成渝经济区土地利用变化特征与驱动力分析

2015-07-19吴坤王文杰刘军会张哲胡圣武

环境工程技术学报 2015年1期

吴坤，王文杰，刘军会，张哲，胡圣武

1.湖南科技大学建筑与城乡规划学院，湖南湘潭 411201

2.中国环境科学研究院环境信息研究所，北京 100012

3.河南理工大学测绘与国土信息工程学院，河南焦作 454000

土地利用变化是人类活动作用于生态环境所呈现出的最显著形式［1］，作为土地科学计划研究的重要课题，已经成为全球环境变化与可持续发展研究的重要内容［2-4］。对土地利用过程、格局、驱动力的研究被认为是揭示土地利用时空变化规律的有效方法［3-6］，国内外学者关于土地利用动态变化及其驱动力分析进行了大量研究，以B. L. Turner 等［6-9］为代表的北美学者通常从宏观角度出发，采用对比案例的研究方法将土地利用变化与土地过程管理进行分析和建模，定性研究全球土地利用变化与环境变化的关系;欧洲学者［10］多将土地利用作为整体系统，对不同时空土地利用变化仿真，以福利分析为出发点，研究社会经济驱动因素;日本学者［11］主要将经济学模型和数量模型结合，采用相关分析方法选取说明变量，采用KSIM 等模拟方法对土地利用变化及政策环境进行模拟，定量研究区域土地利用变化过程;国内学者则大多基于RS 和GIS 技术，以人地矛盾突出、经济发展迅速的区域为研究区，采用土地利用程度变化模型［12］、驱动力诊断模型［13］、土地利用结构预测模型等模型与数理统计分析方法相结合的技术手段研究土地利用变化及其驱动因素。

全国主体功能区规划［14］将成渝经济区列入国家层面的重点开发区域，近年来社会经济发展十分迅速，土地格局变化剧烈。目前对成渝经济区土地利用的研究主要有以下几个方面:土地利用与生态服务价值动态分析［15］、城市土地集约利用评价及时空特征分析［16］等。而对于西部大开发计划实施后的第一个10年，针对成渝经济区尺度土地利用变化特征及驱动力分析方面的研究还较少。笔者利用遥感技术(RS)和地理信息系统(GIS)结合的技术手段，分析2000—2010年成渝经济区土地利用数量变化特点，识别土地利用类型转移规律及空间分布特征，并构建偏最小二乘回归模型对成渝经济区土地利用变化进行驱动力分析，以期为该区域人-地关系协调发展及土地利用科学管理提供理论依据。

1 数据与方法

1.1 研究区概况

成渝经济区是我国典型的流域经济区，地处四川盆地，北接陕甘、南连云贵、西通青藏、东邻湘鄂。地理位置上包括成都和重庆两大城市圈，其中四川省含成都、德阳、绵阳、南充、达州、广安、遂宁、资阳、内江、眉山、自贡、乐山、宜宾、泸州、雅安等15 个地市;重庆市含中心城区(9 个区)、璧山、永川、大足、合川、江津、綦江、南川、长寿、涪陵、万州、荣昌、潼南、铜梁、垫江、丰都、石柱、忠县、梁平、云阳、开县等29 个区县(图1)。研究区总面积20.86 ×104km2，其中，四川省面积为15.73 ×104km2，重庆市面积为5.13 ×104km2。成渝经济区生态系统复杂，自然资源丰富，是长江上游生物多样性的宝库，成渝经济区重要的地理位置和生态功能决定了其在长江流域生态屏障建设中的重要地位。

图1 成渝经济区地理位置Fig.1 Location of Chengdu-Chongqing Economic Zone

1.2 数据来源与处理

土地利用数据来源于全国生态环境10年变化(2000—2010)遥感调查与评估专项:长江流域生态环境10年变化调查，一级为IPCC(政府间气候变化专门委员会)土地覆被类型，二级基于碳收支的土地覆被类型。利用ArcGIS10.1 空间分析模块，对土地利用的空间变化进行统计，得到研究区土地利用的转移矩阵，用以分析不同土地利用类型间的转换规律。分析还用到了2000年、2005年、2010年重庆市统计年鉴和四川省统计年鉴的社会经济统计数据。

