2000~2020年齐齐哈尔市土地利用变化分析

Analysis of Land Use Change in Qiqihar from 2000 to 2020

摘要: 齐齐哈尔位于中国东北地区，地处松嫩平原，土地肥沃，适宜农业生产，生态环境多样，有“世界大湿地，中国鹤家乡”的美称；其土地利用状况广受学界关注。本研究以齐齐哈尔市为研究区域，分析了2000~2020年土地利用情况。通过对土地利用结构变化、动态特征以及类型间转化关系的研究，得出以下主要结论：(1) 耕地是主要土地利用类型，占比约70%，空间分布上呈现出区域差异和集中分布特点。(2) 综合土地利用动态度总体呈上升趋势，2000~2020年期间为0.31%。单一土地利用动态度按绝对值大小排序为水域 > 未利用地 > 草地 > 林地>建设用地 > 耕地。(3) 2000~2020年总转移面积为42246.48km²。林地、草地和水域转入面积小于转出面积，总面积减少；耕地、建设用地和未利用地转入面积大于转出面积，总面积增加。

Abstract: Qiqihar is located in the northeast of China, located in Songnen Plain, with fertile land, suitable for agricultural production and diverse ecological environment. It is known as “the world’s great wetland, the hometown of cranes in China”. Its land use situation is widely concerned by academic circles. This study takes Qiqihar City as the research area and analyzes the land use situation from 2000 to 2020. Through the research on the change of land use structure, dynamic characteristics and the transformation relationship between types, the following main conclusions are drawn: (1) Cultivated land is the main land use type, accounting for about 70%, and its spatial distribution shows the characteristics of regional differences and centralized distribution. (2) The overall dynamic attitude of comprehensive land use is on the rise, and it is 0.31% from 2000 to 2020. The order of single land use dynamic degree is water area > unused land > grassland > woodland > construction land > cultivated land. (3) The total transfer area from 2000 to 2020 is 42246.48 km². The transfer-in area of forest land, grassland and water area is smaller than the transfer-out area, and the total area is reduced; The transfer-in area of cultivated land, construction land and unused land is larger than the transfer-out area, and the total area increases.

1. 引言

土地是人类空间行为活动的物质载体，土地利用/覆被变化(land use /land cover change, LUCC)与气候和环境变化、生态演化及人地关系的可持续等密切相关。土地利用具有明显的时空特征。随着城市化进程的加快，由于人类经济活动的需求，土地利用格局不断发生着变化，对区域生态环境造成了一系列的影响[1]。为此，我国出台了一系列相关政策，保障土地的合理利用，如耕地保护政策、土地利用管制制度等，对区域土地利用产生了一定影响。

近年来，人类社会的产业结构不断转型升级，土地利用类型也随之频繁变化，国内外专家学者对此采取了多角度的研究。谭少华等的综述分析表明，传统的土地利用研究以调查为主[2]，随着遥感技术的发展，李秀花等使用动态监测以及定量分析土地利用变化[3]。叶宝莹等利用遥感和地理信息系统进行动态监测，通过观察三江平原地区土地利用的变化分析其变化规律以及影响因素，并用数学方法建立模型揭示其对生态环境的影响[4]；李煜东等分析土地利用变化的原因，探究淮河流域土地利用变化的作用机理[5]；李广英等通过计算土地利用动态度、土地利用转移矩阵以及土地利用综合程度指数，从时间和空间的尺度分析青海省土地利用变化程度[6]。前人的研究成果为土地利用变化的深入研究打下了坚实的基础，有利于土地利用研究的扩展，为我们理解土地利用的本质提供重要参考。

齐齐哈尔市所在的松嫩平原拥有肥沃的黑土地，是我国重要的商品粮基地，土地利用情况受到我国粮食政策的高度关注。在此背景下，本研究以齐齐哈尔市为研究区域，基于2000年、2010年和2020年3期土地利用数据，旨在深入分析2000~2020年土地利用情况，揭示土地利用的结构变化、动态特征以及不同类型间的转化关系，为齐齐哈尔市的土地资源管理和可持续发展提供参考。

