河北省土地利用類型動態變化及驅動機制研究

烏日娜， 王 妍， 張興東， 李雪銘， 王國力

(遼寧師范大學 地理科學學院，遼寧 大連 116029)

土地也是人類生產和發展的物質基礎，對人類具有極其重要的意義[1].土地利用變化是多種因素相互作用的結果，自然因素和社會環境因素的疊加影響推動了土地利用變化的進程[2].土地利用變化不僅影響著生態系統的服務與功能、全球氣候變化和物種多樣性等自然環境的變化，還影響著區域資源和社會經濟的可持續發展.隨著經濟社會的快速發展，土地利用變化隨之加劇，對土地利用變化時空特征以及其影響因素的分析成為當前地理學科研究的熱點問題[3].土地利用變化驅動力是指引發土地利用時空特征發生改變的因素，主要分為社會經濟因素和自然因素兩大方面[4].目前大多采用地理探測器[4]、層次分析法[5]、冗余分析法[6]、數理統計法[7]和地理加權回歸[8]等方法對土地利用變化機制進行研究，通過對土地利用變化時空特征的分析和驅動機制的探討，不僅有利于揭示土地利用時空演變的規律，而且有利于提高土地資源利用效率.

河北省地處華北，環繞京津地區，全省兼具高原、山地、丘陵、平原、濱海和湖泊，并且隨著社會經濟快速發展，城市化和工業化快速擴張，土地利用/覆被變化加劇，因此本文基于河北省4期土地利用數據，對河北省1990—2018年土地利用時空特征變化進行分析，并基于地理探測器對河北省土地利用結構變化驅動機制進行研究，以期為河北省社會經濟可持續發展提供理論指導.

1 研究區域和數據來源

1.1 研究區域概況

河北省地處華北平原，西靠太行山，東臨渤海灣，環抱首都和天津，省域面積達18.75×104km2，人口約7 591.97萬人(2019年).地貌類型復雜多樣，地勢西北高、東南低，并且自西北向東南傾斜.氣候以溫帶大陸性季風氣候為主，雨熱同期，降水季節差異較大，主要集中在夏季，全省年平均降雨量為350～800 mm；氣溫在空間上差異顯著，由東南到西北氣溫逐漸降低，全省年平均氣溫為-0.3～14.0 ℃.

1.2 數據來源

河北省土地利用數據主要來自中國科學院資源環境科學數據中心(https:∥www.resdc.cn/)，所提供的1990年、2000年、2010年和2018年共4期土地利用數據，空間分辨率為30 m，并通過ArcGIS將河北省土地利用重分類為6類，分別是耕地、林地、草地、水域、城鄉建設用地和未利用土地.河北省氣溫和降水數據主要來自中國氣象數據網(http:∥data.cma.cn/)，時間尺度為1960—2018年.河北省的DEM數據來源于地理空間數據云(http:∥www.gscloud.cn/)，空間分辨率為30 m.其他社會經濟數據來源于河北省各市縣統計年鑒.

2 研究方法

2.1 土地利用轉移矩陣

土地利用轉移矩陣主要用以對各土地類型之間的轉移趨勢進行分析，可以對各土地類型之間的轉換情況進行定量描述，其數學形式如下[9]：

(1)

其中，S代表面積；n代表土地利用的類型數,i、j分別代表研究期初與研究期末的土地利用類型,Sij表示轉移前的i地類轉換為j地類的面積.

2.2 土地利用動態度

土地利用動態度是指在研究時間段內土地利用類型的數量變化情況，是對區域之間土地利用變化時空差異的反映，主要分為單一土地利用動態度和綜合土地利用動態度[10].

2.3 地理探測器

地理探測器是探測空間差異性，以及揭示形成空間差異驅動力的一組統計學方法[11]，主要分為因子探測、交互作用探測、風險區探測和生態探測4種探測.本文主要基于空間分異及因子探測和交互作用探測來對河北省土地利用變化各驅動力因素進行研究探討.其中因子探測主要用來衡量各驅動力因素對河北省土地利用變化影響程度的高低，用q值度量.交互作用探測主要用來識別不同自變量因素之間的相互作用是否對因變量產生疊加影響，見表1.q值計算公式如下：

表1 交互作用的類型

(2)

2.4 土地利用程度綜合指數

不同程度的人類生產活動產生不同的土地類型，基于土地利用程度綜合指數可對不同區域的土地利用程度進行評價[12].土地利用程度綜合指數[13]公式如下：

(3)

其中，La為土地利用程度綜合指數，且La∈[100,400],Ai為第i級土地利用程度的分級指數,Ci為第i級土地利用程度的分級面積百分比,n表示土地利用程度級數.

