秦淮河流域1980-2010年土地利用變化及驅動機制

馬小雪, 卞子誥， 李 娜， 李永泰， 趙 靜， 曾春芬， 王臘春

(南京大學 地理科學與海洋學院, 江蘇 南京 210093)

秦淮河流域1980-2010年土地利用變化及驅動機制

馬小雪, 卞子誥， 李 娜， 李永泰， 趙 靜， 曾春芬， 王臘春

(南京大學 地理科學與海洋學院, 江蘇 南京 210093)

摘要：[目的] 研究近30 a來秦淮河流域不同時期土地利用/覆被變化特征及驅動力，為秦淮河流域的生態經濟系統可持續發展和流域管理提供科學依據。 [方法] 利用GIS功能對秦淮河地區1980，1995，2000，2005，2008，2010年土地利用現狀圖進行疊加轉換，建立土地利用變化轉移矩陣，在此基礎上分析秦淮河地區近30 a來的土地利用變化特征，并結合相應的社會統計資料分析土地利用變化的驅動力。 [結果] 流域內耕地面積逐年減少，建設用地面積逐年增加，林草覆蓋面積略有減少；土地利用程度變化存在明顯的時間差異性，2005—2008期間變化最大；建設用地的增加主要源于耕地的轉入，其次是林地、水域；經濟發展、人口增長和人民生活水平的提高是該區土地利用/覆被變化的主要驅動力。 [結論] 城市化發展要素是推動該區建設用地增加、耕地面積減少這一現象的主要驅動力。

關鍵詞：土地利用/土地覆被變化; 城市化; 主成分分析; 驅動機制

近20 a來，中國的許多城市都經歷了空前的迅速發展，主要表現在城市人口的迅速擴張、自然土地向建筑用地的轉變[1-2]。而城市發展所帶來的土地利用與土地覆被變化(LUCC)對水文循環、城市暴雨、水環境、生物多樣性等產生了深遠的影響[3-4]。同時土地利用與土地覆被變化(LUCC)又直接反映了人類活動的影響，是當今全球環境變化領域的研究熱點[5-6]。在研究土地利用和覆被變化產生的全球氣候變化效應、生態環境效應之前，首先要了解土地變化特征、變化過程及其驅動機制，這將有助于解釋人類活動與環境變化的相互作用機制。土地利用變化現象具有時空異質性，不同的研究時期和不同的研究區域，其變化特征、驅動因子和各驅動因子的作用也呈現不同程度的變化[7]。

近幾十年來，秦淮河流域內城市大規模擴張和開發區建設較快，2000年流域人口城市化水平已經達到了59.3%。流域內的人文、經濟和土地利用隨之發生了較大的變化，大量的天然河流水系遭到破壞，并引發了河流水質惡化、河道生境破壞、洪澇干旱災害等一系列的水文、水環境問題，嚴重影響了秦淮河流域的旅游景觀建設和南京市城市化與可持續發展[8-9]。本研究以秦淮河流域為研究對象，分析近30 a來不同時期土地利用/覆被變化特征及驅動力，特別是城市化進程加快前后流域內的土地利用變化特點，為秦淮河流域的生態經濟系統可持續發展和流域管理提供科學依據。

1研究區概況

秦淮河流域地處長江下游南京河段南岸，全長110 km，流域涉及南京市區、江寧、句容市和溧水縣，流域面積達2 614 km2。秦淮河流域有南北兩源，南源出自溧水河，北源出自句容河，兩源在江寧區西北村匯合為秦淮河。在江寧東山鎮分為秦淮新河和秦淮河，秦淮河進入南京城區后又分為內外秦淮河兩條主河流。后自流域西北角的秦淮新河和三汊河口閘兩出水口匯入長江。秦淮河流域的地形為構造盆地，呈扇形，四周為丘陵山地，自前垾村向下的中下游地區的沿河兩岸是低洼燈區，地面高程6～8 m。圩區后是丘陵山區，地面高程在300 m以下。流域位于北亞熱帶半濕潤季風氣候區，降水豐沛，雨熱同期，多年平均降雨量1 017.8 mm，流域平均年徑流量為6.95×108m3。

