尹秋月,王 鈺,任 艷

(廣西壯族自治區(qū)國(guó)土測(cè)繪院,廣西南寧 530023)

土地利用/土地覆蓋變化(LUCC)是人類活動(dòng)對(duì)自然生態(tài)系統(tǒng)相互作用最直接的反映[1]。景觀格局變化是土地利用變化在景觀生態(tài)學(xué)中的直觀表達(dá),將土地利用與景觀格局相結(jié)合,有助于深入了解土地利用景觀格局的動(dòng)態(tài)演變規(guī)律,對(duì)促進(jìn)區(qū)域經(jīng)濟(jì)和環(huán)境協(xié)調(diào)發(fā)展具有重要意義,促進(jìn)了生態(tài)文明建設(shè)[2-3]。近年來,在城市化進(jìn)程不斷加快,建設(shè)用地需求持續(xù)增加的社會(huì)背景下,土地利用及其功能結(jié)構(gòu)性變化更加劇烈,人類活動(dòng)與生態(tài)保護(hù)的矛盾日益突出。目前,大量學(xué)者在土地利用變化特征領(lǐng)域已開展了大量研究。如:魏靜等[4]利用重心模型等對(duì)太行山區(qū)的土地利用景觀格局進(jìn)行了分析。傅家儀等[5]以海河流域?yàn)槔?對(duì)流域土地利用時(shí)空變化特征及驅(qū)動(dòng)機(jī)制進(jìn)行研究。王甜等[6]基于多時(shí)相遙感數(shù)據(jù)對(duì)馬來西亞吉隆坡市開展了土地利用變化特征分析與預(yù)測(cè)。舒田等[2]利用土地利用變化模型和景觀格局指數(shù),系統(tǒng)分析撒拉溪示范區(qū)10年間的土地利用及其景觀格局變化?？傮w上,已有研究多角度、多方法對(duì)不同區(qū)域的土地利用變化開展研究,但對(duì)桂西南喀斯特典型區(qū)長(zhǎng)時(shí)間序列的土地利用景觀格局變化的研究較少。

黨的十八大以來,國(guó)家不斷加大對(duì)“老少邊窮”地區(qū)的扶持力度,德?？h、靖西市、大新縣、天等縣4個(gè)縣(市)位于廣西壯族自治區(qū)西南部,屬于滇黔桂石漠化片區(qū)的典型區(qū)域,城市內(nèi)喀斯特山體與城市建筑交織,形成獨(dú)特的“城—山”鑲嵌的喀斯特城市景觀,該區(qū)域特有的地形地貌一定程度上影響城市擴(kuò)張,具有生態(tài)環(huán)境脆弱性強(qiáng)的特點(diǎn)[7]。筆者以桂西南喀斯特地區(qū)典型的4個(gè)縣(市)為研究區(qū),通過GIS和RS技術(shù),結(jié)合土地利用變化模型、景觀指數(shù)等開展2009—2020年土地利用時(shí)空變化特征分析,為桂西南喀斯特典型區(qū)自然資源和生態(tài)環(huán)境協(xié)調(diào)發(fā)展提供思路。

1 研究區(qū)與數(shù)據(jù)

1.1 研究區(qū)域概況廣西壯族自治區(qū)(簡(jiǎn)稱“桂”)的喀斯特巖溶面積較大,約占土地總面積的35.1%,石漠化土地占土地總面積的8.14%[8],主要分布在桂西南、桂中、桂東北地區(qū),其中以桂西南地區(qū)分布較為集中。其中,位于桂西南部的德?？h、靖西市、大新縣、天等縣4個(gè)縣(市)是中國(guó)乃至世界上發(fā)育最典型、最集中的峰林峰叢喀斯特分布區(qū)之一。

