重庆市荣昌区土地利用变化与驱动力研究

来源:用户上传      作者:付伟 周宝同 田雨

　　摘要：为了解重庆市荣昌撤县设区后的土地利用现状和存在问题，协调城市发展与生态保护之间的关系，基于2000年、2003年、2006年、2009年、2012年及2015年的6期遥感影像，借助遥感（RS）技术和地理信息系统（GIS）技术，分析荣昌区2000—2015年土地利用变化特征，并采用灰色关联法和主成分分析法定量分析土地利用变化驱动因素。结果表明，2000—2015年，荣昌区土地利用特征变化主要表现为耕地、草地、未利用地大致呈现减少趋势，林地、建设用地、水域大致呈现增长趋势，未利用地大部分转变为建设用地;2000—2006年土地利用變化量为负值，2006—2015年土地利用变化量为正值，土地利用整体由调整期步入发展期;土地利用破碎程度降低，优势土地类型减少，土地利用景观类型逐渐分布均匀;高关联度指标中城镇化率、公路里程、人均地区生产总值等与第一主成分关联性高，常住人口与第二主成分关联性高，荣昌区土地利用驱动力在研究时段以社会经济、交通运输和生态环境等因素为主。
　　 关键词：土地利用;土地利用驱动力;荣昌区;重庆;景观指数;灰色关联度
　　 中图分类号：F301.2   文献标志码： A  文章编号：1002-1302（2020）06-0214-09
　　土地利用/覆盖变化（LUCC）是自然环境、时空关系和经济技术等结构和行为对土地利用方式与目的改变的体现[1]，对全球和环境变化有着重要的影响[2]，一直是地理学、生态学等相关科学领域研究的热点[3-6]。随着社会的发展，人类正以空前的幅度和规模影响着全球环境，造成全球人口、资源与环境问题的日益突出[7]。因此，只有科学合理地分区利用土地，才能够保证土地资源的节约与集约利用，从而做到各类土地的高效率利用[8]。
　　 土地利用变化的驱动力及驱动机制是土地利用变化研究的重要问题[9]。驱动力研究是土地利用研究的核心问题之一。在这方面，以往主要是单因子分析，目前则更多地综合考虑多因子及其相互作用[10]。近些年，国外学者的做法是通过获取大量的土地利用变化历史与现状数据，采用多种数学统计分析方法，探讨引起土地利用变化的相关主导因子，建立土地利用变化定性的概念模型与数学模型[11]，如系统动力学模型（system dynamics models）、细胞自动机模型（cellular automata）以及混合模型（hybrid/integrated models）[12]，这些模型在一定程度上模拟了LUCC可能的原因。然而，这些模型也有一定的缺点，细胞自动机模型可以模拟LUCC中生物物理方面的问题，对人类决策的模拟是一个弱点;系统动力学模型能够全面考虑LUCC过程中的驱动因素，但缺乏处理空间因素的能力。国内一些学者尝试用Logistic回归模型分析土地利用变化驱动力，如谢花林运用Logistic回归模型分析了生态功能区内土地利用变化的影响因素及其作用机制[13]。本研究主要通过分析土地利用3个单一因子变化，尝试采用灰色关联度和主成分分析方法，探究重庆市荣昌区土地利用的主要影响因素和驱动力，以期为荣昌区未来的土地资源管理政策和制定合理的土地利用规划提供决策依据。
　　1 研究地区与研究方法
　　1.1 研究区概况
　　 荣昌区位于重庆市与成都市的交汇处，被称为“渝西明珠”，是重庆市的西大门，位于105°17′～105°44′E，29°15′～29°41′N，处于成渝两大城市的经济辐射范围之内，周围有泸州、内江、自贡、宜宾、永川、江津等多个中等城市。荣昌区境内以平坝、丘陵为主，地势起伏不大，平均海拔为300～400 m，属于亚热带季风性气候，全区年平均气温达到 17.7 ℃，年降水量为1 118 mm，年日照时数为 1 282 h，年太阳辐射总量为3 497.84 MJ/m2。全区总面积为 1 075.37 km2，占重庆市总面积的 1.31%，辖15个镇和6个街道。2015年，荣昌区的常住人口为 70.10 万人，城镇化率为49.26%，国内生产总值（GDP）为329.87亿元。
　　1.2 数据来源与处理
　　 本研究所采用的土地利用数据来源于国家地理空间数据云的2000年、2006年、2009年 Landsat-5 TM和2012年、2015年Landsat-8 OLI遥感影像，同时搜集了荣昌区2000—2015年各种社会经济指标、行政界限、研究期土地利用现状数据等资料。
