梁小麗,屠爽爽,萬詩夢,周星穎
(南寧師范大學,a.地理科學與規(guī)劃學院;b.地理與海洋研究院,南寧 530001)
耕地是受人類影響最大的人工復合系統(tǒng),研究耕地利用轉(zhuǎn)型是研究土地利用轉(zhuǎn)型的重要切入點。中國經(jīng)濟社會的快速發(fā)展,對耕地利用方式產(chǎn)生了巨大挑戰(zhàn):一方面,城市建設面積與工業(yè)用地的不斷增長,占用大量的耕地[1,2],且主要為生產(chǎn)力較高的優(yōu)質(zhì)耕地[3];另一方面,務農(nóng)機會成本升高,耕地利用邊際化,使得大量農(nóng)業(yè)勞動力析出,造成耕地大量撂荒,全國山區(qū)縣2014—2015 年耕地撂荒率達14.32%[4-6]。此外,耕地利用還面臨生態(tài)系統(tǒng)退化,土壤污染,耕地質(zhì)量下降等問題。而受農(nóng)業(yè)結構調(diào)整與生態(tài)退耕等驅(qū)動,耕地數(shù)量呈現(xiàn)減少的趨勢,糧食安全面臨著巨大的威脅[7]。為此國家層面先后出臺了嚴守18 億畝耕地紅線、實施城鄉(xiāng)建設用地“增減掛鉤”、實施基本農(nóng)田保護等一系列政策,以保護耕地資源與國家糧食安全。
在現(xiàn)有耕地局勢趨緊的背景下,開展耕地利用變化研究能更好地為區(qū)域耕地管理、土地整治和城鄉(xiāng)規(guī)劃提供理論支撐,為區(qū)域耕地資源優(yōu)化配置提供科學依據(jù)[3],耕地利用演變研究已經(jīng)成為地理學界的研究熱點之一。研究方法的多樣化使研究內(nèi)容逐步豐富與深化,大量學者從時間序列分析耕地面積變化趨勢,借助空間分析方法從不同空間尺度進行實證研究,刻畫耕地利用變化時空分布特征和采用定性分析的方法探究影響因素[8-14];一些學者引入計量經(jīng)濟分析法,將主成分分析、多元回歸分析、Logistic 模型和地理探測器、空間計量回歸分析等方法[15-17]運用于研究中,定量化與空間化識別并分析耕地利用變化的的驅(qū)動因子。此外,部分學者在研究耕地利用時空演變規(guī)律的基礎上進一步探討了耕地撂荒現(xiàn)象及原因[18-20]、耕地多功能的演化過程與發(fā)展規(guī)律[21-23]、耕地變化與社會經(jīng)濟的關系[24,25]、耕地面積與農(nóng)村宅基地的耦合關系[26]。總體來看,以中國西部地區(qū)為研究區(qū)域開展耕地利用變化的研究成果相對較少。為此,本研究運用ArcGIS 空間分析與經(jīng)濟計量分析方法,揭示1995—2015 年廣西耕地利用形態(tài)的時空格局,剖析耕地利用形態(tài)變化的驅(qū)動因素,以期為促進耕地資源的有效利用提供參考。
廣西壯族自治區(qū)下轄14 個地級市,111 個區(qū)縣,面積23.76 萬km2。地處中國華南沿海地區(qū),地跨北熱帶、南亞熱帶與中亞熱帶,屬于季風氣候,冬短夏長,水、熱資源豐富。西北緊鄰云貴高原,地勢呈現(xiàn)西北高東南低,地形復雜多樣,山地、丘陵和石山約占陸地面積的69.7%,平原與臺地占26.9%,水域約占 3.4%[27](圖 1)。2018 年末,廣西總人口 5 518 萬人,城鎮(zhèn)化水平50.22%,第一產(chǎn)業(yè)生產(chǎn)總值3 019.37億元,占廣西生產(chǎn)總值的13.1%。當前,廣西正處于城鎮(zhèn)化加速發(fā)展階段,大量農(nóng)村人口向城鎮(zhèn)轉(zhuǎn)移,務農(nóng)人口不斷減少,鄉(xiāng)村老齡化趨勢不斷增強,耕地撂荒與建設用地占用耕地現(xiàn)象并存,耕地利用形態(tài)在悄然發(fā)生巨變,是研究中國地形復雜地區(qū)耕地利用形態(tài)演變特征及其驅(qū)動因素的典型地域。
