徐州市主城區(qū)土地利用時(shí)空變化特征及驅(qū)動(dòng)力分析

劉佳虹 岳偉 岳喜元

摘 要：定量化研究土地利用時(shí)空變化特征與驅(qū)動(dòng)機(jī)制對(duì)區(qū)域土地資源管理和社會(huì)經(jīng)濟(jì)可持續(xù)發(fā)展具有重要意義。基于1995年、2000 年、2005 年、2010 年、2015 年與2020 年徐州市主城區(qū)六期土地利用遙感數(shù)據(jù)，采用土地利用變化強(qiáng)度指數(shù)、轉(zhuǎn)移矩陣與相關(guān)分析等方法，對(duì)1995—2020 年徐州市主城區(qū)土地利用變化及其驅(qū)動(dòng)力進(jìn)行了分析。結(jié)果表明：近25 年來，研究區(qū)土地利用結(jié)構(gòu)發(fā)生了明顯變化，最主要的特征表現(xiàn)為建設(shè)用地呈顯著增加的趨勢(shì)，水體面積略有增加，耕地面積呈顯著減少的趨勢(shì)，其中建設(shè)用地面積增加了273.73 km2，耕地面積減少了324.80 km2。建設(shè)用地?cái)U(kuò)展呈現(xiàn)階段性，總體表現(xiàn)為低速擴(kuò)展的特征。研究區(qū)內(nèi)，土地利用類型之間轉(zhuǎn)化明顯，在轉(zhuǎn)化過程中以耕地轉(zhuǎn)化為建設(shè)用地、水體、草地、林地為總體特征；在空間分布上，建設(shè)用地面積增加主要集中于賈汪區(qū)、銅山區(qū)、鼓樓區(qū)與云龍區(qū)。除了林地與草地外，人口增長(zhǎng)、城鎮(zhèn)化與經(jīng)濟(jì)發(fā)展是驅(qū)動(dòng)研究區(qū)耕地、建設(shè)用地與水體變化的主要因素。

關(guān)鍵詞：土地利用；驅(qū)動(dòng)因素；時(shí)空變化；徐州市

中圖分類號(hào)：F301.24; P901 文獻(xiàn)標(biāo)志碼：A 文章編號(hào)：2095-1329（2023）03-0106-06

土地作為人類生存與發(fā)展的基礎(chǔ)，同時(shí)也是人類活動(dòng)的重要載體[1-2]。土地利用與覆被變化研究是全球環(huán)境變化領(lǐng)域的核心研究?jī)?nèi)容之一[3]，其變化備受國(guó)內(nèi)外學(xué)者關(guān)注。開展土地利用變化驅(qū)動(dòng)力研究可有效揭示土地利用時(shí)空變化規(guī)律[4]，有助于研究人類活動(dòng)與土地利用變化的關(guān)系，并預(yù)測(cè)其未來變化趨勢(shì)[5]，進(jìn)而為實(shí)現(xiàn)土地資源合理管理與可持續(xù)利用提供參考。

隨著遙感技術(shù)發(fā)展，不同時(shí)空尺度下土地利用變化動(dòng)態(tài)監(jiān)測(cè)及其驅(qū)動(dòng)力成為國(guó)內(nèi)外研究焦點(diǎn)之一。目前，學(xué)者們關(guān)于土地利用變化的研究主要集中于陜北、內(nèi)蒙古、新疆等生態(tài)脆弱區(qū)[1，5，6]、自然保護(hù)區(qū)[7-8]、特大城市或城市群[9-12] 與流域等熱點(diǎn)地區(qū)[13-14]，而很少關(guān)注城市主城區(qū)[15]，尤其是關(guān)于近些年來資源型城市主城區(qū)土地利用變化及其驅(qū)動(dòng)機(jī)制方面的研究較少，進(jìn)而限制了人們對(duì)該區(qū)域土地利用變化規(guī)律的認(rèn)識(shí)。從土地利用變化驅(qū)動(dòng)力研究方法看，主要涉及灰色關(guān)聯(lián)分析法[4]、主成分分析法[4]與回歸分析法[6，14] 等。研究土地變化與驅(qū)動(dòng)力有助于揭示區(qū)域土地利用時(shí)空變化特征與規(guī)律，對(duì)促進(jìn)區(qū)域生態(tài)環(huán)境改善與可持續(xù)發(fā)展具有重要意義。

