桂林市2000—2020 年土地利用時空變化及其驅(qū)動力分析

馮婧珂

（南寧師范大學(xué)地理科學(xué)與規(guī)劃學(xué)院，南寧 530001）

土地作為人類生產(chǎn)生活的物質(zhì)基礎(chǔ)，對于人類具有重要意義，而城市是人類目前主要的生活區(qū)域之一，合理的土地利用結(jié)構(gòu)可以為其提供高質(zhì)量與可持續(xù)的發(fā)展基礎(chǔ)。目前，國內(nèi)外學(xué)者主要通過遙感技術(shù)對城市土地利用變化進(jìn)行動態(tài)監(jiān)測與分析[1]，相關(guān)研究主要集中于城市土地利用強度與動態(tài)度[2]、土地利用時空變化[3]和土地利用驅(qū)動機制[4-5]等方面。桂林市是世界著名旅游城市，也是泛珠江三角洲經(jīng)濟區(qū)與中國-東盟自由貿(mào)易區(qū)戰(zhàn)略交匯的重要節(jié)點城市。本文以2000 年、2010 年、2020 年三期桂林市GlobeLand30 數(shù)據(jù)集數(shù)據(jù)為基礎(chǔ)，分析桂林市這20 年間土地利用時空變化特征及驅(qū)動機制，以期為桂林市未來生態(tài)建設(shè)與可持續(xù)發(fā)展提供建議指導(dǎo)。

1 研究區(qū)概況與數(shù)據(jù)來源

1.1 研究區(qū)概況

桂林市位于廣西東北部，總面積為2.78 萬km2。桂林市處于南嶺山系西南部，市區(qū)東西兩側(cè)為低山丘陵，氣候溫和，雨量充沛，屬亞熱帶季風(fēng)氣候區(qū)。2019 年末，桂林市城鎮(zhèn)人口為260.20 萬人，常住人口城鎮(zhèn)化率達(dá)到50.90%。本研究選取城市化進(jìn)程最快、土地利用變化最活躍的區(qū)域作為研究區(qū)，主要包括桂林市秀峰區(qū)、疊彩區(qū)、象山區(qū)、七星區(qū)、雁山區(qū)、臨桂區(qū)，涉及的土地面積為2 801 km2。

1.2 數(shù)據(jù)來源

土地利用數(shù)據(jù)來源于國家基礎(chǔ)地理信息中心發(fā)布的GlobeLand30 數(shù)據(jù)集，其中包含空間分辨率為30 m的2000 年、2010 年、2020 年三期地表覆蓋數(shù)據(jù)。第三方驗證結(jié)果表明[6]，2010 年與2020 年數(shù)據(jù)的總體精度分別為83.50%、85.72%；2010 年kappa 系數(shù)為0.78，2020 年kappa 系數(shù)為0.82。利用ArcGIS 軟件中的裁剪工具對原數(shù)據(jù)按照行政區(qū)裁剪后得到研究范圍，然后根據(jù)桂林市實際情況對地類進(jìn)行重分類，將其分為草地、林地、耕地、水域和建設(shè)用地五大地類。桂林市DEM 數(shù)據(jù)來源于地理空間數(shù)據(jù)云平臺（http://www.gscloud.cn），空間分辨率為30 m；氣溫與降水?dāng)?shù)據(jù)來源于國家青藏高原科學(xué)數(shù)據(jù)中心（http://data.tpdc.ac.cn）；人口數(shù)據(jù)來自LandScan 數(shù)據(jù)集（https://landscan.ornl.gov），空間分辨率為1 km。

2 研究方法

2.1 土地利用變化強度及動態(tài)度

土地利用變化強度指數(shù)（LTIa）表示在某一區(qū)域a內(nèi)，在單位面積上，地類j從b時段到c時段發(fā)生的變化[7]，其計算公式為

式中：Kjc與Kjb分別表示地類j在研究區(qū)a內(nèi)初期與末期的面積；LAa為研究區(qū)土地面積；T為研究間隔時長。

在空間上，土地利用的特征可用土地利用單一動態(tài)度與綜合動態(tài)度表示[8]，二者的計算公式分別為

式中：K與LC分別表示土地利用單一動態(tài)度與綜合動態(tài)度；Ubi、Uci分別表示土地利用類型i在研究初期與末期的面積；ΔLUi為研究初期地類i的面積；ΔLUi-j表示地類i轉(zhuǎn)變?yōu)榈仡恓面積的絕對值；T為研究時間間隔。

