山西省土地利用動(dòng)態(tài)特征及驅(qū)動(dòng)因素分析

段寶玲，卜玉山

(1.山西農(nóng)業(yè)大學(xué) 林學(xué)院，山西 太谷 030801； 2.山西農(nóng)業(yè)大學(xué) 資源環(huán)境學(xué)院，山西 太谷 030801)

作為人類生存與發(fā)展物質(zhì)基礎(chǔ)的土地，在社會(huì)經(jīng)濟(jì)發(fā)展中起著及其重要的作用。土地利用變化是人類活動(dòng)最直觀的體現(xiàn)，作為全球生態(tài)系統(tǒng)的決定性因素之一，是當(dāng)今國際地圈生物圈計(jì)劃、全球變化人文計(jì)劃的熱點(diǎn)，也是全球變化的重要驅(qū)動(dòng)力[1,2]。其轉(zhuǎn)換帶來地表植被、土壤、水文等環(huán)境的變化，影響全球生態(tài)系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)與功能[3]，因此其研究為當(dāng)前全球變化的重要組成部分[4]。隨著我國經(jīng)濟(jì)社會(huì)的快速發(fā)展，土地利用結(jié)構(gòu)也發(fā)生著劇烈變化。大量學(xué)者就土地利用時(shí)空演變[5,6]、變化驅(qū)動(dòng)機(jī)制[7,8]、變化生態(tài)效應(yīng)[9,10]、優(yōu)化與模擬[11,12]等方面進(jìn)行了較為深入的研究。

山西省是我國中部重要省份，以資源型經(jīng)濟(jì)占主導(dǎo)，多年來山西省經(jīng)濟(jì)發(fā)展主要依靠煤炭等資源型產(chǎn)業(yè)帶動(dòng)。對(duì)山西省土地利用變化規(guī)律及驅(qū)動(dòng)因素的揭示有助于指導(dǎo)土地利用規(guī)劃與產(chǎn)業(yè)結(jié)構(gòu)調(diào)整，為經(jīng)濟(jì)社會(huì)可持續(xù)發(fā)展服務(wù)。目前山西省土地利用研究涉及了晉西北[13]、縣域[14～16]等中小尺度，省域尺度研究還相對(duì)缺乏。本研究利用山西省1995、2005、2015年3期土地利用數(shù)據(jù)，揭示20年來土地利用時(shí)空變化特征，同時(shí)分析自然與社會(huì)經(jīng)濟(jì)因素變化特征，揭示土地利用驅(qū)動(dòng)因素，為山西省土地利用管理提供借鑒。

1 研究區(qū)概況

山西省位于太行山以西，黃河以東，為黃土廣泛覆蓋的山地高原。其地勢(shì)東北高西南低，地貌多樣，分布了高原、山地、丘陵、盆地等。其氣候?qū)贉貛Т箨懶约撅L(fēng)氣候，四季分明、雨熱同步。山西南部和東南部植被是夏綠闊葉林或針葉闊葉混交林，中部是以針葉林及落葉灌叢為主，北部和西北部以溫帶灌草叢和半干旱草原為主。

2 研究方法

2.1 數(shù)據(jù)來源

1995、2005、2015年土地利用數(shù)據(jù)來自中國科學(xué)院資源環(huán)境科學(xué)數(shù)據(jù)中心(http://www.resdc.cn/)，空間分辨率為1 km×1 km；氣溫以及降水?dāng)?shù)據(jù)來自中國氣象數(shù)據(jù)網(wǎng)(http://data.cma.cn/)，共18個(gè)氣象站點(diǎn)，利用ArcGIS進(jìn)行克里金插值，再利用分區(qū)統(tǒng)計(jì)功能獲得各地區(qū)氣象與降水?dāng)?shù)據(jù)平均值。收集山西省1995、2005、2015年統(tǒng)計(jì)年鑒，獲得人口數(shù)量、第一、二、三產(chǎn)業(yè)國內(nèi)生產(chǎn)總值、固定資產(chǎn)投資等社會(huì)經(jīng)濟(jì)數(shù)據(jù)。