1.3 分析方法

1.3.1 土地利用变化特征分析方法

土地利用的变化情况可以通过单一土地利用类型动态度、转出率和转入率来表示。

(1)土地利用类型动态度

单一土地利用类型动态度可以定量表达研究区一定时间范围内的土地利用类型数量的变化情况［17-18］，综合土地利用动态度描述土地利用的变化速度，其表达式分别为:

式中:Ki为研究时间范围内第i 种单一土地利用类型的动态度;Ua为研究初期a 时期第i 种土地利用类型的数量;Ub为研究末期b 时期第i 种土地利用类型的数量;T 为研究时段，当T 单位为年时，Ki即为i 种土地类型的年变化率;Lc为综合土地利用动态度，即土地利用年变化率;ΔLUi→j为T 时间段内第i 种土地类型转化其他利用类型的总面积;ΔLUi为监测起始时间第i 种土地类型的面积。

(2)转出率(α)与转入率(β)

式中:αij为a 时期第i 种土地利用类型转化为b 时期第j 种土地利用类型的比例;βij为b 时期第j 种土地利用类型从a 时期第i 种土地利用类型转化而来的比例［19］。

(3)土地利用转移矩阵

土地利用转移矩阵是定量研究土地系统内各种土地利用类型间相互转化主要方法，能够反映出土地利用变化的结构特征以及不同类型土地的转移方向［20］。其表达式为:

式中:Sij指a 时期第i 种土地利用类型转化为b 时期第j 种土地利用类型的面积;n 为土地利用类型的数量。

1.3.2 驱动力定量分析方法

偏最小二乘回归通过自变量主成分的提取，很好地概括自变量系统，在解释因变量的同时排除系统存在的噪声干扰，消除变量间的多重共线性，并且能在样本容量小于变量个数的情况下进行回归建模，适合用于土地利用变化驱动分析［21-22］。其基本算法如下［22-23］:

假设自变量(X)和因变量(Y)经过数据标准化后分别得到数据矩阵E0和F0，记t1和u1分别是从E0和F0中提取的第一主成分，则有:

其中:w1为E0的第一主轴，且有‖w1‖=1

其中:v1为F0的第一主轴，且有‖v1‖=1

根据主成分分析原理，要求t1和u1的标准差趋于最大，由典型相关分析原理，t1和u1的协方差要达到最大，综合起来即:

数学表述为求解优化问题，即在‖w1‖ =1 和‖v1‖=1 的约束条件下求的最大值。求得w1和v1后即可获得第一主成分t1和u1，再分别实施E0对t1的回归和F0对u1的回归，如果回归方程满足精度要求，则算法终止;否则，利用残余信息继续下一轮成分提取，直至满足精度为止。如最终提取r 个主成分T=(t1，…，tr)，则偏最小二乘回归首先建立Y 与T 的回归，然后再表达成Y 与原始自变量X 的回归方程。

2 土地利用变化特征

2.1 土地利用数量变化

根据2000年、2005年、2010年3 个时期遥感影像解译数据，成渝经济区主要土地利用类型为耕地和林地(图2)，对比分析3 个时期的土地利用数据(表1)，发现土地利用变化的特征如下:

(1)2000—2010年，林地面积增加2 719.15 km2，所占比例增加1.3 个百分点;草地面积增加69.44 km2，所占比例增加0.03 个百分点;湿地面积增加594.08 km2，所占比例增加0.28 个百分点;耕地面积减少明显，减少面积达5 840.27 km2，所占比例下降2.8 个百分点;人工表面用地面积迅速扩大，增加了2 337.03 km2，所占比例增加1.12 个百分点;其他用地面积增大120.56 km2。

