基于遙感的山東省土地利用時空變化和驅(qū)動力分析

黃寶華

摘要：利用山東省1970s、1980s、1995、2000、2005、2010和2015年共7期土地利用數(shù)據(jù)，采用土地利用動態(tài)度、結(jié)構(gòu)變化、土地利用類型轉(zhuǎn)移矩陣研究人類土地利用活動導(dǎo)致的生態(tài)環(huán)境變化，結(jié)果表明1970s—2015年山東土地利用類型變化較大，除建設(shè)用地增加迅速外，耕地、林地、草地和未利用土地均呈不同程度減少趨勢，耕地用地為主要用地類型。信息熵上升、優(yōu)勢度下降、均衡度上升，說明各土地利用類型規(guī)模差異減少、單一土地利用類型支配程度下降；綜合土地利用動態(tài)度為0.12，屬于土地利用極緩慢型。單一土地利用動態(tài)度中，耕地、林地、草地利用極緩慢，建設(shè)用地中的建設(shè)用地動態(tài)度為7.07，在建設(shè)用地動態(tài)度中變化最大；土地利用類型變化主要表現(xiàn)為耕地轉(zhuǎn)向建設(shè)用地，水域、未利用土地轉(zhuǎn)向耕地和建設(shè)用地，水域轉(zhuǎn)向未利用土地。耕地、草地與地區(qū)生產(chǎn)總值（X1）、第一產(chǎn)業(yè)（X2）、第二產(chǎn)業(yè)（X3）、第三產(chǎn)業(yè)（X4）有著顯著負相關(guān)關(guān)系；建設(shè)用地與X1、X2、X3、X4之間有著顯著的正相關(guān)關(guān)系；未利用土地與X1、X2、X3有著顯著的負相關(guān)關(guān)系。

關(guān)鍵詞：土地利用動態(tài)度；土地利用轉(zhuǎn)移矩陣；均衡度；信息熵；優(yōu)勢度

中圖分類號：F301，P237文獻標(biāo)志碼：A論文編號：cjas2020-0064

Analysis of Spatial and Temporal Changes and Driving Forces of Land Use in Shandong Province Based on Remote Sensing

Huang Baohua1，2

（1Department of Civil Engineering， Shandong Jiaotong University， Jinan 250357， Shandong， China；

2Yantai Real Estate Registration Center， Yantai 264003， Shandong， China）

Abstract： Based on the land use data of seven periods in Shandong Province， included 1970s， 1980s， 1995， 2000， 2005， 2010 and 2015， used the land use dynamic degree， structural change and land use type transfer matrix to study the ecological environment change caused by human land use activities. The results showed that the land use types change greatly from 1970s to 2015 in Shandong Province， except for the rapid increase of construction land， cultivated land， forest land， grassland and unused land were all decreased in different degrees， and cultivated land was the main type of land. The increase of information entropy， the decrease of dominance and the increase of equilibrium indicated that the difference of land use types was reduced， and the dominance of single land use type was decreased； the dynamic degree of comprehensive land use was 0.12， which belonged to the very slow type of land use. In the single land use dynamic degree， cultivated land， forest land and grassland were used very slowly. The dynamic degree of construction land in construction land was 7.07， which changed the most in the dynamic degree of construction land. The change of land use type mainly showed that cultivated land turned to construction land， water area and unused land turned to cultivated land and construction land， and water area turned to unused land. Cultivated land and grassland had significant negative correlation with GDP（X1）， primary industry（X2）， secondary industry（X3） and tertiary industry（X4）； construction land had significant positive correlation with X1， X2， X3 and X4； unused land had significant negative correlation with X1， X2 and X3.

