寧夏中部干旱帶土地利用變化及驅動力分析

賈科利，張俊華

（1.寧夏大學 資源環(huán)境學院，銀川 750021；2.寧夏大學 新技術應用研究開發(fā)中心，銀川 750021）

寧夏中部干旱帶土地利用變化及驅動力分析

賈科利1，張俊華2

（1.寧夏大學 資源環(huán)境學院，銀川 750021；2.寧夏大學 新技術應用研究開發(fā)中心，銀川 750021）

利用1978年MSS、1987年、1996年及2007年TM遙感影像，借助遙感和GIS技術及相關分析、主成分分析方法，對寧夏中部干旱帶1978－2007年土地利用變化及驅動力進行了分析。結果表明：1978－2007年耕地、城鎮(zhèn)用地面積快速增加，沙地面積減少了281 682hm2。草地以年均0.17%的速率不斷增加，林地面積減少了近3萬hm2。土地利用系統(tǒng)無序化程度增加，土地利用利用結構復雜性和多樣性增大。人口、經濟、產業(yè)結構、農業(yè)生產、投入、富裕程度、政策和自然因素是驅動研究區(qū)土地利用變化的主要因素，其中，人口作為社會經濟活動的主體，對土地利用變化起著推動作用。

土地利用；驅動力；信息熵；變化趨勢；寧夏中部干旱帶

土地利用驅動力研究對解釋LUCC時空變化和預測模型建立起到關鍵作用，被認為是土地利用/覆被變化（LUCC）研究的焦點問題［1－3］。目前，國內外驅動力研究更多地從人口、經濟、技術和政策等方面揭示由于人為驅動引起的土地利用變化［4－12］，自然驅動力因相對穩(wěn)定研究較少。寧夏中部干旱帶處于荒漠草原和干草原的過渡帶，東西兩邊處在毛烏素沙地和騰格里沙漠邊緣，自然地理位置獨特，決定了其自然地理環(huán)境具有明顯的過渡性、干旱性、多樣性及脆弱性等特點。這使得在生態(tài)脆弱地區(qū)，自然因素特別是氣候因素對區(qū)域土地利用變化具有重要的影響作用。因此，本文以寧夏中部干旱帶為研究區(qū)，應用定量方法，探討自然因素和人類活動在土地利用變化中的耦合效應，為揭示土地利用變化的自然、社會驅動因子提供一個案例。

1 研究區(qū)概況

寧夏中部干旱帶地處寧夏回族自治區(qū)中部（104°17′－107°39′E，36°54′－38°23′N），包括中衛(wèi)市沙坡頭區(qū)、中寧縣、吳忠利通區(qū)、紅寺堡開發(fā)區(qū)、靈武市、鹽池縣、同心縣北部等。土地總面積253.7萬hm2，平均海拔1 100～1 600m，處于毛烏素沙地和騰格里沙漠的邊緣，為典型的荒漠草原帶。在地質構造上屬于鄂爾多斯臺地，是我國北方農區(qū)與天然草地牧區(qū)接壤的過渡地帶。

該區(qū)屬中溫帶半干旱區(qū)，年均溫10.4℃，年均降水量126～225mm，干旱少雨、風大沙多、日照充足、蒸發(fā)強烈，干旱、冰雹、沙塵、霜凍等災害性天氣比較頻繁。土壤以灰鈣土為主，結構松散沙性大。由于降水不足，多大風和沙暴天氣，風蝕和風沙危害嚴重，生態(tài)環(huán)境極其脆弱。

2 數據來源及研究方法

2.1 數據來源與數據處理

土地利用數據以1978年MSS，1987年、1996年和2007年TM/ETM遙感影像為基本信息源，由國家科技基礎條件平臺建設項目地球系統(tǒng)科學數據共享網（www.geodata.cn）提供。所選影像成像時間均在7－8月，已經過輻射校正和幾何粗校正。以寧夏回族自治區(qū)1∶25萬地形圖為參照，并對照4期圖像選取控制點，采用多項式變換模型，在ERDAS 8.7軟件中進行幾何精校正、鑲嵌、拼接、分割和融合處理，結合野外調查資料，建立解譯標志，通過人機交互方式解譯出不同時期土地利用現狀圖。對解譯結果經精度評價，綜合分類精度均達到89%以上，符合精度要求。由于各期數據具有相同的數據基礎及分類系統(tǒng)，分類結果具有可比性，可以進行土地利用變化時空分析。自然、社會經濟方面的數據源自1980－2008年寧夏統(tǒng)計年鑒。

土地利用分類主要依據土地利用方式和土地覆蓋特征，參照《土地利用現狀調查技術規(guī)程》，把寧夏中部干旱帶土地利用類型劃分為6個一級類型，20個二級類型。一級類型即耕地、林地、草地、城鎮(zhèn)用地、水域和未利用土地。圖像分類和數據分析除沙地按二級類型單獨統(tǒng)計分析外，其它類型按二級類型統(tǒng)計，一級類型匯總。