桂西南喀斯特地區(qū)4個(gè)縣(市)地處東經(jīng)105°56′～107°29′,北緯22°29′～23°40′,多年平均氣溫20.2 ℃,年平均降雨量1 411.6 mm,年無霜期342 d,年日照時(shí)數(shù)1 522 h,屬亞熱帶季風(fēng)氣候,非常適宜熱帶和亞熱帶作物的生長(zhǎng)。在地形地貌特征上,德?？h和靖西市的地形均為西北高、東南低,以溶蝕高原地貌為主,大部分為巖溶峰叢、孤峰和非巖溶土山[9],礦產(chǎn)資源豐富;大新縣地形為東北、西北高,逐漸向南傾斜,中部略低成凹槽性的石山盆地,以石灰石山構(gòu)成的山峰林谷為主要地形;天等縣以低山丘陵為主,山地面積約占土地總面積的78%,巖溶地貌約占土地總面積的77%,所分布的峰林谷地多為斷層地帶,透水性強(qiáng)。4個(gè)縣(市)的石漠化土地面積20.53萬hm2,占土地總面積的19%,研究區(qū)域的石漠化趨勢(shì)較為顯著,對(duì)區(qū)域耕地生態(tài)安全有一定的負(fù)面影響。

根據(jù)2021年《廣西統(tǒng)計(jì)年鑒》公布的統(tǒng)計(jì)數(shù)據(jù),2020年桂西南部的德?？h、靖西市、大新縣、天等縣4個(gè)縣(市)的常住人口132.36萬,地區(qū)生產(chǎn)總值達(dá)到396.16億元,農(nóng)作物總播種面積合計(jì)231 044 hm2,農(nóng)村居民人均可支配收入13 087.75元/年。與2009年相比,桂西南4個(gè)縣(市)的地區(qū)生產(chǎn)總值、農(nóng)村居民人均可支配收入等社會(huì)經(jīng)濟(jì)指標(biāo)正逐年提升,常住人口、農(nóng)作物總播種面積等指標(biāo)呈下降趨勢(shì)。

1.2 數(shù)據(jù)來源該研究以2009、2013、2015、2018、2020年為時(shí)間節(jié)點(diǎn),所用基礎(chǔ)數(shù)據(jù)包括研究區(qū)的土地利用現(xiàn)狀矢量數(shù)據(jù)、衛(wèi)星遙感影像數(shù)據(jù)、社會(huì)經(jīng)濟(jì)統(tǒng)計(jì)數(shù)據(jù)、石漠化土地?cái)?shù)據(jù)等,其中研究區(qū)矢量數(shù)據(jù)、衛(wèi)星遙感影像數(shù)據(jù)來源于研究區(qū)各年度土地利用現(xiàn)狀調(diào)查數(shù)據(jù)以及各類專題數(shù)字正射影像;社會(huì)經(jīng)濟(jì)統(tǒng)計(jì)指標(biāo)數(shù)據(jù)來源于《廣西統(tǒng)計(jì)年鑒》(2009—2021);石漠化土地?cái)?shù)據(jù)來源于第3次石漠化監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù),輔助數(shù)據(jù)包括研究區(qū)各級(jí)行政區(qū)界線矢量數(shù)據(jù)。

2 方法

2.1 土地利用現(xiàn)狀解譯將桂西南喀斯特地區(qū)4個(gè)縣(市)2009、2013、2015、2018、2020年的專題數(shù)字遙感影像按年份分別進(jìn)行融合銜接,通過ArcGIS10.2軟件的統(tǒng)計(jì)分析模塊和空間分析模塊對(duì)各年份的影像數(shù)據(jù)進(jìn)行解譯分析與處理,并與土地利用現(xiàn)狀矢量數(shù)據(jù)進(jìn)行銜接對(duì)比,采用土地利用遙感監(jiān)測(cè)技術(shù)獲取土地利用狀況及其動(dòng)態(tài)變化信息。為更好地與各年度土地利用數(shù)據(jù)銜接,2009—2018年的地塊圖斑采用第二次土地調(diào)查所用的《土地利用現(xiàn)狀分類》(GB/T 21010—2007)標(biāo)識(shí)出耕地、園地、林地、建設(shè)用地、未利用地等各種地類,2020年的地塊圖斑則采用《第三次全國(guó)國(guó)土調(diào)查技術(shù)規(guī)程》(TD/T 1055—2019)中的分類標(biāo)準(zhǔn)進(jìn)行標(biāo)識(shí),以此形成土地利用現(xiàn)狀圖。針對(duì)各年度的現(xiàn)狀地類圖斑進(jìn)行預(yù)處理,獲取各年度各地類面積,分析土地利用總體變化情況。

