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(xué)生命科學(xué)學(xué)院, 福州 350002 2 福建農(nóng)林大學(xué)安溪茶學(xué)院, 福州 350002 3 福建農(nóng)林大學(xué)農(nóng)學(xué)院,福州 350002

隨著我國工業(yè)化和城鎮(zhèn)化進(jìn)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(huì)經(jīng)濟(jì)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(dòng)態(tài)變化和景觀生態(tài)格局演變過程中的相互關(guān)系,因此,研究土地利用及其變化格局已成為生態(tài)學(xué)研究的熱點(diǎn)問題之一[1—4]。目前,關(guān)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(jì)發(fā)達(dá)區(qū)和生態(tài)脆弱區(qū),基于地學(xué)信息圖譜、空間自相關(guān)和地統(tǒng)計(jì)學(xué)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(xué)者基于線性相關(guān),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(dòng)機(jī)制[7]。近年來有學(xué)者應(yīng)用基于非線性假設(shè)的典范對(duì)應(yīng)分析方法(Canonical correspondence analysis, CCA)研究土地利用變化的社會(huì)經(jīng)濟(jì)驅(qū)動(dòng)機(jī)制,認(rèn)為CCA能夠直觀地分析現(xiàn)土地利用變化與社會(huì)經(jīng)濟(jì)發(fā)展之間的互作關(guān)系[1,8]。目前,國內(nèi)外許多學(xué)者針對(duì)生態(tài)環(huán)境脆弱區(qū)的土地利用變化及其對(duì)生態(tài)環(huán)境產(chǎn)生顯著影響進(jìn)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(guān)經(jīng)濟(jì)相對(duì)發(fā)達(dá)的我國東南部,特別是水資源相對(duì)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(duì)較少[5,9]。本研究之所以選擇福建乃至全國重點(diǎn)產(chǎn)茶第一縣安溪作為研究的特定研究區(qū)位,是因?yàn)樵摽h以茶業(yè)聞名全中國,是山地茶葉經(jīng)濟(jì)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(kuò)張,使茶產(chǎn)業(yè)一躍成為縣域主導(dǎo)經(jīng)濟(jì)[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(fù)雜,地塊破碎化程度較高,人類活動(dòng)對(duì)生態(tài)環(huán)境干擾程度也較為強(qiáng)烈[12]。例如,人們?yōu)榱诉M(jìn)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(hù)生態(tài)環(huán)境,導(dǎo)致水土流失現(xiàn)象相當(dāng)普遍,安溪縣生態(tài)環(huán)境相對(duì)脆弱[11,13]。而這種發(fā)展及資源消耗模式已導(dǎo)致諸多問題產(chǎn)生,如生態(tài)環(huán)境響應(yīng)對(duì)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(shì)必會(huì)引起整個(gè)生態(tài)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)與功能發(fā)生變化,進(jìn)而影響區(qū)域生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)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(yùn)用地理信息學(xué)、空間自相關(guān)和典范對(duì)應(yīng)分析等方法探究安溪縣1999—2019年土地利用的時(shí)空演化格局及其驅(qū)動(dòng)機(jī)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(jìn)而為制定區(qū)域經(jīng)濟(jì)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(gè)鄉(xiāng)鎮(zhèn)460個(gè)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(yuǎn)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(diǎn)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(dá)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(gè)全國重點(diǎn)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(guān)產(chǎn)業(yè)總產(chǎn)值達(dá)155.81億元。從事茶葉及其相關(guān)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(jì)支柱,也是農(nóng)民主要經(jīng)濟(jì)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(hù)好現(xiàn)有丘陵山地資源以及合理利用是解決當(dāng)前安溪縣人地矛盾問題的關(guān)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(chǔ),參照《土地利用現(xiàn)狀分類》(GBT 21010—2017)并結(jié)合研究區(qū)實(shí)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(yàn),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(huì)經(jīng)濟(jì)數(shù)據(jù)則主要來源于《安溪縣統(tǒng)計(jì)年鑒(2000—2020)》及歷年統(tǒng)計(jì)公報(bào)。

2.2 研究方法

2.2.1單一土地利用動(dòng)態(tài)度

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

(1)

