祝文婷，韋燕飛，童新華

(1.南寧師范大學(xué) 自然資源與測繪學(xué)院，廣西 南寧 530001；2.南寧師范大學(xué) 地理科學(xué)與規(guī)劃學(xué)院，廣西 南寧 530001)

1 引言

隨著經(jīng)濟發(fā)展、人口增長，社會轉(zhuǎn)型等帶來的土地利用方式的變化，使得土地利用在深度和廣度上發(fā)生劇烈的轉(zhuǎn)型。土地利用形態(tài)的變化與耕地的數(shù)量與質(zhì)量息息相關(guān)，同時引起了糧食產(chǎn)量發(fā)生變化，而糧食安全問題通常又會反過來推動土地利用形態(tài)的變化[1,2]。由此可見土地利用轉(zhuǎn)型與糧食產(chǎn)量之間存在著動態(tài)關(guān)聯(lián)性，只有二者彼此協(xié)調(diào)，相互間形成耦合發(fā)展態(tài)勢才能更好地驅(qū)動土地利用與經(jīng)濟社會發(fā)展。廣西地區(qū)糧食生產(chǎn)在我國發(fā)揮著重要的作用，區(qū)域糧食播種面積和糧食產(chǎn)量的巨大差異已成為制約生產(chǎn)發(fā)展的重要瓶頸。因此，土地使用轉(zhuǎn)型與糧食生產(chǎn)之間耦合關(guān)系的科學(xué)優(yōu)化，對廣西可持續(xù)發(fā)展有著舉足輕重的作用。

目前學(xué)術(shù)界的許多學(xué)者熱衷于對土地利用轉(zhuǎn)型進行研究。土地利用轉(zhuǎn)型在新時代發(fā)展下，包括了土地利用形式發(fā)展與生態(tài)環(huán)境變化，在驅(qū)動力、格局和環(huán)境效應(yīng)影響的框架下，減少了過去國內(nèi)外學(xué)者在LUCC研究中出現(xiàn)的片面性，更深入地探索了土地利用形式變化過程、原因及影響等[3～7]。自土地利用轉(zhuǎn)型的概念提出至今，林地轉(zhuǎn)型理論的發(fā)生機制、驅(qū)動機制及典型路徑等研究為新時代提出的解決糧食安全問題提供了思路，從源頭抓起，落實于過程變化[8～11]。本文從土地利用隱性形態(tài)視角出發(fā)，立足于“鄉(xiāng)村振興”“三農(nóng)”工作等國家政策文件背景，綜合運用 ArcGIS軟件操作平臺，編制專題圖用作分析評價的數(shù)據(jù)，研究分析土地利用變化與糧食安全之間的關(guān)系，為引導(dǎo)廣西土地利用規(guī)劃與區(qū)域生產(chǎn)結(jié)構(gòu)調(diào)整提供科學(xué)方向。

2 研究區(qū)概況及數(shù)據(jù)來源

2.1 研究區(qū)概況

廣西地處中國西南部，地勢西北高、東南低，群山連綿，丘陵層出，河網(wǎng)縱橫交錯。廣西素來有“八山一水一分田”之稱，山地多、耕地少是廣西主要特點，優(yōu)質(zhì)耕地集中分布于河流兩岸，其土壤主要為水稻土，生產(chǎn)條件較為優(yōu)越，適合農(nóng)業(yè)生產(chǎn)和栽培，其中糧食作物以水稻、玉米等為主。目前，廣西正處于經(jīng)濟發(fā)展的關(guān)鍵時期，建設(shè)用地正處于外延擴張狀態(tài)。區(qū)域自然條件的差異，會影響耕地的生產(chǎn)力從而影響糧食生產(chǎn)。土地資源短缺和糧食安全問題是廣西實現(xiàn)社會經(jīng)濟可持續(xù)發(fā)展的主要困難之一。

2.2 數(shù)據(jù)來源

從2005～2015年中抽取3個時段廣西土地利用遙感分類面積數(shù)據(jù)，結(jié)合Landsat TM和ETM傳感器幾何校正，合成真彩色圖像從而進行監(jiān)督分類獲得。另通過從廣西統(tǒng)計年鑒與中國縣域統(tǒng)計年鑒中獲取其他指標(biāo)數(shù)據(jù)，如GDP、人口數(shù)量、復(fù)種指數(shù)等。

