1、近 20 年来小兴安岭典型山地林区土地利用变化及驱动机制探究 朱粤琳 吴相利 刘迪 哈尔滨师范大学 摘 要： 研究目的:通过定量分析得出影响小兴安岭地区土地利用变化的驱动机制.研究方法:以小兴安岭地区典型城市伊春市为例, 采用全国土地利用数据库精确解译的土地利用类型图, 基于 GIS 解析了实施天然林保护工程前后各 10 年的土地利用时空变化特征;运用主成分分析法、相关分析法识别土地利用类型变化的驱动因子.研究结果:20 年间, 交通用地面积增长了 24.6%, 第三产业等经济因素是其主要驱动因子;林地面积增长了 0.2%;居住地面积增长了 1.4%, 主要驱动因子为居民生活水平类指标;耕地面
2、积变化不大, 共增长 1.9%;工矿用地面积增长了5%, 主要驱动因子为第二及第三产业产值;湖泊水体大多位于林地地区, 在一定程度上会受到林业发展及政策的保护, 面积共增长 5.1%;草地面积减少 7.3%, 合计 65.6km2;裸土完全消失.研究结论:土地利用类型并未因天然林保护工程的禁采禁伐和经济的转型发展发生大的结构性波动.关键词： 土地利用变化; 驱动机制; CIS; 小兴安岭山地; 伊春市; 作者简介：吴相利 收稿日期：2017-03-22基金：国家自然科学基金项目 (41171433) Study on Xiao Hinggan Mountains Land Use Change
3、 and Driving Mechanism in Rencent 20 YearsZhu Yuelin Wu Xiangli Liu Di Harbin Normal University; Abstract： In this paper, the driving mechanism of land use change in Xiao Hinggan Mountians is studied. Methods: taking the typical city of Yicun in Xiaoxinganling as an example, and the land use type ma
4、p is used which is from the whole national land use database. the temporal and spatial characteristics of land use types in the past 10 years before and after the implementation of Natural Forest Protection Project in China were analyzed based on ARCGIS; Principal component analysis and correlation
5、analysis were used to identify the main driving factors of land use change. The Results: During this 20 years period, the traffic line area increased 24. 6%, the economic factors such as the service industry were the main driving factors; the forest land area increased 0. 2%; residential area increa
6、sed 1. 4% and the main driving force is the indicators of living standards; the area of cultivated land had a little change which increase by 1. 9%; Industrial land increased 5% and the main driving factors is the development of the secondary industry and the service industry; Most of the lake water
7、 is located in the woodland area, to a certain extent, will be protected by forestry and policy, with a total area increase of 5. 1%; Grass area reduction total 65. 6 km2 about 7. 3%;Bare soil disappeared completely. The conclusion: The prohibition of felling from Natural Forest Protection Project a
