涪江流域土地利用變化及其驅(qū)動力分析

杜華明

(1.綿陽師范學院資源環(huán)境工程學院，四川綿陽 621006；2.生態(tài)安全與保護四川省重點實驗室，四川綿陽 621006)

0 引言

土地是人類生存之本，伴隨社會經(jīng)濟的快速發(fā)展，土地利用/覆蓋變化及驅(qū)動力分析已成地理學科關注的熱點問題[1]，得到國際社會的廣泛關注[2-4].宋戈等對松嫩高平原土地利用時空格局及分異規(guī)律的研究認為土地利用格局變化受人為、自然因素的共同作用[5]；童小容等對重慶市2000-2015年土地利用變化的分析發(fā)現(xiàn)重慶市土地利用程度以渝中區(qū)為核心從內(nèi)到外依次呈“弱變化-劇烈變化-較強變化-較弱變化”的圈層擴展形態(tài)[6]；鞠洪潤等對中國土地利用整體空間格局的研究指出中國土地利用多樣性總體上呈現(xiàn)“東北、東南高，西北低”的態(tài)勢[7]；羅惠等對中國土地利用轉(zhuǎn)型研究動態(tài)與發(fā)展趨勢進行了研究[8]；胡守庚等對土地利用轉(zhuǎn)型潛力的研究顯示以基于“強效”“快速”政策調(diào)整及工程技術措施的土地利用形態(tài)調(diào)整和基于“自發(fā)土地利用”的土地利用轉(zhuǎn)型引導為形成機制[9]；譚少軍等對三峽庫區(qū)土地利用機制的研究指出該區(qū)域驅(qū)動機制由“生計-經(jīng)濟”驅(qū)動型轉(zhuǎn)變?yōu)椤岸嘣獏f(xié)同”驅(qū)動型[10].縱觀土地利用及其變化驅(qū)動機制的研究，目前土地利用變化研究較為成熟，土地利用驅(qū)動機制方面的研究尚顯不足.土地利用驅(qū)動機制的研究主要以定性分析為主，定量分析方面表現(xiàn)為以土地利用類型與驅(qū)動因子間的相關分析為主.涪江流域地處內(nèi)陸，位于青藏高原與四川盆地的過渡地帶，地理條件特殊，生態(tài)環(huán)境復雜，山地、丘陵、平原構(gòu)成該流域地貌的主要特征.在氣候變暖、人口增加、社會經(jīng)濟活動加劇的背景下，涪江流域生態(tài)環(huán)境受到一定干擾和破壞，土地利用結(jié)構(gòu)發(fā)生變化，因此，加強涪江流域土地利用變化及驅(qū)動力研究是提高涪江流域土地利用安全的有力保障.本文從自然-社會經(jīng)濟兩方面選取影響土地利用變化的驅(qū)動因子，運用空間主成分分析法探索涪江流域土地利用變化的主要驅(qū)動因子.

1 數(shù)據(jù)來源與研究方法

1.1 數(shù)據(jù)來源

文中所涉及的數(shù)據(jù)主要包括1∶1 000 000的基礎地理數(shù)據(jù)、DEM數(shù)據(jù)、遙感影像數(shù)據(jù)、社會經(jīng)濟數(shù)據(jù)，基礎地理數(shù)據(jù)來源于全國地理信息資源目錄服務系統(tǒng)(http://www.webmap.cn/main.do?method=index)；90 m分辨率數(shù)字高程數(shù)據(jù)來源于地理空間數(shù)據(jù)云(http://www.gscloud.cn/sources/)，主要用于高程指標、坡向的提取與相關計算；遙感影像數(shù)據(jù)來源于USGS(https://earthexplorer.usgs.gov/)；社會經(jīng)濟數(shù)據(jù)來源于中國縣域統(tǒng)計年鑒[11].

