基于主成分分析法的貴陽市土地利用結構演變驅動機制研究

彭漫莉++楊柳

摘要：為了研究貴陽市區域土地利用變化，分析其驅動機制，為該區域土地利用可持續發展提供依據。分析2003-2012年10年間貴陽市土地利用數據和社會經濟數據，采用土地利用動態度模型、土地利用程度模型和主成分分析法對該區域土地利用變化和驅動因素進行研究。結果表明，貴陽市10年間土地利用變化相對明顯，耕地面積逐年下降，林地、未利用地變化突出，期間土地利用處于發展時期；社會經濟的發展水平、人口數量、人民生活水平和技術、資金、投資力度對耕地面積變化有顯著的影響，而農業生產效益和產業結構對耕地面積變化有一定影響。

關鍵詞：貴陽市；土地利用；主成分分析；結構演變；驅動機制

中圖分類號：F293.2；F301.2 文獻標識碼：A 文章編號：0439-8114（2015）16-4094-06

DOI：10.14088/j.cnki.issn0439-8114.2015.16.067

Mechanism Research on Evolution and Driving Forces of Land Use Structure in Guiyang City Based on Principle Components Analysis

PENG Man-lia， YANG Liub

（a. College of Resource and Environmental Engineering；b. School of Public Administration， Guizhou University， Guiyang 550025， China）

Abstract： In order to research the land use change， analyze the driving mechanism， and to provide reference for sustainable land use of the district， by analyzing ten years land use data and social economic data of Guiyang in 2003-2012， by using dynamic degree model， land use degree model and principal component analysis method， the factors of land use change and driving force were researched. The results showed that：（1） the land use change of Guiyang city was relatively obvious during the 10 years， the cultivated land area decreased annually， the forest land， unused land changed prominently， in the 10 years the land use was in a period of development；（2） social economic development level， population， living standard of people and technology， capital investment power have significant influence to the change of cultivated land area， while the efficiency of agricultural production and industrial structure have certain effect to the change of cultivated land area.

Key words： Guiyang； land use； principle components analysis；structure evolution； driving mechanism

土地是人類生活生產的重要基礎資源，土地利用變化研究是全球發展研究的重要課題，土地利用動態變化及驅動力研究則是其熱點之一[1]。隨著城鎮化及工業化的加快，人類活動對土地的影響從廣度和深度上都不斷加強，出現了人口劇增、資源稀缺、環境惡化、生物多樣性減少、氣候變化及糧食短缺等一系列全球性問題[2，3]，區域土地利用變化研究得到了廣泛關注。國內外對于土地利用的研究取得顯著成果[4-6]，且多側重于典型經濟發展地區的土地利用現狀、土地利用結構變化及驅動力機制等的方面[7-10]。雖然全國土地利用研究較多，但喀斯特地區的土地利用研究還處于初始階段，貴陽市在土地利用上存在著土地粗放利用、生態環境遭到破壞的問題，嚴重制約了貴陽市土地利用的可持續性[11]。鑒于前人土地利用變化的研究成果以及典型喀斯特地區貴陽市的研究現狀，本研究對貴陽土地利用結構變化及驅動力進行研究，以期緩解該區域土地利用需求與供給的矛盾，促進區域土地合理利用，實現土地可持續發展。

1 數據來源與研究方法

1.1 研究區域概況

貴陽市位于貴州省中部偏北，東經106°07′-107°17′，北緯26°11′-26°55′，東、南與甕安縣、龍里縣、惠水縣、長順縣接壤，西靠平壩縣和織金縣，北鄰黔西縣、金沙縣和遵義縣，國土面積總面積8 034 km2，占全省面積的4.56%，貴陽境內地勢起伏較大，海拔506.5～1 762.7 m，山地丘陵占總面積的89.7%，喀斯特地貌普遍，占總面積的73.3%。貴陽屬于亞熱帶濕潤溫和型氣候，冬無嚴寒，夏無酷熱，陽光充足，雨水充沛，平均氣溫15.3 ℃。貴陽市是貴州省的省會城市，是西南地區的重要交通樞紐、工業基地以及商貿旅游服務中心，全市轄1市6區3縣，2012年年末全市總人口445.17萬人，生產總值1 710.30億元。endprint

1.2 數據來源

數據主要來源于貴陽市2003-2012年土地利用變更調查數據，數據中的土地利用分類按照國土資源部《全國土地分類（過渡期適用）》（國資發[2002]247號）進行劃分，即3個一級類，15個二級類，71個三級類[12]。相關社會經濟發展方面的數據來源于貴陽市2004-2013年統計年鑒、貴陽市土地利用總體規劃等。

1.3 研究方法

1.3.1 土地利用動態度 土地利用動態度可用來表示研究區域一定時間范圍內某種土地利用類型的數量變化情況[13]，分析研究區某一時段土地利用變化，定量描述研究區某一時段土地利用變化速度[14]。計算公式如下：

