成渝經濟區土地利用變化特征與驅動力分析

2015-07-19 06:44:40吳坤王文杰劉軍會張哲胡圣武

環境工程技術學報 2015年1期

吳坤，王文杰，劉軍會，張哲，胡圣武

1.湖南科技大學建筑與城鄉規劃學院，湖南湘潭 411201

2.中國環境科學研究院環境信息研究所，北京 100012

3.河南理工大學測繪與國土信息工程學院，河南焦作 454000

土地利用變化是人類活動作用于生態環境所呈現出的最顯著形式［1］，作為土地科學計劃研究的重要課題，已經成為全球環境變化與可持續發展研究的重要內容［2-4］。對土地利用過程、格局、驅動力的研究被認為是揭示土地利用時空變化規律的有效方法［3-6］，國內外學者關于土地利用動態變化及其驅動力分析進行了大量研究，以B. L. Turner 等［6-9］為代表的北美學者通常從宏觀角度出發，采用對比案例的研究方法將土地利用變化與土地過程管理進行分析和建模，定性研究全球土地利用變化與環境變化的關系;歐洲學者［10］多將土地利用作為整體系統，對不同時空土地利用變化仿真，以福利分析為出發點，研究社會經濟驅動因素;日本學者［11］主要將經濟學模型和數量模型結合，采用相關分析方法選取說明變量，采用KSIM 等模擬方法對土地利用變化及政策環境進行模擬，定量研究區域土地利用變化過程;國內學者則大多基于RS 和GIS 技術，以人地矛盾突出、經濟發展迅速的區域為研究區，采用土地利用程度變化模型［12］、驅動力診斷模型［13］、土地利用結構預測模型等模型與數理統計分析方法相結合的技術手段研究土地利用變化及其驅動因素。

全國主體功能區規劃［14］將成渝經濟區列入國家層面的重點開發區域，近年來社會經濟發展十分迅速，土地格局變化劇烈。目前對成渝經濟區土地利用的研究主要有以下幾個方面:土地利用與生態服務價值動態分析［15］、城市土地集約利用評價及時空特征分析［16］等。而對于西部大開發計劃實施后的第一個10年，針對成渝經濟區尺度土地利用變化特征及驅動力分析方面的研究還較少。筆者利用遙感技術(RS)和地理信息系統(GIS)結合的技術手段，分析2000—2010年成渝經濟區土地利用數量變化特點，識別土地利用類型轉移規律及空間分布特征，并構建偏最小二乘回歸模型對成渝經濟區土地利用變化進行驅動力分析，以期為該區域人-地關系協調發展及土地利用科學管理提供理論依據。

1 數據與方法

1.1 研究區概況

成渝經濟區是我國典型的流域經濟區，地處四川盆地，北接陜甘、南連云貴、西通青藏、東鄰湘鄂。地理位置上包括成都和重慶兩大城市圈，其中四川省含成都、德陽、綿陽、南充、達州、廣安、遂寧、資陽、內江、眉山、自貢、樂山、宜賓、瀘州、雅安等15 個地市;重慶市含中心城區(9 個區)、璧山、永川、大足、合川、江津、綦江、南川、長壽、涪陵、萬州、榮昌、潼南、銅梁、墊江、豐都、石柱、忠縣、梁平、云陽、開縣等29 個區縣(圖1)。研究區總面積20.86 ×104km2，其中，四川省面積為15.73 ×104km2，重慶市面積為5.13 ×104km2。成渝經濟區生態系統復雜，自然資源豐富，是長江上游生物多樣性的寶庫，成渝經濟區重要的地理位置和生態功能決定了其在長江流域生態屏障建設中的重要地位。

圖1 成渝經濟區地理位置Fig.1 Location of Chengdu-Chongqing Economic Zone

1.2 數據來源與處理

土地利用數據來源于全國生態環境10年變化(2000—2010)遙感調查與評估專項:長江流域生態環境10年變化調查，一級為IPCC(政府間氣候變化專門委員會)土地覆被類型，二級基于碳收支的土地覆被類型。利用ArcGIS10.1 空間分析模塊，對土地利用的空間變化進行統計，得到研究區土地利用的轉移矩陣，用以分析不同土地利用類型間的轉換規律。分析還用到了2000年、2005年、2010年重慶市統計年鑒和四川省統計年鑒的社會經濟統計數據。