2.2 土地利用變化計(jì)算

為揭示不同時(shí)期土地利用類型間的轉(zhuǎn)移情況及變化方向，利用ArcGIS疊加分析功能計(jì)算1995-2005、2005-2015年不同時(shí)期土地利用轉(zhuǎn)移矩陣[2]。

一定時(shí)期內(nèi)某種土地利用類型的變化速度和幅度用單一土地利用動(dòng)態(tài)度表示[17]，該指標(biāo)既能反映土地利用變化的方向，也能反映土地利用變化的大小。公式如下：

K=[(Ub-Ua)/Ua]×T-1×100%

(1)

式中：K為研究期間某土地利用類型動(dòng)態(tài)度；Ua、Ub為研究初期、末期某土地利用類型面積；T為時(shí)長。

一定時(shí)期內(nèi)所有土地利用類型的綜合變化速度用綜合土地利用動(dòng)態(tài)度表示[17]，公式如下：

(2)

式中：Ks為研究期間綜合土地利用動(dòng)態(tài)度；Uai、Ubi為研究初期、末期第i種土地利用類型的面積；n為土地利用類型數(shù)，T為時(shí)長。

為反映土地利用程度高低及土地利用綜合水平，采用土地利用程度對(duì)其定量表達(dá)，公式如下[7]：

(3)

式中：L為土地利用程度綜合指數(shù)；Ai為i級(jí)土地利用程度的分級(jí)指數(shù)；Ci為i級(jí)土地利用程度用地類型面積百分比；n是分級(jí)數(shù)目。

本研究中各用地類型分級(jí)指數(shù)如下：未利用地為1，林地、草地、水域?yàn)?，耕地為3，建設(shè)用地為4。

2.3 數(shù)據(jù)分析

利用SPSS20軟件，選擇氣溫、降水量、總?cè)丝?、農(nóng)業(yè)人口與非農(nóng)業(yè)人口數(shù)量、第一、二、三產(chǎn)業(yè)產(chǎn)值、固定資產(chǎn)投資作為驅(qū)動(dòng)因素，采用逐步回歸分析剔除共線性較強(qiáng)的因素，揭示土地利用的主導(dǎo)驅(qū)動(dòng)因素。

3 結(jié)果與分析

3.1 山西省土地利用時(shí)空分布總體特征

由圖1可知，山西省主要土地利用類型為耕地、草地和林地，占總用地的96%左右。從時(shí)間變化來看，1995-2015年，耕地先增加后略有降低，林地與建設(shè)用地呈增加趨勢(shì)，草地則表現(xiàn)為降低趨勢(shì)。1995-2005年土地利用變化幅度較大，耕地與林地的增加幅度為2.5%與4.5%，草地降低幅度為7.3%。而2005-2015年變化幅度很小，林地的增加幅度為0.1%，耕地與草地降低幅度分別為0.4%與0.1%。

圖1 山西省1995-2015年不同土地利用類型面積百分比Fig.1 The area ratio of different types of land use in Shanxi from 1995 to 2015

由圖2可知，山西省土地利用具有顯著空間性。耕地的分布格局與省內(nèi)6大盆地的空間形態(tài)十分相似，從北向南依次為大同、忻定、太原、長治、臨汾及運(yùn)城盆地。1995-2015年長治盆地內(nèi)耕地出現(xiàn)了明顯擴(kuò)張，而其他盆地內(nèi)耕地變化不大。林地主要分布于省內(nèi)呂梁山、太行山、太岳山、中條山、王屋山等主要山系。1995-2015年太岳山、中條山與王屋山林地?cái)U(kuò)張明顯，而其它山系林地變化不大。山西省內(nèi)集中連片的大面積草地較少，草地主要與林地及耕地形成空間鑲嵌格局。2005-2015年山西省東南部的草地明顯被耕地與林地取代。建設(shè)用地在各地級(jí)城市集中，2005-2015年擴(kuò)張明顯。

圖2 山西省1995、2005、2015年土地利用圖Fig.2 The map of land use in 1995, 2005 and 2015 in Shanxi

