蔣玉爽，唐 榕，林葉彬

（西華師范大學(xué) 國土資源學(xué)院，四川 南充 637009）

隨著近年來城市化發(fā)展，高強度國土開發(fā)建設(shè)，生態(tài)平衡與環(huán)境保護問題漸趨嚴(yán)峻，人類與土地利用之間的關(guān)系不斷惡化[1]。因此，當(dāng)前全球人類面臨的共同難題是如何協(xié)調(diào)經(jīng)濟社會發(fā)展與生態(tài)環(huán)境保護兩者之間的矛盾。土地系統(tǒng)是人類與環(huán)境之間相互作用的重要組成部分，與社會、經(jīng)濟、自然承載力等多種因素之間都存在著耦合性[2]，土地利用與土地覆蓋變化（LUCC）是全球環(huán)境變化和可持續(xù)研究的重要組成部分，已經(jīng)成為國內(nèi)外土地研究的熱點問題之一[3]。人類活動對地表環(huán)境施加影響的重要方式和響應(yīng)稱為土地利用變化[4]。通過建立數(shù)學(xué)分析模型和指標(biāo)來研究一定時期內(nèi)土地利用變化的過程，它是人類了解土地利用變化的原因、規(guī)律和過程以及揭示土地利用對人類活動的響應(yīng)程度的重要途徑和手段[5]。對其進行研究可以反映研究區(qū)土地資源的現(xiàn)狀及社會經(jīng)濟發(fā)展?fàn)顩r，從而為區(qū)域土地資源和生態(tài)環(huán)境的可持續(xù)發(fā)展提供依據(jù)[6]。面對當(dāng)前形勢嚴(yán)峻的土地資源現(xiàn)狀，要對土地進行合理規(guī)劃利用。目前，國內(nèi)外學(xué)者利用地理加權(quán)回歸、地理探測器等方法分析了全球、國家和行政區(qū)域土地利用變化對人類活動的影響[7-9]。國內(nèi)的劉紀(jì)遠(yuǎn)等[10]利用衛(wèi)星遙感圖像數(shù)據(jù)源，定期更新中國的土地利用變化數(shù)據(jù)，并開發(fā)土地利用動態(tài)區(qū)劃的研究方法，在國家層面對土地利用變化的空間格局和時空變化特征進行研究。四川省廣元市是嘉陵江重要的生態(tài)屏障和水源涵養(yǎng)地，水力、林業(yè)資源等豐富，并有國家森林城市、生態(tài)康養(yǎng)旅游名市等城市榮譽[11]，因此本文以廣元市為研究區(qū)，利用2005、2010、2015和2018年的土地利用遙感監(jiān)測數(shù)據(jù)，借助單一土地利用變化動態(tài)度、土地轉(zhuǎn)移矩陣和土地利用變化綜合指數(shù)數(shù)學(xué)方法和Arc-GIS10.2軟件從土地利用面積時空變化、轉(zhuǎn)換方向和動機等方面研究廣元市近13年土地利用變化的基本情況和空間格局，為該地區(qū)土地的合理利用提供數(shù)據(jù)支持，以期為本研究區(qū)的土地利用規(guī)劃及生態(tài)環(huán)境的可持續(xù)發(fā)展提供參考。

一、研究區(qū)概況

廣元市界于北緯31°31′～32°56′，東經(jīng)104°36'～106°45′之間，北與陜西省、甘肅省交界，南臨南充市，東西分別與巴中市、綿陽市接壤。位于四川盆地北部，地勢由北向東南傾斜，是山地向盆地過渡地帶，并處于龍門山地震帶上，地質(zhì)活動頻繁。氣候為亞熱帶濕潤季風(fēng)氣候，南部低山區(qū)冬冷夏熱，北部中山區(qū)冬寒夏涼，秋季降溫迅速。年平均氣溫16.1 ℃，七月份氣溫26.1 ℃，一月份氣溫4.9 ℃。年降雨量800～1 000 mm，日照數(shù)1 300～1 400 h，無霜期220～260 d，四季分明，旱、澇災(zāi)害頻繁[12]。廣元市植被類型為亞熱帶常綠闊葉林北部山地森林、草甸植被豐富，南部低山區(qū)以農(nóng)業(yè)植被為主，森林、草地植被為輔。全市面積1.63萬km2，下轄利州、元壩、朝天三區(qū)和蒼溪、旺蒼、劍閣、青川四個縣，總?cè)丝?03萬人，城市人口27萬人。

