基于主成分分析的崇礼区土地利用变化及驱动力分析

刘孟竹 张红娟 裴宏伟

(河北建筑工程学院 市政与环境工程系,张家口 075000)

0 引 言

随着全球环境问题持续恶化，基于土地利用/覆盖变化(Land Use/Cover Change，LUCC)为核心的相关生态环境研究逐渐成为热门趋势[1].国内外的研究中，针对地域选择较大的研究区，刘纪远等以影像为源数据进行解译对全国区域范围的土地利用变化及驱动机制做出了研究分析[2]；赵晓丽等通过多源卫星影像分析了整个中国地域近30年的耕地变化及主要原因[3]；邓祥征等深刻分析了北方农牧交错带整个区域的土地利用变化趋势及其驱动因素[4].在较小的空间尺度上，国内外学者对省、市、县甚至小河流区域内的土地利用及其驱动机制分析均有相关研究[5-6].

目前研究选择的对象多为宏观地域上的“热点区”、“生态区”等，而一些小范围、“冷门”区域却往往缺乏重视.小空间尺度区域的空间异质性干扰程度较低，是深入土地利用/覆盖变化规律、驱动力研究的有效手段[7].崇礼区作为典型县域尺度的生态敏感区，其生态环境极为脆弱，土地利用变化易受自然和人为因素影响[8].而且，该区在2022年冬奥会的筹建下，计划了总面积超过130 km2的7个滑雪场以及76个相应场馆的建设项目，将极大改变当地的土地格局.分析驱动因素对土地利用变化的内在关系有助于对土地资源有效管理及可持续利用.目前针对崇礼区土地利用的的研究集中关注在其景观格局变化分析以及生态环境与气候的响应，而针对其在土地利用变化驱动力分析的研究却不多见.因此本文选取崇礼区的2000年、2010年、2018年3期土地利用数据，结合《张家口市统计年鉴》数据，定性分析出崇礼区近20年来土地利用时空变化特征及驱动机制，以期对崇礼区土地利用/覆盖方面的研究做补充，同时为当地政府的土地资源合理开发、规划、利用等系列决策提供一定作用的参考.

1 研究区概况

崇礼区位于河北省西北部.地理位置介于114°40′～115°30′E，40°40′～41°20′N之间.该区域为大陆性季风气候，冬季干冷多风，多年平均降水量约400 mm，2000年～2017年平均气温4.54℃[9].崇礼区行政面积2 326 km2[10]，海拔高度780～1 800 m.在地理、气象、人为等多重综合因素影响下，崇礼区水土流失较为严重，生态环境极为脆弱.

1990年—2018年期间崇礼区人口数增长近1万人，截至2018年底约13万人.该区人口密度在51～56人/km2,属于“地广人稀”的区域.2017年当地五大行业产值结构中，农、林、牧产值三者总额共计占比超过99%，其余行业产值占比总计不到1%.其中，蔬菜产值占五大行业产值的近42%.

2 数据与方法

2.1 数据源

研究选取的2000年、2010年、2018年3期土地利用数据，均来源于中国科学院资源环境科学数据中心，空间分辨率为30 m×30 m，该数据经专业人员检验精度在85%以上，可满足后续研究需求.崇礼区的社会、气象等数据均来源于《张家口统计年鉴》(2000—2017年)和中国气象数据网(http://data.cma.cn).

2.2 研究方法

2.2.1 土地利用时空变化研究方法

本文采用变化量和土地动态度两个指标来定量分析崇礼区内土地利用变化的数量和变化速率，用土地转移矩阵来研究各阶段时期内土地的动态转移变化.土地变化量是指研究区域内的某一类型土地在研究初期到末期面积变化的大小[11]，表达式如下：

ΔS=Sb-Sa

式中:Sa、Sb分别表示研究初期、末期某一类型土地的面积数量；ΔS表示某一类型土地研究初、末期的面积变化量.

单一土地利用动态度指某一区域内在一定时间范围内某种土地利用类型的数量变化情况，此指标可定量描述研究区内某种土地类型在研究时段内变化的速率.表达式[12]如下：

式中：K为研究时段内某一土地利用类型动态度；Ua、Ub分别为研究初期和研究末期某一种种土地利用类型的数量；T为研究时段长.

