蘭州市土地利用變化及驅動因素的研究

曹 薇

(甘肅農業大學 管理學院，蘭州 730070)

土地是由相互作用的各種自然要素構成的綜合體，并且受到社會活動過程的影響，并又同時具備著自然屬性和社會經濟屬性[1]。土地利用變化模型也是研究土地的使用和變化規律的重要工具，目前許多領域都對這個問題非常感興趣[2]。確定土地利用過程中的自然和社會經濟驅動因素及其過程，對于促進該地區的可持續土地利用和社會發展至關重要[3]。隨著我國經濟的飛速發展，各個行業也有了極大的發展機遇，城鎮化進程不斷加快導致土地利用結構發生了巨大的變化，如果過度的開發土地，會引起水土流失、土地沙化，嚴重影響農業生產及物種多樣性，因此研究土地利用結構變化及其變化過程，研究未來土地利用變化趨勢越來越重要。國外還比較注重土地和生態環境之間的關聯性[4]。Rahman等對孟加拉國庫圖比亞島的土地損失、土地覆蓋和變化以及土地的利用問題展開了系統深入的研究，使用GIS技術確定出八種完全不同類型的土地利用評價模型[5]。Yin Qinghui[6]等人在GIS技術的幫助指導下，以鄉鎮村為主要研究對象，深入地研究分析了我國城郊區土地資源利用格局的歷史變遷過程及其主要變化因素。研究表明，自然因素在較長的時間內會對土地利用有重大影響，但短期時間，社會經濟因素起著重要作用。我國也有許多學者對土地利用變化驅動因素進行了深入的研究[7]。

本文將以蘭州市2010—2020年的土地利用變化作為研究對象，首先從三個方向分析蘭州市土地利用變化特征，分別是土地利用面積轉移矩陣、土地利用動態度以及土地利用程度，得出了2010—2020年蘭州市土地利用變化的情況；其次從自然和社會經濟因素分析出對蘭州市土地利用變化影響最大的因素；最后用主成分分析法得到影響蘭州市土地利用變化的主要驅動因素。

1 研究區概況及數據來源

1.1 研究區概況

蘭州市位于甘肅省中東部，總面積13 083 km2，下轄三縣五區，包括城關區、七里河區、西固區、安寧區、紅古區，永登縣、榆中縣、皋蘭縣[11]如圖1所示，蘭州市屬于溫帶大陸性氣候，年平均氣溫9.8 ℃，年氣溫差異較大，年平均降水量327 mm，年平均日照時數 2 446 h 左右，無霜期180 d。蘭州市海拔在 1 500～3 000 m，由西南逐漸往東北傾斜，地貌形態復雜多變、交錯分布。市域內水資源豐富，貫穿市域的黃河及其支流湟水，黃河干流蘭州段全長152 km，全年總用水量9.95億m3。2020年底蘭州市常住人口為437.8萬人，同上年相比增加了 58 710人，其中城鎮地區人口在總人數中占比56%，人口密度為331人/km2。2020年蘭州市生產總值為 2 886.74 億元。按常住人口算，人均生產總值達到 66 680元。城市居民人均可供支配的收入為 40 152元，農村居民人均可供支配的收入 14 652 元[12]。蘭州市2020年糧食產量達33.64萬t，社會消費品零售總額為 1 641.23億元。

圖2 2010、2015、2020年蘭州市土地利用類型圖

1.1.1 蘭州市土地利用現狀

2020年蘭州市土地總面積為13 100 km2，其中耕地面積占總面積19.90%，種植園地面積占1.37%，林地面積占11.32%，草地占54.28%，濕地占0.29%，城鄉、工礦居民用地占5.73%，交通運輸用地占1.79%，水域面積占0.68%，其他土地占4.63%，如圖1所示為2020年蘭州市土地利用類型占比。

1.2 數據來源及處理

本文需要用到的蘭州市2010—2020年的土地利用數據來源于蘭州市2010—2020年土地利用變更數據庫、社會經濟數據來源于2011—2021年甘肅省統計年鑒和2011—2021年蘭州市統計年鑒。

