基于灰色模型的貴陽(yáng)市土地利用／覆被變化的驅(qū)動(dòng)力分析

蘇維詞，易武英

（1.貴州科學(xué)院 山地資源研究所，貴州 貴陽(yáng)550001；2.重慶師范大學(xué) 地理與旅游學(xué)院，重慶400047）

貴陽(yáng)市地處喀斯特發(fā)育典型區(qū)，生態(tài)環(huán)境脆弱，地貌類型復(fù)雜多樣。隨著城鎮(zhèn)化和工業(yè)化戰(zhàn)略的推進(jìn)，該地區(qū)土地利用／覆被變化（LUCC）深刻，產(chǎn)生了一系列生態(tài)環(huán)境負(fù)面效應(yīng)，如環(huán)城林帶景觀破碎化加劇，流經(jīng)市區(qū)南明河水質(zhì)惡化，環(huán)境容量下降等。因此，研究貴陽(yáng)市LUCC特征，揭示其LUCC的主導(dǎo)驅(qū)動(dòng)因子，對(duì)于調(diào)控和優(yōu)化貴陽(yáng)市土地利用結(jié)構(gòu)，推進(jìn)貴陽(yáng)市生態(tài)文明建設(shè)具有現(xiàn)實(shí)意義。目前，國(guó)內(nèi)外對(duì)LUCC驅(qū)動(dòng)力研究在于揭示土地利用變化的原因，內(nèi)部機(jī)制和基本過(guò)程，以便制定相應(yīng)的調(diào)控對(duì)策，實(shí)現(xiàn)土地優(yōu)化配置［1－3］。人為因素是導(dǎo)致土地利用／覆被變化的最主要因素［4－5］，隨著人口增長(zhǎng)，經(jīng)濟(jì)發(fā)展，工業(yè)化，城市化的推進(jìn)，對(duì)土地系統(tǒng)施加壓力與日俱增，人地矛盾不斷加劇。目前國(guó)內(nèi)外眾多學(xué)者圍繞土地利用／覆被變化展開了研究，如土地利用／覆被時(shí)空變化研究［6－8］，土地利用／覆被變化驅(qū)動(dòng)機(jī)制研究［9］，土地利用／覆被變化模型研究［10－12］等，并取得了豐碩的研究成果，但目前仍缺乏針對(duì)喀斯特這種特殊地質(zhì)地貌區(qū)城市化過(guò)程中LUCC規(guī)律的研究，特別是對(duì)喀斯特地區(qū)LUCC驅(qū)動(dòng)力的量化研究目前尚屬空白。本研究基于RS和GIS技術(shù)手段，以貴陽(yáng)市1993，2000和2010年3期TM遙感影像為基礎(chǔ)數(shù)據(jù)，結(jié)合社會(huì)經(jīng)濟(jì)統(tǒng)計(jì)數(shù)據(jù)，在分析LUCC時(shí)空特征的基礎(chǔ)上，運(yùn)用灰色關(guān)聯(lián)模型定量分析貴陽(yáng)市LUCC驅(qū)動(dòng)力，以期為貴陽(yáng)市土地利用優(yōu)化配置提供決策參考。

1 研究區(qū)概況

研究區(qū)包括花溪區(qū)、烏當(dāng)區(qū)、白云區(qū)、南明區(qū)、云巖區(qū)、小河區(qū)、金陽(yáng)區(qū)7個(gè)區(qū)，位于貴州省中部，喀斯特發(fā)育典型，碳酸鹽巖出露面積占84%，以中低山地、丘陵盆地為主，土地總面積2 043km2，其中山地面積4 217.97km2，丘陵面積2 842.37km2，分別為土地總面積的52.3%和35.2%。屬中亞熱帶季風(fēng)濕潤(rùn)氣候，冬無(wú)嚴(yán)寒，夏無(wú)酷暑，年均降水量1 129mm，無(wú)霜期長(zhǎng)。適合建設(shè)用的平川壩地少，土地墾殖率高，水土流失、石漠化問(wèn)題較嚴(yán)重。2011年總?cè)丝诩s310萬(wàn)，地區(qū)生產(chǎn)總值約815億元，人均GDP為9 928元，三大產(chǎn)業(yè)所占比重為5.1∶40.7∶54.2。

2 數(shù)據(jù)來(lái)源及處理

遙感影像數(shù)據(jù)來(lái)源于中國(guó)科學(xué)數(shù)據(jù)應(yīng)用中心，首先將影像在Erdas 9.2中進(jìn)行條帶修復(fù)、幾何校正、輻射校正、多波段融合、影像裁剪等處理，再在Arcview 3.3中采用分層類法進(jìn)行解譯工作，分層分類解譯法能有效提高解譯精確度，經(jīng)檢驗(yàn)解譯精度在80%以上。根據(jù)遙感影像特征及研究區(qū)區(qū)域特征，將貴陽(yáng)市土地利用／覆被劃分為水田、旱地、有林地、灌木林、建設(shè)用地、水域、未利用地7種類型，貴陽(yáng)市1993，2000及2010年土地利用／覆被情況如附圖3所示。

