2005—2018年四川省广元市土地利用动态变化及驱动力分析

蒋玉爽，唐 榕，林叶彬

（西华师范大学 国土资源学院，四川 南充 637009）

随着近年来城市化发展，高强度国土开发建设，生态平衡与环境保护问题渐趋严峻，人类与土地利用之间的关系不断恶化[1]。因此，当前全球人类面临的共同难题是如何协调经济社会发展与生态环境保护两者之间的矛盾。土地系统是人类与环境之间相互作用的重要组成部分，与社会、经济、自然承载力等多种因素之间都存在着耦合性[2]，土地利用与土地覆盖变化（LUCC）是全球环境变化和可持续研究的重要组成部分，已经成为国内外土地研究的热点问题之一[3]。人类活动对地表环境施加影响的重要方式和响应称为土地利用变化[4]。通过建立数学分析模型和指标来研究一定时期内土地利用变化的过程，它是人类了解土地利用变化的原因、规律和过程以及揭示土地利用对人类活动的响应程度的重要途径和手段[5]。对其进行研究可以反映研究区土地资源的现状及社会经济发展状况，从而为区域土地资源和生态环境的可持续发展提供依据[6]。面对当前形势严峻的土地资源现状，要对土地进行合理规划利用。目前，国内外学者利用地理加权回归、地理探测器等方法分析了全球、国家和行政区域土地利用变化对人类活动的影响[7-9]。国内的刘纪远等[10]利用卫星遥感图像数据源，定期更新中国的土地利用变化数据，并开发土地利用动态区划的研究方法，在国家层面对土地利用变化的空间格局和时空变化特征进行研究。四川省广元市是嘉陵江重要的生态屏障和水源涵养地，水力、林业资源等丰富，并有国家森林城市、生态康养旅游名市等城市荣誉[11]，因此本文以广元市为研究区，利用2005、2010、2015和2018年的土地利用遥感监测数据，借助单一土地利用变化动态度、土地转移矩阵和土地利用变化综合指数数学方法和Arc-GIS10.2软件从土地利用面积时空变化、转换方向和动机等方面研究广元市近13年土地利用变化的基本情况和空间格局，为该地区土地的合理利用提供数据支持，以期为本研究区的土地利用规划及生态环境的可持续发展提供参考。

一、研究区概况

广元市界于北纬31°31′～32°56′，东经104°36'～106°45′之间，北与陕西省、甘肃省交界，南临南充市，东西分别与巴中市、绵阳市接壤。位于四川盆地北部，地势由北向东南倾斜，是山地向盆地过渡地带，并处于龙门山地震带上，地质活动频繁。气候为亚热带湿润季风气候，南部低山区冬冷夏热，北部中山区冬寒夏凉，秋季降温迅速。年平均气温16.1 ℃，七月份气温26.1 ℃，一月份气温4.9 ℃。年降雨量800～1 000 mm，日照数1 300～1 400 h，无霜期220～260 d，四季分明，旱、涝灾害频繁[12]。广元市植被类型为亚热带常绿阔叶林北部山地森林、草甸植被丰富，南部低山区以农业植被为主，森林、草地植被为辅。全市面积1.63万km2，下辖利州、元坝、朝天三区和苍溪、旺苍、剑阁、青川四个县，总人口303万人，城市人口27万人。

二、数据来源及研究方法

（一）数据来源

本研究所使用的遥感数据来源于中国科学院资源环境科学数据中心（www.resdc.cn），遥感图像为2005、2010、2015、2018四期分辨率为1 km×1 km的Landsat TM/ETM四川省土地利用现状图像。统计年鉴数据来源于四川省统计局和广元市统计局。

（二）数据处理

对四川省的行政区划边界利用ArcGIS10.2中的按掩膜提取工具提取出本文所需要的广元市的土地利用现状分类遥感监测数据，并进一步对所获得2005、2010、2015、2018年四期的广元市土地利用现状遥感监测数据按照国家标准的《土地利用现状分类》，利用ArcGIS10.2中的重分类工具将其分为耕地、林地、草地、水体、建设用地、未利用地六个一级地类，再将一级地类分为25种二级土地类型。

（三）研究方法

1.单一土地利用动态度

单一土地利用动态度一方面是对一定时期内固定区域范围内不同土地利用类型变化速度和变化幅度的指标[13-14]，另一方面，可以对数据进一步分析来预测土地利用变化的趋势。其计算表达式为：

式（1）中：K是研究时间内某一种土地利用类型动态度；Ua和Ub分别表示研究区开始和结束时某一土地类型的面积；T是研究期的长度，一般单位设定为年。

为了便于数据分析，本研究将持续时间分为3个阶段，即2005—2010年、2010—2015年和2015—2018年。

2.土地利用转移矩阵

土地利用空间转移矩阵可以全面描述区域土地利用变化的结构特征和不同土地利用类别的变化方向[15]，转移矩阵不仅可以反映研究期开始和结束时的土地利用结构，还可以反映研究期间各种土地利用类型的转移状况，即未变化、转入、转出的方向。该方法源于系统分析中状态转换的定量描述。转移矩阵的数学公式为:

