廣東省土地利用階段特征及動態研究框架探討

蔣 超，龔建周，陳曉越，孫家仁

（1.廣州大學地理科學學院，廣東 廣州 510006；2.環境保護部華南環境科學研究所，廣東 廣州 510655）

【研究意義】土地利用結構指一定區域內各類用地的數量結構和空間格局，其變化過程在時序上呈現非線性，具有不規則、復雜性特征，但基于長時間序列短時間間隔的土地利用類型變化特征研究較少，應加強階段變化的新規律及機制異同的對比研究［1］，動態監測社會經濟發展差異下土地利用結構的響應，可全面詮釋人類社會活動與土地利用的關系［2-4］。

【前人研究進展】針對土地利用結構研究主要集中在動態變化分析、布局優化、未來情景預測、效益評價、土地利用變化影響因素或驅動力分析，以及土地利用結構與產業結構、生態服務價值、社會經濟等相關分析等方面，其中對土地利用結構變化與驅動力的分析，側重對研究區驅動力整體和宏觀的分析［5-9］。研究者通過對我國土地利用政策回顧，指出1980年代鄉鎮企業高速發展、一系列加速城鎮化的舉措，出現占用耕地，耕地資源規模不斷下降的現象。1990年代工業園區開發與住房分配貨幣化“雙輪”驅動，房地產熱與開發區熱開始浮現，我國又出現第二次建設用地增長熱潮［10］，城鎮化過程中社會經濟演變造就了階段性、復雜的土地利用形態與格局［2］。【本研究切入點】土地利用結構顯性特征轉型主要包括土地類型變化、地類間數量變化［3］，采用結構多樣性、集中度分析可從類型與數量刻畫土地利用結構變化，彌補均勻時序間隔忽視階段結構共性的不足［12-13］，以此劃分結構變化節點，使研究時段具有結構共性。省域尺度土地利用轉型研究多集中于對宏觀信息揭示，如地類組合、類型轉化、結構特征、生態狀況等，網格化較大行政區土地利用斑塊可有效挖掘遙感LUCC的信息，更客觀、精確刻畫土地利用及轉型的空間特征［11-12］。

【擬解決的關鍵問題】本研究以城市化速度位于全國前列的廣東省為例，探討廣東省近35年內土地利用結構演變以及階段性新特征，探究主要社會經濟驅動機制，細化土地利用變化規律；并嘗試進行城鄉轉型背景下土地動態監測、機制解析與效應評估以及合理管控等研究內容的框架討論。研究成果有利于詮釋城鄉轉型背景下人類活動與土地利用的耦合關系，為新型城鎮化建設中土地資源科學管控提供參考依據。

1 材料與方法

1.1 研究區概況

廣東省位于中國大陸南部（20°09′～25°31′N，109°41′～117°17′E），全省陸地面積約17.83萬km2，下轄21個地級市，屬低緯度熱帶亞熱帶區域，年平均氣溫22.3℃，年平均降水量1 300～2 500 mm。2018年末，全省常住人口1.12億人，人口密度627人/km2，遠高于全國人口密度145人/km2；地區生產總值9.73萬億元，已連續30年居全國第一位，足以可見廣東省經濟水平高，人多地少、人地矛盾突出。

1.2 數據來源

研究所需土地利用矢量數據（1980、1990、1995、2000、2005、2010、2015年）由中國科學院資源環境科學數據中心（http://www.resdc.cn/Default.aspx）提供，該數據以美國陸地衛星Landsat遙感影像數據作為信息源，通過人工目視解譯獲取；輔助圖件為最新的2015年廣東省市域行政區劃圖；根據《廣東省統計年鑒（1980-2017年）》整理出廣東省各市社會經濟驅動力因子數據。

1.3 研究方法

1.3.1 土地利用結構多樣性和集中度分析 從多樣性和集中度兩個方面，分別探討土地利用結構的復雜性和配置的均勻程度。其中，多樣性指數用于探測系統結構的豐富程度以及結構復雜程度；相對而言，集中度則揭示主要土地利用類型對整個研究區的控制程度［13-14］。由于單一指數應用的局限性，為充分地分析研究區土地利用結構復雜程度和集中程度，分別選取Shannon多樣性指數（SHDI）、吉布斯·馬丁多樣化指數（GMi）、優勢度（Di）和均勻度（Ei）4個指數［14］。各指數計算公式為：

