2003-2018年瑞興于地區土地利用景觀格局時空演變及驅動因素

劉根林, 閆 冰, 趙東升, 陸 晴,2

(1.東華理工大學 測繪工程學院, 南昌 330013; 2.東華理工大學 資源與環境經濟研究中心, 南昌 330013; 3.江西省科學院能源研究所, 南昌 330096;4.中國科學院 地理科學與資源研究所, 中國科學院 陸地表層格局與模擬重點實驗室, 北京 100101)

土地利用變化作為人類活動影響自然生態系統最直接的反映，和地表物質循環、資源可持續發展以及生物多樣性等緊密相聯[1-2]。社會經濟環境和社會需求以及生產科技管理水平之間的差異，不斷改變舊有利用現狀并隨之形成新的利用現狀[3-4]。土地利用現狀分析是對研究區域內土地資源的特點、土地利用布局、土地利用結構、利用程度、利用效果及存在的問題做出的分析[5]。土地利用變化可以形象的展示人類作用于自然環境的過程[6]，景觀格局變化是土地利用變化在景觀生態學研究中的表達，研究區域景觀格局的變化可以有效的揭示該區域土地利用變化、生態情況以及空間變異特征[7]，景觀格局變化是指一定時空尺度內各類景觀要素發生變化而引起景觀空間結構的變化[8]。隨著城鎮化進程的推進，以及在土地上進行的各種經濟活動都將對景觀格局產生巨大影響，因此有必要同時對景觀格局的變化進行研究分析[9]。對土地利用及景觀格局變化分析主要基于RS和GIS集成技術，以及景觀格局指數等[10]來實現。目前，關于土地利用及景觀格局變化的研究主要基于國家[11]、省[12]、市[13]、縣[14]、鄉鎮等[15]行政尺度或者流域[16-18]尺度等進行，從時空角度分析其演變特征，從土地利用的角度分析對生態環境的影響，以及對驅動因素做出一定的分析。

扶持“老少邊窮”地區的發展是我國地區發展政策一項明確的任務，瑞興于地區位于江西省的東南部，是著名的革命老區，同時又具有典型的山地丘陵地貌，這在一定程度上造成了老區的貧困。國家為了振興發展贛南等革命老區，國務院在2012年6月正式出臺了《國務院關于支持贛南等原中央蘇區振興發展若干意見》，為贛南地區等革命老區發展注入動力。在《若干意見》指導下，2015年3月，國家發改委正式批復設立“瑞興于經濟振興試驗區”。近年來，瑞興于地區經濟發展迅速，不可避免的對區域生態環境產生一定影響，土地利用及景觀格局也因此發生變化。本文基于瑞興于地區遙感解譯影像，獲得研究區土地利用數據，以此為基礎，結合GIS技術與景觀格局指數，詳細分析瑞興于地區土地利用變化過程以及對景觀格局的影響，探討土地利用變化的驅動因素，為后續瑞興于地區的土地管理工作以及生態文明建設提供一定參考依據。

1 研究區概況

瑞興于地區位于江西省的東南部，包括瑞金市(縣級市)、興國縣、于都縣3個縣市，總面積約為8 532 km2。據《2019年贛州市統計年鑒》，截至2018年末三縣共有268.58萬人。生產總值為572億元，占贛州市生產總值的20.4%。該地區處于亞熱帶季風氣候區，氣候適宜；境內多山，主要山脈有雩山山脈以及武夷山余脈，山脈、丘陵環繞的地形形成了3個盆地：于都斷陷紅巖盆地、興國盆地、瑞金盆地，其中瑞金盆地是江西四大盆地之一；地區內水系豐富，屬于貢水水系，境內主要河流有梅江、貢水干流、澄江、綿江河、九堡河等(圖1)。

