湄潭县土地利用结构变化及其驱动因素研究

(贵州师范大学，贵州贵阳550000)

土地资源具有自然属性和社会属性双重属性，是一切生命赖以生存和发展的物质基础和空间载体，也是人类活动的基本资料和劳动对象，人类的各种生活、生产活动最终都会体现在土地利用结构的变化上。因此，可通过研究某一地区在一定时间段内的土地利用状况及其结构功能变化来间接反映该地区在相应时期内的自然资源条件和社会经济发展状况[1]。目前在土地利用驱动因素研究方面，国内外众多学者已经进行了大量的研究工作，国外主要从驱动因素分类[2]、人类活动影响[3-5]等不同角度对不同区域的土地利用结构变化进行了探讨。中国土地利用结构研究开始于20世纪80年代。葛全胜等发现在近50 a里，中国的土地利用强度明显增加[6]。曲福田指出土地利用结构变化的原因是由自然因素、社会经济发展水平以及土地利用技术水平所共同决定的[7]。董杰等以山东省为研究对象，验证了自然因素、人口变化、经济因素和政策调控等是影响土地利用结构变化的主导因素[8]。蔡运龙指出土地利用变化驱动因子包括人口、经济发展状况和技术三方面[9]。研究方法上，中国学者更多的是运用灰色关联分析法、主成分分析法、逐步回归分析法、信息熵理论等[10-14]。

湄潭县是黔北东部地区重要的交通枢纽，是全国著名的农村改革试验区。对湄潭县土地利用结构的变化及其驱动因素进行分析研究，可为湄潭县相关部门在制定土地规划和保护政策时提供参考，揭示往期土地利用的缺陷，有效促进湄潭县土地资源的合理利用，并为后续规划与改善提供参考基础。同时预测土地利用变化前景，为湄潭县实现更优的土地资源利用提供理论依据。

1 研究区概况

湄潭县地处遵义东北部，县城距遵义约74 km，全县国土面积1 862.44 km2，辖9镇6乡，120个行政村，坐落于贵州高原的东北部，地处大娄山南麓、乌江北岸，跨东经107°15′36″～107°41′08″，北纬到27°20′18″～28°12′30″。整体地势属于浅切割低山、丘陵，西北较高，东南较低。近几年，受加快城镇化建设、退耕还林还草等宏观政策调控及市场经济调整影响，直接导致全县耕地面积急剧减少，建设用地及林地大幅增加，同时人口大量外流、在财政支出及社会固定资产投资总额不断加大的情况下，人们人均收入得以提升，但全县粮食总产量却出现了减少的趋势，第一、三产业所占比重调整也出现较大波动，从而体现出土地利用存在一定的主观随意性，土地利用结构及效率并未最优化，有待进一步提高。

2 研究方法与数据来源

2.1 研究方法

研究以湄潭县土地利用为研究对象，通过获取2005、2010、2015年3期的土地利用数据及相关的社会经济数据，首先选取土地利用变化的幅度和动态度、信息熵、均衡度、优势度等指标，从时间和空间分布上对湄潭县土地利用结构变化过程和规律进行研究。参考已有的相关研究，分析影响土地利用结构变化的驱动因子，利用灰色关联分析法对二者之间的关联度进行定量分析，以探讨各驱动因子与土地利用结构变化之间的关系。

2.1.1土地利用结构现状分析

以3期土地利用数据为基础，在ArcGIS及EXCEL等软件支撑下，通过数据透视及简单的计算，统计出不同地类在不同时期的面积及所占比例，对比分析土地利用结构现状。

土地利用结构变化幅度是指在一定时间段内，各土地利用类型的面积变化情况。通过计算变化幅度研究区域内土地利用变化的总体趋势。其表达式为：

E=Ub-Ua

(1)

式中E——某一时间段内土地利用变化幅度；Ua——研究初期某一土地利用类型的数量；Ub——研究末期某一土地利用类型的数量。

土地动态度是指某区域土地利用类型变化的速度，常用于了解不同时间段土地利用结构变化的差异及预测未来土地利用结构的发展趋势[13]。土地利用类型动态度表达式为：

(2)

式中K——研究时间段内某一土地利用类型动态度；E——某一时间段内土地利用变化幅度；Ua——研究初期某一土地利用类型的数量；T——研究时段长。

信息熵是描述土地利用有序程度的指标，用于反映区域土地利用的多样性和复杂程度。其表达式为：

(3)

式中s——研究区土地总面积；si——第i类土地总面积。

均衡度与优势度分别用于体现研究区域内每种土地利用类型相互存在的面积差异和不同职能类型的结构布局状况以及区域内土地利用结构受一种或几种土地利用类型支配的程度[14]。其表达式分别为：

(4)

Q=1-J

(5)

