广西土地利用转型与粮食产量耦合发展研究

祝文婷，韦燕飞，童新华

(1.南宁师范大学 自然资源与测绘学院，广西 南宁 530001；2.南宁师范大学 地理科学与规划学院，广西 南宁 530001)

1 引言

随着经济发展、人口增长，社会转型等带来的土地利用方式的变化，使得土地利用在深度和广度上发生剧烈的转型。土地利用形态的变化与耕地的数量与质量息息相关，同时引起了粮食产量发生变化，而粮食安全问题通常又会反过来推动土地利用形态的变化[1,2]。由此可见土地利用转型与粮食产量之间存在着动态关联性，只有二者彼此协调，相互间形成耦合发展态势才能更好地驱动土地利用与经济社会发展。广西地区粮食生产在我国发挥着重要的作用，区域粮食播种面积和粮食产量的巨大差异已成为制约生产发展的重要瓶颈。因此，土地使用转型与粮食生产之间耦合关系的科学优化，对广西可持续发展有着举足轻重的作用。

目前学术界的许多学者热衷于对土地利用转型进行研究。土地利用转型在新时代发展下，包括了土地利用形式发展与生态环境变化，在驱动力、格局和环境效应影响的框架下，减少了过去国内外学者在LUCC研究中出现的片面性，更深入地探索了土地利用形式变化过程、原因及影响等[3～7]。自土地利用转型的概念提出至今，林地转型理论的发生机制、驱动机制及典型路径等研究为新时代提出的解决粮食安全问题提供了思路，从源头抓起，落实于过程变化[8～11]。本文从土地利用隐性形态视角出发，立足于“乡村振兴”“三农”工作等国家政策文件背景，综合运用 ArcGIS软件操作平台，编制专题图用作分析评价的数据，研究分析土地利用变化与粮食安全之间的关系，为引导广西土地利用规划与区域生产结构调整提供科学方向。

2 研究区概况及数据来源

2.1 研究区概况

广西地处中国西南部，地势西北高、东南低，群山连绵，丘陵层出，河网纵横交错。广西素来有“八山一水一分田”之称，山地多、耕地少是广西主要特点，优质耕地集中分布于河流两岸，其土壤主要为水稻土，生产条件较为优越，适合农业生产和栽培，其中粮食作物以水稻、玉米等为主。目前，广西正处于经济发展的关键时期，建设用地正处于外延扩张状态。区域自然条件的差异，会影响耕地的生产力从而影响粮食生产。土地资源短缺和粮食安全问题是广西实现社会经济可持续发展的主要困难之一。

2.2 数据来源

从2005～2015年中抽取3个时段广西土地利用遥感分类面积数据，结合Landsat TM和ETM传感器几何校正，合成真彩色图像从而进行监督分类获得。另通过从广西统计年鉴与中国县域统计年鉴中获取其他指标数据，如GDP、人口数量、复种指数等。

3 研究方法

3.1 土地利用隐性形态评价指标体系构建

首先，基于现已查阅的参考文献进行分析；其次，采用定性与定量分析相结合，从理论层面把握土地利用转化的内涵，以土地利用强度为方向，充分考虑各指标因素之间的关联性。最后，基于数据标准化处理后选择熵值法计算各指标的权重，定量评价了土地利用隐性形态的变化，定性对区域土地利用隐性形态的变化特征进行综合分析与评价。

土地利用强度主要包括耕地利用强度和建设用地利用强度两个子系统。具体的评价指标如表1所示，除人均建设用地面积对土地利用强度的负面影响外，其他指标均具有正效应， “+”代表正向指标，“-”代表正向指标。

表1 土地利用隐性形态评价指标体系

3.2 数据标准化

为了尽量减少源数据量纲对评价结果的影响，采用极值法进行归一化处理，计算方法如下：

(1)

(2)

3.3 熵值法

为减少数据计算中主观因素造成的误差，使用熵值法客观地确定指标权重。

计算指标熵值：

(3)

若Ej趋向1或等于1时，则证明该指标属性对决策影响不大，式(1)中Ei为第i个指标的熵值。用以下公式计算指标权重：

(4)

式中Wi为第i指标的权重，即熵权。

(5)

式(5)中λ代表土地利用转型的综合指数，Wi代表第i个指标的权重，Pi代表第i个指标标准化后的值。

3.4 土地利用隐性形态测度

土地利用转型存在着显、隐性形态的变化，其中土地利用强度反映的是隐性形态。在数据标准化的基础上，采用指标权重标准化数据相乘求和的方法对土地利用隐性形态的转化进行定量评价。耕地利用强度(6)和建设用地利用强度(7)的计算利用公式分别如下：

LUIFi=Σmj×Tij

(6)

LUIRi=Σnp×Tip

(7)

