湄潭縣土地利用結構變化及其驅動因素研究

(貴州師范大學，貴州貴陽550000)

土地資源具有自然屬性和社會屬性雙重屬性，是一切生命賴以生存和發展的物質基礎和空間載體，也是人類活動的基本資料和勞動對象，人類的各種生活、生產活動最終都會體現在土地利用結構的變化上。因此，可通過研究某一地區在一定時間段內的土地利用狀況及其結構功能變化來間接反映該地區在相應時期內的自然資源條件和社會經濟發展狀況[1]。目前在土地利用驅動因素研究方面，國內外眾多學者已經進行了大量的研究工作，國外主要從驅動因素分類[2]、人類活動影響[3-5]等不同角度對不同區域的土地利用結構變化進行了探討。中國土地利用結構研究開始于20世紀80年代。葛全勝等發現在近50 a里，中國的土地利用強度明顯增加[6]。曲福田指出土地利用結構變化的原因是由自然因素、社會經濟發展水平以及土地利用技術水平所共同決定的[7]。董杰等以山東省為研究對象，驗證了自然因素、人口變化、經濟因素和政策調控等是影響土地利用結構變化的主導因素[8]。蔡運龍指出土地利用變化驅動因子包括人口、經濟發展狀況和技術三方面[9]。研究方法上，中國學者更多的是運用灰色關聯分析法、主成分分析法、逐步回歸分析法、信息熵理論等[10-14]。

湄潭縣是黔北東部地區重要的交通樞紐，是全國著名的農村改革試驗區。對湄潭縣土地利用結構的變化及其驅動因素進行分析研究，可為湄潭縣相關部門在制定土地規劃和保護政策時提供參考，揭示往期土地利用的缺陷，有效促進湄潭縣土地資源的合理利用，并為后續規劃與改善提供參考基礎。同時預測土地利用變化前景，為湄潭縣實現更優的土地資源利用提供理論依據。

1 研究區概況

湄潭縣地處遵義東北部，縣城距遵義約74 km，全縣國土面積1 862.44 km2，轄9鎮6鄉，120個行政村，坐落于貴州高原的東北部，地處大婁山南麓、烏江北岸，跨東經107°15′36″～107°41′08″，北緯到27°20′18″～28°12′30″。整體地勢屬于淺切割低山、丘陵，西北較高，東南較低。近幾年，受加快城鎮化建設、退耕還林還草等宏觀政策調控及市場經濟調整影響，直接導致全縣耕地面積急劇減少，建設用地及林地大幅增加，同時人口大量外流、在財政支出及社會固定資產投資總額不斷加大的情況下，人們人均收入得以提升，但全縣糧食總產量卻出現了減少的趨勢，第一、三產業所占比重調整也出現較大波動，從而體現出土地利用存在一定的主觀隨意性，土地利用結構及效率并未最優化，有待進一步提高。

2 研究方法與數據來源

2.1 研究方法

研究以湄潭縣土地利用為研究對象，通過獲取2005、2010、2015年3期的土地利用數據及相關的社會經濟數據，首先選取土地利用變化的幅度和動態度、信息熵、均衡度、優勢度等指標，從時間和空間分布上對湄潭縣土地利用結構變化過程和規律進行研究。參考已有的相關研究，分析影響土地利用結構變化的驅動因子，利用灰色關聯分析法對二者之間的關聯度進行定量分析，以探討各驅動因子與土地利用結構變化之間的關系。

2.1.1土地利用結構現狀分析

以3期土地利用數據為基礎，在ArcGIS及EXCEL等軟件支撐下，通過數據透視及簡單的計算，統計出不同地類在不同時期的面積及所占比例，對比分析土地利用結構現狀。

土地利用結構變化幅度是指在一定時間段內，各土地利用類型的面積變化情況。通過計算變化幅度研究區域內土地利用變化的總體趨勢。其表達式為：

E=Ub-Ua

(1)

式中E——某一時間段內土地利用變化幅度；Ua——研究初期某一土地利用類型的數量；Ub——研究末期某一土地利用類型的數量。

土地動態度是指某區域土地利用類型變化的速度，常用于了解不同時間段土地利用結構變化的差異及預測未來土地利用結構的發展趨勢[13]。土地利用類型動態度表達式為：

(2)

式中K——研究時間段內某一土地利用類型動態度；E——某一時間段內土地利用變化幅度；Ua——研究初期某一土地利用類型的數量；T——研究時段長。

信息熵是描述土地利用有序程度的指標，用于反映區域土地利用的多樣性和復雜程度。其表達式為：

(3)

式中s——研究區土地總面積；si——第i類土地總面積。

均衡度與優勢度分別用于體現研究區域內每種土地利用類型相互存在的面積差異和不同職能類型的結構布局狀況以及區域內土地利用結構受一種或幾種土地利用類型支配的程度[14]。其表達式分別為：

(4)

Q=1-J

(5)

