摘 要：研究山西省土地利用變化及驅(qū)動(dòng)力，為山西省戰(zhàn)略發(fā)展提供有力的科學(xué)依據(jù)。利用山西省1990、2000、2010、2020年四期土地類型數(shù)據(jù)，探究1990—2020年間山西省土地利用時(shí)空變化規(guī)律和轉(zhuǎn)移特征，并在此基礎(chǔ)上運(yùn)用地理探測(cè)器，對(duì)2020年山西省土地利用變化驅(qū)動(dòng)因素進(jìn)行分析。結(jié)果表明：（1）在山西省土地類型中，耕地、林地、草地的面積較大，30年間耕地、草地、水域、未利用地面積減少，林地、建設(shè)用地面積增加；（2）土地類型轉(zhuǎn)化主要在耕地—建設(shè)用地、草地—耕地之間；（3）在驅(qū)動(dòng)力方面，單因子中，社會(huì)經(jīng)濟(jì)要素大于自然要素，人口密度、NDVI、GDP、高程的驅(qū)動(dòng)作用較強(qiáng)；在雙因子交互作用中，坡度和NDVI、高程和NDVI的驅(qū)動(dòng)作用較強(qiáng)。

關(guān)鍵詞：土地利用變化；地理探測(cè)器；驅(qū)動(dòng)因素；山西省

中圖分類號(hào)：k902 文獻(xiàn)標(biāo)志碼：B 文章編號(hào)：2095–3305（2024）12–0-03

土地利用變化可以直接表示在自然地理活動(dòng)和社會(huì)經(jīng)濟(jì)活動(dòng)中，人類對(duì)土地的利用情況[1]，直接影響生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)價(jià)值、生態(tài)環(huán)境格局、全球氣候變化等[2]。探究土地利用變化及利用原理規(guī)律，有助于樹立正確的人地關(guān)系觀，提高生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)價(jià)值，為應(yīng)對(duì)全球氣候變化、合理配置土地資源提供科學(xué)依據(jù)[3]。

1 研究區(qū)概況

山西省位于太行山以西，黃河以東，范圍為110°14′～

114°33′E，34°34′～40°44′N，總面積約15.67萬(wàn)km2。

山西省地形復(fù)雜多樣，高原內(nèi)部起伏不平，河谷縱橫，地貌類型包括山地、丘陵、盆地和平原等。山西省屬溫帶大陸性季風(fēng)氣候，兩季分明，全省年均氣溫呈由北向南升高、由盆地向高山下降的趨勢(shì)。年降水量呈東南向西北遞減的趨勢(shì)，降水量多集中在6—8月，年平均降水量900～1 200 mm。年平均氣溫14～19 ℃，全年日照時(shí)數(shù)為1 000～1 600 h。

2 數(shù)據(jù)與方法

2.1 研究數(shù)據(jù)

土地利用數(shù)據(jù)：以山西省為研究區(qū)，選取1990、2000、2010、2020年共四期1 km×1 km柵格數(shù)據(jù)，坐標(biāo)為Krasovsky_1940_Albers。土地利用數(shù)據(jù)來(lái)源于中國(guó)科學(xué)院資源環(huán)境科學(xué)數(shù)據(jù)中心（http：//www.resdc.cn/）。土地利用數(shù)據(jù)結(jié)合我國(guó)土地利用現(xiàn)狀分類系統(tǒng)和研究目的，按照LUCC分類標(biāo)準(zhǔn)重分類劃分為耕地、林地、草地、水域、建設(shè)用地和未利用地6種。

其他數(shù)據(jù)包括高程數(shù)據(jù)、氣象數(shù)據(jù)、土壤數(shù)據(jù)等自然經(jīng)濟(jì)數(shù)據(jù)。其中，數(shù)據(jù)高程模型來(lái)自地理空間數(shù)據(jù)云（http：//www.gscloud.cn），對(duì)其進(jìn)行掩膜提取等預(yù)處理后，得到研究區(qū)DEM；氣象數(shù)據(jù)來(lái)自國(guó)家氣象科學(xué)數(shù)據(jù)中心（http：//data.cma.cn/）掩膜提取得到研究區(qū)數(shù)據(jù)；土壤類型數(shù)據(jù)源于世界土壤庫(kù)數(shù)據(jù)集（HWSD，http：//www.ncdc.ac.cn）通過(guò)字段提取。

