馬小雪, 卞子誥， 李 娜， 李永泰， 趙 靜， 曾春芬， 王臘春

(南京大學 地理科學與海洋學院, 江蘇 南京 210093)

秦淮河流域1980-2010年土地利用變化及驅(qū)動機制

馬小雪, 卞子誥， 李 娜， 李永泰， 趙 靜， 曾春芬， 王臘春

(南京大學 地理科學與海洋學院, 江蘇 南京 210093)

摘要：[目的] 研究近30 a來秦淮河流域不同時期土地利用/覆被變化特征及驅(qū)動力，為秦淮河流域的生態(tài)經(jīng)濟系統(tǒng)可持續(xù)發(fā)展和流域管理提供科學依據(jù)。 [方法] 利用GIS功能對秦淮河地區(qū)1980，1995，2000，2005，2008，2010年土地利用現(xiàn)狀圖進行疊加轉(zhuǎn)換，建立土地利用變化轉(zhuǎn)移矩陣，在此基礎上分析秦淮河地區(qū)近30 a來的土地利用變化特征，并結(jié)合相應的社會統(tǒng)計資料分析土地利用變化的驅(qū)動力。 [結(jié)果] 流域內(nèi)耕地面積逐年減少，建設用地面積逐年增加，林草覆蓋面積略有減少；土地利用程度變化存在明顯的時間差異性，2005—2008期間變化最大；建設用地的增加主要源于耕地的轉(zhuǎn)入，其次是林地、水域；經(jīng)濟發(fā)展、人口增長和人民生活水平的提高是該區(qū)土地利用/覆被變化的主要驅(qū)動力。 [結(jié)論] 城市化發(fā)展要素是推動該區(qū)建設用地增加、耕地面積減少這一現(xiàn)象的主要驅(qū)動力。

關(guān)鍵詞：土地利用/土地覆被變化; 城市化; 主成分分析; 驅(qū)動機制

近20 a來，中國的許多城市都經(jīng)歷了空前的迅速發(fā)展，主要表現(xiàn)在城市人口的迅速擴張、自然土地向建筑用地的轉(zhuǎn)變[1-2]。而城市發(fā)展所帶來的土地利用與土地覆被變化(LUCC)對水文循環(huán)、城市暴雨、水環(huán)境、生物多樣性等產(chǎn)生了深遠的影響[3-4]。同時土地利用與土地覆被變化(LUCC)又直接反映了人類活動的影響，是當今全球環(huán)境變化領(lǐng)域的研究熱點[5-6]。在研究土地利用和覆被變化產(chǎn)生的全球氣候變化效應、生態(tài)環(huán)境效應之前，首先要了解土地變化特征、變化過程及其驅(qū)動機制，這將有助于解釋人類活動與環(huán)境變化的相互作用機制。土地利用變化現(xiàn)象具有時空異質(zhì)性，不同的研究時期和不同的研究區(qū)域，其變化特征、驅(qū)動因子和各驅(qū)動因子的作用也呈現(xiàn)不同程度的變化[7]。

近幾十年來，秦淮河流域內(nèi)城市大規(guī)模擴張和開發(fā)區(qū)建設較快，2000年流域人口城市化水平已經(jīng)達到了59.3%。流域內(nèi)的人文、經(jīng)濟和土地利用隨之發(fā)生了較大的變化，大量的天然河流水系遭到破壞，并引發(fā)了河流水質(zhì)惡化、河道生境破壞、洪澇干旱災害等一系列的水文、水環(huán)境問題，嚴重影響了秦淮河流域的旅游景觀建設和南京市城市化與可持續(xù)發(fā)展[8-9]。本研究以秦淮河流域為研究對象，分析近30 a來不同時期土地利用/覆被變化特征及驅(qū)動力，特別是城市化進程加快前后流域內(nèi)的土地利用變化特點，為秦淮河流域的生態(tài)經(jīng)濟系統(tǒng)可持續(xù)發(fā)展和流域管理提供科學依據(jù)。

