皖北平原典型农业城市土地利用景观格局动态及驱动因素研究

2021-03-03周敏孙朋祝凯利刘翔倪志萍付昱蔓张涛

安徽农学通报 2021年3期

周敏　孙朋　祝凯利　刘翔　倪志萍　付昱蔓　张涛

摘要：氣候变化成为当前不可逆的重要背景，加剧了土地利用变化的复杂驱动机制。为探究皖北平原典型农业城市近几十年的发展历程与影响因素，以宿州市为例，基于1980—2015年的宿州市5期土地利用数据，利用景观生态学和GIS技术2种方法，对研究区土地利用和景观格局时空变化特征及其驱动力进行深入剖析，在此基础上结合研究区自然、人文要素探究主要土地变化过程的驱动机制。结果表明：（1）宿州市土地利用方式主要以耕地和城市建设用地为主体，1980、1990、2000、2010和2015年合计占比分别为94.8%、94.7%、94%、95%、95%，其中耕地占比80%以上;（2）研究期内，耕地面积减少最多（291.7km2），草地、水域、建设用地面积均呈弱增加趋势，城乡建设用地增加280.2km2，增加幅度为20.2%;（3）不同时段耕地与城镇用地之间的转换是研究区土地动态的主体，城镇用地土地利用动态度最为活跃，转入方式以耕地为主，1980—2000年和2000—2015年分别转为城镇用地9km2和37.26km2;（4）城镇用地面积的转入主要集中在各县域城区周围，其中埇桥区城区转入最多，乡镇市集存在弱转入，宿州市整体转换格局为城市化进程加剧带来的边缘化扩张;（5）人口、城镇化率和固有资产投资等为1980—2015年研究区景观格局变化的主要驱动因素。

关键词：景观格局;LUCC;变化环境;驱动机制;宿州市

中图分类号 F301.2;P208文献标识码 A文章编号 1007-7731（2021）03-0092-07

Study on Dynamics and Driving Factors of Typical Agricultural Urban Landscape Pattern in Northern Anhui Plain

ZHOU Min et al.

（School of environment and surveying engineering，Suzhou University，Suzhou 234000，China）

Abstract： Climate change has become an important irreversible background， which intensifies the complex driving mechanism of land-use change. In order to explore the development process and influencing factors of typical agricultural cities in the North Anhui plain in recent decades， this paper studies and selects Suzhou， a typical agricultural city in the North Anhui plain， as an example. Based on the five phases of land-use data of Suzhou from 1980 to 2015， this paper uses GIS technology and landscape ecology method to study Based on the analysis of the spatial-temporal characteristics of land use and landscape pattern and their driving forces， the driving mechanism of the main land change process is explored by combining the natural and human elements of the study area. The results showed that：（1） The main land use pattern of Suzhou city is cultivated land and urban construction land， which accounted for 94.8%， 94.7%， 94%， 95% and 95% respectively in 1980， 1990， 2000， 2010 and 2015， and the cultivated land accounted for more than 80% of the total land use type.（2） during the study period， the decrease of cultivated land area was the largest （291.7km2）， grassland， water area and construction land area all showed a weak increase trend， and urban and rural construction land increased by 280.2km2， with an increase rate of 20.2%. （3） the conversion between cultivated land and urban and rural land in different periods is the main body of land dynamics in the research area， with the most active dynamic attitude towards land use in urban and rural areas， and the transition mode is mainly cultivated land：from 1980 to 2000 and from 2000 to 2015， it was converted to urban and rural use 9km2 and 37.26km2 respectively. （4） the transfer of urban and rural land area is mainly concentrated around each county and urban area， of which the urban area of Yongqiao district is the most transferred， and the township market is weak transferred. The overall transformation pattern of Suzhou city brings the marginal expansion brought by the intensified urbanization process.（5）The driving factors of landscape pattern change in the study area from 1980 to 2015 are mainly affected by population， urbanization rate and inherent asset investment.