2.2 土地利用變化幅度土地利用變化幅度主要用于表征各土地利用類型在面積方面的變化幅度[5]。土地利用變化幅度的數(shù)學(xué)表達(dá)式為:

W=(S2-S1)/S1×100%

(1)

式中:W為研究區(qū)域某一種土地利用類型規(guī)模變化率;S1為研究區(qū)域某一種土地利用類型期初面積;S2為研究區(qū)域某一種土地利用類型期末面積。

2.3 單一土地利用動(dòng)態(tài)度為更直觀地獲取不同土地利用類型變化情況,擬采用不同土地利用類型變化動(dòng)態(tài)度來表達(dá)一定時(shí)間內(nèi)各區(qū)域各類土地資源數(shù)量和空間布局的變化速度,定量分析這種變化速度及變化幅度。土地利用類型變化動(dòng)態(tài)度是反映區(qū)域不同土地利用類型變化劇烈程度的重要指標(biāo)[10],用來表示一個(gè)時(shí)段內(nèi)不同土地利用類型數(shù)量與分布的穩(wěn)定情況,相當(dāng)于年變化率。其數(shù)學(xué)表達(dá)式為[11]:

(2)

式中:K為某一個(gè)研究時(shí)間段內(nèi)某一種土地利用類型的變化動(dòng)態(tài)度;Ua、Ub分別為某一種土地利用類型期初、期末的面積;T為研究時(shí)段長(zhǎng)度,以年為單位,將研究時(shí)間分為4個(gè)階段,即2009—2013年、2013—2015年、2015—2018年、2018—2020年。當(dāng)K為0時(shí),表示該土地利用類型面積總體穩(wěn)定,沒有發(fā)生變化;K<0時(shí),表示該土地利用類型面積呈減少趨勢(shì),且值越小,減少幅度越大;K>0時(shí),表示該土地利用類型面積有增加,值越大,增加規(guī)模越大;K的絕對(duì)值越大,表示該土地利用類型面積變化幅度越明顯。

2.4 景觀格局指數(shù)選取景觀格局指數(shù)是指能夠高度濃縮景觀格局信息,反映其結(jié)構(gòu)組成和空間配置某些方面特征的簡(jiǎn)單定量指標(biāo)[12]。筆者綜合考慮前人的研究[13-15]并結(jié)合西南部喀斯特地區(qū)的實(shí)際情況后,運(yùn)用Fragstats 4.2軟件,從類型尺度和景觀尺度選取斑塊密度指數(shù)(PD)、最大斑塊指數(shù)(LPI)、香農(nóng)多樣性指數(shù)(SHDI)、聚集度指數(shù)(AI)、斑塊數(shù)目指數(shù)(NP)、景觀形狀指數(shù)(LSI)6個(gè)指標(biāo)進(jìn)行分析。

3 結(jié)果與分析

3.1 土地利用時(shí)空分異根據(jù)德?？h、靖西市、大新縣、天等縣桂西南4個(gè)縣(市)2009至2020年土地利用數(shù)據(jù),分析2009—2020年土地利用數(shù)量變化情況。

