基于主成分分析的榆中县土地利用驱动因子分析

乔拥军，张天中

（1.甘肃农业大学资源与环境学院，甘肃 兰州 730070；2.甘肃省国土资源厅，甘肃 兰州 730000；3.甘肃省国土资源规划研究院，甘肃 兰州 730000）

土地利用是指人类为获取一定的经济、环境和政治福利（利益），而对土地进行保护、改造并凭借土地的某些属性进行生产性或非生产性活动的方式、过程及结果［1］。土地利用变化驱动力是指导致土地利用方式和目的发生变化的主要生物物理因素和社会经济因素［2］。驱动力一般分为自然驱动力和社会经济驱动力［3-5］。按照作用方式差异，也可分为内部驱动力和外部驱动力［6-7］，外部驱动力是指引发或促进土地发生转变的外部动因，具有动态性，主要包括人口变动、经济发展、政策法规的发布实施等；内部驱动力则是指决定土地利用发生变化的内部属性，一般具有静态特征，如气候、地形、海拔、区位条件等。外部驱动力是土地利用发生变化的诱因，可引发城镇建设用地扩张、耕地、林地等保护性用地的减少，而内部驱动力则决定了城镇建设用地发生扩张与否、扩张的方向及耕地、林地等在空间位置上的变化。正确区分和把握外部和内部驱动力以及他们之间的相互作用成为驱动力问题分析的关键所在。当前对驱动力的定量研究，较为成熟方法有相关关系分析、多因素分析及计量经济学模型等统计分析方法［8-11］，主要是采用纵向的基于时间序列的社会经济数据与土地利用变化进行相关分析［12］。我们综合兰州市榆中县土地利用变化的外部驱动力和内部驱动力，采用主成分分析法对示范区土地利用驱动因子进行分析。

1 研究区概况

榆中县地处黄土高原西部，甘肃省中部地区，属省会兰州市所辖3县之一，地理位置介于东经103◦49′15″～ 104◦34′40″，北纬 35◦34′20″～36◦26′30″，西靠兰州市城关区、七里河区、皋兰县，东邻定西市安定区，南与临洮县交界，北隔黄河与白银市相望，东北与会宁县、靖远县接壤。由石质山地、丘陵、河谷川地三大地貌类型组成，地势南高北低，中部平坦，呈马鞍形，由西南、东南、东北三面向西北倾斜，南北两山之间为中部川塬河谷地带。是典型的干旱、半干旱大陆性气候。榆中县县域年平均气温6.7℃，7月平均气温19.0℃，1月平均气温-7.9℃。地形复杂，海拔高差大，降水量少，分布不均，年均降水量300～600 mm。根据第二次全国土地资源调查成果，2009年底，榆中县土地总面积为329 470 hm2，其中农用地174 711 hm2，占土地总面积的53.03%；建设用地16 892 hm2，占土地总面积的5.13%；其余土地面积为137 867 hm2，占土地总面积的41.84%。

2 研究方法

2.1 主成分分析法

主成分分析（Principal Component Analysis）是设法将原来众多、具有一定相关性的指标（比如P个指标）重新组合成一组新的互相无关的综合指标来代替原来的指标［13］。通常数学上的处理就是将原来P个指标作线性组合，作为新的综合指标。最经典的做法就是用F1（选取的第1个线性组合，即第1个综合指标）的方差来表达，即Var（F1）越大，表示F1包含的信息越多［13］。在所有的线性组合中选取的F1应该是方差最大的，故称F1为第1主成分。如果第1主成分不足以代表原来P个指标的信息，再考虑选取F2即选第2个线性组合。为了有效地反映原来信息，F1已有的信息就不需要再出现在F2中，用数学语言表达就是要求Cov（F1，F2）=0，则称F2为第2主成分，依此类推可以构造出第3、第4，……，第P个主成分。其公式为：

式中：p=1，2……n；x1，x2，……xp指 p 个原变量（均值为0，方差为1）；F1，F2，……Fm指m个公共因子变量，m小于p；apm指因子载荷，是第p个原始变量在第m个公共因子变量上的载荷；ε指特殊因子。影响土地利用变化的因素很多，选择驱动力影响因素指标时要尽可能的全面，主成分分析法具有比较好的分析结果。

2.2 数据源

基础数据为榆中县第二次全国土地资源调查和2013年土地利用变更数据、10 m×10 m分辨率DEM、降水量及2009—2013年统计年鉴等数据。其中土地利用数据从土地利用2008年二次调查数据获取，高程、坡度由DEM数据获取；降水量数据由气象站点获取；植被盖度由ETM遥感影像数据获取；水系、公路等基础数据由榆中县国土局获取。

