常成,劉霞?,張光燦,姚孝友,張榮華,張榮

(1.山東農業(yè)大學林學院水土保持系,山東農業(yè)大學農業(yè)生態(tài)與環(huán)境重點實驗室,271018,山東泰安;2.水利部淮河水利委員會水土保持處,233001,安徽蚌埠)

蒙陰縣土地利用動態(tài)與耕地變化驅動力分析

常成1,劉霞1?,張光燦1,姚孝友2,張榮華1,張榮1

(1.山東農業(yè)大學林學院水土保持系,山東農業(yè)大學農業(yè)生態(tài)與環(huán)境重點實驗室,271018,山東泰安;2.水利部淮河水利委員會水土保持處,233001,安徽蚌埠)

基于 1987、1997和 2007年的TM影像,利用土地利用動態(tài)度模型和主成分分析法,對蒙陰縣 1987—2007年的土地利用時空變化特征及耕地變化驅動力進行研究。結果表明:在時間序列上,20年間該區(qū)土地利用結構發(fā)生了明顯變化,林地、城鎮(zhèn)村及工礦交通用地面積增加,耕地等其他用地面積減少;在空間上,各類土地利用變化在呈現(xiàn)明顯的區(qū)域分異,耕地減少去向被開發(fā)為林地和城鎮(zhèn)村及工礦交通用地的面積較多;驅動耕地變化的因素是經濟總量增長、社會發(fā)展和農業(yè)發(fā)展。研究成果可指導蒙陰縣土地利用規(guī)劃,為其生態(tài)環(huán)境保護提供參考。

土地利用;驅動力;蒙陰縣

土地利用動態(tài)變化的實質是人類為滿足社會經濟發(fā)展需要,不斷調配各種土地利用的過程[1]。土地利用動態(tài)已經被認為是一個關鍵而迫切的研究課題。利用地理信息系統(tǒng)研究區(qū)域土地利用的變化,揭示其空間變化規(guī)律,建立引起其變化的驅動力模型,已經成為當前國際上開展土地利用研究的最新趨勢[2]。我國近幾年已開展了大區(qū)域、大尺度的土地利用變化監(jiān)測,并取得了很多成果[3-6],但是,對于縣級土地利用變化的動態(tài)監(jiān)測關注仍顯不足。蒙陰縣地處沂蒙山區(qū)腹地,其自然環(huán)境的復雜性、生態(tài)系統(tǒng)的脆弱性、經濟發(fā)展的邊緣性、社會文化的過渡性在沂蒙山區(qū)都有典型性和代表性。目前,尚無全面反映蒙陰縣土地利用變化特征及其耕地變化驅動力情況的資料,將其作為一個完整的單元來研究其土地利用變化特點及空間分異特征具有重要的現(xiàn)實意義[7]。筆者利用土地利用動態(tài)度模型,通過主成分統(tǒng)計方法,分析探討蒙陰縣近年來土地利用變化及耕地驅動力,以期為蒙陰縣土地利用變化特征及耕地驅動力研究補充實用的應用實例。

1 研究區(qū)概況

蒙陰縣位于沂蒙山區(qū)腹地,蒙山北麓,東汶河上游,E117°45′～ 118°15′,N35°27′～ 36°02′,南北最大縱距 84.75 km,東西最大橫距 52.1 km,總面積1 610.85 km2,為典型的北方土石山區(qū),海拔一般為200～600m,基巖主要由石灰?guī)r和頁巖組成,土壤類型主要為棕壤類。屬暖溫帶季風型大陸氣候,年均日照時間 2 257 h,年均溫度 12.8℃,無霜期 200 d。年均降水量 820mm,降水分布不均,有 70%主要集中分布在 5—9月份。地帶性植被類型為暖溫帶落葉闊葉林,主要喬木樹種有側柏(Platycladus orientalis(Linn.)Franco)、刺 槐 (Robinia pseudoacacia L.)、油松 (Pinus tabulaeformis Carr.)、遼東 櫟 (Quercus liaotungensis Koidz.)、山 楂(Crataegus pinnatifida Bge.)、柿樹 (Diospyros kaki Linn.F.)等;自然灌木與草本植物主要有黃荊(Vitex negundo L.)、胡枝子 (Lespedeza bicolors Turcz.)、三裂繡線菊(Spiraea trilobata L.)等。

