福州市主城區(qū)土地利用變化及其驅(qū)動力研究*

吳 磊 吳青杰 吳宛怡 許清梅 應(yīng)欣彤 陳燕紅

(福州大學(xué)至誠學(xué)院環(huán)境資源工程系，福州 350002)

近年來，由于城市化進程持續(xù)推進，城市人口密度也在逐年增大，自然生態(tài)環(huán)境和城市經(jīng)濟發(fā)展之間的矛盾與日俱增。2021年，我國城鎮(zhèn)人口數(shù)量高達(dá)9.14億，常住人口城鎮(zhèn)化率約為64.72%[1]，城市建設(shè)用地面積隨著發(fā)展需求而不斷擴張，導(dǎo)致林地、農(nóng)田等用地被不斷壓縮，并出現(xiàn)分布不均的情況。而林地、農(nóng)田等用地具有涵養(yǎng)水源、降低環(huán)境溫度等功能，其在協(xié)調(diào)社會經(jīng)濟發(fā)展和環(huán)境保護的過程中起到重要作用[2]。因此，如何進行土地有效利用成為近年來的研究熱點，但目前對土地利用類型變化及變化驅(qū)動力的研究主要集中于生態(tài)環(huán)境脆弱區(qū)[3]。因此，通過研究福州市土地利用變化及其驅(qū)動力可以彌補對我國東南沿海地區(qū)土地利用變化及其驅(qū)動力研究較少的不足。

近年來，由于城鎮(zhèn)化發(fā)展，福州市主城區(qū)開始實行戰(zhàn)略定位調(diào)整，不斷擴大建設(shè)用地規(guī)模，導(dǎo)致城市下墊面的用地類型布局發(fā)生變化。本研究運用灰色關(guān)聯(lián)度法和地理信息統(tǒng)計學(xué)等方法，根據(jù)福州市1993—2008年、2008—2020年和1993—2020年這三個時間段的遙感影像疊加結(jié)果，對福州市主城區(qū)下墊面用地類型變化情況進行研究，以期為相關(guān)部門的資源開發(fā)和土地分配以及優(yōu)化城市綠色空間的布局和制定合理的土地利用規(guī)劃提供決策依據(jù)。

1 研究區(qū)域概況與數(shù)據(jù)來源

1.1 研究區(qū)域概況

福州市簡稱“榕”，位于我國東南沿海，總面積為11968km2，2020年常住人口829.13萬人。主城區(qū)包括鼓樓區(qū)、臺江區(qū)、晉安區(qū)、倉山區(qū)，總面積約為257.80km2，用地類型主要有水體、林/草地、農(nóng)田、建設(shè)用地、濕地和裸地六類，其區(qū)位分布如圖1所示。福州市周圍群山環(huán)繞，地形以丘陵為主，背山面海，具有夏季高溫多雨，冬季寒冷濕潤的特點，是典型的亞熱帶季風(fēng)氣候，適宜種植榕樹、茉莉花等植物。作為濱江濱海生態(tài)園林城市，近年來福州市新建了298處城市公園，森林覆蓋率高達(dá)66.8%。良好的氣候使福州主城區(qū)中多種多樣的常青植物及花草灌木得以生長，為美化環(huán)境和綠化城市提供了良好條件。

圖1 福州市主城區(qū)區(qū)位圖

1.2 數(shù)據(jù)來源

本研究選取的1993年、2008年的Landsat TM影像數(shù)據(jù)和2020年Landsat OLI影像數(shù)據(jù)均來自地理空間數(shù)據(jù)云(http://www.gscloud.cn/search)，具體信息見表1。社會經(jīng)濟數(shù)據(jù)則主要來源于《福州統(tǒng)計年鑒2021》及歷年福州市國民經(jīng)濟和社會發(fā)展統(tǒng)計公報。

表1 遙感影像數(shù)據(jù)

