2009—2020年桂西南喀斯特地区土地利用时空变化特征分析

尹秋月,王 钰,任 艳

(广西壮族自治区国土测绘院,广西南宁 530023)

土地利用/土地覆盖变化(LUCC)是人类活动对自然生态系统相互作用最直接的反映[1]。景观格局变化是土地利用变化在景观生态学中的直观表达,将土地利用与景观格局相结合,有助于深入了解土地利用景观格局的动态演变规律,对促进区域经济和环境协调发展具有重要意义,促进了生态文明建设[2-3]。近年来,在城市化进程不断加快,建设用地需求持续增加的社会背景下,土地利用及其功能结构性变化更加剧烈,人类活动与生态保护的矛盾日益突出。目前,大量学者在土地利用变化特征领域已开展了大量研究。如:魏静等[4]利用重心模型等对太行山区的土地利用景观格局进行了分析。傅家仪等[5]以海河流域为例,对流域土地利用时空变化特征及驱动机制进行研究。王甜等[6]基于多时相遥感数据对马来西亚吉隆坡市开展了土地利用变化特征分析与预测。舒田等[2]利用土地利用变化模型和景观格局指数,系统分析撒拉溪示范区10年间的土地利用及其景观格局变化。总体上,已有研究多角度、多方法对不同区域的土地利用变化开展研究,但对桂西南喀斯特典型区长时间序列的土地利用景观格局变化的研究较少。

党的十八大以来,国家不断加大对“老少边穷”地区的扶持力度,德保县、靖西市、大新县、天等县4个县(市)位于广西壮族自治区西南部,属于滇黔桂石漠化片区的典型区域,城市内喀斯特山体与城市建筑交织,形成独特的“城—山”镶嵌的喀斯特城市景观,该区域特有的地形地貌一定程度上影响城市扩张,具有生态环境脆弱性强的特点[7]。笔者以桂西南喀斯特地区典型的4个县(市)为研究区,通过GIS和RS技术,结合土地利用变化模型、景观指数等开展2009—2020年土地利用时空变化特征分析,为桂西南喀斯特典型区自然资源和生态环境协调发展提供思路。

1 研究区与数据

1.1 研究区域概况广西壮族自治区(简称“桂”)的喀斯特岩溶面积较大,约占土地总面积的35.1%,石漠化土地占土地总面积的8.14%[8],主要分布在桂西南、桂中、桂东北地区,其中以桂西南地区分布较为集中。其中,位于桂西南部的德保县、靖西市、大新县、天等县4个县(市)是中国乃至世界上发育最典型、最集中的峰林峰丛喀斯特分布区之一。

桂西南喀斯特地区4个县(市)地处东经105°56′～107°29′,北纬22°29′～23°40′,多年平均气温20.2 ℃,年平均降雨量1 411.6 mm,年无霜期342 d,年日照时数1 522 h,属亚热带季风气候,非常适宜热带和亚热带作物的生长。在地形地貌特征上,德保县和靖西市的地形均为西北高、东南低,以溶蚀高原地貌为主,大部分为岩溶峰丛、孤峰和非岩溶土山[9],矿产资源丰富;大新县地形为东北、西北高,逐渐向南倾斜,中部略低成凹槽性的石山盆地,以石灰石山构成的山峰林谷为主要地形;天等县以低山丘陵为主,山地面积约占土地总面积的78%,岩溶地貌约占土地总面积的77%,所分布的峰林谷地多为断层地带,透水性强。4个县(市)的石漠化土地面积20.53万hm2,占土地总面积的19%,研究区域的石漠化趋势较为显著,对区域耕地生态安全有一定的负面影响。

根据2021年《广西统计年鉴》公布的统计数据,2020年桂西南部的德保县、靖西市、大新县、天等县4个县(市)的常住人口132.36万,地区生产总值达到396.16亿元,农作物总播种面积合计231 044 hm2,农村居民人均可支配收入13 087.75元/年。与2009年相比,桂西南4个县(市)的地区生产总值、农村居民人均可支配收入等社会经济指标正逐年提升,常住人口、农作物总播种面积等指标呈下降趋势。