2 數據來源與研究方法

2.1 數據來源及處理

本文使用的是2018年、2013年Landsat8 OLI數據以及2008年、2003年Landsat7 ETM+數據，數據來源于地理空間數據云平臺(http:∥www.gscloud.cn)，云量均<10%，行列號為121/42；DEM數據、行政邊界矢量數據來源于資源環境科學與數據中心(http:∥www.resdc.cn)；社會經濟數據來源于《江西省統計年鑒》和《贛州市統計年鑒》。首先對四期數據進行輻射校正、大氣校正、裁剪等一系列預處理；之后選取監督分類訓練樣本，采用SVM方法進行分類，本文根據研究區內實際情況及遙感影像可解譯能力，將土地利用類型劃分為5類：林地、草地、水域、建設用地、耕地[19]。結合Google Earth數據，進行人機交互式解譯，提高分類精度。對每種土地利用類型選取50～70個驗證樣本，采用混淆矩陣進行精度評定，2018年、2013年、2008年、2003年總體精度分別為92.93%，88.40%，91.12%，91.54%，Kappa系數分別為0.896 3，0.844 6，0.870 0，0.801 8，均符合試驗要求。

2.2 研究方法

2.2.1 土地利用動態度 單一土地利用動態度[20]可以用來表達某種土地利用類型在一定時間段內發生的變化，包括方向和速率上的變化，值的正負表現為土地利用類型變化的方向，動態度的絕對值越大，則表明這種變化越劇烈，其表達式如下：

(1)

式中:Ua,Ub分別為研究區初期及末期某種土地利用類型的面積;T為研究時段長度,在本文中以年為單位；K表達為研究區內某種土地利用類型的年度單一動態度。

綜合土地利用動態度[20]適用于表達研究區域內整體土地利用變化的快慢，可以較為綜合的反映研究區域內土地利用的變化情況，綜合動態度越大，則說明區域內土地利用類型變化越劇烈，其表達式如下:

(2)

式中:i,j為土地利用類型；LUi代表研究初期i類土地利用類型的面積；ΔLUij代表研究時段內i類土地利用類型向j類土地利用類型轉化的面積;T為研究時段長度,本文中同樣以年為單位,則Lc表達為年度綜合土地利用動態度。

2.2.2 土地利用變化轉移矩陣 土地利用轉移矩陣可以定量描述系統狀態與狀態轉移，這種基于系統分析的方法能夠在研究區域土地利用變化時，較為具體的刻畫土地利用結構特征與各個土地類型的變化方向，因此大多數土地利用變化研究均采用土地利用轉移矩陣分析[21-22]。

(3)

式中:n為土地利用類型數;i,j(i,j=1,2,3,…,n)分別代表轉移前和轉移后的土地利用類型;Sij表示研究初期的土地利用類型i轉移成研究末期土地利用類型j的面積。

2.2.3 景觀格局變化分析 景觀指數是一種能夠表征景觀格局結構組成和空間配置某些方面特征的定量指標，具有高度濃縮景觀信息的特點[23]。景觀指數可以通過描述景觀格局，建立景觀結構與過程或現象的聯系，更好地解釋與理解景觀功能[24]。對于景觀格局空間變化分析，需要選取合適的景觀指數，景觀指數選取主要由以下3個方面構成：景觀個體單元的特征、景觀組分空間構型特征和景觀整體多樣性特[25]。參考現有研究成果，從斑塊類型水平和景觀水平上[26]進行參數選擇。斑塊類型水平：各類斑塊數目(NP)、邊界密度(ED)、最大斑塊指數(LPI)、斑塊凝聚指數(COHESION)、斑塊分離指數(DIVISION)；景觀水平：蔓延度指數(CONTAG)、斑塊密度(PD)、香農多樣性指數(SHDI)、香農均勻度指數(SHEI)。

