福州市主城区土地利用变化及其驱动力研究*

吴 磊 吴青杰 吴宛怡 许清梅 应欣彤 陈燕红

(福州大学至诚学院环境资源工程系，福州 350002)

近年来，由于城市化进程持续推进，城市人口密度也在逐年增大，自然生态环境和城市经济发展之间的矛盾与日俱增。2021年，我国城镇人口数量高达9.14亿，常住人口城镇化率约为64.72%[1]，城市建设用地面积随着发展需求而不断扩张，导致林地、农田等用地被不断压缩，并出现分布不均的情况。而林地、农田等用地具有涵养水源、降低环境温度等功能，其在协调社会经济发展和环境保护的过程中起到重要作用[2]。因此，如何进行土地有效利用成为近年来的研究热点，但目前对土地利用类型变化及变化驱动力的研究主要集中于生态环境脆弱区[3]。因此，通过研究福州市土地利用变化及其驱动力可以弥补对我国东南沿海地区土地利用变化及其驱动力研究较少的不足。

近年来，由于城镇化发展，福州市主城区开始实行战略定位调整，不断扩大建设用地规模，导致城市下垫面的用地类型布局发生变化。本研究运用灰色关联度法和地理信息统计学等方法，根据福州市1993—2008年、2008—2020年和1993—2020年这三个时间段的遥感影像叠加结果，对福州市主城区下垫面用地类型变化情况进行研究，以期为相关部门的资源开发和土地分配以及优化城市绿色空间的布局和制定合理的土地利用规划提供决策依据。

1 研究区域概况与数据来源

1.1 研究区域概况

福州市简称“榕”，位于我国东南沿海，总面积为11968km2，2020年常住人口829.13万人。主城区包括鼓楼区、台江区、晋安区、仓山区，总面积约为257.80km2，用地类型主要有水体、林/草地、农田、建设用地、湿地和裸地六类，其区位分布如图1所示。福州市周围群山环绕，地形以丘陵为主，背山面海，具有夏季高温多雨，冬季寒冷湿润的特点，是典型的亚热带季风气候，适宜种植榕树、茉莉花等植物。作为滨江滨海生态园林城市，近年来福州市新建了298处城市公园，森林覆盖率高达66.8%。良好的气候使福州主城区中多种多样的常青植物及花草灌木得以生长，为美化环境和绿化城市提供了良好条件。

图1 福州市主城区区位图

1.2 数据来源

本研究选取的1993年、2008年的Landsat TM影像数据和2020年Landsat OLI影像数据均来自地理空间数据云(http://www.gscloud.cn/search)，具体信息见表1。社会经济数据则主要来源于《福州统计年鉴2021》及历年福州市国民经济和社会发展统计公报。

表1 遥感影像数据

2 研究方法

2.1 遥感影像分类

由于传感器自身存在一定的误差，且大气对辐射的吸收和散射作用等影响，使地面接收到的辐射发生畸变。因此，在遥感影像分类之前本研究对数据进行了预处理，包括图像配准、几何校正、大气校正、投影变换和影像裁剪等。基于《土地利用现状分类》，通过最大似然法，将研究区土地利用类型划分为水体、林/草地、农田、建设用地、湿地和裸地六小类，如图2所示。

图2 福州市主城区土地利用类型分布

2.2 单一土地利用变化动态度

单一土地利用变化动态度是指通过K值的大小体现某一时间段内某一土地类型面积变化趋势，并能够同时体现在某一时间段内土地利用情况的变化速度[4]，K值越大，土地利用情况的变化速度越快。其计算公式为：

(1)

式(1)中，K为单一土地利用变化动态度，Ua为某利用类型研究初期面积，Ub为某利用类型研究末期面积，T为研究周期。

2.3 综合土地利用变化动态度

综合土地利用变化动态度能够通过LC值的大小来表示某一土地利用类型在研究期间变化速率的整体差异。其计算公式为：

(2)