2.2 土地利用轉(zhuǎn)移矩陣

在研究區(qū)的不同時段，各土地利用類型間轉(zhuǎn)移變化的特征可通過土地利用轉(zhuǎn)移矩陣反映。基于桂林市2000—2020 年三期土地利用數(shù)據(jù)，使用ArcGIS 軟件空間疊加功能進(jìn)行分析，通過Excel 軟件計算土地利用轉(zhuǎn)移矩陣。

2.3 地理探測器

地理探測器具有探測空間分異性的功能，目的是揭示其背后驅(qū)動因子的影響過程[9]。本研究通過因子探測器與交互探測器模塊，探測驅(qū)動桂林市土地利用變化的單因子影響力與各驅(qū)動因子的交互作用。其間需要評估驅(qū)動因子對土地利用變化的解釋力，其計算公式如式（4）所示。同時，采用土地利用程度綜合指數(shù)[10]進(jìn)行土地利用評價，其計算公式如式（5）所示。

式中：q為反映驅(qū)動因子對土地利用變化解釋力大小的指標(biāo)，q∈[0,1]；L是變量或因變量的分層；N表示研究區(qū)全區(qū)的樣本單元數(shù)；Nh為次一級區(qū)域?qū)觝的樣本單元數(shù)，h為自然數(shù)；與σ2分別表示層h和研究區(qū)土地利用率水平的方差。

式中：La為土地利用程度綜合指數(shù)；Aj表示第j級土地利用程度的分級指數(shù)[11]（見表1）；Cj表示第j級土地利用程度中分級面積的占比。

表1 土地利用程度分級賦值

3 結(jié)果與分析

3.1 土地利用時空變化及轉(zhuǎn)移情況

桂林市2000—2020 年土地利用時空分布狀況如圖1 所示。

圖1 桂林市2000—2020 年土地利用時空分布狀況

桂林市主要的土地利用類型為林地與耕地，其中林地主要分布在桂林市西部與西北部，面積占比大；耕地主要分布在桂林市西南部與東北部；水域整體呈現(xiàn)分散式分布；草地主要分布在北部，其面積占比較少；建設(shè)用地在2000—2010 年主要分布在桂林市東北部人口較為集中的區(qū)域，2010—2020 年建設(shè)用地在此基礎(chǔ)上向東向南擴張，面積呈現(xiàn)增長趨勢。

由圖2 可知，20 年間，桂林市各土地利用類型面積變化的絕對值排序為：建設(shè)用地＞耕地＞林地＞草地＞水域。其間，耕地面積呈現(xiàn)逐漸減少趨勢，共減少67.3 km2；與此相反，建設(shè)用地面積呈現(xiàn)逐年增加的趨勢，面積共增加125.7 km2；林地面積整體呈現(xiàn)減少趨勢，2010—2020 年，面積共減少59.2 km2；草地面積呈現(xiàn)先增加后減少的趨勢，2000—2010 年，面積增加3.1 km2，2010—2020 年，面積減少7.5 km2；水域面積整體呈現(xiàn)增長趨勢，面積共增加3.1 km2。

