重慶市榮昌區土地利用變化與驅動力研究

付偉 周寶同 田雨

摘要：為了解重慶市榮昌撤縣設區后的土地利用現狀和存在問題，協調城市發展與生態保護之間的關系，基于2000年、2003年、2006年、2009年、2012年及2015年的6期遙感影像，借助遙感（RS）技術和地理信息系統（GIS）技術，分析榮昌區2000—2015年土地利用變化特征，并采用灰色關聯法和主成分分析法定量分析土地利用變化驅動因素。結果表明，2000—2015年，榮昌區土地利用特征變化主要表現為耕地、草地、未利用地大致呈現減少趨勢，林地、建設用地、水域大致呈現增長趨勢，未利用地大部分轉變為建設用地;2000—2006年土地利用變化量為負值，2006—2015年土地利用變化量為正值，土地利用整體由調整期步入發展期;土地利用破碎程度降低，優勢土地類型減少，土地利用景觀類型逐漸分布均勻;高關聯度指標中城鎮化率、公路里程、人均地區生產總值等與第一主成分關聯性高，常住人口與第二主成分關聯性高，榮昌區土地利用驅動力在研究時段以社會經濟、交通運輸和生態環境等因素為主。

關鍵詞：土地利用;土地利用驅動力;榮昌區;重慶;景觀指數;灰色關聯度

中圖分類號：F301.2?? 文獻標志碼： A? 文章編號：1002-1302（2020）06-0214-09

土地利用/覆蓋變化（LUCC）是自然環境、時空關系和經濟技術等結構和行為對土地利用方式與目的改變的體現[1]，對全球和環境變化有著重要的影響[2]，一直是地理學、生態學等相關科學領域研究的熱點[3-6]。隨著社會的發展，人類正以空前的幅度和規模影響著全球環境，造成全球人口、資源與環境問題的日益突出[7]。因此，只有科學合理地分區利用土地，才能夠保證土地資源的節約與集約利用，從而做到各類土地的高效率利用[8]。

土地利用變化的驅動力及驅動機制是土地利用變化研究的重要問題[9]。驅動力研究是土地利用研究的核心問題之一。在這方面，以往主要是單因子分析，目前則更多地綜合考慮多因子及其相互作用[10]。近些年，國外學者的做法是通過獲取大量的土地利用變化歷史與現狀數據，采用多種數學統計分析方法，探討引起土地利用變化的相關主導因子，建立土地利用變化定性的概念模型與數學模型[11]，如系統動力學模型（system dynamics models）、細胞自動機模型（cellular automata）以及混合模型（hybrid/integrated models）[12]，這些模型在一定程度上模擬了LUCC可能的原因。然而，這些模型也有一定的缺點，細胞自動機模型可以模擬LUCC中生物物理方面的問題，對人類決策的模擬是一個弱點;系統動力學模型能夠全面考慮LUCC過程中的驅動因素，但缺乏處理空間因素的能力。國內一些學者嘗試用Logistic回歸模型分析土地利用變化驅動力，如謝花林運用Logistic回歸模型分析了生態功能區內土地利用變化的影響因素及其作用機制[13]。本研究主要通過分析土地利用3個單一因子變化，嘗試采用灰色關聯度和主成分分析方法，探究重慶市榮昌區土地利用的主要影響因素和驅動力，以期為榮昌區未來的土地資源管理政策和制定合理的土地利用規劃提供決策依據。

1 研究地區與研究方法

1.1 研究區概況

榮昌區位于重慶市與成都市的交匯處，被稱為“渝西明珠”，是重慶市的西大門，位于105°17′～105°44′E，29°15′～29°41′N，處于成渝兩大城市的經濟輻射范圍之內，周圍有瀘州、內江、自貢、宜賓、永川、江津等多個中等城市。榮昌區境內以平壩、丘陵為主，地勢起伏不大，平均海拔為300～400 m，屬于亞熱帶季風性氣候，全區年平均氣溫達到 17.7 ℃，年降水量為1 118 mm，年日照時數為 1 282 h，年太陽輻射總量為3 497.84 MJ/m2。全區總面積為 1 075.37 km2，占重慶市總面積的 1.31%，轄15個鎮和6個街道。2015年，榮昌區的常住人口為 70.10 萬人，城鎮化率為49.26%，國內生產總值（GDP）為329.87億元。

1.2 數據來源與處理

本研究所采用的土地利用數據來源于國家地理空間數據云的2000年、2006年、2009年 Landsat-5 TM和2012年、2015年Landsat-8 OLI遙感影像，同時搜集了榮昌區2000—2015年各種社會經濟指標、行政界限、研究期土地利用現狀數據等資料。

