2001～2015年沈陽市土地利用變化及其驅動力分析

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(1.許昌學院 城鄉規劃與園林學院，河南 許昌 461000；2.遼寧省環境計算與可持續發展重點實驗室，遼寧 沈陽 110016；3.中國科學院沈陽應用生態研究所 中國科學院污染生態與環境工程重點實驗室，遼寧 沈陽 110016)

土地利用/覆被變化(Land-Use and Land-Cover Change，LUCC) 作為全球變化、人地協調可持續發展的重要組成部分和核心研究內容，越來越顯現出其巨大優勢和重要意義[1].遙感是信息科學技術的重要支撐，能夠迅速客觀地反映地物要素的空間分布，在土地利用變化監測、土地規劃和管理等方面具有極大的應用潛力[2].因此，兩者的結合具有較高的可行性和更大的優越性.在“振興東北老工業基地”的時代背景下，全面而客觀地掌握沈陽市土地利用的時空變化規律及其驅動機制，合理調控土地利用方式，促進人地關系協調發展顯得尤為重要和迫切.

在近二十年的研究中，國內外專家學者圍繞土地利用/覆被開展了大量的研究工作.美國全球變化研究計劃從1996年開始就實施了針對整個北美大陸的土地利用變化研究與分析項目[3]；Turner與Skole等學者對土地利用的驅動力和時空變化特征進行了深入的探索并取得重要成果[4,5]；Shi等研究了東營市的土地利用變化及景觀格局對其的響應[6]；Sun等對中國九大城市LUCC對顆粒物污染的影響進行了研究[7]；顧朝林等對北京市的LUCC機制進行了分析研究[8]；劉紀遠等對土地利用的時空變化進行了分析研究[9].

以往LUCC研究主要集中在區域性和全球性模型的構建及發展趨勢預測等方面[10].我國的LUCC研究多著眼于大中尺度或者典型的干旱-半干旱氣候地區，而以沈陽市作為研究區使用混合分類法的LUCC和驅動力研究較為少見.本文以混合分類法對沈陽市的土地利用進行了研究分析，其結果可以為沈陽市土地利用調查和城市發展規劃提供重要參考，豐富和完善區域土地資源數據庫，同時推進半濕潤氣候下的小區域LUCC的驅動力精細化研究.

1 研究區概況

研究區為沈陽市，含9個區、3個縣和1個縣級市(東經122°41′～123°81′ ，北緯41°19′～43°01′).地處遼寧省中部，因其位于沈水之北而得名.東西寬約115 km，南北長約210 km，總面積12 948 km2.截止到2012年，全市常住人口822.8萬人.沈陽市的地形以平原為主，東南有部分山地、丘陵，境內有遼河、渾河、秀水河等多條河流.屬溫帶半濕潤大陸性氣候，四季較為分明，終年氣溫-35～36 ℃，年均氣溫8.3 ℃，無霜期155～180 d，年降水量700 mm，降水量年際變化較大，主要受夏季風的影響.

2 研究方法

2.1 數據處理

本文影像來源于“地理空間數據云”網站，統計數據來源于遼寧省統計年鑒.影像以TM和Landsat8的OLI為主，獲取時間為2001、2006和2015年九月份左右，對三期影像采用混合分類法進行分類并結合目視解譯結果，參考研究區調查概況，糾正與實際情況不符的結果.得到本區土地利用變化狀況.根據土地利用現狀分類標準[11]和研究目的，把研究區內的土地利用類型劃分為耕地、林地、草地、園地、道路交通用地、城鎮用地、水域和其他用地，共計八種類別.

2.2 混合分類法

混合分類法先利用非監督分類的方法對影像進行初次分類，對結果進行解譯并得到分類模板，之后利用這些模板作為監督分類的樣本并最終得到分類結果.該方法結合監督分類和非監督分類方法的優點，彌補了各自缺陷，較傳統的單一分類方法明顯提高了分類精度[12].

