中部典型市域長時序土地利用變化及其驅動力研究

陳超+黃颯+呂建春+張建勇+余洋

摘要：以中部典型城市合肥市為研究對象，基于多時相TM影像數據的市域土地利用變化研究，重點分析1987—2014年不同時相土地利用變化特征，并對其驅動力予以分析。研究表明：（1）耕地面積在持續減少，而建設用地面積在27年間持續增加，水域面積呈現先減少后增加而后保持平衡的態勢，林地與草地所占比例較小，其中林地呈現先增加后減少而后保持平衡的態勢，草地面積則基本保持不變；（2）各土地利用類型變化流向情況，主要為耕地向建設用地的轉入，而耕地的轉入主要靠林地、草地和水域的少部分補給；定量分析表明，人口增長是土地利用變化的第一驅動力。

關鍵詞：土地利用變化；驅動力；城鎮化；合肥市

中圖分類號： F323.211文獻標志碼： A文章編號：1002-1302（2017）07-0231-05

隨著我國社會經濟持續發展，城市建設用地面積不斷增加，引發區域土地利用劇烈變化[1-2]。土地利用變化及其驅動機制是一項涉及多因素的綜合研究，已引起諸多學者的普遍關注[3-5]，特別是借助遙感影像解譯和GIS對土地利用變化進行綜合動態分析[6-7]，深入挖掘研究區域社會經濟發展、城鎮化建設等多方面因素綜合驅動下的土地利用變化機制[8-10]。隨著中部崛起戰略的實施，安徽省合肥市作為中部地區發展的“排頭兵”，同時面臨著經濟發展與耕地保護的雙重任務，加之合肥市土地利用結構復雜多樣，而該研究區類似研究缺乏系統性、針對性[11-12]，因此，本研究基于合肥市多時相遙感影像數據的解譯，并對該區1987—2014年間土地利用變化及其驅動機制進行重點分析，詳細闡釋相關因素對研究區域土地利用變化的影響，以期為緩解社會經濟發展與耕地保護的矛盾提供理論參考。

1研究區概況及數據來源

1.1研究區概況

合肥市位于中國中部，分別與淮南、滁州、馬鞍山、蕪湖、安慶、六安等市接壤，具有承東啟西、貫通南北的重要區位優勢；而合肥市地處中緯度地帶，屬亞熱帶季風性濕潤氣候，四季分明、氣候溫和、雨量適中，年均氣溫15.7 ℃，年均降水量約1 000 mm，年日照時間約2 000 h，年均無霜期228 d，平均相對濕度為77%。近年來，合肥市充分發揮資源優勢，大力推動區域城鎮發展進程，成為中國發展最快的省會城市之一。根據美國布魯金斯學會發布的2012年度《全球都市圈監測報告》，合肥經濟圈人均GDP增速和新增就業率分別位居全球300個都市經濟體的第1、2位。因此，適時關注合肥市土地利用變化及其驅動力，對合理推進地區城鎮化進程、提高區域經濟發展協同水平具有重要意義。

1.2數據來源

本研究顧及研究區土地利用變化的實際情況，獲取27年間6個時相（1987、1995、2000、2005、2009、2014年）的Landsat TM/ETM+影像數據。此外，根據安徽統計年鑒、合肥統計年鑒、合肥市國民經濟和社會發展統計公報以及相關研究文獻等，還獲取了2010年合肥市土地利用現狀圖和《合肥市土地利用總體規劃（2006—2020）》，以及1990—2014年合肥市人口數據和經濟社會發展統計數據等資料。

2研究方法

2.1土地利用變化數據提取

通過實際調查與分析，結合《土地利用現狀分類（GB/T21010—2007）》的土地利用定義與劃分標準，將研究區土地分為5類，耕地、林地、草地、建筑用地、水域。利用ENVI 5.1對6個研究時相的影像進行大氣校正、輻射定標和掩膜等預處理，再通過監督分類與非監督分類相結合，輔以目視解譯的方法得到各個時相土地利用分類結果；然后結合多次項目實地踏勘經驗和高分辨率Google Earth影像進行分類后精度驗證，并查閱歷史文檔和地圖資料，各個時相的分類精度均大于85%；而后輸出為便于ArcGIS統計分析的矢量數據格式，最終得到研究區6個時相30 m空間分辨率的土地利用圖[13-14]。

