武威市土地利用变化特征及其驱动响应

宋雪婷，程 偲

（兰州大学资源环境学院，甘肃 兰州 730000）

1 概述

改革开放以来，我国经济社会持续发展推动了区域城市化和现代化进程，国家区域协调发展与生态保护等战略的实施也对我国土地利用时空格局产生了显著影响。土地利用变化（Land Use Cover Change,LUCC）研究是当前全球环境变化研究的基础和关键[1]，土地利用变化及其人类响应与综合的土地利用区域模型是研究LUCC 的核心问题之一[2]。揭示土地利用过程中的主要自然和社会经济驱动力及其反馈过程，对促进区域土地可持续利用和经济社会高质量发展具有重要意义。

国内外学者对该研究进行了不同角度的阐释与解读。很多学者采用DPSIR、主成分分析等方法对土地利用变化驱动因素进行定量研究[3-4]。Lambin等[5]系统论述了导致土地利用变化的原因，刘纪远等[6]对21 世纪初我国土地利用变化空间格局与驱动因素进行了深入探讨。潘竟虎等[7]运用主成分分析法对近30 年玉门市LUCC 的驱动因素进行分析，发现农业人口增长和经济发展是最直接驱动因素，同时也受政策因素影响。在很大程度上，影响土地利用变化除了社会经济及自然因素外，还包括许多国土空间开发利用过程中实施的难以量化评价的土地利用政策、法律法规和空间规划等因素，而各因素对不同区域土地利用变化的驱动效度是不尽相同的[8-9]。

西北内陆干旱区地域辽阔但水资源缺乏，在自然气候和人类活动的长期作用下，形成了独特的土地利用格局[10]。研究土地利用格局演变特征及驱动响应过程对提高该区域土地资源利用效率、推动区域用地向集约转化和促进土地资源合理利用具有现实意义。目前，大多数研究集中在土地利用变化的单因素单向研究[11]，较少利用结构方程模型来测度土地利用变化的驱动响应过程，不能综合反映区域土地利用与自然—社会系统的关系[12]。本研究基于武威市2009—2018 年土地利用动态变化状况，从土地利用转移矩阵、动态度和利用程度综合指数探讨武威市10 年间土地利用的演变特征，进而利用结构方程模型综合量化分析区域自然、社会经济条件对其土地利用变化的驱动响应过程，旨在为武威市乃至西北内陆区国土空间开发与利用、经济社会可持续发展提供理论支撑及参考依据。

2 研究区概况、数据与方法

2.1 研究区概况

武威市位于甘肃省西部，地处黄土、青藏和蒙新三大高原的过渡带，是河西走廊重要的交通隘口。武威市总面积约3.23 万km2，现辖一区三县。武威市属于典型的温带大陆性气候，年平均气温7.8℃，年降水量60～610 mm，海拔1 020～4 874 m，地势呈西南向东北倾斜[13]。2018 年，全市地区生产总值（GDP）为469.27 亿元，年末常住人口182.78 万人，水资源总量14.8 亿m3。武威市已开发利用土地3 234 709.32 hm2，其中耕地454 680.41 hm2，林地369 820.16 hm2，草地981 309.25 hm2，城乡建设用地94 067.93 hm2，水域37 907.54 hm2，未利用土地1 296 924.03 hm2，2009—2018 年，全市城乡建设用地增加25%，为城市化快速推进提供了广阔的土地空间资源。

2.2 数据来源

本研究主要采用武威市2009—2018 年土地利用变更表和统计年鉴数据，以及2010 年、2014 年与2018 年3 期土地利用遥感数据。其中，2009—2018年土地利用变更表来源于甘肃省城乡规划设计研究院，2009—2018 年统计年鉴数据来源于甘肃省武威市统计局[14]，2010 年、2014 年与2018 年土地利用遥感数据来源于中国科学院资源环境科学数据中心的中国多时期土地利用土地覆被遥感监测数据集（CNLUCC）[15]，该数据集是以陆地卫星Landsat 遥感影像数据作为主要信息源，通过人工目视解译生成。

2.3 研究方法

本研究中LUCC 特征主要采用土地利用动态度、土地利用转移矩阵、土地利用综合指数三个指标来测度，其计算过程如式（1）—（4）所示。土地利用变化的驱动响应过程采用DPSIR-PLS 模型分析，模型的构建过程如下文所示。

