沂蒙山區土地利用格局變化與經濟社會發展的典范對應分析

王友勝，劉霞?，姚孝友，邢先雙，張振國，張光燦，李歡，單桂梅

(1.山東農業大學林學院，山東省土壤侵蝕與生態修復重點實驗室，泰山森林生態定位站，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;3.山東省水文水資源勘測局，250014，濟南)

沂蒙山區土地利用格局變化與經濟社會發展的典范對應分析

王友勝1，劉霞1?，姚孝友2，邢先雙3，張振國1，張光燦1，李歡1，單桂梅1

(1.山東農業大學林學院，山東省土壤侵蝕與生態修復重點實驗室，泰山森林生態定位站，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;3.山東省水文水資源勘測局，250014，濟南)

為明確沂蒙山區土地利用變化的驅動因素，改善區域人地關系，運用約束性排序分析方法，對沂蒙山區26個縣(市、區)的土地利用在經濟社會發展約束條件下的格局變化進行典范對應分析。結果表明:1997—2007年10年來，沂蒙山區土地利用格局變化存在明顯的區域分異現象，經濟社會的發展和人口的增加是沂蒙山區土地利用格局變化的主要驅動力;羅莊區、日照市轄區和棗莊市中區等縣(市、區)以建設用地的快速增加為主要特征，區域經濟發展水平對其土地利用變化驅動作用明顯;沂源縣、五蓮縣和莒南縣等縣(市、區)以耕地的萎縮和林地的擴展為主要特征，農產業的開發對于區域土地利用格局變化具有較強的驅動作用;蒙陰縣、寧陽縣等縣(市、區)以未利用土地、草地的減少和水域的增加為主要特征，人口的增加驅動土地利用格局變化的貢獻較大。

土地利用變化;驅動力;典范對應分析;沂蒙山區

土地利用/土地覆被變化(LUCC)是全球環境變化的主要組成部分和重要原因之一，是自然與人文因素密切交叉結合的過程。LUCC不僅帶來地表景觀結構的巨大變化，而且影響景觀的物質循環和能量流動，對區域生物多樣性和重要生態過程影響深刻［1-4］。近年來，許多學者針對LUCC及其驅動力開展了大量的研究［5-7］，在分析LUCC與其影響因素的定量關系時，大多都是采用相關分析、回歸分析等方法，大都是基于變量之間的線性關系來探討的［8］，考慮到變量間的交互作用，尤其是當變量數目較多時，線性分析的局限性就很突出。典范對應分析(Canonical Correspondence Analysis，CCA)方法是基于單峰模型的非線性排序方法，它將樣方排序與對象排序對應分析，在排序的過程中結合多個環境因子，把樣方、對象與環境因子的排序結果表示在同一排序圖上，可以直觀地分析樣方之間、對象之間及樣方與對象之間的關系。目前，國內外學者將CCA排序分析法主要用于研究生物種群—生境、土壤—環境因子之間的關系［9-12］中，將CCA應用于土地利用格局變化及其驅動機制方面的研究少有報道［13-14］。筆者嘗試性地采用典范對應分析法，通過研究經濟社會發展約束條件下的土地利用格局變化及其相關關系，分析沂蒙山區近年來土地利用格局變化及其驅動力，以期為沂蒙山區土地資源合理規劃、利用和管理提供依據。

1 研究區概況

沂蒙山區地處淮河流域東北部，E 116°34'～119°37'，N 34°26'～36°19'，見圖 1。主要包括臨沂、棗莊、濟寧、日照、淄博、泰安6個地級市26個縣(市、區)，總面積3萬km2。屬暖溫帶季風氣候，降水充足，干燥度小，相對濕潤。多年平均氣溫12℃ ～14℃，多年平均降水量830 mm，汛期平均降水量為592 mm［15］。該區地勢總體上由西北向東南傾斜，西高東低，東西兩側隆起，中間低陷。境內山地、丘陵眾多，地貌類型齊全是該區最獨特的自然地理特征。在構造上屬魯中南斷塊隆起區，區內斷塊構造發育明顯，東部是沂沭斷裂構造帶，西部是魯西斷裂隆起區。地表巖性以花崗巖、片麻巖為主，土壤主要為棕壤、褐土和潮土，地帶性植被為暖溫帶落葉闊葉林。人口密度為642人/km2，人均耕地0.09 hm2。

