近30年銅陵市土地利用時空變化分析

包勤躍，谷正楠，張 震

(1.銅陵有色金屬集團股份有限公司礦產資源中心，安徽 銅陵 244000；2. 安徽理工大學 空間信息與測繪工程學院，安徽 淮南 232001)

有色金屬城市以其豐富的礦產資源和完整穩定的工業體系為我國經濟建設現代化事業提供了工業原料和資源保障[1]。但在有色金屬資源加工和開采過程中伴隨的高耗能、高污染、高排放等生態環境問題與城市經濟發展、生態環境保護之間不平衡、不協調的矛盾突出，使得城市可持續發展面臨嚴峻挑戰。土地作為生態系統的空間載體，其變化直接關系到區域生態安全和社會穩定[2]。因此，開展土地利用變化相關研究，有助于揭示資源型地區人地關系地域系統的特征，識別資源開發過程中存在的問題，辨識影響資源型地區人地系統可持續發展的障礙因素，對資源型地區合理開發土地資源、優化土地配置、科學安排經濟活動布局具有重要的參考意義。

土地利用一直是國內外研究的熱點，主要集中在土地利用時空變化分析[3]、土地利用驅動力分析[4]、土地利用模擬及預測分析[5]研究。研究尺度上，研究者多關注全國[6]、省級[7]、城市群[8]、流域[9]尺度的研究。研究區域上，研究者多關注發達區域[10]、生態敏感區[11]，而有色金屬型地區的土地利用變化研究較少。銅陵市作為典型的有色金屬型地區，在過去的30年里，從礦產大規模開發的成熟期向礦產逐漸枯竭的衰退期轉變，發展歷史周期具有一定代表性，反映出的土地利用變化特征規律可為其他面臨轉型的有色金屬型地區提供參考。

研究以1990～2020年Landsat遙感影像作為數據源，利用土地利用類型動態度模型和土地利用轉移矩陣，分析了銅陵市的土地利用變化情況，揭示了該區域的土地利用變化現狀，對其在經濟發展過程中所顯現出來的問題形成一個比較客觀的認識[12]，同時為該區域的城市發展和土地資源的合理利用提供科學依據和保障[13]。

1 研究區概況

銅陵市(30°45′～31°09′N, 117°35′～118°09′E)位于安徽省中南部、長江中下游平原與皖南山區的交接地帶，總面積3 008 km2，屬于北亞熱帶濕潤季風氣候，氣候多變，降水年際變化大。銅陵市也是長江三角洲中心區27城之一，因銅得名、以銅而興，素有“中國古銅都，當代銅基地”之稱。本文選取的研究區為銅陵市下轄的三個市轄區(銅官區、郊區和義安區)，如圖1所示，其中,郊區為2018年之前的行政區劃，研究區總面積約為1 102 km2。

圖1 研究區行政區劃圖

2 數據來源和分析方法

2.1 數據來源及處理

本文以4年的光學影像為數據源(分別為1990年、2000年、2010年的Landsat 5 TM影像及2020年的Landsat 8 OLI影像)，借助ENVI5.3完成影像的輻射定標、大氣校正、圖像鑲嵌及裁剪的預處理工作，得到1990～2020年4期光譜信息更接近真實地物的銅陵市遙感影像。根據土地利用覆蓋類型的特征和光譜規律,利用最大似然法對遙感影像進行分類，并通過人機交互和目視解譯進行檢驗和修正。以中國科學院土地資源分類系統為基礎，參考相關專業部門開展的普查分類制定標準，結合研究區域的實際狀況，將銅陵市的土地利用類型分為六類：水域、建設用地、林地、耕地、草地及未利用土地。

此外，人口數量、城市居民消費水平、農村居民消費水平、人均GDP、第一產業生產總值、第二產業生產總值和第三產業生產總值數據均來自《銅陵市統計年鑒》。

2.2 分析方法

2.2.1 土地利用類型動態度模型

綜合土地利用類型動態度可以反映區域土地利用的年綜合變化快慢，動態度指數越大，說明該土地利用類型變化速度越快，反之則慢。其計算公式為：

(1)

