动力学分析概述

第5章　土地利用系统解析方法（三）：动力学分析方法

【本章要点】土地利用变化动力学研究是在土地利用系统几何学与运动学分析的基础上，建立土地利用系统变化现象与产生的原因间的因果关系，揭示土地利用变化的机理并预测其未来变化趋势。本章阐述了土地利用系统动力学研究的概念与内容；全面总结了驱动因素因子的分类方案；明确提出了土地利用变化驱动因素因子与土地利用系统变化格局与过程的因果关系分析的重要意义；并对土地利用变化的动力学演变机理进行了详细的讨论。

5.1　引　言

近10年来，国际上对土地利用变化驱动机理的认识逐步走向深入。大量区域案例研究表明，基础设施扩展、农业拓展（Fox et al.，1995）、森林砍伐是近段时期土地利用变化的主要诱因，而这些诱因又被若干深层因素的协同作用所驱动，其中起重要作用的有经济因素、人口增长、体制和政治因素、技术因素、文化影响。在这些因素中，每种因素都有其复杂的作用机制。以人口因素为例，国际上的若干案例研究表明，长时间尺度的研究结果显示出一定程度的人口增长和减少都已经并将继续显著地影响土地利用变化。但在几十年的时间尺度上，从人口增长、贫困、基础设施扩展上发现的简单答案却很难提供对土地利用变化的充分认识。（Lambin et al.，2001b；蔡运龙，2001）

土地利用变化驱动机理研究是土地利用变化研究的关键与核心，同时也是土地利用变化研究的难点（李秀彬，1996）。土地利用变化被人类活动所驱动，我们需要了解原因和表象之间的关系，即土地利用的社会驱动力与土地属性变化之间的关系（蔡运龙，2001）。另外，目前对土地利用变化动力学机理研究还缺乏深入的理论探讨。

本章拟从动力学的基本概念及分析方法出发，对区域土地利用变化的驱动机理进行探讨，重点讨论区域土地利用变化的动力学研究方法，区分驱动因素因子与产生变化的环境背景间的关系；鉴别产生变化的直接原因。

5.2　动力学分析概述

土地利用变化动力学研究方面，国内已有部分学者分别对土地利用变化动力学研究的目标及研究意义进行过论述，认为土地利用变化动力学研究的核心是通过案例比较研究方法（史培军等，2000b），建立驱动力与土地利用变化的关系（摆万奇等，2001）。笔者认为，区域土地利用变化动力学研究是以某一区域土地利用变化几何学及运动学研究为基础，把握土地利用系统变化的“信息”及格局变化的普适性与特殊性规律；以现代计算技术、GIS空间分析技术与统计方法为手段，通过归纳与演绎，探讨土地利用变化的原因、驱动因素因子内部作用机制，建立驱动机理动力学模型；预测系统未来的时空变化方向；提出合理利用管理决策方案。换句话说，是在土地利用系统格局变化与演替分析的基础上，借助于现代数学分析、空间分析、计算机模拟等技术手段，掌握引发系统变化的主要因素因子，建立系统变化的动力学模型（见表5-1）。动力学分析的关键在于确定原因-表象之间的关系，建立土地利用系统变化与引发其变化的动力因素之间的关系模型。

表5-1　土地利用变化动力学解析方法与模型

然而，土地利用变化是一个十分复杂的过程。变化的过程、分布格局与区域、立地的背景条件及引发的原因之间存在着复杂关系；并且，随着观察研究的时空尺度的变化，驱动因子与驱动背景环境之间会发生相互转化、演替。原因-表象之间的关系极为复杂。因此，土地利用变化动力学研究是一项非常复杂而艰巨的工作，有时原因-表象之间的关系仍然是一个“迷”（Lambin，et al.，2001），而且也很难建立完善的数学模型。在目前的土地利用变化动力学研究中，针对具体问题及研究深度，主要有定性描述与定量分析两种方式，分别建立土地利用变化的经验模型与诊断模型（史培军等，2000b；Turner et al.，1995）。在定量分析中已广泛采用多元线性回归分析模型（张惠远等，1999；史培军等，2000；陈浮等，2001）、典型相关分析模型（张明等，1997；2001；龙花楼等，2001）及主成分分析（王良健等，1999）等方法建立原因-表象之间的数学关系模型。