2.2 研究方法

2.2.1 地理探測(cè)器

本研究采用因子探測(cè)器和交互探測(cè)器，因子探測(cè)器可解釋自變量（X）對(duì)因變量（Y）空間分異性的影響程度，其值用q值表示，q值大小與自變量對(duì)因變量解釋力呈正相關(guān)；而交互作用探測(cè)通過(guò)識(shí)別2個(gè)自變量形成的交互圖層，并計(jì)算交互圖層的值，值的大小用q表示，q（A）、q（B）、q（A∩B）表示單因子和交互因子的探測(cè)結(jié)果。因子探測(cè)器的表達(dá)式如下：

（1）

式（1）中，n為山西省樣本數(shù)；σ2為Y值的離散方差；l表示分區(qū)數(shù)；h為Y或X的分區(qū)，q為指標(biāo)的空間異質(zhì)性，值域范圍為[0，1]。

2.2.2 土地利用轉(zhuǎn)移矩陣

土地利用轉(zhuǎn)移矩陣可以定量、直觀地將2種或多種土地利用類型，按照時(shí)間變化呈現(xiàn)出來(lái)，包括其轉(zhuǎn)移方向和轉(zhuǎn)移量，可以利用該矩陣獲取土地變化前后特征，對(duì)后續(xù)土地變化規(guī)律作出進(jìn)一步分析[4]。矩陣數(shù)學(xué)表達(dá)形式如下：

（2）

式（2）中，Sij表示在研究時(shí)段初、末期土地利用類型i轉(zhuǎn)化j的面積（km2）改變量，研究區(qū)內(nèi)土地利用面積用n表示。該矩陣行列值分別表示轉(zhuǎn)出土地利用類型面積和轉(zhuǎn)入的土地利用類型、面積，故該行、列總數(shù)表示研究初期、末期該種土地利用類型的總面積。

3 結(jié)果與分析

3.1 土地利用結(jié)構(gòu)變化

在山西省1990—2020年土地利用數(shù)據(jù)中，選取1990、2000、2010、2020年4個(gè)關(guān)鍵時(shí)間節(jié)點(diǎn)的土地利用數(shù)據(jù)，并將這四期土地利用類型數(shù)據(jù)經(jīng)上述數(shù)據(jù)處理后進(jìn)行統(tǒng)計(jì)。

總體來(lái)看，山西省土地利用類型中，三類土地利用類型的面積較大，分別為耕地、林地、草地，三者面積之和約占總面積的94%，其次按面積統(tǒng)計(jì)由大到小排序?yàn)榻ㄔO(shè)用地、水域、未利用地，面積占比別為5%、1%、0.1%左右。

具體來(lái)看，通過(guò)比較研究區(qū)初、末期各土地類型面積可知，在6種地類中，耕地、草地、水域、未利用地面積減少，林地、建設(shè)用地面積增加。其中，耕地面積從61 233 km2減少至57 777 km2，減少量為3 446 km2；草地面積從45 524 km2減少至44 271 km2，減少量為1 253 km2；水域面積從1 760 km2減少至1 461 km2，減少量為299 km2；未利用地面積從155 km2減少至

111 km2，減少量為44 km2；林地面積從44 202 km2增加至44 438 km2，增加量為236 km2；建設(shè)用地面積從3 884 km2增加至8 690 km2，增加量為4 806 km2。

從用地類型轉(zhuǎn)化來(lái)看，研究期內(nèi)面積變化最大的地類為建設(shè)用地、耕地、草地；從時(shí)間變化上看，山西省土地利用變化主要集中在2010—2020年。地類和時(shí)間變化與山西省經(jīng)濟(jì)發(fā)展有著密切關(guān)聯(lián)，尤其與城鎮(zhèn)化推進(jìn)有關(guān)。

3.2 土地利用轉(zhuǎn)移矩陣

為了進(jìn)一步分析土地利用變化內(nèi)在過(guò)程，利用軟件ArcGIS，將1990、2020年土地利用/覆被數(shù)據(jù)空間疊加得到的30年間山西省土地利用轉(zhuǎn)移情況（表1）。首先，從總量來(lái)看，耕地面積減少，其研究期內(nèi)轉(zhuǎn)入量小于轉(zhuǎn)出量，而建設(shè)用地面積增加，其轉(zhuǎn)入量遠(yuǎn)大于轉(zhuǎn)出量，增速高達(dá)7.45%，林地草地的面積基本保持不變。其次，從土地利用轉(zhuǎn)化方向來(lái)看，用地轉(zhuǎn)化主要集中在耕地—林地—草地—建設(shè)用地之間，這4種用地類型轉(zhuǎn)化較明顯的是耕地—建設(shè)用地、草地—耕地、耕地—林草地，草地向耕地的轉(zhuǎn)化可能與20世紀(jì)90年代開墾荒地、大量發(fā)展農(nóng)業(yè)有關(guān)。而在2000—2020年，山西省黃土高原退耕還林政策的號(hào)召下，大面積耕地轉(zhuǎn)化為綠草地。

