劉煥才， 郭俊莉， 張潔，李曼

1.山西師范大學(xué)地理科學(xué)學(xué)院，山西 臨汾 041000；2.山西師范大學(xué)現(xiàn)代文理學(xué)院，山西 臨汾 041000

0 引言

作為人類生存和發(fā)展的重要基礎(chǔ)和物質(zhì)來源，土地資源的變化過程深刻反映社會經(jīng)濟(jì)發(fā)展[1].自1995年《土地利用/土地覆被變化科學(xué)研究計劃》發(fā)布以來[2]，土地利用/覆被變化(Land Use/Cover Changes,LUCC)已成為全球環(huán)境變化研究的重點領(lǐng)域之一.LUCC研究在我國起步較早，1978以后已有連續(xù)性工作開展，尤其是進(jìn)入21世紀(jì)后，我國已成為全球城市化和工業(yè)化發(fā)展最富活力的地域之一，LUCC正在發(fā)生劇變并對糧食安全、生態(tài)安全等產(chǎn)生深遠(yuǎn)影響[3～5]，因此相關(guān)研究也呈快速遞增趨勢.

中國幅員遼闊，地區(qū)間自然、經(jīng)濟(jì)、社會條件差異明顯，因此開展不同空間尺度和地域的土地利用變化研究是深刻認(rèn)識我國LUCC及其驅(qū)動力的切入點，大量的實地研究成效顯著.例如重慶市在2005年以后土地利用變化朝著越來越穩(wěn)定的方向發(fā)展，總體上其土地利用水平處于發(fā)展期，但區(qū)縣之間各類土地利用變化的相對速率差異較大[6].京津冀城市建設(shè)用地增長由三產(chǎn)產(chǎn)值、地方財政支出、公路營運里程和房屋施工面積4個變量決定，但對于不同類別的城市來說，其核心驅(qū)動力存在著明顯差異[7].而對新疆阿克蘇河流域的研究發(fā)現(xiàn)，耕地、建設(shè)用地以單向轉(zhuǎn)入為主，草地、水域以單向轉(zhuǎn)出為主，不斷加強(qiáng)的人類活動是主要驅(qū)動力，而氣候變化起到基礎(chǔ)性作用[8].山西省的土地利用變化也已經(jīng)做了大量的研究工作[9～16].總體上山西以農(nóng)田和林地為主，2000年～2010年農(nóng)田和林地顯著增加，而草地和水體濕地類面積卻顯著減少，建設(shè)用地先降后增，荒地類面積變化不明顯[9]，但各地區(qū)土地利用變化差異較大.例如汾河上游林草地面積呈增加趨勢，農(nóng)用地與水域面積呈減少趨勢，該變化對汾河徑流量的減少有重要影響[10].2000年～2010 年忻州市土地利用變化整體表現(xiàn)為耕地與濕地減少，而林地、草地、水體與建設(shè)用地相應(yīng)增加[11].而晉南地區(qū)近25年總體上水體、耕地、林地呈減少趨勢，建筑用地和裸地呈增加趨勢，氣候與人口是土地變化主要的驅(qū)動因素[12].

萬榮縣位于汾河與黃河交匯處，地處華北、西北、中原三大地域連接處的山西省西南部，隸屬于山西省運城市，文化底蘊深厚，是重要的農(nóng)業(yè)生產(chǎn)基地和旅游勝地.基于此，本文利用1990年、1999年、2008年、2017年4個時段的Landsat遙感影像及社會統(tǒng)計數(shù)據(jù)，采用隨機(jī)森林分析萬榮縣近30年來的土地利用動態(tài)變化特征及其驅(qū)動因素，以期為當(dāng)?shù)赝恋乩靡?guī)劃及管理提供決策依據(jù).

1 研究區(qū)概況

萬榮縣位于山西省的西南部，運城市的西北方向，有汾河的支流和黃河少部分水域流經(jīng)萬榮縣(圖1).地勢起伏不大，由東南向西北方向稍稍傾斜，屬于運城盆地.東部一帶地區(qū)地貌表現(xiàn)出臺狀型的黃土高原地貌，其中稷王山與孤峰山居高，人口稀少，水資源極其匱乏；中西部呈現(xiàn)為黃土谷地地貌，地勢較平坦，人口多且分布相對均勻，水資源相比東部多，屬于暖溫帶半濕潤氣候區(qū)，年平均氣溫12.0℃，年降水量522.2 mm[17].萬榮縣境內(nèi)有209、108國道穿境而過，交通便利.產(chǎn)業(yè)結(jié)構(gòu)以種植農(nóng)業(yè)為主，有優(yōu)質(zhì)果品基地縣的稱號.