式(6)、(7)中：mj和np分别为耕地利用强度和建设用地利用强度评价指标的权重，Tij和Tip为i县第j和第p个指标归一化后的数值。

3.5 耦合度模型

耦合可以用来描述多个系统之间的相互作用状态，因此可采用耦合度模型定量分析土地利用转型与粮食产量之间的相互作用程度。粮食产量和土地利用强度的变化过程一般是非线性的。两者间耦合程度可以借助于以下计算公式进行测算:

(8)

式(8)中C为土地利用转型和粮食产量水平的耦合度；x为描述土地利用转型的评价指标；f(x)为土地利用转型测度函数；y为描述粮食产量的评价指标；g(y)为粮食产量测度函数。α和β为权数，考虑到解决土地利用转型和粮食产量问题的重要性，判断两者同等重要，则α=β=0.5；K为调整系数，为了实现耦合度计算结果的高度差异化和层次性，定义K=2，以保证以下计算结果分析的准确性。

4 土地利用转型与粮食产量变化的时空格局分析

4.1 耕地利用强度变化的时空格局分析

根据计算结果可发现，2005～2015年间广西耕地利用强度整体呈波动上升趋势。2005～2010年间，耕地利用强度均值约在0.09波动变化，其中桂东北区的耕地利用强度较高，桂西南区增长较快，成为耕地高投入区，但桂西北区耕地利用强度较低。在2010年后，耕地利用强度逐渐上升，而导致耕地面积变化的一部分原因是由于2009年末国家完成了第二次全国土地调查，把部分之前非耕地地类重新归类为耕地。这几年广西建设占用耕地现象明显，为了维持耕地总量的动态平衡，广西积极做好耕地保护工作，提升耕地质量，为此实施了多个土地整治项目。在此期间桂东北地区继续保持较高水平，多个地区耕地利用强度系数呈现出普遍升高的趋势，表现为各个地区的耕地面积大都在增加。

4.2 建设用地利用强度变化的时空格局分析

随着城镇化的推进，2005～2015年建设用地利用强度持续上升，桂东南区一直保持较高水平。此时城镇周边的村庄也逐渐被占用，但城镇建设还有待加强，城镇建设用地资源利用效率不高。2010年建设用地利用强度增长相对缓慢。建设用地利用强度是评价高效集约用地的重要指标之一，可较为客观地评价建设用地产出水平。目前，耕地非农化现象日益明显，并且造成人地矛盾突出等问题，因此，优化土地利用结构，特别是合理配置建设用地是维护耕地总量动态平衡的有效途径。2010～2015年，通过政府的干预手段，使得广西建设用地强度迅猛提高，同耕地利用强度、粮食产量稳步协调发展。

4.3 粮食产量变化的时空格局分析

粮食产量变化取决于粮食作物播种面积与种植技术，不同区域耕地面积变化不同，而广西的粮食播种面积于2005年开始迅速减少。从2005～2010年的数据来看，桂东北、桂东南地区是粮食增产的主要地区，这些县域中粮食产量较低的区域主要集中在桂西北石山地区，该地区地处云南贵州高原边缘，岩溶地貌普遍发育，独特的自然环境和地理环境使该地区农业生产具有规模大、山区多、土地少、生态脆弱、贫困面大等优点。科技落后是农业发展的主要障碍。在经历了2005年短暂的下降后，广西粮食生产产量得到改善。随着农业科技的进步和农田整治的开展，2010-2015年粮食产量得到一定回升，表现为粮食产量较高的地区主要集中在桂东南平原丘陵区，形成明显的集聚区。

5 广西土地利用转型与粮食产量的耦合度测算结果分析

耦合度结果分析采取中指分段方法，等级细分见表2，结合测算方法和变量内涵，综合考虑耕地利用强度和建设用地利用强度的变异因素。在土地利用转型的时空演变过程中，找出粮食产量改善存在何种引起与被引起关系。

表2 土地利用转型与粮食产量耦合度等级划分及判断标准

按照耦合度测算可得不同时段内的不同区域耦合结果。由此可见2005～2015 年广西土地利用转型和粮食产量呈耦合上升关系，于2010年及2015年呈高度耦合状态。

5.1 广西土地利用转型与粮食产量的耦合度测算结果时序变化

2005年广西土地利用转型与粮食产量耦合度平均值为0.702，其中西林县的耦合度最小，而港北区、八步区、藤县等地耦合度可达1；2010年耦合度平均值为0.718，柳北区最小，邕宁区、柳江县、玉州区等县区耦合度明显较大；到2015年，各县区耦合度均有提高，平均值为0.724，海城区耦合度为0.15，是全区最小。而2005～2010年期间，广西土地利用转型与粮食产量之间存在着相对波动的耦合相关，耦合相关性逐渐增强的县区有兴宁区、西乡塘区、隆安县等；耦合相关性下降的县区有江南区、横县、柳南区等46个县区。2010～2015年期间，隆安县、马山县、上林县等51个县区耦合度均有下降，耦合度上升幅度较大的县区有秀峰区、七星区、海城区，上升幅度均超过0.3。总的来说，2005～2015年广西土地利用转型与粮食产量越趋耦合发展，各县域之间的标准差为0.263～0.245，这表明县域尺度上耦合度的离散程度不大，县区内的土地利用转型与粮食产量呈现高度耦合状态。

