吉林西部土地利用轉(zhuǎn)型機(jī)制研究

吳陽(yáng)，王靈芝，李淑杰，程子朗，鹿捷鳴

吉林大學(xué) 地球科學(xué)學(xué)院，長(zhǎng)春 130061

0 引言

中國(guó)正處于經(jīng)濟(jì)高速發(fā)展、人口壓力劇增的時(shí)期，土地利用在深度與廣度上均發(fā)生著顯著轉(zhuǎn)型[1]。土地利用轉(zhuǎn)型指在經(jīng)濟(jì)社會(huì)變化和革新的驅(qū)動(dòng)下，一段時(shí)期內(nèi)與經(jīng)濟(jì)和社會(huì)發(fā)展階段轉(zhuǎn)型相對(duì)應(yīng)的區(qū)域土地利用形態(tài)的轉(zhuǎn)變過程[2--4]。吉林西部是國(guó)家的重要商品糧生產(chǎn)基地，包含白城和松原兩個(gè)地級(jí)市，保證耕地?cái)?shù)量及質(zhì)量是保障糧食生產(chǎn)安全的重要基礎(chǔ)[5]，而在新型城鎮(zhèn)化背景下，吉林西部對(duì)于建設(shè)用地的需求不斷增加。因此，梳理出影響土地利用轉(zhuǎn)型的關(guān)鍵因素，對(duì)于有效平衡耕地與建設(shè)用地?cái)?shù)量，合理利用土地資源尤其必要。借助ArcGIS平臺(tái)、SPSS軟件、Fragstats景觀格局軟件及數(shù)理統(tǒng)計(jì)方法，筆者對(duì)吉林西部1995—2015年間土地利用數(shù)量變化和土地利用格局變化進(jìn)行分析，揭示影響土地利用轉(zhuǎn)型的主導(dǎo)因子，從而為政府科學(xué)確定土地資源優(yōu)化配置方案，平衡公共利益與集團(tuán)利益提供理論依據(jù)。

1 研究區(qū)與數(shù)據(jù)來源

1.1 研究區(qū)概況

吉林西部地區(qū)總面積46 862 km2，轄白城和松原兩個(gè)地級(jí)市，內(nèi)轄洮北區(qū)、洮南市、大安市、通榆縣、鎮(zhèn)賚縣、寧江區(qū)、長(zhǎng)嶺縣、前郭縣、乾安縣和扶余縣等市縣，為吉林省糧食生產(chǎn)基地的重要組成部分(圖1)。該地區(qū)地勢(shì)整體上為西北高，東南低，境內(nèi)湖泊泡沼眾多，屬半濕潤(rùn)、半干旱的溫帶大陸性氣候區(qū)。由東向西的地帶性土壤為黑鈣土、淡黑鈣土和栗鈣土。2016年吉林西部人口為471.83×104人，GDP為2 351.83×108元。

圖1 吉林西部位置Fig.1 Location of western Jilin

1.2 數(shù)據(jù)來源

1995年、2000年、2005年和2015年吉林西部遙感數(shù)據(jù)、吉林西部高程DEM數(shù)據(jù)、吉林省地理信息系統(tǒng)(1∶100 000)數(shù)據(jù)、 河流數(shù)據(jù)和土壤數(shù)據(jù)源自中國(guó)科學(xué)院環(huán)境中心；平均降水量數(shù)據(jù)、平均氣溫?cái)?shù)據(jù)源自吉林省氣象局；吉林西部社會(huì)經(jīng)濟(jì)數(shù)據(jù)源自吉林省統(tǒng)計(jì)年鑒及實(shí)地調(diào)查整理獲取。

2 土地利用轉(zhuǎn)型分析

2.1 數(shù)量變化

利用1995年、2000年、2005年和2015年吉林省西部遙感影像解譯的土地利用現(xiàn)狀數(shù)據(jù)，借助ArcGIS軟件的Summary模塊，按照時(shí)間順序，分別統(tǒng)計(jì)各個(gè)年份不同種類土地的總面積。經(jīng)處理后借助EXCEL軟件，執(zhí)行求和等命令，得出吉林省西部各地類總面積變化情況。為更直觀表示地類總面積的變化情況，以吉林西部土地總面積為分母，各地類變化的面積為分子，求取各地類面積變化率(表1)。

