復合要素驅動下皖江地區土地利用時空變化研究

王雪微，范大龍，任亞文，曹衛東

（1.安徽師范大學 地理與旅游學院，安徽 蕪湖241002；2.中國科學院 地理科學與資源研究所，北京100101）

土地資源是人類生存和發展的重要基礎，深刻影響著社會經濟的可持續發展［1］。土地利用時空格局是人與自然相互作用狀況的關鍵表征［2］，也是人地關系協調的重要體現。近年來土地利用時空變化作為人類活動與自然環境交互影響的重要問題，受到了廣泛關注。

土地利用變化不僅能夠體現人類活動過程，還有助于認識人類活動在全球變化中的作用機制［3－6］。隨著人們認識的不斷深入，土地利用變化研究經歷了從全球到區域，從自然到人文的轉變［7］，引發其變化的驅動力研究也日益豐富起來。已有研究分別從不同尺度對土地利用變化及其驅動力進行了分析，包括國際大區域尺度［8］、全國尺度［9－12］、城市群尺度［13，14］、城 市 尺 度［15］等；也 有 從 不 同 用 地 類型視 角 出 發 展 開 的 研 究，包 括 建 設 用 地［16，17］、耕地［18］、生態用地荒漠化等［19］；還有基于不同屬性特征區域的土地利用變化及其驅動力探討，其中經濟發達地區［20］和環境脆弱地區成為熱點研究區域［21］。在我國社會經濟由高速發展向高質量發展邁進的關鍵時期，建設用地擴張是土地利用變化的突出體現，是反映經濟增長的重要指標，然而當建設用地出現過度擴張時，將會帶來嚴重的社會經濟問題、環境問題和城市土地管理問題［22，23］，因此土地利用變化研究仍然是促進發展與保護相協調，實現可持續發展的關鍵力量。

目前針對土地利用變化驅動力分析大多基于單一要素視角，其中常見的有人口規模［24］、經濟增長［25，26］、交通設施［27］、氣候變化［28］等，少有多維度復合要素驅動下的土地利用時空變化研究。為此，基于自然環境、社會經濟和政策制度三重視角，綜合探討長時間跨度的土地利用時空變化特征及其驅動機制具有重要意義。

皖江地區作為長江流域安徽段兩岸地區，在2016年國務院頒布的《長江三角洲城市群發展規劃》中被正式納入長三角，與上海市、江蘇省、浙江省共同承擔了長三角一體化發展任務。皖江地區作為長三角城市群的重要組成部分，是高質量一體化發展的戰略支點，同時又是東部、中部、西部地區協調發展的重要紐帶，其土地利用時空格局關系到沿江經濟帶的整體協調。

本文以皖江地區作為研究對象，基于1980—2018年土地利用數據，分析了該地區土地利用時空變化特征及分階段土地利用類型轉移特征，識別土地利用時空變化影響要素，解釋土地利用變化的復合要素驅動機制，以期為長三角高質量一體化背景下推進皖江地區土地利用結構優化，實現區域可持續發展提供科學參考。

1 研究區概況、數據來源與研究方法

1.1 研究區概況

皖江地區是指長江流域安徽段兩岸地區，空間范圍上主要包括合肥市、安慶市、池州市、銅陵市、蕪湖市、馬鞍山市、宣城市和滁州市，是安徽省納入長江三角洲城市群的8個城市，地處29°33′—33°13′N、115°46′—119°40′E之間，地域面積為72260.32km2，占安徽省國土總面積的52%。截止2019年底，皖江地區的GDP為23781.46億元，占安徽省GDP總量的64.08%。區內地貌類型多樣，包括中山、低山、丘陵、臺地、平原等；水網密集，屬于亞熱帶濕潤季風氣候；長江由西南向東北貫穿整個區域，安徽省內流經長度超400km。

1.2 數據來源

本文所需數據主要包括土地利用數據、地形地貌等自然概況、交通數據、必要的社會經濟統計數據，以及相關的政策文件。其中，土地利用數據、地形地貌來自于中國科學院資源環境科學數據中心，以各期Landsat TM/ETM遙感影像作為主要數據源，通過人工目視解譯生成，從中提取皖江地區土地利用類型（表1）和空間信息；交通數據通過ArcGIS疊加已有交通矢量數據與最新安徽省交通地圖，空間配準后對新增交通進行矢量化所得；社會經濟統計數據則來源于《中國城市統計年鑒》《安徽省統計年鑒》和國民經濟與社會發展統計公報；相關政策文件通過檢索政府官網、國家及地方發展與改革委員會等網站所得。

