長株潭核心區土地利用生態風險驅動因子分析

傅麗華,何燕子,朱 云

(1. 湖南工業大學商學院,中國 株洲 412007；2.湖南師范大學資源與環境科學學院,中國 長沙 410081)

20世紀90年代以來,土地利用及覆被變化(LUCC)研究成為全球變化研究領域的重要組成及研究熱點.土地利用變化對生態環境及全球變化的影響研究已涵蓋了經濟、社會、生態等多個方面．不同研究區域的自然及人為驅動因素作用差異,對區域土地利用變化產生復雜而深刻的影響．克萊斯(Claessens, 2009)運用了土地利用變化的CLUE模型及景觀過程變化的LAPSUS模型進行模擬,指出土地利用及景觀變化過程在復雜和多尺度系統中互相聯系,受多種自然和社會經濟驅動因素的影響[1]；閆小培等運用GIS技術對珠三角城市群土地利用變化的人文因素進行定性與定量分析,指出人口、經濟發展水平、城市化與工業化、農業產業結構調整、區域產業結構調整和外資是影響珠江三角洲區域土地利用變化的主要因子[2],人口、城市化與工業化因子對土地利用時空變化的影響作用較大,其次是經濟發展水平和產業結構[3]．黃慶旭對1991～2004年北京城市擴展狀況定量分析,指出北京城市發展基本風貌和格局由城市規劃、土地利用政策、原有城市格局等宏觀尺度因子決定,社會經濟因素是城市擴展的中觀尺度驅動因子,地形、區位和交通特別是與高速公路的距離是影響城市擴展的微觀尺度因子[4]．

區域土地利用生態風險的驅動因子與一定的景觀格局和過程相聯系,并直接或間接對土地生態系統的結構及功能產生影響．在多種因子中選擇主導因子進行分析,有助于判斷土地利用生態風險的主要驅動因子及相關因子的作用方式與過程,也是土地利用生態風險評價和調控的基礎．

1 土地利用變化驅動因子篩選

本研究所指的長株潭核心區以長沙、株洲、湘潭3市城區為主體,在行政區域上空間相連并包括了長沙縣、望城縣(由于行政區劃調整,2011年5月已改為望城區,但為與統計資料數據保持一致,文中涉及的數據仍然稱望城縣,其他部分涉及區劃調整內容也暫不更改)、株洲縣、湘潭縣的區域．

人類活動的4種主要驅動過程是農業化、工業化、城市化、政治化[5]．影響區域土地利用變化的自然和人文因素復雜多樣,各驅動因子之間相互影響、互相制約,引起區域土地利用變化并導致土地用途及結構發生改變．

1.1 篩選方法

由于所獲取的土地利用數據不是連續的,因此考慮采取主成分分析方法來判斷主導驅動力．主成分分析也稱為主分量分析,是由Holtelling于1933年首先提出的．主成分分析將多指標轉化為少數幾個綜合指標進行多元統計分析,體現了數據降維的思想[6]．在對同一個體進行多項觀察時,涉及多個隨機變量X1,X2,…,Xp等,而這些變量具有一定的相關性,通過主成分法可以方便地找到能獨立代表某一方面信息特征與個體變異的綜合指標來概括信息．單項指標在個體間的變異越大,表明該指標與其他個體的區分度越高,指標變異大小作為指標選擇典型與否的標準．

1.2 分析步驟

以長株潭3市2000～2008年的社會經濟統計數據為基礎,選取了以下變量作為長株潭土地利用變化的驅動因子．建成區面積(X1)、城市化率(X2)、農村人口(X3)、城市人口(X4)、GDP(X5)、全社會固定資產投資總額(X6)、地方財政收入(X7)、規模以上工業總產值(X8)、農民人均純收入(X9)、城鎮居民可支配收入(X10)等，共10個變量．相關統計數據見表1．

首先選擇2000～2008年的長株潭3市社會經濟統計數據進行分析,明確社會經濟驅動因子對土地利用變化的影響程度．分析表明,社會經濟因子之間存在一定的線性相關性,各變量相關系數見表2．

表1 長株潭3市土地利用變化社會經濟因子變量統計數據匯總

注:數據來源為湖南省2000～2008年統計年鑒.

表2 選擇變量相關系數表

1.3 結果分析

從表2中所選指標的相關系數可以得出,建成區面積與農村人口以外的其他指標如城市化率、城市人口、GDP等各項社會經濟驅動指標均有很高的相關關系．在SPSS17.0軟件支持下的運算結果表明,第一、二主成分特征值分別為8.68和1.043,2類主成分累計貢獻率為97.28%,并包含了10個變量的絕大部分信息,將相關數據代入相關入選因子得到主成分荷載矩陣(見表3)．

在SPSS17.0軟件中運行得到結果如下．第一主成分包括:X9、X10、X7、X5,即農民人均純收入、城鎮居民可支配收入、地方財政收入和GDP等.第一主成分的各相關因子均是反映經濟發展動態的主要指標；第二主成分包括:X3、X4,即城市人口、農村人口,是區域發展過程中尤其是城市群發展變化的最重要的人口增長變化指標．主成分分析結果表明,第一、二主成分包含了最主要的社會經濟驅動因子．長株潭核心區土地利用變化分析最主要的社會經濟驅動因子是經濟發展水平相關的因子及人口增長變化因子．結合長株潭地區的人口變化特征分析,區域總人口逐步上升,且城市人口的增長速度遠高于我國人口平均增長速度,農村人口則呈下降趨勢,反映了由于大量農村剩余勞動力不斷向城市轉移,以及由于城市擴張對農用地的侵占,促使失地農民轉向城市和非農產業發展,進一步促進農用地向建設用地轉化．