2.2土地利用動態度計算

土地利用動態度指某研究區內，在一定時間段內土地利用類型數量變化情況，可以定量描述土地利用變化率，對分析土地利用變化的區域差異和預測未來土地利用變化趨勢具有積極的作用[5，12]，分為單一土地利用動態度和綜合土地利用動態度[15]。

單一土地利用動態度計算公式如下：

式中：Ua、Ub表示研究初期和研究末期研究區內某類土地利用類型面積；T表示時間段，一般時間間隔（年），此時表示該土地利用年變化率；K表示土地利用動態度。

綜合土地利用動態度計算公式如下：

式中：LUi表示研究初期第i類土地利用類型面積；ΔLUi-j表示末期第i類土地利用類型轉化為第j類土地利用類型面積的絕對值；T表示時間段，當T時段設定為年時，LC表示研究區土地利用綜合年變化率。

2.3土地利用變化驅動力分析

土地利用變化的驅動力主要表征為導致土地利用類型和目的發生變化的人口和社會經濟等因素[2，5]，本研究主要是基于合肥市1987—2014年人口數據和社會經濟數據，采用主成分分析法，基于SPSS軟件分析歷年土地利用變化數據，得出影響土地利用類型和目的變化的主要驅動力。

3結果與分析

3.1土地利用結構演變

通過分析合肥市1987—2014年間6個時相遙感影像解譯的土地利用類型，利用GIS統計分析與可視化功能，見27年間6個時期土地利用解譯結果（圖1）與不同時期土地利用結構統計結果（表1）。

由表1可知：（1）在5種土地利用類型中，耕地面積一直處于首位，并保持比重60%以上；然而在27年間，耕地面積呈減少趨勢，由1987年的77.37%減少到2014年61.19%，總面積減少114 033 hm2，主要是用于基建與建房用地等非農業用地和退耕還林、改果、改牧等農業內部結構調整；（2）建設用地面積占有較大比例，占土地總面積的10%以上，在27年間建設用地面積呈增加趨勢，面積由1987年的74 795 hm2增加為2014年的185 490 hm2，增幅達到1倍以上，且2005年建設用地面積突破20%；（3）水域也占有較大比例，林地與草地所占比例較小，其中林地呈現先增加后減少而后保持平衡的態勢，水域面積呈現先減少后增加而后保持平衡的態勢，草地面積基本保持不變；（4）2005—2014年在林地、草地和水域保持基本平衡狀態下，耕地面積減少和建設用地面積的增加有著密切聯系。

3.2近30年合肥市土地利用動態度分析

通過上述研究方法對1987—2014年合肥市的土地利用統計結果計算，可得該時間段土地利用變化情況和動態度（表2）。

從單一土地利用動態度（圖2-A）反映的土地利用類型變化速度上看，建設用地變化速度最快。27年間建設用地變化率達到101.8%，建設用地動態度達3.7，遠高于其他土地利用類型；林地在1995—2000年間也有較大變化，動態度達到-2.54；草地在2000—2010年間動態度由負轉正。但綜合來說，林地、草地和水域面積在27年間變化較小，變化量分別為-964、495、3 961 hm2。從綜合土地利用動態度（圖2-B）來看，27年間綜合土地利用動態度總體呈現“M”形趨勢，在1987—2000年和2005—2010年2個時期內，土地利用動態度呈現增加趨勢，增幅分別達到0.20和0.37，而在2000—2005年間綜合動態度達到最低值0.29，表明合肥市土地利用類型隨時間推移發生劇烈變化，且合肥市土地利用變化不均勻，城市發展導致耕地和建設用地面積變化較為顯著，城市發展成為該區土地利用類型相互變化的主要驅動力。

