2005—2018年四川省廣元市土地利用動態變化及驅動力分析

蔣玉爽，唐 榕，林葉彬

（西華師范大學 國土資源學院，四川 南充 637009）

隨著近年來城市化發展，高強度國土開發建設，生態平衡與環境保護問題漸趨嚴峻，人類與土地利用之間的關系不斷惡化[1]。因此，當前全球人類面臨的共同難題是如何協調經濟社會發展與生態環境保護兩者之間的矛盾。土地系統是人類與環境之間相互作用的重要組成部分，與社會、經濟、自然承載力等多種因素之間都存在著耦合性[2]，土地利用與土地覆蓋變化（LUCC）是全球環境變化和可持續研究的重要組成部分，已經成為國內外土地研究的熱點問題之一[3]。人類活動對地表環境施加影響的重要方式和響應稱為土地利用變化[4]。通過建立數學分析模型和指標來研究一定時期內土地利用變化的過程，它是人類了解土地利用變化的原因、規律和過程以及揭示土地利用對人類活動的響應程度的重要途徑和手段[5]。對其進行研究可以反映研究區土地資源的現狀及社會經濟發展狀況，從而為區域土地資源和生態環境的可持續發展提供依據[6]。面對當前形勢嚴峻的土地資源現狀，要對土地進行合理規劃利用。目前，國內外學者利用地理加權回歸、地理探測器等方法分析了全球、國家和行政區域土地利用變化對人類活動的影響[7-9]。國內的劉紀遠等[10]利用衛星遙感圖像數據源，定期更新中國的土地利用變化數據，并開發土地利用動態區劃的研究方法，在國家層面對土地利用變化的空間格局和時空變化特征進行研究。四川省廣元市是嘉陵江重要的生態屏障和水源涵養地，水力、林業資源等豐富，并有國家森林城市、生態康養旅游名市等城市榮譽[11]，因此本文以廣元市為研究區，利用2005、2010、2015和2018年的土地利用遙感監測數據，借助單一土地利用變化動態度、土地轉移矩陣和土地利用變化綜合指數數學方法和Arc-GIS10.2軟件從土地利用面積時空變化、轉換方向和動機等方面研究廣元市近13年土地利用變化的基本情況和空間格局，為該地區土地的合理利用提供數據支持，以期為本研究區的土地利用規劃及生態環境的可持續發展提供參考。

一、研究區概況

廣元市界于北緯31°31′～32°56′，東經104°36'～106°45′之間，北與陜西省、甘肅省交界，南臨南充市，東西分別與巴中市、綿陽市接壤。位于四川盆地北部，地勢由北向東南傾斜，是山地向盆地過渡地帶，并處于龍門山地震帶上，地質活動頻繁。氣候為亞熱帶濕潤季風氣候，南部低山區冬冷夏熱，北部中山區冬寒夏涼，秋季降溫迅速。年平均氣溫16.1 ℃，七月份氣溫26.1 ℃，一月份氣溫4.9 ℃。年降雨量800～1 000 mm，日照數1 300～1 400 h，無霜期220～260 d，四季分明，旱、澇災害頻繁[12]。廣元市植被類型為亞熱帶常綠闊葉林北部山地森林、草甸植被豐富，南部低山區以農業植被為主，森林、草地植被為輔。全市面積1.63萬km2，下轄利州、元壩、朝天三區和蒼溪、旺蒼、劍閣、青川四個縣，總人口303萬人，城市人口27萬人。

二、數據來源及研究方法

（一）數據來源

本研究所使用的遙感數據來源于中國科學院資源環境科學數據中心（www.resdc.cn），遙感圖像為2005、2010、2015、2018四期分辨率為1 km×1 km的Landsat TM/ETM四川省土地利用現狀圖像。統計年鑒數據來源于四川省統計局和廣元市統計局。