2 研究方法

2.1 數(shù)據(jù)源與處理方法

2.1.1 數(shù)據(jù)來源 遙感數(shù)據(jù)源采用 1987、1997、2007年 3個典型時期 4—5月份的 TM影像,空間分辨率為30m×30m,蒙陰縣 1∶10萬地形圖作為影像匹配基準。蒙陰縣自然、社會和經濟統(tǒng)計數(shù)據(jù)來源于蒙陰縣統(tǒng)計年鑒。

2.1.2 土地利用分類系統(tǒng) 參照 GB/T 21010—2007《土地利用現(xiàn)狀調查技術規(guī)程》[8]和《中國資源環(huán)境遙感宏觀調查與動態(tài)研究》[9],結合研究目的和區(qū)域特點,確定土地利用分為耕地、林地、草地、城鎮(zhèn)村及工礦交通用地、水域及水利設施用地和未利用土地 6類。

2.1.3 數(shù)據(jù)處理 1)圖像處理。利用地形圖,采用北京 1954坐標系,高斯克呂格投影,對影像進行校正,誤差控制在 0.5個像元以內,借助 ERDAS軟件進行配準、鑲嵌、勻色及增強處理。2)圖像解譯。采用人機交互解譯的方法對研究區(qū) TM圖像進行解譯,將解譯后的 1987、1997、2007年土地利用數(shù)據(jù)轉入 ArcGIS中,構建拓撲關系并建立數(shù)據(jù)庫。3)精度評價。對分類結果經 kappa指數(shù)計算,統(tǒng)計精度達80.36%,可以保證工作精度的要求。

2.2 土地利用動態(tài)分析

土地利用動態(tài)度反映一定時間和范圍內某種土地利用類型的數(shù)量變化情況,其表達式[10]為

式中:Rs為研究時段內某一土地利用類型動態(tài)度;Ua、Ub分別為研究初期和末期某種土地利用類型的數(shù)量;t為研究時段。

2.3 驅動因子選取

2.3.1 驅動因子選取原則 1)相關性原則,驅動因子應與研究區(qū)耕地變化相關性較大,能反映耕地變化的大體趨勢;2)可獲取性原則,以數(shù)據(jù)資料的可獲取性為前提,將歷史資料收集和實地調查相結合;3)定量化原則,定量化的驅動因子才能參與模型運算;4)社會經濟因子為主原則,驅動因子選取主要以社會經濟驅動因素為主;5)不可代替性原則,所選取的驅動因子之間具有不可替代性,能夠從不同角度反映耕地變化。

2.3.2 驅動因子的選取 根據(jù)上述原則,結合蒙陰縣經濟社會發(fā)展和耕地的變化情況,選擇總人口(X1/萬人 )、農業(yè)人口 (X2/萬人 )、城市化水平(X3)、全社會固定資產投資額(X4/億元)、GDP(X5/億元)、農產業(yè)的 GDP比例(X6/%)、農民人均收入(X7/元 )、人均糧食 (X8/kg?人-1)8個因子的變化量作為影響耕地變化的社會經濟驅動因子。其中城市化水平為非農業(yè)人口與總人口的比值,農產業(yè)GDP比例為第一產業(yè)的 GDP與總 GDP的比值。應用統(tǒng)計軟件 SPSS,對樣本進行主成分分析,進而確定引起耕地變化的主要驅動力。

