基于GIS技術(shù)的百色市土地利用變化與生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)評估

關(guān)鍵詞土地利用／土地覆蓋變化（LUCC）；地理信息系統(tǒng)（GIS）；廣西百色市中圖分類號：F301.2；X171.1 文獻標(biāo)志碼：A DOI：10.19415/j.cnki.1673-890x.2025.10.002

我國作為世界上最具多樣性和復(fù)雜性的土地利用國家之一，土地利用變化問題尤為突出，特別是西部地區(qū)，受到農(nóng)業(yè)擴張、工業(yè)化和城市化的共同作用，問題更為突出[1。廣西百色市位于我國西南部，屬于典型的喀斯特地貌區(qū)域，具有獨特的自然景觀和生態(tài)系統(tǒng)。隨著經(jīng)濟發(fā)展，百色市的土地利用格局在快速變化，農(nóng)田、森林、草地等自然生態(tài)系統(tǒng)受到不同程度的影響。因此，了解百色市的土地利用變化及其對生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)的影響，對促進區(qū)域的可持續(xù)發(fā)展具有重要意義。

1 百色市土地利用概況

百色市地處廣西西部，具有復(fù)雜的自然地理環(huán)境，包括喀斯特地貌、河谷平原及山地丘陵。百色市的土地利用格局在空間和時間上均呈現(xiàn)出顯著的異質(zhì)性，主要涵蓋耕地、林地、草地、建設(shè)用地及未利用地5個類型。

2024年1月24日，廣西壯族自治區(qū)人民政府正式批復(fù)《百色市國土空間總體規(guī)劃（2021—2035年）》，此為百色市首個國土空間總體規(guī)劃，是對全國國土空間規(guī)劃綱要、廣西國土空間總體規(guī)劃的落實和深化，是對百色市國土空間開發(fā)保護的總綱領(lǐng)，為該市發(fā)展戰(zhàn)略及主體功能區(qū)戰(zhàn)略落地實施提供空間保障，是規(guī)范開發(fā)建設(shè)活動秩序、實施國土空間用途管制和編制專項規(guī)劃、下層次國土空間規(guī)劃的基本依據(jù)。

2 研究方法

2.1數(shù)據(jù)來源

研究所使用的數(shù)據(jù)來源多樣，涵蓋遙感影像、土地利用現(xiàn)狀數(shù)據(jù)及社會經(jīng)濟數(shù)據(jù)等多種類型。遙感影像數(shù)據(jù)主要來源于衛(wèi)星影像，能夠精確反映不同時期的土地利用/土地覆蓋變化（Land-UseandLand-CoverChange，LUCC）[2]。土地利用現(xiàn)狀數(shù)據(jù)主要來自全國土地利用數(shù)據(jù)庫和自然資源部發(fā)布的土地利用年度動態(tài)監(jiān)測數(shù)據(jù)集，獲取百色市1990—2020年的土地利用變化情況，分類體系遵循《土地利用現(xiàn)狀分類標(biāo)準(zhǔn)》（GB/T21010—2017）。社會經(jīng)濟數(shù)據(jù)主要依托國家統(tǒng)計局發(fā)布的《百色市統(tǒng)計年鑒》和《廣西統(tǒng)計年鑒》，獲取區(qū)域內(nèi)輔助信息，以分析土地利用變化。

2.2土地利用變化檢測方法

土地利用變化的檢測通過多時相遙感影像結(jié)合地理信息系統(tǒng)（Geographic Information System，GIS）技術(shù)進行精細(xì)化分析。采用支持向量機（SupportVectorMachine，SVM）分類算法對土地利用類型進行監(jiān)督分類，確保土地利用類型的準(zhǔn)確性[3]。參照相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)可將土地分為耕地、林地、草地、建設(shè)用地、水域及未利用地等類別。

采用土地利用轉(zhuǎn)移矩陣法對不同時期的土地利用分類結(jié)果進行交叉分析。利用遙感影像分類結(jié)果構(gòu)建土地利用轉(zhuǎn)移矩陣，定義轉(zhuǎn)移矩陣 T_ij 表示在特定時間內(nèi)土地利用類型 i 轉(zhuǎn)移到類型 j 的面積，計算公式為

式中： δ_LUCC（i，j，p） 表示像元 p 在某一起始時刻屬于類型 i ，在某一結(jié)束時轉(zhuǎn)移為類型 j 的二值指示函數(shù)，若轉(zhuǎn)移成立則取值為1，否則為0; A_p 表示像元 p 的面積n 表示研究區(qū)域的總像元數(shù)。式（1）可以定量描述不同時期各土地利用類型之間的轉(zhuǎn)移強度及其方向。

