武鵬 郭偉玲

摘要 以山西省呂梁市離石區(qū)作為研究對象，選擇2008—2017年五幅遙感影像圖，使用ENVI、ArcGIS軟件，對影像進(jìn)行預(yù)處理以及監(jiān)督分類，獲取離石區(qū)5年的土地利用分類信息。通過土地利用變化轉(zhuǎn)移矩陣、線性分析等方法對影響離石區(qū)土地利用變化的人文因素和自然因素2個方面進(jìn)行分析。結(jié)果表明，離石區(qū)最主要的土地類型為耕地和林地，2008—2017年林地面積減少了46.59 km2，耕地面積減少了53.17 km2，裸地面積增加了14.77 km2，建筑用地面積增加了92.19 km2，河流面積減少了7.21 km2。在這期間，耕地、林地、裸地主要轉(zhuǎn)化為建筑用地，耕地與林地之間也存在相互轉(zhuǎn)換關(guān)系。從驅(qū)動力因素來看，離石區(qū)GDP、人口、第一產(chǎn)業(yè)產(chǎn)值、第二產(chǎn)業(yè)產(chǎn)值、第三產(chǎn)業(yè)產(chǎn)值對土地利用變化均有相關(guān)關(guān)系，離石區(qū)的地質(zhì)地貌也對土地變化有所影響。

關(guān)鍵詞 土地利用變化;驅(qū)動力因素;土地利用轉(zhuǎn)移矩陣;離石區(qū)

中圖分類號 F 301.2? 文獻(xiàn)標(biāo)識碼 A

文章編號 0517-6611（2021）16-0086-04

doi：10.3969/j.issn.0517-6611.2021.16.023?? 開放科學(xué)（資源服務(wù)）標(biāo)識碼（OSID）：

Analysis of Land Use Change and Driving Factors in Lishi District from 2008 to 2017

WU Peng，GUO Wei-ling （College of Spatial Information and Surveying and Mapping Engineering，Anhui University of Science and Technology，Huainan，Anhui 232000）

Abstract This paper selected Lishi District of Lüliang City，Shanxi Province as the research object， and selected five remote sensing image maps from 2008 to 2017，and ENVI and ArcGIS software were used to preprocess and supervise the images to obtain land use classification information in Lishi District for 5 years.Through land use change transfer matrix， linear analysis and other methods， the two aspects of human factors and natural factors that affected land use changes in Lishi District were analyzed.The result showed that the most important types of land in the off-stone areas were arable land and woodland. During 2008-2017， the area of forest land decreased by 46.59 km2， the area of cultivated land decreased by 53.17 km2， the area of bare land increased by 14.77 km2， the area of construction land increased by 92.19 km2， and the river area decreased by 7.21 km2.During this period， cultivated land， woodland and bare land were mainly converted into construction land， and there was also a mutual conversion relationship between cultivated land and woodland. From the perspective of driving factors， Lishi Districts GDP， population， output value of the primary industry， output value of the secondary industry and output value of the tertiary industry were all related to land use changes， and the geology and landforms of Lishi District also affected land changes.

Key words Land use change;Driving factors;Land use transfer matrix;Lishi District

土地利用變化是全球環(huán)境變化與可持續(xù)發(fā)展研究的重要內(nèi)容。土地資源是人類社會賴以生存和發(fā)展的物質(zhì)基礎(chǔ)，作為一種重要的基礎(chǔ)性資源，其利用變化不僅影響著社會經(jīng)濟(jì)的發(fā)展，同時也對生態(tài)環(huán)境有著深刻的影響，尤其是生物多樣性和生態(tài)系統(tǒng)的服務(wù)功能。21世紀(jì)以來，隨著全球化的進(jìn)程不斷加深，在可持續(xù)發(fā)展戰(zhàn)略的主題下，如何更加合理地利用土地資源，充分發(fā)揮土地資源優(yōu)勢已經(jīng)成為全球研究的熱點(diǎn)[1]。土地變化可以直觀地呈現(xiàn)自然條件的變化和人類活動的程度，深入了解土地利用變化及驅(qū)動力因素不僅為揭示全球生態(tài)系統(tǒng)提供依據(jù)，更為改善區(qū)域環(huán)境及合理配置土地資源提供理論支持和實踐指導(dǎo)。因此，要時刻關(guān)注土地利用的整體動向，并進(jìn)行歸納和調(diào)整，從而形成一種較為合理的土地利用，并且合理的土地利用也符合新常態(tài)下地區(qū)發(fā)展的基本要求[2]。

