涪江流域土地利用變化及其驅動力分析

杜華明

(1.綿陽師范學院資源環境工程學院，四川綿陽 621006；2.生態安全與保護四川省重點實驗室，四川綿陽 621006)

0 引言

土地是人類生存之本，伴隨社會經濟的快速發展，土地利用/覆蓋變化及驅動力分析已成地理學科關注的熱點問題[1]，得到國際社會的廣泛關注[2-4].宋戈等對松嫩高平原土地利用時空格局及分異規律的研究認為土地利用格局變化受人為、自然因素的共同作用[5]；童小容等對重慶市2000-2015年土地利用變化的分析發現重慶市土地利用程度以渝中區為核心從內到外依次呈“弱變化-劇烈變化-較強變化-較弱變化”的圈層擴展形態[6]；鞠洪潤等對中國土地利用整體空間格局的研究指出中國土地利用多樣性總體上呈現“東北、東南高，西北低”的態勢[7]；羅惠等對中國土地利用轉型研究動態與發展趨勢進行了研究[8]；胡守庚等對土地利用轉型潛力的研究顯示以基于“強效”“快速”政策調整及工程技術措施的土地利用形態調整和基于“自發土地利用”的土地利用轉型引導為形成機制[9]；譚少軍等對三峽庫區土地利用機制的研究指出該區域驅動機制由“生計-經濟”驅動型轉變為“多元協同”驅動型[10].縱觀土地利用及其變化驅動機制的研究，目前土地利用變化研究較為成熟，土地利用驅動機制方面的研究尚顯不足.土地利用驅動機制的研究主要以定性分析為主，定量分析方面表現為以土地利用類型與驅動因子間的相關分析為主.涪江流域地處內陸，位于青藏高原與四川盆地的過渡地帶，地理條件特殊，生態環境復雜，山地、丘陵、平原構成該流域地貌的主要特征.在氣候變暖、人口增加、社會經濟活動加劇的背景下，涪江流域生態環境受到一定干擾和破壞，土地利用結構發生變化，因此，加強涪江流域土地利用變化及驅動力研究是提高涪江流域土地利用安全的有力保障.本文從自然-社會經濟兩方面選取影響土地利用變化的驅動因子，運用空間主成分分析法探索涪江流域土地利用變化的主要驅動因子.

1 數據來源與研究方法

1.1 數據來源

文中所涉及的數據主要包括1∶1 000 000的基礎地理數據、DEM數據、遙感影像數據、社會經濟數據，基礎地理數據來源于全國地理信息資源目錄服務系統(http://www.webmap.cn/main.do?method=index)；90 m分辨率數字高程數據來源于地理空間數據云(http://www.gscloud.cn/sources/)，主要用于高程指標、坡向的提取與相關計算；遙感影像數據來源于USGS(https://earthexplorer.usgs.gov/)；社會經濟數據來源于中國縣域統計年鑒[11].

1.2 研究方法

1.2.1 土地利用轉移矩陣 土地利用轉移矩陣能定量闡釋不同時期土地利用類型之間的轉化情況[12]，公式如下：

(1)

式中，Sij表示初期地類i轉換成后期地類j的面積，n表示土地利用類型數量，i、j(i、j=1，2，…，n)表示不同時間段的土地利用類型[13].

1.2.2 空間主成分分析(SPCA) 空間主成分分析方法可將主成分因子分析結果在對應的每一個柵格上展現出來，空間可視化效果良好[14].本文在ArcGIS軟件平臺中利用Spatial Analyst的principal components工具實現，通過該分析工具獲取每個主成分所對應的空間載荷圖、各個成分的貢獻率以及累計貢獻率，將累計貢獻率超過90%的主成分確定為有統計學意義的主成分[15].

