标准差椭圆分析结果

2009－2013年和2013－2018年的土地利用标准差椭圆分析结果如表3所示。

表3 土地利用变化标准差椭圆计算结果

对比2个时期标准差椭圆参数（表3和图2）可知，2009－2013年与2013－2018年银川市三区土地利用变化方向比较明显，以东西-南北方向为主轴，且后期相比前期中心位置向东部偏移，后期土地利用变化标准差椭圆的周长和面积比前期大，旋转方向也发生了一定偏移。从变化图斑来看，2009－2013年和2013－2018年相比变化图斑分布较前期少，说明前期城市建设和扩张导致的土地利用变化程度较后期快。

图2 土地利用变化标准差椭圆

3.4 土地利用强度与动态度

银川市三区的土地利用强度及动态度指数如表4所示。

表4 银川市三区土地利用强度及动态度指数

从变化强度指数来看，2009－2013年银川市三区土地利用变化结构的主体为城镇村及工矿用地、耕地和草地。2013－2018年土地利用变化结构的主体为城镇及工矿用地、耕地和交通运输用地。随着城市化进程和交通网络的不断完善，城镇村及工矿用地、交通运输用地以及耕地成为了土地利用变化结构的主体。其中，城镇村及工矿用地和耕地的变化强度均呈现下降趋势。林地和草地的土地利用变化强度呈现下降趋势，这说明对生态用地的利用强度在减少。

从动态度指数来看，交通运输用地相对于其他用地类型一直处于较高水平，2009－2013年为4.03%，2013－2018年则达到7.09%，近6 a交通运输用地的变化速率仍然在加快。城镇村及工矿用地的动态度2009－2013年为3.61%，2013－2018年下降到1.66%，近6 a来城镇村及工矿用地的变化速率在减缓。园地和其他土地的动态度在增加，耕地、林地、草地和水域及水利设施用地的动态度均在减少。