2009—2020年桂西南喀斯特地區土地利用時空變化特征分析

尹秋月,王 鈺,任 艷

(廣西壯族自治區國土測繪院,廣西南寧 530023)

土地利用/土地覆蓋變化(LUCC)是人類活動對自然生態系統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學中的直觀表達,將土地利用與景觀格局相結合,有助于深入了解土地利用景觀格局的動態演變規律,對促進區域經濟和環境協調發展具有重要意義,促進了生態文明建設[2-3]。近年來,在城市化進程不斷加快,建設用地需求持續增加的社會背景下,土地利用及其功能結構性變化更加劇烈,人類活動與生態保護的矛盾日益突出。目前,大量學者在土地利用變化特征領域已開展了大量研究。如:魏靜等[4]利用重心模型等對太行山區的土地利用景觀格局進行了分析。傅家儀等[5]以海河流域為例,對流域土地利用時空變化特征及驅動機制進行研究。王甜等[6]基于多時相遙感數據對馬來西亞吉隆坡市開展了土地利用變化特征分析與預測。舒田等[2]利用土地利用變化模型和景觀格局指數,系統分析撒拉溪示范區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、多方法對不同區域的土地利用變化開展研究,但對桂西南喀斯特典型區長時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,國家不斷加大對“老少邊窮”地區的扶持力度,德?？h、靖西市、大新縣、天等縣4個縣(市)位于廣西壯族自治區西南部,屬于滇黔桂石漠化片區的典型區域,城市內喀斯特山體與城市建筑交織,形成獨特的“城—山”鑲嵌的喀斯特城市景觀,該區域特有的地形地貌一定程度上影響城市擴張,具有生態環境脆弱性強的特點[7]。筆者以桂西南喀斯特地區典型的4個縣(市)為研究區,通過GIS和RS技術,結合土地利用變化模型、景觀指數等開展2009—2020年土地利用時空變化特征分析,為桂西南喀斯特典型區自然資源和生態環境協調發展提供思路。

1 研究區與數據

1.1 研究區域概況廣西壯族自治區(簡稱“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,其中以桂西南地區分布較為集中。其中,位于桂西南部的德?？h、靖西市、大新縣、天等縣4個縣(市)是中國乃至世界上發育最典型、最集中的峰林峰叢喀斯特分布區之一。

桂西南喀斯特地區4個縣(市)地處東經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,年日照時數1 522 h,屬亞熱帶季風氣候,非常適宜熱帶和亞熱帶作物的生長。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。4個縣(市)的石漠化土地面積20.53萬hm2,占土地總面積的19%,研究區域的石漠化趨勢較為顯著,對區域耕地生態安全有一定的負面影響。

根據2021年《廣西統計年鑒》公布的統計數據,2020年桂西南部的德?？h、靖西市、大新縣、天等縣4個縣(市)的常住人口132.36萬,地區生產總值達到396.16億元,農作物總播種面積合計231 044 hm2,農村居民人均可支配收入13 087.75元/年。與2009年相比,桂西南4個縣(市)的地區生產總值、農村居民人均可支配收入等社會經濟指標正逐年提升,常住人口、農作物總播種面積等指標呈下降趨勢。

1.2 數據來源該研究以2009、2013、2015、2018、2020年為時間節點,所用基礎數據包括研究區的土地利用現狀矢量數據、衛星遙感影像數據、社會經濟統計數據、石漠化土地數據等,其中研究區矢量數據、衛星遙感影像數據來源于研究區各年度土地利用現狀調查數據以及各類專題數字正射影像;社會經濟統計指標數據來源于《廣西統計年鑒》(2009—2021);石漠化土地數據來源于第3次石漠化監測數據,輔助數據包括研究區各級行政區界線矢量數據。

2 方法

2.1 土地利用現狀解譯將桂西南喀斯特地區4個縣(市)2009、2013、2015、2018、2020年的專題數字遙感影像按年份分別進行融合銜接,通過ArcGIS10.2軟件的統計分析模塊和空間分析模塊對各年份的影像數據進行解譯分析與處理,并與土地利用現狀矢量數據進行銜接對比,采用土地利用遙感監測技術獲取土地利用狀況及其動態變化信息。為更好地與各年度土地利用數據銜接,2009—2018年的地塊圖斑采用第二次土地調查所用的《土地利用現狀分類》(GB/T 21010—2007)標識出耕地、園地、林地、建設用地、未利用地等各種地類,2020年的地塊圖斑則采用《第三次全國國土調查技術規程》(TD/T 1055—2019)中的分類標準進行標識,以此形成土地利用現狀圖。針對各年度的現狀地類圖斑進行預處理,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學表達式為:

