青海省土地利用变化及其社会经济驱动因素分析

李广英，李红颖，王凌青，江 峰，冯朝晖

（1.青海省生态环境规划和环保技术中心, 青海 西宁 810007；2.生态环境部对外合作与交流中心, 北京 100035；3.中国科学院地理科学与资源研究所, 北京 100101；4.中国科学院西北高原生物研究所, 青海 西宁 810001）

土地是人类赖以生产与生活的物质基础，与生态系统和环境保护息息相关[1]，土地利用/土地覆被变化是体现人类活动对陆地自然生态系统影响最直接的表现形式[2]，在一定程度上可以反映自然环境变化和生态环境质量[3]，是全球气候、环境变化与可持续发展研究的核心内容和热点领域，也被认为是导致全球生物多样性下降的主要威胁因素[4]。土地利用变化与社会经济发展、城市化及工业化进程及空间格局、产业结构演变、土地管理政策、人口数量等因素密切相关[5]。社会经济发展可影响土地利用类型转变，土地利用类型转变可反作用于社会经济发展[6]。已有研究指出城市化是我国土地利用/土地覆被变化的最主要作用力机制之一[7]，也是导致社会、经济与生态环境发生改变的重要影响因素，并以累积方式影响全球气候及环境变化[8]。我国土地利用变化的基本特征和空间格局研究指出国家宏观政策、区域发展政策以及社会经济发展是我国21世纪初土地利用变化的主要驱动力[9]。人们生活水平提高、农业用地内部结构调整是导致我国北方13 个省耕地变化的主要因素[10]；经济和人口发展、农作物播种面积和气候变化是导致青藏高原土地利用变化重要驱动力，其中温度上升和降水量增加是导致青藏高原东部区域草地、灌丛、林地增加的主要驱动因素；除上述因素外，政策变化和社会动荡是导致埃塞俄比亚中南部土地利用变化的主要驱动力[11]。

20 世纪50 年代，我国开始广泛开展土地利用规划研究，80 年代以来关注土地合理利用与保护[12]，90 年代我国学者在土地利用变化及可持续利用相关研究成果得到国际广泛关注。传统土地利用调查是土地利用研究较早的研究方式[13]，可为政府土地管理相关部门提供精准的基础数据。目前遥感影像具有较大空间尺度和较长时间尺度监测的优势[14]，可提供大量的数字化土地利用变化信息，因此高分辨率卫星遥感影像在土地利用调查及动态监测研究中得到较为广泛应用[15]。土地利用变化过程与生态系统服务、生态景观格局等有显著的影响[16-17]，物种的生境斑块、网络结构、城市土地合理利用及科学发展均与区域的土地利用结构和空间布局变化密切相关[18]。目前土地利用变化集中在时空演化特征及机制、驱动力分析、动态模型模拟、社会经济相关性、生态效应等方面的研究[19]。在研究方法上，利用遥感(remote sensing, RS)、地理信息系统(geographic information systems, GIS)和全球定位系统(global positioning system, GPS)相结合的3S 技术[20]，开展土地利用变化的数据研究是目前国内外较为常用的研究手段；通过土地利用动态度研究土地利用类型在一段时期内变化数量和剧烈程度；通过土地利用转移矩阵来研究某一时期内土地类型相互转移方向和转移速率，可分析土地利用变化类型的特点及其分布的时空变化过程；通过土地利用程度综合指数的大小反映某时期内人类对土地利用程度的高低。在研究区域和尺度上，大中尺度的生态脆弱地区、经济欠发达区域、热点地区和人口与城市化快速发展地区是主要的研究区域；然而，目前针对青海省土地利用变化特征及其驱动力的研究主要针对局部区域[21]，整体范围研究相对较少。