3 研究方法

3.1 土地利用隱性形態(tài)評價指標(biāo)體系構(gòu)建

首先，基于現(xiàn)已查閱的參考文獻進行分析；其次，采用定性與定量分析相結(jié)合，從理論層面把握土地利用轉(zhuǎn)化的內(nèi)涵，以土地利用強度為方向，充分考慮各指標(biāo)因素之間的關(guān)聯(lián)性。最后，基于數(shù)據(jù)標(biāo)準(zhǔn)化處理后選擇熵值法計算各指標(biāo)的權(quán)重，定量評價了土地利用隱性形態(tài)的變化，定性對區(qū)域土地利用隱性形態(tài)的變化特征進行綜合分析與評價。

土地利用強度主要包括耕地利用強度和建設(shè)用地利用強度兩個子系統(tǒng)。具體的評價指標(biāo)如表1所示，除人均建設(shè)用地面積對土地利用強度的負面影響外，其他指標(biāo)均具有正效應(yīng)， “+”代表正向指標(biāo)，“-”代表正向指標(biāo)。

表1 土地利用隱性形態(tài)評價指標(biāo)體系

3.2 數(shù)據(jù)標(biāo)準(zhǔn)化

為了盡量減少源數(shù)據(jù)量綱對評價結(jié)果的影響，采用極值法進行歸一化處理，計算方法如下：

(1)

(2)

3.3 熵值法

為減少數(shù)據(jù)計算中主觀因素造成的誤差，使用熵值法客觀地確定指標(biāo)權(quán)重。

計算指標(biāo)熵值：

(3)

若Ej趨向1或等于1時，則證明該指標(biāo)屬性對決策影響不大，式(1)中Ei為第i個指標(biāo)的熵值。用以下公式計算指標(biāo)權(quán)重：

(4)

式中Wi為第i指標(biāo)的權(quán)重，即熵權(quán)。

(5)

式(5)中λ代表土地利用轉(zhuǎn)型的綜合指數(shù)，Wi代表第i個指標(biāo)的權(quán)重，Pi代表第i個指標(biāo)標(biāo)準(zhǔn)化后的值。

3.4 土地利用隱性形態(tài)測度

土地利用轉(zhuǎn)型存在著顯、隱性形態(tài)的變化，其中土地利用強度反映的是隱性形態(tài)。在數(shù)據(jù)標(biāo)準(zhǔn)化的基礎(chǔ)上，采用指標(biāo)權(quán)重標(biāo)準(zhǔn)化數(shù)據(jù)相乘求和的方法對土地利用隱性形態(tài)的轉(zhuǎn)化進行定量評價。耕地利用強度(6)和建設(shè)用地利用強度(7)的計算利用公式分別如下：

LUIFi=Σmj×Tij

(6)

LUIRi=Σnp×Tip

(7)

式(6)、(7)中：mj和np分別為耕地利用強度和建設(shè)用地利用強度評價指標(biāo)的權(quán)重，Tij和Tip為i縣第j和第p個指標(biāo)歸一化后的數(shù)值。

3.5 耦合度模型

耦合可以用來描述多個系統(tǒng)之間的相互作用狀態(tài)，因此可采用耦合度模型定量分析土地利用轉(zhuǎn)型與糧食產(chǎn)量之間的相互作用程度。糧食產(chǎn)量和土地利用強度的變化過程一般是非線性的。兩者間耦合程度可以借助于以下計算公式進行測算:

(8)

式(8)中C為土地利用轉(zhuǎn)型和糧食產(chǎn)量水平的耦合度；x為描述土地利用轉(zhuǎn)型的評價指標(biāo)；f(x)為土地利用轉(zhuǎn)型測度函數(shù)；y為描述糧食產(chǎn)量的評價指標(biāo)；g(y)為糧食產(chǎn)量測度函數(shù)。α和β為權(quán)數(shù)，考慮到解決土地利用轉(zhuǎn)型和糧食產(chǎn)量問題的重要性，判斷兩者同等重要，則α=β=0.5；K為調(diào)整系數(shù)，為了實現(xiàn)耦合度計算結(jié)果的高度差異化和層次性，定義K=2，以保證以下計算結(jié)果分析的準(zhǔn)確性。