（1）Shannon多樣性指數

式中，Pi為第i種土地利用類型的面積占研究區總面積的比例，n為土地利用類型數（本研究n=7）。SHDI≥ 0，其值越大，說明土地類型數量越多，或者各類型土地利用的面積相差越小，土地利用數量配置趨于均衡。

（2）吉布斯·馬丁多樣化指數

式中，0＜GMi＜1，其值越大，表明土地利用結構越復雜；反之，GMi值越小，則土地利用結構越簡單；若GMi為0或1，即意味著研究區只一種地類或各種地類的面積均相等。

（3）優勢度指數

式中，Pi為第i種土地利用類型的面積比例。

（4）均勻度指數

式中，Ei表征各類土地利用類型的分配均勻程度，其值越大，表明研究區土地利用類型分布越均勻。

1.3.2 土地利用類型轉換及強度分析 （1）土地利用轉移矩陣。土地利用轉移矩陣是研究土地利用類型間相互轉化的數量、方向定量研究的主要方法，全面顯示區域土地利用變化的細節特征［3］。數學表達式為：

式中，S為土地利用轉移矩陣；n為土地利用類型數。

（2）土地利用綜合動態度。土地利用綜合動態度用于表達研究區一定時間范圍內土地利用類型變化的速度［3］，其計算公式為：

式中，Ks為研究期內土地利用綜合動態度，即土地利用類型面積年綜合變化情況；uai、ubi分別為研究初期、末期某土地利用類型面積；n為土地利用類型數；T為研究時段長，本研究以年作為度量單位。

網格化土地利用動態度可有效挖掘基于遙感LUCC的信息，更客觀、精確刻畫土地利用及轉型的空間特征，將網格大小設為10 km×10 km［12］，共劃分為2044個均勻網格，利用ArcGIS軟件計算網格動態度。反距離空間插值適用于樣點均勻分布、密集程度足以反映局部差異的樣點數據集，可利用反距離空間插值將網格綜合動態度數據面狀化［15］。

1.3.3 主成分分析法 隨著社會經濟快速發展，追求比較經濟福利成為土地利用變化的重要驅動力［16-17］。自我國改革開放以來，人類活動對土地利用變化的驅動力已遠遠超過自然因素［18］。因此，基于社會經濟導向的土地利用變化驅動分析，有利于宏觀配置區域有限的土地資源。

主成分分析屬于因子分析方法的一種，是用少數幾個（較少幾個因子）反映原始資料的大部分信息的統計學方法［19］。主成分分析法包括以下幾個步驟：首先，初步選定變量，檢驗是否所有指標變量都適合進行因子分析，最后構建主成分分析的指標體系；其次，將所有指標的若干組變量進行線性變量，轉換成另一組因子變量；然后，利用旋轉提高因子的解釋能力；最后，計算因子得分，或幾個因子的綜合得分。

本研究基于社會經濟導向的土地利用變化驅動因子分析，在SPSS軟件平臺，利用主成分模型構造因子變量，借用文獻對社會經濟因素內涵的界定［20］，從人口、經濟發展、人民生活和空間擴張等4個方面，選取9個指標，主成分分析的指標體系見表1。

表1 廣東省土地利用變化驅動力指標體系Table 1 Driving force index system of land-use change in Guangdong Province

2 結果與分析

2.1 土地利用數量結構及變化特征

研究區1980—2015年各土地利用類型面積及比例統計見圖1，可以看出近35年來廣東省土地利用類型變化特征如下：

圖1 1980—2015年廣東省各類土地利用類型的面積比例變化曲線Fig.1 Area-ratio variation curve of various land use types in Guangdong Proviince from 1980 to 2015

2.1.1 土地利用數量結構 林地是廣東省陸域占絕對優勢的土地利用類型，占總陸地面積的59.67%～61.08%；其次，水田和旱地面積占比分別14.23%～16.43%和8.56%～10.63%；工礦居民、水域和草地三類土地利用類型的面積占比都在10%以內（3.38%～7.24%）；未利用土地面積比例為0.07%～0.17%；研究區有0.11%～0.41%比例的填海土地。

2.1.2 土地利用數量結構變化 面積總體持續增加的是工礦用地和填海土地，說明城市呈擴張之勢，并一定程度侵占海域資源；比較特殊的是2000年，工礦用地面積減少，曲線出現一個“V”型谷（4.79%）；除1980—1990年，其余各年份基本都有填海造地，表現為1995—2015年，填海土地面積持續增加（0.11%～0.41%）。

