中部糧食主產區土地利用變化及其驅動機制研究
——以湖北省鄂州市為例

龔 健, 楊建新, 張 志, 黃如輝

(1.中國地質大學(武漢) 公共管理學院, 武漢 430074;2.國土資源部法律評價重點實驗室, 武漢 430074; 3.湖北省鄂州市國土資源局, 湖北 鄂州 436006)

中部糧食主產區土地利用變化及其驅動機制研究
——以湖北省鄂州市為例

龔 健1,2, 楊建新1, 張 志1,2, 黃如輝3

(1.中國地質大學(武漢) 公共管理學院, 武漢 430074;2.國土資源部法律評價重點實驗室, 武漢 430074; 3.湖北省鄂州市國土資源局, 湖北 鄂州 436006)

區域土地利用變化過程、格局與驅動力研究是揭示全球與區域尺度土地利用/覆蓋變化規律的有效方法。基于鄂州市1991年、2004年和2009年3個時期土地利用空間數據和社會經濟統計數據，采用土地利用轉移矩陣、主成分分析法等模型方法，分析土地利用變化總體特征、各地類轉化方向以及土地利用變化驅動因素。結果表明：(1) 18 a期間，鄂州市土地利用變化顯著，耕地面積減少最大，減幅達到28.39%，主要轉移方向為建設用地、養殖和林地。(2) 養殖水面和建設用地大量增加，增幅分別為200.62%，84.83%， 主要增加來源為耕地和水體。(3) 土地利用變化主要驅動因素為經濟增長、人民生活水平提高和人口增加，政策和城市規劃也是重要的驅動因素。

土地利用變化; 轉移矩陣; 主成分分析; 驅動因素; 中部地區

區域土地利用變化是全球變化研究的重點領域[1-3]，國內自20世紀90年代以來，土地利用變化及其驅動機制成為研究熱點，研究尺度有全國尺度、經濟圈尺度、省域尺度、城市尺度、縣域尺度等，研究區域集中在城市地區、大都市邊緣區、生態環境敏感區域、不同景觀類型交錯帶區域[4-11]。基于區域尺度土地利用變化研究很多，大部分集中在土地利用變化特征、土地利用變化驅動力和土地利用變化模擬研究，驅動力研究則是土地利用變化機制研究的核心內容和重點。加強經濟發達地區、大都市邊緣區、生態脆弱區等區域的土地利用/土地覆被變化研究是必要的，但是不能因此忽視變化幅度不大地區和其他類型區域土地利用變化研究，正是這些區域為土地利用變化研究提供了對比分析，同時也豐富了土地利用變化研究的內容[12]。

隨著我國社會經濟快速發展，中部地區城市化和工業化進程不斷加快，土地利用變化也十分劇烈。中部地區作為我國糧食主產區，6省以10.69%的土地面積，生產占全國30.2%的糧食，供養27.03%的全國人口，糧食主產區土地利用變化尤其是耕地變化關系糧食生產和糧食安全。研究區域鄂州市是離武漢城市圈中心最近的城市，也是湖北省糧食主產縣市之一，優越的區位條件和資源條件，推動經濟社會高速發展，土地利用變化非常劇烈，也嚴重影響區域糧食安全。以鄂州市為典型區域研究中部糧食主產區土地利用格局的時空變化特征及其驅動力，可以為區域土地利用變化研究和土地資源合理開發利用提供科學依據。

1 研究區域、數據與方法

1.1 研究區概況

鄂州市位于湖北省東部，瀕臨長江中游南岸，地勢起伏，屬于丘陵、濱湖地區，境內港汊密布，湖網縱橫，水域遼闊。現轄鄂城、梁子湖、華容3個市轄區，土地總面積1 596 km2，截至2009年底常住人口107.24萬人。近10 a來，鄂州市經濟迅速發展，城市化水平不斷提高，城市建設和農業結構調整占用了大量耕地，土地利用變化顯著。