2.2.4 主成分分析 主成分分析(Principal Component Analysis, PCA)是一種多元統計分析方法，該方法基于降維的思想，將原來的多個變量通過線性變換為少數幾個綜合變量，這幾個變量互不相關，并且能夠反映原始變量的絕大部分信息，同時各信息分量之間互不重疊[27]。為確定各因子之間的相互作用關系，對影響土地利用變化的社會經濟因素進行主成分分析，進而找到主要驅動因子為后續土地管理工作提供一定依據[28]。參考現有研究成果[29-31]，本文選取11項指標：X1/總人口、X2/人均GDP，X3/第一產業占比、X4/第二產業占比、X5/第三產業占比、X6/城鎮人口比重、X7/農村居民純收入、X8/糧食總產量、X9/牧業產值、X10/農業產值、X11/林業產值，上述指標可以充分反映經濟發展、人口增長、城鎮化進程及產業結構調整等社會經濟因素對土地利用的影響。

3 結果與分析

3.1 土地利用變化分析

3.1.1 土地利用時空變化特征 從土地利用現狀分類圖(圖2)可以看出瑞興于地區以林地及耕地為主要利用類型，林地主要分布在地勢較高的地區；耕地集中分布在西北、中部及東南部分，這些地區都屬于地勢相對較為平坦的盆地地帶，適宜耕作及人類居住。

土地利用類型動態變化圖可以在一定程度上形象的展示研究區內土地利用在空間上發生的變化。從圖3可以看出，瑞興于地區在2003—2018年的土地利用類型發生了較大的變化，以林地轉耕地、耕地轉林地、耕地轉建設用地等為主要變化類型。變化區域集中在3個盆地之間，這是因為盆地地勢平坦，適宜人類居住、活動，而人類活動在短期內對利用類型的影響是最大的。

從區域變化上來看，林地的轉出集中在瑞金、于都兩縣市，以林地向耕地、草地的轉出為主，結合坡度來看，發生這種變化的區域處于0°～10°，處于盆地與丘陵地區的交界帶，容易受人類活動影響；耕地在三縣市均有大量轉出，其中以向林地和草地的轉出為主，在興國縣的中部及西南部，有大量的耕地轉林地，主要原因是2015年江西省發改委等五部門安排了新一輪的退耕還林任務，其中興國縣分得了1.85 km2的指標；耕地向建設用地轉出集中在縣域中心周圍，表現出明顯的城鎮化趨勢，結合圖4，可以看出建設用地擴張的來源主要為耕地和草地，表明在城鎮化的過程中不可避免的侵占耕地，造成耕地數量的下降。同時，瑞金市的建設用地擴張最為明顯，這與瑞金市加快瑞金國家經濟技術開發區建設及大力發展工業的規劃密不可分。

由表1可見，2003—2018年，林地在2008年的占比最低為67.87%，最高為2013年的70.09%，說明林地是瑞興于地區主要的土地利用類型；耕地整體占比為20.8%～23.98%，呈下降趨勢，耕地面積在2018年時為1 774.45 km2，相比于2003年減少了271.49 km2，表明耕地正在受到破壞；與之相反，建設用地呈現上升趨勢，面積從2003年的70.32 km2增加到了2018年的114.66 km2，說明這些年瑞興于地區發展勢頭較好；草地面積也不斷增加，從2003年的539.02 km2增加至2018年的614.89 km2；水域和林地作為占比最低和占比最高的利用類型，在變化趨勢上表現一致，都是先增加后減少。

從單一動態度來看(表2)，在4個時段內，建設用地整體上屬于變化速率最快的利用類型，這與這些年瑞興于地區的發展建設密切相關。而林地在整體上變化速率較慢，屬于穩定的土地利用類型。耕地在4個時段內都處于負變化，表明耕地正在不斷減少，2008—2013年這一時段減少的最快，而2013—2018年下降速率變慢，說明瑞興于地區這些年在耕地保護方面做了一定的措施，遏制住了耕地急劇減少的趨勢。建設用地在4個時段內均處于正增長狀態，其中在2008—2013年達到了7.83%。草地與水域處于波動狀態，分別在2008—2013年，2013—2018年呈現下降趨勢，但整體上趨于增加。綜合土地利用動態度在整體上為1.37%，表現為先增后減，在2008—2013年這一時段最高，達到了3.9%，表明這一時期的土地利用類型變化最為劇烈，在2013—2018年這一時段最低，為3.27%，說明土地利用變化趨勢平穩。