水田、旱地和草地面積保持持續下降的趨勢，其中水田減少面積最顯著，占比達2.2%；旱地至1995年減少最大，曲線出現大的“V”型谷（8.56%）；在同一時間節點，草地曲線出現較大的倒“V”型峰（5.09%）。林地、未利用地呈先增后減的變化特征，曲線變化的拐點在1995年。除1995年，未利用土地面積占比為0.17%，其余年份里，其面積比例基本都在0.07%～0.08%。

2.2 土地利用數量配置及變化特征

為進一步研究土地利用數量配置變化特征，分別選用土地利用多樣性（GMi）、Shannon多樣性指數（SHDI）、均勻度（Ei）和優勢度（Di）共4個指數，將指數值繪制成曲線圖2。

從研究的始末端看，GMi、Ei和SHDI值都增加，Di值減少，說明廣東省的土地利用數量配置呈多樣性增大、均勻度和穩定性提高、優勢度減小的特征。盡管如此，從各時間節點的變化來看，土地利用數量結構與配置情況則呈現分段變化的特征。

圖2 廣東省土地利用數量配置變化特征Fig.2 Characteristics of land use quantitative allocation change in Guangdong Province

GMi和Ei兩指數曲線均呈現左偏“U”型變化，即先減（1980—1995年）后增（1995—2015年），說明廣東省各土地利用面積的分配曾一度呈現非均勻化程度增加、配置簡化和穩定性低的趨勢，以1995年為節點，之后則呈現分配更均勻、結構更復雜和穩定性更高的趨勢。

優勢度曲線（Di）以1990年為拐點，呈現左偏的倒“V”型，表現為前一段時間（1980—1990年）內，土地利用配置的優勢度增加，之后（1990—2015年）則減少。與之對應，Shannon多樣性指數（SHDI）、多樣性指數（GMi）類似正“V”型變化，發生變化的時間節點分別是1990、1995年。

綜上可知，土地利用數量結構與配置情況呈現分段變化的特征，時間節點分別為1990、1995和2000年，為此后文分別探討幾個不同時段內土地利用變化特征。

2.3 分時段的土地利用轉移關系

基于上述研究，分1980—1990、1990—1995、1995—2000和2000—2015時段，以每一時段的起始時間為基準，分別計算土地利用面積轉出的概率矩陣（表2～表5）。各階段土地利用變化的主要特點如下：

（1）1980—1990年。草地和水域變化較明顯（表2），分別只有85.18%、84.96%的土地保留為原來地類，其中有12.32%的草地轉移為林地，呈現出向優勢土地利用類型轉變的特征，使得林地面積增加（圖1A），土地利用結構的優勢度增大（圖2B）；其次，分別有95.09%、95.13%的未利用地和水田保留為原來地類，并有2.37%的水田轉出為工礦居民用地，1.84%轉出為水域。此階段，從比例來看，林地、工礦居民用地和旱地轉出為其他類型土地的比例不高，但是從面積來看，工礦居民用地仍然侵占各種土地利用類型，總面積達1 024.6 km2，只有未利用地除外，按照林地、草地、水域、水田和旱地的順序，占用的土地面積分別為207.2、97.1、133.4、697.3、113.2 km2。

（2）1990—1995年，明顯的階段特征是各土地利用類型都有較大比例的土地轉移為其他地類（表3），除林地保留92.1·2%外，其余地類保留比例都小于80%，如未利用地、工礦居民用地、水田、水域和草地保留原來地類的面積比分別為79.99%、76.14%、72.66%、72.43% 和 71.27%；旱地的保留比例最小，僅61.51%。從轉移地類來源看，增加的工礦居民用地主要來源于水田、旱地、林地、水域和草地，面積分別為1 499.8、935.2、706.0、546.0、93.4 km2；轉入的未利用土地只有10 km2。

（3）1995—2000年，各土地利用類型都有較大比例的土地轉移為其他地類，這一特點與前一時段的特點相似（表4）。但是，未利用地、草地、工礦居民用地、水田、旱地和水域的轉移力度加大，保留原有地類的面積比例低，分別 為 50.51%、63.90%、71.10%、71.90%、75.70% 和77.18%；林地保留的面積也從上一階段的92.12%降至91.72%。而從轉入的面積來看，轉為工礦居民用地最多的仍然是水田，其次是林地、旱地，面積依次為963.2、407.5、356.9 km2，各地類轉出為其他土地利用類型的面積明顯較前一時段少。