表1 各因子相关矩阵

3 结果与分析

3.1 主成分选取

影响土地资源利用的因素涉及气候、人口、经济、环境等方面。遵循数据可获取性、可行性和科学性原则，本研究以2008—2013年土地利用变化图斑为研究单元，选取高程、坡度、降水、植被覆盖度等4个自然因素，变化图斑距水系距离、距公路距离、距铁路距离、距县城距离和距乡镇距离等5个距离指标及人口密度共10个指标因子，进行主成分分析。运用SPSS18.0统计软件计算出相关系数矩阵、特征值和贡献率，其中X1为降水；X2为高程；X3为坡度；X4为植被覆盖度；X5为距公路距离；X6为距水系距离；X7为距县城距离；X8为距乡镇距离；X9为距铁路距离；X10为人口密度。从表1可以看出，10个指标之间存在不同程度的相关性。主成分的提取原则是提取主成分特征值大于1，且累计贡献率是≥75%的前m个主成分。根据表2可以看出，前3个主成分的累计贡献率为78.204%，特征值大于1，因此取3个主成分。

3.2 相关性分析

从表3可知，主成分1与X5（距公路距离）、X6（距水系距离）、X7（距县城距离）、X8（距乡镇距离）、X9（距铁路距离）存在较强的正相关，与X1（降水）、X10（人口密度）存在较强的负相关。距离公路、铁路的距离反映了交通便利程度对区域土地利用变化的影响，说明交通越便利对土地利用变化的影响越大；距离县城、乡镇中心的距离反映了城镇建设对区域土地利用尤其是建设用地变化的影响十分突出，正相关说明距离城镇建设区越近，土地利用变化越大。与降水呈负相关，说明降水量越大的区域土地利用变化越小，这主要是与榆中县土地利用结构和格局有关，榆中县降水量自南向北逐渐减小，南部山区为兴隆山自然保护区，土地利用以农地和林地为主，近几年来土地利用变化相对较小；而中部川区为人口密集区，建设用地多集中于此，土地利用变化较大，因此造成土地利用变化与降水量呈负相关关系。与人口密度呈负相关，主要是由于人口密度相对较大的城镇中心地区土地类型变化相对比较稳定，而城镇周边土地利用类型重点变化地区的人口密度相对较低，因而造成人口密度与土地利用呈负相关关系。主成分2与X2（高程）、X4（植被盖度），主成分3与X3（坡度）呈正相关关系，相关系数分别为0.865、0.732和0.521说明植被盖度、高程和坡度的值越大，土地利用类型变化相对较大。

主成分1对土地利用变化的贡献率高达48.623%，而主成分1主要为X5（距公路距离）、X6（距水系距离）、X7（距县城距离）、X8（距乡镇距离）、X9（距铁路距离）等区位因子，特别是X7（距县城距离）与主成分1的相关系数高达0.930，说明相对而言，榆中县土地利用变化受区位因素等外部驱动力的影响较大，特别是受距离县城远近的影响。因为县城是区域经济、文化和政治中心，对区域土地利用变化起到十分重要的作用，尤其是榆中县作为一个拥有40多万人口的农业县，土地利用变化主要集中在县城周边地区。

表3 成份矩阵

4 小结与讨论

1）分析发现，榆中县土地利用变化主要驱动力有两个方面，一是土地利用变化斑块距离公路、铁路、县城、乡镇中心的距离，即区位因素；另一个是降水、植被盖度、坡度、高程等自然因素，说明榆中县土地利用变化由外部驱动力和内部驱动力两方面共同决定。

2）经济发展是影响土地利用变化的主要驱动力之一，土地利用类型中农用地的变化与非农业人口、GDP、农民人均纯收入关系密切。据榆中县统计年鉴，2008—2012年榆中县工农业总产值增加5.34倍，其中工业总产值增加11倍，农业总产值增加74%。经济快速发展的表现就是非农人口数量的增加和建设用地需求增加，同时也拉动了城镇化化进程。榆中县非农业人口从2008年4.5万人增加到2012年的4.9万人。大量的农业人口转化为非农业人口，为了加快城镇化建设，满足多样的建设需求，以耕地为主的用地类型必然会减少，最终导致土地利用结构发生变化。

3）人口变化是影响土地利用最主要的社会经济因素，也是最具有活力的驱动力之一。据榆中县统计年鉴，2008—2012年，榆中县总人口从42.9万人增加到43.8万人。人口的增长会造成居民用地、交通用地等建设用地的增加。同时为了满足人口的增长，农产品需求量及输出量也会相应增加，从而促进土地利用结构的变化。

4）我国2003年开始实施退耕还林政策，2004年国务院颁布《关于深化改革土地管理的决定》、国土资源部发布《关于完善农用地转用和土地征收审查报批工作的意见》，2005年国土部《关于规划城镇建设用地增加与农村建设用地减少相挂钩试点工作的意见》的通知引导城乡用地布局、机构调整；2008年国务院发的《关于促进节约集约用地的通知》强化了土地利用总体的控制性，加强基础设施的同时，并积极使用未利用地和废弃地。这些政策都对榆中县土地利用趋势变化起到一定作用，如基本农田保护政策等，在很大程度上降低了耕地减少速率，提高了土地利用率。

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