山西省土地利用动态特征及驱动因素分析

段宝玲，卜玉山

(1.山西农业大学 林学院，山西 太谷 030801； 2.山西农业大学 资源环境学院，山西 太谷 030801)

作为人类生存与发展物质基础的土地，在社会经济发展中起着及其重要的作用。土地利用变化是人类活动最直观的体现，作为全球生态系统的决定性因素之一，是当今国际地圈生物圈计划、全球变化人文计划的热点，也是全球变化的重要驱动力[1,2]。其转换带来地表植被、土壤、水文等环境的变化，影响全球生态系统的结构与功能[3]，因此其研究为当前全球变化的重要组成部分[4]。随着我国经济社会的快速发展，土地利用结构也发生着剧烈变化。大量学者就土地利用时空演变[5,6]、变化驱动机制[7,8]、变化生态效应[9,10]、优化与模拟[11,12]等方面进行了较为深入的研究。

山西省是我国中部重要省份，以资源型经济占主导，多年来山西省经济发展主要依靠煤炭等资源型产业带动。对山西省土地利用变化规律及驱动因素的揭示有助于指导土地利用规划与产业结构调整，为经济社会可持续发展服务。目前山西省土地利用研究涉及了晋西北[13]、县域[14～16]等中小尺度，省域尺度研究还相对缺乏。本研究利用山西省1995、2005、2015年3期土地利用数据，揭示20年来土地利用时空变化特征，同时分析自然与社会经济因素变化特征，揭示土地利用驱动因素，为山西省土地利用管理提供借鉴。

1 研究区概况

山西省位于太行山以西，黄河以东，为黄土广泛覆盖的山地高原。其地势东北高西南低，地貌多样，分布了高原、山地、丘陵、盆地等。其气候属温带大陆性季风气候，四季分明、雨热同步。山西南部和东南部植被是夏绿阔叶林或针叶阔叶混交林，中部是以针叶林及落叶灌丛为主，北部和西北部以温带灌草丛和半干旱草原为主。

2 研究方法

2.1 数据来源

1995、2005、2015年土地利用数据来自中国科学院资源环境科学数据中心(http://www.resdc.cn/)，空间分辨率为1 km×1 km；气温以及降水数据来自中国气象数据网(http://data.cma.cn/)，共18个气象站点，利用ArcGIS进行克里金插值，再利用分区统计功能获得各地区气象与降水数据平均值。收集山西省1995、2005、2015年统计年鉴，获得人口数量、第一、二、三产业国内生产总值、固定资产投资等社会经济数据。

2.2 土地利用变化计算

为揭示不同时期土地利用类型间的转移情况及变化方向，利用ArcGIS叠加分析功能计算1995-2005、2005-2015年不同时期土地利用转移矩阵[2]。

一定时期内某种土地利用类型的变化速度和幅度用单一土地利用动态度表示[17]，该指标既能反映土地利用变化的方向，也能反映土地利用变化的大小。公式如下：

K=[(Ub-Ua)/Ua]×T-1×100%

(1)

式中：K为研究期间某土地利用类型动态度；Ua、Ub为研究初期、末期某土地利用类型面积；T为时长。

一定时期内所有土地利用类型的综合变化速度用综合土地利用动态度表示[17]，公式如下：

(2)

式中：Ks为研究期间综合土地利用动态度；Uai、Ubi为研究初期、末期第i种土地利用类型的面积；n为土地利用类型数，T为时长。

为反映土地利用程度高低及土地利用综合水平，采用土地利用程度对其定量表达，公式如下[7]：

(3)

式中：L为土地利用程度综合指数；Ai为i级土地利用程度的分级指数；Ci为i级土地利用程度用地类型面积百分比；n是分级数目。

本研究中各用地类型分级指数如下：未利用地为1，林地、草地、水域为2，耕地为3，建设用地为4。

2.3 数据分析

利用SPSS20软件，选择气温、降水量、总人口、农业人口与非农业人口数量、第一、二、三产业产值、固定资产投资作为驱动因素，采用逐步回归分析剔除共线性较强的因素，揭示土地利用的主导驱动因素。