W=(S2-S1)/S1×100%

(1)

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

2.3 單一土地利用動態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態度來表達一定時間內各區域各類土地資源數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態度是反映區域不同土地利用類型變化劇烈程度的重要指標[10],用來表示一個時段內不同土地利用類型數量與分布的穩定情況,相當于年變化率。其數學表達式為[11]:

(2)

式中:K為某一個研究時間段內某一種土地利用類型的變化動態度;Ua、Ub分別為某一種土地利用類型期初、期末的面積;T為研究時段長度,以年為單位,將研究時間分為4個階段,即2009—2013年、2013—2015年、2015—2018年、2018—2020年。當K為0時,表示該土地利用類型面積總體穩定,沒有發生變化;K<0時,表示該土地利用類型面積呈減少趨勢,且值越小,減少幅度越大;K>0時,表示該土地利用類型面積有增加,值越大,增加規模越大;K的絕對值越大,表示該土地利用類型面積變化幅度越明顯。

2.4 景觀格局指數選取景觀格局指數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某些方面特征的簡單定量指標[12]。筆者綜合考慮前人的研究[13-15]并結合西南部喀斯特地區的實際情況后,運用Fragstats 4.2軟件,從類型尺度和景觀尺度選取斑塊密度指數(PD)、最大斑塊指數(LPI)、香農多樣性指數(SHDI)、聚集度指數(AI)、斑塊數目指數(NP)、景觀形狀指數(LSI)6個指標進行分析。

3 結果與分析

3.1 土地利用時空分異根據德?？h、靖西市、大新縣、天等縣桂西南4個縣(市)2009至2020年土地利用數據,分析2009—2020年土地利用數量變化情況。

3.1.1耕地總體變化趨勢分析。2009—2020年間,研究區域的耕地規?？傮w呈減少趨勢,2020年耕地規模比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,優質耕地資源總體較少且呈減少趨勢。其中2018年至2020年期間耕地規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,但因人口流失嚴重,這4個縣(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。利用ArcGIS軟件將2009、2020年土地利用現狀圖進行疊加分析,獲取研究時段內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定技術方法不同造成的農業結構調整等,總體上耕地減少速度大于耕地新增速度。經查4個縣(市)土地利用總體規劃(2006—2020年)的耕地保有量任務可知,目前這4個縣(市)的耕地保護形勢較為嚴峻。

3.1.2園地、林地總體變化趨勢分析。2009—2020年間,研究區域的園地、林地總體變化趨勢是先減后增,年均增長率分別為3%、5%,2020年林地規模比2009年凈增加32.61萬hm2,園地規模凈增加0.74萬hm2。增加的主要來源是未利用地和耕地。為促進鄉村振興,桂西南地區鼓勵發展特色農業產業,本地的亞熱帶季風氣候十分適宜發展林果業種植,但受喀斯特地形地貌限制,耕地主要分布于地形平坦區域,林果業種植無法上山。筆者外業調研發現,研究區耕地“非糧化”主要原因有耕地種植非糧作物或糧與非糧輪作、耕地種植經濟林果類、耕地種植速生林木、耕地挖塘養殖水產等,農用地種植結構調整較為頻繁,耕地“非糧化”趨勢明顯,如何在守住糧食安全底線和生態保護紅線的同時促進農業產業振興和農民增收,是當前面臨的難題之一。

3.1.3建設用地總體變化趨勢分析。2009—2020年間,研究區域的建設用地總量凈增1.14萬hm2,平均每年增長約0.1萬hm2,年均增長率2.74%。建設用地中以交通運輸用地增長幅度最大,以2018—2020年期間增加幅度較大,主要原因是土地利用現狀調查的技術要求有新變化,2009—2018年使用的是第二次土地調查的技術規范,大部分交通運輸用地按線性地物標識上圖;自2019年起土地利用現狀圖按照《第三次全國國土調查技術規程》的要求,結合高精度影像、實地舉證判讀地類、認定圖斑地類,道路與水系等線性地物以圖斑方式調繪,由此使得交通運輸用地規模激增?？λ固爻鞘懈貓D斑鑲嵌在“山-城”之間,城鎮空間拓展和基礎設施建設不可避免地要占用耕地。此外,農村亂占耕地建房也成為困擾桂西南地區發展的“老大難”問題之一,進一步加快了耕地“非農化”趨勢。