2研究方法與數據來源

2.1　數據來源

從南京師范大學地理科學學院的地球系統科學數據共享網項目(“江蘇省1∶10萬土地利用數據集”)中選取1980，1995，2000，2005，2008，2010年等不同時期的土地利用分類圖，分析1980—2010年秦淮河流域土地利用變化特征。土地利用分類系統采用20世紀80年代以來的遙感解譯分類系統，即土地利用類型包括耕地、林地、草地、水域、城鄉工礦居民用地(城鎮用地、農村居民點、其他建設用地)和未利用地(目前還未利用的土地，包括難利用的土地)6類一級類型。

2.2　土地利用動態度

單一土地利用動態度(K)可定量描述區域某種土地利用類型在一定時間范圍內的變化情況，反映其動態變化速度，對比較土地利用變化的區域變異和預測未來土地變化趨勢都具有積極的作用[10]，其表達式詳見參考文獻[11]。

2.3　土地利用程度綜合分析方法

采用劉紀元[12]提出的土地利用程度綜合分析方法，根據生態學觀點，將土地利用程度按照土地自然綜合體在社會因素影響下的自然平衡分為4級，并賦予分級指數[10]。土地利用程度綜合指數計算公式、土地利用程度變化量(Lb-a)和變化率(R)公式見參考文獻[10]和[12]。土地利用程度綜合指數表示的值域范圍為(100，400)，數值越大所表示的集約利用程度中的單一化程度越高，數值越小則反映區域內土地利用集約程度越低，土地利用所包含的類型就越多。而土地利用程度的變化量(Lb-a)和變化率(R)，可定量揭示該范圍土地利用的綜合水平和變化趨勢。如果Lb-a>0或R>0，則表明所研究區域中的土地利用正處于發展時期，否則處于調整期甚至是衰退期。

2.4　土地利用轉移矩陣

轉移矩陣能夠具體的反映土地利用變化的結構特征和各類型之間的轉移方向，是定量分析地類間相互轉移的常用方法[13]。該方法來源于系統分析中對系統狀態與狀態轉移的定量描述[14]。其中，二維矩陣應用最為廣泛，其數學形式為：

式中：Aij——面積；n——土地利用類型數；i，j——研究初期與末期的土地利用類型；Sij——研究期內第i類土地轉化為第j類土地的面積。

2.5　主成分分析

主成分分析是利用降維的思想，把原來具有錯綜復雜的變量歸納為少數幾個綜合變量，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，從而實現以少數幾個綜合變量反映原始變量的絕大部分信息，且所含的信息互不重疊[15]。主成分分析的具體步驟為： (1) 對原始數據進行標準化處理; (2) 計算相關系數矩陣；(3) 計算特征值和特征向量； (4) 計算主成分貢獻率和累計貢獻率； (5) 計算主成分因子載荷

3結果與分析

3.1　土地利用變化特征分析

3.1.1土地利用程度變化特征分析依據土地利用綜合分析方法得到1980—2010年秦淮河流域土地利用程度綜合指數、變化量、變化率(表1)。從表1中可以發現土地利用綜合指數在[294.23,305.88]范圍內，土地利用程度較高。同時也可以看出30 a來區域土地利用程度有所上升，有1980的294.23到2010年的305.88，增加了11.65，說明研究區土地利用處于發展上升期。1995—2005年土地利用程度變化不大，2005—2008年土地利用程度綜合指數由299.42上升到305.6，土地利用程度迅速加大。說明2005年之后，該區域的土地利用程度較1980—2005的土地利用程度加大。