3 研究方法

3.1 土地利用變化模型

3.1.1 土地利用動(dòng)態(tài)度 土地利用動(dòng)態(tài)度是表征土地利用變化速度的指標(biāo)［13］，目前主要有單一土地利

式中：Ua，Ub——研究初期和研究末期某一土地利用類型的面積；T——研究時(shí)段。

3.1.2 土地利用程度綜合指數(shù) 土地利用利用程度綜合指數(shù)是衡量某一地區(qū)土地利用程度［14］強(qiáng)弱的重要指標(biāo)之一，其值越大，表明土地利用程度越高，反之，則土地利用程度越低，其計(jì)算公式如下所示：用動(dòng)態(tài)度和綜合土地利用動(dòng)態(tài)度，本文分析貴陽(yáng)市單一土地利用動(dòng)態(tài)情況，其計(jì)算公式為：

式中：La——研究區(qū)土地利用程度綜合指數(shù)；Ai——土地利用類型i的土地利用程度分級(jí)指數(shù)（不同土地利用類型的土地利用程度分級(jí)情況詳見表1）；Ci——土地利用類型i的面積百分比。

表1 不同土地利用類型的分級(jí)賦值情況

3.1.3 土地利用結(jié)構(gòu)信息熵 利用信息熵原理定量刻畫貴陽(yáng)市LUCC結(jié)構(gòu)的時(shí)序變化程度，土地利用結(jié)構(gòu)信息熵計(jì)算公式［11］為：

式中：Pi——土地利用類型i面積占研究區(qū)土地總面積的比例；n——研究土地利用類型數(shù)；H——土地利用結(jié)構(gòu)信息熵。由公式（3）可知，當(dāng)各種土地利用類型面積相等時(shí)，熵值最大（H＝lnN，N為土地利用類型總數(shù)），因此，土地利用類型越多，且面積相差越小，則熵值越大，土地利用結(jié)構(gòu)越均衡。

3.2 因子分析法［9］

因子分析法是通過(guò)降維手段將多個(gè)相關(guān)指標(biāo)簡(jiǎn)化成少數(shù)幾個(gè)綜合指標(biāo)，目前在地理學(xué)得到廣泛應(yīng)用。假設(shè)有p個(gè)指標(biāo)，用向量表示為X＝（X1，X2，…，Xp），其中 Xi＝（X1i，X2i，…，Xni）′，Xni代表第n個(gè)樣本在第i個(gè)（i＝1，2，…，p）指標(biāo)上的觀測(cè)值，那個(gè)，第i個(gè)因子就可以表示為：

滿足：

第i個(gè)主成分Pi表示X1，X2，…，Xp的一切線性組合中方差第i大的，而對(duì)應(yīng)的系數(shù)向量（a1，a2，…，api）則恰好是X的協(xié)方差矩陣的第i個(gè)最大的特征值所對(duì)應(yīng)的特征向量。

3.3 灰色關(guān)聯(lián)模型［15］

（1）確定數(shù)列的最優(yōu)向量，傳統(tǒng)灰色關(guān)聯(lián)法最優(yōu)向量的確定一般是將指標(biāo)數(shù)據(jù)原始數(shù)據(jù)進(jìn)行標(biāo)準(zhǔn)化處理且都轉(zhuǎn)化為正向指標(biāo)后，選擇各指標(biāo)最大值為其最優(yōu)向量，公式為：

式中：v——取最大運(yùn)算符。

（2）利用灰色關(guān)聯(lián)系數(shù)公式計(jì)算第j個(gè)評(píng)價(jià)指標(biāo)Yj與最優(yōu)向量G 的關(guān)聯(lián)系數(shù)ξi（Yj，G）：

（3）計(jì)算第i個(gè)評(píng)價(jià)對(duì)象yi與最優(yōu)向量G的關(guān)聯(lián)度R：

4 結(jié)果分析

4.1 貴陽(yáng)市LUCC時(shí)空分析

4.1.1 土地利用動(dòng)態(tài)度分析 由公式（1）得出各研究時(shí)段不同土地利用類型的土地利用動(dòng)態(tài)度，當(dāng)土地利用動(dòng)態(tài)度為正值，表明研究時(shí)段面積增加，反之，表明研究時(shí)段面積減少。由表2可知，1993—2010年貴陽(yáng)市建設(shè)用地動(dòng)態(tài)度最大，其次是水域，再次是水田，旱地動(dòng)態(tài)度最小。近20a間水田、旱地、灌木林地、未利用地動(dòng)態(tài)度都為負(fù)值，面積呈減少變化趨勢(shì)，分別減少了135.2，55.4，80.8和98.6km2，其中水田面積減少最大，其次是未利用地；而水域、有林地、建設(shè)用地面積呈增加變化趨勢(shì)，分別增加了49.1，128.3和183.4km2，其中建設(shè)用增加幅度最大，由于工業(yè)化、城市化建設(shè)，建設(shè)用的快速擴(kuò)建，占用大量良田，導(dǎo)致耕地面積減少，建設(shè)用地面積增加。

