稀土開采縣土地利用與生態環境空間耦合研究*

陳沛如,陳永林

(贛南師范大學 地理與環境工程學院,江西 贛州 341000)

0 引言

土地利用與生態環境協調發展是區域不斷追求的重要發展目標.隨著經濟的快速發展,土地開發利用在追求高效益時常常忽視土地的承載能力,導致生態環境問題頻發,影響生態文明建設.因此,探討土地利用與生態環境的耦合關系,對于優化區域土地利用結構,改善區域生態環境狀況,實現區域可持續發展均具有重要意義.

現有研究表明,區域土地利用與生態環境之間存在復雜的非線性動態耦合關系[1].土地利用變化會引發生態環境的變化,生態環境發生變化同時也限制著土地開發利用,二者相互影響又互相牽制[2].因此,國內外學者從不同角度對土地利用與生態環境的耦合關系進行了深入研究.國外學者多從土地利用變化的生態效應方面進行研究,RAHAMAN等通過研究巴達曼地區土地利用變化對生態環境參數的影響,包括LST,NDVI和NDWI,證明了土地利用變化對生態環境產生負面影響[3];TEREFE等通過研究埃塞俄比亞中部高地40年土地利用變化對生態系統服務價值的影響,指出土地利用變化特別是森林覆蓋變化,是降低生態系統服務估值的原因[4];MOROSIN等利用3D建模技術可視化土地利用對城市環境的影響,認為優化土地利用可在一定程度上調節生態環境,保持土地環境中生態系統的相對平衡[5].國內學者多通過構建土地利用和生態環境兩個系統的評價體系,運用模型測算區域耦合協調度,劃分協調發展類型并把握其變化趨勢.土地利用系統的定量評價常選取土地利用效率[6]、土地利用強度[7]和土地利用隱性形態[8]等指標.生態環境狀況的評價主要依靠生態系統服務價值[9]、土地生態安全[10]和景觀生態風險指數[11]等方法.評價模型常采用耦合協調度數學模型[12]、交互作用機制模型[13]和Tapio脫鉤模型[14]等.目前,國內外已有的研究成果多集中在省市、流域和山區等大尺度區域,對于縣鄉小尺度區域的協調發展研究較少.因此,本研究以贛南5個稀土開采縣為研究對象,采用土地利用程度綜合指數和遙感生態指數評價區域的土地利用程度和生態環境質量,結合耦合協調模型和空間自相關分析,探究土地利用與生態環境的空間耦合關系,可豐富土地利用與生態環境耦合關系的研究視角,為相似區域提供參考.

江西贛州是國內稀土的重要產區,也是南方離子吸附型稀土礦的主要源地,開采總量占全國的70%.經學者確認,贛州下轄的18個縣市均有稀土分布,開采則主要集中在龍南、定南、全南、尋烏、信豐、安遠、贛縣、寧都8縣市.稀土開采促使區域經濟迅速發展,導致土地利用結構發生劇烈變化,進而改變了區域的土地利用程度[15],同時也產生了一系列的生態環境問題.基于此,本研究以稀土主要開采區中的5個縣域為研究區,分析長時間序列下土地利用與生態環境空間耦合關系的時空變化特征,以期為區域優化利用土地資源和合理安排生態建設提供參考.

1 研究區概況

圖1 研究區概況圖

本研究以贛州稀土主要開采區中的5個縣域為研究區,也是稀土國家規劃礦區涉及的縣區,分別為信豐縣、安遠縣、全南縣、龍南市和定南縣,地理坐標范圍為(114°10′～115°37′E,24°29′～25°36′N),總面積約為9719.90km2(圖1).研究區以丘陵山地為主,屬亞熱帶季風性濕潤氣候,礦產資源豐富,稀土礦的面積約占區域總面積的三分之一,以露天開采為主.40多年的稀土開采歷史既促進了地方經濟發展,也造成了不同程度的區域生態環境破壞.水土流失、尾水污染、耕地受災等生態環境問題在稀土開采區普遍存在.

2 數據來源與研究方法

2.1 數據來源

本研究的土地利用/覆被數據采用武漢大學楊杰等[16]研究發布的中國土地覆蓋數據集,空間分辨率為30m,利用ArcGIS軟件進行數據裁剪,并將土地利用類型分為耕地、林地、草地、水域、建設用地、未利用地6大類.Landsat遙感影像數據獲取自Google Earth Engine平臺,空間分辨率為30m,均通過大氣表面反射率校正和波段正射校正.高程數據來源于地理空間數據云(http://www.gscloud.cn/)中的ASTER GDEM 30M分辨率數字高程數據,經過ArcGIS軟件拼接裁剪處理.行政邊界數據來源于自然資源部門提供的土地調查數據.