采用莫蘭指數(shù)（Moran'sI）進行空間自相關(guān)分析，以評估土地利用變化的空間聚集程度，計算公式為

式中： I 表示Moran'sI值； x_a 和 x_b 分別表示研究區(qū)內(nèi)第 a 和第 b 個像元的土地利用強度值； 表示土地利用強度的均值； 是空間權(quán)重矩陣，表示像元 Δ_a 與像元 b 之間的空間鄰接關(guān)系，通常基于距離或鄰接定義； S² 表示土地利用強度的方差。當(dāng)Moran'sI值接近1時，表示強正相關(guān)，即土地利用變化呈空間聚集狀態(tài)；當(dāng)Moran'sI值接近-1時，表示強負(fù)相關(guān)，即變化呈空間分散狀態(tài)；Moran'sI值接近0時，表示變化為隨機分布[4]

2.3生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)評估模型

采用基于GIS技術(shù)的生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)評估工具生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)和權(quán)衡的綜合評估模型（IntegratedValuationofEcosystemServicesandTrade-offs，InVEST）模型對百色市不同土地利用類型下的生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)進行定量評估。研究主要評估碳儲量、水源涵養(yǎng)2個關(guān)鍵的生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)[5]。

在碳儲量評估中，InVEST模型將不同土地利用類型的碳匯能力量化為各類型下的生物量碳儲量和土壤碳儲量之和，計算公式為

C_total=C_above+C_below+C_soil+C_dead

式中： C_total 表示總碳儲量； C_above 表示地上生物量碳儲量； C_below 表示地下生物量碳儲量； C_soil 表示土壤碳儲量； C_dead 表示枯死有機物碳儲量。

在水源涵養(yǎng)服務(wù)評估中，使用InVEST模型中的水產(chǎn)量模塊，基于降水、蒸散發(fā)和土地利用類型計算

不同土地覆蓋下的水源涵養(yǎng)能力，公式為

Y（x）=[P（x）-A（x）]?K（x）

式中： Y（x） 表示像元 x 的年產(chǎn)水量； P（x） 表示年降水量； A（x） 表示年實際蒸散量， K（x） 表示像元 x 的水源涵養(yǎng)系數(shù)，反映了不同土地利用類型對水分調(diào)節(jié)的能力。

3 研究結(jié)果

3.1 土地利用變化分析

由圖1可知，1990—2020年百色市的土地利用格局發(fā)生了顯著變化，表現(xiàn)出明顯的空間異質(zhì)性和時間趨勢，耕地、林地、草地、建設(shè)用地4類主要土地類型呈現(xiàn)出不同的變化速率和轉(zhuǎn)移路徑。1）耕地面積在持續(xù)增長，從1990年的 23 000hm² 增長到2020年的 29 500hm² ，增加 6 500hm² ，增幅為 28.26% 。其中，2010—2020年耕地面積增幅最大，農(nóng)業(yè)擴張是驅(qū)動這一趨勢的主要原因。2）林地面積在逐步減少，從1990年的 68000hm² 減少到2020年的 62500hm² ，累計減少 5500hm² ，降幅為 8.09% 。城市擴張與農(nóng)業(yè)開發(fā)侵占了大量林地資源，影響了區(qū)域的生態(tài)平衡。3）草地面積在整個研究期間呈持續(xù)減少趨勢，從1990年的10500hm² 減少到2020年的 8900hm² ，減少 1600hm² ，降幅為 15.24% 。草地減少反映了土地利用壓力和過度開發(fā)的影響。4）建設(shè)用地面積顯著增長，從1990年的 8500hm² 增到2020年的 13200hm² ，增加 4700hm² 增幅為 55.29% ，快速的城市化進程和基礎(chǔ)設(shè)施建設(shè)是這一趨勢的主要推動力。

3.2 生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)評估

基于InVEST模型對百色市1990—2020年期間的生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)進行了定量評估，主要集中于碳儲量、水源涵養(yǎng)等關(guān)鍵生態(tài)服務(wù)功能。研究發(fā)現(xiàn)，隨著土地利用格局的變化，1990—2020年百色市生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)的空間分布和供給能力發(fā)生了顯著變化。

