河北省土地利用类型动态变化及驱动机制研究

乌日娜， 王 妍， 张兴东， 李雪铭， 王国力

(辽宁师范大学 地理科学学院，辽宁 大连 116029)

土地也是人类生产和发展的物质基础，对人类具有极其重要的意义[1].土地利用变化是多种因素相互作用的结果，自然因素和社会环境因素的叠加影响推动了土地利用变化的进程[2].土地利用变化不仅影响着生态系统的服务与功能、全球气候变化和物种多样性等自然环境的变化，还影响着区域资源和社会经济的可持续发展.随着经济社会的快速发展，土地利用变化随之加剧，对土地利用变化时空特征以及其影响因素的分析成为当前地理学科研究的热点问题[3].土地利用变化驱动力是指引发土地利用时空特征发生改变的因素，主要分为社会经济因素和自然因素两大方面[4].目前大多采用地理探测器[4]、层次分析法[5]、冗余分析法[6]、数理统计法[7]和地理加权回归[8]等方法对土地利用变化机制进行研究，通过对土地利用变化时空特征的分析和驱动机制的探讨，不仅有利于揭示土地利用时空演变的规律，而且有利于提高土地资源利用效率.

河北省地处华北，环绕京津地区，全省兼具高原、山地、丘陵、平原、滨海和湖泊，并且随着社会经济快速发展，城市化和工业化快速扩张，土地利用/覆被变化加剧，因此本文基于河北省4期土地利用数据，对河北省1990—2018年土地利用时空特征变化进行分析，并基于地理探测器对河北省土地利用结构变化驱动机制进行研究，以期为河北省社会经济可持续发展提供理论指导.

1 研究区域和数据来源

1.1 研究区域概况

河北省地处华北平原，西靠太行山，东临渤海湾，环抱首都和天津，省域面积达18.75×104km2，人口约7 591.97万人(2019年).地貌类型复杂多样，地势西北高、东南低，并且自西北向东南倾斜.气候以温带大陆性季风气候为主，雨热同期，降水季节差异较大，主要集中在夏季，全省年平均降雨量为350～800 mm；气温在空间上差异显著，由东南到西北气温逐渐降低，全省年平均气温为-0.3～14.0 ℃.

1.2 数据来源

河北省土地利用数据主要来自中国科学院资源环境科学数据中心(https:∥www.resdc.cn/)，所提供的1990年、2000年、2010年和2018年共4期土地利用数据，空间分辨率为30 m，并通过ArcGIS将河北省土地利用重分类为6类，分别是耕地、林地、草地、水域、城乡建设用地和未利用土地.河北省气温和降水数据主要来自中国气象数据网(http:∥data.cma.cn/)，时间尺度为1960—2018年.河北省的DEM数据来源于地理空间数据云(http:∥www.gscloud.cn/)，空间分辨率为30 m.其他社会经济数据来源于河北省各市县统计年鉴.

2 研究方法

2.1 土地利用转移矩阵

土地利用转移矩阵主要用以对各土地类型之间的转移趋势进行分析，可以对各土地类型之间的转换情况进行定量描述，其数学形式如下[9]：

(1)

其中，S代表面积；n代表土地利用的类型数,i、j分别代表研究期初与研究期末的土地利用类型,Sij表示转移前的i地类转换为j地类的面积.

2.2 土地利用动态度

土地利用动态度是指在研究时间段内土地利用类型的数量变化情况，是对区域之间土地利用变化时空差异的反映，主要分为单一土地利用动态度和综合土地利用动态度[10].

2.3 地理探测器

地理探测器是探测空间差异性，以及揭示形成空间差异驱动力的一组统计学方法[11]，主要分为因子探测、交互作用探测、风险区探测和生态探测4种探测.本文主要基于空间分异及因子探测和交互作用探测来对河北省土地利用变化各驱动力因素进行研究探讨.其中因子探测主要用来衡量各驱动力因素对河北省土地利用变化影响程度的高低，用q值度量.交互作用探测主要用来识别不同自变量因素之间的相互作用是否对因变量产生叠加影响，见表1.q值计算公式如下：

表1 交互作用的类型

(2)

2.4 土地利用程度综合指数

不同程度的人类生产活动产生不同的土地类型，基于土地利用程度综合指数可对不同区域的土地利用程度进行评价[12].土地利用程度综合指数[13]公式如下：

(3)

其中，La为土地利用程度综合指数，且La∈[100,400],Ai为第i级土地利用程度的分级指数,Ci为第i级土地利用程度的分级面积百分比,n表示土地利用程度级数.

