天津市土地利用变化及驱动力研究

-23-第1章引言1.1研究背景人类的生存和社会发展离不开土地这一重要物质基础，而在中国以及全球范围内，土地的合理开发和利用对于经济的可持续发展具有至关重要的作用。我国的经济社会发展遭遇了严重的制约，因为我们有着庞大的人口基数，但土地资源却十分稀缺，这导致了人地矛盾的日益加剧和土地利用效率的低下。土地的不合理开发和利用对土地生态系统的破坏有一定程度的影响，这可能会威胁到我们的可持续发展战略和人类生存发展的支撑体系。当前，我国已进入城市化快速发展时期。这是一个新的课题，人类的生产和生活条件、如何合理分配土地资源、土地可持续利用、国家经济高速增长都是有待解决的问题。城市规划和土地管理部门贯彻发展科学概念的首要任务是如何建立和完善集约、高效、可持续的土地利用体系。1.2研究意义与目的1.2.1研究意义中国土地利用变化调查的目的和职能是严格限制农田转为非农田，具体控制农田面积，积极推动社会经济发展模式的转变。同时，通过改变原来的广泛使用模式，逐步转向密集使用，逐步实现了可持续社会和经济发展的目标。1.2.2研究目的随着我国城市化进程的不断推进，经济和人口呈现不断扩张之势，这也不可避免地导致了土地资源的稀缺局面。土地需求的变化不仅仅涉及面积的变化，还包括对土地最初利用方式的改变，以适应经济时代的变革。利用现有土地分配数据和目标区域内的经济情况进行分析，以确定未来经济发展的方向和目标地区的土地利用，转型，以更好地满足需求，适应经济发展和进步。1.3国内外研究现状1.3.1国外研究现状关于土地利用变化的外国研究最早始于20世纪初。目前，最早的文献可以追溯到的是，1922年美国著名地理学家李登辉出版的《TheEarth，SurfaceoftheAir》。为研究自然景观和人类活动之间的关系，从而进行的远程感知技术，提供了不可替代的重要性和可行性，以上观点在这本书中首次被提及。为了更准确地调查英国的土地利用变化的情况，土地利用调查机构成立于20世纪30年代，并在5年内进行全国土地利用调查，相关报告数据是根据调查结果制定的，为未来相关工作提供了基础。例如，国际应用系统分析研究所(InternationalInstituteforAppracticesSystemAnalysis)，在欧洲和北亚设立的土地使用变化项目，是其主要的研究领域。还有分析该地区土地使用变化利用的专家，如A.O.0Ilaniyi和A.M.ABDUIIAH，他们利用标记回归来分析马来西亚阿塞尔奥沿海地区土地使用的驱动因素变化。G.IgnacioDfaz和LauraNahuelhuai分析了捷克土地使用变化的因素，通过多变量统计方法讨论了土地使用变化的机制和影响[1]。1.3.2国内研究现状与国外研究相比，中国的土地使用和土地改造进展缓慢。直到20世纪30年代，J.L.Buck教授在金陵大学农学院首次提出，对国家土地资源进行系统性研究，但研究的重点仍然是土地使用系统的分类和管理[2]。1992年出版了相应的专著《中国土地使用》。根据对省市土地使用的详细调查，中国开始了一个土地使用变化的新时代[3]。中国逐渐将注意力转向建立一个远程探测土地使用掩护变化的数据库，研究空间和时间特征与动力机制[4,5]。比如王慧丽用郑州作为例子，使用RS和GIS技术，对河南当地的遥感图像进行处理和分析，以提醒人们注意土地利用类型变化城市，并确定主要动力[6]，利用软件SPSS结合当地经济社会发展，得出主要的驱动力因素[7,8]。与此同时，我们的研究重点是土地使用覆盖和环境效益的变化，这些变化主要是通过土地使用的变化来保护环境效益[9,10]。例如，胡光印和其他人以黄河原产地为例，利用遥测技术和地理信息系统收集黄河原产地的土地使用数据，以获取该地区土地使用的时间和空间特征，更好地维护当地环境[11]。以晋城市为例，刘玮玮研究和分析了该地区土地使用的变化，确定了关键因素，并提出了保护当地环境资源和进一步发展建议的方法，并分析了对环境的影响[12]。因此，可持续发展可以通过确保土地的合理利用来实现，而土地的生态安全可以通过实现经济和社会进步、促进生产方法的变化和现代化、土地利用方法的变化和经济和环境的协调来保证[13-15]。1.4研究方法及内容1.4.1研究内容内容主要包括以下几个方面：一是2009~2019年度天津市土地利用情况分析；二是从2009~2019年度天津市土地面积、土地动态(含单一用地动态和综合动态)、用地结构方面分析土地利用动态变化情况；三是综合上述土地利用动态变化分析结果，拟采用主要成分分析法，从天津经济发展、社会政策等方面分析其土地利用动态变化的动因，并尽量提出相应的优化调整建议。