徐州市作為典型資源型城市，也是國(guó)家“一帶一路”重要節(jié)點(diǎn)城市。近幾十年來，隨著徐州市人口增加，城鎮(zhèn)化與經(jīng)濟(jì)發(fā)展等人為因素影響，區(qū)域土地利用結(jié)構(gòu)發(fā)生了明顯變化[16]。目前，已有研究涉及徐州市土地利用變化[16-18]與景觀格局[19，20]，上述研究區(qū)主要是以外圍環(huán)城高速為界的局部地區(qū)，空間尺度相對(duì)較小，研究時(shí)段也主要集中于2015 年之前，而缺乏對(duì)近年來主城區(qū)土地利用變化的認(rèn)識(shí)，而且區(qū)域土地利用變化驅(qū)動(dòng)力定量分析尚未開展。本文以徐州市主城區(qū)為研究區(qū)，定量分析了徐州市主城區(qū)土地利用時(shí)空演變規(guī)律，探討土地利用變化的驅(qū)動(dòng)因素，旨在為區(qū)域土地規(guī)劃與城市可持續(xù)發(fā)展提供理論依據(jù)。

1 研究數(shù)據(jù)與方法

1.1 研究區(qū)概況

徐州市位于江蘇省西北部（33°43′—34°58′ N，116°22′—118°40′ E），處于蘇、魯、豫、皖四省交界。徐州市主城區(qū)下轄五區(qū)，分別為泉山區(qū)、云龍區(qū)、鼓樓區(qū)、賈汪區(qū)與銅山區(qū)（圖1）。研究區(qū)氣候?qū)贉貛Ъ撅L(fēng)氣候類型，年平均氣溫為14.9℃，年平均降水量為828.2 mm，主要集中于6 月、7 月、8 月，三個(gè)月降水占全年降水量的58.4%。2020 年，徐州市國(guó)內(nèi)生產(chǎn)總值為7 319.77 億元，人口數(shù)量為1 038.05 萬(wàn)人。

1.2 數(shù)據(jù)來源與處理

研究區(qū)1995 年、2000 年、2005 年、2010 年、2015年和2020 年六個(gè)年份的土地利用數(shù)據(jù)來源于地球大數(shù)據(jù)共享服務(wù)平臺(tái)（https：//data.casearth.cn/），其空間分辨率為30 m×30 m。該土地利用數(shù)據(jù)主要基于Landsat 衛(wèi)星完成解譯，其分類體系共包括29 個(gè)地表覆蓋類型。利用ArcGIS 軟件對(duì)影像數(shù)據(jù)進(jìn)行投影變換為Krasovsky_1940_Albers，并利用研究區(qū)行政區(qū)邊界范圍進(jìn)行剪裁。根據(jù)土地利用現(xiàn)狀分類標(biāo)準(zhǔn)（GBT21010—2017）和研究區(qū)實(shí)際情況，將區(qū)域土地利用類型分為耕地、林地、草地、建設(shè)用地與水域5 類（圖2）。

區(qū)域土地利用變化主要受到人口增長(zhǎng)、社會(huì)經(jīng)濟(jì)發(fā)展、政策等因素影響，因此通常選取指標(biāo)主要為人口、社會(huì)、經(jīng)濟(jì)與產(chǎn)業(yè)結(jié)構(gòu)等方面[21-22]。驅(qū)動(dòng)因子的選取主要根據(jù)研究區(qū)實(shí)際情況，兼顧數(shù)據(jù)的可獲取性[14]。本研究中社會(huì)經(jīng)濟(jì)指標(biāo)包括：農(nóng)業(yè)人口（萬(wàn)人）、非農(nóng)人口（萬(wàn)人）、城鎮(zhèn)化率（%）、國(guó)內(nèi)生產(chǎn)總值（億元）、第一產(chǎn)業(yè)產(chǎn)值（億元）、第二產(chǎn)業(yè)產(chǎn)值（億元）與第三產(chǎn)業(yè)產(chǎn)值（億元）。研究區(qū)1995—2020 年社會(huì)經(jīng)濟(jì)數(shù)據(jù)來源于《徐州市統(tǒng)計(jì)年鑒》。

1.3 研究方法

1.3.1 土地利用變化強(qiáng)度指數(shù)