2 結果與分析

2.1 涪江流域土地利用變化分析

2.1.1 涪江流域土地利用總體格局 通過對2001和2018年兩個時間段的Landsat 7 ETM影像進行校正拼接處理后，運用ENVI5.1軟件進行監督分類處理得到涪江流域2001年和2018年兩個時間段的土地利用現狀圖(圖1).分析發現涪江流域的土地利用類型主要以林地和耕地為主.林地主要分布在涪江流域上游地區，上游地理位置特殊，位于青藏高原與四川盆地的過渡地帶，地勢起伏大，氣候垂直差異明顯，且屬于長江上游地段，廣泛分布著林地.中下游區域地勢平坦、海拔高差小、人口密集，耕地集中分布于涪江流域中下游地區.其他土地利用類型所占比例相對較小.

圖1 涪江流域2001、2018年土地利用現狀圖Fig.1 Map of land use of Fujiang River Basin in 2001 and 2018

通過對涪江流域2001、2018年的土地利用類型面積及占比的統計分析得到表1，2001年，林地面積為22 805.39 km2，占比高達57.71 %，林地主要分布于江油-安州一線以北的涪江流域上游地區，中下游地區東部的梓潼、鹽亭大部分區域，中下游西部邊緣地區也有零星分布；其次是耕地，耕地主要分布于江油-安州一線以南的涪江流域中下游地區，總面積14 219.07 km2，占比35.98 %.草地零星分布于北部邊緣的松潘境內，總面積815.07 km2，占比2.06%.水域總面積1 235.14 km2，占比3.13 %.建設用地面積小，主要分布于該流域區、縣城鎮所在地，總面積276.87 km2，占比0.70%.其他用地總面積為163.26 km2，占比0.41%.

表1 涪江流域2001、2018年土地利用類型面積及其比例Tab.1 Land use type area and its ratio of Fujiang River Basin in 2001 and 2018

2018年涪江流域林地面積大幅減少，總面積18 651.04 km2，占比47.20%，主要分布于江油-安州一線以北的涪江上游和中下游的東、西部邊緣地帶；耕地集中分布于江油-安州一線以南的涪江流域中下游地區，總面積17 830.20 km2，占比45.12%，耕地面積明顯增多；草地主要分布于流域北部邊緣地帶，總面積905.10 km2，占比2.29%；水域總面積1 456.59 km2，占比3.69%；建設用地總面積528.42 km2，占比1.34%；其他用地總面積143.45 km2，占比0.36%.

整體上看，涪江流域2001年和2018年的土地利用面積由多到少分別為：林地>耕地>水域>草地>建設用地>其他用地，林地面積最高，其次是耕地，最少的是其他用地類型.2001年和2018年涪江流域的土地利用類型均以耕地和林地為主，2001年耕地和林地總面積高達37 024.46 km2，占比為93.70%；2018年耕地、林地總面積為36 481.25 km2，占比為92.32%.

2.1.2 土地利用變化空間圖譜與轉移矩陣

(1)空間圖譜 利用ArcGIS制作土地利用圖譜的空間變化特征，根據圖譜變化，揭示涪江流域2001-2018年土地利用類型空間變化狀況，結果如圖2所示.由圖2可看出流域所有土地利用類型的轉變情況：耕地、林地是主要的轉換類型，其次是水域和建設用地，大部分未轉變的土地利用類型均以白色在圖中進行表示.具體看，2001-2018年，耕地由14 219.07 km2增加到17 830.20 km2，草地由815.07km2增加到905.10 km2，水域由1 235.14 km2增加到1 456.59 km2，建設用地由276.87 km2增加到528.42 km2；2001-2018年林地由22 805.39 km2減少到17 830.20 km2，其他用地由163.26 km2減少到143.45 km2.總體上看，涪江流域2001-2018年耕地、草地、建設用地、水域呈增加趨勢發展，而林地、其他用地則呈減少趨勢發展.涪江流域耕地和建設用地增幅較大，林地顯著減少，分析發現該流域受人口增長與經濟發展的影響較大，導致耕地、建設用地呈明顯增加趨勢發展.

