2000—2020 年佛山市土地利用變化及其驅動因素分析

葛 飛，許靜佳，賈鳳鳴

（1.佛山市南海區測繪成果質量檢驗中心，廣東 佛山 528200；2.廣東省國土資源測繪院，廣東 廣州 510000；3.湖北天地云地信科技集團有限公司，湖北 武漢 430000）

0 引言

土地利用覆蓋變化（land use cover change，簡稱LUCC）是人類為了生產和生活，滿足生存與發展需求而對土地資源進行占用和開發的行為[1]。土地利用覆蓋變化研究通過分析其在時間序列上的變化規律，對揭示人類活動影響程度具有重要意義。在國外，20 世紀八九十年代的“國際地圈生物圈計劃（IGBP）”和“全球環境變化人文因素計劃（IHDP）”到2005 年的“全球土地計劃（GLP）”[2]，從不同空間尺度對土地利用變化進行深入研究和探索，取得了豐碩研究成果。在國內，土地利用研究主要集中在土地利用數量和強度變化[3]、土地利用空間格局變化[4]、驅動力[5]、動態模擬[6]等方面。例如，葉延瓊等[7]以佛山市順德區為例，討論了土地利用變化對生態系統服務的影響；王麗萍等[8]探討了不同情景模擬下的佛山市土地利用分布；郭程軒等[9]從統計學角度分析佛山市土地利用變化驅動力時空分異。土地利用變化分析可以直觀反映各個土地利用類型的變化，也可以進一步分析其變化原因。在城市尺度對土地利用變化及其驅動影響因素進行分析，為城市資源優化配置提供科學參考。

隨著經濟快速發展，城市外延擴展過快、農用地資源浪費、土地利用變化較頻繁等情況引起廣泛關注?；诖?，本文以佛山市地表覆蓋數據為基礎，對土地利用數量變化及其驅動力進行分析研究。相關研究成果可為當地土地管理和可持續利用提供借鑒，可為土地利用研究提供一定參考。

1 研究區概況及數據來源

1.1 研究區概況

佛山市位于廣東省中部，東倚廣州市，毗鄰深圳市、香港特別行政區、澳門特別行政區，是廣佛都市圈和粵港澳大灣區的重要組成部分，區位優勢明顯。佛山市屬亞熱帶季風性濕潤氣候，整體地勢呈西北部和西南部高、中部和東南部低的態勢，下轄禪城、南海、順德、高明、三水5個區。近年來，佛山市土地利用變化趨勢明顯，該區域具有較好的研究借鑒和參考意義。

1.2 數據來源與處理

LUCC 數據來源于GlobeLand30 數據集（http://www?globeland30?org）。該數據集是中國研制的全球地表覆蓋數據，分辨率為30m，包含2000、2010、2020 版本數據，數據格式為Grid 格式。本文分別提取佛山市耕地、林地、草地、濕地、水體、人造地表等地表覆蓋類型數據。佛山市基礎矢量行政區劃數據來源于全國基礎地理信息數據庫，各年路網數據來源于道路開放數據（OpenStreetMap，OSM），社會經濟數據來源于佛山市統計年鑒和官方網站。

2 研究方法

2.1 單一土地利用動態度

從定義看，單一土地利用動態度能夠表現某種土地利用類型在一定時間內的變化速率，一般通過動態度指數衡量[10-11]，其計算方法如公式（1）所示。

式中：Ua、Ub分別為某時段土地類型的初期面積和末期面積；T為研究時間尺度，當T為年時，K表示某土地利用類型的年變化率。

2.2 土地利用程度綜合指數

從定義看，土地利用程度綜合指數能夠表現研究區土地利用的綜合水平。本文參考中國科學院地理科學與資源研究所劉紀遠[12]提出的土地利用程度分級方法，并結合佛山市實際土地利用情況，將林地、草地和水域分級指數設為2，耕地分級指數設為3，人造地表分級指數設為4。根據分級指數確定土地利用綜合程度指數，其計算方法如公式（2）～（4）[13]所示。

式中：L為研究區域內土地利用程度綜合指數；Ai為研究區域內第i級土地利用程度分級指數；Ci為研究區域內第i級土地利用程度分級面積百分比。

式中：n為土地利用程度分級數量，該值反映了區域內土地利用程度；△Lb-a為土地利用程度變化量；R為土地利用程度變化率；Lb和La分別為研究結束時期時間和研究開始時期的區域土地利用程度綜合指數；Ai為第i級的土地利用程度分級指數；Cib和Cia分別為某區域研究結束時期和研究開始時期第i級土地利用程度面積百分比。