3.1.4未利用地總體變化趨勢分析。該研究將研究區域的內陸灘涂、河流水面、其他草地、裸土地、裸巖石礫地歸入未利用地進行分析。2009—2020年間,研究區域的未利用地總規模凈減31.33萬hm2,其中2009至2018年期間,未利用地減少幅度相對平穩,到2020年出現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狀調查的技術要求有新變化造成的,第二次全國土地調查將喀斯特石山按裸巖石礫地調查,而2020年依據的是《第三次全國國土調查技術規程》,石頭裸露度達到70%及以上的才按裸巖石礫地調查,石頭裸露度小于70%的按所覆蓋的植被調查。利用ArcGIS空間分析模塊進行分析可知,2019年以前的歷年土地利用現狀數據中原屬于未利用地的裸巖石礫地在第三次全國土地調查和最新年度國土變更中大部分變為了林地的二級地類;其次部分未利用地流向了耕地、園地、林地等。研究區域的未利用地中現有耕地后備資源已非常有限,未來可通過工程措施補充耕地的潛力小,使得未來耕地保護壓力較大。

根據公式(1)、(2),測算桂西南喀斯特地區德?？h、靖西市、大新縣、天等縣4個縣(市)2009—2020年各時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4個縣(市)2009-2020年各土地利用總體變化情況統計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軟件平臺的空間分析模塊,提取2009年、2020年現狀耕地圖斑,分析不同年度桂西南喀斯特地區4個縣(市)耕地的時空變化趨勢(圖1)。經分析,4個縣(市)在2009—2020年期間耕地凈減規模大于凈增規模,凈減耕地主要分布在城鎮村、主要交通要道、石山周邊,凈增耕地主要位于偏遠區域且普遍分布零星、破碎。

3.2 景觀格局時空分異以桂西南喀斯特地區4個縣(市)2009、2013、2015、2018、2020年土地利用現狀圖斑與地類屬性為基礎,測算各年度的景觀格局指數(表2、表3)。

從景觀尺度看,桂西南4個縣(市)的國土總面積約108萬hm2,2009—2020年期間,斑塊密度指數從16.92提升至31.16,最大斑塊指數從8.36下降至7.81,2020年又大幅度提升至45.60;香農多樣性指數從1.26降低為0.94,聚集度指數從88.03降低為87.63?？梢?桂西南4個縣(市)的各土地利用類型地塊破碎度較大且呈逐年增大狀態,土地利用景觀類型多樣化,地塊形狀較為復雜,集中連片度有所降低。說明桂西南4個縣(市)的土地利用景觀格局總體受喀斯特地貌影響,喀斯特地區的石灰巖山地比重較大,地勢陡峭且土層薄弱,土地利用空間受到很大限制,在當前鄉村振興戰略大背景下,要有效提高當地的經濟水平,有限的土地資源與人類頻繁活動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)斑塊數目指數(NP)。2009—2018年間,各地類整體斑塊數目指數普遍呈逐年增長趨勢,其中耕地增長趨勢較為明顯;到2020年,耕地、園地、建設用地的斑塊數目指數明顯激增,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(PD)。2009—2018年間,各土地利用類型的斑塊密度指數值域普遍為逐漸增長趨勢;2020年,耕地、園地、建設用地的指數值域有明顯增長,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(LPI)。2009—2020年間,耕地、園地、未利用地的最大斑塊指數逐漸降低,建設用地略有提升,林地是大幅度增長,表明耕地破碎度在加大,而林地則呈現出集中連片度有顯著提升趨勢,林地景觀優勢度較高。

圖1 桂西南喀斯特地區4個縣(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(LSI)。2009—2020年間,耕地是各土地利用類型中景觀形狀指數最大的并呈逐年增長趨勢,其他地類的指數基本上在200以下(表3),喀斯特山區耕地形狀較為復雜;園地、林地、建設用地、未利用地的指數相對均衡,變化有上下波動。表明耕地地塊形狀變化較為頻繁。

4 結論

桂西南4個縣(市)是喀斯特石漠化典型區,該研究基于2009—2020年土地利用數據,采用ArcGIS軟件空間分析模塊對各時間段不同土地利用類型在時間、空間上的變化情況進行計算與分析,結果如下:

(1)桂西南喀斯特地區4個縣(市)耕地規?？傮w呈逐年減少趨勢,林地、園地規模大幅度增加,農用地種植結構調整頻繁,耕地“非糧化”趨勢明顯;建設用地向外擴張趨勢明顯,工業化、城鎮化高速發展一定程度上加快了耕地“非農化”,存在一定的耕地保護和糧食安全問題。

表3 桂西南喀斯特地區4個縣(市)2009—2020年土地利用類型景觀格局指數統計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

接下表續表3

(2)2009—2020年期間,研究區耕地破碎度情況總體呈逐年加劇趨勢,園地、建設用地、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。研究區耕地上種植速生桉等林木的“非糧化”現象明顯,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。