式中,K指單一土地利用動(dòng)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(shí)段長。

2.2.2空間自相關(guān)分析

空間自相關(guān)是對(duì)附近觀測(cè)值之間相似性(相關(guān)性)的度量,分為全局自相關(guān)和局部自相關(guān)。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(guān)和局部自相關(guān)分別采用Global Moran′sI統(tǒng)計(jì)量和Local Moran′sI統(tǒng)計(jì)量表示,計(jì)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(guān)、空間負(fù)相關(guān)和空間無相關(guān)。

2.2.3土地利用變化的驅(qū)動(dòng)力分析

典范對(duì)應(yīng)分析(CCA)是一種多變量約束排序技術(shù),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(guān)系[1, 23]。因此,本研究采用典范對(duì)應(yīng)方法進(jìn)行定量分析,并結(jié)合全局空間自相關(guān)和局部空間自相關(guān)分析結(jié)合,進(jìn)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(dòng)因素的差異性特征。

(1)指標(biāo)選取 研究選取了安溪縣及其所屬24個(gè)鄉(xiāng)鎮(zhèn)作為空間分析樣本,從縣域和鎮(zhèn)域兩個(gè)不同層面的7 個(gè)一級(jí)地類,即耕地、林地、草地、園地、水域、建設(shè)用地和未利用地作為物種變量。根據(jù)區(qū)域社會(huì)經(jīng)濟(jì)發(fā)展態(tài)勢(shì)和數(shù)據(jù)可獲得性,選擇與土地利用變化相關(guān)性有極顯著水平的14個(gè)社會(huì)經(jīng)濟(jì)指標(biāo)為環(huán)境變量,這14個(gè)指標(biāo)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(huì)消費(fèi)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(huì)經(jīng)濟(jì)指標(biāo)。對(duì)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(guān)茶產(chǎn)業(yè)(包括第二、第三產(chǎn)業(yè)),同時(shí)兼顧地理?xiàng)l件和數(shù)據(jù)可得性,考慮了13個(gè)社會(huì)經(jīng)濟(jì)指標(biāo)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(shì),選擇了24個(gè)鄉(xiāng)鎮(zhèn) 2009—2019年土地利用類型及其對(duì)應(yīng)時(shí)間13個(gè)社會(huì)經(jīng)濟(jì)統(tǒng)計(jì)指標(biāo)值變化進(jìn)行絕對(duì)值標(biāo)準(zhǔn)化處理,分別構(gòu)成物種與環(huán)境因子數(shù)據(jù)矩陣。

(2)運(yùn)算平臺(tái) 本研究采用CANOCO 4.5軟件和CANODRAW 4.5作圖軟件進(jìn)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(gè)時(shí)間節(jié)點(diǎn)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(jì)

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(shè)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(duì)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(shè)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(duì)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(shè)用地主要來源于耕地和林地,兩者面積流出面積對(duì)新增建設(shè)用地面積的貢獻(xiàn)率分別達(dá)到56.16%和5.49%?？梢?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(guān)(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(shì),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(gè)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(gè)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(gè)鄉(xiāng)鎮(zhèn)；降低2—5 km2的有魁斗、長坑、尚卿、藍(lán)田、白瀨和湖上6個(gè)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(guān),靠近城郊的鄉(xiāng)鎮(zhèn)還與其城鎮(zhèn)建設(shè)用地增加有關(guān)。

3.2 安溪縣土地利用變化的空間自相關(guān)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(jì)值在16.496—54.130之間；在給定的3個(gè)年份內(nèi),全局Moran′sI值均大于0,并通過了顯著性檢驗(yàn)。這說明安溪縣各地類整體上呈正向空間自相關(guān)關(guān)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(shè)用地空間分布集聚特征則呈逐漸上升趨勢(shì)；水域和未利用土地聚集度相對(duì)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(guān)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(shí)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(gè)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(gè)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(lán)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(shè)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(huì)經(jīng)濟(jì)指標(biāo)和宏觀環(huán)境調(diào)控有關(guān)。

