兰州市土地利用变化及驱动因素的研究

曹 薇

(甘肃农业大学 管理学院，兰州 730070)

土地是由相互作用的各种自然要素构成的综合体，并且受到社会活动过程的影响，并又同时具备着自然属性和社会经济属性[1]。土地利用变化模型也是研究土地的使用和变化规律的重要工具，目前许多领域都对这个问题非常感兴趣[2]。确定土地利用过程中的自然和社会经济驱动因素及其过程，对于促进该地区的可持续土地利用和社会发展至关重要[3]。随着我国经济的飞速发展，各个行业也有了极大的发展机遇，城镇化进程不断加快导致土地利用结构发生了巨大的变化，如果过度的开发土地，会引起水土流失、土地沙化，严重影响农业生产及物种多样性，因此研究土地利用结构变化及其变化过程，研究未来土地利用变化趋势越来越重要。国外还比较注重土地和生态环境之间的关联性[4]。Rahman等对孟加拉国库图比亚岛的土地损失、土地覆盖和变化以及土地的利用问题展开了系统深入的研究，使用GIS技术确定出八种完全不同类型的土地利用评价模型[5]。Yin Qinghui[6]等人在GIS技术的帮助指导下，以乡镇村为主要研究对象，深入地研究分析了我国城郊区土地资源利用格局的历史变迁过程及其主要变化因素。研究表明，自然因素在较长的时间内会对土地利用有重大影响，但短期时间，社会经济因素起着重要作用。我国也有许多学者对土地利用变化驱动因素进行了深入的研究[7]。

本文将以兰州市2010—2020年的土地利用变化作为研究对象，首先从三个方向分析兰州市土地利用变化特征，分别是土地利用面积转移矩阵、土地利用动态度以及土地利用程度，得出了2010—2020年兰州市土地利用变化的情况；其次从自然和社会经济因素分析出对兰州市土地利用变化影响最大的因素；最后用主成分分析法得到影响兰州市土地利用变化的主要驱动因素。

1 研究区概况及数据来源

1.1 研究区概况

兰州市位于甘肃省中东部，总面积13 083 km2，下辖三县五区，包括城关区、七里河区、西固区、安宁区、红古区，永登县、榆中县、皋兰县[11]如图1所示，兰州市属于温带大陆性气候，年平均气温9.8 ℃，年气温差异较大，年平均降水量327 mm，年平均日照时数 2 446 h 左右，无霜期180 d。兰州市海拔在 1 500～3 000 m，由西南逐渐往东北倾斜，地貌形态复杂多变、交错分布。市域内水资源丰富，贯穿市域的黄河及其支流湟水，黄河干流兰州段全长152 km，全年总用水量9.95亿m3。2020年底兰州市常住人口为437.8万人，同上年相比增加了 58 710人，其中城镇地区人口在总人数中占比56%，人口密度为331人/km2。2020年兰州市生产总值为 2 886.74 亿元。按常住人口算，人均生产总值达到 66 680元。城市居民人均可供支配的收入为 40 152元，农村居民人均可供支配的收入 14 652 元[12]。兰州市2020年粮食产量达33.64万t，社会消费品零售总额为 1 641.23亿元。

图2 2010、2015、2020年兰州市土地利用类型图

1.1.1 兰州市土地利用现状

2020年兰州市土地总面积为13 100 km2，其中耕地面积占总面积19.90%，种植园地面积占1.37%，林地面积占11.32%，草地占54.28%，湿地占0.29%，城乡、工矿居民用地占5.73%，交通运输用地占1.79%，水域面积占0.68%，其他土地占4.63%，如图1所示为2020年兰州市土地利用类型占比。

1.2 数据来源及处理

本文需要用到的兰州市2010—2020年的土地利用数据来源于兰州市2010—2020年土地利用变更数据库、社会经济数据来源于2011—2021年甘肃省统计年鉴和2011—2021年兰州市统计年鉴。