5.3　动力学研究方法

5.3.1　驱动因素因子的分类

土地利用变化是受多种因素的影响，导致土地利用变化的驱动力种类繁多。为提高对动力学的全面认识，有必要确定驱动力的分类体系。据笔者初步总结，共有如下不同的分类方案：

（1）按照驱动力对系统作用的行为方式划分

区域土地利用变化的驱动力，可分为推力、拉力和约束力三种力量的相互作用。推力主要是体现微观层次上农业生产者的主观意愿，从自身的利益角度出发，决定土地利用的生产方式与生产强度；拉力主要为城市发展对土地的需求量的增长；约束力主要表现为政府从区域环境综合治理角度所进行的宏观干预。

（2）按照系统变化与驱动因素的关系划分

按照系统变化与驱动因素的关系，可分为直接驱动因素与间接驱动因素（李秀彬，1996；许月卿等，2001）。直接因素包括：对土地的需求、对土地的投入、城市化程度、土地利用集约化程度、土地权属、土地利用政策及对土地资源的保护态度（李秀彬，1996）；间接因素则包括6个方面：人口变化、技术发展、经济增长、政治与经济政策、富裕程度和价值取向，这些间接因素通过直接因素而起作用。

（3）按照研究尺度划分

由于区域土地利用系统具有层次性，土地利用研究具有尺度范畴。不同层次与不同尺度的土地利用变化特征，产生变化的原因不同，因而驱动力在不同研究尺度上的特征也不一。据此，可划分为全球尺度驱动力、区域尺度驱动力、景观尺度驱动力、局地尺度驱动力、地块微观尺度驱动力等类型。其中的全球尺度驱动力，主要是指产生全球范围的土地利用与土地覆被变化的主导因素因子，如全球气候变暖、全球人口增长、科技重大创新与重大进步等因素导致土地利用方式与土地利用程度的变化，进一步影响到全球尺度的相关问题的变化。

（4）按照驱动因素与环境的关系划分

动力学研究应从研究时空尺度、研究对象的层次两方面进行综合分析，可区分出动力学的环境因子、驱动因子、驱静因子^[1]。笔者将促进系统变化的因子称为驱动因子，将对系统产生阻碍变化的因子称为驱静因子，把研究对象变化的支撑环境背景称为环境因子。

（5）按照驱动力层次结构划分

按照驱动力层次结构，可分为自然驱动力与人文驱动力（陈百明，1997；朱会义等，2001a）。但需注意，自然驱动力通常是指土地利用过程中的背景环境，对土地利用变化起加速或约束作用。当土地利用系统与背景环境相协调一致时，将促进土地利用系统的演变与发展；当系统变化与背景环境状况相抵触时，环境条件将起着约束作用。如果环境因子发生变化必将进一步影响土地利用系统；但是从研究的时间尺度而言，自然驱动力的变化速度相对较缓慢，变化的幅度较小。因此，在短期时间尺度方面的研究中，自然驱动力的影响不必过于详细分析。

5.3.2　土地利用变化因素因子的特征

根据国内外现有土地利用变化驱动力与驱动机理研究成果（见表5-2），驱动因素主要包括引发土地利用方式和目的的自然和人文因素两大类。自然驱动因素包括气候波动、干旱、火灾、虫灾和洪水等因子，通常主要影响土地资源的生产力和土地利用强度；人文因素包括人口增长、城市扩展、生活方式、经济政策、市场需求、技术进步、社会意识形态、传统文化等因子。驱动因素影响着土地利用类型转变，同时也影响着土地利用强度的变化。基于目前的研究成果，驱动力作用的强度在时空尺度上不同，随着尺度的变化而变化。

