2008—2017年離石區土地利用變化及驅動因素分析

武鵬 郭偉玲

摘要 以山西省呂梁市離石區作為研究對象，選擇2008—2017年五幅遙感影像圖，使用ENVI、ArcGIS軟件，對影像進行預處理以及監督分類，獲取離石區5年的土地利用分類信息。通過土地利用變化轉移矩陣、線性分析等方法對影響離石區土地利用變化的人文因素和自然因素2個方面進行分析。結果表明，離石區最主要的土地類型為耕地和林地，2008—2017年林地面積減少了46.59 km2，耕地面積減少了53.17 km2，裸地面積增加了14.77 km2，建筑用地面積增加了92.19 km2，河流面積減少了7.21 km2。在這期間，耕地、林地、裸地主要轉化為建筑用地，耕地與林地之間也存在相互轉換關系。從驅動力因素來看，離石區GDP、人口、第一產業產值、第二產業產值、第三產業產值對土地利用變化均有相關關系，離石區的地質地貌也對土地變化有所影響。

關鍵詞 土地利用變化;驅動力因素;土地利用轉移矩陣;離石區

中圖分類號 F 301.2? 文獻標識碼 A

文章編號 0517-6611（2021）16-0086-04

doi：10.3969/j.issn.0517-6611.2021.16.023?? 開放科學（資源服務）標識碼（OSID）：

Analysis of Land Use Change and Driving Factors in Lishi District from 2008 to 2017

WU Peng，GUO Wei-ling （College of Spatial Information and Surveying and Mapping Engineering，Anhui University of Science and Technology，Huainan，Anhui 232000）

Abstract This paper selected Lishi District of Lüliang City，Shanxi Province as the research object， and selected five remote sensing image maps from 2008 to 2017，and ENVI and ArcGIS software were used to preprocess and supervise the images to obtain land use classification information in Lishi District for 5 years.Through land use change transfer matrix， linear analysis and other methods， the two aspects of human factors and natural factors that affected land use changes in Lishi District were analyzed.The result showed that the most important types of land in the off-stone areas were arable land and woodland. During 2008-2017， the area of forest land decreased by 46.59 km2， the area of cultivated land decreased by 53.17 km2， the area of bare land increased by 14.77 km2， the area of construction land increased by 92.19 km2， and the river area decreased by 7.21 km2.During this period， cultivated land， woodland and bare land were mainly converted into construction land， and there was also a mutual conversion relationship between cultivated land and woodland. From the perspective of driving factors， Lishi Districts GDP， population， output value of the primary industry， output value of the secondary industry and output value of the tertiary industry were all related to land use changes， and the geology and landforms of Lishi District also affected land changes.

Key words Land use change;Driving factors;Land use transfer matrix;Lishi District

土地利用變化是全球環境變化與可持續發展研究的重要內容。土地資源是人類社會賴以生存和發展的物質基礎，作為一種重要的基礎性資源，其利用變化不僅影響著社會經濟的發展，同時也對生態環境有著深刻的影響，尤其是生物多樣性和生態系統的服務功能。21世紀以來，隨著全球化的進程不斷加深，在可持續發展戰略的主題下，如何更加合理地利用土地資源，充分發揮土地資源優勢已經成為全球研究的熱點[1]。土地變化可以直觀地呈現自然條件的變化和人類活動的程度，深入了解土地利用變化及驅動力因素不僅為揭示全球生態系統提供依據，更為改善區域環境及合理配置土地資源提供理論支持和實踐指導。因此，要時刻關注土地利用的整體動向，并進行歸納和調整，從而形成一種較為合理的土地利用，并且合理的土地利用也符合新常態下地區發展的基本要求[2]。

