定西市土地利用變化及驅(qū)動力分析

胡波，唐紅，李廣，鄢繼選，寧建楊，郎永娟，林楊杰

(1.甘肅農(nóng)業(yè)大學(xué)林學(xué)院，甘肅 蘭州 730000；2.甘肅農(nóng)業(yè)大學(xué)水利水電工程學(xué)院，甘肅 蘭州 730000)

定西市生態(tài)脆弱、經(jīng)濟(jì)貧困，是一個(gè)草地與耕地、種植業(yè)與畜牧業(yè)之間的過渡帶，其氣候復(fù)雜多變，土地利用類型多種多樣[1]。隨著社會經(jīng)濟(jì)的快速發(fā)展和人民生活水平的提高，對土地的需求日趨增加，特別是近年來退耕還林還草政策的實(shí)施，對土地利用影響巨大。定西市作為農(nóng)牧交錯帶的一部分，其土地資源的不合理利用嚴(yán)重制約了城市的生態(tài)保護(hù)和發(fā)展。因此研究定西市的土地利用變化及其驅(qū)動力，可為了解土地利用現(xiàn)狀和社會經(jīng)濟(jì)的發(fā)展提供有效的理論依據(jù)[2]。

近年對土地利用變化的研究逐漸成為熱點(diǎn)。目前，研究土地利用基于國家、省、縣等行政尺度[3]和流域等自然尺度，使用土地結(jié)構(gòu)[4]、土地利用動態(tài)度[5]、土地利用程度及轉(zhuǎn)移矩陣[6]等指標(biāo)來表示土地利用狀況，研究土地利用的變化特征及驅(qū)動力[7]、土地利用生態(tài)風(fēng)險(xiǎn)[8]、土地利用景觀格局等[9]。范宏斌等[10]對定西市1996-2005年土地利用現(xiàn)狀與社會經(jīng)濟(jì)發(fā)展的關(guān)系進(jìn)行了分析。燕玲玲等[11]探討了定西市安定區(qū)不同土地利用類型的轉(zhuǎn)化對區(qū)域生態(tài)環(huán)境質(zhì)量的影響。但近年以農(nóng)牧交錯帶為切入點(diǎn)，對土地利用變化驅(qū)動力的研究相對較少。因此，選取定西市為研究區(qū)，分析其土地利用時(shí)空變化特征及其驅(qū)動力，旨在為合理開發(fā)利用土地資源，優(yōu)化土地資源配置提供理論參考，從而實(shí)現(xiàn)區(qū)域經(jīng)濟(jì)與生態(tài)和諧發(fā)展。

1 研究區(qū)概況與研究方法

1.1 研究區(qū)概況

定西市位于甘肅省中部，地理位置E 103°52′～105°13′，N 34°26′～35°35′，得名于“安定西邊”之意[12]。北邊與蘭州、白銀市相接，南邊與隴南市交界、東邊與平?jīng)?、天水市毗鄰、西邊接壤于甘南州、臨夏州。定西行政區(qū)劃包括安定區(qū)、通渭縣、隴西縣、漳縣、渭源縣、岷縣、臨洮縣。定西位于中溫帶半干旱區(qū)，屬于南溫帶半濕潤氣候，年均氣溫5.7～7.7 ℃，年均降水量350～600 mm，蒸發(fā)量高達(dá)1 400 mm以上。2018年全市地區(qū)生產(chǎn)總值356.26億元，年末全市常住人口282.17萬人，按常住人口計(jì)算，人均生產(chǎn)總值12 656元，比上年增長5.7%。

1.2 數(shù)據(jù)來源與處理

研究使用的人口、社會經(jīng)濟(jì)數(shù)據(jù)來源于1980-2018年《定西市統(tǒng)計(jì)年鑒》。選取1980、1990、2000、2010、2018年的LandsatTM影像作為基礎(chǔ)數(shù)據(jù)源，解譯得到土地利用數(shù)據(jù)。遙感影像來源于地理空間數(shù)據(jù)云(http://www.gscloud.cn/)，參考《土地利用現(xiàn)狀分類標(biāo)準(zhǔn)》(GB/T21010-2017)并結(jié)合研究區(qū)實(shí)際情況，將研究區(qū)地類分為耕地、林地、草地、水域、建設(shè)用地及未利用土地6大類。在ENVI 5.3中分別對5期遙感影像進(jìn)行預(yù)處理，參照Google Earth高分辨率影像，使用ArcGIS 10.2對遙感影像進(jìn)行目視解譯。經(jīng)驗(yàn)證，數(shù)據(jù)的解譯精度均在85%以上，符合本研究要求。

