咸陽市禮泉縣土地利用覆被變化及其驅(qū)動力研究

李 超，龔直文，陳 偉

(西北農(nóng)林科技大學 經(jīng)濟管理學院，陜西 楊凌 712100)

本文選取了渭北高原地區(qū)南部的禮泉縣作為研究對象，以2005、2010、2015年三期TM遙感影像作為數(shù)據(jù)源，利用遙感技術(shù)，運用GIS軟件，對研究區(qū)域分別從土地利用類型的數(shù)量變化、土地利用變化的速度、土地利用類型多樣性分析、土地利用程度變化等方面對土地利用覆被變化的過程進行了分析。在此基礎(chǔ)上，結(jié)合當?shù)刈匀灰蛩丶捌渖鐣?jīng)濟統(tǒng)計指標，運用定性分析的辦法，重點對引起禮泉縣土地利用變化的人文驅(qū)動因子進行了分析。

咸陽市禮泉縣隸屬于陜西，地處渭北黃土高原地區(qū)，近年來，該地區(qū)人口增長迅速，人口密度逐年上升，并且由于城鎮(zhèn)化和生態(tài)恢復(fù)工程等因素的影響使得該區(qū)域的土地利用類型發(fā)生了較大的變化，所以該地區(qū)的生態(tài)環(huán)境一直受到學術(shù)界的廣泛關(guān)注。眾多學者對渭北黃土高原地區(qū)已做了諸多研究，使該區(qū)域土地利用覆被變化及其驅(qū)動力的研究已經(jīng)有了很大進展，但從眾多學者的研究區(qū)域及研究內(nèi)容，對于渭北黃土高原南部地區(qū)的土地利用變化研究較少，并且針對局部的個例研究，會更具有代表性，對于區(qū)域發(fā)展、區(qū)域土地資源的可持續(xù)利用具有指導(dǎo)性的作用。因此本文將選取咸陽市禮泉縣為對象，利用遙感技術(shù)，重點對該區(qū)域土地利用覆被變化狀況進行分析，探究影響其變化的驅(qū)動因素。

1 數(shù)據(jù)來源與預(yù)處理

1.1 數(shù)據(jù)來源

本文數(shù)據(jù)主要包括2005年、2010年Landsat4-5 TM及2015年Landsat8 OLI_TIRS共3期衛(wèi)星數(shù)字遙感影像，分別用來獲取禮泉縣三個時期的土地利用類型，數(shù)據(jù)來源于中科院地理空間數(shù)據(jù)云(http://www.gscloud.cn)；咸陽市禮泉縣行政邊界矢量圖，用來裁剪咸陽市禮泉縣區(qū)域，來源于咸陽市統(tǒng)計局；禮泉縣2005-2015年的社會經(jīng)濟統(tǒng)計資料，主要用于分析禮泉縣土地利用覆被變化的人文驅(qū)動力，來源于咸陽市及禮泉縣統(tǒng)計局統(tǒng)計年鑒。

1.2 遙感影像預(yù)處理

遙感影像的預(yù)處理部分主要進行的是圖像的幾何校正和圖像的邊界裁剪。由于三期TM遙感影像來源于同一經(jīng)度下，且在ArcGIS中處于同一地理坐標系下，不需要作影像的幾何校正。圖像的邊界裁剪，將咸陽市禮泉縣行政邊界矢量圖分別與三期影像進行疊加，利用Clip程序?qū)τ跋襁M行裁剪，裁剪后分別得到2005、2010、2015年咸陽市禮泉縣TM影像(圖1-a、b、c)。

圖1 禮泉縣遙感影像

1.3 土地利用分類方案

土地利用分類是進行土地利用變化過程研究的基礎(chǔ)。本研究將土地利用類型分為六大類，分別為耕地、林地、草地、水域、建設(shè)用地和未利用地。對土地利用與土地覆被變化分類來說， 因為在利用ArcGIS軟件進行空間疊置分析時，采用二級分類系統(tǒng)數(shù)據(jù)量過大，而且解譯結(jié)果的精度也難以完全滿足二級類型分析的需要，所以研究中采用土地利用分類系統(tǒng)中的6個一級類型，二級分類在遙感影像解譯的過程中僅作為參考(表1)。

表1 研究區(qū)域土地利用分類系統(tǒng)