式中，LUi為研究期初期第i類土地的面積；ΔLUi-j為研究時段內第i類土地轉移為第j類(j=1,2,…,n；n為土地利用類型數)土地的面積；T為研究時長，單位為年；LC為研究時段內的綜合土地利用動態度。

單一土地利用類型動態度可以較為準確地表示在該研究區域上該研究時段內不同的土地利用類型面積轉移變化的速度快慢，可以直觀地反映不同土地利用類型的變化速度和幅度,其計算公式為：

(2)

式中，U1、U2分別為研究時間段內的起始時間和終止時間某一種土地利用類型的數量；T為整個研究時間的周期；K為在該研究時間范圍內的某一種土地利用類型的動態度。

2.2.2 土地利用轉移矩陣

土地利用轉移矩陣能夠定量的表示特定研究時段區域內不同土地利用類型之間的轉化，可以較好的表達研究區在特定研究時段的土地利用變化方向，具體的表達式為：

(3)

式中，Aij為在整個研究時間范圍內，第i種土地利用類型轉化為第j種土地利用類型的面積；n為土地利用類型的數量。

2.2.3 主成分分析

主成分分析法可以去除變量間的冗余信息，通過計算特征向量實現對數據集的降維，使主成分間、因子間線性無關。再根據特征值(>1)和累計貢獻率(>85%)確定主成分，從而在變量不出現丟失的情況下將其歸為相對獨立的大類，再根據專業知識對各主成分所包含的信息加以解釋。

3 土地利用變化分析

3.1 土地利用類型動態度分析

1990～2020年銅陵市土地利用類型一直以耕地、林地、建設用地和水域為主，其中,耕地占比最大，如圖2和表1所示。總體來看，近30年水域、草地、林地的面積無明顯變化，建設用地面積顯著增加，耕地面積顯著減少。其中,建設用地共增加了148.48 km2，且2000～2010年和2010～2020年面積增加均較顯著，增加面積分別為72.61 km2和73.31 km2，耕地共減少了132.44 km2，以2000～2010年面積減少最為顯著，減少面積為145.17 km2，而2010～2020年面積減少趨于平緩，可見近年來銅陵市越來越重視控制非農建設占用耕地，且對耕地的保護初見成效。

表1 1990～2020年銅陵市土地利用動態度

圖2 銅陵市土地利用類型空間分布圖

從1990～2020年單一土地利用動態度來看： 1990～2000年，除草地外，其他類型均較為穩定； 2000～2010年，未利用土地最為活躍(18.92%)，其次是建設用地(11.85%)；2010～2020年，未利用土地和建設用地動態度也較大，不過未利用土地轉為負值，建設用地相比2000～2010年有減緩趨勢。 從1990～2020年綜合土地利用動態度可以發現，2000～2010年各種土地利用類型變化速率最快，主要原因是2000～2010年間銅陵市建設用地逐年擴張，人口城鎮化率大幅增長。

3.2 土地利用轉移矩陣分析

如表2所示，1990～2000年銅陵市土地利用類型的轉移變化主要發生在建設用地、耕地、林地和草地之間，且各類土地利用類型均有部分轉移為耕地，故在此過程中耕地接收其他土地利用類型的轉入量是最多的，但各種土地利用類型的面積總體上變化不大。

表2 銅陵市不同研究時期土地利用類型轉移矩陣/km2

2000～2010年土地利用類型的轉移主要發生在耕地向其他土地利用類型的轉移，且最多轉移為建設用地，雖然也有其他土地利用類型轉移為耕地，但由于其轉出量遠大于其接收的其他土地利用類型的轉入量，故在此過程中，耕地的面積有所減少，而建設用地由于接收其他土地利用類型的轉入量是最多的，故其面積顯著增加，可見，在此過程中建設用地的增加主要來源于對耕地的侵占。