圖1 萬榮縣地理位置示意圖
Fig.1 Map showing the study area

2 數(shù)據(jù)與方法

2.1 數(shù)據(jù)來源及處理

萬榮縣1990年、1999年、2008年和2017 年的土地利用數(shù)據(jù)以地理空間數(shù)據(jù)云平臺提供的4期Landsat遙感影像作為數(shù)據(jù)源(表1).所選取年份的影像取自當(dāng)年6月～9月云量為0或趨于0的遙感影像，此階段植被覆蓋率大，有利于保證土地分類的準(zhǔn)確度，然后在ArcGIS中加載中國矢量邊界后提取萬榮縣矢量邊界，用于萬榮縣遙感影像的邊界裁剪.此外，還包括1∶200 000萬榮縣行政區(qū)劃圖和《山西省統(tǒng)計年鑒》.

根據(jù)實際情況并結(jié)合全國第二次土地利用調(diào)查分類，將萬榮縣近30年的土地類型分為5種大類：水域(包括河流、水庫等)、耕地(包括旱地、園地等)、林草地(包括灌木林地、疏林地、草地等)、建設(shè)用地(包括城鎮(zhèn)村莊、交通用地、工礦用地等)和未利用土地(包括裸地、荒草地等).

表1 遙感影像數(shù)據(jù)表Tab.1 Information of remote sensing images

2.2 研究方法

2.2.1 土地分類方法

隨機(jī)森林(Random Forests, RF)是一種基于分類與回歸決策樹(CART)的集成學(xué)習(xí)算法，是對決策樹算法的一種改進(jìn).它用Bagging算法生成有差異的訓(xùn)練樣本集，并隨機(jī)選擇特征對內(nèi)部節(jié)點進(jìn)行屬性分裂，以此隨機(jī)構(gòu)建多棵決策樹，其中每棵決策樹代表一個分類結(jié)果，隨后對所有決策樹的分類結(jié)果進(jìn)行投票，將投票次數(shù)最多的類別指定為最終輸出[18].該方法具有準(zhǔn)確率高、運算速度快、易并行化等諸多優(yōu)點，其在遙感影像分類中甚至優(yōu)于支持向量機(jī)和最大似然法[19，20]，因此是本研究主要的土地分類方法.

2.2.2 單一土地利用動態(tài)度

單一土地利用動態(tài)度反映研究區(qū)某種土地利用類型在一定時間段內(nèi)的變化速度情況[21].其數(shù)學(xué)模型為

(1)

式中，Ki為i類土地在t1到t2時段內(nèi)的動態(tài)度，Ki值越小，表明該類土地轉(zhuǎn)化為其他類型土地的數(shù)量越少，在研究期內(nèi)相對穩(wěn)定；Sit1和Sit2分別表示t1、t2時間上i類土地的面積.

3 結(jié)果與分析

3.1 土地利用變化特征

從圖2可以看出，萬榮縣土地利用一直以耕地和林草地為主，共占土地總面積的85.21 %以上.在空間分布格局上，耕地基本上在整個研究區(qū)均有分布；林草地主要分布在以孤峰山、稷王山為代表的山地、丘陵及河谷地帶；建設(shè)用地總體呈團(tuán)簇狀均勻分布于萬榮縣縣城及周邊相對集中區(qū)域；水域主要為研究區(qū)西部黃河、汾河河流水面.1990年～2017年，各類土地均發(fā)生不同程度的變化(表2)，其中耕地和林草地變化程度顯著，耕地持續(xù)下降，但近年來勢頭減緩，總體減少130.13 km2，而林草地則持續(xù)增加，近年來同樣增勢減緩，總體增加112.52 km2.水域呈波動減少趨勢，總體減少23.62 km2，而建設(shè)用地和未利用地卻呈現(xiàn)波動增加態(tài)勢，分別增加11.00 km2和30.24 km2.近30年，萬榮縣單一土地利用動態(tài)度最大的是未利用地，達(dá)3.58 %，其次為林草地和水域，分別為2.67 %和-2.11 %，而耕地和建設(shè)用地變化速率并不快.

具體來說，林草地的增加以及水域的減少是1990年～1999年土地利用變化的主要特征.面積變化最大的是林草地，增加31.02 km2，其次是水域和建設(shè)用地，分別減少22.28 km2和9.73 km2，耕地和未利用地幾乎沒有變化.從單一土地利用動態(tài)度來看，變率最大的為水域(-5.98 %)，其次是林草地和建設(shè)用地(2.21 %和-1.68 %).