在ENVI 5.1軟件的支持下，對榮昌區6期遙感影像按行政邊界裁剪后，采用幾何精校正、大氣校正以及圖像鑲嵌、裁剪和增強的方式得到了6期遙感解譯圖。根據GB/T 21010—2007《土地利用現狀分類》和中國科學院土地利用遙感檢測分類系統[14]，采取監督與非監督分類法和目視解譯相結合的方法進行分類，將榮昌區的土地利用類型劃分為6類：林地、耕地、草地、水域、建設用地、未利用地，生成榮昌區2000—2015年6期土地利用圖（圖1至圖6）。為保證分類結果的準確性，通過Kappa系數法對榮昌區6期遙感解譯分類結果進行精度評價，得到Kappa系數依次為0.826、0.814、0.806、0.833、0.815、0.822，評價結果精度均在80%以上，說明可以用于后續研究。

1.3 研究方法

1.3.1 土地利用變化動態度指數 單一土地利用類型動態度表達的是某一研究區一定時間范圍內某種土地利用類型的數量變化情況，在本研究中表達為年變化率，其表達式[15-16]為式中：K為研究時段內某類土地利用類型的年變化率;Ua、Ub分別為研究期初和研究期末某類土地利用類型的面積;T為研究年段長度。

1.3.2 土地利用變化程度指數 土地利用程度反映土地利用的廣度和深度， 反映人類活動和自然環境對土地利用的綜合作用。土地利用程度變化量可表達為式中：La和Lb分別為研究初期和研究末期的土地利用程度指數;Ai為第i級土地利用程度分級指數;Cib和Cia分別為b時間和a時間第i級土地利用程度所占區域面積百分比。若ΔLb-a>0，則表明該地區土地利用處于發展期;若ΔLb-a<0，則表明該地區土地利用處于調整期或衰退期。

1.3.3 土地利用變化景觀指數 在景觀生態學中，

景觀指數的變化是分析景觀要素動態變化的重要指標[17]。土地利用是由各種不同類型土地利用面積也就是斑塊組成，空間特征和時間特征顯著。本研究從景觀水平上選取最大斑塊指數（LPI）、斑塊個數（NP）、景觀形狀指數（LSI）、香農多樣性指數（SHDI）、景觀均勻度指數（SHEI）等5個景觀指數來研究榮昌區土地利用變化情況，具體指標見表1。

1.3.4 灰色關聯分析法和主成分分析法 如果系統結構不明確，作用原理難以明確闡述，但對系統的最后結果總能得到一些資料和信息，這種信息部分明確、部分不明確的抽象系統稱之為灰色系統[18]。本研究共選取常住人口、城鎮化率、公路里程、地區生產總值、工業總產值、人均地區生產總值、畜牧業總產值、森林覆蓋率等27個指標來建立榮昌區土地利用驅動力體系，由于指標較多樣本較小，在進行灰色關聯度分析和主成分分析之前，對榮昌區2000—2015年土地利用變化程度和這27個指標進行常規擬合，然后對這27個指標和土地利用綜合指數進行灰色關聯定量分析。本研究將榮昌區土地利用變化綜合指數設為參考序列，即母序列，將27個指標設為比較序列，即子序列。根據步驟計算得出27個驅動因子變量的灰色關聯度，從而得到灰色關聯序。

通過灰色關聯法分析得到27個指標與土地利用變化綜合指數的關聯度（R），通過觀察灰色關聯度結果并綜合多方面考慮，挑選出10個關聯度高且典型的驅動指標來進行下一步的主成分分析。

2 結果與分析

2.1 土地利用動態度變化

由表2可知，在研究期的15年間，耕地、草地、未利用地的面積呈現減少趨勢，林地、水域、建設用地面積總體呈增加趨勢。由于退耕還林還湖政策的開展，林地面積大幅度增加，變化率達11.08%，面積增加 11 958.53 hm2，耕地面積減少 14 924.42 hm2。受城鎮化、社會經濟水平提高等因素的影響，建設用地面積變化較明顯，增加 4 888.98 hm2。草地、水域、未利用地面積較小，其中草地和未利用地面積分別減少701.24、1 231.90 hm2，水域面積增加144.35 hm2。榮昌區各類型土地面積比例都有所變化，但一直以耕地、林地和建設用地為主，其中耕地在這3種類型土地面積中占主導地位，這主要和榮昌區工業化水平較低、以第一產業生產為主等有關。

從表3可以看出，2000—2015年林地的年變化率最高，為 11.48%;建設用地的年變化率為 2.53%;未利用地的減少速度最快，年變化率為 -6.32%;草地的變化速度較未利用地慢，但年變化