Key words： Landscape pattern; LUCC; Changes in the enviroment; Driving mechanism; Suzhou city

进入21世纪，我国的景观生态学发展进入重要阶段，基于景观格局动态演变与生态环境过程和尺度效应之间的相互作用的研究，一些学者在小区域尺度研究方面成果显著[1-2]。区域尺度下生态水文景观格局的变化分析是对某一研究区域土地利用变化特征、土地利用变化速度以及结构变化的分析[3-5]。人类活动和自然因素的共同作用会引起生态水文景观格局变化，因此景观格局动态变化与生态过程及其规模效应是景观生态学的主要研究部分，小区域尺度上景观格局动态演变的驱动因素分析一直是该研究领域的热点[6-7]。在土地利用时间格局上，景观格局动态变化可以有效揭示变化环境下区域生态环境状况以及时空转移变化特点;在土地利用空间格局上，土地利用景观格局动态变化具有典型的空间异质性，不同土地利用类型要素、结构的变化以及斑块的镶嵌是其重要表现[8]，揭示了土地利用生态过程的功能和结果。由于受到人类活动破坏和自然因素的限制，区域土地利用景观格局不断发生变化，因此，进行区域内景观格局动态变化与驱动机制探究、了解其成因与驱动力，是促进人类社会与自然环境和谐共生的重要途径[9]。

基于区域尺度下景观格局动态及驱动机制的变化研究，许多学者在黄土高原地区[9]、额济纳三角洲区域[10]、松嫩草原西部区域[11]、镇江市[12]以及黑河中游流域[13]、河南沿黄湿地[14]等地区开展了一系列相关研究，而研究的中心为区域尺度效应以及景观格局动态与生态过程的相互作用。结合区域尺度—格局—过程，从单一土地利用类型及区域尺度出发，以生态系统服务为对象，以变化环境为背景，开展动态变化评估，并针对土地利用变化和分布格局与生态环境两者间的相互作用机制进行分析，是变化环境下区域生态建设的热点[9-13]。

宿州市是南北气候过渡影响区、水旱田并存、典型农业区、淮河流域旱涝频发区。当前，宿州市农村土地受到大量侵蚀，出现大量抛荒弃耕现象，再加上汴北新区和市域轨道交通线的建设以及全球环境变化的加剧，地表水热格局差异性变化显著。已有学者对变化环境下宿州市景观格局动态及其驱动力因素开展了研究[15-16]，但存在研究内容表面化、时间跨度较短、土地利用景观分类排序内容较宽泛等不足。另外，小区域尺度上研究基础条件匮乏[15-16]，皖北地区城市的城市化进程具有缓慢性和农业平原区的典型性。为此，本研究基于宿州市1980—2015年土地利用解译数据，探讨小区域尺度长序列宿州市生态水文景观格局动态变化特征，并通过对气温、降水量、蒸散量等以及社会经济活动对各土地利用景观格局动态变化的驱动作用和生态环境效应的探讨，提出了可持续利用建议，以期为皖北地区不同县域土地资源调配、水资源利用与生态环境规划以及可持续发展提供数据支撑和理论依据。

1 材料与方法

1.1 研究区概况宿州市（116°09′～118°10′E、33°18′～34°38′N）地处安徽最北部，俗称安徽省北大门，总面积9787km2，与4省（皖、苏、鲁、豫）接壤，连贯东西，东部临海、西部接山，位于黄海平原南端、淮北平原中部，地形西北高、东南低（图1）。宿州市属于暖温带，为半湿润季风气候区，气候温和，光照充分，降水适中，雨热同期，四季分明。研究区多年平均温度14～14.5℃，连续年份平均降水量774～896.3mm，年平均风速2.36m/s，全年日照时数2322.9～2471.7h，日照充足。宿州市位于淮河流域，主要有沱河、汴河等70多條河流，流向整体自西北向东南，为黄河、淮河水系;多为内流河，含沙量较小，结冰期较短，水能资源较丰富，流速较慢，夏秋季水位较高，秋冬季水位较低。宿州市常住人口568.14万人，是典型的农业县[15-17]。

1.2 数据来源研究数据构成共分为3个部分：（1）生态水文景观数据。采用中国科学院资源环境科学数据中心（http：//www.resdc.cn）的1980—2015年5期安徽土地利用/覆被类型栅格数据。该数据是基于各年份Landsat-TM/ETM和Landsat8遥感影像（30m）解译得到，空间分辨率30m，经过波段提取、合成、几何精纠正、镶嵌等预处理，利用人机交互目视解译，最终通过混淆矩阵进行分类精度及总精度评价，总体精度在90%以上，数据质量可靠。根据宿州市矢量边界进行裁剪，得到研究区5个年份的土地利用类型图，根据《土地利用现状分类》（GB/T2010—2017），依据GIS技术利用自然间隔分类法，将研究区景观格局分为耕地、林地、草地、湿地、建设用地和未利用地6个二级类别;（2）宿州市1980—2015年自然环境数据：包括气温、最高温、最低温、降水、降水天数、蒸散量等数据，来源于中国气象数据共享服务中心宿州站点，并结合宿州市地方志与统计年鉴自然地理数据部分;（3）社会经济统计数据：数据来源于1980—2015年宿州市社会经济统计年鉴，涉及人口、城镇化率、三大产业生产总值、固定资产投资等要素体系。

