定西市土地利用變化及驅動力分析

胡波，唐紅，李廣，鄢繼選，寧建楊，郎永娟，林楊杰

(1.甘肅農業大學林學院，甘肅 蘭州 730000；2.甘肅農業大學水利水電工程學院，甘肅 蘭州 730000)

定西市生態脆弱、經濟貧困，是一個草地與耕地、種植業與畜牧業之間的過渡帶，其氣候復雜多變，土地利用類型多種多樣[1]。隨著社會經濟的快速發展和人民生活水平的提高，對土地的需求日趨增加，特別是近年來退耕還林還草政策的實施，對土地利用影響巨大。定西市作為農牧交錯帶的一部分，其土地資源的不合理利用嚴重制約了城市的生態保護和發展。因此研究定西市的土地利用變化及其驅動力，可為了解土地利用現狀和社會經濟的發展提供有效的理論依據[2]。

近年對土地利用變化的研究逐漸成為熱點。目前，研究土地利用基于國家、省、縣等行政尺度[3]和流域等自然尺度，使用土地結構[4]、土地利用動態度[5]、土地利用程度及轉移矩陣[6]等指標來表示土地利用狀況，研究土地利用的變化特征及驅動力[7]、土地利用生態風險[8]、土地利用景觀格局等[9]。范宏斌等[10]對定西市1996-2005年土地利用現狀與社會經濟發展的關系進行了分析。燕玲玲等[11]探討了定西市安定區不同土地利用類型的轉化對區域生態環境質量的影響。但近年以農牧交錯帶為切入點，對土地利用變化驅動力的研究相對較少。因此，選取定西市為研究區，分析其土地利用時空變化特征及其驅動力，旨在為合理開發利用土地資源，優化土地資源配置提供理論參考，從而實現區域經濟與生態和諧發展。

1 研究區概況與研究方法

1.1 研究區概況

定西市位于甘肅省中部，地理位置E 103°52′～105°13′，N 34°26′～35°35′，得名于“安定西邊”之意[12]。北邊與蘭州、白銀市相接，南邊與隴南市交界、東邊與平涼、天水市毗鄰、西邊接壤于甘南州、臨夏州。定西行政區劃包括安定區、通渭縣、隴西縣、漳縣、渭源縣、岷縣、臨洮縣。定西位于中溫帶半干旱區，屬于南溫帶半濕潤氣候，年均氣溫5.7～7.7 ℃，年均降水量350～600 mm，蒸發量高達1 400 mm以上。2018年全市地區生產總值356.26億元，年末全市常住人口282.17萬人，按常住人口計算，人均生產總值12 656元，比上年增長5.7%。

1.2 數據來源與處理

研究使用的人口、社會經濟數據來源于1980-2018年《定西市統計年鑒》。選取1980、1990、2000、2010、2018年的LandsatTM影像作為基礎數據源，解譯得到土地利用數據。遙感影像來源于地理空間數據云(http://www.gscloud.cn/)，參考《土地利用現狀分類標準》(GB/T21010-2017)并結合研究區實際情況，將研究區地類分為耕地、林地、草地、水域、建設用地及未利用土地6大類。在ENVI 5.3中分別對5期遙感影像進行預處理，參照Google Earth高分辨率影像，使用ArcGIS 10.2對遙感影像進行目視解譯。經驗證，數據的解譯精度均在85%以上，符合本研究要求。

1.3 研究方法

1.3.1 單一土地利用動態度 單一土地利用動態度可以表征研究區的某種土地利用類型在一段時間內的數量動態變化。可以分析出土地利用變化所引起的區域差異，有助于預測未來土地利用的變化趨勢。公式如下[13]：

式中：K為土地利用動態度；T1，T2為研究初期及末期時間點；U1，U2分別為T1，T2時間點該類土地利用類型面積。

1.3.2 土地利用程度 人類對土地類型的干擾程度以土地利用程度綜合指數來表示，公式如下[14]：

(2)

式中：Ai表示第i類土地的分級指數；Ci表示第i類土地面積比重；n代表級數。其中分級指數參照前人研究成果：未利用土地為1；林地、草地和水域為2；耕地為3；建設用地為4[15]。分級指數越高，代表對土地的開發利用越強。

