基于主成分分析的都勻市土地利用動態(tài)變化及驅動力分析

邢 穎，高禮安，張杭杭

（1.黔南民族師范學院旅游與資源環(huán)境學院；2.都勻市國土資源局，貴州 都勻 558000）

土地利用變化研究是當前全球環(huán)境變化研究的熱點和前沿，分析土地利用變化特征和變化的驅動因素是研究的核心問題[1]。近年來，隨著城市化、工業(yè)化進程的快速發(fā)展，區(qū)域土地利用變化日益顯著，人地關系矛盾也越發(fā)突出。因此，找出區(qū)域土地利用變化的驅動機理，合理協(xié)調城鄉(xiāng)土地，節(jié)約集約利用土地，規(guī)劃合理的土地利用結構等是推進新型城鎮(zhèn)化和鄉(xiāng)村振興的關鍵。

目前，國內對于土地利用驅動力變化的研究較多，大部分研究采用RS提取地類進行土地動態(tài)變化分析。呂桐、吳永波運用ENVI對崇明島2000年、2005年、2010年3期Landsat ETM+遙感影像進行解譯分類，對土地利用變化的特征、速率及驅動力因素進行分析[2]；于海影、韋安勝等運用GIS和RS結合農戶調查對陜西省楊凌示范區(qū)土地利用變化及驅動力進行了深入分析[3]。在分析土地的驅動力因素時，人們較多采用主成分分析法進行定量研究。覃琳、陳月嬌等運用主成分分析法分別對重慶市九龍坡區(qū)及烏魯木齊市土地利用變化驅動力進行了研究[4-5]。以上研究中對西南小城市的關注較少，且在驅動機理分析上較多的是分析某地區(qū)建設用地的驅動力因子。

本文選擇西南地區(qū)黔南州首府都勻市為研究區(qū)，都勻市是貴州省第一批新型城鎮(zhèn)化試點城市，近十年來土地利用變化顯著。分析采用都勻市國土資源局獲取的土地利用變更調查數(shù)據(jù)，結合對都勻市社會經(jīng)濟的相關調查，選取了有代表性的驅動因子，以SPSS軟件分析揭示都勻市土地利用農業(yè)用地及建設用地的驅動機理，以期為都勻市城鄉(xiāng)一體化發(fā)展、土地利用結構優(yōu)化等提供決策參考。

1 研究區(qū)概況

都勻市位于貴州南部，是黔南州布依族苗族自治州的首府，也是貴州省首批新型城鎮(zhèn)化試點城市之一。它位于東經(jīng)107°7′～107°46′，北緯25°51′～26°26′。全市總面積228 529.58 hm2，市區(qū)下設5個街道、4個鄉(xiāng)鎮(zhèn)以及1個民族鄉(xiāng)。都勻境內北部多山地，中南部有狹長的河谷盆地，屬于喀斯特地貌。該區(qū)屬于亞熱帶季風濕潤氣候，常年平均氣溫16.1℃，冬無嚴寒、夏無酷暑，氣候舒適宜人。2017年，都勻市總人口50.01萬，GDP總產值2 129 958萬元，經(jīng)濟發(fā)展呈穩(wěn)步上升趨勢。

2 數(shù)據(jù)來源及研究方法

2.1 數(shù)據(jù)來源

為保證研究真實、可靠，本文涉及的都勻市土地數(shù)據(jù)均來源于都勻市國土資源局2009-2017年土地變更調查數(shù)據(jù)。土地數(shù)據(jù)的利用分類是按照國土資源部《土地利用現(xiàn)狀分類》（GB/T 21010-2017）的分類標準，即將土地利用類型分為12個一級類、72個二級類。社會經(jīng)濟數(shù)據(jù)來源于都勻市統(tǒng)計局2009-2017都勻市統(tǒng)計年鑒。

