福建省安溪縣土地利用時空演變規(guī)律及其關鍵驅(qū)動因素

江文甲,林滿紅,翁佩瑩,龐孜欽,林文雄,魏道智,蘇 凱

1 福建農(nóng)林大學生命科學學院, 福州 350002 2 福建農(nóng)林大學安溪茶學院, 福州 350002 3 福建農(nóng)林大學農(nóng)學院,福州 350002

隨著我國工業(yè)化和城鎮(zhèn)化進程不斷加快,土地利用結(jié)構(gòu)發(fā)生快速變化,土地資源不合理利用已經(jīng)制約著社會經(jīng)濟的可持續(xù)發(fā)展,這倒逼人們開始重視土地利用如何向合理利用的路徑轉(zhuǎn)型。另一方面,將土地利用與景觀格局結(jié)合起來研究有助于探討土地利用動態(tài)變化和景觀生態(tài)格局演變過程中的相互關系,因此,研究土地利用及其變化格局已成為生態(tài)學研究的熱點問題之一[1—4]。目前,關于土地利用/土地覆蓋變化(Land use and land cover change, LUCC)研究主要集中在經(jīng)濟發(fā)達區(qū)和生態(tài)脆弱區(qū),基于地學信息圖譜、空間自相關和地統(tǒng)計學等方法,探究土地利用變化及其空間分布格局[5—6]。多數(shù)學者基于線性相關,采用多元回歸和主成分分析方法研究土地利用變化的驅(qū)動機制[7]。近年來有學者應用基于非線性假設的典范對應分析方法(Canonical correspondence analysis, CCA)研究土地利用變化的社會經(jīng)濟驅(qū)動機制,認為CCA能夠直觀地分析現(xiàn)土地利用變化與社會經(jīng)濟發(fā)展之間的互作關系[1,8]。目前,國內(nèi)外許多學者針對生態(tài)環(huán)境脆弱區(qū)的土地利用變化及其對生態(tài)環(huán)境產(chǎn)生顯著影響進行了大量研究。已有研究多集中于西部和北部的干旱、半干旱等水資源匱乏區(qū)域,而有關經(jīng)濟相對發(fā)達的我國東南部,特別是水資源相對豐富但分布并不均勻的福建閩南旱地生態(tài)環(huán)境脆弱區(qū)研究則相對較少[5,9]。本研究之所以選擇福建乃至全國重點產(chǎn)茶第一縣安溪作為研究的特定研究區(qū)位,是因為該縣以茶業(yè)聞名全中國,是山地茶葉經(jīng)濟的典型代表和成功范例[10]。近20年來,隨著人口不斷的增加,安溪茶園面積也不斷擴張,使茶產(chǎn)業(yè)一躍成為縣域主導經(jīng)濟[11]；由于安溪地處福建閩南丘陵山區(qū),其地質(zhì)結(jié)構(gòu)較為復雜,地塊破碎化程度較高,人類活動對生態(tài)環(huán)境干擾程度也較為強烈[12]。例如,人們?yōu)榱诉M一步發(fā)展茶產(chǎn)業(yè),大量高坡度、低質(zhì)量的茶園盲目開墾,在生產(chǎn)和開發(fā)過程中也不注重保護生態(tài)環(huán)境,導致水土流失現(xiàn)象相當普遍,安溪縣生態(tài)環(huán)境相對脆弱[11,13]。而這種發(fā)展及資源消耗模式已導致諸多問題產(chǎn)生,如生態(tài)環(huán)境響應對土地利用變化十分敏感、土地利用空間分布分散等[14—15],這勢必會引起整個生態(tài)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)與功能發(fā)生變化,進而影響區(qū)域生態(tài)系統(tǒng)服務及其生態(tài)效益[16—18]。因此,選定該區(qū)域作為研究區(qū)域具有明顯的代表性。為此,本研究運用地理信息學、空間自相關和典范對應分析等方法探究安溪縣1999—2019年土地利用的時空演化格局及其驅(qū)動機制,以期為優(yōu)化該地區(qū)土地資源配置和合理開發(fā)利用,進而為制定區(qū)域經(jīng)濟可持續(xù)發(fā)展戰(zhàn)略提供決策參考。

1 研究區(qū)域概況

安溪縣位于福建省東南部(介于117°36′—118°17′E、24°50′—25°26′N之間)(圖1),屬泉州市管轄,下轄24個鄉(xiāng)鎮(zhèn)460個村居,總?cè)丝?20 多萬,其中農(nóng)業(yè)人口 91.56 萬,人均糧食種植面積遠低于全省人均水平,僅為 0.019 hm2/人。由于地形地貌的差異,形成具有明顯氣候特點的內(nèi)外安溪。東部外安溪屬南亞熱帶,年均溫度19—21 ℃,年降雨量1600 mm；內(nèi)安溪年均溫度16—18℃,年降雨量1800 mm,全年四季分明,是種植烏龍茶的優(yōu)良區(qū)域。2019年,全縣地區(qū)生產(chǎn)總值(GDP)達725.70 億元,常住人口102.5萬人；第一、第二和第三產(chǎn)業(yè)比例分別為7.73%、49.84%和42.42%。全縣擁有茶園面積4萬余hm2,約占福建全省茶葉總面積的1/3,已連續(xù)7年蟬聯(lián)100個全國重點產(chǎn)茶縣第一位,其鐵觀音茶葉品牌聞名中外,茶葉及其相關產(chǎn)業(yè)總產(chǎn)值達155.81億元。從事茶葉及其相關產(chǎn)業(yè)的從業(yè)人員占總?cè)丝诘?0%以上,因此,茶產(chǎn)業(yè)是安溪縣的經(jīng)濟支柱,也是農(nóng)民主要經(jīng)濟收入來源。然而,由于安溪縣地處戴云山脈向東南延伸部分,平均海拔在700 m以上,主要河流貫串盆地,并切穿盆地之間的山嶺。因此,保護好現(xiàn)有丘陵山地資源以及合理利用是解決當前安溪縣人地矛盾問題的關鍵[19]。