表1 吉林西部各地類面積變化率

Table 1 Variation rate of land area for different usage in western Jilin/%

地類時(shí) 間1995—20002000—20052005—20151995—2015耕地-4.509.43-0.614.31林地1.29-0.380.581.49草地-0.68-3.50-3.95-8.14水域-2.770.06-1.31-4.03建設(shè)用地0.280.120.330.73未利用地6.39-5.704.945.63

從吉林西部1995—2015年土地利用變化的整體特點(diǎn)看，在20年間，吉林西部耕地、林地和建設(shè)用地面積增加，面積變化率分別為4.31%、1.49%和0.73%。草地和水域面積減少，面積變化率分別為8.14%、4.03%。1995—2000年、2005—2015年吉林西部各地類面積變化的趨勢(shì)較為一致(耕地、草地和水域面積減少，林地、建設(shè)用地面積增加)，與2000—2005年的變化趨勢(shì)相反(耕地、水域和建設(shè)用地面積增加，林地、草地和未利用地面積減少)。

為明確不同地類相互轉(zhuǎn)化的規(guī)律性，借助Arcgis軟件的Intersect模塊，按照時(shí)間順序，將4期土地利用現(xiàn)狀數(shù)據(jù)中相鄰的兩期(1995年與2000年；2000年與2005年；2005年與2015年)進(jìn)行疊加，經(jīng)處理后借助EXCEL軟件，執(zhí)行數(shù)據(jù)菜單中的“數(shù)據(jù)透視表和數(shù)據(jù)透視圖”命令，得到吉林西部土地利用轉(zhuǎn)移矩陣，為更直觀表示地類轉(zhuǎn)換的數(shù)量關(guān)系，用公式(1)求取地類轉(zhuǎn)移率矩陣[6]：

Ti=ti/C×100%

(1)

式中：Ti為第i種地類轉(zhuǎn)移率；ti為第i種地類轉(zhuǎn)移量；C為所有地類總轉(zhuǎn)移量(C=t1+t2+t3+...tn)。

1995—2000年，耕地、草地和水域減少，林地、建設(shè)用地和未利用地增加(表2)。耕地減少的原因主要是轉(zhuǎn)化為草地(20.1%)和林地(4.25%)，雖然有部分草地(13.05%)被開墾成耕地，但主要以退耕還草、還林為主。建設(shè)用地增加的面積主要來自耕地(1.90%)、草地(0.17%)和未利用地(0.22%),可以看出耕地保護(hù)與建設(shè)用地?cái)U(kuò)張之間矛盾存在，未利用土地的開發(fā)整理同樣實(shí)現(xiàn)了對(duì)建設(shè)用地面積擴(kuò)張的補(bǔ)充。

2000—2005年，耕地、水域和建設(shè)用地增加，林地、草地和未利用地減少(表3)。耕地增加面積主要來自草地(20.32%)、未利用地(14.14%)和林地(7.29%)，可以看出以開墾草地、林地為耕地，整理未利用地為耕地為主。建設(shè)用地增加主要來源為耕地(2.13%)和未利用地(0.85%)，說明建設(shè)用地?cái)U(kuò)張與耕地保護(hù)之間矛盾更加突出，同時(shí)繼續(xù)開發(fā)整理未利用地來擴(kuò)張建設(shè)用地。未利用地減少的主要原因是被開墾成耕地(14.14%)，還有一部分轉(zhuǎn)化為草地(10.84%)，說明對(duì)未利用地的開發(fā)整理實(shí)現(xiàn)了對(duì)耕地的補(bǔ)充。

表2 1995—2000年吉林西部土地利用變化率轉(zhuǎn)移矩陣

表3 2000—2005年吉林西部土地利用變化率轉(zhuǎn)移矩陣

2005—2015年，耕地、草地和水域面積減少，林地、建設(shè)用地和未利用地面積增加(表4)。耕地流失主要表現(xiàn)為向林地(9.25%)和草地(7.40%)轉(zhuǎn)化，說明以退耕還林、還草為主。建設(shè)用地增加面積主要來自耕地(3.01%)和未利用地(0.87%)，可以看出耕地保護(hù)與建設(shè)用地矛盾嚴(yán)重。