1.3 分析方法

1.3.1 土地利用變化特征分析方法

土地利用的變化情況可以通過單一土地利用類型動態度、轉出率和轉入率來表示。

(1)土地利用類型動態度

單一土地利用類型動態度可以定量表達研究區一定時間范圍內的土地利用類型數量的變化情況［17-18］，綜合土地利用動態度描述土地利用的變化速度，其表達式分別為:

式中:Ki為研究時間范圍內第i 種單一土地利用類型的動態度;Ua為研究初期a 時期第i 種土地利用類型的數量;Ub為研究末期b 時期第i 種土地利用類型的數量;T 為研究時段，當T 單位為年時，Ki即為i 種土地類型的年變化率;Lc為綜合土地利用動態度，即土地利用年變化率;ΔLUi→j為T 時間段內第i 種土地類型轉化其他利用類型的總面積;ΔLUi為監測起始時間第i 種土地類型的面積。

(2)轉出率(α)與轉入率(β)

式中:αij為a 時期第i 種土地利用類型轉化為b 時期第j 種土地利用類型的比例;βij為b 時期第j 種土地利用類型從a 時期第i 種土地利用類型轉化而來的比例［19］。

(3)土地利用轉移矩陣

土地利用轉移矩陣是定量研究土地系統內各種土地利用類型間相互轉化主要方法，能夠反映出土地利用變化的結構特征以及不同類型土地的轉移方向［20］。其表達式為:

式中:Sij指a 時期第i 種土地利用類型轉化為b 時期第j 種土地利用類型的面積;n 為土地利用類型的數量。

1.3.2 驅動力定量分析方法

偏最小二乘回歸通過自變量主成分的提取，很好地概括自變量系統，在解釋因變量的同時排除系統存在的噪聲干擾，消除變量間的多重共線性，并且能在樣本容量小于變量個數的情況下進行回歸建模，適合用于土地利用變化驅動分析［21-22］。其基本算法如下［22-23］:

假設自變量(X)和因變量(Y)經過數據標準化后分別得到數據矩陣E0和F0，記t1和u1分別是從E0和F0中提取的第一主成分，則有:

其中:w1為E0的第一主軸，且有‖w1‖=1

其中:v1為F0的第一主軸，且有‖v1‖=1

根據主成分分析原理，要求t1和u1的標準差趨于最大，由典型相關分析原理，t1和u1的協方差要達到最大，綜合起來即:

數學表述為求解優化問題，即在‖w1‖ =1 和‖v1‖=1 的約束條件下求的最大值。求得w1和v1后即可獲得第一主成分t1和u1，再分別實施E0對t1的回歸和F0對u1的回歸，如果回歸方程滿足精度要求，則算法終止;否則，利用殘余信息繼續下一輪成分提取，直至滿足精度為止。如最終提取r 個主成分T=(t1，…，tr)，則偏最小二乘回歸首先建立Y 與T 的回歸，然后再表達成Y 與原始自變量X 的回歸方程。

2 土地利用變化特征

2.1 土地利用數量變化

根據2000年、2005年、2010年3 個時期遙感影像解譯數據，成渝經濟區主要土地利用類型為耕地和林地(圖2)，對比分析3 個時期的土地利用數據(表1)，發現土地利用變化的特征如下:

(1)2000—2010年，林地面積增加2 719.15 km2，所占比例增加1.3 個百分點;草地面積增加69.44 km2，所占比例增加0.03 個百分點;濕地面積增加594.08 km2，所占比例增加0.28 個百分點;耕地面積減少明顯，減少面積達5 840.27 km2，所占比例下降2.8 個百分點;人工表面用地面積迅速擴大，增加了2 337.03 km2，所占比例增加1.12 個百分點;其他用地面積增大120.56 km2。