近年來，前人在土地利用變化方面進行了大量的研究，越來越多的學者更加側重對于典型縣域的研究[3-8]，如陰柯欣等[3]研究了寧夏涇源縣的土地利用變化情況，是對限制開發區土地利用研究的完善;賀承偉等[4]探究了雄安新區土地利用變化的空間形式和土地利用資源的變化情況，為優化該地區的土地結構提供了科學參考;李超等[5]對渭北黃土高原禮泉縣土地利用覆蓋變化狀況進行分析，對于區域發展的土地資源具有指導作用。盡管土地利用變化的研究取得了許多成果，但是關于經濟轉型發展對土地利用變化影響的研究相對較少。離石區作為產煤大區，近10年來推進轉型發展，積極擺脫對煤產業的依賴，環境尤為改善?？梢灶A見在新的發展狀況下，土地利用變化必然會出現新的特征和發展趨勢，因此，開展離石區土地利用變化的研究具有重要的理論和實踐意義。

1 資料與方法

1.1 研究區概況

離石區地處山西省西部、呂梁山脈中段西側，地理坐標為37°21′～37°42′N、110°55′～111°35′E，是整個呂梁市的地理中心，是呂梁市政府駐地，呂梁市政治、文化和交通中心（圖1）。離石城區位于區境腹地偏西南的東川河、北川河交匯外，海拔920～940 m。離石區屬于溫帶大陸性氣候區，冬寒夏暑，四季分明。全區下轄7個街道、2個鎮和3個鄉，行政區域總面積1 324 km2，總人口33.56萬。

1.2 數據來源

該研究所涉及的數據包括數字影像數據、離石區邊界數據、社會經濟數據等。其中數字影像數據來源于地理空間數據云網站，包括2008、2011、2014年3期Landsat TM影像，2015、2017年Landsat OLI 2期遙感影像，空間分辨率均為30 m。圖像為不同年相近日的數據，可一定程度上減少季節性的影響，且所有影像云量均很少，減少了大氣對影像產生的影響。社會經濟數據來源于2008—2017年離石區統計年鑒、各縣區社會發展統計公報等。

1.3 研究方法

1.3.1 監督分類。

利用ENVI遙感圖像處理平臺對收集的5期遙感影像數據進行了輻射定標、大氣校正、幾何校正等預處理[9]，進而根據研究區矢量邊界進行裁剪，最后進行監督分類[10]。該研究將研究區土地利用類型進行劃分，其主要分為林地、耕地、裸地、建筑用地、河流5個類型[11]，綜合評價精度為98.4%，達到實際應用要求的85%的分類識別精度目標。

1.3.2 土地利用轉移矩陣。

土地利用轉移矩陣反映各類土地利用類型之間的轉換情況[12]，它既可以反映研究期內各類土地利用類型的轉移變化情況，又可以反映出研究期末各土地利用類型的來源與結構。其數學形式[13]如下：

A=S 11…S 1n

S n1…S nn（1）

式中，S為土地利用轉移矩陣;i、j（i，j=1，2，…，n）分別為轉移前和轉移后的土地利用類型;n為轉移前后的土地利用類型數;S ij表示轉移前的i地類轉換成轉移后的j 地類的面積。

1.3.3 土地利用動態度。該研究運用土地利用變化單一動態度反映離石區在研究時段內某土地類型轉變為其他土地利用類型的速度[14]，主要從研究時段內土地利用變化的結果上，展現出土地利用變化的劇烈程度，數值越大，說明土地利用變化的速度越快，程度越劇烈。土地利用變化單一動態度計算公式[15]如下：

R=U b-U aU b×1T×100%（2）

式中，U ?a、U b分別表示某種土地利用類型原始數量與末期數量;T表示研究的時間，以年計算;R表 示某種土地利用類型的年變化率。

1.3.4 土地利用變化幅度。該研究通過對離石區的遙感影像圖提取出來的土地利用類型進行統計，計算土地利用變化幅度[16]，以此反映離石區內不同土地類型在總量上的變化，了解區域內各種土地的總體變化趨勢。土地利用的數學表達式如下：

K T=U b-U aU a×100%（3）

式中，U b為研究開始階段某一種土地類型的面積;U a為研究末某一種土地利用類型的面積;K T為研究時 段內土地利用類型的變化幅度。

2 結果與分析

2.1 離石區土地利用變化分析

2.1.1 土地利用結構變化。從圖2可以看出，2008—2017年離石區土地利用中占比較大的主要是林地和耕地，分別占總面積的35%和42%，是離石區最主要的土地類型;其中面積最小的為河流區域，占總面積的0.5%。各個土地類型面積占比由大到小依次為耕地、林地、裸地、建筑用地、河流?？傮w上看，耕地和林地以及河流面積呈下降趨勢，建筑用地面積一直在增加。變化量最大的面積就是建筑用地面積，增加了92.19? km2，變化量最小的為河流面積，減少了7.20 km2。