1.2 数据来源该研究以2009、2013、2015、2018、2020年为时间节点,所用基础数据包括研究区的土地利用现状矢量数据、卫星遥感影像数据、社会经济统计数据、石漠化土地数据等,其中研究区矢量数据、卫星遥感影像数据来源于研究区各年度土地利用现状调查数据以及各类专题数字正射影像;社会经济统计指标数据来源于《广西统计年鉴》(2009—2021);石漠化土地数据来源于第3次石漠化监测数据,辅助数据包括研究区各级行政区界线矢量数据。

2 方法

2.1 土地利用现状解译将桂西南喀斯特地区4个县(市)2009、2013、2015、2018、2020年的专题数字遥感影像按年份分别进行融合衔接,通过ArcGIS10.2软件的统计分析模块和空间分析模块对各年份的影像数据进行解译分析与处理,并与土地利用现状矢量数据进行衔接对比,采用土地利用遥感监测技术获取土地利用状况及其动态变化信息。为更好地与各年度土地利用数据衔接,2009—2018年的地块图斑采用第二次土地调查所用的《土地利用现状分类》(GB/T 21010—2007)标识出耕地、园地、林地、建设用地、未利用地等各种地类,2020年的地块图斑则采用《第三次全国国土调查技术规程》(TD/T 1055—2019)中的分类标准进行标识,以此形成土地利用现状图。针对各年度的现状地类图斑进行预处理,获取各年度各地类面积,分析土地利用总体变化情况。

2.2 土地利用变化幅度土地利用变化幅度主要用于表征各土地利用类型在面积方面的变化幅度[5]。土地利用变化幅度的数学表达式为:

W=(S2-S1)/S1×100%

(1)

式中:W为研究区域某一种土地利用类型规模变化率;S1为研究区域某一种土地利用类型期初面积;S2为研究区域某一种土地利用类型期末面积。

2.3 单一土地利用动态度为更直观地获取不同土地利用类型变化情况,拟采用不同土地利用类型变化动态度来表达一定时间内各区域各类土地资源数量和空间布局的变化速度,定量分析这种变化速度及变化幅度。土地利用类型变化动态度是反映区域不同土地利用类型变化剧烈程度的重要指标[10],用来表示一个时段内不同土地利用类型数量与分布的稳定情况,相当于年变化率。其数学表达式为[11]:

(2)

式中:K为某一个研究时间段内某一种土地利用类型的变化动态度;Ua、Ub分别为某一种土地利用类型期初、期末的面积;T为研究时段长度,以年为单位,将研究时间分为4个阶段,即2009—2013年、2013—2015年、2015—2018年、2018—2020年。当K为0时,表示该土地利用类型面积总体稳定,没有发生变化;K<0时,表示该土地利用类型面积呈减少趋势,且值越小,减少幅度越大;K>0时,表示该土地利用类型面积有增加,值越大,增加规模越大;K的绝对值越大,表示该土地利用类型面积变化幅度越明显。

2.4 景观格局指数选取景观格局指数是指能够高度浓缩景观格局信息,反映其结构组成和空间配置某些方面特征的简单定量指标[12]。笔者综合考虑前人的研究[13-15]并结合西南部喀斯特地区的实际情况后,运用Fragstats 4.2软件,从类型尺度和景观尺度选取斑块密度指数(PD)、最大斑块指数(LPI)、香农多样性指数(SHDI)、聚集度指数(AI)、斑块数目指数(NP)、景观形状指数(LSI)6个指标进行分析。

3 结果与分析

3.1 土地利用时空分异根据德保县、靖西市、大新县、天等县桂西南4个县(市)2009至2020年土地利用数据,分析2009—2020年土地利用数量变化情况。

3.1.1耕地总体变化趋势分析。2009—2020年间,研究区域的耕地规模总体呈减少趋势,2020年耕地规模比2009年减少2.42万hm2,年均减少率为1%。水田占比从2009年的34%提升到2020年的36%,但水田面积已减少3 000 hm2以上,优质耕地资源总体较少且呈减少趋势。其中2018年至2020年期间耕地规模减少幅度明显增大(表1),又以靖西市、德保县的减少幅度更为显著,但因人口流失严重,这4个县(市)的人均耕地面积从2009年的0.12 hm2/人提高到2020年的0.15 hm2/人,呈上升趋势。利用ArcGIS软件将2009、2020年土地利用现状图进行叠加分析,获取研究时段内耕地的增减变化信息,可知2009—2020年减少的耕地大部分流向林地、园地和建设用地;新增耕地主要来源是未利用地中的荒草地开垦、残次林用地开垦以及因地类判读认定技术方法不同造成的农业结构调整等,总体上耕地减少速度大于耕地新增速度。经查4个县(市)土地利用总体规划(2006—2020年)的耕地保有量任务可知,目前这4个县(市)的耕地保护形势较为严峻。

