馮婧珂

（南寧師范大學(xué)地理科學(xué)與規(guī)劃學(xué)院，南寧 530001）

土地作為人類(lèi)生產(chǎn)生活的物質(zhì)基礎(chǔ)，對(duì)于人類(lèi)具有重要意義，而城市是人類(lèi)目前主要的生活區(qū)域之一，合理的土地利用結(jié)構(gòu)可以為其提供高質(zhì)量與可持續(xù)的發(fā)展基礎(chǔ)。目前，國(guó)內(nèi)外學(xué)者主要通過(guò)遙感技術(shù)對(duì)城市土地利用變化進(jìn)行動(dòng)態(tài)監(jiān)測(cè)與分析[1]，相關(guān)研究主要集中于城市土地利用強(qiáng)度與動(dòng)態(tài)度[2]、土地利用時(shí)空變化[3]和土地利用驅(qū)動(dòng)機(jī)制[4-5]等方面。桂林市是世界著名旅游城市，也是泛珠江三角洲經(jīng)濟(jì)區(qū)與中國(guó)-東盟自由貿(mào)易區(qū)戰(zhàn)略交匯的重要節(jié)點(diǎn)城市。本文以2000 年、2010 年、2020 年三期桂林市GlobeLand30 數(shù)據(jù)集數(shù)據(jù)為基礎(chǔ)，分析桂林市這20 年間土地利用時(shí)空變化特征及驅(qū)動(dòng)機(jī)制，以期為桂林市未來(lái)生態(tài)建設(shè)與可持續(xù)發(fā)展提供建議指導(dǎo)。

1 研究區(qū)概況與數(shù)據(jù)來(lái)源

1.1 研究區(qū)概況

桂林市位于廣西東北部，總面積為2.78 萬(wàn)km2。桂林市處于南嶺山系西南部，市區(qū)東西兩側(cè)為低山丘陵，氣候溫和，雨量充沛，屬亞熱帶季風(fēng)氣候區(qū)。2019 年末，桂林市城鎮(zhèn)人口為260.20 萬(wàn)人，常住人口城鎮(zhèn)化率達(dá)到50.90%。本研究選取城市化進(jìn)程最快、土地利用變化最活躍的區(qū)域作為研究區(qū)，主要包括桂林市秀峰區(qū)、疊彩區(qū)、象山區(qū)、七星區(qū)、雁山區(qū)、臨桂區(qū)，涉及的土地面積為2 801 km2。

1.2 數(shù)據(jù)來(lái)源

土地利用數(shù)據(jù)來(lái)源于國(guó)家基礎(chǔ)地理信息中心發(fā)布的GlobeLand30 數(shù)據(jù)集，其中包含空間分辨率為30 m的2000 年、2010 年、2020 年三期地表覆蓋數(shù)據(jù)。第三方驗(yàn)證結(jié)果表明[6]，2010 年與2020 年數(shù)據(jù)的總體精度分別為83.50%、85.72%；2010 年kappa 系數(shù)為0.78，2020 年kappa 系數(shù)為0.82。利用ArcGIS 軟件中的裁剪工具對(duì)原數(shù)據(jù)按照行政區(qū)裁剪后得到研究范圍，然后根據(jù)桂林市實(shí)際情況對(duì)地類(lèi)進(jìn)行重分類(lèi)，將其分為草地、林地、耕地、水域和建設(shè)用地五大地類(lèi)。桂林市DEM 數(shù)據(jù)來(lái)源于地理空間數(shù)據(jù)云平臺(tái)（http://www.gscloud.cn），空間分辨率為30 m；氣溫與降水?dāng)?shù)據(jù)來(lái)源于國(guó)家青藏高原科學(xué)數(shù)據(jù)中心（http://data.tpdc.ac.cn）；人口數(shù)據(jù)來(lái)自LandScan 數(shù)據(jù)集（https://landscan.ornl.gov），空間分辨率為1 km。