3 結果與分析

3.1 土地利用變化動態(tài)分析

對 1987、1997、2007年 3個時段土地利用數(shù)據(jù)統(tǒng)計結果見表 1。

表 1 不同時段蒙陰縣不同土地利用類型的變化Tab.1 Land use type changes in Mengyin county at different periods

由表 1可以看出,1987—1997年間,隨著對各種土地資源的開發(fā),土地利用結構發(fā)生了很大變化,其中:耕地面積由 672.97 km2減小到 651.97 km2,減少了 20.99 km2(3.12%);林地增加了 59.42 km2(14.47%);1987年原有草地面積 372.84 km2,10年間共減少 74.52 km2;城鎮(zhèn)村及工礦交通用地變化顯著,由 1987年的 59.23 km2擴展到 1997年的 71.48 km2,其動態(tài)度為 2.07%;水域及水利設施用地的面積變化相對較小;未利用土地由最初的30.71 km2增加到 45.78 km2,其動態(tài)度為 4.91%,是各種土地利用類型中動態(tài)變化最顯著的。

由表 1可知,1997—2007年,土地利用變化依然非常顯著:耕地持續(xù)減少,共計減少了 44.50km2;林地大規(guī)模增加,面積比例由 29.18%增加到35.69%;草地面積比例由 18.52%減少到 15.91%;城鎮(zhèn)村及工礦交通用地的動態(tài)度為 2.16%,變化速度明顯增加;水域及水利設施用地動態(tài)度為-0.28%;未利用土地減少到 14.06 km2,減少了31.73 km2。

整個研究時段的土地利用變化表明,蒙陰縣在1987—2007年 20年間,林地、城鎮(zhèn)村及工礦交通用地面積增加,耕地等其他用地面積減少。從變化數(shù)量看,最為顯著的是林地的增加和草地、耕地的減少,從土地利用動態(tài)度來看,未利用土地的動態(tài)度變化最大,為 -2.71%。

3.2 土地利用空間轉移分析

基于 ArcView軟件的空間分析擴展模塊 Spatial Analysis,利用 Tabulate Area功能,對不同典型序列上的土地利用狀況進行統(tǒng)計,獲得 1987—1997、1997—2007年土地利用類型空間轉移矩陣(表 2)。

表 2 蒙陰縣 1987—2007年土地利用類型轉移矩陣Tab.2 Transitionmatrix of land use types in Mnegyin county from 1987 to 2007

由表 2可以看出,1987—1997年,耕地 590.50 km2是保持不變的,耕地被開發(fā)為林地和城鎮(zhèn)村及工礦交通用地的面積較多,分別為 55.80、11.31 km2,占轉出面積的 67.66%、13.72%,主要發(fā)生在野店鎮(zhèn)西北部、岱固鎮(zhèn)北部;同時,其他土地利用類型開墾為耕地面積較大的有林地、草地,分別為47.98、8.56 km2,占轉入面積的 78.05%、13.93%,主要發(fā)生在舊寨鎮(zhèn)北部、界牌鎮(zhèn)西部。

1997—2007年,研究區(qū)土地利用變化特征與上個時段基本相似。其中 498.80 km2是原耕地保持不變的,被開發(fā)為林地和城鎮(zhèn)村及工礦交通用地的面積較多,分別為 135.34、8.60 km2,占轉出面積的88.36%、5.61%,主要發(fā)生在蒙陰鎮(zhèn)、界牌鎮(zhèn)北部;同時,其他土地利用類型開墾為耕地面積較大的有林地、草地,分別為 74.11、29.06 km2,占轉入面積的68.19%、26.74%,主要發(fā)生在岱固鎮(zhèn)西部和舊寨鎮(zhèn)中部。

綜上所述,在研究時段內,蒙陰縣土地利用發(fā)生的變化是巨大的,這種變化以林地、城鎮(zhèn)村及工礦交通用地的大面積增加和耕地、草地、未利用土地、水域及水利設施用地的減少為特征,但各種地類之間有著復雜的相互轉換關系。耕地減少去向中,被開發(fā)為林地和城鎮(zhèn)村及工礦交通用地的面積較多,而且減少的耕地多為位置相對優(yōu)越、產量較高的優(yōu)質良田。