式中J——均衡度；Q——優勢度。

2.1.2土地利用結構變化驅動力分析

以EXCEL為工具，結合灰色關聯度方法進行土地利用結構變化特征與社會經濟技術類驅動因素進行關聯分析。具體的計算公式步驟如下。

a) 確定參考序列與比較數列，以土地利用變化特征值為參考序列，驅動因素為比較序列。

b) 對參考序列及比較數列進行無量綱化處理，具體公式為：

(6)

式中X′——標準化的數據；Xi——研究數據，為研究數據平均值；S——標準差。

c) 計算關聯系數：

(7)

(8)

d) 求算關聯度：

(9)

其中，γoi為關聯度。

2.2 數據來源

研究過程中所涉及到的GDP、第一、二、三產業比重等社會經濟數據來源于湄潭縣2006—2016年份的統計年鑒，2005、2010年兩期的土地利用數據來源于“貴州省生態環境十年變化遙感調查與評估”項目，為保證數據的獲取精度及可用性，2015年土地利用數據在2010年數據的基礎上，以30 m分辨率的Landsat8影像為基準，通過目視解譯進行小班區劃，并從各鄉鎮土地利用隨機抽取各土地類型樣點5個，共375個樣點進行野外實地調查，有340個樣點與土地利用解譯的土地類型相符合，因此野外驗證精度為90.67%，達到數據使用精度要求。

3 結果與分析

3.1 土地利用結構現狀及時空演變分析

根據湄潭縣2005、2010年、2015年3期的土地利用現狀數據顯示(表1)，近10 a湄潭縣土地利用總體變動不大，3期數據均顯示湄潭縣土地利用以林地為主，占全縣國土面積的50%以上；而耕地次之，占據全縣國土面積的30%左右，10 a間所占比例一直在減小，產生這種現象的原因是多方面的，近些年全省推行的退耕還林還草政策對其有一定的影響；大量年輕勞動力外出打工，耕地大面積荒廢，生長成灌草叢，造成耕地面積減少；隨著社會經濟的不斷變化，建設用地面積也在不斷的擴展，對耕地面積的縮小也有著一定的影響。

表1 湄潭縣土地利用現狀統計

3.1.1土地利用變化的幅度和動態度分析

由表2可以看出，湄潭縣土地利用變化幅度較大的是耕地及林地，10 a時間內，湄潭縣耕地減少面積達91.30 km2，林地增加77.42 km2，草地及水域變化總體較小。但是變化幅度的大小并不決定著動態度的大小，初期地類的面積大小對動態度的計算起了很大作用。從動態度上對湄潭縣10 a的土地利用進行分析不難看出，動態度最大的為建設用地，增加了4.27%；其次是水域，增加了3.05%；耕地和林地動態度變化不顯著，耕地減少了1.5%，林地增加了0.8%。從每5 a的動態度上進行觀察，草地動態度都是最小的，不足0.1%；而耕地一直都以1.0%以上的趨勢在減小，且2010—2015年的減少的速率要比2005—2010年快；建設用地一直以較高的速率進行增長，增長速率差別不大。都穩定在3.9%左右；林地增長的速率在2010—2015年期間將近翻了1倍，由原來的0.57%增長到1.0%；水域的變化主要發生在2005—2010年期間，變化度達到7.29%，之后5年內呈現出減少的趨勢，但減少速率僅為0.88%。這些數據從側面反映了湄潭縣的經濟條件及生態環境在逐年改善，建設用地的不斷增多，表明經濟實力的不斷增強；林地的不斷提升及耕地在合理范圍內的不斷減少，有利于湄潭縣生態環境質量的提高。

表2 湄潭縣土地利用變化統計

3.1.2土地利用變化的信息熵分析

根據信息熵及均衡度、優勢度計算公式計算出全縣的信息熵、均衡度、優勢度見表3。因能獲取的土地利用年數有限，只能選取3期的土地利用進行分析計算，所以不能通過各年份土地利用變化來分析土地利用信息熵的變化波動，但可表現出的湄潭縣近十年信息熵及均衡度的總體趨勢皆為先上升再下降，且熵值幅度最大達到0.01，而并不是以平穩的狀態在變化，這說明湄潭縣在2005—2010年期間內土地利用系統處在一定程度上的開發中。自2005—2010年，土地利用結構的熵值及均衡度總體呈現出上升的趨勢，表明在這5 a期間內，湄潭縣土地利用結構趨向于合理并均衡狀態的發展，各地類變化趨于平穩，土地利用結構的均質性增強。而2010—2015年，土地利用結構的熵值及均衡度均呈現出下降的趨勢，表明近5 a內，湄潭縣土地利用類型變化較大，地類之間的轉換更為頻繁，土地利用結構的均質性勢必有所降低。同時，均衡度值越靠近1，土地利用均衡程度越高，現湄潭縣均衡值皆在0.66左右，說明湄潭縣土地資源的開發利用及轉變還存在較大的改善空間，在往后的利用過程中可更全面地考慮，提高土地的利用效率。

通過對土地利用的轉變的幅度及動態度進行分析，也不難解釋產生這種現象的原因。2005—2015年期間內變化最為明顯的耕地、建設用地、林地這3種地類，其變化主要集中在2010—2015年期間內，導致后5 a時間內土地利用變化顯得更為頻繁。