2. 材料与方法

2.1. 研究区概况

齐齐哈尔市(121˚12'~126˚00'E, 47˚12'~53˚00'N)位于中国黑龙江省西部，东邻哈尔滨市，西接内蒙古自治区，具有重要的区域性交通和经济优势。齐齐哈尔境内主要流经的河流为松花江的支流——嫩江，水资源丰富，成为农业和工业发展的重要基础。齐齐哈尔市是典型的以重工业为主的城市，主要产业包括机械制造、冶金、化工、能源以及农业加工等。齐齐哈尔市作为黑龙江省重要的粮食生产基地，主要生产小麦、玉米、大豆等粮食作物。2000~2020年期间，齐齐哈尔的粮食产量总体呈现增长趋势：在2000年左右，齐齐哈尔市的年粮食总产量大致为600万吨左右；到2020年，齐齐哈尔市的年粮食产量已接近800万吨，年均增长约为2%至3%。根据最新统计，齐齐哈尔的常住人口约为200万(2020年)。从2000年至2020年，齐齐哈尔市的GDP逐步增长，2000年约为400亿元人民币，而2020年达到了1600亿元左右，显示出其经济稳步发展和产业升级的趋势。

2.2. 数据来源及处理

本研究所采用土地利用数据来源于中国科学院资源环境科学数据中心(http://www.resdc.cn)，数据源以空间分辨率为30 m的美国陆地卫星Landsat TM/ETM遥感影像为主。本研究选择季节一致且云量低于5%以下的遥感数据作为基础数据从而提高解译的准确性和时效性，其解译精度达85%以上。参考全国土地利用分类体系，在ArcGIS 10.8软件中将土地利用类型划分为耕地、林地、草地、水域、建设用地和未利用土地6个一级类型。本文选取2000、2010、2020年3个时期的土地利用栅格数据，齐齐哈尔的行政区划矢量图来源于国家基础地理信息中心数据库，并基于矢量数据在ArcGIS 10.8软件内通过图像拼接裁剪得到研究区的各期土地利用现状图。

2.3. 研究方法

2.3.1. 土地利用动态度变化特征

土地利用动态度反映土地利用变化的速率与剧烈程度，计算公式为：

$K_i=\left(\frac{U_{ib}-U_{ia}}{U_{ia}}\right)\ast \frac{1}{T}\ast 100\%$

$LC=\left(\frac{{\displaystyle {\sum }_{i=1}^n\Delta L{U}_{i-j}}}{2{\displaystyle {\sum }_{i=1}^n\Delta L{U}_i}}\right)\ast \frac{1}{T}\ast 100\%$

式中：K_i为土地利用类型i的动态度指数(%)，即单一土地利用动态度；U_ia、U_ib分别为研究初期和末期的土地利用类型i的面积(km²)。LC为综合土地利用动态度(%)；∆LU_i为研究初期土地利用类型i的面积(km²)；∆LU_i-j为研究期内土地利用类型i转化为类型j的面积(km²)；n为土地利用类型的个数；T为研究时段。

2.3.2. 土地利用转移矩阵

土地利用转移矩阵用以观测区域内某一时点的土地利用空间构成和不同土地类型的转换情况[6]。本研究利用ArcGIS 10.8软件中的栅格计算器将研究初期和研究末期的土地利用栅格数据图层进行叠加计算，得到研究区内不同土地利用类型之间的相互转移面积。计算方法为：

$M_{ij}=\left[\begin{array}{ccc}{M}_{11}& \cdots & M_{1n}\\ ⋮& \ddots & ⋮\\ M_{n1}& \cdots & M_{nn}\end{array}\right]$

式中：M为土地面积(km²)；n为土地利用类型的个数；i、j分别为研究初期和末期的土地利用类型。

3. 结果与分析

3.1. 齐齐哈尔市土地利用总体分析

对齐齐哈尔市3个时期的6种土地利用类型数据展开统计分析(表1)，可以看出齐齐哈尔市各类土地利用的面积及占比均呈现出不同程度的变化。在这六类土地中，耕地占比最大(70%左右)，其次为10%左右的未利用土地，草地占比(8%左右)约为林地的两倍，林地、水域、建设用地占比均较小。耕地是齐齐哈尔市的主要土地利用类型，在研究期间，耕地占齐齐哈尔市总面积的70%左右。水域面积在2000年至2020年期间呈现出持续下降的态势。齐齐哈尔的林地面积占比较小，呈现出先下降后回升的变化趋势。未利用土地面积在2000年至2020年呈现出上升趋势。建设用地在这20年间有小幅度增长，这与城市化进程的加速紧密相关。