2.2 研究方法

2.2.1 土地利用指數

2.2.2 遙感生態指數

2.2.3 耦合協調模型

表1 耦合協調度等級劃分標準

3 結果與分析

3.1 土地利用程度的時空變化特征

為了便于分析研究區內土地利用程度的區域差異,在自然斷點法的基礎上將各鄉鎮的土地利用程度綜合指數分為5級,得出2000—2019年贛南稀土開采縣土地利用程度空間分布(圖2).由圖2可知,研究區的土地利用程度具有北高南低、西高東低的空間分布特征,土地利用程度較強的區域主要分布在信豐縣、龍南市北部和安遠縣南部,全南縣和定南縣的土地利用程度較弱.相比于其他縣市,信豐縣的國土面積最大,其林地占比最小,類型指數高的耕地和建設用地較多,使其土地利用程度較強.而全南縣和定南縣因林地和未利用地的占比較大,導致土地利用程度較弱.2000—2019年,大部分鄉鎮的土地利用程度保持不變,14個鄉鎮的土地利用程度有一定的提升,只有信豐縣安西鎮的土地利用程度等級下降.

圖2 2000—2019年贛南稀土開采縣土地利用程度空間分布

信豐縣的中心鎮為嘉定鎮,其與周圍的大塘埠鎮、大阿鎮和小河鎮的土地利用程度一直處于較高水平.2000—2019年,信豐縣北部的西牛鎮和南部的小江鎮的土地利用程度逐漸增強,表明信豐縣具有南北向的發展趨勢,南北分別外接龍南市和南康區.安遠縣土地利用程度較強的鄉鎮為孔田鎮和重石鄉,主要受地形的影響,安遠縣城鎮的發展較為分散.縣域內山林資源豐富,南部的三百山國家森林公園推動著當地旅游業的發展,使周圍區域的土地利用程度明顯增強.20年來,全南縣的土地利用程度一直處于中下水平,土地利用程度較強的地區為城廂鎮和大吉山鎮,2014—2019年中寨鄉的土地利用程度由較弱等級上升為中等等級.龍南鎮、東江鄉和渡江鎮是龍南市土地利用程度較強的鄉鎮,這些鄉鎮是龍南市城鎮建設的中心,九連山鎮和安基山林場是土地利用程度弱的鄉鎮,二者的區域內95%以上都是林地.2000—2019年間定南縣各鄉鎮的土地利用程度一直處于中等及以下的等級,中心城鎮歷市鎮的程度最強.

3.2 生態環境質量的時空變化特征

為了便于比較鄉鎮間生態環境質量差異,采用等間隔法將各鄉鎮的遙感生態指數均值分為5級,得出2000—2019年贛南稀土開采縣生態環境質量空間分布(圖3).由圖3可知,研究區內土地利用程度較強的鄉鎮生態環境質量普遍較差,說明土地利用的變化會一定程度的影響生態環境.研究區北部的生態環境質量明顯低于南部,與土地利用程度的空間特征呈相反態勢.生態環境質量優良的區域主要分布在包括全南縣在內的西南部地區,這些區域是天然林地和植被覆蓋度較高的山區,濕度和綠度指標均較高.環境質量較差的地區主要聚集在縣域的城鎮中心,包括信豐縣、龍南市和定南縣,這些植被覆蓋度較低的城鎮建設區屬于典型的熱島區.2000—2019年,10個鄉鎮的生態環境質量等級下降,主要位于龍南市北部、信豐縣西北部和安遠縣南部,21個鄉鎮的環境質量等級上升,主要呈帶狀分布在研究區中部,包括安遠縣東部、信豐縣東部以及龍南市與定南縣的交界處.

圖3 2000—2019年贛南稀土開采縣生態環境質量空間分布

圖4 土地利用程度與生態環境質量的耦合協調度

3.3 耦合協調度的時空變化特征

各年份土地利用程度與生態環境質量的耦合協調度計算結果如圖4所示.由圖4可知,2000—2019年土地利用指數與遙感生態指數的耦合度比較穩定,數值處于0.90～1之間,兩系統的相互作用程度很高.2000—2019年研究區的耦合協調度處于0.60～0.90之間,皆屬于協調階段,整體呈上升趨勢.綜上,說明5縣市在土地利用和生態環境協調發展工作取得了較大成效,土地開發利用和生態環境保護方面呈現協同向好的發展趨勢.