通过对相关文献和书籍等资料的阅读，对土地利用变化、驱动因素资料进行收集、整理和总结。了解其研究动态、研究内容、研究方法等，以此为基础确定本次研究兰州市土地利用变化的研究方向和思路。利用ArcGIS软件，分析土地利用变化，将不同时期的土地数据进行分析，以不同的颜色反映在图上，直观地呈现出土地利用空间变化，进而分析影响兰州市土地利用变化的主要驱动因素。

2 兰州市土地利用变化特征分析

本节利用面积转移矩阵、动态度两种方式分析兰州市土地利用变化特征，为接下来的驱动因素的研究做好数据支撑。故分析2010—2015年、2015—2020年以及2010—2020年土地利用变化，以2015年作为中间年份。

2.1 土地利用结构变化分析

根据地理监测平台提供的兰州市2010—2020年土地利用数据，分析兰州市2010年、2015年以及2020年的土地利用类型变化。利用土地利用类型图得出兰州市土地利用变化特征。

由兰州市2010年、2015年以及2020年土地利用类型图如2所示，草地、耕地和林地是兰州市占比较大的土地利用类型。耕地多在南部、北部中心地区，林地主要分布在兰州市南部和西北部地区，草地分布范围较广，主要分布在兰州市东部地区。未利用土地占地较小，主要分布在兰州市南部地区，城乡、工矿居民用地主要分布在兰州市南部地区，水域贯穿兰州。

2.2 土地利用类型转换变化分析

计算兰州市三个阶段(2010—2015年、2015—2020年、2010—2020年)的土地利用类型转移矩阵，分析不同时间段的土地利用类型转换。

表1 兰州市2010、2015与2020年各土地利用类型面积(hm2)及占比(%)

2.2.1 面积转移矩阵

(1)兰州市2010—2015年土地利用类型转换

兰州市这五年间草地面积减少为31 194 hm2，主要转出为耕地和其他用地，较多转入为耕地。城乡、工矿居民用地面积增加了 68 838 hm2，由耕地转化来，转出为耕地。耕地面积减少面积为 68 525 hm2，主要转出为草地和城乡、工矿居民用地，主要流入来源是草地。林地面积减少为 1 611 hm2，主要转出为草地，主要流入来源是草地和耕地。水域用地面积增加为111 hm2，主要由耕地转换而来，流出主要转变为耕地和草地。其他土地面积增加为 32 722 hm2，主要由草地和耕地转换而来，流出主要转变为草地和耕地。兰州市2010—2015年土地利用类型转换如表2所示。

表2 2010—2015年兰州市土地利用类型面积转移矩阵(hm2)

(2)兰州市2015—2020年土地利用类型转换

总体上看，2015—2020年，兰州市草地面积减少 165 486 hm2，主要转出为城乡、工矿居民用地和耕地，主要流入来源为耕地。城乡、工矿居民用地增加面积为 369 804 hm2，转入为耕地和草地，转出为耕地。耕地面积减少了 151 553 hm2，主要转出为草地和城乡、工矿居民用地，主要流入来源是草地。林地面积减少面积为 14 540 hm2，主要转出为草地，城乡、工矿居民用地和耕地；由草地和耕地转来。水域用地面积增加了 8 135 hm2，主要由耕地转变，流出主要转变为耕地和城乡、工矿居民用地。其他土地面积减少面积为 46 411 hm2，主要由草地，城乡、工矿居民用地和耕地转换而来，流出主要转变为草地。如表3所示。

表3 兰州市2015—2020年土地利用类型面积转移矩阵(hm2)

(3)兰州市2010—2020年土地利用类型转换

总体上看，2010—2020年，兰州市草地面积减少 196 680 hm2，主要转出为城乡、工矿居民用地和耕地，较多转入来源为耕地。城乡、工矿居民用地增加面积为 438 642 hm2，转入为耕地和草地，较多转出为耕地。耕地面积减少了 220 078 hm2，主要转出为草地和城乡、工矿居民用地，主要流入来源是草地。林地面积减少 16 451 hm2，主要转出为草地和城乡、工矿居民用地，转入为草地。水域用地面积增加了 8 246 hm2，较多从耕地转换而来，流出主要转变为耕地和城乡、工矿居民用地。其他土地面积减少了 13 689 hm2，主要由草地和耕地转换而来，流出主要转变为草地。如表4所示。