3 结果与分析

3.1 山西省土地利用时空分布总体特征

由图1可知，山西省主要土地利用类型为耕地、草地和林地，占总用地的96%左右。从时间变化来看，1995-2015年，耕地先增加后略有降低，林地与建设用地呈增加趋势，草地则表现为降低趋势。1995-2005年土地利用变化幅度较大，耕地与林地的增加幅度为2.5%与4.5%，草地降低幅度为7.3%。而2005-2015年变化幅度很小，林地的增加幅度为0.1%，耕地与草地降低幅度分别为0.4%与0.1%。

图1 山西省1995-2015年不同土地利用类型面积百分比Fig.1 The area ratio of different types of land use in Shanxi from 1995 to 2015

由图2可知，山西省土地利用具有显著空间性。耕地的分布格局与省内6大盆地的空间形态十分相似，从北向南依次为大同、忻定、太原、长治、临汾及运城盆地。1995-2015年长治盆地内耕地出现了明显扩张，而其他盆地内耕地变化不大。林地主要分布于省内吕梁山、太行山、太岳山、中条山、王屋山等主要山系。1995-2015年太岳山、中条山与王屋山林地扩张明显，而其它山系林地变化不大。山西省内集中连片的大面积草地较少，草地主要与林地及耕地形成空间镶嵌格局。2005-2015年山西省东南部的草地明显被耕地与林地取代。建设用地在各地级城市集中，2005-2015年扩张明显。

图2 山西省1995、2005、2015年土地利用图Fig.2 The map of land use in 1995, 2005 and 2015 in Shanxi

3.2 土地利用变化方向

由表1可知，1995-2005年间耕地主要转换为草地、林地、建设用地；林地主要转换为草地、耕地；草地主要转换为耕地、林地，并且转换量较大。建设用地主要转换为耕地，其主要为工矿用地的复垦转换。这一时期土地利用表现为：林草地开垦与退耕还林(草)并存、耕地被开发为建设用地与工矿土地复垦并存的特点。

由表2可知，2005-2015年土地利用转换量很小，主要体现在耕地转换为建设用地，其次是草地转换为建设用地。10年间，除建设用地较大幅度增加外，其它用地类型变化较小。

3.3 土地利用变化速度

由表3可知，基于1995-2005年土地利用动态度，用地变化表现为未利用地>草地>林地>建设用地>水域>耕地，其原因是由未利用地与草地开发利用导致其面积缩小，造林与城市建设带来相应土地类型扩张[18,19]；2005-2015年土地利用动态度表现为建设用地最高，未利用地与耕地次之，其他土地类型动态度很小。综合来看，2005-2015年间土地利用动态度远远小于1995-2005年期间，说明土地利用表现为先剧烈变化又趋于稳定的态势。

表1 山西省1995-2005年土地利用转移矩阵/%Table 1 The transition matrix of land use in Shanxi Province from 1995 to 2005

注：表中数据为占全省面积的百分比。

Note: The data in the table is the percentage of the whole province area.

表2 山西省2005-2015年土地利用转移矩阵/%Table 2 The transition matrix of land use in Shanxi Province from 2005 to 2015

注：表中数据为占全省面积的百分比。

Note: The data in the table is the percentage of the whole province area.

表3不同时期山西省土地利用动态度

Table3 The dynamic degree of land use in different times in Shanxi

动态度类型Typeofdynamicdegree土地利用类型Typeoflanduse1995-20052005-2015单一土地利用动态度耕地0.70-0.11林地1.900.05草地-2.00-0.04水域-1.000.08建设用地1.791.41未利用土地-3.53-0.13综合土地利用动态度0.750.05

由表4可知，从1995-2005年综合土地利用动态度来看，长治、临汾、晋城居于前3位，原因是这3个地区林地、草地、耕地与未利用地的变化远远超过其他地区(单一动态度很高)。除临汾外，各地区建设用地均表现为增加的趋势，阳泉、长治与太原单一动态度居于前3位。

表4 山西省1995-2005年各地区土地利用动态度Table 4 The dynamic degree of land use in different regions in Shanxi from 1995 to 2005

表5可知，2005-2015年综合土地利用动态度表现为朔州和大同最高，原因是两个地区耕地、林地与建设用地变化较大(单一动态度较高)。不同土地利用类型单一动态度表现为建设用地最高，其他土地利用类型动态度相对较小。说明2005-2015年土地利用变化主要表现为建设用地增加，其他用地趋于稳定。

