广西耕地利用形态时空演变格局与驱动因素研究

梁小丽，屠爽爽，万诗梦，周星颖

（南宁师范大学，a.地理科学与规划学院；b.地理与海洋研究院，南宁 530001）

耕地是受人类影响最大的人工复合系统，研究耕地利用转型是研究土地利用转型的重要切入点。中国经济社会的快速发展，对耕地利用方式产生了巨大挑战：一方面，城市建设面积与工业用地的不断增长，占用大量的耕地［1，2］，且主要为生产力较高的优质耕地［3］；另一方面，务农机会成本升高，耕地利用边际化，使得大量农业劳动力析出，造成耕地大量撂荒，全国山区县2014—2015 年耕地撂荒率达14.32%［4-6］。此外，耕地利用还面临生态系统退化，土壤污染，耕地质量下降等问题。而受农业结构调整与生态退耕等驱动，耕地数量呈现减少的趋势，粮食安全面临着巨大的威胁［7］。为此国家层面先后出台了严守18 亿亩耕地红线、实施城乡建设用地“增减挂钩”、实施基本农田保护等一系列政策，以保护耕地资源与国家粮食安全。

在现有耕地局势趋紧的背景下，开展耕地利用变化研究能更好地为区域耕地管理、土地整治和城乡规划提供理论支撑，为区域耕地资源优化配置提供科学依据［3］，耕地利用演变研究已经成为地理学界的研究热点之一。研究方法的多样化使研究内容逐步丰富与深化，大量学者从时间序列分析耕地面积变化趋势，借助空间分析方法从不同空间尺度进行实证研究，刻画耕地利用变化时空分布特征和采用定性分析的方法探究影响因素［8-14］；一些学者引入计量经济分析法，将主成分分析、多元回归分析、Logistic 模型和地理探测器、空间计量回归分析等方法［15-17］运用于研究中，定量化与空间化识别并分析耕地利用变化的的驱动因子。此外，部分学者在研究耕地利用时空演变规律的基础上进一步探讨了耕地撂荒现象及原因［18-20］、耕地多功能的演化过程与发展规律［21-23］、耕地变化与社会经济的关系［24，25］、耕地面积与农村宅基地的耦合关系［26］。总体来看，以中国西部地区为研究区域开展耕地利用变化的研究成果相对较少。为此，本研究运用ArcGIS 空间分析与经济计量分析方法，揭示1995—2015 年广西耕地利用形态的时空格局，剖析耕地利用形态变化的驱动因素，以期为促进耕地资源的有效利用提供参考。

1 研究区概况与数据来源

1.1 研究区概况

广西壮族自治区下辖14 个地级市，111 个区县，面积23.76 万km2。地处中国华南沿海地区，地跨北热带、南亚热带与中亚热带，属于季风气候，冬短夏长，水、热资源丰富。西北紧邻云贵高原，地势呈现西北高东南低，地形复杂多样，山地、丘陵和石山约占陆地面积的69.7%，平原与台地占26.9%，水域约占 3.4%［27］（图 1）。2018 年末，广西总人口 5 518 万人，城镇化水平50.22%，第一产业生产总值3 019.37亿元，占广西生产总值的13.1%。当前，广西正处于城镇化加速发展阶段，大量农村人口向城镇转移，务农人口不断减少，乡村老龄化趋势不断增强，耕地撂荒与建设用地占用耕地现象并存，耕地利用形态在悄然发生巨变，是研究中国地形复杂地区耕地利用形态演变特征及其驱动因素的典型地域。

图1 广西壮族自治区区位

1.2 数据来源

本研究以2018 年行政区划为依据，以广西111个区县为基本单元开展相关研究。研究涉及的土地利用数据来源于生态环境部（1995 年、2005 年）和中国科学院资源环境科学数据中心（2015 年）提供的Landsat TM 影像（30 m）解译数据；高程数据、主要道路和县级、市级与省级行政中心的数据均来源于BIGMAP；地区生产总值、农村居民人均纯收入、第一产业增加值、第一产业构成、固定资产投资等数据来源于《广西统计年鉴》（2016 年），乡村人口、城镇化率来源于《广西要情手册》（2016 年）。