3.1.2 土地利用類型轉移分析 區域土地利用動態變化不僅體現在各土地利用類型的數量特征變化上，更體現為各土地利用類型之間的相互轉換，本文通過構建土地利用轉移矩陣(表3)來分析土地變化趨勢。研究區內以林地與草地、耕地與林地、耕地與草地和耕地與建設用地的相互轉化為主要特征。

圖4 瑞興于地區2003-2018年林地、耕地、建設用地變化空間分布

表1 瑞興于地區2003-2018年土地利用結構變化

表2 2003-2018年不同時段土地利用動態度%

表3 2003-2018年土地利用轉移矩陣

從整體上來看，建設用地都是主要由耕地轉化而來，轉入量表現為先增后減，2008—2013年為46.24 km2，說明這一時期建設用地的擴張占用了較多的耕地；林地和草地是耕地最主要的轉入來源，二者比重均達到了90%左右，耕地主要向林地和草地轉出的趨勢不變，但轉出量與比重有所變化，轉出量由2003—2008年的533.52 km2下降至2013—2018年的436.41 km2，比重由90.9%變為89.4%，耕地轉出量大于轉入量，說明耕地面積正在減少；林地主要向草地和耕地轉出，在2003—2018年時，二者的轉出量占到了總轉出的97%，同時草地和耕地也是林地主要的轉入類型；草地與林地的轉換關系相似，草地向林地、耕地轉出的同時，林地和耕地也是草地最主要的轉入來源；水域以和耕地的轉換關系為主，2003—2018年，有23.59 km2的水域由耕地轉入，而水域則有10.58 km2向耕地轉出，總體上水域面積表現為增加的趨勢。

3.2 景觀格局指數分析

從斑塊類型水平變化上來看(圖5)，其變化主要表現為以下幾方面：林地在3個時期的斑塊總數、邊緣密度都呈現下降趨勢，表明景觀破碎度降低，景觀趨于穩定，林地所占面積最大而斑塊總數卻不是最大，同時最大斑塊指數為最大，說明研究區內有大量優勢斑塊，即面積較大的完整林地，這得益于近些年在生態保護方面所做出的努力；草地的斑塊凝聚指數在4個時期都較低，同時草地的斑塊總量與斑塊密度均為最大，說明草地由許多零散的斑塊構成，離散程度大，而其他幾項指數處于波動狀態，這表明草地景觀破碎化程度高，景觀不穩定；水域的斑塊數量、邊緣密度在5種景觀中最低，從2003年的20 361.906 8下降到2018年的9 731.613 3，邊緣密度代表景觀被分割的程度，表明水域離散程度降低，破碎化程度和異質性減弱；建設用地的斑塊數量、邊緣密度呈現下降趨勢，而最大斑塊指數呈現上升趨勢，分離指數保持為1，單獨、零散的斑塊減少，表明城建建設趨于完整，城鎮化進程加快；耕地的斑塊數量、邊緣密度和分離指數都呈現上升再下降的過程，而最大斑塊指數則呈現下降再上升的趨勢。耕地的最大斑塊指數與斑塊凝聚指數僅次于林地，表明耕地對研究區內景觀格局組成也有著不可忽視的作用。

圖5 2003-2018年瑞興于地區斑塊類型水平變化

從總體景觀水平變化來看(表4)，斑塊密度呈先增后減的趨勢，也就意味著斑塊數量也不斷減少，表明離散程度降低。此外，蔓延度指數處于波動狀態，但總體上蔓延度指數由2003年的64.177 8增加到了2018年的64.696 7，表明研究區內優勢景觀類型連接度提高，這與斑塊密度的表現吻合，說明研究區內景觀破碎度正在降低。香農多樣性與香農均勻性均呈現先降低后增加的趨勢，總體上2018年相較于2003年略有提高，表征著區域內景觀類型區域均衡化、均勻化分布。