青海省位于世界“第三极”青藏高原东部，是我国长江、黄河和澜沧江三大河流的发源地，拥有丰富的、保护价值极高的自然资源和自然景观，然而其生态系统较为脆弱，是全球气候变化的生态脆弱区和敏感区[22]，且抗干扰能力较弱，极易受到各类环境因素变化的影响，因此青海省的土地利用/土地覆盖易受到人类活动的影响[23]，此外，青海省也是全球生物多样性保护关键热点区域之一，孕育了丰富多样、独具特色的特殊生态系统类型，为多种国家级重点保护动物提供适宜栖息地，近些年来青海省针对生态环境保护所实施的相关发展政策也对该省土地利用/土地覆盖的空间格局分布产生积极影响。因此，探讨青海省各个历史时期土地利用变化对于了解区域乃至全球环境变化具有意义，也为青海省的生态环境保护工作提供理论支撑。

本研究利用1980-2018 年期间8 期Landsat TM遥感影像解译数据，利用土地利用动态度指数、转移矩阵和土地利用程度综合指数方法，分析1980-2018 年间青海省各土地利用类型时间变化特征、空间迁移规律及人为干扰程度，并结合相关性分析探究社会经济发展因素对土地利用变化的影响，从而为土地资源合理利用、生态环境保护、编制土地利用规划、区域可持续发展等提供科学决策参考。

1 材料与方法

1.1 研究区域概况

青海省地处我国青藏高原东北部，位于31°39′～39°19′ N，89°35′～103°04′ E，总面积为72.23 万km2；平均海拔在3 000 m 以上，总体呈西高东低、南北高中间低的地势，境内包括柴达木盆地和横穿中部的昆仑山，发源和流经黄河、长江和澜沧江等水系，拥有大量湖泊等，地形地貌复杂多样，盆地湖泊、高山河谷、大川河流相间分布[24]。年平均气温较低且昼夜温差很大，降水量较少且呈现东南向西北逐渐减少分布特征，绝大部分地区属于半干旱区或干旱区，属于典型的高原大陆性气候，整体呈现出温度较低、日较差大、年较差小、降水量较少且集中、日照时间长、日光透过率高、总辐射量大、气温日较差大、高寒低氧的气候特征[25]。

青海省辖西宁市、海东市，海南、海北、黄南、玉树、果洛5 个藏族自治州和海西蒙古族藏族自治州。1952-2018 年青海省人口和GDP (Gross Domestic Product)整体呈现逐年递增的趋势；2018 年的常住人口为603.23 万人，比1980 年增长60.1%。该区域拥有森林、草地、荒漠、湿地、农田、高寒草甸等多类型生态系统，并分布有藏羚羊(Pantholops hodgsonii)、雪豹(Panthera uncia)、野牦牛(Bos mutus)、黑颈鹤(Grus nigricollis)等多种国家重点保护野生动物。

1.2 数据来源

青海省1980 年、1990 年、1995 年、2000 年、2005年、2010 年、2015 年和2018 年8 个时期土地利用来源中国科学院地理科学院与资源研究所资源环境科学数据中心(http://www.resdc.cn/)，各个时期土地利用类型分布是基于Landsat TM/ETM 遥感影像进行人工目视解译生成，其分辨率为1 km × 1 km。将青海省土地利用类型划分耕地、林地、草地、水域、城乡建筑用地和未利用土地6 个一级类型。经过野外考察验证，6 类土地利用类型分类准确系数高于0.85，能够满足研究需要。耕地是指种植农作物的土地，包括水田和旱地，青海耕地以旱地为主。林地是指生长乔木、灌木、竹类以及沿海红树林地等林业用地，青海省林地以灌木林为主。草地分为高、中、低3 种不同盖度草地，青海省草地以中、低盖度草地为主。水域指天然陆地水域和水利设施用地，青海水域以湖泊、滩地和永久性冰川为主。青海城乡建筑用地包括城乡居民点及其以外的工矿、交通等用地。未利用土地是指目前还未利用的土地和难利用的土地；青海省未利用土地以裸岩石质地、戈壁、沙地、盐碱地为主。

青海省8 个时期的社会经济指标数据来源青海省统计年鉴(http://tjj.qinghai.gov.cn/)，包括总人口、城镇化率、就业人口、GDP、人均GDP、第一至第三产业GDP、农林牧渔业GDP、工业GDP、建筑业GDP、工业产出、建筑业产出、农作物播种(包括小麦、杂粮和薯类)面积、农产品(包括小麦、杂粮和薯类)产量、牲畜存栏量(包括牛、马、羊)、农业总产值、林业总产值和牧业总产值，共计23 种社会经济指标。