圖1 廣西壯族自治區(qū)區(qū)位
本研究以2018 年行政區(qū)劃為依據(jù),以廣西111個區(qū)縣為基本單元開展相關研究。研究涉及的土地利用數(shù)據(jù)來源于生態(tài)環(huán)境部(1995 年、2005 年)和中國科學院資源環(huán)境科學數(shù)據(jù)中心(2015 年)提供的Landsat TM 影像(30 m)解譯數(shù)據(jù);高程數(shù)據(jù)、主要道路和縣級、市級與省級行政中心的數(shù)據(jù)均來源于BIGMAP;地區(qū)生產(chǎn)總值、農(nóng)村居民人均純收入、第一產(chǎn)業(yè)增加值、第一產(chǎn)業(yè)構成、固定資產(chǎn)投資等數(shù)據(jù)來源于《廣西統(tǒng)計年鑒》(2016 年),鄉(xiāng)村人口、城鎮(zhèn)化率來源于《廣西要情手冊》(2016 年)。
主要從耕地變化率、耕地轉(zhuǎn)移方向與轉(zhuǎn)換率、景觀格局3 個方面來分析廣西耕地利用形態(tài)的時空演變特征。
2.1.1 耕地面積變化率 以3 期廣西耕地利用數(shù)據(jù)為基礎,刻畫耕地數(shù)量變化的時空特征,構建耕地面積變化率模型,公式如下:
式中,CR表示耕地面積變化率;IA表示研究初期的耕地面積;TA表示研究末期的耕地面積;T為研究期時長。
2.1.2 耕地轉(zhuǎn)移方向和轉(zhuǎn)換率 在ArcGIS 和Excel統(tǒng)計獲取的耕地轉(zhuǎn)移矩陣基礎上,建立其他地類與耕地的轉(zhuǎn)換率模型:
式中,CLCRi表示研究期地類i與耕地的轉(zhuǎn)換率,正、負值代表耕地轉(zhuǎn)移的方向(正值代表其他地類向耕地轉(zhuǎn)移,負值代表耕地向其他地類轉(zhuǎn)移),NCLi表示由地類i轉(zhuǎn)為耕地的面積;CCLi表示耕地轉(zhuǎn)為地類i的面積;CLAj則表示研究初期的耕地面積。
2.1.3 景觀格局指數(shù) 景觀指數(shù)是指能夠高度濃縮景觀格局信息,反映其結構組成和空間配置特征的定量指標[28,29]。由于這些定量指標含信息量高、說明能力強,正廣泛地應用于土地科學研究中[30]。不同耕地利用類型斑塊的分布規(guī)模、空間結構及其擴張的變動可反映一定區(qū)域內(nèi)耕地利用的結構形態(tài)隨時間演變的過程。參考相關文獻[31-33],選取斑塊平均面積(AREA_MN)、斑塊密度(PD),景觀形狀指數(shù)(LSI)、最大斑塊指數(shù)(LPI)、聚集度指數(shù)(AI)5 個指標,將提取的3 期耕地利用柵格數(shù)據(jù)導入軟件Fragstats 計算分析,用于反映廣西耕地景觀形態(tài)結構變化。其中,AREA_MN和PD可綜合表征斑塊的破碎化程度;LSI用于揭示斑塊形狀復雜程度與形狀不規(guī)則程度;LPI體現(xiàn)斑塊優(yōu)勢景觀的支配作用;AI體現(xiàn)耕地斑塊的聚集度與連通性。
2.2.1 地形因素的空間量化 依據(jù)中國農(nóng)業(yè)區(qū)劃委員會頒布的《土地利用現(xiàn)狀調(diào)查技術規(guī)程》,將耕地坡度等級劃分為5 級:Ⅰ級≤ 2°、2°<Ⅱ級≤6°、6°<Ⅲ級≤15°、15°<Ⅳ級≤25°和Ⅴ級>25°。利用ArcGIS,對新增耕地和減少耕地的面積與DEM 影像進行疊加分析。
