乌鲁木齐市近16年建设用地和耕地变化驱动力比较分析

孔静静, 魏建新,2

(1.新疆大学 资源与环境科学学院, 乌鲁木齐 830046; 2.新疆大学 地理学博士后科研流动站, 乌鲁木齐 830046)

乌鲁木齐市近16年建设用地和耕地变化驱动力比较分析

孔静静1, 魏建新1,2

(1.新疆大学 资源与环境科学学院, 乌鲁木齐 830046; 2.新疆大学 地理学博士后科研流动站, 乌鲁木齐 830046)

以新疆乌鲁木齐市1996—2011年自然、人文和土地利用数据为依据，基于数理统计分析方法和统计软件，对乌鲁木齐市16 a的建设用地和耕地变化特征和驱动机制进行了探讨和对比分析。结果表明：(1) 1996—2011年乌鲁木齐市建设用地经历了平缓上升→迅速增长→减速增长的变化历程，耕地则为平缓减少→迅速增加→逐渐较少。(2) 经济发展、人口增长、农业技术进步和产业结构调整是影响乌鲁木齐市建设用地和耕地动态变化的因素，而政策措施对该市的建设用地和耕地变化起直接导向作用。(3) 各驱动力对建设用地和耕地驱动方向、驱动力大小、驱动因素影响的敏感性均表现出差异性，且同一土地利用类型在不同时期驱动因素也有差异。本研究旨在揭示建设用地和耕地变化规律及机制的同时为区域土地的可持续利用和生态环境保护提供科学依据。

建设用地; 耕地; 驱动力; 定量比较分析; 乌鲁木齐市

基于我国城市化进程不断加快和耕地红线的严格控制双重背景下，城市建设用地不断扩张已成为城市土地利用/覆盖变化(LUCC)的显著特征。乌鲁木齐市作为新疆政治、经济、文化中心，随着人口的增长、建设用地需求量的增加，建设用地占用耕地的现象较为严重，建设用地和耕地间的矛盾也日益突出。因此，协调好城市经济、人口、资源三者之间的关系，是乌鲁木齐市实现土地可持续利用的途径。

LUCC及其驱动机制研究是当前全球环境变化研究的前言和热点课题[1]。城市则是LUCC研究的重要区域，建设用地和耕地变化是LUCC研究的主要内容。国内外学者在建设用地和耕地的变化领域中已做了大量工作，已有研究中多单独就耕地或建设用地的变化及驱动力进行研究[2-3]，且研究区域多集中在经济实力较强的大都市或沿海发达地区[4-6]，对西部绿洲城市的建设用地和耕地研究很少。国内学者在土地利用变化驱动力研究方面，考虑到自然驱动因子的累积效应，多直接从人文角度直接研究土地利用变化驱动力[7-9]，将自然驱动力与人文驱动力相结合的研究很少。本文选择典型的绿洲城市乌鲁木齐市为研究区，基于该市近16 a的土地资源及同时期的自然和人文数据，结合实地调研，使用SPSS19.0定量比较分析乌鲁木齐市建设用地和耕地的数量变化特征，并探讨了建设用地和耕地变化的自然和人文驱动力、分析了两者驱动方向和驱动力大小的异同性，从而为区域土地的可持续利用和生态环境的保护提供科学指导，为政府制定土地利用管控策略提供依据。

1 研究区概况

乌鲁木齐市深处欧亚大陆腹地，位于天山山脉中段北麓，准格尔盆地南缘，东、南、西三面环山；地势起伏悬殊，总体由南向北倾斜，海拔680～920 m。地理位置为86°37′33″—88°58′24″E，42°45′32″—44°08′00″N，属中温带干旱半干旱大陆性气候，是我国西北干旱区特大绿洲城市，生态环境脆弱,年均气温6.8℃，年均降水量232.4 mm，年平均风速2.4 m/s[10]。截至2012年末，全市常住人口达335万人，GDP总量为2 060亿元。本市辖7区1县，土地总面积11 400 km2，建成区面积173.26 km2；土地利用类型以耕地、牧草地、林地和居民点为主，土地经营方式以集约经营与粗放经营并存[11]。

2 数据来源和研究方法

2.1 数据来源

(1) 土地利用数据：本文将土地面积作为建设用地和耕地数量变化的表征指标，分析乌鲁木齐市建设用地和耕地变化特征和趋势。建设用地和耕地数据来源于新疆维吾尔自治区国土资源信息中心提供的1996—2011年乌鲁木齐市土地利用变更调查数据和乌鲁木齐市国土资源公报[12]。