1.4 土地覆被解譯

遙感影像的分類就是將圖像中所有的像元根據(jù)其在不同波段的光譜亮度、空間結(jié)構(gòu)特征或其他信息，按照某種規(guī)則或算法進行分類[1]。目前，影像解譯的方法主要有目視解譯分類方法和計算機遙感圖像分類，后者又分為監(jiān)督分類方法和非監(jiān)督分類方法。本研究是以目視解譯方法為主，結(jié)合禮泉縣地形圖以及Google地球?qū)ν恋乩妙愋瓦M行分類，系統(tǒng)的分析區(qū)域中各種地物的形狀、大小、色調(diào)、位置，將禮泉縣土地類型主要分為六大類，即耕地、林地、草地、水域、建設(shè)用地、未利用地。

在解譯時，首先選用2015年的影像來進行解譯，運用上述方法，對影像進行分類，提取影像中土地利用類型的信息，然后將解譯出的結(jié)果分別與2005、2010年的影像疊加，提取并修改變化圖斑(圖2-a、b、c)。

圖2 禮泉縣土地利用類型分布圖

2 研究區(qū)土地利用覆被變化分析

根據(jù)Lambin的觀點，土地利用覆被變化主要有三種形式即土地利用方式的轉(zhuǎn)化、土地退化和土地利用程度的變化[2]。而土地利用覆被變化在一段時間內(nèi)主要存在三種變化的過程，分別是時間變化過程、空間變化過程和質(zhì)量變化過程。這三種變化過程是土地利用變化的三個方面，相輔相承，用以描述土地利用變化的時間、空間和質(zhì)量特征。土地利用變化主要體現(xiàn)在土地利用類型變化、土地利用類型數(shù)量變化、及土地利用變化的區(qū)域差異等方面。

本研究中主要對土地利用變化過程中的土地利用類型的數(shù)量變化、土地利用變化的速度、土地利用類型多樣性分析、土地利用程度變化等進行分析討論。

2.1 土地利用類型的數(shù)量變化

在ArcGIS中,對三期土地利用類型分布圖進行空間疊置分析，將數(shù)據(jù)在EXCEL中進行統(tǒng)計分析，得到2005-2010年、2010-2015年兩個時段的土地利用變化轉(zhuǎn)移矩陣(表2、表3)。在土地利用變化轉(zhuǎn)移矩陣的基礎(chǔ)上，進一步得出這兩個時期禮泉縣土地利用覆被變化的主要類型面積表(表4、5)。

表2 禮泉縣2005-2010年土地利用變化轉(zhuǎn)移矩陣(單位：hm2)

注：行表示2005年土地利用類型，列表示2010年土地利用類型。

表3 禮泉縣2010-2015年土地利用變化轉(zhuǎn)移矩陣(單位：hm2)

注：行表示2010年土地利用類型，列表示2015年土地利用類型。

表4 2005-2010年禮泉縣土地利用變化情況

通過對比兩個時間段的土地利用類型面積情況表(表2、表3、表4、表5)，可以看出，2005-2010年禮泉縣沒有發(fā)生變化的土地類型占總面積的76.16%，面積為77 621.33 hm2，發(fā)生土地利用覆被變化的地類面積為23 502.3 hm2，比例達到了24%，面積增加的地類主要為建設(shè)用地、草地；面積減少的地類主要為耕地、林地。2010-2015年的土地利用類型的變化遠遠小于2005-2010年，且未發(fā)生變化的地類遠大于變化的地類，2010-2015年，未發(fā)生變化的土地類型占總面積的95.42%，面積為96 488.06 hm2，發(fā)生變化的土地類型面積為4 635.57 hm2，占總面積的4.58%。面積增加的地類主要為建設(shè)用地、林地；面積減少的地類主要為耕地、草地。

表5 2010-2015年禮泉縣土地利用變化情況

2.2 區(qū)域土地利用變化的速度

2.2.1 土地利用變化幅度 對土地利用類型變化的整體情況熟悉后，對土地利用變化幅度進行計算，它能反映不同土地類型在總量上的變化，可以通過土地利用類型的總量變化，來了解各種地類的總的變化趨勢。通過對3期遙感影像解譯出來的土地利用類型作統(tǒng)計，分析禮泉縣土地利用變化的總體態(tài)勢，從面積入手。然后，計算出兩個時間段的土地利用變化幅度，其數(shù)學表達式為：

(1)

式中，Ua為研究初期某一種土地利用類型的面積，Ub為末期某一種土地利用類型的面積；KT為研究時段內(nèi)單一土地利用類型的變化幅度。通過計算得出2005-2010年、2010-2015年咸陽市禮泉縣土地利用類型面積變化幅度表(表6、7)。

