基于主成分分析的榆中縣土地利用驅(qū)動因子分析

喬擁軍，張?zhí)熘?/p>

（1.甘肅農(nóng)業(yè)大學(xué)資源與環(huán)境學(xué)院，甘肅 蘭州 730070；2.甘肅省國土資源廳，甘肅 蘭州 730000；3.甘肅省國土資源規(guī)劃研究院，甘肅 蘭州 730000）

土地利用是指人類為獲取一定的經(jīng)濟、環(huán)境和政治福利（利益），而對土地進行保護、改造并憑借土地的某些屬性進行生產(chǎn)性或非生產(chǎn)性活動的方式、過程及結(jié)果［1］。土地利用變化驅(qū)動力是指導(dǎo)致土地利用方式和目的發(fā)生變化的主要生物物理因素和社會經(jīng)濟因素［2］。驅(qū)動力一般分為自然驅(qū)動力和社會經(jīng)濟驅(qū)動力［3-5］。按照作用方式差異，也可分為內(nèi)部驅(qū)動力和外部驅(qū)動力［6-7］，外部驅(qū)動力是指引發(fā)或促進土地發(fā)生轉(zhuǎn)變的外部動因，具有動態(tài)性，主要包括人口變動、經(jīng)濟發(fā)展、政策法規(guī)的發(fā)布實施等；內(nèi)部驅(qū)動力則是指決定土地利用發(fā)生變化的內(nèi)部屬性，一般具有靜態(tài)特征，如氣候、地形、海拔、區(qū)位條件等。外部驅(qū)動力是土地利用發(fā)生變化的誘因，可引發(fā)城鎮(zhèn)建設(shè)用地擴張、耕地、林地等保護性用地的減少，而內(nèi)部驅(qū)動力則決定了城鎮(zhèn)建設(shè)用地發(fā)生擴張與否、擴張的方向及耕地、林地等在空間位置上的變化。正確區(qū)分和把握外部和內(nèi)部驅(qū)動力以及他們之間的相互作用成為驅(qū)動力問題分析的關(guān)鍵所在。當(dāng)前對驅(qū)動力的定量研究，較為成熟方法有相關(guān)關(guān)系分析、多因素分析及計量經(jīng)濟學(xué)模型等統(tǒng)計分析方法［8-11］，主要是采用縱向的基于時間序列的社會經(jīng)濟數(shù)據(jù)與土地利用變化進行相關(guān)分析［12］。我們綜合蘭州市榆中縣土地利用變化的外部驅(qū)動力和內(nèi)部驅(qū)動力，采用主成分分析法對示范區(qū)土地利用驅(qū)動因子進行分析。

1 研究區(qū)概況

榆中縣地處黃土高原西部，甘肅省中部地區(qū)，屬省會蘭州市所轄3縣之一，地理位置介于東經(jīng)103?49′15″～ 104?34′40″，北緯 35?34′20″～36?26′30″，西靠蘭州市城關(guān)區(qū)、七里河區(qū)、皋蘭縣，東鄰定西市安定區(qū)，南與臨洮縣交界，北隔黃河與白銀市相望，東北與會寧縣、靖遠縣接壤。由石質(zhì)山地、丘陵、河谷川地三大地貌類型組成，地勢南高北低，中部平坦，呈馬鞍形，由西南、東南、東北三面向西北傾斜，南北兩山之間為中部川塬河谷地帶。是典型的干旱、半干旱大陸性氣候。榆中縣縣域年平均氣溫6.7℃，7月平均氣溫19.0℃，1月平均氣溫-7.9℃。地形復(fù)雜，海拔高差大，降水量少，分布不均，年均降水量300～600 mm。根據(jù)第二次全國土地資源調(diào)查成果，2009年底，榆中縣土地總面積為329 470 hm2，其中農(nóng)用地174 711 hm2，占土地總面積的53.03%；建設(shè)用地16 892 hm2，占土地總面積的5.13%；其余土地面積為137 867 hm2，占土地總面積的41.84%。