(2)2000—2010年土地利用動態度由高到低依次為人工表面＞濕地＞其他用地＞耕地＞林地＞草地。人工表面土地利用類型變化最為劇烈，2000—2010年動態度為8.35%;2000—2005年和2005—2010年耕地變化動態度均為-0.57%，耕地總面積呈現出以穩定速度持續降低態勢。2000—2005年研究區綜合土地利用動態度為0.170 2%，2005—2010年綜合土地利用動態度為0.170 7%，表明成渝經濟區2005—2010年土地利用變化速度大于2000—2005年，呈現加快變化趨勢。

(3)從人工表面內部結構分析，居民地、工業用地、交通用地和采礦用地面積均大幅度提升。其中，2000—2010年工業用地變化尤為劇烈，動態度達到302.19%，說明成渝經濟區工業產業發展正處于十分活躍的態勢。從時間上看，2005—2010年工業用地和采礦用地發展速度較2000—2005年加快，而居住地和交通用地動態度的變化則相對變緩，說明成渝經濟區人工表面用地中用于工業用地發展的投入較大。

圖2 2000年、2005年和2010年成渝經濟區土地利用Fig.2 Land use map of Chengdu-Chongqing Economic Zone in 2000，2005，2010

表1 2000—2010年成渝經濟區土地利用數量變化Table 1 Land use change from 2000 to 2010 in Chengdu-Chongqing Economic Zone

2.2 土地利用類型轉移

2000—2010年土地利用轉移矩陣表明，成渝經濟區內各土地利用類型之間轉換頻繁，其中，大面積和大比例的土地類型轉換主要發生在耕地、人工表面、林地和濕地之間(表2)。

耕地主要轉化為人工表面用地和林地。10年間共有5 907.15 km2耕地轉出為其他幾種土地利用類型，其中，3.58%的耕地轉化為林地，轉化面積達3 705.78 km2;1.81%的耕地轉化為人工表面，轉化面積達1 870.61 km2;0.24%的耕地轉化為濕地，轉化面積為246.90 km2。而轉出為林地和人工表面的部分分別占所有轉出耕地總面積的62.73%和31.67%，合計94.40%。

人工表面主要由耕地和林地轉化而來。10年間共有2 353.25 km2其他土地利用類型用地轉化為人工表面，其中，由耕地轉化來的人工表面面積為1 870.61 km2，由林地轉化來的人工表面面積為454.55 km2，分別占所有轉入人工表面總面積的79.49%和19.32%，合計98.81%。從空間上看，轉入的人工表面用地主要分布于重慶市和成都市(圖3)。新轉入人工表面用地占總轉入人工表面用地面積比例排名前26 位的區縣均屬于重慶市或成都市，合計達75.41%，其中，前10 位分別為重慶主城區、涪陵區、成都市主城、長壽區、雙流縣、郫縣、萬州區、豐都縣、新都區、江津區，合計達52.08%。

表2 成渝經濟區2000—2010年土地利用轉移情況Table 2 Land use conversion matrix in research area from 2000 to 2010 in Chengdu-Chongqing Economic Zone

圖3 2000—2010年成都市、重慶市新增人工表面用地分布Fig.3 The distribution of new structures from 2000 to 2010 in Chengdu and Chongqing

(3)林地主要由耕地轉化而來。10年間共有 3 751.07 km2其他土地利用類型用地轉化為林地，由耕地轉化而來的面積則占98.79%。從空間上看，成渝經濟區成都部分以地級市為單位、重慶部分以區縣為單位進行統計得出，2000—2010年新增林地占各轄區行政面積比例超過3.0%的市縣依次為榮昌縣＞眉山市＞綦江區＞自貢市＞長壽區＞永川區＞重慶主城區＞成都市＞大足區＞云陽縣，主要分布在岷江上游、沱江上游、嘉陵江上游和長江干流重慶段(圖4)。

