皖北平原典型農業城市土地利用景觀格局動態及驅動因素研究

周敏　孫朋　祝凱利　劉翔　倪志萍　付昱蔓　張濤

摘 要：氣候變化成為當前不可逆的重要背景，加劇了土地利用變化的復雜驅動機制。為探究皖北平原典型農業城市近幾十年的發展歷程與影響因素，以宿州市為例，基于1980—2015年的宿州市5期土地利用數據，利用景觀生態學和GIS技術2種方法，對研究區土地利用和景觀格局時空變化特征及其驅動力進行深入剖析，在此基礎上結合研究區自然、人文要素探究主要土地變化過程的驅動機制。結果表明：（1）宿州市土地利用方式主要以耕地和城市建設用地為主體，1980、1990、2000、2010和2015年合計占比分別為94.8%、94.7%、94%、95%、95%，其中耕地占比80%以上;（2）研究期內，耕地面積減少最多（291.7km2），草地、水域、建設用地面積均呈弱增加趨勢，城鄉建設用地增加280.2km2，增加幅度為20.2%;（3）不同時段耕地與城鎮用地之間的轉換是研究區土地動態的主體，城鎮用地土地利用動態度最為活躍，轉入方式以耕地為主，1980—2000年和2000—2015年分別轉為城鎮用地9km2和37.26km2;（4）城鎮用地面積的轉入主要集中在各縣域城區周圍，其中埇橋區城區轉入最多，鄉鎮市集存在弱轉入，宿州市整體轉換格局為城市化進程加劇帶來的邊緣化擴張;（5）人口、城鎮化率和固有資產投資等為1980—2015年研究區景觀格局變化的主要驅動因素。

關鍵詞：景觀格局;LUCC;變化環境;驅動機制;宿州市

中圖分類號 F301.2;P208文獻標識碼 A文章編號 1007-7731（2021）03-0092-07

Study on Dynamics and Driving Factors of Typical Agricultural Urban Landscape Pattern in Northern Anhui Plain

ZHOU Min et al.

（School of environment and surveying engineering，Suzhou University，Suzhou 234000，China）

Abstract： Climate change has become an important irreversible background， which intensifies the complex driving mechanism of land-use change. In order to explore the development process and influencing factors of typical agricultural cities in the North Anhui plain in recent decades， this paper studies and selects Suzhou， a typical agricultural city in the North Anhui plain， as an example. Based on the five phases of land-use data of Suzhou from 1980 to 2015， this paper uses GIS technology and landscape ecology method to study Based on the analysis of the spatial-temporal characteristics of land use and landscape pattern and their driving forces， the driving mechanism of the main land change process is explored by combining the natural and human elements of the study area. The results showed that：（1） The main land use pattern of Suzhou city is cultivated land and urban construction land， which accounted for 94.8%， 94.7%， 94%， 95% and 95% respectively in 1980， 1990， 2000， 2010 and 2015， and the cultivated land accounted for more than 80% of the total land use type.（2） during the study period， the decrease of cultivated land area was the largest （291.7km2）， grassland， water area and construction land area all showed a weak increase trend， and urban and rural construction land increased by 280.2km2， with an increase rate of 20.2%. （3） the conversion between cultivated land and urban and rural land in different periods is the main body of land dynamics in the research area， with the most active dynamic attitude towards land use in urban and rural areas， and the transition mode is mainly cultivated land：from 1980 to 2000 and from 2000 to 2015， it was converted to urban and rural use 9km2 and 37.26km2 respectively. （4） the transfer of urban and rural land area is mainly concentrated around each county and urban area， of which the urban area of Yongqiao district is the most transferred， and the township market is weak transferred. The overall transformation pattern of Suzhou city brings the marginal expansion brought by the intensified urbanization process.（5）The driving factors of landscape pattern change in the study area from 1980 to 2015 are mainly affected by population， urbanization rate and inherent asset investment.