3.1.1耕地總體變化趨勢(shì)分析。2009—2020年間,研究區(qū)域的耕地規(guī)模總體呈減少趨勢(shì),2020年耕地規(guī)模比2009年減少2.42萬hm2,年均減少率為1%。水田占比從2009年的34%提升到2020年的36%,但水田面積已減少3 000 hm2以上,優(yōu)質(zhì)耕地資源總體較少且呈減少趨勢(shì)。其中2018年至2020年期間耕地規(guī)模減少幅度明顯增大(表1),又以靖西市、德?？h的減少幅度更為顯著,但因人口流失嚴(yán)重,這4個(gè)縣(市)的人均耕地面積從2009年的0.12 hm2/人提高到2020年的0.15 hm2/人,呈上升趨勢(shì)。利用ArcGIS軟件將2009、2020年土地利用現(xiàn)狀圖進(jìn)行疊加分析,獲取研究時(shí)段內(nèi)耕地的增減變化信息,可知2009—2020年減少的耕地大部分流向林地、園地和建設(shè)用地;新增耕地主要來源是未利用地中的荒草地開墾、殘次林用地開墾以及因地類判讀認(rèn)定技術(shù)方法不同造成的農(nóng)業(yè)結(jié)構(gòu)調(diào)整等,總體上耕地減少速度大于耕地新增速度。經(jīng)查4個(gè)縣(市)土地利用總體規(guī)劃(2006—2020年)的耕地保有量任務(wù)可知,目前這4個(gè)縣(市)的耕地保護(hù)形勢(shì)較為嚴(yán)峻。

3.1.2園地、林地總體變化趨勢(shì)分析。2009—2020年間,研究區(qū)域的園地、林地總體變化趨勢(shì)是先減后增,年均增長(zhǎng)率分別為3%、5%,2020年林地規(guī)模比2009年凈增加32.61萬hm2,園地規(guī)模凈增加0.74萬hm2。增加的主要來源是未利用地和耕地。為促進(jìn)鄉(xiāng)村振興,桂西南地區(qū)鼓勵(lì)發(fā)展特色農(nóng)業(yè)產(chǎn)業(yè),本地的亞熱帶季風(fēng)氣候十分適宜發(fā)展林果業(yè)種植,但受喀斯特地形地貌限制,耕地主要分布于地形平坦區(qū)域,林果業(yè)種植無法上山。筆者外業(yè)調(diào)研發(fā)現(xiàn),研究區(qū)耕地“非糧化”主要原因有耕地種植非糧作物或糧與非糧輪作、耕地種植經(jīng)濟(jì)林果類、耕地種植速生林木、耕地挖塘養(yǎng)殖水產(chǎn)等,農(nóng)用地種植結(jié)構(gòu)調(diào)整較為頻繁,耕地“非糧化”趨勢(shì)明顯,如何在守住糧食安全底線和生態(tài)保護(hù)紅線的同時(shí)促進(jìn)農(nóng)業(yè)產(chǎn)業(yè)振興和農(nóng)民增收,是當(dāng)前面臨的難題之一。

3.1.3建設(shè)用地總體變化趨勢(shì)分析。2009—2020年間,研究區(qū)域的建設(shè)用地總量?jī)粼?.14萬hm2,平均每年增長(zhǎng)約0.1萬hm2,年均增長(zhǎng)率2.74%。建設(shè)用地中以交通運(yùn)輸用地增長(zhǎng)幅度最大,以2018—2020年期間增加幅度較大,主要原因是土地利用現(xiàn)狀調(diào)查的技術(shù)要求有新變化,2009—2018年使用的是第二次土地調(diào)查的技術(shù)規(guī)范,大部分交通運(yùn)輸用地按線性地物標(biāo)識(shí)上圖;自2019年起土地利用現(xiàn)狀圖按照《第三次全國(guó)國(guó)土調(diào)查技術(shù)規(guī)程》的要求,結(jié)合高精度影像、實(shí)地舉證判讀地類、認(rèn)定圖斑地類,道路與水系等線性地物以圖斑方式調(diào)繪,由此使得交通運(yùn)輸用地規(guī)模激增?？λ固爻鞘懈貓D斑鑲嵌在“山-城”之間,城鎮(zhèn)空間拓展和基礎(chǔ)設(shè)施建設(shè)不可避免地要占用耕地。此外,農(nóng)村亂占耕地建房也成為困擾桂西南地區(qū)發(fā)展的“老大難”問題之一,進(jìn)一步加快了耕地“非農(nóng)化”趨勢(shì)。