圖1 研究區(qū)區(qū)位圖 Fig.1 Bitmap of research districts

2 材料和方法

2.1 數(shù)據(jù)采集及處理

本研究選取1999年、2009年和2019年三期Landsat TM/OLI遙感影像(空間分辨率為30m×30m)為基礎,參照《土地利用現(xiàn)狀分類》(GBT 21010—2017)并結(jié)合研究區(qū)實際情況,通過影像拼接、目視解譯等一系列程序操作后,獲得安溪縣土地利用分類數(shù)據(jù),由此建立安溪縣土地利用空間數(shù)據(jù)庫。經(jīng)檢驗,3期遙感影像的Kappa系數(shù)值和解譯精度分別大于0.85和大于90%,符合研究要求。此外,社會經(jīng)濟數(shù)據(jù)則主要來源于《安溪縣統(tǒng)計年鑒(2000—2020)》及歷年統(tǒng)計公報。

2.2 研究方法

2.2.1單一土地利用動態(tài)度

單一土地利用動態(tài)度可以定量描述土地利用的變化速度,對于比較土地利用變化的區(qū)域差異和趨勢起著重要作用[20]。其公式如下：

(1)

式中,K指單一土地利用動態(tài)度,Ua、Ub分別表示研究初期和研究末期的某種地類面積,T用來表示研究時段長。

2.2.2空間自相關分析

空間自相關是對附近觀測值之間相似性(相關性)的度量,分為全局自相關和局部自相關。前者是在整體上判斷土地利用變化是否存在聚集性特征,但無法確切的描繪出哪些地方存在聚集現(xiàn)象；后者則是在局部上判斷土地利用變化是否存在相似的空間聚集狀態(tài)。全局自相關和局部自相關分別采用Global Moran′sI統(tǒng)計量和Local Moran′sI統(tǒng)計量表示,計算公式分別如下所示[21—22]：

(2)

(3)

式中,n表示單元數(shù)量；xi、xj表示i和j地某要素屬性值(i≠j)；Wij為空間權(quán)重矩陣。I>0、I<0 和I=0分別表示空間分布呈空間正相關、空間負相關和空間無相關。

2.2.3土地利用變化的驅(qū)動力分析

典范對應分析(CCA)是一種多變量約束排序技術,旨在從生態(tài)環(huán)境數(shù)據(jù)集中提取綜合環(huán)境梯度,用于闡明物種的生物組合與其環(huán)境之間的關系[1, 23]。因此,本研究采用典范對應方法進行定量分析,并結(jié)合全局空間自相關和局部空間自相關分析結(jié)合,進一步討論與明確安溪縣及其所屬鄉(xiāng)鎮(zhèn)土地利用變化及其驅(qū)動因素的差異性特征。

(1)指標選取 研究選取了安溪縣及其所屬24個鄉(xiāng)鎮(zhèn)作為空間分析樣本,從縣域和鎮(zhèn)域兩個不同層面的7 個一級地類,即耕地、林地、草地、園地、水域、建設用地和未利用地作為物種變量。根據(jù)區(qū)域社會經(jīng)濟發(fā)展態(tài)勢和數(shù)據(jù)可獲得性,選擇與土地利用變化相關性有極顯著水平的14個社會經(jīng)濟指標為環(huán)境變量,這14個指標主要包括1999—2019年安溪縣地區(qū)生產(chǎn)總值、第一產(chǎn)業(yè)產(chǎn)值、第二產(chǎn)業(yè)產(chǎn)值、第三產(chǎn)業(yè)產(chǎn)值、農(nóng)業(yè)總產(chǎn)值、工業(yè)總產(chǎn)值、年末戶籍人口、非農(nóng)業(yè)人口、農(nóng)民人均可支配收入、居民人均可支配收入、社會消費品零售總額、 茶葉產(chǎn)量、糧食產(chǎn)量和水果產(chǎn)量,基本囊括了區(qū)域主要社會經(jīng)濟指標。對于鄉(xiāng)鎮(zhèn)而言,考慮到安溪縣人口中80%以上涉及茶葉及其相關茶產(chǎn)業(yè)(包括第二、第三產(chǎn)業(yè)),同時兼顧地理條件和數(shù)據(jù)可得性,考慮了13個社會經(jīng)濟指標包括總?cè)丝凇⒊擎?zhèn)人口、鄉(xiāng)村人口、農(nóng)林牧漁總產(chǎn)值、農(nóng)業(yè)產(chǎn)值、牧業(yè)產(chǎn)值、漁業(yè)產(chǎn)值、林業(yè)產(chǎn)值、茶葉產(chǎn)值、茶葉產(chǎn)量、糧食產(chǎn)量、水果產(chǎn)量和人均GDP(其中必然包含其他產(chǎn)業(yè)的效益)的變化,并鑒于近十年來安溪各鄉(xiāng)鎮(zhèn)土地利用差異明顯與發(fā)展態(tài)勢,選擇了24個鄉(xiāng)鎮(zhèn) 2009—2019年土地利用類型及其對應時間13個社會經(jīng)濟統(tǒng)計指標值變化進行絕對值標準化處理,分別構(gòu)成物種與環(huán)境因子數(shù)據(jù)矩陣。

