中部粮食主产区土地利用变化及其驱动机制研究——以湖北省鄂州市为例

龚 健, 杨建新, 张 志, 黄如辉

(1.中国地质大学(武汉) 公共管理学院, 武汉 430074;2.国土资源部法律评价重点实验室, 武汉 430074; 3.湖北省鄂州市国土资源局, 湖北 鄂州 436006)

中部粮食主产区土地利用变化及其驱动机制研究
——以湖北省鄂州市为例

龚 健1,2, 杨建新1, 张 志1,2, 黄如辉3

(1.中国地质大学(武汉) 公共管理学院, 武汉 430074;2.国土资源部法律评价重点实验室, 武汉 430074; 3.湖北省鄂州市国土资源局, 湖北 鄂州 436006)

区域土地利用变化过程、格局与驱动力研究是揭示全球与区域尺度土地利用/覆盖变化规律的有效方法。基于鄂州市1991年、2004年和2009年3个时期土地利用空间数据和社会经济统计数据，采用土地利用转移矩阵、主成分分析法等模型方法，分析土地利用变化总体特征、各地类转化方向以及土地利用变化驱动因素。结果表明：(1) 18 a期间，鄂州市土地利用变化显著，耕地面积减少最大，减幅达到28.39%，主要转移方向为建设用地、养殖和林地。(2) 养殖水面和建设用地大量增加，增幅分别为200.62%，84.83%， 主要增加来源为耕地和水体。(3) 土地利用变化主要驱动因素为经济增长、人民生活水平提高和人口增加，政策和城市规划也是重要的驱动因素。

土地利用变化; 转移矩阵; 主成分分析; 驱动因素; 中部地区

区域土地利用变化是全球变化研究的重点领域[1-3]，国内自20世纪90年代以来，土地利用变化及其驱动机制成为研究热点，研究尺度有全国尺度、经济圈尺度、省域尺度、城市尺度、县域尺度等，研究区域集中在城市地区、大都市边缘区、生态环境敏感区域、不同景观类型交错带区域[4-11]。基于区域尺度土地利用变化研究很多，大部分集中在土地利用变化特征、土地利用变化驱动力和土地利用变化模拟研究，驱动力研究则是土地利用变化机制研究的核心内容和重点。加强经济发达地区、大都市边缘区、生态脆弱区等区域的土地利用/土地覆被变化研究是必要的，但是不能因此忽视变化幅度不大地区和其他类型区域土地利用变化研究，正是这些区域为土地利用变化研究提供了对比分析，同时也丰富了土地利用变化研究的内容[12]。

随着我国社会经济快速发展，中部地区城市化和工业化进程不断加快，土地利用变化也十分剧烈。中部地区作为我国粮食主产区，6省以10.69%的土地面积，生产占全国30.2%的粮食，供养27.03%的全国人口，粮食主产区土地利用变化尤其是耕地变化关系粮食生产和粮食安全。研究区域鄂州市是离武汉城市圈中心最近的城市，也是湖北省粮食主产县市之一，优越的区位条件和资源条件，推动经济社会高速发展，土地利用变化非常剧烈，也严重影响区域粮食安全。以鄂州市为典型区域研究中部粮食主产区土地利用格局的时空变化特征及其驱动力，可以为区域土地利用变化研究和土地资源合理开发利用提供科学依据。

1 研究区域、数据与方法

1.1 研究区概况

鄂州市位于湖北省东部，濒临长江中游南岸，地势起伏，属于丘陵、滨湖地区，境内港汊密布，湖网纵横，水域辽阔。现辖鄂城、梁子湖、华容3个市辖区，土地总面积1 596 km2，截至2009年底常住人口107.24万人。近10 a来，鄂州市经济迅速发展，城市化水平不断提高，城市建设和农业结构调整占用了大量耕地，土地利用变化显著。

1.2 研究数据来源与处理

本研究所采用的基础数据包括1991年第一次土地详查数据、2004年土地更新调查数据和2009年第二次土地调查数据，数据调查方法均为遥感影像解译和实地调查解译相结合的方法，保证调查数据的精度，并建立土地利用空间数据库。研究区域1∶5万地形图和行政区划图，并对各种数据源进行坐标转换，使不同时期图形数据具有统一的坐标系统。土地利用分类参考国土资源部制定的土地利用现状分类国家标准(GB/T21010—2007)，先将1991年和2004年不同土地分类标准统一为国家标准，结合鄂州市土地资源利用特点和覆被特征，将养殖水面从水域及水利设施用地中单独划分出来，将水利设施用地、交通运输用地和城镇村及工矿用地合并为建设用地，水域及水利设施用地提出养殖水面和水利设施用地后的部分归为水体，园地、牧草地数量较少，合并到其他土地中，耕地和林地保持不变。社会经济数据来源于1991—2009年鄂州市年鉴和中国城市统计年鉴。