Table 1. Changes of land use structure in Qiqihar City from 2000 to 2020

表1. 2000~2020年齐齐哈尔市土地利用结构变化表

土地类型	2000年		2010年		2020年
	面积(km^2)	占比	面积(km^2)	占比	面积(km^2)	占比
耕地	29357.61	69.47%	29687.82	70.25%	29838.63	70.62%
林地	1752.926	4.15%	1654.403	3.91%	1689.546	4.00%
草地	3687.166	8.72%	3741.915	8.85%	3225.357	7.63%
水域	1814.083	4.29%	1213.304	2.87%	1019.118	2.41%
建设 用地	1788.165	4.23%	1852.743	4.38%	1840.528	4.36%
未利用土地	3860.111	9.13%	4110.188	9.73%	4642.078	10.99%

从各年份的土地类型空间分布图(图1)可以看出，齐齐哈尔市的土地利用类型呈现出较为明显的区域差异和条带式分布的特点。耕地广泛分布于地势平坦的区域，2000~2020年耕地面积总体呈有扩张趋势。林地主要分布于行政区边界的山区和丘陵地带，2000~2010年边缘区域林地面积缩小的；2010~2020年部分地区因森林保护和植树造林面积有所恢复。草地分布相对集中于本市的中西部地区，在水域周边一些地势起伏相对较小且未大规模开发的区域存在。2000~2010年部分草地面积增加，2010~2020年因开垦或建设活动减少。水域分布相对固定，主要集中在嫩江等自然水体所在区域，2000~2010年因城市建设和农业开发等活动导致水域整体面积大幅度减少；2010~2020年水域面积减少速度放缓。建设用地主要集中在城市中心区域以及交通干线沿线，均匀且零星散布于大面积耕地之间，2000~2020年建设用地有小幅度增长。未利用地呈条带状分布，与嫩江走势大致相同，2000~2010年部分区域面积增加，2010~2020年某些区域面积大幅增加，可能因河水涨落或土地退化使其他用地转变为未利用地。

Figure 1. Spatial distribution of land use in Qiqihar from 2000 to 2020

图1. 齐齐哈尔市2000~2020土地利用空间分布图

3.2. 齐齐哈尔市土地利用动态分析

根据计算结果可知(表2)，2000~2020年齐齐哈尔市土地利用类型变化呈现出复杂态势。城市土地利用综合动态度变化总体保持平缓。城市单一土地利用的动态绝对值受经济发展和土地政策影响，在不同时期表现出明显差异，按照单一土地利用动态绝对值大小可排列为未利用土地 > 建设用地 > 耕地 > 林地 > 草地 > 水域。其中，未利用土地、建设用地、耕地面积分别有不同程度的增加，而林地、草地、水域面积则有所缩减。

从各阶段来看：2000~2010年，水域、林地和未利用土地是土地变化最为活跃的三种类型。耕地、草地和建设用地的单一土地利用动态度值呈现出较小幅度的变化，林地和水域面积有所减少，分别为−0.56%和−3.31%，水域面积大幅度缩减。2010~2020年，城市土地利用变化趋于缓和，土地综合利用动态度为0.17%。在退耕还林政策推动下，林地面积有所增长，草地、水域、建设用地动态度为负值，表明面积也有所减少，未利用地面积大幅增长，可能是由于土地退化等原因导致更多土地变为未利用地。在2000年~2020年期间，综合土地利用动态度为0.31%，这表明齐齐哈尔市土地利用总体上处于动态变化的过程中。尽管各单一土地利用类型动态度有增有减，但总体上呈现出一定的变化趋势，这反映了城市发展、生态环境变化以及人类活动对土地利用的综合影响。

Table 2. Dynamic changes in land use in Qiqihar from 2000 to 2020

表2. 2000~2020年齐齐哈尔市土地利用动态度变化

年份	单一土地利用度(%)						综合土地利用度(%)
	耕地	林地	草地	水域	建设用地	未利用土地
2000~2010	0.11%	−0.56%	0.15%	−3.31%	0.36%	0.65%	0.17%
2010~2020	0.05%	0.21%	−1.38%	−1.60%	−0.07%	1.29%	0.17%
2000~2020	0.16%	−0.36%	−1.25%	−4.38%	0.29%	2.03%	0.31%

Table 3. Qiqihar land use transfer matrix from 2000 to 2020 (km²)

表3. 齐齐哈尔市2000~2020 土地利用转移矩阵(km²)