8、nd the transitional development of Yichuns economy were not made the large structural fluctuations of land use type circumstances.Keyword： Land use change; Driving mechanism; GIS; Xiao Hinggan Mountains; Yichun City; Received： 2017-03-220 引言关于土地利用变化的研究一直是全球变化类研究的热点内容1-3, 无论是生态系统的变化4还是产业空间布局、经济发展建设、城
9、市规划扩张、能源利用消耗等都与土地利用联系密切, 并最终都要落到相应的土地利用类型上5-9.伴随经济发展, 人类对自然改造的部分比例增大, 土地利用变化的动力机制亦发生了“从生态因素到人为因素”的转变10-11, 土地利用变化驱动因子更加复杂化, 近年来国际上利用多领域多学科相结合构建的模型得到广泛关注, 如智能体模型12及元胞自动机模型13法;国内学者更倾向于运用数学方法建模统计, 王秀兰等将模型分为系统诊断模型、土地利用动态变化模型及土地利用变化综合评价模型14三个模型集成进行模拟研究;史培军等应用系统动力学的原理构建了土地利用变化的系统动力学15模型.但上述研究一般将研究区选择在生态脆弱
10、区、矿产资源枯竭区、区域中心城市, 而对林区城市的研究相对较少16.小兴安岭是我国典型温带林区, 伊春市位于小兴安岭腹属典型的林区城市, 是我国最大的国有林区所在, 是我国首批实施天然林保护的林区、林业资源转型发展试点城市, 对其进行实验与研究具有一定的代表性.建国以来由于伊春林区长期奉行以采伐为主的单一林业经营模式, 林木资源日趋枯竭, 林区生态与经济相继陷入困境.2000 年国家开始实施天然林保护工程17 (下文称“天保工程”) , 伊春市实施了全面禁伐, 休养生息, 经济也探索实践摆脱单一林业采伐型经济实施转型发展, 经 10 余年的实践探索, 伊春市资源、生态、经济、社会均发生变化,
11、从各个层面视角认识发展轨迹、总结发展经验、诊断存在问题、把握发展趋势对于伊春市、小兴安岭地区乃至我国各个林区发展都具有借鉴意义.该文选取国家“天保工程”实施前后各十年“19902000”及“20002010”两个时段数据, 以伊春市为样本研究小兴安岭地区土地利用时空变化特征及多种驱动因子对土地利用的影响, 揭示土地利用变化的内在驱动机制, 期望通过研究结果回答人们存疑的“天保工程”以来土地利用类型发生快速调整波动, 生态环境与资源由于经济转型会产生显著影响乃至趋向恶化的认识问题.1 研究区概况小兴安岭位于黑龙江省中北部, 西北接大兴安岭, 东南延伸至张广才岭.山地南北约 500km, 东西约
12、210km, 占地 77725km, 地形多低山丘陵, 海拔在5001000m 之间, 年均降水量 750820mm, 属温带大陆性季风气候, 地带性植被为温带针阔混交林.伊春市是我国最大的重要国有林区, 辖区总人口 78.03 万人 (2014 年) , 林业曾是其重要的产业部门, 占经济比重最高时达 64% (1990 年) , 禁采后比重一度下降, 采伐业发展受限后, 山野产品养殖业的发展使林业仍占据重要地位, 在 2010 年时占比仍达 37%.林产加工业是第二产业的支柱产业, 占比最高时达 95% (1990 年) , 20 年间波动下降, 至 2010 年时占比降至 45%, 发展
13、模式由粗加工转向精细加工.生态旅游业特色鲜明.伊春市是小兴安岭地区的中心城市, 林区的大部分归属伊春市管辖, 其发展状况代表着整个林区的发展状况, 因而选取伊春市作为研究区域更易获取相关社会经济数据.2 数据源与研究方法该文所用数据来自于中国科学院资源环境科学数据中心的全国土地利用数据库.分别选取了 1990、2000、2005 及 2010 年的黑龙江省土地利用矢量数据, 社会经济部分的数据则来自于 19912011 年的伊春市统计年鉴.利用 ARCGIS 软件, 将各年份的土地分类图用伊春市域范围裁剪后, 按属性合并为交通用地、居住地、林地、草地、湖泊水体、裸土、旱地、工矿用地、水田九大类
14、;将不同年份的数据在 ARC-GIS 中进行叠加分析, 得到一系列的属性叠加图层, 对其属性字段进行相关计算, 即得到土地利用转移面积矩阵18, 通过矩阵可得出不同年份间各土地利用类型间发生转移的面积;运用主成分分析方法求出土地利用变化的主要驱动因子, 根据各驱动因子与各土地利用类型相关性的不同, 可有针对性的求出某一土地利用类型的主要驱动因素.3 伊春市区土地利用时空变化3.1 伊春市区土地利用时间变化读土地利用图属性可知, 1990 年时伊春市区交通用地面积为 58.97km2、居住地207.24 km、林地 17737.61km、草地 893.18km、湖泊水体 78.37km、裸土0.