3 結果與分析

3.1 土地利用變化特征分析

由圖1和圖2可知，沈陽市2001～2015年間的土地利用變化特征為：城鎮用地空間分布范圍較大且呈現不斷擴展的趨勢；耕地在空間分布上仍占主導地位，但其面積逐漸縮減；林地面積逐漸變大，擴展空間相對集中在沈陽市區東部的棋盤山和東陵區，以及法庫縣和康平縣的丘陵及山地；道路交通用地顯著增加，路網密度變大，沈陽市交通通達度水平逐漸提高；新民市周圍的園地消失，主要變為城鎮用地和耕地；水域尤其是沈陽市北部法庫縣和康平縣的水庫面積明顯變大.

圖1 沈陽市2001年土地利用分類圖

圖2 沈陽市2015年土地利用分類圖

3.2 土地利用轉移矩陣分析

首先,對沈陽市2001和2015年的土地利用分類結果進行重編碼，確保土地利用類別在影像屬性表的排列順序一致.然后,利用Erdas中Interpreter模塊下GISAnalysis的Matrix工具，分別輸入前一時相和后一時相的數據并疊加，求出土地利用轉移矩陣(表1).由于結果以像元個數表示，需將其乘以實際面積并轉換為平方千米，結果如下.

表1 沈陽市2001～2015年土地利用轉移矩陣/(km2)

3.3 土地利用變化指標分析

3.3.1 土地利用比重變化率

基于土地利用分類結果計算出沈陽不同階段的土地利用比重變化率(表2)，從整體來看，耕地、園地和其它用地比重減小，耕地比重變化率最大，為0.75%.前一階段(2001～2006年，下同)，水域、林地、草地、城鎮用地和道路交通用地逐漸增加，其中城鎮用地比重變化率最大，年均達0.81%；耕地、園地和其它用地減少，耕地的比重變化率最大，超過城鎮用地達到了1.02%.后一階段(2006～2015年，下同)，僅有耕地比重持續減少，其它土地利用類型比重有所增長，但除林地外，增長均放緩.

沈陽市城鎮用地比重不斷增加，耕地比重則以最快的變化速度不斷下降.城市發展致使用地需求增加，作為比重最大的耕地則是城鎮用地的最大轉出源.除林地外，其它土地利用類型后一階段的變化率均小于前一階段.城市飛速發展后，會進入相對緩慢的發展階段，此階段內城市主要表現為內部結構不斷調整和優化，而郊區和村鎮的各類基礎設施也不斷完善.林地和水域比重不斷增加并呈現緩慢加速趨勢，說明沈陽市“退耕還湖”和“退耕還林”工作有序推進.

表2 沈陽市不同階段土地利用比重變化率/%

注：“-”代表該土地利用類型減少，數值小的比重變化率保留小數點后三位數字.

3.3.2 土地利用變化重要性指數

由表3可知，沈陽土地利用變化總面積約為3 788 km2，占總面積的29.98%；在各種土地利用轉換中，耕地轉為城鎮用地、耕地轉為林地、耕地轉化為道路交通用地等5種土地轉換居主導地位，占土地利用變化總面積的72%以上.這表明沈陽土地利用變化以耕地向城鎮用地、林地、道路交通用地轉化為主要方向，同時城鎮用地和道路交通用地向耕地轉化也較為明顯.前者與城市化進程加快和“退耕”政策相關，而后者應是新農村建設中土地整理和城市內部結構優化的緣故.

表3 沈陽市2001～2015年土地利用變化主要類型

注：Ci代表各種土地變化類型占變化總面積的比重.

3.4 土地利用變化的驅動力分析

由以上分析可知，沈陽市的土地利用變化集中在耕地、城鎮用地和道路交通用地，結合沈陽市發展實際和現有資料，驅動力因子主要從經濟因素、人口和財政稅收、建筑業狀況、金融等方面進行分析.