表1　秦淮河流域1980-2010年土地利用

3.1.2土地利用結構及其類型轉移變化特征根據1980，1995，2000，2005，2008，2010年6期不同土地利用類型的面積變化幅度來揭示研究區土地利用變化的結構特征。基于ArcGIS平臺空間分析與統計功能和土地利用動態度計算公式，按土地利用類型的分類分別進行計算和統計(表2)。同時根據上述土地利用動態變化分析得出，2005年是秦淮河流域土地利用變化的分界點。因此，在GIS技術的支持下，將1980與2005，2005與2010年的土地利用分類圖分別進行疊加得到秦淮河流域土地利用類型之間在空間和數量上的轉移矩陣，從而判別轉移特征。從表2分析得出，秦淮河流域土地利用類型以耕地、林地、建設用地和水域為主，共占全區土地利用總面積的99.73%以上。20世紀80年代，秦淮河流域的各類土地利用面積大小排序為：耕地>林地>建設用地>水域；從20世紀90年代至今，秦淮河流域的各類土地利用面積大小排序為：耕地>建設用地>林地>水域。從土地利用類型轉移矩陣同樣發現流域土地利用轉移主要發生在建設用地和其他各類型間，而其他各類型之間轉移不明顯。這與胡和冰所研究的南京市棲霞區的九鄉河流域有所差異，該研究結果表明九鄉河流域土地利用轉移主要發生在耕地和其他各類型之間[16]。進一步研究發現建設用地的增加主要源于耕地的轉入，其次是林地、水域。其中，1980—2005年耕地、林地、水域分別向建設用地轉出140.62，5.26和2.19 km2，轉出率分別達7.45%，1.63%，1.95%；而2005—2010年，耕地、林地、水域分別向建設用地轉出170.01，15.24，4.97 km2，轉出率分別達9.83%，4.81%，3.86%。1980—2005年建設用地轉出總量僅為1.232 km2，2005—2010年建設用地轉出總量為23.06 km2。近5 a建設用地主要轉為耕地和林地，轉出率分別為4.14%(18.03 km2)和0.71%(3.11 km2)，這可能與農村居民點的拆遷或者小區建設綠化有關。縱觀1980—2010年的土地利用變化，城鄉工礦居民用地面積增加了314.37 km2，面積翻了1倍多，建設用地的轉入量大于轉出量；而耕地面積由1980年的1 887.58 km2(72.21%)減少到2010年的1 567.63 km2(59.97%)，耕地的轉出量大于轉入量。綜合上述分析我們可以得出近30 a來秦淮河地區的城市建設用地的增加主要來源于耕地。并且2005—2010年建設用地的轉入量明顯高于1980—2005年，說明2005年之后秦淮河流域的城市化進程速度加快。

1980—2010年秦淮河流域土地利用變化最大的類型是未利用地，年變化率達到5.77%，其次是城鄉工礦居民用地，年變化率為3.63%，耕地和水域的年變化率相差不大，但是變化方向相反，分別是-0.57%和0.49%，林地和草地土地利用類型均有輕微減少。未利用地在1980—2005年沒有明顯變化，而在2005—2010年迅速的增加，總面積翻了2.73倍，其中50.62%的未利用地來自于林地，23.22%的未利用地來自于耕地。經過實地調查發現，2005年大量的土地被征收用于開發建設，但受到政策或外部其他因素的影響建設中途被中斷，這部分處于半開發狀態的土地不能再用于耕地，也不能建設，土地便被閑置起來。總體而言，1980—2010年，隨著秦淮河流域經濟快速發展和城市化進程的推進，城鄉工礦居民用地、水域、未利用地面積大量增加，草地、耕地、林地面積減少。尤其是2005—2008年，經濟社會的發展使研究區的土地利用結構發生較大的變化，城鄉工礦居民用地、未利用地面積呈明顯的增加趨勢。