式中J——均衡度；Q——优势度。

2.1.2土地利用结构变化驱动力分析

以EXCEL为工具，结合灰色关联度方法进行土地利用结构变化特征与社会经济技术类驱动因素进行关联分析。具体的计算公式步骤如下。

a) 确定参考序列与比较数列，以土地利用变化特征值为参考序列，驱动因素为比较序列。

b) 对参考序列及比较数列进行无量纲化处理，具体公式为：

(6)

式中X′——标准化的数据；Xi——研究数据，为研究数据平均值；S——标准差。

c) 计算关联系数：

(7)

(8)

d) 求算关联度：

(9)

其中，γoi为关联度。

2.2 数据来源

研究过程中所涉及到的GDP、第一、二、三产业比重等社会经济数据来源于湄潭县2006—2016年份的统计年鉴，2005、2010年两期的土地利用数据来源于“贵州省生态环境十年变化遥感调查与评估”项目，为保证数据的获取精度及可用性，2015年土地利用数据在2010年数据的基础上，以30 m分辨率的Landsat8影像为基准，通过目视解译进行小班区划，并从各乡镇土地利用随机抽取各土地类型样点5个，共375个样点进行野外实地调查，有340个样点与土地利用解译的土地类型相符合，因此野外验证精度为90.67%，达到数据使用精度要求。

3 结果与分析

3.1 土地利用结构现状及时空演变分析

根据湄潭县2005、2010年、2015年3期的土地利用现状数据显示(表1)，近10 a湄潭县土地利用总体变动不大，3期数据均显示湄潭县土地利用以林地为主，占全县国土面积的50%以上；而耕地次之，占据全县国土面积的30%左右，10 a间所占比例一直在减小，产生这种现象的原因是多方面的，近些年全省推行的退耕还林还草政策对其有一定的影响；大量年轻劳动力外出打工，耕地大面积荒废，生长成灌草丛，造成耕地面积减少；随着社会经济的不断变化，建设用地面积也在不断的扩展，对耕地面积的缩小也有着一定的影响。

表1 湄潭县土地利用现状统计

3.1.1土地利用变化的幅度和动态度分析

由表2可以看出，湄潭县土地利用变化幅度较大的是耕地及林地，10 a时间内，湄潭县耕地减少面积达91.30 km2，林地增加77.42 km2，草地及水域变化总体较小。但是变化幅度的大小并不决定着动态度的大小，初期地类的面积大小对动态度的计算起了很大作用。从动态度上对湄潭县10 a的土地利用进行分析不难看出，动态度最大的为建设用地，增加了4.27%；其次是水域，增加了3.05%；耕地和林地动态度变化不显著，耕地减少了1.5%，林地增加了0.8%。从每5 a的动态度上进行观察，草地动态度都是最小的，不足0.1%；而耕地一直都以1.0%以上的趋势在减小，且2010—2015年的减少的速率要比2005—2010年快；建设用地一直以较高的速率进行增长，增长速率差别不大。都稳定在3.9%左右；林地增长的速率在2010—2015年期间将近翻了1倍，由原来的0.57%增长到1.0%；水域的变化主要发生在2005—2010年期间，变化度达到7.29%，之后5年内呈现出减少的趋势，但减少速率仅为0.88%。这些数据从侧面反映了湄潭县的经济条件及生态环境在逐年改善，建设用地的不断增多，表明经济实力的不断增强；林地的不断提升及耕地在合理范围内的不断减少，有利于湄潭县生态环境质量的提高。

表2 湄潭县土地利用变化统计

3.1.2土地利用变化的信息熵分析

根据信息熵及均衡度、优势度计算公式计算出全县的信息熵、均衡度、优势度见表3。因能获取的土地利用年数有限，只能选取3期的土地利用进行分析计算，所以不能通过各年份土地利用变化来分析土地利用信息熵的变化波动，但可表现出的湄潭县近十年信息熵及均衡度的总体趋势皆为先上升再下降，且熵值幅度最大达到0.01，而并不是以平稳的状态在变化，这说明湄潭县在2005—2010年期间内土地利用系统处在一定程度上的开发中。自2005—2010年，土地利用结构的熵值及均衡度总体呈现出上升的趋势，表明在这5 a期间内，湄潭县土地利用结构趋向于合理并均衡状态的发展，各地类变化趋于平稳，土地利用结构的均质性增强。而2010—2015年，土地利用结构的熵值及均衡度均呈现出下降的趋势，表明近5 a内，湄潭县土地利用类型变化较大，地类之间的转换更为频繁，土地利用结构的均质性势必有所降低。同时，均衡度值越靠近1，土地利用均衡程度越高，现湄潭县均衡值皆在0.66左右，说明湄潭县土地资源的开发利用及转变还存在较大的改善空间，在往后的利用过程中可更全面地考虑，提高土地的利用效率。