1.4.2研究方法为了确保本论文研究结果的科学性、合理性，本文拟采用土地利用动态度来反映土地天津市各类用地变化程度，并用主成分分析法对天津市各类指标进行分析，确定影响天津市土地利用变化的主要驱动力。1）土地利用变化动态度，土地利用的变化是一个动态的过程，需要通过单一土地利用变化和综合土地利用变化来分析和反映。同时，还需要计算土地利用结构信息熵，以此来了解土地利用的数量和变化情况。单一土地利用动态度可以反映每一类土地在一定时间内的数量变化情况，而综合土地利用变化动态度则可以反映整个地区土地利用的变化趋势和年变化率。天津市土地利用结构信息熵是一种可用于量化土地利用信息量大小的指标，能够反映土地利用结构的复杂程度。2）主成分分析法，主成分分析法是一种用于处理数据的统计方法，它能够通过正交变换将一组可能存在相关性的数据变量转化为一组线性不相关变量，这些新变量被称为主成分。第2章研究区概况2.1自然概况2.1.1地理位置概况天津市的地理位置得天独厚，在众多海洋中，位于西太平洋沿岸，在中国众多地形地貌里面，位于华北平原的东北部，又有一条河流横贯东西，地处北纬38°34′~40°15′，东经116°43′~118°4′之间，土地总面积11966.45平方千米，海岸线长153.669千米，陆地边界长1137.48千米。2.1.2地形地貌及水系分布概况2.1.2.1地形地貌方面从地形上看，天津北山原属华北平原，南坪原属华北平原。地形有北、高、南、低之分，由北部山区逐渐递减至东南沿海平原。最高峰为蓟县嘉定山，海拔1078.5米，最低为塔库口，北高南低，形成海岸带。堰的西侧自武清永定冲积扇尾向东逐渐倾斜，南侧自静海南渠堤向海河口方向逐渐减小。新的构造运动不断抬升和抬升山区，形成了以标本为主的大面积、缓慢下降的平原，并接受了以厚而粗糙的沉积物为主的大面积山地地形的新一代标本。根据地形的基本形态和成因类型，可分为山地丘陵、沉积平原和潮间带3种形态类型和8种次生形态类型。2.1.2.2水系方面天津市境内河流分为北三河水系、永定水系、大清河水系、海河水系等。入海河道中，集运河、永定新河、海河、独流减河、子牙新河等河流为一级河道，清静黄河排涝河道等河流为二级河道，其主要承担行洪和排水和灌溉和生态廊道等重要功能，主要承担河道行洪、排水、灌溉等作用。2.1.3气象概况天津地处欧亚大陆东海岸的中纬度地带，属于温带季风气候区。这个地区的天气有四季之分，夏季异常炎热，雨水主要在七八月份。冬季缺乏湿气，寒冷干燥，降雪少。平均气温为12到15摄氏度，平均风速为2到4米每秒，主要风向是西南风。在这个地区，冬季无霜的天数平均在196天至246天之间，最长的达到了267天，而最短的仅有171天。每年的平均降水量在550~600毫米之间，而降雨日数则在63~70天之间。地形高低不同，降水量也有所不同，山区的降雨量比平原多，海岸线上的降水量比内陆地区多。全年降水量中，6、7、8三个月的降水量占据了约75%的比重。一年中的日照时间平均在2471~2769小时之间。2.2社会经济概况“十三五”以来，天津共引进北京项目多达3062个，投入资金多达4482亿元。优化和完善了企业业务，与包括阿里巴巴、360在内的多个总部组织签订了高质量的项目，滨海中关村科学园区内注册的企业多达2000余家。全市高新技术企业7400余家，科技中小企业8100余家，科技创新力量显著增强。每万人发明专利数为24.03件，研究开发资金投资额占3.2%。科技创新水平居全国首位。同时推出惠民惠企政策，高举发展智能科技的大旗，成功举办第四届智慧信息能力新闻发布会，大力实施三年行动计划等措施，开展新一代竞争产业，即智能制造、生物医药、新能源，新材料、航空航天设备制造，石化产业升级、汽车制造等项目的加速落地。在战略性新兴产业中，指定规模以上产业增加值占全部增加值的26.1%。高新技术制造业增加值占指定规模以上产业增加值总额的15.4%。服务业质量和效率提高，占GDP的比重提高到64.4%。金融租赁业依然是全市的主力行业。税收占一般财政收入比重由2015年的59.2%提高到78%。城市基础设施建设全面加强，城市干线公路网和客货运网络更加完善，高速铁路和城际铁路里程达到310公里。交通承载能力不断增强，城市基础设施建设水平得到加强，进一步完善了城区干线公路网和客货运网。进一步提升城市便利度，完成目前开通的地铁5、6、1号线东延伸工程等基础设施建设工程，在建总长度232公里。实现5G网络全覆盖，中心城区和滨海新区主要城区移动通信全覆盖，强网城市建设取得显著进展。移动电话和固定宽带下载率均居中国第三位。