廣西海岸帶土地利用時空格局及其驅動因子

張華玉, 秦年秀, 汪軍能, 李 敏, 楊愛霞, 盧芹芹

(1.北部灣環境演變與資源利用教育部重點實驗室, 南寧 530001; 2.南寧師范大學 地理科學與規劃學院,南寧 530001; 3.南寧師范大學 自然資源與測繪學院, 南寧 530001; 4.北部灣大學 資源與環境學院, 廣西 欽州 535000)

海岸帶是陸海交匯、人類活動與自然系統交互作用最為頻繁、密集的地理空間之一[1]，資源豐富且生態系統結構復雜、生態環境脆弱和敏感。在人類活動疊加自然變化的影響下，海岸帶地區環境和土地利用結構發生了巨大變化，備受學術界關注，地理信息技術已廣泛運用于海岸帶和區域土地利用變化研究中[2]。國內外海岸帶土地利用研究主要集中在海岸帶岸線變化機理與用地變化效應、土地利用/覆被與景觀格局演變及其驅動機制、景觀生態脆弱性與生態風險評價、生態系統服務價值等方面。Lam-Dao，Dada等[3-4]通過遙感手段分別對河口、海岸地區土地利用變化研究，發現海岸帶遭到不同程度侵蝕，養殖業發展和氣候變化對海岸帶土地利用影響較大。Bernard Ekumah等[5]通過強度分析方法評估了加納3個具有國際重要性的沿海城市濕地變化模式及其原因。Jayanta Saha等[6]分析了印度孟加拉沿海地區旅游業發展引致的土地利用變化及其環境效應。吳琛璐[7]、高祥偉[8]等基于Landsat影像和3S技術分別對省、市尺度海岸帶展開研究，發現在社會經濟因素驅動下，土地利用變化顯著。潘翔等[9]基于遙感和GIS技術及景觀格局指數法分析了廈門灣海岸帶景觀時空格局，發現研究期間農用地景觀、城鎮用地與建設用地景觀變化顯著，農用地和濱海濕地景觀轉出較多，受社會經濟發展和政策調整影響，景觀格局向多樣化和破碎化演變。王奇等[10]運用“壓力度—敏感度—恢復力”評價模型分析發現甬臺溫海岸帶景觀類型變化顯著，生態脆弱性增強。陳心怡等[11]對海口市海岸帶1988—2017年景觀生態風險進行評價，結果呈生態風險等級由低向高，高風險區向沿海蔓延的特征。寧立新等[12]對江蘇海岸帶地區的研究發現耕地減少、建設用地和人工塘增加，生態系統服務價值加速減少。總體上看，海岸帶土地利用研究體系不斷深化，方法也較為成熟。國外研究多從大尺度、國際重要海岸帶而開展[13-14]，中小尺度研究較少；國內研究則多傾向于東部沿海地區，北部灣地區關注度有待提升。驅動機制分析中多采用社會經濟指標及少數易量化的自然因子指標進行統計分析[15-16]，而海拔、坡度、坡向、植被類型和土壤類型等對土地利用結構及分布影響較大，且難以量化和標準化的自然因子，則未能進行較好考量，以至于難以全面剖析土地利用變化的驅動機制。如何更全面系統探討海岸帶土地利用變化及其驅動機制，是當前海岸帶土地利用變化研究遇到的新難題。

2008年廣西北部灣經濟區發展規劃批復、2010年中國—東盟自由貿易區(CAFTA)全面啟動、2017年北部灣城市群規劃批復等一系列政策引導下，廣西海岸帶地區進入快速發展階段，經濟快速增長，人口不斷集聚，土地利用變化也進入新階段。用于旅游、工業、港口和城鎮建設等填海面積不斷增加[17]，岸線縮短[18]，土地可持續利用與生態保護面臨新挑戰[19-20]。快速發展背景下迫切需要對廣西海岸帶土地利用變化與景觀格局演變特征及土地利用變化的驅動機制進行全面、系統、綜合地分析研究。

研究采用2010年、2014年、2018年三期遙感影像解譯數據，運用地理學和數理統計方法分析廣西海岸帶土地利用與景觀格局演化規律，并運用地理探測器方法探究其背后的驅動機制。揭示人文與自然因子雙重作用下的海岸帶土地利用變化過程，為破解廣西沿海地區土地退化、生境功能減弱及人地矛盾尖銳等難題，合理開展國土資源利用與空間規劃服務，為優化廣西海岸帶土地利用結構、科學布局產業、科學利用和管理自然資源提供依據。