1.3 研究方法

1.3.1 单一土地利用类型动态度区域内某特定的土地类型在一定时间范围内的变化速度可以采用单一土地利用类型变化率K来描述[18-20]，计算公式为：

K（%）=（U_b-U_a）/U_a×1/T×100

式中：Ua、Ub分别表示区域内研究期初和研究期末某特定土地利用类型的面积大小;T为研究周期的时长，通常以年为单位。计算出研究周期内某一土地利用类型的面积变化值占研究期初的比例，除于该周期时长并乘以100%，从而得到区域内某一土地利用类型在该研究周期内的动态度。

1.3.2 综合土地利用类型动态度区域内所有土地利用类型在一定时间范围内的综合变化速度可以采用综合土地利用变化率S反映[18-19]，计算公式为：

式中：i为土地利用类型;LA（i，t1）为第i类土地变化初期的面积;LA（i，t2）为第i类变化末期的面积;n为区域内总地类数。在整个区域内，所有土地利用类型在某一时段内变化值的总和除以土地变化初期的面积总和再除以该时段并乘以100，从而得到区域内所有土地利用类型在研究周期内的数量变化程度指标。

1.3.3 土地转移矩阵转移矩阵可以较好地反映某一研究区土地利用变化的结构特征，用来分析各个土地用地类型的转移方向，不仅可以反映研究期初、期末的土地利用类型结构，还可以很好地反映各土地类型在研究期间的转入、转出情况，有利于明晰研究初期各利用类型土地的转出去向和研究期末各土地利用类型的转入与构成情况[21]。转移矩阵的数学形式为：

式中：S为土地类型面积;n为各土地类型数量;i为研究期初土地利用类型;j为研究期末土地利用类型。

1.3.4 主成分分析法主成分分析法（PCA）是基于统计数据，借助正交变换，通过降维将多个具有相关性的社会经济和自然环境等变量转化成1个或几个不相关的综合变量，取代初始变量[22]。多维变量包含的信息多具有重复性，而主成分分析就是在保证数据信息损失最少的原则下，通过降维处理，省去不相关的指标变量，将原来较多的指标转化成能反映研究现象的较少的几个主成分[22-23]。

2 结果与分析

2.1 宿州市近35年土地利用类型图2为研究区1980—2015年土地利用类型图，结合表1可知，宿州市的土地利用主体为耕地，1980、1990、2000、2010、2015年5期耕地面积分别为7941.6、7928.3、7809.1、7722.8、7649.9km2，耕地面积占比78%～80.6%，是研究区最大的主体土地利用方式;城镇用地仅次于耕地，5期城建用地面积变幅为1384.7～1664.9km2，面积占比14%～17%，主要为行政驻地、乡村及工矿道路;林草所占份额较少，主要为低覆盖草地和落叶阔叶林，面积变幅为439～440.4km2，占比4%～4.4%，集中分布在宿州中北段低矮山丘地带，其中皇藏峪国家森林公园是宿州市主要的林业分布区;水域面积变幅为60.9～72.4km2，占比0.6%～1%，集中分布在汴河、三角洲、石龙湖等河流、湿地地带;宿州市土地利用率极高，未利用地类占比微乎及微，因此土地利用格局更多集中在不同地类之间的相互转换。

2.2 土地利用动态度

2.2.1 土地利用单一动态度表2为1980—2015年宿州市土地利用动态度，结合图3可看出，1980—2015年间耕地面积呈明显下降趋势，主要转化为城镇用地，1980—1990年、1990—2000年、2000—2010年、2010—2015年间耕地面积依次减少13.3、119.2、86.3、72.9km2，耕地利用单一动态度变化依次为-0.017%、-0.150%、-0.111%、-0.0994%;1980—2015年间研究区的城镇建设用地呈现轻微波动起伏，总体呈持续增加态势，1980—1990年、1990—2000年、2000—2010年、2010—2015年间城镇用地面积依次增加10.1、124.3、80.6、45.2km2，单一土地变化动态度分别为0.729%、0.891%、0.531%、0.283%;研究区的林草地分布较为稳定，1980—2015年间呈现轻微波动起伏;1980—2015年间水域利用面积呈持续增长趋势，由60.9km2增至72.4km2，增长率为18.88%，水域面积占总面积百分比仍为2%，土地动态度为1.087%。