2.2.2 經(jīng)濟社會因素的定量化 主成分分析法(Principal component analysis,PCA)是考察多個變量間相關性的一種多元統(tǒng)計分析的重要方法,是將多個變量通過線性變換以選出重要變量的一種多元統(tǒng)計分析方法,用這種方法可以找到幾個綜合因子來代表原來眾多的變量[34]。作為一種人工復合系統(tǒng),耕地利用形態(tài)變化與社會經(jīng)濟發(fā)展密切相關??紤]到數(shù)據(jù)的科學性與可獲取性,結合廣西區(qū)域發(fā)展的特征,本研究選取地區(qū)生產(chǎn)總值、農(nóng)村居民人均純收入、第一產(chǎn)業(yè)增加值、第一產(chǎn)業(yè)占比、固定資產(chǎn)投資、鄉(xiāng)村人口、城鎮(zhèn)化率、耕地與主要交通道路距離、與縣(市)級行政中心的距離等指標,先對初始數(shù)據(jù)標準化處理,借助SPSS 軟件,將耕地變化率分別與各指標進行皮爾遜相關分析,獲取各成分的特征值和成分矩陣,提取主因子。
3.1.1 耕地面積變化 根據(jù)土地利用矢量數(shù)據(jù)統(tǒng)計結果,1995—2015 年,廣西耕地面積變化時空差異顯著。①1995—2005 年廣西耕地面積增長率呈“北高南低,東高西低”的空間分布特征,87.39%的區(qū)縣耕地面積增長,其中,桂北、桂西北地區(qū)、桂東與桂中東部等地區(qū)耕地增長速率較高;耕地面積減少的區(qū)縣主要為市轄區(qū)(圖2a)。②2005—2015 年,耕地變化率高值中心和低值中心空間集聚特征明顯。其中,桂中桂東交界、桂西北地區(qū)減少率最大,以上區(qū)縣與上一時段高增長率地區(qū)具有較強的吻合性;桂西南地區(qū)耕地面積增長(圖2b)。③縱觀1995—2015 年,桂北、桂西南地區(qū)耕地總面積增加,桂西中部、北海市、梧州市和桂林市轄區(qū)等地耕地總面積減少(圖2c)。對比2 個時段來看,桂西南耕地總面積持續(xù)增長且增速愈發(fā)加快,而桂中東部與桂東交界附近區(qū)縣呈前期快速增長后期快速減少的特點。
3.1.2 耕地利用轉(zhuǎn)移方向和轉(zhuǎn)換率 1995—2015年廣西耕地與其他地類轉(zhuǎn)換率空間格局如圖3 所示。
圖2 1995—2015 年廣西耕地面積變化率空間格局
1)林地和草地是耕地轉(zhuǎn)換的主要來源和去向。1995—2005 年,林地和草地是耕地面積增加的主要來源,全區(qū)林地和草地轉(zhuǎn)換為耕地的面積分別占同期其他地類轉(zhuǎn)向耕地總量的70.22%和29.06%,其中,桂北、桂西北、桂東以及桂中東部地區(qū)的轉(zhuǎn)換率最大(圖3a、圖 3d)。2005—2015 年,林地和草地是耕地面積減少的主要去向,其中,桂西南地區(qū)是轉(zhuǎn)換的高值中心,桂東中部、桂西地區(qū)是低值中心(圖3b、圖3e)。以上2 個研究時段林地與耕地轉(zhuǎn)換率絕對值的高值中心在空間分布上存在較高的重合性??v觀1995—2015 年,林地和草地轉(zhuǎn)換為耕地的高值區(qū)分布于桂北、桂西南、桂東及桂中等部分區(qū)縣(圖3c、圖3f)。
