涪江流域土地利用变化及其驱动力分析

杜华明

(1.绵阳师范学院资源环境工程学院，四川绵阳 621006；2.生态安全与保护四川省重点实验室，四川绵阳 621006)

0 引言

土地是人类生存之本，伴随社会经济的快速发展，土地利用/覆盖变化及驱动力分析已成地理学科关注的热点问题[1]，得到国际社会的广泛关注[2-4].宋戈等对松嫩高平原土地利用时空格局及分异规律的研究认为土地利用格局变化受人为、自然因素的共同作用[5]；童小容等对重庆市2000-2015年土地利用变化的分析发现重庆市土地利用程度以渝中区为核心从内到外依次呈“弱变化-剧烈变化-较强变化-较弱变化”的圈层扩展形态[6]；鞠洪润等对中国土地利用整体空间格局的研究指出中国土地利用多样性总体上呈现“东北、东南高，西北低”的态势[7]；罗惠等对中国土地利用转型研究动态与发展趋势进行了研究[8]；胡守庚等对土地利用转型潜力的研究显示以基于“强效”“快速”政策调整及工程技术措施的土地利用形态调整和基于“自发土地利用”的土地利用转型引导为形成机制[9]；谭少军等对三峡库区土地利用机制的研究指出该区域驱动机制由“生计-经济”驱动型转变为“多元协同”驱动型[10].纵观土地利用及其变化驱动机制的研究，目前土地利用变化研究较为成熟，土地利用驱动机制方面的研究尚显不足.土地利用驱动机制的研究主要以定性分析为主，定量分析方面表现为以土地利用类型与驱动因子间的相关分析为主.涪江流域地处内陆，位于青藏高原与四川盆地的过渡地带，地理条件特殊，生态环境复杂，山地、丘陵、平原构成该流域地貌的主要特征.在气候变暖、人口增加、社会经济活动加剧的背景下，涪江流域生态环境受到一定干扰和破坏，土地利用结构发生变化，因此，加强涪江流域土地利用变化及驱动力研究是提高涪江流域土地利用安全的有力保障.本文从自然-社会经济两方面选取影响土地利用变化的驱动因子，运用空间主成分分析法探索涪江流域土地利用变化的主要驱动因子.

1 数据来源与研究方法

1.1 数据来源

文中所涉及的数据主要包括1∶1 000 000的基础地理数据、DEM数据、遥感影像数据、社会经济数据，基础地理数据来源于全国地理信息资源目录服务系统(http://www.webmap.cn/main.do?method=index)；90 m分辨率数字高程数据来源于地理空间数据云(http://www.gscloud.cn/sources/)，主要用于高程指标、坡向的提取与相关计算；遥感影像数据来源于USGS(https://earthexplorer.usgs.gov/)；社会经济数据来源于中国县域统计年鉴[11].

1.2 研究方法

1.2.1 土地利用转移矩阵 土地利用转移矩阵能定量阐释不同时期土地利用类型之间的转化情况[12]，公式如下：

(1)

式中，Sij表示初期地类i转换成后期地类j的面积，n表示土地利用类型数量，i、j(i、j=1，2，…，n)表示不同时间段的土地利用类型[13].

1.2.2 空间主成分分析(SPCA) 空间主成分分析方法可将主成分因子分析结果在对应的每一个栅格上展现出来，空间可视化效果良好[14].本文在ArcGIS软件平台中利用Spatial Analyst的principal components工具实现，通过该分析工具获取每个主成分所对应的空间载荷图、各个成分的贡献率以及累计贡献率，将累计贡献率超过90%的主成分确定为有统计学意义的主成分[15].

2 结果与分析

2.1 涪江流域土地利用变化分析

2.1.1 涪江流域土地利用总体格局 通过对2001和2018年两个时间段的Landsat 7 ETM影像进行校正拼接处理后，运用ENVI5.1软件进行监督分类处理得到涪江流域2001年和2018年两个时间段的土地利用现状图(图1).分析发现涪江流域的土地利用类型主要以林地和耕地为主.林地主要分布在涪江流域上游地区，上游地理位置特殊，位于青藏高原与四川盆地的过渡地带，地势起伏大，气候垂直差异明显，且属于长江上游地段，广泛分布着林地.中下游区域地势平坦、海拔高差小、人口密集，耕地集中分布于涪江流域中下游地区.其他土地利用类型所占比例相对较小.

图1 涪江流域2001、2018年土地利用现状图Fig.1 Map of land use of Fujiang River Basin in 2001 and 2018

通过对涪江流域2001、2018年的土地利用类型面积及占比的统计分析得到表1，2001年，林地面积为22 805.39 km2，占比高达57.71 %，林地主要分布于江油-安州一线以北的涪江流域上游地区，中下游地区东部的梓潼、盐亭大部分区域，中下游西部边缘地区也有零星分布；其次是耕地，耕地主要分布于江油-安州一线以南的涪江流域中下游地区，总面积14 219.07 km2，占比35.98 %.草地零星分布于北部边缘的松潘境内，总面积815.07 km2，占比2.06%.水域总面积1 235.14 km2，占比3.13 %.建设用地面积小，主要分布于该流域区、县城镇所在地，总面积276.87 km2，占比0.70%.其他用地总面积为163.26 km2，占比0.41%.