1.3 研究方法

1.3.1 單一土地利用動態(tài)度 單一土地利用動態(tài)度可以表征研究區(qū)的某種土地利用類型在一段時(shí)間內(nèi)的數(shù)量動態(tài)變化?？梢苑治龀鐾恋乩米兓鸬膮^(qū)域差異，有助于預(yù)測未來土地利用的變化趨勢。公式如下[13]：

式中：K為土地利用動態(tài)度；T1，T2為研究初期及末期時(shí)間點(diǎn)；U1，U2分別為T1，T2時(shí)間點(diǎn)該類土地利用類型面積。

1.3.2 土地利用程度 人類對土地類型的干擾程度以土地利用程度綜合指數(shù)來表示，公式如下[14]：

(2)

式中：Ai表示第i類土地的分級指數(shù)；Ci表示第i類土地面積比重；n代表級數(shù)。其中分級指數(shù)參照前人研究成果：未利用土地為1；林地、草地和水域?yàn)?；耕地為3；建設(shè)用地為4[15]。分級指數(shù)越高，代表對土地的開發(fā)利用越強(qiáng)。

土地利用程度可綜合表達(dá)區(qū)域內(nèi)不同土地利用類型之間轉(zhuǎn)變的水平和趨勢。

(3)

式中：La和Lb分別代表初期和末期的土地利用程度綜合指數(shù)。當(dāng)ΔLb-a>0時(shí)，說明研究區(qū)在發(fā)展期；當(dāng)ΔLb-a<0時(shí)，表明利用程度不斷減弱，處于調(diào)整或者衰退期，但僅代表土地的利用程度，不能夠反映生態(tài)環(huán)境的好壞。

1.3.3 土地利用轉(zhuǎn)移矩陣 土地利用轉(zhuǎn)移矩陣，包含了區(qū)域某個(gè)時(shí)期內(nèi)土地利用類型的靜態(tài)數(shù)據(jù)與各個(gè)地類相互轉(zhuǎn)換的動態(tài)數(shù)據(jù)。這種方法來源于系統(tǒng)分析中對系統(tǒng)狀態(tài)與狀態(tài)轉(zhuǎn)移的定量描述，能夠全面而具體地反映變化的結(jié)構(gòu)特征和各類型土地之間轉(zhuǎn)移的方向[16]。本研究運(yùn)用該計(jì)算方法，對研究區(qū)土地利用類型的內(nèi)部轉(zhuǎn)移進(jìn)行分析。

(4)

式中：S表示面積，n表示轉(zhuǎn)移前后的土地利用類型數(shù)，i表示轉(zhuǎn)移前土地利用類型、j表示轉(zhuǎn)移后的土地利用類型，是i地類轉(zhuǎn)換為j地類的面積，矩陣中的每一行元素代表j地類的轉(zhuǎn)移前各地類的轉(zhuǎn)移前各地類源信息。

1.3.4 主成分分析 主成分分析法是一種降維的統(tǒng)計(jì)方法[17]，是將若干個(gè)自變量“合并”為幾個(gè)獨(dú)立成分變量，來減弱自變量的互相干擾，但仍能反映原來變量大部分信息，是最基本的研究驅(qū)動力的多變量統(tǒng)計(jì)分析方法[18-19]。本研究使用此方法對影響土地利用變化的因素進(jìn)行分析。

2 結(jié)果與分析

2.1 土地利用結(jié)構(gòu)變化

定西市總面積為19 641 km2，草地、耕地和林地為主要地類，三者之和占比超過90%。草地約占研究區(qū)總面積的50%，2018年占比最高，達(dá)51.90%，水域和未利用土地面積最小。研究期內(nèi)土地利用類型變化量由大到小的順序?yàn)楦?、草地、林地、建設(shè)用地、水域和未利用土地。草地總體呈先減少后增加的趨勢，由9 881.01 km2減少至9 820.18 km2，又增加至10 193.65 km2，2000年后持續(xù)增加，總體增加量為312.64 km2；耕地變化量最大，先減少后增加，2000年占比最高，在2000年之后呈持續(xù)減少趨勢，2018年降至最低，總體減小了679.25 km2；林地面積在研究期間處于波動狀態(tài)，在2000-2010年變化最大，總體呈增加趨勢；水域面積由研究初期的91.62 km2變化為末期的99.68 km2，只有輕微變化，增加了8.06 km2；建設(shè)用地占研究區(qū)的比例由1.43%增加至2.19%，處于持續(xù)增加狀態(tài)，增加了149.78 km2；未利用土地面積幾乎無變化，僅僅減少了1.61 km2(圖1)。