图3为1980—2015年宿州市土地利用类型面积变化图，图4为宿州市1980—2015年各土地利用类型的动态变化图。综合总体变化特征来看，宿州市1980—2010年耕地面积动态度一直处于-0.5%～0%，耕地面积不断下降;林地面积变化动态度基本处于0%以下，为负增长状态，但高于耕地的减少变化;草地在2000年以前为减少状态，在2000—2010年期间出现缓慢增长;城镇用地面积变化度在1980—2000年為递增，2000年开始下降，但一直处于0%以上，说明宿州市城镇用地面积不断增加;水域动态度是波动幅度最大的类型，在1980—2000年不断递减，之后到2010年都为增加状态，1990—2000年出现低于0%的数值，在此期间水域面积减少，1980—1990年及2000—2010年水域面积出现增长。

2.2.2 土地利用综合动态度由表2可知，1980—1990年宿州市的土地利用综合动态度为0.0279%，城镇用地土地利用动态度活跃度最大（0.729%），水域用地次之（0.525%），耕地活跃度较低（-0.017%），未利用土地和林地、草地的活跃程度较低但最为稳定;1990—2000年宿州市的土地利用综合动态度为0.2529%，耕地、林地、草地和水域为负值，较为活跃的是草地和耕地;2000—2010年宿州市土地利用综合动态度为0.1783%，耕地和林地依旧为负值，绝对值呈递减趋势，城镇用地较活跃，草地动态度呈现上升趋势;2010—2015年宿州市土地利用综合动态度为0.1248%，水域用地最为活跃，出现极大值，林地较为稳定，草地和城镇用地活跃度下降，总体比较稳定。结合各类型土地利用动态度整体来看，研究期内，水域、城镇用地活跃度一直较高;水域整体波动较大，2010—2015年变化剧烈，动态度最大，为1.087%;林地和耕地动态度以负值为主，其绝对值不断降低;1980—2000年草地动态度也基本为负值，在2000—2015年间有增长趋势，向正值转变，在2000—2010年间为0.6006%，达到极值;未利用土地一直处于较为稳定的状态。

2.3 土地利用变化结构特征利用ArcGIS10.5软件，通过转移矩阵得到研究区1980—2015年、1980—2000年、2000—2015年土地利用转移矩阵[24]（表3）。由表3可知，宿州市土地利用主要在耕地与城镇用地、耕地与水域、城镇用地与水域之间发生转化，以城镇用地和水域转入和耕地转出为主要特点。1980—2015年耕地面积呈降低趋势，主要向城镇用地转化，1980—2000、2000—2015年转为城镇用地的面积分别为135.84km2和175.53km2，转化速度加快。此外，耕地还向水域、草地和林地转化，1980—2000年转入水域面积5.34km2，转为林草面积微乎其微;2000—2015年转为水域、草地、林地的面积依次为13.43、5.78、1.75km2。水域、城镇用地面积主要转化为耕地，两者之间互为转化对象，1980—2000年转入耕地的面积分别为4.68km2和2.53km2，2000—2015年转入耕地的面积分别为3.13km2和31.72km2。总体来看，2000—2015城镇用地转入耕地的面积较1980—2000年有大幅度增加，这与国家对建筑用地非法占用耕地的日益规范密切相关。

图5为1980—2015年土地利用类型转换空间分布。由图5可知，宿州市土地利用变化方式主要以建设用地扩张为主，主要由耕地转入。1980—2015年研究区内城乡建设用地扩张明显。研究区西南部、东部、中东部建设用地扩建面积较大，其中西南部扩张面积最大。城乡用地面积的转入主要集中在各县域的城区周围，其中埇桥区城区转入最多;乡镇市集周围也有分布，但转入面积较小。水域面积的转入主要分布在埇桥区东侧及萧县市区周围。

2.4 驱动因素研究区人类活动与自然环境相互影响的关系可以在景观格局动态演变中得到很好的反映。不同区域主要驱动因子不同，区域时空动态关系也在景观格局变化与驱动力之间展现出来。基于多年尺度变化，人为因素产生的环境变化较自然因素幅度较大，是主要因素[24]。1980—2015年土地利用变化动态显示，耕地与城市建设用地的动态变化是区域LUCC变化的主题，因此以耕地与城建用地为基础开展驱动力分析。

