兰州市土地利用变化及成因分析

I兰州市土地利用变化及成因分析摘要土地是人类赖以生存的重要资源，科学并合理地利用有限的土地资源是实现人类永续发展的前提，以达到最大限度发挥土地利用效益的目的，而化解逐渐突出的人地矛盾，促进各区域高质量发展。本文从自然因素、社会经济因素和政策因素三个角度出发，通过对影响兰州市城市用地变动的因素进行了主成分分析，得到了影响兰州市城市土地利用变动的主要因素。本研究得出了以下结论：（1）兰州市在2015-2021年度的土地变化趋势：园地，林地变化为主，同时还存在着城市矿产资源的变化趋势。森林资源向农田转化的主体是森林资源。其余用地则以向城市工矿、耕地、交通等用地转变为主。（2）在2015-2021年度，兰州耕地，水域水利土地及其它土地利用下降，园地，林地，城市工矿、交通等土地利用上升。（3）兰州市的用地结构和布局主要受自然环境的影响。社会经济因素主要为人口及城镇化水平、经济发展以及交通条件。这三个因素的作用程度存在差异性，从短期来看，由于自然因素的改变，对土地利用产生的影响较少，政策因素和社会经济因素对土地利用的影响是显著的。（4）兰州市2015-2021年土地利用结构更加多样化和均衡化。社会效益指数呈现稳步提升态势，生态效益指数呈波动上升趋势，表明兰州市土地利用效益不断提高。关键词：兰州市；土地利用变化；驱动因素目录第1章引言 11.1研究背景 11.2研究目的与意义 11.2.1研究目的 11.2.2研究意义 11.3国内外研究现状 11.3.1国外研究现状 11.3.2国内研究现状 21.4研究内容与方法 21.4.1研究内容 21.4.2研究方法 2第2章研究区概况 32.1自然条件 32.1.1地理区位 32.1.2地形地貌 32.1.3气候环境 32.1.4水资源状况 32.1.5土壤资源 42.2社会经济条件 4第3章兰州市土地利用变化分析 43.1土地利用现状分析 43.1.1耕地变化 43.1.2园地变化 53.1.3林地变化 53.1.4城镇村及工矿用地变化 63.1.5交通运输用地变化 63.1.6水域与水利设施用地变化 73.1.7其他土地变化 73.2土地利用动态度变化 8第4章兰州市土地利用变化成因分析 94.1主成分分析法 94.2驱动因子选取与分析 10结论 14参考文献 16致谢 17保定理工学院本科毕业论文第1章引言1.1研究背景土地一直是人们赖以生存的物质条件，在现代的经济和社会发展中起着举足轻重的作用。而与之对应的，就是人们对各种类型的用地进行合理配置，以满足人们的需求。当前，随着世界经济的快速发展，世界各地的城镇化速度越来越快，人口越来越多，人们对土地的开采和使用需求也越来越大，人地关系也越来越紧张。为了克服这一问题，世界上许多国家的学者都把注意力集中到了土地，特别是对耕地的研究上。1.2研究目的与意义1.2.1研究目的以兰州市为例，通过对2015-2021年度区域内的土地利用空间格局的调查，运用主成分分析方法，对区域内的土地利用空间格局进行深入的探讨，并在此基础上，对区域内的土地利用空间格局展开深入的探讨。因而，对其原因进行分析，在理论上是有重要价值的。1.2.2研究意义选取兰州市为研究对象，结合当地自然条件、社会经济数据以及政策因素，探究兰州市土地利用变化因素，旨在为兰州市国土空间规划、土地利用结构调整提供一定的参考价值，有助于促进兰州市土地利用合理布局，推进社会、经济与自然环境的可持续发展。1.3国内外研究现状1.3.1国外研究现状在国外，关于土地利用的研究已经开始了很长一段时间[1]，例如杜能农业区位论，克里斯塔勒的中央用地论，韦伯工业区区位论等，这些都是与经济学密切联系在一起的[2]。在数据获得方面，重视与遥感技术的融合，利用卫星数据展开大尺度范围内的土地利用研究[3]，其主要内容具体包含了：土地利用的数量、过程以及利用方式[4]。与此同时，国外的土地利用研究还重视将各种学科融合起来，从自然和人文角度等多元分析。着重论述了土地利用和生态环境的关系[5]。在此过程中，关于土地利用改变的原因，也取得了大量的结果。从知网上以“土地利用变化”为主题进行检索，共检索出28568篇文章，从2001年开始，有关土地利用变化的研究逐渐增多，2016年达到暂时的顶峰，近几年土地利用变化相关研究一直处于热点状态。