段寶玲，卜玉山

(1.山西農業(yè)大學 林學院，山西 太谷 030801； 2.山西農業(yè)大學 資源環(huán)境學院，山西 太谷 030801)

作為人類生存與發(fā)展物質基礎的土地，在社會經濟發(fā)展中起著及其重要的作用。土地利用變化是人類活動最直觀的體現(xiàn)，作為全球生態(tài)系統(tǒng)的決定性因素之一，是當今國際地圈生物圈計劃、全球變化人文計劃的熱點，也是全球變化的重要驅動力[1,2]。其轉換帶來地表植被、土壤、水文等環(huán)境的變化，影響全球生態(tài)系統(tǒng)的結構與功能[3]，因此其研究為當前全球變化的重要組成部分[4]。隨著我國經濟社會的快速發(fā)展，土地利用結構也發(fā)生著劇烈變化。大量學者就土地利用時空演變[5,6]、變化驅動機制[7,8]、變化生態(tài)效應[9,10]、優(yōu)化與模擬[11,12]等方面進行了較為深入的研究。

山西省是我國中部重要省份，以資源型經濟占主導，多年來山西省經濟發(fā)展主要依靠煤炭等資源型產業(yè)帶動。對山西省土地利用變化規(guī)律及驅動因素的揭示有助于指導土地利用規(guī)劃與產業(yè)結構調整，為經濟社會可持續(xù)發(fā)展服務。目前山西省土地利用研究涉及了晉西北[13]、縣域[14～16]等中小尺度，省域尺度研究還相對缺乏。本研究利用山西省1995、2005、2015年3期土地利用數據，揭示20年來土地利用時空變化特征，同時分析自然與社會經濟因素變化特征，揭示土地利用驅動因素，為山西省土地利用管理提供借鑒。

1 研究區(qū)概況

山西省位于太行山以西，黃河以東，為黃土廣泛覆蓋的山地高原。其地勢東北高西南低，地貌多樣，分布了高原、山地、丘陵、盆地等。其氣候屬溫帶大陸性季風氣候，四季分明、雨熱同步。山西南部和東南部植被是夏綠闊葉林或針葉闊葉混交林，中部是以針葉林及落葉灌叢為主，北部和西北部以溫帶灌草叢和半干旱草原為主。

2 研究方法

2.1 數據來源

1995、2005、2015年土地利用數據來自中國科學院資源環(huán)境科學數據中心(http://www.resdc.cn/)，空間分辨率為1 km×1 km；氣溫以及降水數據來自中國氣象數據網(http://data.cma.cn/)，共18個氣象站點，利用ArcGIS進行克里金插值，再利用分區(qū)統(tǒng)計功能獲得各地區(qū)氣象與降水數據平均值。收集山西省1995、2005、2015年統(tǒng)計年鑒，獲得人口數量、第一、二、三產業(yè)國內生產總值、固定資產投資等社會經濟數據。

2.2 土地利用變化計算

為揭示不同時期土地利用類型間的轉移情況及變化方向，利用ArcGIS疊加分析功能計算1995-2005、2005-2015年不同時期土地利用轉移矩陣[2]。

一定時期內某種土地利用類型的變化速度和幅度用單一土地利用動態(tài)度表示[17]，該指標既能反映土地利用變化的方向，也能反映土地利用變化的大小。公式如下：

K=[(Ub-Ua)/Ua]×T-1×100%

(1)

式中：K為研究期間某土地利用類型動態(tài)度；Ua、Ub為研究初期、末期某土地利用類型面積；T為時長。

一定時期內所有土地利用類型的綜合變化速度用綜合土地利用動態(tài)度表示[17]，公式如下：

(2)

式中：Ks為研究期間綜合土地利用動態(tài)度；Uai、Ubi為研究初期、末期第i種土地利用類型的面積；n為土地利用類型數，T為時長。

為反映土地利用程度高低及土地利用綜合水平，采用土地利用程度對其定量表達，公式如下[7]：

(3)

式中：L為土地利用程度綜合指數；Ai為i級土地利用程度的分級指數；Ci為i級土地利用程度用地類型面積百分比；n是分級數目。

本研究中各用地類型分級指數如下：未利用地為1，林地、草地、水域為2，耕地為3，建設用地為4。

2.3 數據分析

利用SPSS20軟件，選擇氣溫、降水量、總人口、農業(yè)人口與非農業(yè)人口數量、第一、二、三產業(yè)產值、固定資產投資作為驅動因素，采用逐步回歸分析剔除共線性較強的因素，揭示土地利用的主導驅動因素。

