楊東,鄭鳳娟,竇慧亮,王小鵬

(1.西北師范大學(xué)地理與環(huán)境科學(xué)學(xué)院,蘭州730070;2.云南大學(xué)資源環(huán)境與地球科學(xué)學(xué)院,昆明650091)

隨著全球人口資源環(huán)境和經(jīng)濟(jì)社會(huì)持續(xù)發(fā)展之間矛盾的日益突出,土地利用與覆蓋變化(LUCC)已成為全球環(huán)境變化研究的熱點(diǎn)問題。區(qū)域土地利用變化研究是LUCC研究的重要方面,對(duì)其驅(qū)動(dòng)力的探究更是核心問題之一[1-2]。目前,我國(guó)對(duì)區(qū)域土地利用變化的研究主要集中在兩類地區(qū):一類是“熱點(diǎn)地區(qū)”,即人文和自然驅(qū)動(dòng)力極為活躍的地區(qū);另一類是“生態(tài)經(jīng)濟(jì)系統(tǒng)脆弱區(qū)”。脆弱地區(qū)土地利用的研究,有利于人們對(duì)脆弱性的認(rèn)識(shí),揭示脆弱區(qū)的形成演變機(jī)制,揭示各種自然和人文因素對(duì)土地利用可持續(xù)性的影響[3-4]。而干旱內(nèi)陸河流域兼具了這兩類區(qū)域的特點(diǎn),因此對(duì)干旱內(nèi)陸河流域土地利用變化的研究具有重要的意義。

引起土地利用變化的原因有自然和社會(huì)經(jīng)濟(jì)兩方面的因素。在較短時(shí)間尺度內(nèi),自然因素相對(duì)穩(wěn)定,有著累積效應(yīng),因此驅(qū)動(dòng)因素研究多集中在引起土地利用變化的人文驅(qū)動(dòng)因素方面[5-6]。對(duì)于干旱內(nèi)陸河流域來說,由于人口增長(zhǎng)和經(jīng)濟(jì)發(fā)展的需要,不合理的土地利用方式普遍存在,合理利用和保護(hù)現(xiàn)有的土地資源,是當(dāng)?shù)厣鷳B(tài)、經(jīng)濟(jì)、社會(huì)可持續(xù)發(fā)展的重要前提。本文將以酒泉市為例,對(duì)干旱內(nèi)陸河流域土地利用變化的驅(qū)動(dòng)因素展開分析,找出其影響因子及動(dòng)力機(jī)制,為合理調(diào)整本區(qū)的土地利用結(jié)構(gòu)提供參考。

1 研究區(qū)概況

酒泉市地處甘肅省西北部,介于東經(jīng)92°45′-100°15′、北緯 38°19′-42°47′,面積 1 939.7 萬 hm2,占甘肅省總面積的42%。本區(qū)屬溫帶大陸性干旱氣候,夏季干熱短促,冬季寒冷漫長(zhǎng),年均溫7.2℃,年均降雨量87.4 mm[7]。土地資源豐富,但開發(fā)利用率低,鹽堿地、沙地、裸巖、石礫地等難以利用土地面積大。本區(qū)有豐富的地下水、充足的光照和足夠的勞力,為發(fā)展農(nóng)業(yè)生產(chǎn)提供了十分優(yōu)越的基本條件。

2 數(shù)據(jù)和方法

采用2001年以前舊的8大類土地利用現(xiàn)狀分類標(biāo)準(zhǔn),數(shù)據(jù)來源于甘肅省土地利用變更調(diào)查數(shù)據(jù)(1997-2006年)以及社會(huì)經(jīng)濟(jì)統(tǒng)計(jì)資料,部分?jǐn)?shù)據(jù)來源于1998-2007年《甘肅統(tǒng)計(jì)年鑒》、《酒泉市統(tǒng)計(jì)年鑒》,以及中國(guó)宏觀數(shù)據(jù)挖掘分析系統(tǒng)和其它相關(guān)文獻(xiàn)。

利用土地動(dòng)態(tài)模型定量描述酒泉市近10 a的土地利用變化的速度,然后利用Matlab軟件對(duì)影響土地利用變化的人文因子進(jìn)行主成分分析,探討影響其變化的主要驅(qū)動(dòng)因素。主成分分析是一種通過降維技術(shù)把多個(gè)變量化為少數(shù)幾個(gè)主成分(即綜合變量)的統(tǒng)計(jì)分析方法[8],這些主成分能夠反映原始變量的絕大部分信息,它們通常表示為原始變量的某種線性組合。