2 研究方法

2.1 主成分分析法

主成分分析（Principal Component Analysis）是設(shè)法將原來眾多、具有一定相關(guān)性的指標(biāo)（比如P個指標(biāo)）重新組合成一組新的互相無關(guān)的綜合指標(biāo)來代替原來的指標(biāo)［13］。通常數(shù)學(xué)上的處理就是將原來P個指標(biāo)作線性組合，作為新的綜合指標(biāo)。最經(jīng)典的做法就是用F1（選取的第1個線性組合，即第1個綜合指標(biāo)）的方差來表達，即Var（F1）越大，表示F1包含的信息越多［13］。在所有的線性組合中選取的F1應(yīng)該是方差最大的，故稱F1為第1主成分。如果第1主成分不足以代表原來P個指標(biāo)的信息，再考慮選取F2即選第2個線性組合。為了有效地反映原來信息，F(xiàn)1已有的信息就不需要再出現(xiàn)在F2中，用數(shù)學(xué)語言表達就是要求Cov（F1，F(xiàn)2）=0，則稱F2為第2主成分，依此類推可以構(gòu)造出第3、第4，……，第P個主成分。其公式為：

式中：p=1，2……n；x1，x2，……xp指 p 個原變量（均值為0，方差為1）；F1，F(xiàn)2，……Fm指m個公共因子變量，m小于p；apm指因子載荷，是第p個原始變量在第m個公共因子變量上的載荷；ε指特殊因子。影響土地利用變化的因素很多，選擇驅(qū)動力影響因素指標(biāo)時要盡可能的全面，主成分分析法具有比較好的分析結(jié)果。

2.2 數(shù)據(jù)源

基礎(chǔ)數(shù)據(jù)為榆中縣第二次全國土地資源調(diào)查和2013年土地利用變更數(shù)據(jù)、10 m×10 m分辨率DEM、降水量及2009—2013年統(tǒng)計年鑒等數(shù)據(jù)。其中土地利用數(shù)據(jù)從土地利用2008年二次調(diào)查數(shù)據(jù)獲取，高程、坡度由DEM數(shù)據(jù)獲取；降水量數(shù)據(jù)由氣象站點獲取；植被蓋度由ETM遙感影像數(shù)據(jù)獲取；水系、公路等基礎(chǔ)數(shù)據(jù)由榆中縣國土局獲取。

表1 各因子相關(guān)矩陣

3 結(jié)果與分析

3.1 主成分選取

影響土地資源利用的因素涉及氣候、人口、經(jīng)濟、環(huán)境等方面。遵循數(shù)據(jù)可獲取性、可行性和科學(xué)性原則，本研究以2008—2013年土地利用變化圖斑為研究單元，選取高程、坡度、降水、植被覆蓋度等4個自然因素，變化圖斑距水系距離、距公路距離、距鐵路距離、距縣城距離和距鄉(xiāng)鎮(zhèn)距離等5個距離指標(biāo)及人口密度共10個指標(biāo)因子，進行主成分分析。運用SPSS18.0統(tǒng)計軟件計算出相關(guān)系數(shù)矩陣、特征值和貢獻率，其中X1為降水；X2為高程；X3為坡度；X4為植被覆蓋度；X5為距公路距離；X6為距水系距離；X7為距縣城距離；X8為距鄉(xiāng)鎮(zhèn)距離；X9為距鐵路距離；X10為人口密度。從表1可以看出，10個指標(biāo)之間存在不同程度的相關(guān)性。主成分的提取原則是提取主成分特征值大于1，且累計貢獻率是≥75%的前m個主成分。根據(jù)表2可以看出，前3個主成分的累計貢獻率為78.204%，特征值大于1，因此取3個主成分。

3.2 相關(guān)性分析

從表3可知，主成分1與X5（距公路距離）、X6（距水系距離）、X7（距縣城距離）、X8（距鄉(xiāng)鎮(zhèn)距離）、X9（距鐵路距離）存在較強的正相關(guān)，與X1（降水）、X10（人口密度）存在較強的負(fù)相關(guān)。距離公路、鐵路的距離反映了交通便利程度對區(qū)域土地利用變化的影響，說明交通越便利對土地利用變化的影響越大；距離縣城、鄉(xiāng)鎮(zhèn)中心的距離反映了城鎮(zhèn)建設(shè)對區(qū)域土地利用尤其是建設(shè)用地變化的影響十分突出，正相關(guān)說明距離城鎮(zhèn)建設(shè)區(qū)越近，土地利用變化越大。與降水呈負(fù)相關(guān)，說明降水量越大的區(qū)域土地利用變化越小，這主要是與榆中縣土地利用結(jié)構(gòu)和格局有關(guān)，榆中縣降水量自南向北逐漸減小，南部山區(qū)為興隆山自然保護區(qū)，土地利用以農(nóng)地和林地為主，近幾年來土地利用變化相對較小；而中部川區(qū)為人口密集區(qū)，建設(shè)用地多集中于此，土地利用變化較大，因此造成土地利用變化與降水量呈負(fù)相關(guān)關(guān)系。與人口密度呈負(fù)相關(guān)，主要是由于人口密度相對較大的城鎮(zhèn)中心地區(qū)土地類型變化相對比較穩(wěn)定，而城鎮(zhèn)周邊土地利用類型重點變化地區(qū)的人口密度相對較低，因而造成人口密度與土地利用呈負(fù)相關(guān)關(guān)系。主成分2與X2（高程）、X4（植被蓋度），主成分3與X3（坡度）呈正相關(guān)關(guān)系，相關(guān)系數(shù)分別為0.865、0.732和0.521說明植被蓋度、高程和坡度的值越大，土地利用類型變化相對較大。