Key words： Landscape pattern; LUCC; Changes in the enviroment; Driving mechanism; Suzhou city

進入21世紀，我國的景觀生態學發展進入重要階段，基于景觀格局動態演變與生態環境過程和尺度效應之間的相互作用的研究，一些學者在小區域尺度研究方面成果顯著[1-2]。區域尺度下生態水文景觀格局的變化分析是對某一研究區域土地利用變化特征、土地利用變化速度以及結構變化的分析[3-5]。人類活動和自然因素的共同作用會引起生態水文景觀格局變化，因此景觀格局動態變化與生態過程及其規模效應是景觀生態學的主要研究部分，小區域尺度上景觀格局動態演變的驅動因素分析一直是該研究領域的熱點[6-7]。在土地利用時間格局上，景觀格局動態變化可以有效揭示變化環境下區域生態環境狀況以及時空轉移變化特點;在土地利用空間格局上，土地利用景觀格局動態變化具有典型的空間異質性，不同土地利用類型要素、結構的變化以及斑塊的鑲嵌是其重要表現[8]，揭示了土地利用生態過程的功能和結果。由于受到人類活動破壞和自然因素的限制，區域土地利用景觀格局不斷發生變化，因此，進行區域內景觀格局動態變化與驅動機制探究、了解其成因與驅動力，是促進人類社會與自然環境和諧共生的重要途徑[9]。

基于區域尺度下景觀格局動態及驅動機制的變化研究，許多學者在黃土高原地區[9]、額濟納三角洲區域[10]、松嫩草原西部區域[11]、鎮江市[12]以及黑河中游流域[13]、河南沿黃濕地[14]等地區開展了一系列相關研究，而研究的中心為區域尺度效應以及景觀格局動態與生態過程的相互作用。結合區域尺度—格局—過程，從單一土地利用類型及區域尺度出發，以生態系統服務為對象，以變化環境為背景，開展動態變化評估，并針對土地利用變化和分布格局與生態環境兩者間的相互作用機制進行分析，是變化環境下區域生態建設的熱點[9-13]。

宿州市是南北氣候過渡影響區、水旱田并存、典型農業區、淮河流域旱澇頻發區。當前，宿州市農村土地受到大量侵蝕，出現大量拋荒棄耕現象，再加上汴北新區和市域軌道交通線的建設以及全球環境變化的加劇，地表水熱格局差異性變化顯著。已有學者對變化環境下宿州市景觀格局動態及其驅動力因素開展了研究[15-16]，但存在研究內容表面化、時間跨度較短、土地利用景觀分類排序內容較寬泛等不足。另外，小區域尺度上研究基礎條件匱乏[15-16]，皖北地區城市的城市化進程具有緩慢性和農業平原區的典型性。為此，本研究基于宿州市1980—2015年土地利用解譯數據，探討小區域尺度長序列宿州市生態水文景觀格局動態變化特征，并通過對氣溫、降水量、蒸散量等以及社會經濟活動對各土地利用景觀格局動態變化的驅動作用和生態環境效應的探討，提出了可持續利用建議，以期為皖北地區不同縣域土地資源調配、水資源利用與生態環境規劃以及可持續發展提供數據支撐和理論依據。

1 材料與方法

1.1 研究區概況 宿州市（116°09′～118°10′E、33°18′～34°38′N）地處安徽最北部，俗稱安徽省北大門，總面積9787km2，與4?。ㄍ?、蘇、魯、豫）接壤，連貫東西，東部臨海、西部接山，位于黃海平原南端、淮北平原中部，地形西北高、東南低（圖1）。宿州市屬于暖溫帶，為半濕潤季風氣候區，氣候溫和，光照充分，降水適中，雨熱同期，四季分明。研究區多年平均溫度14～14.5℃，連續年份平均降水量774～896.3mm，年平均風速2.36m/s，全年日照時數2322.9～2471.7h，日照充足。宿州市位于淮河流域，主要有沱河、汴河等70多條河流，流向整體自西北向東南，為黃河、淮河水系;多為內流河，含沙量較小，結冰期較短，水能資源較豐富，流速較慢，夏秋季水位較高，秋冬季水位較低。宿州市常住人口568.14萬人，是典型的農業縣[15-17]。