率達到 -5.28%;耕地和水域的變化與其他地類相比不是特別明顯，耕地的年變化率為-1.21%，水域的年變化率為1.30%。林地增加的主要原因除了退耕還林外，還和榮昌區積極實施荒山造林、水系綠化和道路綠化有關。建設用地一直處于增長狀態，2006—2009年變化最快，年變化率為7.37%，說明這一階段是榮昌區社會經濟發展較好較快的階段。未利用地的年變化率在5個階段均為負值，說明未利用地一直在減少，2006—2009年快速減少，年變化率為-30.55%，建設用地在這一階段增長最快，而未利用地在這一階段快速減少，說明未利用地大部分轉為了建設用地，服務了社會經濟的發展。

2.2 土地利用程度變化

由表4可知，榮昌區2000—2015年5個階段土地利用變化量有正有負，2000—2003年ΔLb-a為 -5.35;2003—2006年ΔLb-a為-0.81;2006—2009年ΔLb-a為1.95;2009—2012年ΔLb-a為0.64;2012—2015年ΔLb-a為0.88。同樣，榮昌區土地利用程度變化率也有正有負，2000—2003年為 -1.82%;2003—2006年為-0.28%;2006—2009年為0.66%;2009—2012年為0.22%;2012—2015年為0.30%。榮昌區2000—2003、2003—2006年的土地利用程度變化量和土地利用程度變化率的值均為負，說明這2個階段榮昌區處于調整期，人類活動對土地利用的程度較低，對土地來說，土地的負載較小，自然狀態較好;后3個階段土地利用程度變化量和土地利用程度變化率均為正值，說明這3個階段榮昌區處于發展期，人類活動對土地的利用程度在提高，土地的產值不斷被挖掘，土地的負荷較大。2000—2015年榮昌區的土地利用程度變化量為 -2.69，雖然后3個階段土地利用程度變化量為正值，但數值較小，導致榮昌區這15年以-0.91%的速度在調整發展，從后3個階段的土地利用程度變化量和土地利用程度變化率來看，榮昌區會慢慢從調整期步入到發展期，這也和榮昌區近些年城鎮化水平提高、工業化不斷發展、土地得到了充分利用相符合。

2.3 土地利用景觀變化

從表5可以看出，各景觀指數在2000—2015年間都發生了變化。斑塊個數（NP）逐漸下降，在2012—2015年間下降速度最快，說明榮昌區土地利用景觀破碎度逐漸降低，土地利用類型分布逐漸集中;最大斑塊指數（LPI）逐漸降低并趨向平穩，說明榮昌區內的優勢土地利用類型面積在逐漸減少，根據土地利用數量分析可知，耕地是榮昌區內的優勢土地利用類型，說明耕地面積在逐漸減少，土地利用類型在逐漸變得豐富;景觀形狀指數（LSI）在2012—2015年間下降速度最快，但最高值和最低值之間差距不大，說明榮昌區的土地利用類型面積變化不大，規則程度較穩定，受人為管控制約較強;香農多樣性指數（SHDI）和景觀均勻度指數（SHEI）在這15年均呈現緩慢上升趨勢，說明榮昌區土地利用景觀類型在逐漸變得豐富，土地利用景觀類型分布逐漸均勻。

2.4 灰色關聯和主成分分析

本研究將選取的27個指標分別與土地利用程度進行常規擬合，從擬合程度的高低來判斷驅動指標對土地利用程度的影響，將擬合結果r2>0.70的定為高度擬合程度指標，將r2<0.30的定為低度擬合程度指標，將0.30≤r2≤0.70的指標定為中度擬合程度指標（r2的取值為0～1，越接近1說明擬合程度越好）。如表6所示，高度擬合指標包括常住人口、城鎮化率、公路里程、人均地區生產總值、油料產量、地區生產總值、工業總產值等，這些指標均與土地利用程度指數有密切的相關性，說明在榮昌區撤縣設區后，人口及城鎮化率因素、社會經濟因素、農村發展因素、科技文化因素和生態因素對土地利用程度影響較大;中度擬合指標有豬肉產量、農用化肥施用量、普通中學在校學生數、森林覆蓋率、工業固體廢物排放量等，說明這幾個指標對榮昌區土地利用程度變化的影響一般。低度擬合指標有失業人員登記數、糧食產量、建筑企業數、農作物播種面積等，這些指標對土地利用程度的影響較小。

由土地利用動態度、土地利用程度指數和土地利用景觀變化指數構成土地利用變化綜合指數，該綜合指數對3個指標用變異系數法設置權重并通過加權求和法算出，將綜合指數設為參考序列即母序列，將27個指標設為比較序列即子序列。根據步驟計算得出27個驅動因子變量的灰色關聯度，從而得到灰色關聯序。27個驅動指標和土地利用變化綜合指數的關聯度具體情況見表7。

