桂西南-北部灣地區“三生”用地演變及其驅動力的地理探測

賴國華, 胡寶清, 李 敏, 林樹高, 鄧雁菲

(1.南寧師范大學 自然資源與測繪學院, 南寧 530001; 2.北部灣環境演變與資源利用教育部重點實驗室, 南寧 530001;3.廣西地表過程與智能模擬重點實驗室, 南寧 530001; 4.南寧師范大學 地理科學與規劃學院, 南寧 530001)

土地系統是包含生產、生活和生態功能的統一綜合體，生產功能是基礎，生態功能是支撐，生活功能是目的[1]。生產用地主要是用于農業、工業和商業活動獲取產品及提供功能的土地，生活用地是指承載人類居住生活的土地，生態用地是調節和保障生態安全的土地[2]。隨著城鎮化水平的提高，人與自然的矛盾逐漸凸顯，“三生”用地內部的爭奪與沖突日趨激烈。城市用地、工業用地快速擴張占用了大量優質耕地，耕地開墾占用林地、草地，不同功能的土地出現了沖突與博弈。為促進國土空間均衡和可持續發展，十八大報告提出“促進生產空間集約高效、生活空間宜居適度、生產空間山清水秀”的指導思想，以土地利用的生產、生活和生態功能為導向的研究成為了土地利用研究的重點。為合理利用土地，學者們對“三生”用地開展了大量的研究，建立“三生”用地分類體系[3]，探索“三生”用地的數量、空間變化以及變化聚集特征[4]，學者們更多關注“三生”用地在長時間序列內發生的變化特征，對“三生”用地在不同坡度、海拔等垂直空間的變化分布關注較少。對于“三生”用地變化的驅動力分析多采用主成分法和多元線性回歸模型[5]、主成分分析法[6]進行解釋。研究區域除以行政單位為對象，還包括流域[7]、經濟區[8]、喀斯特地區[9]、山區等[10]區域，研究區域地理環境較為單一，較少對復雜地理空間的探索，尤其是缺乏對喀斯特山區和海岸帶地區組合成的自然資源稟賦和經濟發展潛力差異明顯的整體區域研究。

已有研究成果為“三生”用地的后續探索提供了基礎，然而當前對復雜地理空間的“三生”用地的研究較少，缺乏對其垂直變化特征分析及驅動因素的地理探測。因此，本研究以桂西南喀斯特、北部灣地區組成的過渡性復雜地理空間為對象，對其1980—2018年的“三生”用地水平變化、垂直變化特征進行探索，并運行地理探測器分析生產、生活和生態用地變化的驅動因素，尋求生產、生活及生態用地變化的主要影響因子，以期科學指導各類土地協調利用。

1 研究區概況

我國三大階梯的地貌格局強烈塑造了全國多層次多尺度過渡性地理空間，喀斯特地區生態環境本底的脆弱性和敏感性較大，經濟落后，人地關系復雜，海岸帶地區是陸地、海洋和大氣各區域相互作用最活躍的界面，具有很高的自然能量和生物生產力，也是經濟發展的重要區域。桂西南—北部灣介于東經104°28′—109°56′，北緯20°26′—25°07′，包含了喀斯特地貌和海岸帶，總體呈現自西北向東南傾斜的斜坡地帶，是復雜的過渡性地理空間，也是山海綜合的過渡帶。研究區包括百色、崇左、南寧、北海、欽州和防城港6個城市在內，共計43個縣(縣級市)，行政區面積約9.6萬km2，擁有1 629 km海岸線，6 488 km2淺海以及903 km2灘涂。其中百色和崇左是位于廣西西南地區的喀斯特巖溶地區，山多地少，地貌復雜多樣，石漠化現象較為嚴重，經濟相對落后。南寧、北海、欽州和防城港為廣西北部灣經濟區4個主要城市，以首府南寧為中心向沿海城市輻射的經濟圈在廣西具有重要的戰略地位，欽州、北海和防城港是我國西南地區最便捷的出海通道，同時也是東盟進入中國市場的重要陸海通道，具有沿海、沿邊、靠近粵港澳發達地區等獨特的區位優勢。

圖1 桂西南-北部灣地理區位

2 數據來源與研究方法

2.1 數據來源

研究數據包括桂西南—北部灣地區6個城市1980年、1990年、1995年、2000年、2005年、2010年、2015年、2018年8期土地利用數據，氣候、地形地貌、道路、行政區位和社會經濟等數據，其中8期土地利用、DEM、降水、氣溫等數據來源于中國科學院資源環境科學數據中心，土地利用數據精度為1 km柵格，DEM數據為90 m分辨率的數字高程數據，運用ArcGIS軟件對DEM數據計算得到地形起伏度；社會、經濟和人口數據來源于2019年《廣西統計年鑒》；石漠化程度分布圖由中國地質科學院巖溶地質研究所提供；河流數據和交通路網數據來源于1∶25萬全國基礎地理數據庫。