1.3 研究方法

土地利用变化主要体现在土地利用数量变化、土地利用空间变化、土地利用程度变化以及土地利用变化的区域差异等方面[13]。本文采用土地利用结构变化和土地利用转移矩阵进行分析。

1.3.1 土地利用转移矩阵分析 转移矩阵源于转移概率矩阵的内涵，适于对系统分析中系统状态与状态转移的定量表述，以转移概率矩阵的转置矩阵形式表示。转移矩阵是国内外常用的揭示土地利用/覆盖变化的方法，能够全面具体地表明区域土地利用变化特征和土地利用类型之间的相互转化状况，揭示土地利用的时空演变过程[14]。转移矩阵数学形式为：

(1)

式中：S——面积；n——土地利用类型的数；i，j——研究初期与研究期末的土地利用类型。矩阵中，行表示初期的i种土地利用类型，列是末期的j种土地利用类型；Sij——初期的i种土地利用类型转变为末期的j种土地利用类型的面积。

1.3.2 主成分分析法 主成分分析(Principal Component Analysis)是利用降维的思想，将多个变量转化为少数几个综合变量(即主成分)，其中每个主成分都是原始变量的线性组合，各主成分之间互不相关，从而这些主成分能够反映始变量的绝大部分信息，且所含的信息互不重叠。采用这种方法可以将土地利用变化的复杂因素归结为几个主成分，使得复杂问题得以简化，同时得到更为科学、准确的土地利用变化驱动因素。

2 结果与分析

2.1 土地利用格局变化的主要特征分析

土地利用格局变化首先反映在各种土地利用类型结构变化，结构变化可以反映区域土地利用格局的演变。鄂州市土地利用的基质景观为耕地、水体、建设用地和养殖水面。1991—2009年间土地利用变化的主要特征是：耕地大量减少，养殖水面、建设用地和林地快速增加，水体和其他土地减少。

图1分析结果显示：(1) 1991—2009年耕地减少24 960.79 hm2，减少了28.39%，主要减少去向建设用地、林地和养殖水面。(2) 建设用地增加11 602.07 hm2，主要来源于耕地和其他土地。(3) 养殖水面增加了14 901.78 hm2，主要来源于耕地和水体。(4) 林地增加了6 112.19 hm2，主要来源于耕地和其他土地。(5) 水体减少了5 705.91 hm2，主要转化为养殖水面和建设用地。(6) 其他土地减少了1 932.91 hm2，主要转化为林地、建设用地和耕地。

图1 鄂州市各土地利用类型数量变化

2.2 土地利用变化转移分析

通过构建鄂州市1991—2009年土地利用变化转移矩阵，分析各类土地变化方向和空间动态转移情况。表1，表2结果表明，土地利用变化主要转移特征是：耕地大量减少，转移方向为养殖水面、建设用地和林地，其次是其他土地转为林地、水体转为养殖水面、耕地转为其他土地，前十位主要地类转换类型累计

转换百分率达到82%。

(1) 1991—2009年耕地流出量31 562.30 hm2，占土地总流出量的62.71%，主要转变为养殖水面、建设用地和林地，分别占耕地流出量的43.70%，24.07%和16.73%；耕地流入量为4 276.45 hm2，主要是其他土地、养殖水面和建设用地转为耕地，流入量只占流出量的13.55%，流入量相比流出量很少。1991—2004年期间耕地大量转变为养殖水面，也有部分耕地转变为园地和荒地等其他土地，2004—2009年期间由于耕地保护管理加强和农业补贴政策，以及养殖水面和其他农业效益下降影响，部分产出不高的养殖水面、园地又转回耕地，还有部分未利用土地开垦为耕地。

(2) 1991—2009年其他土地和水体流出量分别为6 340.30，5 963.29 hm2，其他土地主要转移方向为林地和耕地，分别占其流出量的53.68%和16.58%；水体主要转移方向为养殖水面和其他土地，分别占其流出量的59.88%和17.67%。

(3) 养殖水面、建设用地和林地以流入为主，分别流入18 316.74，10 681.49，9 134.58 hm2，分别占土地总流入量的36.40%，21.22%，28.15%。养殖水面流入主要来源是耕地和水体，建设用地流入主要来源是耕地和养殖水面，林地流入主要来源是耕地和其他土地。林地和其他土地之间相互转换趋势明显。