2 研究方法

2.1 遙感影像分類

由于傳感器自身存在一定的誤差，且大氣對輻射的吸收和散射作用等影響，使地面接收到的輻射發(fā)生畸變。因此，在遙感影像分類之前本研究對數(shù)據(jù)進行了預(yù)處理，包括圖像配準(zhǔn)、幾何校正、大氣校正、投影變換和影像裁剪等。基于《土地利用現(xiàn)狀分類》，通過最大似然法，將研究區(qū)土地利用類型劃分為水體、林/草地、農(nóng)田、建設(shè)用地、濕地和裸地六小類，如圖2所示。

圖2 福州市主城區(qū)土地利用類型分布

2.2 單一土地利用變化動態(tài)度

單一土地利用變化動態(tài)度是指通過K值的大小體現(xiàn)某一時間段內(nèi)某一土地類型面積變化趨勢，并能夠同時體現(xiàn)在某一時間段內(nèi)土地利用情況的變化速度[4]，K值越大，土地利用情況的變化速度越快。其計算公式為：

(1)

式(1)中，K為單一土地利用變化動態(tài)度，Ua為某利用類型研究初期面積，Ub為某利用類型研究末期面積，T為研究周期。

2.3 綜合土地利用變化動態(tài)度

綜合土地利用變化動態(tài)度能夠通過LC值的大小來表示某一土地利用類型在研究期間變化速率的整體差異。其計算公式為：

(2)

式(2)中，LC為綜合土地利用變化動態(tài)度，LWi為第i類土地利用類型在研究初期的面積，ΔLWi-j為第i類土地利用類型在研究期內(nèi)轉(zhuǎn)為非i類其他土地類型的面積絕對值，T為研究周期。

2.4 土地利用轉(zhuǎn)移矩陣

土地利用轉(zhuǎn)移矩陣是對時間和空間數(shù)據(jù)結(jié)合并分析后所得出的結(jié)論進行定量描述。借助ArcGis軟件的疊加分析功能對土地利用數(shù)據(jù)進行兩兩對比轉(zhuǎn)化分析，可得到1993—2008年、2008—2020年和1993—2020年的土地利用/覆蓋轉(zhuǎn)移矩陣，這是從結(jié)構(gòu)與變化兩種角度對轉(zhuǎn)移矩陣進行分析，可以更好地表征土地利用的結(jié)構(gòu)特性與用地功能類型變化[5]。其表達(dá)式為：

(3)

2.5 灰色關(guān)聯(lián)度

灰色關(guān)聯(lián)度的計算方法如下[6]：

①確定母序列和子序列。分別把福州主城區(qū)1993—2020 年水體、林/草地、農(nóng)田、建設(shè)用地的面積作為母序列，把社會經(jīng)濟因子作為子序列。

母序列：

X0(t)=(X0(1),X0(2),…,X0(n))

(4)

子序列：

Xi(t)=(Xi(1),Xi(2),…,Xi(n))i=1,2,…，m

(5)

②用均值法對原始數(shù)據(jù)進行無量綱化處理。

(6)

式(6)中，i=0,1,…,m；k=1,2,…,n。

③計算關(guān)聯(lián)系數(shù)r0i(k)。

(7)

式(7)中，Δmin 為子序列各個時刻絕對差值中的最小值，Δmax為子序列各個時刻絕對差值中的最大值，ρ為分辨系數(shù)，通常ρ取=0.5，Δ0i(k)為k時刻母序列和各子序列的絕對差值。

(8)

④計算關(guān)聯(lián)度ri，ri越接近1，說明相關(guān)性越大。

(9)