表4 兰州市2010—2020年土地利用类型面积转移矩阵(hm2)

根据兰州市2010—2015年、2015—2020年和2010—2020年这三个时间段的土地利用面积转移矩阵可以看出，兰州市这10年间土地利用类型变化明显，其中草地、耕地、林地的面积一直在减少，一方面是由于人口的增加、经济的发展导致城乡建设用地大量增加；另一方面由于水域对人民生产生活有重要的作用，所以水域面积增加。

2.3 土地利用变化速度分析

下面利用土地利用动态度来表现(2010—2015年、2015—2020年、2010—2020年)兰州市土地利用类型的变化速度。结果如表5所示。

表5 兰州市2010—2015年土地利用动态度(%)

Ua代表研究开始时期任何一种土地类型的面积；Ub代表研究结束时期任何一种土地类型的面积；T指研究时间；K指这一时间段内土地利用变化率[13]。2010—2015年，兰州市耕地、林地、草地面积减少，其中减少最快的是耕地，减少率为0.34%。水域，城乡、工矿居民用地和其他土地面积增加，其中增加最快的是其他土地面积为6.80%。如表5所示。

2015—2020年，兰州市耕地、林地、草地和其他土地面积减少，其中其他土地减少最快为7.14%。水域，城乡、工用地增加，其中城乡、工矿居民用地面积增加最快为14.08%。如表6所示。

表6 兰州市2015—2020年土地利用动态度(%)

2010—2020年，兰州市其他土地减少最快为1.41%。水域和城乡、工矿居民用地面积增加，土地利用动态度分别为1.09%和9.60%。如表7所示。

表7 兰州市2010—2020年土地利用动态度(%)

2.4 土地利用程度分析

从土地利用程度综合指数的变化程度能够看出来该城市处于什么时期，计算公式如下：

L为土地综合利用指数，Ai为土地利用类别指数，Ci为土地利用面积与土地利用类别之比[14]。Ai取自刘纪远[15]提出的土地利用水平综合分析方法，将土地利用水平分为四个等级。如表8所示。

表8 土地利用分级指数表

表9显示，2010、2015、2020年兰州的土地利用综合指数高于全国平均水平231.92[16]，说明兰州的土地利用很好，2010—2020年，兰州市的综合土地利用率指数从233.98上升到238.61，表明兰州市的土地利用在发展。未使用的土地数量先增加，然后减少，但总体上未使用的土地数量减少。2010—2020年期间，林、草和水的用地呈现出下降趋势，表明人类活动对土地使用和当地生态环境都产生了影响。农业用地级呈降低的态势，这与兰州市所提出的退耕还林还草以及增加建设用地有一定的关系。城市聚落用地级呈现出提高的态势。

表9 2010—2020年兰州市土地利用程度综合指数

综上所述，兰州市2010—2020年土地利用变化特征，结果如下：①利用土地面积转移矩阵得出兰州市2010—2020年主要土地利用类型转换：耕地、林地主要转变成草地，城乡、工矿居民用地；城乡、工矿居民用地、耕地由草地、水域转变；城乡、工矿居民用地变成耕地；草地主要由其他土地转变而来；②兰州市2010—2020年草地、林地耕地和其他用地面积减少，土地利用动态度分别为草地：-0.22%、林地：-0.18%、耕地：-0.54%、其他土地：-1.41%。水域和城乡、工用城乡、工矿居民用地面积增加，变化速度为1.09%和9.60%；③兰州市的土地利用综合指数不断上升，所以兰州市土地利用处于发展期。

3 兰州市土地利用变化驱动因素分析

土地利用变化驱动因素包括自然和人为两个方面，彼此之间联系紧密、相互渗透。影响土地利用变化的基础因素是自然因素，自然因素在一定程度上决定着某地区的土地利用结构。影响土地利用变化因素中包括社会经济因素，例如，人口的增加会增加城乡、工矿居民用地，经济发展容易对土地利用变化产生影响。接下来进行自然因素和社会经济因素的分析，从这两个因素分析的结果中得出对土地利用变化影响最大的因素进行分析。