3.3 土地利用變化的驅(qū)動(dòng)力分析

進(jìn)一步分析土地利用變化的驅(qū)動(dòng)力結(jié)果發(fā)現(xiàn),從社會(huì)經(jīng)濟(jì)指標(biāo)發(fā)展(環(huán)境因子)與排序軸之間的相關(guān)性而言,排序軸的總特征值為0.999,前兩個(gè)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(gè)社會(huì)經(jīng)濟(jì)統(tǒng)計(jì)指標(biāo)變化均與第一、二排序軸有極顯著的相關(guān)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(huì)消費(fèi)品零售總額及n茶葉產(chǎn)量與第一排序軸呈顯著正相關(guān),而糧食產(chǎn)量與第一排序軸呈顯著負(fù)相關(guān)；第二軸則主要與m水果產(chǎn)量呈負(fù)相關(guān)關(guān)系?？梢?安溪縣各地類與社會(huì)經(jīng)濟(jì)指標(biāo)之間的互作關(guān)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(huì)經(jīng)濟(jì)指標(biāo)之間的互作關(guān)系。由表6和圖4可知,選取的14個(gè)社會(huì)經(jīng)濟(jì)指標(biāo)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(gè)分別是社會(huì)消費(fèi)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(biāo)建設(shè)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(huì)經(jīng)濟(jì)生產(chǎn)投入和產(chǎn)出的增長,會(huì)驅(qū)動(dòng)建設(shè)用地面積的增長。而建設(shè)用地和園地面積的提高,會(huì)擠壓耕地面積,從而導(dǎo)致糧食產(chǎn)量的降低。這可以從相關(guān)系數(shù)最大的安溪縣地區(qū)生產(chǎn)總值、社會(huì)消費(fèi)品零售總額1999—2019年分別增長了11.03倍和18.11倍；建設(shè)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(yàn)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(guān)。這說明社會(huì)人口和非農(nóng)人口的增長會(huì)驅(qū)動(dòng)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(guān)產(chǎn)業(yè)(茶葉加工和茶莊園生態(tài)旅游等相關(guān)產(chǎn)業(yè))有關(guān)。該排序圖反映了安溪縣土地利用類型變化和主要社會(huì)經(jīng)濟(jì)指標(biāo)變化上的相對(duì)位置與關(guān)系。從中可以清晰地看出安溪縣各社會(huì)經(jīng)濟(jì)指標(biāo)對(duì)土地利用類型變化的驅(qū)動(dòng)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(guān)分析 Fig.3 Local spatial autocorrelation analysis of land-use types in Anxi County

表5 安溪縣社會(huì)經(jīng)濟(jì)指標(biāo)與排序軸之間的相關(guān)性

當(dāng)然,由于地理位置和生態(tài)經(jīng)濟(jì)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(jìn)一步利用典范對(duì)應(yīng)分析法分析安溪縣所屬24個(gè)鄉(xiāng)鎮(zhèn)近10年(2009—2019)土地利用類型變化與對(duì)應(yīng)鄉(xiāng)鎮(zhèn)社會(huì)經(jīng)濟(jì)指標(biāo)變化的關(guān)系(圖5)。

圖4 安溪縣土地利用變化類型與社會(huì)經(jīng)濟(jì)指標(biāo)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(huì)消費(fèi)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(gè)象限中,箭頭方向表示影響因子的變化趨勢(shì),線段長度表示影響因子與歷年社會(huì)經(jīng)濟(jì)指標(biāo)的相關(guān)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(huì)經(jīng)濟(jì)指標(biāo)重要性

圖5 安溪縣所屬24個(gè)鄉(xiāng)鎮(zhèn)土地利用類型與社會(huì)經(jīng)濟(jì)指標(biāo)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(gè)鄉(xiāng)鎮(zhèn)中草地位于排序圖的第一象限,林地和建設(shè)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(guān)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(guān)關(guān)系的大小。例如,建設(shè)用地的增多和林地面積的減少相關(guān)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(guān)性次之。由此可見,在鄉(xiāng)鎮(zhèn)層面上看,建設(shè)用地?cái)U(kuò)展是以犧牲林地為代價(jià)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(dǎo)致勞動(dòng)力轉(zhuǎn)移所引起的未利用土地(棄耕地)增多有關(guān)。相比于其他類型而言,園地和草地各鄉(xiāng)鎮(zhèn)卻相對(duì)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(gè)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(gè)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(gè)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(bǔ)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(dòng)。 參內(nèi)、城廂、鳳城、尚卿4個(gè)鄉(xiāng)鎮(zhèn)與建設(shè)用地、林地歸在第二相限,其特征是建設(shè)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(dòng)。龍門、魁斗、蓬萊、湖頭、官橋5個(gè)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(dòng)。金谷、藍(lán)田、蘆田、福田、龍涓、桃舟、祥華、西坪8個(gè)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(qiáng)烈驅(qū)動(dòng)?？梢?不同鄉(xiāng)鎮(zhèn)發(fā)展的驅(qū)動(dòng)力不同,導(dǎo)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?xiàng)l件,特別是城鎮(zhèn)化水平、經(jīng)濟(jì)發(fā)展?fàn)顩r和宏觀政策調(diào)控力度不同有密切關(guān)系。