式（2）中：S表示面积；n表示土地类型的数目；i、j分别代表研究区域开始和结束时的各种土地类型。

3.土地利用程度综合指数模型

土地利用程度是反映土地利用深度和广度的指标，也是衡量人类社会对土地资源自然综合体人为干涉强度的指标[16]。参照刘纪远等学者提出的土地利用程度综合指数评价法进行分级[17]，其表达式为：

式（3）中：Lj代表研究区土地利用程度综合指数；Ai表示研究区第i级土地利用程度分级指数；Ci是是指研究区第i个土地利用水平的土地面积百分比；n代表土地利用程度分级数，详见表1。

表1 土地利用程度分级表

三、结果分析

（一）土地利用类型的面积变化

利用ArcGIS10.2对广元市土地利用现状遥感监测数据进行提取、重分类以及统计分析，计算出各地类的面积占比及动态变化度（表2、表3）。

表3 广元市2005—2018年土地利用动态变化度

由表2可知，2005—2018年各地类总体上表现为林地、水体、建设用地面积增加，耕地、草地、未利用地面积减少。各地类的变化速度和幅度差异明显，具体表现为：

表2 广元市2005—2018年土地利用类型面积统计

（1）耕地面积由2005年的7 214 km2到2018年的7 171 km2，减少了43 km2，其中在2005—2015年耕地面积均呈减少状态，而2015—2018年三年间面积增加了31 km2，耕地变化速率增加至0.14%，表明耕地面积有增加趋势。

（2）林地表现为2005—2010年面积增加7 km2，2010—2015年面积又缩减了11 km2，变化幅度较小，总体上呈减少状态。而在2015—2018年林地面积增加迅速，变化率达到1.78%，面积增加了281 km2，据统计全市森林面积覆盖率逐年递增，截至2018年达到56.18%[11]。

（3）草地面积变化在2005—2015年与林地变化相似，面积处于较小幅度的波动变化。与林地不同的是，在2015—2018年草地面积大幅减少，减少了298 km2，变化速率达到−2.97%，变化显著。

（4）水体面积变化上，2005—2015年水体面积保持稳定增长，其中以2010—2015年增加较显著，增加了43 km2，变化速率由0.65%变化到4.82%；而在2015—2018年水体面积略有减少，但总体上水体面积呈增加状态。

（5）广元市受2008年汶川大地震影响导致2005—2010年建设用地面积有所减少，2010—2015广元市的建设用地面积大幅增加，增加了37 km2，变化速率由2005—2010年的−0.38%增加到7.18%，到2018年达到9.52%，面积增加了40 km2，变化最为显著。

（6）未利用地面积呈减少趋势，其中2005—2015年基本无变化，2015—2018年未利用地面积减少8 km2，土地利用变化率为−6.5%。

（7）各地类变化速率由大到小为：建设用地≷水域＞未利用地＞草地＞林地＞耕地，其中以建设用地增幅最大，未利用地减幅最大，在3个研究时段内以2015—2018年变化较为显著，表明2015年以后广元市土地利用变化强烈。

（二）土地利用类型的转化方向

使用软件ArcGIS10.2的空间模块分析对2005—2018年的土地利用/覆盖数据进行转移矩阵运算，获得近13年各地类转移变化数据并用桑基图来呈现（图1）。

图1 2005—2018年广元市土地利用转移变化图

图1清晰地反映了2005—2018年广元市各地类之间转化情况，可以看出在2005—2010年、2010—2015年两个阶段相比2015—2018年各地类间转移变化量较小，2005—2010年以耕地的转出最为显著，转出量为14 km2，主要转化的方向为林地、草地和水体，分别占耕地转出总量的36.36%、40.91%、18.18%，是该阶段林地、草地、水体面积增加的主要来源。2010—2015年各地类间的转化稍有增多，还是以耕地转出面积最大（60 km2），其次为林地（11 km2）、草地（10 km2）、水域（2 km2），主要转化方向为水体和建设用地，这可能与该阶段开始区域城市化及人类活动有关。未利用地在此阶段无变化。2015—2018年，各地类相互转入、转出较为复杂、频繁，转出面积由大到小依次为：耕地（2 837 km2）＞草地（1941 km2）＞林地（1931 km2）＞水体（153 km2）＞建设用地（92 km2）＞未利用地（20 km2）；转入面积由大到小依次为：耕地（2 862 km2）＞林地（2 184 km2）＞草地（1 637 km2）＞水体（148 km2）＞建设用地（132 km2）＞未利用地（11 km2）。

（三）土地利用程度的变化

运用公式（3），得到表4广元市2005—2018年土地利用变化综合程度指数在245.38～246.14间，变化较小，但具有明显提高的趋势，尤其以2015—2018年三年间提高明显，说明广元市从2015年以后各乡镇及城市等建设用地面积开始大幅度扩展，土地集约利用程度越来越高。