表5 山西省2005-2015年各地区土地利用动态度Table 5 The dynamic degree of land use in different regions in Shanxi from 2005 to 2015

3.4 土地利用程度变化

由表6可知，总的来看，1995-2015年山西省各个时期土地利用程度呈现增加的趋势。三个时期土地利用程度均为运城、朔州最高，阳泉最低。分析各地区土地利用类型比例后发现，运城耕地比例居于全省首位，建设用地居于第一位(2005与2015年)与第二位(1995年)，而土地利用程度低的林地及草地所占比例较低。朔州耕地比例仅次于运城，远远超过其他地区，林地比例在全省最低，草地比例也不高。阳泉由于具有最低的耕地比例，最高的草地比例，尽管建设用地比例不低，其土地利用程度仍然处于最低水平。

表6山西省各地区不同时期土地利用程度

Table6 The land use degree of different regions in 1995, 2005 and 2015 in Shanxi

地区Regions1995年Yearof19952005年Yearof20052015年Yearof2015长治237.0251.4251.8大同241.5244.5244.2晋城235.9243.6243.8晋中233.6235.5235.8临汾238.8243.0243.3吕梁238.7237.6238.4朔州255.0255.7255.7太原240.9243.8244.2忻州236.5236.2236.9阳泉226.4228.3229.0运城264.4271.6272.0全省240.9244.4244.8

3.5 土地利用驱动力分析

土地利用变化的驱动力可以分为自然与人为因素，20年来，山西省经历了气候变化与经济社会快速发展，带来土地利用的快速变化。气候因素选择降水量与气温、社会经济因素选择人口数量与GDP，揭示土地利用变化的驱动力。

由图3可知，除晋中、阳泉外，其他地区气温均表现为上升的趋势，这与相关研究结果相同[20]。由图4可知，降水的时间变化在不同地区并不一致，大同、吕梁、朔州、太原与忻州表现为先降低后增加的趋势；晋城、临汾与长治则为先增加再降低的趋势；晋中与运城则为持续降低趋势。降水量总的趋势是降低的。因此山西省气候变化表现为暖干化[21]，这在一定程度上影响农业生产与林业建设，带来农业灌溉成本增加，林地退化等负面影响。

图3 山西省各地区温度变化情况Fig.3 The changes of temperature in different regions in Shanxi

图4 山西省各地区降水量变化情况Fig.4 The changes of precipitation in different regions in Shanxi

由图5可知，2015年山西省人口最多的地区为运城、临汾与太原地区，人口超过400万；阳泉与朔州地区则为人口最少的地区，为200万以下。研究期间(1995-2015年)各地区总人口与非农业人口均呈增加趋势，而农业人口呈降低趋势。以太原市为例，1995-2015年总人口增加52.7%，非农业人口增加98.9%，农业人口降低32.3%。土地资源的压力随人口增加而增加，而非农业人口的剧烈增加势必造成建设用地的巨大压力，是其增加的巨大驱动力。

由图6可知，第一产业产值呈现增加的趋势，而且2005-2015年期间增加程度要大于1995-2005年。运城、晋中、临汾具有较高的第一产业产值，阳泉地区第一产业产值远远低于其他地区。运城地区1995-2015年第一产业产值增加了490.7%，阳泉地区也增加了149.4%。

图5 山西省各地区人口变化情况Fig.5 The changes of population in different regions in Shanxi

图6 山西省各地区第一产业产值变化情况Fig.6 The changes of output of the first industry in different regions in Shanxi

图7 山西省各地区第二产业产值变化情况Fig.7 The changes of output of the first industry in different regions in Shanxi

由图7可知，2015年，太原地区第二产业产值最高，其次是长治、晋城与临汾，三者较为接近。阳泉地区第二产业产值最低。从1995-2015年增速来看，朔州最高，增幅达到94%，太原增速最低，也达到86.9%。

由图8可知，省城太原的第三产业远远超过其他地区，而其他地区之间差异不大。20年来第三产业发展迅速，增加率均在93%以上。

图8 山西省各地区第三产业产值变化情况Fig.8 The changes of output of the third industry in different regions in Shanxi

