基于PLUS模型的耕地時(shí)空演變及驅(qū)動(dòng)因素分析

韓丹燕 樊童生

（1.廣西致達(dá)遠(yuǎn)土地規(guī)劃設(shè)計(jì)有限公司，廣西 南寧 530201；2.南寧師范大學(xué)，廣西 南寧 530001）

PLUS模型為探究耕地時(shí)空演變的驅(qū)動(dòng)因素提供了有效工具，可以呈現(xiàn)各類驅(qū)動(dòng)因子對(duì)耕地時(shí)空演變影響的貢獻(xiàn)程度[1-2]。目前對(duì)于南寧市耕地時(shí)空演變特征及其驅(qū)動(dòng)因素相關(guān)的研究較少，探討南寧市耕地的時(shí)空演變特征及其驅(qū)動(dòng)因素對(duì)區(qū)域耕地資源的可持續(xù)發(fā)展和保障糧食安全有著重要意義。

1 數(shù)據(jù)處理

借助ArcGIS 10.8軟件將人口、GDP及土壤類型空間分布數(shù)據(jù)的空間分辨率重采樣至30 m，與土地利用數(shù)據(jù)一致；借助ArcGIS 10.8軟件進(jìn)行歐氏距離分析，得到距離空間分布數(shù)據(jù)，分辨率為30 m；借助ArcGIS 10.8軟件對(duì)DEM進(jìn)行坡度分析，得到坡度空間分布數(shù)據(jù)，分辨率為30 m；借助ArcGIS 10.8軟件對(duì)年平均氣溫和年平均降水量數(shù)據(jù)進(jìn)行克里金插值，得到年平均氣溫和年平均降水量數(shù)據(jù)的空間分布數(shù)據(jù)，分辨率為30 m。

2 研究方法

2.1 土地利用轉(zhuǎn)移矩陣

土地利用轉(zhuǎn)移矩陣可以從規(guī)模和方向上反映土地利用的轉(zhuǎn)移情況，基本形式為：

式中：Pij——土地利用轉(zhuǎn)型的面積；n——土地

利用類型，1為耕地，2為林地，3為草地，4為水域，5為建設(shè)用地，6為未利用地。

2.2 標(biāo)準(zhǔn)差橢圓

通過(guò)標(biāo)準(zhǔn)差橢圓可進(jìn)行數(shù)據(jù)探索和可視化，將一組變量做成多元分布圖，顯示每個(gè)變量間的相關(guān)性以及每個(gè)變量分布的形狀、中心和邊界，創(chuàng)建地理要素的空間特征，即中心趨勢(shì)、離散和方向趨勢(shì)。

2.3 核密度分析

核密度分析用于反應(yīng)耕地在空間分布上的聚集程度，計(jì)算公式為：

式中：fn——耕地核密度值；n——耕地圖斑的個(gè)數(shù)；d( )x，xi——耕地圖斑x到耕地圖斑xi的距離；h——帶寬；k——核函數(shù)。

2.4 耕地破碎化衡量指標(biāo)

耕地破碎化程度衡量指標(biāo)是借助Fragstats軟件定量測(cè)算耕地景觀指數(shù)信息，選取應(yīng)基于耕地細(xì)碎化的屬性特征，從農(nóng)戶微觀視角選取斑塊個(gè)數(shù)、斑塊密度、景觀形狀指數(shù)、景觀分割指數(shù)、聚類指數(shù)、聚集指數(shù)、分離度指數(shù)、斑塊凝聚度指數(shù)等[3]。

2.5 PLUS模型

PLUS模型的土地?cái)U(kuò)張策略分析模塊（LEAS）采用隨機(jī)森林算法對(duì)土地利用擴(kuò)張的驅(qū)動(dòng)因素進(jìn)行挖掘，得到驅(qū)動(dòng)因子對(duì)土地利用擴(kuò)張的貢獻(xiàn)程度[4]。

3 結(jié)果與分析

3.1 耕地格局變化特征分析

3.1.1 耕地?cái)?shù)量變化特征分析

借助ArcGIS 10.8軟件提取南寧市各區(qū)縣3個(gè)年份的耕地面積進(jìn)并計(jì)算變化量，結(jié)果如表1所示。

表1 南寧市2000—2020年各區(qū)縣耕地面積及變化量

南寧市在研究期內(nèi)的耕地面積處于持續(xù)減少狀態(tài)，2010—2020年耕地面積減少量最大。從各區(qū)縣的耕地?fù)碛辛縼?lái)看，武鳴區(qū)、橫縣和賓陽(yáng)縣擁有的耕地面積最多，興寧區(qū)、青秀區(qū)和西鄉(xiāng)塘區(qū)擁有的耕地面積最少。除了武鳴區(qū)在2000—2010年耕地面積有所增加外，南寧市其余縣在研究區(qū)內(nèi)耕地面積都處于持續(xù)減少狀態(tài)，耕地面積減少量最大的是江南區(qū)，其次是西鄉(xiāng)塘區(qū)、良慶區(qū)和邕寧區(qū)。