1.2 研究數據來源與處理

本研究所采用的基礎數據包括1991年第一次土地詳查數據、2004年土地更新調查數據和2009年第二次土地調查數據，數據調查方法均為遙感影像解譯和實地調查解譯相結合的方法，保證調查數據的精度，并建立土地利用空間數據庫。研究區域1∶5萬地形圖和行政區劃圖，并對各種數據源進行坐標轉換，使不同時期圖形數據具有統一的坐標系統。土地利用分類參考國土資源部制定的土地利用現狀分類國家標準(GB/T21010—2007)，先將1991年和2004年不同土地分類標準統一為國家標準，結合鄂州市土地資源利用特點和覆被特征，將養殖水面從水域及水利設施用地中單獨劃分出來，將水利設施用地、交通運輸用地和城鎮村及工礦用地合并為建設用地，水域及水利設施用地提出養殖水面和水利設施用地后的部分歸為水體，園地、牧草地數量較少，合并到其他土地中，耕地和林地保持不變。社會經濟數據來源于1991—2009年鄂州市年鑒和中國城市統計年鑒。

1.3 研究方法

土地利用變化主要體現在土地利用數量變化、土地利用空間變化、土地利用程度變化以及土地利用變化的區域差異等方面[13]。本文采用土地利用結構變化和土地利用轉移矩陣進行分析。

1.3.1 土地利用轉移矩陣分析 轉移矩陣源于轉移概率矩陣的內涵，適于對系統分析中系統狀態與狀態轉移的定量表述，以轉移概率矩陣的轉置矩陣形式表示。轉移矩陣是國內外常用的揭示土地利用/覆蓋變化的方法，能夠全面具體地表明區域土地利用變化特征和土地利用類型之間的相互轉化狀況，揭示土地利用的時空演變過程[14]。轉移矩陣數學形式為：

(1)

式中：S——面積；n——土地利用類型的數；i，j——研究初期與研究期末的土地利用類型。矩陣中，行表示初期的i種土地利用類型，列是末期的j種土地利用類型；Sij——初期的i種土地利用類型轉變為末期的j種土地利用類型的面積。

1.3.2 主成分分析法 主成分分析(Principal Component Analysis)是利用降維的思想，將多個變量轉化為少數幾個綜合變量(即主成分)，其中每個主成分都是原始變量的線性組合，各主成分之間互不相關，從而這些主成分能夠反映始變量的絕大部分信息，且所含的信息互不重疊。采用這種方法可以將土地利用變化的復雜因素歸結為幾個主成分，使得復雜問題得以簡化，同時得到更為科學、準確的土地利用變化驅動因素。

2 結果與分析

2.1 土地利用格局變化的主要特征分析

土地利用格局變化首先反映在各種土地利用類型結構變化，結構變化可以反映區域土地利用格局的演變。鄂州市土地利用的基質景觀為耕地、水體、建設用地和養殖水面。1991—2009年間土地利用變化的主要特征是：耕地大量減少，養殖水面、建設用地和林地快速增加，水體和其他土地減少。

圖1分析結果顯示：(1) 1991—2009年耕地減少24 960.79 hm2，減少了28.39%，主要減少去向建設用地、林地和養殖水面。(2) 建設用地增加11 602.07 hm2，主要來源于耕地和其他土地。(3) 養殖水面增加了14 901.78 hm2，主要來源于耕地和水體。(4) 林地增加了6 112.19 hm2，主要來源于耕地和其他土地。(5) 水體減少了5 705.91 hm2，主要轉化為養殖水面和建設用地。(6) 其他土地減少了1 932.91 hm2，主要轉化為林地、建設用地和耕地。

圖1 鄂州市各土地利用類型數量變化

2.2 土地利用變化轉移分析

通過構建鄂州市1991—2009年土地利用變化轉移矩陣，分析各類土地變化方向和空間動態轉移情況。表1，表2結果表明，土地利用變化主要轉移特征是：耕地大量減少，轉移方向為養殖水面、建設用地和林地，其次是其他土地轉為林地、水體轉為養殖水面、耕地轉為其他土地，前十位主要地類轉換類型累計