大数据产业发展活跃，安全保障网络能力不断增强，供给网络文化产品增多，从量到质综合管理水平，网络文物不断改进综合管理水平，网络文物不断改进网络安全保障能力不断增强，网络文化产品全面发展。继续实施公共支援事业，政府支出的75%用于民生相关领域。实现城乡居民人均可支配收入年均增长7%。失业保险补贴、城乡居民生活补贴、生活型家庭救助、特困人员救助、资质团体补助等社会保障制度不断完善，社会保障体系进一步完善。今后也会努力改善门诊和住院的诊疗报酬，确立员工的重病保险制度。医疗和护理相结合的老年护理设施和老年日间照料中心覆盖95%以上的老年护理设施。改造城市危旧房148万平方米，改造危旧房8624万平方米，改善了131万户家庭的生活质量。人均寿命达到81.89岁，与发达国家的主要健康指标持平。农村生活环境明显改善，农村居民生活质量明显提高，乡村振兴战略扎实推进。第3章土地利用变化分析3.1土地利用数量变化3.1.1土地利用变化幅度通过天津2009-2019年度的用地资料，可以得出天津11年间的用地变化情况(表3.1）。表3.1天津市2009至2019年用地变化情况土地利用类型2009年（平方公里）2019年（平方公里）2009-2019年变化（平方公里）变化率耕地6780.036278.31-501.72-0.07林地345.93350.184.250.01草地35.5523.33-12.22-0.34水域1126.15926.60-199.55-0.18建设用地3144.473869.42724.950.23未利用地42.0626.35-15.71-0.37根据收集的数据以及其变化量可以看出在这十年中，天津市各土地利用类型均出现了不同程度的相互转化，并且转化速度十分迅速。通过表3.1可以明显看出，除了建设用地和林地以外，其他用地类型都出现了比较大的跌幅。其中耕地和水域是天津市土地利用类型中减少的数量最多的，分别为501.72平方公里和199.55平方公里。草地和未利用地由于初始面积不大，也比较小。林地与其他用地类型相比，在所有用地类型中变化最小，仅提高了4.25平方公里，变化率仅为0.01，这可能与天津市有关森林保护政策不无关系。建设用地在所有土地利用类型中呈现明显增加趋势，在近十来年中，增加了724.95平方公里，变化率达到了0.23。这种土地类型的急剧变化与当地的社会经济的增长是密不可分的。由此推论，社会经济的增长带动了当地人口的增长，进而引发了社会对建设用地需求的不断增长，随之而来的是其他用地类型开始希望改变建设用地，进而满足社会对建设用地的需求，这种现象表明当前的土地利用模式是以促进社会经济发展为前提的，因此，当前土地利用方式的变化主要表现为土地用地之道是以地为本。3.1.2土地利用变化的速度将土地利用变化的动态度分为单一用地动态度和综合用地动态度，以反映其变化速度的不同，表达了对土地利用变化动态度的不同层面的关注和理解。单一土地利用动态度的目的在于证明单独土地的变化，而综合土地利用动态度则关注所有土地类型的整体变化，这样可以更全面地反映区域的总体效果。3.1.2.1单一土地利用动态度 式(3.1)式中，K:单一土地利用动态度；Ua：期初土地数量；Ub：期末土地数量；T：时间。3.1.2.2综合土地利用动态度 式(3.2)式中，LC：综合土地利用动态度；LU：所选土地数量；：某一时期选定的土地类型转化为其他土地的面积；T：时间。为了能够显示出天津市土地利用变化的速率，现将数据划分为2009-2012年，2012-2016年和2016-2019年三个阶段，以此来直观反映土地利用变化动态度的升降变化（表3.2）。3.2土地利用变化动态度表3.2天津土地变动动态时段耕地林地草地水域建设用地未利用地综合土地利用动态度2009-2012年-0.840.69-2.56-0.742.14-8.280.612012-2016年-1.020.24-4.38-1.552.52-8.870.762016-2019年-0.04-0.81-3.77-3.200.9715.050.34由表3.2可见，2009-2019年，天津土地利用变化速度逐渐放缓，在所分的三个阶段中，2012-2016年阶段变化速度最快，土地综合利用动态度达到0.76。观察单一用地动态，观察三个阶段的建设用地均呈现出不同程度的增加，特别是前两个阶段呈现出陡增状态，分别为2.14和2.52。由此我们可以推断，在2009-2012年、2012-2016年两个时间段内，天津经济高速发展，导致建设用地社会需求量增大，进而带动其他用地向建设用地快速转化。