3.1.2园地、林地总体变化趋势分析。2009—2020年间,研究区域的园地、林地总体变化趋势是先减后增,年均增长率分别为3%、5%,2020年林地规模比2009年净增加32.61万hm2,园地规模净增加0.74万hm2。增加的主要来源是未利用地和耕地。为促进乡村振兴,桂西南地区鼓励发展特色农业产业,本地的亚热带季风气候十分适宜发展林果业种植,但受喀斯特地形地貌限制,耕地主要分布于地形平坦区域,林果业种植无法上山。笔者外业调研发现,研究区耕地“非粮化”主要原因有耕地种植非粮作物或粮与非粮轮作、耕地种植经济林果类、耕地种植速生林木、耕地挖塘养殖水产等,农用地种植结构调整较为频繁,耕地“非粮化”趋势明显,如何在守住粮食安全底线和生态保护红线的同时促进农业产业振兴和农民增收,是当前面临的难题之一。

3.1.3建设用地总体变化趋势分析。2009—2020年间,研究区域的建设用地总量净增1.14万hm2,平均每年增长约0.1万hm2,年均增长率2.74%。建设用地中以交通运输用地增长幅度最大,以2018—2020年期间增加幅度较大,主要原因是土地利用现状调查的技术要求有新变化,2009—2018年使用的是第二次土地调查的技术规范,大部分交通运输用地按线性地物标识上图;自2019年起土地利用现状图按照《第三次全国国土调查技术规程》的要求,结合高精度影像、实地举证判读地类、认定图斑地类,道路与水系等线性地物以图斑方式调绘,由此使得交通运输用地规模激增。喀斯特城市耕地图斑镶嵌在“山-城”之间,城镇空间拓展和基础设施建设不可避免地要占用耕地。此外,农村乱占耕地建房也成为困扰桂西南地区发展的“老大难”问题之一,进一步加快了耕地“非农化”趋势。

3.1.4未利用地总体变化趋势分析。该研究将研究区域的内陆滩涂、河流水面、其他草地、裸土地、裸岩石砾地归入未利用地进行分析。2009—2020年间,研究区域的未利用地总规模净减31.33万hm2,其中2009至2018年期间,未利用地减少幅度相对平稳,到2020年出现大幅度减少的特殊情况(表1),其原因主要也是由于土地利用现状调查的技术要求有新变化造成的,第二次全国土地调查将喀斯特石山按裸岩石砾地调查,而2020年依据的是《第三次全国国土调查技术规程》,石头裸露度达到70%及以上的才按裸岩石砾地调查,石头裸露度小于70%的按所覆盖的植被调查。利用ArcGIS空间分析模块进行分析可知,2019年以前的历年土地利用现状数据中原属于未利用地的裸岩石砾地在第三次全国土地调查和最新年度国土变更中大部分变为了林地的二级地类;其次部分未利用地流向了耕地、园地、林地等。研究区域的未利用地中现有耕地后备资源已非常有限,未来可通过工程措施补充耕地的潜力小,使得未来耕地保护压力较大。

根据公式(1)、(2),测算桂西南喀斯特地区德保县、靖西市、大新县、天等县4个县(市)2009—2020年各时间段不同土地利用的总体变化情况(表1)。

表1 桂西南喀斯特地区4个县(市)2009-2020年各土地利用总体变化情况统计Table 1 Statistics of overall changes of land use in 4 counties (cities) of karst region in southwest Guangxi from 2009 to 2020 单位:%