(2)運算平臺 本研究采用CANOCO 4.5軟件和CANODRAW 4.5作圖軟件進行CCA分析。

3 結(jié)果分析

3.1 土地利用變化特征

1999年、2009年和2019年3個時間節(jié)點安溪縣土地利用分類面積及變化特征如表1所示。

表1 1999—2019年安溪縣土地利用變化統(tǒng)計

由表1可以看出,安溪縣土地利用總體呈“三減四增”特征,即1999—2019年間,安溪縣耕地面積、草地和水域面積分別減少36.82%、22.91%和8.18%,而林地、園地(主要是茶園)、建設用地和未利用土地面積分別增加了10.37% 、56.39% 、206.08%和90.14%。此外,從圖2 可知,1999年安溪縣耕地面積為837.20 km2,占全縣總面積的28.00%,其中耕地分布面積比較多的前五大鄉(xiāng)鎮(zhèn)為：龍涓鄉(xiāng)(9.91%)、龍門鎮(zhèn)(7.50%)、蓬萊鎮(zhèn)(6.55%)、城廂鎮(zhèn)(6.40%)和官橋鎮(zhèn)(6.36%)。林地面積為安溪縣的最大土地利用類型,其面積為1691.31 km2,主要分布在安溪縣的西南部地區(qū),如龍涓鄉(xiāng)(12.99%)、祥華鄉(xiāng)(8.59%)和福田鄉(xiāng)(7.85%)。以茶葉種植為主要的園地面積主要分布在海拔較高和氣候溫和的“內(nèi)安溪”,如長坑、祥華和感德等地,這些地區(qū)適宜茶樹生長。水域面積和未利用地面積分別為10.15 km2和2.13 km2,分別占總面積的1.67%和0.07%,所占面積相對最小。2019年安溪縣土地利用類型面積大小排序及占比基本上保持不變,從大到小依次為：林地>耕地>草地>園地>建設用地>水域>未利用地。其中,林地仍然為安溪縣主要土地利用類型,其面積占比從1999年的56.57%上升至2019年的62.44%；園地(主要是茶園)占比從1999年的5.06%上升到2019年的7.92%。

圖2 1999—2019年安溪縣土地利用現(xiàn)狀 Fig.2 Land use patterns in Anxi County from 1999—2019

為了能夠反映土地利用的結(jié)構(gòu)特征和各類型之間的轉(zhuǎn)化情況和方向,揭示各地類轉(zhuǎn)入轉(zhuǎn)出信息,本研究采用馬爾可夫模型(Markov)構(gòu)建了1999—2019年安溪縣土地利用類型轉(zhuǎn)移矩陣(表2)。

表2 1999—2019年安溪縣土地利用類型轉(zhuǎn)移矩陣/km2

由表2可以看出,1999—2019年期間,流出的耕地主要變成林地和主要為種植茶葉的園地,轉(zhuǎn)變面積分別為181.21 km2和56.81 km2；而新增耕地面積主要由草地轉(zhuǎn)變而成。園地所增加面積主要由耕地、林地和草地轉(zhuǎn)變而來,轉(zhuǎn)變的面積分別為56.81 km2、23.00 km2和11.62 km2；整體來看,園地轉(zhuǎn)為其他地類的面積相對較小,主要表現(xiàn)為“退茶還林”,即主要為茶園的園地轉(zhuǎn)變?yōu)榱值剌^多。而新增的建設用地主要來源于耕地和林地,兩者面積流出面積對新增建設用地面積的貢獻率分別達到56.16%和5.49%。可見,近20年來,安溪縣耕地面積之所以從1999年的837.20 km2剛性降低到2019年的528.92 km2,下降了58.28%,這主要與發(fā)展茶葉和非農(nóng)用地增大有關(表1,表2)。

但是,已如前述,不同鄉(xiāng)鎮(zhèn)土地利用類型變化是不同。鑒于近十年來安溪各鄉(xiāng)鎮(zhèn)土地利用差異明顯與發(fā)展態(tài)勢,為此選擇近十年的不同土地利用類型面積變化情況加以分析(表3)。從表3可以看出,2009—2019年在安溪縣所屬的24個鄉(xiāng)鎮(zhèn)中,耕地減少10 km2以上有龍涓(-13.11 km2)、祥華(-12.02 km2)、劍斗(-11.64 km2)和蓬萊(-10.89 km2) 4個鄉(xiāng)鎮(zhèn)；降低7—9 km2的鄉(xiāng)鎮(zhèn)有感德、湖頭、金谷、西坪、官橋、虎邱和龍門7個鄉(xiāng)鎮(zhèn)；降低2—5 km2的有魁斗、長坑、尚卿、藍田、白瀨和湖上6個鄉(xiāng)鎮(zhèn)；其余鄉(xiāng)鎮(zhèn),除參內(nèi)鄉(xiāng)的耕地略有增加外,其他鄉(xiāng)鎮(zhèn)的耕地總體上減少1 km2左右。從中也可以看出,耕地面積大幅度降低的鄉(xiāng)鎮(zhèn),主要與園地(茶園)面積增加密切相關,靠近城郊的鄉(xiāng)鎮(zhèn)還與其城鎮(zhèn)建設用地增加有關。