(2)2000—2010年土地利用动态度由高到低依次为人工表面＞湿地＞其他用地＞耕地＞林地＞草地。人工表面土地利用类型变化最为剧烈，2000—2010年动态度为8.35%;2000—2005年和2005—2010年耕地变化动态度均为-0.57%，耕地总面积呈现出以稳定速度持续降低态势。2000—2005年研究区综合土地利用动态度为0.170 2%，2005—2010年综合土地利用动态度为0.170 7%，表明成渝经济区2005—2010年土地利用变化速度大于2000—2005年，呈现加快变化趋势。

(3)从人工表面内部结构分析，居民地、工业用地、交通用地和采矿用地面积均大幅度提升。其中，2000—2010年工业用地变化尤为剧烈，动态度达到302.19%，说明成渝经济区工业产业发展正处于十分活跃的态势。从时间上看，2005—2010年工业用地和采矿用地发展速度较2000—2005年加快，而居住地和交通用地动态度的变化则相对变缓，说明成渝经济区人工表面用地中用于工业用地发展的投入较大。

图2 2000年、2005年和2010年成渝经济区土地利用Fig.2 Land use map of Chengdu-Chongqing Economic Zone in 2000，2005，2010

表1 2000—2010年成渝经济区土地利用数量变化Table 1 Land use change from 2000 to 2010 in Chengdu-Chongqing Economic Zone

2.2 土地利用类型转移

2000—2010年土地利用转移矩阵表明，成渝经济区内各土地利用类型之间转换频繁，其中，大面积和大比例的土地类型转换主要发生在耕地、人工表面、林地和湿地之间(表2)。

耕地主要转化为人工表面用地和林地。10年间共有5 907.15 km2耕地转出为其他几种土地利用类型，其中，3.58%的耕地转化为林地，转化面积达3 705.78 km2;1.81%的耕地转化为人工表面，转化面积达1 870.61 km2;0.24%的耕地转化为湿地，转化面积为246.90 km2。而转出为林地和人工表面的部分分别占所有转出耕地总面积的62.73%和31.67%，合计94.40%。

人工表面主要由耕地和林地转化而来。10年间共有2 353.25 km2其他土地利用类型用地转化为人工表面，其中，由耕地转化来的人工表面面积为1 870.61 km2，由林地转化来的人工表面面积为454.55 km2，分别占所有转入人工表面总面积的79.49%和19.32%，合计98.81%。从空间上看，转入的人工表面用地主要分布于重庆市和成都市(图3)。新转入人工表面用地占总转入人工表面用地面积比例排名前26 位的区县均属于重庆市或成都市，合计达75.41%，其中，前10 位分别为重庆主城区、涪陵区、成都市主城、长寿区、双流县、郫县、万州区、丰都县、新都区、江津区，合计达52.08%。

表2 成渝经济区2000—2010年土地利用转移情况Table 2 Land use conversion matrix in research area from 2000 to 2010 in Chengdu-Chongqing Economic Zone

图3 2000—2010年成都市、重庆市新增人工表面用地分布Fig.3 The distribution of new structures from 2000 to 2010 in Chengdu and Chongqing

(3)林地主要由耕地转化而来。10年间共有 3 751.07 km2其他土地利用类型用地转化为林地，由耕地转化而来的面积则占98.79%。从空间上看，成渝经济区成都部分以地级市为单位、重庆部分以区县为单位进行统计得出，2000—2010年新增林地占各辖区行政面积比例超过3.0%的市县依次为荣昌县＞眉山市＞綦江区＞自贡市＞长寿区＞永川区＞重庆主城区＞成都市＞大足区＞云阳县，主要分布在岷江上游、沱江上游、嘉陵江上游和长江干流重庆段(图4)。

图4 2000—2010年成渝经济区新增林地分布及占行政区面积比例数量分布Fig.4 The distribution and proportion of new forest from 2000 to 2010 in Chengdu-Chongqing Economic Zone