近年來，前人在土地利用變化方面進(jìn)行了大量的研究，越來越多的學(xué)者更加側(cè)重對于典型縣域的研究[3-8]，如陰柯欣等[3]研究了寧夏涇源縣的土地利用變化情況，是對限制開發(fā)區(qū)土地利用研究的完善;賀承偉等[4]探究了雄安新區(qū)土地利用變化的空間形式和土地利用資源的變化情況，為優(yōu)化該地區(qū)的土地結(jié)構(gòu)提供了科學(xué)參考;李超等[5]對渭北黃土高原禮泉縣土地利用覆蓋變化狀況進(jìn)行分析，對于區(qū)域發(fā)展的土地資源具有指導(dǎo)作用。盡管土地利用變化的研究取得了許多成果，但是關(guān)于經(jīng)濟(jì)轉(zhuǎn)型發(fā)展對土地利用變化影響的研究相對較少。離石區(qū)作為產(chǎn)煤大區(qū)，近10年來推進(jìn)轉(zhuǎn)型發(fā)展，積極擺脫對煤產(chǎn)業(yè)的依賴，環(huán)境尤為改善?？梢灶A(yù)見在新的發(fā)展?fàn)顩r下，土地利用變化必然會出現(xiàn)新的特征和發(fā)展趨勢，因此，開展離石區(qū)土地利用變化的研究具有重要的理論和實踐意義。

1 資料與方法

1.1 研究區(qū)概況

離石區(qū)地處山西省西部、呂梁山脈中段西側(cè)，地理坐標(biāo)為37°21′～37°42′N、110°55′～111°35′E，是整個呂梁市的地理中心，是呂梁市政府駐地，呂梁市政治、文化和交通中心（圖1）。離石城區(qū)位于區(qū)境腹地偏西南的東川河、北川河交匯外，海拔920～940 m。離石區(qū)屬于溫帶大陸性氣候區(qū)，冬寒夏暑，四季分明。全區(qū)下轄7個街道、2個鎮(zhèn)和3個鄉(xiāng)，行政區(qū)域總面積1 324 km2，總?cè)丝?3.56萬。

1.2 數(shù)據(jù)來源

該研究所涉及的數(shù)據(jù)包括數(shù)字影像數(shù)據(jù)、離石區(qū)邊界數(shù)據(jù)、社會經(jīng)濟(jì)數(shù)據(jù)等。其中數(shù)字影像數(shù)據(jù)來源于地理空間數(shù)據(jù)云網(wǎng)站，包括2008、2011、2014年3期Landsat TM影像，2015、2017年Landsat OLI 2期遙感影像，空間分辨率均為30 m。圖像為不同年相近日的數(shù)據(jù)，可一定程度上減少季節(jié)性的影響，且所有影像云量均很少，減少了大氣對影像產(chǎn)生的影響。社會經(jīng)濟(jì)數(shù)據(jù)來源于2008—2017年離石區(qū)統(tǒng)計年鑒、各縣區(qū)社會發(fā)展統(tǒng)計公報等。

1.3 研究方法

1.3.1 監(jiān)督分類。

利用ENVI遙感圖像處理平臺對收集的5期遙感影像數(shù)據(jù)進(jìn)行了輻射定標(biāo)、大氣校正、幾何校正等預(yù)處理[9]，進(jìn)而根據(jù)研究區(qū)矢量邊界進(jìn)行裁剪，最后進(jìn)行監(jiān)督分類[10]。該研究將研究區(qū)土地利用類型進(jìn)行劃分，其主要分為林地、耕地、裸地、建筑用地、河流5個類型[11]，綜合評價精度為98.4%，達(dá)到實際應(yīng)用要求的85%的分類識別精度目標(biāo)。

1.3.2 土地利用轉(zhuǎn)移矩陣。

土地利用轉(zhuǎn)移矩陣反映各類土地利用類型之間的轉(zhuǎn)換情況[12]，它既可以反映研究期內(nèi)各類土地利用類型的轉(zhuǎn)移變化情況，又可以反映出研究期末各土地利用類型的來源與結(jié)構(gòu)。其數(shù)學(xué)形式[13]如下：

A=S 11…S 1n

S n1…S nn（1）

式中，S為土地利用轉(zhuǎn)移矩陣;i、j（i，j=1，2，…，n）分別為轉(zhuǎn)移前和轉(zhuǎn)移后的土地利用類型;n為轉(zhuǎn)移前后的土地利用類型數(shù);S ij表示轉(zhuǎn)移前的i地類轉(zhuǎn)換成轉(zhuǎn)移后的j 地類的面積。

