廣東省1992-2015年土地覆被變化的時空差異及其成因

顧 慧, 唐國平, 江 濤, 方 宏, 唐纖蘊, 陳曉樺

(中山大學 地理科學與規劃學院， 廣東 廣州 510275)

土地覆被變化對區域自然生態環境和人類經濟發展均會產生深遠的影響，是自然與人類交互作用的重要體現。當前，國內外學者對土地覆被的研究主要集中在根據實測、遙感數據反演等方式獲取土地覆被實際情況[1]，并利用長時間系列土地覆被資料分析土地覆被變化的趨勢[2-5]；討論驅動土地覆被變化的因素，主要集中在自然環境和人類活動對土地覆被的變化影響方面[6-9]，結合研究區實際情況選擇主要驅動因子[10-11]；探討土地覆被變化所產生的生態環境效應[12-15]等方面[16]。在對長時序土地覆被的研究中發現，在不同的研究區域，土地覆被變化的原因和特征存在差異[15-18]。近年來，廣東省社會經濟發展迅速，其土地覆被狀況也發生變化，研究土地覆被變化的原因為可持續利用土地資源提供依據。有學者基于高程數據對廣東省山區的土地利用變化進行分析，認為高程、坡度、坡向均對土地利用的變化影響顯著[17]；從驅動力角度來看，有研究認為廣東省土地覆被變化驅動因素主要為經濟、農業因素[19]。但這些研究大都沒有使用連續的土地覆被資料進行分析。因此，本研究利用長時序土地覆被數據，旨在分析廣東省1992—2015年土地覆被變化的時空特征與差異，并從地形和社會經濟兩個方面探討其原因。

1 研究方法與數據來源

1.1 研究區概況

廣東省位于中國南部，北緯20°09′—25°31′，東經109°45′—117°20′之間，陸地面積為1.80×105km2，約占全國陸地面積的1.87%。該省地理位置特殊，與6個省級行政區接壤，毗鄰港澳[20]。2018年，廣東省實現地區生產總值9.72萬億元，較1999年增加8.8萬億元[21]，省內經濟發展迅速，并積極參與中國“一帶一路”倡議和粵港澳大灣區構建。

1.2 數據來源

本研究所用1992—2015年300 m廣東省土地覆被數據，來源歐空局氣候變化倡議—土地覆蓋(ESACCI-LL)項目。根據原始土地覆被數據結合研究區域環境特征和研究需求，將土地覆被劃分為耕地、林地、草地、建設用地和水域五種類型。由90 m SRTM數字高程數據，利用ArcGIS軟件獲取廣東省高程、坡度和坡向數據。細節上，按高程把研究區劃分丘陵、小起伏山地、中起伏山地和大起伏山地[22]；同時，根據坡向把研究區劃分成半陽坡、陽坡、半陰坡和陰坡[23]；根據坡度把研究區劃分成緩地、中等坡、陡坡、急坡[24](表1)。研究中所使用的2000—2015年廣東省社會經濟數據來源國家統計局[21]。

表1 研究區地形分級

1.3 研究方法

選取土地利用動態度和土地利用轉移矩陣來定量分析1992—2015年間廣東省土地覆被的時空特征。土地利用動態度分為單一土地利用動態度(K)和綜合土地利用動態度(LC)，用來反映時間段內研究區土地利用類型變化情況，包括數量、空間和組合方式等方面[25]。一土地利用動態度可量化時段內某類型土地覆被的變化狀況，是反映土地覆被的變化速度與幅度的指標；綜合土地利用動態度反映在時段內研究區域的土地覆被變化的程度，是土地覆被的變化速度以及不同研究區域差異化指標[26]：

(1)

(2)