2 研究方法

2.1 耕地利用形态变化的时空测度

主要从耕地变化率、耕地转移方向与转换率、景观格局3 个方面来分析广西耕地利用形态的时空演变特征。

2.1.1 耕地面积变化率 以3 期广西耕地利用数据为基础，刻画耕地数量变化的时空特征，构建耕地面积变化率模型，公式如下：

式中，CR表示耕地面积变化率；IA表示研究初期的耕地面积；TA表示研究末期的耕地面积；T为研究期时长。

2.1.2 耕地转移方向和转换率 在ArcGIS 和Excel统计获取的耕地转移矩阵基础上，建立其他地类与耕地的转换率模型：

式中，CLCRi表示研究期地类i与耕地的转换率，正、负值代表耕地转移的方向（正值代表其他地类向耕地转移，负值代表耕地向其他地类转移），NCLi表示由地类i转为耕地的面积；CCLi表示耕地转为地类i的面积；CLAj则表示研究初期的耕地面积。

2.1.3 景观格局指数 景观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特征的定量指标［28，29］。由于这些定量指标含信息量高、说明能力强，正广泛地应用于土地科学研究中［30］。不同耕地利用类型斑块的分布规模、空间结构及其扩张的变动可反映一定区域内耕地利用的结构形态随时间演变的过程。参考相关文献［31-33］，选取斑块平均面积（AREA_MN）、斑块密度（PD），景观形状指数（LSI）、最大斑块指数（LPI）、聚集度指数（AI）5 个指标，将提取的3 期耕地利用栅格数据导入软件Fragstats 计算分析，用于反映广西耕地景观形态结构变化。其中，AREA_MN和PD可综合表征斑块的破碎化程度；LSI用于揭示斑块形状复杂程度与形状不规则程度；LPI体现斑块优势景观的支配作用；AI体现耕地斑块的聚集度与连通性。

2.2 耕地利用形态变化的驱动因素分析

2.2.1 地形因素的空间量化 依据中国农业区划委员会颁布的《土地利用现状调查技术规程》，将耕地坡度等级划分为5 级：Ⅰ级≤ 2°、2°＜Ⅱ级≤6°、6°＜Ⅲ级≤15°、15°＜Ⅳ级≤25°和Ⅴ级＞25°。利用ArcGIS，对新增耕地和减少耕地的面积与DEM 影像进行叠加分析。

2.2.2 经济社会因素的定量化 主成分分析法（Principal component analysis，PCA）是考察多个变量间相关性的一种多元统计分析的重要方法，是将多个变量通过线性变换以选出重要变量的一种多元统计分析方法，用这种方法可以找到几个综合因子来代表原来众多的变量［34］。作为一种人工复合系统，耕地利用形态变化与社会经济发展密切相关。考虑到数据的科学性与可获取性，结合广西区域发展的特征，本研究选取地区生产总值、农村居民人均纯收入、第一产业增加值、第一产业占比、固定资产投资、乡村人口、城镇化率、耕地与主要交通道路距离、与县（市）级行政中心的距离等指标，先对初始数据标准化处理，借助SPSS 软件，将耕地变化率分别与各指标进行皮尔逊相关分析，获取各成分的特征值和成分矩阵，提取主因子。