表2 1980—1990年廣東省土地利用面積轉出概率矩陣Table 2 Land use area transfer probability matrix of Guangdong Province（1980-1990）

表3 1990—1995年廣東省土地利用面積轉出概率矩陣Table 3 Land use area transfer probability matrix of Guangdong Province（1990—1995）

（4）2000—2015年，這一階段明顯的特征是土地利用結構穩定性相對較高（表5），但又有新的階段性特征：一方面，各地類保留原地類的比例明顯提高，從高到低依次是林地98.36%、工礦居民用地92.91%、草地92.46%、旱地92.33%、水田91.38%、水域84.68%和未利用地77.95%，分別高于前一階段的91.72%、71.10%、63.90%、75.70%、71.90%、77.18% 和50.51%；另一方面，轉移的土地面積有向某一種或幾種土地類型集中的趨向，如轉出的土地中，9.24%未利用地、8.17%水域、6.35%水田、5.15%旱地、2.18%草地和1.25%林地都轉變為工礦居民用地，這一特點還可從轉入面積反映出來，轉入面積分別對應14.7、665.8、1 722.6、942.7、

174.6和1 354.3 km2，總轉入面積為4 874.6 km2，超過前幾個時段（按時段由遠及近，分別為1 024.6、3 790.3、2 040.4 km2）。

表4 1995—2000年廣東省土地利用面積轉出概率矩陣Table 4 Land use area transfer probability matrix of Guangdong Province（1995—2000）

表5 2000—2015年廣東省土地利用面積轉出概率矩陣Table 5 Land use area transfer probability matrix of Guangdong Province（2000-2015）

2.4 分時段的土地利用綜合動態度空間變化

綜合動態度空間分布（圖3）顯示，1980—1990年，綜合動態度高值分布區較少，說明地類面積變化速率極低，地類結構穩定，1990—1995、1995—2000年，綜合動態度高值分布區增多，且動態度峰值明顯高于1980—1990年，說明地類面積變化速率加速，地類結構變化活躍。2000—2015年，較1990年以來兩個時段，地類結構變化趨向穩定，地類變化活躍區范圍收縮。

圖3 分時段的土地利用綜合動態度空間分布Fig.3 Spatial distribution of comprehensive dynamic degree of land use of Gundong Province in different periods

2.5 不同時段驅動力結果與分析

基于前面劃分的1980—1990、1990—1995、1995—2000和2000—2015年4個時段，以及表1構建的驅動力指標體系，計算每一時段各指標值的平均值，然后用SPSS20.0軟件進行主成分分析。通過對數據進行相關性的KMO檢驗，發現各時段的KMO統計量都大于0.6（依次分別為0.651、0.670、0.665、0.638、0.643），可以進行因子分析。計算結果顯示，以累計貢獻大于85%為標準，各時段都主要驅動因子都可用3個主成分表達（表6）。

表6 不同時段前3個主成分因子和綜合判斷函數的因子系數Table 6 The first three principal component factors and the factor coefficients of the comprehensive judgment function in different peidods

從表6可以看出，第一主成分因子系數顯示，不同時段內都以常住人口、工礦居民用地、固定資產投資總額和地區GDP共4個因子為土地利用的主要社會經濟驅動因子，其中又以常住人口和工礦居民用地的影響最大，除1980—1990年外，余下3個時段內固定資產投資總額的驅動影響略大于地區GDP；第二主成分因子系數顯示，地區生產總值（GDP）對土地利用變化的影響是主要的，表現為人均GDP、第二產業比重、第三產業比重和常住居民人均可支配收入幾個指標的系數較大，第二產業比重僅在2000—2015年的影響不明顯。比較特殊的時段是2000—2015年，人口密度指標的系數值在3個主成分因子中都較小。

3 城鄉轉型背景下土地利用結構動態特征研究框架

自改革開放以來，隨著工業化和城鎮化持續快速發展，區域生產要素快速流動與集聚，致使我國城鄉地域系統的經濟、社會、人口、景觀等發生系列轉型，作為人類活動重要空間載體的土地結構與功能發生極大轉變。黨的十八大提出“新型城鎮化”戰略以來，中國城鄉一體化建設進入快速轉型發展的新階段［21-22］；黨的十九大報告進一步將當今時代表述為：世界多極化、經濟全球化、社會信息化和文化多樣性的大變革大調整的時期。