Keywords： Land Use Dynamic Degree； Land Use Transfer Matrix； Equilibrium Degree； Information Entropy； Dominance Degree

0引言

土地利用是一個土地由自然生態(tài)系統(tǒng)向人工生態(tài)系統(tǒng)轉(zhuǎn)變的過程，人類利用開發(fā)土地資源促進社會經(jīng)濟發(fā)展的同時也改變了土地覆蓋形態(tài)，使其發(fā)生很大變化，影響到整個地球表層生態(tài)系統(tǒng)[1-2]。隨著土地利用變化的日趨激烈，如何利用日益發(fā)展的科學(xué)技術(shù)研究人類土地利用活動導(dǎo)致的生態(tài)環(huán)境變化成為當(dāng)前研究的一個重要方向[3]。遙感技術(shù)的發(fā)展為在大范圍進行土地利用覆蓋變化研究提供了方便[4-5]，地理信息系統(tǒng)因具有強大的空間疊加分析、空間統(tǒng)計分析等功能[6-7]，被用于土地利用變化研究中。山東省是一個經(jīng)濟大省，近年來經(jīng)濟發(fā)展與土地利用間的矛盾日漸凸顯，通過對山東省土地利用格局及其驅(qū)動因素的研究，可及時、準確地了解土地利用變化情況，監(jiān)測土地利用變化趨勢、布局及規(guī)模，掌握各土地類型的使用情況，為國土資源調(diào)查、規(guī)劃、管理、保護與合理利用服務(wù)。

1研究區(qū)概況

山東中部山地突起，西南、西北低洼平坦，東部緩丘起伏，地形以山地丘陵為主，東部是山東半島，西部及北部屬華北平原，中南部為山地丘陵，形成以山地丘陵為骨架、平原盆地交錯環(huán)列其間的地貌。全省用地類型以耕地為主，主要分布在魯西平原、膠東半島丘陵、魯中南山地丘陵和黃河三角洲地區(qū)。截至2018年末，山東省常住人口100472400人，地區(qū)生產(chǎn)總值66649億元。

2使用數(shù)據(jù)

在國家資源環(huán)境數(shù)據(jù)庫基礎(chǔ)上，以美國陸地衛(wèi)星Landsat遙感影像數(shù)據(jù)作為主數(shù)據(jù)源，通過人工目視解譯得到山東省20世紀70年代末期（1970s）、80年代末期（1980s）、1995、2000、2005、2010和2015年共7期土地利用/覆蓋數(shù)據(jù)。根據(jù)土地資源及其利用、自然屬性進行分類，分為耕地、林地、草地、水域、建設(shè)用地和未利用土地。同時選取研究時間段內(nèi)可能影響山東省土地利用變化的地區(qū)生產(chǎn)總值（X1）、第一產(chǎn)業(yè)（X2）、第二產(chǎn)業(yè)（X3）、第三產(chǎn)業(yè)（X4）、非農(nóng)業(yè)人口（X5）、固定資產(chǎn)投資額（X6） 6個經(jīng)濟因子，運用主成分分析和相關(guān)分析，對影響山東土地變化的驅(qū)動力進行分析。

3研究方法

3.1土地利用動態(tài)度模型

（1）單一土地利用類型動態(tài)度。是指一定時間內(nèi)某種土地利用類型的數(shù)量變化情況，它反映某種土地利用類型的具體變化情況。其表達如式（1）所示[8]。

4結(jié)果與分析

4.1土地利用整體變化

山東省1970s—2015年土地利用類型變化較大，除建設(shè)用地外，耕地、林地、草地和未利用土地均呈不同程度減少趨勢。其中，耕地占比由67.17%降到64.86%，減少3475 km2，為主要用地類型（為突出其他土地利用類型變化情況，圖1沒有顯示耕地占比）；林地占比6.3%，基本保持不變；草地占比由8.79%降到8.42%，減少564 km2；建設(shè)用地占比由10.93%上升至15.11%，增加6574 km2，為變化最大用地類型；水域占比由4.61%降至4.2%，減少631 km2；未利用土地占比由2.2%降低至1.15%，減小1632 km2（圖1、2）。

山東省土地利用類型在1970s—1980s和1996—2005年2個時間段間，呈現(xiàn)信息熵、均衡度下降，優(yōu)勢度上升趨勢，說明這2個時期土地利用類型的多元化程度低，利用類型趨于簡單化；2005年后，信息熵上升、優(yōu)勢度下降、均衡度上升，說明隨著社會經(jīng)濟和城鎮(zhèn)化、工業(yè)化的需要，開發(fā)利用多元化程度增加、各土地利用類型規(guī)模差異減少、單一土地利用類型支配程度下降，綜合化、多元化成為山東省土地利用的發(fā)展趨勢（表1）。