3 土地利用類型變化分析

3.1 土地利用的總體變化

由表1可見,酒泉市土地利用類型以農(nóng)用地中的牧草地、未利用地為主,未利用地就占了總面積的73%,牧草地占總土地面積的22%。1997年耕地、園地、林地、牧草地分別占土地總面積的0.73%、0.09%、0.66%和22.64%,到2006年分別變化到0.78%、0.11%、0.71%和21.56%。其中牧草地是減少最劇烈的土地利用類型,減少了1.07%,林地、耕地、園地都有不同程度的增加。1997年交通用地、城鄉(xiāng)、工礦、居民用地及未利用地分別占總面積的0.11%、1.75%和72.25%,2006年分別增加到0.14%、1.78%和 73.19%,分別增加了 0.03%、0.03%和0.94%,這與該市基礎(chǔ)設(shè)施建設(shè)和城市化擴(kuò)張速度較快相對(duì)應(yīng)。水域用地變化不明顯,有些河流水面干涸,也沒有大的工程建設(shè)占用土地資源。未利用地呈擴(kuò)大趨勢(shì),主要原因是地下水位下降、耕地鹽漬化、撂荒以及沙漠化擴(kuò)展所致,這也是干旱區(qū)內(nèi)陸河流域所面臨的共性問題[9]。

表1 酒泉市1997-2006年土地利用變化

3.2 土地利用變化的速度

土地利用的動(dòng)態(tài)度可定量描述區(qū)域土地利用變化的速度,它對(duì)比較土地利用變化的區(qū)域差異和預(yù)測(cè)未來土地利用變化趨勢(shì)都具有積極的作用[10]。根據(jù)單一土地利用類型動(dòng)態(tài)度和綜合土地利用動(dòng)態(tài)度公式[11]計(jì)算出酒泉市土地利用類型的年變化率和該區(qū)土地利用年變化率。從表1可知,酒泉市10 a來土地利用變化的年均變化速度為0.05%,其中以交通用地、園地較快,分別為 1.32%、1.29%,但總體變化都不太顯著。

4 酒泉市土地利用變化的驅(qū)動(dòng)因子分析

4.1 土地利用變化驅(qū)動(dòng)因素的定性分析

影響土地利用變化的驅(qū)動(dòng)因素主要包括自然因素、社會(huì)經(jīng)濟(jì)因素以及政策等因素。自然因素包括氣候、地形、地質(zhì)災(zāi)害等。水資源是制約干旱區(qū)社會(huì)經(jīng)濟(jì)發(fā)展的關(guān)鍵因子,酒泉市水資源分布不平衡,利用程度中等,必須加快水資源的開發(fā)利用程度,帶動(dòng)工農(nóng)業(yè)的發(fā)展,進(jìn)一步加快土地利用進(jìn)程。社會(huì)經(jīng)濟(jì)因素包括人口增長(zhǎng)和城鎮(zhèn)化進(jìn)程、經(jīng)濟(jì)增長(zhǎng)和工業(yè)的發(fā)展、農(nóng)業(yè)技術(shù)進(jìn)步、政府決策、土地利用者自身行為等[12]。

4.2 土地利用變化驅(qū)動(dòng)因素的定量分析

由于自然因素對(duì)該區(qū)土地利用變化的影響在短時(shí)間內(nèi)相對(duì)較小,加之政府決策和土地利用者的行為難以用指標(biāo)定量分析[13],本文主要對(duì)社會(huì)經(jīng)濟(jì)因素中可量化的部分作出定量分析[14]。根據(jù)主成分分析方法的要求,選取1997-2006年統(tǒng)計(jì)資料作為基礎(chǔ)數(shù)據(jù),從中選取11個(gè)人文因子:Z1代表總?cè)丝?104人);Z2代表GDP(108元);Z3代表社會(huì)固定資產(chǎn)投資額(108元);Z4代表糧食總產(chǎn)量(104t);Z5代表農(nóng)業(yè)機(jī)械總動(dòng)力(104kW);Z6代表農(nóng)民人均純收入(元);Z7代表城鎮(zhèn)居民可支配收入(元);Z8代表社會(huì)消費(fèi)品零售額(108元);Z9代表工業(yè)總產(chǎn)值(108元);Z10農(nóng)業(yè)總產(chǎn)值(104元);Z11代表城鎮(zhèn)化水平(%)。