3.2 安溪縣土地利用變化的空間自相關分析

如表4所示,安溪縣不同土地利用類型的全局Moran′sI均大于0,Z統(tǒng)計值在16.496—54.130之間；在給定的3個年份內(nèi),全局Moran′sI值均大于0,并通過了顯著性檢驗。這說明安溪縣各地類整體上呈正向空間自相關關系,表現(xiàn)出空間聚集性特征。1999—2019年,耕地空間分布集聚特征呈現(xiàn)緩慢下降；林地和草地分布集聚特征均先緩慢增加后減少；園地和建設用地空間分布集聚特征則呈逐漸上升趨勢；水域和未利用土地聚集度相對較低,前者空間分布集聚度幾乎保持穩(wěn)定,而后者則呈先緩慢上升后下降。

表3 2009—2019年安溪縣土地利用類型面積變化情況/km2

就土地利用類型局部自相關變化而言,由圖3可知,1999—2019年耕地在安溪縣西北部,涉及桃舟、福田和感德鄉(xiāng)鎮(zhèn)呈低低集聚(Low-low,LL)狀態(tài),且集聚格網(wǎng)數(shù)量有所增加；但位于其東部和東北部鄉(xiāng)鎮(zhèn),主要包括魁斗、尚卿 、白瀨、湖上、湖頭、金谷、西坪、劍斗和官橋等則呈高高集聚(High-high, HH)狀態(tài),并隨時間其集聚格網(wǎng)數(shù)下降。林地在安溪縣的西北部,涉及桃舟、福田和感德等鄉(xiāng)鎮(zhèn),呈高高集聚(HH)狀態(tài),而在東北部和東部幾個鄉(xiāng)鎮(zhèn)如魁斗、白瀨、湖上、湖頭、金谷、西坪、劍斗和官橋等鄉(xiāng)鎮(zhèn)則呈低低集聚(LL)。草地在該縣的中北部和西南部,涉及感德、祥華和龍娟等幾個鄉(xiāng)鎮(zhèn),呈高高集聚(HH)狀態(tài),其他鄉(xiāng)鎮(zhèn)則集聚不顯著。園地則在該縣的中南和中北部,涉及藍田、長坑和祥華等鄉(xiāng)鎮(zhèn),呈高高集聚(HH)狀態(tài),其他鄉(xiāng)鎮(zhèn)集聚不顯著。水域則主要在東北一線上,涉及白瀨、湖上、潮頭、蓬萊、鳳城和城廂等鄉(xiāng)鎮(zhèn),呈高高集聚(HH)狀態(tài),其他的則不明顯。建設用地則主要集中在東南部,如參內(nèi)、城廂、官橋和龍門等城鎮(zhèn)化較高的鄉(xiāng)鎮(zhèn),呈高高集聚(HH)狀態(tài),其他鄉(xiāng)鎮(zhèn)則分布集聚度不高。該結(jié)果展現(xiàn)出明顯不同的空間分布格局,這與社會經(jīng)濟指標和宏觀環(huán)境調(diào)控有關。

3.3 土地利用變化的驅(qū)動力分析

進一步分析土地利用變化的驅(qū)動力結(jié)果發(fā)現(xiàn),從社會經(jīng)濟指標發(fā)展(環(huán)境因子)與排序軸之間的相關性而言,排序軸的總特征值為0.999,前兩個排序軸分別解釋總數(shù)據(jù)量的97.93%和2.065%。從表5及圖4可以清晰地看出近20年來(1999—2019),安溪縣14個社會經(jīng)濟統(tǒng)計指標變化均與第一、二排序軸有極顯著的相關性。其中a地區(qū)生產(chǎn)總值,b第一產(chǎn)業(yè),c第二產(chǎn)業(yè),d第三產(chǎn)業(yè),e農(nóng)業(yè)總產(chǎn)值,f工業(yè)總產(chǎn)值,g年末戶籍人口,h非農(nóng)業(yè)人口,i農(nóng)民人均可支配收入,j居民人均可支配收入,k社會消費品零售總額及n茶葉產(chǎn)量與第一排序軸呈顯著正相關,而糧食產(chǎn)量與第一排序軸呈顯著負相關；第二軸則主要與m水果產(chǎn)量呈負相關關系。可見,安溪縣各地類與社會經(jīng)濟指標之間的互作關系97.93%體現(xiàn)在第一排序軸上,只有不到3%的解釋率體現(xiàn)在第二軸。這意味著CCA分析法能夠很好地挖掘出各地類與社會經(jīng)濟指標之間的互作關系。由表6和圖4可知,選取的14個社會經(jīng)濟指標中除了糧食和水果產(chǎn)量外,其重要性排序看均很高,其中排位最大的是前幾個分別是社會消費品零售總額、農(nóng)民人均可支配收入、第三產(chǎn)業(yè)、地區(qū)生產(chǎn)總值、第二產(chǎn)值、茶產(chǎn)量和農(nóng)業(yè)總產(chǎn)值。在CCA排序中,指標建設用地和園地位于第一主軸右上端,林地與未利用面積位于其右下端,而耕地和水域面積位于第一主軸左上端,而草地在其左下端。這與上述所說的近20年來土地利用變化成“三減四增”特征相一致(表1)。結(jié)果說明了安溪縣社會經(jīng)濟生產(chǎn)投入和產(chǎn)出的增長,會驅(qū)動建設用地面積的增長。而建設用地和園地面積的提高,會擠壓耕地面積,從而導致糧食產(chǎn)量的降低。這可以從相關系數(shù)最大的安溪縣地區(qū)生產(chǎn)總值、社會消費品零售總額1999—2019年分別增長了11.03倍和18.11倍；建設用地和園地面積也分別從50.01 km2,151.41 km2提高2019年的153.07 km2,236.79 km2,分別增加了2.06和0.56倍；而耕地面積從1999年的837.20 km2降低至2019年的528.92 km2,降低36.82%中得到驗證。另一方面,g年末戶籍人口,h非農(nóng)人口與園地面積變化均呈顯著正相關。這說明社會人口和非農(nóng)人口的增長會驅(qū)動主要為種植茶葉的園地面積的提高,這與上述介紹的安溪縣80%以上從業(yè)人口與茶葉生產(chǎn)及其相關產(chǎn)業(yè)(茶葉加工和茶莊園生態(tài)旅游等相關產(chǎn)業(yè))有關。該排序圖反映了安溪縣土地利用類型變化和主要社會經(jīng)濟指標變化上的相對位置與關系。從中可以清晰地看出安溪縣各社會經(jīng)濟指標對土地利用類型變化的驅(qū)動作用。