式中：LUi為T時段前的某種土地覆被面積； LUj為T時段后的土地覆被面積； ΔLUi-j為T時段內土地覆被的變化面積；n為研究區內土地覆被的總類型數。

土地利用轉移矩陣[27]，一般用來統計研究時段始末土地覆被相互之間轉換的情況，該統計方法不僅可展現出研究區內土地覆被的組成類型，還能表現出土地覆被的轉化方向，可以較為全面、具體地反應出研究區在研究時段內土地覆被的特征以及變化方向[26]。

(3)

單一地類變化的流向分析，通過對指定的覆被類型的流出類型進行分析來探尋區域土地覆被類型變化的驅動因素。這種方法所用的指數可根據土地利用轉移矩陣求得，表示各流出類型面積占所研究類型面積的百分比(簡稱為流向百分比)。該分析的目的在于根據指數的大小，判斷驅動所研究地類變化的主次類型，可以將主導類型作為切入點，分析土地覆被變化的原因及驅動因素[26]。

灰色關聯分析可用來描述所有研究因素間關系的強弱、大小和次序[28]。其基本步驟為： ①設定參考序列和比較序列； ②序列無量綱化〔yi(k)〕； ③求差序列、最大差和最小差； ④求取灰色關聯系數〔Li(k)〕； ⑤計算灰色關聯度〔γi(k)〕。

(5)

(6)

(7)

式中：k為某序列； Δi(k)為參考序列和變量序列差； Δmin序列差值最小值； Δmax為序列差最大值。

2 分析結果

2.1 土地覆被變化的時空特征

從廣東省土地覆被分布來看，其類型以林地和耕地為主。對比1992和2015土地覆被狀況，發現1992年廣東省土地覆被中林地所占面積(1.10×105km2)最高、耕地(5.61×104km2)其次，然后為建筑用地(5 200 km2)、水域(4 100 km2)和草地(2 400 km2)。到2015年土地覆被情況發生改變，依面積大小排序為林地(1.06×105km2)、耕地(5.49×104km2)、建筑用地(1.05×104km2)、水域(5 100 km2)和草地(1 100 km2)。總體來說，區域內以林地、耕地為主，研究時段內林地、耕地和草地的面積在減少，而水域面積有少量增加，建筑用地面積增加顯著。鑒于廣東省土地覆被類型以林地、耕地為主，而發生變化的類型主要為林地、耕地和建筑用地，所以本文集中對這3種土地覆被類型進行分析(圖1)。

圖1 廣東省1992-2015年各類型土地覆被面積變化及土地利用動態度

首先，對各土地覆被類型的面積進行統計，采用單一土地利用動態度對土地覆被的變化進行量化分析，結果如圖1所示。由圖1可知，因為耕地面積隨時間的變化在2000年前后呈現明顯相反的趨勢，所以將1992—2015年分成兩個階段(前期、后期)進行討論，為保持一致性，對其他覆被類型也分為兩個階段。對前后兩個時序的土地覆被面積進行一元線性回歸分析發現，前期耕地面積隨時間呈增加趨勢，而后期呈減少趨勢；林地面積雖在研究期間逐年減少，但前期減小速率大于后期(0.38>0.06)，說明后期林地減少速度放緩；與林地面積變化方向相反，建筑用地面積逐年增加，且前期變化速率小于后期(0.17<0.32)，說明后期建筑用地面積增加速度更快。從單一土地利用動態度來看，前期耕地和林地動態度的絕對值和年際差異均大于后期，這表明前期耕地和林地面積變化的速度快，相鄰年份的面積值之間差異比較大；建筑用地的動態度在2000年左右經歷大幅度變化，說明在該時間點，建筑用地面積有較大變化。

其次為量化各類型土地覆被之間相互轉換的程度，對1992—2000年與2000—2015年廣東省各類型土地覆被的面積轉移矩陣結合單一地類變化的流向指數進行分析。研究發現，從1992年到2000年這8 a間(表2—3)，林地流出的主導類型為耕地(93.32%)，有2 785.77 km2由林地轉化為耕地；而耕地流出的主導類型為建筑用地(81.5%)，耕地中的943.11 km2轉化為建筑用地。總的來看，林地流出以耕地為主，耕地流出以建筑用地為主。林地減少面積為2 676.6 km2，減速為334.58 km2/a；耕地面積增加1 974.42 km2，增速為246.8 km2/a；建筑用地面積增加1 381.77 km2，增速為172.72 km2/a。

