山西省土地利用變化及驅動力分析

摘 要：研究山西省土地利用變化及驅動力，為山西省戰(zhàn)略發(fā)展提供有力的科學依據(jù)。利用山西省1990、2000、2010、2020年四期土地類型數(shù)據(jù)，探究1990—2020年間山西省土地利用時空變化規(guī)律和轉移特征，并在此基礎上運用地理探測器，對2020年山西省土地利用變化驅動因素進行分析。結果表明：（1）在山西省土地類型中，耕地、林地、草地的面積較大，30年間耕地、草地、水域、未利用地面積減少，林地、建設用地面積增加；（2）土地類型轉化主要在耕地—建設用地、草地—耕地之間；（3）在驅動力方面，單因子中，社會經(jīng)濟要素大于自然要素，人口密度、NDVI、GDP、高程的驅動作用較強；在雙因子交互作用中，坡度和NDVI、高程和NDVI的驅動作用較強。

關鍵詞：土地利用變化；地理探測器；驅動因素；山西省

中圖分類號：k902 文獻標志碼：B 文章編號：2095–3305（2024）12–0-03

土地利用變化可以直接表示在自然地理活動和社會經(jīng)濟活動中，人類對土地的利用情況[1]，直接影響生態(tài)系統(tǒng)服務價值、生態(tài)環(huán)境格局、全球氣候變化等[2]。探究土地利用變化及利用原理規(guī)律，有助于樹立正確的人地關系觀，提高生態(tài)系統(tǒng)服務價值，為應對全球氣候變化、合理配置土地資源提供科學依據(jù)[3]。

1 研究區(qū)概況

山西省位于太行山以西，黃河以東，范圍為110°14′～

114°33′E，34°34′～40°44′N，總面積約15.67萬km2。

山西省地形復雜多樣，高原內部起伏不平，河谷縱橫，地貌類型包括山地、丘陵、盆地和平原等。山西省屬溫帶大陸性季風氣候，兩季分明，全省年均氣溫呈由北向南升高、由盆地向高山下降的趨勢。年降水量呈東南向西北遞減的趨勢，降水量多集中在6—8月，年平均降水量900～1 200 mm。年平均氣溫14～19 ℃，全年日照時數(shù)為1 000～1 600 h。

2 數(shù)據(jù)與方法

2.1 研究數(shù)據(jù)

土地利用數(shù)據(jù)：以山西省為研究區(qū)，選取1990、2000、2010、2020年共四期1 km×1 km柵格數(shù)據(jù)，坐標為Krasovsky_1940_Albers。土地利用數(shù)據(jù)來源于中國科學院資源環(huán)境科學數(shù)據(jù)中心（http：//www.resdc.cn/）。土地利用數(shù)據(jù)結合我國土地利用現(xiàn)狀分類系統(tǒng)和研究目的，按照LUCC分類標準重分類劃分為耕地、林地、草地、水域、建設用地和未利用地6種。

其他數(shù)據(jù)包括高程數(shù)據(jù)、氣象數(shù)據(jù)、土壤數(shù)據(jù)等自然經(jīng)濟數(shù)據(jù)。其中，數(shù)據(jù)高程模型來自地理空間數(shù)據(jù)云（http：//www.gscloud.cn），對其進行掩膜提取等預處理后，得到研究區(qū)DEM；氣象數(shù)據(jù)來自國家氣象科學數(shù)據(jù)中心（http：//data.cma.cn/）掩膜提取得到研究區(qū)數(shù)據(jù)；土壤類型數(shù)據(jù)源于世界土壤庫數(shù)據(jù)集（HWSD，http：//www.ncdc.ac.cn）通過字段提取。

2.2 研究方法

2.2.1 地理探測器

本研究采用因子探測器和交互探測器，因子探測器可解釋自變量（X）對因變量（Y）空間分異性的影響程度，其值用q值表示，q值大小與自變量對因變量解釋力呈正相關；而交互作用探測通過識別2個自變量形成的交互圖層，并計算交互圖層的值，值的大小用q表示，q（A）、q（B）、q（A∩B）表示單因子和交互因子的探測結果。因子探測器的表達式如下：

（1）

式（1）中，n為山西省樣本數(shù)；σ2為Y值的離散方差；l表示分區(qū)數(shù)；h為Y或X的分區(qū)，q為指標的空間異質性，值域范圍為[0，1]。

2.2.2 土地利用轉移矩陣

土地利用轉移矩陣可以定量、直觀地將2種或多種土地利用類型，按照時間變化呈現(xiàn)出來，包括其轉移方向和轉移量，可以利用該矩陣獲取土地變化前后特征，對后續(xù)土地變化規(guī)律作出進一步分析[4]。矩陣數(shù)學表達形式如下：