表5-2　土地利用变化驱动力层次结构解析与特征描述

注：研究范例详见下述文献：［1］Biĉík etal.，2001；［2］Crow etal.，1999；［3］Gobin etal.，2001；［4］Kammerbauer et al.，1999；［5］Naveh，1995；［6］Reid et al.，2000；［7］Skonhoft et al.，2001；［8］Umezaki，2000；［9］Verburg et al.，1999；［10］Wiegers et al.，1999；［11］摆万奇等，2002；［12］顾朝林，1999；［13］李秀彬，1999；［14］刘纪远等，2002；［15］鲁奇等，2001；［16］史培军等，1998；［17］苏维词，2000；［18］谢高地等，1999；［19］熊惠波，2002；［20］朱会义等，2001a。

（1）驱动力的层次性特征

长期以来，众多学者提出的土地利用变化是自然与人文（或社会经济）因素共同驱动下的结果的观点（Lambin，et al.，2001b），实际上已构成驱动力层次论观点的雏形。然而，当我们从土地利用变化的对象及产生变化的主体行为的角度进行考察，很容易得出土地利用变化总层面上是由自然与人文因素驱动的结果，由此可得出区域土地利用变化是由自然与人文因素驱动作用的产物的结论；另一方面，从层次分析角度进行研究，土地利用变化的不同驱动因素在不同的研究层次与尺度空间的影响力不同，土地利用变化驱动力的影响程度与影响范围随着时空尺度的变化而变化，即土地利用变化驱动力具有时空尺度特性。

（2）驱动因素的时空尺度转换

以自然驱动因素的时空尺度变化为例，影响区域土地利用变化的自然因素主要是指土地利用系统的物质生产系统的实体部分以及生产利用过程中的环境要素，从而可将土地利用变化的自然因素分为物质要素与生产环境条件两个方面。物质生产要素对土地利用系统的自然子系统的生产能力起着直接的作用；生产环境条件通过影响自然子系统的生产过程而对土地利用变化产生影响。

然而，当我们用解析与分解的辨证方法审视土地利用自然生产要素时，可将物质要素进一步划分为土壤类型、地形与地貌类型、水气分布状况、动植物分布特征等因子，即地理学中通常所界定的自然地理条件；而生产过程中的环境要素主要是指在研究尺度层次上的环境变化部分的内容，按照变化的过程与规律可划分为趋势变化与波动变化两部分，如全球变暖、灾害的影响等。这些趋势变化或波动变化随着研究的尺度与层次的不同而发生着性质的变化。由此可见，这种分类方案的意义在于可用来形成对土地利用变化自然驱动因素因子的完整认识。当从研究尺度与层次上进行分析时，驱动土地利用变化的自然因子应该是指自然因子中的自然环境变化部分的因子，而自然因子的常量部分已作为土地利用系统的物质要素直接投入到土地利用活动之中。由此可给予我们如下一些有益的启示：

启示一：土地利用变化的自然驱动因素方面的动力因子，是指直接引发土地利用变化的因素，通常是指土地利用变化过程中的环境变化部分的增量，从增量的变化改变的方向而言，如果与土地利用系统的变化相协调一致，则可促进系统的发展；当与系统的变化相抵触时，则会阻碍系统的变化与发展，即起着约束作用。

启示二：基于启示一的认识，驱动因素因子的尺度转换主要是指随着观察与研究的时空尺度与范围的不同，驱动因素因子在系统中状态与功能的转化。如在短时间尺度上，土地利用系统的水文、气候要素变化较小，通常作为生产要素投入自然生产活动中；而在长时间尺度上，水气条件的变化及灾害的发生将可直接影响着区域土地利用的变化，即随着研究的时空尺度的变化，驱动因素因子可发生着性质的交替转变，即驱动因素的尺度转换。

5.3.3　驱动力分析方法

前面已讨论了土地利用变化动力学分析的关键问题之一是确定原因-表象间的关系，因此，从分析方法而言，其核心内容是确定变量之间的“关系”。在现有驱动力分析中，广泛采用基于经验模型总结的定性分析方法和基于大量实证数据的统计定量分析方法；而在定量分析方法中，以回归分析与相关分析居多。定性分析是在几何学、运动学的基础上，定性确定引发土地利用变化的外在因素及其作用机制。该类方法计算简单，能形象直观地反映变化与机理间的关系，对基础数据资料连续性的要求不高，但对土地利用变化的刻画精度不高，很难进行高质量的预测与分析。定性分析的实例，如顾朝林（1999）分析了北京的土地利用/覆被变化机制；何书金等（2002）通过统计分析，探讨了人口增长、城市化、工矿业与交通运输业发展、农业用地内部结构调整、退耕及灾毁、土地政策和管理体制等对环渤海地区耕地变化的影响。下面对定量分析方法进行讨论。