2.3 土地利用轉移矩陣

土地利用轉移矩陣是一種常用于地理學研究的重要方法[13]。土地利用轉移矩陣不僅可以反映研究區不同時期用地類型結構變化，也能明確用地類型的轉移去向和來源[14]，其計算方法如公式（5）所示。

式中：S表示土地轉換面積，n表示土地利用類型，i和j表示研究期間內不同時期的土地利用類型。

2.4 主成分分析法

從定義看，主成分分析法將相關的若干個指標重新組成為一組新的互為無關的綜合指標并替代原指標[15]，是最基本的多變量統計分析方法。本文借助SPSS 軟件，對影響土地利用變化的驅動因素進行主成分分析。

3 結果與分析

3.1 土地數量變化分析

從2000、2010 和2020 年用地類型占行政區面積比例看，耕地、林地、水體和人造地表4 類用地是佛山市主要用地類型。耕地、林地、水體和人造地表占行政區面積比例較大，3 個年份的面積占比分別為94?19%、91?04%和96?35%；草地、濕地占行政區面積比例較小，3 個年份的面積占比分別為5?81%、8?96%和3?65%。詳細情況如表1 所示。

從分用途看，研究期內耕地、水體數量呈現逐年降低態勢，其面積分別由2000 年的1 011?01 km2、1 107?27 km2降至2020 年的659?67 km2、841?18 km2；林地和草地數量呈現先增加后降低態勢，其面積分別由2000 年的877?61 km2、219?69 km2增至2010 年的903?82 km2、340?10 km2，后降至2020年的712?14 km2、138?38 km2；人造地表面積呈現逐年增加態勢，由2000 年的580?06 km2增至2020 年的1 444?68 km2。

3.2 土地利用變化分析

3.2.1 單一土地利用動態度

單一土地利用動態度反映一定時期某種地表覆蓋類型面積的變化速率。2000—2010 年，草地和濕地面積變化速率較大，單一土地利用動態度數值分別為5?48%和-6?81%；人造地表面積變化速率次之，單一土地利用動態度數值為2?33%；林地面積變化速率最小，單一土地利用動態度數值為0?30%。2010—2020 年，人造地表成為面積變化較大的地表覆蓋類型，其單一土地利用動態度指數達10?20%；草地、耕地、林地和濕地的面積變化速率次之，單一土地利用動態度指數分別為-5?93%、-2?65%、-2?12%和2?08%；面積變化速率最小的地表覆蓋類型為水體，單一土地利用動態為-1?05%。詳細情況如表2 所示。

表2 2000—2020 年佛山市單一土地利用動態度

整體上，2000—2020 年，人造地表、濕地是佛山市20 年面積變化速率較大的2 種地表覆蓋類型，其動態度指數分別為7?45%和-3?07%；其次是耕地、草地和水體，變化速率范圍為-2%～2%；變化最小的地表覆蓋類型是林地，其單一土地利用動態度指數僅為-0?94%。

3.2.2 土地利用程度

根據劉紀遠[16]提出的土地利用強度劃分標準，土地利用強度范圍為100～400，數值越大，則該區域土地利用程度越高。從佛山市土地利用程度看，2000 年和2010 年土地利用程度指數變化不大，位于中間水平，其值分別為257?19 和261?31，這表明2000—2010 年佛山市土地利用程度相對穩定。2020 年土地利用程度綜合指數上升到293?49，這表明2010—2020 年佛山市人造地表、耕地等用地類型發生較大變化，土地利用程度明顯提升。

從時段看，2000—2010 年土地利用程度變化量為4?12 km2，土地利用變化率為0?016，佛山市整體土地利用變化處于一個相對穩定的態勢；2010—2020 年土地利用程度變化量為32?18 km2，土地利用變化率升到0?123 1，佛山市整體土地利用變化處于加速變化的過程。整體上，2000—2020 年土地利用程度變化量達36?29 km2，土地利用變化率達0?141 1。