4 土地利用轉(zhuǎn)型與糧食產(chǎn)量變化的時空格局分析

4.1 耕地利用強度變化的時空格局分析

根據(jù)計算結(jié)果可發(fā)現(xiàn)，2005～2015年間廣西耕地利用強度整體呈波動上升趨勢。2005～2010年間，耕地利用強度均值約在0.09波動變化，其中桂東北區(qū)的耕地利用強度較高，桂西南區(qū)增長較快，成為耕地高投入?yún)^(qū)，但桂西北區(qū)耕地利用強度較低。在2010年后，耕地利用強度逐漸上升，而導(dǎo)致耕地面積變化的一部分原因是由于2009年末國家完成了第二次全國土地調(diào)查，把部分之前非耕地地類重新歸類為耕地。這幾年廣西建設(shè)占用耕地現(xiàn)象明顯，為了維持耕地總量的動態(tài)平衡，廣西積極做好耕地保護工作，提升耕地質(zhì)量，為此實施了多個土地整治項目。在此期間桂東北地區(qū)繼續(xù)保持較高水平，多個地區(qū)耕地利用強度系數(shù)呈現(xiàn)出普遍升高的趨勢，表現(xiàn)為各個地區(qū)的耕地面積大都在增加。

4.2 建設(shè)用地利用強度變化的時空格局分析

隨著城鎮(zhèn)化的推進，2005～2015年建設(shè)用地利用強度持續(xù)上升，桂東南區(qū)一直保持較高水平。此時城鎮(zhèn)周邊的村莊也逐漸被占用，但城鎮(zhèn)建設(shè)還有待加強，城鎮(zhèn)建設(shè)用地資源利用效率不高。2010年建設(shè)用地利用強度增長相對緩慢。建設(shè)用地利用強度是評價高效集約用地的重要指標(biāo)之一，可較為客觀地評價建設(shè)用地產(chǎn)出水平。目前，耕地非農(nóng)化現(xiàn)象日益明顯，并且造成人地矛盾突出等問題，因此，優(yōu)化土地利用結(jié)構(gòu)，特別是合理配置建設(shè)用地是維護耕地總量動態(tài)平衡的有效途徑。2010～2015年，通過政府的干預(yù)手段，使得廣西建設(shè)用地強度迅猛提高，同耕地利用強度、糧食產(chǎn)量穩(wěn)步協(xié)調(diào)發(fā)展。

4.3 糧食產(chǎn)量變化的時空格局分析

糧食產(chǎn)量變化取決于糧食作物播種面積與種植技術(shù)，不同區(qū)域耕地面積變化不同，而廣西的糧食播種面積于2005年開始迅速減少。從2005～2010年的數(shù)據(jù)來看，桂東北、桂東南地區(qū)是糧食增產(chǎn)的主要地區(qū)，這些縣域中糧食產(chǎn)量較低的區(qū)域主要集中在桂西北石山地區(qū)，該地區(qū)地處云南貴州高原邊緣，巖溶地貌普遍發(fā)育，獨特的自然環(huán)境和地理環(huán)境使該地區(qū)農(nóng)業(yè)生產(chǎn)具有規(guī)模大、山區(qū)多、土地少、生態(tài)脆弱、貧困面大等優(yōu)點?？萍悸浜笫寝r(nóng)業(yè)發(fā)展的主要障礙。在經(jīng)歷了2005年短暫的下降后，廣西糧食生產(chǎn)產(chǎn)量得到改善。隨著農(nóng)業(yè)科技的進步和農(nóng)田整治的開展，2010-2015年糧食產(chǎn)量得到一定回升，表現(xiàn)為糧食產(chǎn)量較高的地區(qū)主要集中在桂東南平原丘陵區(qū)，形成明顯的集聚區(qū)。

5 廣西土地利用轉(zhuǎn)型與糧食產(chǎn)量的耦合度測算結(jié)果分析

耦合度結(jié)果分析采取中指分段方法，等級細分見表2，結(jié)合測算方法和變量內(nèi)涵，綜合考慮耕地利用強度和建設(shè)用地利用強度的變異因素。在土地利用轉(zhuǎn)型的時空演變過程中，找出糧食產(chǎn)量改善存在何種引起與被引起關(guān)系。

表2 土地利用轉(zhuǎn)型與糧食產(chǎn)量耦合度等級劃分及判斷標(biāo)準(zhǔn)