2 研究方法

2.1 土地利用變化強(qiáng)度及動(dòng)態(tài)度

土地利用變化強(qiáng)度指數(shù)（LTIa）表示在某一區(qū)域a內(nèi)，在單位面積上，地類(lèi)j從b時(shí)段到c時(shí)段發(fā)生的變化[7]，其計(jì)算公式為

式中：Kjc與Kjb分別表示地類(lèi)j在研究區(qū)a內(nèi)初期與末期的面積；LAa為研究區(qū)土地面積；T為研究間隔時(shí)長(zhǎng)。

在空間上，土地利用的特征可用土地利用單一動(dòng)態(tài)度與綜合動(dòng)態(tài)度表示[8]，二者的計(jì)算公式分別為

式中：K與LC分別表示土地利用單一動(dòng)態(tài)度與綜合動(dòng)態(tài)度；Ubi、Uci分別表示土地利用類(lèi)型i在研究初期與末期的面積；ΔLUi為研究初期地類(lèi)i的面積；ΔLUi-j表示地類(lèi)i轉(zhuǎn)變?yōu)榈仡?lèi)j面積的絕對(duì)值；T為研究時(shí)間間隔。

2.2 土地利用轉(zhuǎn)移矩陣

在研究區(qū)的不同時(shí)段，各土地利用類(lèi)型間轉(zhuǎn)移變化的特征可通過(guò)土地利用轉(zhuǎn)移矩陣反映?；诠鹆质?000—2020 年三期土地利用數(shù)據(jù)，使用ArcGIS 軟件空間疊加功能進(jìn)行分析，通過(guò)Excel 軟件計(jì)算土地利用轉(zhuǎn)移矩陣。

2.3 地理探測(cè)器

地理探測(cè)器具有探測(cè)空間分異性的功能，目的是揭示其背后驅(qū)動(dòng)因子的影響過(guò)程[9]。本研究通過(guò)因子探測(cè)器與交互探測(cè)器模塊，探測(cè)驅(qū)動(dòng)桂林市土地利用變化的單因子影響力與各驅(qū)動(dòng)因子的交互作用。其間需要評(píng)估驅(qū)動(dòng)因子對(duì)土地利用變化的解釋力，其計(jì)算公式如式（4）所示。同時(shí)，采用土地利用程度綜合指數(shù)[10]進(jìn)行土地利用評(píng)價(jià)，其計(jì)算公式如式（5）所示。

式中：q為反映驅(qū)動(dòng)因子對(duì)土地利用變化解釋力大小的指標(biāo)，q∈[0,1]；L是變量或因變量的分層；N表示研究區(qū)全區(qū)的樣本單元數(shù)；Nh為次一級(jí)區(qū)域?qū)觝的樣本單元數(shù)，h為自然數(shù)；與σ2分別表示層h和研究區(qū)土地利用率水平的方差。

式中：La為土地利用程度綜合指數(shù)；Aj表示第j級(jí)土地利用程度的分級(jí)指數(shù)[11]（見(jiàn)表1）；Cj表示第j級(jí)土地利用程度中分級(jí)面積的占比。

表1 土地利用程度分級(jí)賦值

3 結(jié)果與分析

3.1 土地利用時(shí)空變化及轉(zhuǎn)移情況

桂林市2000—2020 年土地利用時(shí)空分布狀況如圖1 所示。

圖1 桂林市2000—2020 年土地利用時(shí)空分布狀況

桂林市主要的土地利用類(lèi)型為林地與耕地，其中林地主要分布在桂林市西部與西北部，面積占比大；耕地主要分布在桂林市西南部與東北部；水域整體呈現(xiàn)分散式分布；草地主要分布在北部，其面積占比較少；建設(shè)用地在2000—2010 年主要分布在桂林市東北部人口較為集中的區(qū)域，2010—2020 年建設(shè)用地在此基礎(chǔ)上向東向南擴(kuò)張，面積呈現(xiàn)增長(zhǎng)趨勢(shì)。