表4 2003-2018年瑞興于地區景觀水平指數

3.3 驅動因素分析

3.3.1 地形地貌因素 地形地貌是影響植被生長分布的重要自然因素，坡度直接影響農業中作物的選擇和耕種，我國規定在坡度大于25°地區不能進行耕種。坡度直接決定農田基本建設難易程度、農林牧用地分布、水體流失狀況。農耕地適宜坡度小于15°，坡地開墾的限制度數是25°，25°以上適宜林業、草業的發展，坡度在35°以上則無法利用[32]。以2018年土地利用數據為例，結合坡度數據，統計在不同坡度下各土地利用類型面積占比(表5)。從表中可以看出，除林地外，其余4種土地利用類型面積占比均隨著坡度的增加而減少。林地在坡度0°～5°的面積占比為29.2%，在坡度大于5°后，面積占比大幅增加，在坡度大于15°后，面積占比在90%以上；與之相反，耕地則在坡度大于5°后面積占比銳減，在坡度大于15°后，面積占比已不足5%。

結合瑞興于地區土地利用現狀分布圖，研究區內的耕地與建設用地基本位于坡度0°～10°的地帶，這些地區被山地丘陵環抱，形成了盆地，地勢平坦；而林地則大多處于坡度在25°以上的山地，草地則處于二者交界地帶。結合2003—2018年土地利用類型動態變化圖來看，耕地轉林地的變化區域主要位于坡度在10°～15°，這一坡度適宜耕作也可以發展林業草業，再加上近些年退耕還林政策的實施，促使這一轉變的發生。而耕地向建設用地的轉入則主要集中在3個縣城周圍，坡度在0°～5°，屬于適宜人類居住地帶。因此，地形地貌可以影響土地利用類型分布，同時對土地利用變化有一定驅動作用。

表5 2018年研究區不同坡度下土地利用類型面積占比 %

3.3.2 社會經濟因素 人口、經濟、科技和政策對土地利用的影響顯著，社會經濟因素是土地利用變化的主導因素[33]。對選取的11項指標進行分析，尋找影響土地利用變化的主要驅動因子。

通過主成分分析篩選特征值大于1的成分，本文選取兩個成分進行分析，其特征值與貢獻率見表6。由表6可知，兩個成分特征值分別為8.902，1.793，其貢獻率分別為80.927%，16.302%，二者累積貢獻率達到了97.23%。

表6 主成分特征值和貢獻率

從旋轉后主成分荷載指數(表7)可知，總人口、人均GDP、城鎮人口比重、農村居民純收入等與成分1呈現明顯正相關，這些指標可以用來歸納為經濟因素，說明瑞興于地區經濟發展是土地利用變化一項重要的驅動因素；第一產業占比與成分1呈現明顯負相關，第二產業占比與成分2呈現明顯正相關，第三產業與成分2呈負相關，糧食總產量與牧業產值與成分2呈正相關，這些可以歸納為產業結構的調整對土地利用變化的驅動作用。因此，瑞興于地區土地利用變化的社會經濟因素主要為經濟發展與人口增加、產業結構的調整。

3.3.3 政策法規因素 國家和區域性的政策、法規、制度約束著人們對土地的利用活動，對促進區域經濟建設有著不可忽視的作用，而與土地相關的政策法規更是對土地利用的變化產生重要的影響，例如國務院發布的《城鎮國有土地使用權出讓和轉讓的暫行條例》、《關于補足耕地數量以及提高耕地質量相結合落實占補平衡的指導意見》以及《中華人民共和國退耕還林條例》。