1研究區(qū)概況

秦淮河流域地處長江下游南京河段南岸，全長110 km，流域涉及南京市區(qū)、江寧、句容市和溧水縣，流域面積達2 614 km2。秦淮河流域有南北兩源，南源出自溧水河，北源出自句容河，兩源在江寧區(qū)西北村匯合為秦淮河。在江寧東山鎮(zhèn)分為秦淮新河和秦淮河，秦淮河進入南京城區(qū)后又分為內(nèi)外秦淮河兩條主河流。后自流域西北角的秦淮新河和三汊河口閘兩出水口匯入長江。秦淮河流域的地形為構(gòu)造盆地，呈扇形，四周為丘陵山地，自前垾村向下的中下游地區(qū)的沿河兩岸是低洼燈區(qū)，地面高程6～8 m。圩區(qū)后是丘陵山區(qū)，地面高程在300 m以下。流域位于北亞熱帶半濕潤季風氣候區(qū)，降水豐沛，雨熱同期，多年平均降雨量1 017.8 mm，流域平均年徑流量為6.95×108m3。

2研究方法與數(shù)據(jù)來源

2.1　數(shù)據(jù)來源

從南京師范大學地理科學學院的地球系統(tǒng)科學數(shù)據(jù)共享網(wǎng)項目(“江蘇省1∶10萬土地利用數(shù)據(jù)集”)中選取1980，1995，2000，2005，2008，2010年等不同時期的土地利用分類圖，分析1980—2010年秦淮河流域土地利用變化特征。土地利用分類系統(tǒng)采用20世紀80年代以來的遙感解譯分類系統(tǒng)，即土地利用類型包括耕地、林地、草地、水域、城鄉(xiāng)工礦居民用地(城鎮(zhèn)用地、農(nóng)村居民點、其他建設用地)和未利用地(目前還未利用的土地，包括難利用的土地)6類一級類型。

2.2　土地利用動態(tài)度

單一土地利用動態(tài)度(K)可定量描述區(qū)域某種土地利用類型在一定時間范圍內(nèi)的變化情況，反映其動態(tài)變化速度，對比較土地利用變化的區(qū)域變異和預測未來土地變化趨勢都具有積極的作用[10]，其表達式詳見參考文獻[11]。

2.3　土地利用程度綜合分析方法

采用劉紀元[12]提出的土地利用程度綜合分析方法，根據(jù)生態(tài)學觀點，將土地利用程度按照土地自然綜合體在社會因素影響下的自然平衡分為4級，并賦予分級指數(shù)[10]。土地利用程度綜合指數(shù)計算公式、土地利用程度變化量(Lb-a)和變化率(R)公式見參考文獻[10]和[12]。土地利用程度綜合指數(shù)表示的值域范圍為(100，400)，數(shù)值越大所表示的集約利用程度中的單一化程度越高，數(shù)值越小則反映區(qū)域內(nèi)土地利用集約程度越低，土地利用所包含的類型就越多。而土地利用程度的變化量(Lb-a)和變化率(R)，可定量揭示該范圍土地利用的綜合水平和變化趨勢。如果Lb-a>0或R>0，則表明所研究區(qū)域中的土地利用正處于發(fā)展時期，否則處于調(diào)整期甚至是衰退期。

2.4　土地利用轉(zhuǎn)移矩陣

轉(zhuǎn)移矩陣能夠具體的反映土地利用變化的結(jié)構(gòu)特征和各類型之間的轉(zhuǎn)移方向，是定量分析地類間相互轉(zhuǎn)移的常用方法[13]。該方法來源于系統(tǒng)分析中對系統(tǒng)狀態(tài)與狀態(tài)轉(zhuǎn)移的定量描述[14]。其中，二維矩陣應用最為廣泛，其數(shù)學形式為：

式中：Aij——面積；n——土地利用類型數(shù)；i，j——研究初期與末期的土地利用類型；Sij——研究期內(nèi)第i類土地轉(zhuǎn)化為第j類土地的面積。