2.2 研究方法

2.2.1 “三生”用地分類體系的建立 科學識別“三生”用地是本研究的重要基礎，土地是一個多功能復雜的綜合體，土地利用具有多功能性，要合理分析“三生”空間的時空格局首先要確定土地利用類型的主導功能，以土地利用的主導功能為依據，把具有相同主導功能的土地歸為一個空間，以土地用途管制制度為導向，借鑒土地利用的多功能性以及多種“三生”用地分類的研究結果[11-13]，結合桂西南—北部灣地區土地利用特征，對22個二級地類進行整理歸納，確定“三生”用地的分類體系，詳見表1。

表1 桂西南—北部灣“三生”用地分類

2.2.2 “三生”用地轉移矩陣及動態度 采用土地利用轉移矩陣、土地利用動態度模型等方法對桂西南—北部灣“三生”用地數量及結構變化進行分析，借助ArcGIS疊置功能研究“三生”用地轉型的空間位置變化。轉移矩陣反映了某一地區時段期初和時段期末各種地類的面積變化、結構特征以及各類用地類型的變化方向[14]，其數學形式為：

(1)

式中：S為土地面積；n為土地利用的類型數；i和j分別為研究初期和研究末期的土地利用類型序號。

土地利用變化動態度是指土地利用類型在面積方面的變化幅度，反映了各類土地利用類型在不同時期的變化速度和劇烈程度，對未來土地利用發展趨勢具有一定的預測分析功能[15]。通過分析三生用地類型變化的幅度可以得到桂西南—北部灣地區三生用地變化的整體情況，其表達式為：

(2)

式中：ΔV為某一類土地類型在研究期內的年變化率；Va，Vb分別為研究區初期和末期某種土地利用類型的面積；T為研究時段長。

2.2.3 國土空間格局演變的驅動因子選擇 影響土地利用變化的因素復雜多樣，自然條件、社會經濟發展及地理區位帶來的驅動力不容忽視[16]。結合對桂西南—北部灣8期土地利用現狀圖及“三生”用地的變化特征，借鑒前人研究[17-19]，并基于數據的可獲取性和代表性，選取了自然資源稟賦、地理區位條件和社會經濟3方面因素作為驅動因子，具體驅動因子見表2。

表2 桂西南—北部灣“三生”用地演變驅動因子

2.2.4 地理探測器分析方法 地理探測器是探測空間分異性以及解釋其背后驅動因子的一種新的統計方法，能有效地判別變量因子之間的空間分層異質性[20]。地理探測器包括4個探測器，其中因子探測器可度量不同因子對“三生”用地時空變化分異性，以及探測其影響程度大小，見公式(3)：

(3)

3 結果與分析

3.1 “三生”用地水平變化特征

對比分析1980—2018年桂西南—北部灣地區“三生”用地面積變化和運用土地利用動態度計算各類用地的變化速度(表3)，38 a“三生”用地變化中，只有生態用地減少，面積由70 001 km2減少到69 217 km2，共減少了784 km2，年動態度為-0.029 5%；生活用地顯著增加，面積由1 684 km2增加至2 426 km2，增加了742 km2，年動態度為1.159 5%；生產用地相對穩定，面積僅增加了42 km2，年動態度為0.004 6%。“三生”用地二級分類中，工業生產用地和城鎮生活用地擴張速度最為明顯，面積分別擴張了609 km2，581 km2，年動態度分別為13.136 3%，9.155 4%，其他二級分類用地變化較小，其中農業生產用地和綠色生態用地均呈現負增長態勢，面積分別縮減了567，840 km2，年動態度分別為-0.062 9%，-0.032 4%。

表3 1980-2018年“三生”用地水平變化

1980—2018年桂西南-北部灣地區“三生”用地分布如圖2所示，生態用地集中分布在百色、崇左和防城港市，其中百色和崇左市位于桂西南的喀斯特山區，石漠化較為嚴重，不利于發展生產生活，防城港市依托十萬大山優勢擁有豐富的生態資源。生產用地主要分布在北部灣地區的南寧市和北海市，欽州市的生產用地相對分散。生活用地主要聚集在城鎮中心，在廣大農村偏遠地區零散分布，尤其是百色市西北部的生活用地極為稀少，而位于首府南寧市的城市中心和北海市沿海地區的生活用地數量較多且集中發展。在38 a間，以南寧和北海市區為代表的生活空間逐年擴大，各市區的生活空間也在緩慢增長，其中城鎮生活用地擴張速度最快。生產用地的數量雖然沒有太大變化，但是在二級地類中，工業生產用地增加明顯，農業生產用地減少。