圖4 2000—2010年成渝經濟區新增林地分布及占行政區面積比例數量分布Fig.4 The distribution and proportion of new forest from 2000 to 2010 in Chengdu-Chongqing Economic Zone

3 土地利用變化驅動分析

3.1 偏最小二乘回歸模型構建

土地利用變化的驅動因素主要來自于自然和社會兩方面的驅動，而短期內區域土地利用的轉變主要是由人類活動造成的［24］。因此，在2000—2010年成渝經濟區土地利用變化驅動力分析中，應重點分析土地利用變化的社會驅動因素［25-27］。相關研究表明，總人口、非農業人口、國內生產總值、固定資產投資額、人均國內生產總值、第二產業比例、公路通車里程與土地利用變化密切相關［24］。由于各驅動因素之間存在不同程度的相關性，容易產生多重共線性而影響多元線性回歸建模的精度，而偏最小二乘回歸可以很好地解決這一問題。

由各驅動因素組成自變量數據X(表3)，由林地面積(y1)、草地面積(y2)、濕地面積(y3)、耕地面積(y4)、人工表面用地面積(y5)和其他用地面積(y6)組成因變量數據Y(表1)。

使用DPS 數據處理系統完成偏最小二乘回歸分析，計算結果(表4)包括模型效應和因變量權數、模型效應負荷量、標準回歸系數和回歸方程。根據交叉驗證法≥0.097 5，選取在自變量和因變量中提取的第一成分t1和u1構建偏最小二乘回歸模型。

表3 自變量數據Table 3 The independent variables data

表4 模型效應和因變量權數及模型效應負荷量Table 4 Dependent variable weights and model effect loadings

回歸方程結果如下:

通過比較因變量權數和模型效應負荷量，得出各自變量對因變量作用的強弱關系。模型表明，在選擇的土地利用變化各指標中，各自變量對成渝經濟區土地利用變化的驅動強度不同，由強到弱排序為總人口=非農人口＞國內生產總值＞人均國內生產總值＞固定資產投資額＞第二產業比例＞公路通車里程。可以看出，研究區內人口壓力為土地利用變化的最主要驅動因素，國內生產總值、人均國內生產總值和固定資產投資額為次強驅動因素，再次為第二產業比例，而公路通車里程影響程度相對較弱。

3.2 驅動力分析

3.2.1 人口壓力驅動

“有機疏散”理論［5］認為，城鎮人口的快速增長將會引起城鎮人口和就業崗位的分布朝著可供合理發展并離開中心區域的方向發展，隨著人口的增長、結構的變化和勞動力的聚集，必將導致土地利用規模的擴張和用地結構的改變。人口增長的越快，人地矛盾就越顯突出，對人工表面用地需求也相應增加，而土地總面積的有限性又決定必須通過土地系統中各類型土地互相轉化來滿足人類生產和生活的需求。

從圖5 和表5 可以看出，2000—2010年成渝經濟區總人口增加659.13 萬人，增幅為6.83%;非農業人口增加1 152.25 萬人，增幅達到59.89%。其中，成都市總人口增幅13.40%，非農業人口增幅高達88.18%;重慶市總人口增幅為8.73%，非農業人口增幅達71.58%。從農業和非農業人口比例來看，成渝經濟區非農業人口比例增加9.9%，重慶市和成都市非農業人口比例分別增加13.3% 和22.5%，導致重慶和成都人工表面用地規模的快速擴增，特別是成都市由2010年的農業人口占主導發展為2010年非農業人口占主導，說明成渝經濟區的人口結構正朝著非農業人口方向演變，城鎮化進程十分明顯。

圖5 2000—2010年成渝經濟區新增非農人口占總人口比例分布Fig.5 The distribution and proportion of new urban population from 2000 to 2010 in Chengdu-Chongqing Economic Zone

表5 2000—2010年重慶市、成都市人口變化情況Table 5 Population change from 2000 to 2010 in Chongqing and Chengdu

