蒙阴县土地利用动态与耕地变化驱动力分析

常成,刘霞†,张光灿,姚孝友,张荣华,张荣

(1.山东农业大学林学院水土保持系,山东农业大学农业生态与环境重点实验室,271018,山东泰安;2.水利部淮河水利委员会水土保持处,233001,安徽蚌埠)

蒙阴县土地利用动态与耕地变化驱动力分析

常成1,刘霞1†,张光灿1,姚孝友2,张荣华1,张荣1

(1.山东农业大学林学院水土保持系,山东农业大学农业生态与环境重点实验室,271018,山东泰安;2.水利部淮河水利委员会水土保持处,233001,安徽蚌埠)

基于 1987、1997和 2007年的TM影像,利用土地利用动态度模型和主成分分析法,对蒙阴县 1987—2007年的土地利用时空变化特征及耕地变化驱动力进行研究。结果表明:在时间序列上,20年间该区土地利用结构发生了明显变化,林地、城镇村及工矿交通用地面积增加,耕地等其他用地面积减少;在空间上,各类土地利用变化在呈现明显的区域分异,耕地减少去向被开发为林地和城镇村及工矿交通用地的面积较多;驱动耕地变化的因素是经济总量增长、社会发展和农业发展。研究成果可指导蒙阴县土地利用规划,为其生态环境保护提供参考。

土地利用;驱动力;蒙阴县

土地利用动态变化的实质是人类为满足社会经济发展需要,不断调配各种土地利用的过程[1]。土地利用动态已经被认为是一个关键而迫切的研究课题。利用地理信息系统研究区域土地利用的变化,揭示其空间变化规律,建立引起其变化的驱动力模型,已经成为当前国际上开展土地利用研究的最新趋势[2]。我国近几年已开展了大区域、大尺度的土地利用变化监测,并取得了很多成果[3-6],但是,对于县级土地利用变化的动态监测关注仍显不足。蒙阴县地处沂蒙山区腹地,其自然环境的复杂性、生态系统的脆弱性、经济发展的边缘性、社会文化的过渡性在沂蒙山区都有典型性和代表性。目前,尚无全面反映蒙阴县土地利用变化特征及其耕地变化驱动力情况的资料,将其作为一个完整的单元来研究其土地利用变化特点及空间分异特征具有重要的现实意义[7]。笔者利用土地利用动态度模型,通过主成分统计方法,分析探讨蒙阴县近年来土地利用变化及耕地驱动力,以期为蒙阴县土地利用变化特征及耕地驱动力研究补充实用的应用实例。

1 研究区概况

蒙阴县位于沂蒙山区腹地,蒙山北麓,东汶河上游,E117°45′～ 118°15′,N35°27′～ 36°02′,南北最大纵距 84.75 km,东西最大横距 52.1 km,总面积1 610.85 km2,为典型的北方土石山区,海拔一般为200～600m,基岩主要由石灰岩和页岩组成,土壤类型主要为棕壤类。属暖温带季风型大陆气候,年均日照时间 2 257 h,年均温度 12.8℃,无霜期 200 d。年均降水量 820mm,降水分布不均,有 70%主要集中分布在 5—9月份。地带性植被类型为暖温带落叶阔叶林,主要乔木树种有侧柏(Platycladus orientalis(Linn.)Franco)、刺 槐 (Robinia pseudoacacia L.)、油松 (Pinus tabulaeformis Carr.)、辽东 栎 (Quercus liaotungensis Koidz.)、山 楂(Crataegus pinnatifida Bge.)、柿树 (Diospyros kaki Linn.F.)等;自然灌木与草本植物主要有黄荆(Vitex negundo L.)、胡枝子 (Lespedeza bicolors Turcz.)、三裂绣线菊(Spiraea trilobata L.)等。

2 研究方法

2.1 数据源与处理方法

2.1.1 数据来源 遥感数据源采用 1987、1997、2007年 3个典型时期 4—5月份的 TM影像,空间分辨率为30m×30m,蒙阴县 1∶10万地形图作为影像匹配基准。蒙阴县自然、社会和经济统计数据来源于蒙阴县统计年鉴。

2.1.2 土地利用分类系统 参照 GB/T 21010—2007《土地利用现状调查技术规程》[8]和《中国资源环境遥感宏观调查与动态研究》[9],结合研究目的和区域特点,确定土地利用分为耕地、林地、草地、城镇村及工矿交通用地、水域及水利设施用地和未利用土地 6类。