3 結果與分析

3.1 河北省土地利用類型結構變化分析

由表2可知，河北省土地利用類型主要為耕地、林地和草地，面積分別為33 309.47、95 095.60和37 194.11 km2，其所占總面積的比例高達88.04%；其次為城鄉建設用地，其面積為16 426.08 km2；未利用土地和水域所占比例最小，面積分別為1 691.39和4 387.90 km2，其占土地利用總面積比例極低，僅為3.23%.由表3可知，河北省土地利用在2000—2010年間變化最明顯，土地變化面積為11 941.75 km2；其次為2010—2018年，土地變化面積為6 975.02 km2；在1990—2000年土地利用變化相對較小，土地變化面積為4 742.78 km2.此外，草地和耕地面積一直呈減少趨勢，自1990—2010年草地和耕地面積分別減少了1 648.99和8 915.85 km2；城鄉建設用地和林地面積均呈增加態勢，自1990—2010年城鄉建設用地和林地面積分別增加了9 664.95和1 170.88 km2；雖然水域面積在1990—2010年間減少了196.24 km2，但在2010—2018年間有所增加，其面積增加了1 144.24 km2；1990—2018年間城鄉建設用地和耕地變化幅度最大，分別變化了了9 664.97和8 915.86 km2.

表2 1990—2018年河北省各土地利用類型面積及其百分比

表3 1990—2018年河北省各土地利用類型面積變化

3.2 河北省土地利用動態度分析

由表4可知，1990—2018年間，河北省草地和耕地范圍逐漸縮小，表現為負動態度；城鄉建設用地面積有所增加，表現為正動態度；水域和未利用土地變化趨勢大體一致，其土地利用面積在1990—2010年間呈現出下降趨勢，但在2010—2018年土地面積均有所增加，其土地利用動態度先負后正；林地僅在1990—2000年間土地面積有所減少，但減少面積較少，其動態度僅為-0.01.從時間角度來看，自1990—2018年河北省綜合土地利用動態度呈現出先增加后降低的變化趨勢，其中綜合土地利用動態度在2000—2010年達到最高，為0.32%；隨后在2010—2018年間綜合土地利用動態度雖然有所降低，但還是要高于1990—2000年綜合土地利用動態度.從各土地類型角度來看，城鄉建設用地2000—2010年動態度最高，為4.09%，面積增加了5 633.74 km2；未利用土地在2000—2010年動態度較高，為3.58%，面積減少了714.21 km2.

表4 1990—2018年河北省各土地利用類型面積變化及動態度

3.3 河北省土地利用類型轉移矩陣分析

本文以河北省土地利用數據為基礎，通過ArcGIS的疊加分析工具對河北省1990—2018年土地利用類型轉移趨勢和轉移動態進行分析，結果如表5所示.

由表5可知，1990—2000年河北省土地各類型之間的轉換集中在草地、耕地和城鄉建設用地之間，其中草地主要轉為耕地與城鄉建設用地；城鄉建設用地、林地和水域等土地類型轉出較少，而轉入相對較多；未利用土地雖然面積較小，但也存在一定的轉換，其轉換趨勢主要為向耕地與城鄉建設用地轉換，其轉出面積所占總轉出的比例分別為63.89%和31.02%.

由表5可知，2000—2010年河北省各土地利用類型之間的轉換集中分布在林地、耕地和城鄉建設用地之間.其中，草地轉出面積多流入耕地與林地之中；城鄉建設用地的面積轉出多流入到耕地之中，其轉入耕地的比例高達76.35%，面積為2 193.88 km2；城鄉建設用地的面積轉入多來自耕地，其轉入面積為6 927.78 km2，轉換比例為76.86%；水域面積轉出較少，且多轉入為耕地與城鄉建設用地；未利用土地主要轉換為耕地與草地.