為了比較不同時(shí)期研究區(qū)某一類型土地利用變化情況，本文采用廣泛使用的土地利用變化強(qiáng)度指數(shù)來反映區(qū)域土地利用變化速度[3，23]。根據(jù)已有研究[23] 對(duì)土地利用變化強(qiáng)度指數(shù)（LUI）進(jìn)行分級(jí)如下：LUI ＞ 1.92（高速擴(kuò)展）、1.05 ＜ LUI≤1.92（快速擴(kuò)展）、0.59 ＜ LUI≤1.05（中速擴(kuò)展）、0.28 ＜ LUI≤0.59（低速擴(kuò)展）、0 ＜ LUI≤0.28（緩慢擴(kuò)展）。LUI 計(jì)算公式如下：

公式（1）中，LUI 為土地利用變化強(qiáng)度指數(shù)，其值為正表示擴(kuò)展?fàn)顟B(tài)，其值為負(fù)表示萎縮狀態(tài)；Ua、Ub 分別表示研究初期與末期某一土地利用類型的面積，U 表示研究區(qū)總面積，T 表示研究時(shí)段。

1.3.2 土地利用轉(zhuǎn)移矩陣

土地利用轉(zhuǎn)移矩陣能夠有效反映兩個(gè)時(shí)期區(qū)域不同土地利用類型之間相互轉(zhuǎn)化情況[24]，本文利用GIS 空間疊加方法對(duì)1995 與2020 年研究區(qū)土地利用數(shù)據(jù)進(jìn)行疊加處理，制作1995—2020 年徐州市主城區(qū)土地利用類型轉(zhuǎn)移矩陣。

1.3.3 土地利用變化驅(qū)動(dòng)力分析

采用Pearson 相關(guān)分析法分析土地利用類型與驅(qū)動(dòng)因子之間的相關(guān)關(guān)系，相關(guān)系數(shù)絕對(duì)值越大，表示相關(guān)性越高[25]；采用逐步回歸分析法確定影響土地利用類型變化的主要因素。上述數(shù)據(jù)分析采用SPSS 軟件完成。

2 結(jié)果與分析

2.1 土地利用動(dòng)態(tài)變化

1995—2020 年間，徐州市主城區(qū)土地利用類型以耕地和建設(shè)用地為主，其中耕地多年平均面積為2 410.40km2，占研究區(qū)總面積的79.46%；其次為建設(shè)用地，占研究區(qū)總面積的17.21%；草地面積最小，僅占研究區(qū)總面積的0.54%（表1）。從整體趨勢(shì)看，1995—2020 年研究區(qū)建設(shè)用地、水域、林地與草地面積均呈現(xiàn)增加的趨勢(shì)，分別增加了273.73 km2、13.58 km2、14.86 km2 和22.58km2；在研究時(shí)段內(nèi)，耕地面積變化最大，呈現(xiàn)出減少的趨勢(shì)，其面積減少了324.80 km2。

2.2 土地利用強(qiáng)度變化

由表2 可知，1995—2020 年研究區(qū)耕地變化強(qiáng)度絕對(duì)值最大，其次為建設(shè)用地，林地、草地與水域變化強(qiáng)度較小。其中，耕地變化強(qiáng)度指數(shù)為負(fù)值，其處于萎縮狀態(tài)。建設(shè)用地變化強(qiáng)度指數(shù)總體呈先增加后降低的趨勢(shì)，建設(shè)用地變化在2015 年以前呈低速擴(kuò)展?fàn)顟B(tài)，在2015 年以后呈緩慢擴(kuò)展?fàn)顟B(tài)。總體看，1995—2020 年研究區(qū)除耕地外，其余土地利用類型變化強(qiáng)度指數(shù)為正值，并且建設(shè)用地變化強(qiáng)度指數(shù)最高，表現(xiàn)為低速擴(kuò)展。