4.2土地利用動態(tài)度分析

山東省1970s—2015年綜合土地利用動態(tài)度為0.12，屬于土地利用極緩慢型（表1）。其中，1991—1995年綜合土地利用動態(tài)度最大，為0.25，說明該時段土地利類型數(shù)量變化最大。單一土地利用動態(tài)度中，耕地、林地、草地在1以下，土地利用極緩慢；建設(shè)用地中的城鎮(zhèn)用地在1970s—2015年間的動態(tài)度為4.3，1991—1995年為6.03，變化最大。農(nóng)村居民點動態(tài)度變化最小。其他建設(shè)用地（指廠礦、大型工業(yè)區(qū)、油田、鹽場、采石場等用地以及交通道路、機場及特殊用地）在1970s—2015年的動態(tài)度為7.07，在建設(shè)用地動態(tài)度中變化最大。說明隨著經(jīng)濟建設(shè)的發(fā)展，建設(shè)用地量需求量隨之增加；水域中的河渠、湖泊、灘涂和灘地在不同時期呈現(xiàn)正負交叉情況，河渠、灘地變化較小。湖泊在1991—1995年間，單一土地利用動態(tài)度達到13.08，增幅顯著，但在整個時段是減少的。水庫坑塘在2001—2005年單一土地利用動態(tài)度為8.22，該時段增加顯著，在總時段中是增加的；灘涂在2001—2005年，單一土地利用動態(tài)度為-7.16，該時段灘涂減小顯著（表2）。

4.3土地利用變化轉(zhuǎn)移

山東土地利用變化隨著時間的變化呈現(xiàn)向平穩(wěn)過渡態(tài)勢。1970s—1980s，土地轉(zhuǎn)換類型主要集中在建設(shè)用地、水域和未利用土地間，主要表現(xiàn)為耕地轉(zhuǎn)向建設(shè)用地，水域、未利用土地轉(zhuǎn)向耕地和建設(shè)用地，水域轉(zhuǎn)向未利用土地；1991—1995、2006—2015年幾個階段土地利用類型整體情況變化較小，主要表現(xiàn)為耕地轉(zhuǎn)向建設(shè)用地；1996—2000年，土地利用類型整體變化最小；2001—2005年，土地利用類型主要表現(xiàn)為耕地轉(zhuǎn)向水域、建設(shè)用地，草地轉(zhuǎn)向耕地（圖3）。

建設(shè)用地和林地的轉(zhuǎn)出較少，林地轉(zhuǎn)出主要集中在濟南東北部山地丘陵區(qū)，轉(zhuǎn)變方向主要為耕地。耕地轉(zhuǎn)出主要在各城鎮(zhèn)和農(nóng)村居民點附近，轉(zhuǎn)化方向主要為建設(shè)用地。分布在魯西北平原、膠東沿海周邊地區(qū)和魯南平原地區(qū)。在濱州、東營部分耕地轉(zhuǎn)為水域（圖4）；草地轉(zhuǎn)出主要集中在東營市東部，其中河口區(qū)西部主要轉(zhuǎn)化為耕地，中部主要轉(zhuǎn)化為未利用土地，東部主要轉(zhuǎn)化為耕地和水域。墾利縣東北部主要轉(zhuǎn)化為水域，東部主要轉(zhuǎn)化為耕地。東營區(qū)東部主要轉(zhuǎn)化為水域（圖5）。