表4 广元市土地利用程度变化综合指数

（四）驱动力分析

土地利用的时空变化过程是错综复杂的，其变化的驱动力主要表现为自然和社会经济因素[18]，在本文的研究时间段内自然因素对土地利用变化产生影响的主要是地质构造因素，广元市处在龙门山断裂带上，是2008年汶川地震的重灾区，灾后重建对土地利用变化有一定影响，其他的自然因素对该研究时段内广元市土地利用变化影响较小。而社会经济活动是短时间内影响土地利用变化的主要驱动因素[19]，根据上文的分析以及广元市2005—2018年统计年鉴数据，从土地利用变化有关的社会经济因素中选取15个指标，分别是：代表人口状况的X1年末总人口、X2农业人口、X3人口自然增长率，代表城市化水平的X4城镇化率，代表产业结构的X5国内生产总值、X6第一产业占GDP比率、X7第二产业占GDP比率、X8第三产业占GDP比率，代表经济发展状况的X9农民人均收入、X10城镇居民人均收入、X11固定资产投资、X12粮食总产量、X13建筑业总产值及代表交通因素的X14货物运输量，X15旅客运输量。

应用SPSS 22.0软件对所选指标进行主成分分析来分析2005—2018年广元市土地利用变化的驱动力，得到主成分特征值及贡献率（表5）、主成分载荷表（表6）。

根据主成分分析中特征值＞1，累计贡献率≥85%可做主成分的原则[20]，可在表5中提取出前3个作为主成分，其累计贡献率已达到87.076%，满足分析要求，进而对其进行旋转载荷分析，得到表6主成分载荷表。

由表6可知，第一主成分与国内生产总值、城镇化率、城镇居民收入、建筑业总产值、农民人均收入、固定资产投资、农业人口、人口自然增长率相关性较大；第二主成分与客运输量、年末总人口、货物运输量相关性较大；第三主成分与第一、二、三产业占GDP比重有较大相关性。这表明广元市2005—2018年土地利用变化的驱动因子主要为：经济发展状况、交通运输及旅游业的发展、人口因素，此外还有退耕还林等政策及城市发展规划的推动作用。

1.社会经济发展及因素

社会经济发展是影响土地利用变化的重要因素之一，经济发展水平的提高会促进产业结构的调整，加快城市化进程，从而增加建设用地需求量，提高土地的利用强度。2005—2018年广元市处于经济发展阶段，尤其是2015年以后经济快速发展，其国内生产总值、第二、三产业占比，建筑业总产值、固定资产投资、城镇化率等均呈持续增加趋势，从而导致广元市的土地利用变化表现为建设用地面积的增加，而建设用地的扩张大量占用耕地，使得耕地减少，通过上文分析也可知2015年以后耕地主要转化方向为建设用地。

2.人口增长因素

广元市2005—2018年人口自然增长率不断增加，由2005年的0.08%增加到2018年的0.3%，与第一主成分有较大的相关性，是影响广元市土地利用变化的驱动力之一，而农业人口数量则不断减少，与第一主成分呈显著的负相关。人口的增加会导致建设用地的扩张，同时农业人口减少会使得耕地撂荒继而转化为建设用地，从而表现出耕地减少、建设用地增加的土地利用变化。

3.交通运输业、旅游业的发展因素

广元市2005—2018年的货运量和旅客周转量不断增多以及第三产业占GDP比率的增大，表明广元市旅游业和交通运输业快速发展，而旅游业的发展必然会增加旅游建设用地及其他配套设施的面积，以及许多农村人口开始发展旅游二次产品，忽视了耕地的管理和投资等，这也是广元市土地利用转化的驱动力之一。

四、结论与讨论

本研究基于遥感图像的土地利用栅格数据，运用ArcGIS10.2多种分析功能，对广元市的土地利用的动态变化及动因进行了分析，但由于数据获取条件有限，并且不能实现实地调查，限制了更加深入的细化研究，但本研究分析也反映了近13年来广元市土地利用变化的总体趋势，一定程度地揭示了广元市近年的生态环境变化及经济发展状况，主要结论如下。

（1）2005—2018年土地利用变化总体呈耕地、草地、未利用地面积减少，林地、水体、建设用地面积增加。广元市土地利用类型仍以耕地、林地、草地三大类型为主，建设用地、未利用地占研究区域的比例小，但建设用地比例逐步增加，各地类变化速度加快，土地利用水平正在逐步提高。

（2）从广元市土地利用类型转换的角度看，各地类在2015年以前转换较小，以耕地转出为主，2015年以后出现较为复杂的转入/转出现象，以耕地、草地转出，林地、建设用地转入为主，未利用地面积开始减少。

（3）从综合指数来看，广元市在2015年以后土地利用程度综合指数得到提升，土地集约利用程度越来越高。

（4）在驱动力方面，通过主成分分析表明经济发展状况、交通运输及旅游业的发展、人口的增长等是广元市在2005—2018年土地利用变化的主要驱动力因素。此外，自然因素及退耕还林等政策也对广元市土地利用变化起着推动作用。