表2　秦淮河流域1980-2010年土地利用結構變化

注: 單一土地利用動態度(K)可定量描述區域某種土地利用類型在一定時間范圍內的變化情況，反映其動態變化速度。

3.2　土地利用變化的驅動因子分析

3.2.1驅動因子的選取土地利用變化是不同土地利用需求和土地利用類型的耦合，是當今經濟社會中最活躍和最普遍的現象[17]。要了解土地利用為什么變化和如何變化,首先要弄清楚土地利用變化的驅動因素。土地利用變化的驅動因子可以概括為自然因素和人為因素綜合作用的結果。但是,李曉兵[18]研究認為在有限的時間尺度內，人類活動所引起的土地利用變化幅度超過了自然因素引起的的土地利用變化幅度。Kasperson研究指出，在環境典型帶，土地利用/覆被動態變化中,人類方面的驅動力因素有：人口、技術水平、富裕程度、政治經濟結構、信任與態度。韓麗認[19]為秦淮河流域土地利用的自然限制性條件較少，在短時間尺度內影響秦淮河流域土地利用變化的主要驅動力因素是經濟因素，比如人口、經濟、城市化政策制度等。鑒于此，本研究綜合已有的成果從1980—2010年南京統計年鑒資料中選取影響秦淮河流域土地利用變化的總人口、農業人口、GDP、人均GDP、農業總產值(萬元)、工業總產值(萬元)、農民人均純收入、城市居民人均可支配收入、全社會固定資產投資(億元)、城鎮固定資產投資(億元)、城市居民消費價格指數、財政收入、財政支出、實際使用外資、農作物總播種面積、社會消費品零售總額(億元)、實際灌溉面積、城市化率等18個分析因子進行主成分分析。

3.2.2驅動力定量分析利用秦淮河地區1980—2010年社會經濟驅動因素變量的數據進行因子分析、采用方差最大正交旋轉方法之后，本文選取的是特征值大于1的兩個主因子。從表3中可以看到，其累計解釋方差量已經達到94.43%，因此足以代表原始變量所包含的絕大部分信息。主因子載荷的絕對值大小反映了載荷的顯著程度，符號反映了影響的方向。根據表3中顯示的主因子載荷，第一主成分代表戶籍總人口(萬人)、農業人口、GDP(億元)、人均GDP、農業總產值、工業總產值(萬元)農民人均純收入、城市居民人均可支配收入、全社會固定資產投資(億元)、城鎮固定資產投資(億元)、財政收入(億元)、財政支出、社會消費品零售總額(億元)、實際使用外資(億美元)、城市化率，占原始方差的87.97%，這些指標反映了人口、農業及經濟發展水平，可概括為人口、經濟和農業的作用；城市居民消費價格指數在第二主成分的中的載荷比較高，這個指標反映了人民生活水平的提高，可概括為經濟發展的作用。可見，秦淮河耕地變化的主要驅動力是社會經濟發展、人口增長及人民生活水平提高。

表3　主因子載荷

4結 論

(1)研究區30 a內土地利用結構發生了較大的變化。建設用地面積逐年增加，耕地面積逐年減少，30 a間建設用地面積翻了一倍還多。2005年之后城市化進程加快，建設用地和未利用地面積大幅度增加。

(2) 研究區30 a來土地利用程度有所上升。1995—2005年土地利用程度變化不大，2005—2010年土地利用程度迅速加大，表明該階段土地開發利用程度較大。

(3) 流域土地利用轉移主要發生在建設用地和其他各類型間，而其他各類型之間轉移不明顯。研究區內建設用地的增加主要源于耕地的轉入，其次是林地、水域。但是，2005年之后未利用地迅速的增加，主要源于林地的轉入，其次是耕地。

(4) 導致研究區耕地數量減少、建設用地增加的驅動力主要是經濟發展和人口增長。人口非農化的增長和經濟發展必然會導致城鎮工礦用地的增加、農業產業結構調整，便引起土地利用方式之間的變化。

[參考文獻]

[1]Song Yan, Ding Chengruui. Smart urban growth for China[C]. Cambridge, Massachusetts: Lincoln Institute of Land Policy, 2009:131-150.

[2]Yu Wanhui, Zang Shuying, Wu Changshan,et al. Analyzing and modeling land use land cover change(LUCC) in the Daqing City, China[J]. Applied Geography, 2011,31(2):600-608.

[3]Miserendino M L, Casaux R, Archangelsky M, et al. Assessing land-use effects on water quality, in-stream habitat, riparian ecosystems and biodiversity in Patagonian northwest streams[J]. Science of the Total Environment, 2011,409(3),612-624.

[4]Du Jinkang, Li Qian, Rui Hanyi, et al. Assessing the effects of urbanization on annual runoff and flood events using an integrated hydrological modeling system for Qinhuai River basin, China[J]. Journal of Hydrology, 2012,464(5):127-139.

[5]Turner B L, Skole D, Sanderson S, et al. Land-use and Land-cover Change: Science/research Plan[R]. IGBP & IHDP, 1995.