表4 安溪縣土地利用類型的全局Moran′ I 值

圖3 安溪縣不同土地利用類型局域空間自相關分析 Fig.3 Local spatial autocorrelation analysis of land-use types in Anxi County

表5 安溪縣社會經(jīng)濟指標與排序軸之間的相關性

當然,由于地理位置和生態(tài)經(jīng)濟條件不同,不同鄉(xiāng)鎮(zhèn)的發(fā)展路徑及其策略可能不同。進一步利用典范對應分析法分析安溪縣所屬24個鄉(xiāng)鎮(zhèn)近10年(2009—2019)土地利用類型變化與對應鄉(xiāng)鎮(zhèn)社會經(jīng)濟指標變化的關系(圖5)。

圖4 安溪縣土地利用變化類型與社會經(jīng)濟指標的二維排序圖 Fig.4 Two-dimensional ranking figure of land-use types and socioeconomic indexes in Anxi County a—n分別表示為：a地區(qū)生產(chǎn)總值,b第一產(chǎn)業(yè),c第二產(chǎn)業(yè),d第三產(chǎn)業(yè),e農(nóng)業(yè)總產(chǎn)值,f工業(yè)總產(chǎn)值,g年末戶籍人口,h非農(nóng)業(yè)人口,i農(nóng)民人均可支配收入,j居民人均可支配收入,k社會消費品零售總額,l糧食產(chǎn)量,m水果產(chǎn)量和n茶葉產(chǎn)量。排序圖的4 個象限中,箭頭方向表示影響因子的變化趨勢,線段長度表示影響因子與歷年社會經(jīng)濟指標的相關程度,各土地利用類型之間的距離表示土地利用類型變化的相似性

表6 安溪縣社會經(jīng)濟指標重要性

圖5 安溪縣所屬24個鄉(xiāng)鎮(zhèn)土地利用類型與社會經(jīng)濟指標的二維排序圖Fig.5 Two-dimensional ranking figure of land-use types and socioeconomic indexes in 24 townships of Anxi County

從圖5可以看出,安溪縣所屬24個鄉(xiāng)鎮(zhèn)中草地位于排序圖的第一象限,林地和建設用地位于第二象限,耕地、水域和未利用地位于第三象限,園地則位于第四象限。這說明位于同一象限的地類之間存在相輔相成的變化關系。此外,在土地利用類型變化分組中,排序軸長短體現(xiàn)了各地類之間相關關系的大小。例如,建設用地的增多和林地面積的減少相關性最大。耕地用地的減少與未利用土地(棄耕或退化地)增多相關性次之。由此可見,在鄉(xiāng)鎮(zhèn)層面上看,建設用地擴展是以犧牲林地為代價的,而耕地用地的減少除了用于非農(nóng)用地,也由于人口城鎮(zhèn)化導致勞動力轉(zhuǎn)移所引起的未利用土地(棄耕地)增多有關。相比于其他類型而言,園地和草地各鄉(xiāng)鎮(zhèn)卻相對穩(wěn)定發(fā)展著,體現(xiàn)其空間分布的差異特征,深化了上述分析土地利用類型轉(zhuǎn)移轉(zhuǎn)出變化的內(nèi)容,充分展現(xiàn)了縣域土地類型變化的空間分布格局。從24個鄉(xiāng)鎮(zhèn)各自的土地利用策略來說,長坑、大坪、感德、白瀨、湖上、虎邱6個鄉(xiāng)鎮(zhèn)與草地歸第一相限,整體特征是近10年草地減少, 長坑、感德、白瀨、劍斗、湖上5個鄉(xiāng)鎮(zhèn)卻伴隨著林地的增加,大坪、虎邱兩鄉(xiāng)鎮(zhèn)則呈現(xiàn)草地增加,林地卻減少的互補類型。其土地利用類型的變化受農(nóng)林牧漁總產(chǎn)值(d),農(nóng)業(yè)產(chǎn)值(e)和茶產(chǎn)量(j)的驅(qū)動。 參內(nèi)、城廂、鳳城、尚卿4個鄉(xiāng)鎮(zhèn)與建設用地、林地歸在第二相限,其特征是建設用地增加、林地減少或增加(如尚卿鄉(xiāng)),并受牧業(yè)產(chǎn)值(f), 漁業(yè)產(chǎn)值(g),糧食產(chǎn)值(m)和人均GDP(k)的驅(qū)動。龍門、魁斗、蓬萊、湖頭、官橋5個鄉(xiāng)鎮(zhèn)與耕地、水域與未利用土地歸在第3相限,其特征表現(xiàn)為耕地、水域與未利用土地,均減少,受3類人口(a, b, c)和漁業(yè)產(chǎn)值(h)和水果產(chǎn)量(l)的驅(qū)動。金谷、藍田、蘆田、福田、龍涓、桃舟、祥華、西坪8個鄉(xiāng)鎮(zhèn)與茶園地歸在第4相限,其特征為近10年茶園面積均增加,耕地面積卻不同程度地減少,土地利用變化受茶產(chǎn)值的強烈驅(qū)動。可見,不同鄉(xiāng)鎮(zhèn)發(fā)展的驅(qū)動力不同,導致了各鄉(xiāng)鎮(zhèn)土地利用變化及其空間分布格局有所差異,這也與其地理條件,特別是城鎮(zhèn)化水平、經(jīng)濟發(fā)展狀況和宏觀政策調(diào)控力度不同有密切關系。