3 結果與分析

3.1 山西省土地利用時空分布總體特征

由圖1可知，山西省主要土地利用類型為耕地、草地和林地，占總用地的96%左右。從時間變化來看，1995-2015年，耕地先增加后略有降低，林地與建設用地呈增加趨勢，草地則表現(xiàn)為降低趨勢。1995-2005年土地利用變化幅度較大，耕地與林地的增加幅度為2.5%與4.5%，草地降低幅度為7.3%。而2005-2015年變化幅度很小，林地的增加幅度為0.1%，耕地與草地降低幅度分別為0.4%與0.1%。

圖1 山西省1995-2015年不同土地利用類型面積百分比Fig.1 The area ratio of different types of land use in Shanxi from 1995 to 2015

由圖2可知，山西省土地利用具有顯著空間性。耕地的分布格局與省內6大盆地的空間形態(tài)十分相似，從北向南依次為大同、忻定、太原、長治、臨汾及運城盆地。1995-2015年長治盆地內耕地出現(xiàn)了明顯擴張，而其他盆地內耕地變化不大。林地主要分布于省內呂梁山、太行山、太岳山、中條山、王屋山等主要山系。1995-2015年太岳山、中條山與王屋山林地擴張明顯，而其它山系林地變化不大。山西省內集中連片的大面積草地較少，草地主要與林地及耕地形成空間鑲嵌格局。2005-2015年山西省東南部的草地明顯被耕地與林地取代。建設用地在各地級城市集中，2005-2015年擴張明顯。

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

3.2 土地利用變化方向

由表1可知，1995-2005年間耕地主要轉換為草地、林地、建設用地；林地主要轉換為草地、耕地；草地主要轉換為耕地、林地，并且轉換量較大。建設用地主要轉換為耕地，其主要為工礦用地的復墾轉換。這一時期土地利用表現(xiàn)為：林草地開墾與退耕還林(草)并存、耕地被開發(fā)為建設用地與工礦土地復墾并存的特點。

由表2可知，2005-2015年土地利用轉換量很小，主要體現(xiàn)在耕地轉換為建設用地，其次是草地轉換為建設用地。10年間，除建設用地較大幅度增加外，其它用地類型變化較小。

3.3 土地利用變化速度

由表3可知，基于1995-2005年土地利用動態(tài)度，用地變化表現(xiàn)為未利用地>草地>林地>建設用地>水域>耕地，其原因是由未利用地與草地開發(fā)利用導致其面積縮小，造林與城市建設帶來相應土地類型擴張[18,19]；2005-2015年土地利用動態(tài)度表現(xiàn)為建設用地最高，未利用地與耕地次之，其他土地類型動態(tài)度很小。綜合來看，2005-2015年間土地利用動態(tài)度遠遠小于1995-2005年期間，說明土地利用表現(xiàn)為先劇烈變化又趨于穩(wěn)定的態(tài)勢。

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

注：表中數據為占全省面積的百分比。

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

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

注：表中數據為占全省面積的百分比。

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

表3不同時期山西省土地利用動態(tài)度

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

動態(tài)度類型Typeofdynamicdegree土地利用類型Typeoflanduse1995-20052005-2015單一土地利用動態(tài)度耕地0.70-0.11林地1.900.05草地-2.00-0.04水域-1.000.08建設用地1.791.41未利用土地-3.53-0.13綜合土地利用動態(tài)度0.750.05

由表4可知，從1995-2005年綜合土地利用動態(tài)度來看，長治、臨汾、晉城居于前3位，原因是這3個地區(qū)林地、草地、耕地與未利用地的變化遠遠超過其他地區(qū)(單一動態(tài)度很高)。除臨汾外，各地區(qū)建設用地均表現(xiàn)為增加的趨勢，陽泉、長治與太原單一動態(tài)度居于前3位。

表4 山西省1995-2005年各地區(qū)土地利用動態(tài)度Table 4 The dynamic degree of land use in different regions in Shanxi from 1995 to 2005

表5可知，2005-2015年綜合土地利用動態(tài)度表現(xiàn)為朔州和大同最高，原因是兩個地區(qū)耕地、林地與建設用地變化較大(單一動態(tài)度較高)。不同土地利用類型單一動態(tài)度表現(xiàn)為建設用地最高，其他土地利用類型動態(tài)度相對較小。說明2005-2015年土地利用變化主要表現(xiàn)為建設用地增加，其他用地趨于穩(wěn)定。