表2 廣東省1992-2000年各類型土地覆被面積轉移矩陣 km2

表3 東省1992-2000年單一地類變化的流向指數 %

根據表4—5，在2000—2015年這15 a間，林地流出的主導類型是耕地(68.71%)，其次為建筑用地(24.55%)；耕地流出的主導類型為建筑用地(95.57%)，有3 897.99 km2耕地變為建筑用地；建筑用地面積自2000到2015年這15 a間增加了4 988.79 km2。與前期相比林地流出雖然仍然以耕地、但轉變為建筑用地的比例明顯提高，而耕地流出仍以建筑用地為主。林地面積減少面積為1 134.36 km2，減速為72.02 km2/a；耕地面積減少3 189.06 km2，減速為212.60 km2/a；建筑用地面積增加4 988.79 km2，增速為332.59 km2/a。

表4 廣東省2000-2015年各類型土地覆被面積轉移矩陣 km2

表5 廣東省2000-2015年單一地類變化的流向指數 %

2.2 地形因素

采用綜合土地利用動態度來量化1992和2015年廣東省地形因素對土地覆被變化的影響。其中地形因素有：高程、坡度和坡向[22]，根據地形分級表1對廣東省土地覆被類型進行劃分。對每種影響因素都進行分類討論，找到特定研究區域下的熱點區域。將研究區域設定為某種土地覆被類型，同時考慮到土地類型轉化會導致原有類型面積減少、而轉化目標類型面積增多，所以可用增減兩種情況分別討論研究區內高程、坡度和坡向因素對土地覆被轉化的影響，結果如圖2所示。由圖2可以看出，就高程對土地覆被變化影響來看，存在林地變化(由林地流出或轉化為林地)的區域主要集中在丘陵和小起伏山地中，中起伏山地僅占一小部分，大起伏山地基本無變化；而對耕地來說，存在變化的區域也集中在丘陵和小起伏山地中，但耕地的減少明顯更集中在丘陵地區；對建筑用地變化來說，在研究區內只有增加沒有減少，并且增加的面積基本全屬于丘陵地區。根據圖2，討論坡度對土地覆被變化的影響。林地的增加主要發生在緩地和中等坡地區，而減少部分主要發生在緩地；耕地的減少和增加都主要發生在緩地區域，少量中等坡度地區也有增加；而建筑用地面積僅呈現增加，且發生在緩地。由圖2可知，相較于高程和坡度，坡向對于土地覆被變化的影響沒有較大的差異。最后，對比林地、耕地和建筑用地的變化情況，發現建筑用地面積一直在增加且這種增加主要集中在海拔低、坡度緩的地區，這與耕地、林地面積減少區域比較吻合。耕地的增加主要發生在丘陵、緩地，有一小部分發生在小起伏、中等坡地區，表明人們面對耕地壓力也會去耕種地形較不平緩地區。而林地面積增加主要發生在小起伏、中等坡地區，說明相對于轉化為耕地，這些地區更易轉化成林地。

2.3 社會經濟因素

人類的社會經濟活動影響土地覆被轉變的方向。社會經濟指標主要包括： ①人口(常住人口)； ②經濟(生產總值、第一產業增加值、第二產業增加值、第三產業增加值)； ③城市化進程(建筑業總產值、公路里程)； ④技術革新(農業機械總動力)等[10]。這些社會經濟要素發生變化會驅動土地覆被產生變化并影響其轉化方向。采用灰色關聯分析方法，將土地覆被面積作為參考數列，驅動因子作為比較數列，得到土地覆被類型與各驅動因子之間的關聯度。關聯度的大小可以反應各驅動因子對土地覆被變化作用的強弱[28]。關聯度越大，則該因子對相應土地覆被變化的影響越大。