表4 2005—2015年吉林西部土地利用變化率轉(zhuǎn)移矩陣

2.2 格局變化

景觀格局是指景觀空間格局，即大小、形狀各異的景觀要素在空間上的排列和組合，包括景觀單元的類型、數(shù)目及空間分布與配置[7--8]。利用1995年、2000年、2005年和2015年吉林西部遙感影像解譯的土地利用現(xiàn)狀數(shù)據(jù)，通過景觀格局尺度分析軟件Fragstats[9]，分別在景觀尺度與類型尺度展開分析。選取斑塊密度(PD)、邊緣密度(ED)、平均斑塊面積(AREA_MN)、最大斑塊指數(shù)(LPI)、景觀形狀指數(shù)(LSI)、平均斑塊分維數(shù)(FRAC_MN)、景觀多樣性指數(shù)(SHDI)及蔓延度指數(shù)(CONTAG)8個(gè)變化顯著的指標(biāo)分析景觀尺度土地利用格局的時(shí)空變化；選取斑塊密度(PD)、邊緣密度(ED)、平均斑塊面積(AREA_MN)、最大斑塊指數(shù)(LPI)、景觀形狀指數(shù)(LSI)及斑塊聚合度指數(shù)(AI)6個(gè)指標(biāo)來分析類型尺度土地利用格局的時(shí)空變化。

2.2.1 景觀格局

將得到的1995年、2000年、2005年和2015年的景觀格局指數(shù)值按時(shí)間順序求出景觀格局尺度指數(shù)差(表5)，獲取景觀指數(shù)的變化值，將其作為反映景觀格局變化的指標(biāo)。

從景觀格局尺度的數(shù)據(jù)分析來看，1995—2000年、2005—2015年呈現(xiàn)出破碎化程度加劇，斑塊的形狀規(guī)則程度、整體性和連通性下降的態(tài)勢(shì)，最大斑塊優(yōu)勢(shì)度下降， 斑塊平均面積減少， 1995—2000年稍為微弱，2005—2015年尤為劇烈。2000—2005年斑塊整體破碎化程度減弱，展現(xiàn)出形狀規(guī)則，連通統(tǒng)一，整體加強(qiáng)的態(tài)勢(shì)。

表5 1995—2015年吉林西部土地利用景觀格局變化

可以看出，1995—2000年、2005—2015年土地利用方式趨于局部化與多元化，土地利用格局分散破碎；2000—2005年更注重土地集約化、規(guī)模化利用，土地利用格局相對(duì)完整。

2.2.2 類型格局

分別得到1995年、2000年、2005年和2015年各地類(耕地、林地、草地、水域、建設(shè)用地和未利用地)的格局指數(shù)(表6)。

表6 1995—2015年吉林西部土地利用類型格局變化

1995—2000年，除耕地與建設(shè)用地外，其余各地類破碎化程度增加。建設(shè)用地的平均斑塊面積與優(yōu)勢(shì)度上漲明顯，耕地完整性上升，草地與林地的最大斑塊面積下降，優(yōu)勢(shì)度與聚集程度明顯降低。

2000—2005年，林地和草地破碎化程度加劇，建設(shè)用地表現(xiàn)出斑塊面積減少，破碎化加劇，形狀不規(guī)則的趨勢(shì)，耕地與未利用地的完整性與集聚程度呈現(xiàn)上升態(tài)勢(shì)，未利用地的平均斑塊面積大幅度上升。

2005—2015年，除建設(shè)用地外，其余地類均不同程度展現(xiàn)出破碎化程度加劇的趨勢(shì)，耕地和未利用地最為明顯，草地和林地緊隨其后。水域由于其地類的特殊性，破碎化變化幅度不大，但仍存在著聚集程度降低，整體性下降的情況。