表5 山西省2005-2015年各地區(qū)土地利用動態(tài)度Table 5 The dynamic degree of land use in different regions in Shanxi from 2005 to 2015

3.4 土地利用程度變化

由表6可知，總的來看，1995-2015年山西省各個時期土地利用程度呈現(xiàn)增加的趨勢。三個時期土地利用程度均為運城、朔州最高，陽泉最低。分析各地區(qū)土地利用類型比例后發(fā)現(xiàn)，運城耕地比例居于全省首位，建設用地居于第一位(2005與2015年)與第二位(1995年)，而土地利用程度低的林地及草地所占比例較低。朔州耕地比例僅次于運城，遠遠超過其他地區(qū)，林地比例在全省最低，草地比例也不高。陽泉由于具有最低的耕地比例，最高的草地比例，盡管建設用地比例不低，其土地利用程度仍然處于最低水平。

表6山西省各地區(qū)不同時期土地利用程度

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

地區(qū)Regions1995年Yearof19952005年Yearof20052015年Yearof2015長治237.0251.4251.8大同241.5244.5244.2晉城235.9243.6243.8晉中233.6235.5235.8臨汾238.8243.0243.3呂梁238.7237.6238.4朔州255.0255.7255.7太原240.9243.8244.2忻州236.5236.2236.9陽泉226.4228.3229.0運城264.4271.6272.0全省240.9244.4244.8

3.5 土地利用驅動力分析

土地利用變化的驅動力可以分為自然與人為因素，20年來，山西省經歷了氣候變化與經濟社會快速發(fā)展，帶來土地利用的快速變化。氣候因素選擇降水量與氣溫、社會經濟因素選擇人口數量與GDP，揭示土地利用變化的驅動力。

由圖3可知，除晉中、陽泉外，其他地區(qū)氣溫均表現(xiàn)為上升的趨勢，這與相關研究結果相同[20]。由圖4可知，降水的時間變化在不同地區(qū)并不一致，大同、呂梁、朔州、太原與忻州表現(xiàn)為先降低后增加的趨勢；晉城、臨汾與長治則為先增加再降低的趨勢；晉中與運城則為持續(xù)降低趨勢。降水量總的趨勢是降低的。因此山西省氣候變化表現(xiàn)為暖干化[21]，這在一定程度上影響農業(yè)生產與林業(yè)建設，帶來農業(yè)灌溉成本增加，林地退化等負面影響。

圖3 山西省各地區(qū)溫度變化情況Fig.3 The changes of temperature in different regions in Shanxi

圖4 山西省各地區(qū)降水量變化情況Fig.4 The changes of precipitation in different regions in Shanxi

由圖5可知，2015年山西省人口最多的地區(qū)為運城、臨汾與太原地區(qū)，人口超過400萬；陽泉與朔州地區(qū)則為人口最少的地區(qū)，為200萬以下。研究期間(1995-2015年)各地區(qū)總人口與非農業(yè)人口均呈增加趨勢，而農業(yè)人口呈降低趨勢。以太原市為例，1995-2015年總人口增加52.7%，非農業(yè)人口增加98.9%，農業(yè)人口降低32.3%。土地資源的壓力隨人口增加而增加，而非農業(yè)人口的劇烈增加勢必造成建設用地的巨大壓力，是其增加的巨大驅動力。

由圖6可知，第一產業(yè)產值呈現(xiàn)增加的趨勢，而且2005-2015年期間增加程度要大于1995-2005年。運城、晉中、臨汾具有較高的第一產業(yè)產值，陽泉地區(qū)第一產業(yè)產值遠遠低于其他地區(qū)。運城地區(qū)1995-2015年第一產業(yè)產值增加了490.7%，陽泉地區(qū)也增加了149.4%。

圖5 山西省各地區(qū)人口變化情況Fig.5 The changes of population in different regions in Shanxi

圖6 山西省各地區(qū)第一產業(yè)產值變化情況Fig.6 The changes of output of the first industry in different regions in Shanxi

圖7 山西省各地區(qū)第二產業(yè)產值變化情況Fig.7 The changes of output of the first industry in different regions in Shanxi

由圖7可知，2015年，太原地區(qū)第二產業(yè)產值最高，其次是長治、晉城與臨汾，三者較為接近。陽泉地區(qū)第二產業(yè)產值最低。從1995-2015年增速來看，朔州最高，增幅達到94%，太原增速最低，也達到86.9%。

