廣西土地利用轉型與糧食產量耦合發展研究

祝文婷，韋燕飛，童新華

(1.南寧師范大學 自然資源與測繪學院，廣西 南寧 530001；2.南寧師范大學 地理科學與規劃學院，廣西 南寧 530001)

1 引言

隨著經濟發展、人口增長，社會轉型等帶來的土地利用方式的變化，使得土地利用在深度和廣度上發生劇烈的轉型。土地利用形態的變化與耕地的數量與質量息息相關，同時引起了糧食產量發生變化，而糧食安全問題通常又會反過來推動土地利用形態的變化[1,2]。由此可見土地利用轉型與糧食產量之間存在著動態關聯性，只有二者彼此協調，相互間形成耦合發展態勢才能更好地驅動土地利用與經濟社會發展。廣西地區糧食生產在我國發揮著重要的作用，區域糧食播種面積和糧食產量的巨大差異已成為制約生產發展的重要瓶頸。因此，土地使用轉型與糧食生產之間耦合關系的科學優化，對廣西可持續發展有著舉足輕重的作用。

目前學術界的許多學者熱衷于對土地利用轉型進行研究。土地利用轉型在新時代發展下，包括了土地利用形式發展與生態環境變化，在驅動力、格局和環境效應影響的框架下，減少了過去國內外學者在LUCC研究中出現的片面性，更深入地探索了土地利用形式變化過程、原因及影響等[3～7]。自土地利用轉型的概念提出至今，林地轉型理論的發生機制、驅動機制及典型路徑等研究為新時代提出的解決糧食安全問題提供了思路，從源頭抓起，落實于過程變化[8～11]。本文從土地利用隱性形態視角出發，立足于“鄉村振興”“三農”工作等國家政策文件背景，綜合運用 ArcGIS軟件操作平臺，編制專題圖用作分析評價的數據，研究分析土地利用變化與糧食安全之間的關系，為引導廣西土地利用規劃與區域生產結構調整提供科學方向。

2 研究區概況及數據來源

2.1 研究區概況

廣西地處中國西南部，地勢西北高、東南低，群山連綿，丘陵層出，河網縱橫交錯。廣西素來有“八山一水一分田”之稱，山地多、耕地少是廣西主要特點，優質耕地集中分布于河流兩岸，其土壤主要為水稻土，生產條件較為優越，適合農業生產和栽培，其中糧食作物以水稻、玉米等為主。目前，廣西正處于經濟發展的關鍵時期，建設用地正處于外延擴張狀態。區域自然條件的差異，會影響耕地的生產力從而影響糧食生產。土地資源短缺和糧食安全問題是廣西實現社會經濟可持續發展的主要困難之一。

2.2 數據來源

從2005～2015年中抽取3個時段廣西土地利用遙感分類面積數據，結合Landsat TM和ETM傳感器幾何校正，合成真彩色圖像從而進行監督分類獲得。另通過從廣西統計年鑒與中國縣域統計年鑒中獲取其他指標數據，如GDP、人口數量、復種指數等。

3 研究方法

3.1 土地利用隱性形態評價指標體系構建

首先，基于現已查閱的參考文獻進行分析；其次，采用定性與定量分析相結合，從理論層面把握土地利用轉化的內涵，以土地利用強度為方向，充分考慮各指標因素之間的關聯性。最后，基于數據標準化處理后選擇熵值法計算各指標的權重，定量評價了土地利用隱性形態的變化，定性對區域土地利用隱性形態的變化特征進行綜合分析與評價。

土地利用強度主要包括耕地利用強度和建設用地利用強度兩個子系統。具體的評價指標如表1所示，除人均建設用地面積對土地利用強度的負面影響外，其他指標均具有正效應， “+”代表正向指標，“-”代表正向指標。

表1 土地利用隱性形態評價指標體系

3.2 數據標準化

為了盡量減少源數據量綱對評價結果的影響，采用極值法進行歸一化處理，計算方法如下：

(1)

(2)

3.3 熵值法

為減少數據計算中主觀因素造成的誤差，使用熵值法客觀地確定指標權重。

計算指標熵值：

(3)

若Ej趨向1或等于1時，則證明該指標屬性對決策影響不大，式(1)中Ei為第i個指標的熵值。用以下公式計算指標權重：

(4)

式中Wi為第i指標的權重，即熵權。

(5)

式(5)中λ代表土地利用轉型的綜合指數，Wi代表第i個指標的權重，Pi代表第i個指標標準化后的值。

3.4 土地利用隱性形態測度

土地利用轉型存在著顯、隱性形態的變化，其中土地利用強度反映的是隱性形態。在數據標準化的基礎上，采用指標權重標準化數據相乘求和的方法對土地利用隱性形態的轉化進行定量評價。耕地利用強度(6)和建設用地利用強度(7)的計算利用公式分別如下：

LUIFi=Σmj×Tij

(6)

LUIRi=Σnp×Tip

(7)