（2）

式（2）中，Sij表示在研究時段初、末期土地利用類型i轉化j的面積（km2）改變量，研究區(qū)內土地利用面積用n表示。該矩陣行列值分別表示轉出土地利用類型面積和轉入的土地利用類型、面積，故該行、列總數(shù)表示研究初期、末期該種土地利用類型的總面積。

3 結果與分析

3.1 土地利用結構變化

在山西省1990—2020年土地利用數(shù)據(jù)中，選取1990、2000、2010、2020年4個關鍵時間節(jié)點的土地利用數(shù)據(jù)，并將這四期土地利用類型數(shù)據(jù)經(jīng)上述數(shù)據(jù)處理后進行統(tǒng)計。

總體來看，山西省土地利用類型中，三類土地利用類型的面積較大，分別為耕地、林地、草地，三者面積之和約占總面積的94%，其次按面積統(tǒng)計由大到小排序為建設用地、水域、未利用地，面積占比別為5%、1%、0.1%左右。

具體來看，通過比較研究區(qū)初、末期各土地類型面積可知，在6種地類中，耕地、草地、水域、未利用地面積減少，林地、建設用地面積增加。其中，耕地面積從61 233 km2減少至57 777 km2，減少量為3 446 km2；草地面積從45 524 km2減少至44 271 km2，減少量為1 253 km2；水域面積從1 760 km2減少至1 461 km2，減少量為299 km2；未利用地面積從155 km2減少至

111 km2，減少量為44 km2；林地面積從44 202 km2增加至44 438 km2，增加量為236 km2；建設用地面積從3 884 km2增加至8 690 km2，增加量為4 806 km2。

從用地類型轉化來看，研究期內面積變化最大的地類為建設用地、耕地、草地；從時間變化上看，山西省土地利用變化主要集中在2010—2020年。地類和時間變化與山西省經(jīng)濟發(fā)展有著密切關聯(lián)，尤其與城鎮(zhèn)化推進有關。

3.2 土地利用轉移矩陣

為了進一步分析土地利用變化內在過程，利用軟件ArcGIS，將1990、2020年土地利用/覆被數(shù)據(jù)空間疊加得到的30年間山西省土地利用轉移情況（表1）。首先，從總量來看，耕地面積減少，其研究期內轉入量小于轉出量，而建設用地面積增加，其轉入量遠大于轉出量，增速高達7.45%，林地草地的面積基本保持不變。其次，從土地利用轉化方向來看，用地轉化主要集中在耕地—林地—草地—建設用地之間，這4種用地類型轉化較明顯的是耕地—建設用地、草地—耕地、耕地—林草地，草地向耕地的轉化可能與20世紀90年代開墾荒地、大量發(fā)展農(nóng)業(yè)有關。而在2000—2020年，山西省黃土高原退耕還林政策的號召下，大面積耕地轉化為綠草地。

3.3 土地利用變化影響因素分析

影響土地利用變化的因素較多，結合上述分析與文獻[5-7]，從自然、社會維度選取9個指標，其中，自然指標包括土壤類型（Soil）、氣溫（Tem）、坡向（Asp）、坡度（Slo）、降水量（Pre）、高程（Ele）；社會指標包括人口密度（Pop）、歸一化植被指數(shù)（NDVI）、GDP。基于上述30年山西省土地利用變化現(xiàn)狀，選取2020年為例，分析其驅動因素。

3.3.1 單因子探測

各驅動力對土地利用變化的解釋力按照q值大小排序為：Pop＞NDVI＞GDP＞Ele＞Tem＞Soil＞Pre＞Slo＞Asp，其中，排序前七項均通過1%的顯著性檢驗。結合因素的顯著性大小分析可知，首先，各因子的q值均在0.01以下，說明土地利用變化不是某一因子決定的，而是多因素共同作用的復雜結果；其次，在社會因子影響中，Pop（q=0.039）對土地利用變化的影響程度最大；最后，在自然因子中，Ele（q=0.013）對土地利用變化影響最大的是山西地處黃土高坡，山地較多，海拔高差較大，Ele、Slo等對山西省土地利用變化產(chǎn)生了強烈的制約。單因子探測見圖1。