3.2 土地利用變化方向

由表1可知，1995-2005年間耕地主要轉(zhuǎn)換為草地、林地、建設(shè)用地；林地主要轉(zhuǎn)換為草地、耕地；草地主要轉(zhuǎn)換為耕地、林地，并且轉(zhuǎn)換量較大。建設(shè)用地主要轉(zhuǎn)換為耕地，其主要為工礦用地的復(fù)墾轉(zhuǎn)換。這一時(shí)期土地利用表現(xiàn)為：林草地開墾與退耕還林(草)并存、耕地被開發(fā)為建設(shè)用地與工礦土地復(fù)墾并存的特點(diǎn)。

由表2可知，2005-2015年土地利用轉(zhuǎn)換量很小，主要體現(xiàn)在耕地轉(zhuǎn)換為建設(shè)用地，其次是草地轉(zhuǎn)換為建設(shè)用地。10年間，除建設(shè)用地較大幅度增加外，其它用地類型變化較小。

3.3 土地利用變化速度

由表3可知，基于1995-2005年土地利用動(dòng)態(tài)度，用地變化表現(xiàn)為未利用地>草地>林地>建設(shè)用地>水域>耕地，其原因是由未利用地與草地開發(fā)利用導(dǎo)致其面積縮小，造林與城市建設(shè)帶來相應(yīng)土地類型擴(kuò)張[18,19]；2005-2015年土地利用動(dòng)態(tài)度表現(xiàn)為建設(shè)用地最高，未利用地與耕地次之，其他土地類型動(dòng)態(tài)度很小。綜合來看，2005-2015年間土地利用動(dòng)態(tài)度遠(yuǎn)遠(yuǎn)小于1995-2005年期間，說明土地利用表現(xiàn)為先劇烈變化又趨于穩(wěn)定的態(tài)勢(shì)。

表1 山西省1995-2005年土地利用轉(zhuǎn)移矩陣/%Table 1 The transition matrix of land use in Shanxi Province from 1995 to 2005

注：表中數(shù)據(jù)為占全省面積的百分比。

Note: The data in the table is the percentage of the whole province area.

表2 山西省2005-2015年土地利用轉(zhuǎn)移矩陣/%Table 2 The transition matrix of land use in Shanxi Province from 2005 to 2015

注：表中數(shù)據(jù)為占全省面積的百分比。

Note: The data in the table is the percentage of the whole province area.

表3不同時(shí)期山西省土地利用動(dòng)態(tài)度

Table3 The dynamic degree of land use in different times in Shanxi

動(dòng)態(tài)度類型Typeofdynamicdegree土地利用類型Typeoflanduse1995-20052005-2015單一土地利用動(dòng)態(tài)度耕地0.70-0.11林地1.900.05草地-2.00-0.04水域-1.000.08建設(shè)用地1.791.41未利用土地-3.53-0.13綜合土地利用動(dòng)態(tài)度0.750.05

由表4可知，從1995-2005年綜合土地利用動(dòng)態(tài)度來看，長治、臨汾、晉城居于前3位，原因是這3個(gè)地區(qū)林地、草地、耕地與未利用地的變化遠(yuǎn)遠(yuǎn)超過其他地區(qū)(單一動(dòng)態(tài)度很高)。除臨汾外，各地區(qū)建設(shè)用地均表現(xiàn)為增加的趨勢(shì)，陽泉、長治與太原單一動(dòng)態(tài)度居于前3位。

表4 山西省1995-2005年各地區(qū)土地利用動(dòng)態(tài)度Table 4 The dynamic degree of land use in different regions in Shanxi from 1995 to 2005

表5可知，2005-2015年綜合土地利用動(dòng)態(tài)度表現(xiàn)為朔州和大同最高，原因是兩個(gè)地區(qū)耕地、林地與建設(shè)用地變化較大(單一動(dòng)態(tài)度較高)。不同土地利用類型單一動(dòng)態(tài)度表現(xiàn)為建設(shè)用地最高，其他土地利用類型動(dòng)態(tài)度相對(duì)較小。說明2005-2015年土地利用變化主要表現(xiàn)為建設(shè)用地增加，其他用地趨于穩(wěn)定。

表5 山西省2005-2015年各地區(qū)土地利用動(dòng)態(tài)度Table 5 The dynamic degree of land use in different regions in Shanxi from 2005 to 2015