1.3 研究方法

1.3.1 青海省土地利用变化过程与土地利用变化速度特征分析

将青海省8 个不同时期土地利用栅格图层数据输入ArcGIS 10.2 软件中，根据分类系统代码分别统计分耕地、林地、草地、水域、城乡建筑用地和未利用土地的栅格数量，通过SPSS 22 软件计算不同土地利用类型的占比和面积，由此开展单一土地利用动态度和综合土地利用动态度分析。

1)单一土地利用动态度

单一土地利用动态度可表示青海省内各土地利用类型在某一时间段内数量变化情况，反映了土地资源数量变化特征，通过以下公式计算青海省某一时间段内单一土地利用类型的年变化率[26]。

式中：Ki值表示第i类土地利用类型从研究初期t1到研究末期t2时间段内的土地利用动态度；Sit1和Sit2分别表示i类土地利用类型在t1和t2时期的面积。Ki值的正负分别表示面积的增加和减少，Ki值的大小则表示某一种土地利用类型在研究末期和研究初期之间面积变化的大小。

2)综合土地利用动态度

综合土地利用动态度可反映研究区域某一时间段内所有土地利用类型之间转移变化的整体状况，通过以下公式计算综合土地利用动态度[27]，由此反映青海省土地资源变化的剧烈程度。

式中：K值表示土地利用类型在T时间段内的综合土地利用动态度，ΔSi-j表示为T时间段内第i类土地转化为其他土地利用类型的面积总和，Si为研究初期第i类土地的面积。K值反映土地利用类型的变化速率，其值越大表示研究区域内某时间段内土地利用类型变化越强烈，其值越小则表示变化越平缓。

1.3.2 青海省土地利用变化过程及转移矩阵分析

1)土地利用转移矩阵

土地利用转移矩阵可表示研究区域某一时期内各个土地类型相互转移方向和转移实际面积，反映土地利用变化类型的特点和土地利用分布的时空变化过程。本研究通过ArcGIS 10.2 软件将研究初期(t1时期)和研究末期(t2时期)土地利用的栅格图层数据相互叠加分析，定量计算研究区域内不同土地利用类型间相互转换的面积，并制作转移矩阵图分析各土地类型的转移过程。其表达公式为[28]：

式中：Sij表示研究区域某一时期内第i类土地类型(研究初期)转化为第j类土地(研究末期)，n表示研究区内土地利用类型的数量。采用土地利用转移矩阵研究青海省1980-2018 年多个时段土地利用类型变化方向和定量面积。

2)土地利用程度综合指数

土地利用程度综合指数的大小在一定程度上可以反映某时期内人类对土地利用程度的高低，参考庄大方和刘纪远[29]提出的土地利用程度综合指数分析方法，本研究将土地利用类型按照不同利用方式，划分为4 个等级并进行赋值，未利用土地赋值为1，林地、草地和水域赋值为2，耕地、园地、栽培草地赋值为3，城乡、工矿、居民用地赋值为4，并根据以下公式计算青海省土地利用程度综合指数。

式中：La表示土地利用程度综合指数，Ai表示第i类土地利用的程度等级指数，Ci表示第i类土地利用类型的面积占比。La∈ [100, 400]，若La值趋于400，则表示该研究区域偏向城镇聚落发展，若La值趋于100，则表示该研究区域偏向未利用或未开发方向发展。

1.3.3 青海省土地利用变化与社会经济指标因子相关性分析

将青海省8 时期的6 种土地利用类型面积及其对应相同时期的23 类社会经济指标数据按照统一格式输入表格中，采用SPSS 软件计算两者之间的Pearson 相关系数和显著差异性分析。Pearson 相关系数可反映土地利用类型与社会经济指标之间相关关系密切程度[30]，相关系数使用r 表示，当|r|∈[0.8, 1]，表明变量之间强相关；当|r|∈ [0.5, 0.8]，表明变量之间中度相关；当|r|∈ [0.3, 0.5]，表示变量之间低度相关；当|r|∈ [0, 0.3]，表示变量之间弱相关或不相关。采用双尾检验分析计算显著差异性P值，若P值小于0.05 则表示两个变量之间存在显著相关性。