二、數(shù)據(jù)來源及研究方法

（一）數(shù)據(jù)來源

本研究所使用的遙感數(shù)據(jù)來源于中國科學(xué)院資源環(huán)境科學(xué)數(shù)據(jù)中心（www.resdc.cn），遙感圖像為2005、2010、2015、2018四期分辨率為1 km×1 km的Landsat TM/ETM四川省土地利用現(xiàn)狀圖像。統(tǒng)計年鑒數(shù)據(jù)來源于四川省統(tǒng)計局和廣元市統(tǒng)計局。

（二）數(shù)據(jù)處理

對四川省的行政區(qū)劃邊界利用ArcGIS10.2中的按掩膜提取工具提取出本文所需要的廣元市的土地利用現(xiàn)狀分類遙感監(jiān)測數(shù)據(jù)，并進一步對所獲得2005、2010、2015、2018年四期的廣元市土地利用現(xiàn)狀遙感監(jiān)測數(shù)據(jù)按照國家標(biāo)準(zhǔn)的《土地利用現(xiàn)狀分類》，利用ArcGIS10.2中的重分類工具將其分為耕地、林地、草地、水體、建設(shè)用地、未利用地六個一級地類，再將一級地類分為25種二級土地類型。

（三）研究方法

1.單一土地利用動態(tài)度

單一土地利用動態(tài)度一方面是對一定時期內(nèi)固定區(qū)域范圍內(nèi)不同土地利用類型變化速度和變化幅度的指標(biāo)[13-14]，另一方面，可以對數(shù)據(jù)進一步分析來預(yù)測土地利用變化的趨勢。其計算表達式為：

式（1）中：K是研究時間內(nèi)某一種土地利用類型動態(tài)度；Ua和Ub分別表示研究區(qū)開始和結(jié)束時某一土地類型的面積；T是研究期的長度，一般單位設(shè)定為年。

為了便于數(shù)據(jù)分析，本研究將持續(xù)時間分為3個階段，即2005—2010年、2010—2015年和2015—2018年。

2.土地利用轉(zhuǎn)移矩陣

土地利用空間轉(zhuǎn)移矩陣可以全面描述區(qū)域土地利用變化的結(jié)構(gòu)特征和不同土地利用類別的變化方向[15]，轉(zhuǎn)移矩陣不僅可以反映研究期開始和結(jié)束時的土地利用結(jié)構(gòu)，還可以反映研究期間各種土地利用類型的轉(zhuǎn)移狀況，即未變化、轉(zhuǎn)入、轉(zhuǎn)出的方向。該方法源于系統(tǒng)分析中狀態(tài)轉(zhuǎn)換的定量描述。轉(zhuǎn)移矩陣的數(shù)學(xué)公式為:

式（2）中：S表示面積；n表示土地類型的數(shù)目；i、j分別代表研究區(qū)域開始和結(jié)束時的各種土地類型。

3.土地利用程度綜合指數(shù)模型

土地利用程度是反映土地利用深度和廣度的指標(biāo)，也是衡量人類社會對土地資源自然綜合體人為干涉強度的指標(biāo)[16]。參照劉紀(jì)遠(yuǎn)等學(xué)者提出的土地利用程度綜合指數(shù)評價法進行分級[17]，其表達式為：

式（3）中：Lj代表研究區(qū)土地利用程度綜合指數(shù)；Ai表示研究區(qū)第i級土地利用程度分級指數(shù)；Ci是是指研究區(qū)第i個土地利用水平的土地面積百分比；n代表土地利用程度分級數(shù)，詳見表1。

表1 土地利用程度分級表

三、結(jié)果分析

（一）土地利用類型的面積變化

利用ArcGIS10.2對廣元市土地利用現(xiàn)狀遙感監(jiān)測數(shù)據(jù)進行提取、重分類以及統(tǒng)計分析，計算出各地類的面積占比及動態(tài)變化度（表2、表3）。