表1 土地利用分類體系

1.3 研究方法

本文通過提取1980—2018年間5個時間節點（1980年、1990年、2000年、2010年、2018年）上的皖江地區土地利用類型及其空間分布信息，主要分析了1980—1990年、1990—2000年、2000—2010年和2010—2018年4個時段土地利用類結構和空間結構變化過程與轉移特征，通過計量分析，解析皖江地區土地利用時空變化的驅動要素及驅動機制。

用地范圍提取與規模增長率計算：本文運用ArcGIS軟件平臺，提取1980年、1990年、2000年、2010年和2018年皖江地區及8個城市的耕地、林地、草地、水域用地、建設用地和未利用土地，統計5個年份各類用地面積，記為Sti，將上一階段年份相應類型用地規模記為St（i－1）。計算相鄰兩個年份之間各類用地規模增長率R，用以表征土地利用變化程度，計算公式為：

土地利用變化的驅動要素識別：從自然環境、社會經濟和政策制度三維視角出發，構建土地利用變化驅動要素指標體系，運用統計分析方法，對影響較小指標和無效指標進行剔除。①建立n×p階的原始數據矩陣X。②原始數據標準化處理。③計算相關系數矩陣，因R為實對稱矩陣，故只需計算上三角元素即可。④計算特征值與特征向量，運用Jacobi法解特征方程，求出特征值λi并進行排序，隨后計算特征向量ei。⑤計算主成分貢獻率Zi和累計貢獻率Z，識別出累計貢獻率達到85%以上的主因子視為土地利用變化的主要驅動要素。⑥計算主成分載荷lij，得主到成分得分F。

土地利用變化的驅動機制分析：傳統的時間序列相關分析是一種揭示或測度某一個或多個變量對另一個變量影響程度的常數數理統計分析方法。本文為剖析土地利用變化的影響因素，將對土地利用時空轉移矩陣與影響要素指標的時間序列進行相關分析，相關系數的大小可代表該要素對城市土地利用變化影響程度的顯著性。

2 皖江地區土地利用時空變化特征

2.1 土地利用類型結構變化特征

皖江地區共有土地面積72260.32km2，其中耕地面積最大，其次是林地面積，草地面積和水域用地面積基本持平，建設用地面積在2010年以前小于草地面積和水域用地面積，2018年則反超草地面積和水域用地，可見2010—2018年間建設用地擴張較顯著。在4個階段中，耕地面積與林地面積持續下降，耕地面積由1980年的39716.60km2下降到2018年的37164.12km2，總共減少了2552.48km2，增長率為－6.43%；林地面積由1980年的19393.33km2下降到2018年的19086.75km2，總共減少了306.58km2，增長率為－1.58%；建設用地在近40年中加速擴張，面積由1980年的2805.38km2增加至2018年的5441.79km2，總共增加了2636.41km2，增長率高達93.98%，可見建設用地在1980—2018年間呈現出倍數擴張態勢；草地面積在1980—1990年間增加了78.71km2，隨后一直減少，直至2018年共減少了50.78km2；水域用地面積在1980—2010年間持續增加，2010—2018年間略有下降；未利用地在2000—2018年間明顯增加，總共增加了20.28km2，增長率達438.66%。

表2 皖江地區土地利用規模及其增長率

2.2 土地利用空間結構變化特征

本文以皖江地區各地級市作為單元，分年統計了各類用地面積（圖1）。從圖1可見，各市總用地面積分別為：滁州13507.78km2、合肥11443.19km2、馬 鞍 山 4332.68km2、蕪 湖5788.62km2、宣 城12334.01km2、安慶13525.65km2、銅陵2910.43km2、池州8417.98km2。從用地類型來看，耕地主要集中在中北部，其中滁州、合肥耕地面積最廣；林地主要集中在宣城和安慶，在池州和滁州也出現集聚特征；草地在池州和滁州出現明顯集聚，安慶和宣城也集中了一定規模的草地；建設用地主要集中在合肥、滁州，隨著時間的推移，馬鞍山和蕪湖形成建設用地集聚區；未利用地布局分散，散亂分布于合肥、銅陵和安慶等；水域用地主要分布在長江水系沿線城市與巢湖地區。