2 结果与分析

2.1 土地利用总体变化特征分析

对青海省8 个时期6 种土地利用类型数据进行了统计分析，结果表明草地和未利用土地是青海省主要的土地利用类型(表1)，在研究时期内两者共占青海省总面积的89%以上；城乡建设用地占比最低，不足0.5%。

青海省的耕地主要分布在东部地区和中部局部区域(图1)。林地主要分布在东部、东南部、南部及中部局部区域。草地覆盖全省境内，是青海省最大的土地利用类型。水域主要分布在中东部、中北部及西部零星区域。城乡建设用是该省用地占比最小的类型，分布较为零散。未利用土地主要分布在中部、北部和西部区域。

图1 青海省1980-2018 年土地利用空间格局Figure 1 Spatial pattern of land use in Qinghai Province from 1980 to 2018

城乡建设用地面积在1990-1995 年和2015-2018年两个时间段呈下降趋势，而其他5 个时段的面积均呈现增加的趋势(表1)。耕地面积在7 个时段呈现小幅波动变化；林地面积在1980-1990 年和1990-1995 年呈现持续增加，在后续5 个时段持续降低；草地面积在1980-1990 年和1990-1995 年呈现持续增加，在后续4 个时段持续降低，在2015-2018年急剧增加；水域面积在1980-1990 年和1990-1995年呈现持续减少，在后续5 个时段持续增加；未利用土地面积在1980-1990 年、1990-1995 年和1995-2000 呈现持续增加，在后续4 个时段持续降低。

表1 青海省各土地利用类型面积占比及变化面积Table 1 Area change of land use type in Qinghai Province

1980-2018 年整体分析可知，林地和未利用土地的面积减少，未利用土地减少面积最大(22 330.17 km2)；而其余4 种土地利用类型的面积均增加，草地增加面积最高(20 245.82 km2)。其中在2015-2018年期间，各土地利用类型变化均较大，耕地、草地和水域的面积均有增加，草地面积增加面积最大；林地、城乡建设用地和未利用土地的面积减少，其中未利用土地降低面积最大。

2.2 土地利用类型时间变化特征

青海省各时期的土地利用类型年变化率和综合土地利用动态度结果表明，城乡建设用地在各个时期变化幅度较大，其次为耕地和未利用土地，而林地变化幅度最小(表2)。1990 年之后城乡建设用地的年变化率(绝对值)整体上呈现逐渐增加的趋势，表明城乡建设用地变化愈加剧烈。

1980-2018 年整体分析，林地和未利用土地面积减少，其余5 种土地利用类型面积增加(表2)。综合土地利用动态度最大的时段为2015-2018 年(16.59%)，其次为2010-2015 年(6.62%)和2000-2005 年(5.00%)，表明这3 个时段土地利用变化较为剧烈；最低时段为1990-1995 年 (0.75%)，该时段土地利用变化较为稳定。整体上青海省综合土地利用动态度呈现递增的趋势，表明研究7 个时期青海省土地利用朝着越来越活跃的方向发展。

表2 青海省各土地利用类型年变化率和综合土地利用动态度Table 2 Annual rate of change and comprehensive dynamic attitude of land use in Qinghai Province%

青海省1980-2018 年各时期的土地利用程度综合指数显示，8 个时期的土地利用程度综合指数介于163～167，处于较低水平(图2)。1980-1995 年，综合指数呈现略微下降趋势；而1995-2018 年，综合指数则呈现不断上升的趋势，并且在2015-2018年上升最快，在2018 年达到最大值。研究表明青海省朝向城镇聚落发展的方向发展。

图2 青海省1980-2018 年土地利用程度综合指数分析Figure 2 Comprehensive index analysis of land use in Qinghai Province from 1980 to 2018