3.1.2 耕地空間變化特征分析

（1）耕地空間變化分布分析。

南寧市的西鄉(xiāng)塘區(qū)、江南區(qū)、良慶區(qū)、邕寧區(qū)、青秀區(qū)、興寧區(qū)和武鳴區(qū)的耕地變化最劇烈，特別是在2010—2020年時(shí)期。7個(gè)區(qū)處于南寧市的市區(qū)部分，經(jīng)濟(jì)發(fā)展水平和城市化水平都較高，隨著城市建設(shè)的需要占用了大量的耕地。武鳴區(qū)積極規(guī)劃永久基本農(nóng)田保護(hù)區(qū)，對(duì)永久基本農(nóng)田進(jìn)行嚴(yán)格保護(hù)，嚴(yán)格按照標(biāo)準(zhǔn)要求來(lái)開(kāi)發(fā)整理土地，提高耕地質(zhì)量，因此耕地面積有所增加。賓陽(yáng)縣和橫縣只有少部分區(qū)域存在耕地減少現(xiàn)象，馬山縣、上林縣、隆安縣的耕地變化并不明顯。

（2）耕地轉(zhuǎn)移矩陣分析。

借助ArcGIS 10.8軟件中的柵格轉(zhuǎn)面、融合和相交工具結(jié)合土地利用轉(zhuǎn)移矩陣模型，得到南寧市2000—2020年耕地轉(zhuǎn)移情況。兩個(gè)時(shí)期耕地轉(zhuǎn)出都大于轉(zhuǎn)入，2000—2010年耕地轉(zhuǎn)出量146.56 km2，轉(zhuǎn)成建設(shè)用地最多，為789.10 km2；其次是林地，為52.64 km2。從耕地轉(zhuǎn)入量來(lái)看，2000—2010年共100.94 km2轉(zhuǎn)成耕地，林地轉(zhuǎn)入最多，為46.85 km2；其次是水域，為32.63 km2。2010—2020年相比前10年，耕地的轉(zhuǎn)移情況較為強(qiáng)烈。耕地的轉(zhuǎn)出量為360.53 km2，約為前10年的2.45倍，轉(zhuǎn)成建設(shè)用地最多，為215.78 km2；其次是林地，為111.64 km2。從耕地轉(zhuǎn)入量來(lái)看，2010—2020年共有164.51 km2轉(zhuǎn)成耕地，其中林地轉(zhuǎn)入最多，為104.48 km2；其次是建設(shè)用地，為28.26 km2。從整個(gè)研究期來(lái)看，未利用地的變化并不明顯，較為穩(wěn)定，耕地的轉(zhuǎn)出量為507.09 km2，主要轉(zhuǎn)向了建設(shè)用地和林地。

（3）耕地標(biāo)準(zhǔn)差橢圓分析。

借助ArcGIS 10.8軟件中的標(biāo)準(zhǔn)差橢圓工具，采用一個(gè)標(biāo)準(zhǔn)差的距離。耕地重心幾期標(biāo)準(zhǔn)差橢圓空間分布如圖1所示。

圖1 耕地重心及其標(biāo)準(zhǔn)差橢圓空間分布

研究期的3個(gè)年份耕地的分布方向一致，都是西北向東南分布，說(shuō)明南寧市在這片區(qū)域耕地的分布較為聚集。2000年、2010年、2020年耕地的重心都落在武鳴區(qū)的西南角，耕地重心呈現(xiàn)先向東南遷移再向東北遷回的特征。從扁率來(lái)看，2010年（0.384）>2000年（0.382）>2020年（0.380），說(shuō)明2010年耕地分布的方向趨勢(shì)更明顯。

3.2 耕地空間集聚分析

借助ArcGIS 10.8軟件中的要素轉(zhuǎn)點(diǎn)工具將南寧市2000年、2010年、2020年耕地圖斑轉(zhuǎn)成點(diǎn)要素，利用核密度分析工具進(jìn)行核密度分析，運(yùn)用自然斷裂法將核密度分析結(jié)果劃分為低密度、較低密度、中密度、較高密度及高密度5個(gè)等級(jí)。南寧市耕地核密度等級(jí)在空間分布上呈現(xiàn)明顯的異質(zhì)性，核密度等級(jí)空間分布以低密度和較低密度區(qū)為主，高密度區(qū)分布較少。耕地低密度、較低密度區(qū)范圍逐漸擴(kuò)大，較高密度、高密度區(qū)范圍出現(xiàn)收縮趨勢(shì)。耕地較高密度、高密度區(qū)主要分布在地勢(shì)較為平坦的區(qū)域，包括武鳴區(qū)中南部、江南區(qū)北部、邕寧區(qū)南部、賓陽(yáng)縣東北部、橫縣中北部；耕地低密度區(qū)主要分布在地勢(shì)較高的地區(qū)，包括馬山縣，隆安縣、上林縣、武鳴區(qū)、興寧區(qū)、賓陽(yáng)縣交界處等。