圖2 研究區地形對1992-2015年土地覆被變化的影響

從圖3可以看出，各驅動因子的關聯度均大于0.5，說明這些驅動因子均對土地覆被的轉化產生影響。人口對3種土地覆被類型的轉換影響都較大，表現在驅動因子接近1；對林地來說，前期和后期公路里程的關聯度值接近，說明公路里程數雖驅動土地覆被發生改變，但其發揮的作用在前期和后期之間相似度高，后期拓展的公路里程對于林地的影響不顯著；而對于耕地，城市化進程(建筑業總產值、公路里程)和技術革新(農業機械總動力)這兩類驅動因子的關聯度在后期有比較大的提升；而對建筑用地，經濟因子(第一、二、三生產力增加值)和城市化進程因子(建筑業總產值)中的部分驅動因子的關聯度值后期比前期提升較多。

注：人口因子包括：PRP(常住人口)； 經濟因子包括：GDP(生產總值)，FI(第一生產力增加值)，SI(第二生產力增加值)，TI(第三生產力增加值)； 城市化進程因子包括：HW(公路里程)，GPOCI(建筑業總產值)；技術革新因子包括：TAM(農業機械總動力)。

圖3 廣東省2000-2015年土地覆被面積變化與驅動因子關聯度

3 討 論

3.1 廣東省土地覆被類型變化的空間差異和原因

廣東省土地覆被變化的空間特征與地理條件密切相關。從土地覆被類型在各地形條件下的轉換來看，林地主要在高程低、坡度較為緩和的區域轉化成耕地，而耕地在坡度中等的地區轉換為林地的可能性比較大；耕地的減少基本發生在高程小于500 m和坡度小于15°的區域；而建筑用地對高程和坡度的要求均很嚴格，其變化基本發生在高程小于200 m和坡度小于5°的地區。粵北山區海拔高、坡度大，人工開墾難度大，所以土地覆被主要以林地為主、耕地次之，土地覆被轉化主要變現在林地與耕地之間的轉化，建筑用地在該區域影響較小。而對珠三角地區和粵東、西沿海地區來說，由于高程低、坡度小，地勢平坦可塑性強，從地理條件來看，適于耕地和建筑用地的發展。

3.2 廣東省土地覆被類型變化的時間差異和原因

3.2.1 人口和城市化進程因子 廣東省自身人口基數大，且由于經濟發展水平高對人口吸引能力強，因此廣東省常住人口逐年增加。在前期，廣東省人口增速為242.94萬人/a，而后期為151.14萬人/a。人口雖然逐年增加，但是后期增速明顯低于前期增速。人口的增加會導致糧食和居住面積需求量增加，所以前期林地以轉化成耕地為主。人們將高程低、坡度緩且容易改造區域內的林地改造成耕地，而將鄰近城市的耕地轉化成建筑用地，所以前后期耕地主要轉化為建筑用地。城市化進程因子中的建筑業總產值后期增速為552.40億元/a，這是前期增速84.43億元/a的5倍，因此林地、耕地、建筑用地的關聯度后期均大于前期。建筑業產值的增加會造成建筑用地面積的增加，進而導致耕地、林地向建筑用地轉換，驅動土地覆被類型發生變化。而對公路里程來說，前期(5 800 km2/a)和后期(7 900 km2/a)的增速比建筑業總產值增速緩，并且公路里程的關聯度對林地來說在前期和后期差異不大，因為林地一般都分布在高程大、坡度較陡的區域，這些地區開發難度大，所以公路建成后對于林地的影響也較小，表現在前后期關聯度無大變化。