表2 貴陽(yáng)市1993－2010年土地利用／覆被變化情況

4.1.2 土地利用綜合程度分析 根據(jù)公式（2）計(jì)算可得，貴陽(yáng)市1993年土地利用綜合程度指數(shù)為301.2，2000 年307.7，2010 年 319.0，研 究 時(shí) 段 土地利用綜合程度指數(shù)呈增大的變化趨勢(shì)，2000—2010年比1993—2000年增長(zhǎng)幅度大，表明隨著經(jīng)濟(jì)的發(fā)展，技術(shù)的進(jìn)步，加大了土地利用程度。在地勢(shì)低平，坡度較小地區(qū)，LUCC較為劇烈，土地利用程度較強(qiáng)。

4.1.3 土地利用結(jié)構(gòu)的熵值分析 由公式（3）可得，研究時(shí)段貴陽(yáng)市土地利用結(jié)構(gòu)信息熵變化幅度較小，土地利用結(jié)構(gòu)信息熵是土地利用結(jié)構(gòu)變化的表征，表明該時(shí)段貴陽(yáng)市土地利用結(jié)構(gòu)在此期間變化并不顯著，從1993—2010年的分析得出，貴陽(yáng)市土地利用結(jié)構(gòu)信息熵先增大后減小，由1993年0.76上升到2001年的0.78，再下降到2010年0.77，表明貴陽(yáng)市土地利用結(jié)構(gòu)系統(tǒng)的有序性、穩(wěn)定性呈先增加再減弱的變化趨勢(shì)。

4.2 貴陽(yáng)市土地利用／覆被變化驅(qū)動(dòng)力分析

選取人口自然增長(zhǎng)率（X1）、人口密度（X2）人均糧食產(chǎn)量（X3）、人均耕地面積（X4）、城鎮(zhèn)化水平（X5）、農(nóng)業(yè)收入比重（X6）、人均 GDP（X7）、第三產(chǎn)業(yè)比重（X8）、GDP（X9）、第一產(chǎn)業(yè)產(chǎn)值（X10）、第二產(chǎn)業(yè)產(chǎn)值（X11）及第三產(chǎn)業(yè)產(chǎn)值（X12）共12個(gè)指標(biāo)，借助SPSS軟件，進(jìn)行因子分析，得3個(gè)主成分因子。由表3可知，X5，X9在第一主成分上有較高載荷，主要反映了經(jīng)濟(jì)發(fā)展?fàn)顩r；X3，X4在第二主成分上有較高載荷，主要反映人均資源狀況；X1，X2在第三主成分上有較高載荷，主要反映人口狀況。

4.3 貴陽(yáng)市不同尺度LUCC驅(qū)動(dòng)力分析

LUCC在不同尺度上，主導(dǎo)驅(qū)動(dòng)因素、演變機(jī)理與過(guò)程存在差異，本研究受資料收集受限，主要從農(nóng)戶、區(qū)域2種不同的尺度水平上分析貴陽(yáng)市LUCC的時(shí)空過(guò)程和驅(qū)動(dòng)因子，探討貴陽(yáng)市LUCC驅(qū)動(dòng)因素的空間尺度效應(yīng)。