3 結(jié)果與分析

3.1 土地利用現(xiàn)狀

通過分析2020年福州市主城區(qū)土地利用類型分布數(shù)據(jù)發(fā)現(xiàn)，絕大部分用地類型都是建設(shè)用地，并且廣泛分布于整個主城區(qū)，其余土地利用類型面積在空間上的整體分布差異性顯著，見表2。建設(shè)用地約占主城區(qū)總面積的75.68%，大多數(shù)分布于交通便利和地勢較為平坦的區(qū)域。農(nóng)田和林/草地分別占6.02%和8.25%，呈點狀零散分布于城門鎮(zhèn)和五鳳街道等地區(qū)，破碎度較大。水體約占9.30%，主要以閩江途經(jīng)的流域為主。濕地占比0.69%，主要分布于城門鎮(zhèn)。裸土僅占0.06%，主要是未完成建設(shè)用地。

通過對1993—2020年的土地利用數(shù)據(jù)進行分析可知，建設(shè)用地增長迅速，在研究期間共增長95.71km2，同時也是唯一呈增長趨勢的土地類型，其他的土地類型均呈不同程度的減少趨勢，按減少面積依次排序為農(nóng)田、水體、林/草地、濕地、裸土，分別減少了74.95km2、12.33km2、5.30km2、2.01km2、1.11km2。可見，城市化發(fā)展必然引起建設(shè)用地的需求快速增長，從而導(dǎo)致其余各土地利用類型面積大量減少。在研究期間，福州市主城區(qū)土地利用結(jié)構(gòu)從多元化利用類型轉(zhuǎn)變成以建設(shè)用地為主的較單一的土地利用類型。

3.2 土地利用動態(tài)變化

通過對福州市主城區(qū)1993—2008年、2008—2020年和1993—2020年不同用地類型的動態(tài)變化進行分析，可以發(fā)現(xiàn)福州市土地利用類型的動態(tài)度差異明顯，見表3。1993—2008年，建設(shè)用地增速最快，其動態(tài)變化度為2.65，共計增加65.58km2，其余類型動態(tài)度排序為裸土(-0.71)、林/草地(-0.75)、濕地(-2.20)、水體(-2.82)、農(nóng)田(-8.63)；2008—2020年，建設(shè)用地增速依舊最快，其動態(tài)變化度為1.29，共計增加30.13km2，其余類型動態(tài)度依次排序為水體(-0.54)、林/草地(-1.02)、濕地(-5.00)、農(nóng)田(-12.85)、裸土(-49.91)；從1993—2020年整體上看，建設(shè)用地增速最快，共計增加95.71km2，農(nóng)田減少面積最多，共計減少74.95km2。

表3 福州市主城區(qū)1993—2020年土地利用變化面積及動態(tài)度

綜上所述，在所有的土地利用類型中唯有建設(shè)用地的面積呈現(xiàn)出增長的趨勢，結(jié)合研究區(qū)城市化的大背景下可推出其產(chǎn)生原因是人口的快速增長而導(dǎo)致的城市用地欲求量大，最終導(dǎo)致其余土地利用類型面積的減少。