3.3 耕地變化的驅動力分析

3.3.1 驅動力主成分 蒙陰縣耕地變化驅動力主成分分析數(shù)據(jù)見表 3。表 4為耕地驅動因子相關系數(shù)矩陣,可以看出,影響耕地數(shù)量的 8個因子中存在不同程度的相關性,其中 X4和 X5,X4和 X8,X7和X8之間存在較大的相關性,表明各指標具有較大的相關性。表 5為耕地主成分特征值和貢獻率,得出第 1、第 2和第 3主成分的累計貢獻率己經達到99%,因此,提取 3個主成分能概括大部分的信息。

由表 6可知:在第 1個主成分中,除了總人口X1和城市化水平 X3以外,其他 6個驅動因子都超過 0.9。第 1個主成分可以歸納為經濟總量增長的代表;第 2個主成分中比較大的有總人口 X1、城市化水平 X3、全社會固定資產投資 X4和農民人均收入 X7,由這幾個驅動因子構成的第 2主成分較復雜,可以解釋為社會發(fā)展因素的代表;第 3個主成分由于各變量都較小,相對比較大的因素為人均糧食,可以解釋為農業(yè)發(fā)展因素的代表。因此,研究區(qū)域的耕地面積變化的驅動因素可以歸納為經濟總量增長、社會發(fā)展和農業(yè)發(fā)展。這 3個方面互相影響、互相制約。

表 3 耕地變化驅動力主成分分析數(shù)據(jù)Tab.3 Data for principal analysis of driving force ofcultivated land change

表4 耕地變化驅動力因子相關系數(shù)矩陣Tab.4 Correlationmatrix of driving factors for cu ltivated land change

3.3.2 驅動力分析 1)經濟總量增長因素。經濟發(fā)展因素是指 GDP、農產業(yè) GDP比例,這也是推動蒙陰縣耕地變化的最主要因子,貢獻率達 74.423%。1987—2007年,研究區(qū) GDP增長較快,年均增長達155.24%,農產業(yè) GDP比例也由 70%下降到 31%。說明第一產業(yè)對于 GDP增加雖有一定貢獻,但這種貢獻隨著二、三產業(yè)的發(fā)展,不斷減小,在經濟的高速發(fā)展中,工業(yè)化的進程不斷推進,第三產業(yè)也表現(xiàn)出迅猛的發(fā)展勢頭,第二、第三產業(yè)的發(fā)展,必將占用良好的耕地。目前蒙陰縣還處于經濟起飛的階段,各鄉(xiāng)鎮(zhèn)為了發(fā)展經濟,招商引資,進行大規(guī)模建設,建設用地占用耕地是耕地數(shù)量減少的主要去向。

表 5 耕地變化驅動力主成分特征值和貢獻率Tab.5 Eigenvalue and contribution of principal component of driving factors

表6 耕地變化驅動力因子主成分矩陣Tab.6 Matrices of principal component driving factors for cu ltivated land change

2)社會發(fā)展因素。社會發(fā)展因素是指總人口、城市化水平及全社會固定資產投資和農民人均收入。1987年總人口為 47.20萬人,2007年增加到54.02萬人,城市化水平從 1997年的 7%增加到2007年的 31%。隨著城市化水平的提高,人民生活水平不斷改善,對生活質量要求不斷提高,這也為耕地數(shù)量提出一定要求。同時也應該看到,隨著城市化水平的提高,農民人均純收入及固定資產投資也在不斷增大,2007年蒙陰縣全年完成全社會固定資產投資 19.06億元,是 1987年的 42倍,1987年農民人均純收入為 386元,2007年增加到 4 038元,是1987年的 10倍。隨著生產技術的進步,城鎮(zhèn)投資的增長、房地產開發(fā)的提速,固定資產投資的廣度和力度將會不斷加大,使大量農村剩余勞動力被置換和釋放出來,從而有力地推動農村城鎮(zhèn)化的進程,促使城鎮(zhèn)數(shù)量和規(guī)模不斷擴大,這將不可避免占用部分耕地,成為耕地減少的一個主要因素。