在軟件Matlab中實(shí)現(xiàn)主成分分析可以采取兩種方式實(shí)現(xiàn):一是通過編程來實(shí)現(xiàn);二是直接調(diào)用Matlab中自帶程序?qū)崿F(xiàn),本文直接調(diào)用Matlab中的程序來實(shí)現(xiàn)主成分分析。為了排除數(shù)量級(jí)和量綱不同帶來的影響,首先應(yīng)該對(duì)原始數(shù)據(jù)進(jìn)行標(biāo)準(zhǔn)化處理[15],計(jì)算得到相關(guān)系數(shù)矩陣的特征值和方差貢獻(xiàn)率(如表 2所示)。第一主成分貢獻(xiàn)率為88.581%,第二主成分貢獻(xiàn)率為8.127%,第三主成分貢獻(xiàn)率為1.871%,前三個(gè)主成分累計(jì)貢獻(xiàn)率達(dá)98.583%,故前3個(gè)主成分能夠反映原始指標(biāo)所提供的絕大部分信息。

表2 特征根及主成分貢獻(xiàn)率

進(jìn)一步計(jì)算,得到指標(biāo)在前3個(gè)主成分的載荷如表3,并且做了指標(biāo)在前三主成分的二維分類圖(如圖1)。綜合分析可得:“Z1、Z11為第一主成分,代表酒泉市的人口總數(shù)、城鎮(zhèn)化水平,綜合為人口因素;Z3、Z4、Z6、Z10為第二主成分 ,代表固定資產(chǎn)投資、糧食總產(chǎn)量、農(nóng)民人均純收入、農(nóng)業(yè)總產(chǎn)值,綜合為農(nóng)業(yè)化水平;Z7、Z“9為第三主成分,分別代表居民可支配收入、工業(yè)總產(chǎn)值,綜合為社會(huì)經(jīng)濟(jì)發(fā)展因素。以上分析可知:人口、農(nóng)業(yè)化水平、社會(huì)經(jīng)濟(jì)是酒泉市土地利用發(fā)生變化的主要人文驅(qū)動(dòng)因素。

4.2.1 人口因素 人口因素對(duì)土地利用變化影響,使土地利用結(jié)構(gòu)和空間分布不斷發(fā)生變化[16],是具有活力的驅(qū)動(dòng)力之一。人口的增加,城鎮(zhèn)化水平不斷提高,導(dǎo)致居住及基礎(chǔ)設(shè)施建設(shè)等用地規(guī)模的不斷增長(zhǎng),加劇了人地關(guān)系和土地供求關(guān)系矛盾的尖銳和緊張程度。1997年總?cè)丝跒?7.26萬人,而2007年總?cè)丝诟哌_(dá)99.03萬人,是1997年的13.48%,2007年人口的自然增長(zhǎng)率為5.62%;城鎮(zhèn)化水平速度加快,由1997年的32.15%增長(zhǎng)到2006年的34.87%。由人口增長(zhǎng)而帶來的居住面積由2007年的23.19 m2/人下降到1997年的12.92 m2/人;人均耕地占有量由1997年的0.164 hm2減少到2006年的0.152 hm2。

表3 指標(biāo)在前三個(gè)主成分的載荷

4.2.2 農(nóng)業(yè)化水平 農(nóng)業(yè)現(xiàn)代化水平與土地利用的變化緊密相關(guān)[17]。推進(jìn)農(nóng)業(yè)產(chǎn)業(yè)化經(jīng)營(yíng)是解決農(nóng)業(yè)和農(nóng)村經(jīng)濟(jì)發(fā)展中的深層矛盾和問題,提高農(nóng)業(yè)綜合效益的途徑,農(nóng)業(yè)機(jī)械化水平不斷提高,糧食總產(chǎn)量隨之增大。2007年農(nóng)業(yè)機(jī)械總動(dòng)力達(dá)1.504×106kW,比上年增長(zhǎng) 8%,是1997年的5倍多;2007年糧食總產(chǎn)量達(dá) 36.27萬 t,是 1997年的55%。農(nóng)業(yè)總產(chǎn)值增加,農(nóng)民人均純收入隨之增加,農(nóng)民生活水平不斷提高,2007年的農(nóng)業(yè)總產(chǎn)值達(dá)39.69萬元,農(nóng)民人均純收入為5 106元。此外,2007年農(nóng)村用電量達(dá)2.44萬kW?h,是1997年的7倍之多;有效灌溉面積14.32萬hm2,比上年增加0.65萬hm2,節(jié)水灌溉面積達(dá)9.10萬 hm2,比上年增加0.42萬 hm2。