3 结果与分析

3.1 河北省土地利用类型结构变化分析

由表2可知，河北省土地利用类型主要为耕地、林地和草地，面积分别为33 309.47、95 095.60和37 194.11 km2，其所占总面积的比例高达88.04%；其次为城乡建设用地，其面积为16 426.08 km2；未利用土地和水域所占比例最小，面积分别为1 691.39和4 387.90 km2，其占土地利用总面积比例极低，仅为3.23%.由表3可知，河北省土地利用在2000—2010年间变化最明显，土地变化面积为11 941.75 km2；其次为2010—2018年，土地变化面积为6 975.02 km2；在1990—2000年土地利用变化相对较小，土地变化面积为4 742.78 km2.此外，草地和耕地面积一直呈减少趋势，自1990—2010年草地和耕地面积分别减少了1 648.99和8 915.85 km2；城乡建设用地和林地面积均呈增加态势，自1990—2010年城乡建设用地和林地面积分别增加了9 664.95和1 170.88 km2；虽然水域面积在1990—2010年间减少了196.24 km2，但在2010—2018年间有所增加，其面积增加了1 144.24 km2；1990—2018年间城乡建设用地和耕地变化幅度最大，分别变化了了9 664.97和8 915.86 km2.

表2 1990—2018年河北省各土地利用类型面积及其百分比

表3 1990—2018年河北省各土地利用类型面积变化

3.2 河北省土地利用动态度分析

由表4可知，1990—2018年间，河北省草地和耕地范围逐渐缩小，表现为负动态度；城乡建设用地面积有所增加，表现为正动态度；水域和未利用土地变化趋势大体一致，其土地利用面积在1990—2010年间呈现出下降趋势，但在2010—2018年土地面积均有所增加，其土地利用动态度先负后正；林地仅在1990—2000年间土地面积有所减少，但减少面积较少，其动态度仅为-0.01.从时间角度来看，自1990—2018年河北省综合土地利用动态度呈现出先增加后降低的变化趋势，其中综合土地利用动态度在2000—2010年达到最高，为0.32%；随后在2010—2018年间综合土地利用动态度虽然有所降低，但还是要高于1990—2000年综合土地利用动态度.从各土地类型角度来看，城乡建设用地2000—2010年动态度最高，为4.09%，面积增加了5 633.74 km2；未利用土地在2000—2010年动态度较高，为3.58%，面积减少了714.21 km2.

表4 1990—2018年河北省各土地利用类型面积变化及动态度

3.3 河北省土地利用类型转移矩阵分析

本文以河北省土地利用数据为基础，通过ArcGIS的叠加分析工具对河北省1990—2018年土地利用类型转移趋势和转移动态进行分析，结果如表5所示.

由表5可知，1990—2000年河北省土地各类型之间的转换集中在草地、耕地和城乡建设用地之间，其中草地主要转为耕地与城乡建设用地；城乡建设用地、林地和水域等土地类型转出较少，而转入相对较多；未利用土地虽然面积较小，但也存在一定的转换，其转换趋势主要为向耕地与城乡建设用地转换，其转出面积所占总转出的比例分别为63.89%和31.02%.

由表5可知，2000—2010年河北省各土地利用类型之间的转换集中分布在林地、耕地和城乡建设用地之间.其中，草地转出面积多流入耕地与林地之中；城乡建设用地的面积转出多流入到耕地之中，其转入耕地的比例高达76.35%，面积为2 193.88 km2；城乡建设用地的面积转入多来自耕地，其转入面积为6 927.78 km2，转换比例为76.86%；水域面积转出较少，且多转入为耕地与城乡建设用地；未利用土地主要转换为耕地与草地.