(2) 驱动力因素数据：乌鲁木齐市年均气温、年均降水量等自然驱动因素数据(1996—2011年)来源于中国气象科学数据共享服务网(http:∥cdc.cma.gov.cn/home.do)；乌鲁木齐市人口和社会经济数据来源于《乌鲁木齐市统计年鉴》(1997—2012年)。

2.2 研究方法

2.2.1 土地动态变化的研究

(1) 土地利用类型变化的速度是区域土地利用变化研究的重要方面, 土地利用动态度可定量描述研究区一定时间范围内某种土地利用变化的速度，它对比较土地利用变化的区域差异和预测未来土地利用变化趋势都有重要作用。其表达式为[13]：

(2) 弹性分析法指一定时期内相互联系的两个因素各自增长率间的比值，能衡量一个变量的增长幅度对另一个变量增长幅度的依存关系。弹性的大小用弹性系数E表示。建设用地相对于耕地的弹性系数的表达式为[14]：

式中：ΔX——一定时期内耕地变化量；X——基期耕地数量；ΔY——一定时期内建设用地变化量；Y——基期建设用地数量。E>0表示建设用地和耕地同方向变动；E<0则表示两者反向变动。∣E∣>1，两者间富有弹性；0<∣E∣<1，两者缺乏弹性。

2.2.2 土地变化驱动力的研究 采用乌鲁木齐市土地利用数据和驱动因子数据，借助SPSS19.0软件基于因子相关分析、主成分分析和回归模型等数理分析方法对建设用地和耕地变化的驱动因素及其驱动力大小进行定量分析和比较。通过相关分析，分析驱动因子与建设用地、耕地变化以及驱动因子之间的相关性，确定因子驱动方向、驱动强弱的差异性；通过主成分分析，减弱自变量之间的相互干扰，突出主要因素。以通过主成分分析提出的主成分分量作为自变量，分别以耕地面积和建设用地面积为因变量进行回归分析，得到耕地面积和建设用地面积变化主要驱动因子的多元线性回归模型，并得出相同驱动因素的影响作用力大小的异同性。回归模型为[15]：

y=β0+β1x1+…+βkxk

式中：β0——回归常数；β1，…，βk——回归系数；y——因变量；x1，…，xk——影响因子自变量。

3 结果与分析

3.1 建设用地和耕地数量变化

2011年乌鲁木齐市建设总面积达113 808.04hm2，占乌市总面积的8.26%，建设用地中城镇村及工矿用地占建设用地总面积的50.82%，水域及水利设施用地占建设用地总面积的36.68%，交通运输用地比例最小，占建设用地总面积的12.50%，因此扩大乌鲁木齐市交通运输用地，提高交通运输能力势在必行。耕地总面积79 337.94hm2，占乌市总面积的5.76%。图1为乌鲁木齐市1996—2011年的建设用地和耕地面积柱状图和占土地总面积的比例。其中，文中的建设用地和耕地是根据2001年国土资源部制定的《全国土地分类(试行)》中的《土地利用现状调查技术规程》，并结合当地土地资源的实际情况将乌鲁木齐市土地利用类型分为3个一级类，即农用地、建设用地、未利用地；10个二级类，即耕地、园地、林地、牧草地、其他农用地、居民点与工矿用地、交通用地、水利设施用地、未利用地、其他用地。

图1 乌鲁木齐市各年建设用地和耕地面积和比例

1996—2011年乌鲁木齐市建设用地和耕地变化可分为三个阶段进行对比分析：(1) 1996—2007年，耕地呈不同程度的负增长，即耕地面积逐年减少且占全年土地总面积的比例逐年减少；建设用地呈不同程度正增长，即建设用地面积逐年增加且占总面积的比例平缓增加。(2) 2007—2008年，耕地面积略有增加，但幅度较小，究其原因是自治区国土资源局开展的复垦项目，从昌吉补充了部分耕地；2008—2009年建设用地和耕地面积均出现大幅增加，原因为乌鲁木齐市行政区划进行了部分调整。在此期间，建设用地面积占总面积的比例较2007年增长了3.96%，耕地所占比例也增加了0.76%。(3) 2009年起，乌鲁木齐市建设用地面积继续呈增加趋势，耕地面积呈减少趋势；建设用地面积所占比例继续增加，耕地面积所占比例减少，但大于2007年增长前的比例。