皖江地區各市用地變化情況存在著明顯的空間差異性（表3）。從表3可見，皖江地區耕地面積顯著下降，其中合肥市耕地面積減少最多，銅陵市耕地面積下降最少，分別減少了876.21km2和76.47km2。從變化率看，合肥市最高，安慶市最低；林地面積均有減少，其中宣城市減少最多，共減少了186.68 km2，蕪湖市減少最低，銅陵市下降比例最高，下降了8.65%；草地面積減少的城市有滁州市、合肥市、馬鞍山市和池州市，其中滁州市的草地面積減少最多，馬鞍山市下降率最高，蕪湖市、宣城市、安慶市和銅陵市的草地面積增加，其中宣城市增加最多，增加了66.86km2，蕪湖市增長率最高；水域用地面積在宣城市和安慶市略有下降，下降比例均不到2%，其他城市的水域用地面積都有不同程度的增長，其中池州市的增長量最大，其次是馬鞍山市，兩個城市的增長率也最高，增長率最低的城市是合肥市，僅有2.2%，面積增加了21.90km2；8個城市的建設用地都有較大程度擴張，其中擴張比例超過100%的城市有宣城市、蕪湖市和池州市，擴張面積最多的城市為合肥市，共增加了865.62km2，其次是滁州市和蕪湖市，建設用地面積分別增加了539.85km2和310.51km2，面積增長量最小的城市是銅陵市，增加了86.12km2，增長率為71.86%。

圖1 皖江地區土地利用變化及建設用地擴張

表3 皖江地區各城市土地利用變化量與變化率

2.3 土地利用類型轉移特征

1980—1990年，皖江地區的耕地主要轉化為建設用地、草地和水域用地，另有少部分的耕地轉化為林地和未利用；林地分別轉化為建設用地和水域用地；草地面積轉化較少，僅有7.29km2轉化為林地；水域用地面積雖然有所增加，但是仍有28.94km2轉化為草地；在增加的建設用地中，87.99%面積來自于耕地的轉化。1990—2000年間，330.60km2的耕地轉化為建設用地和水域用地，因部分林地、草地和水域用地向耕地轉化的補充，使耕地面積實際減少了222.84km2；林地轉化為耕地和草地；草地雖然有林地轉移補充，但是仍有大面積草地轉移為耕地和建設用地；建設用地增量中94.08%來自于耕地的轉化。2000—2010年間，土地利用轉移總量翻倍，耕地轉化為建設用地、水域用地、林地和草地；林地主要轉化為建設用地，另有少量轉化為水域用地和未利用地；少量草地轉化為建設用地、林地和水域用地；水域用地中僅有8.76km2轉化成建設用地；建設用地增量中91.50%來自于耕地的轉化。2010—2018年轉移量是上一階段的2.33倍，耕地仍然主要轉化為建設用地，另有一些耕地轉化為林地、水域用地、未利用地和草地；林地主要轉化為建設用地和草地，極小部分林地轉化為水域用地和未利用地；46.16km2的草地轉化為建設用地，因有耕地、林地和水域用地轉化補充，面積略有增加；水域用地轉化為建設用地、草地和未利用地；建設用地增量中87.08%來自于耕地的轉化。由此可見，建設用地不斷擴張，且大部分均由耕地轉化而來。皖江地區土地利用類型轉移見表4。

表4 皖江地區土地利用類型轉移矩陣（單位：km2）

3 皖江地區土地利用變化的要素驅動

3.1 指標體系構建

皖江地區作為長三角城市群重要組成部分，是上海、江蘇等地產業向外轉移的主要承載地，同時與上海、江蘇、浙江共同承擔著長三角高質量一體化發展的戰略任務，近年來經濟發展速度快，產業結構轉型升級顯著。為此，在構建皖江地區土地利用時空變化驅動要素體系時，將重點考慮產業結構和固定資產投資等因素。本文在搜集地貌、高程、坡度、政策文件等自然環境和政策制度要素外，結合皖江地區城市發展實際情況，選取影響土地利用變化的社會經濟要素共4個一級指標、22個二級指標（表5）。

表5 土地利用變驅動要素指標體系

3.2 要素統計分析

通過前文分析可知，皖江地區土地利用無論是類型結構還是空間結構，耕地和建設用地是變化最為顯著的兩種類型。為此，本文分別基于建設用地和耕地轉移對影響土地利用變化的22個指標進行了主成分分析和相關分析，分析結果極為相似。本文僅列出基于建設用地變化的分析結果（表6），并利用正交矩陣的特征得出旋轉后的主成分載荷矩陣（表7）。前3個主成分的累積貢獻率為88.435%，超過85%，說明前3個主成分概括了大多數因子的影響作用，可以較好地解釋全部社會經濟要素對土地利用變化的影響力。