水域在第三阶段呈现出急剧减少状态，单一土地利用动态度达到了-3.20，土地利用类型的面积呈断崖式减少。3.2.1土地利用程度变化分析方法这篇文章将探讨土地利用程度变化的因素，包括人为因素和自然因素。根据土地利用程度，本文将其分为三个等级（表3.3）。使用综合利用指标公式计算2009年和2019年的土地利用综合指标，以此得出这两个年份之间的变化量和变化率。这样一来，天津土地利用情况的特点和未来发展趋势就会更加明显。土地利用程度的综合指标计算公式如下： 式(3.3)式中，L:土地利用程度综合指数；：所选取的土地利用分级指数；：土地类型面积选择百分比(%)。土地利用程度的变化公式为： 式(3.4) 式(3.5)式中，Lb:年末土地利用程度综合指数；La:年初土地利用综合程度指数；Ai:所选取的土地利用分级指数；Cia：期初土地类型面积选择百分比；Cib：期末土地类型面积选择百分比；R：土地利用程度变化率。类型林草水用地等级农用地级建设用地分级土地利用类型林地、草地、水域设施用地耕地用地建设用地分级指数123表3.3土地利用分级指数3.2.2土地利用程度变化结果利用2009-2019年土地利用类型变化数据并结合公式计算出土地利用变化程度综合指数及变化率（表3.4）。表3.4土地利用变化程度综合指数及变化率2009年土地利用程度综合指数2019年土地利用程度综合指数土地利用程度变化量土地利用程度变化率311.99321.939.94240.03193.3土地利用结构变化分析利用土地有序性的特点，为了得出研究区域有序性的程度可以利用熵值计算来体现。公式如下： 式(3.6) 式(3.7) 式中，Pi：一种类型土地所占总面积的比例；Ai：特定一种土地类型的面积；A：区域内总面积；H：熵值。表3.5土地利用结构信息熵年份熵值20091.037520101.035520111.038220121.043320131.046220141.045220151.044820161.043620171.04120181.036320191.0328表3.6土地利用结构信息熵变化率年份土地利用结构信息熵变化率2010-0.19320110.26120120.49120130.2782014-0.0962015-0.0382016-0.1152017-0.2492018-0.4512019-0.338由表3.5和表3.6可知，2009-2010年，天津市的土地利用结构信息熵处于一个短暂的下降，土地利用结构信息熵变化率呈现负向变化，变化率为-0.193，土地利用结构信息熵由2009年的1.0375下降到2011年的1.0355，而后在2010年后快速上升，土地利用结构信息熵变化率呈现正向变化，并在2012年变化率达到最高，此时土地利用结构信息熵变化率为0.491，同时土地利用结构信息熵在2013年达到最大值，为1.0462，即天津市在2013年的土地利用结构变化最大，而各类型的土地差别最小。此外，根据表3.5还可以看出，天津市的土地利用变化结构信息熵在2013年后处于逐年下降，土地利用结构信息熵变化率呈现负向变化，并于2019年达到最低值1.0328，由此可以得出，在2013-2019年，天津市土地利用系统的有序性在逐年增加。第4章土地利用变化驱动力研究4.1土地利用变化驱动力简介土地变化是由各种因素造成的原因也不例外。受影响最大的因素的来源大致可以分为三个方面，即自然和社会经济和政治。同时，三者不是单独运作的，如果土地发生变化，则必然会影响其他因素，因此三个是相辅相成的体系。4.1.1自然驱动力土地是有限自然资源的组成部分，自然因素的影响是不可避免的。自然不仅为人们提供了生产的基本生计，而且不可避免地限制了土地的开发和使用。对自然驱动力的分析和研究可以理解为研究环境因素对人类土地利用方法的适应，即如何实现将自然利用与其保护相结合的目标，而造成影响的环境因素主要是气候、土壤、水文和地形。4.1.2社会经济驱动力推动土地利用变化的最大驱动力是社会经济驱动力，因为本文选择的时间较短，更清楚地说明了土地利用变化在社会经济驱动中的作用。与此同时，毫无疑问，近年来发生的许多生产模式变化以及生产模式的变化将对土地利用的变化产生重大影响。4.1.3土地利用政策驱动力土地政策的驱动力在某种程度上指导了土地利用的变化。政府通过实地访问讨论当前问题或实地情况，决定过去土地利用的变化和方向，同时考虑到当地社会经济发展和生态资源的状况，采取适当的政策。各国政府必须在经济发展和环境资源的范围内考虑到相应改变社会经济从而改变土地利用的土地利用政策，以便公平和适当。因此，政治因素主要起宏观监管作用。