1 數據和方法

1.1 研究區概況

本研究包括沿廣西大陸海岸線的陸域與海域(圖1)。研究區位于我國西南部、廣西東南部(20°26′N—22°41′N，107°28′E—109°56′E)，自東向西由洗米河口至北侖河口，海岸線長1 595 km[21]；陸域包括廣西防城港、欽州、北海3個沿海城市及其下轄的各縣(市)，海域部分以海岸線向海延伸10 km作為緩沖區域[22]，面積約23 010 km2。廣西海岸帶地處亞熱帶海洋性季風氣候區，雨熱同期，年平均氣溫在22℃以上，年降水量達2 100～2 760 mm，風能資源豐富，霧少光足，夏季洪澇災害頻發，是全區洪澇災害高風險區[23]；土壤類型主要有磚紅壤、水稻土等；地勢北高南低，北部是以十萬大山為主的山地丘陵地貌，南部平原灘涂面積廣，是南流江、欽江、茅嶺江等河流入海口；海岸曲折，紅樹林資源豐富，港灣優良，養殖業發達。2019年廣西沿海三市GDP為3 358.30億元，常住人口約598.84萬人。廣西海岸帶自然資源豐富、生態系統復雜、人地互動高度活躍且區位獨特，是我國西南地區最便捷的出海通道，也是面向東盟的國際大通道、21世紀海上絲綢之路和絲綢之路經濟帶有機銜接的重要門戶[24]。

圖1 研究區位示意圖

1.2 數據來源與處理

采用2010年、2014年、2018年三期共16景，空間分辨率為30 m的Landsat5 TM和Landsat8 OLI遙感影像。影像來源于美國國家航空航天局(https:∥www.nasa.gov/)；用ENVI 5.5軟件對影像進行輻射定標、大氣校正、波段運算、影像鑲嵌、影像裁剪等預處理后，在432，764，652三組波段組合下，以Google Earth判讀和實地調查數據為參照，通過人機交互方法進行解譯，三期遙感影像解譯總體精度和Kappa系數分別為98.08%，0.86，99.42%，0.95，98.51%，0.89。總體精度均在95%以上，Kappa系數均超過0.85，達到研究要求。

常住人口(X1)、人均GDP(X2)、第一產業增加值(X3)、第二產業增加值(X4)、第三產業增加值(X5)、城鎮化率(X6)、GDP(X7)和社會固定資產投資(X8)8個社會經濟因子數據源自《廣西統計年鑒》(2011—2019年)、區內縣(區)年鑒及統計公報數據。

年均降水量(X9)、氣溫(X10)、濕度(X11)和蒸發量(X12)數據均源于中國氣象數據網；海拔(X13)資料源于91衛圖助手，用ArcMap對海拔數據進行表面分析得到坡度(X14)和坡向(X15)數據；土壤類型(X16)和植被類型(X17)數據源于中科院資源環境科學與數據中心(https:∥www.resdc.cn/)。文中對所有因子數據進行了柵格化及離散化處理。

1.3 研究方法

隨機森林(random forest，RF)分類算法。該方法具有人工干預少，分類精度高等優勢，在處理復雜數據源、數據噪聲及有限訓練樣本方面有較好的表現。本文結合已有研究[25-26]和廣西海岸帶土地利用特征，構建耕地、林草地、建設用地、水體、人工濕地、自然濕地及其他用地7個類型的廣西海岸帶土地利用分類體系，運用ENVI 5.5軟件對3期遙感影像進行隨機森林分類，并對分類結果進行人工修正。

土地利用動態度和馬爾科夫模型[27]。土地利用動態度表征某一地區在特定時段內的土地利用變化速率，文中采用單一土地利用動態度和綜合土地利用動態度來描述廣西海岸帶3個時期土地利用變化狀況。通過馬爾科夫模型構建土地利用轉移矩陣，可直觀表達研究區內土地利用類型之間的量化轉移情況，從而分析一定時期內土地利用類型的轉變趨勢。

