2000—2015年西南區縣域土地利用變化特征及驅動力分析
——以重慶市奉節縣為例

徐鋮龍，紀佩瑤，龔文峰，劉月陽，杜 崇

（1黑龍江大學水利電力學院，哈爾濱 150086；2海南大學林學院，?？?570228）

0 引言

土地利用/覆蓋變化(LUCC)已成為人類活動對自然生態環境影響的主要形式[1]，是人地關系最為密切、最為典型的命題[2]。由于新舊框架下的區域土地利用規劃矛盾和區域生態過程的變化不斷加劇，對區域的社會經濟和生態環境產生一定影響[3]。故而，區域尺度的LUCC研究已成為重要領域[3-5]。通過對當前土地利用相關文獻的梳理發現，研究方向分為以下4 個層面：演變過程及特征[4-5]、動態模擬[6-7]、土地利用驅動力[8-9]和生態環境效應[10-11]。

由于中國社會經濟發展速度過快且不均衡和區域地形地貌迥異的特點，存在一定程度的人文與自然因素的“疊加差異”[12]。故對區域土地利用研究和監測多以大尺度為主[8-9]，而且主要集中在河湖流域[12-14]、經濟發達地區[15-16]和生態脆弱地區[17-19]，但研究方向正逐漸向典型生態區轉移。而西南山區縣域（奉節縣）處于中國經濟發展的薄弱地帶，且大部分處于高海拔陡坡區，坡耕地分布集中[20]，生態環境脆弱導致土壤侵蝕嚴重[21-22]。故而，其LUCC問題極具特殊性[23]。

由于區域人地矛盾突出及對生態環境的作用響應敏感，且基于圖譜模型探求該區域土地利用時空格局演變及驅動機制的研究相對稀少。本研究以重慶市奉節縣為例，基于2000、2005、2010、2015年4期遙感影像數據，結合土地利用數據和土地利用動態模型，揭示區域15 年間土地利用格局演變規律；借助SPSS 數理統計軟件和區域社會與經濟等相關數據，定量分析研究區土地利用時空變化的驅動機制，揭示土地利用時空演變的關鍵驅動因素。以期提升區域土地資源的合理利用配置，為中國西南地區土地資源的可持續利用及經濟與生態環境的協調發展提供技術支撐。

由于區域人地矛盾突出及對生態環境的作用響應敏感，且基于圖譜模型探求該區域土地利用時空格局演變及驅動機制的研究相對稀少。本研究以重慶市奉節縣為例，借助ArcGIS10.2 軟件和地學信息圖譜，揭示區域2000—2015年間土地利用格局演變規律；借助SPSS數理統計軟件和區域社會與經濟等相關數據，進行研究區土地利用時空變化的驅動機制定量分析，并得出關鍵驅動因素。以期增強區域土地資源配置的合理優化和土地資源的可持續利用，并為其提供技術支撐。

1 研究區概況

奉節縣是重慶市的東大門，以巫山、恩施、云陽和巫溪為鄰。地處三峽庫區腹地，包含永樂鎮等30個街道鄉鎮，屬于三峽庫區生態敏感區和三峽移民區。典型河谷地形，氣候溫熱，雨熱同季，降雨時間集中且破壞力大。垂直海拔差異大，導致立體氣候特征顯著，有助于發展地區特色農業（如奉節臍橙）。研究區喀斯特地貌典型，紫色土壤分布廣泛[24]?？h內水資源豐足，但分布不均。長江東西橫斷，切奉節縣為南北兩部分，有著名的三峽奇觀和白帝古城等景觀。

2 研究方法

2.1 數據獲取

本研究以奉節縣1:50000 地形圖為地理基準，運用遙感軟件ENVI5.3，完成2000 年、2005 年和2010 年Landsat-5TM和2015年Landsat-8OLI遙感數據的輻射定標、大氣校正和圖像掩膜裁剪等處理?；凇吨袊恋胤诸愊到y》，結合大量野外調查樣本，將研究區地類分為：林地、草地、耕地、水域、居民工礦用地和未利用地共6 種，并借助ArcGIS10.2 將土地利用按順序分別賦予1～6 代碼并成圖。運用最大似然監督分類法，完成遙感數據的分類處理。2000 年、2005 年、2010 和2015 年分類精度達到82.49%、84.41%、87.34%和89.69%，kappa系數分別為0.80、0.84、0.86和0.87，達到研究分析要求。借助SPSS 數理統計軟件和奉節縣的社會經濟數據，完成定量分析。