圖1 土地利用現(xiàn)狀

表1 1980-2018年定西市土地利用結(jié)構(gòu)

2.2 土地利用動態(tài)變化特征

2.2.1 單一土地利用動態(tài)度 1980-2018年，林地、草地、水域和建設(shè)用地總體面積均增加，草地面積增加最大，為312.64 km2，單一土地利用動態(tài)度分別為0.26%、0.08%、0.21%和0.91%，其中，建設(shè)用地單一土地利用動態(tài)度最大，總體變化程度最劇烈；耕地和未利用土地的面積均減少，單一土地利用動態(tài)度為-0.27%和-0.05%。耕地面積減幅最大，為679.25 km2。建設(shè)用地在2000-2010年的單一土地利用動態(tài)度最大，為2.20%，水域在2010-2018年單一土地利用動態(tài)度最大，為2.20%(表2)。隨著社會經(jīng)濟(jì)的發(fā)展，各土地利用類型之間變化明顯，人們生活水平發(fā)展穩(wěn)定，隨著對住房、基礎(chǔ)設(shè)施等需求的不斷增加，建設(shè)用地的面積呈增加趨勢。而隨著建設(shè)用地的增加以及1999年甘肅省退耕還林工程的實(shí)施，林地草地面積增加，耕地面積減少。與此同時(shí)，由于人們對飲水的需要，水域呈現(xiàn)出增長趨勢。

表2 1980-2018年定西市單一土地利用動態(tài)度

2.2.2 土地利用程度 5期土地利用程度綜合指數(shù)分別為239.9、239.88、240.28、238.48、237.96，以2000-2010年的土地利用程度最高。根據(jù)公式可知，土地利用綜合指數(shù)為100～400，本研究土地利用綜合指數(shù)為230～240，可見研究期內(nèi)土地利用綜合指數(shù)一直處于中低等水平，這是由于研究區(qū)草地面積占比最大，人為利用程度低(表3)。

1980-1990、1990-2000、2000-2010、2010-2018年，及研究期的土地利用程度綜合指數(shù)變化量ΔLb-a分別為-0.04、0.42、-1.84、-0.47、-1.93。定西市僅在1990-2000年土地利用程度變化量為正值，表示此期間土地利用處在上升發(fā)展期，朝著適合人類發(fā)展的方向變革(表3)。而在其余研究階段變化量均為負(fù)值，定西市發(fā)展相對緩慢，出現(xiàn)了滯后的現(xiàn)象，也能夠側(cè)面說明對定西市的草地資源保護(hù)較好。

表3 土地利用程度綜合指數(shù)

表4 土地利用程度綜合指數(shù)變化

2.2.3 土地利用轉(zhuǎn)移矩陣 根據(jù)轉(zhuǎn)移矩陣模型計(jì)算，并且借助Envi5.3軟件統(tǒng)計(jì)功能，得出1980-2000、2000-2018年的土地利用轉(zhuǎn)移矩陣(表5)。

表5 1980-2000年定西市土地利用類型轉(zhuǎn)移矩陣

1980-2000年，耕地、林地、建設(shè)用地面積增加，草地、水域、未利用土地面積減少。耕地向林地、草地、水域、建設(shè)用地轉(zhuǎn)移面積分別為7.75、24.81、2.38、19.47 km2，耕地轉(zhuǎn)出面積為54.41 km2，小于轉(zhuǎn)入面積，轉(zhuǎn)化為耕地中面積最大的是草地，67.86 km2；林地轉(zhuǎn)化為耕地和草地的面積分別為5.63和11.38 km2，轉(zhuǎn)入林地的耕地和草地面積為7.75和29.96 km2，林地面積總體增加；草地轉(zhuǎn)化為其他地類的面積共為98.74 km2，其他地類轉(zhuǎn)為草地的面積共為37.91 km2，其中草地轉(zhuǎn)為耕地和林地最多；水域面積減小了11.24 km2，主要轉(zhuǎn)為耕地，面積為11.67 km2；建設(shè)用地總體增加了21.35 km2，主要由耕地轉(zhuǎn)化而來；未利用土地面積幾乎沒有變化，轉(zhuǎn)化為耕地和草地的面積分別為0.40和0.78 km2。