此外,CCA分析結(jié)果還可以清晰地看出13個社會經(jīng)濟統(tǒng)計指標的變化與社會經(jīng)濟發(fā)展有密切關系,排序軸的總特征值為0.666,排序軸的前兩個排序軸分別解釋總數(shù)據(jù)量的35.4%和11.62%,說與前兩個排序軸有很大的相關性(表7)。其中,農(nóng)林牧漁總產(chǎn)值、農(nóng)業(yè)產(chǎn)值、茶葉產(chǎn)值、茶葉產(chǎn)量與第一排序軸的相關系數(shù)均在0.7以上,具有顯著正向相關關系。而人口總數(shù)、城鎮(zhèn)人口、鄉(xiāng)村人口、糧食產(chǎn)量、水果產(chǎn)量和人均GDP與第一排序軸呈負相關。第二排序軸主要與農(nóng)林牧漁總產(chǎn)值、農(nóng)業(yè)產(chǎn)值、牧業(yè)產(chǎn)值、糧食產(chǎn)量和人均GDP呈正相關關系,而與人口總數(shù)、城鎮(zhèn)人口、鄉(xiāng)村人口、林業(yè)產(chǎn)值、茶葉產(chǎn)值、水果產(chǎn)量呈負相關(表7)。可見,第一和第二排序軸均視為農(nóng)業(yè)經(jīng)濟增長軸。

表7 安溪縣各鄉(xiāng)鎮(zhèn)社會經(jīng)濟指標與排序軸之間的相關性

進一步從安溪縣所屬24鄉(xiāng)鎮(zhèn)社會經(jīng)濟指標重要性排序看(表8),13個指標中達到極顯著水平的有5個,其中r2越大,Pr越小越重要。其大小順序為茶葉產(chǎn)量>農(nóng)業(yè)產(chǎn)值>茶葉產(chǎn)值>農(nóng)林牧漁總產(chǎn)值>城鎮(zhèn)人口。可見,發(fā)展茶葉是近10年導致鄉(xiāng)鎮(zhèn)土地利用變化的最重要驅(qū)動因素,體現(xiàn)了鄉(xiāng)鎮(zhèn)發(fā)展與縣域發(fā)展側(cè)重點的異同點。

表8 安溪各鄉(xiāng)鎮(zhèn)社會經(jīng)濟指標重要性

4 結(jié)論與討論

本研究以通過監(jiān)督分類Landsat TM/OLI遙感影像獲取1999年、2009年和2019年3期的土地利用數(shù)據(jù)為基礎,應用單一土地利用動態(tài)等方法對1999—2019年安溪縣土地利用變化特征進行系統(tǒng)分析。在此基礎上,本研究采用CCA方法分析1999—2019年安溪縣及其所屬24個鄉(xiāng)鎮(zhèn)土地利用變化的驅(qū)動力,分析結(jié)果驗證了CCA能夠清晰地挖掘出各鄉(xiāng)鎮(zhèn)土地利用變化和社會經(jīng)濟指標間的多變量非線性對應關系分析,這是基于線性相關假設的其他方法所不及的優(yōu)點,所獲結(jié)果可為優(yōu)化區(qū)域用地格局和改善區(qū)域生態(tài)環(huán)境提供理論依據(jù)。主要研究結(jié)論如下：

(1)安溪縣 1999—2019年間土地利用類型發(fā)生較為明顯變化,總體特征是“三減四增”；其空間分布格局在全局上呈明顯集聚狀態(tài),不同土地利用類型變化在全局空間集聚狀態(tài)變化趨勢有所差異,但在局部空間分布格局有明顯的差異。