通過對相關文獻和書籍等資料的閱讀，對土地利用變化、驅動因素資料進行收集、整理和總結。了解其研究動態、研究內容、研究方法等，以此為基礎確定本次研究蘭州市土地利用變化的研究方向和思路。利用ArcGIS軟件，分析土地利用變化，將不同時期的土地數據進行分析，以不同的顏色反映在圖上，直觀地呈現出土地利用空間變化，進而分析影響蘭州市土地利用變化的主要驅動因素。

2 蘭州市土地利用變化特征分析

本節利用面積轉移矩陣、動態度兩種方式分析蘭州市土地利用變化特征，為接下來的驅動因素的研究做好數據支撐。故分析2010—2015年、2015—2020年以及2010—2020年土地利用變化，以2015年作為中間年份。

2.1 土地利用結構變化分析

根據地理監測平臺提供的蘭州市2010—2020年土地利用數據，分析蘭州市2010年、2015年以及2020年的土地利用類型變化。利用土地利用類型圖得出蘭州市土地利用變化特征。

由蘭州市2010年、2015年以及2020年土地利用類型圖如2所示，草地、耕地和林地是蘭州市占比較大的土地利用類型。耕地多在南部、北部中心地區，林地主要分布在蘭州市南部和西北部地區，草地分布范圍較廣，主要分布在蘭州市東部地區。未利用土地占地較小，主要分布在蘭州市南部地區，城鄉、工礦居民用地主要分布在蘭州市南部地區，水域貫穿蘭州。

2.2 土地利用類型轉換變化分析

計算蘭州市三個階段(2010—2015年、2015—2020年、2010—2020年)的土地利用類型轉移矩陣，分析不同時間段的土地利用類型轉換。

表1 蘭州市2010、2015與2020年各土地利用類型面積(hm2)及占比(%)

2.2.1 面積轉移矩陣

(1)蘭州市2010—2015年土地利用類型轉換

蘭州市這五年間草地面積減少為31 194 hm2，主要轉出為耕地和其他用地，較多轉入為耕地。城鄉、工礦居民用地面積增加了 68 838 hm2，由耕地轉化來，轉出為耕地。耕地面積減少面積為 68 525 hm2，主要轉出為草地和城鄉、工礦居民用地，主要流入來源是草地。林地面積減少為 1 611 hm2，主要轉出為草地，主要流入來源是草地和耕地。水域用地面積增加為111 hm2，主要由耕地轉換而來，流出主要轉變為耕地和草地。其他土地面積增加為 32 722 hm2，主要由草地和耕地轉換而來，流出主要轉變為草地和耕地。蘭州市2010—2015年土地利用類型轉換如表2所示。

表2 2010—2015年蘭州市土地利用類型面積轉移矩陣(hm2)

(2)蘭州市2015—2020年土地利用類型轉換

總體上看，2015—2020年，蘭州市草地面積減少 165 486 hm2，主要轉出為城鄉、工礦居民用地和耕地，主要流入來源為耕地。城鄉、工礦居民用地增加面積為 369 804 hm2，轉入為耕地和草地，轉出為耕地。耕地面積減少了 151 553 hm2，主要轉出為草地和城鄉、工礦居民用地，主要流入來源是草地。林地面積減少面積為 14 540 hm2，主要轉出為草地，城鄉、工礦居民用地和耕地；由草地和耕地轉來。水域用地面積增加了 8 135 hm2，主要由耕地轉變，流出主要轉變為耕地和城鄉、工礦居民用地。其他土地面積減少面積為 46 411 hm2，主要由草地，城鄉、工礦居民用地和耕地轉換而來，流出主要轉變為草地。如表3所示。

表3 蘭州市2015—2020年土地利用類型面積轉移矩陣(hm2)

(3)蘭州市2010—2020年土地利用類型轉換

總體上看，2010—2020年，蘭州市草地面積減少 196 680 hm2，主要轉出為城鄉、工礦居民用地和耕地，較多轉入來源為耕地。城鄉、工礦居民用地增加面積為 438 642 hm2，轉入為耕地和草地，較多轉出為耕地。耕地面積減少了 220 078 hm2，主要轉出為草地和城鄉、工礦居民用地，主要流入來源是草地。林地面積減少 16 451 hm2，主要轉出為草地和城鄉、工礦居民用地，轉入為草地。水域用地面積增加了 8 246 hm2，較多從耕地轉換而來，流出主要轉變為耕地和城鄉、工礦居民用地。其他土地面積減少了 13 689 hm2，主要由草地和耕地轉換而來，流出主要轉變為草地。如表4所示。