由表5可知，2010—2018年河北省各土地利用類型轉換情況與河北省2000—2010年土地轉換情況大體保持一致.其中，城鄉建設用地多向耕地與水域進行轉換，其轉換比例占總轉出面積的86.21%；耕地轉換情況較為復雜，各個土地類型均有所轉入，但主要轉為城鄉建設用地、草地和林地，這與社會經濟發展和政府制定的退耕還林還草政策息息相關，其中社會經濟的發展推動了耕地向城鄉建設用地的轉入，政府制定的退耕還林還草等生態環境保護政策推動了耕地向林地和草地的轉換.

由表5可知，1990—2018年河北省草地的轉出面積多流入林地與耕地；城鄉建設用地與耕地之間存在著互相轉換的狀況，并且轉出面即均較高；林地的轉出面積主要流入草地與耕地；水域雖然所占比例較小，但也存在一定的轉換情況，主要轉換為耕地，面積達到689.17 km2，這主要是由于大量的圍湖造田造成的；未利用土地主要轉換為草地和耕地，一方面是出于社會經濟可持續發展的角度，另一方面則是社會經濟快速發展而帶來的壓力.

表5 1990—2018年河北省土地利用類型轉移矩陣

3.4 河北省土地利用類型程度分析

本文基于公式3，以區縣為基本單元，對河北省各地區的土地利用程度綜合指數進行計算.由表6可知，1990—2018年，隨著社會經濟的發展，城鎮化水平的提高，河北省土地利用程度綜合指數呈現出逐漸增高的趨勢，這表明河北省土地利用持續處于上升發展期.此外，河北省各地區土地利用程度綜合指數在空間上也存在一定的差異，其東部和南部的邯鄲、邢臺、石家莊、衡水、保定、廊坊和秦皇島等地土地利用程度綜合指數較高，土地開發利用較為成熟；河北省的東北部和中部偏西地區的承德、張家口和保定西北部等地土地利用程度綜合指數較低，土地開發利用程度有待進一步提高.

表6 1990—2018年河北省各地級市土地利用程度指數

3.5 河北省土地利用驅動機制分析

3.5.1 指標選取

土地利用變化是一個動態的過程，是自然、社會和生態等因素疊加作用的結果，其變化的驅動因素主要包括自然因素和社會經濟因素[14-15].本文從自然環境和社會經濟兩個方面考慮，選取了全市生產總值(X1)、第二產業產值(X2)、年末總人口(X3)、人口密度(X4)、第一產業產值(X5)、高程(X6)、降水(X7)、坡度(X8)、氣溫(X9)等11個驅動因子，利用GIS空間分析技術，對其進行可視化分析，并通過自然間斷法進行分類.此外，借助ArcGIS對河北省進行格網化處理，將格網大小設置為5 km×5 km，然后對每個網格中心進行采樣，共12 520個采樣點.最后，根據采樣點對自然和社會經濟柵格要素進行采樣提取，同時導入地理探測器模型中進行運行處理.

3.5.2 因子探測

因子探測結果主要反映各因子對土地利用變化影響程度的高低，河北省2000年、2010年和2018年因子探測結果如圖1所示.由圖1可知，2000年各因子對河北省土地利用變化影響程度的高低由大到小排序為：第二產業產值>第一產業產值>GDP>高程>年末總人口>人口密度>氣溫>坡度>降水；其中，第二產業產值、第一產業產值、GDP和年末總人口的q值較大，影響程度均在50%以上，分別達到0.671、0.637、0.630、0.519和0.503；氣溫、坡度和降水的q值較小，分別為0.355、0.286和0.268.2010年各因子對河北省土地利用變化影響程度的高低由大到小排序為：GDP>第一產業產值>年末總人口>第二產業產值>高程>人口密度>氣溫>坡度>降水；其中，GDP、第一產業產值、年末總人口、第二產業產值和高程的q值較大，分別達到0.692、0.671、0.617、0.547和0.529；氣溫、坡度和降水的q值較小，分別為0.319、0.287 和0.228.2018年各因子對河北省土地利用變化影響程度的高低由大到小排序為：GDP>人口密度>年末總人口>高程>第二產業產值>氣溫>坡度>第一產業產值>降水；其中，GDP、人口密度、年末總人口和高程q值較大，分別為0.603、0.601、0.600、0.557，氣溫、坡度、第一產業產值和降水對土地利用變化影響較小，q值分別為0.326、0.290、0.255和0.243.首先，GDP、第二產業產值、第一產業產值、年末總人口、人口密度和高程q值較高，氣溫、坡度和降水q值較低，而GDP、第二產業產值、第一產業產值、年末總人口、人口密度主要反映河北省社會經濟發展情況，而氣溫、坡度和降水主要反映河北省的自然條件，這表明河北省土地利用類型變化主要受人為因素的影響，而受自然因素的制約較少；其次，隨著時間的推移，GDP、高程、年末總人口和人口密度對土地利用類型的影響程度逐漸上升，第二產業產值和第一產業產值對土地利用變化的解釋力逐漸下降，尤其是第一產業下降最為明顯.