2.5　主成分分析

主成分分析是利用降維的思想，把原來具有錯綜復雜的變量歸納為少數(shù)幾個綜合變量，其中每個主成分都是原始變量的線性組合，各主成分之間互不相關(guān)，從而實現(xiàn)以少數(shù)幾個綜合變量反映原始變量的絕大部分信息，且所含的信息互不重疊[15]。主成分分析的具體步驟為： (1) 對原始數(shù)據(jù)進行標準化處理; (2) 計算相關(guān)系數(shù)矩陣；(3) 計算特征值和特征向量； (4) 計算主成分貢獻率和累計貢獻率； (5) 計算主成分因子載荷

3結(jié)果與分析

3.1　土地利用變化特征分析

3.1.1土地利用程度變化特征分析依據(jù)土地利用綜合分析方法得到1980—2010年秦淮河流域土地利用程度綜合指數(shù)、變化量、變化率(表1)。從表1中可以發(fā)現(xiàn)土地利用綜合指數(shù)在[294.23,305.88]范圍內(nèi)，土地利用程度較高。同時也可以看出30 a來區(qū)域土地利用程度有所上升，有1980的294.23到2010年的305.88，增加了11.65，說明研究區(qū)土地利用處于發(fā)展上升期。1995—2005年土地利用程度變化不大，2005—2008年土地利用程度綜合指數(shù)由299.42上升到305.6，土地利用程度迅速加大。說明2005年之后，該區(qū)域的土地利用程度較1980—2005的土地利用程度加大。

表1　秦淮河流域1980-2010年土地利用

3.1.2土地利用結(jié)構(gòu)及其類型轉(zhuǎn)移變化特征根據(jù)1980，1995，2000，2005，2008，2010年6期不同土地利用類型的面積變化幅度來揭示研究區(qū)土地利用變化的結(jié)構(gòu)特征?；贏rcGIS平臺空間分析與統(tǒng)計功能和土地利用動態(tài)度計算公式，按土地利用類型的分類分別進行計算和統(tǒng)計(表2)。同時根據(jù)上述土地利用動態(tài)變化分析得出，2005年是秦淮河流域土地利用變化的分界點。因此，在GIS技術(shù)的支持下，將1980與2005，2005與2010年的土地利用分類圖分別進行疊加得到秦淮河流域土地利用類型之間在空間和數(shù)量上的轉(zhuǎn)移矩陣，從而判別轉(zhuǎn)移特征。從表2分析得出，秦淮河流域土地利用類型以耕地、林地、建設用地和水域為主，共占全區(qū)土地利用總面積的99.73%以上。20世紀80年代，秦淮河流域的各類土地利用面積大小排序為：耕地>林地>建設用地>水域；從20世紀90年代至今，秦淮河流域的各類土地利用面積大小排序為：耕地>建設用地>林地>水域。從土地利用類型轉(zhuǎn)移矩陣同樣發(fā)現(xiàn)流域土地利用轉(zhuǎn)移主要發(fā)生在建設用地和其他各類型間，而其他各類型之間轉(zhuǎn)移不明顯。這與胡和冰所研究的南京市棲霞區(qū)的九鄉(xiāng)河流域有所差異，該研究結(jié)果表明九鄉(xiāng)河流域土地利用轉(zhuǎn)移主要發(fā)生在耕地和其他各類型之間[16]。進一步研究發(fā)現(xiàn)建設用地的增加主要源于耕地的轉(zhuǎn)入，其次是林地、水域。其中，1980—2005年耕地、林地、水域分別向建設用地轉(zhuǎn)出140.62，5.26和2.19 km2，轉(zhuǎn)出率分別達7.45%，1.63%，1.95%；而2005—2010年，耕地、林地、水域分別向建設用地轉(zhuǎn)出170.01，15.24，4.97 km2，轉(zhuǎn)出率分別達9.83%，4.81%，3.86%。1980—2005年建設用地轉(zhuǎn)出總量僅為1.232 km2，2005—2010年建設用地轉(zhuǎn)出總量為23.06 km2。近5 a建設用地主要轉(zhuǎn)為耕地和林地，轉(zhuǎn)出率分別為4.14%(18.03 km2)和0.71%(3.11 km2)，這可能與農(nóng)村居民點的拆遷或者小區(qū)建設綠化有關(guān)?？v觀1980—2010年的土地利用變化，城鄉(xiāng)工礦居民用地面積增加了314.37 km2，面積翻了1倍多，建設用地的轉(zhuǎn)入量大于轉(zhuǎn)出量；而耕地面積由1980年的1 887.58 km2(72.21%)減少到2010年的1 567.63 km2(59.97%)，耕地的轉(zhuǎn)出量大于轉(zhuǎn)入量。綜合上述分析我們可以得出近30 a來秦淮河地區(qū)的城市建設用地的增加主要來源于耕地。并且2005—2010年建設用地的轉(zhuǎn)入量明顯高于1980—2005年，說明2005年之后秦淮河流域的城市化進程速度加快。