2.3 土地利用轉(zhuǎn)移特征分析

1995—2020 年研究區(qū)土地利用轉(zhuǎn)移方向主要表現(xiàn)為耕地向建設(shè)用地、水域、草地和林地轉(zhuǎn)變，并且在轉(zhuǎn)移過程中最明顯的特征為建設(shè)用地面積增加和耕地面積減少（表3）。其中，新增建設(shè)用地來源主要為耕地轉(zhuǎn)入，轉(zhuǎn)化面積為303.10 km2，占比為84.50%；耕地轉(zhuǎn)化為水域、草地與林地的面積分別為31.01 km2、19.19 km2、17.82km2。建設(shè)用地與耕地相互轉(zhuǎn)移，建設(shè)用地向耕地轉(zhuǎn)化的面積為30.75 km2。水域主要轉(zhuǎn)出為耕地，轉(zhuǎn)出的面積為13.40 km2。

從土地利用類型轉(zhuǎn)移的空間特征看，1995—2020 年土地利用轉(zhuǎn)移空間變化明顯的區(qū)域主要位于研究區(qū)中部與南部（圖3）。其中，耕地轉(zhuǎn)化為建設(shè)用地主要位于賈汪區(qū)、銅山區(qū)、鼓樓區(qū)與云龍區(qū)，耕地向水域轉(zhuǎn)移主要集中在賈汪區(qū)，耕地向草地和林地的轉(zhuǎn)移主要集中在銅山區(qū)與賈汪區(qū)，水體向耕地轉(zhuǎn)移主要集中在銅山區(qū)。

2.4 驅(qū)動(dòng)因素分析

研究區(qū)耕地與農(nóng)業(yè)人口呈極顯著正相關(guān)關(guān)系（P<0.01），而耕地與非農(nóng)人口、城鎮(zhèn)化率、GDP、第二產(chǎn)業(yè)、第三產(chǎn)業(yè)產(chǎn)值呈極顯著負(fù)相關(guān)（P<0.01），與第一產(chǎn)業(yè)產(chǎn)值呈顯著負(fù)相關(guān)（P<0.05，表4）。建設(shè)用地與非農(nóng)人口、城鎮(zhèn)化率、GDP、第一產(chǎn)業(yè)、第二產(chǎn)業(yè)、第三產(chǎn)業(yè)產(chǎn)值呈極顯著正相關(guān)（P<0.01），而與農(nóng)業(yè)人口呈極顯著負(fù)相關(guān)（P<0.01）。水域與非農(nóng)人口、城鎮(zhèn)化率、GDP、第三產(chǎn)業(yè)產(chǎn)值呈極顯著正相關(guān)（P<0.01），與第一產(chǎn)業(yè)、第二產(chǎn)業(yè)產(chǎn)值呈顯著正相關(guān)（P<0.05），而水域與農(nóng)業(yè)人口呈極顯著負(fù)相關(guān)（P<0.01）。進(jìn)一步逐步回歸分析表明，影響耕地、建設(shè)用地與水域變化的主要因素為非農(nóng)業(yè)人口（表5）。其中，建設(shè)用地、水域與非農(nóng)業(yè)人口呈正相關(guān)關(guān)系，而耕地與非農(nóng)業(yè)人口呈負(fù)相關(guān)關(guān)系。

3 討論

1995—2020 年徐州市主城區(qū)建設(shè)用地與水域面積持續(xù)增加，林地面積基本處于穩(wěn)定狀態(tài)，其中新增建設(shè)用地主要來源為農(nóng)田的轉(zhuǎn)化。研究區(qū)建設(shè)用地?cái)U(kuò)張與李志江等[18]對(duì)1990—2015 年徐州市主城區(qū)建設(shè)用地面積大幅度增加的研究結(jié)果基本一致。李志江等[18] 研究得出的水域面積穩(wěn)定、林地面積減少這個(gè)結(jié)果與本次研究結(jié)果有所差異，其原因可能與選取的研究時(shí)段和空間尺度有關(guān)。從空間尺度看，李志江等[18] 以徐州市環(huán)城高速圍繞的主城區(qū)為研究區(qū)域，其空間范圍較小，而本次研究以徐州市5 個(gè)區(qū)為研究區(qū)域，空間范圍相對(duì)較大。研究區(qū)水體面積增加，并主要集中于賈汪區(qū)，這與徐州市實(shí)施生態(tài)環(huán)境保護(hù)和生態(tài)修復(fù)工程有關(guān)[26-27]。徐州市作為典型的老工業(yè)基地和資源型城市，面臨生態(tài)環(huán)境治理嚴(yán)峻壓力，在經(jīng)濟(jì)轉(zhuǎn)型關(guān)口，徐州市挖湖造景，建成潘安湖、龍吟湖、九里湖、解憂湖等人工湖泊，塌陷區(qū)變成碧波蕩漾的湖泊和風(fēng)景怡人的旅游區(qū)。其中，2011 年開工修復(fù)面積最大、沉降最嚴(yán)重的采煤塌陷地被打造為潘安湖濕地公園，該公園先后被評(píng)為國(guó)家水利風(fēng)景區(qū)、國(guó)家濕地公園、國(guó)家生態(tài)旅游示范區(qū)[27]。近些年來，徐州采煤塌陷區(qū)生態(tài)治理和修復(fù)工程不斷推進(jìn)，在一定程度上增加了區(qū)域水體面積。