（二）數據處理

對四川省的行政區劃邊界利用ArcGIS10.2中的按掩膜提取工具提取出本文所需要的廣元市的土地利用現狀分類遙感監測數據，并進一步對所獲得2005、2010、2015、2018年四期的廣元市土地利用現狀遙感監測數據按照國家標準的《土地利用現狀分類》，利用ArcGIS10.2中的重分類工具將其分為耕地、林地、草地、水體、建設用地、未利用地六個一級地類，再將一級地類分為25種二級土地類型。

（三）研究方法

1.單一土地利用動態度

單一土地利用動態度一方面是對一定時期內固定區域范圍內不同土地利用類型變化速度和變化幅度的指標[13-14]，另一方面，可以對數據進一步分析來預測土地利用變化的趨勢。其計算表達式為：

式（1）中：K是研究時間內某一種土地利用類型動態度；Ua和Ub分別表示研究區開始和結束時某一土地類型的面積；T是研究期的長度，一般單位設定為年。

為了便于數據分析，本研究將持續時間分為3個階段，即2005—2010年、2010—2015年和2015—2018年。

2.土地利用轉移矩陣

土地利用空間轉移矩陣可以全面描述區域土地利用變化的結構特征和不同土地利用類別的變化方向[15]，轉移矩陣不僅可以反映研究期開始和結束時的土地利用結構，還可以反映研究期間各種土地利用類型的轉移狀況，即未變化、轉入、轉出的方向。該方法源于系統分析中狀態轉換的定量描述。轉移矩陣的數學公式為:

式（2）中：S表示面積；n表示土地類型的數目；i、j分別代表研究區域開始和結束時的各種土地類型。

3.土地利用程度綜合指數模型

土地利用程度是反映土地利用深度和廣度的指標，也是衡量人類社會對土地資源自然綜合體人為干涉強度的指標[16]。參照劉紀遠等學者提出的土地利用程度綜合指數評價法進行分級[17]，其表達式為：

式（3）中：Lj代表研究區土地利用程度綜合指數；Ai表示研究區第i級土地利用程度分級指數；Ci是是指研究區第i個土地利用水平的土地面積百分比；n代表土地利用程度分級數，詳見表1。

表1 土地利用程度分級表

三、結果分析

（一）土地利用類型的面積變化

利用ArcGIS10.2對廣元市土地利用現狀遙感監測數據進行提取、重分類以及統計分析，計算出各地類的面積占比及動態變化度（表2、表3）。

表3 廣元市2005—2018年土地利用動態變化度

由表2可知，2005—2018年各地類總體上表現為林地、水體、建設用地面積增加，耕地、草地、未利用地面積減少。各地類的變化速度和幅度差異明顯，具體表現為：

表2 廣元市2005—2018年土地利用類型面積統計

（1）耕地面積由2005年的7 214 km2到2018年的7 171 km2，減少了43 km2，其中在2005—2015年耕地面積均呈減少狀態，而2015—2018年三年間面積增加了31 km2，耕地變化速率增加至0.14%，表明耕地面積有增加趨勢。

（2）林地表現為2005—2010年面積增加7 km2，2010—2015年面積又縮減了11 km2，變化幅度較小，總體上呈減少狀態。而在2015—2018年林地面積增加迅速，變化率達到1.78%，面積增加了281 km2，據統計全市森林面積覆蓋率逐年遞增，截至2018年達到56.18%[11]。

（3）草地面積變化在2005—2015年與林地變化相似，面積處于較小幅度的波動變化。與林地不同的是，在2015—2018年草地面積大幅減少，減少了298 km2，變化速率達到?2.97%，變化顯著。

（4）水體面積變化上，2005—2015年水體面積保持穩定增長，其中以2010—2015年增加較顯著，增加了43 km2，變化速率由0.65%變化到4.82%；而在2015—2018年水體面積略有減少，但總體上水體面積呈增加狀態。