此外,CCA分析結(jié)果還可以清晰地看出13個(gè)社會(huì)經(jīng)濟(jì)統(tǒng)計(jì)指標(biāo)的變化與社會(huì)經(jīng)濟(jì)發(fā)展有密切關(guān)系,排序軸的總特征值為0.666,排序軸的前兩個(gè)排序軸分別解釋總數(shù)據(jù)量的35.4%和11.62%,說與前兩個(gè)排序軸有很大的相關(guān)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(guān)系數(shù)均在0.7以上,具有顯著正向相關(guān)關(guān)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(fù)相關(guān)。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(guān)關(guān)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(fù)相關(guān)(表7)。可見,第一和第二排序軸均視為農(nóng)業(yè)經(jīng)濟(jì)增長軸。

表7 安溪縣各鄉(xiāng)鎮(zhèn)社會(huì)經(jīng)濟(jì)指標(biāo)與排序軸之間的相關(guān)性

進(jìn)一步從安溪縣所屬24鄉(xiāng)鎮(zhèn)社會(huì)經(jīng)濟(jì)指標(biāo)重要性排序看(表8),13個(gè)指標(biāo)中達(dá)到極顯著水平的有5個(gè),其中r2越大,Pr越小越重要。其大小順序?yàn)椴枞~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(dǎo)致鄉(xiāng)鎮(zhèn)土地利用變化的最重要驅(qū)動(dòng)因素,體現(xiàn)了鄉(xiāng)鎮(zhèn)發(fā)展與縣域發(fā)展側(cè)重點(diǎn)的異同點(diǎn)。

表8 安溪各鄉(xiāng)鎮(zhèn)社會(huì)經(jīng)濟(jì)指標(biāo)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(chǔ),應(yīng)用單一土地利用動(dòng)態(tài)等方法對(duì)1999—2019年安溪縣土地利用變化特征進(jìn)行系統(tǒng)分析。在此基礎(chǔ)上,本研究采用CCA方法分析1999—2019年安溪縣及其所屬24個(gè)鄉(xiāng)鎮(zhèn)土地利用變化的驅(qū)動(dòng)力,分析結(jié)果驗(yàn)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(huì)經(jīng)濟(jì)指標(biāo)間的多變量非線性對(duì)應(yīng)關(guān)系分析,這是基于線性相關(guān)假設(shè)的其他方法所不及的優(yōu)點(diǎn),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(shì)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(shí),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(shè)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(jìn)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(bǔ)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(duì)較小。而新增的建設(shè)用地主要來源于耕地和林地,兩者流出的面積對(duì)新增建設(shè)用地面積的貢獻(xiàn)率分別達(dá)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(gè)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(shì)。其中,祥華、大坪、虎邱、參內(nèi)、福田,城廂6個(gè)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(shè)外,其余5個(gè)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(shí)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(gè)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(gè)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(gè)鄉(xiāng)鎮(zhèn)中呈高高集聚(HH)狀態(tài),建設(shè)用地主要集聚在東南部那幾個(gè)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(shì)與分布格局是縣域社會(huì)經(jīng)濟(jì)、地理生態(tài)和宏觀政策調(diào)控和驅(qū)動(dòng)的結(jié)果。

(2)給定時(shí)期的社會(huì)經(jīng)濟(jì)發(fā)展指標(biāo)和宏觀政策是驅(qū)動(dòng)安溪縣土地利用變化的關(guān)鍵因素。