2.3.1 LUCC 特征指标

（1）土地利用动态度

土地利用动态度可表达区域在一定时间范围内某种土地利用类型的数量变化情况[16]，计算公式为:

式中:Ua、Ub分别表示研究期初和研究期末某一土地利用类型的面积；T 为研究期时长；当T 的时段设定为年时，K 即为研究区域某种土地利用类型的年变化率。

（2）土地利用转移矩阵

土地利用转移矩阵是土地利用类型间相互转化的数量和方向定量研究的主要方法，能反映土地利用变化的结构特征和各类型间的转移方向[17]。

式中：Sij为研究期内第i 类土地向第j 类转化的面积；i 为第一时期土地利用类型；j 为第二时期土地利用类型；n 为土地利用类型的数量。

（3）土地利用程度综合指数

土地利用程度综合指数是描绘土地利用程度，研究区域内土地利用开发程度有效量化指标[18]，计算如式（3）、（4）所示：

式（3）、（4）中：L 为土地利用程度综合指数，数值越大利用程度越高；Ai为土地利用程度分级指数；Ci为土地利用程度面积百分比；Lb-a为土地利用程度综合变化指数；La、Lb分别为a、b 时间研究区土地利用程度综合指数；Ca、Cb分别为第i 级的土地利用类型面积百分比。当Lb-a>0 则表示区域土地利用处于发展期，否则处于调整期或衰退期。Ai取值参考刘纪远[19]提出的土地利用程度综合分析方法，将土地利用分为4 级：第1 级为未利用土地；第2 级为林、草、水用地；第3 级为农业用地；第4 级为城乡聚落用地。

2.3.2 驱动响应指标体系构建

DPSIR 模型[20]是由OECD 于1993 年对已有的土地利用与经济社会可持续模型修订而提出的方法，能有效整合土地可持续利用与经济高质量发展过程中资源开发、人口承载和生态环境中的问题。结构方程模型可用于探索多变量间的结构化指标相关性度量的问题，能够最大限度探索基于理论与模型框架下的多变量之间的相互关系。本研究利用SmartPLS 2.0 软件，基于DPSIR 模型和结构方程模型的基本思路建构土地利用变化DPSIR-PLS 模型[21]，探索武威市土地利用变化的驱动响应过程。

在参照已有文献的DPSIR 模型[22]基础上，构建以下5 个准则层：驱动力（Driving Force）用于表征驱动土地利用类型转变的推力，是度量区域土地利用过程中粮肉供给量及人口密集和城镇化率的承载量；压力层（Pressure Layer）是人口和生产生活耗水量增长而造成土地利用类型转变的压力；状态层（State Layer）是在驱动力与压力之下的社会经济发展的格局状态；影响层（Influence Layer）是土地利用在区域自然农牧生产和社会经济发展的格局状态下的影响；响应层（Response Layer）是社会经济状况与驱动力-压力-状态耦合下的区域综合社会经济指标与人口生产生活变化响应。

如图1 所示，基于准则层构建的土地利用变化驱动响应过程，其中驱动力作为区域人口对各类资源的利用，能对压力、状态、影响和响应等准则层做出基础支撑和间接影响（路线①）；社会经济发展的格局状态会对驱动力-压力-状态压力耦合下的人口生产生活变化响应带来直接影响，同时也会通过对土地利用的改变，间接改变区域的响应过程（路线②）。每个准则层分别用4～5 个基础指标进行度量化，构建的驱动力-压力-状态-影响-响应指标体系中共计24 个基础指标，见表1。

图1 驱动响应过程构建

表1 驱动力/压力-状态-影响-响应指标体系构建

3 结果与分析

3.1 土地利用面积时空变化特征

如图2 所示，2010—2018 年武威市土地利用面积随时间的变化量。武威市土地利用面积变化量最大的是耕地、草地和城乡建设用地，其中2010—2013年耕地面积持续减少，2014—2018 年耕地面积逐渐增加；2010—2012 年草地面积均为增加，2013—2018 年草地面积持续减少；城乡建设用地面积持续增加，其中2011 年增长量最多；水域、未利用地面积呈波动状态但变化不大。