（5）廣元市受2008年汶川大地震影響導致2005—2010年建設用地面積有所減少，2010—2015廣元市的建設用地面積大幅增加，增加了37 km2，變化速率由2005—2010年的?0.38%增加到7.18%，到2018年達到9.52%，面積增加了40 km2，變化最為顯著。

（6）未利用地面積呈減少趨勢，其中2005—2015年基本無變化，2015—2018年未利用地面積減少8 km2，土地利用變化率為?6.5%。

（7）各地類變化速率由大到小為：建設用地≷水域＞未利用地＞草地＞林地＞耕地，其中以建設用地增幅最大，未利用地減幅最大，在3個研究時段內以2015—2018年變化較為顯著，表明2015年以后廣元市土地利用變化強烈。

（二）土地利用類型的轉化方向

使用軟件ArcGIS10.2的空間模塊分析對2005—2018年的土地利用/覆蓋數據進行轉移矩陣運算，獲得近13年各地類轉移變化數據并用?；鶊D來呈現（圖1）。

圖1 2005—2018年廣元市土地利用轉移變化圖

圖1清晰地反映了2005—2018年廣元市各地類之間轉化情況，可以看出在2005—2010年、2010—2015年兩個階段相比2015—2018年各地類間轉移變化量較小，2005—2010年以耕地的轉出最為顯著，轉出量為14 km2，主要轉化的方向為林地、草地和水體，分別占耕地轉出總量的36.36%、40.91%、18.18%，是該階段林地、草地、水體面積增加的主要來源。2010—2015年各地類間的轉化稍有增多，還是以耕地轉出面積最大（60 km2），其次為林地（11 km2）、草地（10 km2）、水域（2 km2），主要轉化方向為水體和建設用地，這可能與該階段開始區域城市化及人類活動有關。未利用地在此階段無變化。2015—2018年，各地類相互轉入、轉出較為復雜、頻繁，轉出面積由大到小依次為：耕地（2 837 km2）＞草地（1941 km2）＞林地（1931 km2）＞水體（153 km2）＞建設用地（92 km2）＞未利用地（20 km2）；轉入面積由大到小依次為：耕地（2 862 km2）＞林地（2 184 km2）＞草地（1 637 km2）＞水體（148 km2）＞建設用地（132 km2）＞未利用地（11 km2）。

（三）土地利用程度的變化

運用公式（3），得到表4廣元市2005—2018年土地利用變化綜合程度指數在245.38～246.14間，變化較小，但具有明顯提高的趨勢，尤其以2015—2018年三年間提高明顯，說明廣元市從2015年以后各鄉鎮及城市等建設用地面積開始大幅度擴展，土地集約利用程度越來越高。

表4 廣元市土地利用程度變化綜合指數

（四）驅動力分析

土地利用的時空變化過程是錯綜復雜的，其變化的驅動力主要表現為自然和社會經濟因素[18]，在本文的研究時間段內自然因素對土地利用變化產生影響的主要是地質構造因素，廣元市處在龍門山斷裂帶上，是2008年汶川地震的重災區，災后重建對土地利用變化有一定影響，其他的自然因素對該研究時段內廣元市土地利用變化影響較小。而社會經濟活動是短時間內影響土地利用變化的主要驅動因素[19]，根據上文的分析以及廣元市2005—2018年統計年鑒數據，從土地利用變化有關的社會經濟因素中選取15個指標，分別是：代表人口狀況的X1年末總人口、X2農業人口、X3人口自然增長率，代表城市化水平的X4城鎮化率，代表產業結構的X5國內生產總值、X6第一產業占GDP比率、X7第二產業占GDP比率、X8第三產業占GDP比率，代表經濟發展狀況的X9農民人均收入、X10城鎮居民人均收入、X11固定資產投資、X12糧食總產量、X13建筑業總產值及代表交通因素的X14貨物運輸量，X15旅客運輸量。