3.3 土地利用轉(zhuǎn)型分析

利用ArcGIS兩兩疊加福州主城區(qū)1993年、2008年和2020年的遙感影像，可得到福州市主城區(qū)1993—2008年、2008—2020年和1993—2020年三個研究時段的土地利用轉(zhuǎn)移矩陣，詳見表4～表6。分析數(shù)據(jù)可知，①1993—2008年，僅建設(shè)用地呈現(xiàn)增長趨勢，其他土地類型面積均減少。從利用面積減少方向分析，農(nóng)田面積減少最多，減少了51.03km2，其主要轉(zhuǎn)化為建設(shè)用地，轉(zhuǎn)化面積分別為53.87km2；水體減少10.79km2，主要轉(zhuǎn)化為建設(shè)用地﹐轉(zhuǎn)化面積為9.88km2。從土地類型增加方向分析，建設(shè)用地面積增加明顯。建設(shè)用地的面積增加了65.58km2，主要來自于農(nóng)田的轉(zhuǎn)化，高達(dá)51.03km2。②2008—2020年和1993—2008年的土地利用類型變化趨勢基本相同，僅有建設(shè)用地呈現(xiàn)出增長趨勢，但其增長趨勢有所下降，其他土地類型面積均減少。從利用面積減少方向分析，農(nóng)田和水體面積減少較明顯，其中農(nóng)田面積減少速度最快且面積最多，減少23.91km2，其主要轉(zhuǎn)化為建設(shè)用地，轉(zhuǎn)化面積分別為28.98km2；水體減少2.61km2，主要轉(zhuǎn)化為建設(shè)用地,轉(zhuǎn)化面積為5.77km2。建設(shè)用地凈增加面積達(dá)35.13km2，主要來自農(nóng)田。③1993—2020年，主城區(qū)的建設(shè)用地呈現(xiàn)出快速上升的趨勢。從利用面積減少方向分析，農(nóng)田面積減少是最多的，導(dǎo)致其在2020年僅剩下15.51km2，有72.35km2轉(zhuǎn)化為建設(shè)用地；水體面積減少較多，共減少12.33km2，主要也是轉(zhuǎn)化為建設(shè)用地。從利用面積增加方向分析，建設(shè)用地依舊保持著增長的趨勢，主要源自于農(nóng)田的轉(zhuǎn)化面積。

表4 福州市主城區(qū)1993—2008年土地利用轉(zhuǎn)移矩陣 單位：km2

表5 福州市主城區(qū)2008—2020年土地利用轉(zhuǎn)移矩陣 單位：km2

表6 福州市主城區(qū)1993—2020年土地利用轉(zhuǎn)移矩陣 單位：km2

綜上所述，由于福州市主城區(qū)是人口高度聚集的地區(qū)且處于社會經(jīng)濟快速發(fā)展的時期，人口數(shù)量急劇增加，住宿和生活設(shè)施需求巨大，因此三個時期的土地利用類型變化都明顯地表現(xiàn)出建設(shè)用地面積大幅上漲。其面積轉(zhuǎn)化主要來自于農(nóng)田，導(dǎo)致農(nóng)田的面積持續(xù)大幅度縮水。

4 驅(qū)動力分析

為評估社會發(fā)展與土地利用變化的關(guān)系，本研究結(jié)合灰色關(guān)聯(lián)度法從社會經(jīng)濟發(fā)展、人口變化、政策變化等方面分析福州主城區(qū)土地利用變化的驅(qū)動力因子。

4.1 經(jīng)濟因素

據(jù)統(tǒng)計，1978—2020年福州市生產(chǎn)總值和人均生產(chǎn)總值均在逐年遞增[7]。其中，2005—2010年的生產(chǎn)總值和人均生產(chǎn)總值增長速度最快，生產(chǎn)總值從1426.56億元增加到3242.65億元，人均生產(chǎn)總值從21517元上升到46373元。在產(chǎn)業(yè)結(jié)構(gòu)上，第一產(chǎn)業(yè)的占比逐漸減小，第二產(chǎn)業(yè)的發(fā)展?jié)摿^小，而第三產(chǎn)業(yè)的發(fā)展?jié)摿ο鄬^大，越來越受到人們的關(guān)注。在2000—2020年，第一產(chǎn)業(yè)的占比從15.42%下降到5.60%，第二產(chǎn)業(yè)比例變化相對較小，第三產(chǎn)業(yè)比例則從41.34%上升到56.07%。可見，第三產(chǎn)業(yè)所占比重愈來愈高。在各種土地利用類型中，受經(jīng)濟因素影響最為顯著的是建設(shè)用地及耕地[8]。通過對建設(shè)用地集約利用水平與經(jīng)濟發(fā)展水平間的動態(tài)模擬，同樣發(fā)現(xiàn)二者具有緊密的關(guān)系[9]。這說明，經(jīng)濟發(fā)展或倒退會使得土地利用類型在數(shù)量上發(fā)生一定的變化，還會使土地利用類型在結(jié)構(gòu)上發(fā)生一定的變化[10]。