2000-2018年，林地、草地、水域、建設(shè)用地面積增加，耕地和未利用土地面積減少(表6)。耕地向林地、草地、水域、建設(shè)用地、未利用土地轉(zhuǎn)移面積分別為250.26、1 461.48、26.89、180.18和19.11 km2，轉(zhuǎn)出面積明顯大于轉(zhuǎn)入面積，其他地類向耕地轉(zhuǎn)化面積分別為81.66、1 038.53、16、75.51和15.77 km2，耕地與草地之間互相轉(zhuǎn)化最為頻繁；林地主要轉(zhuǎn)化為草地261.66 km2，占總轉(zhuǎn)出面積的74.7%，其次為耕地81.66 km2，轉(zhuǎn)入林地的耕地和草地面積分別為250.26和282.34 km2；草地轉(zhuǎn)化為其他地類的面積共為1 393.3 km2，其他地類轉(zhuǎn)為草地的面積共為1 766.76 km2，轉(zhuǎn)入面積明顯大于轉(zhuǎn)出面積，因此總體面積增加顯著；水域轉(zhuǎn)為耕地面積最多，為16.00 km2，其次為草地，面積為9.16 km2，其他地類轉(zhuǎn)化為水域的總面積為49.72 km2；建設(shè)用地總體增加了128.43 km2，主要由耕地和草地轉(zhuǎn)化而來，分別為180.18和45.85 km2；未利用土地面積略微減小，由耕地和草地轉(zhuǎn)化而來，主要轉(zhuǎn)為耕地、草地和水域。

表6 2000-2018年定西市土地利用類型轉(zhuǎn)移矩陣

2.3 土地利用變化驅(qū)動力分析

根據(jù)驅(qū)動因子的選取原則，結(jié)合統(tǒng)計(jì)年鑒及相關(guān)資料，選取人口、經(jīng)濟(jì)、農(nóng)業(yè)等14個(gè)相關(guān)因子數(shù)據(jù)進(jìn)行分析，分別是：X1-總?cè)丝?人)，X2-農(nóng)村人口(人)，X3-人均生產(chǎn)總值(元)，X4-生產(chǎn)總值(萬元)，X5-糧食總產(chǎn)量(噸)，X6-化肥施用折純量(噸)，X7-農(nóng)作物總播種面積(萬畝)，X8-水果產(chǎn)量(t)，X9-農(nóng)業(yè)機(jī)械總動力(KW)，X10-農(nóng)村居民人均純收入(元)，X11-財(cái)政收入(萬元)，X12-大牲畜存欄(萬頭)，X13-固定資產(chǎn)投資額(萬元)，X14-社會消費(fèi)品零售總額(萬元)(表7)。

表7 定西市1980-2018年土地利用驅(qū)動力因子

使用SPSS25.0統(tǒng)計(jì)軟件，對數(shù)據(jù)進(jìn)行標(biāo)準(zhǔn)化處理后，運(yùn)用主成分分析法通過驅(qū)動因子計(jì)算出特征值、貢獻(xiàn)率和累計(jì)貢獻(xiàn)率(表8)，確定旋轉(zhuǎn)后驅(qū)動因子的主成分載荷(表9)。各變量之間存在比較顯著的相關(guān)關(guān)系，適合作為驅(qū)動因子開展分析。

表8 總方差解釋

按照特征值>1的標(biāo)準(zhǔn)，提取3個(gè)主成分，累計(jì)貢獻(xiàn)率達(dá)到98.933%，各因子的貢獻(xiàn)率分別是79.063%、11.897%和7.973%，可以較好地反映原始數(shù)據(jù)的特征。

旋轉(zhuǎn)后的因子載荷表中，第一主成分與人均生產(chǎn)總值、生產(chǎn)總值、糧食總產(chǎn)量、化肥施用折純量、水果產(chǎn)量、農(nóng)業(yè)機(jī)械總動力、農(nóng)村居民人均純收入、財(cái)政收入、固定資產(chǎn)投資額和社會消費(fèi)品零售總額載荷因子均在0.8以上，有較大的正相關(guān)。這些變量可以反映出定西市的農(nóng)業(yè)技術(shù)、經(jīng)濟(jì)發(fā)展水平以及人民生產(chǎn)生活水平。人民生活水平的提高，地方財(cái)政的收入以及固定資產(chǎn)投資的增加會相應(yīng)地增加資源需求量，調(diào)整產(chǎn)業(yè)結(jié)構(gòu)，會使農(nóng)業(yè)效益增加，經(jīng)濟(jì)快速穩(wěn)步發(fā)展，從而影響土地利用方式。可見人民生活和農(nóng)業(yè)及經(jīng)濟(jì)發(fā)展水平是定西市土地利用變化的主要驅(qū)動力(表9)。