景觀格局指數法[28]。景觀格局演變是土地利用變化影響下的結果。基于廣西海岸帶3期土地利用類型數據，從類型水平(Class-level)和景觀水平(Landscape-level)兩個尺度，選取最大斑塊指數、斑塊數量、斑塊密度、破碎度指數、景觀分割度指數、分離度指數、香農多樣性指數、香農均勻度指數8個景觀格局指數，借助Fragstats 4.2軟件，分析廣西海岸帶景觀格局動態變化狀況。

地理探測器方法[29]，通過因子探測器模塊和交互作用探測器模塊識別單因子影響力及各驅動因子之間的交互作用。以土地利用程度綜合指數[30]作為因變量，公式如下：

(1)

式中:La為土地利用程度綜合指數;Ai表示第i級土地利用程度分級指數(表1);Ci表示第i級土地利用程度分級面積百分比。

2 結果與分析

2.1 土地利用動態變化特征

2.1.1 時間變化特征 2010—2018年廣西海岸帶土地利用變化顯著。土地利用類型中優勢地類是林草地和耕地(圖2)，人工濕地、自然濕地、其他用地占比較低。2010—2018年耕地減少了1 301.28 km2，年均減少162.66 km2，且減少趨勢在加快；建設用地和林草地呈增加態勢，建設用地由1 029.09 km2(4.46%)增加至1 844.24 km2(7.99%)，增加了約815.15 km2，年均增加101.89 km2，增速最快；林草地次之，由8 792.22 km2增加至9 391 km2，年均增加74.85 km2；人工濕地和自然濕地小幅增加，分別增加了7.69 km2，7.24 km2。水體縮減34.73 km2；其他用地減少92.85 km2。說明這一時期廣西海岸帶人類活動較為劇烈，城市化加速和經濟快速發展，城鄉建設用地不斷擴張，耕地遭侵蝕較為嚴重，保護力度有待加強；林草資源發展與保護較好，尤其是經濟林發展不可小覷，紅樹林保護得到加強；除季節性降水影響外，填海造陸、水產養殖及過度用水等活動正侵蝕著水體。

表1 土地利用程度分級賦值

圖2 廣西海岸帶土地利用類型面積及變化

2.1.2 空間變化特征 廣西海岸帶土地利用變化空間差異較為明顯(圖3)。耕地集中分布在合浦縣、上思縣、欽北區和欽南區，2010—2018年靈山縣耕地縮減面積最大(373.77 km2)，耕地縮減處伴隨著林草地和建設用地擴張。建設用地主要分布在合浦縣、靈山縣、欽南區等行政區劃較大的區域及處于城市發展核心地帶的海城區、港口區、東興市等，2010—2018年靈山縣、浦北縣、銀海區及鐵山港區擴張明顯。上思縣、靈山縣、浦北縣是林草地集中分布區，2010—2018年欽南區、合浦縣、鐵山港區林草地擴張面積大，其中欽南區林草地擴張面積最大(180.72 km2)，浦北縣林草地縮減最多(77.90 km2)。水體和自然濕地主要分布在緩沖區、合浦縣、欽南區和上思縣，2010—2018年緩沖區水體縮減面積最大(45.73 km2)，合浦縣水體擴張面積最大(17.02 km2)。其他地類空間變化不明顯。

圖3 廣西海岸帶土地利用結構分區

2.1.3 動態度變化特征 從土地利用單一動態度上看(圖4)，變化速度依次為建設用地>其他用地>耕地>自然濕地>林草地>人工濕地>水體，2010—2018年建設用地增幅最大，動態度為8.80%；2010—2014年的其他用地縮減幅度最大，動態度為-10.48%；2010—2018年水體減幅最小，動態度為-0.11%。表明該區域對其他用地進行了大量開發和開荒造林活動，從而加速了其他用地的喪失，而建設項目劇增及城鄉發展需要，則導致建設用地急劇變化。土地利用綜合動態度隨時間變化而上升，2010—2014年、2014—2018年和2010—2018年3個時段的綜合動態度為分別為1.12%，1.37%和1.52%，總體屬土地利用快速變化型[31]，并有向土地利用急劇變化型演變趨勢。