1980—2010年秦淮河流域土地利用變化最大的類型是未利用地，年變化率達到5.77%，其次是城鄉(xiāng)工礦居民用地，年變化率為3.63%，耕地和水域的年變化率相差不大，但是變化方向相反，分別是-0.57%和0.49%，林地和草地土地利用類型均有輕微減少。未利用地在1980—2005年沒有明顯變化，而在2005—2010年迅速的增加，總面積翻了2.73倍，其中50.62%的未利用地來自于林地，23.22%的未利用地來自于耕地。經(jīng)過實地調(diào)查發(fā)現(xiàn)，2005年大量的土地被征收用于開發(fā)建設，但受到政策或外部其他因素的影響建設中途被中斷，這部分處于半開發(fā)狀態(tài)的土地不能再用于耕地，也不能建設，土地便被閑置起來。總體而言，1980—2010年，隨著秦淮河流域經(jīng)濟快速發(fā)展和城市化進程的推進，城鄉(xiāng)工礦居民用地、水域、未利用地面積大量增加，草地、耕地、林地面積減少。尤其是2005—2008年，經(jīng)濟社會的發(fā)展使研究區(qū)的土地利用結(jié)構(gòu)發(fā)生較大的變化，城鄉(xiāng)工礦居民用地、未利用地面積呈明顯的增加趨勢。

表2　秦淮河流域1980-2010年土地利用結(jié)構(gòu)變化

注: 單一土地利用動態(tài)度(K)可定量描述區(qū)域某種土地利用類型在一定時間范圍內(nèi)的變化情況，反映其動態(tài)變化速度。

3.2　土地利用變化的驅(qū)動因子分析

3.2.1驅(qū)動因子的選取土地利用變化是不同土地利用需求和土地利用類型的耦合，是當今經(jīng)濟社會中最活躍和最普遍的現(xiàn)象[17]。要了解土地利用為什么變化和如何變化,首先要弄清楚土地利用變化的驅(qū)動因素。土地利用變化的驅(qū)動因子可以概括為自然因素和人為因素綜合作用的結(jié)果。但是,李曉兵[18]研究認為在有限的時間尺度內(nèi)，人類活動所引起的土地利用變化幅度超過了自然因素引起的的土地利用變化幅度。Kasperson研究指出，在環(huán)境典型帶，土地利用/覆被動態(tài)變化中,人類方面的驅(qū)動力因素有：人口、技術(shù)水平、富裕程度、政治經(jīng)濟結(jié)構(gòu)、信任與態(tài)度。韓麗認[19]為秦淮河流域土地利用的自然限制性條件較少，在短時間尺度內(nèi)影響秦淮河流域土地利用變化的主要驅(qū)動力因素是經(jīng)濟因素，比如人口、經(jīng)濟、城市化政策制度等。鑒于此，本研究綜合已有的成果從1980—2010年南京統(tǒng)計年鑒資料中選取影響秦淮河流域土地利用變化的總?cè)丝凇⑥r(nóng)業(yè)人口、GDP、人均GDP、農(nóng)業(yè)總產(chǎn)值(萬元)、工業(yè)總產(chǎn)值(萬元)、農(nóng)民人均純收入、城市居民人均可支配收入、全社會固定資產(chǎn)投資(億元)、城鎮(zhèn)固定資產(chǎn)投資(億元)、城市居民消費價格指數(shù)、財政收入、財政支出、實際使用外資、農(nóng)作物總播種面積、社會消費品零售總額(億元)、實際灌溉面積、城市化率等18個分析因子進行主成分分析。