圖2 2000—2020 年桂林市土地利用面積變化

桂林市2000—2010 年、2010—2020 年、2000—2020 年土地利用轉(zhuǎn)移矩陣分別如表2、表3、表4 所示。桂林市2000—2020 年各土地利用類型的相互轉(zhuǎn)化頻率較高，各土地利用類型間的轉(zhuǎn)移方式豐富。2000—2010 年，耕地主要流轉(zhuǎn)為建設(shè)用地與水域，分別轉(zhuǎn)出14.42 km2和12.56 km2；草地流轉(zhuǎn)最為穩(wěn)定，其間沒有轉(zhuǎn)移情況發(fā)生；林地主要由水域與耕地轉(zhuǎn)入，分別轉(zhuǎn)入3.52 km2、2.91 km2。2010—2020 年，建設(shè)用地流轉(zhuǎn)最為明顯，增加的建設(shè)用地由耕地與林地轉(zhuǎn)入，分別轉(zhuǎn)入79.07 km2、34.40 km2；減少的林地主要轉(zhuǎn)為耕地與草地，轉(zhuǎn)出面積分別為55.89 km2、10.17 km2；減少的水域主要轉(zhuǎn)為建設(shè)用地與林地，分別轉(zhuǎn)出2.30 km2、1.78 km2。2000—2020 年，增加的建設(shè)用地主要由耕地和林地轉(zhuǎn)入，分別轉(zhuǎn)入90.61 km2、33.40 km2；減少的水域主要轉(zhuǎn)為耕地，轉(zhuǎn)出面積為6.79 km2，其次為林地，轉(zhuǎn)出面積為3.26 km2；增加的耕地主要由林地轉(zhuǎn)入，轉(zhuǎn)入面積為57.74 km2；減少的草地主要轉(zhuǎn)為林地與建設(shè)用地，分別轉(zhuǎn)出8.47 km2、6.33 km2。

表2 2000—2010 年桂林市土地利用轉(zhuǎn)移矩陣

表3 2010—2020 年桂林市土地利用轉(zhuǎn)移矩陣

表4 2000—2020 年桂林市土地利用轉(zhuǎn)移矩陣

3.2 土地利用動態(tài)變化

3.2.1 變化強度

桂林市土地利用變化強度情況如表5 所示。2000—2010 年，耕地與建設(shè)用地變化強烈，耕地土地利用變化強度為-0.04%，表明耕地面積在此時間段內(nèi)呈現(xiàn)減少趨勢，建設(shè)用地變化強度為0.02%，說明其在研究區(qū)內(nèi)不斷增加，其他土地利用類型的變化強度均為0.01%，林地、草地和水域的變化強度較弱。2010—2020 年，建設(shè)用地與林地變化明顯，建設(shè)用地土地利用變化強度為0.43%，林地土地利用變化強度為-0.21%，表明林地面積在不斷減少，除水域外的其他土地利用類型較上一研究時段變化強度的絕對值都有較大的增加，證明隨著桂林市不斷發(fā)展，各土地利用類型的利用程度都有所增加，城市化進(jìn)程也在不斷加快，人地關(guān)系的不協(xié)調(diào)程度加深。從總體研究時段看，2000—2020 年，桂林市建設(shè)用地的變化最為明顯，變化強度為0.22%，耕地、林地和草地的面積都有一定程度的減少，水域的變化程度較弱。

3.2.2 動態(tài)度分析

桂林市各土地利用類型的單一土地利用動態(tài)度有明顯差異，如表5 所示。2000—2010 年，耕地面積減少，其單一土地利用動態(tài)度為-0.14%；草地面積增加明顯，其單一土地利用動態(tài)度為0.68%；建設(shè)用地與水域的單一土地利用動態(tài)度都為0.61%，說明這兩種土地利用類型在此研究時段內(nèi)的面積擴張較為明顯。2010—2020 年，建設(shè)用地的面積擴張較大，單一土地利用動態(tài)度高達(dá)13.39%，反映了在這10 年間，桂林市的經(jīng)濟在不斷發(fā)展，城市發(fā)展的規(guī)模與速度都有了大幅度的提升；草地、耕地與林地的單一土地利用動態(tài)度均為負(fù)值，分別為-1.54%、-0.64%和-0.34%；水域面積變動較小，單一土地利用動態(tài)度為0.34%。2000—2020 年，建設(shè)用地單一土地利用動態(tài)度達(dá)到7.41%，水域單一土地利用動態(tài)度為0.49%；單一土地利用動態(tài)度為負(fù)值的土地利用類型為草地、耕地和林地，其分別為-0.48%、-0.38%和-0.16%。

表5 桂林市土地利用變化指數(shù)

桂林市2000—2020 年土地利用綜合動態(tài)度如表6 所示。2000—2010 年土地利用綜合動態(tài)度為0.04%，2010—2020 年 為0.43%，2000—2020 年 為0.23%，表明桂林市2000—2010 年的土地利用程度較低。2010—2020 年，研究區(qū)內(nèi)土地利用綜合動態(tài)度較前一時段表現(xiàn)出較為明顯的提升。研究時段整體呈現(xiàn)出來的趨勢表明，桂林市在這20 年間的綜合土地利用程度在逐漸升高，土地利用變化劇烈。