K=■×■×100%（1）

式中，K為土地利用單一動態度，Ua、Ub分別為研究期初及研究期末某一種土地利用類型的數量，T是時間，以年為單位。

1.3.2 土地利用程度綜合指數 土地利用程度綜合指數可以反映某區域特定時期的土地利用程度。不同的時段指數的變化可定量，反映區域土地利用程度變化[15]。

L=■（Ai×Ci）×100，L∈[100，400] （2）

Lb-a=（Lb-La）×100=[Ai×Cib-■Ai×Cia]×100 （3）

式中L為土地利用綜合指數，Ai是第i級土地利用程度分級指數，Ci是第i級土地利用程度面積比，Lb和La表示在b時間和a時間的區域土地利用綜合指數，Cib和Cia分別表示b時間和a時間第i級土地利用程度面積比，Lb-a為土地利用程度變化量，如果Lb-a>0，表示該研究區域的土地利用處于發展時期，反之，則說明該研究區域處于衰退期或調整期。為了分類系統的一致性，土地利用分類主要參照劉紀遠[15]、陳曦[16]的分類方法。具體情況見表1。

1.3.2 主成分分析法 主成分分析法是把多個指標綜合為少數幾個潛在指標的一種統計分析方法[17]。主成分分析法的目的有兩個，一是用少數不可觀測的潛在變量來直接解釋原變量的相關性，二是對變量或樣本進行分類[18-20]。運用主成分分析法既可綜合多個指標，又可避免指標簡單相關性過高。主成分分析法主要通過SPSS軟件進行操作，通過指標因子的輸入，將基礎數據標準化處理后得到影響因子的相關系數矩陣、特征值以及累計貢獻率和主成分貢獻率。

2 結果與分析

2.1 貴陽市土地利用變化分析

由貴陽市2003-2012年間土地利用情況（表2）可見，2012年貴陽市耕地面積為267 047.71 hm2，占總面積的33.20%；園地11 565.81 hm2，占總面積的1.44%；林地338 683.99 hm2，占總面積的42.11%；牧草地1 230.19 hm2，占總面積的0.15%；其他農用地35 271.84 hm2，占總面積的4.39%；居民點及工礦用地57 370.29hm2，占總面積的7.13%；交通用地8 265.88 hm2，占總面積的1.03%；水利設施用地8 291.67 hm2，占總面積的1.03%；未利用地76 609.22 hm2，占總面積的9.25%。與2003年相比，2012年貴陽市土地利用結構有所調整，面積減少的地類有：耕地（減少了10 119.19 hm2）、牧草地（減少了25 996.86 hm2）、其他農用地（減少了14 134.97 hm2）、水利設施用地（減少了1 113.98 hm2）和未利用地（減少了38 479.66 hm2）；面積增加的地類有：園地（增加了3 943.19 hm2）、林地（增加了67 521.49 hm2）、居民點及獨立工礦用地（增加了15 355.29 hm2）、交通用地（增加了3 024.67 hm2）。

2.1.1 土地利用變化動態度分析 為了能夠更好的反映貴陽市2003-2012年間的土地利用變化速度，將研究區間分為3個階段，分別是2003-2006年、2006-2009年、2009-2012年。根據土地利用動態度模型計算（圖1）可知，貴陽市2003-2012年間耕地數量一直呈現不斷減少的趨勢，其中2009-2012年減少速度最快，年變化速率為-0.83%；園地三階段變化速度呈現減少-增加-減少的趨勢，其中2006-2009年增加速度較大，年變化速率達23.01%，減少速度小，最大年變化速率僅為-2.45%；林地從2003到2009變化速度不斷加快，2006-2009年，年變化速率為8.20%，2009年變化速度減慢，年變化速率為-0.25%；牧草地與其他農用地變化速度趨勢大致一致，三階段皆呈減少-增加-減少的趨勢，其中2006-2009年變化速度最大，年變化率分別為-31.08%，-9.12%；居民點及獨立工礦用地三階段變化速度不斷增加，年變化速率分別為1.76%，3.38%，5.92%；交通用地變化速度出現增加-減少-增加的趨勢，增加速度最大可達年平均速率14.30%；水利設施用地2003-2006年年變化速率為0.35%，2006-2009年，年變化速率最大為 -4.23%；未利用地2003-2009年年變化速率最大，達-10.89%。

為了能夠更好分析農用地、建設用地及未利用的變化趨勢，將以上3種用地類型進行土地利用動態度分析（表3）。

結果表明，貴陽市農用地雖然在2003-2006年及2009-2012年間，變化速度呈下降的趨勢，而2006-2009年間，農用地變化速度有所加快，其年變化速率達1.80%；建設用地在三階段間變化速度呈增長-減少-增長趨勢，建設用地面積不斷增加，最大年變化速率可達5.90%；未利用地年變化速率最大可達-10.89%，最小變化速率僅為0.02%，總體看來，未利用地數量呈減少趨勢。