圖4 廣西海岸帶土地利用動態度變化

2.1.4 土地利用轉移特征 通過構建土地利用轉移矩陣分析，發現2010—2018年廣西海岸帶各土地利用類型間轉變較大，尤其是林草地、建設用地和耕地(表2)。耕地轉變最顯著，主要轉變為林草地、建設用地和水體，其中轉變為林草地最為劇烈(2 297.12 km2)；林草地主要轉變為耕地、建設用地、水體和其他用地，向耕地轉變的幅度最大(1 547.29 km2)；建設用地主要轉變為耕地、林草地、人工濕地和水體，向耕地轉變幅度最大(247.25 km2)；水體主要轉換為建設用地、耕地和人工濕地，向耕地轉化面積最大(92.99 km2)；其他用地主要轉變為林草地和耕地，轉變為林草地最為劇烈(120.7 km2)；人工濕地主要轉為水體、建設用地和耕地；自然濕地轉變最不明顯，主要轉變為林草地和水體。說明研究期內耕地、林草地和建設用地3種地類間交替轉化較為頻繁和活躍，而耕地大面積轉為林草地和建設用地，存在耕地林化與建設占用現象，應加強管控與監測，減緩轉變趨勢；封山育林、開荒造林取得一定成效；水體漲落對人工濕地和自然濕地產生一定的影響。

表2 廣西海岸帶土地利用轉移矩陣 km2

2.2 景觀格局演變特征分析

2010—2018年，廣西海岸帶各景觀指數變化明顯。斑塊數量(198 504～240 731)、斑塊密度(8.602 7～10.432 7)、景觀分割度指數(0.951 8～0.956 0)、分離度指數(20.749 8～22.747 5)、香濃多樣性指數(1.285 9～1.332 9)和香濃均勻度指數(0.660 8～0.685 0)均呈波動上升的變化特征(表3)。表明廣西海岸帶地區景觀的異質性和復雜性增加，愈加破碎和均勻。2010—2018年水體最大斑塊指數最高，且其斑塊數量、斑塊密度及破碎度指數波動下降，表明水體景觀隨時間變化而集聚性上升，斑塊片狀效果增強；耕地則相反，2010—2018年期間斑塊數量、斑塊密度和破碎度指數遞增，最大斑塊指數減小，表明其受干擾大，分布隨時間變化而散化；建設用地的最大斑塊指數、斑塊數量和斑塊密度增速明顯，破碎度指數略微下降，表明建設用地擴張迅速，建設用地的集聚特征更加突出(圖5)。

人工濕地、自然濕地兩種景觀的最大斑塊指數、斑塊數量及斑塊密度都增加，人工濕地破碎度指數上升，自然濕地破碎度指數下降，表明這兩種景觀出現一定程度擴張，而人工濕地逐漸呈破碎化和分散化發展，自然濕地則更加均勻化和集中分布。

2.3 土地利用變化驅動因素分析

2.3.1 因子探測 對廣西海岸帶土地利用變化的各因子影響程度定量化，以3個年份的平均q值作為驅動因子貢獻力參考(表4)。GDP(0.202)、社會固定資產投資(0.195)和城鎮化率(0.181)等人文因子對其土地利用變化的影響較大，平均貢獻率為17.82%，說明廣西海岸帶土地利用變化主要受人類活動影響，人文因子在整個變化過程中起主導作用。自然因子的影響相對較小，平均貢獻率僅9.72%，其中植被類型(0.210)、坡度(0.156)、海拔(0.139)和土壤類型(0.132)四項因子在自然因子中貢獻率最高，主要體現在對土地類型空間分布和功能劃分的影響上；年平均降水量(0.033)、年平均氣溫(0.039)和蒸發量(0.050)等因子對其土地利用變化影響較小。

圖5 廣西海岸帶各地類景觀指數統計

表3 廣西海岸帶整體景觀指數統計

2.3.2 因子間交互作用探測 在交互探測結果中選取解釋力均在0.3以上的21組因子進行分析。由表5可知，所選取的21組因子間交互作用類型以雙因子增強與非線性增強為主，人文因子與自然因子間交互作用較為強烈。人文因子與自然因子中的坡度、海拔兩個因子的交互最為強烈，其中GDP與坡度、第二產業增加值與海拔、GDP與海拔三組因子交互作用值最高，交互作用值均為0.36。說明廣西海岸帶地區土地利用變化是人文因子與自然因子協同作用的結果，人文因子占優(平均單一因子力大)，且人文因子與自然因子交互作用強于人文因子間交互作用與自然因子間交互作用。自然因子的參與使得兩種因子共同影響力是各自單一影響力的將近兩倍，從而加速了廣西海岸帶土地利用變化。