2.1.2 土地利用轉移矩陣分析。

將研究區5期的土地利用數據進行空間疊加，構建出2008—2011、2011—2014、2014—2015和2015—2017年4個時間段的土地利用轉移矩陣。以2015—2017年的土地利用轉移矩陣為例進行分析。從表1可以看出，離石區2015—2017年林地轉出的方向為耕地和建筑用地，轉出面積分別為84.33和1.29 km2;耕地的轉出方向為林地、裸地和建筑用地，轉出面積分別為89.21、14.91、55.97 km2;裸地的主要轉出方向為耕地和建筑用地，轉出面積分別為14.28和39.06 km2;建筑用地的轉出方向為林地、耕地、裸地、河流，轉出面積分別為7.84、16.27、14.44、1.32 km2。其中，耕地的轉入轉出量最大，這是由于一方面中心城市的快速建設使得土地權屬變更，耕地面積轉變為其他土地類型，工程占用了大部分耕地;另一方面，耕地面積減少，農民的收入下降，再加上對林業法律法規的意識不大，大肆開荒種地，雖然增加了耕地面積卻也對林地造成了破壞。

2.1.3 土地利用動態度分析。

根據土地變化動態度模型，分別計算2008—2011、2011—2014、2014—2015和2015—2017年4個時間段內離石區土地變化動態度。對離石區2008—2017年土地利用變化進行單一動態度分析，結果發現（表2），在2008—2011年，林地和裸地的增加速度分別為2.78%和8.71%;而耕地、建筑用地、河流的面積減少了，其中耕地下降最快，降速為5.19%，建筑用地下降最慢，降速僅有0.67%。在2011—2014年，林地的變化率下降最快，降速為12.57%，其次是河流，降速為4.89%;耕地、裸地和建筑用地的變化率呈上升趨勢，上升速度分別為4.40%、7.39%、6.43%。在2014—2015年，裸地有大幅度的減少，河流面積下降速度極快，主要是由于新城區建設，使得二者的面積急劇減少，耕地的面積基本無變化，林地的增加速度為10.23%。在2015—2017年，變化率最大的是建筑用地面積，增加了14.17%，其次是裸地，持續減少變化率為8.83%，可見離石區的城鎮化速度持續加快，經濟的發展特別是工業發展迅速，造成了建設用地急速擴張。

2.1.4 土地利用幅度分析。從表3可以看出，2008—2017年變化幅度最大的是建筑用地，這是由于經濟的快速發展和人口的不斷增長，人們渴求更好的生活條件和精神需求，基礎設施不斷完善，裸地逐漸開發，建筑面積不斷擴大，再加上政府一直在致力于開發新城區建設，極大地增加了建筑用地。

在2008—2011年，耕地、建設用地、河流的面積在減少，變化幅度分別為-14.3%、-2.9%、-4.9%，這一時期，由于退耕還林的影響，耕地面積大幅減少，使得林地和裸地的面積產生較大的擴張。在2011—2014年，林地和河流的面積大幅下降，變化幅度分別為-27.4%、-12.8%，這是由于人口的持續增長使得建設用地面積增長，同時發展農業也需要大量的耕地面積，這就使得不得不采伐森林直接導致了林地面積的下降;耕地、裸地、建筑用地的變化幅度分別為15.2%、28.5%、23.9%。在2014—2015年，耕地面積基本無變化，裸地和河流的變化幅度均較大，分別為-24.1%、-67.3%，裸地的減少主要是因為房屋建設和退耕還林項目的實施。在2015—2017年，變化幅度最大的是建設用地，增加了39.5%，這是由于人口的增加和經濟的發展，基礎設施不斷完善，裸地逐漸開發，大量的土地逐漸轉變為建筑用地，但是這也造成了耕地的流失，這時期耕地減少了7.8%。