3 土地利用变化驱动分析

3.1 偏最小二乘回归模型构建

土地利用变化的驱动因素主要来自于自然和社会两方面的驱动，而短期内区域土地利用的转变主要是由人类活动造成的［24］。因此，在2000—2010年成渝经济区土地利用变化驱动力分析中，应重点分析土地利用变化的社会驱动因素［25-27］。相关研究表明，总人口、非农业人口、国内生产总值、固定资产投资额、人均国内生产总值、第二产业比例、公路通车里程与土地利用变化密切相关［24］。由于各驱动因素之间存在不同程度的相关性，容易产生多重共线性而影响多元线性回归建模的精度，而偏最小二乘回归可以很好地解决这一问题。

由各驱动因素组成自变量数据X(表3)，由林地面积(y1)、草地面积(y2)、湿地面积(y3)、耕地面积(y4)、人工表面用地面积(y5)和其他用地面积(y6)组成因变量数据Y(表1)。

使用DPS 数据处理系统完成偏最小二乘回归分析，计算结果(表4)包括模型效应和因变量权数、模型效应负荷量、标准回归系数和回归方程。根据交叉验证法≥0.097 5，选取在自变量和因变量中提取的第一成分t1和u1构建偏最小二乘回归模型。

表3 自变量数据Table 3 The independent variables data

表4 模型效应和因变量权数及模型效应负荷量Table 4 Dependent variable weights and model effect loadings

回归方程结果如下:

通过比较因变量权数和模型效应负荷量，得出各自变量对因变量作用的强弱关系。模型表明，在选择的土地利用变化各指标中，各自变量对成渝经济区土地利用变化的驱动强度不同，由强到弱排序为总人口=非农人口＞国内生产总值＞人均国内生产总值＞固定资产投资额＞第二产业比例＞公路通车里程。可以看出，研究区内人口压力为土地利用变化的最主要驱动因素，国内生产总值、人均国内生产总值和固定资产投资额为次强驱动因素，再次为第二产业比例，而公路通车里程影响程度相对较弱。

3.2 驱动力分析

3.2.1 人口压力驱动

“有机疏散”理论［5］认为，城镇人口的快速增长将会引起城镇人口和就业岗位的分布朝着可供合理发展并离开中心区域的方向发展，随着人口的增长、结构的变化和劳动力的聚集，必将导致土地利用规模的扩张和用地结构的改变。人口增长的越快，人地矛盾就越显突出，对人工表面用地需求也相应增加，而土地总面积的有限性又决定必须通过土地系统中各类型土地互相转化来满足人类生产和生活的需求。

从图5 和表5 可以看出，2000—2010年成渝经济区总人口增加659.13 万人，增幅为6.83%;非农业人口增加1 152.25 万人，增幅达到59.89%。其中，成都市总人口增幅13.40%，非农业人口增幅高达88.18%;重庆市总人口增幅为8.73%，非农业人口增幅达71.58%。从农业和非农业人口比例来看，成渝经济区非农业人口比例增加9.9%，重庆市和成都市非农业人口比例分别增加13.3% 和22.5%，导致重庆和成都人工表面用地规模的快速扩增，特别是成都市由2010年的农业人口占主导发展为2010年非农业人口占主导，说明成渝经济区的人口结构正朝着非农业人口方向演变，城镇化进程十分明显。

图5 2000—2010年成渝经济区新增非农人口占总人口比例分布Fig.5 The distribution and proportion of new urban population from 2000 to 2010 in Chengdu-Chongqing Economic Zone

表5 2000—2010年重庆市、成都市人口变化情况Table 5 Population change from 2000 to 2010 in Chongqing and Chengdu

3.2.2 经济发展驱动

成渝经济区国内生产总值由2000年的4 943.548亿元增至2010年的22 220.228 亿元，增幅高达349.48%;人均国内生产总值由2000年的5 125 元增至 2010年的 24 311 元，增幅为374.36%;全社会固定资产投资额由2000年的1 356.145亿元增至2010年的17 424.482 亿元，增幅高达1 184.85%;第二产业比例由2000年的43.98%增至50.31%。国内生产总值和固定资产投资额的大幅度上涨，表明成渝经济区经济的迅猛发展，固定资产投资额增加的直接表现是人工表面用地的增加，尤其是基础设施建设的增加和房地产行业的迅速发展，耕地则成为人工表面用地的最主要来源，耕地面积的减少引发农业劳动力向城市转移，从而加速成渝经济区城镇化的进程。