4.2.3 社會(huì)經(jīng)濟(jì)因素 近年來酒泉市的經(jīng)濟(jì)發(fā)展速度較快,勢(shì)必會(huì)帶來土地利用的變化。2007年三產(chǎn)業(yè)的比重為:18.8∶46.4∶34.8,第二和第三產(chǎn)業(yè)的比重在提升。2007年末全市的GDP達(dá)到了203.24億元,突破了200億元的目標(biāo),比上年增長(zhǎng)12.8%,人均GDP達(dá)2.05萬元,而1997年全市的GDP為僅為29.07億元;2007年的工業(yè)總產(chǎn)值達(dá)218.7億元,是1996年的3.5倍;城鎮(zhèn)居民可支配收入的增長(zhǎng)也是很明顯的[8]。10年間農(nóng)用地共減少18.56萬hm2,相應(yīng)的建設(shè)用地增加了0.75萬hm2,未利用地共增加了17.81萬hm2。

4.2.4 政策因素 政策是影響人口、經(jīng)濟(jì)、社會(huì)發(fā)展的一個(gè)非常重要的因素。不僅土地政策對(duì)土地利用程度,國(guó)家的人口政策、經(jīng)濟(jì)調(diào)控政策都可能影響到土地利用方式的變化[18],但由于政策性因素在主成分分析中難以定量化,因此這里作相應(yīng)的定性分析。酒泉市林地面積10 a來共增加0.97萬hm2,主要以人工造林和經(jīng)濟(jì)林的增加為主;耕地面積共增加0.98萬hm2,得益于政府保護(hù)耕地的政策。2007年畜牧業(yè)增加值高達(dá)6億元,占農(nóng)業(yè)比重的20.7%,畜牧業(yè)的減少主要以天然草地面積為主,由1997年的438.97萬hm2減少到2006年的418.22萬hm2,因此政府需加大對(duì)牧草地的管理力度。政府每年提供建設(shè)用地0.08萬 hm2來確保國(guó)家、省重點(diǎn)建設(shè)和全市經(jīng)濟(jì)社會(huì)發(fā)展項(xiàng)目用地等的建設(shè),政策的變化引導(dǎo)著土地利用的變化。

圖1 指標(biāo)在前3主成分的分類圖

圖2 1997-2007年人口、城鎮(zhèn)化水平及人均耕地變化

5 結(jié)論與討論

(1)研究表明:1997—2006年間,農(nóng)用地中的牧草地減幅劇烈,減少20.75萬hm2,耕地、林地、園地都有增加的趨勢(shì),酒泉市多數(shù)耕地的增加以開墾綠洲邊緣的荒漠過渡帶為主[19];建設(shè)用地中城鄉(xiāng)、工礦及居民用地增加明顯,為0.42萬hm2,交通用地也有所增加;未利用地增加了17.81萬hm2,增加幅度是很大的。

(2)定量分析構(gòu)建土地利用變化的人文驅(qū)動(dòng)因素模型,揭示了驅(qū)動(dòng)酒泉市土地利用變化的主導(dǎo)人文因素包括:人口因素,農(nóng)業(yè)化水平,社會(huì)經(jīng)濟(jì)因素;定性分析表明,政策因素,對(duì)酒泉市土地利用變化也有著深刻影響。人口是引起土地利用變化的持續(xù)性因素,而政策起著主導(dǎo)性作用。

(3)Matlab軟件背景下運(yùn)用主成分分析,得出相關(guān)系數(shù)矩陣的特征值和方差貢獻(xiàn)率,指標(biāo)在前三個(gè)主成分的載荷,并進(jìn)一步生成指標(biāo)在前三主成分的三維分類圖,更直觀清楚的揭示區(qū)域土地利用變化主導(dǎo)驅(qū)動(dòng)力,該軟件探究人文因素對(duì)土地利用變化的影響,分析結(jié)果令人滿意。運(yùn)用Matlab軟件主成分分析方法能夠在保證原始數(shù)據(jù)信息損失很小的基礎(chǔ)上,以少數(shù)的綜合變量取代原有的多維變量,可以用更少的指標(biāo)信息較為精確地描述土地利用變化的驅(qū)動(dòng)因子[20],因而成為土地利用驅(qū)動(dòng)力分析的簡(jiǎn)單有效的一種方法。

(4)本研究對(duì)酒泉市土地利用變化的人文驅(qū)動(dòng)因素的擬合結(jié)果與已有的關(guān)于區(qū)域土地利用變化主導(dǎo)驅(qū)動(dòng)力(人口增長(zhǎng)、農(nóng)業(yè)化水平、城鎮(zhèn)化以及工業(yè)化發(fā)展等因素)的結(jié)論研究存在很高的一致性。政府政策(經(jīng)濟(jì)政策、土地政策、制度體制等)、土地利用者行為難以用指標(biāo)定量化,與土地利用的整合分析難度較大,文中做了相關(guān)的定性分析,因此有待進(jìn)一步的研究。

[1] 李秀彬.全球環(huán)境變化研究的核心領(lǐng)域:土地利用地覆被變化的國(guó)際研究動(dòng)向[J].地理學(xué)報(bào),1996,51(6):553-558.