通过对土地利用的转变的幅度及动态度进行分析，也不难解释产生这种现象的原因。2005—2015年期间内变化最为明显的耕地、建设用地、林地这3种地类，其变化主要集中在2010—2015年期间内，导致后5 a时间内土地利用变化显得更为频繁。

表3 湄潭县土地利用变化信息熵和均衡度

3.2 土地利用结构演变驱动因素研究

3.2.1土地利用结构变化的驱动力因素分析

造成土地利用结构变化是多种多样的，主要分为自然因素(地质结构、温度、降水等)和社会因素(人口、经济、政策等)两大类。

地质结构对土地利用变化的影响主要表现在地形，全县主要以山地为主，坡度较大的地方容易引滑坡等地质灾害，使得土地利用类型产生改变。湄潭县属于中亚热带温暖湿润季风气候区，气候变化一般趋于比较稳定所以对其土地利用结构无明显影响。人口是影响土地利用结构变化的主要社会因素，经济基础是人类活动不断扩展的驱动因素，土地利用的变化也与政策有一定的关系。虽然经济因素是间接性影响到土地利用的结构转变，但其影响力也不容小觑，因此全文在探讨时以人为经济因素为主，研究人为影响条件下，土地利用变化因素。

3.2.2土地利用结构变化的驱动力指标选取

伴随着社会经济文明的不断发展，人们的需求不断增多，对自然改造的能力不断的增强，导致由人类活动因素对土地造成的变化远大于自然因素造成的影响。

本文参照已有的相关研究，主要从社会经济技术方面出发，选取总人口(X1/万人)、第一产业比重(X2/%)、第二产业比重(X3/%)、第三产业比重(X4/%)、人均GDP(X5/元)、社会固定资产投资总额(X6/万元)、社会消费品零售总额(X7/万元)、农民人均纯收入(X8/元)、财政支出(X9/万元)、乡村从业人数(X10/万人)、粮食总产量(X11/万t)等11个驱动力指标。各驱动力因素原始数据见表4。

表4 湄潭县土地利用变化驱动力原始数据

3.2.3土地利用结构变化驱动力分析

a) 数据的无量纲化。以选取的湄潭县11个社会经济技术因子为自变量组成比较序列，以土地利用信息熵和优势度作为因变量构成参考序列，对各驱动因素及信息熵、优势度进行无量纲化，见表5。

b) 关联系数与关联度的计算。根据关联系数及关联度计算公式，对各因子进行综合判断分析得到土地利用结构指标与各驱动因素的关联系数、关联度，结果分别见表6—8。

c) 灰色关联结果分析。各社会经济技术因子对土地利用信息熵及优势度的影响各不相同，由表8可以看出，与信息熵关联度最大的驱动力因素是农村从业人数，其次是粮食总产量，关联度最小是第一产业比重。产生这种现象的原因是农村从业人员是直接决定参与改变土地利用结构的规模，农业从业人员多的情况下，相当于劳动力多，对自然改造的程度越大；粮食总产量决定着农业人口的转型，当粮食产量丰足的情况下，更多的农村人口会减少耕地的开垦，经济来源由第一产业逐渐向第二、三产业转型；第三产业为服务业，旅游业之类，这需要在一定程度上改变土地利用的类型以增强美观。与优势度关联度最大的社会经济技术因素为第一产业比重，其次是社会固定资产投资总额，最小的是农村从业人数。因为不管人为干扰强度如何变化，耕地、林地、草地、水域等都属于第一产业发展的基础、第一产业的发展直接影响到各土地类型之间面积大小的差异，特别是西南山区各县中，受地形地貌及交通因素影响，第一产业比重对土地利用优势度表现得更为明显；而对地类改变，促使各地类之间面积差异变化，除自身基准以外，就是受改造资金的制约，此时，固定资产投资、人均GDP、财政支出等就起了很大的协助作用。农业从业人数、粮食产量、第三产业比重等对土地利用虽然有很大影响，但大范围的改动土地类型，使各地类面积差异缩小，达到合理分配的效果，少不了一定的经济支撑。

表5 数据无量纲化处理结果

表6 信息熵与各驱动因子的关联系数

表7 优势度与各驱动因子的关联系数

表8 信息熵、优势度与各驱动因子的关联度

4 结论

社会经济技术的发展在一定程度上对土地利用结构的转化起着很大的决定作用，通过土地利用结构变化的信息熵、优势度与选取的11个社会经济技术指标进行灰色关联度分析，各社会经济技术因素对土地利用结构转化信息熵的影响力最大的3个因素是农村从业人数、粮食总产量、第三产业比重；对优势度影响力最大的3个因素是第一产业比重、社会固定资产投资总额、农村从业人数；因此，在往后的湄潭县土地利用开发及设计中，需要从这几个方面进行综合考虑，保证土地资源在利用过程中不断趋向于合理且均衡的发展，使土地利用结构的均质性不断增强，以对土地资源最小的破坏前提下，获取最大的经济效益。