2.1.3 数据处理 1)图像处理。利用地形图,采用北京 1954坐标系,高斯克吕格投影,对影像进行校正,误差控制在 0.5个像元以内,借助 ERDAS软件进行配准、镶嵌、匀色及增强处理。2)图像解译。采用人机交互解译的方法对研究区 TM图像进行解译,将解译后的 1987、1997、2007年土地利用数据转入 ArcGIS中,构建拓扑关系并建立数据库。3)精度评价。对分类结果经 kappa指数计算,统计精度达80.36%,可以保证工作精度的要求。

2.2 土地利用动态分析

土地利用动态度反映一定时间和范围内某种土地利用类型的数量变化情况,其表达式[10]为

式中:Rs为研究时段内某一土地利用类型动态度;Ua、Ub分别为研究初期和末期某种土地利用类型的数量;t为研究时段。

2.3 驱动因子选取

2.3.1 驱动因子选取原则 1)相关性原则,驱动因子应与研究区耕地变化相关性较大,能反映耕地变化的大体趋势;2)可获取性原则,以数据资料的可获取性为前提,将历史资料收集和实地调查相结合;3)定量化原则,定量化的驱动因子才能参与模型运算;4)社会经济因子为主原则,驱动因子选取主要以社会经济驱动因素为主;5)不可代替性原则,所选取的驱动因子之间具有不可替代性,能够从不同角度反映耕地变化。

2.3.2 驱动因子的选取 根据上述原则,结合蒙阴县经济社会发展和耕地的变化情况,选择总人口(X1/万人 )、农业人口 (X2/万人 )、城市化水平(X3)、全社会固定资产投资额(X4/亿元)、GDP(X5/亿元)、农产业的 GDP比例(X6/%)、农民人均收入(X7/元 )、人均粮食 (X8/kg◦人-1)8个因子的变化量作为影响耕地变化的社会经济驱动因子。其中城市化水平为非农业人口与总人口的比值,农产业GDP比例为第一产业的 GDP与总 GDP的比值。应用统计软件 SPSS,对样本进行主成分分析,进而确定引起耕地变化的主要驱动力。

3 结果与分析

3.1 土地利用变化动态分析

对 1987、1997、2007年 3个时段土地利用数据统计结果见表 1。

表 1 不同时段蒙阴县不同土地利用类型的变化Tab.1 Land use type changes in Mengyin county at different periods

由表 1可以看出,1987—1997年间,随着对各种土地资源的开发,土地利用结构发生了很大变化,其中:耕地面积由 672.97 km2减小到 651.97 km2,减少了 20.99 km2(3.12%);林地增加了 59.42 km2(14.47%);1987年原有草地面积 372.84 km2,10年间共减少 74.52 km2;城镇村及工矿交通用地变化显著,由 1987年的 59.23 km2扩展到 1997年的 71.48 km2,其动态度为 2.07%;水域及水利设施用地的面积变化相对较小;未利用土地由最初的30.71 km2增加到 45.78 km2,其动态度为 4.91%,是各种土地利用类型中动态变化最显著的。

由表 1可知,1997—2007年,土地利用变化依然非常显著:耕地持续减少,共计减少了 44.50km2;林地大规模增加,面积比例由 29.18%增加到35.69%;草地面积比例由 18.52%减少到 15.91%;城镇村及工矿交通用地的动态度为 2.16%,变化速度明显增加;水域及水利设施用地动态度为-0.28%;未利用土地减少到 14.06 km2,减少了31.73 km2。

整个研究时段的土地利用变化表明,蒙阴县在1987—2007年 20年间,林地、城镇村及工矿交通用地面积增加,耕地等其他用地面积减少。从变化数量看,最为显著的是林地的增加和草地、耕地的减少,从土地利用动态度来看,未利用土地的动态度变化最大,为 -2.71%。

3.2 土地利用空间转移分析

基于 ArcView软件的空间分析扩展模块 Spatial Analysis,利用 Tabulate Area功能,对不同典型序列上的土地利用状况进行统计,获得 1987—1997、1997—2007年土地利用类型空间转移矩阵(表 2)。

表 2 蒙阴县 1987—2007年土地利用类型转移矩阵Tab.2 Transitionmatrix of land use types in Mnegyin county from 1987 to 2007

由表 2可以看出,1987—1997年,耕地 590.50 km2是保持不变的,耕地被开发为林地和城镇村及工矿交通用地的面积较多,分别为 55.80、11.31 km2,占转出面积的 67.66%、13.72%,主要发生在野店镇西北部、岱固镇北部;同时,其他土地利用类型开垦为耕地面积较大的有林地、草地,分别为47.98、8.56 km2,占转入面积的 78.05%、13.93%,主要发生在旧寨镇北部、界牌镇西部。