表6 2005-2010年禮泉縣不同利用類型土地面積變化

表7 2010-2015年禮泉縣不同利用類型土地面積變化

綜合各項地類變化面積情況分析，得出結(jié)論為：

2005-2010年土地利用類型變化和2010-2015年相比，土地利用類型的轉(zhuǎn)出與轉(zhuǎn)入情況存在明顯差異。

2005-2010年，耕地、林地、未利用地面積減少，草地、水域、建設(shè)用地面積增加。其中草地面積增加5 684.97 hm2，增加比例為132.78%，建設(shè)用地面積增加1 033.38 hm2，增加百分比為10.65%，建設(shè)用地面積的增加主要由耕地轉(zhuǎn)化而來；耕地、建設(shè)用地和草地變化最大，耕地面積減少5 922.15 hm2，由于耕地總面積大，因此下降百分比較小，減少比例為7.89%。

2010-2015年，耕地、草地、水域面積減少，林地、建設(shè)用地增加。其中林地、草地、建設(shè)用地變化最大，草地面積減少2 363.12 hm2，下降比例為23.71%，林地面積有所增加，增加面積為1 726.04 hm2，上升比例為17.45%，建設(shè)用地保持穩(wěn)定增長趨勢，面積增加1 030.61 hm2，增加比例為9.60%，建設(shè)用地面積的增加主要是由耕地轉(zhuǎn)化而來。

2.2.2 單一土地利用類型動態(tài)度變化 土地利用動態(tài)度對區(qū)域土地利用變化的速度可進行定量描述，單一土地利用類型動態(tài)度表達的是研究區(qū)一定時間范圍內(nèi)某種土地利用類型的數(shù)量的速度變化情況，其表達式為：

(2)

式中：K為研究時段內(nèi)某一土地利用類型動態(tài)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(shù)量；T為研究時段長，當T的時段單位設(shè)定為年時，K的值就是該研究區(qū)某種土地利用類型年變化率。根據(jù)以上公式可以計算本區(qū)域2005-2010年，2010-2015年兩個時期的單一土地利用類型年變化率(表8)。

根據(jù)計算結(jié)果,可以得出：

咸陽市禮泉縣在2010年前后的兩個時期，土地利用變化速度差異較大。2005-2010年，土地利用變化的速度較快，單一土地利用動態(tài)變化中，以草地面積的變化速度最大，年變化率達到26.56%,由于耕地面積總量較大，土地利用變化的部分所占比例較小，所以年變化率相對較小，為0.14%，對全縣單一土地利用動態(tài)度排序為：草地>水域>建設(shè)用地>耕地>林地。

表8 禮泉縣單一土地利用變化動態(tài)度

2010-2015年，單一土地利用動態(tài)變化中，草地面積的變化速度最大，年變化率分別達到4.74%，耕地由于總量較大，土地利用變化的部分所占比例較小，耕地的年變化率相對較小，為0.12%，2010-2015年全縣單一土地利用動態(tài)度排序為：草地>水域>林地>建設(shè)用地>耕地。

2.3 土地利用類型多樣性分析

土地利用類型多樣性分析可以根據(jù)土地利用類型數(shù)量多少，分析區(qū)域土地利用類型的多樣性，，它反映了土地利用類型的復(fù)雜性[3]。根據(jù)信息論原理，借助Shannon-Weaner指數(shù)，香農(nóng)指數(shù)是用來描述個體出現(xiàn)的紊亂和不確定性，不確定性越高，多樣性也就越高。所以土地利用類型多樣性可表示為：

(3)

式中，H為多樣性指數(shù)，Pi是土地利用類型i所占面積的比例；n為土地利用類型的數(shù)目。H值越大，土地利用類型結(jié)構(gòu)及其內(nèi)在聯(lián)系就越復(fù)雜。