3.2 建设用地和耕地变化速率的差异

图2为乌鲁木齐市1996—2011年建设用地和耕地面积的年变化率(即T=1时的K值)，可以看出16a中，建设用地的年变化率均大于0，即建设用地呈不同速率的增长态势，在2009年增长速率达到最大，K值为121.948%。耕地面积的年变化率在2008年和2009年出现正值，即耕地面积出现不同速率的增加；其余13a中耕地面积则呈不同速率减少。在1999，2000，2002，2003年耕地面积的年变化率的绝对值大于建设用地面积的年变化率，其余年份建设用地面积的年变化率的绝对值大于耕地面积的年变化率。

图2 乌鲁木齐市建设用地和耕地年变化率

图3为1996—2011年建设用地相对于耕地的弹性系数。由图3可得出，仅在2008年和2009年E>0，其余13a间E<0，说明耕地的减少和建设用地的增加存在密切的关系。2008年和2009年，由于国家的耕地保护政策和行政区划调整，耕地和建设用地均呈现出不同速度的增长，因此E>0；E<0的年份为乌鲁木齐市建设用地面积逐年增加，耕地面积逐年减少的年份。∣E∣>1的年份中，E<-1的年份有9a，说明乌鲁木齐市在该时段内建设用地增加速度大于耕地面积减少的速度，其中2007年弹性系数达到-10.05，富有弹性；E>1的年份为2008年和2009年，说明建设用地面积的增长速度大于耕地面积的增长速度。1999，2000，2002，2003年0<∣E∣<1，说明这4a中建设用地面积增加速度小于耕地面积减少的速度，其中2002年的∣E∣最小，即该年的建设用地增长速度远小于耕地面积减少速度；

图3 乌鲁木齐市建设用地相对于耕地的弹性系数

3.3建设用地和耕地变化驱动因子的选取

土地利用变化驱动力是指导致土地利用方式和使其发生变化的主要生物物理因素和社会经济因素[16]，自然驱动力子系统可分为地形、气候、水文等次级子系统，比较稳定；社会驱动力子系统包括人口、技术、城镇化水平、产业结构调整等次级子系统，相对活跃。土地利用变化短时间受制度、技术、经济等人文社会因素，长时间受自然生物因素制约[17]；各驱动因子对系统贡献率是一个有机整体，驱动因子遴选应注重整体性、层次性、动态性、差异性[18]。

本文从资料的可获取性和科学性出发，结合乌鲁木齐市土地利用的实际情况，通过相关分析剔除了与建设用地和耕地Person相关系数较小的因子。最终从19个社会指标中选取了9个人文社会驱动因子X1为户籍总人口(万人)、X2为非农业人口(万人)、X3为户籍城市化率(二、三产业产值/GDP)、X4为GDP(万元)、X5为工业增加值(万元)、X6为经济非农化率(%)、X7为农业机械总动力(千瓦)、X8为粮食单产(kg/hm2)、X9为农民人均纯收入(元)和从9个自然指标(平均气温、全年降水量、日照时数、极大风速、平均风速、日降水量、降水距平百分率、平均水气压、平均相对湿度)中选取了与耕地变化相关系数最大的1个自然驱动指标：X10为极大风速(m/s) 。

3.4 驱动力定量分析

利用SPSS19.0对10个驱动指标与同时期建设用地和耕地面积进行相关分析，考虑到2009年政策驱动使得建设用地和耕地面积的大幅度增长，直接对1996—2011年土地利用数据和社会经济、自然要素数据进行相关分析不合理，因此分别从1996—2008年，2009—2011年两个时段进行相关分析。得到10个自变量(X1—X10)和2个应变量(建设用地：Y1，耕地：Y2)的相关系数(表1)。

表1 建设用地和耕地面积与各驱动指标的相关系数

1996—2008年间，建设用地面积变化与工业增加值、GDP、农民人均纯收入、户籍总人口、非农业人口、粮食单产、农业机械总动力、户籍城市化率8个驱动因子相关程度较强，其中与户籍城市化率呈负相关，与其余7个驱动因子均呈正相关。对耕地而言，仅与户籍城市化率和农业机械总动力2个驱动因子呈正相关，与其余8个代表人口增长，经济发展和极大风速等驱动因子呈负相关关系，且影响程度从强到弱依次为：非农业人口>农民人均纯收入>户籍总人口>GDP>工业增加值>极大风速>经济非农化率>粮食单产。其中，与代表农业科技水平的农业机械总动力和粮食单产2个驱动因子相关性较小。

