稀土开采县土地利用与生态环境空间耦合研究*

陈沛如,陈永林

(赣南师范大学 地理与环境工程学院,江西 赣州 341000)

0 引言

土地利用与生态环境协调发展是区域不断追求的重要发展目标.随着经济的快速发展,土地开发利用在追求高效益时常常忽视土地的承载能力,导致生态环境问题频发,影响生态文明建设.因此,探讨土地利用与生态环境的耦合关系,对于优化区域土地利用结构,改善区域生态环境状况,实现区域可持续发展均具有重要意义.

现有研究表明,区域土地利用与生态环境之间存在复杂的非线性动态耦合关系[1].土地利用变化会引发生态环境的变化,生态环境发生变化同时也限制着土地开发利用,二者相互影响又互相牵制[2].因此,国内外学者从不同角度对土地利用与生态环境的耦合关系进行了深入研究.国外学者多从土地利用变化的生态效应方面进行研究,RAHAMAN等通过研究巴达曼地区土地利用变化对生态环境参数的影响,包括LST,NDVI和NDWI,证明了土地利用变化对生态环境产生负面影响[3];TEREFE等通过研究埃塞俄比亚中部高地40年土地利用变化对生态系统服务价值的影响,指出土地利用变化特别是森林覆盖变化,是降低生态系统服务估值的原因[4];MOROSIN等利用3D建模技术可视化土地利用对城市环境的影响,认为优化土地利用可在一定程度上调节生态环境,保持土地环境中生态系统的相对平衡[5].国内学者多通过构建土地利用和生态环境两个系统的评价体系,运用模型测算区域耦合协调度,划分协调发展类型并把握其变化趋势.土地利用系统的定量评价常选取土地利用效率[6]、土地利用强度[7]和土地利用隐性形态[8]等指标.生态环境状况的评价主要依靠生态系统服务价值[9]、土地生态安全[10]和景观生态风险指数[11]等方法.评价模型常采用耦合协调度数学模型[12]、交互作用机制模型[13]和Tapio脱钩模型[14]等.目前,国内外已有的研究成果多集中在省市、流域和山区等大尺度区域,对于县乡小尺度区域的协调发展研究较少.因此,本研究以赣南5个稀土开采县为研究对象,采用土地利用程度综合指数和遥感生态指数评价区域的土地利用程度和生态环境质量,结合耦合协调模型和空间自相关分析,探究土地利用与生态环境的空间耦合关系,可丰富土地利用与生态环境耦合关系的研究视角,为相似区域提供参考.

江西赣州是国内稀土的重要产区,也是南方离子吸附型稀土矿的主要源地,开采总量占全国的70%.经学者确认,赣州下辖的18个县市均有稀土分布,开采则主要集中在龙南、定南、全南、寻乌、信丰、安远、赣县、宁都8县市.稀土开采促使区域经济迅速发展,导致土地利用结构发生剧烈变化,进而改变了区域的土地利用程度[15],同时也产生了一系列的生态环境问题.基于此,本研究以稀土主要开采区中的5个县域为研究区,分析长时间序列下土地利用与生态环境空间耦合关系的时空变化特征,以期为区域优化利用土地资源和合理安排生态建设提供参考.

1 研究区概况

图1 研究区概况图

本研究以赣州稀土主要开采区中的5个县域为研究区,也是稀土国家规划矿区涉及的县区,分别为信丰县、安远县、全南县、龙南市和定南县,地理坐标范围为(114°10′～115°37′E,24°29′～25°36′N),总面积约为9719.90km2(图1).研究区以丘陵山地为主,属亚热带季风性湿润气候,矿产资源丰富,稀土矿的面积约占区域总面积的三分之一,以露天开采为主.40多年的稀土开采历史既促进了地方经济发展,也造成了不同程度的区域生态环境破坏.水土流失、尾水污染、耕地受灾等生态环境问题在稀土开采区普遍存在.

2 数据来源与研究方法

2.1 数据来源

本研究的土地利用/覆被数据采用武汉大学杨杰等[16]研究发布的中国土地覆盖数据集,空间分辨率为30m,利用ArcGIS软件进行数据裁剪,并将土地利用类型分为耕地、林地、草地、水域、建设用地、未利用地6大类.Landsat遥感影像数据获取自Google Earth Engine平台,空间分辨率为30m,均通过大气表面反射率校正和波段正射校正.高程数据来源于地理空间数据云(http://www.gscloud.cn/)中的ASTER GDEM 30M分辨率数字高程数据,经过ArcGIS软件拼接裁剪处理.行政边界数据来源于自然资源部门提供的土地调查数据.