表6 特征值與主成分貢獻率

根據主成分分析結果，影響皖江地區土地利用結構變化的主要驅動因子特征如下：主成分1比較分散，反映的信息也較為綜合全面，包括人均道路面積、GDP、人均GDP、人口規模、房地產開發投資總額、城鎮化率等。其中，人均道路面積、人口規模與土地利用變化相關性最高，且通過顯著性檢驗，經濟規模、房地產開發投資總額也具備較高相關性，可對土地利用變化產生顯著影響；主成分2集中在就業指標上，包括制造業、建筑業、批發零售貿易業、交通倉儲郵電業等行業從業人員指標，其中建筑業和制造業從業人員與土地利用變化顯著正相關，這些從業人員可歸類為非農從業人口水平，一定程度上說明第二、三產業從業人員的增加，特別是第二產業從業人員的變化對土地利用變化影響顯著；主成分3突出第二產業比重和第三產業比重兩個指標，且二者均與土地利用變化存在正相關關系，第二產業相關性更為顯著，說明非農產業，尤其是第二產業對皖江地區土地利用變化起到了主導作用，這與皖江地區承接上海、江蘇等地產業向外轉移的實際情況相符。旅轉后主成分載荷矩陣及相關系數見表7。

表7 旋轉后主成分載荷矩陣及相關系數

3.3 要素驅動機制

自然要素 土地利用布局基礎。土地是各種自然要素相互作用形成的綜合體，其中地貌類型、高程、坡度深刻制約著土地利用方式、結構、水平和地域差異。本文通過對皖江地區DEM、地貌和坡度分析圖（圖2）進行空間疊加，獲取土地利用功能分級圖，由高到低劃分為15級（圖3）。1—4級區域，大部分為平原和低臺地等地貌類型，坡度較緩，具有較強的生產生活功能，可大面積布局建設用地和耕地；5—9級區域開始觸碰到高臺地、丘陵、山地等地貌類型，地面坡度逐漸增高，達到15°以上，用地已不適合發揮生活功能，而以生態功能為主，生產功能為輔，適合布局耕地、草地和林地；10—15級區域，地面坡度在25°及以上，地貌類型過渡到中高山地，加之長江、河湖等生態水系及其緩沖區域的存在，生態功能較突出，適合布局林地和水域用地。

社會經濟要素 土地利用變化的根本動力。皖江地區社會經濟增長方式仍處于擴張型階段，對土地資源依賴性較高，成為影響土地利用變化的根本動力。從1980—2018年土地利用與人口規模、經濟規模、產業結構、就業結構看，建設用地增加、耕地面積減少與社會經濟指標在變化趨勢上保持一致。基于前文22個社會經濟指標，計算皖江地區44個區縣（市）社會經濟發展質量，通過ArcGIS自然斷裂法模塊將其劃分為低值區、次低值區、中值區、次高值區、高值區5個等級，并與建設用地擴張圖進行疊加統計。1980—2018年皖江地區建設用地擴張總面積2636.41km2，其中在社會經濟發展質量中值區、次高值區和高值區建設用地增加面積為1863.18km2，占總擴張面積的70.67%（圖4）。社會經濟發展拉動建設用地擴張，導致耕地、草地、林地等用地面積的減少。說明人口增加、投資擴大、經濟增長、工業化進程加快、產業結構升級等都從根本上驅使土地利用發生面積、結構和強度變化。