圖2 1980-2018年桂西南—北部灣“三生”用地類型分布

基于桂西南—北部灣“三生”用地分布圖層，經ArcGIS提取得到研究區1980—2018年“三生”用地轉移矩陣(表4)，發生變化面積25 538.63 km2，占土地總面積的26.73%。從“三生”用地轉型的方向可以得出：1980—2018年期間不同用地類型的轉出面積大小依次為農業生產用地>綠色生態用地>農村生活用地>水域生態用地>工業生產用地>城鎮生活用地。農業生產用地和綠色生態用地的轉出量達到了上萬平方千米，農業生產用地主要流出方向為綠色生態用地，而綠色生態用地的主要流出方向是農業生產用地，通過對比分析發現，分布零散、位置偏遠和遠離居民點的農業生產用地轉變為了生態用地，而原處于生活用地與生產用地之間的綠色生態用地則轉變為了農業生產用地，農業生產用地更聚集化發展。同時，工業生產用地、城鎮生活用地和農村生活用地流出面積最大的方向均為農業生產用地，雖然農業生產用地的流入面積最多，但是其流出面積大于流入面積，總體上農業生產用地面積縮減，可以看出農業生產用地變化幅度較大，與各地類之間的轉換更為頻繁。

表4 1980-2018“三生“用地轉移矩陣 km2

桂西南—北部灣地區1980—2018年期間，“三生”用地變化空間分布見圖3。生產用地面積減少的區域主要分布在喀斯特山區百色市，經濟較發達地區南寧市和沿海旅游城市北海市，百色市生產用地減少的縣域及縣級市包括樂業縣、右江區、德保縣、田東縣和靖西市，北海市包括海城區、銀海區和鐵山港區3個重要沿海區域，南寧市除隆安縣和橫縣之外的10個縣區生產用地面積均出現了下降。生產用地面積增加最為明顯的是欽州市欽南區，主要增加的二級地類為農業生產用地。生活用地面積減少的區域除崇左市的龍州縣外，其余均位于百色市和南寧市，其中百色市包括西林縣、田林縣、樂業縣和那坡縣，南寧市包括馬山縣、上林縣、隆安縣，生活用地面積增加較為明顯的是南寧市的西鄉塘區、江南區、青秀區和賓陽縣，以及欽州市的欽南區。生態用地面積減少的地區較多，其中欽州市欽南區減少的最為明顯，生態面積增加的地區主要以百色市、南寧市和崇左市為主，其中百色市包括樂業縣、田東縣、德保縣和靖西市，南寧市包括馬山縣、上林縣、賓陽縣、邕寧區、良慶區、江南區，崇左市包括扶綏縣、大新縣和龍州縣。

圖3 1980-2018年桂西南-北部灣“三生”用地類型變化

3.2 “三生”用地垂直變化特征

由圖4可知，2018年桂西南—北部灣地區的“三生”用地垂直分布現狀中，生產用地和生活用地面積呈階梯式下降，隨著坡度和海拔的增長而減少，生產用地和生活用地集中主要分布在0°～8°的坡度平緩地區以及海拔低于500 m的地區。在坡度分布中，生態用地面積呈倒U型分布狀態，在<2°和≥25°的坡度范圍內面積較少，集中分布在2°～25°。在海拔分布中，生態用地面積隨著海拔的升高而減少，其中<500 m海拔的地區中生態用地最多，在≥2 000 m的海拔中，無生產用地和生活用地，僅有少量的生態用地。由圖5可知，1980—2018年桂西南—北部灣地區“三生”用地變化中，在0°～8°坡度區間生態用地面積大幅度減少，生產生活用地面積大量增加，≥8°坡度范圍內生態用地面積增加，生產及生活用地面積減少。在海拔變化中，海拔<500 m的區域生態用地大量減少，生產生活用地增加，其中生活用地增加幅度較大。海拔500～1 000 m區間僅有生產用地減少，且減少幅度較為明顯，海拔≥1 000 m的區域內地類變化較少。