1997—2007年,研究区土地利用变化特征与上个时段基本相似。其中 498.80 km2是原耕地保持不变的,被开发为林地和城镇村及工矿交通用地的面积较多,分别为 135.34、8.60 km2,占转出面积的88.36%、5.61%,主要发生在蒙阴镇、界牌镇北部;同时,其他土地利用类型开垦为耕地面积较大的有林地、草地,分别为 74.11、29.06 km2,占转入面积的68.19%、26.74%,主要发生在岱固镇西部和旧寨镇中部。

综上所述,在研究时段内,蒙阴县土地利用发生的变化是巨大的,这种变化以林地、城镇村及工矿交通用地的大面积增加和耕地、草地、未利用土地、水域及水利设施用地的减少为特征,但各种地类之间有着复杂的相互转换关系。耕地减少去向中,被开发为林地和城镇村及工矿交通用地的面积较多,而且减少的耕地多为位置相对优越、产量较高的优质良田。

3.3 耕地变化的驱动力分析

3.3.1 驱动力主成分 蒙阴县耕地变化驱动力主成分分析数据见表 3。表 4为耕地驱动因子相关系数矩阵,可以看出,影响耕地数量的 8个因子中存在不同程度的相关性,其中 X4和 X5,X4和 X8,X7和X8之间存在较大的相关性,表明各指标具有较大的相关性。表 5为耕地主成分特征值和贡献率,得出第 1、第 2和第 3主成分的累计贡献率己经达到99%,因此,提取 3个主成分能概括大部分的信息。

由表 6可知:在第 1个主成分中,除了总人口X1和城市化水平 X3以外,其他 6个驱动因子都超过 0.9。第 1个主成分可以归纳为经济总量增长的代表;第 2个主成分中比较大的有总人口 X1、城市化水平 X3、全社会固定资产投资 X4和农民人均收入 X7,由这几个驱动因子构成的第 2主成分较复杂,可以解释为社会发展因素的代表;第 3个主成分由于各变量都较小,相对比较大的因素为人均粮食,可以解释为农业发展因素的代表。因此,研究区域的耕地面积变化的驱动因素可以归纳为经济总量增长、社会发展和农业发展。这 3个方面互相影响、互相制约。

表 3 耕地变化驱动力主成分分析数据Tab.3 Data for principal analysis of driving force ofcultivated land change

表4 耕地变化驱动力因子相关系数矩阵Tab.4 Correlationmatrix of driving factors for cu ltivated land change

3.3.2 驱动力分析 1)经济总量增长因素。经济发展因素是指 GDP、农产业 GDP比例,这也是推动蒙阴县耕地变化的最主要因子,贡献率达 74.423%。1987—2007年,研究区 GDP增长较快,年均增长达155.24%,农产业 GDP比例也由 70%下降到 31%。说明第一产业对于 GDP增加虽有一定贡献,但这种贡献随着二、三产业的发展,不断减小,在经济的高速发展中,工业化的进程不断推进,第三产业也表现出迅猛的发展势头,第二、第三产业的发展,必将占用良好的耕地。目前蒙阴县还处于经济起飞的阶段,各乡镇为了发展经济,招商引资,进行大规模建设,建设用地占用耕地是耕地数量减少的主要去向。

表 5 耕地变化驱动力主成分特征值和贡献率Tab.5 Eigenvalue and contribution of principal component of driving factors

表6 耕地变化驱动力因子主成分矩阵Tab.6 Matrices of principal component driving factors for cu ltivated land change

2)社会发展因素。社会发展因素是指总人口、城市化水平及全社会固定资产投资和农民人均收入。1987年总人口为 47.20万人,2007年增加到54.02万人,城市化水平从 1997年的 7%增加到2007年的 31%。随着城市化水平的提高,人民生活水平不断改善,对生活质量要求不断提高,这也为耕地数量提出一定要求。同时也应该看到,随着城市化水平的提高,农民人均纯收入及固定资产投资也在不断增大,2007年蒙阴县全年完成全社会固定资产投资 19.06亿元,是 1987年的 42倍,1987年农民人均纯收入为 386元,2007年增加到 4 038元,是1987年的 10倍。随着生产技术的进步,城镇投资的增长、房地产开发的提速,固定资产投资的广度和力度将会不断加大,使大量农村剩余劳动力被置换和释放出来,从而有力地推动农村城镇化的进程,促使城镇数量和规模不断扩大,这将不可避免占用部分耕地,成为耕地减少的一个主要因素。

3)农业发展因素。农业发展因素反映在人均粮食上。20世纪 90年代以来,为提高土地生产力,保证农业的稳定发展,蒙阴县采取了一系列措施,使农业技术装备水平显著提高,由传统农业逐步向现代化农业转变。由于农田基本建设的改进,农业机械化水平的提高,粮食总产、粮食单产和人均占有粮食的增加,使得人们开始寻找提高收入的新的经营方式,产出和收益水平的高低同样影响耕地的转变,致使耕地面积进一步减少。表明农业科学技术的发展,农业的集约化程度越来越高,使得不需要大面积的耕地即可供养更多的人口,致使所需要的耕地面积减少。

