咸阳市礼泉县土地利用覆被变化及其驱动力研究

李 超，龚直文，陈 伟

(西北农林科技大学 经济管理学院，陕西 杨凌 712100)

本文选取了渭北高原地区南部的礼泉县作为研究对象，以2005、2010、2015年三期TM遥感影像作为数据源，利用遥感技术，运用GIS软件，对研究区域分别从土地利用类型的数量变化、土地利用变化的速度、土地利用类型多样性分析、土地利用程度变化等方面对土地利用覆被变化的过程进行了分析。在此基础上，结合当地自然因素及其社会经济统计指标，运用定性分析的办法，重点对引起礼泉县土地利用变化的人文驱动因子进行了分析。

咸阳市礼泉县隶属于陕西，地处渭北黄土高原地区，近年来，该地区人口增长迅速，人口密度逐年上升，并且由于城镇化和生态恢复工程等因素的影响使得该区域的土地利用类型发生了较大的变化，所以该地区的生态环境一直受到学术界的广泛关注。众多学者对渭北黄土高原地区已做了诸多研究，使该区域土地利用覆被变化及其驱动力的研究已经有了很大进展，但从众多学者的研究区域及研究内容，对于渭北黄土高原南部地区的土地利用变化研究较少，并且针对局部的个例研究，会更具有代表性，对于区域发展、区域土地资源的可持续利用具有指导性的作用。因此本文将选取咸阳市礼泉县为对象，利用遥感技术，重点对该区域土地利用覆被变化状况进行分析，探究影响其变化的驱动因素。

1 数据来源与预处理

1.1 数据来源

本文数据主要包括2005年、2010年Landsat4-5 TM及2015年Landsat8 OLI_TIRS共3期卫星数字遥感影像，分别用来获取礼泉县三个时期的土地利用类型，数据来源于中科院地理空间数据云(http://www.gscloud.cn)；咸阳市礼泉县行政边界矢量图，用来裁剪咸阳市礼泉县区域，来源于咸阳市统计局；礼泉县2005-2015年的社会经济统计资料，主要用于分析礼泉县土地利用覆被变化的人文驱动力，来源于咸阳市及礼泉县统计局统计年鉴。

1.2 遥感影像预处理

遥感影像的预处理部分主要进行的是图像的几何校正和图像的边界裁剪。由于三期TM遥感影像来源于同一经度下，且在ArcGIS中处于同一地理坐标系下，不需要作影像的几何校正。图像的边界裁剪，将咸阳市礼泉县行政边界矢量图分别与三期影像进行叠加，利用Clip程序对影像进行裁剪，裁剪后分别得到2005、2010、2015年咸阳市礼泉县TM影像(图1-a、b、c)。

图1 礼泉县遥感影像

1.3 土地利用分类方案

土地利用分类是进行土地利用变化过程研究的基础。本研究将土地利用类型分为六大类，分别为耕地、林地、草地、水域、建设用地和未利用地。对土地利用与土地覆被变化分类来说， 因为在利用ArcGIS软件进行空间叠置分析时，采用二级分类系统数据量过大，而且解译结果的精度也难以完全满足二级类型分析的需要，所以研究中采用土地利用分类系统中的6个一级类型，二级分类在遥感影像解译的过程中仅作为参考(表1)。

表1 研究区域土地利用分类系统

1.4 土地覆被解译

遥感影像的分类就是将图像中所有的像元根据其在不同波段的光谱亮度、空间结构特征或其他信息，按照某种规则或算法进行分类[1]。目前，影像解译的方法主要有目视解译分类方法和计算机遥感图像分类，后者又分为监督分类方法和非监督分类方法。本研究是以目视解译方法为主，结合礼泉县地形图以及Google地球对土地利用类型进行分类，系统的分析区域中各种地物的形状、大小、色调、位置，将礼泉县土地类型主要分为六大类，即耕地、林地、草地、水域、建设用地、未利用地。

在解译时，首先选用2015年的影像来进行解译，运用上述方法，对影像进行分类，提取影像中土地利用类型的信息，然后将解译出的结果分别与2005、2010年的影像叠加，提取并修改变化图斑(图2-a、b、c)。