2.2 驅動力因素分析

根據表4，2008—2017年從整體上看離石區的經濟實現了飛速發展，但2011年卻是離石區GDP最高的一年，為894 061萬元，從表4可以看出是由于第二產業產值在這一時期出現了暴漲。2011—2014年GDP斷崖式下滑，2015年依舊在下降，直到2017年才開始回升，這種現象還是由于煤炭產業的變化。2002年以后，煤炭行業迎來“黃金十年”的發展期，煤炭成為國有、民營企業的掘金之地。特別是2008—2011年，產能增加，煤價瘋漲，作為產煤大區，離石區引來了高速發展的黃金時期。但是由于大量資金投入煤炭行業，煤炭行業出現嚴重的供大于求和良莠不齊，受能源結構變化、生態環境約束的影響，煤炭市場需求回落，庫存居高不下，煤炭行業盈利水平大幅回落，經濟效益下降，煤炭行業出現虧損，占到離石區60%GDP的煤炭行業不景氣，導致整個區經濟開始下滑。離石區的這種變化必將對研究該地區的土地利用變化產生深刻影響。

2.2.1 經濟因素。通過對離石區5種土地類型耕地、林地、裸地、建設用地、河流進行驅動力研究，選取了離石區GDP、人口數量、第一產業產值、第二產業產值、第三產業產值作為驅動力因子進行線性分析，對離石區氣候降水、地質地貌進行定性分析。其中，相關性較高的有耕地與GDP呈負相關，相關系數為-0.91，林地與第二產業產值的相關系數為0.89，裸地與第一產業產值的相關系數為0.64，建筑面積與第三產業產值的相關系數為0.82，河流與第三產業產值的相關系數為-0.81。

從圖3可以看出，2008—2017年離石區GDP增加了283 707萬元，耕地面積減少了53.173 8 km2，主要是由于退耕還林工程的影響以及近年來城區的擴張，建筑用地不斷增加，極大地占據了耕地的面積，導致了耕地面積的大量減少。同時在一段時間內離石區經濟主要以煤炭產業為主，發展煤炭產業極大地增加了該區域的GDP產值，但是不可避免地對耕地造成了嚴重破壞，短時間內無法恢復。

從圖4可以看出，2008—2017年林地面積與第二產業產值呈正相關，主要是由于二者之間存在相互依賴、相互促進的關系，這二者主要是基于森林面積和植被恢復的。隨著離石區林業體制的改革，林業的一些產業已經進入木材、化學產品制造等第二產業，使得林業產業的潛力進一步激發。因此，若要促進林業產業的生態效應的發揮，就必須要不斷地進行林業建設，擴大森林的面積，增加林地的管理措施。這是一個循序漸進的過程，林地面積的增長會使得第二產業產值也會上升。

2.2.2 自然因素。

離石區地處呂梁山腹地，地勢東部高而寬、西部低而窄，境內山多川少。土石山區和黃土丘陵區相加占全區總面積的80%，其特征是氣候溫和干旱少雨，但發展生產潛能很大，是境內雜糧生產區;北川河由北而南，東川河由東而西流經全區，中部是以北川和東川為主的河谷地帶，土地肥沃，水源充足，人口集中，是重要的糧食基地。因此，中部地帶是主要的建筑用地所在區，建筑用地沿中部河谷地帶擴張。

3 結論

（1）該區域內各種土地類型面積從大到小依次為耕地、林地、裸地、建筑用地、河流。在2008—2017年從整個研究區看，建筑用地的增加面積最大，基本呈逐年增大的趨勢，耕地、林地、河流面積整體上有所減少，裸地面積有略微增加。土地利用變化量從小到大依次為河流、裸地、林地、耕地、建筑用地。

（2）從驅動力因子來看，GDP是離石區土地利用變化的最主要因素，地形地貌也對離石區的土地利用變化有所影響，這些驅動因子共同影響了離石區的土地利用變化。

（3）對于該地區今后的土地利用應該大力發展第三產業，重點以旅游業和服務業為主，對于第二產業需要響應政府政策進行轉型發展，農業利用農業技術進行規?；a，三大產業共同發展，在對土地資源最小的破壞前提下， 獲取最大的經濟效益。

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