土地利用变化研究可以通过多种方法从不同角度进行研究，在GIS，驱动力，生态系统服务，景观分布与其动态，时间与空间的改变，土地利用的结构与生态环境的影响等方面进行了深入的探讨。1.3.2国内研究现状可以将其归纳出来，一是地理学上的，其重点是对土地利用的时空变化以及驱动因素的分析。二是生态学层面，重点探讨了景观空间分布规律及生态功能。土地利用变化是土地利用最显著的特征，目前许多研究人员已经开始针对土地利用变化问题开展探究[6-7]，在土地利用时空变化方面，我国通过建立土地利用动态度模型[8]、土地利用程度[9]、土地利用转移矩阵[10]、重心移动[11]等定量化的方法，同时与GIS相结合，从时间和空间两个维度来分析土地利用变化情况，这些方法为土地利用变化的定量研究奠定了基础。另外，我国土地利用研究聚焦于不同区域和尺度，区域包括经济发达地区、环境问题显著的地区、城镇边缘区等[12-14]，尺度则包含整个流域、省、市、县等[15-18]，探讨不同区域不同尺度土地利用的变化特征及其影响因素。张帅华[19]通过Landsat影像分析了郑州市土地利用的时空演变及驱动力。严祥等[20]对土地利用变化研究的尺度问题进行了分析，不同的尺度研究结果可能会有差异。王玲[21]等对限制开发生态区的土地用变化及驱动机制进行了探讨。1.4研究内容与方法1.4.1研究内容本研究以兰州市为研究区域，分析2015-2021年其土地利用阶段变化规律，在此基础上结合兰州市实际情况，尝试分析其土地利用变化成因，探索其土地利用与城市可持续发展的方式，并提出相关建议。一是，梳理兰州市区域概况，基于2015-2021年土地面积数据，分析其土地利用现状。二是，从耕地面积数量方面分析兰州市土地面积演化过程，并在此基础上利用主成分分析法分析其变化影响因素。三是，基于以上结果，尝试对兰州市土地资源可持续利用提出一定参考建议。1.4.2研究方法第一种在土地利用动态度上，可分为单一土地利用动态度和综合土地利用动态度。它是指在某一特定时间某一特定区域土地利用的数量上的变化。通过计算得出兰州市各地类面积在研究时间段内的演变。第二种是主成分分析法，它可以用来对统计中的数据进行简化。该算法将数据从原坐标系统转换成新的坐标系统，使得任何一组数据在新的坐标系统中都能得到极大的投影方差变化。其中，第一个主成分是投影方差的最大方向，第二个主成分是第一个主成分竖直方向投影方差的次之大方向。在对数据进行降低维数的过程中，通常会保留那些对方差有较大贡献的特征。对实证问题的研究，必须将多种影响因素，也就是人们经常说的指标或者变量，并利用多元统计分析对问题展开全面系统的分析。每个变量反映了被考察对象的一定的信息，同时，各个指标之间也存在着一定的关联性。其结果是产生的统计数字有一定的交叉。用统计学的方法处理多变量时，如果使用的变量过多，会增加计算的工作量，增加分析的难度。因此，人们希望在量化分析的过程中，尽可能地减少使用的变量，从而得到更多的信息。主成分分析就是为适应这种需要应运而生的,它是解决多变量问题的理想工具。第2章研究区概况2.1自然条件2.1.1地理区位兰州市地处甘肃省中部，黄河上游，兰州市和白银市交界，东邻宁夏定西市，南邻宁夏临夏回族自治州，是我国重要的国际贸易的一个主要地理位置。位于兰白都市圈的核心地带，是兰西都市圈的重要一员，也是一带一路的关键节点，占地面积为13085.6平方公里，占全省面积的2.88%。2.1.2地形地貌兰州市是一个多层次、多类型的、多形态的城市。它的地理位置比较狭窄，南北宽只有530多公里，而东西宽1655公里。整个城市可以粗略的划分为六个主要的地理分区，每个分区都有自己的特色。兰州地处西南高东北低，高达1450-3670米，黄河从上到下，在城市中构成了峡谷与盆地地貌。2.1.3气候环境兰州市属中温带大陆性气候，常年降水量较少，总体上比较干旱，没有太多的海洋温湿气流。由于受到季风的控制，降雨以6-8月分为主，且时间和空间上的分布不均匀。春天和夏天的界限模糊，夏天时间短且气温高，秋天降温较快和冬天漫长。年平均光照时间为2446个小时，年平均温度为10.3度，年降水为327mm，有180天的无霜期。