土地利用的类型结构和变化的类型一定程度上由自然因素影响，比如在气温较舒适、地形较平坦、水资源较丰富的地方更适合发展生产生活，所以这些区域通常就是城镇村及工矿用地、耕地等生产生活用地。其一，兰州市的气候差异明显，属于温带大陆性气候，各地区之间温差较大，早晚温差大。总体降水量比较低，降水量主要集中在夏季。兰州市四季分明，为农业生产提供了良好的气候条件。集中的降雨量，使得黄河水位上升，容易引起洪涝灾害，影响着生产生活和土地的利用变化。其二，该地区的土地利用类型一定程度上与该地区的地貌类型有关，兰州市地形地貌19%石质山地，66%黄土梁峁丘陵，15%河谷川台盆地，城乡生产生活主要集中在兰州盆地、秦王川彭迪、榆中盆地和主要河谷区域。山地分布在南北两侧，北部主要以林地、草地为主；南部主要以城镇村及工矿用地、草地和耕地为主；中部主要以城镇村及工矿用地和耕地为主。其三，兰州市河流水系较多，土地利用的布局很大程度上被河流水系所影响，由于兰州市南部河流水系众多，所以该地主要分布林地、草地和城乡、工矿居民用地，中部耕地面积较大，是主要的粮食产区。兰州市水资源低于全国平均水平，是“守在河边，却极度缺水”的地方，兰州市河流径流地表水资源量为384亿m3，地下水资源量为9.6亿m3。自然因素是历经很长时间形成的，在短期内没有明显的变化，所以对土地利用变化的影响也相对来说小，但是自然因素还是可以在一定程度上决定土地利用类型。

自然因素在短时期内对土地利用变化的影响较小，所以重点分析社会经济因素对土地利用变化所产生的影响。在土地利用变化的发展过程中，自然因素影响社会经济因素，自然因素和社会经济因素是互补的，反之亦然，许多社会经济因素都与自然因素有某种联系。

在社会经济因素当中会有较多因子对土地利用变化产生影响，为了用较少的指标来比较全面地反映出来，采用主成分分析法，其目的是用少量简化的旧变量取代复杂的新变量，这些旧变量在很大程度上保留了原始变量所包含的信息，并产生少量影响土地利用变化因素的综合指标。

根据兰州市土地利用基本情况，由于兰州市土地利用类型中草地、林地和耕地占比较大，所以第一考虑的因子选取该跟农业有关，故选取了农林牧渔总产值以及农田有效灌溉面积和粮食产量作为驱动因子；其次城镇村及工矿用地占比次之，运用包含在内的人口，城镇化率，地均GDP以及三种产业占GDP的比重和固定资产投资、社会消费品零售总额作为驱动因子。综上所述，选取这11个可能影响土地利用变化的因素作为驱动因子，并查阅兰州市的统计年鉴，如表10所示。

表10 兰州市土地利用变化驱动力指标

采用SPSS24.0软件，进行主成分分析，得出影响2010—2020年兰州市土地利用变化的主要驱动因素。

(1)特征值与贡献率。表11中的总方差解释表是由主成分分析得到的，根据特征值的大小确定了主成分的数量。如果特征值大于1，说明该成分对这11个变量有很强的解释力，可以作为降维分析中的主成分使用。第一成分的特征值为6.964，其方差贡献率为44.489%，第二成分的特征值为1.691，其方差贡献率为30.592%，第三成分的特征值为1.243，其方差贡献率为14.900%，这三个成分的总方差贡献率为89.981%，这说明前三个成分更能够解释这11个因素。因此，本研究选择这三个部分作为兰州土地利用变化的主要因素。

表11 特征值与贡献率

用这个图来分析各个初始特征值(见图3)，可以看出，成分1、2和3的变化很大，从成分4开始逐渐平滑。因此，可以看出，成分1、2和3具有较高的特征值，可以解释初始变量的变化信息。