2.1.2 土地利用程度變化分析 根據公式（2）、（3），計算得出貴陽市土地利用程度變化結果（表4）。由表4可知，2003-2012年間土地利用程度呈增加的趨勢，2003-2006年土地利用程度增加了0.41；2006-2009年土地利用程度增加了4.65；2009-2012年土地利用程度增加了1.77。三階段的Lb-a均大于零，可見該研究區域在各階段均處于土地利用發展時期，且2006-2009年發展速度最快。endprint

2.2 土地利用變化驅動機制分析

耕地是最基本的自然資源，保持一定數量的耕地面積是人類賴以生存的基本條件，社會經濟發展時刻影響著耕地的動態變化[21]。從土地利用類型數量分析可知，貴陽市耕地從2003年到2012年一直處于減少的趨勢，將耕地面積作為因變量Y，驅動因子做為自變量Xi進行驅動力分析。

2.2.1 驅動因子的確定 土地利用結構變化是自然和人類活動雙重驅動因素綜合作用的結果[22]。本研究根據數據的可獲得性及可量化性，綜合考慮社會因素、經濟因素和技術因素的影響，選取的因子有：X1，農藥使用量（t）；X2，化肥施用量（104 t）、X3，農業機械總動力（104 kW）；X4，年末總人口（萬人）；X5，糧食產量（104 t）；X6，全社會固定資產投資總額（萬元）；X7，建設用地面積（hm2），X8，城鎮化率（%）；X9，GDP（萬元）；X10，人均GDP（元）；X11，農民人均純收入（元）；X12，公共財政預算收入（萬元）；X13，第一產業產值比例（%）；X14，第二產業產值比例（%）；X15，第三產業產值比例（%）?；A數據見表5。

2.2.2 主成分分析 運用SPSS進行主成分分析，得到各因子的相關矩陣表（表6），反映了各個相關系數檢驗的顯著性水平，值越大，其相關性越高[23]。從表中可以看出影響貴陽市耕地變化的因子中，相關性較大的有X3與X9、X10、X11、X13；X7與X9、X10、X11、X12；X6與X12；X9與X10、X11、X12；X10與X11、X12；X11與X12；X14與X15，以上因子相關系數最高為0.99，最低為0.98。

貢獻率越大則其所含信息越多，提取主成分個數可根據累計貢獻率大于85%的原則進行選擇。由主成分特征值和主成分貢獻率表（表7）可知，第一主成分和第二主成分的累計貢獻率已達93.36%，足以反映原始驅動因子的絕大部分信息，并且其特征值均大于1，可以達到分析要求，因此主成分個數取為2個，計算得出2個主成分的載荷矩陣（表8）。

因子的荷載絕對值越高，則說明在該主成分中重要性越大。由表8可見，第一主成分荷載值一半以上的驅動因子荷載大于0.85，其中農業機械總動力、年末總人口、全社會固定資產投資總額、建設用地面積、城鎮化率、GDP、人均GDP、農民人均純收入、地方財政預算收入、第一產業產值比例均超過了0.9，其中第一產業產值比例與耕地面積呈負相關關系，這些因子反映的是社會經濟、人口和技術因素，由此可知社會經濟的發展水平、人口數量、人民生活水平和技術資金投資力度對耕地面積變化有非常顯著的影響；第二主成分中，糧食產量與第二產業產值比例對耕地變化有較大影響，第二產業產值比例與耕地面積變化呈負相關關系，可見農業生產效益和經濟結構對耕地變化有一定的影響。

3 小結與討論

采用土地利用動態度模型、土地利用程度模型，分析2003-2012年10年間貴陽市土地利用現狀及變化情況，發現貴陽市土地利用結構變化明顯，耕地面積呈現逐年下降的趨勢，其中林地和未利用地變化最為突出，同時各期間土地利用程度變化值均大于0，表明其土地利用處于發展時期。

借助SPSS軟件和貴陽市2003-2012年貴陽市統計年鑒的社會經濟數據，采用主成分分析法，對耕地面積變化進行驅動因素分析發現，社會經濟的發展水平、人口數量、人民生活水平和技術資金投資力度對耕地面積變化有非常顯著的影響，代表性指標為農業機械總動力、年末總人口、全社會固定資產投資總額、建設用地面積、城鎮化率、GDP、人均GDP、農民人均純收入、地方財政預算收入、第一產業產值占比；而農業生產效益和經濟結構對耕地變化有一定的影響，代表性指標為糧食產量與第二產業產值占比。

因貴陽市土地利用變更調查數據的有限性和不完整性（在全國第二次土地調查前后有一定出入，為了數據的統一性，故將數據進行均值化處理），分析結果精度還有待提高。

本研究缺少10年間貴陽市各區、縣、鄉鎮進行土地利用空間區域差異性分析，且由于資料缺乏，無法分析土地利用變化的空間性。

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