式(2)中，LC为综合土地利用变化动态度，LWi为第i类土地利用类型在研究初期的面积，ΔLWi-j为第i类土地利用类型在研究期内转为非i类其他土地类型的面积绝对值，T为研究周期。

2.4 土地利用转移矩阵

土地利用转移矩阵是对时间和空间数据结合并分析后所得出的结论进行定量描述。借助ArcGis软件的叠加分析功能对土地利用数据进行两两对比转化分析，可得到1993—2008年、2008—2020年和1993—2020年的土地利用/覆盖转移矩阵，这是从结构与变化两种角度对转移矩阵进行分析，可以更好地表征土地利用的结构特性与用地功能类型变化[5]。其表达式为：

(3)

2.5 灰色关联度

灰色关联度的计算方法如下[6]：

①确定母序列和子序列。分别把福州主城区1993—2020 年水体、林/草地、农田、建设用地的面积作为母序列，把社会经济因子作为子序列。

母序列：

X0(t)=(X0(1),X0(2),…,X0(n))

(4)

子序列：

Xi(t)=(Xi(1),Xi(2),…,Xi(n))i=1,2,…，m

(5)

②用均值法对原始数据进行无量纲化处理。

(6)

式(6)中，i=0,1,…,m；k=1,2,…,n。

③计算关联系数r0i(k)。

(7)

式(7)中，Δmin 为子序列各个时刻绝对差值中的最小值，Δmax为子序列各个时刻绝对差值中的最大值，ρ为分辨系数，通常ρ取=0.5，Δ0i(k)为k时刻母序列和各子序列的绝对差值。

(8)

④计算关联度ri，ri越接近1，说明相关性越大。

(9)

3 结果与分析

3.1 土地利用现状

通过分析2020年福州市主城区土地利用类型分布数据发现，绝大部分用地类型都是建设用地，并且广泛分布于整个主城区，其余土地利用类型面积在空间上的整体分布差异性显著，见表2。建设用地约占主城区总面积的75.68%，大多数分布于交通便利和地势较为平坦的区域。农田和林/草地分别占6.02%和8.25%，呈点状零散分布于城门镇和五凤街道等地区，破碎度较大。水体约占9.30%，主要以闽江途经的流域为主。湿地占比0.69%，主要分布于城门镇。裸土仅占0.06%，主要是未完成建设用地。

通过对1993—2020年的土地利用数据进行分析可知，建设用地增长迅速，在研究期间共增长95.71km2，同时也是唯一呈增长趋势的土地类型，其他的土地类型均呈不同程度的减少趋势，按减少面积依次排序为农田、水体、林/草地、湿地、裸土，分别减少了74.95km2、12.33km2、5.30km2、2.01km2、1.11km2。可见，城市化发展必然引起建设用地的需求快速增长，从而导致其余各土地利用类型面积大量减少。在研究期间，福州市主城区土地利用结构从多元化利用类型转变成以建设用地为主的较单一的土地利用类型。

3.2 土地利用动态变化

通过对福州市主城区1993—2008年、2008—2020年和1993—2020年不同用地类型的动态变化进行分析，可以发现福州市土地利用类型的动态度差异明显，见表3。1993—2008年，建设用地增速最快，其动态变化度为2.65，共计增加65.58km2，其余类型动态度排序为裸土(-0.71)、林/草地(-0.75)、湿地(-2.20)、水体(-2.82)、农田(-8.63)；2008—2020年，建设用地增速依旧最快，其动态变化度为1.29，共计增加30.13km2，其余类型动态度依次排序为水体(-0.54)、林/草地(-1.02)、湿地(-5.00)、农田(-12.85)、裸土(-49.91)；从1993—2020年整体上看，建设用地增速最快，共计增加95.71km2，农田减少面积最多，共计减少74.95km2。

表3 福州市主城区1993—2020年土地利用变化面积及动态度

综上所述，在所有的土地利用类型中唯有建设用地的面积呈现出增长的趋势，结合研究区城市化的大背景下可推出其产生原因是人口的快速增长而导致的城市用地欲求量大，最终导致其余土地利用类型面积的减少。