3.2.2驅(qū)動力定量分析利用秦淮河地區(qū)1980—2010年社會經(jīng)濟驅(qū)動因素變量的數(shù)據(jù)進行因子分析、采用方差最大正交旋轉(zhuǎn)方法之后，本文選取的是特征值大于1的兩個主因子。從表3中可以看到，其累計解釋方差量已經(jīng)達到94.43%，因此足以代表原始變量所包含的絕大部分信息。主因子載荷的絕對值大小反映了載荷的顯著程度，符號反映了影響的方向。根據(jù)表3中顯示的主因子載荷，第一主成分代表戶籍總?cè)丝?萬人)、農(nóng)業(yè)人口、GDP(億元)、人均GDP、農(nóng)業(yè)總產(chǎn)值、工業(yè)總產(chǎn)值(萬元)農(nóng)民人均純收入、城市居民人均可支配收入、全社會固定資產(chǎn)投資(億元)、城鎮(zhèn)固定資產(chǎn)投資(億元)、財政收入(億元)、財政支出、社會消費品零售總額(億元)、實際使用外資(億美元)、城市化率，占原始方差的87.97%，這些指標反映了人口、農(nóng)業(yè)及經(jīng)濟發(fā)展水平，可概括為人口、經(jīng)濟和農(nóng)業(yè)的作用；城市居民消費價格指數(shù)在第二主成分的中的載荷比較高，這個指標反映了人民生活水平的提高，可概括為經(jīng)濟發(fā)展的作用?？梢姡鼗春痈刈兓闹饕?qū)動力是社會經(jīng)濟發(fā)展、人口增長及人民生活水平提高。

表3　主因子載荷

4結(jié) 論

(1)研究區(qū)30 a內(nèi)土地利用結(jié)構(gòu)發(fā)生了較大的變化。建設用地面積逐年增加，耕地面積逐年減少，30 a間建設用地面積翻了一倍還多。2005年之后城市化進程加快，建設用地和未利用地面積大幅度增加。

(2) 研究區(qū)30 a來土地利用程度有所上升。1995—2005年土地利用程度變化不大，2005—2010年土地利用程度迅速加大，表明該階段土地開發(fā)利用程度較大。

(3) 流域土地利用轉(zhuǎn)移主要發(fā)生在建設用地和其他各類型間，而其他各類型之間轉(zhuǎn)移不明顯。研究區(qū)內(nèi)建設用地的增加主要源于耕地的轉(zhuǎn)入，其次是林地、水域。但是，2005年之后未利用地迅速的增加，主要源于林地的轉(zhuǎn)入，其次是耕地。

(4) 導致研究區(qū)耕地數(shù)量減少、建設用地增加的驅(qū)動力主要是經(jīng)濟發(fā)展和人口增長。人口非農(nóng)化的增長和經(jīng)濟發(fā)展必然會導致城鎮(zhèn)工礦用地的增加、農(nóng)業(yè)產(chǎn)業(yè)結(jié)構(gòu)調(diào)整，便引起土地利用方式之間的變化。

[參考文獻]

[1]Song Yan, Ding Chengruui. Smart urban growth for China[C]. Cambridge, Massachusetts: Lincoln Institute of Land Policy, 2009:131-150.

[2]Yu Wanhui, Zang Shuying, Wu Changshan,et al. Analyzing and modeling land use land cover change(LUCC) in the Daqing City, China[J]. Applied Geography, 2011,31(2):600-608.

[3]Miserendino M L, Casaux R, Archangelsky M, et al. Assessing land-use effects on water quality, in-stream habitat, riparian ecosystems and biodiversity in Patagonian northwest streams[J]. Science of the Total Environment, 2011,409(3),612-624.

[4]Du Jinkang, Li Qian, Rui Hanyi, et al. Assessing the effects of urbanization on annual runoff and flood events using an integrated hydrological modeling system for Qinhuai River basin, China[J]. Journal of Hydrology, 2012,464(5):127-139.

[5]Turner B L, Skole D, Sanderson S, et al. Land-use and Land-cover Change: Science/research Plan[R]. IGBP & IHDP, 1995.

[6]蔡運龍.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,2001,20(6):645-652.