3 轉(zhuǎn)型驅(qū)動(dòng)機(jī)制分析

3.1 驅(qū)動(dòng)因子選取

土地利用轉(zhuǎn)型是在一個(gè)特定區(qū)域內(nèi)自然、社會(huì)、經(jīng)濟(jì)、法律、制度和工程技術(shù)等因素相互作用、共同約束的結(jié)果[10--11]。土地利用轉(zhuǎn)型既受自然條件的作用和制約，又受經(jīng)濟(jì)、技術(shù)、社會(huì)和政策等條件的影響。筆者選取自然因素、社會(huì)經(jīng)濟(jì)因素和政策因素多個(gè)指標(biāo)作為土地利用轉(zhuǎn)型驅(qū)動(dòng)因子，對(duì)吉林西部1995—2015年土地利用轉(zhuǎn)型驅(qū)動(dòng)機(jī)制展開分析。

3.1.1 自然因素

本研究選取地形條件(高程)、水文條件(距水域距離)、氣候條件(多年平均降水量、平均氣溫)和土壤條件(砂土含量)4類自然驅(qū)動(dòng)因子。

3.1.2 社會(huì)經(jīng)濟(jì)因素

本研究選用總?cè)丝?、人均GDP、農(nóng)民人均純收入、城鎮(zhèn)化率、地方財(cái)政一般預(yù)算支出和第一產(chǎn)業(yè)增加值作為表征人口、經(jīng)濟(jì)和社會(huì)發(fā)展的指標(biāo)；選用距城鎮(zhèn)距離表征區(qū)位條件以及距主要公路、鐵路距離表征交通條件。

3.1.3 政策因素

本研究以有無(wú)土地政策以及土地政策執(zhí)行和檢查嚴(yán)格程度來表征政策因素影響[12]。

3.2 驅(qū)動(dòng)因子定量化

交通條件用距主要公路、鐵路的距離表征，水文條件用距水域的距離表征，區(qū)位條件用距城鎮(zhèn)距離表征。通過ArcGIS的Euclidean Distance工具將相關(guān)圖層文件進(jìn)行處理，得到對(duì)應(yīng)每個(gè)像元至每個(gè)源最短距離的柵格數(shù)據(jù)。地形條件用高程表征，氣候條件由多年平均降水量和平均氣溫表征，土壤條件由砂土含量表征。借助ArcGIS的Feature to Raster工具得到相關(guān)圖層的柵格數(shù)據(jù)。通過ArcGIS的Intersect工具得出土地利用轉(zhuǎn)型矢量數(shù)據(jù)，并根據(jù)地類轉(zhuǎn)變類型轉(zhuǎn)為柵格數(shù)據(jù)；借助ArcGIS的Raster to Point工具將以上柵格數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)為帶有地類轉(zhuǎn)變類型屬性的點(diǎn)圖層；然后，通過ArcGIS的Extract Multi Values to Point工具將相關(guān)柵格數(shù)據(jù)的值提取到點(diǎn)圖層。最后，將得到的點(diǎn)圖層屬性表導(dǎo)出。

人口、社會(huì)經(jīng)濟(jì)等外生驅(qū)動(dòng)因子的定量化。首先將統(tǒng)計(jì)年鑒中吉林西部1995—2015年總?cè)丝?、人均GDP、農(nóng)民人均純收入、城鎮(zhèn)化率、地方財(cái)政支出和第一產(chǎn)業(yè)增加值等數(shù)據(jù)錄入Excel；其次，通過ArcGIS的Join功能將其導(dǎo)入。最終實(shí)現(xiàn)土地利用轉(zhuǎn)型自然和社會(huì)經(jīng)濟(jì)驅(qū)動(dòng)因子的定量化。

中國(guó)1999年開始實(shí)施新的《土地管理法》，2000年開始利用衛(wèi)星遙感監(jiān)測(cè)成果開展土地執(zhí)法檢查，并隨之采取了一系列土地違法治理措施；2004年10月發(fā)布《國(guó)務(wù)院關(guān)于深化改革嚴(yán)格土地管理的決定》，強(qiáng)化土地管理法規(guī)的執(zhí)行力度；2006年7月建立國(guó)家土地督察制度，土地違法查處嚴(yán)格程度進(jìn)一步提高。因此，依照土地違法治理政策嚴(yán)格程度的層次遞進(jìn)關(guān)系，將1995—2000年取值為1，2000年—2005年取值為2，2005年—2015年取值為3。