图3 碎石图

主成分载荷。主成分载荷矩阵表示每个变量在所有变量上的载荷，变量载荷的绝对值越高，说明该成分能更好地解释该变量。由于原始成分矩阵不能更清楚地表达变量的意义，在本研究中，选择标准化的正交凯撒旋转法，对原始变量进行因子化，经过六次迭代后旋转收敛，得到原始主成分载荷和旋转后的主成分载荷矩阵如表12所示。

表12 原始成分载荷和旋转后成分载

4 结果与讨论

通过旋转后的主成分载荷表可以明显地看出，第一主成分与第一产业占GDP比重、第二产业占GDP比重、第三产业占GDP比重、城镇化率、社会消费品零售总额、地均GDP有着明显的关系；第二主成分和地均GDP、农业灌溉的实际面积和年底的居民人数密切相关，第三个主成分与固定资本形成和粮食生产密切相关。指标分析表明，影响兰州土地利用变化的主要因素是人口规模、经济发展和城市化程度。

(1)人口影响土地变化。影响土地利用变化的一个最主要原因就是人口，人口变化影响到土地使用的时间和空间分布，人口增长导致住宅开发的增加，这反过来又导致城镇和村庄以及工业和采矿场的增加。兰州市常住人口数量从2010年的361.61万人增加至2020年的437.18万人，2010—2019年增幅较小，2019—2020年增幅较大。如图4所示。

图4 2010—2020年兰州市常住人口

兰州的城市化率从2010年的56%上升到2020年的62%，表明2010—2020年兰州的城市化将稳步发展，兰州的城市人口增加，农村人口将减少。随着农村人口的减少，可耕地仍未使用，最终将被转化为城市、农村、工业和采矿用地，导致可耕地面积减少。如图5所示。

图5 2010—2020年城镇人口和乡村人口对比

(2)经济的发展对土地利用变化的影响。在本研究中，选择了兰州市2010—2020年的地均GDP和城市居民点、工矿用地面积进行分析(见图6)。从图中可以看出城市居民点、工矿用地和地均GDP的变化几乎一致且一直处于上升趋势，说明经济发展和土地利用变化之间有一定的关系。

图6 地均GDP和城镇村及工矿用地关系

本研究分析和研究了兰州市2010—2020年的土地利用变化及其影响因素。首先，分析兰州市土地利用变化特征，用了三个办法，包括：土地利用类型转化(面积转移矩阵)、土地利用动态度和土地利用程度，这三个办法比较充分的反映除了兰州市土地利用变化情况。其次，从自然和社会经济因素角度分析研究影响兰州市土地利用变化的主要驱动因素。因为包括气候等的自然因素短期内对土地变化的影响不大，而社会经济因素中所选择的因子对土地利用变化有很大影响。所以运用主成分分析法，得出兰州市土地利用变化的主要驱动因素。最终得出以下结论：2010—2020年，兰州的主要土地使用模式发生了变化：耕地及林地主要转化为草地和城市、农村、工矿用地；草地主要转化为城市、农村、工矿用地和耕地用地；其他用地主要转化为草地。兰州市土地利用综合指数不断上升，土地利用处于发展阶段。自然因素在一定程度上决定了兰州市的土地利用变化模式。兰州市2010—2020年土地利用变化驱动因素主要为社会经济因素，社会经济因素主要为人口、经济发展和城镇化水平。

由此，对于兰州市的土地利用变化提出三点建议。首先，坚决保护耕地与基本农田，巩固兰州市的农业发展，各县(区)根据《基本农田保护条例》，设立基本农田保护区，稳定农业及粮食生产；其次，合理利用各种土地资源，制定各项优惠政策，鼓励和支持单位、个人投资土地开发整理，将土地开发整理与农业结构调整，防治水土流失和荒漠化相结合，使得土地开发整理进入规范化的轨道；最后，需要保障国民经济建设的用地需求，从而促进兰州市人口增长，加快经济发展及提高城镇化水平。