山東省土地利用時空變化與驅動力分析

方士源，王萍

(曲阜師范大學地理與旅游學院，山東 日照 276826)

0 引言

土地利用是指人類采用一定的生物、技術手段有目的開發利用土地資源，將土地自然生態系統轉變為人工生態系統的活動，包括自然和人文過程[1]。一個地區的土地利用結構狀況在很大程度上反映了該地區自然資源及社會經濟發展的結構狀況[2]。土地利用變化也成為全球變化研究的核心內容[3]。自進入21世紀后，我國工業化和城鎮化不斷興起，社會經濟發展起來，隨著人口數量的增加,人類對土地資源的浪費和不合理利用導致區域性人地矛盾持續增加，嚴重阻礙了社會經濟的和諧發展，因此有關土地利用變化的研究一直備受關注。《中共山東省委山東省人民政府關于推進新舊動能轉換重大工程的實施意見》(以下簡稱《意見》)中提出要形成節約資源和保護環境的空間格局、產業結構、生產方式、生活方式，對土地利用的結構分配和空間規劃提出了更高的要求。

土地利用變化研究的數據來源包括遙感數據和統計數據，土地利用結構變化驅動力研究常采用多元變量統計的方法，使用較多的有主成分分析、逐步回歸分析、灰色關聯分析和典型相關分析[4]。董杰等對山東省2003年之前的土地利用變化情況進行研究分析[5-11]，但對2003年之后的土地利用變化情況并未有相關研究，因此該文選擇2005—2013年作為研究時段，利用ArcGIS和SPSS等數據處理軟件，運用多元回歸模型、單一土地利用動態度和綜合土地利用動態度等分析手段，研究土地利用變化規律和驅動力因素，揭示土地利用中存在的問題，這對落實《意見》，促進土地合理利用以及地區產業布局的調整和優化、實現土地資源可持續利用具有一定的指導意義。

1 研究區概況

山東省位于我國東部沿海，地處黃河下游；地勢較為復雜，中部山地突起，東部丘陵起伏和緩，西部、北部低洼平坦，形成以山地丘陵為骨架、平原盆地交錯環繞列其間的地形大勢。全區屬于暖溫帶半濕潤季風氣候，降水集中，雨熱同季。現轄17個市，2013年全省人口9733萬人，僅次于廣東省，居全國第2位。

2 研究材料與方法

2.1 數據來源

該文使用的土地利用遙感數據為山東省2005年、2008年、2010年和2013年的遙感解譯影像，來自國家地球系統科學數據共享平臺——黃河下游科學數據中心，空間分辨率為100m。參考《土地利用現狀分類》(GB/T21010—2007)，并結合山東省土地利用方式、覆被特征等特點，將研究區的土地利用類型劃分為耕地、林地、草地、建設用地、水域和未利用地。

該研究的社會經濟數據來源為2005—2013年《山東省統計年鑒》。區域土地利用結構的變化由自然因素和社會經濟因素共同決定，由于研究期內區域內自然因素條件的變化很小，所以該研究主要考察社會經濟因素指標的影響，選擇了11項社會經濟發展指標[12-13]：總人口(X1)、人口密度(X2)、農村人口(X3)、地區總產值(X4)、糧食總產量(X5)、城鎮居民人均可支配收入(X6)、第一產業總產值(X7)、第二產業總產值(X8)、第三產業總產值(X9)、人均GDP(X10)、固定資產總投資(X11)。

2.2 研究方法

通過ArcGIS軟件中Reclassify工具(Spatial Analyst—Reclassify)，將2005年、2008年、2010年和2013年的土地利用數據的各地類歸屬到相應的土地利用類型中，經過處理的土地利用分類如圖1所示。

圖1 山東省2005—2013年土地利用類型圖

將不同期數據進行空間疊加分析，獲得土地利用的變化數據，生成土地利用轉移矩陣；運用單一土地利用類型動態度[14]和綜合土地利用動態度[15]分析土地利用的動態變化情況。單一土地利用類型動態度可求出土地利用類型的面積年變化率[16]，其公式為：

(1)