2.2 分析方法

2.2.1 土地利用信息熵 土地利用信息熵的大小反映了土地利用系統(tǒng)的有序程度，土地利用信息熵值越大，不同土地利用類型越多，面積相差越小，結構越均衡。計算公式為［13］：

式中：H——土地利用信息熵；Pi——第i類土地類型面積占總面積的比重。

2.2.2 土地利用變化機制分析 土地利用變化機制分析采用相關分析、主成分分析法，在SPSS 13.0軟件中完成。

3 結果與分析

3.1 土地利用變化分析

從表1可以看出，研究區(qū)耕地、草地、未利用土地和沙地面積較大，占總面積的86%以上。其中沙地、耕地和草地面積始終占有較大比重，分別占總面積的16.5%，27.7%，24.7%上，體現了研究區(qū)是典型的荒漠景觀下的農牧交錯區(qū)。

表1 1978－2007年寧夏中部干旱帶土地利用類型面積及變化幅度

（1）耕地、城鎮(zhèn)用地面積快速增加，沙地面積穩(wěn)步減少。1978－2007年耕地和城鎮(zhèn)用地面積分別增加了229 138.2hm2，232 777.4hm2，沙地面積減少了281 682hm2。從增幅看，耕地在1987－1996年快速增加，增幅達27.74%，城鎮(zhèn)用地在1987年后呈急劇增加態(tài)勢，增幅超過了300%。

（2）草地面積呈先減少后增加態(tài)勢，近30a面積減少了11 922.4hm2。其中在1987－1996年增幅較大，而后增幅減小，但仍以年均0.17%的速率不斷增加。盡管林地面積在1987－1996年以超過3%的速率增加，但總體上呈減少趨勢，30a來面積減少了近3萬hm2。

（3）水體和未利用土地面積呈減少態(tài)勢。未利用土地在1987－2007年平均以近22%的幅度減少，面積減少了131 200hm2；水體則以近15%的幅度面積不斷減少。

3.2 土地利用信息熵變化

利用研究區(qū)1978－2007年各期土地利用數據，依據公式（1）計算土地利用信息熵，結果見圖1。由圖1可見，1978－2007年研究區(qū)土地利用信息熵呈先減小后增加態(tài)勢，但在不同時期增減幅度差異較大。1978－1987年，土地利用信息熵由1.76減小到1.69，10a間減少了0.07。表明土地利用系統(tǒng)有序程度上升，土地利用結構的復雜性和多樣性降低。隨著土地開發(fā)程度增加，土地利用信息熵從1987－1996年增加了0.22，增幅13.02%；1996－2007年增加了0.1，增幅5.24%。表明研究區(qū)土地利用系統(tǒng)無序化程度增加，各類土地利用面積差異程度減小，土地利用結構復雜性和多樣性增大。

總體上1978－2007年土地利用信息熵增幅為14.2%，土地利用結構復雜性和多樣性增大。盡管土地利用類型沒有變化，但耕地、草地和城鎮(zhèn)用地面積大幅增加，而林地、水域、未利用土地和沙地面積減少，使各土地利用面積的均衡性逐漸增強，各類型土地利用面積空間分布的均勻程度提高。這也體現了研究區(qū)重抓生態(tài)建設，又兼顧農牧發(fā)展的理念。

圖1 研究區(qū)土地利用信息熵變化

3.3 土地利用變化驅動力分析

為較全面揭示研究區(qū)土地利用變化的驅動力，選取25項指標（表2）。氣候因素代表了自然因素對土地利用變化的影響，人口、經濟、產業(yè)結構、投入、富裕程度、農業(yè)生產、政策等因素體現了人文社會經濟因素引起的土地資源開發(fā)利用規(guī)模和強度變化。對分析數據進行匯總后，在SPSS軟件中對原始數據進行標準化處理，然后對各土地利用類型面積與這些變量進行相關分析（表3）。對通過相關分析的因子進行主成分分析，結果見表4、表5。

表2 土地利用變化驅動力指標

由表3可知，年均風速、總人口、農業(yè)總產值、牧業(yè)產值、糧食總產量、化肥施用量、農民人均年收入、人均糧食占有量、人均居住面積、造林面積與耕地面積變化具有較高的相關性，表明這些因子是影響耕地變化的主要因子。林地變化主要受林業(yè)產值和造林面積影響。牧業(yè)產值、大牲畜存欄數、封育面積等因子對草地面積的變化具有較大貢獻。GDP、工業(yè)總產值、農業(yè)總產值、一產占GDP比重、社會總投資、農田水利建設投資、農業(yè)機械總動力、人均GDP、農民人均年收入等因子與建設用地呈較好的正相關，對建設用地面積的增加有較大貢獻。水域面積變化與降水量相關；未利用土地與風速、糧食播種面積相關。沙地面積的減少與總人口、糧食總產量、人均糧食占有量、人均居住面積、造林面積呈顯著負相關。實際上，土地利用變化不是由一種或幾種因子引起的，而是這些因子的共同耦合影響了整個區(qū)域的土地利用變化。