按照耦合度測算可得不同時段內(nèi)的不同區(qū)域耦合結(jié)果。由此可見2005～2015 年廣西土地利用轉(zhuǎn)型和糧食產(chǎn)量呈耦合上升關(guān)系，于2010年及2015年呈高度耦合狀態(tài)。

5.1 廣西土地利用轉(zhuǎn)型與糧食產(chǎn)量的耦合度測算結(jié)果時序變化

2005年廣西土地利用轉(zhuǎn)型與糧食產(chǎn)量耦合度平均值為0.702，其中西林縣的耦合度最小，而港北區(qū)、八步區(qū)、藤縣等地耦合度可達1；2010年耦合度平均值為0.718，柳北區(qū)最小，邕寧區(qū)、柳江縣、玉州區(qū)等縣區(qū)耦合度明顯較大；到2015年，各縣區(qū)耦合度均有提高，平均值為0.724，海城區(qū)耦合度為0.15，是全區(qū)最小。而2005～2010年期間，廣西土地利用轉(zhuǎn)型與糧食產(chǎn)量之間存在著相對波動的耦合相關(guān)，耦合相關(guān)性逐漸增強的縣區(qū)有興寧區(qū)、西鄉(xiāng)塘區(qū)、隆安縣等；耦合相關(guān)性下降的縣區(qū)有江南區(qū)、橫縣、柳南區(qū)等46個縣區(qū)。2010～2015年期間，隆安縣、馬山縣、上林縣等51個縣區(qū)耦合度均有下降，耦合度上升幅度較大的縣區(qū)有秀峰區(qū)、七星區(qū)、海城區(qū)，上升幅度均超過0.3。總的來說，2005～2015年廣西土地利用轉(zhuǎn)型與糧食產(chǎn)量越趨耦合發(fā)展，各縣域之間的標(biāo)準(zhǔn)差為0.263～0.245，這表明縣域尺度上耦合度的離散程度不大，縣區(qū)內(nèi)的土地利用轉(zhuǎn)型與糧食產(chǎn)量呈現(xiàn)高度耦合狀態(tài)。

5.2 廣西土地利用轉(zhuǎn)型與糧食產(chǎn)量的耦合度測算結(jié)果空間分異

采用最佳自然斷點分類方法分別將2005年、2010年、2015年3個時段廣西108個縣域單元耦合度劃分為4種不同類型，即低度耦合、中度耦合、高度耦合、極度耦合。2010年，興寧區(qū)、蒙山縣、樂業(yè)縣等11個縣域耦合度上升了一個等級；城中區(qū)、銀海區(qū)耦合度上升了兩個等級；江南區(qū)、秀峰區(qū)、雁山區(qū)等15個縣區(qū)等級均有下降，其余縣區(qū)保持不變。2015年與2010年相比，除武鳴區(qū)、七星區(qū)、欽北區(qū)等8個縣外，其他縣區(qū)的耦合度均有所上升?？傮w來看，2005～2015年土地利用轉(zhuǎn)型與糧食產(chǎn)量關(guān)系呈現(xiàn)穩(wěn)中有變的時空格局；而極度耦合的區(qū)域主要分布在多丘陵平地的中南部；低度耦合的縣域則分布在桂西北大石山區(qū)及建設(shè)用地增長較快的桂東南地區(qū)，這些縣域整體土地利用轉(zhuǎn)型情況較低，說明其土地利用轉(zhuǎn)型情況相比其他區(qū)域有明顯差異，糧食產(chǎn)量還有待提高。