[6]蔡運龍.土地利用/土地覆被變化研究:尋求新的綜合途徑[J].地理研究,2001,20(6):645-652.

[7]朱會義,何書金,張明.環渤海地區土地利用變化的驅動力分析[J].地理研究,2001,20(6):669-678.

[8]王艷君,呂宏軍,施雅風,等.城市化流域的土地利用變化對水文過程的影響[J].自然資源學報,2009,24(1):30-36.

[9]許有鵬,丁瑾佳,陳瑩.長江三角洲地區城市化的水文效應研究[J].水利水運工程學報,2009(4):67-73.

[10]李傳哲,于福亮,劉佳,等.近20 a來黑河流域干流中游地區土地利用/覆被變化及驅動力定量研究[J].自然資源學報,2011,26(3):353-363.

[11]朱會議,李秀彬,何書金，等.環渤海地區土地利用的時空變化分析[J].地理學報,2001,56(3):253-260.

[12]劉紀遠.西藏自治區土地利用[M].北京:科學出版社,1992.

[13]朱會義,李秀彬,關于區域土地利用變化指數模型方法的討論[J].地理學報,2003,58(5):643-650.

[14]徐嵐,趙后羿.馬爾科夫過程預測東陵區土地利用格局的變化[J].應用生態學,1993,4(3):272-277.

[15]朱星宇,陳勇強.SPSS多元統計分析方法及應用[M].北京:清華大學出版社,2011.

[16]胡和兵.城市化背景下流域土地利用變化及其對河流水質影響研究[D].江蘇 南京:南京師范大學,2013.

[17]張俠,葛向東,濮勵杰,等.土地利用的經濟生態位分析和耕地保護機制研究[J].自然資源學報,2002,17(6):677-683.

[18]李曉兵.國際土地利用/土地覆蓋變化的環境影響研究[J].地球科學進展，1999,14(4):395-400.

[19]韓麗.流域土地利用變化及水文效應研究[D].江蘇 南京:河海大學,2007.

Land Use Change and Its Driving Mechanism in Qinhuai River Watershed During 1980-2010

MA Xiaoxue, BIAN Zihao, LI Na, LI Yongtai, ZHAO Jing, ZENG Chunfen, WANG Lachun

(SchoolofGeographicandOceanographicSciences,NanjingUniversity,Nanjing，Jiangsu210093,China)

Abstract：[Objective] Land use change and its driving mechanism in Qinhuai River watershed during 1980—2010 were illustrated to provide a scientific basis for ecological economic sustainable development and watershed management. [Methods] Land use conditions of Qinhuai River watershed in 1980, 1995, 2000, 2005, 2008, 2010 were investigated by GIS thematic map and overlaying analysis. The characteristics of land use/cover change were acquired based on the conversion matrix of land-use change from 1980 to 2010. By social statistic data analysis, driving forces of land use change were further discussed in Qinhuai River watershed. [Results] Compared with the rapidly increasing of building area, the gross area of cropland, grasslands and forest lands were decreasing. There is an obvious temporal difference for land use change, and the greatest changes took place from 2005 to 2008. The increased area of building were conversed from croplands, forest lands and water bodies. The main driving forces of land use change in the study area were economic development, population growth and elevation of living standard. [Conclusion] Urbanization is the main driving force that result to the increasing of construction land and decreasing of arable land.

Keywords:land use/cover change; urbanization; principal component analysis; driving forces

文獻標識碼：A

文章編號：1000-288X(2015)06-0272-05

中圖分類號：F301.24

通信作者：王臘春(1963—),男(漢族),江蘇省南京市人,博士,教授，博士生導師,主要從事水文學水資源等方面的研究。E-mail:wang6312@nju.edu.cn。

收稿日期：2014-09-01修回日期：2014-10-22

資助項目：江蘇省水利科技項目“城市化與人類活動對城市河道水文及水環境的影響：以秦淮新河為例”(2014050); 江蘇省研究生培養創新工程 (KYZZ_0031)

第一作者：馬小雪(1986—),女(漢族),山東省濰坊市人,博士研究生,研究方向為水文水資源。E-mail:maxiaoxue029@126.com。