4.2 人口因素

實現(xiàn)可持續(xù)發(fā)展戰(zhàn)略的前提是人口與資源環(huán)境協(xié)調(diào)發(fā)展。福州市2020年常住人口為832.13萬人，城鎮(zhèn)化率為72.5%。人口的增長引起能源和資源等需求量的改變，這種情況是各類能源及資源需求增加的原因之一，從而改變土地利用類型、土地利用結(jié)構(gòu)及土地利用程度。同時，人口增長會促進城鎮(zhèn)化、商業(yè)化和市場化，帶動經(jīng)濟的增長與房地產(chǎn)業(yè)的快速發(fā)展。

4.3 政策因素

自改革開放以來，我國計劃經(jīng)濟體制轉(zhuǎn)向市場經(jīng)濟體制的實踐逐步實行，土地也進入市場調(diào)配的機制。因此，國家制定的相關(guān)政策引起耕地由收益低的土地利用類型向收益高的土地利用類型轉(zhuǎn)換。另外，圍繞可持續(xù)發(fā)展戰(zhàn)略，我國通過相關(guān)保護性法律法規(guī)保證耕地不過度轉(zhuǎn)換。自實行可持續(xù)發(fā)展和生態(tài)文明建設(shè)以來，福州市耕地保護的實施力度也隨之加大。2021年，為進一步落實最嚴(yán)格的耕地保護工作，堅決維護耕地保護紅線和糧食安全底線，福州市結(jié)合自身實際，制定共同責(zé)任制。

4.4 灰色關(guān)聯(lián)度分析

結(jié)合福州主城區(qū)土地變化特征、統(tǒng)計年鑒及經(jīng)濟年鑒，選取8 個指標(biāo)作為分析因子，分別為：地區(qū)生產(chǎn)總值、第一產(chǎn)業(yè)生產(chǎn)總值、第二產(chǎn)生產(chǎn)總值、第三產(chǎn)業(yè)生產(chǎn)總值、常住人口數(shù)、城鎮(zhèn)單位年末從業(yè)人員數(shù)、社會消費品零售總額、一般公共預(yù)算總收入。分別將1993年、2008年和2020年水體面積作為母序列，將8個社會經(jīng)濟因子作為子序列，對數(shù)據(jù)進行無量綱化處理后，分別計算母序列和子序列對應(yīng)因子之間的關(guān)聯(lián)度，再采取同樣的方法計算林/草地、農(nóng)田、建設(shè)用地與社會經(jīng)濟數(shù)據(jù)之間的關(guān)聯(lián)度，詳見表7。

表7 各土地利用類型與驅(qū)動因子的關(guān)聯(lián)度

1993—2020年，水體與驅(qū)動因子的關(guān)聯(lián)度從大到小排序依次為第一產(chǎn)業(yè)生產(chǎn)總值、城鎮(zhèn)單位年末從業(yè)人員數(shù)、常住人口數(shù)、第二產(chǎn)業(yè)生產(chǎn)總值、一般公共預(yù)算總收入、社會消費品零售總額、地區(qū)生產(chǎn)總值、第三產(chǎn)業(yè)生產(chǎn)總值。其中，第一產(chǎn)業(yè)生產(chǎn)總值和城鎮(zhèn)單位年末從業(yè)人員數(shù)的關(guān)聯(lián)度分別為0.763和0.724，第三產(chǎn)業(yè)生產(chǎn)總值的關(guān)聯(lián)度為0.501。由此可見，第一產(chǎn)業(yè)生產(chǎn)總值和城鎮(zhèn)單位年末從業(yè)人員數(shù)是影響農(nóng)用地面積最為顯著的因子，而第三產(chǎn)業(yè)生產(chǎn)總值對其影響較小。