通过ArcGIS软件平台的空间分析模块,提取2009年、2020年现状耕地图斑,分析不同年度桂西南喀斯特地区4个县(市)耕地的时空变化趋势(图1)。经分析,4个县(市)在2009—2020年期间耕地净减规模大于净增规模,净减耕地主要分布在城镇村、主要交通要道、石山周边,净增耕地主要位于偏远区域且普遍分布零星、破碎。

3.2 景观格局时空分异以桂西南喀斯特地区4个县(市)2009、2013、2015、2018、2020年土地利用现状图斑与地类属性为基础,测算各年度的景观格局指数(表2、表3)。

从景观尺度看,桂西南4个县(市)的国土总面积约108万hm2,2009—2020年期间,斑块密度指数从16.92提升至31.16,最大斑块指数从8.36下降至7.81,2020年又大幅度提升至45.60;香农多样性指数从1.26降低为0.94,聚集度指数从88.03降低为87.63。可见,桂西南4个县(市)的各土地利用类型地块破碎度较大且呈逐年增大状态,土地利用景观类型多样化,地块形状较为复杂,集中连片度有所降低。说明桂西南4个县(市)的土地利用景观格局总体受喀斯特地貌影响,喀斯特地区的石灰岩山地比重较大,地势陡峭且土层薄弱,土地利用空间受到很大限制,在当前乡村振兴战略大背景下,要有效提高当地的经济水平,有限的土地资源与人类频繁活动将面临较大的矛盾冲突。

从类型尺度看,各土地利用类型变化情况如下:

(1)斑块数目指数(NP)。2009—2018年间,各地类整体斑块数目指数普遍呈逐年增长趋势,其中耕地增长趋势较为明显;到2020年,耕地、园地、建设用地的斑块数目指数明显激增,而林地、未利用地则减少较多。表明2009—2020年期间耕地的破碎度有所提升,林地破碎度下降最明显。

(2)斑块密度指数(PD)。2009—2018年间,各土地利用类型的斑块密度指数值域普遍为逐渐增长趋势;2020年,耕地、园地、建设用地的指数值域有明显增长,林地和未利用地下降,表明耕地破碎度在逐年提升。

(3)最大斑块指数(LPI)。2009—2020年间,耕地、园地、未利用地的最大斑块指数逐渐降低,建设用地略有提升,林地是大幅度增长,表明耕地破碎度在加大,而林地则呈现出集中连片度有显著提升趋势,林地景观优势度较高。

图1 桂西南喀斯特地区4个县(市)2009—2020年耕地资源变化局部图Fig.1 Local map of cultivated land resources change of 4 counties (cities) in karst area of southwest Guangxi from 2009 to 2020

(4)景观形状指数(LSI)。2009—2020年间,耕地是各土地利用类型中景观形状指数最大的并呈逐年增长趋势,其他地类的指数基本上在200以下(表3),喀斯特山区耕地形状较为复杂;园地、林地、建设用地、未利用地的指数相对均衡,变化有上下波动。表明耕地地块形状变化较为频繁。

4 结论

桂西南4个县(市)是喀斯特石漠化典型区,该研究基于2009—2020年土地利用数据,采用ArcGIS软件空间分析模块对各时间段不同土地利用类型在时间、空间上的变化情况进行计算与分析,结果如下:

(1)桂西南喀斯特地区4个县(市)耕地规模总体呈逐年减少趋势,林地、园地规模大幅度增加,农用地种植结构调整频繁,耕地“非粮化”趋势明显;建设用地向外扩张趋势明显,工业化、城镇化高速发展一定程度上加快了耕地“非农化”,存在一定的耕地保护和粮食安全问题。

表3 桂西南喀斯特地区4个县(市)2009—2020年土地利用类型景观格局指数统计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

接下表续表3

(2)2009—2020年期间,研究区耕地破碎度情况总体呈逐年加剧趋势,园地、建设用地、未利用地破碎度也有所提高,林地破碎度则明显降低。

(3)2009—2020年期间,耕地流出主要流向园地、林地和建设用地,耕地流入主要来源是未利用地,总体上,耕地地块较为分散,景观破碎度不断增大。

(4)2009—2020年期间,林地流入的主要来源是园地、耕地。研究区耕地上种植速生桉等林木的“非粮化”现象明显,林地总量和图斑面积均整体增大,从而使得林地破碎度明显降低。