轉換百分率達到82%。

(1) 1991—2009年耕地流出量31 562.30 hm2，占土地總流出量的62.71%，主要轉變為養殖水面、建設用地和林地，分別占耕地流出量的43.70%，24.07%和16.73%；耕地流入量為4 276.45 hm2，主要是其他土地、養殖水面和建設用地轉為耕地，流入量只占流出量的13.55%，流入量相比流出量很少。1991—2004年期間耕地大量轉變為養殖水面，也有部分耕地轉變為園地和荒地等其他土地，2004—2009年期間由于耕地保護管理加強和農業補貼政策，以及養殖水面和其他農業效益下降影響，部分產出不高的養殖水面、園地又轉回耕地，還有部分未利用土地開墾為耕地。

(2) 1991—2009年其他土地和水體流出量分別為6 340.30，5 963.29 hm2，其他土地主要轉移方向為林地和耕地，分別占其流出量的53.68%和16.58%；水體主要轉移方向為養殖水面和其他土地，分別占其流出量的59.88%和17.67%。

(3) 養殖水面、建設用地和林地以流入為主，分別流入18 316.74，10 681.49，9 134.58 hm2，分別占土地總流入量的36.40%，21.22%，28.15%。養殖水面流入主要來源是耕地和水體，建設用地流入主要來源是耕地和養殖水面，林地流入主要來源是耕地和其他土地。林地和其他土地之間相互轉換趨勢明顯。

表1 1991-2009年土地利用變化轉移矩陣 hm2

表2 1991-2009年主要土地利用變化類型排序

2.3 土地利用變化驅動力分析

土地利用變化是一個復雜的過程，受到多種因素驅動，可以概況為自然驅動因素和社會經濟驅動因素。短期內自然驅動因素變化很緩慢，社會經濟因素成為引起土地利用變化的主要驅動力[12]，以下重點分析社會經濟驅動因素。

區域土地利用變化的影響因素很多，驅動因素指標選擇時盡可能多，但很多指標之間存在不同程度的相關性，容易產生多元共線性問題而無法得出正確的分析結果。主成分分析是定量分析驅動力而又能解決指標相關性問題的有效方法之一[8]。1991—2009年鄂州市土地變化轉移分析可知，耕地是最主要的變化地類，因此以耕地為例，對其驅動力進行定量分析。

根據定性分析，人口、經濟發展、政策因素、城市規劃和人民生活水平變化是鄂州市土地變化的主要驅動因素，由于政策和規劃因素難以量化沒有考慮，選取包括人口、經濟、人民生活水平、農業和科技教育方面的26個因子指標，首先對耕地及其26個驅動因子進行相關分析，將第二產業勞動者、第三產業勞動者、糧食總產量、農業貸款額、貨運總量、在校學生人數與耕地變化不相關的6個因子剔除。剩下的20個因子都與耕地存在較為顯著的相關關系。但是僅通過簡單相關關系分析，不能解決各驅動因子誤差的冗余和信息的重疊,也不能準確反映各驅動因子對耕地變化的影響和作用，因此需要進一步對各驅動因子進行主成分分析(表3—4)。

表3 耕地變化驅動因素和因子

表4 耕地與社會經濟因子相關分析

通過主成分分析(結果見表5和表6)，第一主成分、第二成分的貢獻率分別為85.248%，7.957%，第一主成分和第二主成分的累積貢獻率達到93.204%，提取第一、二主成分已經包含絕大部分信息。從表6可以分析，主成分因子載荷矩陣反映了各主成分和各驅動因子的相關關系。第一主成分是鄂州市耕地變化最主要的影響因子，社會消費品零售總額、城鄉儲蓄存款余額、水產品產量、第三產業產值、地方財政收入、國內生產總值與第一主成分相關性很大，其因子載荷都在0.97以上，這些因子與經濟、人民生活水平和農業因素有關。第一產業勞動者和客運總量與第二主成分相關性較大，這些因子與人口和經濟有關。