3.1.4未利用地總體變化趨勢(shì)分析。該研究將研究區(qū)域的內(nèi)陸灘涂、河流水面、其他草地、裸土地、裸巖石礫地歸入未利用地進(jìn)行分析。2009—2020年間,研究區(qū)域的未利用地總規(guī)模凈減31.33萬hm2,其中2009至2018年期間,未利用地減少幅度相對(duì)平穩(wěn),到2020年出現(xiàn)大幅度減少的特殊情況(表1),其原因主要也是由于土地利用現(xiàn)狀調(diào)查的技術(shù)要求有新變化造成的,第二次全國(guó)土地調(diào)查將喀斯特石山按裸巖石礫地調(diào)查,而2020年依據(jù)的是《第三次全國(guó)國(guó)土調(diào)查技術(shù)規(guī)程》,石頭裸露度達(dá)到70%及以上的才按裸巖石礫地調(diào)查,石頭裸露度小于70%的按所覆蓋的植被調(diào)查。利用ArcGIS空間分析模塊進(jìn)行分析可知,2019年以前的歷年土地利用現(xiàn)狀數(shù)據(jù)中原屬于未利用地的裸巖石礫地在第三次全國(guó)土地調(diào)查和最新年度國(guó)土變更中大部分變?yōu)榱肆值氐亩?jí)地類;其次部分未利用地流向了耕地、園地、林地等。研究區(qū)域的未利用地中現(xiàn)有耕地后備資源已非常有限,未來可通過工程措施補(bǔ)充耕地的潛力小,使得未來耕地保護(hù)壓力較大。

根據(jù)公式(1)、(2),測(cè)算桂西南喀斯特地區(qū)德?？h、靖西市、大新縣、天等縣4個(gè)縣(市)2009—2020年各時(shí)間段不同土地利用的總體變化情況(表1)。

表1 桂西南喀斯特地區(qū)4個(gè)縣(市)2009-2020年各土地利用總體變化情況統(tǒng)計(jì)Table 1 Statistics of overall changes of land use in 4 counties (cities) of karst region in southwest Guangxi from 2009 to 2020 單位:%

通過ArcGIS軟件平臺(tái)的空間分析模塊,提取2009年、2020年現(xiàn)狀耕地圖斑,分析不同年度桂西南喀斯特地區(qū)4個(gè)縣(市)耕地的時(shí)空變化趨勢(shì)(圖1)。經(jīng)分析,4個(gè)縣(市)在2009—2020年期間耕地凈減規(guī)模大于凈增規(guī)模,凈減耕地主要分布在城鎮(zhèn)村、主要交通要道、石山周邊,凈增耕地主要位于偏遠(yuǎn)區(qū)域且普遍分布零星、破碎。

3.2 景觀格局時(shí)空分異以桂西南喀斯特地區(qū)4個(gè)縣(市)2009、2013、2015、2018、2020年土地利用現(xiàn)狀圖斑與地類屬性為基礎(chǔ),測(cè)算各年度的景觀格局指數(shù)(表2、表3)。

從景觀尺度看,桂西南4個(gè)縣(市)的國(guó)土總面積約108萬hm2,2009—2020年期間,斑塊密度指數(shù)從16.92提升至31.16,最大斑塊指數(shù)從8.36下降至7.81,2020年又大幅度提升至45.60;香農(nóng)多樣性指數(shù)從1.26降低為0.94,聚集度指數(shù)從88.03降低為87.63?？梢?桂西南4個(gè)縣(市)的各土地利用類型地塊破碎度較大且呈逐年增大狀態(tài),土地利用景觀類型多樣化,地塊形狀較為復(fù)雜,集中連片度有所降低。說明桂西南4個(gè)縣(市)的土地利用景觀格局總體受喀斯特地貌影響,喀斯特地區(qū)的石灰?guī)r山地比重較大,地勢(shì)陡峭且土層薄弱,土地利用空間受到很大限制,在當(dāng)前鄉(xiāng)村振興戰(zhàn)略大背景下,要有效提高當(dāng)?shù)氐慕?jīng)濟(jì)水平,有限的土地資源與人類頻繁活動(dòng)將面臨較大的矛盾沖突。