表3 主成份荷載矩陣

2 基于景觀生態學的土地利用生態風險識別與作用分析

景觀生態學研究的核心內容是生態學過程與尺度之間的相互作用,景觀結構、功能和動態相互依賴和相互作用,景觀結構與景觀功能的形成和發展相互影響[7],從景觀生態學角度理解空間格局與生態過程的相互作用關系[8-9],結合社會驅動因子進行生態風險識別是土地利用生態風險分析的關鍵環節．

2.1 社會經濟驅動因子影響分析

社會經濟驅動因子對土地利用變化過程、作用方式及變化規律產生影響．長沙、株洲、湘潭3市作為湖南省經濟發展的核心增長極,近年來一直保持快速發展的態勢．以長株潭核心區土地利用變化最為顯著的2000～2008年這一研究時段為例,選擇人口、GDP、第一產業、第二產業變化率與建成區面積變化率進行比較(見表4，數據來源為湖南省2000～2008年統計年鑒)．運用SPSS16.0軟件在相關系數顯著性檢驗的顯著水平為0.05和0.01時,運用Pearson法分析各指標的相關性．結果表明:在顯著水平為0.05時Pearson相關分析結果顯示建成區土地面積變化與GDP及第二產業變化率的相關系數分別為0.983和0.999,與第一產業變化率的相關系數為-0.104,說明建設用地面積變化與GDP及第二產業變化率呈高度正相關關系,與第一產業變化率呈負相關關系．

表4 長株潭3市區2000～2008年土地利用與社會經濟發展速率比較

2.2 土地利用生態風險因子識別

Ruth,Wrbkaa等人認為,土地利用是社會經濟和生態因素長期相互作用的結果,在一個特定的區域內土地利用變化與經濟發展水平、人口增長以及景觀之間具有復雜的聯系,并形成各種類型的景觀[10-11]．景觀是土地利用生態風險因子作用的綜合體,一定的景觀格局、過程與景觀特征及生態功能密切聯系．在具有高度空間異質性的區域或生態系統中,系統內部的變化首先通過景觀結構或要素功能變化表現出相互作用及一定的組成規律[12]．土地利用變化因子是生態風險的主導因子,各相關驅動因子通過不合理的土地利用方式改變土地利用狀況[13-14]．結合土地利用變化的社會經濟驅動因子分析,并考慮土地利用方式、程度、景觀格局及功能變化篩選生態風險驅動因子,如圖1所示．

圖1 土地利用生態風險識別流程圖

2.3 生態風險驅動因子影響

區域經濟增長理論指出,區域土地利用形態在時序上的變化通常與社會經濟發展階段的轉型相對應,產業升級極易導致土地利用結構問題并引起生態系統功能變化[15-16]．如表5所示(相關數據為1989、1996、2000、2008年共4期遙感影像處理導出數據)，說明在1989～2008年間,不同土地利用類型中,建設用地與國內生產總值的變化更為一致,說明經濟發展加速是建設用地增加的主要驅動力；耕地面積在2000～2008年減少幅度最大,說明建設用地增加與耕地減少關聯度高；林地先減再增加又減的趨勢與研究區建設用地占用林地有密切的關系,但需要注意的是1996～2000年間林地數量增加,說明該時段建設用地增加未占有大量林地,2000～2008年間林地與耕地均減少且轉化為建設用地．

表5 1989～2008年長株潭核心區國內生產總值與建設用地變化比較

3 結論與討論

驅動因子分析是開展區域土地利用生態風險評價和風險調控的基礎．長株潭城市群土地利用變化受多種因素的影響,土地資源尤其是建設用地的供求矛盾日益突出,建設用地的快速增加導致長株潭核心區土地利用方式變化,不合理的土地利用決策對區域生態功能造成較大的影響．

3.1 社會經濟驅動因子是土地利用生態風險變化的主要驅動因子

分析結果表明,經濟發展與人口增長這2個社會經濟驅動因子是最重要的土地利用生態風險因子．經濟發展水平對建設用地擴張有直接影響,第二產業發展尤其工業化及經濟發展速度與研究區土地利用變化的關系最為密切．

3.2 不同驅動因子作用尺度及影響方式的差異

在多種土地利用變化因素中,區域尺度的自然因素相對穩定,通常表現為累積性效應,不直接導致土地利用變化,而是通過引起土地利用覆被變化而發生作用．社會經濟因素則相對活躍,主要通過改變人類的土地利用方式及決策來直接影響區域土地利用變化．在經濟增長、城市化、人口增長等主要社會經濟驅動因子作用下,土地資源的供求矛盾日益突出,不合理的土地利用方式直接導致土地生態功能的退化,給生態環境造成巨大壓力．

3.3 土地利用生態風險驅動因子分析的不足

尺度問題一直都是景觀生態學研究的重點問題之一,尺度對景觀格局的影響非常明顯,不同時空尺度土地利用生態風險驅動因子作用存在一定差異,選取合適的驅動因子是解決驅動力尺度效應的關鍵．判定驅動力變化并預測發展趨勢,開展土地利用變化驅動因子的多尺度特征研究有助于提高分析的科學性,對掌握生態風險作用機制起到重要的作用．今后應更注重對各驅動因子作用的尺度特征分析,更加重視社會經濟因素及土地利用方式的響應問題．

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