5.2 广西土地利用转型与粮食产量的耦合度测算结果空间分异

采用最佳自然断点分类方法分别将2005年、2010年、2015年3个时段广西108个县域单元耦合度划分为4种不同类型，即低度耦合、中度耦合、高度耦合、极度耦合。2010年，兴宁区、蒙山县、乐业县等11个县域耦合度上升了一个等级；城中区、银海区耦合度上升了两个等级；江南区、秀峰区、雁山区等15个县区等级均有下降，其余县区保持不变。2015年与2010年相比，除武鸣区、七星区、钦北区等8个县外，其他县区的耦合度均有所上升。总体来看，2005～2015年土地利用转型与粮食产量关系呈现稳中有变的时空格局；而极度耦合的区域主要分布在多丘陵平地的中南部；低度耦合的县域则分布在桂西北大石山区及建设用地增长较快的桂东南地区，这些县域整体土地利用转型情况较低，说明其土地利用转型情况相比其他区域有明显差异，粮食产量还有待提高。

5.3 土地利用转型与粮食生产的耦合关系分析

2005～2015年间广西土地利用转型与粮食产量呈现出联动关系愈发密切。耕地与建设用地两个子系统的利用强度与广西粮食生产格局的转型息息相关。土地利用转型初期，受城镇化的影响，许多农户把土地承包给他人，因而农作物播种面积得到一定程度的扩大，种粮技术的提升，因此耕地利用强度得到提升。同时，随着人口城镇化及产业集聚发展，建设占用耕地现象明显，建设用地的利用强度也得到了提高。随着农业机械总动力的不断提高，粮食生产能力不断提高，耕地利用强度和建设用地强度加大，然而因广西粮食生产经常遭受自然灾害，缺乏及时有效的防范措施，所以粮食产量保障能力还有待提升。土地利用转型中期，在2009年，随着二调的完成耕地面积增加，农地流转的比例也不断增加，耕地利用强度得到了加强，但广西城乡间也产生了分异的耕地利用强度格局。而由于人口增加、经济发展，广西城镇化进程加快，城镇周边优质的耕地逐渐被占用，粮食安全得不到有效保障，导致人地矛盾日益凸显。土地利用转型后期，为了改变自然灾害对广西粮食生产的影响，广西积极进行粮食生产基地的重新规划调整，全面提高粮食生产的高效化、集约化。而此时土地城镇化速度远快于人口城镇化速度，于是广西的粮食生产跟不上人口发展的需要。为了解决人地矛盾，广西积极开展土地整治项目，努力提高耕地利用强度，改良种植技术，政府干预城镇化发展。总而言之，2005～2015年间广西土地利用转型与粮食产量呈现耦合状态。

6 结论

论文基于广西108个县区，以土地利用转型为研究主题进而探讨土地利用隐性形态，通过分析土地利用形态变化的内在动力，对土地利用转型与粮食产量的变化进行探讨，结论如下。

(1)在城镇化的过程中，广西耕地利用强度连续增强，区域建设用地利用强度快速增强，在时空格局上反映出较大差异，粮食产量经历短暂的减少后回升，粮食危机凸显的情况得到缓和，但粮食生产保障能力仍然不足。

(2)土地利用转型与粮食产量间有交互影响的密切联系，2005～2015年间广西土地利用转型和粮食产量耦合度总体呈上升的趋势，意味着在新型城镇化背景下，广西土地利用转型与粮食产量关联度越来越大。极度耦合居中的区域多聚集在以柳州为中心的东西带状，形成明显的集聚区的分布格局。低度耦合的县域均则主要分布在桂西北大石山区及建设用地增长较快的桂东南地区。

(3)土地利用转型系统与粮食产量系统是相互作用、彼此依存的，人类社会频繁的经济活动日益改变了土地利用方式，进而推动了粮食生产模式的不断发展，在土地利用转型初期，耕地与建设用地不断得到有效利用，促使着粮食产量提高；在转型中期，土地利用强度缓慢增加，滞后发展，严重影响着区域粮食产量；在转型后期，耕地于建设用地利用强度得到提升，尽管耕地利用强度低于建设用地利用强度，但区域内的粮食安全得到了基础的保障。

根据土地利用变化与粮食产量在不同阶段的关联性，健全粮食生产计划，优化协调建设与农业生产格局，可以有效缓解人地矛盾再现。