4.2土地利用变化驱动力定量分析土地利用的变化受到自然、社会经济和政治三个方面的影响，考虑到自然因素和政治因素在短期内并未发生明显变化，因此，本文主要从社会经济角度分析土地利用变化驱动力的社会经济因素。4.2.1主成分分析法主成分分析法是运用降维思维方法，通过整合变化，将多个不同的指标转化为综合指标，其数量较少。该综合指标能够显示出原本信息，但为了避免在整合过程中各因子在性质上的不同，需要进行标准化。4.2.2驱动因子的确认根据主成分分析法的思想，选取社会经济方面的10个影响因子作为分析指标，以其代表性和可获得性为前提，进而构建天津土地利用变化驱动力指标体系模型（表4.1）。天津社会经济相关数据详见表4.2。表4.1土地利用驱动力指标体系影响因素分析指标人口变化X1：总人口；X2非农人口经济增长产业调整X3：国民生产总值；X4：第一产业产值X5：第二产业产值；X6:第三产业产值X7：资产固定投资；X8：社会消费零售总额X9：粮食总量；X10农业机械总动力表4.2天津社会经济相关数据因子20092010201120122013201420152016201720182019X19809859969931004101710271044105010821108X2599604614616632645657731731760785X357106831811390439945106411088011477124511336314104X4120132141148155159168168169175185X528093260375641344407461644904368456448354947X627813439421547615384586662286941771883528923X7497764857484885010091116261304811224112751064312123X8894112346177612210127095306013079332735286812688128926X9157161163164177178184200212210223X10595588584568554552547470465348360为了避免因选择的因子在种类上影响结果的不同，原有的数据需要经过规范化的处理。关系系数转移矩阵可以根据标准化的数值得到，通过SPSS软件分析得到特征根值、方差解释率、方差贡献率（表4.3）。表4.3特征根值、方差解释率、方差贡献率编号特征根方差解释率方差贡献率X18.80188.00688.006X20.9929.92497.93X30.1071.0799.00X40.0520.51599.515X50.030.29899.814X60.0090.09399.907X70.0070.06599.972X80.0020.02599.997X900.003100X1000100根据主要成分分析法得出驱动因子的主要成分负荷(表4.4)。表4.4驱动因子的主要成分负荷种类主成分1主成分2X10.947-0.293X20.938-0.321X30.9970.019X40.9880.120X50.9300.296X60.996-0.071X70.8720.465X80.8500.499X90.959-0.219X10-0.8920.429从表4.4可以看出，第一大主成分中的国民生产总值；在第一产业产值，第三产业产值的驱动因子负荷达到了0.997、0.988、0.996以上，而在第二大主成分中，固定资产投资、社会消费零售总额和农业机械总动力负荷较高，所以可以把天津土地利用变化主要的驱动因子确定为经济发展、产业结构调整和技术进步。结论通过对天津2009-2019年土地利用动态变化及驱动力进行分析发现，在土地利用面积变化方面，天津市耕地转变为建设用地的数量最多，面积达501.72平方公里，其次为水域用地，转化面积为199.55平方公里；在土地利用动态度变化方面，将研究时段划分为2009-2012年、2012-2016年与2016-2019年，其土地利用综合动态度分别为0.61、0.76、0.34；在用地结构变化方面，2009-2010年，天津市土地利用结构信息熵变化率呈现负向变化，变化率为-0.193，而后在2012年变化率达到最高（0.491），土地利用结构信息熵在2013年达到最大值（1.0462），即天津市2013年土地利用结构变化最大，而各类型的土地差别最小。土地利用变化结构信息熵在2013年后逐年下降，并于2019年达到最低值（1.0328），表明2013-2019年，天津市土地利用系统的有序性在逐年增加。在驱动力分析方面