表5 耕地變化驅動因子主成分分析特征值和貢獻率

表6 耕地變化驅動因子主成分荷載矩陣

經濟高速發展是建設用地空間擴展和土地利用變化最主要的驅動力之一，尤其是第二、三產業快速發展，推動城市和工礦用地快速擴張。在1991—2009年期間，鄂州市經濟保持高速增長，全市GDP由1991年的15.70億元增加到2009年的313.60億元，增長18.97倍。農業勞動力向二、三產業轉移，人民生活水平不斷提高，加大了對城市就業、住房、交通、商業需求，促進工業化和城市化快速發展，建設用地快速增加，耕地大量減少。20世紀末期，我國改變了以糧為綱的傳統農業方式，宜農則農，宜漁則漁，多產業協調發展，鄂州市利用水資源豐富和離中心城市距離近的區位優勢，農業結構調整速度加快，大力發展養殖業，耕地快速向經濟效益高的養殖業轉移，養殖水面快速增加。1998年以后我國加大了退耕還林力度，大力營造經濟林，嚴格控制林地轉用，林地面積得到了快速增長，尤其是2004年以后，鄂州市林地年增長率為12.78%。

3 結 論

(1) 18 a期間，鄂州市土地利用變化顯著，主要變化特征是：耕地持續減少，減少量也最大，減幅達到28.39%；養殖水面和建設用地快速增加，增幅分別為217.07%，84.42%，林地不斷增加，增幅為67.94%；水體和其他土地減少。

(2) 土地利用變化轉移方向：耕地大量轉為養殖水面、建設用地和林地，1991—2004年，2004—2009年建設用地主要增加來源都是耕地，分別占建設用地流入量的75.82%和59.08%；水體主要減少去向為養殖水面和建設用地，其他土地減少去向為林地、建設用地和耕地。

(3) 土地利用變化主要驅動因素為經濟增長、人民生活水平提高和人口增加，政策因素和城市規劃對土地變化影響也很大。

在以后的研究中從中觀和微觀角度研究糧食主產區土地利用變化的驅動機制和模型，模擬土地利用時空變化及其對糧食生產和糧食安全的影響，推動區域土地利用變化研究更加深入。

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LandUseChangeandItsDrivingForceofMajorGrainProductionAreasinCentralofChina

GONG Jian1,2, YANG Jian-xin1, ZHANG Zhi1,2, HUANG Ru-hui3

(1.SchoolofPublicManagement,ChinaUniversityofGeosciences(Wuhan),Wuhan430074,China; 2.KeyLaboratoryofLawEvaluation,MinistryofLandandResources,Wuhan430074,China; 3.BureauofLandandResourceofEzhouCity,Ezhou,Hubei436006,China)

It is an effective way to reveal global and regional land use change process by researching on the regional land use change process, pattern, and driving force. This paper analyzes the general characteristics and driving forces of land use change, transformation direction of land use status by ways of land use conversion matrix model and principal component analysis, based on Ezhou land use spatial data and social economy data in 1991, 2004 and 2009. The result shows that land use change is obvious over the past 18 years, especially for the cultivated land, which is decreased to 28.39%. The reduced cultivated lands were transferred to construction land, aquaculture land and forestland. So the growth rate of aquaculture land and construction land were 200.62% and 84.83%, which originated from farmland and water area. The main social economy driving force is economy growth, the improvement of people′s living standards, and population growth, policy of government and urban planning are also the important driving forces.

land use change; land use conversion matrix; principal component analysis; driving force; region in central China

2013-11-05

：2013-12-20

中央高校基本科研業務費專項資金資助項目(CUGL110244);國土資源部法律評價工程實驗室開放基金項目(CUGFP1309);國家社科青年項目基金(12CGL065)；教育部人文社會科學青年項目基金(12YJC630306)

龔健( 1977—),男,湖南常德人,博士,副教授,主要研究方向為土地利用變化與模擬、土地評價與土地規劃。E-mail:gongjian@cug.edu.cn

張志(1979—),女,湖北武漢人,博士,講師,主要研究方向為土地利用政策評價、土地利用評價。E-mail:fionazz@126.com

F301.2

：A

：1005-3409(2014)04-0285-05