2.2 分析方法

本研究借助于土地利用時空演變模型，從時空尺度上定量揭示區域土地利用類型的數量特征變化和空間結構演變過程。

2.2.1 土地利用動態度 土地利用動態度：反映出各種土地利用類型面積的變化幅度、變化速度以及在區域土地利用變化中的類型差異，并且利用該模型可以真實反映出區域土地利用類型的變化劇烈程度。

單一土地利用類型動態度如式(1)所示。

式中K為某一土地利用類型動態度，Aa和Ab為某一地類研究初期和末期的面積，T2-T1為研究時段[25]。

綜合土地利用動態度如式(2)所示。

式中LC為綜合土地利用動態度；Aai為第i類土地研究初期面積；ΔLAi-j為研究期內第i類土地轉移到其他土地利用類型面積的絕對值[25]。

2.2.2 土地利用結構信息熵 土地利用系統的有序性可以用土地利用結構信息熵來分析：熵值越高，有序性越弱，系統不穩定且不利于發展。如式(3)～(4)所示。

式中Pi為某土地利用類型的比例；H為土地利用結構信息熵；J為均衡度；均衡度與優勢度的和為1[26]。

2.2.3 土地利用轉移圖譜 土地利用轉移圖譜中的信息為“時空復合體”數據，通過對圖形的空間格局及其拓撲關系依據時間序列變化進行計算分析[21]，將在時空尺度下對土地利用的演變規律進行動態直觀描述。基于此，本研究在ArcGIS10.2 的支持下，合成該區域2000→2005 年、2005→2010 年和2010→2015 年3 個時段的地學信息圖譜，以充分發揮圖譜數據的挖掘方法在時空變化直觀描述方面的優勢[27]，以期定量揭示區域土地利用時空動態演變格局及規律。圖譜計算公式如式(5)所示。

式中F為研究階段內土地利用演替模式的圖譜單元柵格；F1和F2為研究初期和研究末期的土地利用圖譜柵格屬性值。

3 數據分析

3.1 土地利用變化整體分析

基于ArcGIS10.2 獲取研究區土地利用的基礎數據并進行統計分析（見圖1 和表1）。由表1 可知，2000—2015年間研究區基質景觀為林耕地，兩者四期的面積和占比均九成以上。且林地優勢地位顯著，面積比例分別為66.76%、67.54%、67.37%和67.48%，是耕地的2.4～2.6倍。草地分布在林地和耕地之間，面積比例分別為3.19%、3.16%、3.13%和3.10%。

圖1 奉節縣2000—2015年土地利用類型空間分布

表1 2000—2015年土地類型變化數據統計表

15年間林地、水域和居民工礦用地面積呈增加趨勢，分別增加了29.36、46.67、9.03 km2，水域面積增幅最大，為127.11%，且增速最快，為8.47%。2000—2015年居民工礦用地的變化速率分別為0.76%，0.95%和4.71%，保持持續增加的趨勢。15年間，林地的變化速率為0.23%、-0.05%和0.03%，由快速增加轉為緩慢的增減平衡變化。耕地、草地和未利用地的土地面積總變化為-78.84、-3.73、-2.49 km2。未利用地減幅最大，為34.34%，且減速最快，為-1.37%。2000—2015年，草地與耕地的減少速度均由快向慢轉化，為-0.24%、-0.15%、-0.19%和-0.79%、-0.39%、-0.22%。

基于土地利用綜合動態度分析結果可知[25]，奉節縣在2000—2005 年和2005—2010 年的綜合動態度分別為4.72%和4.71%，均處于慢速變化型階段；而熵值在2000—2010 年一直保持0.83。該結果表明當地土地利用存在頻繁轉化的不穩定情況，源于2000—2010年間正是三峽移民工程逐步完成、奉節縣城新舊交替和經濟結構調整的時期，其土地利用變化也呈現由整體無序向局部有序方向發展趨勢。2010—2015 年研究區的綜合動態度僅為0.05%，處于極緩慢變化型階段，而熵值僅增加了0.02。源于奉節縣三峽移民工程完成后，土地利用節奏放慢且農業政策日趨穩定，社會經濟趨向平穩發展。2000 年熵值均衡度由0.46 增加到2015 年的0.48，優勢度減少0.02，但仍然大于0.5。表明林地的優勢地位雖然降低，對其他土地類型的影響程度正在減弱，但仍為區域優勢景觀。