2)水域和耕地轉(zhuǎn)換幅度相對較小,呈耕地先向水域轉(zhuǎn)移、后水域轉(zhuǎn)向耕地的特點。1995—2005年,全區(qū)耕地與水域的轉(zhuǎn)換率呈南高北低的分布特征,水域向耕地轉(zhuǎn)移的區(qū)縣以沿海地區(qū)為中心呈連片分布(圖3g);2005—2015 年耕地與水域的轉(zhuǎn)換方向總體上與前一研究時段相反,耕地向水域轉(zhuǎn)移的縣區(qū)主要分布于桂南地區(qū)(圖3h)??v觀1995—2015 年,水域轉(zhuǎn)移為耕地較為明顯的縣區(qū)主要分布于桂南與桂北地區(qū)且連片分布(圖3i)。
3)建設用地是耕地減少的重要去向,尤以市轄區(qū)表現(xiàn)突出。1995—2005 年,耕地轉(zhuǎn)向建設用地轉(zhuǎn)換率較高的地區(qū)零散分布于各市轄區(qū)和桂南沿海(圖 3j);2005—2015 年,耕地轉(zhuǎn)換為建設用地的高值區(qū)主要分布在桂林市、柳州市、南寧市轄區(qū)及桂東西部等縣區(qū)(圖3k)??v觀1995—2015 年,耕地轉(zhuǎn)換為建設用地的高值縣區(qū)零散分布于桂東、桂東北、沿海地區(qū)、市轄區(qū)(圖3l)。
圖3 1995—2015 年廣西耕地與其他地類轉(zhuǎn)換率空間格局
3.1.3 耕地景觀格局 1995、2005、2015 年廣西耕地斑塊的景觀格局指數(shù)統(tǒng)計結果表明,廣西耕地破碎化程度呈先降低后升高的趨勢,耕地斑塊復雜程度與不規(guī)則程度不斷增強,優(yōu)勢斑塊在區(qū)域中的支配作用強度呈先增強后減弱的趨勢,耕地景觀的集聚度與連通度呈先增強后減弱的趨勢。
從不同經(jīng)濟區(qū)對比的角度(表1)來看,廣西五大經(jīng)濟區(qū)[35]的耕地景觀格局具有顯著的時空差異。①綜合斑塊密度指數(shù)(PD)與平均斑塊面積(AREA_MN)數(shù)值的變化,桂西、桂北、桂東、桂中、桂南的耕地破碎化程度依次降低。②1995—2015 年,桂東、桂中與桂北地區(qū)破碎化程度先減弱后增強,桂中地區(qū)耕地破碎化程度變化幅度最大;桂西與桂南地區(qū)的耕地破碎化程度呈下降趨勢,桂西地區(qū)的耕地破碎化程度變化幅度較桂南地區(qū)明顯。③1995—2015 年,景觀形狀指數(shù)(LSI)在區(qū)域間具有明顯的差異,桂西地區(qū)的耕地斑塊復雜程度與斑塊形狀不規(guī)則程度最高,然后依次為桂東、桂南、桂北和桂中地區(qū);桂中地區(qū)耕地景觀不規(guī)則增幅程度較桂北地區(qū)大,桂北地區(qū)于2005—2015 年耕地景觀不規(guī)則程度增強較明顯,而桂中地區(qū)的耕地景觀不規(guī)則程度于1995—2005 年增強較顯著;桂南與桂西地區(qū)的耕地景觀形狀指數(shù)先升后降,且升幅均比降幅明顯,表明桂南與桂西地區(qū)耕地景觀不規(guī)則程度先增強后減弱;而桂東地區(qū)與桂南和桂西地區(qū)變化趨勢剛好相反。④1995—2015 年,桂中與桂南地區(qū)耕地優(yōu)勢斑塊在區(qū)域中的支配作用較強,且桂南地區(qū)變化幅度很大,桂西、桂北與桂東的耕地優(yōu)勢斑塊在區(qū)域中的支配作用則較弱,桂西地區(qū)優(yōu)勢斑塊的支配作用最弱,桂東地區(qū)優(yōu)勢斑塊的支配作用呈先減弱后增強的趨勢,且于2005—2015 年增強幅度較明顯。⑤1995—2015 年,五大經(jīng)濟區(qū)的耕地景觀聚集度指數(shù)(AI)差異相對較小,變化幅度較低,桂中和桂南地區(qū)耕地景觀的集聚度與連通度較桂北、桂東和桂西地區(qū)強,桂西和桂北耕地景觀空間聚集度和連通度較差;桂北、桂東和桂中地區(qū)耕地景觀聚集度和連通度呈先上升后下降的趨勢,桂西地區(qū)持續(xù)上升,而桂南地區(qū)呈先下降后升高的趨勢。