　　 在ENVI 5.1软件的支持下，对荣昌区6期遥感影像按行政边界裁剪后，采用几何精校正、大气校正以及图像镶嵌、裁剪和增强的方式得到了6期遥感解译图。根据GB/T 21010—2007《土地利用现状分类》和中国科学院土地利用遥感检测分类系统[14]，采取监督与非监督分类法和目视解译相结合的方法进行分类，将荣昌区的土地利用类型划分为6类：林地、耕地、草地、水域、建设用地、未利用地，生成荣昌区2000—2015年6期土地利用图（图1至图6）。为保证分类结果的准确性，通过Kappa系数法对荣昌区6期遥感解译分类结果进行精度评价，得到Kappa系数依次为0.826、0.814、0.806、0.833、0.815、0.822，评价结果精度均在80%以上，说明可以用于后续研究。
　　1.3 研究方法
　　1.3.1 土地利用变化动态度指数 单一土地利用类型动态度表达的是某一研究区一定时间范围内某种土地利用类型的数量变化情况，在本研究中表达为年变化率，其表达式[15-16]为式中：K为研究时段内某类土地利用类型的年变化率;Ua、Ub分别为研究期初和研究期末某类土地利用类型的面积;T为研究年段长度。
　　1.3.2 土地利用变化程度指数 土地利用程度反映土地利用的广度和深度， 反映人类活动和自然环境对土地利用的综合作用。土地利用程度变化量可表达为式中：La和Lb分别为研究初期和研究末期的土地利用程度指数;Ai为第i级土地利用程度分级指数;Cib和Cia分别为b时间和a时间第i级土地利用程度所占区域面积百分比。若ΔLb-a>0，则表明该地区土地利用处于发展期;若ΔLb-a<0，则表明该地区土地利用处于调整期或衰退期。 　　1.3.3 土地利用变化景观指数 在景观生态学中，
　　景观指数的变化是分析景观要素动态变化的重要指标[17]。土地利用是由各种不同类型土地利用面积也就是斑块组成，空间特征和时间特征显著。本研究从景观水平上选取最大斑块指数（LPI）、斑块个数（NP）、景观形状指数（LSI）、香农多样性指数（SHDI）、景观均匀度指数（SHEI）等5个景观指数来研究荣昌区土地利用变化情况，具体指标见表1。
　　1.3.4 灰色关联分析法和主成分分析法 如果系统结构不明确，作用原理难以明确阐述，但对系统的最后结果总能得到一些资料和信息，这种信息部分明确、部分不明确的抽象系统称之为灰色系统[18]。本研究共选取常住人口、城镇化率、公路里程、地区生产总值、工业总产值、人均地区生产总值、畜牧业总产值、森林覆盖率等27个指标来建立荣昌区土地利用驱动力体系，由于指标较多样本较小，在进行灰色关联度分析和主成分分析之前，对荣昌区2000—2015年土地利用变化程度和这27个指标进行常规拟合，然后对这27个指标和土地利用综合指数进行灰色关联定量分析。本研究将荣昌区土地利用变化综合指数设为参考序列，即母序列，将27个指标设为比较序列，即子序列。根据步骤计算得出27个驱动因子变量的灰色关联度，从而得到灰色关联序。
　　 通过灰色关联法分析得到27个指标与土地利用变化综合指数的关联度（R），通过观察灰色关联度结果并综合多方面考虑，挑选出10个关联度高且典型的驱动指标来进行下一步的主成分分析。
　　2 结果与分析
　　2.1 土地利用动态度变化
　　 由表2可知，在研究期的15年间，耕地、草地、未利用地的面积呈现减少趋势，林地、水域、建设用地面积总体呈增加趋勢。由于退耕还林还湖政策的开展，林地面积大幅度增加，变化率达11.08%，面积增加 11 958.53 hm2，耕地面积减少 14 924.42 hm2。受城镇化、社会经济水平提高等因素的影响，建设用地面积变化较明显，增加 4 888.98 hm2。草地、水域、未利用地面积较小，其中草地和未利用地面积分别减少701.24、1 231.90 hm2，水域面积增加144.35 hm2。荣昌区各类型土地面积比例都有所变化，但一直以耕地、林地和建设用地为主，其中耕地在这3种类型土地面积中占主导地位，这主要和荣昌区工业化水平较低、以第一产业生产为主等有关。