3.4 土地利用程度變化

由表6可知，總的來看，1995-2015年山西省各個(gè)時(shí)期土地利用程度呈現(xiàn)增加的趨勢(shì)。三個(gè)時(shí)期土地利用程度均為運(yùn)城、朔州最高，陽泉最低。分析各地區(qū)土地利用類型比例后發(fā)現(xiàn)，運(yùn)城耕地比例居于全省首位，建設(shè)用地居于第一位(2005與2015年)與第二位(1995年)，而土地利用程度低的林地及草地所占比例較低。朔州耕地比例僅次于運(yùn)城，遠(yuǎn)遠(yuǎn)超過其他地區(qū)，林地比例在全省最低，草地比例也不高。陽泉由于具有最低的耕地比例，最高的草地比例，盡管建設(shè)用地比例不低，其土地利用程度仍然處于最低水平。

表6山西省各地區(qū)不同時(shí)期土地利用程度

Table6 The land use degree of different regions in 1995, 2005 and 2015 in Shanxi

地區(qū)Regions1995年Yearof19952005年Yearof20052015年Yearof2015長治237.0251.4251.8大同241.5244.5244.2晉城235.9243.6243.8晉中233.6235.5235.8臨汾238.8243.0243.3呂梁238.7237.6238.4朔州255.0255.7255.7太原240.9243.8244.2忻州236.5236.2236.9陽泉226.4228.3229.0運(yùn)城264.4271.6272.0全省240.9244.4244.8

3.5 土地利用驅(qū)動(dòng)力分析

土地利用變化的驅(qū)動(dòng)力可以分為自然與人為因素，20年來，山西省經(jīng)歷了氣候變化與經(jīng)濟(jì)社會(huì)快速發(fā)展，帶來土地利用的快速變化。氣候因素選擇降水量與氣溫、社會(huì)經(jīng)濟(jì)因素選擇人口數(shù)量與GDP，揭示土地利用變化的驅(qū)動(dòng)力。

由圖3可知，除晉中、陽泉外，其他地區(qū)氣溫均表現(xiàn)為上升的趨勢(shì)，這與相關(guān)研究結(jié)果相同[20]。由圖4可知，降水的時(shí)間變化在不同地區(qū)并不一致，大同、呂梁、朔州、太原與忻州表現(xiàn)為先降低后增加的趨勢(shì)；晉城、臨汾與長治則為先增加再降低的趨勢(shì)；晉中與運(yùn)城則為持續(xù)降低趨勢(shì)。降水量總的趨勢(shì)是降低的。因此山西省氣候變化表現(xiàn)為暖干化[21]，這在一定程度上影響農(nóng)業(yè)生產(chǎn)與林業(yè)建設(shè)，帶來農(nóng)業(yè)灌溉成本增加，林地退化等負(fù)面影響。

圖3 山西省各地區(qū)溫度變化情況Fig.3 The changes of temperature in different regions in Shanxi

圖4 山西省各地區(qū)降水量變化情況Fig.4 The changes of precipitation in different regions in Shanxi

由圖5可知，2015年山西省人口最多的地區(qū)為運(yùn)城、臨汾與太原地區(qū)，人口超過400萬；陽泉與朔州地區(qū)則為人口最少的地區(qū)，為200萬以下。研究期間(1995-2015年)各地區(qū)總?cè)丝谂c非農(nóng)業(yè)人口均呈增加趨勢(shì)，而農(nóng)業(yè)人口呈降低趨勢(shì)。以太原市為例，1995-2015年總?cè)丝谠黾?2.7%，非農(nóng)業(yè)人口增加98.9%，農(nóng)業(yè)人口降低32.3%。土地資源的壓力隨人口增加而增加，而非農(nóng)業(yè)人口的劇烈增加勢(shì)必造成建設(shè)用地的巨大壓力，是其增加的巨大驅(qū)動(dòng)力。

由圖6可知，第一產(chǎn)業(yè)產(chǎn)值呈現(xiàn)增加的趨勢(shì)，而且2005-2015年期間增加程度要大于1995-2005年。運(yùn)城、晉中、臨汾具有較高的第一產(chǎn)業(yè)產(chǎn)值，陽泉地區(qū)第一產(chǎn)業(yè)產(chǎn)值遠(yuǎn)遠(yuǎn)低于其他地區(qū)。運(yùn)城地區(qū)1995-2015年第一產(chǎn)業(yè)產(chǎn)值增加了490.7%，陽泉地區(qū)也增加了149.4%。