由表5可知，2010—2018年河北省各土地利用类型转换情况与河北省2000—2010年土地转换情况大体保持一致.其中，城乡建设用地多向耕地与水域进行转换，其转换比例占总转出面积的86.21%；耕地转换情况较为复杂，各个土地类型均有所转入，但主要转为城乡建设用地、草地和林地，这与社会经济发展和政府制定的退耕还林还草政策息息相关，其中社会经济的发展推动了耕地向城乡建设用地的转入，政府制定的退耕还林还草等生态环境保护政策推动了耕地向林地和草地的转换.

由表5可知，1990—2018年河北省草地的转出面积多流入林地与耕地；城乡建设用地与耕地之间存在着互相转换的状况，并且转出面即均较高；林地的转出面积主要流入草地与耕地；水域虽然所占比例较小，但也存在一定的转换情况，主要转换为耕地，面积达到689.17 km2，这主要是由于大量的围湖造田造成的；未利用土地主要转换为草地和耕地，一方面是出于社会经济可持续发展的角度，另一方面则是社会经济快速发展而带来的压力.

表5 1990—2018年河北省土地利用类型转移矩阵

3.4 河北省土地利用类型程度分析

本文基于公式3，以区县为基本单元，对河北省各地区的土地利用程度综合指数进行计算.由表6可知，1990—2018年，随着社会经济的发展，城镇化水平的提高，河北省土地利用程度综合指数呈现出逐渐增高的趋势，这表明河北省土地利用持续处于上升发展期.此外，河北省各地区土地利用程度综合指数在空间上也存在一定的差异，其东部和南部的邯郸、邢台、石家庄、衡水、保定、廊坊和秦皇岛等地土地利用程度综合指数较高，土地开发利用较为成熟；河北省的东北部和中部偏西地区的承德、张家口和保定西北部等地土地利用程度综合指数较低，土地开发利用程度有待进一步提高.

表6 1990—2018年河北省各地级市土地利用程度指数

3.5 河北省土地利用驱动机制分析

3.5.1 指标选取

土地利用变化是一个动态的过程，是自然、社会和生态等因素叠加作用的结果，其变化的驱动因素主要包括自然因素和社会经济因素[14-15].本文从自然环境和社会经济两个方面考虑，选取了全市生产总值(X1)、第二产业产值(X2)、年末总人口(X3)、人口密度(X4)、第一产业产值(X5)、高程(X6)、降水(X7)、坡度(X8)、气温(X9)等11个驱动因子，利用GIS空间分析技术，对其进行可视化分析，并通过自然间断法进行分类.此外，借助ArcGIS对河北省进行格网化处理，将格网大小设置为5 km×5 km，然后对每个网格中心进行采样，共12 520个采样点.最后，根据采样点对自然和社会经济栅格要素进行采样提取，同时导入地理探测器模型中进行运行处理.

3.5.2 因子探测

因子探测结果主要反映各因子对土地利用变化影响程度的高低，河北省2000年、2010年和2018年因子探测结果如图1所示.由图1可知，2000年各因子对河北省土地利用变化影响程度的高低由大到小排序为：第二产业产值>第一产业产值>GDP>高程>年末总人口>人口密度>气温>坡度>降水；其中，第二产业产值、第一产业产值、GDP和年末总人口的q值较大，影响程度均在50%以上，分别达到0.671、0.637、0.630、0.519和0.503；气温、坡度和降水的q值较小，分别为0.355、0.286和0.268.2010年各因子对河北省土地利用变化影响程度的高低由大到小排序为：GDP>第一产业产值>年末总人口>第二产业产值>高程>人口密度>气温>坡度>降水；其中，GDP、第一产业产值、年末总人口、第二产业产值和高程的q值较大，分别达到0.692、0.671、0.617、0.547和0.529；气温、坡度和降水的q值较小，分别为0.319、0.287 和0.228.2018年各因子对河北省土地利用变化影响程度的高低由大到小排序为：GDP>人口密度>年末总人口>高程>第二产业产值>气温>坡度>第一产业产值>降水；其中，GDP、人口密度、年末总人口和高程q值较大，分别为0.603、0.601、0.600、0.557，气温、坡度、第一产业产值和降水对土地利用变化影响较小，q值分别为0.326、0.290、0.255和0.243.首先，GDP、第二产业产值、第一产业产值、年末总人口、人口密度和高程q值较高，气温、坡度和降水q值较低，而GDP、第二产业产值、第一产业产值、年末总人口、人口密度主要反映河北省社会经济发展情况，而气温、坡度和降水主要反映河北省的自然条件，这表明河北省土地利用类型变化主要受人为因素的影响，而受自然因素的制约较少；其次，随着时间的推移，GDP、高程、年末总人口和人口密度对土地利用类型的影响程度逐渐上升，第二产业产值和第一产业产值对土地利用变化的解释力逐渐下降，尤其是第一产业下降最为明显.