式(6)、(7)中：mj和np分別為耕地利用強度和建設用地利用強度評價指標的權重，Tij和Tip為i縣第j和第p個指標歸一化后的數值。

3.5 耦合度模型

耦合可以用來描述多個系統之間的相互作用狀態，因此可采用耦合度模型定量分析土地利用轉型與糧食產量之間的相互作用程度。糧食產量和土地利用強度的變化過程一般是非線性的。兩者間耦合程度可以借助于以下計算公式進行測算:

(8)

式(8)中C為土地利用轉型和糧食產量水平的耦合度；x為描述土地利用轉型的評價指標；f(x)為土地利用轉型測度函數；y為描述糧食產量的評價指標；g(y)為糧食產量測度函數。α和β為權數，考慮到解決土地利用轉型和糧食產量問題的重要性，判斷兩者同等重要，則α=β=0.5；K為調整系數，為了實現耦合度計算結果的高度差異化和層次性，定義K=2，以保證以下計算結果分析的準確性。

4 土地利用轉型與糧食產量變化的時空格局分析

4.1 耕地利用強度變化的時空格局分析

根據計算結果可發現，2005～2015年間廣西耕地利用強度整體呈波動上升趨勢。2005～2010年間，耕地利用強度均值約在0.09波動變化，其中桂東北區的耕地利用強度較高，桂西南區增長較快，成為耕地高投入區，但桂西北區耕地利用強度較低。在2010年后，耕地利用強度逐漸上升，而導致耕地面積變化的一部分原因是由于2009年末國家完成了第二次全國土地調查，把部分之前非耕地地類重新歸類為耕地。這幾年廣西建設占用耕地現象明顯，為了維持耕地總量的動態平衡，廣西積極做好耕地保護工作，提升耕地質量，為此實施了多個土地整治項目。在此期間桂東北地區繼續保持較高水平，多個地區耕地利用強度系數呈現出普遍升高的趨勢，表現為各個地區的耕地面積大都在增加。

4.2 建設用地利用強度變化的時空格局分析

隨著城鎮化的推進，2005～2015年建設用地利用強度持續上升，桂東南區一直保持較高水平。此時城鎮周邊的村莊也逐漸被占用，但城鎮建設還有待加強，城鎮建設用地資源利用效率不高。2010年建設用地利用強度增長相對緩慢。建設用地利用強度是評價高效集約用地的重要指標之一，可較為客觀地評價建設用地產出水平。目前，耕地非農化現象日益明顯，并且造成人地矛盾突出等問題，因此，優化土地利用結構，特別是合理配置建設用地是維護耕地總量動態平衡的有效途徑。2010～2015年，通過政府的干預手段，使得廣西建設用地強度迅猛提高，同耕地利用強度、糧食產量穩步協調發展。

4.3 糧食產量變化的時空格局分析

糧食產量變化取決于糧食作物播種面積與種植技術，不同區域耕地面積變化不同，而廣西的糧食播種面積于2005年開始迅速減少。從2005～2010年的數據來看，桂東北、桂東南地區是糧食增產的主要地區，這些縣域中糧食產量較低的區域主要集中在桂西北石山地區，該地區地處云南貴州高原邊緣，巖溶地貌普遍發育，獨特的自然環境和地理環境使該地區農業生產具有規模大、山區多、土地少、生態脆弱、貧困面大等優點?？萍悸浜笫寝r業發展的主要障礙。在經歷了2005年短暫的下降后，廣西糧食生產產量得到改善。隨著農業科技的進步和農田整治的開展，2010-2015年糧食產量得到一定回升，表現為糧食產量較高的地區主要集中在桂東南平原丘陵區，形成明顯的集聚區。

5 廣西土地利用轉型與糧食產量的耦合度測算結果分析

耦合度結果分析采取中指分段方法，等級細分見表2，結合測算方法和變量內涵，綜合考慮耕地利用強度和建設用地利用強度的變異因素。在土地利用轉型的時空演變過程中，找出糧食產量改善存在何種引起與被引起關系。

表2 土地利用轉型與糧食產量耦合度等級劃分及判斷標準

按照耦合度測算可得不同時段內的不同區域耦合結果。由此可見2005～2015 年廣西土地利用轉型和糧食產量呈耦合上升關系，于2010年及2015年呈高度耦合狀態。

5.1 廣西土地利用轉型與糧食產量的耦合度測算結果時序變化

2005年廣西土地利用轉型與糧食產量耦合度平均值為0.702，其中西林縣的耦合度最小，而港北區、八步區、藤縣等地耦合度可達1；2010年耦合度平均值為0.718，柳北區最小，邕寧區、柳江縣、玉州區等縣區耦合度明顯較大；到2015年，各縣區耦合度均有提高，平均值為0.724，海城區耦合度為0.15，是全區最小。而2005～2010年期間，廣西土地利用轉型與糧食產量之間存在著相對波動的耦合相關，耦合相關性逐漸增強的縣區有興寧區、西鄉塘區、隆安縣等；耦合相關性下降的縣區有江南區、橫縣、柳南區等46個縣區。2010～2015年期間，隆安縣、馬山縣、上林縣等51個縣區耦合度均有下降，耦合度上升幅度較大的縣區有秀峰區、七星區、海城區，上升幅度均超過0.3。總的來說，2005～2015年廣西土地利用轉型與糧食產量越趨耦合發展，各縣域之間的標準差為0.263～0.245，這表明縣域尺度上耦合度的離散程度不大，縣區內的土地利用轉型與糧食產量呈現高度耦合狀態。