表4 蘭州市2010—2020年土地利用類型面積轉移矩陣(hm2)

根據蘭州市2010—2015年、2015—2020年和2010—2020年這三個時間段的土地利用面積轉移矩陣可以看出，蘭州市這10年間土地利用類型變化明顯，其中草地、耕地、林地的面積一直在減少，一方面是由于人口的增加、經濟的發展導致城鄉建設用地大量增加；另一方面由于水域對人民生產生活有重要的作用，所以水域面積增加。

2.3 土地利用變化速度分析

下面利用土地利用動態度來表現(2010—2015年、2015—2020年、2010—2020年)蘭州市土地利用類型的變化速度。結果如表5所示。

表5 蘭州市2010—2015年土地利用動態度(%)

Ua代表研究開始時期任何一種土地類型的面積；Ub代表研究結束時期任何一種土地類型的面積；T指研究時間；K指這一時間段內土地利用變化率[13]。2010—2015年，蘭州市耕地、林地、草地面積減少，其中減少最快的是耕地，減少率為0.34%。水域，城鄉、工礦居民用地和其他土地面積增加，其中增加最快的是其他土地面積為6.80%。如表5所示。

2015—2020年，蘭州市耕地、林地、草地和其他土地面積減少，其中其他土地減少最快為7.14%。水域，城鄉、工用地增加，其中城鄉、工礦居民用地面積增加最快為14.08%。如表6所示。

表6 蘭州市2015—2020年土地利用動態度(%)

2010—2020年，蘭州市其他土地減少最快為1.41%。水域和城鄉、工礦居民用地面積增加，土地利用動態度分別為1.09%和9.60%。如表7所示。

表7 蘭州市2010—2020年土地利用動態度(%)

2.4 土地利用程度分析

從土地利用程度綜合指數的變化程度能夠看出來該城市處于什么時期，計算公式如下：

L為土地綜合利用指數，Ai為土地利用類別指數，Ci為土地利用面積與土地利用類別之比[14]。Ai取自劉紀遠[15]提出的土地利用水平綜合分析方法，將土地利用水平分為四個等級。如表8所示。

表8 土地利用分級指數表

表9顯示，2010、2015、2020年蘭州的土地利用綜合指數高于全國平均水平231.92[16]，說明蘭州的土地利用很好，2010—2020年，蘭州市的綜合土地利用率指數從233.98上升到238.61，表明蘭州市的土地利用在發展。未使用的土地數量先增加，然后減少，但總體上未使用的土地數量減少。2010—2020年期間，林、草和水的用地呈現出下降趨勢，表明人類活動對土地使用和當地生態環境都產生了影響。農業用地級呈降低的態勢，這與蘭州市所提出的退耕還林還草以及增加建設用地有一定的關系。城市聚落用地級呈現出提高的態勢。

表9 2010—2020年蘭州市土地利用程度綜合指數

綜上所述，蘭州市2010—2020年土地利用變化特征，結果如下：①利用土地面積轉移矩陣得出蘭州市2010—2020年主要土地利用類型轉換：耕地、林地主要轉變成草地，城鄉、工礦居民用地；城鄉、工礦居民用地、耕地由草地、水域轉變；城鄉、工礦居民用地變成耕地；草地主要由其他土地轉變而來；②蘭州市2010—2020年草地、林地耕地和其他用地面積減少，土地利用動態度分別為草地：-0.22%、林地：-0.18%、耕地：-0.54%、其他土地：-1.41%。水域和城鄉、工用城鄉、工礦居民用地面積增加，變化速度為1.09%和9.60%；③蘭州市的土地利用綜合指數不斷上升，所以蘭州市土地利用處于發展期。

3 蘭州市土地利用變化驅動因素分析

土地利用變化驅動因素包括自然和人為兩個方面，彼此之間聯系緊密、相互滲透。影響土地利用變化的基礎因素是自然因素，自然因素在一定程度上決定著某地區的土地利用結構。影響土地利用變化因素中包括社會經濟因素，例如，人口的增加會增加城鄉、工礦居民用地，經濟發展容易對土地利用變化產生影響。接下來進行自然因素和社會經濟因素的分析，從這兩個因素分析的結果中得出對土地利用變化影響最大的因素進行分析。