15、7km、旱地 606.37km、工矿用地 12.11km、水田 3.7km (如图 1 所示) ;2010年时, 交通用地为 73.47km、居住地为 210.19km、林地 17770.33km、草地827.71km、湖泊水体 82.26km、裸土为 0、旱地 619.24km、工矿用地 12.65km、水田 2.39km (如图 2 所示) .20 年间, 面积例变化较大的土地利用类型包括交通用地、草地、湖泊水体以及工矿用地.其中, 交通用地面积变化比例高达 24.6%, 并且 20 年间只有转入无面积转出;草地面积减少了 7.3%, 面积达 65.47km;工矿用地及湖泊水体整体面积均增
16、加了 5%, 各类型土地 20 年间面积转移情况见表 1.3.1.1“天保工程”实施前十年伊春市区土地利用面积转移从 1990 年各土地利用类型转出看: (1) 草地向外转出的面积较多, 大部分转变为旱地及林地; (2) 林地转出面积紧随其后, 大部分转出为旱地及交通用地; (3) 旱地亦有较多转出, 大部分变为林地及居住地; (4) 交通用地及水田这两种土地利用类型并无转出面积, 尤其是交通用地, 有增无减趋势明显.由 2000 年各类型土地转入来看: (1) 林地接纳其它土地利用类型转入最多达41.76km, 转入大部分来自于草地及旱地; (2) 旱地新增面积排在第二位, 其新增大多来自于
17、林地及草地; (3) 交通用地及居住地的扩张面积相似, 二者的转入面积几乎囊括了各种土地利用类型.具体 19902000 十年间土地利用类型转移面积见表 2.图 1 下载原图图 2 下载原图表 1 19902010 伊春市区土地利用类型面积转移情况 下载原表 表 2 19902000 伊春市区土地利用类型面积转移情况 下载原表 3.1.2“天保工程”实施十年后伊春市区土地利用面积转移从 2000 年各土地利用类型转出看: (1) 草地转出面积仍居首位, 共 21.36km, 大多转为林地、湖泊水体及旱地; (2) 林地面积亦有较多转出, 大部分转变为交通工地, 此十年间交通建设占用了一定数量水
18、平的林地面积; (3) 旱地这类农用地亦有较多转出, 大部分转变为了林地及居住地.由 2010 年土地转入可知: (1) 林地新增量最大达 18.53km, 其中大部分来自草地; (2) 交通用地的转入量紧随其后达 10.86km, 并且值得一提的是交通用地并无面积转出的情况, 说明交通系统在不断修砌与完善; (3) 旱地亦有较大面积的转入, 转入面积大部分来自于林地、草地及水田; (4) 湖泊水体新增量为4.8km, 大部分由草地转化而成, 推测属于生态系统内部间的相互转化.具体20002010 十年间土地利用类型转移面积见表 3.表 3 20002010 伊春市区土地利用类型面积转移情况
19、下载原表 3.2 伊春市区土地利用空间变化运用 Arcgis 软件进行空间分析, 可获得 19902010 年伊春市区各土地利用类型的空间变化.20 年间, 交通用地主要依赖林地转化, 新增在原交通线附近, 并以原线路为主建设一些次级公路;居住地的变化一般为原有居民区面积的扩增;林地主要依托分布于林地附近草地及旱地的转化;草地则大多转为林地及旱地;湖泊水体的新增来自草地, 增加部分分散;旱地的变化发生在几类土地类型的交界区;工矿用地较稳定有小范围扩张;水田大多变为旱地, 空间转移发生在二者重叠区 (如图 1、图 2 所示) .总体上看以伊春市为代表的小兴安岭山区土地利用空间格局未发生显著变化,