2.2.2 土地利用驱动力分析方法

土地利用/覆盖变化驱动力主要受自然和人为两方面因素影响[13].自然因素体现在较长时间尺度上土地变化的累积效应，而社会因素则在短时期内对土地变化驱动力影响相对显著.本文结合前人对土地利用变化研究中高频选择的驱动力因素，通过主成分分析法对初选指标进行降维优选[14]，以之定性分析近20年来崇礼区土地利用变化驱动机制.在驱动因子的选择上，以崇礼区内土地利用数据为基础，结合崇礼区当地实际情况，遵循全面、合理、科学性等原则，从影响土地利用的自然和环境因子中选取了15个典型指标：X1总人口(人)、X2农村人口(人)、X3全县GDP(万元)、X4第一产业值(万元)、X5第二产业值(万元)、X6第三产业值(万元)、X7固定资产投资(万元)、X8农民人均年收入(元)、X9粮食总产量(吨)、X10蔬菜总产量(吨)、X11公路里程(km)、X12年均降雨量(mm)、X13年均气温(℃)、X14工业产值(万元)、X15农林渔牧业产值(万元).经SPSS软件检验，初选的数据KMO系数值>0.6，显著性概率P值<0.05，满足后文进行主成分分析的标准.

3 结果与分析

3.1 土地分类结果

土地利用分类图如图1所示，为保证图整洁其中“建设”一类表示建设用地.其对应数据如表1.可以观察到，崇礼区在2000、2010、2018年土地类型总体上主要以林地和草地为主，两者面积之和占据全区总面积66%以上，其次是耕地，土地面积在600～710 km2不等；而建设用地和水域的面积相对较少，其占比均不到本区域总面积的1%；可以认为该区土地格局分布与整个研究区的地貌存在一定相关性，崇礼区最低海拔在700米以上(由DEM图)，山峰陡峭，人类干扰程度较小，适宜天然植物林生长.

图1 崇礼区2000年～2018年土地利用

表1 崇礼区2000年—2018年土地利用类型面积与比例

3.2 土地利用变化分析

由表2来看，崇礼区2000—2018年土地利用面积中草地、建设用地和水域是处于增加态势，增加面积分别为19.30 km2、0.81 km2、40.43 km2；耕地和林地面积均呈下降趋势，近20年来分别减少了近52.09 km2、8.39 km2，其中变化幅度最大的是耕地和建设用地，变化幅度最小的是水域，2000年～2018年期间其面积增加了约0.03%；从各阶段来看，2000年～2010年有3种类型的土地利用面积变化程度要大于2010年～2018年，分别是耕地、草地、水域；前后两时期中，2010年～2018年耕地变化最大，8年期间减少了近97.03 km2，而变化最小的是水域，2000年～2010年仅增加了0.38 km2，变化的差异与两者土地利用面积基数大小可能存在一定关系.

表2 崇礼区2000年—2018年土地利用类型变化量与单一土地动态度

单一土地动态度反映的是某一土地利用变化的速率.由表2观察可知，2000年～2018年建设用地的变化速率最为剧烈，且前一时期比后一时期较为显著；变化速率最低的是2010年～2018年林地面积变化，其动态度仅为-0.05%，与后一时期基本持平；耕地在2010年～2018年的变化量是2000年～2010年的2倍多，动态度绝对值均在0.68%～1.71%之间；在2000年～2010年期间，草地与耕地两者面积变化速率基本相同.可以分析知，草地由于其在本区内面积最大，即使多年变化量多于其它类型土地，动态度也不一定大于其它土地；而建设用地在该区面积占比本身较小，在变化量小于其它类型土地变化量的情况下动态度也可能偏高.

