烏魯木齊市近16年建設用地和耕地變化驅動力比較分析

孔靜靜, 魏建新,2

(1.新疆大學 資源與環境科學學院, 烏魯木齊 830046; 2.新疆大學 地理學博士后科研流動站, 烏魯木齊 830046)

烏魯木齊市近16年建設用地和耕地變化驅動力比較分析

孔靜靜1, 魏建新1,2

(1.新疆大學 資源與環境科學學院, 烏魯木齊 830046; 2.新疆大學 地理學博士后科研流動站, 烏魯木齊 830046)

以新疆烏魯木齊市1996—2011年自然、人文和土地利用數據為依據，基于數理統計分析方法和統計軟件，對烏魯木齊市16 a的建設用地和耕地變化特征和驅動機制進行了探討和對比分析。結果表明：(1) 1996—2011年烏魯木齊市建設用地經歷了平緩上升→迅速增長→減速增長的變化歷程，耕地則為平緩減少→迅速增加→逐漸較少。(2) 經濟發展、人口增長、農業技術進步和產業結構調整是影響烏魯木齊市建設用地和耕地動態變化的因素，而政策措施對該市的建設用地和耕地變化起直接導向作用。(3) 各驅動力對建設用地和耕地驅動方向、驅動力大小、驅動因素影響的敏感性均表現出差異性，且同一土地利用類型在不同時期驅動因素也有差異。本研究旨在揭示建設用地和耕地變化規律及機制的同時為區域土地的可持續利用和生態環境保護提供科學依據。

建設用地; 耕地; 驅動力; 定量比較分析; 烏魯木齊市

基于我國城市化進程不斷加快和耕地紅線的嚴格控制雙重背景下，城市建設用地不斷擴張已成為城市土地利用/覆蓋變化(LUCC)的顯著特征。烏魯木齊市作為新疆政治、經濟、文化中心，隨著人口的增長、建設用地需求量的增加，建設用地占用耕地的現象較為嚴重，建設用地和耕地間的矛盾也日益突出。因此，協調好城市經濟、人口、資源三者之間的關系，是烏魯木齊市實現土地可持續利用的途徑。

LUCC及其驅動機制研究是當前全球環境變化研究的前言和熱點課題[1]。城市則是LUCC研究的重要區域，建設用地和耕地變化是LUCC研究的主要內容。國內外學者在建設用地和耕地的變化領域中已做了大量工作，已有研究中多單獨就耕地或建設用地的變化及驅動力進行研究[2-3]，且研究區域多集中在經濟實力較強的大都市或沿海發達地區[4-6]，對西部綠洲城市的建設用地和耕地研究很少。國內學者在土地利用變化驅動力研究方面，考慮到自然驅動因子的累積效應，多直接從人文角度直接研究土地利用變化驅動力[7-9]，將自然驅動力與人文驅動力相結合的研究很少。本文選擇典型的綠洲城市烏魯木齊市為研究區，基于該市近16 a的土地資源及同時期的自然和人文數據，結合實地調研，使用SPSS19.0定量比較分析烏魯木齊市建設用地和耕地的數量變化特征，并探討了建設用地和耕地變化的自然和人文驅動力、分析了兩者驅動方向和驅動力大小的異同性，從而為區域土地的可持續利用和生態環境的保護提供科學指導，為政府制定土地利用管控策略提供依據。

1 研究區概況

烏魯木齊市深處歐亞大陸腹地，位于天山山脈中段北麓，準格爾盆地南緣，東、南、西三面環山；地勢起伏懸殊，總體由南向北傾斜，海拔680～920 m。地理位置為86°37′33″—88°58′24″E，42°45′32″—44°08′00″N，屬中溫帶干旱半干旱大陸性氣候，是我國西北干旱區特大綠洲城市，生態環境脆弱,年均氣溫6.8℃，年均降水量232.4 mm，年平均風速2.4 m/s[10]。截至2012年末，全市常住人口達335萬人，GDP總量為2 060億元。本市轄7區1縣，土地總面積11 400 km2，建成區面積173.26 km2；土地利用類型以耕地、牧草地、林地和居民點為主，土地經營方式以集約經營與粗放經營并存[11]。

2 數據來源和研究方法

2.1 數據來源

(1) 土地利用數據：本文將土地面積作為建設用地和耕地數量變化的表征指標，分析烏魯木齊市建設用地和耕地變化特征和趨勢。建設用地和耕地數據來源于新疆維吾爾自治區國土資源信息中心提供的1996—2011年烏魯木齊市土地利用變更調查數據和烏魯木齊市國土資源公報[12]。