表3 廣元市2005—2018年土地利用動態(tài)變化度

由表2可知，2005—2018年各地類總體上表現(xiàn)為林地、水體、建設(shè)用地面積增加，耕地、草地、未利用地面積減少。各地類的變化速度和幅度差異明顯，具體表現(xiàn)為：

表2 廣元市2005—2018年土地利用類型面積統(tǒng)計

（1）耕地面積由2005年的7 214 km2到2018年的7 171 km2，減少了43 km2，其中在2005—2015年耕地面積均呈減少狀態(tài)，而2015—2018年三年間面積增加了31 km2，耕地變化速率增加至0.14%，表明耕地面積有增加趨勢。

（2）林地表現(xiàn)為2005—2010年面積增加7 km2，2010—2015年面積又縮減了11 km2，變化幅度較小，總體上呈減少狀態(tài)。而在2015—2018年林地面積增加迅速，變化率達到1.78%，面積增加了281 km2，據(jù)統(tǒng)計全市森林面積覆蓋率逐年遞增，截至2018年達到56.18%[11]。

（3）草地面積變化在2005—2015年與林地變化相似，面積處于較小幅度的波動變化。與林地不同的是，在2015—2018年草地面積大幅減少，減少了298 km2，變化速率達到?2.97%，變化顯著。

（4）水體面積變化上，2005—2015年水體面積保持穩(wěn)定增長，其中以2010—2015年增加較顯著，增加了43 km2，變化速率由0.65%變化到4.82%；而在2015—2018年水體面積略有減少，但總體上水體面積呈增加狀態(tài)。

（5）廣元市受2008年汶川大地震影響導(dǎo)致2005—2010年建設(shè)用地面積有所減少，2010—2015廣元市的建設(shè)用地面積大幅增加，增加了37 km2，變化速率由2005—2010年的?0.38%增加到7.18%，到2018年達到9.52%，面積增加了40 km2，變化最為顯著。

（6）未利用地面積呈減少趨勢，其中2005—2015年基本無變化，2015—2018年未利用地面積減少8 km2，土地利用變化率為?6.5%。

（7）各地類變化速率由大到小為：建設(shè)用地≷水域＞未利用地＞草地＞林地＞耕地，其中以建設(shè)用地增幅最大，未利用地減幅最大，在3個研究時段內(nèi)以2015—2018年變化較為顯著，表明2015年以后廣元市土地利用變化強烈。

（二）土地利用類型的轉(zhuǎn)化方向

使用軟件ArcGIS10.2的空間模塊分析對2005—2018年的土地利用/覆蓋數(shù)據(jù)進行轉(zhuǎn)移矩陣運算，獲得近13年各地類轉(zhuǎn)移變化數(shù)據(jù)并用?；鶊D來呈現(xiàn)（圖1）。

圖1 2005—2018年廣元市土地利用轉(zhuǎn)移變化圖

圖1清晰地反映了2005—2018年廣元市各地類之間轉(zhuǎn)化情況，可以看出在2005—2010年、2010—2015年兩個階段相比2015—2018年各地類間轉(zhuǎn)移變化量較小，2005—2010年以耕地的轉(zhuǎn)出最為顯著，轉(zhuǎn)出量為14 km2，主要轉(zhuǎn)化的方向為林地、草地和水體，分別占耕地轉(zhuǎn)出總量的36.36%、40.91%、18.18%，是該階段林地、草地、水體面積增加的主要來源。2010—2015年各地類間的轉(zhuǎn)化稍有增多，還是以耕地轉(zhuǎn)出面積最大（60 km2），其次為林地（11 km2）、草地（10 km2）、水域（2 km2），主要轉(zhuǎn)化方向為水體和建設(shè)用地，這可能與該階段開始區(qū)域城市化及人類活動有關(guān)。未利用地在此階段無變化。2015—2018年，各地類相互轉(zhuǎn)入、轉(zhuǎn)出較為復(fù)雜、頻繁，轉(zhuǎn)出面積由大到小依次為：耕地（2 837 km2）＞草地（1941 km2）＞林地（1931 km2）＞水體（153 km2）＞建設(shè)用地（92 km2）＞未利用地（20 km2）；轉(zhuǎn)入面積由大到小依次為：耕地（2 862 km2）＞林地（2 184 km2）＞草地（1 637 km2）＞水體（148 km2）＞建設(shè)用地（132 km2）＞未利用地（11 km2）。