图2 2010—2018 年武威市土地利用面积变化量

2010—2014 年，凉州区的建设用地扩张使主城区周边耕地缩减；天祝县耕地面积减少，实施下乡入川工程，并对迁出地实施退耕还林还草政策，该区域在此期间25°以上坡耕地退耕、15°～25°水源地耕地退耕、严重沙化耕地退耕等累计面积达1 935 hm2，使生态环境得以恢复和保护。2014—2018 年，全市耕地有所增加，主要集中在古浪县，因实施生态移民、易地扶贫搬迁工程，将生活在祁连山高深山区群众搬迁到北部川区，大量的未利用地转化为耕地，对古浪县第一产业产值增加和农民生活条件改善带来了显著影响。城乡建设用地在武威市各县区均呈现增加趋势，但增加趋势放缓、增长面积显著减少，主要来源于城市周边用地的征收和对城市交通运输布局优化需求的增长。林地在武威市全域的年度变化中均呈现减少的趋势，但是随着年份增加，减少量有所下降，一方面武威市受水文和气候条件影响造成林地保育难度加大，另一方面与武威全域实施天然林保护和造林工程、落实重点区域退耕还林政策实施和三北防护林体系建设工程有关。

同时，土地利用空间变化驱动因素还包括诸多国土空间开发利用过程中实施的难以量化评价的土地利用政策、法律法规和空间规划等因素。武威市重视天然林地的封育和保护，并积极落实各项林地利用政策，加强森林植被管护和封禁保护。2014—2018 年，全市林业投资完成额约3.2 亿元，天然林保育、无林地和疏林地新封山（沙）育林面积分别共计7 876 hm2和3 309 hm2，三北防护林体系建设工程建成防护林面积1 711 hm2，有效遏制了林地面积削减势头，并提高了林业产业总产值，2014—2018 年总产值创收56 亿元。另外，空间变化还包括全市各县区实施的城乡建设用地增减挂钩的国土整理项目，包括整理低效和废弃闲置的农村建设用地和独立工矿废弃地、等量核定为建设用地占用的耕地等。据不完全统计，2016 年以来，拆除农村宅基地约2 777.56 hm2，复垦出2 690.96 hm2的耕地，并已用于城市建设用地建设面积为1 154.48 hm2，其中占用城市周边耕地679 hm2，其余主要为未利用地的开发。这一举措实现了城乡建设用地空间布局调整和用地效益提升，也为未来经济社会发展和城市空间扩张预留了建设用地指标，从而影响了该市耕地与城乡建设用地的空间布局。

3.2 土地利用转移特征

分析武威市在2010—2014 年与2014—2017年的区域内土地利用转移矩阵情况（表2、表3），结果表明全市土地利用类型在2010—2017 年内发生了明显的转化。从总量上看，变化量较大的主要是耕地、草地和城乡建设用地。

表2 2010—2014 年武威市土地利用转移矩阵

表3 2014—2017 年武威市土地利用转移矩阵

从不同的时段来看：2010—2014 年，草地和城乡建设用地面积增加，增加面积分别为14 853.90 hm2和11 172.82 hm2，草地面积主要转入来源为耕地，城乡建设用地主要由耕地、草地和未利用地转换而来。2014 年，武威市人均城镇工矿用地面积256 m2，人均农村居民点用地面积达327 m2，超出国家规定的人均建设用地标准[23]，表明武威市城乡建设用地利用水平不高。耕地、林地、水域和未利用地面积减少，减少面积分别为23 168.21 hm2、1 096.76 hm2、248.45 hm2和1 513.30 hm2。2014—2017 年，耕地和城乡建设用地面积增加，增加面积分别为5 763.8 hm2和6139.63hm2，均主要占用草地。草地、林地、水域和未利用地面积减少，减少面积分别为7 958.53 hm2、2 301.81 hm2、50.76 hm2和1 592.33 hm2，其中草地面积减少最多，主要转换为耕地和城乡建设用地；其次为林地和未利用地，主要转换为耕地。

3.3 土地利用动态度与利用程度变化

2009—2015 年，全市耕地、林地、水域和未利用地面积减少，草地和城乡建设用地增加。各区县耕地、林地面积均为减少，其中耕地、林地面积年减少率最快的分别为民勤县（1.35%）、凉州区（0.81%）；凉州区和民勤县草地面积年增长率分别为0.86%、0.32%，古浪县和天祝县草地面积年减少率分别为0.09%、0.04%；凉州区（3.06%）和民勤县（3.01%）的城乡建设用地年增长率均高于全市平均水平，表明凉州区和民勤县城乡区都进行了不同程度的城镇化扩张。

