中部典型市域长时序土地利用变化及其驱动力研究

陈超+黄飒+吕建春+张建勇+余洋

摘要：以中部典型城市合肥市为研究对象，基于多时相TM影像数据的市域土地利用变化研究，重点分析1987—2014年不同时相土地利用变化特征，并对其驱动力予以分析。研究表明：（1）耕地面积在持续减少，而建设用地面积在27年间持续增加，水域面积呈现先减少后增加而后保持平衡的态势，林地与草地所占比例较小，其中林地呈现先增加后减少而后保持平衡的态势，草地面积则基本保持不变；（2）各土地利用类型变化流向情况，主要为耕地向建设用地的转入，而耕地的转入主要靠林地、草地和水域的少部分补给；定量分析表明，人口增长是土地利用变化的第一驱动力。

关键词：土地利用变化；驱动力；城镇化；合肥市

中图分类号： F323.211文献标志码： A文章编号：1002-1302（2017）07-0231-05

随着我国社会经济持续发展，城市建设用地面积不断增加，引发区域土地利用剧烈变化[1-2]。土地利用变化及其驱动机制是一项涉及多因素的综合研究，已引起诸多学者的普遍关注[3-5]，特别是借助遥感影像解译和GIS对土地利用变化进行综合动态分析[6-7]，深入挖掘研究区域社会经济发展、城镇化建设等多方面因素综合驱动下的土地利用变化机制[8-10]。随着中部崛起战略的实施，安徽省合肥市作为中部地区发展的“排头兵”，同时面临着经济发展与耕地保护的双重任务，加之合肥市土地利用结构复杂多样，而该研究区类似研究缺乏系统性、针对性[11-12]，因此，本研究基于合肥市多时相遥感影像数据的解译，并对该区1987—2014年间土地利用变化及其驱动机制进行重点分析，详细阐释相关因素对研究区域土地利用变化的影响，以期为缓解社会经济发展与耕地保护的矛盾提供理论参考。

1研究区概况及数据来源

1.1研究区概况

合肥市位于中国中部，分别与淮南、滁州、马鞍山、芜湖、安庆、六安等市接壤，具有承东启西、贯通南北的重要区位优势；而合肥市地处中纬度地带，属亚热带季风性湿润气候，四季分明、气候温和、雨量适中，年均气温15.7 ℃，年均降水量约1 000 mm，年日照时间约2 000 h，年均无霜期228 d，平均相对湿度为77%。近年来，合肥市充分发挥资源优势，大力推动区域城镇发展进程，成为中国发展最快的省会城市之一。根据美国布鲁金斯学会发布的2012年度《全球都市圈监测报告》，合肥经济圈人均GDP增速和新增就业率分别位居全球300个都市经济体的第1、2位。因此，适时关注合肥市土地利用变化及其驱动力，对合理推进地区城镇化进程、提高区域经济发展协同水平具有重要意义。

1.2数据来源

本研究顾及研究区土地利用变化的实际情况，获取27年间6个时相（1987、1995、2000、2005、2009、2014年）的Landsat TM/ETM+影像数据。此外，根据安徽统计年鉴、合肥统计年鉴、合肥市国民经济和社会发展统计公报以及相关研究文献等，还获取了2010年合肥市土地利用现状图和《合肥市土地利用总体规划（2006—2020）》，以及1990—2014年合肥市人口数据和经济社会发展统计数据等资料。

2研究方法

2.1土地利用变化数据提取

通过实际调查与分析，结合《土地利用现状分类（GB/T21010—2007）》的土地利用定义与划分标准，将研究区土地分为5类，耕地、林地、草地、建筑用地、水域。利用ENVI 5.1对6个研究时相的影像进行大气校正、辐射定标和掩膜等预处理，再通过监督分类与非监督分类相结合，辅以目视解译的方法得到各个时相土地利用分类结果；然后结合多次项目实地踏勘经验和高分辨率Google Earth影像进行分类后精度验证，并查阅历史文档和地图资料，各个时相的分类精度均大于85%；而后输出为便于ArcGIS统计分析的矢量数据格式，最终得到研究区6个时相30 m空间分辨率的土地利用图[13-14]。