表1 1991-2009年土地利用变化转移矩阵 hm2

表2 1991-2009年主要土地利用变化类型排序

2.3 土地利用变化驱动力分析

土地利用变化是一个复杂的过程，受到多种因素驱动，可以概况为自然驱动因素和社会经济驱动因素。短期内自然驱动因素变化很缓慢，社会经济因素成为引起土地利用变化的主要驱动力[12]，以下重点分析社会经济驱动因素。

区域土地利用变化的影响因素很多，驱动因素指标选择时尽可能多，但很多指标之间存在不同程度的相关性，容易产生多元共线性问题而无法得出正确的分析结果。主成分分析是定量分析驱动力而又能解决指标相关性问题的有效方法之一[8]。1991—2009年鄂州市土地变化转移分析可知，耕地是最主要的变化地类，因此以耕地为例，对其驱动力进行定量分析。

根据定性分析，人口、经济发展、政策因素、城市规划和人民生活水平变化是鄂州市土地变化的主要驱动因素，由于政策和规划因素难以量化没有考虑，选取包括人口、经济、人民生活水平、农业和科技教育方面的26个因子指标，首先对耕地及其26个驱动因子进行相关分析，将第二产业劳动者、第三产业劳动者、粮食总产量、农业贷款额、货运总量、在校学生人数与耕地变化不相关的6个因子剔除。剩下的20个因子都与耕地存在较为显著的相关关系。但是仅通过简单相关关系分析，不能解决各驱动因子误差的冗余和信息的重叠,也不能准确反映各驱动因子对耕地变化的影响和作用，因此需要进一步对各驱动因子进行主成分分析(表3—4)。

表3 耕地变化驱动因素和因子

表4 耕地与社会经济因子相关分析

通过主成分分析(结果见表5和表6)，第一主成分、第二成分的贡献率分别为85.248%，7.957%，第一主成分和第二主成分的累积贡献率达到93.204%，提取第一、二主成分已经包含绝大部分信息。从表6可以分析，主成分因子载荷矩阵反映了各主成分和各驱动因子的相关关系。第一主成分是鄂州市耕地变化最主要的影响因子，社会消费品零售总额、城乡储蓄存款余额、水产品产量、第三产业产值、地方财政收入、国内生产总值与第一主成分相关性很大，其因子载荷都在0.97以上，这些因子与经济、人民生活水平和农业因素有关。第一产业劳动者和客运总量与第二主成分相关性较大，这些因子与人口和经济有关。

表5 耕地变化驱动因子主成分分析特征值和贡献率

表6 耕地变化驱动因子主成分荷载矩阵

经济高速发展是建设用地空间扩展和土地利用变化最主要的驱动力之一，尤其是第二、三产业快速发展，推动城市和工矿用地快速扩张。在1991—2009年期间，鄂州市经济保持高速增长，全市GDP由1991年的15.70亿元增加到2009年的313.60亿元，增长18.97倍。农业劳动力向二、三产业转移，人民生活水平不断提高，加大了对城市就业、住房、交通、商业需求，促进工业化和城市化快速发展，建设用地快速增加，耕地大量减少。20世纪末期，我国改变了以粮为纲的传统农业方式，宜农则农，宜渔则渔，多产业协调发展，鄂州市利用水资源丰富和离中心城市距离近的区位优势，农业结构调整速度加快，大力发展养殖业，耕地快速向经济效益高的养殖业转移，养殖水面快速增加。1998年以后我国加大了退耕还林力度，大力营造经济林，严格控制林地转用，林地面积得到了快速增长，尤其是2004年以后，鄂州市林地年增长率为12.78%。

3 结 论

(1) 18 a期间，鄂州市土地利用变化显著，主要变化特征是：耕地持续减少，减少量也最大，减幅达到28.39%；养殖水面和建设用地快速增加，增幅分别为217.07%，84.42%，林地不断增加，增幅为67.94%；水体和其他土地减少。

(2) 土地利用变化转移方向：耕地大量转为养殖水面、建设用地和林地，1991—2004年，2004—2009年建设用地主要增加来源都是耕地，分别占建设用地流入量的75.82%和59.08%；水体主要减少去向为养殖水面和建设用地，其他土地减少去向为林地、建设用地和耕地。

(3) 土地利用变化主要驱动因素为经济增长、人民生活水平提高和人口增加，政策因素和城市规划对土地变化影响也很大。

在以后的研究中从中观和微观角度研究粮食主产区土地利用变化的驱动机制和模型，模拟土地利用时空变化及其对粮食生产和粮食安全的影响，推动区域土地利用变化研究更加深入。

[1] 刘纪远,刘明亮,庄大方,等.中国近期土地利用变化的空间格局分析[J].中国科学(D辑):地球科学,2002,32(12):1031-1040.