應用SPSS 22.0軟件對所選指標進行主成分分析來分析2005—2018年廣元市土地利用變化的驅動力，得到主成分特征值及貢獻率（表5）、主成分載荷表（表6）。

根據主成分分析中特征值＞1，累計貢獻率≥85%可做主成分的原則[20]，可在表5中提取出前3個作為主成分，其累計貢獻率已達到87.076%，滿足分析要求，進而對其進行旋轉載荷分析，得到表6主成分載荷表。

由表6可知，第一主成分與國內生產總值、城鎮化率、城鎮居民收入、建筑業總產值、農民人均收入、固定資產投資、農業人口、人口自然增長率相關性較大；第二主成分與客運輸量、年末總人口、貨物運輸量相關性較大；第三主成分與第一、二、三產業占GDP比重有較大相關性。這表明廣元市2005—2018年土地利用變化的驅動因子主要為：經濟發展狀況、交通運輸及旅游業的發展、人口因素，此外還有退耕還林等政策及城市發展規劃的推動作用。

1.社會經濟發展及因素

社會經濟發展是影響土地利用變化的重要因素之一，經濟發展水平的提高會促進產業結構的調整，加快城市化進程，從而增加建設用地需求量，提高土地的利用強度。2005—2018年廣元市處于經濟發展階段，尤其是2015年以后經濟快速發展，其國內生產總值、第二、三產業占比，建筑業總產值、固定資產投資、城鎮化率等均呈持續增加趨勢，從而導致廣元市的土地利用變化表現為建設用地面積的增加，而建設用地的擴張大量占用耕地，使得耕地減少，通過上文分析也可知2015年以后耕地主要轉化方向為建設用地。

2.人口增長因素

廣元市2005—2018年人口自然增長率不斷增加，由2005年的0.08%增加到2018年的0.3%，與第一主成分有較大的相關性，是影響廣元市土地利用變化的驅動力之一，而農業人口數量則不斷減少，與第一主成分呈顯著的負相關。人口的增加會導致建設用地的擴張，同時農業人口減少會使得耕地撂荒繼而轉化為建設用地，從而表現出耕地減少、建設用地增加的土地利用變化。

3.交通運輸業、旅游業的發展因素

廣元市2005—2018年的貨運量和旅客周轉量不斷增多以及第三產業占GDP比率的增大，表明廣元市旅游業和交通運輸業快速發展，而旅游業的發展必然會增加旅游建設用地及其他配套設施的面積，以及許多農村人口開始發展旅游二次產品，忽視了耕地的管理和投資等，這也是廣元市土地利用轉化的驅動力之一。

四、結論與討論

本研究基于遙感圖像的土地利用柵格數據，運用ArcGIS10.2多種分析功能，對廣元市的土地利用的動態變化及動因進行了分析，但由于數據獲取條件有限，并且不能實現實地調查，限制了更加深入的細化研究，但本研究分析也反映了近13年來廣元市土地利用變化的總體趨勢，一定程度地揭示了廣元市近年的生態環境變化及經濟發展狀況，主要結論如下。

（1）2005—2018年土地利用變化總體呈耕地、草地、未利用地面積減少，林地、水體、建設用地面積增加。廣元市土地利用類型仍以耕地、林地、草地三大類型為主，建設用地、未利用地占研究區域的比例小，但建設用地比例逐步增加，各地類變化速度加快，土地利用水平正在逐步提高。

（2）從廣元市土地利用類型轉換的角度看，各地類在2015年以前轉換較小，以耕地轉出為主，2015年以后出現較為復雜的轉入/轉出現象，以耕地、草地轉出，林地、建設用地轉入為主，未利用地面積開始減少。

（3）從綜合指數來看，廣元市在2015年以后土地利用程度綜合指數得到提升，土地集約利用程度越來越高。

（4）在驅動力方面，通過主成分分析表明經濟發展狀況、交通運輸及旅游業的發展、人口的增長等是廣元市在2005—2018年土地利用變化的主要驅動力因素。此外，自然因素及退耕還林等政策也對廣元市土地利用變化起著推動作用。