2.1.4水资源状况兰州市拥有的地表水很少，地下水的总量很少，平均地面水量只有2.39亿立方米，整个城市的地下水量只有2.74亿立方米，准许开发的水量只有1.59亿立方米，相对于其他地区来说，可使用的水资源比较少。黄河在兰州地区总长152公里，城市地区45公里，是兰州地区的主要生活和生产用水水源。近年，得益于黄河上游大中型水库的调蓄，黄河流量才较为稳定。2.1.5土壤资源兰州市属于多个适宜于农事的丘陵区，以灰褐土、黑垆土、灰钙土和黄绵土为主。其特征是大多数农田的有机物质非常少，并且缺乏N、P元素，其中，中低产农田所占的比例超过了70%。长久以来，对农业的投资十分匮乏，造成了农业的基础建设相对薄弱，恢复力十分低下。2.2社会经济条件全市地区生产总值3231.29亿元，同比增长6.1%，两年来年均增长4.2%。其中第一产业增加值62.52亿元，比上年增长7.4%。第二产业增加值1113.91亿元，比上年增长5.6%。第三产业增加值2054.86亿元，比上年增长6.4%。三次产业结构比1.9:4.4:7.3。按常住人口计算人均地区生产总值73807元，同比增长5.0%。年末，全市常住人口438.43万人，比上年末多1.25万人。其中，城镇人口为366.35万人，占常住人口比重（常住人口城镇化率）为83.56%，比上年末提高0.46个百分点。年末本市户籍人口336.28万人，比上年末增加了2.28万人。其中城镇人口248.34万人、乡村人口87.94万人。全年出生3.33万人，出生率7.61%。死亡2.56万例，死亡率5.84%。人口自然增长率1.77%。第3章兰州市土地利用变化分析3.1土地利用现状分析截至2021年兰州市耕地260417.29公顷（390.63万亩），林地148080.21公顷（222.12万亩），草地710282.28公顷（1065.42万亩），城市、村庄和工矿建设用地为74992.95公顷（112.49万亩），交通运输用地23479.98公顷（35.22万亩），水域和水利工程面积为8936.59公顷（13.40万亩），较往年，林地、交通运输用地及园地面积增长幅度较大，兰州市现主要开发其他用地，原因是受政策变化影响，兰州为升新一线城市打基础。依据2015-2021年度兰州市土地利用变动情况，对兰州市土地利用变动情况进行了统计，并对2015-2021年度不同土地利用的区域进行了对比。以兰州市为例，通过对不同时期的用地矢量资料进行比较，得到了不同时期的土地利用类型图。3.1.1耕地变化2015-2021年，兰州市耕地面积呈现先减后增的态势。其中2015-2016年和2018-2019年耕地面积持续减少，减少量逐年下降，2016-2017年耕地面积迅速增加，兰州市耕地变化情况如图3.1所示。图3.1兰州市2015年-2021年耕地面积变化3.1.2园地变化兰州市2015-2021年园地面积总体上呈现上升趋势,2020-2021年上升幅度最大，上升面积86.16公顷，如图3.2所示。图3.2兰州市2015年-2021年园地面积变化3.1.3林地变化兰州市2015-2021年林地面积呈上升趋势，其中2020-2021年增加面积相对较大，林地保有量趋于稳定。变化情况如图3.3所示。图3.3兰州市2015年-2021年林地面积变化3.1.4城镇村及工矿用地变化兰州市2015-2021年城镇村及工矿用地面积持续增加，如图3.4所示，增加面积249.75公顷，从趋势来看，增加的幅度逐渐增大。图3.4兰州市2015年-2021年城镇及工矿用地面积变化3.1.5交通运输用地变化兰州市2015-2021年交通运输用地面积持续增加，由2015年的168.98公顷增加到2021年的234.79公顷，共增加65.81公顷。交通用地面积持续增加的原因是兰州市经济带动迅速稳居新二线城市，变化趋势如图3.5所示。图3.5兰州市2015年-2021年交通运输用地面积变化3.1.6水域与水利设施用地变化兰州市2015-2021年水域与水利设施用地整体上呈现出了减少态势，面积减少了34.97公顷，在这期间政府曾出台黄河治理相关政策，对水域与水利设施用地变化影响巨大，如图3.6所示。图3.6兰州市2015年-2021年水域与水利设施用地面积变化3.1.7其他土地变化兰州市2015-2018年其他土地面积总体上减少151.76公顷，2018-2020年其他土地面积呈增加趋势，如图3.7所示。