3.3.2 雙因子交互作用

為了深入探究各驅動因素對土地利用變化的影響，采用交互探測識別分析雙因子是否增加或減弱對山西省土地利用變化，研究結果如圖2所示。在各雙因子探測中，組合驅動力對土地利用變化的解釋力按照q值大小排序為：Slo和NDVI（q=0.28843）＞Ele和NDVI（q=0.2377）＞Asp和NDVI（q=0.2097）＞Pre和NDVI（q=0.1804）。結合因素的顯著性大小可知，首先，由交互結果的q值可知，任意2個因子的交互作用均大于單因子的影響，兩兩交互屬于非線性增強和雙因素增強，再次驗證了上述結論土地利用變化是多因子共同作用的結果；其次，從數(shù)值上來看，雙因子增強結果中前三位均為NDVI與各地形因子的結合，NDVI因子對土地利用的增強作用體現(xiàn)為合理的土地利用規(guī)劃能夠促進植被的生長與覆蓋，從而提高NDVI值。2020年，在山西省退耕還林、退牧還草政策的號召下，通過增加植被覆蓋、改變土地利用方式，顯著提高了林地的植被覆蓋指數(shù)。

4 結論與建議

4.1 結論

利用山西省1990、2000、2010、2020年4期土地利用數(shù)據(jù)，探究30年間山西省土地利用時空變化規(guī)律和轉移特征，并在此基礎上利用地理探測器，對2020年山西省土地利用變化驅動因素進行了分析，得出以下結論：

（1）在土地利用時空變化方面，從時間維度分析，研究區(qū)耕地、林地、草地始終占據(jù)主導地位，其中，耕地、草地、水域及未利用地面積減少，而林地、建設用地面積增加。

（2）在土地利用轉移特征方面，總量上看，耕地的轉入量小于轉出量，耕地面積減少，而建設用地的轉入量遠大于轉出量，林地草地的面積基本保持不變。

（3）在土地利用變化影響因素方面，單因子上社會經(jīng)濟要素大于自然要素，其中，Pop、NDVI、GDP、Ele的驅動作用較強；從雙因子交互作用來看，Slo和NDVI、Ele和NDVI的驅動作用較強，Pop和NDVI在與其他因子交互作用中增強作用明顯。

4.2 建議

山西省作為典型的能源富集區(qū)，近30年來，土地利用格局發(fā)生顯著變化，主要表現(xiàn)為林地、草地、耕地、建設用地4種地類之間的轉化。其中，林地面積占比上升，充分印證了“退耕還林”政策的實施成效。然而，受資源依賴型經(jīng)濟發(fā)展模式的影響，城鎮(zhèn)化擴張速度較快，導致大量耕地轉化為建設用地。基于以上結論，提出以下建議。

首先，優(yōu)化土地利用結構，提高資源利用效率。研究表明，在土地利用影響中，社會因子的貢獻率大于自然因子。山西省作為資源型經(jīng)濟轉型綜合配套改革試驗區(qū)，在實施主體功能區(qū)戰(zhàn)略的背景下，亟須轉變傳統(tǒng)工業(yè)產(chǎn)出模式。通過推進工礦用地整理復墾，優(yōu)化土地利用格局；同時，積極調整國土空間開發(fā)思路， 在綜改區(qū)建設中統(tǒng)籌考慮區(qū)域經(jīng)濟發(fā)展與產(chǎn)業(yè)布局，實現(xiàn)對土地資源的集約、高效利用。

其次，嚴守耕地紅線，劃定城鎮(zhèn)開發(fā)邊界。通過上述分析可知，近30年來，山西省建設用地不斷擴張。對此，在推進城市建設和國土空間規(guī)劃的過程中，要嚴格執(zhí)行耕地保護制度，全面落實耕地質量、數(shù)量、生態(tài)“三位一體”保護措施，合理布局生產(chǎn)、生活、生態(tài)空間。要切實轉變利用土地資源投入促增長的傳統(tǒng)思路，引導城鎮(zhèn)建設用地向集約、高效化方向發(fā)展。

最后，完善生態(tài)補償制度，構建良好的生態(tài)環(huán)境作為能源大省，山西省的能源開采活動對土地利用格局產(chǎn)生直接影響。因此，在能源開發(fā)過程中，應堅持“邊開采邊恢復”的原則，注重植被修復與生態(tài)重建。同時，要充分尊重土地的自然恢復能力，提升生態(tài)系統(tǒng)服務功能。山西省作為中華文明發(fā)祥地之一，在推進生態(tài)文明建設時，應統(tǒng)籌考慮自然與人文因素，因地制宜地開展林、草、耕布局，全面提升土地利用的生態(tài)效益與社會效益。

參考文獻

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收稿日期：2024-09-22

作者簡介：陳培森（1998—），男，河南焦作人，研究方向為區(qū)域碳減排。#通信作者：宋潔（1986—），女，山西太原人，副教授，研究方向為區(qū)域可持續(xù)發(fā)展，E-mail：songjie@tynu.edu.cn。