土地利用的類型結構和變化的類型一定程度上由自然因素影響，比如在氣溫較舒適、地形較平坦、水資源較豐富的地方更適合發展生產生活，所以這些區域通常就是城鎮村及工礦用地、耕地等生產生活用地。其一，蘭州市的氣候差異明顯，屬于溫帶大陸性氣候，各地區之間溫差較大，早晚溫差大?？傮w降水量比較低，降水量主要集中在夏季。蘭州市四季分明，為農業生產提供了良好的氣候條件。集中的降雨量，使得黃河水位上升，容易引起洪澇災害，影響著生產生活和土地的利用變化。其二，該地區的土地利用類型一定程度上與該地區的地貌類型有關，蘭州市地形地貌19%石質山地，66%黃土梁峁丘陵，15%河谷川臺盆地，城鄉生產生活主要集中在蘭州盆地、秦王川彭迪、榆中盆地和主要河谷區域。山地分布在南北兩側，北部主要以林地、草地為主；南部主要以城鎮村及工礦用地、草地和耕地為主；中部主要以城鎮村及工礦用地和耕地為主。其三，蘭州市河流水系較多，土地利用的布局很大程度上被河流水系所影響，由于蘭州市南部河流水系眾多，所以該地主要分布林地、草地和城鄉、工礦居民用地，中部耕地面積較大，是主要的糧食產區。蘭州市水資源低于全國平均水平，是“守在河邊，卻極度缺水”的地方，蘭州市河流徑流地表水資源量為384億m3，地下水資源量為9.6億m3。自然因素是歷經很長時間形成的，在短期內沒有明顯的變化，所以對土地利用變化的影響也相對來說小，但是自然因素還是可以在一定程度上決定土地利用類型。

自然因素在短時期內對土地利用變化的影響較小，所以重點分析社會經濟因素對土地利用變化所產生的影響。在土地利用變化的發展過程中，自然因素影響社會經濟因素，自然因素和社會經濟因素是互補的，反之亦然，許多社會經濟因素都與自然因素有某種聯系。

在社會經濟因素當中會有較多因子對土地利用變化產生影響，為了用較少的指標來比較全面地反映出來，采用主成分分析法，其目的是用少量簡化的舊變量取代復雜的新變量，這些舊變量在很大程度上保留了原始變量所包含的信息，并產生少量影響土地利用變化因素的綜合指標。

根據蘭州市土地利用基本情況，由于蘭州市土地利用類型中草地、林地和耕地占比較大，所以第一考慮的因子選取該跟農業有關，故選取了農林牧漁總產值以及農田有效灌溉面積和糧食產量作為驅動因子；其次城鎮村及工礦用地占比次之，運用包含在內的人口，城鎮化率，地均GDP以及三種產業占GDP的比重和固定資產投資、社會消費品零售總額作為驅動因子。綜上所述，選取這11個可能影響土地利用變化的因素作為驅動因子，并查閱蘭州市的統計年鑒，如表10所示。

表10 蘭州市土地利用變化驅動力指標

采用SPSS24.0軟件，進行主成分分析，得出影響2010—2020年蘭州市土地利用變化的主要驅動因素。

(1)特征值與貢獻率。表11中的總方差解釋表是由主成分分析得到的，根據特征值的大小確定了主成分的數量。如果特征值大于1，說明該成分對這11個變量有很強的解釋力，可以作為降維分析中的主成分使用。第一成分的特征值為6.964，其方差貢獻率為44.489%，第二成分的特征值為1.691，其方差貢獻率為30.592%，第三成分的特征值為1.243，其方差貢獻率為14.900%，這三個成分的總方差貢獻率為89.981%，這說明前三個成分更能夠解釋這11個因素。因此，本研究選擇這三個部分作為蘭州土地利用變化的主要因素。

表11 特征值與貢獻率

用這個圖來分析各個初始特征值(見圖3)，可以看出，成分1、2和3的變化很大，從成分4開始逐漸平滑。因此，可以看出，成分1、2和3具有較高的特征值，可以解釋初始變量的變化信息。