1.2 研究方法

1.2.1 土地利用轉(zhuǎn)移矩陣 土地利用轉(zhuǎn)移矩陣能定量闡釋不同時期土地利用類型之間的轉(zhuǎn)化情況[12]，公式如下：

(1)

式中，Sij表示初期地類i轉(zhuǎn)換成后期地類j的面積，n表示土地利用類型數(shù)量，i、j(i、j=1，2，…，n)表示不同時間段的土地利用類型[13].

1.2.2 空間主成分分析(SPCA) 空間主成分分析方法可將主成分因子分析結(jié)果在對應的每一個柵格上展現(xiàn)出來，空間可視化效果良好[14].本文在ArcGIS軟件平臺中利用Spatial Analyst的principal components工具實現(xiàn)，通過該分析工具獲取每個主成分所對應的空間載荷圖、各個成分的貢獻率以及累計貢獻率，將累計貢獻率超過90%的主成分確定為有統(tǒng)計學意義的主成分[15].

2 結(jié)果與分析

2.1 涪江流域土地利用變化分析

2.1.1 涪江流域土地利用總體格局 通過對2001和2018年兩個時間段的Landsat 7 ETM影像進行校正拼接處理后，運用ENVI5.1軟件進行監(jiān)督分類處理得到涪江流域2001年和2018年兩個時間段的土地利用現(xiàn)狀圖(圖1).分析發(fā)現(xiàn)涪江流域的土地利用類型主要以林地和耕地為主.林地主要分布在涪江流域上游地區(qū)，上游地理位置特殊，位于青藏高原與四川盆地的過渡地帶，地勢起伏大，氣候垂直差異明顯，且屬于長江上游地段，廣泛分布著林地.中下游區(qū)域地勢平坦、海拔高差小、人口密集，耕地集中分布于涪江流域中下游地區(qū).其他土地利用類型所占比例相對較小.

圖1 涪江流域2001、2018年土地利用現(xiàn)狀圖Fig.1 Map of land use of Fujiang River Basin in 2001 and 2018

通過對涪江流域2001、2018年的土地利用類型面積及占比的統(tǒng)計分析得到表1，2001年，林地面積為22 805.39 km2，占比高達57.71 %，林地主要分布于江油-安州一線以北的涪江流域上游地區(qū)，中下游地區(qū)東部的梓潼、鹽亭大部分區(qū)域，中下游西部邊緣地區(qū)也有零星分布；其次是耕地，耕地主要分布于江油-安州一線以南的涪江流域中下游地區(qū)，總面積14 219.07 km2，占比35.98 %.草地零星分布于北部邊緣的松潘境內(nèi)，總面積815.07 km2，占比2.06%.水域總面積1 235.14 km2，占比3.13 %.建設用地面積小，主要分布于該流域區(qū)、縣城鎮(zhèn)所在地，總面積276.87 km2，占比0.70%.其他用地總面積為163.26 km2，占比0.41%.

表1 涪江流域2001、2018年土地利用類型面積及其比例Tab.1 Land use type area and its ratio of Fujiang River Basin in 2001 and 2018

2018年涪江流域林地面積大幅減少，總面積18 651.04 km2，占比47.20%，主要分布于江油-安州一線以北的涪江上游和中下游的東、西部邊緣地帶；耕地集中分布于江油-安州一線以南的涪江流域中下游地區(qū)，總面積17 830.20 km2，占比45.12%，耕地面積明顯增多；草地主要分布于流域北部邊緣地帶，總面積905.10 km2，占比2.29%；水域總面積1 456.59 km2，占比3.69%；建設用地總面積528.42 km2，占比1.34%；其他用地總面積143.45 km2，占比0.36%.

整體上看，涪江流域2001年和2018年的土地利用面積由多到少分別為：林地>耕地>水域>草地>建設用地>其他用地，林地面積最高，其次是耕地，最少的是其他用地類型.2001年和2018年涪江流域的土地利用類型均以耕地和林地為主，2001年耕地和林地總面積高達37 024.46 km2，占比為93.70%；2018年耕地、林地總面積為36 481.25 km2，占比為92.32%.