式中:K—某一類土地利用類型動態度；Ua，Ub—研究期初和研究期末某地類的面積；T—研究時長[15]。

綜合土地利用動態度則表示研究區土地利用的變化速度，其公式為：

(2)

式中:LUi為研究期初第i類土地利用類型面積，ΔLUi-j為第i類土地利用類型轉為j類土地利用類型面積的絕對值，T為研究時長[16]。

將各時期土地利用類型面積與社會經濟相關指標進行多元回歸分析，找出影響山東省土地利用變化的主要因素。通過SPSS軟件，對這些因子進行降維分析，構建多元逐步回歸分析模型，分析各地類面積變化與社會經濟指標的相關性[3]。

3 結果與分析

3.1 土地利用總體特征

從表1中可以看出，2005年、2008年、2010年和2013年山東省耕地面積占比都超過60%，但總體面積在減少，說明山東省是以耕地為主的地區，但隨著社會的發展，耕地不斷被占用。建設用地面積占比都超過10%，主要集中在東南沿海地區和西北低洼平坦地區，在巨大的社會經濟發展的驅動下，城市化進程加快，促使建設用地不斷向外擴張，處于不斷上升的趨勢。

表1 山東省2005—2013年各地類面積

3.2 土地利用變化轉移情況

利用ArcGIS的空間疊加分析，統計得到2005—2008年、2008—2010年、2010—2013年、2005—2013年的土地利用轉移矩陣(表2～表5)。

表2 山東省2005—2008年土地利用轉移矩陣(×104hm2)

表3 山東省2008—2010年土地利用轉移矩陣(×104hm2)

表4 山東省2010—2013年土地利用轉移矩陣(×104hm2)

表5 山東省2005—2013年土地利用轉移矩陣(×104hm2)

2005—2008年，耕地面積轉出最多，達15.55×104hm2；建設用地面積轉入最多，為15.25×104hm2，轉出耕地的78%變為建設用地。2008—2010年，耕地面積轉出最多，面積為96.27×104hm2；耕地和建設用地面積轉入最多，分別為107.77×104hm2和96.27×104hm2。2010—2013年耕地面積轉出最多，面積達14.89×104hm2；建設用地面積轉入最多，為13.63×104hm2。2005—2013年耕地面積轉出最多，達116.75×104hm2；建設用地面積轉入最多，為117.64×104hm2。由此可見，山東省主要發生變化的土地利用類型是耕地和建設用地，耕地面積先減少后增加再減少，總體呈減少趨勢；建設用地面積一直處于增長趨勢。土地面積在圖像處理和數據計算中會產生較小誤差，處理中按照地類面積加權分配到各地類中。

由圖2可知，耕地的增加部分主要分布在東部丘陵地區和西部、北部地勢低洼平坦地區，減少部分在北部臨海和中部；林地的增加部分主要分布在中部地勢突起地區，減少部分在全省較為分散；草地以減少為主，多分布在東部和北部沿海地區；水域面積增加，主要分布在東部和北部沿海地區；建設用地大規模增加，主要分布在山東省東南部和西北低洼平坦地區；未利用地的減少較明顯，多分布在北部沿海地區。

3.3 土地利用動態度分析

根據2005年、2008年、2010年和2013年各土地利用類型的數據，利用公式(1)(2)，可求得單一土地利用動態度和綜合土地利用動態度(表6)。

2005—2008年，單一土地利用動態度最大的是建設用地，達2.03%，在此階段，耕地、林地、草地面積減少，其減少部分主要轉變為建設用地，說明建設用地是土地利用變化的主體。2008—2010年單一土地利用動態度最大的是未利用地，達-32.51%。2010—2013年單一土地利用動態度最大的是建設用地，達1.46%。整體來看，2005—2013年單一土地利用動態度最大的是未利用地，為-7.89%，其次是草地和建設用地，分別為-4.43%和3.60%；建設用地變化速率先快后緩。

三期綜合土地利用動態度中，2008—2010年的綜合土地利用動態度最大，分別是2005—2008年和2010—2013年的9倍和12倍，說明這個階段內的土地利用變化比另兩個研究時期更加強烈。