圖1 沂蒙山區地理位置圖Fig．1 Geographical position of Yimeng Mountainous area

2 研究方法

典范對應分析方法是在基于非線性對應分析(CA)的基礎上發展而來的，是在每一輪樣方值——物種值的加權平均疊代運算后，用樣方環境因子值與樣方排序值作一次多元線性回歸，用回歸系數與環境因子原始值進行計算，得出的排序軸代表環境因子的一種線性組合。該方法被稱為環境約束條件下的典范對應分析［14，16］。

將沂蒙山區的26個縣級行政單位作為樣本，把耕地、林地、草地、建設用地、水域和未利用土地6種不同土地利用類型作為植被數據矩陣，根據科學性、綜合性和資料可獲取性等原則，從沂蒙山區26個縣(市、區)的經濟社會統計數據中了選取28個經濟社會指標作為環境數據矩陣。然后分別對1997—2007年10年間6種土地利用類型面積變化和對應時間的28個經濟社會統計指標變化值求絕對值并作標準化處理。基于國際通用分析軟件Canoco 4.5和作圖軟件CanoDraw 4.5分析土地利用變化與經濟社會因子之間的相關性，并繪制出雙序圖。

3 結果與分析

3.1 土地利用格局變化分析

表1為1997—2007年沂蒙山區不同土地利用類型面積變化情況。可以看出:1997—2007年10年間，沂蒙山區的土地利用變化存在一定的空間分異現象，土地利用變化整體表現為“3縮3擴”，即耕地、草地和未利用土地呈現出萎縮現象，林地、建設用地和水域面積呈擴展現象;從土地利用變化率來看，嶧城區變化率最高，為35.34%，蒙陰縣變化率最小，為3.89%;在不同土地利用變化類型中，耕地以蒼山縣和日照市轄區2縣面積變化較多，分別減少256.29和249.08 km2;林地的變化蒼山縣最大，面積增加了204.35 km2，雖然沂蒙山區林地面積整體上有所擴展，但仍有7個縣區出現了不同程度的減少;從整個沂蒙山區來看，草地面積整體減少，局部地區有所增加;建設用地面積在26個縣區均有不同程度的增加，以日照市轄區和平邑縣增加面積最多，均超過120.00 km2;水域面積的變化微山縣和莒縣最多，二縣增加的面積均大于29.00 km2;未利用土地面積的變化整體呈現減少的趨勢，以沂源縣和五蓮縣減少最大，減少面積分別為16.49和12.18 km2。

表1 1997—2007年沂蒙山區不同土地利用類型面積變化情況Tab．1 Area changes of different land-use types from 1997 to 2007 in Yimeng Mountainous area

1997—2007年的10年間，在人類的開發利用活動中，土地利用類型間發生了轉換，部分林地和草地被開墾為耕地，而建設用地面積的增加多是以犧牲耕地和林地為代價。強烈的人為干擾下，部分耕地退化為農業生產困難的未利用土地，這對區域經濟社會的發展產生了不利影響。據統計［17-18］，2007年沂蒙山區的26個縣(市、區)基本都受到不同程度的洪澇災害影響，農作物受災面積達30.49萬hm2，因旱災、洪澇災、風雹災等原因導致的農作物絕收面積41.22 hm2，水土流失面積達94.15萬hm2，這可能與土地利用結構的變化導致的生態退化有一定的關系。