3.3土地利用變化流向分析

表3至表8為27年間6個時期土地利用動態轉移矩陣及土地利用綜合轉移矩陣，其中：（1）27年間，耕地被大量占用，其中轉化類型主要為建設用地，占轉移面積的約85%，其余分別轉化為林地、草地和水域，所占比例為1%、1%和13%；（2）除耕地外，建設用地在林地、草地和水域轉化類型中也占主導地位，分別占轉化面積的72%、52%和83%；（3）27年間建設用地面積增加最多，凈增加面積2.2×105 hm2，主要來源于耕地，林地、草地和水域都有一定比重轉向建設用地。因此，隨著經濟發展和人口增多，城市化水平不斷提高，造成合肥市土地利用發生巨大變化，而城鄉住宅、公共交通建設用地、水利通信等基礎設施用地的不斷增加是耕地面積減少的主要原因，也直接影響到其他土地利用類型的動態變化。

3.4土地利用變化驅動力分析

土地利用變化驅動力包括自然驅動力和社會經濟驅動力，其中人類活動是引起土地利用變化的主要因素，是最主要、最活躍的驅動力[3]。結合合肥市自然情況和經濟發展情況，基于合肥市現有27年間社會經濟發展統計數據，選取人口指標（人口總數X1、非農業人口總數X2）；社會經濟指標（GDP值X3、第二產業值X4、第三產業值X5、財政支出X6、財政收入X7、固定資產投入X8）；農業指標（糧食總產量X9）；居民生活水平（城鎮人均可支配收入X10、農村人均可支配收入X11）利用主成分分析法對土地利用變化的驅動機制進行定量分析，結果見表9。第一主成分特征值為10.496，累積貢獻率為95.415%，說明其對11個驅動力因素的解釋能力達到了95.415%，而其他主成分特征值均小于1，且貢獻率較低，解釋力度較弱，故直接提取人口因子來解釋驅動因子對土地利用變化的驅動影響。

對提取的人口因子和其他因子作因子分析，由表10可知，Varimax后的因子載荷矩陣，與第一主成分相關性較大的幾個驅動因素按照大小排列分別為：X10（城鎮人均可支配收入）、X5（第三產業值）、X11（農村人均可支配收入）、X3（GDP值）、X4（第二產業值）、X8（固定資產投入）、X6（財政支出）、X7（財政收入）、X2（非農業人口總數）、X9（糧食總產量）等因素。驅動因子中主要為社會經濟發展因素，人口增長對土地利用變化產生間接驅動作用，隨著社會經濟的發展，合肥市對固定資產和城市化建設的投入加大，促進了城鎮人口數量和比例的增加，而日益增加的城鎮人口對經濟發展和城市化水平的要求也在不斷提高，進一步促進土地利用變化，尤其是其他土地利用類型向建設用地的轉移。1987—2014年，合肥市經濟由粗放型向集約型轉變，經濟發展要與生態環境保護相協調，城市化進程要與環境保護相結合，這就要求土地利用變化逐漸趨于平衡性和合理性。

4結論

通過對1987—2014年合肥市土地利用情況分6個時期進行分析，得出如下結論：（1）合肥市土地利用變化情況，27年間耕地面積在持續減少，截至2014年減少面積達 114 033 hm2，較1987年減少16.18%，而建設用地面積在27年間持續增加，其年變化率和動態度分別達到101.8%和 3.7，水域面積呈現先減少后增加而后保持平衡的態勢，林地與草地所占比例較小，其中林地呈現先增加后減少而后保持平衡的態勢，草地面積基本保持不變；（2）各土地利用類型變化流向情況，主要為耕地向建設用地的轉入，而耕地的轉入主要靠林地、草地和水域的少部分補給；從定量分析來看，人口增長是土地利用變化的第一驅動力。基于此，為保證合肥市可持續發展，應加強對土地利用的規劃和調控，有效控制和合理布局城鎮化建設，嚴守耕地紅線，加強對林地、草地及水域的保護，協調經濟發展與生態環境保護的關系，促進合肥市經濟快速、穩定發展。

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