3 结果与分析

3.1 耕地利用形态变化时空格局

3.1.1 耕地面积变化 根据土地利用矢量数据统计结果，1995—2015 年，广西耕地面积变化时空差异显著。①1995—2005 年广西耕地面积增长率呈“北高南低，东高西低”的空间分布特征，87.39%的区县耕地面积增长，其中，桂北、桂西北地区、桂东与桂中东部等地区耕地增长速率较高；耕地面积减少的区县主要为市辖区（图2a）。②2005—2015 年，耕地变化率高值中心和低值中心空间集聚特征明显。其中，桂中桂东交界、桂西北地区减少率最大，以上区县与上一时段高增长率地区具有较强的吻合性；桂西南地区耕地面积增长（图2b）。③纵观1995—2015 年，桂北、桂西南地区耕地总面积增加，桂西中部、北海市、梧州市和桂林市辖区等地耕地总面积减少（图2c）。对比2 个时段来看，桂西南耕地总面积持续增长且增速愈发加快，而桂中东部与桂东交界附近区县呈前期快速增长后期快速减少的特点。

3.1.2 耕地利用转移方向和转换率 1995—2015年广西耕地与其他地类转换率空间格局如图3 所示。

图2 1995—2015 年广西耕地面积变化率空间格局

1）林地和草地是耕地转换的主要来源和去向。1995—2005 年，林地和草地是耕地面积增加的主要来源，全区林地和草地转换为耕地的面积分别占同期其他地类转向耕地总量的70.22%和29.06%，其中，桂北、桂西北、桂东以及桂中东部地区的转换率最大（图3a、图 3d）。2005—2015 年，林地和草地是耕地面积减少的主要去向，其中，桂西南地区是转换的高值中心，桂东中部、桂西地区是低值中心（图3b、图3e）。以上2 个研究时段林地与耕地转换率绝对值的高值中心在空间分布上存在较高的重合性。纵观1995—2015 年，林地和草地转换为耕地的高值区分布于桂北、桂西南、桂东及桂中等部分区县（图3c、图3f）。

2）水域和耕地转换幅度相对较小，呈耕地先向水域转移、后水域转向耕地的特点。1995—2005年，全区耕地与水域的转换率呈南高北低的分布特征，水域向耕地转移的区县以沿海地区为中心呈连片分布（图3g）；2005—2015 年耕地与水域的转换方向总体上与前一研究时段相反，耕地向水域转移的县区主要分布于桂南地区（图3h）。纵观1995—2015 年，水域转移为耕地较为明显的县区主要分布于桂南与桂北地区且连片分布（图3i）。

3）建设用地是耕地减少的重要去向，尤以市辖区表现突出。1995—2005 年，耕地转向建设用地转换率较高的地区零散分布于各市辖区和桂南沿海（图 3j）；2005—2015 年，耕地转换为建设用地的高值区主要分布在桂林市、柳州市、南宁市辖区及桂东西部等县区（图3k）。纵观1995—2015 年，耕地转换为建设用地的高值县区零散分布于桂东、桂东北、沿海地区、市辖区（图3l）。

图3 1995—2015 年广西耕地与其他地类转换率空间格局

3.1.3 耕地景观格局 1995、2005、2015 年广西耕地斑块的景观格局指数统计结果表明，广西耕地破碎化程度呈先降低后升高的趋势，耕地斑块复杂程度与不规则程度不断增强，优势斑块在区域中的支配作用强度呈先增强后减弱的趋势，耕地景观的集聚度与连通度呈先增强后减弱的趋势。