由圖8可知，省城太原的第三產業(yè)遠遠超過其他地區(qū)，而其他地區(qū)之間差異不大。20年來第三產業(yè)發(fā)展迅速，增加率均在93%以上。

圖8 山西省各地區(qū)第三產業(yè)產值變化情況Fig.8 The changes of output of the third industry in different regions in Shanxi

圖9 山西省各地區(qū)固定資產投資變化情況Fig.9 The changes of fixed assets investment in different regions in Shanxi

由圖9可知，太原地區(qū)固定資產投資最高，其次為運城、臨汾、長治與晉中，四者較為接近。資產投資增速最大的地區(qū)是朔州，達到67 421%，增速最小的地區(qū)是陽泉，也達到6 152%。20年來投資量的增加將促進土地利用的快速變化。

為揭示影響土地利用的主導因素，對土地利用面積與驅動因素進行逐步回歸分析(表7)。自變量對因變量的解釋程度用決定系數表達，驅動因素決定系數均大于70%，其對土地利用具有較強的解釋能力。1995年，耕地主要受農業(yè)人口、氣溫與第一產業(yè)產值控制，農業(yè)人口與第一產業(yè)產值為正效應，氣溫為負效應。林地與草地主要受農業(yè)人口影響。水域主要受總人口、氣溫、固定資產投資與農業(yè)人口影響，總人口為正效應，氣溫、固定資產投資與農業(yè)人口為負效應。說明人口在水域利用與保護方面具有雙重作用，氣溫增加會帶來水域面積縮小，固定資產投資的開發(fā)活動同樣引起水域面積減小。建設用地主要受總人口、固定資產投資與農業(yè)人口的影響，總人口數量與固定資產投資量增加會驅動建設用地增加，農業(yè)人口的作用相反，這從側面說明非農業(yè)人口對建設用地擴展的促進作用。2005年，耕地與林地的主要驅動因素與1995年相同。水域主要受第一產業(yè)產值影響，這說明農業(yè)生產活動對水域存在主要影響。建設用地主要受第二產業(yè)產值影響，說明該階段主要是經濟開發(fā)活動促進建設用地擴張。2015年，耕地與林地主要受農業(yè)人口影響，水域主要受第一產業(yè)產值影響，這與前兩個時期相似。建設用地主要受總人口影響，說明人口因素在建設用地擴張方面的主導作用。1995-2015年國家與地方的相關政策也是土地利用變化的重要驅動力，如退耕還林工程、小流域綜合治理、招商引資政策等等。

表7 土地利用與驅動因素的逐步回歸分析Table 7 The gradual regression analysis of land use and driving factors

注：Cropland、Forestland、Grassland、Water、Consland分別表示耕地、林地、草地、水域與建設用地，N、T、GDP1、Totalp、Invest分別表示農業(yè)人口、氣溫、第一產業(yè)產值、總人口、固定資產投資，表中回歸系數為標準化回歸系數

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 結論

耕地、草地和林地為山西省主要土地利用類型。20年來耕地先增加后略有降低，林地與建設用地呈增加趨勢，草地則表現(xiàn)為降低趨勢。耕地主要分布于省內6大盆地；林地主要集中在境內山系周邊；草地主要與林地及耕地形成空間鑲嵌格局；建設用地則位于各城市中。

1995-2005年，土地利用變化表現(xiàn)為林草地開墾與退耕還林(草)并存、耕地被開發(fā)為建設用地與工礦土地復墾并存的特點。2005-2015年土地利用轉換量很小，主要體現(xiàn)在耕地轉換為建設用地，其次是草地轉換為建設用地。2005-2015年土地利用動態(tài)度遠遠小于1995-2005年期間，說明土地利用表現(xiàn)為先劇烈變化又趨于穩(wěn)定的態(tài)勢。1995-2005年長治、臨汾、晉城綜合土地利用動態(tài)度居于前3位，原因是這3個地區(qū)林地、草地、耕地與未利用地的變化遠遠超過其他地區(qū)。2005-2015年朔州和大同綜合土地利用動態(tài)度最高，原因是兩個地區(qū)耕地、林地與建設用地變化較大。1995-2015年山西省各個時期土地利用程度呈現(xiàn)增加的趨勢，土地利用程度表現(xiàn)為運城與朔州最高，這主要是由于土地利用程度高的耕地與建設用地占比高，土地利用程度低的林草地占比低造成的。