图9 山西省各地区固定资产投资变化情况Fig.9 The changes of fixed assets investment in different regions in Shanxi

由图9可知，太原地区固定资产投资最高，其次为运城、临汾、长治与晋中，四者较为接近。资产投资增速最大的地区是朔州，达到67 421%，增速最小的地区是阳泉，也达到6 152%。20年来投资量的增加将促进土地利用的快速变化。

为揭示影响土地利用的主导因素，对土地利用面积与驱动因素进行逐步回归分析(表7)。自变量对因变量的解释程度用决定系数表达，驱动因素决定系数均大于70%，其对土地利用具有较强的解释能力。1995年，耕地主要受农业人口、气温与第一产业产值控制，农业人口与第一产业产值为正效应，气温为负效应。林地与草地主要受农业人口影响。水域主要受总人口、气温、固定资产投资与农业人口影响，总人口为正效应，气温、固定资产投资与农业人口为负效应。说明人口在水域利用与保护方面具有双重作用，气温增加会带来水域面积缩小，固定资产投资的开发活动同样引起水域面积减小。建设用地主要受总人口、固定资产投资与农业人口的影响，总人口数量与固定资产投资量增加会驱动建设用地增加，农业人口的作用相反，这从侧面说明非农业人口对建设用地扩展的促进作用。2005年，耕地与林地的主要驱动因素与1995年相同。水域主要受第一产业产值影响，这说明农业生产活动对水域存在主要影响。建设用地主要受第二产业产值影响，说明该阶段主要是经济开发活动促进建设用地扩张。2015年，耕地与林地主要受农业人口影响，水域主要受第一产业产值影响，这与前两个时期相似。建设用地主要受总人口影响，说明人口因素在建设用地扩张方面的主导作用。1995-2015年国家与地方的相关政策也是土地利用变化的重要驱动力，如退耕还林工程、小流域综合治理、招商引资政策等等。

表7 土地利用与驱动因素的逐步回归分析Table 7 The gradual regression analysis of land use and driving factors

注：Cropland、Forestland、Grassland、Water、Consland分别表示耕地、林地、草地、水域与建设用地，N、T、GDP1、Totalp、Invest分别表示农业人口、气温、第一产业产值、总人口、固定资产投资，表中回归系数为标准化回归系数

Note: Cropland, Forestland, Grassland, Water, Consland respectively represent the cultivated land, forest land, Grass land, Water area and construction land, and N, T, GDP1, Totalp, Invest respectively represent the agricultural population, the temperature, the output value of the first industry, the total population, investment in fixed assets, regression coefficient for standardized regression coefficients.

4 结论

耕地、草地和林地为山西省主要土地利用类型。20年来耕地先增加后略有降低，林地与建设用地呈增加趋势，草地则表现为降低趋势。耕地主要分布于省内6大盆地；林地主要集中在境内山系周边；草地主要与林地及耕地形成空间镶嵌格局；建设用地则位于各城市中。

1995-2005年，土地利用变化表现为林草地开垦与退耕还林(草)并存、耕地被开发为建设用地与工矿土地复垦并存的特点。2005-2015年土地利用转换量很小，主要体现在耕地转换为建设用地，其次是草地转换为建设用地。2005-2015年土地利用动态度远远小于1995-2005年期间，说明土地利用表现为先剧烈变化又趋于稳定的态势。1995-2005年长治、临汾、晋城综合土地利用动态度居于前3位，原因是这3个地区林地、草地、耕地与未利用地的变化远远超过其他地区。2005-2015年朔州和大同综合土地利用动态度最高，原因是两个地区耕地、林地与建设用地变化较大。1995-2015年山西省各个时期土地利用程度呈现增加的趋势，土地利用程度表现为运城与朔州最高，这主要是由于土地利用程度高的耕地与建设用地占比高，土地利用程度低的林草地占比低造成的。

土地利用变化的主要驱动力为气候、人口、经济因素。20年来，山西省经历了气候暖干化，人口尤其是非农业人口的快速增长，经济飞速发展。自然、社会、经济三因素协同推动了土地利用的变化。耕地主要受到农业人口、气温等因素的影响；林地、草地受农业人口影响；水域受气温、人口经济因素影响；建设用地受到人口因素影响，其次为经济因素，国家与地方的政策也发挥着重要作用。

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