3.2 經濟社會因子與排序軸之間的相關性分析

表2為經濟社會統計指標與排序軸之間的相關性。CCA結果表明，排序軸與土地利用變化和經濟社會發展變化之間具有較大的相關性，第1、第2排序軸集中了全部排序軸所反映的相關關系的大部分信息，累計比例分別為40.9%和65.7%，可以判定，典范對應分析結果能較好地解釋土地利用變化與經濟社會因子之間的關系。由表2還可以看出:肉類總產量、第三產業、人均國內生產總值、職工年平均工資、出口總額、財政收入占國內生產總值比例、農林牧漁業總產值、地方財政預算內收入各項指標與第1排序軸相關性較大并成正相關，而蔬菜產量、第一產業、糧食總產量、農業機械總動力、油料產量、出生率、棉花產量各項指標與第1排序軸呈負相關;第2排序軸主要與人口密度、出生率、總人口、農業人口呈正相關關系。因此，可以將第1排序軸看作區域經濟發展軸，把第2排序軸看作是人口增長軸，以更好地解釋雙序圖。

表2 經濟社會統計指標與排序軸之間的相關性Tab．2 Correlations between social-economic indices and the axes

3.3 典范對應分析排序結果

典范對應分析的排序結果以二維平面圖的形式直觀地展示了26個縣(市、區)主要土地利用變化類型和經濟社會因子之間的對應關系(圖2)。雙序圖中的圓點代表沂蒙山區26個縣(市、區)，圓點間距離的長短表示不同土地利用變化類型的相似性;三角點表示沂蒙山區6種土地利用類型，三角點間距離的大小表示不同土地利用變化類型間的相似性;帶有箭頭的線段表示經濟社會指標的變化，箭頭方向表示經濟社會指標變化的趨勢，長度表示土地利用類型的變化與經濟社會指標變化間相關關系的大小，箭頭連線與排序軸的夾角表示該影響因子變化與排序軸間相關性的大小，箭頭之間夾角代表2種經濟社會影響因子間的相關關系［19］，箭頭前數字表示經濟社會變化因子代碼(表2)。排序圖反映了土地利用變化類型、26個縣級行政單位和經濟社會指標變化梯度上的相對位置與關系。

圖2 沂蒙山區26個縣(市、區)土地利用變化與經濟社會因子雙序圖Fig．2 CCA order figure of the land-use types and social-economic indices of 26 counties in Yimeng Mountainous area

3.3.1 土地利用類型變化排序結果分析 圖3為沂蒙山區26個縣(市、區)土地利用類型變化分組圖。可以看出，沂蒙山區土地利用類型變化排序在第1、第2排序軸平面上的結果可以分為3組，即水域、草地和未利用土地為一組，位于排序圖的第Ⅰ、Ⅱ象限的排序軸附近，耕地和林地為一組，位于第Ⅱ、Ⅲ象限的排序軸附近，建設用地為一組，位于第Ⅰ、Ⅳ象限的排序軸附近。

由排序圖和類型間的分組結果可以看出，林地的擴展和耕地的萎縮間相關性最大。可知，沂蒙山區在1997—2007年10年間的造林成果是顯著的，同時，耕地資源的流失也不容忽視。從沂蒙山區土地利用類型轉移矩陣表(表3)可知，1997—2007年10年間耕地轉化為林地的面積共計3 211.48 km2，為耕地面積的17.70%，這與近年來植樹造林密不可分;相比來說，林地轉化為耕地的面積只有2 270.59 km2，但轉化幅度卻高達36.18%，遠高于耕地轉為林地的比例，這主要與近年來木材價格、耕地種植效益和國家耕地種植補貼政策有關。受金融危機的影響，木材出口減少、國內木材價格的低谷狀態及耕地種植效益的增加，大面積的林木被砍伐，林地被開墾為耕地，大規模的林木采伐勢必對區域土地利用格局產生影響。此外，建設用地面積增加和耕地、林地面積的減少相關性也較大。經濟社會的發展，建設用地的面積必然擴展，這部分土地大部分來自于城鄉過渡地帶種植糧食作物的耕地和林地，大面積的耕地和林地被陸續變更為開發區或工礦企業用地，土地利用格局也因此發生了變化，這在一定程度上加劇了區域人地矛盾。