3.3 土地利用转型分析

利用ArcGIS两两叠加福州主城区1993年、2008年和2020年的遥感影像，可得到福州市主城区1993—2008年、2008—2020年和1993—2020年三个研究时段的土地利用转移矩阵，详见表4～表6。分析数据可知，①1993—2008年，仅建设用地呈现增长趋势，其他土地类型面积均减少。从利用面积减少方向分析，农田面积减少最多，减少了51.03km2，其主要转化为建设用地，转化面积分别为53.87km2；水体减少10.79km2，主要转化为建设用地﹐转化面积为9.88km2。从土地类型增加方向分析，建设用地面积增加明显。建设用地的面积增加了65.58km2，主要来自于农田的转化，高达51.03km2。②2008—2020年和1993—2008年的土地利用类型变化趋势基本相同，仅有建设用地呈现出增长趋势，但其增长趋势有所下降，其他土地类型面积均减少。从利用面积减少方向分析，农田和水体面积减少较明显，其中农田面积减少速度最快且面积最多，减少23.91km2，其主要转化为建设用地，转化面积分别为28.98km2；水体减少2.61km2，主要转化为建设用地,转化面积为5.77km2。建设用地净增加面积达35.13km2，主要来自农田。③1993—2020年，主城区的建设用地呈现出快速上升的趋势。从利用面积减少方向分析，农田面积减少是最多的，导致其在2020年仅剩下15.51km2，有72.35km2转化为建设用地；水体面积减少较多，共减少12.33km2，主要也是转化为建设用地。从利用面积增加方向分析，建设用地依旧保持着增长的趋势，主要源自于农田的转化面积。

表4 福州市主城区1993—2008年土地利用转移矩阵 单位：km2

表5 福州市主城区2008—2020年土地利用转移矩阵 单位：km2

表6 福州市主城区1993—2020年土地利用转移矩阵 单位：km2

综上所述，由于福州市主城区是人口高度聚集的地区且处于社会经济快速发展的时期，人口数量急剧增加，住宿和生活设施需求巨大，因此三个时期的土地利用类型变化都明显地表现出建设用地面积大幅上涨。其面积转化主要来自于农田，导致农田的面积持续大幅度缩水。

4 驱动力分析

为评估社会发展与土地利用变化的关系，本研究结合灰色关联度法从社会经济发展、人口变化、政策变化等方面分析福州主城区土地利用变化的驱动力因子。

4.1 经济因素

据统计，1978—2020年福州市生产总值和人均生产总值均在逐年递增[7]。其中，2005—2010年的生产总值和人均生产总值增长速度最快，生产总值从1426.56亿元增加到3242.65亿元，人均生产总值从21517元上升到46373元。在产业结构上，第一产业的占比逐渐减小，第二产业的发展潜力较小，而第三产业的发展潜力相对较大，越来越受到人们的关注。在2000—2020年，第一产业的占比从15.42%下降到5.60%，第二产业比例变化相对较小，第三产业比例则从41.34%上升到56.07%。可见，第三产业所占比重愈来愈高。在各种土地利用类型中，受经济因素影响最为显著的是建设用地及耕地[8]。通过对建设用地集约利用水平与经济发展水平间的动态模拟，同样发现二者具有紧密的关系[9]。这说明，经济发展或倒退会使得土地利用类型在数量上发生一定的变化，还会使土地利用类型在结构上发生一定的变化[10]。

4.2 人口因素

实现可持续发展战略的前提是人口与资源环境协调发展。福州市2020年常住人口为832.13万人，城镇化率为72.5%。人口的增长引起能源和资源等需求量的改变，这种情况是各类能源及资源需求增加的原因之一，从而改变土地利用类型、土地利用结构及土地利用程度。同时，人口增长会促进城镇化、商业化和市场化，带动经济的增长与房地产业的快速发展。