表3 湄潭縣土地利用變化信息熵和均衡度

3.2 土地利用結構演變驅動因素研究

3.2.1土地利用結構變化的驅動力因素分析

造成土地利用結構變化是多種多樣的，主要分為自然因素(地質結構、溫度、降水等)和社會因素(人口、經濟、政策等)兩大類。

地質結構對土地利用變化的影響主要表現在地形，全縣主要以山地為主，坡度較大的地方容易引滑坡等地質災害，使得土地利用類型產生改變。湄潭縣屬于中亞熱帶溫暖濕潤季風氣候區，氣候變化一般趨于比較穩定所以對其土地利用結構無明顯影響。人口是影響土地利用結構變化的主要社會因素，經濟基礎是人類活動不斷擴展的驅動因素，土地利用的變化也與政策有一定的關系。雖然經濟因素是間接性影響到土地利用的結構轉變，但其影響力也不容小覷，因此全文在探討時以人為經濟因素為主，研究人為影響條件下，土地利用變化因素。

3.2.2土地利用結構變化的驅動力指標選取

伴隨著社會經濟文明的不斷發展，人們的需求不斷增多，對自然改造的能力不斷的增強，導致由人類活動因素對土地造成的變化遠大于自然因素造成的影響。

本文參照已有的相關研究，主要從社會經濟技術方面出發，選取總人口(X1/萬人)、第一產業比重(X2/%)、第二產業比重(X3/%)、第三產業比重(X4/%)、人均GDP(X5/元)、社會固定資產投資總額(X6/萬元)、社會消費品零售總額(X7/萬元)、農民人均純收入(X8/元)、財政支出(X9/萬元)、鄉村從業人數(X10/萬人)、糧食總產量(X11/萬t)等11個驅動力指標。各驅動力因素原始數據見表4。

表4 湄潭縣土地利用變化驅動力原始數據

3.2.3土地利用結構變化驅動力分析

a) 數據的無量綱化。以選取的湄潭縣11個社會經濟技術因子為自變量組成比較序列，以土地利用信息熵和優勢度作為因變量構成參考序列，對各驅動因素及信息熵、優勢度進行無量綱化，見表5。

b) 關聯系數與關聯度的計算。根據關聯系數及關聯度計算公式，對各因子進行綜合判斷分析得到土地利用結構指標與各驅動因素的關聯系數、關聯度，結果分別見表6—8。

c) 灰色關聯結果分析。各社會經濟技術因子對土地利用信息熵及優勢度的影響各不相同，由表8可以看出，與信息熵關聯度最大的驅動力因素是農村從業人數，其次是糧食總產量，關聯度最小是第一產業比重。產生這種現象的原因是農村從業人員是直接決定參與改變土地利用結構的規模，農業從業人員多的情況下，相當于勞動力多，對自然改造的程度越大；糧食總產量決定著農業人口的轉型，當糧食產量豐足的情況下，更多的農村人口會減少耕地的開墾，經濟來源由第一產業逐漸向第二、三產業轉型；第三產業為服務業，旅游業之類，這需要在一定程度上改變土地利用的類型以增強美觀。與優勢度關聯度最大的社會經濟技術因素為第一產業比重，其次是社會固定資產投資總額，最小的是農村從業人數。因為不管人為干擾強度如何變化，耕地、林地、草地、水域等都屬于第一產業發展的基礎、第一產業的發展直接影響到各土地類型之間面積大小的差異，特別是西南山區各縣中，受地形地貌及交通因素影響，第一產業比重對土地利用優勢度表現得更為明顯；而對地類改變，促使各地類之間面積差異變化，除自身基準以外，就是受改造資金的制約，此時，固定資產投資、人均GDP、財政支出等就起了很大的協助作用。農業從業人數、糧食產量、第三產業比重等對土地利用雖然有很大影響，但大范圍的改動土地類型，使各地類面積差異縮小，達到合理分配的效果，少不了一定的經濟支撐。

表5 數據無量綱化處理結果

表6 信息熵與各驅動因子的關聯系數

表7 優勢度與各驅動因子的關聯系數

表8 信息熵、優勢度與各驅動因子的關聯度

4 結論

社會經濟技術的發展在一定程度上對土地利用結構的轉化起著很大的決定作用，通過土地利用結構變化的信息熵、優勢度與選取的11個社會經濟技術指標進行灰色關聯度分析，各社會經濟技術因素對土地利用結構轉化信息熵的影響力最大的3個因素是農村從業人數、糧食總產量、第三產業比重；對優勢度影響力最大的3個因素是第一產業比重、社會固定資產投資總額、農村從業人數；因此，在往后的湄潭縣土地利用開發及設計中，需要從這幾個方面進行綜合考慮，保證土地資源在利用過程中不斷趨向于合理且均衡的發展，使土地利用結構的均質性不斷增強，以對土地資源最小的破壞前提下，獲取最大的經濟效益。