3)農業(yè)發(fā)展因素。農業(yè)發(fā)展因素反映在人均糧食上。20世紀 90年代以來,為提高土地生產力,保證農業(yè)的穩(wěn)定發(fā)展,蒙陰縣采取了一系列措施,使農業(yè)技術裝備水平顯著提高,由傳統(tǒng)農業(yè)逐步向現(xiàn)代化農業(yè)轉變。由于農田基本建設的改進,農業(yè)機械化水平的提高,糧食總產、糧食單產和人均占有糧食的增加,使得人們開始尋找提高收入的新的經營方式,產出和收益水平的高低同樣影響耕地的轉變,致使耕地面積進一步減少。表明農業(yè)科學技術的發(fā)展,農業(yè)的集約化程度越來越高,使得不需要大面積的耕地即可供養(yǎng)更多的人口,致使所需要的耕地面積減少。

3.4 土地利用中存在的問題分析

3.4.1 耕地資源的保護壓力大 1987年,蒙陰縣城鎮(zhèn)村及工礦交通用地總面積 59.23 km2,到 2007年增至 86.94 km2,年均增長 1.39 km2,期間城鎮(zhèn)村及工礦交通用地占用耕地 23.93km2,大大超過原規(guī)劃的建設占用耕地控制指標(0.95km2/a)。隨著蒙陰縣經濟社會的快速發(fā)展,城鎮(zhèn)村及工礦交通用地需求仍會保持較高增長速度,耕地等資源保護的壓力還會進一步加劇。

3.4.2 土地結構仍不合理 蒙陰縣是典型的山區(qū)農業(yè)縣,耕地、林地所占比例偏重,而城市化水平偏低,交通基礎設施也相對滯后。雖然近年蒙陰縣發(fā)展了一定規(guī)模的經濟林地,但其土地利用結構仍存在分布不均衡、果種單一的缺點,且重播輕管,耕作粗放,廣種薄收,尤其是部分鄉(xiāng)鎮(zhèn)還有很大的開發(fā)缺口,潛力還有待于進一步挖掘。

3.4.3 人地關系局部惡化 蒙陰縣 20年耕地面積已減少 65.49 km2,年均減少面積達 3.27 km2。目前,農村人地關系不但沒有緩解,緊張態(tài)勢還進一步加劇。由于人地關系趨緊,塑料薄膜、化肥、農藥等的使用量不斷增加,農用塑料薄膜使用量 20年翻了3番,化肥使用量增長了 1/4,農藥使用量增長了 1/5。塑料薄膜、化肥、農藥等的大量使用,在提高耕地生產系統(tǒng)效率的同時,也使耕地生產成本快速上漲,耕地生產性污染加重,土地生態(tài)環(huán)境質量下降。此外,在工業(yè)化、城鎮(zhèn)化進程加快的同時,對工業(yè)“三廢”與城鎮(zhèn)生活垃圾等的處理措施沒有跟上,造成城鄉(xiāng)環(huán)境局部污染加劇。

4 結論

1)每一種土地利用類型的變化當中都有增加和減少這 2種截然相反的趨勢,每一種土地利用類型變化的最終表現(xiàn)是 2種趨勢互相抵消后的結果。

2)除林地、城鎮(zhèn)村及工礦交通用地面積增長外,耕地等其他類型都是呈現(xiàn)出衰減的趨勢。

3)各類土地利用變化在空間上呈現(xiàn)明顯的區(qū)域分異,耕地減少的幅度較大,主要轉變?yōu)榱值睾统擎?zhèn)村及工礦交通用地,且減少的耕地多為位置相對優(yōu)越,產量較高的優(yōu)質良田。