2015—2018 年，全市林地、草地和未利用地面积减少，耕地、城乡建设用地和水域面积增加。林地、草地和未利用地面积减少率最快的分别为凉州区（0.40%）、民勤县（0.41%）、古浪县（0.39%）；耕地面积除凉州区减少外，其他县均有所增加，其中古浪县增长率最高（0.66%）；各区县城乡建设用地面积变化均为增加，但凉州区和民勤县的变化率明显减小，古浪县增长率最高（1.94%）。

2009—2018 年，总体上看，全市面积减少的为耕地、林地、水域和未利用地，其他用地面积增加。古浪县和天祝县耕地面积增加，其他区县减少，其中民勤县减少最快、古浪县增加最快；林地面积各区县均减少，其中凉州区减少最快（0.72%）；各区县城乡建设用地面积均为增加，天祝县增长率最低（1.85%），表4。

表4 2009—2018 年武威市及各区县土地利用动态度

续表4

从表5 中可知，在2009 年、2015 年、2018 年，武威市及其各区县土地利用程度综合指数均低于全国平均水平231.92[24]，表明武威市全域土地利用水平仍有待提高；2009—2018 年，武威市土地利用综合指数呈上升趋势，说明土地利用处于发展期。凉州区、古浪县和天祝县土地利用综合指数不断上升，民勤县土地利用综合指数先下降后上升。各区县土地利用程度存在较大差异，1 级土地利用程度民勤县最高，天祝县最低；2 级土地利用程度天祝县最高，其次为古浪县，民勤县最低；3 级土地利用程度凉州区最高，其次为古浪县；4 级土地利用程度凉州区最高，民勤县最低。

表5 2009 年、2015 年、2018 年武威市及各区县土地利用程度综合指数

3.4 驱动响应过程分析

图3 为DPSIR-PLS 模型的结构路径：模型解释了总体90%左右的变异数，各准则层之间的相关性均很显著（P＜0.05，r=0.95），表明该模型结构相较图1 中的理论模型结构，更能代表武威市土地利用变化驱动与响应过程。

图3 基于DPSIR-PLS 模型的土地利用变化驱动与响应过程

土地利用驱动力层面：粮食产量、肉类总产量和城镇化率三者相较人口密度而言，对武威市区域土地的改变产生了显著的正向影响，表明粮食和肉类产量保障了全域人口的基本粮肉需求，并有效促进了第一产业增加值的提升。而城镇化率作为土地利用变化的强大驱动力，使区域人口在城镇化阶段中向城镇聚居的过程对各类用地时空变化量和利用度均产生重要影响。武威市城镇人口逐年增多，但10 年间市域总人口呈小幅下降趋势，人口密度的变化没有对社会经济发展状态和用地数量减少产生显著影响。

土地利用压力层面：水资源是限制武威市各项发展的重要因素，当前，武威市水资源总体基本满足市域各项生产生活的需求，总耗水量的增加显著地保障了经济社会发展水平的提升，但其与总供水量显著负相关，表明在耗水过程中须平衡总耗水量与总供水量之间的供需关系，保障区域水土资源的耦合和优化利用，有效缓和市域土地利用变化压力。同时，从全域上来看，武威市农村人口和总人口均呈下降趋势，公路客运周转量的高度相关表明武威市存在本地人口跨区域流失的风险，这虽然能降低土地利用变化压力，并提高区域人均国土资源总体承载力水平，但从长远上看人口流失对武威市未来经济社会高质量发展是不利的。

土地利用变化状态层面：第一产业增加值、第三产业增加值和社会消费品零售总额相较固定资产投资对土地利用变化影响层有更高的相关性，这表明武威市全区国民生产总值中一产和三产的增加会显著地改变区域土地利用格局。同时，武威市城乡建设用地变化量逐年减少，且与一产、三产增加值和社会销售总额显著负相关，表明武威市产业发展与社会销售总额的增长对城乡建设用地空间面积扩张依赖的减弱，也进一步表明武威市城镇化发展仍处于“S”型中期加速发展阶段，需要土地利用结构调整与产业结构升级协调推进，进而实现区域国民生产总值提升和土地优化配置相协调，达到《武威市国民经济和社会发展第十三个五年规划纲要》中经济社会发展与各类涉及国土类规划的目标保持一致。