20、 不同用地类型的增减也大多发生在各不同土地类型交界地带.4 伊春市区土地利用变化驱动机制4.1 伊春市区土地利用变化驱动因子定性分析土地利用的变化受自然、经济、社会等因素影响.从小兴安岭林地用地变化上看, 地形影响了交通线的建设及居住地的分布格局, 交通线路和居住地选定建设一旦形成, 其后期用地变化则主要围绕已形成的基础空间格局向外拓展;土地利用面积的变化还与区域经济状况密切相关, 20 年间, 伊春市 GDP 从 15.14 亿元增至 2010 年的 134.6 亿元, 增长近 8 倍, GDP 的增长加速了城市化进程亦推进了居住地及交通用地的建设完善;产业结构不断调整, 第一产业稳中有升,
21、 第二产业大体呈下降趋势, 第三产业呈波动性增长 (如图 3 所示) 2008 年时略有下降, 而相应的土地利用情况上, 林地、耕地、湖泊水体等生态类土地类型面积增加, 工矿用地较稳定, 变化积极响应了伊春市加强第一产业特色林产品提供功能、第二产业增加林产品附加值、第三产业发展生态旅游业的策略;另有政策性因素, 如 2000 年 10 月颁布实施的“天保工程”及国家生态功能区划 (2008) 将该区划分为包括水源涵养及林产品提供等功能在内的多个三级功能区同样会土地利用情况;此外, 人口因素是影响土地利用的间接因素, 人口数量及分布可影响土地利用结构与空间格局状况, 如伊春市 1990 年总人口
22、为 86.7 万人, 2010 年是80.85 万人, 人口数量下降使得该区人均 GDP 水平上升, 进而受经济因素影响居住地、交通用地及旱地面积扩增, 故人口因素与土地利用变化呈负相关.图 3 伊春市区 19902010 年生产总值及比重变化趋势图 下载原图4.2 伊春市区土地利用变化驱动因子定量分析4.2.1 土地利用变化的主成分分析影响伊春市区土地利用变化的因子较多, 故宜采用主成分分析的方法进行分析, 结合伊春市土地利用实际情况, 结合年鉴并考虑到数据的完整性和准确性, 选取以下人口、经济、居民生活水平等因子进行研究:X 1年末总人口, X 2人口自然增长率, X 3国内生产总值, X
23、 4第一产业生产总值, X5第二产业生产总值, X 6第三产业生产总值, X 7全社会固定资产投资, X8社会消费品零售总额, X 9林产工业产值, X 10产林业产值, X 11种植业产值. (注:X 1单位为万人;X 2单位为%;X 3、X 4、X 5、X 6单位为亿元;X 7、X 8、X 9、X 10单位均为万元) .运用 SPSS 软件对以上因子数据进行主成分分析, 首先对矩阵做标准归一化处理得到各因子标准差转化后结果, 在此基础上进行分析得到因子的相关系数矩阵见表 4 及贡献率和特征值见表 5.分析得出, X 3、X 5及 X4变动较大, 累计贡献率达到了 98.27%, 可代表 9
24、8.27%的因素来解释影响伊春市区近 20 年来土地利用类型变化的原因.显然地, 伊春市区的 GDP 水平对土地利用变化起到了显著作用, 因而本区土地利用变化主要受经济发展水平影响, 尤其是工业及林产工业的发展水平.表 4 相关系数矩阵 下载原表 表 5 驱动因子特征值及主成分贡献率 下载原表 4.2.2 各类型土地利用变化影响因子的相关分析为更准确地反映使各类型土地面积发生改变的驱动因子作用大小, 研究运用相关分析的方法计算出某一类用地类型分别与各驱动因子之间的相关系数 (见表5) , 进而分析单个因子与各类土地利用类型间相互影响及作用的过程.表 6 不同土地类型与各驱动因子的相关系数表 下
25、载原表 4.2.2. 1 交通用地变化驱动力分析交通用地与年末总人口数、人口自然增长率、第三产业产值显著相关.其中, 伊春市区的交通用地面积与年末总人口数及人口自然增长率呈显著负相关.20 年间市区的交通用地面积不断增长, 而人口自然增长率从 1990 年的 14.25%降至2010 年的-2.53%, 即当地的人口不断减少而交通用地却增多 (如图 4 所示) .此时反观第三产业产值变化可知, 交通用地与第三产业产值正相关 (如图 5 所示) , 调查期间伊春市区的第三产业稳步发展, 伊春依托林区优势发展以生态游为主旅游业, 此类景区位置偏僻, 所以空间上交通呈现扩张状态.图 4 伊春市区交通