3.2.1 地形因素 對1995—2005、2005—2015 年新增耕地和減少耕地的地形起伏度測算(圖4)發(fā)現(xiàn),1995—2005 年,Ⅰ、Ⅲ和Ⅳ級坡度新增耕地面積分別占同期新增耕地總面積的40.57%、55.79% 和3.65%,而Ⅱ級坡度則出現(xiàn)耕地面積減少的現(xiàn)象,Ⅴ級坡度耕地變化極小;2005—2015 年,Ⅰ、Ⅱ、Ⅲ和Ⅳ級坡度耕地減少面積分別占同期耕地總減少量的38.40%、37.30%、22.78% 和 1.51%;1995—2015 年,Ⅰ、Ⅱ級坡度耕地面積均呈現(xiàn)為減少的趨勢,其中,Ⅱ級坡度耕地減少較多;Ⅲ、Ⅳ級坡度耕地表現(xiàn)為增加的趨勢,Ⅲ級坡度耕地增加較多,Ⅴ級坡度耕地變化不大。以上表明在不同地形起伏度范圍內(nèi),耕地利用變化具有不同的時空特征。在起伏度較小的平坡、緩坡地區(qū),因農(nóng)村宅基地擴張和城市建設占用使得耕地減少,而在地勢較陡的山地、丘陵的斜坡、陡坡地區(qū),耕地與林地、草地間轉(zhuǎn)換率與轉(zhuǎn)換方向變化顯著。
表1 1995—2015 年廣西五大區(qū)域耕地景觀格局指數(shù)變化
圖4 耕地利用轉(zhuǎn)移與地形坡度的關系
3.2.2 社會經(jīng)濟因素 利用SPSS 軟件進行KMO和Bartlett 檢驗,KMO=0.731>0.05,P=0.000<0.05,說明各變量間存在相關性,適合進行主成分分析。對原始數(shù)據(jù)進行標準化處理,再將標準化值進行主成分分析,得出主成分特征值、貢獻率和累計貢獻率。如表2 所示,F(xiàn)1、F2 的特征值均大于1,且累積貢獻率達71.560%,能較好地反映耕地利用形態(tài)變化的驅(qū)動力,選取F1 和F2 為主成分。
表2 影響因子的特征值、主成分貢獻率與累積貢獻率
如表3 所示,第一主成分與城鎮(zhèn)化率、地區(qū)生產(chǎn)總值、農(nóng)村居民人均純收入、固定資產(chǎn)投資、第一產(chǎn)業(yè)占比、與主要交通道路的距離、與行政中心的距離相關性較大,這些因子反映經(jīng)濟發(fā)展水平;第二主成分與第一產(chǎn)業(yè)增加值、鄉(xiāng)村人口密切相關。因此,地區(qū)經(jīng)濟發(fā)展、城鎮(zhèn)化水平、農(nóng)民收入水平、區(qū)位條件、第一產(chǎn)業(yè)所占比重、鄉(xiāng)村人口數(shù)量是廣西耕地利用形態(tài)變化的主要驅(qū)動因素。
1995—2015 年,廣西城鎮(zhèn)化率由18.45%提升至47.06%,鄉(xiāng)村人口由3 705 萬人減少到2 539 萬人,第一產(chǎn)業(yè)從業(yè)人員減少156 萬,第一產(chǎn)業(yè)在地區(qū)經(jīng)濟總量中所占比值由30.4%減少到15.3%,廣西耕地總面積增加,但時間序列上呈先增加后減少的趨勢,林地、草地、建設用地與耕地轉(zhuǎn)換劇烈,耕地景觀破碎化程度先降低后升高,連通性、聚集度先增強后減弱。一方面,第一產(chǎn)業(yè)和鄉(xiāng)村人口所占比重高,農(nóng)民收入來源渠道單一,促使農(nóng)戶拓展耕地利用空間,Ⅲ級及以上坡度的大量林地、草地被開墾為耕地,耕地破碎化程度降低;另一方面,伴隨著城鎮(zhèn)化的持續(xù)推進、經(jīng)濟結構的調(diào)整以及農(nóng)業(yè)人口的非農(nóng)轉(zhuǎn)移、農(nóng)民收入來源的日趨多元化,農(nóng)戶對耕地的依賴性降低,耕地利用的比較效益和經(jīng)濟價值逐漸走低,農(nóng)村建房占用耕地、城鎮(zhèn)發(fā)展占用耕地等現(xiàn)象普遍,在地形平緩地區(qū)、靠近城區(qū)和交通主干道地區(qū)的大量耕地轉(zhuǎn)換為建設用地,經(jīng)濟相對發(fā)達的地區(qū)表現(xiàn)尤為突出。