2010～2020年耕地和未利用土地主要轉移為建設用地，林地主要轉移為建設用地和耕地，草地主要轉移為耕地，其中,耕地轉移為其他土地利用類型的面積是最多的，但由于也有部分其他土地利用類型轉移為耕地，故耕地的面積減少并不顯著，這可能與銅陵市保護及補充耕地有關，而在此過程中，建設用地接收其他土地利用類型的轉入量仍大于其轉出量，故其面積變化依舊顯著。

綜合來看，銅陵市近30年來的土地利用類型轉移主要發生在其他土地利用類型向建設用地方向的轉移，以及耕地、林地和草地向其他土地利用類型方向的轉移，故整個研究時段內，建設用地的面積顯著增加，而耕地的面積顯著減少。

4 土地利用變化驅動力分析

銅陵市位于長江三角洲，經濟發達，城鎮化率高，可以認為這一地區內，人類活動對于土地利用變化的影響程度遠遠超過自然因素。因此，本文主要研究人文社會驅動因素對銅陵市土地利用的影響。

選取人口數量、城市居民消費水平、農村居民消費水平、人均GDP、第一產業生產總值、第二產業生產總值和第三產業生產總值等七個因子分析銅陵市土地利用變化的驅動力，運用SPSS進行主成分分析，提取主成分因子以及載荷矩陣，如表3、表4所示。

表3 銅陵市主成分因子提取及方差分解

表4 銅陵市主成分因子載荷矩陣

由表3可知，前兩個主成分的累計貢獻率高達98.187%，因此,可以用這兩個主成分計算相應因子的載荷矩陣，載荷系數越大，則說明該因子對土地利用變化的影響越大。

由表4可知，銅陵市的土地利用變化驅動力可以歸為以下兩類：

一是經濟發展。在第一主成分中，人均GDP、第二產業生產總值、城鎮居民消費水平和農村居民消費水平的載荷系數較大。銅陵市是典型的有色金屬資源型城市，銅礦產業發達，第二產業生產總值在全市生產總值所占比重最大，因此,第二產業在經濟發展過程中起主導作用，是GDP的主要來源。在1995～2018年，銅陵市(不含樅陽縣)第二產業的生產總值從26.5億元增長到585.5億元，增長了22倍多，礦產資源的開發、工業的發展勢必會導致工礦倉儲用地的增加，直接影響著土地利用的變化。

二是人口數量。在第二主成分中，人口數量的載荷系數最大，說明人口數量對土地利用類型的變化起著重要的作用。但根據《銅陵市統計年鑒》發現，銅陵市1995年年末總人口數為66.35萬人，2018年為73.76萬人，23年間銅陵市的人口增長速率為0.49%，增長幅度并不明顯，因此,人口數量的影響更多的體現在人口城鎮化率上[14]，特別是在1995～2015年，人口城鎮化率從48.9%增長到79.41%，直接導致了城市人口的大幅增加，一方面使城市建設用地增加，另一方面因部分耕地的撂荒和被占用，間接導致了耕地的減少。

5 結 論

(1)耕地的面積呈現先顯著減少后趨于平緩的趨勢，其中,以2000～2010年耕地面積減少最為顯著，而在2010～2020年面積減少趨于平緩；相對來說，建設用地動態度變化最大，土地利用類型轉移最劇烈，且面積呈現出顯著增加的趨勢。

(2)1990～2020年，土地利用類型轉移主要發生在其他土地利用類型向建設用地方向轉移，以及耕地、林地和草地向其他土地利用類型方向轉移。其中,建設用地的增加主要來源于對耕地的侵占，以2000～2010年最為顯著。

(3)經濟發展水平和人口增長速度是導致銅陵市土地利用發生變化的主要驅動因素。