表3 旋轉(zhuǎn)后的因子載荷矩陣

4.3.1 區(qū)域尺度分析 在對(duì)貴陽(yáng)市LUCC驅(qū)動(dòng)因素因子分析的基礎(chǔ)上，結(jié)合研究區(qū)區(qū)域特征、資料收集情況，從區(qū)域尺度，運(yùn)用灰色關(guān)聯(lián)模型分析貴陽(yáng)市不同土地利用類型面積變化（重點(diǎn)分析耕地和建設(shè)用地）與主導(dǎo)驅(qū)動(dòng)因子的關(guān)聯(lián)性及貴陽(yáng)市LUCC驅(qū)動(dòng)機(jī)理及過(guò)程。經(jīng)計(jì)算得，貴陽(yáng)市不同地類與各驅(qū)動(dòng)因子關(guān)聯(lián)系數(shù)差異顯著（表4），關(guān)聯(lián)系數(shù)與關(guān)聯(lián)性呈正相關(guān)關(guān)系，關(guān)聯(lián)系數(shù)越大，則關(guān)聯(lián)性越強(qiáng)，反之，則關(guān)聯(lián)性越弱。分析得：（1）耕地變化的驅(qū)動(dòng)因素分析。1993—2010年，貴陽(yáng)市耕地面積呈減少的變化趨勢(shì)，減少的耕地主要轉(zhuǎn)變成建設(shè)用地、有林地。隨著房地產(chǎn)業(yè)發(fā)展，城鎮(zhèn)化加速推進(jìn)，建設(shè)用地?cái)U(kuò)張，占用大量良田，導(dǎo)致耕地劇烈變化。貴陽(yáng)市城鎮(zhèn)化從2002年24%增長(zhǎng)到2010年的30%，凈增長(zhǎng)了6%。（2）建設(shè)用地變化的驅(qū)動(dòng)因素分析。由表3可知，城市化率是影響貴陽(yáng)市建設(shè)用地面積變化的最主要驅(qū)動(dòng)力因子是城鎮(zhèn)化水平和經(jīng)濟(jì)的發(fā)展，其關(guān)聯(lián)系系數(shù)分別為0.927和0.932。隨著城市化、工業(yè)化進(jìn)程的推進(jìn)，建設(shè)用地快速擴(kuò)展，耕地、未利用地等地類大量向建設(shè)用地轉(zhuǎn)變。第三產(chǎn)業(yè)尤其是房地產(chǎn)產(chǎn)業(yè)的發(fā)展，導(dǎo)致大城市及小城鎮(zhèn)建設(shè)用地?cái)U(kuò)展。（3）其他土地利用類型驅(qū)動(dòng)力分析。在退耕還林政策、森林文明城市建設(shè)的推動(dòng)下，貴陽(yáng)市有林地面積呈增加的變化趨勢(shì)。研究區(qū)林地面積從1993年562.5km2增加到2010年的690.8km2。貴陽(yáng)市屬于典型喀斯特城市，耕地分布破碎，質(zhì)量低，人地矛盾突出，2002年人均耕地面積為0.0193hm2，人均糧食擁有量為511kg，遠(yuǎn)低于全國(guó)標(biāo)準(zhǔn)水平，隨著人口的增長(zhǎng)、經(jīng)濟(jì)的發(fā)展，區(qū)域土地系統(tǒng)面臨巨大的人口壓力及糧食需求壓力，導(dǎo)致未利用地大量向耕地、建設(shè)用地轉(zhuǎn)變。

4.3.2 農(nóng)戶水平 農(nóng)戶是土地利用的直接參與者，農(nóng)戶的資金儲(chǔ)備，個(gè)人喜好，自身素質(zhì)成為L(zhǎng)UCC重要驅(qū)動(dòng)力。研究時(shí)段貴陽(yáng)市LUCC發(fā)生了較大變化，主要表現(xiàn)為坡耕地向有林地轉(zhuǎn)變，建設(shè)用地大規(guī)模擴(kuò)張，耕地撂荒現(xiàn)象嚴(yán)重。隨著改革開放的到來(lái)，農(nóng)民有較多機(jī)會(huì)向非農(nóng)產(chǎn)業(yè)轉(zhuǎn)移，勞動(dòng)力大量流失，農(nóng)村空心化嚴(yán)重，耕地撂荒問(wèn)題突出，土地資源嚴(yán)重浪費(fèi)，農(nóng)村主體弱化。城郊農(nóng)戶由于距離城市近，非農(nóng)就業(yè)成本相對(duì)較低，農(nóng)戶為了追求最大經(jīng)濟(jì)效益，調(diào)整農(nóng)業(yè)結(jié)構(gòu)，以種植經(jīng)濟(jì)作物（如蔬菜、水果、花卉等）為主，發(fā)展養(yǎng)殖業(yè)，導(dǎo)致水田面積減少，旱地、園地所占比重較大；距城市偏遠(yuǎn)的山區(qū)，非農(nóng)就業(yè)成本相對(duì)較高，與城郊土地利用結(jié)構(gòu)不同，以種植糧食作物為主，旱地所占比重較大。

表4 貴陽(yáng)市主要土地利用類型與主導(dǎo)驅(qū)動(dòng)因子關(guān)聯(lián)度

5 結(jié)論

隨著工業(yè)化、城鎮(zhèn)化加速推進(jìn)，貴陽(yáng)市土地利用結(jié)構(gòu)發(fā)生了一系列變化，研究期間貴陽(yáng)市坡耕地主要向林地轉(zhuǎn)變，有林地面積增加，建設(shè)用地?cái)U(kuò)張，耕地面積減少，人地矛盾加劇。

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