2008—2009年，乌鲁木齐市建设用地和耕地的变化主要受该市的政策驱动力主导。2009—2011年间，通过建设用地和耕地面积变化与各因子相关系数比较分析可以得出：10个驱动因子中，建设用地和代表着社会经济发展水平、产业结构调整、人口增长、科学技术进步的9个社会驱动因子呈正相关，且影响程度依次减弱的顺序为农民人均纯收入>工业增加值>农业机械总动力>GDP>非农业人口>户籍总人口>经济非农化率>户籍城市化率>粮食单产，极大风速和建设用地面积变化不相干，不予讨论。对于耕地面积的变化，选取的10个驱动因子均与其呈负相关，且影响程度由强到弱依次为：非农业人口>GDP>工业增加值>农民人均纯收入>户籍总人口>经济非农化率>农业机械总动力>极大风速>粮食单产>户籍城市化率。

通过比较，乌鲁木齐行政区划调整之前，建设用地主要受经济发展、人口增长、科学技术进步等因素的驱动；耕地则主要受非农业人口、农村经济的发展和自然环境因素驱动，促使1996—2008年间乌鲁木齐市耕地面积的减少和土地利用方式的转变；行政区划调整之后，建设用地面积的变化还受产业结构调整的影响；耕地面积的变化则还受农业科技水平、产业结构调整因素驱动。

由以上相关分析可知，自然驱动力仅对耕地面积的变化有一定影响，对建设用地的变化影响不大；1996以来，随着乌昌经济一体化的实现，两地在产业上存在互补关系，户籍城市化率呈缓慢下降的趋势，同时期的耕地面积也逐年减少，属于数据上的巧合，不参与下面的讨论。为去除因子间的自相关，就1996—2011年8个社会人文驱动因子(除户籍城市化率)数据作为分析样本，应用SPSS19.0软件对样本进行主成分分析，得到驱动因子相关矩阵(相关分析中已做过分阶段的充分比较分析，在此不再赘述)、驱动因子特征根及主成分贡献率(表2)、驱动因子的主成分载荷矩阵(表3)。

由表2可知，前两个主成分特征值大于1，分别为6.408和1.025。与之对应第一、第二主成分贡献率分别为80.097%和12.818%，两者累积贡献率达到92.915%，说明第一主成分和第二主成分对8个社会经济驱动因子的解释能力已达到92.915%，能基本代表全部社会驱动因子对乌鲁木齐市建设用地和耕地变化驱动力，符合主成分分析的要求。

表2 主成分特征值及贡献率

各因子的主成分载荷矩阵表明各驱动因子在相应主成分中的相对重要性。从表3可以看出：第一主成分中农民人均纯收入、GDP、工业增加值、户籍总人口、非农业人口、粮食单产、农业机械总动力与主成分1有很大的正相关性，而这些因子主要是人口、经济、农业科技水平类因子，说明乌鲁木齐市建设用地或耕地面积变化的首要社会经济类驱动力为人口增长、经济发展因子；第二主成分与经济非农化率和农业人均纯收入有一定的正相关性， 与粮食单产和农业机械总动力有一定的负相关性，且驱动力较大的为经济非农化率，相关系数达到0.983；表明乌鲁木齐市产业结构调整对建设用地或耕地强度变化有一定的驱动作用。

表3 主成分载荷矩阵

经过对8个社会经济类变量进行主成分分析，提取的第一主分量(经济驱动力、人口驱动力)和第二主分量(产业结构调整驱动力和农业技术水平驱动力)间不存在共线性，利用SPSS因子分析模块中未旋转因子得分值，经过一定的转换和运算，得到主成分得分，以各主成分得分矩阵为自变量，以标准化后的建设用地、耕地面积作为因变量，建立主成分关于应变量的分阶段回归模型[19-20]，并得到各阶段主成分的标准回归系数(表4)。