1.3.3 土地利用動態(tài)度。該研究運(yùn)用土地利用變化單一動態(tài)度反映離石區(qū)在研究時段內(nèi)某土地類型轉(zhuǎn)變?yōu)槠渌恋乩妙愋偷乃俣萚14]，主要從研究時段內(nèi)土地利用變化的結(jié)果上，展現(xiàn)出土地利用變化的劇烈程度，數(shù)值越大，說明土地利用變化的速度越快，程度越劇烈。土地利用變化單一動態(tài)度計算公式[15]如下：

R=U b-U aU b×1T×100%（2）

式中，U ?a、U b分別表示某種土地利用類型原始數(shù)量與末期數(shù)量;T表示研究的時間，以年計算;R表 示某種土地利用類型的年變化率。

1.3.4 土地利用變化幅度。該研究通過對離石區(qū)的遙感影像圖提取出來的土地利用類型進(jìn)行統(tǒng)計，計算土地利用變化幅度[16]，以此反映離石區(qū)內(nèi)不同土地類型在總量上的變化，了解區(qū)域內(nèi)各種土地的總體變化趨勢。土地利用的數(shù)學(xué)表達(dá)式如下：

K T=U b-U aU a×100%（3）

式中，U b為研究開始階段某一種土地類型的面積;U a為研究末某一種土地利用類型的面積;K T為研究時 段內(nèi)土地利用類型的變化幅度。

2 結(jié)果與分析

2.1 離石區(qū)土地利用變化分析

2.1.1 土地利用結(jié)構(gòu)變化。從圖2可以看出，2008—2017年離石區(qū)土地利用中占比較大的主要是林地和耕地，分別占總面積的35%和42%，是離石區(qū)最主要的土地類型;其中面積最小的為河流區(qū)域，占總面積的0.5%。各個土地類型面積占比由大到小依次為耕地、林地、裸地、建筑用地、河流?？傮w上看，耕地和林地以及河流面積呈下降趨勢，建筑用地面積一直在增加。變化量最大的面積就是建筑用地面積，增加了92.19? km2，變化量最小的為河流面積，減少了7.20 km2。

2.1.2 土地利用轉(zhuǎn)移矩陣分析。

將研究區(qū)5期的土地利用數(shù)據(jù)進(jìn)行空間疊加，構(gòu)建出2008—2011、2011—2014、2014—2015和2015—2017年4個時間段的土地利用轉(zhuǎn)移矩陣。以2015—2017年的土地利用轉(zhuǎn)移矩陣為例進(jìn)行分析。從表1可以看出，離石區(qū)2015—2017年林地轉(zhuǎn)出的方向為耕地和建筑用地，轉(zhuǎn)出面積分別為84.33和1.29 km2;耕地的轉(zhuǎn)出方向為林地、裸地和建筑用地，轉(zhuǎn)出面積分別為89.21、14.91、55.97 km2;裸地的主要轉(zhuǎn)出方向為耕地和建筑用地，轉(zhuǎn)出面積分別為14.28和39.06 km2;建筑用地的轉(zhuǎn)出方向為林地、耕地、裸地、河流，轉(zhuǎn)出面積分別為7.84、16.27、14.44、1.32 km2。其中，耕地的轉(zhuǎn)入轉(zhuǎn)出量最大，這是由于一方面中心城市的快速建設(shè)使得土地權(quán)屬變更，耕地面積轉(zhuǎn)變?yōu)槠渌恋仡愋停こ陶加昧舜蟛糠指?另一方面，耕地面積減少，農(nóng)民的收入下降，再加上對林業(yè)法律法規(guī)的意識不大，大肆開荒種地，雖然增加了耕地面積卻也對林地造成了破壞。

2.1.3 土地利用動態(tài)度分析。

根據(jù)土地變化動態(tài)度模型，分別計算2008—2011、2011—2014、2014—2015和2015—2017年4個時間段內(nèi)離石區(qū)土地變化動態(tài)度。對離石區(qū)2008—2017年土地利用變化進(jìn)行單一動態(tài)度分析，結(jié)果發(fā)現(xiàn)（表2），在2008—2011年，林地和裸地的增加速度分別為2.78%和8.71%;而耕地、建筑用地、河流的面積減少了，其中耕地下降最快，降速為5.19%，建筑用地下降最慢，降速僅有0.67%。在2011—2014年，林地的變化率下降最快，降速為12.57%，其次是河流，降速為4.89%;耕地、裸地和建筑用地的變化率呈上升趨勢，上升速度分別為4.40%、7.39%、6.43%。在2014—2015年，裸地有大幅度的減少，河流面積下降速度極快，主要是由于新城區(qū)建設(shè)，使得二者的面積急劇減少，耕地的面積基本無變化，林地的增加速度為10.23%。在2015—2017年，變化率最大的是建筑用地面積，增加了14.17%，其次是裸地，持續(xù)減少變化率為8.83%，可見離石區(qū)的城鎮(zhèn)化速度持續(xù)加快，經(jīng)濟(jì)的發(fā)展特別是工業(yè)發(fā)展迅速，造成了建設(shè)用地急速擴(kuò)張。