本研究結(jié)果證實,近20年來安溪縣耕地面積、草地和水域面積分別減少36.82%、22.91%和8.18%,而林地、園地(主要是茶園)、建設用地和未利用土地面積則分別增加了10.37% 、56.39% 、206.08%和 90.14%。林地整體上有所提升,但不同鄉(xiāng)鎮(zhèn)變化不一。進一步分析安溪縣土地利用類型轉(zhuǎn)出轉(zhuǎn)入狀況,結(jié)果表明(表1),1999—2019年期間,流出的耕地主要變成林地和主要種植茶葉的園地,轉(zhuǎn)變面積分別為181.21 km2和56.81 km2；而耕地增補面積主要由草地轉(zhuǎn)變而成。園地所增加的面積除了由耕地轉(zhuǎn)變而來之外、也從林地和草地轉(zhuǎn)入,分別轉(zhuǎn)入了56.81 km2、23.00 km2和11.62 km2；整體來看,園地只增不減,轉(zhuǎn)為其他地類的面積相對較小。而新增的建設用地主要來源于耕地和林地,兩者流出的面積對新增建設用地面積的貢獻率分別達到56.16%和5.49%。值得一提的是,林地雖然整體上有所提升,但不同鄉(xiāng)鎮(zhèn)變化不一。研究發(fā)現(xiàn)安溪縣所轄24個鄉(xiāng)鎮(zhèn),近10年來(2009—2019)有1/3的鄉(xiāng)鎮(zhèn)林地呈下降趨勢。其中,祥華、大坪、虎邱、參內(nèi)、福田,城廂6個鄉(xiāng)鎮(zhèn)林地降低明顯,除城廂鎮(zhèn)降低林地主要用于城鎮(zhèn)建設外,其余5個鄉(xiāng)鎮(zhèn)降低林地主要用于發(fā)展茶葉生產(chǎn)。另外,本研究還發(fā)現(xiàn)安溪縣土地利用變化形成了明顯不同的空間分布格局,其中耕地在安溪縣的西北部呈低低集聚(LL)狀態(tài),但位于其東部和東北部鄉(xiāng)鎮(zhèn)你則呈高高集聚(HH)狀態(tài),并隨時間其集聚格網(wǎng)數(shù)明顯下降。草地在該縣的中北部和西南部幾個鄉(xiāng)鎮(zhèn)呈高高集聚(HH)狀態(tài)；園地則在該縣的中南和中北部幾個鄉(xiāng)鎮(zhèn)呈高高集聚(HH)狀態(tài)；水域則主要在東北一線上的幾個鄉(xiāng)鎮(zhèn)中呈高高集聚(HH)狀態(tài),建設用地主要集聚在東南部那幾個城鎮(zhèn)化較高的鄉(xiāng)鎮(zhèn)中,呈高高集聚(HH)狀態(tài)(圖3)。其變化趨勢與分布格局是縣域社會經(jīng)濟、地理生態(tài)和宏觀政策調(diào)控和驅(qū)動的結(jié)果。

(2)給定時期的社會經(jīng)濟發(fā)展指標和宏觀政策是驅(qū)動安溪縣土地利用變化的關鍵因素。

研究表明,在近20年(1999—2019年),安溪縣在7類一級土地利用類型中,由于水域和未利用土地類型所占比例相對較小,其余5類土地利用變化,除了受地理因素的制約外(如西南部地區(qū)所屬鄉(xiāng)鎮(zhèn)主要是山區(qū),交通相對不便,而東北地區(qū)海拔相對較低,交通較為方便,城鎮(zhèn)化程度較高),主要受社會經(jīng)濟指標和宏觀政策的驅(qū)動因素調(diào)控,排位最大的前3個因素分別是社會消費品零售總額、地區(qū)生產(chǎn)總值和茶產(chǎn)量。但不同鄉(xiāng)鎮(zhèn)由于自然稟賦和社會經(jīng)濟狀況不同,土地利用的策略也不同。例如,參內(nèi)、城廂、鳳城和尚卿4個鄉(xiāng)鎮(zhèn)的特征是海拔相對較低,面向泉州、廈門,因此建設用地增加、林地減少為主,并主要受到牧業(yè)產(chǎn)值(f)、漁業(yè)產(chǎn)值(g)、糧食產(chǎn)值(m)和人均GDP(k)的驅(qū)動。另一方面,金谷、藍田、蘆田、福田、龍涓、桃舟、祥華和西坪8個鄉(xiāng)鎮(zhèn)的特征為近10年茶園面積均增加,耕地面積卻不同程度地減少,土地利用變化受到茶產(chǎn)值的強烈驅(qū)動,真實地反映了區(qū)域社會生態(tài)經(jīng)濟發(fā)展現(xiàn)狀及其態(tài)勢。可見,不同鄉(xiāng)鎮(zhèn)發(fā)展的驅(qū)動力不同,這是導致土地利用空間格局演化的主要原因,當然還與地理條件,特別是城鎮(zhèn)化水平和經(jīng)濟發(fā)展狀況不同有密切關系。