2.2 研究方法

土地利用的影響因素分析屬于多變量問題，變量太多會增加分析問題的難度與復雜性。而主成分分析法是把原來多個變量劃為少數(shù)幾個綜合指標的一種統(tǒng)計分析方法，這是一種降維處理技術[6]。因此，本文采用主成分分析方法，運用SPSS軟件分別對都勻市農業(yè)用地、建設用地土地利用變化影響因素進行定量分析，找出都勻市土地利用動態(tài)變化的驅動力因素。

3 都勻市土地利用動態(tài)變化分析

3.1 土地利用結構變化的幅度

土地利用結構變化幅度主要通過各種類型土地在面積總量上的變化，來反映土地利用結構的變化。都勻市土地利用類型主要分為耕地、園地、林地、草地、城鎮(zhèn)村及工礦用地、交通運輸用地、水域及水利設施用地、其他土地等八種類型。從表1可以看出，都勻市土地利用類型以農業(yè)用地為主，面積比重較大的地類主要是耕地、林地及草地。以上反映出都勻市城市化水平較低、植被覆蓋率較高等土地利用的特點。

從2009年到2017年，9年間都勻全市土地利用結構發(fā)生的顯著變化為農業(yè)用地比重下降，尤其是耕地、林地、草地，而城鎮(zhèn)村及工礦用地比重上升。以上土地利用面積變化反映出都勻市隨著城鎮(zhèn)建設推進和農業(yè)結構調整，城鎮(zhèn)用地擴張，表現(xiàn)為農業(yè)用地減少，工礦及居民點用地呈現(xiàn)較為顯著增長的土地利用結構變化。

3.2 土地利用結構變化的速度

區(qū)域土地利用結構變化的速度可以用定量的方式進行分析，可以分為單一土地利用動態(tài)度和綜合土地利用動態(tài)度。單一土地利用動態(tài)度可以定量描述某個區(qū)域一定時間范圍內某種土地利用類型變化的速度；綜合土地利用動態(tài)度則可定量反映區(qū)域土地利用的整體動態(tài)[7]。

3.2.1 單一土地利用動態(tài)度

單一土地利用類型動態(tài)度可以直觀地反映單一土地類型變化的幅度與速度，易于通過類型間的比較反映變化的差異，探測變化的驅動因素或約束因素[8]。通常情況下，單一土地利用動態(tài)度計算的是年均動態(tài)度，公式為：

式中，K為研究時間段內區(qū)域某一種土地利用類型的動態(tài)度；Ua、Ub分別為某一種土地利用類型在研究期初及研究期末的面積；T為研究時長。

表1 都勻市2009-2017年各類土地利用面積變化幅度

從表2的單一動態(tài)度來看，8年間都勻市土地利用類型中農業(yè)用地整體呈現(xiàn)減少趨勢，而城鎮(zhèn)村級工礦用地及交通用地呈現(xiàn)出非常顯著的增加趨勢，反映出都勻市城市建設不斷發(fā)展，城鎮(zhèn)地域景觀擴張。

3.2.2 綜合土地利用動態(tài)度

綜合土地利用動態(tài)度描述某一區(qū)域在一定時間段內土地利用變化的速度，公式為：

式中，LC是研究區(qū)域土地利用綜合動態(tài)度；LUi為研究起始時間第i類土地利用類型的面積；ΔLUi-i為研究時段第i類土地轉化為非i類土地利用類型面積的絕對值；T為研究時段。

為更好地分析都勻市土地利用類型變化程度，將研究時段分為2009-2012年、2013-2016年兩個時段來分析都勻市綜合土地利用動態(tài)度，如表2所示。

通過表2的土地利用動態(tài)度可以看出，在土地利用類型上，2009-2012年園地減少速度較快，交通運輸用地增加較快，這個時間段內都勻市在積極進行城市基礎設施建設，新修環(huán)西路、大龍大道、緯五路等多條市內交通干線。2013-2017年，土地利用類型減少速度較快的為耕地及草地，增加較快的為城鎮(zhèn)村及工礦用地，這個時間段都勻市撤銷王司鎮(zhèn)、壩固鎮(zhèn)、大坪鎮(zhèn)、洛邦鎮(zhèn)建制，設置新的勻東鎮(zhèn)。并將勻東鎮(zhèn)作為都勻市經(jīng)濟開發(fā)區(qū)，大力發(fā)展城鎮(zhèn)建設，對于都勻市內舊城區(qū)進行棚戶區(qū)改造。因此，這一時間都勻市土地利用綜合動態(tài)度呈遞增趨勢，2013-2017年土地利用程度要高于2009-2012年。