(2) 驅動力因素數據：烏魯木齊市年均氣溫、年均降水量等自然驅動因素數據(1996—2011年)來源于中國氣象科學數據共享服務網(http:∥cdc.cma.gov.cn/home.do)；烏魯木齊市人口和社會經濟數據來源于《烏魯木齊市統計年鑒》(1997—2012年)。

2.2 研究方法

2.2.1 土地動態變化的研究

(1) 土地利用類型變化的速度是區域土地利用變化研究的重要方面, 土地利用動態度可定量描述研究區一定時間范圍內某種土地利用變化的速度，它對比較土地利用變化的區域差異和預測未來土地利用變化趨勢都有重要作用。其表達式為[13]：

(2) 彈性分析法指一定時期內相互聯系的兩個因素各自增長率間的比值，能衡量一個變量的增長幅度對另一個變量增長幅度的依存關系。彈性的大小用彈性系數E表示。建設用地相對于耕地的彈性系數的表達式為[14]：

式中：ΔX——一定時期內耕地變化量；X——基期耕地數量；ΔY——一定時期內建設用地變化量；Y——基期建設用地數量。E>0表示建設用地和耕地同方向變動；E<0則表示兩者反向變動。∣E∣>1，兩者間富有彈性；0<∣E∣<1，兩者缺乏彈性。

2.2.2 土地變化驅動力的研究 采用烏魯木齊市土地利用數據和驅動因子數據，借助SPSS19.0軟件基于因子相關分析、主成分分析和回歸模型等數理分析方法對建設用地和耕地變化的驅動因素及其驅動力大小進行定量分析和比較。通過相關分析，分析驅動因子與建設用地、耕地變化以及驅動因子之間的相關性，確定因子驅動方向、驅動強弱的差異性；通過主成分分析，減弱自變量之間的相互干擾，突出主要因素。以通過主成分分析提出的主成分分量作為自變量，分別以耕地面積和建設用地面積為因變量進行回歸分析，得到耕地面積和建設用地面積變化主要驅動因子的多元線性回歸模型，并得出相同驅動因素的影響作用力大小的異同性?；貧w模型為[15]：

y=β0+β1x1+…+βkxk

式中：β0——回歸常數；β1，…，βk——回歸系數；y——因變量；x1，…，xk——影響因子自變量。

3 結果與分析

3.1 建設用地和耕地數量變化

2011年烏魯木齊市建設總面積達113 808.04hm2，占烏市總面積的8.26%，建設用地中城鎮村及工礦用地占建設用地總面積的50.82%，水域及水利設施用地占建設用地總面積的36.68%，交通運輸用地比例最小，占建設用地總面積的12.50%，因此擴大烏魯木齊市交通運輸用地，提高交通運輸能力勢在必行。耕地總面積79 337.94hm2，占烏市總面積的5.76%。圖1為烏魯木齊市1996—2011年的建設用地和耕地面積柱狀圖和占土地總面積的比例。其中，文中的建設用地和耕地是根據2001年國土資源部制定的《全國土地分類(試行)》中的《土地利用現狀調查技術規程》，并結合當地土地資源的實際情況將烏魯木齊市土地利用類型分為3個一級類，即農用地、建設用地、未利用地；10個二級類，即耕地、園地、林地、牧草地、其他農用地、居民點與工礦用地、交通用地、水利設施用地、未利用地、其他用地。

圖1 烏魯木齊市各年建設用地和耕地面積和比例

1996—2011年烏魯木齊市建設用地和耕地變化可分為三個階段進行對比分析：(1) 1996—2007年，耕地呈不同程度的負增長，即耕地面積逐年減少且占全年土地總面積的比例逐年減少；建設用地呈不同程度正增長，即建設用地面積逐年增加且占總面積的比例平緩增加。(2) 2007—2008年，耕地面積略有增加，但幅度較小，究其原因是自治區國土資源局開展的復墾項目，從昌吉補充了部分耕地；2008—2009年建設用地和耕地面積均出現大幅增加，原因為烏魯木齊市行政區劃進行了部分調整。在此期間，建設用地面積占總面積的比例較2007年增長了3.96%，耕地所占比例也增加了0.76%。(3) 2009年起，烏魯木齊市建設用地面積繼續呈增加趨勢，耕地面積呈減少趨勢；建設用地面積所占比例繼續增加，耕地面積所占比例減少，但大于2007年增長前的比例。