2007年，江西省政府發布《江西省人民政府貫徹落實國務院關于完善退耕還林政策通知的實施意見》，對江西省退耕還林政策進一步完善，2003—2008年，瑞興于地區草地單一動態度為2.4%，由耕地轉入的面積為320.75 km2，是草地最主要的轉入源，表明退耕還林政策取得初步成效；2015年江西省發改委等五部門聯合下發了關于推進新一輪退耕還林的通知，在《通知》中，興國縣分得了1.85 km2的任務指標，與耕地轉林地的范圍分布一致，表明土地利用類型的變化受到政策因素的驅動。繼2013年瑞金經濟開發區升級為國家經濟技術開發區后，瑞金市委市政府制定了《瑞金經濟技術開發區基礎設施三年建設推進計劃(2015—2017)》，預計投入資金16.54億元，新增建成面積8.8 km2，這與瑞金市建設用地大量擴張表現一致，表明政策法規因素可以在短期內改變土地利用類型。

表7 旋轉成分荷載矩陣

4 討 論

國內研究主要集中在經濟發達地區[12-14]或者流域等[16-18]，對山地地區的研究較少，本文選取的瑞興于地區是典型的山地丘陵區，近年來經濟發展迅速，研究其土地利用景觀格局變化及驅動因素，可以為該地區土地管理工作及生態文明建設提供一定依據。

林地和耕地是瑞興于地區最主要的土地利用類型，二者占比分別在70%，20%左右，與臧玉珠等[34]在井岡山地區的研究結果相似，井岡山地區的林地、耕地占比分別為80%，14%。瑞興于地區和井岡山地區地形地貌相似，都屬于山地地區，土地利用類型分布受地形因子影響。耕地、建設用地、水域分布在海拔較低、坡度較小的盆地地區，林地分布在坡度較高的山地地區，而草地則分布在二者的交界地帶，因此受人為活動影響較大，處于波動狀態。耕地和建設用地分布呈下降、上升的趨勢，冉鳳維等[31]在南昌市土地利用變化研究中有相似的結果，表明瑞興于地區正處于發展時期，城鎮化進程加快。景觀水平上，香農多樣性與香農均勻性均呈現先降低后增加的趨勢，總體上2018年相較于2003年略有提高，這與葉晶萍等[35]在尋烏水流域的景觀格局分析結果一致，表征著區域內景觀類型區域均衡化、均勻化分布，作為優質景觀的林地控制力下降景觀異質性增強。

在驅動因素分析中，從地形地貌、社會經濟、政策法規等3個角度入手，單獨提取社會經濟因素進行主成分分析，與馬小雪[27]、張榮鵬[28]、王廣博[29]、王玲[32]等在秦淮河流域、徐州市、江蘇沿海地區、西吉縣等地區的土地利用變化驅動力分析結果相似，經濟發展、人口增長、產業結構調整等社會經濟因素對土地利用變化有較大影響，主要表現為城鎮化以及經濟增長會導致建設用地的擴張、產業結構的調整導致對相關用地需求的下降等。

5 結 論

(1) 林地是瑞興于地區最主要的土地利用類型，2003—2018年整體占比在68%～70%；耕地是第二大利用類型，但近15 a來耕地面積不斷縮小，建設用地面積則逐年增加；草地與水域處于波動狀態。

(2) 土地利用類型的轉換主要表現在林地與草地、林地與耕地、草地與耕地三者之間的相互轉換；建設用地主要由耕地轉入，水域則向耕地轉出。耕地轉林地、草地主要集中在興國、于都兩縣，退耕還林、還草措施取得明顯成效；瑞金市建設用地擴張最為明顯，與近年來瑞金市大力發展工業密切相關。

(3) 林地在研究區域內存在大量的優勢斑塊。草地景觀破碎化程度高，優勢性低，受到人類活動的干擾較大。總體上，瑞興于地區景觀破碎化程度降低，斑塊優勢性提高，景觀連接度降低；區域內景觀類型區域均衡化、均勻化分布。

(4) 瑞興于地區土地利用變化受地形地貌、社會經濟、政策法規等影響。地形地貌在長時期內決定了土地利用類型的大致分布，經濟發展、人口增加、產業結構調整等社會經濟因素以及相關政策法規的實施在短時期內對土地利用的影響較大。