4)經濟總量增長、社會發(fā)展和農業(yè)發(fā)展是驅動耕地變化的主要因素,這 3個方面不是孤立的,而是互相影響、互相制約的,共同影響蒙陰縣的耕地變化。

5)各種土地利用結構的變化,尤其耕地面積的減少,帶來了土地結構不合理、人地關系局部惡化等問題,針對耕地變化的主要驅動因子及其特征,采取相應的生態(tài)環(huán)境保護和社會經濟措施十分必要。

[1]史培軍,宮鵬,李小兵,等.土地利用/覆蓋變化研究的方法與實踐.北京:科學出版社,2000:30-35

[2]朱會義,李秀彬,何書金,等.環(huán)渤海地區(qū)土地利用的時空變化分析.地理學報,2001,56(3):253-260

[3]高志強,劉紀遠,莊大方.基于遙感和 GIS的中國土地利用/土地覆蓋的現(xiàn)狀研究.遙感學報,1999,3(2):134-138

[4]江曉波,馬澤忠,曾文蓉,等,三峽地區(qū)土地利用/土地覆被變化及其驅動力分析.水土保持學報,2004,18(4):108-112

[5]張希彪.涇河中上游流域土地利用格局變化與驅動因子分析.水土保持學報,2005,19(6):137-140

[6]張樹文,張養(yǎng)貞,李穎,等.東北地區(qū)土地利用/覆被時空特征分析.北京:科學出版社,2006:25-56

[7]劉紀遠.中國土地利用變化現(xiàn)代過程時空特征的研究.第四紀研究,2000,20(3):229-239

[8]中華人民共和國國家質量監(jiān)督檢驗檢疫總局.GB/T 21010— 2007:土地利用現(xiàn)狀調查技術規(guī)程.北京:中國標準出版社,2007:1-6

[9]劉紀遠.中國資源環(huán)境遙感宏觀調查與動態(tài)研究.北京:中國科學技術出版社,1996:113-124

[10]劉紀遠.中國土地利用變化現(xiàn)代過程時空特征的研究.第四紀研究,2000,20(3):229-239

Land use dynam ic and driving force analysis of cultivated land change in M engyin County

Chang Cheng1,Liu Xia1,Zhang Guangcan1,Yao Xiaoyou2,Zhang Ronghua1,Zhang Rong1

(1.Soil and Water Conservation Department of Forestry College,Key Laboratory of Agricultural Ecology and Environment,
Shandong Agricultural University,271018,Tai'an,Shandong;2.Soil andWater Conservation Division of Huaihe River Commission ofWater Resources Ministry,233001,Bengbu,Anhui:China)

Based on TM images in 1987,1997 and 2007,applied land use dynamic degreemodel and the land use general dynamic degrees to promulgate the land use spatial-temporal change characteristic comprehensively in the research area during 20 years.The result indicated that:from the time,land use changes significantly during 20 years,forest land and construction land increase,others decrease.From the space,each type of land use change has a dramatic spatial distribution.Factors which driving cultivated land change are total economic growth,social development and agricultural development.which is helpful for the land planning in Mengyin county and can provide reference for ecological environment protection.

Land use;driving force;Mengyin County

2009-03-23

2009-10-27

項目名稱:水利部淮河水利委員會“淮河流域生態(tài)修復機理和評價指標研究”

常成(1986—),男,碩士研究生。主要研究方向:流域治理與信息技術。E-mail:yizhitaohuaxiang@163.com

?責任作者簡介:劉霞(1971—),女,副教授,博士。主要研究方向:水土保持生態(tài)修復和水土保持信息技術。E-mail:liuxia@sdau.edu.cn

(責任編輯:宋如華)