2000—2010年，成渝经济区三产比例从18.39 ∶43.98 ∶37.63 转变为11.65 ∶50.31 ∶38.05，呈现出二产占主导的“二三一”型产业结构模式，且第一产业比例下降、第二产业比例上升趋势明显，反映了工业和建筑业的迅速发展趋势，而第二产业主要构成为工业，因此二产比例的快速上升实际反映出成渝经济区工业化快速发展的态势，产业工业园区的入驻占用大量耕地及林草地，“双核两带”的产业布局促进了区内土地利用系统快速转化，导致成都和重庆两大都市区、成德绵城市经济带和沿长江城市经济带人工表面用地的迅速扩张。

3.3.3 国家政策驱动

国家和地方的政策制度因素对区域土地利用方式及其变化起强制性作用［28-29］，土地利用结构及其变化是特定时期经济体制及政策水平下的产物，各级政府经济政策、土地政策、环保政策、农业政策、水利政策等宏观调控将直接影响区域土地利用的状态。2000年，成渝经济区被确定为西部大开发的三大重点区域之一，2006年，成都和重庆被纳入全国统筹城乡综合配套改革试验区，一系列政府宏观政策支持推进了成渝经济区的快速发展和城镇化进程，加速了居住地、工业用地、交通用地等人工表面的形成，原有城市不断扩张，新兴工业城市不断兴起，装备制造业、电子信息、生物医药、汽摩、清洁能源、食品饮料业、国防科技工业等优势产业迅速发展，不同土地利用类型的转化更加频繁，逐渐形成以成都和重庆两大城市为核心的土地利用空间格局。

1999年起，成渝经济区内各市县陆续启动退耕还林工程，2000年以三峡库区为界的长江上游地区开始实施国务院批准的天然林资源保护工程［3］，受西部开发“生态退耕”政策的影响，研究区内有3 705.8 km2的耕地转化为林地，退耕还林还草政策成效十分明显。2000—2010年，长江重庆段下游开县、云阳县、万州区、忠县、垫江县、长寿区、丰都县等区县湿地面积共增加322.19 km2，占整个成渝经济区10年来湿地增加总面积的53.21%，主要原因则为三峡大坝的竣工，三峡水位的抬高使库区林地、耕地等土地利用类型转化为湿地。

4 结论

(1)2000—2010年，成渝经济区土地利用格局发生了明显变化，主要体现在:耕地面积减少，林地、草地、湿地、人工表面和其他用地面积增加，其中，人工表面增加面积最大且增长速度最快。从土地利用转移变化看，耕地主要转换为林地和人工表面，人工表面的增加主要来自于耕地、林地和草地。

(2)偏最小二乘回归模型表明，成渝经济区人口压力驱动，特别是非农业人口的增加是研究区土地利用变化的最主要驱动因素;国内生产总值、人均国内生产总值和固定资产投资额等经济指标是影响土地利用变化的次强驱动因素。另一方面，国家宏观经济政策的调控带动区内经济和产业的快速发展，促使着人工表面用地、耕地、林地、湿地等土地利用类型之间的快速转化，是成渝经济区土地利用变化的又一重要驱动因素。

(3)通过RS 与GIS 结合的技术手段，研究成渝经济区土地利用变化特征及其驱动力，有利于解决快速城市化地区土地利用与社会发展之间的矛盾，协调区域人—地关系的协调发展，为人地系统的合理调控提供数据、资料支持，对区域国土资源安全与可持续发展具有重要的科学意义。土地利用强度和结构的巨大变化会引起一系列区域性生态环境问题，成渝经济区土地利用变化对生态环境变化的影响将是今后课题研究的重要方向。

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