[2] Turner II B L, Moss R H, Skole D L, et al. Relating land use and global land-cover change: A proposal for an IGBP-HDP core project[R]. Stockholm: Royal Swedish Academy of Sciences,1993.

[3] Lambin E F, Baulies X, Bockstael N, et al. Land-use and land-cover Change (LUCC): implementation strategy[R] .IGBP Report48/IHDP Report10,1999.

[4] 刘纪远,张增祥,徐新良,等.21世纪初中国土地利用变化空间格局与驱动力分析[J].地理学报,2009,64(12):1411-1420.

[5] 黎夏.珠江三角洲发展走廊1988—1997年土地利用变化特征的空间分析[J].自然资源学报,2004,19(3):307-315．

[6] 郭丽英,王道龙,邱建军.环渤海区域土地利用类型动态变化研究[J].地域研究与开发,2009,28(3):92-95.

[7] 杨桂山.长江三角洲近50年耕地数量的变化过程与驱动机制研究[J].自然资源学报,2001,16(2):121-127.

[8] 史利江,王圣云.1994—2006年上海市土地利用时空变化特征及驱动力分析[J].长江流域资源与环境,2012,21(12):1468-1479.

[9] 范科红,李阳兵.1986—2007年重庆市主城区土地利用变化及其驱动因素研究[J].水土保持研究,2012,19(1):168-173.

[10] 郭丽英,刘彦随,任志远.生态脆弱区土地利用格局变化及其驱动机制分析:以陕西榆林市为例[J].资源科学,2005,27(2):128-134.

[11] 邓祥征,战金艳.中国北方农牧交错带土地利用变化驱动力的尺度效应分析[J].地理与地理信息科学,2004,20(3):64-68.

[12] 杨梅,张广录.区域土地利用变化驱动力研究进展与展望[J].地理与地理信息科学,2011,27(1):96-100.

[13] 王秀兰,包玉海.土地利用动态变化研究方法探讨[J].地理科学进展,1999,18(1):81-87.

[14] 张国坤,邓伟,张洪岩,等.新开河流域土地利用格局变化图谱分析[J].地理学报,2010,65(9):1111-1120.

LandUseChangeandItsDrivingForceofMajorGrainProductionAreasinCentralofChina

GONG Jian1,2, YANG Jian-xin1, ZHANG Zhi1,2, HUANG Ru-hui3

(1.SchoolofPublicManagement,ChinaUniversityofGeosciences(Wuhan),Wuhan430074,China; 2.KeyLaboratoryofLawEvaluation,MinistryofLandandResources,Wuhan430074,China; 3.BureauofLandandResourceofEzhouCity,Ezhou,Hubei436006,China)

It is an effective way to reveal global and regional land use change process by researching on the regional land use change process, pattern, and driving force. This paper analyzes the general characteristics and driving forces of land use change, transformation direction of land use status by ways of land use conversion matrix model and principal component analysis, based on Ezhou land use spatial data and social economy data in 1991, 2004 and 2009. The result shows that land use change is obvious over the past 18 years, especially for the cultivated land, which is decreased to 28.39%. The reduced cultivated lands were transferred to construction land, aquaculture land and forestland. So the growth rate of aquaculture land and construction land were 200.62% and 84.83%, which originated from farmland and water area. The main social economy driving force is economy growth, the improvement of people′s living standards, and population growth, policy of government and urban planning are also the important driving forces.

land use change; land use conversion matrix; principal component analysis; driving force; region in central China

2013-11-05

：2013-12-20

中央高校基本科研业务费专项资金资助项目(CUGL110244);国土资源部法律评价工程实验室开放基金项目(CUGFP1309);国家社科青年项目基金(12CGL065)；教育部人文社会科学青年项目基金(12YJC630306)

龚健( 1977—),男,湖南常德人,博士,副教授,主要研究方向为土地利用变化与模拟、土地评价与土地规划。E-mail:gongjian@cug.edu.cn

张志(1979—),女,湖北武汉人,博士,讲师,主要研究方向为土地利用政策评价、土地利用评价。E-mail:fionazz@126.com

F301.2

：A

：1005-3409(2014)04-0285-05