2.3 土地利用类型空间变化特征

根据土地利用转移矩阵分析了青海省土地利用各个类型变化过程及转换趋势(图3)，各时段6 种土地利用类型互相转换过程表明，在不同时段内，2015-2018 年青海省6 种土地利用类型相互转移最明显，发生了30 种土地利用转换类型，草地和未利用土地是变化最明显的类型，草地是其他土地类型的主要转入类型。1980-1990 年，6 种土地利用类型共发生19 种土地利用转换类型，其中未利用土地面积增加最大，水域减少面积最大。1990-1995年，共发生28 种土地利用转换类型，其中草地面积增加最大，水域减少面积最大。1995-2000 年，共发生25 种土地利用转换类型，耕地面积增加最大，草地减少的面积最大。2000-2005 年，共发生20 种土地利用转换类型，水域增加的面积最大，草地减少的面积最大。2005-2010 年和2010-2015 年，分别发生18 种和20 种土地利用转换类型，其中水域增加的面积最大，未利用土地减少的面积最大。

整体分析可知，青海省各土地利用类型在1980-2018 年期间发生了较明显的土地利用类型相互转换，6 种土地利用类型之间共发生30 种土地利用转换类型，转移过程如图3 所示，其中变化最明显的类型为草地和未利用土地，两者之间互相转换也较为活跃。草地转入和转出总面积分别为92 477.5 km2和72 190.7 km2，由未利用土地转入和转为未利用土地均最大。未利用土地转入和转出总面积分别为55 227.5 和77 585.6 km2，由草地转入和转为草地均最大。耕地、林地、水域和城乡建设用地由草地转入的比例最高。1980-2018 年期间内，草地、水域、耕地和城乡居民用地面积增加，其中草地、水域和城乡居民用地在2015-2018 年面积增加幅度最大，耕地在1995-2000 年和2015-2018 年面积增加幅度最大。未利用土地和林地在研究期内面积减少，两者均在2015-2018 年较小幅度最大。

图3 1980-2018 年青海省各时段土地利用转移矩阵Figure 3 Land use transfer matrix in various periods of Qinghai Province from 1980 to 2018

2.4 青海土地利用变化与社会经济指标因子相关性分析

青海省耕地的面积与人口、城镇化率、就业人口、GDP、人均GDP、第一产业GDP、第二产业GDP、第三产业GDP、建筑业GDP、建筑业产出、工业GDP、工业产出、薯类播种面积、农业总产值、林业总产值和牧业总产值呈现显著或极显著正相关(P＜ 0.05 或P＜ 0.01) (表3)，与杂粮播种面积、马养殖数量、农作物播种面积、小麦播种面积呈现显著负相关。草地、水域、城乡建设用地与社会经济指标因子相关性与耕地相近，其中草地相关性则相对更弱。林地、未利用土地整体与社会经济指标因子相关性则与耕地的相关性相反，其中未利用土地相关性则相对更弱。

表3 青海省1980-2018 年土地利用变化与经济因子相关系数Table 3 Correlation coefficient between land use change and economic factors in Qinghai Province from 1980 to 2018

3 讨论

本研究表明，1980-2018 年草地和未利用土地是青海面积最大的土地类型，共占青海总面积的89%以上，其中草地是境内面积最大土地类型，也是青海省最重要的生产资料。本研究指出青海省草地在1980-1990 年和1990-1995 年呈现较为平缓的增长趋势，然而在1995-2015 年间的4 个时段持续降低。草地是其他土地类型的主要转入类型，1980-2018 年耕地、林地、水域和未利用土地均由草地转入和转为草地的面积比例最大，而草地由未利用土地转入和转为未利用土地均最大。已有研究指出，1970 年青海省出现草地退化现象，长期过度放牧是导致草地退化最主要的原因[31]，人口增长、草地管理不善也是草地退化的重要因素，从而引发草地承载力下降，动植物多样性下降，水土流失加剧等一系列问题[32]，这可能是导致青海省草地面积在1995-2015 年呈现出下降趋势的原因。2000 年青海省开始实施退耕还林还草的生态治理工程，在一定程度上使不断恶化的生态环境和生态系统功能得到缓解和改善[33]，因此草地在1995-2015 年的下降趋势变缓，该政策在近些年取得一定成效，使得草地在2015-2018 年呈现出增加趋势。然而，本研究指出林地在1995-2018 年持续降低，目前还未得到有效恢复。因此，青海省林地面积的变化受到除政策实施外的社会经济发展、人类活动、建筑基础设置的共同影响。已有研究指出，城镇化率、交通发展和经济发展水平是影响林地面积变化的重要驱动因素[34]，本研究中青海省林地面积与人口、城镇化率、GDP、建筑业类、工业、农业和畜牧业均呈现显著的负相关，因此城镇化率和社会经济的快速发展同样也是导致青海省林地面积下降的主要因素。