[7]朱會義,何書金,張明.環(huán)渤海地區(qū)土地利用變化的驅(qū)動力分析[J].地理研究,2001,20(6):669-678.

[8]王艷君,呂宏軍,施雅風,等.城市化流域的土地利用變化對水文過程的影響[J].自然資源學報,2009,24(1):30-36.

[9]許有鵬,丁瑾佳,陳瑩.長江三角洲地區(qū)城市化的水文效應研究[J].水利水運工程學報,2009(4):67-73.

[10]李傳哲,于福亮,劉佳,等.近20 a來黑河流域干流中游地區(qū)土地利用/覆被變化及驅(qū)動力定量研究[J].自然資源學報,2011,26(3):353-363.

[11]朱會議,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[J].地理學報,2001,56(3):253-260.

[12]劉紀遠.西藏自治區(qū)土地利用[M].北京:科學出版社,1992.

[13]朱會義,李秀彬,關(guān)于區(qū)域土地利用變化指數(shù)模型方法的討論[J].地理學報,2003,58(5):643-650.

[14]徐嵐,趙后羿.馬爾科夫過程預測東陵區(qū)土地利用格局的變化[J].應用生態(tài)學,1993,4(3):272-277.

[15]朱星宇,陳勇強.SPSS多元統(tǒng)計分析方法及應用[M].北京:清華大學出版社,2011.

[16]胡和兵.城市化背景下流域土地利用變化及其對河流水質(zhì)影響研究[D].江蘇 南京:南京師范大學,2013.

[17]張俠,葛向東,濮勵杰,等.土地利用的經(jīng)濟生態(tài)位分析和耕地保護機制研究[J].自然資源學報,2002,17(6):677-683.

[18]李曉兵.國際土地利用/土地覆蓋變化的環(huán)境影響研究[J].地球科學進展，1999,14(4):395-400.

[19]韓麗.流域土地利用變化及水文效應研究[D].江蘇 南京:河海大學,2007.

Land Use Change and Its Driving Mechanism in Qinhuai River Watershed During 1980-2010

MA Xiaoxue, BIAN Zihao, LI Na, LI Yongtai, ZHAO Jing, ZENG Chunfen, WANG Lachun

(SchoolofGeographicandOceanographicSciences,NanjingUniversity,Nanjing，Jiangsu210093,China)

Abstract：[Objective] Land use change and its driving mechanism in Qinhuai River watershed during 1980—2010 were illustrated to provide a scientific basis for ecological economic sustainable development and watershed management. [Methods] Land use conditions of Qinhuai River watershed in 1980, 1995, 2000, 2005, 2008, 2010 were investigated by GIS thematic map and overlaying analysis. The characteristics of land use/cover change were acquired based on the conversion matrix of land-use change from 1980 to 2010. By social statistic data analysis, driving forces of land use change were further discussed in Qinhuai River watershed. [Results] Compared with the rapidly increasing of building area, the gross area of cropland, grasslands and forest lands were decreasing. There is an obvious temporal difference for land use change, and the greatest changes took place from 2005 to 2008. The increased area of building were conversed from croplands, forest lands and water bodies. The main driving forces of land use change in the study area were economic development, population growth and elevation of living standard. [Conclusion] Urbanization is the main driving force that result to the increasing of construction land and decreasing of arable land.

Keywords:land use/cover change; urbanization; principal component analysis; driving forces

文獻標識碼：A

文章編號：1000-288X(2015)06-0272-05

中圖分類號：F301.24

通信作者：王臘春(1963—),男(漢族),江蘇省南京市人,博士,教授，博士生導師,主要從事水文學水資源等方面的研究。E-mail:wang6312@nju.edu.cn。

收稿日期：2014-09-01修回日期：2014-10-22

資助項目：江蘇省水利科技項目“城市化與人類活動對城市河道水文及水環(huán)境的影響：以秦淮新河為例”(2014050); 江蘇省研究生培養(yǎng)創(chuàng)新工程 (KYZZ_0031)

第一作者：馬小雪(1986—),女(漢族),山東省濰坊市人,博士研究生,研究方向為水文水資源。E-mail:maxiaoxue029@126.com。