圖2 2001-2018年土地利用空間變化圖譜Fig.2 Atlas of land use change from 2001 to 2018

(2)2001-2018土地利用轉移矩陣 表2是涪江流域2001-2018年土地利用類型轉移矩陣，從表中可以看出2001-2018年每類土地的轉出、轉入情況.2001-2018年涪江流域有2 095.78 km2的耕地轉出，轉入(新增耕地)總量5 765.99 km2，轉入耕地面積遠遠大于轉出耕地面積，84.20%的耕地保持不變.2001-2018年涪江流域林地轉出總量17 229.06.53 km2，轉入(新增林地)總量5 857.48 km2，轉出林地面積大于轉入面積，71.85%的林地面積保持不變.2001-2018年間涪江流域草地轉出總量805.79 km2，轉入(新增草地)總量898.58 km2，70.74%的草地面積保持不變.2001-2018年間涪江流域水域轉出總量為977.33 km2，轉入(新增水域)總量為1 097.96 km2，44.02%的水域面積保持不變.2001-2018年涪江流域有262.83 km2的建設用地轉出，轉入(新增建設用地)總量為342.83 km2，76.99%的建設用地面積保持不變.2001-2018年涪江流域有163.26 km2的其他用地轉出，新增其他用地48.15 km2.

表2 2001-2018年土地利用轉移矩陣 單位：km2Tab.2 Land use transfer matrix in Fujiang River Basin from 2001 to 2018

2.2 涪江流域土地利用變化驅動力分析

影響土地利用變化的驅動力主要是自然和人為兩種因素，穩定的自然條件對土地利用變化起制約作用，其主要是長期積累效應，在短時間內造成的影響很?。欢兓纳鐣洕蛩貏t是導致土地利用景觀產生變化的主要因素，在短時間內則起著主導作用[16-17].涪江流域的地理位置特殊，位于盆地與高原的過渡地帶，地勢起伏大，氣候垂直差異明顯，對土地利用格局造成了很大的影響.由于涪江流域生態環境比較脆弱，且生長著諸多珍稀動植物，對涪江流域土地利用變化的驅動力進行分析有益于生物的保護，維護當地生態環境，謀求人與自然和諧共生.

2.2.1 土地利用驅動力指標體系構建 遵循數據選取的科學性、可獲取性、準確性、系統性和簡明性等原則，并參考同類文獻的驅動力指標體系，結合涪江流域土地利用現狀及其結構變化狀況，選取了海拔、坡度、坡向、人口密度、人均GDP、全社會固定資產投資、糧食產量、工業總產值和公共財政收入等9個驅動力指標.其中坡度、坡向運用高程數據提??；人口密度、人均GDP、全社會固定資產投資、糧食產量、工業總產值和公共財政收入等數據來源于中國縣域統計年鑒，運用ArcGIS軟件經過IDW進行空間插值，獲得社會經濟數據空間分布圖.運用自然斷點法對驅動力指標空間分布格局圖進行重分類處理，得到驅動力指標空間等級分布圖(圖3).

圖3 涪江流域土地利用驅動因子分級圖Fig.3 Classification map of land use driving factors in Fujiang River Basin

從圖3可以看出，固定資產投資、工業總產值、糧食總產量、人口密度、人均GDP、地方公共財政收入等社會經濟指標具有很強的空間分布一致性，均表現為中下游區域指標高，而上游區域指標低，由此可見，人口密度越高的區域，人類社會經濟活動強度越大，對土地利用類型的變化起著非常重要的推動作用.高程、坡度兩個指標在空間分布格局上表現一致，涪江流域江油-安州一線以北的上游區域海拔高，坡度大，而江油-安州一線以南的中下游區域海拔低、坡度小.

2.2.2 基于空間主成分的土地利用驅動力分析 利用ArcGIS10.5軟件進行空間主成分分析計算，得到涪江流域土地利用變化驅動力變量相關系數矩陣、主成分分析特征根及主成分貢獻率、主成分載荷矩陣(表3-表5).