3.2 主要土地利用圖譜演變分析

2000—2005 年和2005—2010 年均生成36 類圖譜單元，轉移總面積1304.66 km2和1303.93 km2。土地利用演變主要集中在林地、草地和耕地之間。2010—2015 年產生23 類圖譜單元，轉移總面積19.82 km2。土地利用演變并不劇烈，主要為林地、水域和居民工礦用地面積增加[28]。

2000—2010年間，以林地面積變化幅度最為劇烈。2000—2005年，林地轉出856.90 km2，主要向草地和耕地轉移，轉移的面積分別為66.98 km2和475.39 km2，變化比率分別為5.13%和36.44%。受三峽移民工程的影響，部分移民通過開荒種地來增加經濟收入，加大了對林地的開發力度，陡坡濫墾開荒現象比較嚴重，在擴大坡耕地面積的同時，加大了局部區域地質災害的發生頻度，加速了部分區域生態環境惡化進度。2005—2010 年，林地的輸入面積最多，為573.94 km2，其主要的輸入來源為草地和耕地，其中草地輸入面積為67.72 km2，變化比率為5.19%；耕地輸入面積達到494.05 km2，變化比率為37.89%。隨著當地生態移民規劃的實施，在國家退耕還林等積極的農林政策推動下，部分粗獷開發的草地和耕地轉化為生態林和旅游林，形成足夠規模的長江生態保護屏障。此外，受農業產業結構調整影響，奉節縣規模化的臍橙產業加速了部分草地和耕地向林地的轉換速度。

2000—2010 年間，耕地變化較為劇烈，2000—2005 年耕地以轉出為主，面積595.56 km2。主要輸出地類為林地和草地，分別轉出523.87 km2和40.07 km2，面積變化比率分別為40.15%和3.07%。奉節縣受國家生態政策影響，大力推行退耕還林、還草，土地利用趨向一定合理性。此外，得益于當地優勢的地理條件和產業結構的調整，部分低經濟價值的坡耕地被改造為較高經濟價值的臍橙果園，也使得林地面積增加。由于新型農業技術推廣和農業生產集約化推行，節省出來的農村勞動力走向城市，在促進城鎮化發展的同時，部分耕地被撂荒并逐漸轉化為草地。2005—2010 年耕地以轉入為主，面積達到561.92 km2，其中林地和草地是其主要轉出來源，林地→耕地的面積為509.53 km2，變化比率為39.08%。草地→耕地的面積為39.19 km2，變化率為3.01%。雖然當地推行退耕還林還草政策，但仍然有新縣城周圍的林地和草地被擠壓侵占，并轉化為耕地，在一定程度上凸顯了局部區域的人地矛盾。

2000—2010 年間，草地和林地及耕地的變化趨勢相似，2000—2005年間以轉出為主，2005—2010以轉入為主。2000—2005年轉出的總面積為109.81 km2，對象主要為耕地和林地，面積分別為55.03 km2和52.02 km2，受三峽移民工程影響，區域人地矛盾加劇，加大了對草地和林地干擾力度，使得部分草地和林地被擠壓侵占，區域土地利用呈現一定的不合理化。2005—2010年耕地和林地轉入草地面積共107.23 km2，為所有種類中最多。其中，耕地→草地的面積53.37 km2，林地→草地的面積51.41 km2。受國家退耕還林、還草等生態政策和當地生態產業發展的雙重影響下，部分地理條件不好的耕地，隨著人為干擾的減少逐漸演變為草地。林地和草地間的轉換很大程度上與地理條件有一定的關聯。

2010—2015 年，居民工礦用地累計增加最大，6.73 km2。林地和耕地是其主要的轉換來源，其中林地→居民工礦用地和耕地→居民工礦用地面積分別為3.38 km2和2.65 km2，很大程度上源于研究區城市化的進程?！笆濉逼陂g，奉節縣投資120億元建設西部城區和15億元建設旅游新城，打造移民生態工業園并引進一系列特色企業，經濟建設勢必會擠壓侵占林地和耕地。林地增加的面積次之，耕地和草地是其主要來源，耕地→林地和草地→林地的面積分別為8.48 km2和1.02 km2，源于建設長江上游重要生態屏障的國家級水土保持重點項目實施。水域面積計增加1.57 km2，很大程度上源于三峽大壩的修建。