城乡建设用地是青海省单一土地利用变化率最大的土地利用类型，其分布面积和年增加率整体呈现上升趋势，且与人口、GDP、建筑业类和工业呈现显著正相关，已有研究指出社会经济发展水平和工业化水平是城乡建设用地扩张驱动力因子[35]，而近40 年来，青海省社会经济不断发展，人口、GDP、工业、建筑业等同样呈现上升的趋势，表明社会经济发展和城镇化率提高是导致青海省城乡建设用地扩张的主要驱动力。1980-2018 年，城乡建设用地转入总面积为1 122.3 km2，其中由草地和耕地转入的面积较大；城乡建设用地转出总面积为648.4 km2，其中转为耕地和草地的面积最大。整体而言，城乡建设用地和草地、耕地的面积相互转入和转出，而草地、耕地转出为城乡建设用地的面积高于转入面积。已有研究指出，黄河流域城乡建设用地扩张以牺牲耕地为代价[36]，青藏高原草地特别是覆盖度高的草地是转为城乡建设用的主要类型，本研究也指出青海省草地和耕地是城乡建设用地扩张的主要来源。

综合土地利用动态度整体呈现上升的趋势，表明青海省土地利用变化越来越剧烈，处于快速发展时期，其中2015-2018 年6 种土地利用变化较为剧烈且相互转移明显，草地和未利用土地是土地利用变化最明显的类型，两者之间互相转换也较为活跃。综合土地利用动态度整体上呈现递增的趋势，研究时期内青海省土地利用朝着越来越活跃的方向发展。1980-2018 年青海省土地利用程度综合指数介于163～167 且低于全国平均水平(231.92)，但仍朝着城镇聚集的方向发展。由于青海省地理位置相对偏远、自然条件恶劣，人口分布相对离散且交通基础设施落后[37]，其社会经济水平与全国经济水平存在差异，整体发展水平低于全国。但近40 年来，青海省人口、城镇化率和社会经济处于增长趋势，全省正朝着城镇聚集方向发展

土地利用变化受到自然气候环境变化、地理位置、社会经济、人口增加、政策法规等多重因素共同影响[38]，在短时期内，自然气候环境变化的影响相对较弱，特别是进入社会经济快速发展时期，人口和社会经济变化是土地利用变化更为显著的驱动力，城市化、工业化加快反作用以累积方式对全球环境变化产生影响，因此本研究探讨人口和社会经济变化对青海省土地利用变化的影响，本研究综合表明青海省人口、GDP 快速增长以及建筑业、工业的快速发展，是影响该区域耕地、城乡建设用地面积、未利用土地面积变化的主要驱动力。城乡建筑面积与青海省人口、GDP 类的社会因子呈现强正相关性，城市化及经济发展和人口增长同样是青海省土地利用变化的主要驱动力。

4 结论

草地和未利用土地是青海面积最大的土地类型；城乡建设用地面积占比最低，是青海省年变化率最大的土地利用类型，且整体上呈现出变化程度愈加剧烈的趋势。研究时期内青海省土地利用朝着愈加活跃的方向发展，且朝向城镇聚落发展的方向发展，人口、城镇化率和社会经济处于增长趋势，是青海省城乡建设用地扩张驱动力因素，也使得全省正朝着城镇聚集方向发展，而草地和耕地是城乡建设用地扩张的主要来源。2015-2018 年和2000-2005年，青海省6 种土地利用类型在变化较为剧烈，其中草地和未利用土地是土地利用变化最明显的类型，两者之间互相转换也较为活跃。整体上，人口、GDP、建筑业、工业等社会经济发展以及土地管理政策是影响该区域土地利用类型不断变化的主要驱动因素。