研究表明,在近20年(1999—2019年),安溪縣在7類一級(jí)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(duì)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(duì)不便,而東北地區(qū)海拔相對(duì)較低,交通較為方便,城鎮(zhèn)化程度較高),主要受社會(huì)經(jīng)濟(jì)指標(biāo)和宏觀政策的驅(qū)動(dòng)因素調(diào)控,排位最大的前3個(gè)因素分別是社會(huì)消費(fèi)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(huì)經(jīng)濟(jì)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(gè)鄉(xiāng)鎮(zhèn)的特征是海拔相對(duì)較低,面向泉州、廈門,因此建設(shè)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(dòng)。另一方面,金谷、藍(lán)田、蘆田、福田、龍涓、桃舟、祥華和西坪8個(gè)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(qiáng)烈驅(qū)動(dòng),真實(shí)地反映了區(qū)域社會(huì)生態(tài)經(jīng)濟(jì)發(fā)展現(xiàn)狀及其態(tài)勢(shì)?？梢?不同鄉(xiāng)鎮(zhèn)發(fā)展的驅(qū)動(dòng)力不同,這是導(dǎo)致土地利用空間格局演化的主要原因,當(dāng)然還與地理?xiàng)l件,特別是城鎮(zhèn)化水平和經(jīng)濟(jì)發(fā)展?fàn)顩r不同有密切關(guān)系。

此外,土地利用的變化格局還與當(dāng)?shù)卣膽?zhàn)略決策引導(dǎo)有關(guān)。從宏觀環(huán)境而言,近20年來隨著安溪縣社會(huì)經(jīng)濟(jì)發(fā)展和人口城鎮(zhèn)化加速,工商業(yè)、住宅和交通等建設(shè)用地需求急劇增加,驅(qū)動(dòng)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(shè)用地面積持續(xù)增加為主。其中,建設(shè)用地面積增加速度最快,年均變化速率達(dá)到10.31%。此外,近20年來,安溪縣堅(jiān)持以茶立縣,構(gòu)建以茶葉為主導(dǎo)的全產(chǎn)業(yè)鏈發(fā)展格局,促進(jìn)了區(qū)域經(jīng)濟(jì)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(dá)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(guān)產(chǎn)業(yè)產(chǎn)值)35 億元,年均增幅1 6%,第三產(chǎn)業(yè)(相關(guān)旅游業(yè)產(chǎn)值)5 億元,年均12%增幅[24]?？梢?茶產(chǎn)業(yè)成為安溪主導(dǎo)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(dǎo)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(kuò)大。據(jù)統(tǒng)計(jì),2011—2015 年安溪縣共新種植茶園面積達(dá)14991.6 hm2,年均新種植茶園面積達(dá)3330 hm2[11],可見,近幾年安溪縣茶園規(guī)模迅速擴(kuò)大。本研究結(jié)果也證實(shí),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(jī)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(dǎo)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(jìn)區(qū)域經(jīng)濟(jì)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(guān)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(jì)、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(guān)聯(lián),這意味著茶葉產(chǎn)業(yè)的迅速發(fā)展是推進(jìn)安溪縣區(qū)域經(jīng)濟(jì)發(fā)展的關(guān)鍵因素[27]。此外,為促進(jìn)茶葉產(chǎn)業(yè)的快速高質(zhì)量發(fā)展,安溪縣出臺(tái)了一系列政策措施,提出在“建設(shè)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(jìn)行各類林業(yè)生態(tài)和茶園生態(tài)工程建設(shè)。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(shí)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(jìn)茶園由單一模式向原生態(tài)模式轉(zhuǎn)變,加強(qiáng)生態(tài)茶園建設(shè),其目的是有效控制該區(qū)域的水土流失,促進(jìn)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(shí)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(dǎo)致許多茶園不符合真正生態(tài)茶園的標(biāo)準(zhǔn)[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(qiáng)降雨、人為擾動(dòng)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(qiáng)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(qiáng)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]?？梢?上述因素使得生態(tài)茶園建設(shè)的任務(wù)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(yīng)進(jìn)一步加強(qiáng)與相關(guān)高校、科研機(jī)構(gòu)等合作,以便紓解生態(tài)茶園建設(shè)過程中出現(xiàn)的技術(shù)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(huì)經(jīng)濟(jì)和宏觀政策驅(qū)動(dòng)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(dǎo)致土地利用的時(shí)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(dòng)力,并由此引發(fā)各種正面和負(fù)面的影響。如近年來由于茶園開發(fā)過度和栽培管理不當(dāng)而導(dǎo)致水土流失和環(huán)境污染問題時(shí)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(xué)規(guī)劃,加強(qiáng)茶園生態(tài)建設(shè)和科學(xué)管理,建立生態(tài)補(bǔ)償機(jī)制,強(qiáng)化實(shí)施合理土地利用和科學(xué)保護(hù)相結(jié)合的技術(shù)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(jìn)而破壞生態(tài)環(huán)境,影響區(qū)域經(jīng)濟(jì)可持續(xù)發(fā)展。