表4 主成分回归模型和标准回归系数

由表4中拟合方程的修正相关系数R2可知，建设用地模型线性拟合结果比耕地模型拟合结果较为理想，表中的标准回归系数表明：1996—2011年，建设用地与第一主成分呈正比，与第二主成分均呈反比；对于耕地，1996—2008年耕地面积的变化与两个主成分均成反比，2009—2011年与代表经济发展、人口增长的因素呈正比，与代表农业技术水平的第二主成分呈反比。标准回归系数绝对值的大小表示土地面积对驱动要素的敏感性，就建设用地而言，社会经济因素的敏感性最大，其次为经济非农化率或农业科技水平。对于耕地，1996—2008年经济非农化率的敏感性较大，社会经济因素次之；2008—2011年，社会经济因素敏感较大，农业科技水平次之。

4 结论和讨论

本文运用数理统计法对乌鲁木齐市近16 a建设用地和耕地的数量变化特征进行了分析，并对其驱动力大小、方向及差异性进行了探讨。得到以下结论：

(1) 数量上，1996—2011年乌鲁木齐市建设用地经历了平缓上升→迅速增长→减速增长的变化历程，耕地则呈现为平缓减少→迅速增加→逐渐较少的走向。速率上，建设用地年变化率多大于耕地面积年变化率；不考虑政策驱动，乌鲁木齐市耕地的减少和建设用地的增加存在密切联系。

(2) 驱动因素的同一性：通过一系列的数理统计和对比分析，将建设用地和耕地变化的驱动力概括为经济驱动力、人口驱动力、产业结构调整驱动力、农业技术水平驱动力、政策措施驱动力。而被学者经常提到的城市化率因子对研究时段内乌鲁木齐市土地利用的变化解释力并不强。

(3) 驱动因素的差异性：从驱动方向上，经济因子、人口因子对建设用地变化呈正向驱动，对耕地变化则呈负向驱动，且敏感性较大；产业结构对耕地面积变化的驱动为负，敏感性较小。自然驱动力对耕地面积的变化呈负向驱动，对建设用地无影响。从驱动力大小上，所选因子对建设用地变化影响程度强弱依次是：经济因子>人口因子>技术因子>产业结构因子；对耕地变化影响程度强弱则为：人口因子>经济因子>技术因子>产业结构因子。

绿洲城市土地利用变化的驱动力具有复杂性和特殊性，对乌鲁木齐市建设用地和耕地数量变化及驱动力进行定量比较分析仍为初探，后期还需在两者的内在联系上做工作；对于绿洲城市LUCC的研究还有待于基于更全面的LUCC理论体系从不同空间尺度做进一步的研究。

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ComparisonAnalysisonDrivingForcesofConstructionLandandCultivatedLandUseChangeinUrumqiCityduring1996to2011

KONG Jing-jing1, WEI Jian-xin1,2

(1.CollegeofResourcesandEnvironmentScience,XinjiangUniversity,Urumqi830046,China;2.GeographyPostdoctoralStation,XinjiangUniversity,Urumqi830046,China)

Based on the nature and economy and land use data during 1996 to 2011 in Urumqi, the method of mathematical statistics and software of statistical analysis were used to make an in-depth discussion and comparison research for the change features and driving mechanism of cultivated land and construction land. The results indicated that: (1) the change of construction land experienced such phases as steady growth ,rapidly increase then slow growth, the change of cultivated land experienced such phases as slow to reduce, dramatic increase then gradually reduce; (2) economic development, population growth, agricultural technological progress and industrial structure adjustment are four types of driving forces on the change of construction land and cultivated land, however policies and measures play a direct guiding role; (3) driving factors, driving direction and driving strength between construction land and cultivated land display difference, and the sequences in strength of each socio-economic driving force on construction land or cultivated land show remarkable distinction. In addition, the driving factors on the same land use type are different in different periods. This research can reveal rule and reasons for change of construction land and arable land, and then provide a scientific basis for the sustainable use of land and protection of ecological environment.

construction land; cultivated land; driving forces; quantitative comparison analysis; Urumqi City

2013-10-13

：2013-11-07

国家科技支撑计划项目“国土空间优化配置关键技术研究与示范”(2012BAB11B00)

孔静静(1989—),女,新疆阿克苏人,硕士研究生,主要从事国土资源信息技术方面的研究。E-mail:kongjingjing1989@126.com

魏建新(1966—),男,新疆乌鲁木齐市人,教授级高工,硕士生导师,博士后,从事土地利用调查与数据库建设、土地利用规划、动态监测、国土资源信息化建设等研究工作。E-mail:wjxlr@126.com

X24；K901.2

：A

：1005-3409(2014)04-0101-06