土地利用程度可綜合表達區域內不同土地利用類型之間轉變的水平和趨勢。

(3)

式中：La和Lb分別代表初期和末期的土地利用程度綜合指數。當ΔLb-a>0時，說明研究區在發展期；當ΔLb-a<0時，表明利用程度不斷減弱，處于調整或者衰退期，但僅代表土地的利用程度，不能夠反映生態環境的好壞。

1.3.3 土地利用轉移矩陣 土地利用轉移矩陣，包含了區域某個時期內土地利用類型的靜態數據與各個地類相互轉換的動態數據。這種方法來源于系統分析中對系統狀態與狀態轉移的定量描述，能夠全面而具體地反映變化的結構特征和各類型土地之間轉移的方向[16]。本研究運用該計算方法，對研究區土地利用類型的內部轉移進行分析。

(4)

式中：S表示面積，n表示轉移前后的土地利用類型數，i表示轉移前土地利用類型、j表示轉移后的土地利用類型，是i地類轉換為j地類的面積，矩陣中的每一行元素代表j地類的轉移前各地類的轉移前各地類源信息。

1.3.4 主成分分析 主成分分析法是一種降維的統計方法[17]，是將若干個自變量“合并”為幾個獨立成分變量，來減弱自變量的互相干擾，但仍能反映原來變量大部分信息，是最基本的研究驅動力的多變量統計分析方法[18-19]。本研究使用此方法對影響土地利用變化的因素進行分析。

2 結果與分析

2.1 土地利用結構變化

定西市總面積為19 641 km2，草地、耕地和林地為主要地類，三者之和占比超過90%。草地約占研究區總面積的50%，2018年占比最高，達51.90%，水域和未利用土地面積最小。研究期內土地利用類型變化量由大到小的順序為耕地、草地、林地、建設用地、水域和未利用土地。草地總體呈先減少后增加的趨勢，由9 881.01 km2減少至9 820.18 km2，又增加至10 193.65 km2，2000年后持續增加，總體增加量為312.64 km2；耕地變化量最大，先減少后增加，2000年占比最高，在2000年之后呈持續減少趨勢，2018年降至最低，總體減小了679.25 km2；林地面積在研究期間處于波動狀態，在2000-2010年變化最大，總體呈增加趨勢；水域面積由研究初期的91.62 km2變化為末期的99.68 km2，只有輕微變化，增加了8.06 km2；建設用地占研究區的比例由1.43%增加至2.19%，處于持續增加狀態，增加了149.78 km2；未利用土地面積幾乎無變化，僅僅減少了1.61 km2(圖1)。

圖1 土地利用現狀

表1 1980-2018年定西市土地利用結構

2.2 土地利用動態變化特征

2.2.1 單一土地利用動態度 1980-2018年，林地、草地、水域和建設用地總體面積均增加，草地面積增加最大，為312.64 km2，單一土地利用動態度分別為0.26%、0.08%、0.21%和0.91%，其中，建設用地單一土地利用動態度最大，總體變化程度最劇烈；耕地和未利用土地的面積均減少，單一土地利用動態度為-0.27%和-0.05%。耕地面積減幅最大，為679.25 km2。建設用地在2000-2010年的單一土地利用動態度最大，為2.20%，水域在2010-2018年單一土地利用動態度最大，為2.20%(表2)。隨著社會經濟的發展，各土地利用類型之間變化明顯，人們生活水平發展穩定，隨著對住房、基礎設施等需求的不斷增加，建設用地的面積呈增加趨勢。而隨著建設用地的增加以及1999年甘肅省退耕還林工程的實施，林地草地面積增加，耕地面積減少。與此同時，由于人們對飲水的需要，水域呈現出增長趨勢。

表2 1980-2018年定西市單一土地利用動態度

2.2.2 土地利用程度 5期土地利用程度綜合指數分別為239.9、239.88、240.28、238.48、237.96，以2000-2010年的土地利用程度最高。根據公式可知，土地利用綜合指數為100～400，本研究土地利用綜合指數為230～240，可見研究期內土地利用綜合指數一直處于中低等水平，這是由于研究區草地面積占比最大，人為利用程度低(表3)。