由圖2 可知，20 年間，桂林市各土地利用類(lèi)型面積變化的絕對(duì)值排序?yàn)椋航ㄔO(shè)用地＞耕地＞林地＞草地＞水域。其間，耕地面積呈現(xiàn)逐漸減少趨勢(shì)，共減少67.3 km2；與此相反，建設(shè)用地面積呈現(xiàn)逐年增加的趨勢(shì)，面積共增加125.7 km2；林地面積整體呈現(xiàn)減少趨勢(shì)，2010—2020 年，面積共減少59.2 km2；草地面積呈現(xiàn)先增加后減少的趨勢(shì)，2000—2010 年，面積增加3.1 km2，2010—2020 年，面積減少7.5 km2；水域面積整體呈現(xiàn)增長(zhǎng)趨勢(shì)，面積共增加3.1 km2。

圖2 2000—2020 年桂林市土地利用面積變化

桂林市2000—2010 年、2010—2020 年、2000—2020 年土地利用轉(zhuǎn)移矩陣分別如表2、表3、表4 所示。桂林市2000—2020 年各土地利用類(lèi)型的相互轉(zhuǎn)化頻率較高，各土地利用類(lèi)型間的轉(zhuǎn)移方式豐富。2000—2010 年，耕地主要流轉(zhuǎn)為建設(shè)用地與水域，分別轉(zhuǎn)出14.42 km2和12.56 km2；草地流轉(zhuǎn)最為穩(wěn)定，其間沒(méi)有轉(zhuǎn)移情況發(fā)生；林地主要由水域與耕地轉(zhuǎn)入，分別轉(zhuǎn)入3.52 km2、2.91 km2。2010—2020 年，建設(shè)用地流轉(zhuǎn)最為明顯，增加的建設(shè)用地由耕地與林地轉(zhuǎn)入，分別轉(zhuǎn)入79.07 km2、34.40 km2；減少的林地主要轉(zhuǎn)為耕地與草地，轉(zhuǎn)出面積分別為55.89 km2、10.17 km2；減少的水域主要轉(zhuǎn)為建設(shè)用地與林地，分別轉(zhuǎn)出2.30 km2、1.78 km2。2000—2020 年，增加的建設(shè)用地主要由耕地和林地轉(zhuǎn)入，分別轉(zhuǎn)入90.61 km2、33.40 km2；減少的水域主要轉(zhuǎn)為耕地，轉(zhuǎn)出面積為6.79 km2，其次為林地，轉(zhuǎn)出面積為3.26 km2；增加的耕地主要由林地轉(zhuǎn)入，轉(zhuǎn)入面積為57.74 km2；減少的草地主要轉(zhuǎn)為林地與建設(shè)用地，分別轉(zhuǎn)出8.47 km2、6.33 km2。