2.1.2 土地利用變化空間圖譜與轉(zhuǎn)移矩陣

(1)空間圖譜 利用ArcGIS制作土地利用圖譜的空間變化特征，根據(jù)圖譜變化，揭示涪江流域2001-2018年土地利用類型空間變化狀況，結(jié)果如圖2所示.由圖2可看出流域所有土地利用類型的轉(zhuǎn)變情況：耕地、林地是主要的轉(zhuǎn)換類型，其次是水域和建設用地，大部分未轉(zhuǎn)變的土地利用類型均以白色在圖中進行表示.具體看，2001-2018年，耕地由14 219.07 km2增加到17 830.20 km2，草地由815.07km2增加到905.10 km2，水域由1 235.14 km2增加到1 456.59 km2，建設用地由276.87 km2增加到528.42 km2；2001-2018年林地由22 805.39 km2減少到17 830.20 km2，其他用地由163.26 km2減少到143.45 km2.總體上看，涪江流域2001-2018年耕地、草地、建設用地、水域呈增加趨勢發(fā)展，而林地、其他用地則呈減少趨勢發(fā)展.涪江流域耕地和建設用地增幅較大，林地顯著減少，分析發(fā)現(xiàn)該流域受人口增長與經(jīng)濟發(fā)展的影響較大，導致耕地、建設用地呈明顯增加趨勢發(fā)展.

圖2 2001-2018年土地利用空間變化圖譜Fig.2 Atlas of land use change from 2001 to 2018

(2)2001-2018土地利用轉(zhuǎn)移矩陣 表2是涪江流域2001-2018年土地利用類型轉(zhuǎn)移矩陣，從表中可以看出2001-2018年每類土地的轉(zhuǎn)出、轉(zhuǎn)入情況.2001-2018年涪江流域有2 095.78 km2的耕地轉(zhuǎn)出，轉(zhuǎn)入(新增耕地)總量5 765.99 km2，轉(zhuǎn)入耕地面積遠遠大于轉(zhuǎn)出耕地面積，84.20%的耕地保持不變.2001-2018年涪江流域林地轉(zhuǎn)出總量17 229.06.53 km2，轉(zhuǎn)入(新增林地)總量5 857.48 km2，轉(zhuǎn)出林地面積大于轉(zhuǎn)入面積，71.85%的林地面積保持不變.2001-2018年間涪江流域草地轉(zhuǎn)出總量805.79 km2，轉(zhuǎn)入(新增草地)總量898.58 km2，70.74%的草地面積保持不變.2001-2018年間涪江流域水域轉(zhuǎn)出總量為977.33 km2，轉(zhuǎn)入(新增水域)總量為1 097.96 km2，44.02%的水域面積保持不變.2001-2018年涪江流域有262.83 km2的建設用地轉(zhuǎn)出，轉(zhuǎn)入(新增建設用地)總量為342.83 km2，76.99%的建設用地面積保持不變.2001-2018年涪江流域有163.26 km2的其他用地轉(zhuǎn)出，新增其他用地48.15 km2.

表2 2001-2018年土地利用轉(zhuǎn)移矩陣 單位：km2Tab.2 Land use transfer matrix in Fujiang River Basin from 2001 to 2018

2.2 涪江流域土地利用變化驅(qū)動力分析

影響土地利用變化的驅(qū)動力主要是自然和人為兩種因素，穩(wěn)定的自然條件對土地利用變化起制約作用，其主要是長期積累效應，在短時間內(nèi)造成的影響很??；而變化的社會經(jīng)濟因素則是導致土地利用景觀產(chǎn)生變化的主要因素，在短時間內(nèi)則起著主導作用[16-17].涪江流域的地理位置特殊，位于盆地與高原的過渡地帶，地勢起伏大，氣候垂直差異明顯，對土地利用格局造成了很大的影響.由于涪江流域生態(tài)環(huán)境比較脆弱，且生長著諸多珍稀動植物，對涪江流域土地利用變化的驅(qū)動力進行分析有益于生物的保護，維護當?shù)厣鷳B(tài)環(huán)境，謀求人與自然和諧共生.