圖5 山西省各地區(qū)人口變化情況Fig.5 The changes of population in different regions in Shanxi

圖6 山西省各地區(qū)第一產(chǎn)業(yè)產(chǎn)值變化情況Fig.6 The changes of output of the first industry in different regions in Shanxi

圖7 山西省各地區(qū)第二產(chǎn)業(yè)產(chǎn)值變化情況Fig.7 The changes of output of the first industry in different regions in Shanxi

由圖7可知，2015年，太原地區(qū)第二產(chǎn)業(yè)產(chǎn)值最高，其次是長治、晉城與臨汾，三者較為接近。陽泉地區(qū)第二產(chǎn)業(yè)產(chǎn)值最低。從1995-2015年增速來看，朔州最高，增幅達(dá)到94%，太原增速最低，也達(dá)到86.9%。

由圖8可知，省城太原的第三產(chǎn)業(yè)遠(yuǎn)遠(yuǎn)超過其他地區(qū)，而其他地區(qū)之間差異不大。20年來第三產(chǎn)業(yè)發(fā)展迅速，增加率均在93%以上。

圖8 山西省各地區(qū)第三產(chǎn)業(yè)產(chǎn)值變化情況Fig.8 The changes of output of the third industry in different regions in Shanxi

圖9 山西省各地區(qū)固定資產(chǎn)投資變化情況Fig.9 The changes of fixed assets investment in different regions in Shanxi

由圖9可知，太原地區(qū)固定資產(chǎn)投資最高，其次為運(yùn)城、臨汾、長治與晉中，四者較為接近。資產(chǎn)投資增速最大的地區(qū)是朔州，達(dá)到67 421%，增速最小的地區(qū)是陽泉，也達(dá)到6 152%。20年來投資量的增加將促進(jìn)土地利用的快速變化。

為揭示影響土地利用的主導(dǎo)因素，對(duì)土地利用面積與驅(qū)動(dòng)因素進(jìn)行逐步回歸分析(表7)。自變量對(duì)因變量的解釋程度用決定系數(shù)表達(dá)，驅(qū)動(dòng)因素決定系數(shù)均大于70%，其對(duì)土地利用具有較強(qiáng)的解釋能力。1995年，耕地主要受農(nóng)業(yè)人口、氣溫與第一產(chǎn)業(yè)產(chǎn)值控制，農(nóng)業(yè)人口與第一產(chǎn)業(yè)產(chǎn)值為正效應(yīng)，氣溫為負(fù)效應(yīng)。林地與草地主要受農(nóng)業(yè)人口影響。水域主要受總?cè)丝凇鉁?、固定資產(chǎn)投資與農(nóng)業(yè)人口影響，總?cè)丝跒檎?yīng)，氣溫、固定資產(chǎn)投資與農(nóng)業(yè)人口為負(fù)效應(yīng)。說明人口在水域利用與保護(hù)方面具有雙重作用，氣溫增加會(huì)帶來水域面積縮小，固定資產(chǎn)投資的開發(fā)活動(dòng)同樣引起水域面積減小。建設(shè)用地主要受總?cè)丝?、固定資產(chǎn)投資與農(nóng)業(yè)人口的影響，總?cè)丝跀?shù)量與固定資產(chǎn)投資量增加會(huì)驅(qū)動(dòng)建設(shè)用地增加，農(nóng)業(yè)人口的作用相反，這從側(cè)面說明非農(nóng)業(yè)人口對(duì)建設(shè)用地?cái)U(kuò)展的促進(jìn)作用。2005年，耕地與林地的主要驅(qū)動(dòng)因素與1995年相同。水域主要受第一產(chǎn)業(yè)產(chǎn)值影響，這說明農(nóng)業(yè)生產(chǎn)活動(dòng)對(duì)水域存在主要影響。建設(shè)用地主要受第二產(chǎn)業(yè)產(chǎn)值影響，說明該階段主要是經(jīng)濟(jì)開發(fā)活動(dòng)促進(jìn)建設(shè)用地?cái)U(kuò)張。2015年，耕地與林地主要受農(nóng)業(yè)人口影響，水域主要受第一產(chǎn)業(yè)產(chǎn)值影響，這與前兩個(gè)時(shí)期相似。建設(shè)用地主要受總?cè)丝谟绊?，說明人口因素在建設(shè)用地?cái)U(kuò)張方面的主導(dǎo)作用。1995-2015年國家與地方的相關(guān)政策也是土地利用變化的重要驅(qū)動(dòng)力，如退耕還林工程、小流域綜合治理、招商引資政策等等。