（三）土地利用程度的變化

運用公式（3），得到表4廣元市2005—2018年土地利用變化綜合程度指數(shù)在245.38～246.14間，變化較小，但具有明顯提高的趨勢，尤其以2015—2018年三年間提高明顯，說明廣元市從2015年以后各鄉(xiāng)鎮(zhèn)及城市等建設(shè)用地面積開始大幅度擴展，土地集約利用程度越來越高。

表4 廣元市土地利用程度變化綜合指數(shù)

（四）驅(qū)動力分析

土地利用的時空變化過程是錯綜復(fù)雜的，其變化的驅(qū)動力主要表現(xiàn)為自然和社會經(jīng)濟因素[18]，在本文的研究時間段內(nèi)自然因素對土地利用變化產(chǎn)生影響的主要是地質(zhì)構(gòu)造因素，廣元市處在龍門山斷裂帶上，是2008年汶川地震的重災(zāi)區(qū)，災(zāi)后重建對土地利用變化有一定影響，其他的自然因素對該研究時段內(nèi)廣元市土地利用變化影響較小。而社會經(jīng)濟活動是短時間內(nèi)影響土地利用變化的主要驅(qū)動因素[19]，根據(jù)上文的分析以及廣元市2005—2018年統(tǒng)計年鑒數(shù)據(jù)，從土地利用變化有關(guān)的社會經(jīng)濟因素中選取15個指標(biāo)，分別是：代表人口狀況的X1年末總?cè)丝?、X2農(nóng)業(yè)人口、X3人口自然增長率，代表城市化水平的X4城鎮(zhèn)化率，代表產(chǎn)業(yè)結(jié)構(gòu)的X5國內(nèi)生產(chǎn)總值、X6第一產(chǎn)業(yè)占GDP比率、X7第二產(chǎn)業(yè)占GDP比率、X8第三產(chǎn)業(yè)占GDP比率，代表經(jīng)濟發(fā)展?fàn)顩r的X9農(nóng)民人均收入、X10城鎮(zhèn)居民人均收入、X11固定資產(chǎn)投資、X12糧食總產(chǎn)量、X13建筑業(yè)總產(chǎn)值及代表交通因素的X14貨物運輸量，X15旅客運輸量。

應(yīng)用SPSS 22.0軟件對所選指標(biāo)進行主成分分析來分析2005—2018年廣元市土地利用變化的驅(qū)動力，得到主成分特征值及貢獻率（表5）、主成分載荷表（表6）。

根據(jù)主成分分析中特征值＞1，累計貢獻率≥85%可做主成分的原則[20]，可在表5中提取出前3個作為主成分，其累計貢獻率已達到87.076%，滿足分析要求，進而對其進行旋轉(zhuǎn)載荷分析，得到表6主成分載荷表。

由表6可知，第一主成分與國內(nèi)生產(chǎn)總值、城鎮(zhèn)化率、城鎮(zhèn)居民收入、建筑業(yè)總產(chǎn)值、農(nóng)民人均收入、固定資產(chǎn)投資、農(nóng)業(yè)人口、人口自然增長率相關(guān)性較大；第二主成分與客運輸量、年末總?cè)丝?、貨物運輸量相關(guān)性較大；第三主成分與第一、二、三產(chǎn)業(yè)占GDP比重有較大相關(guān)性。這表明廣元市2005—2018年土地利用變化的驅(qū)動因子主要為：經(jīng)濟發(fā)展?fàn)顩r、交通運輸及旅游業(yè)的發(fā)展、人口因素，此外還有退耕還林等政策及城市發(fā)展規(guī)劃的推動作用。