3.4 土地利用中存在的问题分析

3.4.1 耕地资源的保护压力大 1987年,蒙阴县城镇村及工矿交通用地总面积 59.23 km2,到 2007年增至 86.94 km2,年均增长 1.39 km2,期间城镇村及工矿交通用地占用耕地 23.93km2,大大超过原规划的建设占用耕地控制指标(0.95km2/a)。随着蒙阴县经济社会的快速发展,城镇村及工矿交通用地需求仍会保持较高增长速度,耕地等资源保护的压力还会进一步加剧。

3.4.2 土地结构仍不合理 蒙阴县是典型的山区农业县,耕地、林地所占比例偏重,而城市化水平偏低,交通基础设施也相对滞后。虽然近年蒙阴县发展了一定规模的经济林地,但其土地利用结构仍存在分布不均衡、果种单一的缺点,且重播轻管,耕作粗放,广种薄收,尤其是部分乡镇还有很大的开发缺口,潜力还有待于进一步挖掘。

3.4.3 人地关系局部恶化 蒙阴县 20年耕地面积已减少 65.49 km2,年均减少面积达 3.27 km2。目前,农村人地关系不但没有缓解,紧张态势还进一步加剧。由于人地关系趋紧,塑料薄膜、化肥、农药等的使用量不断增加,农用塑料薄膜使用量 20年翻了3番,化肥使用量增长了 1/4,农药使用量增长了 1/5。塑料薄膜、化肥、农药等的大量使用,在提高耕地生产系统效率的同时,也使耕地生产成本快速上涨,耕地生产性污染加重,土地生态环境质量下降。此外,在工业化、城镇化进程加快的同时,对工业“三废”与城镇生活垃圾等的处理措施没有跟上,造成城乡环境局部污染加剧。

4 结论

1)每一种土地利用类型的变化当中都有增加和减少这 2种截然相反的趋势,每一种土地利用类型变化的最终表现是 2种趋势互相抵消后的结果。

2)除林地、城镇村及工矿交通用地面积增长外,耕地等其他类型都是呈现出衰减的趋势。

3)各类土地利用变化在空间上呈现明显的区域分异,耕地减少的幅度较大,主要转变为林地和城镇村及工矿交通用地,且减少的耕地多为位置相对优越,产量较高的优质良田。

4)经济总量增长、社会发展和农业发展是驱动耕地变化的主要因素,这 3个方面不是孤立的,而是互相影响、互相制约的,共同影响蒙阴县的耕地变化。

5)各种土地利用结构的变化,尤其耕地面积的减少,带来了土地结构不合理、人地关系局部恶化等问题,针对耕地变化的主要驱动因子及其特征,采取相应的生态环境保护和社会经济措施十分必要。

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[10]刘纪远.中国土地利用变化现代过程时空特征的研究.第四纪研究,2000,20(3):229-239

Land use dynam ic and driving force analysis of cultivated land change in M engyin County

Chang Cheng1,Liu Xia1,Zhang Guangcan1,Yao Xiaoyou2,Zhang Ronghua1,Zhang Rong1

(1.Soil and Water Conservation Department of Forestry College,Key Laboratory of Agricultural Ecology and Environment,
Shandong Agricultural University,271018,Tai'an,Shandong;2.Soil andWater Conservation Division of Huaihe River Commission ofWater Resources Ministry,233001,Bengbu,Anhui:China)

Based on TM images in 1987,1997 and 2007,applied land use dynamic degreemodel and the land use general dynamic degrees to promulgate the land use spatial-temporal change characteristic comprehensively in the research area during 20 years.The result indicated that:from the time,land use changes significantly during 20 years,forest land and construction land increase,others decrease.From the space,each type of land use change has a dramatic spatial distribution.Factors which driving cultivated land change are total economic growth,social development and agricultural development.which is helpful for the land planning in Mengyin county and can provide reference for ecological environment protection.

Land use;driving force;Mengyin County

2009-03-23

2009-10-27

项目名称:水利部淮河水利委员会“淮河流域生态修复机理和评价指标研究”

常成(1986—),男,硕士研究生。主要研究方向:流域治理与信息技术。E-mail:yizhitaohuaxiang@163.com

†责任作者简介:刘霞(1971—),女,副教授,博士。主要研究方向:水土保持生态修复和水土保持信息技术。E-mail:liuxia@sdau.edu.cn

(责任编辑:宋如华)