从不同经济区对比的角度（表1）来看，广西五大经济区［35］的耕地景观格局具有显著的时空差异。①综合斑块密度指数（PD）与平均斑块面积（AREA_MN）数值的变化，桂西、桂北、桂东、桂中、桂南的耕地破碎化程度依次降低。②1995—2015 年，桂东、桂中与桂北地区破碎化程度先减弱后增强，桂中地区耕地破碎化程度变化幅度最大；桂西与桂南地区的耕地破碎化程度呈下降趋势，桂西地区的耕地破碎化程度变化幅度较桂南地区明显。③1995—2015 年，景观形状指数（LSI）在区域间具有明显的差异，桂西地区的耕地斑块复杂程度与斑块形状不规则程度最高，然后依次为桂东、桂南、桂北和桂中地区；桂中地区耕地景观不规则增幅程度较桂北地区大，桂北地区于2005—2015 年耕地景观不规则程度增强较明显，而桂中地区的耕地景观不规则程度于1995—2005 年增强较显著；桂南与桂西地区的耕地景观形状指数先升后降，且升幅均比降幅明显，表明桂南与桂西地区耕地景观不规则程度先增强后减弱；而桂东地区与桂南和桂西地区变化趋势刚好相反。④1995—2015 年，桂中与桂南地区耕地优势斑块在区域中的支配作用较强，且桂南地区变化幅度很大，桂西、桂北与桂东的耕地优势斑块在区域中的支配作用则较弱，桂西地区优势斑块的支配作用最弱，桂东地区优势斑块的支配作用呈先减弱后增强的趋势，且于2005—2015 年增强幅度较明显。⑤1995—2015 年，五大经济区的耕地景观聚集度指数（AI）差异相对较小，变化幅度较低，桂中和桂南地区耕地景观的集聚度与连通度较桂北、桂东和桂西地区强，桂西和桂北耕地景观空间聚集度和连通度较差；桂北、桂东和桂中地区耕地景观聚集度和连通度呈先上升后下降的趋势，桂西地区持续上升，而桂南地区呈先下降后升高的趋势。

3.2 耕地利用形态变化驱动因素

3.2.1 地形因素 对1995—2005、2005—2015 年新增耕地和减少耕地的地形起伏度测算（图4）发现，1995—2005 年，Ⅰ、Ⅲ和Ⅳ级坡度新增耕地面积分别占同期新增耕地总面积的40.57%、55.79% 和3.65%，而Ⅱ级坡度则出现耕地面积减少的现象，Ⅴ级坡度耕地变化极小；2005—2015 年，Ⅰ、Ⅱ、Ⅲ和Ⅳ级坡度耕地减少面积分别占同期耕地总减少量的38.40%、37.30%、22.78% 和 1.51%；1995—2015 年，Ⅰ、Ⅱ级坡度耕地面积均呈现为减少的趋势，其中，Ⅱ级坡度耕地减少较多；Ⅲ、Ⅳ级坡度耕地表现为增加的趋势，Ⅲ级坡度耕地增加较多，Ⅴ级坡度耕地变化不大。以上表明在不同地形起伏度范围内，耕地利用变化具有不同的时空特征。在起伏度较小的平坡、缓坡地区，因农村宅基地扩张和城市建设占用使得耕地减少，而在地势较陡的山地、丘陵的斜坡、陡坡地区，耕地与林地、草地间转换率与转换方向变化显著。

表1 1995—2015 年广西五大区域耕地景观格局指数变化

图4 耕地利用转移与地形坡度的关系

3.2.2 社会经济因素 利用SPSS 软件进行KMO和Bartlett 检验，KMO=0.731＞0.05，P=0.000＜0.05，说明各变量间存在相关性，适合进行主成分分析。对原始数据进行标准化处理，再将标准化值进行主成分分析，得出主成分特征值、贡献率和累计贡献率。如表2 所示，F1、F2 的特征值均大于1，且累积贡献率达71.560%，能较好地反映耕地利用形态变化的驱动力，选取F1 和F2 为主成分。

表2 影响因子的特征值、主成分贡献率与累积贡献率

如表3 所示，第一主成分与城镇化率、地区生产总值、农村居民人均纯收入、固定资产投资、第一产业占比、与主要交通道路的距离、与行政中心的距离相关性较大，这些因子反映经济发展水平；第二主成分与第一产业增加值、乡村人口密切相关。因此，地区经济发展、城镇化水平、农民收入水平、区位条件、第一产业所占比重、乡村人口数量是广西耕地利用形态变化的主要驱动因素。