1999年～2008年間，耕地的大幅減少以及其他用地不同程度的增加是其主要特征，該時期各土地利用類型變化幅度最為劇烈.面積變化最大的是耕地，達(dá)到-127.62 km2，其次是林草地(74.73 km2)，增幅較前一時段更加顯著，未利用地和建設(shè)用地開始出現(xiàn)增加現(xiàn)象，分別增加25.78 km2和19.36 km2，水域面積轉(zhuǎn)為增加，但變化幅度最小，該時段僅增加7.03 km2.從單一土地利用動態(tài)度來看，未利用地變率最大，高達(dá)9.33 %，其次是林草地(4.43 %)、水域(4.09 %)和建設(shè)用地(3.94 %)，耕地變率反而最小(-1.88 %).

2008年～2017年間，水域的減少以及林草地的增加是其主要特征，但各類土地變化幅度已開始緩和.土地面積變化最大的是水域，又開始出現(xiàn)減少趨勢(-8.38 km2)，其次是林草地、未利用地和耕地，但較前一時期變幅放緩明顯，僅分別為6.77 km2、5.03 km2和-4.08 km2，建設(shè)用地趨于穩(wěn)定.從單一土地利用動態(tài)度來看，水域面積變率最大(-3.56 %)，其他用地變率不明顯.

圖2 萬榮縣1990年(a)，1999年(b)，2008年(c)和2017年(d)土地利用空間格局Fig.2 Spatial distribution of land use in Wanrong County in 1990(a), 1999(b), 2008(c) and 2017(d)

表2 1990年～2017年萬榮縣各土地利用類型面積變化及單一土地利用動態(tài)度Tab.2 Area change and dynamic indices of different land use types in Wanrong County during 1990～2017

3.2 土地利用轉(zhuǎn)化特征

土地利用轉(zhuǎn)移矩陣表征各土地利用類型的轉(zhuǎn)移方向和轉(zhuǎn)移數(shù)量，可揭示土地利用變化的內(nèi)在過程[22].因此，本文對選取的相鄰時期影像進(jìn)行轉(zhuǎn)移矩陣變化分析，得到1990年～1999年、1999年～2008年、2008年～2017年萬榮縣土地利用變化矩陣表(表3).

1990年～1999年間，耕地與其他土地利用類型間的頻繁轉(zhuǎn)換是主要特征.水域主要以單向轉(zhuǎn)出為主，轉(zhuǎn)出面積28.27 km2，大部分轉(zhuǎn)化成為耕地(77.26 %).林草地面積轉(zhuǎn)入大于轉(zhuǎn)出，但均比較劇烈，轉(zhuǎn)入面積103.67 km2，耕地能占到93.39 %，萬榮縣南部和西部耕地是主要的轉(zhuǎn)化對象；轉(zhuǎn)出面積72.65 km2，也主要轉(zhuǎn)化成為耕地(89.06 %)，尤其是縣城周邊的轉(zhuǎn)化程度比較明顯.建設(shè)用地轉(zhuǎn)出面積37.55 km2，耕地占比高達(dá)91.16 %，主要發(fā)生在萬榮縣南部和西部鄉(xiāng)村地區(qū)；轉(zhuǎn)入面積27.82 km2，同樣也主要由耕地(79.94 %)轉(zhuǎn)化而來，主要發(fā)生在縣城地區(qū).未利用地面積轉(zhuǎn)出與轉(zhuǎn)入大致相當(dāng)，轉(zhuǎn)出面積為16.35 km2，主要開墾為耕地(90.09 %)；轉(zhuǎn)入面積15.78 km2，主要是由耕地撂荒導(dǎo)致(79.40 %).與之對應(yīng)地，耕地面積雖總體變化不大，但內(nèi)部轉(zhuǎn)化相當(dāng)劇烈.轉(zhuǎn)出面積133.94 km2，主要轉(zhuǎn)化為林草地(72.29 %)和建設(shè)用地(16.61 %)；轉(zhuǎn)入面積135.50 km2，同樣主要來自林草地(47.75 %)，其次是建設(shè)用地(26.00 %)和水域(16.12 %).