3.3 土地利用程度變化分析

土地利用程度主要反映土地利用的廣度和深度，是一定區(qū)域內多種土地利用類型綜合變化的結果。土地利用的程度可以用景觀偏離度、土地利用率指標來進行分析。景觀偏離度的計算公式為：景觀偏離度=（耕地面積+園地面積+建設用地面積）/土地總面積×100%。土地利用率的計算公式為：土地利用率=（已利用土地面積/土地總面積）×100%。都勻市2009-2017年景觀偏離度如圖1所示，土地利用程度如圖2所示。

表2 都勻市土地利用動態(tài)度

圖1 都勻市2009-2017年景觀偏離度

圖2 都勻市2009-2017年土地利用程度

從圖1和圖2可以看出，2009-2017年，都勻市景觀偏離度及土地利用程度基本都呈上升趨勢，說明都勻市土地利用程度不斷提高，表現(xiàn)為在城市發(fā)展建設過程中，土地利用類型相互轉化，建設用地明顯增加，耕地及未利用地減少。從圖2數(shù)值可以看出，都勻市土地整體利用程度較高，未利用地所占面積不大。

4 土地利用變化驅動力分析

促使土地利用發(fā)生變化的因素主要包括自然因素、社會經(jīng)濟因素和政策因素。其中，自然因素和政策因素對土地利用變化的影響往往需要較長的時間，短期內影響較大的因素主要是社會經(jīng)濟因素，因此本文側重于研究都勻市土地利用變化的社會經(jīng)濟驅動力因素[9]。

根據(jù)以上對都勻市土地利用動態(tài)變化的分析，人們可以看出，2009-2017年，都勻市土地利用變化呈現(xiàn)出農業(yè)用地不斷減少、建設用地增加的趨勢。因此，本研究主要選擇農業(yè)用地和建設用地的驅動因子進行定量分析。其間一共選取了15個驅動力影響因子來進行主成分分析。驅動力因子為：年末總人口（萬人）X1、非農業(yè)人口（萬人）X2、GDP（萬元）X3、全社會固定資產投資（萬元）X4、第一產業(yè)產值（萬元）X5、第二產業(yè)產值（萬元）X6、第三產業(yè)產值（萬元）X7、工業(yè)增加值（萬元）X8、農村居民人均純收入（元）X9、城鎮(zhèn)人均居住面積（m2/人）X10、城鎮(zhèn)居民人均可支配收入（元）X11、農村人均居住面積（m2/人）X12、城鎮(zhèn)建成區(qū)面積（km2）X13、城鎮(zhèn)居民人均消費支出（元）X14、農村居民人均消費支出（元）X15、恩格爾系數(shù)（%）X16。

表3 都勻市土地利用變化驅動因子相關系數(shù)矩陣

通過SPSS軟件，運用主成分分析方法自動計算得出驅動因子相關系數(shù)矩陣（見表3）、特征值與各成分貢獻率（見表4）、主成分載荷矩陣（見表5）。按照累計貢獻率大于70%、特征值大于1的原則提取主成分，由表4可以看出，在驅動因子中一共提取出兩個主成分，第一、第二主成分累計貢獻率達到88.503%，因此選擇第一、第二主成分可以達到分析的目的，兩個主成分可以反映出原有驅動因子的大部分信息。在此基礎上，筆者計算出兩個主成分的載荷矩陣，如表5所示。

按照數(shù)值越接近1，相關性程度越大的原則，從表5可以看出，第一主成分與GDP、第三產業(yè)產值、城鎮(zhèn)居民可支配收入有關；第二主成分與城鎮(zhèn)人均居住面積、恩格爾系數(shù)有較為顯著的相關性。因此，都勻市土地利用變化的驅動力因子可以歸納為經(jīng)濟發(fā)展和居民生活水平兩個因素。