在這種宏觀背景下，區域土地利用結構和變化將受到宏觀和微觀多重驅動的影響，促使區域空間發生重構與轉變。但是，傳統和現代背景下的土地利用結構研究主要集中在動態變化與格局優化、驅動力分析與效益評價，側重對整體和宏觀的分析，缺乏各階段新規律及機制異同的對比研究。基于此，嘗試進行城鄉轉型背景下土地動態監測、機制解析與效應評估以及合理管控等研究內容的框架討論（圖4），并緊緊圍繞地理學研究的經典脈絡“現象描述-機制解釋-科學調控”，沿著“動態監測-機制解析與效應評估-合理管控”［21］主線，以地域空間轉型的動態監測為載體，深入研究城鄉轉型背景下人類活動與土地利用的耦合關系，充分發揮土地資源優勢，以破解社會發展與土地利用之間的“困局”為目的［23-25］。

圖4 城鄉轉型背景下土地利用結構研究內容框架Fig.4 The content framework of land use structure research under the background of urban-rural transformation

城鄉發展轉型具有階段性，對應著不同空間格局，城鄉用地格局的變化是城鄉發展轉型的核心內容。“動態監測”在于針對不同地域典型案例區，以高分辨率遙感數據解譯的城鄉土地利用數據為基礎，診斷土地利用形態以及地域整體土地利用形態的趨勢性轉折，包括各類用地數量變化（轉型方向、速度與幅度）、格局特征（地類分布、組合與優化）和經營格局（細碎化模式與規模經營），重點揭示典型區域轉型的空間動態性、中心性與差異性。

“機制解析與效應評估”是根據自然環境的本底屬性、政策與市場的聯動效應詮釋人類的土地利用活動，揭示土地利用過程中“社會-經濟-生態”效益的互動與權衡。全球化、信息化、城市化等宏觀背景下，多元驅動力（經濟增長率、人口變化、主體價值觀、土地利用集約度等）促使城鄉用地格局多元化轉變。“機制解析”的重點在于詮釋各階段主要驅動力轉變過程，解析城鄉轉型多主體（政府、企業、城鄉居民）生產、生活、社會行為變化對生產、生活、生態空間用地結構的機理研究，厘清內外驅動力之間交互作用機理，歸納總結城鄉轉型下用地結構發展動力學理論。“效應評估”應聚焦于土地利用空間形態和功能形態階段趨勢性轉折對社會、經濟、生態的影響。轉型背景下我國不同地區、城鄉城鎮化進程面對的土地利用效應問題存在差異，有必要探討適宜的土地效應評價具體方式。

土地是人類社會經濟生活的空間載體，“合理管控”旨在整治土地利用空間形態，管控土地利用功能形態，加強地域系統在空間、功能的有效銜接，提高區域生產、生活空間質量和優化國土空間結構。管控重點在于結合典型案例，研究多尺度、維度土地利用管控原理與措施，提出差異化多維用地空間的優化。從城市來看，需要在社會經濟雙轉型下，加快資源主導產業向創新型產業轉變，在生態城市理念下進行城市空間改造，同時提高生境質量，促使初級城市化向高級城市化。從鄉村來看，一方面加強農業產業化與工業園區化建設，促使城鄉產業地域空間協調；另一方面夯實生態網絡與綠色基礎設施建設，提高生境質量與景觀多樣性；最后合理規劃農村聚落，完善基礎設施。

4 結論

本文探討了廣東省改革開放以來土地利用數量結構、配置演變規律以及階段性新特征，顯示土地利用數量結構與配置情況呈現分段變化的特征。1980—2000年土地利用轉出強度持續增強，2000年后各地類轉出強度減弱，土地利用結構趨于穩定。社會經濟驅動機制研究更應強調政策-市場的聯動，并非由單個或少數幾個要素直接影響。

城鄉發展轉型是一個動態過程，對地域空間動態監測與模擬研究需從階段性、多樣性、復雜性視角下認識。土地利用結構階段差異驅動詮釋本文側重于從社會經濟考慮，但城鄉地域空間演變在多元背景下受內、外因素交互作用影響，構建城鄉地域空間轉型驅動力動態模型能更全面詮釋人地耦合關系。

城鄉轉型背景下土地利用結構研究沿“動態監測-機制解析與效應評估-合理管控”的主線，以地域空間轉型的動態監測為載體，解析人類活動與土地利用的耦合關系，突出科學管控土地資源利用對于我國新型城鎮化建設、全面建成小康社會具有重要現實意義。