4.3 政策因素

自改革开放以来，我国计划经济体制转向市场经济体制的实践逐步实行，土地也进入市场调配的机制。因此，国家制定的相关政策引起耕地由收益低的土地利用类型向收益高的土地利用类型转换。另外，围绕可持续发展战略，我国通过相关保护性法律法规保证耕地不过度转换。自实行可持续发展和生态文明建设以来，福州市耕地保护的实施力度也随之加大。2021年，为进一步落实最严格的耕地保护工作，坚决维护耕地保护红线和粮食安全底线，福州市结合自身实际，制定共同责任制。

4.4 灰色关联度分析

结合福州主城区土地变化特征、统计年鉴及经济年鉴，选取8 个指标作为分析因子，分别为：地区生产总值、第一产业生产总值、第二产生产总值、第三产业生产总值、常住人口数、城镇单位年末从业人员数、社会消费品零售总额、一般公共预算总收入。分别将1993年、2008年和2020年水体面积作为母序列，将8个社会经济因子作为子序列，对数据进行无量纲化处理后，分别计算母序列和子序列对应因子之间的关联度，再采取同样的方法计算林/草地、农田、建设用地与社会经济数据之间的关联度，详见表7。

表7 各土地利用类型与驱动因子的关联度

1993—2020年，水体与驱动因子的关联度从大到小排序依次为第一产业生产总值、城镇单位年末从业人员数、常住人口数、第二产业生产总值、一般公共预算总收入、社会消费品零售总额、地区生产总值、第三产业生产总值。其中，第一产业生产总值和城镇单位年末从业人员数的关联度分别为0.763和0.724，第三产业生产总值的关联度为0.501。由此可见，第一产业生产总值和城镇单位年末从业人员数是影响农用地面积最为显著的因子，而第三产业生产总值对其影响较小。

与林/草地面积变化关联度最高的三个因子分别为城镇单位年末从业人员数、第一产业生产总值、常住人口数。关联度最小的因子为第三产业生产总值，关联度为0.472。因此，城镇单位年末从业人员数、第一产业生产总值、常住人口数是影响林/草地面积变化最明显的因子。

与农田面积大小变化关联度最高的因子为第一产业生产总值，关联度为0.685，其对农田面积变化影响最大。城镇单位年末从业人员数、常住人口数、第一产业生产总值的关联度均大于0.6；而第三产业生产总值的关联度为0.504，其对农田面积变化影响较小。

与建设用地面积变化关联度最高的三个因子为城镇单位年末从业人员数、第一产业生产总值、常住人口数，关联度均大于0.7；最低的因子为第三产业生产总值，关联度为0.450。可见，随着人口和经济的增长，居住用地和公共设施的需求逐渐增加，从而使建设用地的面积不断增加。

5 结论

①1993—2020年福州主城区建设用地面积增长迅速，除建设用地外的其余土地利用类型均有所下降，其中农田下降幅度最大。1993—2008年建设用地面积增长65.58km2，动态度为2.65，农田面积减少51.03km2，动态度为-8.63。2008—2020年建设用地面积增长23.91km2，动态度为1.29，农田面积减少30.13km2，动态度为-12.85。

②通过分析，确定经济、人口、政策为驱动土地利用变化的主要因子。由灰色关联度分析法可得，与福州主城区水体面积变化关联度最高的三个因子为第一产业生产总值、城镇单位年末从业人员数和常住人口数。与林/草地面积变化关联度最高的三个因子为城镇单位年末从业人员数、第一产业生产总值、常住人口数。与农田面积变化关联度最高的因子为第一产业生产总值，随后是城镇单位年末从业人员数、常住人口数。与建设用地面积变化关联度最高的因子为城镇单位年末从业人员数，随后是第一产业生产总值和常住人口数。由此可得，常住人口数、城镇单位年末从业人员数和第一产业生产总值是影响福州主城区土地利用变化的主要驱动因子。

综上所述，福州主城区的快速城市化发展，造成建设用地向外扩张，农田、水体等面积受到侵蚀。建议福州主城区在快速发展的同时，注重生态文明建设理念，科学进行城市规划，切实保护农田、林地与草地，防止生态破坏，避免城市环境问题加剧。