3.2 建設用地和耕地變化速率的差異

圖2為烏魯木齊市1996—2011年建設用地和耕地面積的年變化率(即T=1時的K值)，可以看出16a中，建設用地的年變化率均大于0，即建設用地呈不同速率的增長態勢，在2009年增長速率達到最大，K值為121.948%。耕地面積的年變化率在2008年和2009年出現正值，即耕地面積出現不同速率的增加；其余13a中耕地面積則呈不同速率減少。在1999，2000，2002，2003年耕地面積的年變化率的絕對值大于建設用地面積的年變化率，其余年份建設用地面積的年變化率的絕對值大于耕地面積的年變化率。

圖2 烏魯木齊市建設用地和耕地年變化率

圖3為1996—2011年建設用地相對于耕地的彈性系數。由圖3可得出，僅在2008年和2009年E>0，其余13a間E<0，說明耕地的減少和建設用地的增加存在密切的關系。2008年和2009年，由于國家的耕地保護政策和行政區劃調整，耕地和建設用地均呈現出不同速度的增長，因此E>0；E<0的年份為烏魯木齊市建設用地面積逐年增加，耕地面積逐年減少的年份。∣E∣>1的年份中，E<-1的年份有9a，說明烏魯木齊市在該時段內建設用地增加速度大于耕地面積減少的速度，其中2007年彈性系數達到-10.05，富有彈性；E>1的年份為2008年和2009年，說明建設用地面積的增長速度大于耕地面積的增長速度。1999，2000，2002，2003年0<∣E∣<1，說明這4a中建設用地面積增加速度小于耕地面積減少的速度，其中2002年的∣E∣最小，即該年的建設用地增長速度遠小于耕地面積減少速度；

圖3 烏魯木齊市建設用地相對于耕地的彈性系數

3.3建設用地和耕地變化驅動因子的選取

土地利用變化驅動力是指導致土地利用方式和使其發生變化的主要生物物理因素和社會經濟因素[16]，自然驅動力子系統可分為地形、氣候、水文等次級子系統，比較穩定；社會驅動力子系統包括人口、技術、城鎮化水平、產業結構調整等次級子系統，相對活躍。土地利用變化短時間受制度、技術、經濟等人文社會因素，長時間受自然生物因素制約[17]；各驅動因子對系統貢獻率是一個有機整體，驅動因子遴選應注重整體性、層次性、動態性、差異性[18]。

本文從資料的可獲取性和科學性出發，結合烏魯木齊市土地利用的實際情況，通過相關分析剔除了與建設用地和耕地Person相關系數較小的因子。最終從19個社會指標中選取了9個人文社會驅動因子X1為戶籍總人口(萬人)、X2為非農業人口(萬人)、X3為戶籍城市化率(二、三產業產值/GDP)、X4為GDP(萬元)、X5為工業增加值(萬元)、X6為經濟非農化率(%)、X7為農業機械總動力(千瓦)、X8為糧食單產(kg/hm2)、X9為農民人均純收入(元)和從9個自然指標(平均氣溫、全年降水量、日照時數、極大風速、平均風速、日降水量、降水距平百分率、平均水氣壓、平均相對濕度)中選取了與耕地變化相關系數最大的1個自然驅動指標：X10為極大風速(m/s) 。

3.4 驅動力定量分析

利用SPSS19.0對10個驅動指標與同時期建設用地和耕地面積進行相關分析，考慮到2009年政策驅動使得建設用地和耕地面積的大幅度增長，直接對1996—2011年土地利用數據和社會經濟、自然要素數據進行相關分析不合理，因此分別從1996—2008年，2009—2011年兩個時段進行相關分析。得到10個自變量(X1—X10)和2個應變量(建設用地：Y1，耕地：Y2)的相關系數(表1)。

表1 建設用地和耕地面積與各驅動指標的相關系數

1996—2008年間，建設用地面積變化與工業增加值、GDP、農民人均純收入、戶籍總人口、非農業人口、糧食單產、農業機械總動力、戶籍城市化率8個驅動因子相關程度較強，其中與戶籍城市化率呈負相關，與其余7個驅動因子均呈正相關。對耕地而言，僅與戶籍城市化率和農業機械總動力2個驅動因子呈正相關，與其余8個代表人口增長，經濟發展和極大風速等驅動因子呈負相關關系，且影響程度從強到弱依次為：非農業人口>農民人均純收入>戶籍總人口>GDP>工業增加值>極大風速>經濟非農化率>糧食單產。其中，與代表農業科技水平的農業機械總動力和糧食單產2個驅動因子相關性較小。