1.2 數據來源 研究數據構成共分為3個部分：（1）生態水文景觀數據。采用中國科學院資源環境科學數據中心（http：//www.resdc.cn）的1980—2015年5期安徽土地利用/覆被類型柵格數據。該數據是基于各年份Landsat-TM/ETM和Landsat8遙感影像（30m）解譯得到，空間分辨率30m，經過波段提取、合成、幾何精糾正、鑲嵌等預處理，利用人機交互目視解譯，最終通過混淆矩陣進行分類精度及總精度評價，總體精度在90%以上，數據質量可靠。根據宿州市矢量邊界進行裁剪，得到研究區5個年份的土地利用類型圖，根據《土地利用現狀分類》（GB/T2010—2017），依據GIS技術利用自然間隔分類法，將研究區景觀格局分為耕地、林地、草地、濕地、建設用地和未利用地6個二級類別;（2）宿州市1980—2015年自然環境數據：包括氣溫、最高溫、最低溫、降水、降水天數、蒸散量等數據，來源于中國氣象數據共享服務中心宿州站點，并結合宿州市地方志與統計年鑒自然地理數據部分;（3）社會經濟統計數據：數據來源于1980—2015年宿州市社會經濟統計年鑒，涉及人口、城鎮化率、三大產業生產總值、固定資產投資等要素體系。

1.3 研究方法

1.3.1 單一土地利用類型動態度 區域內某特定的土地類型在一定時間范圍內的變化速度可以采用單一土地利用類型變化率K來描述[18-20]，計算公式為：

K（%）=（U_b-U_a）/U_a×1/T×100

式中：Ua、Ub分別表示區域內研究期初和研究期末某特定土地利用類型的面積大小;T為研究周期的時長，通常以年為單位。計算出研究周期內某一土地利用類型的面積變化值占研究期初的比例，除于該周期時長并乘以100%，從而得到區域內某一土地利用類型在該研究周期內的動態度。

1.3.2 綜合土地利用類型動態度 區域內所有土地利用類型在一定時間范圍內的綜合變化速度可以采用綜合土地利用變化率S反映[18-19]，計算公式為：

式中：i為土地利用類型;LA（i，t1）為第i類土地變化初期的面積;LA（i，t2）為第i類變化末期的面積;n為區域內總地類數。在整個區域內，所有土地利用類型在某一時段內變化值的總和除以土地變化初期的面積總和再除以該時段并乘以100，從而得到區域內所有土地利用類型在研究周期內的數量變化程度指標。

1.3.3 土地轉移矩陣 轉移矩陣可以較好地反映某一研究區土地利用變化的結構特征，用來分析各個土地用地類型的轉移方向，不僅可以反映研究期初、期末的土地利用類型結構，還可以很好地反映各土地類型在研究期間的轉入、轉出情況，有利于明晰研究初期各利用類型土地的轉出去向和研究期末各土地利用類型的轉入與構成情況[21]。轉移矩陣的數學形式為：

式中：S為土地類型面積;n為各土地類型數量;i為研究期初土地利用類型;j為研究期末土地利用類型。

1.3.4 主成分分析法 主成分分析法（PCA）是基于統計數據，借助正交變換，通過降維將多個具有相關性的社會經濟和自然環境等變量轉化成1個或幾個不相關的綜合變量，取代初始變量[22]。多維變量包含的信息多具有重復性，而主成分分析就是在保證數據信息損失最少的原則下，通過降維處理，省去不相關的指標變量，將原來較多的指標轉化成能反映研究現象的較少的幾個主成分[22-23]。