主要原因是沙地面积大量减少，这得益于兰州市近年来实施的防沙治沙工程，另外土地整治将其他土地开垦为耕地，长期以来项目建设活动不断对耕地进行侵占，耕地资源越来越紧张，而通过土地整治的方式在一定程度上缓解了耕地紧缺的问题。图3.7兰州市2015年-2021年其他土地面积变化3.2土地利用动态度变化土地利用动态度是在一定时期内，在土地利用类型数量上的变化，可以体现出不同地区的土地利用变化的激烈程度和速度。土地利用动态度主要表现在两个方面：一是单一的土地利用动态度；也就是说，在一段时间里，土地利用的变化只会发生一次。二是用综合土地利用动态度。（1）单一土地利用动态度：K=公式中K表示某一土地利用类型调查过程中的变化趋势,Ua表示调查前期该类土地面积,Ub表示调查结束后该类土地面积,T则代表了研究时间长短。（2）综合土地利用动态度：L其中，Lc为研究区整体土地利用动态度,LUi为调查开始时第i类用地面积,△LUi-j为调查期间第i类用地转为第j类用地面积的区域面积绝对值，T表示调查时间。由表3.1和表3.2所示表3.1兰州市各地类面积变化2015年2021年面积之差的绝对值耕地20526426041755153林地10629814808041782园地10390179507560城镇及工矿用地596227499215370交通运输用地16898264796581水利与水域设施用地1243389363497其他土地581884464113547表3.2兰州市各地类土地利用动态度单一土地利用动态度耕地3.84%林地5.62%园地10.39%城镇及工矿用地3.68%交通运输用地5.56%水利与水域设施用地-4.02%其他用地-3.33%综合土地利用动态度2.18%面积之和9381861434902015-2021年，这些图表描述了兰州市各种不同土地类型的动态度，其中园地面积动态度为10.39%，为最大；林地次之，动态度5.62%；交通用地动态度和耕地动态度分别为5.62%和3.84%；城镇和工矿用地的动态度是3.68%；其余土地动态度为-3.33%；水资源和水域设施用地动态度为-4.02%。总的来看，从2015年到2021年，兰州市综合土地利用动态度呈持续增长趋势。第4章兰州市土地利用变化成因分析4.1主成分分析法1933年，Hotelling率先采用了主成分分析法对变量进行降维，在科研过程中，涉及到的变量很多，而且彼此之间也有联系，因此，采用了一些特定的方式，将大量的变量转换成了少数的几个综合性的变量，进而使得问题得以解决，我们将这些新的变量或指标称为主成分。假设存在n种样本，且对于每种样本均存在m种指标变量，因此初始数据矩阵被表示成:通将向量X=（X1，X2，…，Xm，）作线性组合，表达式如下：其中：对系数规定如下：它的主要成分必须满足向量（X1、X2、…、Xm）。在实践中，主要成分的选择是根据累积贡献率进行的，当前t个主要成分的累积贡献率超过87%时，即被视为所选择的主要成分所含有的信息能够满足需求。4.2驱动因子选取与分析第一，确定一个自变量X与一个因变量Y。文章以兰州市耕地面积作为因变量，以16项社会经济指数作为自变量，在选择因素时应遵循以下几个基本原则：首先，以可获得性作为因素选择的基础。其次，指标能否被定量。比如，在现实生活中，这个因素对农田的影响很大，但却很难被定量，所以，我们一般都不会选择。最后，被选择因子与因变量应有很强的相关关系。第二，驱动因子选取，以兰州市的土地利用现状为依据，以兰州市的统计年鉴为依据，从诸多社会经济因素中选择具有代表性的16项指标，构建了驱动因子指标体系，覆盖了人口、经济发展水平、产业结构、消费水平、总用水量、交通、政策因素这几个方面。驱动因子见表4.1。表4.1驱动因子选取序号驱动因子X1年末常住人口(万人)X2地均GDP(万元)X3城镇化率(%)X4第一产业占GDP比重(%)续表4.1驱动因子选取X5第二产业占GDP比重(%)X6第三产业占GDP比重(%)X7农林牧渔总产值(万元)X8固定资产投资(亿元)X9社会消费品零售总额(亿元)X10农田有效灌溉面积(万公顷)X11粮食产量(万吨)X12总用水量(亿立方米)X13公路里程数(公里)X14水资源政策影响程度(%)X15生态环境政策影响程度(%)X16生态移民政策影响程度(%)（1）数据标准化通过标准差标准化处理指标相关问题，利用SPSS25.0软件包，对数据进行了处理与归类，兰州市的各项指标均列于表4.2中。