圖1 2000年、2010年和2018年河北省土地利用類型因子探測結果

3.5.3 交互探測

交互作用探測主要是識別在不同驅動因子共同作用的情況下，對土地利用變化的影響程度是否會降低.2000年、2010年和2018年交互探測結果如圖2所示.由圖2可知，各年份交互探測結果均表現為非因子增強或雙線性增強作用，這表明各驅動因子之間的綜合作用會加大對土地變化的影響程度，也從側面論證了土地利用類型變化是一個復雜的過程，受多種因素的綜合影響.2000年高程與GDP、第二產業產值、年末總人口的交互作用較強，其解釋力分布為0.811、0.817和0.826；此外，降水和GDP、第二產業產值、第一產業產值之間交互作用也較強，解釋力分別為0.815、0.815和0.817；其次則為坡度和GDP、第二產業產值、年末總人口、第一產業產值、降水之間的交互作用，平均解釋力為0.769.2010年和2018年各驅動因子之間的交互作用結果基本一致，其中各驅動因子之間交互作用對土地變化的影響主要集中在高程、降水、GDP、年末總人口和降水之間.各年份交互探測結果也證明了人為因素和自然因素相結合加大了對土地利用類型變化的影響深度和廣度，例如高程與年末總人口之間的交互作用，2000年、2010年和2018年的解釋力為分別為0.826、0.811和0.733，其解釋力均較高.

圖2 2000、2010和2018年河北省土地利用類型交互作用探測結果

4 結 論

本文首先根據LUCC對1990年、2000年、2010年和2018年土地利用結構進行分類，然后在此基礎上對1990—2018年的河北省的土地利用結構、土地利用動態度、土地利用程度綜合指數和轉移特征進行分析，最后根據地理探測器對河北省土地利用變化的驅動因子進行探討，結論如下：

(1)河北省土地利用類型以耕地、林地和草地為主，其次為城鄉建設用地，未利用土地和水域所占面積較小；從時間變化來看，1990—2018年間，河北省耕地、草地和未利用土地面積有所減少，城鄉建設用地和林地面積有所增加.

(2)總體來看，1990—2018年間，草地和耕地面積減少，呈土地利用負動態度；城鄉建設用地面積增加，呈土地利用正動態度；林地、水域和未利用土地變化趨勢基本一致，均為先減少后增加，土地利用動態度先負后正.

(3)自1980—2018年，河北省各土地類型之間的轉換集中于在草地、耕地、林地和城鄉建設用地之間的相互轉換；城鄉建設用地和林地的轉入面積要高于轉出面積，表現為城鄉建設用地和林地面積的增長；耕地和草地轉出面積要高于其轉入面積，表現為草地和耕地面積的減少.

(4)從土地利用程度來看，河北省中部和南部土地利用程度較高，北部土地利用程度相對較低；并且自1990—2018年以來，河北省各地區土地利用程度均有所提高，但其東北部土地利用程度仍較低，土地開發利用程度有待進一步提高.

(5)在驅動力方面，通過地理探測分析可知，國民生產總值、第一產業產值、年末總人口、第二產業產值和人口密度等社會經濟因素對土地利用類型變化的解釋力較高，氣溫、降水和坡度等自然因素對土地利用類型變化的影響較低；此外，氣溫、降水、國民生產總值、第一產業生產總值和年末總人口等因子之間的交互作用較強，表明各驅動因子之間的綜合作用會加大對土地變化的影響程度，也從側面論證了土地利用類型變化是一個復雜的過程，受多種因素的綜合影響.