3.3 土地利用變化影響因素分析

影響土地利用變化的因素較多，結(jié)合上述分析與文獻(xiàn)[5-7]，從自然、社會(huì)維度選取9個(gè)指標(biāo)，其中，自然指標(biāo)包括土壤類型（Soil）、氣溫（Tem）、坡向（Asp）、坡度（Slo）、降水量（Pre）、高程（Ele）；社會(huì)指標(biāo)包括人口密度（Pop）、歸一化植被指數(shù)（NDVI）、GDP?；谏鲜?0年山西省土地利用變化現(xiàn)狀，選取2020年為例，分析其驅(qū)動(dòng)因素。

3.3.1 單因子探測(cè)

各驅(qū)動(dòng)力對(duì)土地利用變化的解釋力按照q值大小排序?yàn)椋篜op＞NDVI＞GDP＞Ele＞Tem＞Soil＞Pre＞Slo＞Asp，其中，排序前七項(xiàng)均通過(guò)1%的顯著性檢驗(yàn)。結(jié)合因素的顯著性大小分析可知，首先，各因子的q值均在0.01以下，說(shuō)明土地利用變化不是某一因子決定的，而是多因素共同作用的復(fù)雜結(jié)果；其次，在社會(huì)因子影響中，Pop（q=0.039）對(duì)土地利用變化的影響程度最大；最后，在自然因子中，Ele（q=0.013）對(duì)土地利用變化影響最大的是山西地處黃土高坡，山地較多，海拔高差較大，Ele、Slo等對(duì)山西省土地利用變化產(chǎn)生了強(qiáng)烈的制約。單因子探測(cè)見(jiàn)圖1。

3.3.2 雙因子交互作用

為了深入探究各驅(qū)動(dòng)因素對(duì)土地利用變化的影響，采用交互探測(cè)識(shí)別分析雙因子是否增加或減弱對(duì)山西省土地利用變化，研究結(jié)果如圖2所示。在各雙因子探測(cè)中，組合驅(qū)動(dòng)力對(duì)土地利用變化的解釋力按照q值大小排序?yàn)椋篠lo和NDVI（q=0.28843）＞Ele和NDVI（q=0.2377）＞Asp和NDVI（q=0.2097）＞Pre和NDVI（q=0.1804）。結(jié)合因素的顯著性大小可知，首先，由交互結(jié)果的q值可知，任意2個(gè)因子的交互作用均大于單因子的影響，兩兩交互屬于非線性增強(qiáng)和雙因素增強(qiáng)，再次驗(yàn)證了上述結(jié)論土地利用變化是多因子共同作用的結(jié)果；其次，從數(shù)值上來(lái)看，雙因子增強(qiáng)結(jié)果中前三位均為NDVI與各地形因子的結(jié)合，NDVI因子對(duì)土地利用的增強(qiáng)作用體現(xiàn)為合理的土地利用規(guī)劃能夠促進(jìn)植被的生長(zhǎng)與覆蓋，從而提高NDVI值。2020年，在山西省退耕還林、退牧還草政策的號(hào)召下，通過(guò)增加植被覆蓋、改變土地利用方式，顯著提高了林地的植被覆蓋指數(shù)。

4 結(jié)論與建議

4.1 結(jié)論

利用山西省1990、2000、2010、2020年4期土地利用數(shù)據(jù)，探究30年間山西省土地利用時(shí)空變化規(guī)律和轉(zhuǎn)移特征，并在此基礎(chǔ)上利用地理探測(cè)器，對(duì)2020年山西省土地利用變化驅(qū)動(dòng)因素進(jìn)行了分析，得出以下結(jié)論：

（1）在土地利用時(shí)空變化方面，從時(shí)間維度分析，研究區(qū)耕地、林地、草地始終占據(jù)主導(dǎo)地位，其中，耕地、草地、水域及未利用地面積減少，而林地、建設(shè)用地面積增加。