此外,土地利用的變化格局還與當?shù)卣膽?zhàn)略決策引導有關。從宏觀環(huán)境而言,近20年來隨著安溪縣社會經(jīng)濟發(fā)展和人口城鎮(zhèn)化加速,工商業(yè)、住宅和交通等建設用地需求急劇增加,驅(qū)動著其土地利用格局發(fā)生變化,總體上以耕地和草地持續(xù)減少,園地和建設用地面積持續(xù)增加為主。其中,建設用地面積增加速度最快,年均變化速率達到10.31%。此外,近20年來,安溪縣堅持以茶立縣,構(gòu)建以茶葉為主導的全產(chǎn)業(yè)鏈發(fā)展格局,促進了區(qū)域經(jīng)濟的快速發(fā)展,使之成為全國有名的產(chǎn)茶縣。特別是“十一五”期間,根據(jù)規(guī)劃,到2010年安溪全縣規(guī)劃茶園總面積28000 hm2(其中鐵觀音15333.3 hm2),產(chǎn)量5 萬t(其中鐵觀音2. 2 萬t),涉茶總產(chǎn)值達到80億元,年均增幅12.2%,其中第一產(chǎn)業(yè)(茶葉產(chǎn)值)40 億元,年均增幅10%, 第二產(chǎn)業(yè)(茶葉加工相關產(chǎn)業(yè)產(chǎn)值)35 億元,年均增幅1 6%,第三產(chǎn)業(yè)(相關旅游業(yè)產(chǎn)值)5 億元,年均12%增幅[24]。可見,茶產(chǎn)業(yè)成為安溪主導產(chǎn)業(yè),從業(yè)人員占全縣的80%,成為農(nóng)民增收的主要渠道。在這一宏觀環(huán)境的引導下,2010年以來,安溪縣茶農(nóng)積極開墾茶園,使茶園面積逐漸擴大。據(jù)統(tǒng)計,2011—2015 年安溪縣共新種植茶園面積達14991.6 hm2,年均新種植茶園面積達3330 hm2[11],可見,近幾年安溪縣茶園規(guī)模迅速擴大。本研究結(jié)果也證實,近20年來以茶葉種植為主的園地面積增加了5640 hm2；特別是一些山地新建茶園普遍存在機械開挖建園,超坡度開墾,一開到“頂”、“四面光”的現(xiàn)象[25]。究其原因是安溪縣以茶葉為主導的全產(chǎn)業(yè)鏈作為主要的支柱產(chǎn)業(yè)和民生產(chǎn)業(yè),在促進區(qū)域經(jīng)濟發(fā)展和促農(nóng)增收方面發(fā)揮著重要作用[26]。余文權(quán)等利用關聯(lián)度分析法,研究發(fā)現(xiàn)安溪縣茶產(chǎn)業(yè)發(fā)展與總體經(jīng)濟、第一產(chǎn)業(yè)、第二產(chǎn)業(yè)和第三產(chǎn)業(yè)的發(fā)展均存在高度關聯(lián),這意味著茶葉產(chǎn)業(yè)的迅速發(fā)展是推進安溪縣區(qū)域經(jīng)濟發(fā)展的關鍵因素[27]。此外,為促進茶葉產(chǎn)業(yè)的快速高質(zhì)量發(fā)展,安溪縣出臺了一系列政策措施,提出在“建設山川秀美的茶鄉(xiāng)”和“森林安溪”的總體要求下,采取多重措施進行各類林業(yè)生態(tài)和茶園生態(tài)工程建設。例如,2009年安溪縣政府印發(fā)《百座茶園山體植樹造林綠化規(guī)劃意見》,隨后實行“退茶還林”政策,將生態(tài)脆弱區(qū)域、低山及荒廢的茶園茶山“退茶還林”,套種名貴綠化樹種,推進茶園由單一模式向原生態(tài)模式轉(zhuǎn)變,加強生態(tài)茶園建設,其目的是有效控制該區(qū)域的水土流失,促進茶葉生產(chǎn)的可持續(xù)發(fā)展。但是,據(jù)調(diào)查發(fā)現(xiàn)目前屬生態(tài)茶園的只有42%,實地考察還發(fā)現(xiàn),有很多茶農(nóng)所說的“生態(tài)茶園”是自然形成的,導致許多茶園不符合真正生態(tài)茶園的標準[10]。另外,依據(jù)山地坡度大小,安溪縣茶園可劃分為5—15° 茶園、15—25°茶園和大于 25° 茶園,這三類面積大約分別占總面積的 70% 、20%和10%；其中,由于強降雨、人為擾動表土等外在因素,使得前兩類茶園容易發(fā)生水土流失現(xiàn)象且流失強度較大。而大于 25° 茶園則大部分是面狹窄、前無埂、后無溝的現(xiàn)狀且分布較為分散,若遇強降雨等外在因素,也極易發(fā)生坍塌和沖毀等現(xiàn)象,是水土流失易發(fā)區(qū)[28]。可見,上述因素使得生態(tài)茶園建設的任務還存在較大挑戰(zhàn)性。因此,安溪縣政府除了制定合理的政策外,還應進一步加強與相關高校、科研機構(gòu)等合作,以便紓解生態(tài)茶園建設過程中出現(xiàn)的技術難題和管理問題。

總之,安溪縣及其所屬鄉(xiāng)鎮(zhèn)的土地利用演變規(guī)律是生態(tài)地理及其社會經(jīng)濟和宏觀政策驅(qū)動的結(jié)果。不同鄉(xiāng)鎮(zhèn)由于自然資源稟賦及其發(fā)展策略不同導致土地利用的時空演化格局存在微小差異；盡管如此,茶產(chǎn)業(yè)發(fā)展仍是區(qū)域發(fā)展的驅(qū)動力,并由此引發(fā)各種正面和負面的影響。如近年來由于茶園開發(fā)過度和栽培管理不當而導致水土流失和環(huán)境污染問題時有發(fā)生,越演越烈[29—30]。因此,安溪縣必須重視土地利用的科學規(guī)劃,加強茶園生態(tài)建設和科學管理,建立生態(tài)補償機制,強化實施合理土地利用和科學保護相結(jié)合的技術措施和政策法規(guī),防止因發(fā)展茶產(chǎn)業(yè)而過度開發(fā)土地,特別是耕地和林地資源不合理開發(fā)利用,進而破壞生態(tài)環(huán)境,影響區(qū)域經(jīng)濟可持續(xù)發(fā)展。