1980-1990、1990-2000、2000-2010、2010-2018年，及研究期的土地利用程度綜合指數變化量ΔLb-a分別為-0.04、0.42、-1.84、-0.47、-1.93。定西市僅在1990-2000年土地利用程度變化量為正值，表示此期間土地利用處在上升發展期，朝著適合人類發展的方向變革(表3)。而在其余研究階段變化量均為負值，定西市發展相對緩慢，出現了滯后的現象，也能夠側面說明對定西市的草地資源保護較好。

表3 土地利用程度綜合指數

表4 土地利用程度綜合指數變化

2.2.3 土地利用轉移矩陣 根據轉移矩陣模型計算，并且借助Envi5.3軟件統計功能，得出1980-2000、2000-2018年的土地利用轉移矩陣(表5)。

表5 1980-2000年定西市土地利用類型轉移矩陣

1980-2000年，耕地、林地、建設用地面積增加，草地、水域、未利用土地面積減少。耕地向林地、草地、水域、建設用地轉移面積分別為7.75、24.81、2.38、19.47 km2，耕地轉出面積為54.41 km2，小于轉入面積，轉化為耕地中面積最大的是草地，67.86 km2；林地轉化為耕地和草地的面積分別為5.63和11.38 km2，轉入林地的耕地和草地面積為7.75和29.96 km2，林地面積總體增加；草地轉化為其他地類的面積共為98.74 km2，其他地類轉為草地的面積共為37.91 km2，其中草地轉為耕地和林地最多；水域面積減小了11.24 km2，主要轉為耕地，面積為11.67 km2；建設用地總體增加了21.35 km2，主要由耕地轉化而來；未利用土地面積幾乎沒有變化，轉化為耕地和草地的面積分別為0.40和0.78 km2。

2000-2018年，林地、草地、水域、建設用地面積增加，耕地和未利用土地面積減少(表6)。耕地向林地、草地、水域、建設用地、未利用土地轉移面積分別為250.26、1 461.48、26.89、180.18和19.11 km2，轉出面積明顯大于轉入面積，其他地類向耕地轉化面積分別為81.66、1 038.53、16、75.51和15.77 km2，耕地與草地之間互相轉化最為頻繁；林地主要轉化為草地261.66 km2，占總轉出面積的74.7%，其次為耕地81.66 km2，轉入林地的耕地和草地面積分別為250.26和282.34 km2；草地轉化為其他地類的面積共為1 393.3 km2，其他地類轉為草地的面積共為1 766.76 km2，轉入面積明顯大于轉出面積，因此總體面積增加顯著；水域轉為耕地面積最多，為16.00 km2，其次為草地，面積為9.16 km2，其他地類轉化為水域的總面積為49.72 km2；建設用地總體增加了128.43 km2，主要由耕地和草地轉化而來，分別為180.18和45.85 km2；未利用土地面積略微減小，由耕地和草地轉化而來，主要轉為耕地、草地和水域。

表6 2000-2018年定西市土地利用類型轉移矩陣

2.3 土地利用變化驅動力分析

根據驅動因子的選取原則，結合統計年鑒及相關資料，選取人口、經濟、農業等14個相關因子數據進行分析，分別是：X1-總人口(人)，X2-農村人口(人)，X3-人均生產總值(元)，X4-生產總值(萬元)，X5-糧食總產量(噸)，X6-化肥施用折純量(噸)，X7-農作物總播種面積(萬畝)，X8-水果產量(t)，X9-農業機械總動力(KW)，X10-農村居民人均純收入(元)，X11-財政收入(萬元)，X12-大牲畜存欄(萬頭)，X13-固定資產投資額(萬元)，X14-社會消費品零售總額(萬元)(表7)。

表7 定西市1980-2018年土地利用驅動力因子

使用SPSS25.0統計軟件，對數據進行標準化處理后，運用主成分分析法通過驅動因子計算出特征值、貢獻率和累計貢獻率(表8)，確定旋轉后驅動因子的主成分載荷(表9)。各變量之間存在比較顯著的相關關系，適合作為驅動因子開展分析。

表8 總方差解釋

按照特征值>1的標準，提取3個主成分，累計貢獻率達到98.933%，各因子的貢獻率分別是79.063%、11.897%和7.973%，可以較好地反映原始數據的特征。