2008—2009年，烏魯木齊市建設用地和耕地的變化主要受該市的政策驅動力主導。2009—2011年間，通過建設用地和耕地面積變化與各因子相關系數比較分析可以得出：10個驅動因子中，建設用地和代表著社會經濟發展水平、產業結構調整、人口增長、科學技術進步的9個社會驅動因子呈正相關，且影響程度依次減弱的順序為農民人均純收入>工業增加值>農業機械總動力>GDP>非農業人口>戶籍總人口>經濟非農化率>戶籍城市化率>糧食單產，極大風速和建設用地面積變化不相干，不予討論。對于耕地面積的變化，選取的10個驅動因子均與其呈負相關，且影響程度由強到弱依次為：非農業人口>GDP>工業增加值>農民人均純收入>戶籍總人口>經濟非農化率>農業機械總動力>極大風速>糧食單產>戶籍城市化率。

通過比較，烏魯木齊行政區劃調整之前，建設用地主要受經濟發展、人口增長、科學技術進步等因素的驅動；耕地則主要受非農業人口、農村經濟的發展和自然環境因素驅動，促使1996—2008年間烏魯木齊市耕地面積的減少和土地利用方式的轉變；行政區劃調整之后，建設用地面積的變化還受產業結構調整的影響；耕地面積的變化則還受農業科技水平、產業結構調整因素驅動。

由以上相關分析可知，自然驅動力僅對耕地面積的變化有一定影響，對建設用地的變化影響不大；1996以來，隨著烏昌經濟一體化的實現，兩地在產業上存在互補關系，戶籍城市化率呈緩慢下降的趨勢，同時期的耕地面積也逐年減少，屬于數據上的巧合，不參與下面的討論。為去除因子間的自相關，就1996—2011年8個社會人文驅動因子(除戶籍城市化率)數據作為分析樣本，應用SPSS19.0軟件對樣本進行主成分分析，得到驅動因子相關矩陣(相關分析中已做過分階段的充分比較分析，在此不再贅述)、驅動因子特征根及主成分貢獻率(表2)、驅動因子的主成分載荷矩陣(表3)。

由表2可知，前兩個主成分特征值大于1，分別為6.408和1.025。與之對應第一、第二主成分貢獻率分別為80.097%和12.818%，兩者累積貢獻率達到92.915%，說明第一主成分和第二主成分對8個社會經濟驅動因子的解釋能力已達到92.915%，能基本代表全部社會驅動因子對烏魯木齊市建設用地和耕地變化驅動力，符合主成分分析的要求。

表2 主成分特征值及貢獻率

各因子的主成分載荷矩陣表明各驅動因子在相應主成分中的相對重要性。從表3可以看出：第一主成分中農民人均純收入、GDP、工業增加值、戶籍總人口、非農業人口、糧食單產、農業機械總動力與主成分1有很大的正相關性，而這些因子主要是人口、經濟、農業科技水平類因子，說明烏魯木齊市建設用地或耕地面積變化的首要社會經濟類驅動力為人口增長、經濟發展因子；第二主成分與經濟非農化率和農業人均純收入有一定的正相關性， 與糧食單產和農業機械總動力有一定的負相關性，且驅動力較大的為經濟非農化率，相關系數達到0.983；表明烏魯木齊市產業結構調整對建設用地或耕地強度變化有一定的驅動作用。

表3 主成分載荷矩陣

經過對8個社會經濟類變量進行主成分分析，提取的第一主分量(經濟驅動力、人口驅動力)和第二主分量(產業結構調整驅動力和農業技術水平驅動力)間不存在共線性，利用SPSS因子分析模塊中未旋轉因子得分值，經過一定的轉換和運算，得到主成分得分，以各主成分得分矩陣為自變量，以標準化后的建設用地、耕地面積作為因變量，建立主成分關于應變量的分階段回歸模型[19-20]，并得到各階段主成分的標準回歸系數(表4)。