表3 土地利用類型與各指標相關性分析

主成分分析結果共篩選了三個主成分（表4），累積貢獻率為87.44%，符合分析要求。由表5主成分載荷表明，第一主成分與年末總人口、GDP、工業(yè)產值、農業(yè)總產值、糧食總產量、大牲畜存欄數、社會總投資、農田水利建設投資、農業(yè)機械總動力、化肥使用量、人均GDP、農民人均年收入、人均糧食占有量、人均居住面積等指標具有顯著的正相關，而與一產占GDP比重呈顯著負相關，相關系數達0.8以上，反映出人口、經濟、產業(yè)結構、農業(yè)生產、投入、富裕程度等因素與土地利用變化密切相關。第二主成分僅與封育面積有較大關系，體現了政策因素對土地利用變化的影響。第三主成分與年均風速有較強的負相關，反映了自然因素對用地結構變化的影響。

表4 特征值及主成分貢獻率

表5 旋轉后主成分載荷

由以上分析可以看出，人口、經濟、產業(yè)結構、農業(yè)生產、投入、富裕程度、政策和自然因素是驅動研究區(qū)土地利用變化的主要因素。其中，人口作為社會經濟活動的主體，對土地利用變化起著推動作用。并且，研究區(qū)處于生態(tài)脆弱區(qū)，在自然的作用下，一方面人類活動使土地生產力降低和環(huán)境退化，造成土地利用屬性喪失，迫使人們改變土地利用類型；另一方面，隨著社會經濟水平提高，人們開始追求環(huán)境質量改善，于是土地利用的環(huán)境效益受到重視，以改善和恢復生態(tài)環(huán)境為目的的土地利用變化主要受到政策、技術手段、投入等因素的影響。

4 結論

（1）研究區(qū)耕地、草地、未利用土地和沙地面積較大，占總面積的86%以上。1978－2007年耕地、城鎮(zhèn)用地面積快速增加，其中城鎮(zhèn)用地增加最為劇烈；沙地面積減少了281 682hm2。草地以年均0.17%的速率不斷增加，林地面積減少了近3萬hm2，水體和未利用土地面積呈減少態(tài)勢。

（2）1978－2007年土地利用信息熵增幅為14.2%，土地利用系統(tǒng)無序化程度增加，各類土地利用面積分布的均勻程度提高，土地利用結構復雜性和多樣性增大。

（3）通過相關分析和主成分分析表明，人口、經濟、產業(yè)結構、農業(yè)生產、投入、富裕程度、政策和自然因素是驅動研究區(qū)土地利用變化的主要因素。其中，人口作為社會經濟活動的主體，對土地利用變化起著推動作用。

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Analysis on Land Use Change and Its Driving Forces in Arid Area of Central Ningxia Hui Autonomous Region

JIA Ke－li1，ZHANG Jun－h(huán)ua2
（1.School of Resources and Environment，Ningxia University，Yinchuan750021，China；2.The Applied Research and Development Center For New Technology，Ningxia University，Yinchuan750021，China）

By using data derived from the 1978MSS image and 1987，1996，2007Landsat TM/ETM images and with the help of GIS，the land use change in arid area of central Ningxia Hui Autonomous Region was analyzed.At the same time，the driving forces of the land use change was identified by making use of the correlation analysis and principal component.The results showed that the overall trend of land use change in arid area of central Ningxia Hui Autonomous Region was in an enlargement of the areas of cultivated land，urban land，whereas sandy land area decreased 281 682hm2，an average annual increase rate grassland area was 0.17%，and area of forest land reduced nearly 30 000hm2over 30years.The land use information entropy indicating that the degree of disorder for land use system increased，and the structure of land use became complexity and diversity.It was considered that population，economic，regional socio－economic development degree，industrial structure，agricultural production，socio－input，government policy，and natural factors are the main driving forces inducing land use change in arid area of central Ningxia Hui Autonomous Region.More importantly，the principal component analysis showed that the impacts of human activity combining with some other conditions were the leading factors that induced dynamic change of the 1and use.

land use；driving force；information entropy；changing trend；arid area of central Ningxia Hui Autonomous Region

F301.24

A

1005－3409（2011）06－0062－05

2011－04－24

2011－07－05

國家自然科學基金項目（40801219）；寧夏大學211工程重點建設學科“草業(yè)科學與生態(tài)工程”子項目

賈科利（1975－），男，陜西寶雞人，副教授，博士，主要從事土地資源與3S技術應用研究。E－mail：jiakeli＠163.com