2.1.4 土地利用幅度分析。從表3可以看出，2008—2017年變化幅度最大的是建筑用地，這是由于經(jīng)濟(jì)的快速發(fā)展和人口的不斷增長，人們渴求更好的生活條件和精神需求，基礎(chǔ)設(shè)施不斷完善，裸地逐漸開發(fā)，建筑面積不斷擴(kuò)大，再加上政府一直在致力于開發(fā)新城區(qū)建設(shè)，極大地增加了建筑用地。

在2008—2011年，耕地、建設(shè)用地、河流的面積在減少，變化幅度分別為-14.3%、-2.9%、-4.9%，這一時期，由于退耕還林的影響，耕地面積大幅減少，使得林地和裸地的面積產(chǎn)生較大的擴(kuò)張。在2011—2014年，林地和河流的面積大幅下降，變化幅度分別為-27.4%、-12.8%，這是由于人口的持續(xù)增長使得建設(shè)用地面積增長，同時發(fā)展農(nóng)業(yè)也需要大量的耕地面積，這就使得不得不采伐森林直接導(dǎo)致了林地面積的下降;耕地、裸地、建筑用地的變化幅度分別為15.2%、28.5%、23.9%。在2014—2015年，耕地面積基本無變化，裸地和河流的變化幅度均較大，分別為-24.1%、-67.3%，裸地的減少主要是因為房屋建設(shè)和退耕還林項目的實施。在2015—2017年，變化幅度最大的是建設(shè)用地，增加了39.5%，這是由于人口的增加和經(jīng)濟(jì)的發(fā)展，基礎(chǔ)設(shè)施不斷完善，裸地逐漸開發(fā)，大量的土地逐漸轉(zhuǎn)變?yōu)榻ㄖ玫兀沁@也造成了耕地的流失，這時期耕地減少了7.8%。

2.2 驅(qū)動力因素分析

根據(jù)表4，2008—2017年從整體上看離石區(qū)的經(jīng)濟(jì)實現(xiàn)了飛速發(fā)展，但2011年卻是離石區(qū)GDP最高的一年，為894 061萬元，從表4可以看出是由于第二產(chǎn)業(yè)產(chǎn)值在這一時期出現(xiàn)了暴漲。2011—2014年GDP斷崖式下滑，2015年依舊在下降，直到2017年才開始回升，這種現(xiàn)象還是由于煤炭產(chǎn)業(yè)的變化。2002年以后，煤炭行業(yè)迎來“黃金十年”的發(fā)展期，煤炭成為國有、民營企業(yè)的掘金之地。特別是2008—2011年，產(chǎn)能增加，煤價瘋漲，作為產(chǎn)煤大區(qū)，離石區(qū)引來了高速發(fā)展的黃金時期。但是由于大量資金投入煤炭行業(yè)，煤炭行業(yè)出現(xiàn)嚴(yán)重的供大于求和良莠不齊，受能源結(jié)構(gòu)變化、生態(tài)環(huán)境約束的影響，煤炭市場需求回落，庫存居高不下，煤炭行業(yè)盈利水平大幅回落，經(jīng)濟(jì)效益下降，煤炭行業(yè)出現(xiàn)虧損，占到離石區(qū)60%GDP的煤炭行業(yè)不景氣，導(dǎo)致整個區(qū)經(jīng)濟(jì)開始下滑。離石區(qū)的這種變化必將對研究該地區(qū)的土地利用變化產(chǎn)生深刻影響。