此外,隨著退耕還林還草國家政策以及石漠化治理、生態(tài)環(huán)境保護等區(qū)域性政策的實施,在人為強烈干預下大規(guī)模陡坡地區(qū)的耕地轉(zhuǎn)換為林地與草地,耕地面積大幅度減少,景觀破碎化程度升高。而隨著農(nóng)用地整治、土地流轉(zhuǎn)等活動的推進和耕地保護政策的實施,部分地區(qū)耕地利用形態(tài)趨于規(guī)整,連通性、聚集度得以提升。以上分析可知,耕地利用形態(tài)變化是地形條件、經(jīng)濟發(fā)展、人為干預等多重因素綜合驅(qū)動的結果。
表3 主成分的成分矩陣
1)研究期內(nèi)廣西耕地總面積增加,時間序列上呈先增后減的趨勢,1995—2005 年耕地增長率和2005—2015 年減少率高值中心具有較強的空間吻合性,呈“北高南低,東高西低”的空間分布特征;1995—2005 年新增耕地主要來源于林地和草地,2005—2015 年大量耕地轉(zhuǎn)換為林地、草地和建設用地;耕地景觀的破碎化程度呈先降低后升高的趨勢,耕地斑塊復雜程度不斷增強,耕地斑塊形狀不規(guī)則程度呈升高趨勢,連通性、聚集度及優(yōu)勢斑塊在區(qū)域中的支配作用均呈先增強后減弱的趨勢;桂南、桂中地區(qū)的耕地景觀破碎化程度較桂東、桂北、桂西地區(qū)低,集聚度與連通度較桂北、桂東與桂西地區(qū)強,桂中地區(qū)破碎化程度變化幅度最大,呈先降低后升高的趨勢;桂西地區(qū)耕地斑塊復雜程度與斑塊形狀不規(guī)則程度最高。
2)耕地利用形態(tài)變化是地形條件、經(jīng)濟發(fā)展、人為干預等多重因素綜合驅(qū)動的結果。在不同地形起伏度范圍內(nèi),耕地利用變化具有不同的時空特征。在起伏度較小的平坡、緩坡地區(qū),農(nóng)村宅基地擴張和城市建設占用使得耕地減少,而在地勢較陡山地丘陵地區(qū),由于受到糧食保障和生態(tài)環(huán)境保護的雙重壓力,大量開墾耕地后又經(jīng)歷退耕還林還草,耕地與林地、草地的轉(zhuǎn)換率及轉(zhuǎn)換方向變化顯著。地區(qū)經(jīng)濟發(fā)展、城鎮(zhèn)化水平、農(nóng)民收入水平、區(qū)位條件、第一產(chǎn)業(yè)所占比重、鄉(xiāng)村人口數(shù)量是廣西耕地利用形態(tài)變化的主要驅(qū)動因素。
3)隨著城鎮(zhèn)化與工業(yè)化進展的加快,在建設用地需求不斷增加與保護生態(tài)環(huán)境的雙重壓力下,廣西將面臨耕地資源緊缺與土地撂荒共存的局勢,這就要求主管部門綜合運用經(jīng)濟、法律和工程技術等手段,進一步優(yōu)化耕地空間布局,提升耕地質(zhì)量,并基于產(chǎn)權流轉(zhuǎn)、新型經(jīng)營主體培育、農(nóng)業(yè)結構調(diào)整等手段科學管控土地利用形態(tài),從而為鄉(xiāng)村振興的實踐提供空間載體。本研究僅從土地利用顯性形態(tài)的視角探討了耕地利用變化的動態(tài)過程及其驅(qū)動因素,今后將加強對耕地質(zhì)量、經(jīng)營主體與經(jīng)營規(guī)模、生產(chǎn)成本與收益等隱性形態(tài)變化的研究,為耕地資源的有效利用與調(diào)控路徑提供理論依據(jù)。