年份	2010年
	土地类型	耕地	林地	草地	水域	建设用地	未利用地	转出总计
2000年	耕地	27172.91	310.31	812.44	184.79	540.22	335.98	29356.64
	林地	340.27	1203.18	116.20	29.65	11.94	51.54	1752.78
	草地	891.14	71.99	1872.02	80.46	31.32	740.03	3686.96
	水域	160.74	13.45	434.02	746.13	5.63	453.70	1813.67
	建设用地	458.45	10.65	43.26	11.49	1250.55	13.75	1788.15
	未利用地	663.25	44.56	463.71	160.30	13.05	2514.81	3859.68
	转入总计	29686.75	1654.14	3741.65	1212.81	1852.72	4109.81	42257.88
年份	2020年
	土地类型	耕地	林地	草地	水域	建设用地	未利用地	转出总计
2010年	耕地	27562.96	343.92	722.80	59.17	532.12	460.83	29681.79
	林地	319.75	1194.05	65.84	8.96	12.43	52.81	1653.85
	草地	860.84	101.47	1775.57	162.83	53.73	786.09	3740.52
	水域	94.78	3.77	52.50	610.33	4.96	444.31	1210.64
	建设用地	572.10	12.39	30.78	3.09	1219.75	14.51	1852.62
	未利用地	424.73	33.47	577.21	173.38	17.50	2881.81	4108.10
	转入总计	29835.16	1689.06	3224.69	1017.76	1840.49	4640.36	42247.52

运用ArcGIS空间分析工具对齐齐哈尔2000~2020年三期土地利用数据进行叠加分析，在此基础上借助Excel数据透视表构建土地利用转移矩阵(表3)，来分析齐齐哈尔市2000~2020各时间段土地利用类型之间的转化关系及转化特征。

从齐齐哈尔市土地利用变化弦图(图2)可以看出，2000~2020年齐齐哈尔市各土地利用类型间发生了较为明显的变化，各土地利用类型之间存在着不同程度的相互转换。其中，耕地总转出面积为29351.23 km²，转入面积为29834.77 km²；林地转出面积为1752.12 km²，转入面积1688.84 km²；草地转出面积为3685.97 km²，转入面积为3224.63 km²；水域转出面积为3685.97 km²，转入面积1017.56 km²；建设用地转出面积为1788.08 km²，转入面积为1840.48 km²；未利用地转出面积为 3857.82 km²，转入面积为4640.19 km²。耕地、建设用地和未利用地的转入面积大于转出面积，总面积呈现一定上升趋势。林地、草地和水域转入面积小于转出面积，总面积呈现一定下降趋势。总体来看，齐齐哈尔市在 2000~2020年期间土地利用变化较为复杂。耕地有明显的扩张趋势，而建设用地、林地、草地、水域和未利用地之间相互转换较为频繁。这可能与城市化进程、经济发展以及相关政策等因素密切相关。

Figure 2. Chord diagram of land use change in Qiqihar city from 2000 to 2020

图2. 齐齐哈尔市2000~2020土地利用变化弦图

4. 结论

本研究对齐齐哈尔市 2000~2020年土地利用情况进行了系统分析，通过多种方法揭示了土地利用的结构变化、动态特征以及类型间的转化关系，主要结论如下：

(1) 土地利用结构变化

齐齐哈尔市各类土地利用的面积及占比在2000~2020年呈现出不同程度的变化。耕地是主要土地利用类型，占比约为70%左右。水域面积持续下降，林地面积占比较小且有波动，建设用地比重小且存在一定增长，未利用地面积呈上升趋势。从空间分布看，不同土地类型呈现出区域差异和集中分布特点。耕地分布于地势平坦区，林地分布在市区边界的山区丘陵，建设用地集中在城市中心和嫩江沿岸，且各类型在不同时段有不同的空间变化趋势。

(2) 土地利用动态变化

土地利用动态度分析表明，综合土地利用动态度总体呈上升趋势，2000~2020年期间为0.31%，反映了土地利用处于动态变化过程。单一土地利用动态度受经济发展和政策影响，不同时期各土地类型变化差异明显，按绝对值大小为：水域 > 未利用地 > 草地 > 林地 > 建设用地 > 耕地，其中耕地、未利用地、建设用地面积增加，林地、草地、水域面积缩减。分阶段来看，林地面积先减后增，可能与植树造林活动有关。

(3) 土地利用转移特征

2000~2020年齐齐哈尔土地利用总转移面积为42246.48 km²。林地、草地和水域转入面积小于转出面积，总面积递减；耕地、建设用地和未利用地转入面积大于转出面积，总面积呈上升趋势。总体而言，齐齐哈尔市在2000~2020年期间土地利用变化复杂，耕地和建设用地扩张，其他土地类型相互转换频繁，这与城市化进程、经济发展和相关政策密切相关。