2.2.1 經(jīng)濟(jì)因素。通過對離石區(qū)5種土地類型耕地、林地、裸地、建設(shè)用地、河流進(jìn)行驅(qū)動力研究，選取了離石區(qū)GDP、人口數(shù)量、第一產(chǎn)業(yè)產(chǎn)值、第二產(chǎn)業(yè)產(chǎn)值、第三產(chǎn)業(yè)產(chǎn)值作為驅(qū)動力因子進(jìn)行線性分析，對離石區(qū)氣候降水、地質(zhì)地貌進(jìn)行定性分析。其中，相關(guān)性較高的有耕地與GDP呈負(fù)相關(guān)，相關(guān)系數(shù)為-0.91，林地與第二產(chǎn)業(yè)產(chǎn)值的相關(guān)系數(shù)為0.89，裸地與第一產(chǎn)業(yè)產(chǎn)值的相關(guān)系數(shù)為0.64，建筑面積與第三產(chǎn)業(yè)產(chǎn)值的相關(guān)系數(shù)為0.82，河流與第三產(chǎn)業(yè)產(chǎn)值的相關(guān)系數(shù)為-0.81。

從圖3可以看出，2008—2017年離石區(qū)GDP增加了283 707萬元，耕地面積減少了53.173 8 km2，主要是由于退耕還林工程的影響以及近年來城區(qū)的擴(kuò)張，建筑用地不斷增加，極大地占據(jù)了耕地的面積，導(dǎo)致了耕地面積的大量減少。同時在一段時間內(nèi)離石區(qū)經(jīng)濟(jì)主要以煤炭產(chǎn)業(yè)為主，發(fā)展煤炭產(chǎn)業(yè)極大地增加了該區(qū)域的GDP產(chǎn)值，但是不可避免地對耕地造成了嚴(yán)重破壞，短時間內(nèi)無法恢復(fù)。

從圖4可以看出，2008—2017年林地面積與第二產(chǎn)業(yè)產(chǎn)值呈正相關(guān)，主要是由于二者之間存在相互依賴、相互促進(jìn)的關(guān)系，這二者主要是基于森林面積和植被恢復(fù)的。隨著離石區(qū)林業(yè)體制的改革，林業(yè)的一些產(chǎn)業(yè)已經(jīng)進(jìn)入木材、化學(xué)產(chǎn)品制造等第二產(chǎn)業(yè)，使得林業(yè)產(chǎn)業(yè)的潛力進(jìn)一步激發(fā)。因此，若要促進(jìn)林業(yè)產(chǎn)業(yè)的生態(tài)效應(yīng)的發(fā)揮，就必須要不斷地進(jìn)行林業(yè)建設(shè)，擴(kuò)大森林的面積，增加林地的管理措施。這是一個循序漸進(jìn)的過程，林地面積的增長會使得第二產(chǎn)業(yè)產(chǎn)值也會上升。

2.2.2 自然因素。

離石區(qū)地處呂梁山腹地，地勢東部高而寬、西部低而窄，境內(nèi)山多川少。土石山區(qū)和黃土丘陵區(qū)相加占全區(qū)總面積的80%，其特征是氣候溫和干旱少雨，但發(fā)展生產(chǎn)潛能很大，是境內(nèi)雜糧生產(chǎn)區(qū);北川河由北而南，東川河由東而西流經(jīng)全區(qū)，中部是以北川和東川為主的河谷地帶，土地肥沃，水源充足，人口集中，是重要的糧食基地。因此，中部地帶是主要的建筑用地所在區(qū)，建筑用地沿中部河谷地帶擴(kuò)張。

3 結(jié)論

（1）該區(qū)域內(nèi)各種土地類型面積從大到小依次為耕地、林地、裸地、建筑用地、河流。在2008—2017年從整個研究區(qū)看，建筑用地的增加面積最大，基本呈逐年增大的趨勢，耕地、林地、河流面積整體上有所減少，裸地面積有略微增加。土地利用變化量從小到大依次為河流、裸地、林地、耕地、建筑用地。

（2）從驅(qū)動力因子來看，GDP是離石區(qū)土地利用變化的最主要因素，地形地貌也對離石區(qū)的土地利用變化有所影響，這些驅(qū)動因子共同影響了離石區(qū)的土地利用變化。

（3）對于該地區(qū)今后的土地利用應(yīng)該大力發(fā)展第三產(chǎn)業(yè)，重點(diǎn)以旅游業(yè)和服務(wù)業(yè)為主，對于第二產(chǎn)業(yè)需要響應(yīng)政府政策進(jìn)行轉(zhuǎn)型發(fā)展，農(nóng)業(yè)利用農(nóng)業(yè)技術(shù)進(jìn)行規(guī)?；a(chǎn)，三大產(chǎn)業(yè)共同發(fā)展，在對土地資源最小的破壞前提下， 獲取最大的經(jīng)濟(jì)效益。

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