1.社會經(jīng)濟發(fā)展及因素

社會經(jīng)濟發(fā)展是影響土地利用變化的重要因素之一，經(jīng)濟發(fā)展水平的提高會促進產(chǎn)業(yè)結(jié)構(gòu)的調(diào)整，加快城市化進程，從而增加建設(shè)用地需求量，提高土地的利用強度。2005—2018年廣元市處于經(jīng)濟發(fā)展階段，尤其是2015年以后經(jīng)濟快速發(fā)展，其國內(nèi)生產(chǎn)總值、第二、三產(chǎn)業(yè)占比，建筑業(yè)總產(chǎn)值、固定資產(chǎn)投資、城鎮(zhèn)化率等均呈持續(xù)增加趨勢，從而導(dǎo)致廣元市的土地利用變化表現(xiàn)為建設(shè)用地面積的增加，而建設(shè)用地的擴張大量占用耕地，使得耕地減少，通過上文分析也可知2015年以后耕地主要轉(zhuǎn)化方向為建設(shè)用地。

2.人口增長因素

廣元市2005—2018年人口自然增長率不斷增加，由2005年的0.08%增加到2018年的0.3%，與第一主成分有較大的相關(guān)性，是影響廣元市土地利用變化的驅(qū)動力之一，而農(nóng)業(yè)人口數(shù)量則不斷減少，與第一主成分呈顯著的負(fù)相關(guān)。人口的增加會導(dǎo)致建設(shè)用地的擴張，同時農(nóng)業(yè)人口減少會使得耕地撂荒繼而轉(zhuǎn)化為建設(shè)用地，從而表現(xiàn)出耕地減少、建設(shè)用地增加的土地利用變化。

3.交通運輸業(yè)、旅游業(yè)的發(fā)展因素

廣元市2005—2018年的貨運量和旅客周轉(zhuǎn)量不斷增多以及第三產(chǎn)業(yè)占GDP比率的增大，表明廣元市旅游業(yè)和交通運輸業(yè)快速發(fā)展，而旅游業(yè)的發(fā)展必然會增加旅游建設(shè)用地及其他配套設(shè)施的面積，以及許多農(nóng)村人口開始發(fā)展旅游二次產(chǎn)品，忽視了耕地的管理和投資等，這也是廣元市土地利用轉(zhuǎn)化的驅(qū)動力之一。

四、結(jié)論與討論

本研究基于遙感圖像的土地利用柵格數(shù)據(jù)，運用ArcGIS10.2多種分析功能，對廣元市的土地利用的動態(tài)變化及動因進行了分析，但由于數(shù)據(jù)獲取條件有限，并且不能實現(xiàn)實地調(diào)查，限制了更加深入的細(xì)化研究，但本研究分析也反映了近13年來廣元市土地利用變化的總體趨勢，一定程度地揭示了廣元市近年的生態(tài)環(huán)境變化及經(jīng)濟發(fā)展?fàn)顩r，主要結(jié)論如下。

（1）2005—2018年土地利用變化總體呈耕地、草地、未利用地面積減少，林地、水體、建設(shè)用地面積增加。廣元市土地利用類型仍以耕地、林地、草地三大類型為主，建設(shè)用地、未利用地占研究區(qū)域的比例小，但建設(shè)用地比例逐步增加，各地類變化速度加快，土地利用水平正在逐步提高。

（2）從廣元市土地利用類型轉(zhuǎn)換的角度看，各地類在2015年以前轉(zhuǎn)換較小，以耕地轉(zhuǎn)出為主，2015年以后出現(xiàn)較為復(fù)雜的轉(zhuǎn)入/轉(zhuǎn)出現(xiàn)象，以耕地、草地轉(zhuǎn)出，林地、建設(shè)用地轉(zhuǎn)入為主，未利用地面積開始減少。

（3）從綜合指數(shù)來看，廣元市在2015年以后土地利用程度綜合指數(shù)得到提升，土地集約利用程度越來越高。

（4）在驅(qū)動力方面，通過主成分分析表明經(jīng)濟發(fā)展?fàn)顩r、交通運輸及旅游業(yè)的發(fā)展、人口的增長等是廣元市在2005—2018年土地利用變化的主要驅(qū)動力因素。此外，自然因素及退耕還林等政策也對廣元市土地利用變化起著推動作用。