土地利用變化的主要驅動力為氣候、人口、經濟因素。20年來，山西省經歷了氣候暖干化，人口尤其是非農業(yè)人口的快速增長，經濟飛速發(fā)展。自然、社會、經濟三因素協(xié)同推動了土地利用的變化。耕地主要受到農業(yè)人口、氣溫等因素的影響；林地、草地受農業(yè)人口影響；水域受氣溫、人口經濟因素影響；建設用地受到人口因素影響，其次為經濟因素，國家與地方的政策也發(fā)揮著重要作用。

[1]李秀彬.全球環(huán)境變化研究的核心領域—土地利用/土地覆被變化的國際研究動向[J].地理學報,1996(6):553-558.

[2]韓會然,楊成鳳,宋金平.北京市土地利用變化特征及驅動機制[J].經濟地理,2015,35(5):148-154.

[3]Fang X,Tang G,Li B,et al.Spatial and Temporal Variations of Ecosystem Service Values in Relation to Land Use Pattern in the Loess Plateau of China at Town Scale[J].Plos One,2014,9(10):e110745.

[4]陳百明,劉新衛(wèi),楊紅.LUCC研究的最新進展評述[J].地理科學進展,2003,22(1):22-29.

[5]Quan B,Chen J F,Qiu H L,et al.Spatial-Temporal Pattern and Driving Forces of Land Use Changes in Xiamen[J].PEDOSPHERE(土壤圈(英文版)),2006,16(4):477-488.

[6]Pijanowski B C,Robinson K D.Rates and patterns of land use change in the Upper Great Lakes States,USA:A framework for spatial temporal analysis[J].Landscape and Urban Planning,2011,102(2):102-116.

[7]常春艷,趙庚星,王凌,等.黃河口生態(tài)脆弱區(qū)土地利用時空變化及驅動因素分析[J].農業(yè)工程學報,2012,28(24):226-234.

[8]徐冬冬,倪金星,黃震方,等.江蘇省土地利用變化特征與驅動機制研究[J].南京師大學報(自然科學版),2016,39(3):110-117.

[9]Qi Y,Chen T,Pu J,et al.Response of soil physical, chemical and microbial biomass properties to land use changes in fixed desertified land[J].Catena,2018(160):339-344.

[10]Wang X,Zhou M,Li T,et al.Land use change effects on ecosystem carbon budget in the Sichuan Basin of Southwest China:Conversion of cropland to forest ecosystem[J].Science of the Total Environment,2017(609):556-562.

[11]袁滿,劉耀林.基于多智能體遺傳算法的土地利用優(yōu)化配置[J].農業(yè)工程學報,2014,30(1):191-199.

[12]馮永玖,劉艷,韓震.不同樣本方案下遺傳元胞自動機的土地利用模擬及景觀評價[J].應用生態(tài)學報,2011,22(4):957-963.

[13]李秀芬,劉利民,齊鑫,等.晉西北生態(tài)脆弱區(qū)土地利用動態(tài)變化及驅動力[J].應用生態(tài)學報,2014,25(10):2959-2967.

[14]劉勇,蘇超,徐小明.太原市高新開發(fā)區(qū)土地利用優(yōu)化配置研究[J].中國土地科學,2013(10):16-23.

[15]劉建,李月臣,曾喧,等.縣域土地利用變化的碳排放效應—以山西省洪洞縣為例[J].水土保持通報,2015,35(1):262-266.

[16]劉曉清,畢如田,高艷.基于GIS的半山丘陵區(qū)農村居民點空間布局及優(yōu)化分析—以山西省襄垣縣為例[J].經濟地理,2011,31(5):822-826.

[17]王秀蘭,包玉海.土地利用動態(tài)變化研究方法探討[J].地理科學進展,1999,18(1):81-87.

[18]Feng X,Fu B,Lu N,et al.How ecological restoration alters ecosystem services:an analysis of carbon sequestration in China's Loess Plateau[J].Scientific Reports,2013(3):2846.

[19]劉琦,任志遠,李晶.區(qū)域土地利用變化圖譜分析及其生態(tài)效應評價—以太原市城區(qū)及近郊區(qū)為例[J].中國農業(yè)科學,2007,40(10):2259-2266.

[20]張麗花,延軍平,陳利民.近52a山西氣溫變化特征[J].干旱區(qū)研究,2014,31(6):1068-1072.

[21]李芬,張建新,張榮.1958-2013年山西降水時空分布[J].中國沙漠,2015,35(5):1301-1311.