表4.2兰州市社会经济数据标准化结果指标2015201620172018201920202021X1-0.430.130.47-0.98-1.59-0.470.14X2-1.80-1.28-0.460.340.000.430.98X3-1.65-1.35-0.430.17-0.010.350.63X41.580.10-0.16-1.18-1.20-0.35-0.77X50.370.771.060.660.71-0.21-0.16X6-0.79-0.87-1.13-0.44-0.490.320.36X7-1.35-1.05-0.350.30-0.020.701.13X8-1.460.15-0.321.480.320.701.04X9-1.45-0.81-0.86-0.21-0.520.480.82X10-0.98-0.79-1.070.35-0.120.820.94X11-1.87-1.09-0.570.520.160.880.75X121.601.220.88-0.390.03-0.81-1.02X13-1.53-1.41-0.610.32-0.220.490.97X141.921.080.54-0.53-0.18-0.87-0.74X15-1.56-1.22-0.900.37-0.070.821.05X161.641.470.47-0.400.08-0.54-0.89（2）特征值与贡献率主成分分析所得总方差解释表见表4.3.主成分数目按特征值大小确定。如果特征值超过1，则表示其对上述16个变量有很好的解释力，因此可以将其当作主成分来进行降维。在主成分解释表中，有三个成分具有比1更大的特征值，即：第一成分的特征值为10.899，方差的贡献率为46.454%，第二成分的特征值为3.436，对应的方差贡献率为27.523%，第三成分的特征值为1.029，对应的方差贡献率为22.047%，这三个成分的累计方差贡献率高达96.024%，表明前三个成分能够较好地解释这16个驱动因子。在此基础上，本文选取了三个成分对兰州市城市用地的影响因素进行系统的实证研究。表4.3主成分特征值和累计贡献率成分初始特征值提取载荷平方和旋转载荷平方和总计方差百分比累计%总计方差百分比累计%总计方差百分比累计%110.89968.12268.1221089968.12268.1227.43346.45446.45423.43621.47389.5943.43621.43789.5944.40427.52373.97731.0296.42996.0241.0296.42996.0243.25822.04796.02440.3181.98798.01150.1981.23999.25060.0730.45799.70770.0260.16399.87080.0210.130100.00095.727E-163.580E-15100.000103.845E-162.403E-15100.000112.432E-161.250E-15100.000121.691E-161.057E-15100.00013-2.904E-17-1.815E-15100.00014-2.356E-16-1.472E-15100.00015-5.215E-16-3.259E-15100.00016-1.271E-15-7.943E-15100.100从图4.1中可以直接对每一个初始特征进行分析，能够得出1、2、3成分的波动现象较为突显，4成分逐渐平缓。因此，表明1、2、3成分有较高的特征值，可以将其用来解释原有变量的变化信息。图4.1碎石图（3）主成分载荷主成分载荷矩阵体现每个变量作用于全部变量上的载荷大小，载荷值绝对值越大，说明该成分可以更好地解释这些变量。在本文中，我们利用Kaiser标准后的正交旋转方法，将原变量按因子旋转，使其经过6个循环，旋转后的主成分载荷与旋转后的主成分载荷矩阵见表4.4。