1995—2015 年，广西城镇化率由18.45%提升至47.06%，乡村人口由3 705 万人减少到2 539 万人，第一产业从业人员减少156 万，第一产业在地区经济总量中所占比值由30.4%减少到15.3%，广西耕地总面积增加，但时间序列上呈先增加后减少的趋势，林地、草地、建设用地与耕地转换剧烈，耕地景观破碎化程度先降低后升高，连通性、聚集度先增强后减弱。一方面，第一产业和乡村人口所占比重高，农民收入来源渠道单一，促使农户拓展耕地利用空间，Ⅲ级及以上坡度的大量林地、草地被开垦为耕地，耕地破碎化程度降低；另一方面，伴随着城镇化的持续推进、经济结构的调整以及农业人口的非农转移、农民收入来源的日趋多元化，农户对耕地的依赖性降低，耕地利用的比较效益和经济价值逐渐走低，农村建房占用耕地、城镇发展占用耕地等现象普遍，在地形平缓地区、靠近城区和交通主干道地区的大量耕地转换为建设用地，经济相对发达的地区表现尤为突出。此外，随着退耕还林还草国家政策以及石漠化治理、生态环境保护等区域性政策的实施，在人为强烈干预下大规模陡坡地区的耕地转换为林地与草地，耕地面积大幅度减少，景观破碎化程度升高。而随着农用地整治、土地流转等活动的推进和耕地保护政策的实施，部分地区耕地利用形态趋于规整，连通性、聚集度得以提升。以上分析可知，耕地利用形态变化是地形条件、经济发展、人为干预等多重因素综合驱动的结果。

表3 主成分的成分矩阵

4 小结与讨论

1）研究期内广西耕地总面积增加，时间序列上呈先增后减的趋势，1995—2005 年耕地增长率和2005—2015 年减少率高值中心具有较强的空间吻合性，呈“北高南低，东高西低”的空间分布特征；1995—2005 年新增耕地主要来源于林地和草地，2005—2015 年大量耕地转换为林地、草地和建设用地；耕地景观的破碎化程度呈先降低后升高的趋势，耕地斑块复杂程度不断增强，耕地斑块形状不规则程度呈升高趋势，连通性、聚集度及优势斑块在区域中的支配作用均呈先增强后减弱的趋势；桂南、桂中地区的耕地景观破碎化程度较桂东、桂北、桂西地区低，集聚度与连通度较桂北、桂东与桂西地区强，桂中地区破碎化程度变化幅度最大，呈先降低后升高的趋势；桂西地区耕地斑块复杂程度与斑块形状不规则程度最高。

2）耕地利用形态变化是地形条件、经济发展、人为干预等多重因素综合驱动的结果。在不同地形起伏度范围内，耕地利用变化具有不同的时空特征。在起伏度较小的平坡、缓坡地区，农村宅基地扩张和城市建设占用使得耕地减少，而在地势较陡山地丘陵地区，由于受到粮食保障和生态环境保护的双重压力，大量开垦耕地后又经历退耕还林还草，耕地与林地、草地的转换率及转换方向变化显著。地区经济发展、城镇化水平、农民收入水平、区位条件、第一产业所占比重、乡村人口数量是广西耕地利用形态变化的主要驱动因素。

3）随着城镇化与工业化进展的加快，在建设用地需求不断增加与保护生态环境的双重压力下，广西将面临耕地资源紧缺与土地撂荒共存的局势，这就要求主管部门综合运用经济、法律和工程技术等手段，进一步优化耕地空间布局，提升耕地质量，并基于产权流转、新型经营主体培育、农业结构调整等手段科学管控土地利用形态，从而为乡村振兴的实践提供空间载体。本研究仅从土地利用显性形态的视角探讨了耕地利用变化的动态过程及其驱动因素，今后将加强对耕地质量、经营主体与经营规模、生产成本与收益等隐性形态变化的研究，为耕地资源的有效利用与调控路径提供理论依据。