表1 涪江流域2001、2018年土地利用类型面积及其比例Tab.1 Land use type area and its ratio of Fujiang River Basin in 2001 and 2018

2018年涪江流域林地面积大幅减少，总面积18 651.04 km2，占比47.20%，主要分布于江油-安州一线以北的涪江上游和中下游的东、西部边缘地带；耕地集中分布于江油-安州一线以南的涪江流域中下游地区，总面积17 830.20 km2，占比45.12%，耕地面积明显增多；草地主要分布于流域北部边缘地带，总面积905.10 km2，占比2.29%；水域总面积1 456.59 km2，占比3.69%；建设用地总面积528.42 km2，占比1.34%；其他用地总面积143.45 km2，占比0.36%.

整体上看，涪江流域2001年和2018年的土地利用面积由多到少分别为：林地>耕地>水域>草地>建设用地>其他用地，林地面积最高，其次是耕地，最少的是其他用地类型.2001年和2018年涪江流域的土地利用类型均以耕地和林地为主，2001年耕地和林地总面积高达37 024.46 km2，占比为93.70%；2018年耕地、林地总面积为36 481.25 km2，占比为92.32%.

2.1.2 土地利用变化空间图谱与转移矩阵

(1)空间图谱 利用ArcGIS制作土地利用图谱的空间变化特征，根据图谱变化，揭示涪江流域2001-2018年土地利用类型空间变化状况，结果如图2所示.由图2可看出流域所有土地利用类型的转变情况：耕地、林地是主要的转换类型，其次是水域和建设用地，大部分未转变的土地利用类型均以白色在图中进行表示.具体看，2001-2018年，耕地由14 219.07 km2增加到17 830.20 km2，草地由815.07km2增加到905.10 km2，水域由1 235.14 km2增加到1 456.59 km2，建设用地由276.87 km2增加到528.42 km2；2001-2018年林地由22 805.39 km2减少到17 830.20 km2，其他用地由163.26 km2减少到143.45 km2.总体上看，涪江流域2001-2018年耕地、草地、建设用地、水域呈增加趋势发展，而林地、其他用地则呈减少趋势发展.涪江流域耕地和建设用地增幅较大，林地显著减少，分析发现该流域受人口增长与经济发展的影响较大，导致耕地、建设用地呈明显增加趋势发展.

图2 2001-2018年土地利用空间变化图谱Fig.2 Atlas of land use change from 2001 to 2018

(2)2001-2018土地利用转移矩阵 表2是涪江流域2001-2018年土地利用类型转移矩阵，从表中可以看出2001-2018年每类土地的转出、转入情况.2001-2018年涪江流域有2 095.78 km2的耕地转出，转入(新增耕地)总量5 765.99 km2，转入耕地面积远远大于转出耕地面积，84.20%的耕地保持不变.2001-2018年涪江流域林地转出总量17 229.06.53 km2，转入(新增林地)总量5 857.48 km2，转出林地面积大于转入面积，71.85%的林地面积保持不变.2001-2018年间涪江流域草地转出总量805.79 km2，转入(新增草地)总量898.58 km2，70.74%的草地面积保持不变.2001-2018年间涪江流域水域转出总量为977.33 km2，转入(新增水域)总量为1 097.96 km2，44.02%的水域面积保持不变.2001-2018年涪江流域有262.83 km2的建设用地转出，转入(新增建设用地)总量为342.83 km2，76.99%的建设用地面积保持不变.2001-2018年涪江流域有163.26 km2的其他用地转出，新增其他用地48.15 km2.

表2 2001-2018年土地利用转移矩阵 单位：km2Tab.2 Land use transfer matrix in Fujiang River Basin from 2001 to 2018

2.2 涪江流域土地利用变化驱动力分析

影响土地利用变化的驱动力主要是自然和人为两种因素，稳定的自然条件对土地利用变化起制约作用，其主要是长期积累效应，在短时间内造成的影响很小；而变化的社会经济因素则是导致土地利用景观产生变化的主要因素，在短时间内则起着主导作用[16-17].涪江流域的地理位置特殊，位于盆地与高原的过渡地带，地势起伏大，气候垂直差异明显，对土地利用格局造成了很大的影响.由于涪江流域生态环境比较脆弱，且生长着诸多珍稀动植物，对涪江流域土地利用变化的驱动力进行分析有益于生物的保护，维护当地生态环境，谋求人与自然和谐共生.

2.2.1 土地利用驱动力指标体系构建 遵循数据选取的科学性、可获取性、准确性、系统性和简明性等原则，并参考同类文献的驱动力指标体系，结合涪江流域土地利用现状及其结构变化状况，选取了海拔、坡度、坡向、人口密度、人均GDP、全社会固定资产投资、粮食产量、工业总产值和公共财政收入等9个驱动力指标.其中坡度、坡向运用高程数据提取；人口密度、人均GDP、全社会固定资产投资、粮食产量、工业总产值和公共财政收入等数据来源于中国县域统计年鉴，运用ArcGIS软件经过IDW进行空间插值，获得社会经济数据空间分布图.运用自然断点法对驱动力指标空间分布格局图进行重分类处理，得到驱动力指标空间等级分布图(图3).