2.2.1 土地利用驅(qū)動力指標體系構(gòu)建 遵循數(shù)據(jù)選取的科學性、可獲取性、準確性、系統(tǒng)性和簡明性等原則，并參考同類文獻的驅(qū)動力指標體系，結(jié)合涪江流域土地利用現(xiàn)狀及其結(jié)構(gòu)變化狀況，選取了海拔、坡度、坡向、人口密度、人均GDP、全社會固定資產(chǎn)投資、糧食產(chǎn)量、工業(yè)總產(chǎn)值和公共財政收入等9個驅(qū)動力指標.其中坡度、坡向運用高程數(shù)據(jù)提??；人口密度、人均GDP、全社會固定資產(chǎn)投資、糧食產(chǎn)量、工業(yè)總產(chǎn)值和公共財政收入等數(shù)據(jù)來源于中國縣域統(tǒng)計年鑒，運用ArcGIS軟件經(jīng)過IDW進行空間插值，獲得社會經(jīng)濟數(shù)據(jù)空間分布圖.運用自然斷點法對驅(qū)動力指標空間分布格局圖進行重分類處理，得到驅(qū)動力指標空間等級分布圖(圖3).

圖3 涪江流域土地利用驅(qū)動因子分級圖Fig.3 Classification map of land use driving factors in Fujiang River Basin

從圖3可以看出，固定資產(chǎn)投資、工業(yè)總產(chǎn)值、糧食總產(chǎn)量、人口密度、人均GDP、地方公共財政收入等社會經(jīng)濟指標具有很強的空間分布一致性，均表現(xiàn)為中下游區(qū)域指標高，而上游區(qū)域指標低，由此可見，人口密度越高的區(qū)域，人類社會經(jīng)濟活動強度越大，對土地利用類型的變化起著非常重要的推動作用.高程、坡度兩個指標在空間分布格局上表現(xiàn)一致，涪江流域江油-安州一線以北的上游區(qū)域海拔高，坡度大，而江油-安州一線以南的中下游區(qū)域海拔低、坡度小.

2.2.2 基于空間主成分的土地利用驅(qū)動力分析 利用ArcGIS10.5軟件進行空間主成分分析計算，得到涪江流域土地利用變化驅(qū)動力變量相關系數(shù)矩陣、主成分分析特征根及主成分貢獻率、主成分載荷矩陣(表3-表5).

表3 土地利用變化驅(qū)動力變量相關系數(shù)矩陣Fig.3 Correlation coefficient matrix of driving forces of land use change

通過對表4的分析發(fā)現(xiàn)，第一、二、三、四主成分累計貢獻率達到90.61%；從表5可知，1、3、4、6、7、8、9與第一主成分具有較強的正相關性，2、5、9與第二主成分具有一定的正相關性，1、2、4、7、8與第三主成分具有相當大的正相關性，2、5、6、7、8與第四主成分具有很強的正相關性，可以發(fā)現(xiàn)，影響涪江流域土地利用變化的主要是經(jīng)濟社會驅(qū)動力因子，涪江流域土地利用變化與區(qū)域社會經(jīng)濟發(fā)關聯(lián)性較高.