圖3 碎石圖

主成分載荷。主成分載荷矩陣表示每個變量在所有變量上的載荷，變量載荷的絕對值越高，說明該成分能更好地解釋該變量。由于原始成分矩陣不能更清楚地表達變量的意義，在本研究中，選擇標準化的正交凱撒旋轉法，對原始變量進行因子化，經過六次迭代后旋轉收斂，得到原始主成分載荷和旋轉后的主成分載荷矩陣如表12所示。

表12 原始成分載荷和旋轉后成分載

4 結果與討論

通過旋轉后的主成分載荷表可以明顯地看出，第一主成分與第一產業占GDP比重、第二產業占GDP比重、第三產業占GDP比重、城鎮化率、社會消費品零售總額、地均GDP有著明顯的關系；第二主成分和地均GDP、農業灌溉的實際面積和年底的居民人數密切相關，第三個主成分與固定資本形成和糧食生產密切相關。指標分析表明，影響蘭州土地利用變化的主要因素是人口規模、經濟發展和城市化程度。

(1)人口影響土地變化。影響土地利用變化的一個最主要原因就是人口，人口變化影響到土地使用的時間和空間分布，人口增長導致住宅開發的增加，這反過來又導致城鎮和村莊以及工業和采礦場的增加。蘭州市常住人口數量從2010年的361.61萬人增加至2020年的437.18萬人，2010—2019年增幅較小，2019—2020年增幅較大。如圖4所示。

圖4 2010—2020年蘭州市常住人口

蘭州的城市化率從2010年的56%上升到2020年的62%，表明2010—2020年蘭州的城市化將穩步發展，蘭州的城市人口增加，農村人口將減少。隨著農村人口的減少，可耕地仍未使用，最終將被轉化為城市、農村、工業和采礦用地，導致可耕地面積減少。如圖5所示。

圖5 2010—2020年城鎮人口和鄉村人口對比

(2)經濟的發展對土地利用變化的影響。在本研究中，選擇了蘭州市2010—2020年的地均GDP和城市居民點、工礦用地面積進行分析(見圖6)。從圖中可以看出城市居民點、工礦用地和地均GDP的變化幾乎一致且一直處于上升趨勢，說明經濟發展和土地利用變化之間有一定的關系。

圖6 地均GDP和城鎮村及工礦用地關系

本研究分析和研究了蘭州市2010—2020年的土地利用變化及其影響因素。首先，分析蘭州市土地利用變化特征，用了三個辦法，包括：土地利用類型轉化(面積轉移矩陣)、土地利用動態度和土地利用程度，這三個辦法比較充分的反映除了蘭州市土地利用變化情況。其次，從自然和社會經濟因素角度分析研究影響蘭州市土地利用變化的主要驅動因素。因為包括氣候等的自然因素短期內對土地變化的影響不大，而社會經濟因素中所選擇的因子對土地利用變化有很大影響。所以運用主成分分析法，得出蘭州市土地利用變化的主要驅動因素。最終得出以下結論：2010—2020年，蘭州的主要土地使用模式發生了變化：耕地及林地主要轉化為草地和城市、農村、工礦用地；草地主要轉化為城市、農村、工礦用地和耕地用地；其他用地主要轉化為草地。蘭州市土地利用綜合指數不斷上升，土地利用處于發展階段。自然因素在一定程度上決定了蘭州市的土地利用變化模式。蘭州市2010—2020年土地利用變化驅動因素主要為社會經濟因素，社會經濟因素主要為人口、經濟發展和城鎮化水平。

由此，對于蘭州市的土地利用變化提出三點建議。首先，堅決保護耕地與基本農田，鞏固蘭州市的農業發展，各縣(區)根據《基本農田保護條例》，設立基本農田保護區，穩定農業及糧食生產；其次，合理利用各種土地資源，制定各項優惠政策，鼓勵和支持單位、個人投資土地開發整理，將土地開發整理與農業結構調整，防治水土流失和荒漠化相結合，使得土地開發整理進入規范化的軌道；最后，需要保障國民經濟建設的用地需求，從而促進蘭州市人口增長，加快經濟發展及提高城鎮化水平。