3.2.2 經濟因素 廣東省作為經濟強省，研究期間，第一、二、三產業值均穩步上升。經濟的發展會影響土地覆被的結構。從關聯度來看，從高到低依次為第一產值、第二產值和第三產值。第一產業總值的年增加速度后期是前期的三倍，但是后期的耕地面積呈下降趨勢，說明單位面積的產值有顯著的提升。

3.2.3 技術革新因素 研究期間后期農業機械總動力增速為6.69×105kW·a是前期3.59×105kW·a的近兩倍。技術革新使得單位耕地的產出增加，能夠利用更少的耕地面積帶來更高的糧食產出，減少耕地面積的同時保障糧食的供給，而耕地與林地、建筑用地之間聯系緊密，所以該因子與林地、耕地和建筑用地的變化的關聯度均很高。

3.2.4 政策因素 1992年末廣東省放開糧食市場，同時放開農副產品價格，生產者的積極性得到了極大提高，這促進了農業的發展。反應到土地覆被上來看，1992年后耕地面積迅速增加，林地向耕地轉化明顯。我國自1999年開始實施退耕還林工程，結合廣東省土地覆被變化情況來看，2000年林地面積盡管仍在減少，但減速得到控制，并且坡度相對較高的區域耕地開始轉化為林地。這也解釋了耕地面積在1992—2000年持續增加而在2000—2015年開始減少，這說明政策對土地覆被轉換產生間接影響，使得土地覆被變化趨勢發生改變。因此，在研究中應結合實際情況，必要時可將長時間序列資料分段進行討論分析。

總的來說，地形是造成土地覆被變化存在空間差異的主要驅動力，而社會經濟因素是造成土地覆被變化存在時間差異的主要原因。驅動因子之間相互聯系、共同作用使得土地覆被發生改變。技術革新會增加單位面積耕地的產出，在耕地面積總量減少的情況下為了滿足人口增加對糧食需求的增加，并且使對勞動力人數的需求更少，其結果是鄉村人口流向城鎮中，城市化進程加快；并且，城市中勞動人口數量增加，為第三產業的發展提供了支撐，反過來第三產業的發展也給更多的人帶來勞動崗位，吸收更多的人進行經濟建設；而城鎮人口的增多以及經濟的發展均會導致建筑用地增多。

4 結 論

(1) 地形影響土地覆被的變化，導致變化存在空間差異性。林地主要轉化為耕地，而耕地主要轉化為建筑用地。因為建筑用地主要分布在高程低、坡度緩的區域，這與耕地分布的地形條件一致，所以建筑用地主要由耕地轉換而成。耕地面積在前期呈增加趨勢，其擴張區域主要為周圍的林地；在后期，當耕地面積減少時，林地在中等坡地區增量占比大，說明該地形條件下的耕地更容易轉換成林地。相對于高程和坡度，坡向對土地覆被變化的影響較小。

(2) 以耕地面積在2000年前后變化為界，研究發現前期耕地、建筑用地面積增加，林地面積減小；后期建筑用地面積持續擴張并且增速加快，林地、耕地面積均減小。雖然林地在研究時序內面積一直在減少，但后期遞減速度明顯小于前期，并且單一土地利用動態度趨近于零，說明林地的變化不顯著，面積趨于定值。

(3) 社會經濟因素相互作用共同驅動廣東省土地覆被發生變化并呈現一定的時間差異性。人口增多使得耕地、建筑用地面積需求增多，從而導致林地面積轉換為耕地，耕地轉化為建筑用地以滿足人類生活的需要。并且農業政策推廣提高了生產者的積極性，耕地面積持續增多。但為保障生態環境的發展實施 “退耕還林”工程，與此同時科技水平的提高增加單位面積耕地的產值，提高糧食總產值。在政策和科技水平的共同推動下，在保證不越過耕地紅線的前提下，減少耕地面積的同時也能保障糧食產出，使部分耕地轉化為林地、建筑用地，緩解生態壓力和土地壓力。