从旋转后的主成分载荷表格中我们可以看到，第一主成分与农田有效灌溉面积、粮食产量、总用水量、公路里程数、水资源政策影响程度、生态移民政策影响程度、生态环境政策影响程度具有明显相关性。第二主成分与地均GDP、城镇化率、农林牧渔业总产值有较强的相关性，第三主成分与年末常住人口、第一产业占GDP比重、固定资产投资与土地利用也存在很强的相关性。综合各项指标，可得兰州市土地利用变化主要有政策，经济发展及人口与城镇化水平等动因。表4.4原始成分载荷和旋转后成分载荷指标原始成分矩阵旋转后成分矩阵成分1成分2成分3成分1成分2成分3年末常住人口0.3320.8080.1270.0750.2940.8280.0地均GDP0.978-0.0510.1790.6880.7170.053城镇化率0.9650.1140.1640.6630.6970.215第一产业占GDP比重-0.2180.940-0.188-0.204-0.2840.919第二产业占GDP比重-0.705-0.6810.086-0.516-0.340-0.765第三产业占GDP比重0.8290.513-0.0490.6170.4430.622农林牧渔总产值0.713-0.1330.6490.2150.944-0.099固定资产投资0.299-0.9010.0490.3430.218-0.859社会消费品零售总额0.9440.2860.0690.6750.6070.391农田有效灌溉面积0.740-0.223-0.6170.948-0.067-0.080总用水量-0.8920.1390.113-0.873-0.4830.010公路里程数0.9910.0330.0680.7510.6340.146水资源政策影响程度-0.9360.2760.157-0.882-0.4210.147生态环境政策影响程度0.980-0.129-0.1290.8800.4690.001生态移民政策影响程度-0.9860.039-0.086-0.747-0.647-0.073续表4.4原始成分载荷和旋转后成分载荷从自然因素、社会经济因素以及政策因素三个角度，研究了兰州市2015-2021年度土地利用变化的原因，其中自然因素在短期之内发生了不大的改变，并且对其产生了很小的作用，所以定量地研究了社会经济因素以及政策因素。研究发现，兰州市土地利用结构和布局主要受自然环境的影响。兰州市2015-2021年间的土地利用变动主要是由政府和社会经济两个方面引起的，其中政策因素对黄河的控制作用最大、易地扶贫搬迁工程、空间规划等，社会经济因素主要为人口及城镇化水平、经济发展以及交通条件。这三个因素的作用程度存在差异性，从短期来看，主要是由于自然条件的改变不大，因此对土地利用的影响不大，但政策和社会经济因素作用较为显著。结论本文以兰州市为例，通过对2015-2021年度城市土地利用结构的动态调查，并对其影响因素进行了初步的探讨。本研究从三个角度，包括土地利用类型转换，土地利用动态及土地利用程度为指标，探讨了该地区土地利用的时空分布特征，并对其演变过程进行了探讨。即以土地利用类型转换，土地利用动态及土地利用程度为指标，研究兰州市土地利用时间与空间格局，探索其变化规律。接着以兰州市为例，运用定性方法从自然因素，社会经济及政策三方面进行分析，运用主成分定量分析城市用地主要影响因素。以兰州市城市土地利用为研究对象，发现影响城市土地利用存在显着因素。研究表明:（1）在2015-2021年度，兰州市耕地、水域与水利设施以及其他用地的数量有所下降，而城市、工矿、交通等土地利用的数量有所增长，土地的使用总体上呈现出增长的态势，说明该地区的土地使用正处在一个不断增长的时期。（2）兰州市的土地利用结构和布局中自然环境对土地利用的影响受到研究者的关注。2015-2021年间，兰州市的土地利用变化主要受政策因素和社会经济因素的驱动。政策因素主要为黄河治理、易地扶贫搬迁工程、空间规划等，社会经济因素主要为人口及城镇化水平、经济发展以及交通条件。这三个因素的作用程度存在差异性，从短期来看，自然因素的改变对该地区的土地利用状况的影响小。与此相对，政策与社会经济的影响更为显著。

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