3.3.2 26個縣(市、區)排序結果分析 從圖3可以看出，沂蒙山區不同土地利用類型的變化存在較為明顯的空間分異現象，結合圖2和各縣的實際狀況，將26個縣(市、區)劃分為3組，位于第Ⅰ、Ⅱ象限排序軸附近的蒙陰縣、寧陽縣、新泰市、曲阜市、微山縣、薛城區、泗水縣、費縣、臺兒莊區為一組，位于第Ⅱ、Ⅲ象限排序軸附近的沂源縣、五蓮縣、莒南縣、莒縣、山亭區、沂水縣、鄒城市、河東區、嶧城區、沂南縣、滕州市、蒼山縣為一組，蘭山區、日照市轄區、棗莊市中區、平邑縣、羅莊區為一組，位于Ⅰ、Ⅳ象限排序軸附近。

表3 1997—2007年沂蒙山區土地利用類型轉移矩陣Tab．3 Land use type of transfer matrix table from 1997 to 2007 in Yimeng Mountainous area km2

圖3 沂蒙山區26個縣(市、區)土地利用變化分組圖Fig．3 CCA order figure of the land-usechange of 26 counties in Yimeng mountainous area

位于第Ⅰ、Ⅱ象限排序軸附近的蒙陰縣、寧陽縣、新泰市、曲阜市、微山縣、薛城區、泗水縣、費縣、臺兒莊區的土地利用變化較為一致，并與草地、未利用土地和水域的變化相關性較大，主要表現為未利用土地、草地整體減少，水域增加。草地的減少以新曲阜市最明顯，減幅72.14%;水域的增加以微山縣較突出，漲幅1.98%;未利用土地的減少以新泰市變化最大，減幅2.96%。這3種土地利用類型間的轉移變化主要與其所處的特殊地理位置、地貌環境和人為干擾活動有關。地處沂蒙山區的邊緣地帶，是山區向平原過渡的緩沖區域，地理位置的特殊性和人口增長、資源需求的巨大壓力，以及頻繁的人為干擾活動，越來越多的草地、未利用土地被開墾。水域面積的變化與降水量和水利工程的建設有關，以水域變幅最大的微山縣為例，微山縣水域面積占該縣總面積的64.86%，1997年年降水量467.3 mm，2007年年降水量1 035.5 mm，降水量的增加和新建水利設施蓄水的增加，使得水域面積擴展。

沂源縣、五蓮縣、莒南縣、莒縣、山亭區、沂水縣、鄒城市、河東區、嶧城區、沂南縣、滕州市、蒼山縣位于CCA排序第Ⅱ、Ⅲ象限的排序軸附近，其土地利用類型的變化具有相對的一致性，主要表現為耕地的萎縮和林地的擴展。林地的擴展與10年間植樹造林關系密切。耕地的減少一方面與發生在土肥條件較差、地面坡度較陡、遠離居民點的遠山坡腳和坡腰地帶的退耕有關，另一方面，也與地形平緩地和近居民點平坦地帶建設用地的增加密不可分。

蘭山區、日照市轄區、棗莊市中區、羅莊區、平邑縣位于Ⅰ、Ⅳ象限的排序軸附近，土地利用變化類型較為一致，建設用地變化較為顯著，表明這5個城市擴展很快，尤其是羅莊區，10年間建設用地漲幅達14.94%。1997—2007年這10年是研究區建設用地大幅增加的10年，也是我國“開發區熱、房地產熱”開始的10年，大量的開發建設活動使城市向外延伸了，但同時也造成了城市周邊肥沃土地的流失，耕地面積也因此經歷了一個大幅度減少的過程。

3.3.3 經濟社會統計指標變化相關分析 各經濟社會指標對于不同地區不同土地利用類型變化的驅動作用是不同的，根據雙序圖上各經濟社會因子變化方向的不同，可將其分為3組:一組是人口因素，主要包括總人口、農業人口、出生率、人口自然增長率和人口密度，位于第Ⅰ、Ⅱ象限的第2排序軸附近;二組是農產業因素，包括農林牧漁業總產值、糧食總產量、油料產量、蔬菜產量、棉花產量、農業機械總動力，位于第Ⅱ、Ⅲ象限的第1排序軸左側;三組是經濟發展因素，包括國內生產總值、第一產業、第二產業、第三產業、人均國內生產總值、財政收入占國內生產總值比例、國有固定資產投資、社會商品零售總額、地方財政預算內收入、地方財政預算內支出、年末金融機構各項存款余額、年末金融機構各項貸款余額、城鄉居民儲蓄余額、農村人均純收入、職工年平均工資、肉類總產量、出口總額等因素，位于第Ⅰ、Ⅳ象限的第1排序軸右側。各因子在排序軸上的相應投影可看作驅動作用的大小。