图1 2000年、2010年和2018年河北省土地利用类型因子探测结果

3.5.3 交互探测

交互作用探测主要是识别在不同驱动因子共同作用的情况下，对土地利用变化的影响程度是否会降低.2000年、2010年和2018年交互探测结果如图2所示.由图2可知，各年份交互探测结果均表现为非因子增强或双线性增强作用，这表明各驱动因子之间的综合作用会加大对土地变化的影响程度，也从侧面论证了土地利用类型变化是一个复杂的过程，受多种因素的综合影响.2000年高程与GDP、第二产业产值、年末总人口的交互作用较强，其解释力分布为0.811、0.817和0.826；此外，降水和GDP、第二产业产值、第一产业产值之间交互作用也较强，解释力分别为0.815、0.815和0.817；其次则为坡度和GDP、第二产业产值、年末总人口、第一产业产值、降水之间的交互作用，平均解释力为0.769.2010年和2018年各驱动因子之间的交互作用结果基本一致，其中各驱动因子之间交互作用对土地变化的影响主要集中在高程、降水、GDP、年末总人口和降水之间.各年份交互探测结果也证明了人为因素和自然因素相结合加大了对土地利用类型变化的影响深度和广度，例如高程与年末总人口之间的交互作用，2000年、2010年和2018年的解释力为分别为0.826、0.811和0.733，其解释力均较高.

图2 2000、2010和2018年河北省土地利用类型交互作用探测结果

4 结 论

本文首先根据LUCC对1990年、2000年、2010年和2018年土地利用结构进行分类，然后在此基础上对1990—2018年的河北省的土地利用结构、土地利用动态度、土地利用程度综合指数和转移特征进行分析，最后根据地理探测器对河北省土地利用变化的驱动因子进行探讨，结论如下：

(1)河北省土地利用类型以耕地、林地和草地为主，其次为城乡建设用地，未利用土地和水域所占面积较小；从时间变化来看，1990—2018年间，河北省耕地、草地和未利用土地面积有所减少，城乡建设用地和林地面积有所增加.

(2)总体来看，1990—2018年间，草地和耕地面积减少，呈土地利用负动态度；城乡建设用地面积增加，呈土地利用正动态度；林地、水域和未利用土地变化趋势基本一致，均为先减少后增加，土地利用动态度先负后正.

(3)自1980—2018年，河北省各土地类型之间的转换集中于在草地、耕地、林地和城乡建设用地之间的相互转换；城乡建设用地和林地的转入面积要高于转出面积，表现为城乡建设用地和林地面积的增长；耕地和草地转出面积要高于其转入面积，表现为草地和耕地面积的减少.

(4)从土地利用程度来看，河北省中部和南部土地利用程度较高，北部土地利用程度相对较低；并且自1990—2018年以来，河北省各地区土地利用程度均有所提高，但其东北部土地利用程度仍较低，土地开发利用程度有待进一步提高.

(5)在驱动力方面，通过地理探测分析可知，国民生产总值、第一产业产值、年末总人口、第二产业产值和人口密度等社会经济因素对土地利用类型变化的解释力较高，气温、降水和坡度等自然因素对土地利用类型变化的影响较低；此外，气温、降水、国民生产总值、第一产业生产总值和年末总人口等因子之间的交互作用较强，表明各驱动因子之间的综合作用会加大对土地变化的影响程度，也从侧面论证了土地利用类型变化是一个复杂的过程，受多种因素的综合影响.