表2 2000—2010 年桂林市土地利用轉(zhuǎn)移矩陣

表3 2010—2020 年桂林市土地利用轉(zhuǎn)移矩陣

表4 2000—2020 年桂林市土地利用轉(zhuǎn)移矩陣

3.2 土地利用動(dòng)態(tài)變化

3.2.1 變化強(qiáng)度

桂林市土地利用變化強(qiáng)度情況如表5 所示。2000—2010 年，耕地與建設(shè)用地變化強(qiáng)烈，耕地土地利用變化強(qiáng)度為-0.04%，表明耕地面積在此時(shí)間段內(nèi)呈現(xiàn)減少趨勢(shì)，建設(shè)用地變化強(qiáng)度為0.02%，說(shuō)明其在研究區(qū)內(nèi)不斷增加，其他土地利用類(lèi)型的變化強(qiáng)度均為0.01%，林地、草地和水域的變化強(qiáng)度較弱。2010—2020 年，建設(shè)用地與林地變化明顯，建設(shè)用地土地利用變化強(qiáng)度為0.43%，林地土地利用變化強(qiáng)度為-0.21%，表明林地面積在不斷減少，除水域外的其他土地利用類(lèi)型較上一研究時(shí)段變化強(qiáng)度的絕對(duì)值都有較大的增加，證明隨著桂林市不斷發(fā)展，各土地利用類(lèi)型的利用程度都有所增加，城市化進(jìn)程也在不斷加快，人地關(guān)系的不協(xié)調(diào)程度加深。從總體研究時(shí)段看，2000—2020 年，桂林市建設(shè)用地的變化最為明顯，變化強(qiáng)度為0.22%，耕地、林地和草地的面積都有一定程度的減少，水域的變化程度較弱。

3.2.2 動(dòng)態(tài)度分析

桂林市各土地利用類(lèi)型的單一土地利用動(dòng)態(tài)度有明顯差異，如表5 所示。2000—2010 年，耕地面積減少，其單一土地利用動(dòng)態(tài)度為-0.14%；草地面積增加明顯，其單一土地利用動(dòng)態(tài)度為0.68%；建設(shè)用地與水域的單一土地利用動(dòng)態(tài)度都為0.61%，說(shuō)明這兩種土地利用類(lèi)型在此研究時(shí)段內(nèi)的面積擴(kuò)張較為明顯。2010—2020 年，建設(shè)用地的面積擴(kuò)張較大，單一土地利用動(dòng)態(tài)度高達(dá)13.39%，反映了在這10 年間，桂林市的經(jīng)濟(jì)在不斷發(fā)展，城市發(fā)展的規(guī)模與速度都有了大幅度的提升；草地、耕地與林地的單一土地利用動(dòng)態(tài)度均為負(fù)值，分別為-1.54%、-0.64%和-0.34%；水域面積變動(dòng)較小，單一土地利用動(dòng)態(tài)度為0.34%。2000—2020 年，建設(shè)用地單一土地利用動(dòng)態(tài)度達(dá)到7.41%，水域單一土地利用動(dòng)態(tài)度為0.49%；單一土地利用動(dòng)態(tài)度為負(fù)值的土地利用類(lèi)型為草地、耕地和林地，其分別為-0.48%、-0.38%和-0.16%。

表5 桂林市土地利用變化指數(shù)

桂林市2000—2020 年土地利用綜合動(dòng)態(tài)度如表6 所示。2000—2010 年土地利用綜合動(dòng)態(tài)度為0.04%，2010—2020 年 為0.43%，2000—2020 年 為0.23%，表明桂林市2000—2010 年的土地利用程度較低。2010—2020 年，研究區(qū)內(nèi)土地利用綜合動(dòng)態(tài)度較前一時(shí)段表現(xiàn)出較為明顯的提升。研究時(shí)段整體呈現(xiàn)出來(lái)的趨勢(shì)表明，桂林市在這20 年間的綜合土地利用程度在逐漸升高，土地利用變化劇烈。

表6 桂林市2000—2020 年土地利用綜合動(dòng)態(tài)度

3.3 驅(qū)動(dòng)因子分析

土地利用變化是一個(gè)動(dòng)態(tài)發(fā)展的過(guò)程，主要的驅(qū)動(dòng)因子包括自然因素與社會(huì)因素[12-13]。本文選取5個(gè)驅(qū)動(dòng)因子，即高程（x1）、坡度（x2）、氣溫（x3）、降水（x4）和人口密度（x5）。利用ArcGIS 軟件進(jìn)行柵格可視化分析，通過(guò)自然間斷法將各因子進(jìn)行重分類(lèi)，針對(duì)研究區(qū)創(chuàng)建規(guī)格1 km×1 km 的漁網(wǎng)，并對(duì)每個(gè)網(wǎng)格的中心進(jìn)行采樣，共有2 799 個(gè)采樣點(diǎn)。根據(jù)采樣點(diǎn)對(duì)5 個(gè)驅(qū)動(dòng)因子的柵格數(shù)據(jù)進(jìn)行采樣提取，然后將結(jié)果導(dǎo)入地理探測(cè)器模型中進(jìn)行運(yùn)算分析，最后得出各結(jié)果。