2 結果與分析

2.1 宿州市近35年土地利用類型 圖2為研究區1980—2015年土地利用類型圖，結合表1可知，宿州市的土地利用主體為耕地，1980、1990、2000、2010、2015年5期耕地面積分別為7941.6、7928.3、7809.1、7722.8、7649.9km2，耕地面積占比78%～80.6%，是研究區最大的主體土地利用方式;城鎮用地僅次于耕地，5期城建用地面積變幅為1384.7～1664.9km2，面積占比14%～17%，主要為行政駐地、鄉村及工礦道路;林草所占份額較少，主要為低覆蓋草地和落葉闊葉林，面積變幅為439～440.4km2，占比4%～4.4%，集中分布在宿州中北段低矮山丘地帶，其中皇藏峪國家森林公園是宿州市主要的林業分布區;水域面積變幅為60.9～72.4km2，占比0.6%～1%，集中分布在汴河、三角洲、石龍湖等河流、濕地地帶;宿州市土地利用率極高，未利用地類占比微乎及微，因此土地利用格局更多集中在不同地類之間的相互轉換。

2.2 土地利用動態度

2.2.1 土地利用單一動態度 表2為1980—2015年宿州市土地利用動態度，結合圖3可看出，1980—2015年間耕地面積呈明顯下降趨勢，主要轉化為城鎮用地，1980—1990年、1990—2000年、2000—2010年、2010—2015年間耕地面積依次減少13.3、119.2、86.3、72.9km2，耕地利用單一動態度變化依次為-0.017%、-0.150%、-0.111%、-0.0994%;1980—2015年間研究區的城鎮建設用地呈現輕微波動起伏，總體呈持續增加態勢，1980—1990年、1990—2000年、2000—2010年、2010—2015年間城鎮用地面積依次增加10.1、124.3、80.6、45.2km2，單一土地變化動態度分別為0.729%、0.891%、0.531%、0.283%;研究區的林草地分布較為穩定，1980—2015年間呈現輕微波動起伏;1980—2015年間水域利用面積呈持續增長趨勢，由60.9km2增至72.4km2，增長率為18.88%，水域面積占總面積百分比仍為2%，土地動態度為1.087%。

圖3為1980—2015年宿州市土地利用類型面積變化圖，圖4為宿州市1980—2015年各土地利用類型的動態變化圖。綜合總體變化特征來看，宿州市1980—2010年耕地面積動態度一直處于-0.5%～0%，耕地面積不斷下降;林地面積變化動態度基本處于0%以下，為負增長狀態，但高于耕地的減少變化;草地在2000年以前為減少狀態，在2000—2010年期間出現緩慢增長;城鎮用地面積變化度在1980—2000年為遞增，2000年開始下降，但一直處于0%以上，說明宿州市城鎮用地面積不斷增加;水域動態度是波動幅度最大的類型，在1980—2000年不斷遞減，之后到2010年都為增加狀態，1990—2000年出現低于0%的數值，在此期間水域面積減少，1980—1990年及2000—2010年水域面積出現增長。

2.2.2 土地利用綜合動態度 由表2可知，1980—1990年宿州市的土地利用綜合動態度為0.0279%，城鎮用地土地利用動態度活躍度最大（0.729%），水域用地次之（0.525%），耕地活躍度較低（-0.017%），未利用土地和林地、草地的活躍程度較低但最為穩定;1990—2000年宿州市的土地利用綜合動態度為0.2529%，耕地、林地、草地和水域為負值，較為活躍的是草地和耕地;2000—2010年宿州市土地利用綜合動態度為0.1783%，耕地和林地依舊為負值，絕對值呈遞減趨勢，城鎮用地較活躍，草地動態度呈現上升趨勢;2010—2015年宿州市土地利用綜合動態度為0.1248%，水域用地最為活躍，出現極大值，林地較為穩定，草地和城鎮用地活躍度下降，總體比較穩定。結合各類型土地利用動態度整體來看，研究期內，水域、城鎮用地活躍度一直較高;水域整體波動較大，2010—2015年變化劇烈，動態度最大，為1.087%;林地和耕地動態度以負值為主，其絕對值不斷降低;1980—2000年草地動態度也基本為負值，在2000—2015年間有增長趨勢，向正值轉變，在2000—2010年間為0.6006%，達到極值;未利用土地一直處于較為穩定的狀態。