土地利用变化影响层面：林地和未利用地面积年变化量均无法用此模型度量，这二者更多的是受政策因素影响，特别是天然林保育、无林地和疏林地新封山（沙）育林等措施，与林地和未利用地的面积增减量息息相关；而草地面积与城乡建设用地面积年变化量对土地利用变化响应层有着相同的负趋向性，说明城乡建设用地和草地变化量有所减小，但仍不会造成响应层中牲畜承载量和人均GDP 等各类指标效应的减弱；而耕地和水域面积年变化量对土地利用变化响应层有相同的正趋向性，表明10年间耕地与水域的变化促进了财政收入比和城乡收入比的改善。

土地利用变化响应层面：牲畜承载量与耕地有效灌溉面积、总供水量存在显著的负相关效应，与总耗水量效应反之；而在时间尺度上总耗水量呈逐年增加、总供水量呈逐年减少趋势，表明区域牲畜承载能力与耕地有效灌溉面积受水资源总量限制严重。与此同时，在响应层中人均GDP、城乡收入比和财政收支比等综合指标逐年改善，特别是区域生产总值、农村可支配收入和一般公共预算收入的提升，是土地利用时空格局优化的具体表现，是城乡融合发展政策、区域生产总值提升造成的一般公共预算收入的政策效应和社会经济发展红利的外溢。

4 讨论

本研究采用的DPSIR-PLS 模型有效分析了土地利用变化驱动响应过程中驱动力对压力、状态、影响和响应准则层的间接影响大小，但社会经济发展格局对人口生产生活响应的直接影响没有被有效测度。因此，量化不同区域的土地利用变化驱动响应过程应在DPSIR-PLS 模型框架中选择差异化的指标因子。

武威市作为西北内陆区，应平衡好区域人口增长与土地利用之间的关系，促进人口城镇化与土地城镇化相协调，制定土地利用转变与人口增长挂钩的相关政策，促进区域内人地要素向集约、节约化土地利用上转化。同时，实施水源地水质提升和水量供需平衡工程，稳定生活、生产用水总供给量，打造节水工程、农业工程以提升区域用水效率，降低区域总耗水量，从而缓解新型城镇化发展过程中的水资源供需矛盾，提升区域水土资源承载能力。

同时，武威市应把握国家和省级农业、生态类型用地保护及经济社会协调发展的新机遇。国家政策中进一步加大对西部生态脆弱地区生态建设的支持力度，加大对农产品主产区和重点生态功能区的转移支付力度，这能有效推动武威市农产品产量提升和农用地节约、集约利用，促进各县区加强对生态脆弱用地的恢复，实现区域可持续国土空间优化和土地节约、集约利用。凉州区、民勤县两县区被甘肃省列入横向石羊河流域水环境改善生态保护补偿试点县，这也能在提高水源涵养林蓄水保水功能与增加水域面积的同时，发挥重点生态功能区的山水林河湖草生态系统经济价值，实现区域生态环境改善、水域用地面积保护和社会经济利益的多赢。

5 结论

本研究采用土地利用转移矩阵、动态度和利用程度综合指数分析武威市2009—2018 年土地利用时空变化特征，并应用DPSIR-PLS 模型探究该市土地时空变化的驱动响应过程，基于以上研究分析可获得以下结论：

（1）2009—2018 年，武威市不同土地利用类型的面积发生了较大变化，耕地、林地、水域和未利用地面积减少，草地、城乡建设用地面积增加。

（2）2010—2014 年耕地主要转化为草地，耕地面积减少，城乡建设用地主要占用耕地、草地和未利用地。2014—2017 年耕地面积在此期间增幅较大，主要来源于草地，其次是林地和未利用地，城乡建设用地则主要来源于城市周边和交通沿线的耕地占用和未利用地开发。

（3）2009—2018 年，武威市各县区土地利用程度综合指数均低于全国平均水平，2015—2018 年土地利用程度综合指数较2009—2015 年的变化量增大，土地利用状态总体上处于发展期。

（4）利用DPSIR-PLS 模型分析各准则层之间不同的驱动响应程度，结果为：驱动力层面粮食产量、肉类总产量和城镇化率是结构过程中的主要驱动因素；年末常住人口流失和总耗水量的增加是影响土地利用变化压力层的主要压力；状态层中逐年减少的总供水量与驱动层中的耕地有效灌溉面积和牲畜承载量有显著负向影响；土地利用影响层中各类用地的年变化量受自然、社会经济和难以量化的政策因素共同影响；武威市区域土地利用时空格局变化下人均GDP、城乡收入比和财政收支比等综合指标表现出较好的响应。