表6 桂林市2000—2020 年土地利用綜合動態(tài)度

3.3 驅(qū)動因子分析

土地利用變化是一個動態(tài)發(fā)展的過程，主要的驅(qū)動因子包括自然因素與社會因素[12-13]。本文選取5個驅(qū)動因子，即高程（x1）、坡度（x2）、氣溫（x3）、降水（x4）和人口密度（x5）。利用ArcGIS 軟件進(jìn)行柵格可視化分析，通過自然間斷法將各因子進(jìn)行重分類，針對研究區(qū)創(chuàng)建規(guī)格1 km×1 km 的漁網(wǎng)，并對每個網(wǎng)格的中心進(jìn)行采樣，共有2 799 個采樣點。根據(jù)采樣點對5 個驅(qū)動因子的柵格數(shù)據(jù)進(jìn)行采樣提取，然后將結(jié)果導(dǎo)入地理探測器模型中進(jìn)行運算分析，最后得出各結(jié)果。

3.3.1 因子探測

因子探測主要反映各因子單獨對土地利用變化的影響程度高低。桂林市2000 年、2010 年、2020 年的各因子探測結(jié)果如圖3 所示。2000—2020 年，各因子對桂林市土地利用變化的影響程度大小排序為：人口密度＞降水＞氣溫＞高程＞坡度。其中，2000年人口密度、降水、氣溫、高程、坡度的q值分別為0.17、0.09、0.03、0.02、0.01，2010 年q值分別為0.13、0.08、0.03、0.02、0.01，2020 年q值分別為0.28、0.05、0.03、0.02、0.01?？傮w而言，人口密度q值較高，高程、坡度、氣溫和降水的q值較低。人口密度反映的是社會經(jīng)濟條件，高程、坡度、氣溫與降水主要反映的是桂林市的自然條件，這反映出桂林市土地利用類型變化主要受人為因素的影響，自然因素對其發(fā)展的制約較小。

圖3 桂林市2000 年、2010 年、2020 年土地利用類型因子探測結(jié)果

3.3.2 交互探測

交互探測主要分析不同因子共同作用對土地利用變化的影響程度。2000 年、2010 年和2020 年桂林市各因子交互探測結(jié)果如圖4 所示。各年份因子的交互探測結(jié)果均表現(xiàn)為雙因子增強或非線性增強，表明各因子間相互作用會提升土地利用變化的影響程度，也表明土地利用變化是一個多因子相互作用的復(fù)雜過程。2000 年，氣溫與降水、人口密度與降水的交互作用較強，其解釋力分別為0.23 和0.25。2010 年與2020 年，人口和坡度、降水的交互作用較強，2010 年解釋力分別為0.17 和0.22，2020 年解釋力分別為0.32、0.31。各年份的結(jié)果證明，自然因素與社會因素的結(jié)合加深了對土地利用變化的影響。

圖4 2000 年、2010 年、2020 年桂林市土地利用類型交互探測結(jié)果

4 結(jié)論

本文以桂林市2000—2020 年三期土地利用數(shù)據(jù)為基礎(chǔ)，利用土地利用變化強度、土地利用轉(zhuǎn)移矩陣和地理探測器等方法，對桂林市2000—2020 年土地利用時空變化進(jìn)行分析。結(jié)果表明，桂林市各土地利用類型中，林地面積占比最大，其次為耕地；各土地利用類型之間轉(zhuǎn)化頻繁，建設(shè)用地面積的增加源于林地與耕地的轉(zhuǎn)入；土地利用變化強度的絕對值整體呈現(xiàn)增長趨勢，除水域外，各土地利用類型的單一土地利用動態(tài)度和綜合土地利用動態(tài)度的絕對值表現(xiàn)出增加的趨勢。驅(qū)動力方面，人口密度因子對土地利用類型變化的影響較大，自然因子解釋力較低。此外，人口與坡度、降水因子的交互作用較強，說明桂林市土地利用類型的變化受到多因子的影響，是一個復(fù)雜多變的過程。