3.3 主要驱动力因素分析

将基本覆盖崇礼区的崇礼县2000年～2017年的社会、气象数据导入到SPSS软件进行主成分分析得到表3.根据表3中特征值>1和累计贡献率>85%的原则提取了前3个主成分F1、F2、F3，故提取这3个主成分进行荷载分析，得到荷载矩阵表4.从表4中可以观察到与第一主成分相关性较大的驱动因子有：X3全县GDP、X4第一产业值、X5第二产业值、X6第三产业值、X7固定资产投资、X8农民人均年收入、X11公路里程(km)、X15农林渔牧业产值；与第二主成分和第三主成分相关性较大的因子分别是X2农村人口、X12年均降雨量和X13年均气温.这表明崇礼区2000—2018年土地利用变化的主要驱动力可以归类为：社会因素和自然因素，其中社会因素主要包括产业结构调整、农村社会变化、经济发展.

表3 主成分特征值及其贡献率

表4 驱动因子荷载矩阵

3.4 驱动因素分析

3.4.1 人为、社会因素

(1)产业结构调整、经济发展.从图2来看，2000年—2017年崇礼区内GDP持续增加，在2013年达到峰值后缓慢下降，第一产业、第二产业占比在18年来缓慢增高.经济的大幅度提升，以及工业、农业产值在经济作用中的比重增加，侧面反映了对农业用地、建设用地、工矿用地等土地的利用程度加大；农业用地的增加一定程度上加大农业用水的需求，水库、人工水渠以及修建相应的水利设施应运而生，这符合本区内水域、建设用地面积变化的趋势；结合崇礼区实际情况来看，其粮食产量变化在基期内比较平稳，即使耕地面积的大幅度降低，但也不排除各方面先进的种植技术带来的粮食亩产提高，形成耕地减少但是粮食产量却保持平稳的局面；其中，蔬菜产量从2000年～2015年期间增加了6倍多，尽管考虑研究期间农业技术提升带来亩产值收益的因素，园地面积的开发利用无疑是迅速增加的，园地归属在林地一类，可以人为研究期内林地面积的增加与耕地转入成园地的变化具有很强的相关性；综合因素来看，崇礼区当地经济上的迅速发展，与耕地、草地转换成具有推动经济水平效益的林地、建设用地等产业结构调整、经济发展等驱动因素.

图2 2000年～2017年崇礼区GDP和产业结构比例

(2)农村社会变化.2000年～2017年崇礼区农村人口持续降低，到2015年才有所回升.农业人口的减少一定程度上能说明当地对耕地利用的需求下降，同时农民人均收入的稳步增加，一方面是符合GDP总量增大和人口数量减少的数值特征，另一方面也与耕地减少却不减产的精细化种植提高的亩产收益趋势吻合；多年来崇礼区公路里长呈持续增加的局势，结合总人口数的增多以及工矿企业的注资对工矿建设用地利用的需求增大是推动城镇化进程不断加速、建设用地增加的强力驱动因素.

3.4.2 自然因素

气温和降雨.崇礼区地处大陆性季风气候区，6到9月经常伴有局部暴雨，强度较大且经常频发[15].半干旱半湿润的地理条件、多风低温的气候特点、局部性的暴雨频发造成的气象灾害、以及年际降雨量的不稳定都极大可能对该区土地利用变化造成一定影响.图3可以观察，2000年～2017年崇礼区年际降雨量变化较大，多年均降雨量464.32 mm，年均气温则保持稳定态势，多年年均气温在4.3℃左右；耕地面积的阶段性减少与避免基期内因不稳定的降雨因素带来的农业减产可能具有较大成因；水域面积受年内降雨影响较大，年内不同月份的水域面积也可能差值相异，年际降雨的不均匀性一定程度上推动了该区的居民对水渠、河塘、水库以及水利设施的兴建，间接促进了水域面积在研究时期内的增加.

图3 2000年～2017年崇礼区年均降雨量和年均气温

4 结 论

(1)近20年来，崇礼区土地结构以草地、林地、耕地为主，三者面积共计占比超过97%，水域面积多年在保持在15.36 km2～16.17 km2,建设用地面积从2000年的8.72 km2增加到2018年的49.51 km2.

(2)退耕还林还草政策的成效具体体现在2010年后，该区耕地的显著下降以及草地的大幅度增加对该政策得到了较好的印证.

(3)在大的宏观政策调控因素下，影响该区土地格局变动的因素主要为经济产业结构的调整以农村社会的较大变化，而自然因素的影响甚微.