3.2.2 經濟發展驅動

成渝經濟區國內生產總值由2000年的4 943.548億元增至2010年的22 220.228 億元，增幅高達349.48%;人均國內生產總值由2000年的5 125 元增至 2010年的 24 311 元，增幅為374.36%;全社會固定資產投資額由2000年的1 356.145億元增至2010年的17 424.482 億元，增幅高達1 184.85%;第二產業比例由2000年的43.98%增至50.31%。國內生產總值和固定資產投資額的大幅度上漲，表明成渝經濟區經濟的迅猛發展，固定資產投資額增加的直接表現是人工表面用地的增加，尤其是基礎設施建設的增加和房地產行業的迅速發展，耕地則成為人工表面用地的最主要來源，耕地面積的減少引發農業勞動力向城市轉移，從而加速成渝經濟區城鎮化的進程。

2000—2010年，成渝經濟區三產比例從18.39 ∶43.98 ∶37.63 轉變為11.65 ∶50.31 ∶38.05，呈現出二產占主導的“二三一”型產業結構模式，且第一產業比例下降、第二產業比例上升趨勢明顯，反映了工業和建筑業的迅速發展趨勢，而第二產業主要構成為工業，因此二產比例的快速上升實際反映出成渝經濟區工業化快速發展的態勢，產業工業園區的入駐占用大量耕地及林草地，“雙核兩帶”的產業布局促進了區內土地利用系統快速轉化，導致成都和重慶兩大都市區、成德綿城市經濟帶和沿長江城市經濟帶人工表面用地的迅速擴張。

3.3.3 國家政策驅動

國家和地方的政策制度因素對區域土地利用方式及其變化起強制性作用［28-29］，土地利用結構及其變化是特定時期經濟體制及政策水平下的產物，各級政府經濟政策、土地政策、環保政策、農業政策、水利政策等宏觀調控將直接影響區域土地利用的狀態。2000年，成渝經濟區被確定為西部大開發的三大重點區域之一，2006年，成都和重慶被納入全國統籌城鄉綜合配套改革試驗區，一系列政府宏觀政策支持推進了成渝經濟區的快速發展和城鎮化進程，加速了居住地、工業用地、交通用地等人工表面的形成，原有城市不斷擴張，新興工業城市不斷興起，裝備制造業、電子信息、生物醫藥、汽摩、清潔能源、食品飲料業、國防科技工業等優勢產業迅速發展，不同土地利用類型的轉化更加頻繁，逐漸形成以成都和重慶兩大城市為核心的土地利用空間格局。

1999年起，成渝經濟區內各市縣陸續啟動退耕還林工程，2000年以三峽庫區為界的長江上游地區開始實施國務院批準的天然林資源保護工程［3］，受西部開發“生態退耕”政策的影響，研究區內有3 705.8 km2的耕地轉化為林地，退耕還林還草政策成效十分明顯。2000—2010年，長江重慶段下游開縣、云陽縣、萬州區、忠縣、墊江縣、長壽區、豐都縣等區縣濕地面積共增加322.19 km2，占整個成渝經濟區10年來濕地增加總面積的53.21%，主要原因則為三峽大壩的竣工，三峽水位的抬高使庫區林地、耕地等土地利用類型轉化為濕地。

4 結論

(1)2000—2010年，成渝經濟區土地利用格局發生了明顯變化，主要體現在:耕地面積減少，林地、草地、濕地、人工表面和其他用地面積增加，其中，人工表面增加面積最大且增長速度最快。從土地利用轉移變化看，耕地主要轉換為林地和人工表面，人工表面的增加主要來自于耕地、林地和草地。

(2)偏最小二乘回歸模型表明，成渝經濟區人口壓力驅動，特別是非農業人口的增加是研究區土地利用變化的最主要驅動因素;國內生產總值、人均國內生產總值和固定資產投資額等經濟指標是影響土地利用變化的次強驅動因素。另一方面，國家宏觀經濟政策的調控帶動區內經濟和產業的快速發展，促使著人工表面用地、耕地、林地、濕地等土地利用類型之間的快速轉化，是成渝經濟區土地利用變化的又一重要驅動因素。