5.2 廣西土地利用轉型與糧食產量的耦合度測算結果空間分異

采用最佳自然斷點分類方法分別將2005年、2010年、2015年3個時段廣西108個縣域單元耦合度劃分為4種不同類型，即低度耦合、中度耦合、高度耦合、極度耦合。2010年，興寧區、蒙山縣、樂業縣等11個縣域耦合度上升了一個等級；城中區、銀海區耦合度上升了兩個等級；江南區、秀峰區、雁山區等15個縣區等級均有下降，其余縣區保持不變。2015年與2010年相比，除武鳴區、七星區、欽北區等8個縣外，其他縣區的耦合度均有所上升。總體來看，2005～2015年土地利用轉型與糧食產量關系呈現穩中有變的時空格局；而極度耦合的區域主要分布在多丘陵平地的中南部；低度耦合的縣域則分布在桂西北大石山區及建設用地增長較快的桂東南地區，這些縣域整體土地利用轉型情況較低，說明其土地利用轉型情況相比其他區域有明顯差異，糧食產量還有待提高。

5.3 土地利用轉型與糧食生產的耦合關系分析

2005～2015年間廣西土地利用轉型與糧食產量呈現出聯動關系愈發密切。耕地與建設用地兩個子系統的利用強度與廣西糧食生產格局的轉型息息相關。土地利用轉型初期，受城鎮化的影響，許多農戶把土地承包給他人，因而農作物播種面積得到一定程度的擴大，種糧技術的提升，因此耕地利用強度得到提升。同時，隨著人口城鎮化及產業集聚發展，建設占用耕地現象明顯，建設用地的利用強度也得到了提高。隨著農業機械總動力的不斷提高，糧食生產能力不斷提高，耕地利用強度和建設用地強度加大，然而因廣西糧食生產經常遭受自然災害，缺乏及時有效的防范措施，所以糧食產量保障能力還有待提升。土地利用轉型中期，在2009年，隨著二調的完成耕地面積增加，農地流轉的比例也不斷增加，耕地利用強度得到了加強，但廣西城鄉間也產生了分異的耕地利用強度格局。而由于人口增加、經濟發展，廣西城鎮化進程加快，城鎮周邊優質的耕地逐漸被占用，糧食安全得不到有效保障，導致人地矛盾日益凸顯。土地利用轉型后期，為了改變自然災害對廣西糧食生產的影響，廣西積極進行糧食生產基地的重新規劃調整，全面提高糧食生產的高效化、集約化。而此時土地城鎮化速度遠快于人口城鎮化速度，于是廣西的糧食生產跟不上人口發展的需要。為了解決人地矛盾，廣西積極開展土地整治項目，努力提高耕地利用強度，改良種植技術，政府干預城鎮化發展。總而言之，2005～2015年間廣西土地利用轉型與糧食產量呈現耦合狀態。

6 結論

論文基于廣西108個縣區，以土地利用轉型為研究主題進而探討土地利用隱性形態，通過分析土地利用形態變化的內在動力，對土地利用轉型與糧食產量的變化進行探討，結論如下。

(1)在城鎮化的過程中，廣西耕地利用強度連續增強，區域建設用地利用強度快速增強，在時空格局上反映出較大差異，糧食產量經歷短暫的減少后回升，糧食危機凸顯的情況得到緩和，但糧食生產保障能力仍然不足。

(2)土地利用轉型與糧食產量間有交互影響的密切聯系，2005～2015年間廣西土地利用轉型和糧食產量耦合度總體呈上升的趨勢，意味著在新型城鎮化背景下，廣西土地利用轉型與糧食產量關聯度越來越大。極度耦合居中的區域多聚集在以柳州為中心的東西帶狀，形成明顯的集聚區的分布格局。低度耦合的縣域均則主要分布在桂西北大石山區及建設用地增長較快的桂東南地區。

(3)土地利用轉型系統與糧食產量系統是相互作用、彼此依存的，人類社會頻繁的經濟活動日益改變了土地利用方式，進而推動了糧食生產模式的不斷發展，在土地利用轉型初期，耕地與建設用地不斷得到有效利用，促使著糧食產量提高；在轉型中期，土地利用強度緩慢增加，滯后發展，嚴重影響著區域糧食產量；在轉型后期，耕地于建設用地利用強度得到提升，盡管耕地利用強度低于建設用地利用強度，但區域內的糧食安全得到了基礎的保障。

根據土地利用變化與糧食產量在不同階段的關聯性，健全糧食生產計劃，優化協調建設與農業生產格局，可以有效緩解人地矛盾再現。