第1排序軸可以看作是經濟發展的方向，按照距離第1排序軸的遠近，從圖2可以看出，出生率和人口自然增長率與經濟發展方向反相關，即人口增長的越快，經濟發展越緩慢，但人口總數與區域經濟發展狀況正相關，即在一定限度范圍內，人口總數越多，就越能為經濟的發展貢獻更多的力量。同時可以看到，出生率和人口自然增長率與農產業發展是呈正相關的，可以說人口增長的速度越快，農產業的發展也會越快，但人口總數是跟谷物、棉花、糧油等農產業反相關的，即總人口越多，谷物、棉花、糧油等農產業的發展是越慢的，說明人口的增長與農產業的發展是不相協調的。人口的增加需要更多的資源來支撐，資源需求的增加也會在一定程度上加大對環境本身的壓力，而人類賴以生存的資源環境承載力、土地生產力是有限的，沂蒙山區本底自然環境就比較脆弱，過多的不合理的人為干擾活動，最終只會導致糧食產量的降低和生存環境的惡化。根據山東省農村統計年鑒［17］和遙感解譯的耕地數據發現，1997年，沂水縣人均耕地面積0.047 3 hm2，糧食產量52.45 t，經過10年的發展，2007年人均耕地面積減為0.044 6 hm2，年糧食產量也減少了11.36 t。

蘭山區、日照市轄區、棗莊市中區等這些原來有一定發展基礎的地區，區域經濟的發展對于土地利用格局的變化驅動作用明顯:在區域經濟發展狀況的諸因子中，第三產業、人均國內生產總值、肉類總產量、出口總額、財政收入占國內生產總值比例、職工年平均工資、第二產業等因子貢獻較大，這些地區在保持其經濟發展優勢的同時，也應該加強對于農產業的扶持力度，以促進農業基礎產業的發展;耕地萎縮和林地擴展顯著的沂源縣、五蓮縣、莒南縣等地區，農產業的開發對于區域土地利用格局變化的驅動作用較為明顯，蔬菜產量、農林牧漁業總產值、糧食總產量、油料產量、農業機械總動力等因子對于農產業的貢獻較大，建議這些地區今后在做大做強農產業發展的同時，適當加強第二、三產業的發展;蒙陰縣、寧陽縣、微山縣等人口大縣，人口增長對于區域土地利用格局變化的驅動作用明顯，人口密度、人口自然增長率、出生率等因子貢獻較大，對于這些地區，下一步可以適當控制人口增長，進一步加強經濟發展。

4 結論與討論

1)在經濟社會發展約束條件下，沂蒙山區不同行政單元內土地利用變化和經濟社會發展水平呈現出一定的空間分異現象。羅莊區、日照市轄區和棗莊市中區等縣(市、區)以建設用地的迅猛增加為主要特征;沂源縣、五蓮縣和莒南縣等縣(市、區)以耕地的萎縮和林地的擴展為主要特征;蒙陰縣、寧陽縣等縣(市、區)以未利用土地、草地的減少和水域的增加為主要特征。

2)CCA排序結果反映出沂蒙山區近年來建設用地大幅增加，城市化進程加快，但其增加大都是以侵占耕地和林地為代價的，林地的擴展則是耕地萎縮的結果。區域經濟的發展對于蘭山區、日照市轄區、棗莊市中區等這些原來有一定發展基礎的地區土地利用格局變化的驅動作用明顯;農產業的開發對于沂源縣、五蓮縣、莒南縣等地區土地利用格局變化的驅動作用較為明顯;人口增長對于蒙陰縣、寧陽縣、微山縣等縣區域土地利用格局變化的驅動作用明顯。區域經濟狀況的不斷發展是驅動不同土地利用類型發生變化最直接的動力之一，而人口的快速增長在制約經濟發展的同時，也成為影響土地利用格局發生變化的重要因素。