與林/草地面積變化關(guān)聯(lián)度最高的三個因子分別為城鎮(zhèn)單位年末從業(yè)人員數(shù)、第一產(chǎn)業(yè)生產(chǎn)總值、常住人口數(shù)。關(guān)聯(lián)度最小的因子為第三產(chǎn)業(yè)生產(chǎn)總值，關(guān)聯(lián)度為0.472。因此，城鎮(zhèn)單位年末從業(yè)人員數(shù)、第一產(chǎn)業(yè)生產(chǎn)總值、常住人口數(shù)是影響林/草地面積變化最明顯的因子。

與農(nóng)田面積大小變化關(guān)聯(lián)度最高的因子為第一產(chǎn)業(yè)生產(chǎn)總值，關(guān)聯(lián)度為0.685，其對農(nóng)田面積變化影響最大。城鎮(zhèn)單位年末從業(yè)人員數(shù)、常住人口數(shù)、第一產(chǎn)業(yè)生產(chǎn)總值的關(guān)聯(lián)度均大于0.6；而第三產(chǎn)業(yè)生產(chǎn)總值的關(guān)聯(lián)度為0.504，其對農(nóng)田面積變化影響較小。

與建設(shè)用地面積變化關(guān)聯(lián)度最高的三個因子為城鎮(zhèn)單位年末從業(yè)人員數(shù)、第一產(chǎn)業(yè)生產(chǎn)總值、常住人口數(shù)，關(guān)聯(lián)度均大于0.7；最低的因子為第三產(chǎn)業(yè)生產(chǎn)總值，關(guān)聯(lián)度為0.450。可見，隨著人口和經(jīng)濟的增長，居住用地和公共設(shè)施的需求逐漸增加，從而使建設(shè)用地的面積不斷增加。

5 結(jié)論

①1993—2020年福州主城區(qū)建設(shè)用地面積增長迅速，除建設(shè)用地外的其余土地利用類型均有所下降，其中農(nóng)田下降幅度最大。1993—2008年建設(shè)用地面積增長65.58km2，動態(tài)度為2.65，農(nóng)田面積減少51.03km2，動態(tài)度為-8.63。2008—2020年建設(shè)用地面積增長23.91km2，動態(tài)度為1.29，農(nóng)田面積減少30.13km2，動態(tài)度為-12.85。

②通過分析，確定經(jīng)濟、人口、政策為驅(qū)動土地利用變化的主要因子。由灰色關(guān)聯(lián)度分析法可得，與福州主城區(qū)水體面積變化關(guān)聯(lián)度最高的三個因子為第一產(chǎn)業(yè)生產(chǎn)總值、城鎮(zhèn)單位年末從業(yè)人員數(shù)和常住人口數(shù)。與林/草地面積變化關(guān)聯(lián)度最高的三個因子為城鎮(zhèn)單位年末從業(yè)人員數(shù)、第一產(chǎn)業(yè)生產(chǎn)總值、常住人口數(shù)。與農(nóng)田面積變化關(guān)聯(lián)度最高的因子為第一產(chǎn)業(yè)生產(chǎn)總值，隨后是城鎮(zhèn)單位年末從業(yè)人員數(shù)、常住人口數(shù)。與建設(shè)用地面積變化關(guān)聯(lián)度最高的因子為城鎮(zhèn)單位年末從業(yè)人員數(shù)，隨后是第一產(chǎn)業(yè)生產(chǎn)總值和常住人口數(shù)。由此可得，常住人口數(shù)、城鎮(zhèn)單位年末從業(yè)人員數(shù)和第一產(chǎn)業(yè)生產(chǎn)總值是影響福州主城區(qū)土地利用變化的主要驅(qū)動因子。

綜上所述，福州主城區(qū)的快速城市化發(fā)展，造成建設(shè)用地向外擴張，農(nóng)田、水體等面積受到侵蝕。建議福州主城區(qū)在快速發(fā)展的同時，注重生態(tài)文明建設(shè)理念，科學(xué)進行城市規(guī)劃，切實保護農(nóng)田、林地與草地，防止生態(tài)破壞，避免城市環(huán)境問題加劇。