該時段水域面積的減少主要是由于圍河造田等人為因素引起.此外，20世紀(jì)末期降水的異常減少也起到重要作用，其中1997年萬榮縣年降水僅為206.1 mm，為有器測記錄以來最低[17].對于其他土地利用類型的變化，人口的轉(zhuǎn)移以及工業(yè)化活動可能是主要推動力量.自改革開放到20世紀(jì)末期，萬榮縣政府大力發(fā)展化學(xué)工業(yè)，化肥廠、煉鎂廠、焦化廠等工廠陸續(xù)在縣城及周邊興建，同時工業(yè)化活動的開展也吸引了越來越多的鄉(xiāng)村人口，萬榮縣城鎮(zhèn)人口比例已由1990年的2.63 %增加到1999年的6.15 %.總之，人口規(guī)模的不斷增加以及工業(yè)化活動的大規(guī)模開展，使得縣城周邊的耕地被轉(zhuǎn)化為建設(shè)用地，縣城規(guī)模得到相應(yīng)擴(kuò)大，同時對耕地的需求也使當(dāng)?shù)匾徊糠至植莸乇桓脑斐筛?相反地，萬榮縣南部和西部地區(qū)鄉(xiāng)村人口的不斷遷出使得當(dāng)?shù)馗睾徒ㄔO(shè)用地縮減，而林草地面積則得到相應(yīng)增加.

1999年～2008年間各土地利用類型之間的轉(zhuǎn)化更為頻繁和復(fù)雜.水域面積轉(zhuǎn)入18.4 km2，主要來自耕地(69.95 %)和未利用地(15.33 %)；轉(zhuǎn)出面積11.38 km2，主要轉(zhuǎn)化為耕地(52.20 %)和林草地(24.69 %).林草地面積轉(zhuǎn)入依然大于轉(zhuǎn)出，并且較前一時段轉(zhuǎn)化更加劇烈，轉(zhuǎn)入面積159.77 km2，絕大部分來自耕地(94.89 %)，萬榮縣南部地區(qū)尤為典型；轉(zhuǎn)出面積84.99 km2，耕地能占到91.95 %，主要發(fā)生在萬榮縣北部地區(qū).建設(shè)用地面積轉(zhuǎn)入43.79 km2，主要來自耕地(89.20 %)；轉(zhuǎn)出面積24.43 km2，向耕地的轉(zhuǎn)化亦最多(74.17 %)，主要發(fā)生在萬榮縣西北部地區(qū).未利用地轉(zhuǎn)入面積51.93 km2，主要來自耕地(90.30 %)；轉(zhuǎn)出面積26.15 km2，也主要轉(zhuǎn)化為耕地(81.41 %).與這些用地類型轉(zhuǎn)化特征不同的是，該時段耕地轉(zhuǎn)出面積遠(yuǎn)大于轉(zhuǎn)入面積，耕地出現(xiàn)大面積縮減.其轉(zhuǎn)出面積250.44 km2，主要轉(zhuǎn)化為林草地(60.54 %)、未利用地(18.72 %)和建設(shè)用地(15.60 %)；轉(zhuǎn)入面積123.50 km2，主要來自林草地(63.28 %)和未利用地(17.24 %).可見，該時段耕地的大量減少是其他用地類型尤其是林草地顯著增加的主要原因.

進(jìn)入21世紀(jì)，為改善民生問題，政府實施建設(shè)大型的水利工程，沿岸部分耕地和未利用地的轉(zhuǎn)化使得水域面積穩(wěn)步增加.此外，2003年的強(qiáng)降水也起到了一定作用[17].對于其他土地利用類型的變化，退耕還林政策以及經(jīng)濟(jì)的提速可能是主要推動力量.2000年以來政府大力鼓勵植樹造林、生態(tài)退耕，使得大量耕地除了部分被建設(shè)用地占用外開始向林草地大規(guī)模轉(zhuǎn)化，尤其是萬榮縣南部地區(qū)林草地增加顯著.此外，該時期經(jīng)濟(jì)發(fā)展勢頭強(qiáng)勁，2008年地區(qū)生產(chǎn)總值已達(dá)26.90億元，較1999年增長3倍有余，經(jīng)濟(jì)的改善不僅使城鎮(zhèn)規(guī)模進(jìn)一步擴(kuò)大，而且鄉(xiāng)村也開始重新繁榮起來，建設(shè)用地的相應(yīng)增加勢必要犧牲周邊的耕地.