3.3.1 因子探測(cè)

因子探測(cè)主要反映各因子單獨(dú)對(duì)土地利用變化的影響程度高低。桂林市2000 年、2010 年、2020 年的各因子探測(cè)結(jié)果如圖3 所示。2000—2020 年，各因子對(duì)桂林市土地利用變化的影響程度大小排序?yàn)椋喝丝诿芏龋窘邓練鉁兀靖叱蹋酒露?。其中?000年人口密度、降水、氣溫、高程、坡度的q值分別為0.17、0.09、0.03、0.02、0.01，2010 年q值分別為0.13、0.08、0.03、0.02、0.01，2020 年q值分別為0.28、0.05、0.03、0.02、0.01?？傮w而言，人口密度q值較高，高程、坡度、氣溫和降水的q值較低。人口密度反映的是社會(huì)經(jīng)濟(jì)條件，高程、坡度、氣溫與降水主要反映的是桂林市的自然條件，這反映出桂林市土地利用類(lèi)型變化主要受人為因素的影響，自然因素對(duì)其發(fā)展的制約較小。

圖3 桂林市2000 年、2010 年、2020 年土地利用類(lèi)型因子探測(cè)結(jié)果

3.3.2 交互探測(cè)

交互探測(cè)主要分析不同因子共同作用對(duì)土地利用變化的影響程度。2000 年、2010 年和2020 年桂林市各因子交互探測(cè)結(jié)果如圖4 所示。各年份因子的交互探測(cè)結(jié)果均表現(xiàn)為雙因子增強(qiáng)或非線性增強(qiáng)，表明各因子間相互作用會(huì)提升土地利用變化的影響程度，也表明土地利用變化是一個(gè)多因子相互作用的復(fù)雜過(guò)程。2000 年，氣溫與降水、人口密度與降水的交互作用較強(qiáng)，其解釋力分別為0.23 和0.25。2010 年與2020 年，人口和坡度、降水的交互作用較強(qiáng)，2010 年解釋力分別為0.17 和0.22，2020 年解釋力分別為0.32、0.31。各年份的結(jié)果證明，自然因素與社會(huì)因素的結(jié)合加深了對(duì)土地利用變化的影響。

圖4 2000 年、2010 年、2020 年桂林市土地利用類(lèi)型交互探測(cè)結(jié)果

4 結(jié)論

本文以桂林市2000—2020 年三期土地利用數(shù)據(jù)為基礎(chǔ)，利用土地利用變化強(qiáng)度、土地利用轉(zhuǎn)移矩陣和地理探測(cè)器等方法，對(duì)桂林市2000—2020 年土地利用時(shí)空變化進(jìn)行分析。結(jié)果表明，桂林市各土地利用類(lèi)型中，林地面積占比最大，其次為耕地；各土地利用類(lèi)型之間轉(zhuǎn)化頻繁，建設(shè)用地面積的增加源于林地與耕地的轉(zhuǎn)入；土地利用變化強(qiáng)度的絕對(duì)值整體呈現(xiàn)增長(zhǎng)趨勢(shì)，除水域外，各土地利用類(lèi)型的單一土地利用動(dòng)態(tài)度和綜合土地利用動(dòng)態(tài)度的絕對(duì)值表現(xiàn)出增加的趨勢(shì)。驅(qū)動(dòng)力方面，人口密度因子對(duì)土地利用類(lèi)型變化的影響較大，自然因子解釋力較低。此外，人口與坡度、降水因子的交互作用較強(qiáng)，說(shuō)明桂林市土地利用類(lèi)型的變化受到多因子的影響，是一個(gè)復(fù)雜多變的過(guò)程。