图3 涪江流域土地利用驱动因子分级图Fig.3 Classification map of land use driving factors in Fujiang River Basin

从图3可以看出，固定资产投资、工业总产值、粮食总产量、人口密度、人均GDP、地方公共财政收入等社会经济指标具有很强的空间分布一致性，均表现为中下游区域指标高，而上游区域指标低，由此可见，人口密度越高的区域，人类社会经济活动强度越大，对土地利用类型的变化起着非常重要的推动作用.高程、坡度两个指标在空间分布格局上表现一致，涪江流域江油-安州一线以北的上游区域海拔高，坡度大，而江油-安州一线以南的中下游区域海拔低、坡度小.

2.2.2 基于空间主成分的土地利用驱动力分析 利用ArcGIS10.5软件进行空间主成分分析计算，得到涪江流域土地利用变化驱动力变量相关系数矩阵、主成分分析特征根及主成分贡献率、主成分载荷矩阵(表3-表5).

表3 土地利用变化驱动力变量相关系数矩阵Fig.3 Correlation coefficient matrix of driving forces of land use change

通过对表4的分析发现，第一、二、三、四主成分累计贡献率达到90.61%；从表5可知，1、3、4、6、7、8、9与第一主成分具有较强的正相关性，2、5、9与第二主成分具有一定的正相关性，1、2、4、7、8与第三主成分具有相当大的正相关性，2、5、6、7、8与第四主成分具有很强的正相关性，可以发现，影响涪江流域土地利用变化的主要是经济社会驱动力因子，涪江流域土地利用变化与区域社会经济发关联性较高.

研究发现，自然环境条件对流域土地利用变化影响较小，而社会经济因素是促进涪江流域土地利用变化的主导因素.自然环境因子中坡向对土地利用变化的贡献最大，贡献率为11.94%，不同坡向造成对太阳辐射的吸收和降水等的不同，致使土地利用方式各异，形成了不同土地利用类型.社会经济因子中全社会固定资产投资、工业生产总值与粮食总产量三个因素对涪江流域土地利用变化的影响较大，其对流域土地利用变化的贡献率分别为57.49%、13.87%、7.31%.土地作为人类的生活场所，人口的快速增长导致人均土地面积减少，进而导致毁林开荒、过度开垦等现象，致使其他土地利用类型向耕地的转换速度加快.社会经济的高速发展和精神文化水平的提高，促使道路、娱乐设施、大型球场与公园等基础设施的建设加强，大量的耕地、林地被占用，转化为建设用地以满足人们的需求.土地是各类经济活动发展的基础和根本保障，同时社会经济的发展导致各种地类面积发生显著变化，工业的快速发展侵入周围的耕地、林地，改变城市周边的土地利用格局，经济活动对土地资源的索取导致土地分配的变化，致使研究区内各种土地类型发生显著变化.

3 讨论

本文运用土地利用转移矩阵、空间主成分分析等方法对涪江流域2001-2018年的土地利用变化及驱动因素进行研究，发现涪江流域土地利用类型主要以林地和草地为主，社会经济因素是影响流域土地利用变化的主要驱动因子.认识涪江流域土地利用变化及驱动因子对促进该流域土地利用的合理规划与可持续发展具有一定的参考作用.涪江流域位于青藏高原与四川盆地的过渡地带，海拔高差大，土地利用空间差异大，生态环境脆弱，本文根据该流域自然环境特征和人类社会经济活动状况，参考前人文献，从“自然环境——经济社会”两个维度构建该流域土地利用变化驱动因子指标体系，该指标体系具有很好的适宜性；但由于土地利用演变的内在演化机理问题还缺乏全面的、综合的与系统深入的分析研究，因此在土地利用变化驱动因子指标的选取上还存在一定不足，这些方面的不足促使我们认真总结经验，并在此基础上拓展新的研究领域.

4 结论

(1)2001-2018年间，涪江流域土地利用类型面积占比表现为：林地>耕地>水域>草地>建设用地>其他用地，该流域以林地和草地为主，约占93%，水域和建设用地占比很小.

(2)2001-2018年，涪江流域耕地、草地、建设用地、水域面积分别增加3 611.12、90.03、251.54、221.45 km2，而林地、其他用地面积分别减少4 154.35、19.81 km2.涪江流域土地利用类型转移比较明显的有九类，分别为耕地转林地、耕地转水域、耕地转建设用地、林地转耕地、林地转草地、林地转水域、草地转林地、水域转耕地与水域转林地.

(3)社会经济因素是影响涪江流域土地利用变化的主要驱动因子，涪江流域中下游地区人口密度较高，耕地和建设用地占比较大.伴随流域人口增多以及城市化进程的加快，对居住、生活和工作场所产生的压力增大使得建设用地的面积扩张.研究发现全社会固定资产投资、工业总产值、坡向与粮食总产量是导致涪江流域土地利用变化的主要驱动因素.