南寧市3個(gè)年份耕地核密度測(cè)算值空間分布呈現(xiàn)相似的空間格局，整體呈現(xiàn)中部及中部?jī)蓚?cè)區(qū)域密度高，北部偏上及南部偏上區(qū)域密度較低，整體空間分布變化不大。從核密度測(cè)算值空間分布變化趨勢(shì)來(lái)看，整體呈現(xiàn)以高密度區(qū)為中心向低密度區(qū)逐漸擴(kuò)散趨勢(shì)并為集中連片分布，高密度、中高密度區(qū)域范圍逐漸縮小，中、低密度區(qū)范圍在不斷擴(kuò)大。特別是武鳴區(qū)等城鎮(zhèn)發(fā)展區(qū)、經(jīng)濟(jì)發(fā)展區(qū)的耕地密度變化較為明顯，說(shuō)明耕地的核密度空間分布不僅受地形、地貌的條件限制，同時(shí)還受到城鎮(zhèn)化、工業(yè)化等社會(huì)經(jīng)濟(jì)因素的影響。

3.3 耕地破碎動(dòng)態(tài)分析

在ArcGIS 10.8軟件的基礎(chǔ)上，通過(guò)重分類提取出耕地柵格數(shù)據(jù)，借助Fragstats軟件對(duì)南寧市各區(qū)縣3個(gè)年份的耕地柵格數(shù)據(jù)進(jìn)行計(jì)算，得出南寧市耕地破碎化指數(shù)。南寧市2000—2020年耕地破碎化指數(shù)如表2所示。

表2 南寧市2000—2020年耕地破碎化指數(shù)

斑塊個(gè)數(shù)和斑塊密度均呈現(xiàn)先減后增的趨勢(shì)，斑塊個(gè)數(shù)增加8個(gè)，斑塊密度增加0.000 3，說(shuō)明耕地圖斑有逐漸上升的趨勢(shì)；景觀形狀指數(shù)逐漸上升，且上升速度逐漸提高，說(shuō)明耕地圖斑形狀日益復(fù)雜且呈現(xiàn)不規(guī)則狀；景觀分割指數(shù)逐步上升，說(shuō)明耕地斑塊之間逐步分散，耕地破碎化現(xiàn)象日益加劇；聚集指數(shù)、聚類指數(shù)、斑塊凝聚度指數(shù)均呈現(xiàn)逐漸減少的趨勢(shì)，同時(shí)分離度指數(shù)呈現(xiàn)逐漸增長(zhǎng)的趨勢(shì)，說(shuō)明斑塊呈較為集聚狀分布，耕地破碎程度逐漸加重，耕地斑塊集聚程度逐漸降低。南寧市耕地空間分布耕地圖斑數(shù)有所增加、斑塊呈較為集聚狀分布狀、斑塊的整體聚集程度較高。隨著城鎮(zhèn)化的不斷發(fā)展，耕地面積逐漸減少、耕地斑塊集聚程度逐漸降低，從而使耕地破碎化現(xiàn)象日益加劇。

3.4 耕地變化驅(qū)動(dòng)力分析

借助ArcGIS 10.8軟件對(duì)南寧市各區(qū)縣3個(gè)年份的土地利用數(shù)據(jù)進(jìn)行重分類分析，再通過(guò)PLUS模型分析南寧市耕地變化的驅(qū)動(dòng)力，如圖2所示。

圖2 南寧市耕地?cái)U(kuò)張驅(qū)動(dòng)因素

耕地增加擴(kuò)張的主要驅(qū)動(dòng)因子依次為距二級(jí)道路距離、距縣政府駐地距離、年平均氣溫、距一級(jí)道路距離和距鐵路距離。耕地增加區(qū)域主要分布在武鳴區(qū)，距二級(jí)道路距離較近區(qū)域。通過(guò)疊加分析耕地轉(zhuǎn)移情況可知，在耕地總轉(zhuǎn)出量中約有90.35%耕地轉(zhuǎn)出成為林地和建設(shè)用地，說(shuō)明耕地面積的轉(zhuǎn)出是林地和建設(shè)用地面積增加的主要因素。

4 結(jié)語(yǔ)

本研究運(yùn)用土地利用轉(zhuǎn)移矩陣、標(biāo)準(zhǔn)差橢圓分析、核密度分析、耕地破碎化衡量指標(biāo)、PLUS模型的研究方法，對(duì)南寧市2000—2020年耕地空間格局變化特征進(jìn)行分析，總結(jié)出南寧市耕地空間格局變化特征及其驅(qū)動(dòng)因素，為保障耕地的合理、可持續(xù)利用提供有力依據(jù)。