根據(jù)2005-2015年土地利用數(shù)據(jù)和土地利用類型多樣性指數(shù)模型測算土地利用類型的多樣性，結(jié)果見表9。

表9 2005-2015年禮泉縣土地利用類型多樣性指數(shù)變化表

由表9可知，禮泉縣的土地利用類型結(jié)構(gòu)比較單一，全縣總面積70%都是耕地，而其土地利用類型的多樣性也是從2005年到2015年逐漸變大，由于2005-2010年在一些地勢較低的丘陵地帶種植了果樹，而本研究中土地利用分類時將園地劃歸到耕地土地利用類型，所以部分林地轉(zhuǎn)向耕地，并且耕地中有很大一部分轉(zhuǎn)為草地和建設(shè)用地，一些荒草地和裸土地用做適宜種植的人造林，加之一些未利用地的開發(fā)利用，使全縣土地利用類型多樣性相對增加。而2010-2015年，縣域內(nèi)沒有大范圍的土地利用類型發(fā)生變化，主要的地類變化為草地與林地之間的變化，草地與建設(shè)用地之間的變化，所以土地利用類型多樣性指數(shù)小幅度增加，土地利用變化趨于穩(wěn)定。

2.4 土地利用程度變化分析

莊大方、劉紀遠提出了一套新的量化土地利用程度分析方法，即將土地利用程度按照土地自然綜合體在社會因素影響下自然平衡保持狀態(tài)分為4級，并分級賦于指數(shù)，根據(jù)以上的界定，將4種土地利用的理想狀態(tài)定為4種土地利用級，并對4種土地利用級賦予其本身類別的值，則得到土地利用程度的分級指數(shù)，分級指數(shù)越大，表明土地利用程度越高[4]，如表10所示。

表10 土地利用強度分級賦值表

以土地利用程度分級賦值表為基礎(chǔ)，考慮區(qū)域土地利用結(jié)構(gòu)情況，按下列定量化表達式計算區(qū)域土地利用程度變化：

Ld=100∑AiCi

(4)

式中，Ld是土地利用程度綜合指數(shù)；Ai為第i類土地利用程度分級指數(shù)；Ci為第i類土地面積比重。

根據(jù)表10中土地利用程度的分級賦值，編制了禮泉縣2005年、2010年、2015年的土地利用程度分級圖(圖3-a、3-b、3-c)

圖3 禮泉縣土地利用程度分級圖

根據(jù)表10中土地利用程度的分級賦值，利用土地利用程度計算公式，對禮泉縣2005、2010、2015年的土地利用程度進行分析比較，結(jié)果見表11。

表11 禮泉縣土地利用程度變化綜合指數(shù)變化

土地利用程度主要反映土地利用的廣度和深度，它不僅反映了土地利用中土地本身的自然屬性，同時也反映了人類因素與自然環(huán)境因素的綜合效應(yīng)。根據(jù)計算結(jié)果(表11)，可以看出，禮泉縣從2005年到2010年，土地利用程度有所下降，主要由于較大面積的耕地轉(zhuǎn)變?yōu)榱值睾筒莸?，而建設(shè)用地面積的增加比例只占耕地減少的五分之一，林地、草地的土地利用強度分級賦值小于耕地，所以土地利用程度有所下降，而從2010年到2015年，由于政府對于土地的嚴格管控，土地利用類型轉(zhuǎn)變較小，且城區(qū)發(fā)展速度較之前有所減緩，土地利用程度趨于穩(wěn)定，遂土地利用程度變化綜合指數(shù)增加幅度較小。

3 社會經(jīng)濟因素分析

在短時間內(nèi)，由于自然因素的難以改變性，社會經(jīng)濟因素是土地利用覆被變化的主要驅(qū)動力，下面分別對主要的社會經(jīng)濟因素進行定性分析。

3.1 人口增長因素

在土地資源的開發(fā)利用中，人口既是土地利用方式的決策者和參與者，也是土地輸出產(chǎn)品的消費者。簡而言之，人類能夠通過生產(chǎn)技術(shù)、活動方式來改變、組織土地利用；同時，人類作為參與者，為其生存、生活也占據(jù)了一定面積的土地作為活動場所；最后，人還作為消費者，消耗土地利用過程中生產(chǎn)的產(chǎn)品。

表12 禮泉縣2005-2015年戶籍人口變化(萬人)

注：數(shù)據(jù)來源于《咸陽年鑒》2006年統(tǒng)計資料、禮泉縣2010年、2015年國民經(jīng)濟和社會發(fā)展統(tǒng)計公報。