研究區(qū)建設(shè)用地變化強(qiáng)度指數(shù)在不同研究時(shí)段存在差異，其中2010—2015 年建設(shè)用地變化最大，反映了區(qū)域城鎮(zhèn)發(fā)展的階段特征，這與渠愛雪等[16] 對(duì)徐州城區(qū)建設(shè)用地?cái)U(kuò)展呈現(xiàn)階段性變化特征的研究結(jié)論基本一致。董光等[28] 研究表明，城鎮(zhèn)化、市場(chǎng)經(jīng)濟(jì)與政策是影響土地利用變化程度的重要因素。本研究中區(qū)域人口數(shù)量與國(guó)內(nèi)生產(chǎn)總值（GDP）均呈現(xiàn)持續(xù)增長(zhǎng)的趨勢(shì)，與其他研究時(shí)段相比，2010—2015 年研究區(qū)人口數(shù)量、GDP、第一產(chǎn)業(yè)與第三產(chǎn)業(yè)產(chǎn)值增長(zhǎng)最大，人口增加與經(jīng)濟(jì)發(fā)展可能是導(dǎo)致的區(qū)域建設(shè)用地變化呈現(xiàn)階段性特征的主要因素。

土地利用變化受自然與人文因素的影響，其中人類活動(dòng)是區(qū)域土地利用變化的重要驅(qū)動(dòng)力之一[29]。從徐州市主城區(qū)農(nóng)業(yè)人口與非農(nóng)業(yè)人口變化情況看，主城區(qū)農(nóng)業(yè)人口由1995 年162.88 萬(wàn)人減少至2020 年80.50 萬(wàn)人，而非農(nóng)人口由1995 年110.29 萬(wàn)人增至2020 年263.76 萬(wàn)人。區(qū)域非農(nóng)人口增加與城鎮(zhèn)化發(fā)展，增加了對(duì)居住空間的需求，導(dǎo)致建設(shè)用地不斷向周邊區(qū)域擴(kuò)張，并且以占用耕地為主，這一研究結(jié)果與渠愛雪等[16] 的研究結(jié)論相似。本研究中除農(nóng)業(yè)人口與建設(shè)用地為顯著負(fù)相關(guān)關(guān)系外，其余社會(huì)經(jīng)濟(jì)因子與建設(shè)用地為顯著正相關(guān)關(guān)系，說明非農(nóng)業(yè)人口與經(jīng)濟(jì)增長(zhǎng)是影響區(qū)域建設(shè)用地?cái)U(kuò)張的直接因素[16]，同時(shí)也反映社會(huì)經(jīng)濟(jì)可以在短期內(nèi)驅(qū)動(dòng)區(qū)域土地利用變化[22]。區(qū)域土地利用變化是人口增加與城鎮(zhèn)化發(fā)展的外在體現(xiàn)[30]，區(qū)域發(fā)展需要考慮制定合理的土地利用管理政策。

4 結(jié)論

1995—2020 年徐州市主城區(qū)土地利用變化總體特征為耕地面積持續(xù)減少，水體面積增加，建設(shè)用地面積增長(zhǎng)明顯，賈汪區(qū)、銅山區(qū)、鼓樓區(qū)與云龍區(qū)建設(shè)用地?cái)U(kuò)展較快，并且建設(shè)用地?cái)U(kuò)展存在階段性特征。研究區(qū)土地利用類型間轉(zhuǎn)換存在明顯空間差異，大量耕地被建設(shè)用地占用。區(qū)域土地利用變化主要受到人口、城鎮(zhèn)化與經(jīng)濟(jì)發(fā)展因素影響。

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