26、用地面积与年末总人口数变化趋势 下载原图图 5 伊春市区交通用地面积与第三产业产值变化趋势 下载原图4.2.2. 2 林地变化驱动力分析林地的面积变化与各驱动因子的相关性不明显.伊春市区森林覆盖率达 85.3%, 故在面积比例变化并不显著.各驱动因子中, 影响相对较大因子的包括第二产业产值、林产工业产值及林业第一产业产值如图 6、图 7 所示.首先, 林地面积与第二产业产值有一定程度的相关性, 2000 年前, 林地面积大体稳定, 而第二产业比重不断下降, 2000 年“天保工程”实施后, 2005 年林地面积始见回升, 林地面积经缩减后开始缓慢回升.同时, 伊春工业以林产工业为主, 林地面积
27、与林产工业产值亦存在较强的相关性如图 7 所示.图 6 伊春市区林地面积与第二产业总产值变化趋势 下载原图图 7 伊春市区林地面积与林产工业产值变化趋势 下载原图4.2.2. 3 居住地变化驱动力分析由表 5 可知, 对居住地面积影响较大因子有全社会固定资产投资和社会消费品零售总额, 即影响居住地面积的因素主要是经济因素.首先, 全社会固定资产投资是固定资产再生产的主要方式, 可拉动地区经济增长.因而随着全社会固定资产投资的增长, 居住地面积整体波动上升 (如图 8 所示) .20 年间, 居住地面积增长 1.4%, 人均 GDP 逐年抬升, 从空间看, 新增居住地主要分布在交通线附近, 并以
28、原有聚集区为中心蔓延, 亦说明伊春市区经济发展水平及城镇辐射强度均不断增强.同时, 居住地面积与社会消费品零售总额相关指数为 0.501, 较显著.此指标代表人民生活贫富程度、对社会消费品的购买力及地区的货币流通情况.由图 9 可知, 这一指标稳中有升, 说明人民生活水平是驱动市区居住地建设的重要因素.图 8 伊春市区居住地面积与全社会固定资产投资变化趋势 下载原图图 9 伊春市区居住地面积与社会消费品零售总额变化趋势 下载原图4.2.2. 4 工矿用地变化驱动力分析伊春市工矿业的发展, 以林产工业、特色食品加工业、化工行业及冶金、采掘业为主, 作为全国重要的木材生产基地, 还形成了以营林、木
29、材生产、林产工业多种经营为主体的支柱产业.图 10 为工矿用地面积与第二、第三产业产值的相关关系, 20 年间, 2000 年工矿用地面积猛增, 随“天保工程”的实施, 工矿用地减少并趋于稳定, 20 年间仅增长 0.61km, 同时, 第二产业产值增长 5.9 倍, 第三产业产值增长 7.86 倍.故而, 科技发展及工业结构的调整, 使得大致相同面积的工业区内工业生产效率增加, 进而推动了第二、三产业的发展, 实现可观的增长.4.2.2. 5 旱地水田变化驱动力分析旱地及水田均属农用地, 驱动其变化的因子有全社会固定资产投资、社会零售品总额、第二产业产值及种植业产值等, 主要受社会经济因素影
30、响 (如图 11 所示) , 耕地面积与第二产业产值在 2000 年后呈正相关.工业发展、科技进步、农业引用机械化设备使得耕地面积扩大, 2000 年达到峰值 621km.“天保工程”实施后, 响应退田还湖还林政策, 耕地总面积有所下降, 但有赖于工业及科技的发展, 农业效率有所提高, 种植业产值并未因此减产见表 4, 说明科技对农业发展存在较大影响.故而, 驱动耕地面积变化的因子包括第二产业产值、科技水平及政府决策因素.4.2.2. 6 湖泊水体变化驱动力分析与湖泊水体面积相关性较大驱动因子有年末总人口数、人口自然增长率、GDP、第一产业产值、林产工业产值、第一产业中林业产值以及种植业产值见