表3 土地利用變化驅動力變量相關系數矩陣Fig.3 Correlation coefficient matrix of driving forces of land use change

通過對表4的分析發現，第一、二、三、四主成分累計貢獻率達到90.61%；從表5可知，1、3、4、6、7、8、9與第一主成分具有較強的正相關性，2、5、9與第二主成分具有一定的正相關性，1、2、4、7、8與第三主成分具有相當大的正相關性，2、5、6、7、8與第四主成分具有很強的正相關性，可以發現，影響涪江流域土地利用變化的主要是經濟社會驅動力因子，涪江流域土地利用變化與區域社會經濟發關聯性較高.

研究發現，自然環境條件對流域土地利用變化影響較小，而社會經濟因素是促進涪江流域土地利用變化的主導因素.自然環境因子中坡向對土地利用變化的貢獻最大，貢獻率為11.94%，不同坡向造成對太陽輻射的吸收和降水等的不同，致使土地利用方式各異，形成了不同土地利用類型.社會經濟因子中全社會固定資產投資、工業生產總值與糧食總產量三個因素對涪江流域土地利用變化的影響較大，其對流域土地利用變化的貢獻率分別為57.49%、13.87%、7.31%.土地作為人類的生活場所，人口的快速增長導致人均土地面積減少，進而導致毀林開荒、過度開墾等現象，致使其他土地利用類型向耕地的轉換速度加快.社會經濟的高速發展和精神文化水平的提高，促使道路、娛樂設施、大型球場與公園等基礎設施的建設加強，大量的耕地、林地被占用，轉化為建設用地以滿足人們的需求.土地是各類經濟活動發展的基礎和根本保障，同時社會經濟的發展導致各種地類面積發生顯著變化，工業的快速發展侵入周圍的耕地、林地，改變城市周邊的土地利用格局，經濟活動對土地資源的索取導致土地分配的變化，致使研究區內各種土地類型發生顯著變化.

3 討論

本文運用土地利用轉移矩陣、空間主成分分析等方法對涪江流域2001-2018年的土地利用變化及驅動因素進行研究，發現涪江流域土地利用類型主要以林地和草地為主，社會經濟因素是影響流域土地利用變化的主要驅動因子.認識涪江流域土地利用變化及驅動因子對促進該流域土地利用的合理規劃與可持續發展具有一定的參考作用.涪江流域位于青藏高原與四川盆地的過渡地帶，海拔高差大，土地利用空間差異大，生態環境脆弱，本文根據該流域自然環境特征和人類社會經濟活動狀況，參考前人文獻，從“自然環境——經濟社會”兩個維度構建該流域土地利用變化驅動因子指標體系，該指標體系具有很好的適宜性；但由于土地利用演變的內在演化機理問題還缺乏全面的、綜合的與系統深入的分析研究，因此在土地利用變化驅動因子指標的選取上還存在一定不足，這些方面的不足促使我們認真總結經驗，并在此基礎上拓展新的研究領域.

4 結論

(1)2001-2018年間，涪江流域土地利用類型面積占比表現為：林地>耕地>水域>草地>建設用地>其他用地，該流域以林地和草地為主，約占93%，水域和建設用地占比很小.

(2)2001-2018年，涪江流域耕地、草地、建設用地、水域面積分別增加3 611.12、90.03、251.54、221.45 km2，而林地、其他用地面積分別減少4 154.35、19.81 km2.涪江流域土地利用類型轉移比較明顯的有九類，分別為耕地轉林地、耕地轉水域、耕地轉建設用地、林地轉耕地、林地轉草地、林地轉水域、草地轉林地、水域轉耕地與水域轉林地.

(3)社會經濟因素是影響涪江流域土地利用變化的主要驅動因子，涪江流域中下游地區人口密度較高，耕地和建設用地占比較大.伴隨流域人口增多以及城市化進程的加快，對居住、生活和工作場所產生的壓力增大使得建設用地的面積擴張.研究發現全社會固定資產投資、工業總產值、坡向與糧食總產量是導致涪江流域土地利用變化的主要驅動因素.