5 結果與討論

通過對都勻市2009-2017年土地利用動態(tài)變化及其驅動力因子的分析，人們可以得出以下結果。

表4 特征值與各成分貢獻率

表5 主成分載荷矩陣

5.1 土地利用結構發(fā)生變化

9年間，都勻市土地利用結構變化較大，主要表現(xiàn)為農業(yè)用地及建設用地變化顯著。具體反映為耕地、林地、草地面積減少，而城鎮(zhèn)村及工礦用地比重上升。其主要原因是都勻市近幾年積極推進“一圈兩翼”建設，城市建成區(qū)面積由2009年的21.82 km2擴張到2017年的59.87 km2，城市范圍不斷擴張，對建設用地需求量也不斷增大。同時，隨著經(jīng)濟結構的轉型，農業(yè)用地面積相對萎縮。而未利用并未呈現(xiàn)出較為明顯的變化，主要是由于裸地的地類，一般坡度較大且土壤貧瘠，利用難度較高。

5.2 土地利用動態(tài)度呈增長趨勢

通過對都勻市在2009-2012年、2013-2017年兩個階段土地利用動態(tài)度的分析可以看出，2013-2017年土地利用綜合動態(tài)度為0.137，大于2009-2012年的0.060，反映出隨著都勻市的發(fā)展，對土地的利用進一步加大，景觀偏離度和土地利用程度都呈上升趨勢。預計隨著都勻市經(jīng)濟建設的發(fā)展，都勻市作為黔南州首府的中心地位進一步加強后，土地利用變化趨勢會越加顯著。

5.3 土地利用驅動力分析

通過主成分分析可知，都勻市土地利用的驅動力因子主要為經(jīng)濟發(fā)展和居民生活水平兩個主成分。社會經(jīng)濟因素一方面是因為相關政策對都勻市的定位，例如，都勻市作為貴州省新型城鎮(zhèn)化建設試點城市，必然需要加大對土地利用的開發(fā)，積極推進新型城鎮(zhèn)化建設；另一方面由于都勻市自身社會經(jīng)濟的發(fā)展，GDP、產值等都呈現(xiàn)出明顯的增長趨勢。在這樣的背景下，都勻市建設用地不斷增加，農業(yè)用地建設相對減少，整個土地利用程度及結構都在發(fā)生變化。

居民生活水平往往與經(jīng)濟發(fā)展密切聯(lián)系。隨著國家西部大開發(fā)戰(zhàn)略和相關扶貧政策的實施，都勻市近年來經(jīng)濟發(fā)展速度較快，居民生活水平得到了較大改善，消費能力也進一步提升。城鎮(zhèn)居民和農村居民的可支配收入分別從2009年的13 219年、3 924元到2017年增長為30 904和10 961元。隨著生活水平的改善，人們在居住方面的要求不斷增加，同時對交通和公共設施等一系列用地的需求增加。整體來看，2009-2017年，都勻市城鎮(zhèn)村及工礦用地面積變化比例為0.8%、交通用地面積變化比例為0.25%，分別為土地利用類型中增長面積最大的兩種地類。

6 結語

針對社會經(jīng)濟發(fā)展和土地利用現(xiàn)狀，都勻市既要保證經(jīng)濟發(fā)展的建設用地規(guī)模，又要保護耕地，防止出現(xiàn)建設用地大規(guī)模占用耕地的行為。首先，對區(qū)域內土地采取動態(tài)監(jiān)管，盤活低效用地，繼續(xù)推進城鄉(xiāng)增減掛鉤工作，實現(xiàn)城鄉(xiāng)土地綜合利用。其次，加大土地利用的同時，要啟動耕地保護機制，在“十分珍惜、合理利用土地和切實保護耕地”基本國策的基礎上，通過農村居民點整理、礦山復墾等手段增加有效耕地面積，響應國家“占一補一、占水補水”的耕地保護政策，確保耕地總量不下降、質量不降低。