3.3 驅(qū)動(dòng)機(jī)制分析

3.3.1 自然因素分析

采用多元邏輯回歸方法進(jìn)行分析。將地類轉(zhuǎn)變作為因變量，距水域距離、距城鎮(zhèn)距離、距公路距離、距鐵路距離、高程、降水、砂土含量和氣溫等驅(qū)動(dòng)因子納入?yún)f(xié)變量，采用主效應(yīng)模型進(jìn)行多元邏輯回歸分析。分析結(jié)果顯著性概率值<0.01，偏回歸系數(shù)的整體似然比檢驗(yàn)有統(tǒng)計(jì)學(xué)意義。

回歸結(jié)果表明(表7)，1995—2000年典型地類轉(zhuǎn)變(耕地轉(zhuǎn)草地、耕地轉(zhuǎn)林地和耕地轉(zhuǎn)建設(shè)用地)的主要驅(qū)動(dòng)因子分別為距公路距離、距鐵路距離和距鐵路距離，其顯著性均<0.001，偏回歸系數(shù)分別為-5.353、-2.824和-4.573；表明交通條件對(duì)1995—2000年典型地類轉(zhuǎn)變影響較大。

回歸結(jié)果表明(表8)，2000—2005年內(nèi)典型地類轉(zhuǎn)變(草地轉(zhuǎn)耕地、林地轉(zhuǎn)耕地、未利用地轉(zhuǎn)耕地和耕地轉(zhuǎn)建設(shè)用地)的主要驅(qū)動(dòng)因子分別為距公路距離、距公路距離、氣溫和距公路距離，其顯著性均<0.001，偏回歸系數(shù)分別為3.431、8.897、0.070和-21.744；表明交通條件對(duì)2000—2005年內(nèi)典型地類轉(zhuǎn)變影響較大，同時(shí)氣候條件也有一定影響。

回歸結(jié)果表明(表9)，2005—2015年內(nèi)典型地類轉(zhuǎn)變(耕地轉(zhuǎn)草地、耕地轉(zhuǎn)林地和耕地轉(zhuǎn)建設(shè)用地)的主要驅(qū)動(dòng)因子均為距公路距離，其顯著性均<0.001，偏回歸系數(shù)分別為7.742、4.234和-21.354；表明交通條件對(duì)2005—2015年內(nèi)典型地類轉(zhuǎn)變影響較大。

表7 1995—2000年邏輯回歸分析結(jié)果

表8 2000—2005年邏輯回歸分析結(jié)果

表9 2005—2015年邏輯回歸分析結(jié)果

3.3.2 社會(huì)經(jīng)濟(jì)因素分析

采用多元線性回歸方法，以1995—2015年吉林西部典型地類變化面積分別作為因變量，總?cè)丝?、人均GDP、農(nóng)民人均純收入、城鎮(zhèn)化率、地方財(cái)政一般預(yù)算支出和第一產(chǎn)業(yè)增加值作為自變量。采用逐步回歸的方法，按自變量影響力的大小自動(dòng)排除強(qiáng)相關(guān)的變量，同時(shí)自動(dòng)排除對(duì)因變量無(wú)顯著影響的自變量，從而得到更可靠的分析結(jié)果(表10)。其中以未利用地面積為因變量進(jìn)行分析時(shí)，沒有任何變量進(jìn)入方程，說明這6種驅(qū)動(dòng)因子均對(duì)未利用地面積無(wú)顯著影響，故不納入分析結(jié)果。

表10 1995—2015年線性回歸分析結(jié)果

使用定系數(shù)檢驗(yàn)法(R檢驗(yàn))對(duì)以上構(gòu)建的模型進(jìn)行檢驗(yàn)，R值分別為0.900(以耕地面積為因變量)、0.691(以林地面積為因變量)、0.988(以草地面積為因變量)和0.947(以建設(shè)用地面積為因變量)，整體擬合度較好，以林地面積為因變量的模型擬合度略低。同時(shí)，以上多元逐步回歸選取的自變量均通過了回歸系數(shù)顯著性檢驗(yàn)(t檢驗(yàn))，P-value均<0.05，選取的自變量均對(duì)因變量有顯著影響。