圖2 奉節縣2000—2015年時序單元轉移圖譜

3.3 驅動力分析

土地利用演變是一個非常復雜的演化過程。在參照相關研究基礎上，遵循驅動因子選取原則[19]，選取城鎮化水平、經濟因素、農業結構、政策因素和社會發展水平等5 個主要因素共23 個指標（見表3），利用主成分分析模型和線性回歸模型，對驅動土地利用類型演變的主要因素進行分析。

表2 2000—2015年奉節縣土地利用轉移主要圖譜單元排序表

表3 土地利用驅動力變化指標

3.3.1 主成分分析 主成分1和2累計貢獻率達87.7%，并且特征值均大于1，滿足數據分析標準。正交旋轉處理后，按照旋轉荷載大小排序。由此可知：主成分1中的荷載系數大于0.9的因素，均與社會水平和經濟發展高度相關，因此可將其歸納為社會經濟發展因素。主成分2 中水產品、油料和肉類產量的荷載系數均大于0.88，與之高度相關，因此，主成分2 為農業因素。結合主成分1中旋轉荷載均大于0.8的茶葉、水果與蔬菜產量分析，奉節縣形成了為以茶葉、果蔬為主，輔以水產品、油料和肉類的農業結構。因此，由表4因子荷載數據可知，奉節縣土地利用驅動力形成了以城鎮化為主，次之政策和經濟因素，輔以農業因素的格局。

表4 正交旋轉后的因子荷載矩陣表

3.3.2 線性回歸分析 影響城市土地利用變化的主要因素包括人口、經濟、產業結構、政策[29]。由前文分析可知，城鎮化因素是區域土地利用驅動力的主要來源，且居民工礦用地又是城鎮化因素響應最敏感的要素?；诖?，本文在對23個指標進行相關性分析和共線性分析的基礎上，篩選出城鎮化率(X3)、第三產業產值(X7)、水果產量(X14)、公共預算支出(X22)和農村常住居民人均可支配收入(X23)這5 個與城鎮化相關性最大的因素。并作為自變量，分別以居民工礦用地作為因變量，進行線性分析，得出線性回歸模型（圖4）。R2均大于0.8，回歸效果顯著，模型的構建方式如式(6)～(10)所示。

圖4 居民工礦用地與影響因素的回歸分析模型

（1）城鎮化進程。2015 年城鎮化率為39.44%，是2005 年23.8%的1.66 倍，且逐年均呈現增加趨勢。奉節縣2015年年末總人口為106.41萬人，非農人口占比為21%，較2005 年增加10 個百分點。2005—2015 年間，居民工礦用地面積增加8.03 km2，年均增加2.94%，呈現持續增長趨勢。城鎮化率的相關系數為0.8717，其主要原因為：非農人口增加提高了居民用地和基礎設施建設用地的占比，進而導致城鎮化率上升。雖然三峽移民已收官，當地的經濟構成和土地利用結構逐漸確定，其中心任務由生態移民轉為經濟發展和生態保護，土地利用趨向穩定化和規模化。但是研究區投資新城及產業園建設，必然會犧牲和壓縮耕地等其它地類，使得現存的土地資源空間分布面臨挑戰。

（2）產業結構。在生態移民項目和地區經濟社會發展規劃發布后，當地政府開始調整產業結構，以奉節臍橙為代表的高效益的農作物種植增收，減少人地矛盾。同時打造特色歷史文化旅游業。在回歸分析模型中，水果產量的相關系數達到了0.9340，表明隨著當地產業結構的調整，農林經濟得到了很大的發展，2015年奉節縣水果產量32 萬t，較2005 年增長97.85%，年均增長1.6 萬t，從而帶動了相關第三產業的迅猛發展（如交通運輸、餐飲服務及旅游服務等）。2015年第三產業產值為66億元，較2005年增長2.9倍，且相關系數達到了0.8004，很大程度歸因于研究區建設用地資金的投入。數據表明該區域的道路網密度由2005 年的39.46 km/km2增加到2015 年197.18 km/km2，道路建設不僅加速了農林產業的快速流通，而且還向外擴展了城市空間，加快了城鎮化速率。

