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(píng)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(hào)：F301.2；X171.1 文獻(xiàn)標(biāo)志碼：A DOI：10.19415/j.cnki.1673-890x.2025.10.002

我國(guó)作為世界上最具多樣性和復(fù)雜性的土地利用國(guó)家之一，土地利用變化問(wèn)題尤為突出，特別是西部地區(qū)，受到農(nóng)業(yè)擴(kuò)張、工業(yè)化和城市化的共同作用，問(wèn)題更為突出[1。廣西百色市位于我國(guó)西南部，屬于典型的喀斯特地貌區(qū)域，具有獨(dú)特的自然景觀和生態(tài)系統(tǒng)。隨著經(jīng)濟(jì)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(duì)生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)的影響，對(duì)促進(jìn)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(shí)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(gè)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(guó)土空間總體規(guī)劃（2021—2035年）》，此為百色市首個(gè)國(guó)土空間總體規(guī)劃，是對(duì)全國(guó)國(guó)土空間規(guī)劃綱要、廣西國(guó)土空間總體規(guī)劃的落實(shí)和深化，是對(duì)百色市國(guó)土空間開(kāi)發(fā)保護(hù)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(shí)施提供空間保障，是規(guī)范開(kāi)發(fā)建設(shè)活動(dòng)秩序、實(shí)施國(guó)土空間用途管制和編制專項(xiàng)規(guī)劃、下層次國(guó)土空間規(guī)劃的基本依據(jù)。

2 研究方法

2.1數(shù)據(jù)來(lái)源

研究所使用的數(shù)據(jù)來(lái)源多樣，涵蓋遙感影像、土地利用現(xiàn)狀數(shù)據(jù)及社會(huì)經(jīng)濟(jì)數(shù)據(jù)等多種類型。遙感影像數(shù)據(jù)主要來(lái)源于衛(wèi)星影像，能夠精確反映不同時(shí)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(lái)自全國(guó)土地利用數(shù)據(jù)庫(kù)和自然資源部發(fā)布的土地利用年度動(dòng)態(tài)監(jiān)測(cè)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(huì)經(jīng)濟(jì)數(shù)據(jù)主要依托國(guó)家統(tǒng)計(jì)局發(fā)布的《百色市統(tǒng)計(jì)年鑒》和《廣西統(tǒng)計(jì)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(cè)方法

土地利用變化的檢測(cè)通過(guò)多時(shí)相遙感影像結(jié)合地理信息系統(tǒng)（Geographic Information System，GIS）技術(shù)進(jìn)行精細(xì)化分析。采用支持向量機(jī)（SupportVectorMachine，SVM）分類算法對(duì)土地利用類型進(jìn)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(duì)不同時(shí)期的土地利用分類結(jié)果進(jìn)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(shí)間內(nèi)土地利用類型 i 轉(zhuǎn)移到類型 j 的面積，計(jì)算公式為

式中： δ_LUCC（i，j，p） 表示像元 p 在某一起始時(shí)刻屬于類型 i ，在某一結(jié)束時(shí)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(shí)期各土地利用類型之間的轉(zhuǎn)移強(qiáng)度及其方向。

采用莫蘭指數(shù)（Moran'sI）進(jìn)行空間自相關(guān)分析，以評(píng)估土地利用變化的空間聚集程度，計(jì)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(gè)像元的土地利用強(qiáng)度值； 表示土地利用強(qiáng)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(qiáng)度的方差。當(dāng)Moran'sI值接近1時(shí)，表示強(qiáng)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(shí)，表示強(qiáng)負(fù)相關(guān)，即變化呈空間分散狀態(tài)；Moran'sI值接近0時(shí)，表示變化為隨機(jī)分布[4]

2.3生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)評(píng)估模型

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

在碳儲(chǔ)量評(píng)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(chǔ)量和土壤碳儲(chǔ)量之和，計(jì)算公式為

C_total=C_above+C_below+C_soil+C_dead

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

在水源涵養(yǎng)服務(wù)評(píng)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(jì)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(shí)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(duì)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(shí)間趨勢(shì)，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(zhǎng)，從1990年的 23 000hm² 增長(zhǎng)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(kuò)張是驅(qū)動(dòng)這一趨勢(shì)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(jì)減少 5500hm² ，降幅為 8.09% 。城市擴(kuò)張與農(nóng)業(yè)開(kāi)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(gè)研究期間呈持續(xù)減少趨勢(shì)，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(guò)度開(kāi)發(fā)的影響。4）建設(shè)用地面積顯著增長(zhǎng)，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(jìn)程和基礎(chǔ)設(shè)施建設(shè)是這一趨勢(shì)的主要推動(dòng)力。

3.2 生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)評(píng)估

基于InVEST模型對(duì)百色市1990—2020年期間的生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)進(jìn)行了定量評(píng)估，主要集中于碳儲(chǔ)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(chǔ)量從1990年的6827.25t下到2020年的下降至 3831.96t ，碳儲(chǔ)量減少 43.87% 。林地的碳匯功能對(duì)區(qū)域碳平衡的貢獻(xiàn)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(shì)主要受城市擴(kuò)張和農(nóng)業(yè)用地?cái)U(kuò)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(chǔ)量顯著降低。2）草地的碳儲(chǔ)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(duì)碳儲(chǔ)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(guò)度放牧密切相關(guān)。3）耕地的碳儲(chǔ)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(lái)的農(nóng)業(yè)結(jié)構(gòu)調(diào)整。4）建設(shè)用地的碳儲(chǔ)量在研究期內(nèi)相對(duì)穩(wěn)定，從1990—2020年碳儲(chǔ)量略有波動(dòng)。建設(shè)用地的擴(kuò)展雖然提升了經(jīng)濟(jì)發(fā)展，但同時(shí)加劇了碳排放，導(dǎo)致碳儲(chǔ)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(duì)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(jìn)程中，林地面積的減少對(duì)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(shì)，從1990年的 8003.41mm 下降到2020年的 3 381.23mm ，降幅高達(dá) 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(zhǎng)到2020年的 5696.63mm ，增幅為 381.96% 。在農(nóng)業(yè)現(xiàn)代化過(guò)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(yǔ)與討論

百色市在過(guò)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(zhǎng)，尤其是在2010—2020年間，這主要受到農(nóng)業(yè)擴(kuò)張的驅(qū)動(dòng)。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(zhǎng)，增加 55.29% ，這反映了城市化進(jìn)程和基礎(chǔ)設(shè)施建設(shè)的迅猛發(fā)展。

土地利用變化對(duì)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(chǔ)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(jìn)一步加劇了生態(tài)退化。耕地在碳儲(chǔ)量和水源涵養(yǎng)方面有所提升，但其總量較低，對(duì)整體生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)的貢獻(xiàn)相對(duì)有限。

百色市的快速城市化和農(nóng)業(yè)擴(kuò)張對(duì)生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)產(chǎn)生了負(fù)面影響，尤其是在碳儲(chǔ)量和水源涵養(yǎng)能力方面。因此，未來(lái)百色市在推進(jìn)經(jīng)濟(jì)發(fā)展的同時(shí)，應(yīng)加強(qiáng)對(duì)生態(tài)系統(tǒng)的保護(hù)與恢復(fù)，平衡經(jīng)濟(jì)發(fā)展與環(huán)境保護(hù)的關(guān)系，實(shí)現(xiàn)區(qū)域可持續(xù)發(fā)展目標(biāo)。

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（責(zé)任編輯：張春雨）