图2 礼泉县土地利用类型分布图

2 研究区土地利用覆被变化分析

根据Lambin的观点，土地利用覆被变化主要有三种形式即土地利用方式的转化、土地退化和土地利用程度的变化[2]。而土地利用覆被变化在一段时间内主要存在三种变化的过程，分别是时间变化过程、空间变化过程和质量变化过程。这三种变化过程是土地利用变化的三个方面，相辅相承，用以描述土地利用变化的时间、空间和质量特征。土地利用变化主要体现在土地利用类型变化、土地利用类型数量变化、及土地利用变化的区域差异等方面。

本研究中主要对土地利用变化过程中的土地利用类型的数量变化、土地利用变化的速度、土地利用类型多样性分析、土地利用程度变化等进行分析讨论。

2.1 土地利用类型的数量变化

在ArcGIS中,对三期土地利用类型分布图进行空间叠置分析，将数据在EXCEL中进行统计分析，得到2005-2010年、2010-2015年两个时段的土地利用变化转移矩阵(表2、表3)。在土地利用变化转移矩阵的基础上，进一步得出这两个时期礼泉县土地利用覆被变化的主要类型面积表(表4、5)。

表2 礼泉县2005-2010年土地利用变化转移矩阵(单位：hm2)

注：行表示2005年土地利用类型，列表示2010年土地利用类型。

表3 礼泉县2010-2015年土地利用变化转移矩阵(单位：hm2)

注：行表示2010年土地利用类型，列表示2015年土地利用类型。

表4 2005-2010年礼泉县土地利用变化情况

通过对比两个时间段的土地利用类型面积情况表(表2、表3、表4、表5)，可以看出，2005-2010年礼泉县没有发生变化的土地类型占总面积的76.16%，面积为77 621.33 hm2，发生土地利用覆被变化的地类面积为23 502.3 hm2，比例达到了24%，面积增加的地类主要为建设用地、草地；面积减少的地类主要为耕地、林地。2010-2015年的土地利用类型的变化远远小于2005-2010年，且未发生变化的地类远大于变化的地类，2010-2015年，未发生变化的土地类型占总面积的95.42%，面积为96 488.06 hm2，发生变化的土地类型面积为4 635.57 hm2，占总面积的4.58%。面积增加的地类主要为建设用地、林地；面积减少的地类主要为耕地、草地。

表5 2010-2015年礼泉县土地利用变化情况

2.2 区域土地利用变化的速度

2.2.1 土地利用变化幅度 对土地利用类型变化的整体情况熟悉后，对土地利用变化幅度进行计算，它能反映不同土地类型在总量上的变化，可以通过土地利用类型的总量变化，来了解各种地类的总的变化趋势。通过对3期遥感影像解译出来的土地利用类型作统计，分析礼泉县土地利用变化的总体态势，从面积入手。然后，计算出两个时间段的土地利用变化幅度，其数学表达式为：

(1)

式中，Ua为研究初期某一种土地利用类型的面积，Ub为末期某一种土地利用类型的面积；KT为研究时段内单一土地利用类型的变化幅度。通过计算得出2005-2010年、2010-2015年咸阳市礼泉县土地利用类型面积变化幅度表(表6、7)。

表6 2005-2010年礼泉县不同利用类型土地面积变化

表7 2010-2015年礼泉县不同利用类型土地面积变化

综合各项地类变化面积情况分析，得出结论为：

2005-2010年土地利用类型变化和2010-2015年相比，土地利用类型的转出与转入情况存在明显差异。

2005-2010年，耕地、林地、未利用地面积减少，草地、水域、建设用地面积增加。其中草地面积增加5 684.97 hm2，增加比例为132.78%，建设用地面积增加1 033.38 hm2，增加百分比为10.65%，建设用地面积的增加主要由耕地转化而来；耕地、建设用地和草地变化最大，耕地面积减少5 922.15 hm2，由于耕地总面积大，因此下降百分比较小，减少比例为7.89%。

2010-2015年，耕地、草地、水域面积减少，林地、建设用地增加。其中林地、草地、建设用地变化最大，草地面积减少2 363.12 hm2，下降比例为23.71%，林地面积有所增加，增加面积为1 726.04 hm2，上升比例为17.45%，建设用地保持稳定增长趋势，面积增加1 030.61 hm2，增加比例为9.60%，建设用地面积的增加主要是由耕地转化而来。

2.2.2 单一土地利用类型动态度变化 土地利用动态度对区域土地利用变化的速度可进行定量描述，单一土地利用类型动态度表达的是研究区一定时间范围内某种土地利用类型的数量的速度变化情况，其表达式为：