（3）政策實施。在回歸模型中，公共預算支出的相關系數為0.9175，且公共預算支出的社會固定資產投資增加方面體現的尤為明顯。2015 年社會固定資產投資232 億元，相比2005 年翻了3 番，項目投資、房地產投資、跨區投資和工業投資為其中最主要的投資組成。在帶動當地經濟快速發展的同時，最直接的表象為建設用地面積的增加及非農業人口的增多，由2005年的11.3 萬人增加到2015 年22.87 萬人。同時，立足園區平臺，加強對環境友好的產業發展，實現生態富民，加速城鎮化進程。

（4）社會發展。農村常住居民人均可支配收入與居民工礦用地面積高度相關，相關系數大于0.96。該指標增長幅度為398%，年均增加297.96元。城鎮化建設的快速發展輻射奉節縣縣城周圍的農村鄉鎮，不僅形成諸如永安鎮和朱衣鎮這樣具有一定規模的衛星城鎮，而且還帶動農村綠色農業節、生態旅游觀光等農業衍生服務行業的快速發展，進而不斷提升社會消費品零售總額，研究期期間增長14%。不僅改善了當地惡劣的生態環境，并成為渝東北生態涵養區和長江上游重要的生態屏障，而且加速了區域的城鎮化。

4 結論

（1）研究期內奉節縣土地類型以林地和耕地為主，且林地具有顯著優勢地位，與當地的經濟結構特點相符?？傮w變化趨勢為：耕地、草地和未利用地面積負增長，林地、水域和居民工礦用地面積均有所增加。其中，水域面積不斷擴張，增加了46.67 km2，增長了127.11%。居民工礦用地逐漸侵占其他類型土地，2010—2015年增長面積最多，為6.73km2，增長23.5%。

（2）綜合2000—2015年的綜合動態度和土地利用結構信息熵分析可知：2000—2005年和2005—2010年土地利用綜合動態度為4.72 和4.71，熵值保持0.83。綜合動態度慢速變化，且熵值保持數值不變。表明土地利用變化呈現由整體無序向局部有序方向發展趨勢。2010—2015 年研究區的綜合動態度僅為0.05，處于極緩慢變化階段，且熵值保持不變。表明在自然生態環境、相關政策和經濟發展穩定的同時，土地利用保持穩定不變。

（3）根據地學信息圖譜可知，林地為2000—2005年的最大轉出面積地類，期間土地利用面積主要在林、草和耕地之間轉換，累計變化面積1551.53 km2，累計變化比率為90.76%；林地的轉入面積在2005—2010年最大，土地之間的轉換依舊在林、草和耕地之間，累計變化面積1576.69 km2，累計變化比率為90.89%；2010—2015年的圖譜顯示，地類變化主要以居民工礦用地面積增加為主，累計變化面積14.51 km2，累計變化比率為73.27%。

（4）主要驅動奉節縣土地利用類型變化的因素為：城鎮化、政策、經濟、社會發展及農業等因素。其中，經濟結構重心向第三產業轉移的過程，主要驅動奉節縣土地利用格局變化。在這五大類因素中，與居民工礦用地演變高度正相關的指標為：城鎮化率、第三產業產值、水果產量、公共預算支出和農村常住居民人均可支配收入。

5 討論

西南區主要以山地為主，典型喀斯特地貌。并且研究區內坡度超過15°的地區占比超過50%，加之汛期侵蝕性降雨量集中且流量大，當地自然環境易造成水土流失和山體滑坡災害。在研究期內由于三峽移民工程，奉節縣全縣搬遷，頻繁的土地利用類型轉化導致水土保持措施不力，使得奉節縣在2015年重慶市復核劃分水土流失重點防治區和重點治理區時，奉節縣的重點治理面積為2015.03 km2，占縣域面積的半數以上，當地水土保持研究迫在眉睫。因此，本文構建地學信息圖譜，準確揭示區域不同地類時空演變規律，并定量分析時空演變驅動機制及其關鍵驅動因素。但本研究只考慮研究區的社會經濟數據的影響因素，缺乏對氣溫、坡度和降水等自然因素的影響分析，尤其缺乏區域的土壤侵蝕數據，可能對土地利用驅動機制自然因素方面產生一定的影響。同時奉節縣作為三峽庫區搬遷的縣城，如何協調城城市新區建設和區域土地的合理利用，也是當下研究區市發展亟待解決的關鍵問題。