2.3 土地利用變化結構特征 利用ArcGIS10.5軟件，通過轉移矩陣得到研究區1980—2015年、1980—2000年、2000—2015年土地利用轉移矩陣[24]（表3）。由表3可知，宿州市土地利用主要在耕地與城鎮用地、耕地與水域、城鎮用地與水域之間發生轉化，以城鎮用地和水域轉入和耕地轉出為主要特點。1980—2015年耕地面積呈降低趨勢，主要向城鎮用地轉化，1980—2000、2000—2015年轉為城鎮用地的面積分別為135.84km2和175.53km2，轉化速度加快。此外，耕地還向水域、草地和林地轉化，1980—2000年轉入水域面積5.34km2，轉為林草面積微乎其微;2000—2015年轉為水域、草地、林地的面積依次為13.43、5.78、1.75km2。水域、城鎮用地面積主要轉化為耕地，兩者之間互為轉化對象，1980—2000年轉入耕地的面積分別為4.68km2和2.53km2，2000—2015年轉入耕地的面積分別為3.13km2和31.72km2。總體來看，2000—2015城鎮用地轉入耕地的面積較1980—2000年有大幅度增加，這與國家對建筑用地非法占用耕地的日益規范密切相關。

圖5為1980—2015年土地利用類型轉換空間分布。由圖5可知，宿州市土地利用變化方式主要以建設用地擴張為主，主要由耕地轉入。1980—2015年研究區內城鄉建設用地擴張明顯。研究區西南部、東部、中東部建設用地擴建面積較大，其中西南部擴張面積最大。城鄉用地面積的轉入主要集中在各縣域的城區周圍，其中埇橋區城區轉入最多;鄉鎮市集周圍也有分布，但轉入面積較小。水域面積的轉入主要分布在埇橋區東側及蕭縣市區周圍。

2.4 驅動因素 研究區人類活動與自然環境相互影響的關系可以在景觀格局動態演變中得到很好的反映。不同區域主要驅動因子不同，區域時空動態關系也在景觀格局變化與驅動力之間展現出來?；诙嗄瓿叨茸兓?，人為因素產生的環境變化較自然因素幅度較大，是主要因素[24]。1980—2015年土地利用變化動態顯示，耕地與城市建設用地的動態變化是區域LUCC變化的主題，因此以耕地與城建用地為基礎開展驅動力分析。

2.4.1 驅動因子選擇 通過《宿州市統計年鑒（1980—2015年）》收集經濟數據并整理自然要素，利用SPSS軟件中的主成分分析法，選定12項能反映宿州社會經濟、自然環境狀況的指標。其中，社會經濟指標包括人口、非農人口、城鎮化率、固定資產投資，自然環境指標包括氣溫、最低溫、最低溫、降水、日照、風速、相對濕度、蒸散量。將已經進行標準化的12個指標進行主成分分析。

2.4.2 主成分分析 由表4可知，第一主成分的初始特征值為6.186，解釋總方差貢獻率百分比為51.552%，提取的第二主成分與第三主成分解釋總方差貢獻率分別為21.748%和10.301%，前3個主成分解釋總指標信息的83.6%以上，因此把前3項作為主成分因子，通過計算可以得到各因子對于原始指標的載荷狀況[25-26]。