(2)

式中：K为研究时段内某一土地利用类型动态度：Ua,Ub分别为研究期初及研究期末某一种土地利用类型的数量；T为研究时段长，当T的时段单位设定为年时，K的值就是该研究区某种土地利用类型年变化率。根据以上公式可以计算本区域2005-2010年，2010-2015年两个时期的单一土地利用类型年变化率(表8)。

根据计算结果,可以得出：

咸阳市礼泉县在2010年前后的两个时期，土地利用变化速度差异较大。2005-2010年，土地利用变化的速度较快，单一土地利用动态变化中，以草地面积的变化速度最大，年变化率达到26.56%,由于耕地面积总量较大，土地利用变化的部分所占比例较小，所以年变化率相对较小，为0.14%，对全县单一土地利用动态度排序为：草地>水域>建设用地>耕地>林地。

表8 礼泉县单一土地利用变化动态度

2010-2015年，单一土地利用动态变化中，草地面积的变化速度最大，年变化率分别达到4.74%，耕地由于总量较大，土地利用变化的部分所占比例较小，耕地的年变化率相对较小，为0.12%，2010-2015年全县单一土地利用动态度排序为：草地>水域>林地>建设用地>耕地。

2.3 土地利用类型多样性分析

土地利用类型多样性分析可以根据土地利用类型数量多少，分析区域土地利用类型的多样性，，它反映了土地利用类型的复杂性[3]。根据信息论原理，借助Shannon-Weaner指数，香农指数是用来描述个体出现的紊乱和不确定性，不确定性越高，多样性也就越高。所以土地利用类型多样性可表示为：

(3)

式中，H为多样性指数，Pi是土地利用类型i所占面积的比例；n为土地利用类型的数目。H值越大，土地利用类型结构及其内在联系就越复杂。

根据2005-2015年土地利用数据和土地利用类型多样性指数模型测算土地利用类型的多样性，结果见表9。

表9 2005-2015年礼泉县土地利用类型多样性指数变化表

由表9可知，礼泉县的土地利用类型结构比较单一，全县总面积70%都是耕地，而其土地利用类型的多样性也是从2005年到2015年逐渐变大，由于2005-2010年在一些地势较低的丘陵地带种植了果树，而本研究中土地利用分类时将园地划归到耕地土地利用类型，所以部分林地转向耕地，并且耕地中有很大一部分转为草地和建设用地，一些荒草地和裸土地用做适宜种植的人造林，加之一些未利用地的开发利用，使全县土地利用类型多样性相对增加。而2010-2015年，县域内没有大范围的土地利用类型发生变化，主要的地类变化为草地与林地之间的变化，草地与建设用地之间的变化，所以土地利用类型多样性指数小幅度增加，土地利用变化趋于稳定。

2.4 土地利用程度变化分析

庄大方、刘纪远提出了一套新的量化土地利用程度分析方法，即将土地利用程度按照土地自然综合体在社会因素影响下自然平衡保持状态分为4级，并分级赋于指数，根据以上的界定，将4种土地利用的理想状态定为4种土地利用级，并对4种土地利用级赋予其本身类别的值，则得到土地利用程度的分级指数，分级指数越大，表明土地利用程度越高[4]，如表10所示。

表10 土地利用强度分级赋值表

以土地利用程度分级赋值表为基础，考虑区域土地利用结构情况，按下列定量化表达式计算区域土地利用程度变化：

Ld=100∑AiCi

(4)

式中，Ld是土地利用程度综合指数；Ai为第i类土地利用程度分级指数；Ci为第i类土地面积比重。

根据表10中土地利用程度的分级赋值，编制了礼泉县2005年、2010年、2015年的土地利用程度分级图(图3-a、3-b、3-c)

图3 礼泉县土地利用程度分级图

根据表10中土地利用程度的分级赋值，利用土地利用程度计算公式，对礼泉县2005、2010、2015年的土地利用程度进行分析比较，结果见表11。

表11 礼泉县土地利用程度变化综合指数变化

土地利用程度主要反映土地利用的广度和深度，它不仅反映了土地利用中土地本身的自然属性，同时也反映了人类因素与自然环境因素的综合效应。根据计算结果(表11)，可以看出，礼泉县从2005年到2010年，土地利用程度有所下降，主要由于较大面积的耕地转变为林地和草地，而建设用地面积的增加比例只占耕地减少的五分之一，林地、草地的土地利用强度分级赋值小于耕地，所以土地利用程度有所下降，而从2010年到2015年，由于政府对于土地的严格管控，土地利用类型转变较小，且城区发展速度较之前有所减缓，土地利用程度趋于稳定，遂土地利用程度变化综合指数增加幅度较小。