研究發(fā)現(xiàn)，自然環(huán)境條件對流域土地利用變化影響較小，而社會經(jīng)濟因素是促進涪江流域土地利用變化的主導因素.自然環(huán)境因子中坡向?qū)ν恋乩米兓呢暙I最大，貢獻率為11.94%，不同坡向造成對太陽輻射的吸收和降水等的不同，致使土地利用方式各異，形成了不同土地利用類型.社會經(jīng)濟因子中全社會固定資產(chǎn)投資、工業(yè)生產(chǎn)總值與糧食總產(chǎn)量三個因素對涪江流域土地利用變化的影響較大，其對流域土地利用變化的貢獻率分別為57.49%、13.87%、7.31%.土地作為人類的生活場所，人口的快速增長導致人均土地面積減少，進而導致毀林開荒、過度開墾等現(xiàn)象，致使其他土地利用類型向耕地的轉(zhuǎn)換速度加快.社會經(jīng)濟的高速發(fā)展和精神文化水平的提高，促使道路、娛樂設施、大型球場與公園等基礎設施的建設加強，大量的耕地、林地被占用，轉(zhuǎn)化為建設用地以滿足人們的需求.土地是各類經(jīng)濟活動發(fā)展的基礎和根本保障，同時社會經(jīng)濟的發(fā)展導致各種地類面積發(fā)生顯著變化，工業(yè)的快速發(fā)展侵入周圍的耕地、林地，改變城市周邊的土地利用格局，經(jīng)濟活動對土地資源的索取導致土地分配的變化，致使研究區(qū)內(nèi)各種土地類型發(fā)生顯著變化.

3 討論

本文運用土地利用轉(zhuǎn)移矩陣、空間主成分分析等方法對涪江流域2001-2018年的土地利用變化及驅(qū)動因素進行研究，發(fā)現(xiàn)涪江流域土地利用類型主要以林地和草地為主，社會經(jīng)濟因素是影響流域土地利用變化的主要驅(qū)動因子.認識涪江流域土地利用變化及驅(qū)動因子對促進該流域土地利用的合理規(guī)劃與可持續(xù)發(fā)展具有一定的參考作用.涪江流域位于青藏高原與四川盆地的過渡地帶，海拔高差大，土地利用空間差異大，生態(tài)環(huán)境脆弱，本文根據(jù)該流域自然環(huán)境特征和人類社會經(jīng)濟活動狀況，參考前人文獻，從“自然環(huán)境——經(jīng)濟社會”兩個維度構(gòu)建該流域土地利用變化驅(qū)動因子指標體系，該指標體系具有很好的適宜性；但由于土地利用演變的內(nèi)在演化機理問題還缺乏全面的、綜合的與系統(tǒng)深入的分析研究，因此在土地利用變化驅(qū)動因子指標的選取上還存在一定不足，這些方面的不足促使我們認真總結(jié)經(jīng)驗，并在此基礎上拓展新的研究領域.

4 結(jié)論

(1)2001-2018年間，涪江流域土地利用類型面積占比表現(xiàn)為：林地>耕地>水域>草地>建設用地>其他用地，該流域以林地和草地為主，約占93%，水域和建設用地占比很小.

(2)2001-2018年，涪江流域耕地、草地、建設用地、水域面積分別增加3 611.12、90.03、251.54、221.45 km2，而林地、其他用地面積分別減少4 154.35、19.81 km2.涪江流域土地利用類型轉(zhuǎn)移比較明顯的有九類，分別為耕地轉(zhuǎn)林地、耕地轉(zhuǎn)水域、耕地轉(zhuǎn)建設用地、林地轉(zhuǎn)耕地、林地轉(zhuǎn)草地、林地轉(zhuǎn)水域、草地轉(zhuǎn)林地、水域轉(zhuǎn)耕地與水域轉(zhuǎn)林地.

(3)社會經(jīng)濟因素是影響涪江流域土地利用變化的主要驅(qū)動因子，涪江流域中下游地區(qū)人口密度較高，耕地和建設用地占比較大.伴隨流域人口增多以及城市化進程的加快，對居住、生活和工作場所產(chǎn)生的壓力增大使得建設用地的面積擴張.研究發(fā)現(xiàn)全社會固定資產(chǎn)投資、工業(yè)總產(chǎn)值、坡向與糧食總產(chǎn)量是導致涪江流域土地利用變化的主要驅(qū)動因素.