（1）回归分析与相关分析法

在土地利用变化动力学研究中，利用观测数据建立驱动因子与变化过程-格局间的回归方程，可用于分析数据间的内在规律和预测未来的变化趋势。例如，杨桂山（2002）通过回归分析建立了长江三角洲耕地数量变化与人均GDP指标之间的回归方程，并对未来10～15年的耕地变化趋势进行了预测；王静爱等（2002）在北京城市边缘区土地利用变化动力学分析研究中，通过逐步回归分析，采用耕地面积等不同因变量，分析了它们与人口、居民收入、基础设施投资、国家预算内投资、实际利用外资、GDP以及第一、第二、第三产业在其中所占的比例等相关关系。

（2）主成分分析与典型相关分析法

土地利用变化动力学分析涉及众多的变量，但太多的变量不仅增加了计算的复杂性，而且也给合理地分析与解释带来困难。而主成分分析是研究如何将多指标问题化为较少的综合指标问题的方法。在土地利用变化动力学研究中，通过构造驱动因素的适当线性组合，可产生一系列互不相关的新的解释变量，组合成少数几个新变量。例如，王良健等（1999）运用主成分分析方法对梧州市1978—1994年土地利用变化驱动力进行了研究，揭示了土地利用变化的主要社会经济驱动力的基本特征。

典型相关分析将两组变量间的相关性转化为少数几个典型变量对之间的相关性，通过对相关性较大的几对典型变量的研究来了解原来两组变量之间的相关关系，从而有助于抓住问题的本质（梅长林等，2002）。一般地，为研究两组变量x1，x2，…，xp和y1，y2，…，yp之间的相关关系，先找出第一组变量的某个线性组合u=a1x1+a2x2+…+apxp，然后找出第二组变量的某个线性组合v=b1y1+b2y2+…+bqyq，于是把研究两组变量之间相关的问题转化为研究两个变量u和v之间的相关问题（王学民等，1999）。例如，张明等（2001）以环渤海地区为研究区，尝试将典型相关分析方法应用于土地利用结构的研究。

（3）系统综合分析法

摆万奇等（2001）认为，土地利用变化的驱动力的种类很多，如果孤立地分析个别的驱动力，难以解释它们与土地利用变化之间的复杂关系，因而需要将它们看成一个完整的系统，应用系统论的观点和方法综合考察其整体与部分及结构与功能的关系。并运用此方法对深圳市土地利用变化进行了尝试。

5.3.4　驱动因子筛选的重要性

然而，目前在开展驱动力研究时，一般的做法是在选取的众多因变量与自变量中（有些研究采用的变量达30～50个之多），完全依靠数学相关分析来找寻影响因素最大的、作用权重最高的因子集合作为驱动机理的解释变量。但是，这类数学相关分析方法在实际应用过程中也暴露出了不少问题，以致得出一些不合理的解释。其主要原因在于建立数学相关分析模型时缺少一个非常重要的中间环节，即确定变化表象与解释变量之间的成因关系分析，而这项工作是数学相关分析方法所不能替代与完成的，这也是目前土地利用变化相关分析中所存在的关键性问题之一。因此，在建立这类相关分析模型时，必须完善与加强建模中间环节的分析，在土地利用变化表象与原因研究中加强它们之间的因果关系（或称“成生”关系）的研究。

原因-表象间的因果关系分析（成生分析）实际上是一种定性分析方法，其基本目标是建立区域土地利用变化的现象与产生变化的直接原因之间的关系，排除与降低不合理因素因子的影响，提高变化解释的合理性。就分析方法而言，首要任务之一是基于层次分析方法划分驱动因素因子间的影响力强度、因果关系间联系的紧密程度。