3.4.1 經濟發展因素

經濟因素是影響土地利用方式的基本要素，也是各種要素中最為活躍的驅動力.它決定著土地利用變化的規模、結構和方向.根據分析發現經濟因素對耕地和發展用地的影響較大，尤其是對發展用地.發展用地變化是經濟發展和城市擴張的直接體現，發展用地與經濟因子的關聯度均不小于0.75.第一產業和第三產業與耕地、發展用地的關聯度略大于第二產業與耕地、發展用地的關聯度.第一產業與耕地息息相關，而耕地同時也是發展用地的最大轉出源，所以第一產業與耕地和發展用地的關聯度較大.與第二產業主要提供生產制造和加工相比，第三產業更多地為第一、二產業提供交通運輸、倉儲等各類服務，服務用地的增加是第三產業發展的客觀要求，這種需求會反作用于耕地.這些從側面反映出沈陽市城市化進程中產業結構優化和經濟轉型升級對土地利用的影響.

3.4.2 人口因素

從關聯分析可知，人口因素與耕地、發展用地的關聯度略大于0.6，但較其它因素普遍較低.人口增加直接導致人均耕地面積不斷萎縮，人口大量涌入城市會造成住宅和各種配套設施緊張，使得建筑面積持續擴大.人口作為生產的組織者和產品的主要消費者，其生產活動、消費習慣、素質水平在很大程度上影響著各種土地利用類型間的變化和相互轉化，這種影響重要而復雜，難以進行具體描述和量化.因此，人口因素與耕地、發展用地的關系表現在關聯度上并非特別顯著.

3.4.3 財政稅收等制度政策因素

在制度和政策方面，沈陽市都擁有良好的外部發展條件和自身發展的巨大優勢.這些政策和戰略能夠更好地引導沈陽市的發展，加速經濟增長和城市化進程，發展過程中所遇到的人地矛盾、人與自然的矛盾也會逐步得到改善，進而改變土地利用方式和結構、效益.但也應看到，制度政策的影響力具有一定的滯后性，它對土地利用的影響往往在一段時間后才逐漸明顯，因此顯著性不如國內貿易等因素對兩者的影響.

3.4.4 建筑業狀況、國內貿易和金融因素

建筑業為國民經濟的支柱產業之一，是人民生產生活的重要物質基礎.建筑業與耕地、發展用地的關系較為密切，平均關聯度接近0.75.從關聯度大小來看，建筑業增加值、竣工面積與發展用地的關系較耕地更為密切，竣工面積與耕地的關系較建筑業增加值更為緊密.與其他因素相比，社會消費品總額、本外幣存款余額與耕地、發展用地的關聯度最高，平均關聯度均為0.785.社會消費品總額是反映經濟狀況的重要指標，金融業則是國民經濟發展的晴雨表，它們分別體現出人民的消費實力和潛在消費能力.與財政稅收、人口等因素相比，兩者在反映經濟發展狀況方面更為及時有效.市場經濟條件下，城市土地利用集約化不斷推進，土地利用結構和布局隨之改變，因此，社會消費品總額和本外幣存款余額對耕地、發展用地具有極其重要的影響.

4 結論

(1)沈陽的耕地在空間分布上仍占主導，但面積不斷萎縮；城鎮用地不斷擴展，在沈陽市區、遼中縣和法庫縣最為明顯；道路交通用地不斷增加，路網密度變大的同時，林地覆蓋在山地丘陵地區顯著提高.

(2)耕地是土地利用中最大的轉出類，耕地主要轉為城鎮用地、林地和道路交通用地；耕地與林地、水域、城鎮用地間的相互轉化較為明顯；城鎮用地不僅是耕地的轉入類型，還由道路交通用地等土地利用類型轉化.

(3)耕地比重以最快的速度不斷下降，而城鎮用地和道路交通用地比重不斷增加，但各土地利用類型變化率趨小；沈陽土地利用變化總面積約近3 788 km2，約占總面積的30%；土地利用變化面積比重方面，耕地、城鎮用地和道路交通用地變化劇烈.

(4)與耕地相比，社會經濟要素的驅動因子與發展用地的關系更為密切；發展用地與本外幣存款余額、建筑業增加值、社會消費品總額的關聯度最高，而耕地則與城市居民人均消費性支出、農村居民人均消費性支出、社會消費品總額的關系最為密切.