31、表 4.湖泊水体面积与年末总人口数呈负相关, 20 年间湖泊水体面积共增长了 5.1%, 年末总人口数及人口自然增长率二者均不断下降, 说明人口因素是其面积转变的重要原因, 如图 12 所示.此外, 湖泊水体面积与 GDP、第一产业产值呈正相关, 如图 13 所示, 20 年间伊春市区的 GDP 不断增长 2009 年时偶有回落;同时, 湖泊水体面积变化与第一产业产值趋势基本一致, 说明湖泊水体面积变化与社会经济因素存在显著的正相关.图 1 0 伊春市区工矿用地面积与第二、第三产业产值变化趋势 下载原图图 1 1 伊春市区旱地水田总面积与第二产业产值变化趋势 下载原图图 1 2 伊春市区湖泊水
32、体面积与年末总人口数变化趋势 下载原图图 1 3 伊春市区湖泊水体面积与 GDP 及第一产业产值变化趋势 下载原图同时, 湖泊水体面积还与伊春市区林产工业的产值以及林业第一产业产值存在显著的正相关.伊春是典型的林城市, 因而无论是工业的发展还是农业的进步都极大程度受到林业产值影响, 如图 14 所示, 20 年间, 两因素均稳步增长, 林产工业产值增长了 2.25 倍, 一产林业产值更是增长近 18.3 倍, 而伊春市区大多湖泊所处位置一般都在林地这类土地利用类型范围内, 随着政策对林区的保护及对林业的投资, 使得湖泊水体面积亦增加 4km, 说明随着林业的发展尤其是一产林业产值的扩增, 结合
33、国家生态功能区划等政策, 整个伊春地区生态变好, 湖泊水体面积扩增.4.2.2. 7 草地变化驱动力分析草地与各驱动因子间不存在强烈的相关性 (见表 4) , 并且其变化具有较大的波动性, 2005 年面积突增至 1112km 至 2010 年时又变为 827.8km, 由于草地受年度降水量等自然因子影响较大, 为保证研究的科学性, 该文并未对草地做相关驱动因子探究.图 1 4 伊春市区湖泊水体面积与林产工业产值及一产林业产值变化趋势 下载原图5 结论与讨论“天保工程”前后二十年伊春市区土地利用总体结构变化不大.由于伊春市辖区面积广大, 因而各主要土地类型并未发生大比例的调整, 而不同土地利用
34、类型自身变化上, 交通用地面积增幅高达 24.6%;林地、居住地、耕地、工矿用地、湖泊水体分别上涨 0.2%、1.4%、1.9%、5%、5.1%;草地面积减少了 7.3%共65.6km、裸土基本消失, 草地由于部分处于几类土地类型交界地带, 经常容易被转移成其它类型土地, 主要转出为湖泊水体、居住地及耕地, 裸土减少则表明城市加强了基础设施及生态建设.分析得到, 导致伊春市个土地类型面积发生转移的因素包括人口因素、经济发展水平、社会人均生活水平类因子, 其中起主导作用的有 GDP、工业产值以及林业有关产业的产值.该文研究时段处于“天保工程”实施前后各十年间, 小兴安岭山地林区正经历着由于天然林
35、保护工程实施所带来的产业结构转型、接续产业培育等问题.研究表明, 引起不同土地利用类型面积发生转移的驱动因子各不相同:其中, 交通用地依托旅游业发展而扩增, 增幅达到了 24.6%, 交通通达性更好, 带动了第三产业发展, 形成合理的反馈机制;林地方面, 限采限伐后并未出现人们所预期的为弥补林业产值不足而导致的工矿用地扩增、耕地大范围扩增等现象, 而是合理增加了林地中第一产业的产值, 使二者面积较为稳定;居住地 20 年间增长2.98km, 此类用地数量上增幅较大, 而此间总人口数反而下降, 可见人口数量变化不是影响居住用地增加的因素, 改善性需求的居住用地扩张是影响居住地面积增长的主要原因;工矿用地面积大体稳定, 略有增长, 与之相关二、三产业