研究中进行成生分析可以以王静爱等（2002）在北京城乡过渡区土地利用变化的研究为例。他们认为，宏观尺度的驱动因素包括计划经济向市场经济的转变，快速发展的城市化过程，及与之相伴的资本、土地、劳动力和技术的流动和变化，它们在宏观尺度上驱动着城乡的土地利用变化；在局部尺度上，交通、地形、距中心城市的远近等区位因素制约着土地利用变化的方向。再如陈顺清（1999）关于城市空间扩展的研究，他认为人口增长、经济总量和用地总量的增长作为表面特征之外，城市用地的空间模式、增长动力、土地价值等因素的变化进一步体现了城市增长的深层次含义。以上所举实例都隐含着驱动因素因子的层次性特点。可见，在建立土地利用变化驱动力模型中鉴别驱动因子的层次性是非常重要的，但是在目前的驱动机理研究中还未引起足够的重视。

5.4　区域土地利用变化驱动因子机理解析

5.4.1　土地利用变化的经济驱动机理

竞争存在于社会的一切方面，竞争与经济社会更是如影随形（孙天法，1999）。具体来说，竞争是由于存在某种优势，在有限资源前提下，通过相互作用，获取生存和发展机会，在时间和空间上选择、淘汰和发展的过程。差异导致竞争，竞争促进发展。从本质上说，土地利用变化是人类与周围环境以及人类群体本身之间不断竞争的过程。

1826年德国经济学家冯•杜能提出的农业区位论，从本质上说就体现了这种竞争理论。农业区位论即是以地租收益为基础，所构筑的早期的农业土地利用的理想竞争图式。在其后发展起来的土地利用经济竞争模型可作为土地利用变化驱动力分析的理论基础。例如，李平等（2001）提出了土地收益效用函数：

式中　bi——第i类土地收益。

土地收益的效用U具有一般的效用函数的性质，满足：

据此，土地利用类型的改变取决于对几种可能用地类型的边际效用之比较，土地利用效益最大化成为土地利用竞争模型的基本特征。

土地是一种资源或生产要素，而具有稀缺性与空间固定性的特点，加之不同土地利用类型在收益上存在很大反差（曲福田等，2001），因而土地利用类型之间的经济竞争不可避免。而且，土地利用边际效益的差异（经济收益差异场）又进一步导致土地利用类型的转移，即产生土地利用变化。因此，土地利用边际效益的差异场的存在，是最终导致土地利用类型变化的主要动力。

5.4.2　土地利用变化的社会驱动机理

社会变革是社会生产力发展的主要动力，也是推动生产关系发生质变的主要动力。如前所述，我国目前的土地利用管理采用三级管理体制（见图3-5）。不同层次的管理行为与目标和价值标准不一，从而产生了不同的行动准则。从宏观层次上的管理，主要是政府出台的方针、政策，与土地利用变化的社会驱动力的关系最为密切。一般而言，政府偏向于通过土地利用的宏观调控与约束，促进土地利用在区域环境背景上的良性循环，以及地区社会经济的可持续发展。因此，在一定时期内，社会经济宏观体制改革、制度变迁和宏观政策约束将对区域土地利用产生深刻的影响。此外，政府通过土地资源在部门间的分配，寻求既能保证粮食生产所需足够数量的耕地，又能提供促进国民经济持续发展所必需的建设用地，从而实现社会福利的最大化和土地资源分配最优化的目标。（王万茂，1997）

5.4.3　土地利用变化的人类活动驱动力分析

严格来说，人类活动也应属于土地利用变化的社会驱动力范畴。但是由于人类活动对土地利用变化影响的广度和深度越来越大，因此将其单独列出进行分析。人类是决定土地利用变化的主体，也就是说，人类的行为是土地利用变化的关键性因素。这是因为，人类在自然环境中，必须通过竞争谋取生存空间，促使人类有意识地在空间上集中以获取有限资源。因此，土地利用变化研究中的一项重要任务就是如何确定与评价人类活动的影响强度。

在土地利用变化研究中这样分析人类活动的影响，已有不少学者进行了尝试。例如，陈浮等（2001b）根据景观类型及变化的特征，构建了一个人为影响指数，用于描述一定区域内景观人为活动的影响强度，计算公式为：