（2）在土地利用轉(zhuǎn)移特征方面，總量上看，耕地的轉(zhuǎn)入量小于轉(zhuǎn)出量，耕地面積減少，而建設(shè)用地的轉(zhuǎn)入量遠(yuǎn)大于轉(zhuǎn)出量，林地草地的面積基本保持不變。

（3）在土地利用變化影響因素方面，單因子上社會(huì)經(jīng)濟(jì)要素大于自然要素，其中，Pop、NDVI、GDP、Ele的驅(qū)動(dòng)作用較強(qiáng)；從雙因子交互作用來(lái)看，Slo和NDVI、Ele和NDVI的驅(qū)動(dòng)作用較強(qiáng)，Pop和NDVI在與其他因子交互作用中增強(qiáng)作用明顯。

4.2 建議

山西省作為典型的能源富集區(qū)，近30年來(lái)，土地利用格局發(fā)生顯著變化，主要表現(xiàn)為林地、草地、耕地、建設(shè)用地4種地類之間的轉(zhuǎn)化。其中，林地面積占比上升，充分印證了“退耕還林”政策的實(shí)施成效。然而，受資源依賴型經(jīng)濟(jì)發(fā)展模式的影響，城鎮(zhèn)化擴(kuò)張速度較快，導(dǎo)致大量耕地轉(zhuǎn)化為建設(shè)用地?；谝陨辖Y(jié)論，提出以下建議。

首先，優(yōu)化土地利用結(jié)構(gòu)，提高資源利用效率。研究表明，在土地利用影響中，社會(huì)因子的貢獻(xiàn)率大于自然因子。山西省作為資源型經(jīng)濟(jì)轉(zhuǎn)型綜合配套改革試驗(yàn)區(qū)，在實(shí)施主體功能區(qū)戰(zhàn)略的背景下，亟須轉(zhuǎn)變傳統(tǒng)工業(yè)產(chǎn)出模式。通過(guò)推進(jìn)工礦用地整理復(fù)墾，優(yōu)化土地利用格局；同時(shí)，積極調(diào)整國(guó)土空間開發(fā)思路， 在綜改區(qū)建設(shè)中統(tǒng)籌考慮區(qū)域經(jīng)濟(jì)發(fā)展與產(chǎn)業(yè)布局，實(shí)現(xiàn)對(duì)土地資源的集約、高效利用。

其次，嚴(yán)守耕地紅線，劃定城鎮(zhèn)開發(fā)邊界。通過(guò)上述分析可知，近30年來(lái)，山西省建設(shè)用地不斷擴(kuò)張。對(duì)此，在推進(jìn)城市建設(shè)和國(guó)土空間規(guī)劃的過(guò)程中，要嚴(yán)格執(zhí)行耕地保護(hù)制度，全面落實(shí)耕地質(zhì)量、數(shù)量、生態(tài)“三位一體”保護(hù)措施，合理布局生產(chǎn)、生活、生態(tài)空間。要切實(shí)轉(zhuǎn)變利用土地資源投入促增長(zhǎng)的傳統(tǒng)思路，引導(dǎo)城鎮(zhèn)建設(shè)用地向集約、高效化方向發(fā)展。

最后，完善生態(tài)補(bǔ)償制度，構(gòu)建良好的生態(tài)環(huán)境作為能源大省，山西省的能源開采活動(dòng)對(duì)土地利用格局產(chǎn)生直接影響。因此，在能源開發(fā)過(guò)程中，應(yīng)堅(jiān)持“邊開采邊恢復(fù)”的原則，注重植被修復(fù)與生態(tài)重建。同時(shí)，要充分尊重土地的自然恢復(fù)能力，提升生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)功能。山西省作為中華文明發(fā)祥地之一，在推進(jìn)生態(tài)文明建設(shè)時(shí)，應(yīng)統(tǒng)籌考慮自然與人文因素，因地制宜地開展林、草、耕布局，全面提升土地利用的生態(tài)效益與社會(huì)效益。

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收稿日期：2024-09-22

作者簡(jiǎn)介：陳培森（1998—），男，河南焦作人，研究方向?yàn)閰^(qū)域碳減排。#通信作者：宋潔（1986—），女，山西太原人，副教授，研究方向?yàn)閰^(qū)域可持續(xù)發(fā)展，E-mail：songjie@tynu.edu.cn。