　　 从表3可以看出，2000—2015年林地的年变化率最高，为 11.48%;建设用地的年变化率为 2.53%;未利用地的减少速度最快，年变化率为 -6.32%;草地的变化速度较未利用地慢，但年变化
　　率达到 -5.28%;耕地和水域的变化与其他地类相比不是特别明显，耕地的年变化率为-1.21%，水域的年变化率为1.30%。林地增加的主要原因除了退耕还林外，还和荣昌区积极实施荒山造林、水系绿化和道路绿化有关。建设用地一直处于增长状态，2006—2009年变化最快，年变化率为7.37%，说明这一阶段是荣昌区社会经济发展较好较快的阶段。未利用地的年变化率在5个阶段均为负值，说明未利用地一直在减少，2006—2009年快速减少，年变化率为-30.55%，建设用地在这一阶段增长最快，而未利用地在这一阶段快速减少，说明未利用地大部分转为了建设用地，服务了社会经济的发展。
　　2.2 土地利用程度变化
　　 由表4可知，荣昌区2000—2015年5个阶段土地利用变化量有正有负，2000—2003年ΔLb-a为 -5.35;2003—2006年ΔLb-a为-0.81;2006—2009年ΔLb-a为1.95;2009—2012年ΔLb-a为0.64;2012—2015年ΔLb-a为0.88。同样，荣昌区土地利用程度变化率也有正有负，2000—2003年为 -1.82%;2003—2006年为-0.28%;2006—2009年为0.66%;2009—2012年为0.22%;2012—2015年为0.30%。荣昌区2000—2003、2003—2006年的土地利用程度变化量和土地利用程度变化率的值均为负，说明这2个阶段荣昌区处于调整期，人类活动对土地利用的程度较低，对土地来说，土地的负载较小，自然状态较好;后3个阶段土地利用程度变化量和土地利用程度变化率均为正值，说明这3个阶段荣昌区处于发展期，人类活动对土地的利用程度在提高，土地的产值不断被挖掘，土地的负荷较大。2000—2015年荣昌区的土地利用程度变化量为 -2.69，虽然后3个阶段土地利用程度变化量为正值，但数值较小，导致荣昌区这15年以-0.91%的速度在调整发展，从后3个阶段的土地利用程度变化量和土地利用程度变化率来看，荣昌区会慢慢从调整期步入到发展期，这也和荣昌区近些年城镇化水平提高、工业化不断发展、土地得到了充分利用相符合。
　　2.3 土地利用景观变化
　　 从表5可以看出，各景观指数在2000—2015年间都发生了变化。斑块个数（NP）逐渐下降，在2012—2015年间下降速度最快，说明荣昌区土地利用景观破碎度逐渐降低，土地利用类型分布逐渐集中;最大斑块指数（LPI）逐渐降低并趋向平稳，说明荣昌区内的优势土地利用类型面积在逐渐减少，根据土地利用数量分析可知，耕地是荣昌区内的优势土地利用类型，说明耕地面积在逐渐减少，土地利用类型在逐渐变得丰富;景观形状指数（LSI）在2012—2015年间下降速度最快，但最高值和最低值之间差距不大，说明荣昌区的土地利用类型面积变化不大，规则程度较稳定，受人为管控制约较强;香农多样性指数（SHDI）和景观均匀度指数（SHEI）在这15年均呈现缓慢上升趋势，说明荣昌区土地利用景观类型在逐渐变得丰富，土地利用景观类型分布逐渐均匀。
　　2.4 灰色关联和主成分分析
　　 本研究将选取的27个指标分别与土地利用程度进行常规拟合，从拟合程度的高低来判断驱动指标对土地利用程度的影响，将拟合结果r2>0.70的定为高度拟合程度指标，将r2<0.30的定为低度拟合程度指标，将0.30≤r2≤0.70的指标定为中度拟合程度指标（r2的取值为0～1，越接近1说明拟合程度越好）。如表6所示，高度拟合指标包括常住人口、城镇化率、公路里程、人均地区生产总值、油料产量、地区生产总值、工业总产值等，这些指标均与土地利用程度指数有密切的相关性，说明在荣昌区撤县设区后，人口及城镇化率因素、社会经济因素、农村发展因素、科技文化因素和生态因素对土地利用程度影响较大;中度拟合指标有猪肉产量、农用化肥施用量、普通中学在校学生数、森林覆盖率、工业固体废物排放量等，说明这几个指标对荣昌区土地利用程度变化的影响一般。低度拟合指标有失业人员登记数、粮食产量、建筑企业数、农作物播种面积等，这些指标对土地利用程度的影响较小。
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