表4 主成分回歸模型和標準回歸系數

由表4中擬合方程的修正相關系數R2可知，建設用地模型線性擬合結果比耕地模型擬合結果較為理想，表中的標準回歸系數表明：1996—2011年，建設用地與第一主成分呈正比，與第二主成分均呈反比；對于耕地，1996—2008年耕地面積的變化與兩個主成分均成反比，2009—2011年與代表經濟發展、人口增長的因素呈正比，與代表農業技術水平的第二主成分呈反比。標準回歸系數絕對值的大小表示土地面積對驅動要素的敏感性，就建設用地而言，社會經濟因素的敏感性最大，其次為經濟非農化率或農業科技水平。對于耕地，1996—2008年經濟非農化率的敏感性較大，社會經濟因素次之；2008—2011年，社會經濟因素敏感較大，農業科技水平次之。

4 結論和討論

本文運用數理統計法對烏魯木齊市近16 a建設用地和耕地的數量變化特征進行了分析，并對其驅動力大小、方向及差異性進行了探討。得到以下結論：

(1) 數量上，1996—2011年烏魯木齊市建設用地經歷了平緩上升→迅速增長→減速增長的變化歷程，耕地則呈現為平緩減少→迅速增加→逐漸較少的走向。速率上，建設用地年變化率多大于耕地面積年變化率；不考慮政策驅動，烏魯木齊市耕地的減少和建設用地的增加存在密切聯系。

(2) 驅動因素的同一性：通過一系列的數理統計和對比分析，將建設用地和耕地變化的驅動力概括為經濟驅動力、人口驅動力、產業結構調整驅動力、農業技術水平驅動力、政策措施驅動力。而被學者經常提到的城市化率因子對研究時段內烏魯木齊市土地利用的變化解釋力并不強。

(3) 驅動因素的差異性：從驅動方向上，經濟因子、人口因子對建設用地變化呈正向驅動，對耕地變化則呈負向驅動，且敏感性較大；產業結構對耕地面積變化的驅動為負，敏感性較小。自然驅動力對耕地面積的變化呈負向驅動，對建設用地無影響。從驅動力大小上，所選因子對建設用地變化影響程度強弱依次是：經濟因子>人口因子>技術因子>產業結構因子；對耕地變化影響程度強弱則為：人口因子>經濟因子>技術因子>產業結構因子。

綠洲城市土地利用變化的驅動力具有復雜性和特殊性，對烏魯木齊市建設用地和耕地數量變化及驅動力進行定量比較分析仍為初探，后期還需在兩者的內在聯系上做工作；對于綠洲城市LUCC的研究還有待于基于更全面的LUCC理論體系從不同空間尺度做進一步的研究。

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ComparisonAnalysisonDrivingForcesofConstructionLandandCultivatedLandUseChangeinUrumqiCityduring1996to2011

KONG Jing-jing1, WEI Jian-xin1,2

(1.CollegeofResourcesandEnvironmentScience,XinjiangUniversity,Urumqi830046,China;2.GeographyPostdoctoralStation,XinjiangUniversity,Urumqi830046,China)

Based on the nature and economy and land use data during 1996 to 2011 in Urumqi, the method of mathematical statistics and software of statistical analysis were used to make an in-depth discussion and comparison research for the change features and driving mechanism of cultivated land and construction land. The results indicated that: (1) the change of construction land experienced such phases as steady growth ,rapidly increase then slow growth, the change of cultivated land experienced such phases as slow to reduce, dramatic increase then gradually reduce; (2) economic development, population growth, agricultural technological progress and industrial structure adjustment are four types of driving forces on the change of construction land and cultivated land, however policies and measures play a direct guiding role; (3) driving factors, driving direction and driving strength between construction land and cultivated land display difference, and the sequences in strength of each socio-economic driving force on construction land or cultivated land show remarkable distinction. In addition, the driving factors on the same land use type are different in different periods. This research can reveal rule and reasons for change of construction land and arable land, and then provide a scientific basis for the sustainable use of land and protection of ecological environment.

construction land; cultivated land; driving forces; quantitative comparison analysis; Urumqi City

2013-10-13

：2013-11-07

國家科技支撐計劃項目“國土空間優化配置關鍵技術研究與示范”(2012BAB11B00)

孔靜靜(1989—),女,新疆阿克蘇人,碩士研究生,主要從事國土資源信息技術方面的研究。E-mail:kongjingjing1989@126.com

魏建新(1966—),男,新疆烏魯木齊市人,教授級高工,碩士生導師,博士后,從事土地利用調查與數據庫建設、土地利用規劃、動態監測、國土資源信息化建設等研究工作。E-mail:wjxlr@126.com

X24；K901.2

：A

：1005-3409(2014)04-0101-06