3 討論與結論

3.1 討 論

(1) 人文因子在廣西海岸帶土地利用變化過程中起主導作用。廣西海岸帶地勢平坦，資源豐富，環境優美，自古以來即適宜人類居住和開發建設。近年來，廣西北部灣經濟區、中國—東盟自由貿易區、北部灣城市群的規劃、建設和新型城鎮化發展，使得廣西海岸帶在區域中地位快速提升，成為全區乃至全國重大項目建設的主要分布區。開發建設、人工填海等活動在促進本地區經濟發展的同時，也加大了土地開發、經營和管理壓力，導致土地利用結構和數量在一定程度上發生了變化。2010—2018年廣西海岸帶建設用地面積激增、耕地持續快速的縮減，而且還存在耕地撂荒和耕地種林的現象。相關部門應該立足存量，積極開展城市更新和城鄉建設用地增減掛鉤等整治措施；加大宣傳力度，鼓勵居民拆舊建新；嚴格審批，有效控制建設用地有序增減。同時，應加強對密集型農業區域的監管，加強耕地和永久基本農田保護，防止違法占用及破壞耕作層導致質量下降行為，嚴格落實耕地占補平衡機制，占優補優，確保基本農田數量不減少、質量不降低。

(2) 近些年，在紅樹林生態修復與保護、退耕還林、營造生態防護林等生態文明建設措施驅動下，廣西海岸帶土地利用趨于健康發展，取得了良好的生態、經濟和社會效益[32]。廣西山口紅樹林自然保護區、茅尾海紅樹林自然保護區及北海國家濕地公園的建設發展，提升了廣西海岸帶紅樹林資源修復與保護力度。廣西海岸帶林草地和自然濕地面積呈正增長趨勢，正成為區域可持續發展、海岸防護及綠色生態發展的強有力支撐。此外，大量增減掛鉤和舊房拆除等土地整治活動，退耕還林、還湖等生態建設措施，使得一些建設用地轉變為耕地、耕地變林草地或水體等。但是，廣西海岸帶的生態修復與保護任務依然艱巨，應堅持生態保育，加強監測與審批，繼續落實林業體系建設與紅樹林保護政策，防止耕地林業化，促進土地可持續利用。

表4 廣西海岸帶土地利用變化影響因子探測值

表5 因子交互作用q值及相應交互關系

(3) 人類活動影響下，廣西海岸帶土地利用變化對氣候變化的影響不可忽視[33]。森林過度采伐、城市建設及工農業生產等活動導致土地利用變化的同時，易造成溫室氣體增加、能量和水分輸送不平衡、形成局地微氣候等問題，影響區域乃至全球氣候。因此，海岸帶土地利用過程中應注重各用地間的平衡協調和景觀格局的營建與優化，從而一定程度緩解溫室氣體排放與氣候變化背景下海平面上升對海岸帶土地的侵蝕；同時應加強對海岸帶地區極端天氣的監控與預報，預防驟發性大規模氣象災害等造成的不良影響。

3.2 結 論

(1) 2010—2018年廣西海岸帶土地利用變化顯著。耕地年均減少162.66 km2，建設用地年均增加101.89 km2，各地類單一動態度存在明顯差異，綜合動態度逐段上升。土地利用方式改變、經濟社會發展等使得土地利用類型間發生不同程度轉變，林草地、耕地和建設用地間相互轉化最為劇烈，其他地類轉變幅度不大。

(2) 2010—2018年廣西海岸帶土地利用結構不斷優化，各地類配置趨于合理，景觀格局呈斑塊破碎化、多樣化和均勻化演變趨勢。景觀水平尺度上的各指數呈上升態勢。水體最大斑塊指數最高，斑塊數量、斑塊密度及破碎度指數波動下降，是廣西海岸帶優勢景觀。耕地受干擾大，分散化明顯，建設用地擴張迅速且集聚特征突出。人工濕地、自然濕地呈一定程度擴張，而自然濕地更加均勻和集中。

(3) 2010—2018年廣西海岸帶土地利用變化是人文因子與自然因子綜合作用的結果，人文因子是主導因子，自然因子的影響較小。因子間交互作用類型主要為雙因子增強和非線性增強兩種，人文因子與自然因子中的海拔、坡度兩個因子的交互最為強烈，人文因子占優。土地利用變化抗干擾功能提升，驅動因子對土地利用變化的總體影響程度逐年下降。