2.2土地利用动态度计算

土地利用动态度指某研究区内，在一定时间段内土地利用类型数量变化情况，可以定量描述土地利用变化率，对分析土地利用变化的区域差异和预测未来土地利用变化趋势具有积极的作用[5，12]，分为单一土地利用动态度和综合土地利用动态度[15]。

单一土地利用动态度计算公式如下：

式中：Ua、Ub表示研究初期和研究末期研究区内某类土地利用类型面积；T表示时间段，一般时间间隔（年），此时表示该土地利用年变化率；K表示土地利用动态度。

综合土地利用动态度计算公式如下：

式中：LUi表示研究初期第i类土地利用类型面积；ΔLUi-j表示末期第i类土地利用类型转化为第j类土地利用类型面积的绝对值；T表示时间段，当T时段设定为年时，LC表示研究区土地利用综合年变化率。

2.3土地利用变化驱动力分析

土地利用变化的驱动力主要表征为导致土地利用类型和目的发生变化的人口和社会经济等因素[2，5]，本研究主要是基于合肥市1987—2014年人口数据和社会经济数据，采用主成分分析法，基于SPSS软件分析历年土地利用变化数据，得出影响土地利用类型和目的变化的主要驱动力。

3结果与分析

3.1土地利用结构演变

通过分析合肥市1987—2014年间6个时相遥感影像解译的土地利用类型，利用GIS统计分析与可视化功能，见27年间6个时期土地利用解译结果（图1）与不同时期土地利用结构统计结果（表1）。

由表1可知：（1）在5种土地利用类型中，耕地面积一直处于首位，并保持比重60%以上；然而在27年间，耕地面积呈减少趋势，由1987年的77.37%减少到2014年61.19%，总面积减少114 033 hm2，主要是用于基建与建房用地等非农业用地和退耕还林、改果、改牧等农业内部结构调整；（2）建设用地面积占有较大比例，占土地总面积的10%以上，在27年间建设用地面积呈增加趋势，面积由1987年的74 795 hm2增加为2014年的185 490 hm2，增幅達到1倍以上，且2005年建设用地面积突破20%；（3）水域也占有较大比例，林地与草地所占比例较小，其中林地呈现先增加后减少而后保持平衡的态势，水域面积呈现先减少后增加而后保持平衡的态势，草地面积基本保持不变；（4）2005—2014年在林地、草地和水域保持基本平衡状态下，耕地面积减少和建设用地面积的增加有着密切联系。

3.2近30年合肥市土地利用动态度分析

通过上述研究方法对1987—2014年合肥市的土地利用统计结果计算，可得该时间段土地利用变化情况和动态度（表2）。

从单一土地利用动态度（图2-A）反映的土地利用类型变化速度上看，建设用地变化速度最快。27年间建设用地变化率达到101.8%，建设用地动态度达3.7，远高于其他土地利用类型；林地在1995—2000年间也有较大变化，动态度达到-2.54；草地在2000—2010年间动态度由负转正。但综合来说，林地、草地和水域面积在27年间变化较小，变化量分别为-964、495、3 961 hm2。从综合土地利用动态度（图2-B）来看，27年间综合土地利用动态度总体呈现“M”形趋势，在1987—2000年和2005—2010年2个时期内，土地利用动态度呈现增加趋势，增幅分别达到0.20和0.37，而在2000—2005年间综合动态度达到最低值0.29，表明合肥市土地利用类型随时间推移发生剧烈变化，且合肥市土地利用变化不均匀，城市发展导致耕地和建设用地面積变化较为显著，城市发展成为该区土地利用类型相互变化的主要驱动力。