2.4.1 驱动因子选择通过《宿州市统计年鉴（1980—2015年）》收集经济数据并整理自然要素，利用SPSS软件中的主成分分析法，选定12项能反映宿州社会经济、自然环境状况的指标。其中，社会经济指标包括人口、非农人口、城镇化率、固定资产投资，自然环境指标包括气温、最低温、最低温、降水、日照、风速、相对湿度、蒸散量。将已经进行标准化的12个指标进行主成分分析。

2.4.2 主成分分析由表4可知，第一主成分的初始特征值为6.186，解释总方差贡献率百分比为51.552%，提取的第二主成分与第三主成分解释总方差贡献率分别为21.748%和10.301%，前3个主成分解释总指标信息的83.6%以上，因此把前3项作为主成分因子，通过计算可以得到各因子对于原始指标的载荷状况[25-26]。

3个主成分通过最大方差法进行正交旋转，得到因子载荷矩阵（表5）。由表5可知，第一主成分上有5个驱动因子载荷超过了0.9，其中X1（人口）和X2（非农人口）、X3（城镇化率）荷载超过了0.95，为人口和城市因素，主要反映了城市发展水平，表明人口比重以及城市人口所占比重的提高对城市化发展水平具有重要影响。可以看出人口变化和城镇化率对面积变化具有显著影响。面积变化与日照、风速、相对湿度等自然要素相关系数较小。这是由于城乡建设用地快速增加，大量占用耕地、水域等，导致自然要素影响逐渐变小。城市建筑密集，阻挡了风力，水域面积减小，相对湿度降低，城市地面硬化，渗透率下降，从侧面说明人口增长以及城市化水平提高的同时给自然环境造成的威胁也是相当突出的。

第二主成分上X9（日照）和X12（蒸散）具有较高载荷，分别为0.887、0.848。光照、土壤含水量以及植被覆盖状况为自然因素，说明城市化建设过程中生态安全占据主导地位，生态环保等政策落到实处。人口、非农人口比重以及城镇化率和固定资产投资等均为负值，呈现负相关关系，表明经济发展迅速以及城市化发展进程不断加快直接导致大量土地类型之间发生转移，农民进城务工提高了城镇化率，耕种率逐渐降低，固定资产投资等政策性投资使研究区农业机械化水平提高，农业模式转为现代化农业，自然要素载荷相对较高。

第三主成分上X10（风速）和X11（相对湿度）具有较高载荷，分别为0.602、0.511。干湿度状况较为明显，仍然为自然要素。人口和城镇化率较第二主成分载荷提高，这也充分说明非农人口数量的增加和城市化水平的不断提高给资源环境造成了极大威胁，以及一些固定资产投资导致城乡建设面积比例不断上升，给当地的自然生态景观资源造成巨大的破坏和浪费。另外，非农人口和固定资产投资影响相对较弱，载荷量较低，说明城市化进程和经济因素带来的建筑面积、公共卫生用地、交通等城乡用地增多仍然是导致面积变化的主要原因。

经济发展与城市化水平以及经济水平不断提高的同时，会给资源环境造成较大压力，人口增长以及非农人口的增加和企业资产的投资是影响区域生态景观格局演变的关键驱动力因素（图6），低效率的人类生产生活活动会加剧当地生态景观格局动态演变，威胁生态资源安全，加剧土地生态安全问题。

3 结论与讨论

总体来看，1980—2015年研究区土地利用结构发生了明显变化，耕地、林地面积不断减少，草地、水域、建设用地面积逐渐增加，研究区主体土地利用方式为耕地和建设用地。研究表明，宿州市城镇用地土地利用动态度最为活跃，耕地面积主要以转出为主，面积持续减少，多转为城镇建设、工矿业生产用地;林地面积呈现先增加后减少的趋势，变化较小，1980—2015年面积减少2.6km2，主要转为城镇用地;草地面积不断增加，1980—2015年增加2.6km2，主要由耕地转入;水域面积与耕地面积出现互相转入转出现象;随着城市化进程不断加快，城镇居民用地不断增加，且以耕地转入为主。通过主成分分析法对研究区进行驱动机制分析，得出人口、非农人口、城镇化率、固定资产投资等主要因子对生态水文景观格局演变的重要影响。目前，区域尺度下景观格局动态演变以及驱动机制研究的方法对土地利用变化的预测和解释能力依然存在不足。如何在深化主成分分析以及动态度变化研究的过程中，揭示不同区域尺度下土地利用转化的驱动机制，达到对区域尺度变化环境下景观格局变化与驱动因子的准确预测，应是今后探究的主要目标和方向。

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