從類型尺度看,各土地利用類型變化情況如下:

(1)斑塊數(shù)目指數(shù)(NP)。2009—2018年間,各地類整體斑塊數(shù)目指數(shù)普遍呈逐年增長(zhǎng)趨勢(shì),其中耕地增長(zhǎng)趨勢(shì)較為明顯;到2020年,耕地、園地、建設(shè)用地的斑塊數(shù)目指數(shù)明顯激增,而林地、未利用地則減少較多。表明2009—2020年期間耕地的破碎度有所提升,林地破碎度下降最明顯。

(2)斑塊密度指數(shù)(PD)。2009—2018年間,各土地利用類型的斑塊密度指數(shù)值域普遍為逐漸增長(zhǎng)趨勢(shì);2020年,耕地、園地、建設(shè)用地的指數(shù)值域有明顯增長(zhǎng),林地和未利用地下降,表明耕地破碎度在逐年提升。

(3)最大斑塊指數(shù)(LPI)。2009—2020年間,耕地、園地、未利用地的最大斑塊指數(shù)逐漸降低,建設(shè)用地略有提升,林地是大幅度增長(zhǎng),表明耕地破碎度在加大,而林地則呈現(xiàn)出集中連片度有顯著提升趨勢(shì),林地景觀優(yōu)勢(shì)度較高。

圖1 桂西南喀斯特地區(qū)4個(gè)縣(市)2009—2020年耕地資源變化局部圖Fig.1 Local map of cultivated land resources change of 4 counties (cities) in karst area of southwest Guangxi from 2009 to 2020

(4)景觀形狀指數(shù)(LSI)。2009—2020年間,耕地是各土地利用類型中景觀形狀指數(shù)最大的并呈逐年增長(zhǎng)趨勢(shì),其他地類的指數(shù)基本上在200以下(表3),喀斯特山區(qū)耕地形狀較為復(fù)雜;園地、林地、建設(shè)用地、未利用地的指數(shù)相對(duì)均衡,變化有上下波動(dòng)。表明耕地地塊形狀變化較為頻繁。

4 結(jié)論

桂西南4個(gè)縣(市)是喀斯特石漠化典型區(qū),該研究基于2009—2020年土地利用數(shù)據(jù),采用ArcGIS軟件空間分析模塊對(duì)各時(shí)間段不同土地利用類型在時(shí)間、空間上的變化情況進(jìn)行計(jì)算與分析,結(jié)果如下:

(1)桂西南喀斯特地區(qū)4個(gè)縣(市)耕地規(guī)模總體呈逐年減少趨勢(shì),林地、園地規(guī)模大幅度增加,農(nóng)用地種植結(jié)構(gòu)調(diào)整頻繁,耕地“非糧化”趨勢(shì)明顯;建設(shè)用地向外擴(kuò)張趨勢(shì)明顯,工業(yè)化、城鎮(zhèn)化高速發(fā)展一定程度上加快了耕地“非農(nóng)化”,存在一定的耕地保護(hù)和糧食安全問題。

表3 桂西南喀斯特地區(qū)4個(gè)縣(市)2009—2020年土地利用類型景觀格局指數(shù)統(tǒng)計(jì)Table 3 Statistics of landscape pattern index of land use types of 4 counties ( cities ) in karst region of southwest Guangxi from 2009 to 2020

接下表續(xù)表3

(2)2009—2020年期間,研究區(qū)耕地破碎度情況總體呈逐年加劇趨勢(shì),園地、建設(shè)用地、未利用地破碎度也有所提高,林地破碎度則明顯降低。

(3)2009—2020年期間,耕地流出主要流向園地、林地和建設(shè)用地,耕地流入主要來源是未利用地,總體上,耕地地塊較為分散,景觀破碎度不斷增大。

(4)2009—2020年期間,林地流入的主要來源是園地、耕地。研究區(qū)耕地上種植速生桉等林木的“非糧化”現(xiàn)象明顯,林地總量和圖斑面積均整體增大,從而使得林地破碎度明顯降低。