2008年～2017年這段時間內(nèi)，盡管內(nèi)部之間的轉(zhuǎn)換依然劇烈，但轉(zhuǎn)出與轉(zhuǎn)入基本已經(jīng)達(dá)到平衡，各土地利用類型變幅均放緩.水域面積轉(zhuǎn)出20.91 km2，主要轉(zhuǎn)化為耕地(60.02 %)和未利用地(20.52 %)；轉(zhuǎn)入面積12.53 km2，主要來自耕地(67.04 %).林草地面積轉(zhuǎn)入133.31 km2，主要來自耕地(87.95 %)；面積轉(zhuǎn)出126.64 km2，轉(zhuǎn)化為耕地的比例高達(dá)93.64 %.建設(shè)用地面積轉(zhuǎn)出與轉(zhuǎn)入大致相當(dāng)，轉(zhuǎn)出面積24.34 km2，除耕地(52.63 %)外，向林草地的轉(zhuǎn)化也占有一定比例(28.72 %)；轉(zhuǎn)入面積25.72 km2，主要來自耕地(70.61 %).由建設(shè)用地的空間變化可以看出，縣城規(guī)模在該時段有了進(jìn)一步擴(kuò)大，但總體上萬榮縣城鎮(zhèn)化發(fā)展速度已開始放緩.未利用地轉(zhuǎn)入面積50.00 km2，主要來自耕地(78.56 %)；轉(zhuǎn)出面積44.97 km2，主要由耕地撂荒引起(76.56 %).耕地的轉(zhuǎn)移特征較為復(fù)雜，面積轉(zhuǎn)出183.07 km2，主要轉(zhuǎn)化為林草地(64.04 %)和未利用地(21.46 %)；轉(zhuǎn)入面積178.38 km2，主要來自林草地(66.48 %)和未利用地(19.30 %).

由上述土地轉(zhuǎn)換特征可以看出，優(yōu)化土地利用類型的空間結(jié)構(gòu)以兼顧經(jīng)濟(jì)發(fā)展與環(huán)境保護(hù)可能是該時段的主要推動力量.比如萬榮縣南部地區(qū)，該地區(qū)地勢平坦，適宜耕作.因此該地區(qū)部分林草地開始向耕地轉(zhuǎn)化，而在山地、丘陵和城區(qū)附近林草地面積有相應(yīng)增加.當(dāng)然，人口規(guī)模的持續(xù)增加可能也是該時期用地類型進(jìn)行調(diào)整的重要原因，截止到2017年，萬榮縣人口總數(shù)已達(dá)45.66萬人.萬榮縣以此為契機(jī)，因地制宜，建立了多個果業(yè)基地，不斷優(yōu)化農(nóng)業(yè)結(jié)構(gòu)，大力發(fā)展特色農(nóng)業(yè)，被評為“中國優(yōu)質(zhì)果品基地縣”“中國蘋果20強(qiáng)縣”，2017年地區(qū)生產(chǎn)總值已達(dá)66.13億元.

表3 1990年～2017年萬榮縣各土地利用類型轉(zhuǎn)移矩陣(km2)Tab.3 Transfer matrix of land use in Wanrong County from 1990 to 2017(km2)

4 結(jié)論

本文以山西省運城市萬榮縣為研究區(qū)，基于1990年、1999年、2008年和2017年4期遙感影像資料和社會統(tǒng)計數(shù)據(jù)，運用RS和GIS技術(shù)從土地面積變化、土地利用動態(tài)度以及土地轉(zhuǎn)移等方面對萬榮縣近30年土地利用動態(tài)變化特征及驅(qū)動力進(jìn)行分析.研究發(fā)現(xiàn)，萬榮縣主要以耕地和林草地為主，并且不同階段土地利用變化存在差異.

具體來說，在變化幅度及速率上，林草地的增加(31.02 km2)以及水域的減少(-22.28 km2)是1990年～1999年的主要特征，但水域的變率更快(-5.98 %)；1999年～2008年間，耕地的大幅減少以及以林草地為代表的其他用地不同程度的增加是其主要特征，耕地減少達(dá)127.62 km2，而林草地增加74.73 km2，但未利用地的變率更快(9.33 %)，該時期是各用地類型變幅最為劇烈的一個階段.2008年～2017年各類土地變幅已開始緩和，水域(-8.38 km2)及林草地(6.77 km2)變幅較大，并且水域的變率也最快(-3.56 %).

近30年萬榮縣各類用地之間轉(zhuǎn)化頻繁，并有越來越劇烈的態(tài)勢，其中耕地與其他用地類型尤其是林草地和建設(shè)用地之間的相互轉(zhuǎn)換更為突出，但各時段的驅(qū)動力存在一定差異.具體來說，鄉(xiāng)村人口向城鎮(zhèn)的轉(zhuǎn)移以及工業(yè)化活動的開展在1990年～1999年間可能相對重要，1999年～2008年退耕還林政策以及經(jīng)濟(jì)的提速是推動土地轉(zhuǎn)移的主要原因，而優(yōu)化土地利用類型的空間結(jié)構(gòu)以兼顧經(jīng)濟(jì)發(fā)展與環(huán)境保護(hù)可能是2008年～2017年的主要驅(qū)動力.總體上，人口增長與轉(zhuǎn)移、經(jīng)濟(jì)活動以及退耕還林政策是萬榮縣土地變化的主要推動力量.此外，氣候變化也起到一定作用.