式中　HAI——人为影响指数；

　n——景观类型的数量；

　Ai——第i种景观类型的总面积；

　Pi——第i种景观类型所反映的人为影响强度参数；

　TA——景观总面积。

陈浮等（2001b）在无锡地区的城市边缘区的研究中采用Leopold矩阵方法和Delphi打分法来计算人为影响强度指数；又如，王静爱等（2002）在北京地区城市边缘区土地利用变化研究中，采用Leopold矩阵方法和Delphi打分法两种方法的平均值来计算人为影响强度参数。再如，刘纪远等（西藏自治区土地利用，1992；庄大方等，1997）从人文、社会因素对土地自然综合体改造的程度角度，将土地利用程度划分为4级，对每级赋予相应的分级指数，建立了土地利用程度综合指数定量化模型［详见式（4-12）］，从而给出土地利用程度的定量表达。此外，王波等于2001年在无锡马山区采用土地利用变化强度指数进行了人文驱动力强度的研究。

以上这些研究尽管还并不很成熟，但是为在土地利用变化研究中分析人类活动的驱动机理做了很有价值的探索。

5.4.4　土地利用变化与驱动力的相关分析

定量分析模型是通过定量化的数学方程或数学模型来表达各动力因素因子，建立土地利用变化因果关系的数学函数。该方法的优点是能较全面反映土地利用变化的过程与变化规律，合理预测土地利用变化趋势，但对基础数据资料的要求较高。目前人们已在此方面取得了丰硕的成果，如针对人类活动的影响方面，通过构建一个人为影响强度指数，用于从整体上揭示人类活动对区域土地利用变化的影响强度。在系统动力学分析方面，摆万奇于2000年在深圳土地利用分析中，基于遥感、地面调查和大量公开的统计数据，应用系统动力学专用模拟语言Professional DYNAMOPlsu，建立土地利用变化系统动力学模型，成功地进行了土地利用变化的机理与趋势分析。杨桂山于2002年依据长时间序列耕地变化数据与社会经济统计资料数学统计分析，可建立精度较高的回归方程。王良健等于1999年以广西梧州市耕地面积变化与社会驱动因子进行主成分分析，建立了定量化的相关模型。李平等于2001年根据对土地利用变化驱动力的社会-自然指标特征、中国土地利用变化的基本矛盾的分析，采用驱动力指数的概念进行驱动力的相关分析，并通过驱动力指数矩阵来反映区域土地利用变化及分布状况分级。张惠远等于1999年以统计资料为基础，采用基本因子及反映基本因子综合特征的组合因子共同进行相关分析，来讨论人类驱动机制的影响，该研究较早提出开展驱动因子的进行分析与筛选的概念雏形。

5.5　本章小结

本章以土地利用变化动力学研究为重点，主要论述了以下几个方面的问题：

①区域土地利用变化动力学研究是以该区域土地利用变化几何学及运动学研究为基础，探讨土地利用变化的原因、驱动因素因子内部作用机制，建立驱动机理动力学模型；预测系统未来的时空变化方向；提出合理利用管理决策方案。动力学分析的关键在于确定原因-表象之间的关系，建立土地利用系统变化与引发其变化的动力因素之间的关系模型。

②按照动力学中各驱动因子的行为方式、原因与表象之间的关系、驱动因子的层次与尺度特性，提出了驱动因子的不同分类方案。

③分析了驱动因子层次性特征，并论述了不同层次结构的驱动因子影响的范围、作用的强度均随着时空尺度变化的关系而变化。

④驱动力分析中的主要方法有定性分析与定量分析两种。在详细讨论各种定量分析方法的基础上，指出建立原因与表象之间因果关系的机理分析的重要性，且该步骤是驱动力分析中不可缺少的基本步骤之一。

⑤论述了引发土地利用变化的经济驱动因素、社会驱动因素、人类活动等的机理。

【注释】

[1]刘纪远先生在中国地理学会自然地理专业委员会举办的“土地覆被变化及其环境效应”会议上的发言及李秀彬先生的大会总结.2002.云南昆明。