根據(jù)上述分析結(jié)果來看，城鎮(zhèn)化率與耕地、草地和建設(shè)用地面積有顯著的相關(guān)性，是導(dǎo)致這3類土地面積變化的共性驅(qū)動(dòng)因子，表明驅(qū)動(dòng)耕地轉(zhuǎn)建設(shè)用地的主要驅(qū)動(dòng)因子是城鎮(zhèn)化水平。林地和草地面積變化的主要驅(qū)動(dòng)因子是農(nóng)民人均純收入，表明典型轉(zhuǎn)變(耕地轉(zhuǎn)草地、耕地轉(zhuǎn)林地、草地轉(zhuǎn)耕地和林地轉(zhuǎn)耕地)與農(nóng)民收入有顯著的相關(guān)性。

3.3.3 政策因素分析

以政策因素分值為自變量，典型地類轉(zhuǎn)變?yōu)橐蜃兞?，采用主效?yīng)模型進(jìn)行多元邏輯回歸分析。顯著性概率值<0.01，但該模型能解釋地類轉(zhuǎn)變只達(dá)到17.9%，說明該模型擬合效果不理想，結(jié)果未達(dá)到預(yù)期效果。

4 討論

筆者通過探討獲取1995—2015年吉林西部土地利用轉(zhuǎn)型特點(diǎn)及驅(qū)動(dòng)機(jī)制，對(duì)吉林西部未來土地利用提出了相關(guān)對(duì)策建議。吉林西部雖然以犧牲耕地為代價(jià)的建設(shè)用地?cái)U(kuò)張帶來了相應(yīng)的經(jīng)濟(jì)效益和城鎮(zhèn)化水平提高[13]，但在未來的土地利用中，應(yīng)保證耕地總量不突破安全閾值[14--15]；同時(shí)必須控制建設(shè)用地的增長(zhǎng)速率，注意內(nèi)延式的集約節(jié)約用地，控制外延式的建設(shè)用地量的擴(kuò)張，通過產(chǎn)業(yè)結(jié)構(gòu)調(diào)整和升級(jí)，拉動(dòng)吉林西部經(jīng)濟(jì)的健康發(fā)展。

研究過程中，政策因素量化效果未達(dá)到預(yù)期，這與研究區(qū)域土地政策執(zhí)行情況等相關(guān)，后續(xù)研究中將重點(diǎn)考慮政策執(zhí)行力度與土地利用轉(zhuǎn)型影響的強(qiáng)度與力度，不斷優(yōu)化政策量化指標(biāo)與方法。同時(shí)本研究主要關(guān)注于土地利用顯性形態(tài)的變化，在今后的土地利用轉(zhuǎn)型研究中應(yīng)更多關(guān)注土地利用隱性形態(tài)的變化，并將其與土地資源管理決策的制定密切聯(lián)系起來[10]，以期加快推動(dòng)土地資源管理方式從單純的數(shù)量管理向數(shù)量、質(zhì)量和生態(tài)并重的綜合管理轉(zhuǎn)變，以更好的優(yōu)化配置和高效利用城鄉(xiāng)土地資源。

5 結(jié)論

(1)1995—2000年、2005年—2015年吉林西部土地利用轉(zhuǎn)型主要特點(diǎn)為以退耕還草、退耕還林為主，耕地與建設(shè)用地之間存在矛盾。2000—2005年吉林西部土地利用轉(zhuǎn)變主要特點(diǎn)為以開墾林地、草地和未利用地為耕地為主，耕地與建設(shè)用地矛盾突出。

(2)驅(qū)動(dòng)1995—2015年吉林西部土地利用轉(zhuǎn)型的共同驅(qū)動(dòng)因子為交通條件和城鎮(zhèn)化水平。1995—2000年、2005—2015年，耕地轉(zhuǎn)草地、耕地轉(zhuǎn)林地多發(fā)生在交通條件較差的區(qū)域，主要驅(qū)動(dòng)因子為交通條件；2000—2005年，農(nóng)民通過開墾草地、林地和未利用地來提高收入，土地利用轉(zhuǎn)型多發(fā)生在交通便利的區(qū)域，主要驅(qū)動(dòng)因子為農(nóng)民人均純收入和交通條件。

(3)在吉林西部的土地利用中，耕地與建設(shè)用的矛盾比較突出，耕地被建設(shè)用地大量占用，同時(shí)耕地與草地、林地之間的反復(fù)轉(zhuǎn)化活動(dòng)使得耕地連通性和完整性下降。