水域轉(zhuǎn)出主要集中在濱州北部、東營東部和濰坊北部地區(qū)，青島至威海沿海一線一帶。濱州無棣縣主要為水域轉(zhuǎn)化為建設(shè)用地，沾化縣主要轉(zhuǎn)化為建設(shè)用地和耕地。河口區(qū)東北部主要轉(zhuǎn)化為建設(shè)用地，東南部主要轉(zhuǎn)化為耕地。墾利縣西北部分別轉(zhuǎn)化為建設(shè)用地、草地和耕地。東營區(qū)東部主要轉(zhuǎn)化為建設(shè)用地。濰坊市的寒亭區(qū)和壽光市北部主要轉(zhuǎn)化為建設(shè)用地。昌邑市西北部主要轉(zhuǎn)化為草地，東北部主要轉(zhuǎn)化為建設(shè)用地。從青島即墨市至威海榮成市沿海一線主要轉(zhuǎn)化為建設(shè)用地（圖6）。未利用土地轉(zhuǎn)移主要集中在濱州北部、東營北部和東部、濰坊北部和微山縣中部。其中濱州無棣縣和沾化縣北部主要轉(zhuǎn)變?yōu)槠渌ㄔO(shè)用地；東營河口區(qū)西北部主要轉(zhuǎn)化為其他建設(shè)用地，東北部轉(zhuǎn)化為耕地和草地。墾利縣和東營區(qū)境內(nèi)主要轉(zhuǎn)化為耕地；濰坊市壽光市西北部未利用土地轉(zhuǎn)化為其他建設(shè)用地、草地、水域用地。東北部主要轉(zhuǎn)化為建設(shè)用地。昌邑市北部主要轉(zhuǎn)化為建設(shè)用地。濟寧微山縣主要在微山湖中部附近轉(zhuǎn)化為水域（圖7）。

4.4土地利用變化驅(qū)動力

利用SPSS對X1、X2、X3、X4、X5、X6進行主成分分析，結(jié)果為KMO=0.632，大于0.6，Bartlett球形度檢驗Sig.<0.05（即P<0.05），適合進行主成分分析。主成分分析一共提取出1個主成分，此主成分的方差解釋率分別是97.136%（表3）。且對應(yīng)的共同度值均高于0.4，表示研究項和主成分之間有著較強的關(guān)聯(lián)性，主成分可以有效的提取出信息。

耕地、草地與X1、X2、X3、X4的相關(guān)系數(shù)為負（P< 0.05），說明耕地、草地和上述4項之間有著顯著負相關(guān)關(guān)系；建設(shè)用地與X1、X2、X3、X4的相關(guān)系數(shù)為正（P< 0.05），說明建設(shè)用地和上述4項之間有著顯著的正相關(guān)關(guān)系；未利用土地與X1、X2、X3的相關(guān)系數(shù)為負（P<0.05），說明未利用土地和前3項之間有著顯著的負相關(guān)關(guān)系，與第三產(chǎn)業(yè)的P>0.05，表明和第三產(chǎn)業(yè)之間無相關(guān)關(guān)系；林地和水域和X1、X2、X3、X4的P<0.05，說明林地和水域與上述4項無相關(guān)關(guān)系。山東省耕地、建設(shè)用地、未利用土地變化主要受經(jīng)濟社會發(fā)展、城市擴張、人口因素的影響，而受農(nóng)業(yè)結(jié)構(gòu)調(diào)整、自然因素的影響較少（表4）。

5結(jié)論

（1）山東省1970s—2015年土地利用類型變化較大，除建設(shè)用地外，耕地、林地、草地和未利用土地均呈不同程度減少趨勢。耕地占比在67.17%～64.86%之間，為主要用地類型；建設(shè)用地占比10.9%～15.1%，增加迅速。信息熵上升、優(yōu)勢度下降、均衡度上升，說明各土地利用類型規(guī)模差異減少、單一土地利用類型支配程度下降。

（2）山東省1970s—2015年綜合土地利用動態(tài)度為0.12，屬于土地利用極緩慢型。單一土地利用動態(tài)度中，耕地、林地、草地利用極緩慢；建設(shè)用地中的城鎮(zhèn)用地在1970s—2015年間的動態(tài)度為4.3，變化較大。其他建設(shè)用地動態(tài)度為7.07，在建設(shè)用地動態(tài)度中變化最大。

（3）山東省1970s—1980s土地利用類型變化主要集中在建設(shè)用地、水域和未利用土地間，主要表現(xiàn)為耕地轉(zhuǎn)向建設(shè)用地，水域、未利用土地轉(zhuǎn)向耕地和建設(shè)用地，水域轉(zhuǎn)向未利用土地。

（4）耕地、草地與X1、X2、X3、X4有著顯著負相關(guān)關(guān)系；建設(shè)用地與X1、X2、X3、X4之間有著顯著的正相關(guān)關(guān)系；未利用土地與X1、X2、X3有著顯著的負相關(guān)關(guān)系。

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致謝：使用土地覆被類型數(shù)據(jù)由中國科學(xué)院資源環(huán)境科學(xué)數(shù)據(jù)中心提供。