2000—2019年贛南稀土開采縣耦合協調程度空間分布如圖5所示,因各鄉鎮的發展水平不同,耦合協調程度存在明顯的區域差異.由圖5可知,2000—2019年研究區的耦合協調程度明顯從低水平向高水平轉變,呈現北高南低、西高東低的空間分布格局,耦合協調度較高的區域具有從隨機分散到集中連片的空間演變規律.從鄉鎮層面來看,2000—2019年只有龍南市東江鄉的耦合協調度下降,由初級協調轉變為中度失調,其生態環境質量隨土地利用程度的增強逐漸變差,48%的鄉鎮的耦合協調度上升,其中安遠縣重石鄉、信豐縣的嘉定鎮和大塘埠鎮的變化最大,從失調階段轉變到協調階段,這些鄉鎮的土地利用程度變化不大,生態環境質量大幅上升,說明鄉鎮的生態環境得到改善,與土地利用協同向好發展.龍南市安基山林場一直處于失調等級,其生態環境質量處于較高水平,而土地利用程度一直處于弱水平,兩系統之間存在很大差距,土地利用與生態環境發展不平衡.

圖5 2000—2019年贛南稀土開采縣耦合協調程度空間分布

3.4 耦合協調度的空間自相關分析

圖6 2000—2019年贛南稀土開采縣耦合協調度空間集聚分布

2000年、2004年、2009年、2014年和2019年研究區的耦合協調度全局莫蘭指數分別為0.27、0.23、0.12、0.15和0.06,呈下降趨勢,表明土地利用程度與生態環境質量的耦合協調度具有正向空間關聯性,僅有2000年和2004年通過0.01%的顯著性檢驗,2014年通過0.10%的顯著性檢驗,表明耦合協調度高或低的地區與周邊地區明顯具有空間聚集特征.圖6為研究區的耦合協調度局部莫蘭指數空間集聚分布,能反映局部區域的集聚性及分異特征.由圖6可知,研究區耦合協調度的集聚分布以高高集聚為主,主要分布在信豐縣、全南縣和安遠縣,高低集聚區主要分布在龍南市和安遠縣,低高集聚區主要位于信豐縣和全南縣,低低集聚區主要位于安遠縣、全南縣和龍南市.

2000—2019年,信豐縣的集聚發生在縣域西部,高高集聚區明顯擴大,低高集聚區與其相鄰,嘉定鎮、大塘埠鎮和小河鎮的生態環境質量均滯后于土地利用程度,生態環境質量有待提高.安遠縣的低低集聚區分布在縣域北部,高高集聚區分布在南部,表明安遠縣的耦合協調度呈北低南高的空間分布,北部的土地利用程度和生態環境質量均低于南部.全南縣的高高集聚區以南逕鎮和中寨鄉為中心,以陂頭鎮為中心形成低低集聚區,以龍源壩鎮為中心形成低高集聚區.2014年龍南市以渡江鎮、程龍鎮和臨塘鄉為中心形成低低集聚區,以桃江鄉、龍南鎮和汶龍鎮為中心形成高低集聚區,2019年以程龍鎮為中心形成低低集聚區,以桃江鄉和渡江鎮為中心形成高低集聚區.

4 討論

贛南稀土開采縣屬于南方丘陵山區,土地利用類型以耕地和林地為主,處于北部的信豐縣和安遠縣的林地總量低于南部的全南縣、龍南市和定南縣,植被覆蓋是影響生態環境質量的主要因素[21],故研究區北部的環境質量低于南部.同時,林地也是制約區域發展的主要土地類型[22],在城鎮化進程中,山林資源豐富的區域既要滿足土地利用開發的需求,又要兼顧生態文明建設,發展難度較大導致研究區南部的土地利用程度比北部弱.因此,在土地利用程度與生態環境質量的耦合協調過程中產生南北分異的空間格局,其與土地利用程度的空間分布特征一致,說明土地利用程度是耦合協調度的主要影響因素.不同于前人的研究,本研究利用遙感數據并側重從鄉鎮空間的角度分析土地利用與生態環境的耦合協調關系,能直觀地看出各個區域的土地利用程度與生態環境質量的空間差異和協調程度.

結合研究結果,依據區域實際情況,特提出以下對策建議:一是針對土地利用程度強、生態環境質量差的發展不平衡類鄉鎮,可借鑒協調發展類鄉鎮的發展經驗,土地開發利用適度放緩,優化土地利用結構,積極開展生態修復與生態文明建設,走綠色可持續發展路線;二是針對生態環境質量優、土地利用程度弱的發展不平衡類鄉鎮,可借助自身生態優勢,發展生態農業和林下經濟,節約集約利用建設用地,制定鄉鎮特色發展路線;三是針對土地利用和生態環境協調發展類鄉鎮,要發揮輻射帶動作用,可與周圍發展較弱的鄉鎮建立合作關系,促進區域整體土地利用與生態環境質量平衡發展.

5 結論