[2] Turner B L,Skole D,Sanderson S,etal.Land-use and land-cover change science/research plan[R].IGBP Report No.35 and HDP Report NO.7.Stockholm:IGBP,1995.

[3] 潘竟虎.高寒生態(tài)脆弱區(qū)土地利用動(dòng)態(tài)變化研究:以青海省長(zhǎng)江黃河源區(qū)為例[J].西北師范大學(xué)學(xué)報(bào):自然科科學(xué)版,2004,40(4):80-85.

[4] 于興修,楊桂山.中國(guó)土地利用/覆被變化研究的現(xiàn)狀與問題[J].地理科學(xué)進(jìn)展,2002,21(1):51-57.

[5] Togtohync,Denniso.Land use change and carbon cycle in arid and semi-arid lands of East and Central Asia[J].Science in China(Series C),2002,45:48-54.

[6] 蔡運(yùn)龍.土地利用/土地覆被變化研究:尋求新的綜合途徑[J].地理研究,2001,36(6):121-126.

[7] 高惠璇.應(yīng)用多元統(tǒng)計(jì)分析[M].北京:北京大學(xué)出版社,2005:265-289.

[8] 酒泉年鑒1997-2008[M].北京:中國(guó)統(tǒng)計(jì)出版社,1987-2008.

[9] 潘竟虎,石培基.干旱內(nèi)陸河流域土地利用空間結(jié)構(gòu)的計(jì)量地理分析:以甘肅省酒泉市為例[J].農(nóng)業(yè)現(xiàn)代化研究,2008,29(2):227-230.

[10] 王秀蘭,包玉海.土地利用動(dòng)態(tài)變化研究方法探討[J].地理科學(xué)進(jìn)展,1999,18(1):81-86.

[11] 許月卿,李秀彬.基于GIS的河北南部平原土地利用變化動(dòng)態(tài)分析[J].資源科學(xué),2003,25(2):77-84.

[12] 牛星,歐名豪.揚(yáng)州市土地利用變化的驅(qū)動(dòng)力機(jī)制研究[J].中國(guó)人口?資源與環(huán)境,2007,17(1):102-108.

[13] 王小玉,張安明,鄒小紅,重慶市土地利用變化及驅(qū)動(dòng)機(jī)制研究[J].西南大學(xué)學(xué)報(bào):自然科學(xué)版,2009,31(2):146-151.

[14] 李平,李秀彬,劉學(xué)軍.我國(guó)現(xiàn)階段土地利用變化驅(qū)動(dòng)力的宏觀分析[J].地理研究,2001,20(2):129-138.

[15] 盛周君,孫世群,王京城,等.基于主成分分析的河流水環(huán)境質(zhì)量評(píng)價(jià)研究[J].環(huán)境與管理,2007,32(12):172-175.

[16] 任志遠(yuǎn).土地利用變化及驅(qū)動(dòng)因素分析:以內(nèi)蒙古準(zhǔn)格爾旗為例[J].干旱區(qū)研究,2003.20(3):202-205.

[17] 李仁東,程學(xué)軍,隋曉麗.江漢平原土地利用的時(shí)空變化及其驅(qū)動(dòng)因素分析[J].地理研究,2003,22(4):423-431.

[18] 劉堅(jiān),黃賢金,翟文俠,等.快速城市化背景下江蘇省土地利用程度變化及其人文驅(qū)動(dòng)因素分析[J].四川大學(xué)農(nóng)業(yè)學(xué)報(bào),2005,23(2):223-227.

[19] 徐建華.《計(jì)量地理學(xué)》配套實(shí)習(xí)指導(dǎo)[M].北京:高等教育出版社,2005.

[20] 郭明,李新.基于遙感和GIS綠洲發(fā)育適度規(guī)模分析:以酒泉綠洲為例[J].遙感技術(shù)應(yīng)用,2006,21(4):312-316.