3.3土地利用变化流向分析

表3至表8为27年间6个时期土地利用动态转移矩阵及土地利用综合转移矩阵，其中：（1）27年间，耕地被大量占用，其中转化类型主要为建设用地，占转移面积的约85%，其余分别转化为林地、草地和水域，所占比例为1%、1%和13%；（2）除耕地外，建设用地在林地、草地和水域转化类型中也占主导地位，分别占转化面积的72%、52%和83%；（3）27年间建设用地面积增加最多，净增加面积2.2×105 hm2，主要来源于耕地，林地、草地和水域都有一定比重转向建设用地。因此，随着经济发展和人口增多，城市化水平不断提高，造成合肥市土地利用发生巨大变化，而城乡住宅、公共交通建设用地、水利通信等基础设施用地的不断增加是耕地面积减少的主要原因，也直接影响到其他土地利用类型的动态变化。

3.4土地利用变化驱动力分析

土地利用变化驱动力包括自然驱动力和社会经济驱动力，其中人类活动是引起土地利用变化的主要因素，是最主要、最活跃的驱动力[3]。结合合肥市自然情况和经济发展情况，基于合肥市现有27年间社会经济发展统计数据，选取人口指标（人口总数X1、非农业人口总数X2）；社会经济指标（GDP值X3、第二产业值X4、第三产业值X5、财政支出X6、财政收入X7、固定资产投入X8）；农业指标（粮食总产量X9）；居民生活水平（城镇人均可支配收入X10、农村人均可支配收入X11）利用主成分分析法对土地利用变化的驱动机制进行定量分析，结果见表9。第一主成分特征值为10.496，累积贡献率为95.415%，说明其对11个驱动力因素的解释能力达到了95.415%，而其他主成分特征值均小于1，且贡献率较低，解释力度较弱，故直接提取人口因子来解释驱动因子对土地利用变化的驱动影响。

对提取的人口因子和其他因子作因子分析，由表10可知，Varimax后的因子载荷矩阵，与第一主成分相关性较大的几个驱动因素按照大小排列分别为：X10（城镇人均可支配收入）、X5（第三产业值）、X11（农村人均可支配收入）、X3（GDP值）、X4（第二产业值）、X8（固定资产投入）、X6（财政支出）、X7（财政收入）、X2（非农业人口总数）、X9（粮食总产量）等因素。驱动因子中主要为社会经济发展因素，人口增长对土地利用变化产生间接驱动作用，随着社会经济的发展，合肥市对固定资产和城市化建设的投入加大，促进了城镇人口数量和比例的增加，而日益增加的城镇人口对经济发展和城市化水平的要求也在不断提高，进一步促进土地利用变化，尤其是其他土地利用类型向建设用地的转移。1987—2014年，合肥市经济由粗放型向集约型转变，经济发展要与生态环境保护相协调，城市化进程要与环境保护相结合，这就要求土地利用变化逐渐趋于平衡性和合理性。

4结论

通过对1987—2014年合肥市土地利用情况分6个时期进行分析，得出如下结论：（1）合肥市土地利用变化情况，27年间耕地面积在持续减少，截至2014年减少面积达 114 033 hm2，较1987年减少16.18%，而建设用地面积在27年间持续增加，其年变化率和动态度分别达到101.8%和 3.7，水域面积呈现先减少后增加而后保持平衡的态势，林地与草地所占比例较小，其中林地呈现先增加后减少而后保持平衡的态势，草地面积基本保持不变；（2）各土地利用类型变化流向情况，主要为耕地向建设用地的转入，而耕地的转入主要靠林地、草地和水域的少部分补给；从定量分析来看，人口增长是土地利用变化的第一驱动力。基于此，为保证合肥市可持续发展，应加强对土地利用的规划和调控，有效控制和合理布局城镇化建设，严守耕地红线，加强对林地、草地及水域的保护，协调经济发展与生态环境保护的关系，促进合肥市经济快速、稳定发展。

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