通過觀察得到的27個指標與土地利用變化綜合指數的關聯度，發現10個關聯度高且典型的驅動指標為X1常住人口（0.999 3）、X2城鎮化率（0.983 9）、X3公路里程（0.927 0）、X9農林牧漁總產值（0.963 6）、X14畜牧業總產值（0.964 9）、X15人均地區生產總值（0.903 9）、X19金融機構人民幣存款余額（0.917 3）、X22社會消費品零售總額（0.946 7）、X24工業SO2排放量（0.996 5）、X26人均園林綠地面積（0.943 4）。由以上結果可以看出，榮昌區撤縣設區后，人口增長和城鎮化發展都促使榮昌區土地利用發生轉變，這與榮昌區常住人口從2000年的65.6萬人增加到2015年的70.1萬人，戶籍人口數從2000年的80.64萬人增加到2015年的84.48萬人，榮昌區的城鎮化率從2000年的21.1%增加到2015年的49.26%密切相關;地區生產總值、人均地區生產總值的增長直接說明一個地區的經濟發展水平，隨著榮昌區社會經濟水平的發展，榮昌區人民的生活水平明顯提高，人們對環境質量要求越來越高，社會生活環境得到顯著改善;在2000—2015年這15年里，榮昌區公路里程不斷延長，說明榮昌區的交通運輸條件在不斷改善，榮昌區的通達性和可進入性明顯得到了提高; 榮昌區的特色農牧業發展也促使了土地利用方式的轉變。

以這10個指標作為變量，借助SPSS 21.0進行分析研究，從表8可以得知，X2城鎮化率、X3公路里程、X9農林牧漁總產值、X14畜牧業、X15人均地區生產總值、X19金融機構人民幣存款余額、X22社會消費品零售總額、X26人均園林綠地面積和第1主成分的相關系數較高;X1常住人口和第2主成分的關聯度較高，由此可將第1主成分確定為社會經濟、基礎設施因素，人均園林綠地面積可反映榮昌區的生態環境，第2主成分和常住人口相關性密切，由此看來人口情況對榮昌區土地利用影響較大。

3 結論

本研究先借助遙感（RS）和地理信息系統（GIS）技術獲得遙感解譯數據，通過對土地利用變化動態度、土地利用程度，景觀變化度等單一指標進行分析，結果表明， 從數量變化上看，在研究階段期間，6類土地利用類型均發生了不同程度的變化。耕地、草地、未利用地的面積呈減少趨勢，其中耕地的面積減少的最多，2000—2015年間共減少 14 924.4 hm2;林地、建設用地、水域的面積呈增加趨勢，林地的面積增加最多，共增加11 958.53 hm2，建設用地面積共增加4 888.98 hm2;研究期間，榮昌區土地利用方式以耕地、林地、建設用地為主，未利用地主要轉變為建設用地。從土地利用程度變化上看，在2000—2015年間，土地利用程度變化量和變化率都小于0，土地利用程度總體屬于中上水平;研究前期榮昌區工業化基礎薄弱，土地利用處于調整期，人類活動對土地利用程度較低，隨著榮昌區社會經濟水平的提高，基礎設施的完善，后期土地利用逐漸步入發展期。從土地利用景觀變化上看，榮昌區斑塊個數、最大斑塊指數、景觀形狀指數逐漸下降，景觀多樣性和景觀均勻度緩慢上升，榮昌區土地利用格局逐漸均衡發展，草地、水域、未利用地所占比例較小，主要是耕地、林地、建設用地均衡發展。

榮昌區撤縣設區后，城市化水平不斷推進，土地利用方式發生了很大轉變。在對27個驅動指標中10個關聯度指標的分析中可以看出，城鎮化率水平的提高，迫使區域土地利用發生動態調整，城鎮用地的擴張，耕地和未利用地等自然、半自然景觀不斷轉變為建設用地等，給生態環境造成了較大的壓力;社會經濟水平的提高，人均地區生產總值的增長使人們對環境提出了更高的要求，耕地一部分轉化為城市綠地，另外退耕還林政策使得耕地面積進一步減少，將影響到區域糧食產量。因此，應正確處理好發展用地、耕地保護和生態保護之間的關系，合理保護耕地，加大對未利用地的開發利用，同時注意對水域等生態景觀的保護;明確榮昌區產業發展方向和用地標準，注重產業布局的規模化和集群化，節約集約利用土地，發揮第一特色產業，注重與第二、第三產業協調發展，優化利用土地資源。

本研究通過研究土地利用變化的3個指數，分析榮昌區2000—2015年的土地利用變化情況，利用灰色關聯和主成分分析法來探究土地利用驅動力因素，對榮昌區的土地利用及轉變作了系統的分析，對于榮昌區未來的土地規劃和決策具有一定的借鑒作用，但文中土地利用變更數據的獲取以及分析指標選取的合理性還需要進一步研究。由于數據獲取的有限性和遙感影像本身分辨率的問題，最終解譯結果可能會存在差異，因此，盡可能地結合多種解譯方法從而提高解譯精度是必要的。

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