表7 土地利用與驅(qū)動(dòng)因素的逐步回歸分析Table 7 The gradual regression analysis of land use and driving factors

注：Cropland、Forestland、Grassland、Water、Consland分別表示耕地、林地、草地、水域與建設(shè)用地，N、T、GDP1、Totalp、Invest分別表示農(nóng)業(yè)人口、氣溫、第一產(chǎn)業(yè)產(chǎn)值、總?cè)丝?、固定資產(chǎn)投資，表中回歸系數(shù)為標(biāo)準(zhǔn)化回歸系數(shù)

Note: Cropland, Forestland, Grassland, Water, Consland respectively represent the cultivated land, forest land, Grass land, Water area and construction land, and N, T, GDP1, Totalp, Invest respectively represent the agricultural population, the temperature, the output value of the first industry, the total population, investment in fixed assets, regression coefficient for standardized regression coefficients.

4 結(jié)論

耕地、草地和林地為山西省主要土地利用類型。20年來耕地先增加后略有降低，林地與建設(shè)用地呈增加趨勢(shì)，草地則表現(xiàn)為降低趨勢(shì)。耕地主要分布于省內(nèi)6大盆地；林地主要集中在境內(nèi)山系周邊；草地主要與林地及耕地形成空間鑲嵌格局；建設(shè)用地則位于各城市中。

1995-2005年，土地利用變化表現(xiàn)為林草地開墾與退耕還林(草)并存、耕地被開發(fā)為建設(shè)用地與工礦土地復(fù)墾并存的特點(diǎn)。2005-2015年土地利用轉(zhuǎn)換量很小，主要體現(xiàn)在耕地轉(zhuǎn)換為建設(shè)用地，其次是草地轉(zhuǎn)換為建設(shè)用地。2005-2015年土地利用動(dòng)態(tài)度遠(yuǎn)遠(yuǎn)小于1995-2005年期間，說明土地利用表現(xiàn)為先劇烈變化又趨于穩(wěn)定的態(tài)勢(shì)。1995-2005年長治、臨汾、晉城綜合土地利用動(dòng)態(tài)度居于前3位，原因是這3個(gè)地區(qū)林地、草地、耕地與未利用地的變化遠(yuǎn)遠(yuǎn)超過其他地區(qū)。2005-2015年朔州和大同綜合土地利用動(dòng)態(tài)度最高，原因是兩個(gè)地區(qū)耕地、林地與建設(shè)用地變化較大。1995-2015年山西省各個(gè)時(shí)期土地利用程度呈現(xiàn)增加的趨勢(shì)，土地利用程度表現(xiàn)為運(yùn)城與朔州最高，這主要是由于土地利用程度高的耕地與建設(shè)用地占比高，土地利用程度低的林草地占比低造成的。

土地利用變化的主要驅(qū)動(dòng)力為氣候、人口、經(jīng)濟(jì)因素。20年來，山西省經(jīng)歷了氣候暖干化，人口尤其是非農(nóng)業(yè)人口的快速增長，經(jīng)濟(jì)飛速發(fā)展。自然、社會(huì)、經(jīng)濟(jì)三因素協(xié)同推動(dòng)了土地利用的變化。耕地主要受到農(nóng)業(yè)人口、氣溫等因素的影響；林地、草地受農(nóng)業(yè)人口影響；水域受氣溫、人口經(jīng)濟(jì)因素影響；建設(shè)用地受到人口因素影響，其次為經(jīng)濟(jì)因素，國家與地方的政策也發(fā)揮著重要作用。

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