從表12看出， 2005-2015年禮泉縣總?cè)丝谠黾恿?萬人，而非農(nóng)業(yè)人口則增加了10.8萬人，較多的農(nóng)業(yè)人口向城鎮(zhèn)聚集，非農(nóng)業(yè)人口的增長造成居住、交通等用地的需求和城鎮(zhèn)的擴張，大量農(nóng)用地轉(zhuǎn)化為建設(shè)用地。而且大量的人口增長導(dǎo)致土地利用系統(tǒng)輸出產(chǎn)品的需求量增加，提高土地利用系統(tǒng)的產(chǎn)出量只有兩條途徑：一是擴大土地利用面積，將其他地類轉(zhuǎn)化為耕地，或者開發(fā)未利用的土地資源，提高土地利用率。二是調(diào)整、優(yōu)化產(chǎn)業(yè)布局，提高土地的生產(chǎn)能力，增加單位面積土地的產(chǎn)出量。以上人類活動都將影響土地利用覆被的變化，改變其格局。

3.2 經(jīng)濟增長因素

經(jīng)濟增長進程對土地利用覆被變化也有著非常大的影響。一方面，經(jīng)濟增長對土地需求的總量水平和結(jié)構(gòu)水平都會產(chǎn)生重要影響；另一方面，經(jīng)濟增長又會對土地持續(xù)利用提供必要的技術(shù)和資金支持。一般來說，經(jīng)濟發(fā)展對土地利用的影響主要表現(xiàn)在需求總量水平的上升、影響土地利用結(jié)構(gòu)形成以及為可持續(xù)利用提供了先進的技術(shù)手段和財力支持等幾個方面。禮泉縣2005-2015年內(nèi)社會經(jīng)濟統(tǒng)計指標見表13。

表13 禮泉縣2005-2015年社會經(jīng)濟狀況變化

注：數(shù)據(jù)來源于《咸陽年鑒》2006年統(tǒng)計資料、禮泉縣2010年、2015年國民經(jīng)濟和社會發(fā)展統(tǒng)計公報。

從表13可以看出，10年來禮泉縣經(jīng)濟水平穩(wěn)步上升， 2005年國內(nèi)生產(chǎn)總值26.86億元，2010年國內(nèi)生產(chǎn)總值72.56億元，年均增長速率為34%，2015年國內(nèi)生產(chǎn)總值151.8億元，五年來年均增長速率為 21.8%，經(jīng)濟增長速度有所減緩。社會固定資產(chǎn)投資額2005年32.54億元，2010年64.96億元，年均增長速率20%，2015年投資額為182.03億元，年平均增長速率為36%。農(nóng)民生活水平日漸提高，由2005年的人均年收入2 250元，增加到2015年的11 817元，年均增長42%。全縣第三產(chǎn)業(yè)比重穩(wěn)定增長，到2015年比重達到36.1%，十年來，該區(qū)域加快了工業(yè)化的發(fā)展進程，產(chǎn)業(yè)結(jié)構(gòu)快速向二三產(chǎn)業(yè)轉(zhuǎn)移，吸引大量的農(nóng)業(yè)勞動力向城鎮(zhèn)的轉(zhuǎn)移，對土地的需求量逐漸增大，農(nóng)用地的數(shù)量逐漸減少，而交通、居住、旅游用地的比重還會逐漸增加。

此外，經(jīng)濟的快速增長也會影響區(qū)域土地利用結(jié)構(gòu)的變化，由于產(chǎn)業(yè)結(jié)構(gòu)的調(diào)整，加之兩者之間存在著較強的關(guān)聯(lián)性，將導(dǎo)致土地利用結(jié)構(gòu)發(fā)生變化。而且一般情況下，區(qū)域經(jīng)濟增長水平的變化要先于土地利用結(jié)構(gòu)的變化，所以，社會經(jīng)濟增長水平?jīng)Q定了區(qū)域土地利用方式和結(jié)構(gòu)的形成與變化，對土地利用覆被變化的影響也是通過土地利用結(jié)構(gòu)的調(diào)整來實現(xiàn)的。

最后，經(jīng)濟的增長能夠為土地利用方式提供大量的財力支持，以及眾多先進技術(shù)手段的應(yīng)用，有利于土地資源的可持續(xù)利用，當區(qū)域經(jīng)濟發(fā)展到一定程度時，但其掌握的技術(shù)水平和財力未達到相應(yīng)水平，大量的農(nóng)用地轉(zhuǎn)化為非農(nóng)用地，土地利用效率不高，會出現(xiàn)土地污染和浪費的情況。當分類的經(jīng)濟增長達到一定水平后，人類會加大對土地利用的生產(chǎn)資料投入，采用眾多的先進技術(shù)手段等一系列措施，會提高土地的利用效率，加大土地的利用程度，從而進一步改變土地的利用結(jié)構(gòu)，影響土地利用覆被的變化規(guī)律。