3.3 土地利用轉移矩陣

本文利用ArcGIS軟件空間統計模塊，分別將2000年和2010 年、2010 年和2020 年的數據進行疊加分析，導出分析后的矢量數據屬性表，統計得到2000—2010、2010—2020 年土地利用轉移矩陣表。2000—2010 年，地表覆蓋類型轉換總面積為732?76 km2，其中，人造地表、草地和水體面積增量最大，其面積增量分別為182?91 km2、159?88 km2、160?95 km2；從轉移矩陣看，此期間增加的面積主要來自耕地、水體、林地等地表覆蓋類型。詳細情況如表3 所示。

表3 2000—2010 年佛山市土地利用轉移矩陣 單位：km2

2010—2020 年，地表覆蓋類型轉換總面積為1 144?29km2，人造地表是面積增加最大的地表覆蓋類型，其面積為759?08 km2；從轉移矩陣看，人造地表增加的地表覆蓋類型主要來自耕地、水體、林地，轉入面積分別為297?59 km2、163?48 km2、142?19 km2；除濕地和人造地表外，草地、耕地、林地、水體為主要轉出地表覆蓋類型，其面積分別為234?04 km2、395?04 km2、229?01 km2和256?63 km2。詳細情況如表4 所示。

表4 2010—2020 年佛山市土地利用轉移矩陣 單位：km2

3.4 驅動力分析

土地利用及其變化是自然與人文相互影響的結果。土地利用變化的驅動因素一般分為自然因素和社會經濟因素，自然因素包括氣候、土壤、地貌等因素，社會經濟因素一般包括人口變化、經濟增長、城鎮化程度、土地利用政策等因素[17]。根據佛山市城市特點和土地利用情況，本文選取坡度、坡向、道路里程、距中心城鎮距離、固定資產投資額、人均生產總值、城鎮人口7 個影響因子，其變量名稱分別為X1、X2、X3、X4、X5、X6、X7，以佛山市2000、2010 和2020 年土地面積為因變量（Y）。利用SPSS 統計軟件進行主成分分析，對各自變量進行標準化處理，通過KMO 檢驗方法和Bartlett 球形檢驗方法對7 個自變量的顯著性水平進行驗證。詳細情況如表5 所示。

表5 主成分分析自變量KMO 檢驗及Bartlett球形檢驗結果

從驗證結果看，各個自變量的KMO 檢驗值為0?705 5，說明各個驅動因素相關性較強，可通過主成分分析法進一步降維分析。本文選取SPSS 因子分析模塊中的主成分分析法，降維計算各個自變量貢獻率和累計貢獻率。詳細情況如表6 所示。

表6 初始特征值

按照特征值>1 的標準，本文提出2 個主成分，2 個因子的貢獻率分別是81?063%和9?881%，累計貢獻率達99?933%。從數據結果看，2 個主成分可以較好地反映原始因子的特征。在旋轉后的自變量因子載荷數據中，主成分1 的坡度、坡向、道路里程、人均生產總值和城鎮人口的因子值均達0?8 以上，具有較強的正向相關性；人均生產總值和城鎮人口因子值較高，說明佛山市土地利用轉變的主要影響因素是經濟因素；坡度和坡向因子值較低，說明坡度、坡向等自然因素對土地利用變化的影響小于經濟和城鎮人口因素的影響。詳細情況如表7 所示。

表7 旋轉后的自變量因子載荷

4 結論

本文基于佛山市3 期GlobeLand 30 地表覆蓋數據，從土地利用變化數量、空間變化趨勢等角度進行分析，并對驅動因素進行了探究，得到如下結論。

（1）2010—2020 年，佛山市地表覆蓋類型變化頻繁，與人類活動關系密切的人造地表面積增量最大。不同地表覆蓋類型的土地利用動態度差異明顯，其中，人造地表是變化程度最大的地表覆蓋類型，其單一土地利用動態度最大。

（2）在研究期內，佛山市整體土地利用程度呈現明顯上升趨勢，其中，人造地表的利用程度大幅度提升，2010—2020 年增量最明顯，土地利用程度綜合指數由2000 年的257?19 增至2020 年的293?49。從土地利用轉移結果看，佛山市近20年的城鎮化快速發展，耕地、林地、草地和濕地為主要轉出地表覆蓋類型。

（3）近年來，佛山市受到城鎮化、工業化和人口因素疊加的影響，人類活動對土地利用需求程度不斷加大。通過分析影響土地利用分布的驅動力，佛山市近20 年土地利用變化驅動力依次為經濟城鎮化因素（人均生產總值與城鎮人口）、交通因素（道路里程與距中心城鎮距離）、自然因素（坡度與坡向）。