圖2 皖江地區自然環境概況

圖3 功能等級分區

圖4 社會經濟發展質量與建設用地擴張

交通要素：建設用地的主要擴展軸。皖江地區交通線路發展迅速，與此同時土地利用也發生顯著變化，人均道路面積與土地利用變化呈正相關關系，相關系數為0.929，充分說明交通發展與土地利用變化具有密切關系。如今，交通對土地利用變化的制約作用越來越小，良好的交通環境反而成為生產要素流動和建設用地擴張的基礎，交通設施改善可帶動城市用地的空間擴張，與此同時，用地擴張方向進一步引導交通線路的延伸。本文對主要交通走廊進行雙側緩沖區設計，首先提取高速鐵路、高速公路、普通鐵路、國道、省道5類交通線路，根據《中華人民共和國公路工程技術標準》《中國鐵路網絡運行時速設定標準》對不同等級道路網絡運行速度進行設定。其中，高速鐵路平均運行時速取G、C、D字頭列車運行時速平均值200km/h、高速公路100km/h、普通鐵路90km/h，國道80km/h、省道60km/h。以指定道路為軸，向左右兩側各延伸至該級道路設計時速下的0.5h行駛距離處，形成相應緩沖區，即五級道路的雙側緩沖區距離分別為100km、50km、45km、40km和30km，并將其與建設用地擴張圖進行疊加統計，得到交通廊道緩沖區內新增建設用地面積1688.06km2，占擴張總量的64.03%。這說明皖江地區建設用地擴展主要依托交通線路實現，交通因子成為建設用地的主要擴展軸（圖5）。

圖5 交通緩沖區內建設用地擴張

政策要素：引導土地利用的發展方向。不同的社會經濟體制下，土地利用結構的政策影響因素不同，且影響因素對土地利用的作用方式也是明顯不同的［29，30］。在資本主義自由經濟條件下，土地利用是個人和政府出于各自利益而決策的結果，其內在動力機制是對土地和區位在土地市場上的競爭，由市場機制根據不同支付能力的土地使用者各自的競標曲線來決定土地區位的分配，政府政策依附于市場力，是次要的干預要素［31］。改革開放以前計劃經濟時期，我國土地利用實行行政劃撥機制，重點是行政配置土地、無償無限期使用，禁止土地流轉，土地利用配置是在基建投資計劃過程中附帶完成的，完全排斥地租規律、價值規律和市場機制［32］。隨著我國經濟體制向市場經濟過度，土地利用制度開始改革，推行土地有償使用制度，主要是通過引入市場機制，培育和建立土地市場，形成了土地利用有償出讓和行政劃撥兩種制度并存的“雙軌制”。1980年以來，國家、區域和地方層面相繼出臺了涉及皖江地區的政策文件（表8），其中“建設”和“構建”成為文件中的高頻詞。可見，政策要素通過引導社會的經濟生產活動和土地利用的發展方向，進而影響土地利用的方式和強度。

表8 涉及皖江地區的部分政策及內容

4 結論

本文通過提取1980—2018年間5個時間節點（1980年、1990年、2000年、2010年、2018年）上的皖江地區土地利用數據，分析了該地區土地利用的時空變化特征，構建了土地利用類型轉移矩陣，并從自然環境、社會經濟、政策制度三重視角建立了土地利用時空變化影響要素指標體系，并做相應計量分析，解讀了自然要素、社會經濟要素、交通要素和政策要素對土地利用時空變化的驅動機制，得到以下主要結論：

在類型結構變化中，耕地面積和林地面積加速減少。其中，耕地面積共減少了2552.48km2，增長率為－6.43%；林地面積共減少了306.58km2，增長率為－1.58%；建設用地持續加速擴張，共增加了2636.41km2，增長率高達93.98%，呈現倍數擴張的態勢；草地和水域用地面積略有增加，增量分別為27.93km2和177.12km2；未利用地面積在2000—2018年間明顯增加。

空間結構變化中長江以北建設用地和耕地變化顯著，長江以南林地、水域用地和建設用地變化顯著。宣城市、蕪湖市和池州市建設用地擴張比例超過100%，擴張面積最大的城市為合肥市；各城市林地面積均有所減少，宣城市減少得最多，共減少了186.68 km2；滁州市、合肥市、馬鞍山市和池州市草地面積下降，其中滁州市減少最多；宣城市和安慶市水域用地面積略有下降，其他城市水域用地面積均有不同程度增長。

皖江地區耕地主要轉化為建設用地、草地和水域用地，另有少部分轉化為林地和未利用林地分別轉化為建設用地、耕地、草地和水域用地；草地面積轉移較少，主要轉化為耕地、建設用地、林地和水域用地；水域用地雖有增加，但仍有部分轉化為建設用地、草地和未利用地。在增加的建設用地中，89.64%來自于耕地的轉化。

自然環境、社會經濟、政策制度構成了土地利用變化影響要素的重要維度，定量分析可得交通要素影響程度最高，隨后是人口規模、經濟規模、產業結構和就業結構等。結合三個視角分析土地利用變化驅動機制發現，自然要素是土地利用布局的基礎，社會經濟要素是土地利用變化的根本動力，交通要素是建設用地的主要擴展軸，政策要素可引導土地利用的發展方向。