由圖2可知，1）林地的碳儲量從1990年的6827.25t下到2020年的下降至 3831.96t ，碳儲量減少 43.87% 。林地的碳匯功能對區(qū)域碳平衡的貢獻最大，其大幅減少直接削弱了百色市生態(tài)系統(tǒng)在碳吸收和固碳方面的功能。這種減少趨勢主要受城市擴張和農(nóng)業(yè)用地擴張影響，尤其是在2000一2020年，林地減少加速，導(dǎo)致區(qū)域碳儲量顯著降低。2）草地的碳儲量從1990年的6312.36t減少到2020年的 2 663.82t ，減少 57.80% 。草地的減少對碳儲量的影響較為嚴(yán)重，特別是在生態(tài)敏感區(qū)，草地減少與土地退化和過度放牧密切相關(guān)。3）耕地的碳儲量由1990年的 2132.58t 增加到2020年的 6631.96t ，增加約 4500t 這源于農(nóng)業(yè)現(xiàn)代化帶來的農(nóng)業(yè)結(jié)構(gòu)調(diào)整。4）建設(shè)用地的碳儲量在研究期內(nèi)相對穩(wěn)定，從1990—2020年碳儲量略有波動。建設(shè)用地的擴展雖然提升了經(jīng)濟發(fā)展，但同時加劇了碳排放，導(dǎo)致碳儲量難以顯著增加。

由圖3可知，不同土地利用類型的變化同樣對水資源調(diào)控功能產(chǎn)生了深遠(yuǎn)影響。1）林地的水源涵養(yǎng)能力從1990年的 8493.58mm 下降到2020年的 4731.6mm 下降 44.29% 。在城市化進程中，林地面積的減少對區(qū)域水循環(huán)產(chǎn)生了嚴(yán)重干擾。2）草地的水源涵養(yǎng)能力呈現(xiàn)顯著下降趨勢，從1990年的 8003.41mm 下降到2020年的 3 381.23mm ，降幅高達 57.76% 。草地面積的減少直接削弱了土壤的持水能力和水源調(diào)節(jié)功能。3）耕地的水源涵養(yǎng)能力從1990年的 1181.97mm 增長到2020年的 5696.63mm ，增幅為 381.96% 。在農(nóng)業(yè)現(xiàn)代化過程中，農(nóng)業(yè)用地的管理方式逐漸優(yōu)化，但耕地的水源涵養(yǎng)能力仍然較低。4）建設(shè)用地的水源涵養(yǎng)能力總體較低，從1990年的 8830.11mm 下降到2020年的 7968.10mm ，減少 9.76% 。硬化地表和建筑密度的增加減少了地表水的下滲，增加了徑流，削弱了水源涵養(yǎng)能力。

4結(jié)語與討論

百色市在過去30年中經(jīng)歷了顯著的土地利用變化。

耕地面積持續(xù)增長，尤其是在2010—2020年間，這主要受到農(nóng)業(yè)擴張的驅(qū)動。林地和草地面積顯著減少，分別減少 8.09% 和 15.24% 。建設(shè)用地則快速增長，增加 55.29% ，這反映了城市化進程和基礎(chǔ)設(shè)施建設(shè)的迅猛發(fā)展。

土地利用變化對生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)產(chǎn)生了深遠(yuǎn)的影響。林地減少直接導(dǎo)致碳儲量下降，碳匯功能顯著削弱，區(qū)域碳平衡受到破壞。草地的減少進一步加劇了生態(tài)退化。耕地在碳儲量和水源涵養(yǎng)方面有所提升，但其總量較低，對整體生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)的貢獻相對有限。

百色市的快速城市化和農(nóng)業(yè)擴張對生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)產(chǎn)生了負(fù)面影響，尤其是在碳儲量和水源涵養(yǎng)能力方面。因此，未來百色市在推進經(jīng)濟發(fā)展的同時，應(yīng)加強對生態(tài)系統(tǒng)的保護與恢復(fù)，平衡經(jīng)濟發(fā)展與環(huán)境保護的關(guān)系，實現(xiàn)區(qū)域可持續(xù)發(fā)展目標(biāo)。

參考文獻：

[1] 胡曉慶.漢江流域土地利用變化與水生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)：2032年情景預(yù)測分析[J].天津農(nóng)業(yè)科學(xué)，2024，30（5）：59-66.

[2] 李明月，方萌杰，孫梓瑜.基于土地利用變化的洞庭湖生態(tài)經(jīng)濟區(qū)生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)價值時空演變及相關(guān)性分析[J].農(nóng)業(yè)與技術(shù)，2024，44（8）：130-135.

[3] 孟雪源，陳剛，鄭志元.國家重點生態(tài)功能區(qū)生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)價值對土地利用變化的時空響應(yīng)[J]浙江農(nóng)林大學(xué)學(xué)報，2024，41（4）：830-840.

[4] 任偉，武旭，戎彥坤，等.基于GIS的蘭州新區(qū)土地利用變化及其對生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)價值的影響[J]蘭州大學(xué)學(xué)報（自然科學(xué)版），2024，60（2）：151-158.

[5] 傅維嘉，林錦涵，蘇穎婷，等．基于土地利用變化的湄洲島生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)價值時空變化分析[J].水土保持通報，2024，44（2）：378-388.

（責(zé)任編輯：張春雨）