圖4 2018年桂西南-北部灣地區“三生”用地垂直分布

圖5 1980-2018年桂西南-北部灣地區“三生”用地垂直變化

3.3 基于地理探測器的因子探測分析

“三生”用地變化是自然、地理區位和社會經濟因子復雜耦合作用過程在空間上的表現，利用地理探測器方法可分析各驅動因子在多大程度上解釋“三生”用地變化的空間分異現象。將生產、生活和生態用地在1980—2018年面積變化作為因變量，從自然資源稟賦、地理區位條件和社會經濟3個方面選取15個自變量。在ArcGIS軟件中根據各驅動因子的聚集特征進行分級，實現離散化，運用地理探測器軟件對生產用地變化、生活用地變化和生態用地變化3個因變量和16個自變量分別進行因子探測(表5)，求得各因子對“三生”用地變化的影響力值(q值，其值越大表明該因子對“三生”用地變化的影響越大，反之亦然)和因子解釋力值(p值，其值越小表明該因子對“三生”用地變化影響的解釋力越大，反之亦然)，分析結果顯示，對生產和生態用地變化解釋力最強的因子均是DEM，對生活用地變化解釋力最強的因子是地均第三產業產值(0.61)，石漠化程度對生產、生活和生態用地變化的驅動力最小。對生產用地變化影響較大的因子主要有DEM(0.34)、人口密度(0.34)、氣溫(0.28)、第一產值(0.28)、城鎮居民可支配收入(0.27)等；對生活用地變化影響較大的因子主要有第三產值(0.61)、人口密度(0.58)、第一產值(0.57)、生產總值(0.56)和道路密度(0.54)等；對生態用地變化影響較大的因子主要包括DEM(0.47)、第一產值(0.42)、人口密度(0.36)和氣溫(0.32)等。

表5 桂西南-北部灣“三生”用地演變驅動因子探測結果

4 討論與結論

4.1 討 論

本研究從時間水平方向和空間垂直方向綜合分析了桂西南喀斯特地區和北部灣經濟區的“三生”用地變化特征，研究區自然資源條件和地理區位復雜，打破傳統的行政邊界，區域自西北向東南傾斜的斜坡帶對“三生”用地變化起到了重要的影響作用。由于土地利用數據的可獲取性限制，本研究使用的土地利用數據精度較低，未來可基于精度更高的土地利用數據進行更詳實的研究。文章嘗試運用地理探測器探測“三生”用地變化的機理，探測自然資源稟賦、地理區位和社會經濟等方面因子對“三生”用地變化的影響，但仍有不足之處，驅動因子沒有考慮政策調控等因素，北部灣經濟區享受的政策扶持力度大于喀斯特山區，政策導向對“三生”用地變化的影響也起到了關鍵性作用，需從政府宏觀調控角度分析“三生”用地變化的內在機理，為國土空間規劃提供更科學的參考依據。

4.2 結 論

(1) 1980—2018年38 a間，桂西南—北部灣地區“三生”用地水平變化特征表現為生態用地減少，生產用地總體平衡，生活用地增加。雖然生產用地總體平衡，但在二級地類中變化較為明顯，農業生產用地面積有較大幅度減少，工業生產用地面積有較明顯增加。總體看來生活用地及工業生產用地由城鎮中心向外擴張，占據大量優質農田及生態用地，生活用地及生產用地變化最明顯的是以首府南寧中心向外發展，以及欽州、北海和防城港等地區往沿海方向發展，桂西南喀斯特地區的生產生活用地增長較為緩慢。

(2) 桂西南—北部灣地區“三生”用地垂直變化特征明顯，生產生活用地主要分布在北部灣經濟區一帶的坡度平緩、海拔較低的地區，隨著坡度及海拔的升高而減少，高坡度、高海拔地區主要分布的是生態用地，生態用地面積占比較大的是桂西南喀斯特地區。在38 a間，位于低坡度、低海拔地區的大量生態用地轉變為生產生活用地，而位于坡度和海拔較高地區的生產生活用地則轉變成了生態用地。

(3) 生產用地和生活用地減少的地域分布特征呈現兩極化。生產用地減少的區域主要位于落后的喀斯特山區的中部地區和經濟較為發達的南寧、北海市中部地區，其中，喀斯特山區的生產用地主要轉化為生態用地，北部灣地區中的生產用地主要轉化為生活用地。生活用地減少的區域也是主要分布在喀斯特山區百色市和經濟較發達地區南寧市，但主要位于城市的邊緣地區，其中喀斯特地區的生活用地主要轉化為生產用地，北部經濟區的生活用地主要轉化為生態用地。

(4) 桂西南—北部灣地區組成的自西北向東南傾斜的斜坡帶在生產、生態用地變化中具有明顯的差異，主要表現為DEM對生產、生態用地的變化都有著很強的解釋力。“三生”變化受不同的因素共同作用，自然資源條件和社會經濟因素對生產、生態用地變化影響較大，社會經濟和地理區位對生活用地變化影響較大，其中，人口密度對“三生”用地的變化均有較大的影響作用，人類活動是“三生”用地變化不可忽視的重要因素。