3 社会经济因素分析

在短时间内，由于自然因素的难以改变性，社会经济因素是土地利用覆被变化的主要驱动力，下面分别对主要的社会经济因素进行定性分析。

3.1 人口增长因素

在土地资源的开发利用中，人口既是土地利用方式的决策者和参与者，也是土地输出产品的消费者。简而言之，人类能够通过生产技术、活动方式来改变、组织土地利用；同时，人类作为参与者，为其生存、生活也占据了一定面积的土地作为活动场所；最后，人还作为消费者，消耗土地利用过程中生产的产品。

表12 礼泉县2005-2015年户籍人口变化(万人)

注：数据来源于《咸阳年鉴》2006年统计资料、礼泉县2010年、2015年国民经济和社会发展统计公报。

从表12看出， 2005-2015年礼泉县总人口增加了2万人，而非农业人口则增加了10.8万人，较多的农业人口向城镇聚集，非农业人口的增长造成居住、交通等用地的需求和城镇的扩张，大量农用地转化为建设用地。而且大量的人口增长导致土地利用系统输出产品的需求量增加，提高土地利用系统的产出量只有两条途径：一是扩大土地利用面积，将其他地类转化为耕地，或者开发未利用的土地资源，提高土地利用率。二是调整、优化产业布局，提高土地的生产能力，增加单位面积土地的产出量。以上人类活动都将影响土地利用覆被的变化，改变其格局。

3.2 经济增长因素

经济增长进程对土地利用覆被变化也有着非常大的影响。一方面，经济增长对土地需求的总量水平和结构水平都会产生重要影响；另一方面，经济增长又会对土地持续利用提供必要的技术和资金支持。一般来说，经济发展对土地利用的影响主要表现在需求总量水平的上升、影响土地利用结构形成以及为可持续利用提供了先进的技术手段和财力支持等几个方面。礼泉县2005-2015年内社会经济统计指标见表13。

表13 礼泉县2005-2015年社会经济状况变化

注：数据来源于《咸阳年鉴》2006年统计资料、礼泉县2010年、2015年国民经济和社会发展统计公报。

从表13可以看出，10年来礼泉县经济水平稳步上升， 2005年国内生产总值26.86亿元，2010年国内生产总值72.56亿元，年均增长速率为34%，2015年国内生产总值151.8亿元，五年来年均增长速率为 21.8%，经济增长速度有所减缓。社会固定资产投资额2005年32.54亿元，2010年64.96亿元，年均增长速率20%，2015年投资额为182.03亿元，年平均增长速率为36%。农民生活水平日渐提高，由2005年的人均年收入2 250元，增加到2015年的11 817元，年均增长42%。全县第三产业比重稳定增长，到2015年比重达到36.1%，十年来，该区域加快了工业化的发展进程，产业结构快速向二三产业转移，吸引大量的农业劳动力向城镇的转移，对土地的需求量逐渐增大，农用地的数量逐渐减少，而交通、居住、旅游用地的比重还会逐渐增加。

此外，经济的快速增长也会影响区域土地利用结构的变化，由于产业结构的调整，加之两者之间存在着较强的关联性，将导致土地利用结构发生变化。而且一般情况下，区域经济增长水平的变化要先于土地利用结构的变化，所以，社会经济增长水平决定了区域土地利用方式和结构的形成与变化，对土地利用覆被变化的影响也是通过土地利用结构的调整来实现的。

最后，经济的增长能够为土地利用方式提供大量的财力支持，以及众多先进技术手段的应用，有利于土地资源的可持续利用，当区域经济发展到一定程度时，但其掌握的技术水平和财力未达到相应水平，大量的农用地转化为非农用地，土地利用效率不高，会出现土地污染和浪费的情况。当分类的经济增长达到一定水平后，人类会加大对土地利用的生产资料投入，采用众多的先进技术手段等一系列措施，会提高土地的利用效率，加大土地的利用程度，从而进一步改变土地的利用结构，影响土地利用覆被的变化规律。