3.4 土地利用變化驅動力分析

以各地類面積為因變量(Y)，以社會經濟指標為自變量(X)，進行相關分析，計算土地利用變化與社會經濟驅動因子之間的相關系數[13]，構建各地類面積與社會經濟指標的多元逐步回歸模型(表7)[17]。

圖2 2005—2013年山東省不同地類的空間變化

動態度類型土地利用類型2005—2008年2008—2010年2010—2013年2005—2013年單一土地利用動態度耕地-0.380.56-0.38-0.15林地-0.06-4.300.00-1.09草地-0.14-17.580.00-4.43水域0.1912.620.113.30建設用地2.038.181.463.60未利用地1.29-32.510.48-7.89綜合土地利用動態度—2.6523.741.8825.75

(1)與耕地面積最相關的因素是人口密度(X2)。人口密度提高1人/km2，耕地面積就減少0.415×104hm2。人口密度是衡量城市化水平的一項指標，人口密度越大，則城市化水平越高。城市用地主要以外延擴展為主，占用的主要是優質平坦的耕地[13]。城市地區有比其他地區更快的發展速度和更高的效益，因此產生了城市發展對用地的大量需求和城市用地的擴張，耕地面積不斷減少[17-18]。

表7 各土地利用類型多元逐步回歸模型

(2)與林地面積相關性最顯著的是人均GDP(X10)、城鎮居民可支配收入(X6)，呈負相關，說明影響林地變化的主要社會經濟驅動因素是比較利益的驅動。人均GDP每增加1億元，林地面積就減少1.470×104hm2。人均GDP的增長提高了人們對生活質量的需求，在比較利益的驅動下，非農用地的利益高于農用地，因此為了發展經濟效益，林地不斷被建設用地占用，面積持續減少[19-20]。

(3)與草地面積相關性最為顯著的因素是人口密度(X2)、第二產業總產值(X8)，呈負相關。說明受比較利益的驅動，其他產業的收益高于農業直接影響草地利用方式的轉變。

(4)與水域面積最相關的因素是人口密度(X2)、固定資產總投資(X11)。人口密度每增加1人/km2，水域面積就增加3.817×104hm2。說明隨著城市化的發展，人們的生活水平提高，對環境質量的需求提高。

(5)與建設用地面積最相關的因素是第三產業總產值(X9)和糧食總產量(X5)。第三產業總產值每增加1億元，建設用地的面積就增加0.12×104hm2。地區總產值的提高將增加投資資金額度，改變產業結構，推動區域工業化和城市化的進程，使建設用地的規模不斷擴大。

(6)與未利用地面積相關性最顯著的因素是人口密度(X2)、農村人口(X3)。人口密度增加1人/km2，未利用地面積減少2.588×104hm2。說明影響未利用土地資源開發利用的主要社會經濟驅動因子是人口密度和農村人口數量，隨著人口增加，對土地利用的需求增加，使其不斷占用可利用的土地。

4 結論與建議

(1)山東省仍然是以耕地為主要土地利用類型的省份，耕地面積占比超過60%，但總體面積在減少。但2005—2013年間建設用地大量擴張、耕地資源不斷減少，耕地減少后主要轉變為建設用地，林地、草地等地類也被建設用地占用，建設用地面積占比超過10%。

(2)空間變化最顯著的土地利用類型有耕地和建設用地。耕地的增加部分主要分布在東部丘陵地區和西部、北部地勢低洼平坦地區，減少部分在北部臨海和中部；建設用地大規模增加，主要分布在山東省東南部和西北低洼平坦地區。

(3)耕地面積先減少后增加再減少，總體呈減少趨勢；建設用地面積一直呈增長趨勢。2008—2010年間的土地利用綜合動態度最大。

(4)耕地、未利用地的變化與人口密度密切相關，林地受人均GDP影響最大，與建設用地最相關的因素是第三產業總產值。人口的增長必然會帶來土地承載力的增加，經濟的快速發展促使區域產業結構發生變化，第二、第三產業的發展加大了建設用地的需求。所以要進一步有效控制人口增長，完善對區域土地利用規劃，實現土地利用結構的優化，使山東省的土地利用空間布局朝著合理、科學、有序的方向發展。