3個主成分通過最大方差法進行正交旋轉，得到因子載荷矩陣（表5）。由表5可知，第一主成分上有5個驅動因子載荷超過了0.9，其中X1（人口）和X2（非農人口）、X3（城鎮化率）荷載超過了0.95，為人口和城市因素，主要反映了城市發展水平，表明人口比重以及城市人口所占比重的提高對城市化發展水平具有重要影響?？梢钥闯鋈丝谧兓统擎偦蕦γ娣e變化具有顯著影響。面積變化與日照、風速、相對濕度等自然要素相關系數較小。這是由于城鄉建設用地快速增加，大量占用耕地、水域等，導致自然要素影響逐漸變小。城市建筑密集，阻擋了風力，水域面積減小，相對濕度降低，城市地面硬化，滲透率下降，從側面說明人口增長以及城市化水平提高的同時給自然環境造成的威脅也是相當突出的。

第二主成分上X9（日照）和X12（蒸散）具有較高載荷，分別為0.887、0.848。光照、土壤含水量以及植被覆蓋狀況為自然因素，說明城市化建設過程中生態安全占據主導地位，生態環保等政策落到實處。人口、非農人口比重以及城鎮化率和固定資產投資等均為負值，呈現負相關關系，表明經濟發展迅速以及城市化發展進程不斷加快直接導致大量土地類型之間發生轉移，農民進城務工提高了城鎮化率，耕種率逐漸降低，固定資產投資等政策性投資使研究區農業機械化水平提高，農業模式轉為現代化農業，自然要素載荷相對較高。

第三主成分上X10（風速）和X11（相對濕度）具有較高載荷，分別為0.602、0.511。干濕度狀況較為明顯，仍然為自然要素。人口和城鎮化率較第二主成分載荷提高，這也充分說明非農人口數量的增加和城市化水平的不斷提高給資源環境造成了極大威脅，以及一些固定資產投資導致城鄉建設面積比例不斷上升，給當地的自然生態景觀資源造成巨大的破壞和浪費。另外，非農人口和固定資產投資影響相對較弱，載荷量較低，說明城市化進程和經濟因素帶來的建筑面積、公共衛生用地、交通等城鄉用地增多仍然是導致面積變化的主要原因。

經濟發展與城市化水平以及經濟水平不斷提高的同時，會給資源環境造成較大壓力，人口增長以及非農人口的增加和企業資產的投資是影響區域生態景觀格局演變的關鍵驅動力因素（圖6），低效率的人類生產生活活動會加劇當地生態景觀格局動態演變，威脅生態資源安全，加劇土地生態安全問題。

3 結論與討論

總體來看，1980—2015年研究區土地利用結構發生了明顯變化，耕地、林地面積不斷減少，草地、水域、建設用地面積逐漸增加，研究區主體土地利用方式為耕地和建設用地。研究表明，宿州市城鎮用地土地利用動態度最為活躍，耕地面積主要以轉出為主，面積持續減少，多轉為城鎮建設、工礦業生產用地;林地面積呈現先增加后減少的趨勢，變化較小，1980—2015年面積減少2.6km2，主要轉為城鎮用地;草地面積不斷增加，1980—2015年增加2.6km2，主要由耕地轉入;水域面積與耕地面積出現互相轉入轉出現象;隨著城市化進程不斷加快，城鎮居民用地不斷增加，且以耕地轉入為主。通過主成分分析法對研究區進行驅動機制分析，得出人口、非農人口、城鎮化率、固定資產投資等主要因子對生態水文景觀格局演變的重要影響。目前，區域尺度下景觀格局動態演變以及驅動機制研究的方法對土地利用變化的預測和解釋能力依然存在不足。如何在深化主成分分析以及動態度變化研究的過程中，揭示不同區域尺度下土地利用轉化的驅動機制，達到對區域尺度變化環境下景觀格局變化與驅動因子的準確預測，應是今后探究的主要目標和方向。

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（責編：徐世紅）

基金項目：安徽省教育廳高等院校自然科學重點項目（KJ2019A0670）;宿州學院博士科研啟動基金（2017jb04）。

作者簡介：周敏（1998—），女，安徽宿州人，在讀本科。 *通訊作者? 收稿日期：2021-01-09