5.3 土地利用轉(zhuǎn)型與糧食生產(chǎn)的耦合關(guān)系分析

2005～2015年間廣西土地利用轉(zhuǎn)型與糧食產(chǎn)量呈現(xiàn)出聯(lián)動關(guān)系愈發(fā)密切。耕地與建設(shè)用地兩個子系統(tǒng)的利用強度與廣西糧食生產(chǎn)格局的轉(zhuǎn)型息息相關(guān)。土地利用轉(zhuǎn)型初期，受城鎮(zhèn)化的影響，許多農(nóng)戶把土地承包給他人，因而農(nóng)作物播種面積得到一定程度的擴大，種糧技術(shù)的提升，因此耕地利用強度得到提升。同時，隨著人口城鎮(zhèn)化及產(chǎn)業(yè)集聚發(fā)展，建設(shè)占用耕地現(xiàn)象明顯，建設(shè)用地的利用強度也得到了提高。隨著農(nóng)業(yè)機械總動力的不斷提高，糧食生產(chǎn)能力不斷提高，耕地利用強度和建設(shè)用地強度加大，然而因廣西糧食生產(chǎn)經(jīng)常遭受自然災(zāi)害，缺乏及時有效的防范措施，所以糧食產(chǎn)量保障能力還有待提升。土地利用轉(zhuǎn)型中期，在2009年，隨著二調(diào)的完成耕地面積增加，農(nóng)地流轉(zhuǎn)的比例也不斷增加，耕地利用強度得到了加強，但廣西城鄉(xiāng)間也產(chǎn)生了分異的耕地利用強度格局。而由于人口增加、經(jīng)濟發(fā)展，廣西城鎮(zhèn)化進程加快，城鎮(zhèn)周邊優(yōu)質(zhì)的耕地逐漸被占用，糧食安全得不到有效保障，導(dǎo)致人地矛盾日益凸顯。土地利用轉(zhuǎn)型后期，為了改變自然災(zāi)害對廣西糧食生產(chǎn)的影響，廣西積極進行糧食生產(chǎn)基地的重新規(guī)劃調(diào)整，全面提高糧食生產(chǎn)的高效化、集約化。而此時土地城鎮(zhèn)化速度遠快于人口城鎮(zhèn)化速度，于是廣西的糧食生產(chǎn)跟不上人口發(fā)展的需要。為了解決人地矛盾，廣西積極開展土地整治項目，努力提高耕地利用強度，改良種植技術(shù)，政府干預(yù)城鎮(zhèn)化發(fā)展。總而言之，2005～2015年間廣西土地利用轉(zhuǎn)型與糧食產(chǎn)量呈現(xiàn)耦合狀態(tài)。

6 結(jié)論

論文基于廣西108個縣區(qū)，以土地利用轉(zhuǎn)型為研究主題進而探討土地利用隱性形態(tài)，通過分析土地利用形態(tài)變化的內(nèi)在動力，對土地利用轉(zhuǎn)型與糧食產(chǎn)量的變化進行探討，結(jié)論如下。

(1)在城鎮(zhèn)化的過程中，廣西耕地利用強度連續(xù)增強，區(qū)域建設(shè)用地利用強度快速增強，在時空格局上反映出較大差異，糧食產(chǎn)量經(jīng)歷短暫的減少后回升，糧食危機凸顯的情況得到緩和，但糧食生產(chǎn)保障能力仍然不足。

(2)土地利用轉(zhuǎn)型與糧食產(chǎn)量間有交互影響的密切聯(lián)系，2005～2015年間廣西土地利用轉(zhuǎn)型和糧食產(chǎn)量耦合度總體呈上升的趨勢，意味著在新型城鎮(zhèn)化背景下，廣西土地利用轉(zhuǎn)型與糧食產(chǎn)量關(guān)聯(lián)度越來越大。極度耦合居中的區(qū)域多聚集在以柳州為中心的東西帶狀，形成明顯的集聚區(qū)的分布格局。低度耦合的縣域均則主要分布在桂西北大石山區(qū)及建設(shè)用地增長較快的桂東南地區(qū)。

(3)土地利用轉(zhuǎn)型系統(tǒng)與糧食產(chǎn)量系統(tǒng)是相互作用、彼此依存的，人類社會頻繁的經(jīng)濟活動日益改變了土地利用方式，進而推動了糧食生產(chǎn)模式的不斷發(fā)展，在土地利用轉(zhuǎn)型初期，耕地與建設(shè)用地不斷得到有效利用，促使著糧食產(chǎn)量提高；在轉(zhuǎn)型中期，土地利用強度緩慢增加，滯后發(fā)展，嚴(yán)重影響著區(qū)域糧食產(chǎn)量；在轉(zhuǎn)型后期，耕地于建設(shè)用地利用強度得到提升，盡管耕地利用強度低于建設(shè)用地利用強度，但區(qū)域內(nèi)的糧食安全得到了基礎(chǔ)的保障。

根據(jù)土地利用變化與糧食產(chǎn)量在不同階段的關(guān)聯(lián)性，健全糧食生產(chǎn)計劃，優(yōu)化協(xié)調(diào)建設(shè)與農(nóng)業(yè)生產(chǎn)格局，可以有效緩解人地矛盾再現(xiàn)。