旋轉后的因子載荷表中，第一主成分與人均生產總值、生產總值、糧食總產量、化肥施用折純量、水果產量、農業機械總動力、農村居民人均純收入、財政收入、固定資產投資額和社會消費品零售總額載荷因子均在0.8以上，有較大的正相關。這些變量可以反映出定西市的農業技術、經濟發展水平以及人民生產生活水平。人民生活水平的提高，地方財政的收入以及固定資產投資的增加會相應地增加資源需求量，調整產業結構，會使農業效益增加，經濟快速穩步發展，從而影響土地利用方式?？梢娙嗣裆詈娃r業及經濟發展水平是定西市土地利用變化的主要驅動力(表9)。

表9 旋轉后的因子載荷

第二主成分與總人口數有較大的正相關，載荷因子大于0.9。定西市總人口1980年2 688 811人，到2018年增加至2 821 700人。人口大幅增加對于住房、公共設施、交通等方面的需求會日益增長，從而導致建設用地增加，耕地減少，也會增加土地利用程度，使得土地利用方式進一步發生改變。

第三主成分則與年末大牲畜存欄數正相關較大，載荷因子大于0.9。牲畜數量由1980年的36.6萬頭增加為2018年的39.1萬頭，但草地面積在研究期內卻由9 881.01 km2增加至10 193.65 km2，并未減少，可以反映出定西市人民并未過度放牧使得草地退化，也是由于1999年之后甘肅開始實施退耕還林政策，對于林草地很好地進行了保護。

根據Kaiser標準化特征，采用正交旋轉法，計算關于因子得分的矩陣系數，進一步計算出公共因子相應的分數值，最終得到土地利用變化影響因素的綜合得分。在1980-2018年間，影響定西市土地利用結構變化的驅動力綜合得分由緩慢上升到快速上升的發展趨勢，驅動力在總體上呈現逐漸增強的趨勢(圖2)。

3 討論

本研究從土地利用結構變化、土地利用單一動態度、土地利用程度、土地利用轉移狀況4個方面分析了定西市土地利用變化的特征。隨著工業化、城鎮化的興起，建設用地面積大幅增加，其余各土地利用類型的面積呈現出波動變化；5期建設用地單一動態度均為正值，進一步驗證建設用地面積持續增加的結論；土地利用類型轉移方面，建設用地的擴張主要是以犧牲部分耕地、草地和水域為代價，林草地面積逐年增加，主要由耕地面積轉化而來。定西市土地利用變化的驅動力主要是人民生活水平、農業發展水平、人口量、年末大牲畜存欄數，1999年甘肅省退耕還林政策率先試點，也對其土地利用變化有著巨大的影響。本研究區驅動力綜合得分低于婁底市[20]和延安市[21]，各方面較其他區域落后。

本研究僅選用了定西市整體作為研究區域，并未詳細討論每個縣，對于研究區的選取今后需更細致；分析驅動力方法的創新性在今后的研究中需加強。

4 結論

本研究基于定西市5期遙感影像，利用ArcGIS10.2、ENVI5.3對土地利用變化情況進行分析并采用SPSS25.0對驅動因素進行了探究，得到如下結論：

1)研究期內定西市土地利用類型以草地為主，占比約50%，面積總體呈增加趨勢。建設用地的單一土地利用動態度最大，變化程度最劇烈。同一種土地利用類型在不同時間段內單一土地利用動態度變化明顯，不同的土地利用類型在同一時間段內也存在明顯的差異。

2)研究期內定西市土地利用綜合指數為230～240，一直處于中低等水平，人為利用程度低。土地利用綜合指數變化量僅在1990-2000年為正值，處在上升發展期，其余階段發展較滯后。

3)定西市1980-2000年，由于土地開發利用的不合理，耕地、林地和建設用地的增加是以犧牲草地、水域為代價；2000-2018年，隨著城市化發展和退耕還林政策的實施，定西市林地、草地和建設用地面積大幅增加，主要由耕地轉化而來，因此耕地面積大幅減少。

4)定西市土地利用變化主要驅動因素以人民生活、農業和經濟發展水平為主，人口增加和年末大牲畜存欄數，以及政府政策的實施調控，也對土地利用變化有一定影響。