表9 旋轉(zhuǎn)后的因子載荷

第二主成分與總?cè)丝跀?shù)有較大的正相關(guān)，載荷因子大于0.9。定西市總?cè)丝?980年2 688 811人，到2018年增加至2 821 700人。人口大幅增加對于住房、公共設(shè)施、交通等方面的需求會日益增長，從而導(dǎo)致建設(shè)用地增加，耕地減少，也會增加土地利用程度，使得土地利用方式進(jìn)一步發(fā)生改變。

第三主成分則與年末大牲畜存欄數(shù)正相關(guān)較大，載荷因子大于0.9。牲畜數(shù)量由1980年的36.6萬頭增加為2018年的39.1萬頭，但草地面積在研究期內(nèi)卻由9 881.01 km2增加至10 193.65 km2，并未減少，可以反映出定西市人民并未過度放牧使得草地退化，也是由于1999年之后甘肅開始實(shí)施退耕還林政策，對于林草地很好地進(jìn)行了保護(hù)。

根據(jù)Kaiser標(biāo)準(zhǔn)化特征，采用正交旋轉(zhuǎn)法，計(jì)算關(guān)于因子得分的矩陣系數(shù)，進(jìn)一步計(jì)算出公共因子相應(yīng)的分?jǐn)?shù)值，最終得到土地利用變化影響因素的綜合得分。在1980-2018年間，影響定西市土地利用結(jié)構(gòu)變化的驅(qū)動力綜合得分由緩慢上升到快速上升的發(fā)展趨勢，驅(qū)動力在總體上呈現(xiàn)逐漸增強(qiáng)的趨勢(圖2)。

3 討論

本研究從土地利用結(jié)構(gòu)變化、土地利用單一動態(tài)度、土地利用程度、土地利用轉(zhuǎn)移狀況4個(gè)方面分析了定西市土地利用變化的特征。隨著工業(yè)化、城鎮(zhèn)化的興起，建設(shè)用地面積大幅增加，其余各土地利用類型的面積呈現(xiàn)出波動變化；5期建設(shè)用地單一動態(tài)度均為正值，進(jìn)一步驗(yàn)證建設(shè)用地面積持續(xù)增加的結(jié)論；土地利用類型轉(zhuǎn)移方面，建設(shè)用地的擴(kuò)張主要是以犧牲部分耕地、草地和水域?yàn)榇鷥r(jià)，林草地面積逐年增加，主要由耕地面積轉(zhuǎn)化而來。定西市土地利用變化的驅(qū)動力主要是人民生活水平、農(nóng)業(yè)發(fā)展水平、人口量、年末大牲畜存欄數(shù)，1999年甘肅省退耕還林政策率先試點(diǎn)，也對其土地利用變化有著巨大的影響。本研究區(qū)驅(qū)動力綜合得分低于婁底市[20]和延安市[21]，各方面較其他區(qū)域落后。

本研究僅選用了定西市整體作為研究區(qū)域，并未詳細(xì)討論每個(gè)縣，對于研究區(qū)的選取今后需更細(xì)致；分析驅(qū)動力方法的創(chuàng)新性在今后的研究中需加強(qiáng)。

4 結(jié)論

本研究基于定西市5期遙感影像，利用ArcGIS10.2、ENVI5.3對土地利用變化情況進(jìn)行分析并采用SPSS25.0對驅(qū)動因素進(jìn)行了探究，得到如下結(jié)論：

1)研究期內(nèi)定西市土地利用類型以草地為主，占比約50%，面積總體呈增加趨勢。建設(shè)用地的單一土地利用動態(tài)度最大，變化程度最劇烈。同一種土地利用類型在不同時(shí)間段內(nèi)單一土地利用動態(tài)度變化明顯，不同的土地利用類型在同一時(shí)間段內(nèi)也存在明顯的差異。

2)研究期內(nèi)定西市土地利用綜合指數(shù)為230～240，一直處于中低等水平，人為利用程度低。土地利用綜合指數(shù)變化量僅在1990-2000年為正值，處在上升發(fā)展期，其余階段發(fā)展較滯后。

3)定西市1980-2000年，由于土地開發(fā)利用的不合理，耕地、林地和建設(shè)用地的增加是以犧牲草地、水域?yàn)榇鷥r(jià)；2000-2018年，隨著城市化發(fā)展和退耕還林政策的實(shí)施，定西市林地、草地和建設(shè)用地面積大幅增加，主要由耕地轉(zhuǎn)化而來，因此耕地面積大幅減少。

4)定西市土地利用變化主要驅(qū)動因素以人民生活、農(nóng)業(yè)和經(jīng)濟(jì)發(fā)展水平為主，人口增加和年末大牲畜存欄數(shù)，以及政府政策的實(shí)施調(diào)控，也對土地利用變化有一定影響。