主成分1對土地利用變化的貢獻率高達48.623%，而主成分1主要為X5（距公路距離）、X6（距水系距離）、X7（距縣城距離）、X8（距鄉(xiāng)鎮(zhèn)距離）、X9（距鐵路距離）等區(qū)位因子，特別是X7（距縣城距離）與主成分1的相關(guān)系數(shù)高達0.930，說明相對而言，榆中縣土地利用變化受區(qū)位因素等外部驅(qū)動力的影響較大，特別是受距離縣城遠近的影響。因為縣城是區(qū)域經(jīng)濟、文化和政治中心，對區(qū)域土地利用變化起到十分重要的作用，尤其是榆中縣作為一個擁有40多萬人口的農(nóng)業(yè)縣，土地利用變化主要集中在縣城周邊地區(qū)。

表3 成份矩陣

4 小結(jié)與討論

1）分析發(fā)現(xiàn)，榆中縣土地利用變化主要驅(qū)動力有兩個方面，一是土地利用變化斑塊距離公路、鐵路、縣城、鄉(xiāng)鎮(zhèn)中心的距離，即區(qū)位因素；另一個是降水、植被蓋度、坡度、高程等自然因素，說明榆中縣土地利用變化由外部驅(qū)動力和內(nèi)部驅(qū)動力兩方面共同決定。

2）經(jīng)濟發(fā)展是影響土地利用變化的主要驅(qū)動力之一，土地利用類型中農(nóng)用地的變化與非農(nóng)業(yè)人口、GDP、農(nóng)民人均純收入關(guān)系密切。據(jù)榆中縣統(tǒng)計年鑒，2008—2012年榆中縣工農(nóng)業(yè)總產(chǎn)值增加5.34倍，其中工業(yè)總產(chǎn)值增加11倍，農(nóng)業(yè)總產(chǎn)值增加74%。經(jīng)濟快速發(fā)展的表現(xiàn)就是非農(nóng)人口數(shù)量的增加和建設(shè)用地需求增加，同時也拉動了城鎮(zhèn)化化進程。榆中縣非農(nóng)業(yè)人口從2008年4.5萬人增加到2012年的4.9萬人。大量的農(nóng)業(yè)人口轉(zhuǎn)化為非農(nóng)業(yè)人口，為了加快城鎮(zhèn)化建設(shè)，滿足多樣的建設(shè)需求，以耕地為主的用地類型必然會減少，最終導(dǎo)致土地利用結(jié)構(gòu)發(fā)生變化。

3）人口變化是影響土地利用最主要的社會經(jīng)濟因素，也是最具有活力的驅(qū)動力之一。據(jù)榆中縣統(tǒng)計年鑒，2008—2012年，榆中縣總?cè)丝趶?2.9萬人增加到43.8萬人。人口的增長會造成居民用地、交通用地等建設(shè)用地的增加。同時為了滿足人口的增長，農(nóng)產(chǎn)品需求量及輸出量也會相應(yīng)增加，從而促進土地利用結(jié)構(gòu)的變化。

4）我國2003年開始實施退耕還林政策，2004年國務(wù)院頒布《關(guān)于深化改革土地管理的決定》、國土資源部發(fā)布《關(guān)于完善農(nóng)用地轉(zhuǎn)用和土地征收審查報批工作的意見》，2005年國土部《關(guān)于規(guī)劃城鎮(zhèn)建設(shè)用地增加與農(nóng)村建設(shè)用地減少相掛鉤試點工作的意見》的通知引導(dǎo)城鄉(xiāng)用地布局、機構(gòu)調(diào)整；2008年國務(wù)院發(fā)的《關(guān)于促進節(jié)約集約用地的通知》強化了土地利用總體的控制性，加強基礎(chǔ)設(shè)施的同時，并積極使用未利用地和廢棄地。這些政策都對榆中縣土地利用趨勢變化起到一定作用，如基本農(nóng)田保護政策等，在很大程度上降低了耕地減少速率，提高了土地利用率。

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