針對羅莊區、日照市轄區和棗莊市中區等縣(市、區)建設用地擴展迅速的地區，建議今后在積極保護現有耕地資源的基礎上，嚴格用地標準，積極引導城鎮用地內部結構調整，鼓勵和引導閑置土地、空閑地以及廢棄地的開發利用;建議蒙陰縣、寧陽縣等縣(市、區)適當控制人口的增長，在結合當地土地利用總體規劃政策的基礎上，保護好現有耕地資源，保持健康、良好的土地利用結構。只有嚴格控制耕地占有規模，加強土地執法工作的力度，建立和完善建設用地的審批制度，才能切實地保護耕地，實現土地資源的合理利用和保障經濟社會的可持續發展。

在沂蒙山區土地利用與經濟發展中，目前還存在諸如區域經濟整體發展狀況與農業基礎產業的發展不相協調、人口與資源環境承載力越來越緊張、人地矛盾日漸加劇等問題，在今后的發展中應該得到關注。

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Canonical correspondence analysis of land-use pattern change and social-economic development in Yimeng Mountainous area

Wang Yousheng1，Liu Xia1，Yao Xiaoyou2，Xing Xianshuang3，Zhang Zhenguo1，Zhang Guangcan1，Li Huan1，Shan Guimei1

(1.Forestry College，Shandong Agricultural University，Shandong Key Laboratory of Soil Erosion and Ecological Restoration，Taishan Mountain Forest Ecosystem Research Station，271018，Tai’an，Shandong;2.Soil and Water Conservation Division of Huaihe River Commission of Water Resources Ministry，233001，Bengbu，Anhui;3.Hydrology and Water Resources Survey Bureau of Shandong Province，250014，Jinan:China)

Making clear of driving force of land-use change in Yimeng Mountainous area is the key to improve man-land relationship.In this study，the 26 counties(urban districts)of Yimeng Mountainous area were taken as examples，and the Canonical Correspondence Analysis(CCA)method was employed to study the correlation between the change of land-use and the level of the social-economic development in Yimeng Mountainous area.The results show that the changes of main land-use types had significant differences between different counties in Yimeng Mountainous area in recent 10 years.Social-economic gross and the dramatic growth of population were the dominant driving force of land-use pattern changes.In Luozhuang District，Rizhao City area and Zaozhuang City area，etc.，the socio-economic development level had great effects on land-use pattern changes，which was characterized by the fast expansion of construction land in 10 years.In Yiyuan County，Wulian County and Junan County，etc.，land use change took on the fast decrease of cultivated land and expansion of woodlands，and in this areas the development of agricultural industry could account for the driving action of land use pattern changes.In Mengyin County，Ningyang County，etc.，the land use change was characterized by the reduction of unused land and lawn，and expansion of water land，which was mainly contributed by the increment of population.The results also indicated that the CCA analysis method could be adopted for the study of land-use pattern change.

land-use change;driving force;Canonical Correspondence Analysis;Yimeng Mountainous area

2011-07-04

2011-09-01

項目名稱:國家自然科學基金“沂蒙山區退耕坡地土壤結構與入滲動態及其分形學機理”(31070627);國家林業局林業公益性行業科研專項“干旱瘠薄山地植被恢復與重建關鍵技術研究”(201104002-6);水利部淮河水利委員會“淮河流域生態修復機理和評價指標體系研究與示范”(HWSBC-2007-001);水利部淮河水利委員會“沂蒙山國家級重點治理區水土流失遙感監測”(SBJ2011006)

王友勝(1987—)，男，碩士研究生。主要研究方向:流域管理與信息技術。E-mail:wangyousheng119@163.com

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

(責任編輯:宋如華)