(3)通過RS 與GIS 結合的技術手段，研究成渝經濟區土地利用變化特征及其驅動力，有利于解決快速城市化地區土地利用與社會發展之間的矛盾，協調區域人—地關系的協調發展，為人地系統的合理調控提供數據、資料支持，對區域國土資源安全與可持續發展具有重要的科學意義。土地利用強度和結構的巨大變化會引起一系列區域性生態環境問題，成渝經濟區土地利用變化對生態環境變化的影響將是今后課題研究的重要方向。

［1］黃金良，李青生，洪華生，等. 九龍江流域土地利用/景觀格局:水質的初步關聯分析［J］.環境科學，2011，32(1):64-72.

［2］劉紀遠，劉明亮，莊大方，等. 中國近期土地利用變化的空間格局分析［J］.中國科學:D 輯，2002，32(12):1031-1040.

［3］劉紀遠，張增祥，俆新良，等.21 世紀初中國土地利用變化的空間格局與驅動分析［J］. 地理學報，2009，64 (12):1411-1420.

［4］TURNER B L，LAMBIN E F，REENBERG A.The emergence of land change science for global environmental change and sustainability［J］.PNAS，2007，104(52):20666-20671.

［5］雷征，董捷.武漢城市圈土地利用結構演變規律及驅動因素分析［J］.農業現代化研究，2010，31(2):147-151.

［6］TURNER B L，MOSS R H，SKOLE D L，et al. Relation of land use and global land cover change:IGBP Report No.24 and HDP Report No. 5［R］. Stockholm:Royal Swedish Academy of Sciences，2003.

［7］TURNER B L，MEYER W B.Land use and land cover in global environmental change:considerations for study［J］. Journal of International Social Science，1991，130:69-79.

［8］SKOLE D，TUCKER C. Tropical deforestation and habitat fragmentation in the Amazon:satellite data from 1978-1988［J］.Science，1993，260:1905-1910.

［9］OJIMA D S，GALVIN K A，TURNER B L Ⅱ.The global impact of land-use change［J］.BioScience，1994，44(5):300-304.

［10］FISCHER G，SUN L X. Model based analysis of future land-use development in China ［J］. Agriculture， Ecosystems ＆Environment，2001，85(1/2/3):163-176.

［11］OTSUBO K.Land use for global environmental conservation (LU/GEC):final report of the LU/GEC first phase:1995-1997［R］.Tokyo: National Institute for Environmental Studies，Environmental Agency of Japan，1999.

［12］莊大方，劉紀遠. 中國土地利用程度的區域分異模型研究［J］.自然資源學報，1997，12(2):105-111.

［13］張明.榆林地區土地利用與土地覆蓋變化研究［D］. 北京:中國科學院，1998.

［14］國務院辦公廳.全國主體功能區規劃［R］.北京:國務院辦公廳，2010.

［15］袁興中，肖紅艷，顏文濤，等. 成渝經濟區土地利用與生態服務價值動態分析［J］.生態學雜志，2012，31(1):180-186.

［16］邱磊，廖和平，龍雨嬌，等. 成渝經濟區的城市土地集約利用評價及時空特征分析［J］. 西南師范大學學報:自然科學版，2010，35(1):208-213.

［17］王秀蘭，包玉海.土地利用動態變化研究方法探討［J］. 地理科學進展，1999，18(1):81-87.

［18］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.

［19］高吉喜，呂世海，劉軍會，等. 中國生態交錯帶［M］. 北京:中國環境科學出版社，2009:260-263.

［20］任斐鵬，江源，熊興，等.東江流域近20年土地利用變化的時空差異特征分析［J］.資源科學，2011，33(1):143-152.

［21］張旸，周成虎，戴錦芳，等. 偏最小二乘回歸方法在土地利用結構研究中的應用［J］. 自然資源學報，2004，19(6):804-810.

［22］劉賢趙，張安定，李嘉竹.地理學數學方法［M］.北京:科學出版社，2009:69-75.

［23］王惠文.最小二乘回歸方法及其應用［M］.北京:國防工業出版社，1999:150-157.