2.2 研究方法

2.2.1 土地利用指数

2.2.2 遥感生态指数

2.2.3 耦合协调模型

表1 耦合协调度等级划分标准

3 结果与分析

3.1 土地利用程度的时空变化特征

为了便于分析研究区内土地利用程度的区域差异,在自然断点法的基础上将各乡镇的土地利用程度综合指数分为5级,得出2000—2019年赣南稀土开采县土地利用程度空间分布(图2).由图2可知,研究区的土地利用程度具有北高南低、西高东低的空间分布特征,土地利用程度较强的区域主要分布在信丰县、龙南市北部和安远县南部,全南县和定南县的土地利用程度较弱.相比于其他县市,信丰县的国土面积最大,其林地占比最小,类型指数高的耕地和建设用地较多,使其土地利用程度较强.而全南县和定南县因林地和未利用地的占比较大,导致土地利用程度较弱.2000—2019年,大部分乡镇的土地利用程度保持不变,14个乡镇的土地利用程度有一定的提升,只有信丰县安西镇的土地利用程度等级下降.

图2 2000—2019年赣南稀土开采县土地利用程度空间分布

信丰县的中心镇为嘉定镇,其与周围的大塘埠镇、大阿镇和小河镇的土地利用程度一直处于较高水平.2000—2019年,信丰县北部的西牛镇和南部的小江镇的土地利用程度逐渐增强,表明信丰县具有南北向的发展趋势,南北分别外接龙南市和南康区.安远县土地利用程度较强的乡镇为孔田镇和重石乡,主要受地形的影响,安远县城镇的发展较为分散.县域内山林资源丰富,南部的三百山国家森林公园推动着当地旅游业的发展,使周围区域的土地利用程度明显增强.20年来,全南县的土地利用程度一直处于中下水平,土地利用程度较强的地区为城厢镇和大吉山镇,2014—2019年中寨乡的土地利用程度由较弱等级上升为中等等级.龙南镇、东江乡和渡江镇是龙南市土地利用程度较强的乡镇,这些乡镇是龙南市城镇建设的中心,九连山镇和安基山林场是土地利用程度弱的乡镇,二者的区域内95%以上都是林地.2000—2019年间定南县各乡镇的土地利用程度一直处于中等及以下的等级,中心城镇历市镇的程度最强.

3.2 生态环境质量的时空变化特征

为了便于比较乡镇间生态环境质量差异,采用等间隔法将各乡镇的遥感生态指数均值分为5级,得出2000—2019年赣南稀土开采县生态环境质量空间分布(图3).由图3可知,研究区内土地利用程度较强的乡镇生态环境质量普遍较差,说明土地利用的变化会一定程度的影响生态环境.研究区北部的生态环境质量明显低于南部,与土地利用程度的空间特征呈相反态势.生态环境质量优良的区域主要分布在包括全南县在内的西南部地区,这些区域是天然林地和植被覆盖度较高的山区,湿度和绿度指标均较高.环境质量较差的地区主要聚集在县域的城镇中心,包括信丰县、龙南市和定南县,这些植被覆盖度较低的城镇建设区属于典型的热岛区.2000—2019年,10个乡镇的生态环境质量等级下降,主要位于龙南市北部、信丰县西北部和安远县南部,21个乡镇的环境质量等级上升,主要呈带状分布在研究区中部,包括安远县东部、信丰县东部以及龙南市与定南县的交界处.

图3 2000—2019年赣南稀土开采县生态环境质量空间分布

图4 土地利用程度与生态环境质量的耦合协调度

3.3 耦合协调度的时空变化特征

各年份土地利用程度与生态环境质量的耦合协调度计算结果如图4所示.由图4可知,2000—2019年土地利用指数与遥感生态指数的耦合度比较稳定,数值处于0.90～1之间,两系统的相互作用程度很高.2000—2019年研究区的耦合协调度处于0.60～0.90之间,皆属于协调阶段,整体呈上升趋势.综上,说明5县市在土地利用和生态环境协调发展工作取得了较大成效,土地开发利用和生态环境保护方面呈现协同向好的发展趋势.

2000—2019年赣南稀土开采县耦合协调程度空间分布如图5所示,因各乡镇的发展水平不同,耦合协调程度存在明显的区域差异.由图5可知,2000—2019年研究区的耦合协调程度明显从低水平向高水平转变,呈现北高南低、西高东低的空间分布格局,耦合协调度较高的区域具有从随机分散到集中连片的空间演变规律.从乡镇层面来看,2000—2019年只有龙南市东江乡的耦合协调度下降,由初级协调转变为中度失调,其生态环境质量随土地利用程度的增强逐渐变差,48%的乡镇的耦合协调度上升,其中安远县重石乡、信丰县的嘉定镇和大塘埠镇的变化最大,从失调阶段转变到协调阶段,这些乡镇的土地利用程度变化不大,生态环境质量大幅上升,说明乡镇的生态环境得到改善,与土地利用协同向好发展.龙南市安基山林场一直处于失调等级,其生态环境质量处于较高水平,而土地利用程度一直处于弱水平,两系统之间存在很大差距,土地利用与生态环境发展不平衡.

图5 2000—2019年赣南稀土开采县耦合协调程度空间分布

3.4 耦合协调度的空间自相关分析

图6 2000—2019年赣南稀土开采县耦合协调度空间集聚分布

2000年、2004年、2009年、2014年和2019年研究区的耦合协调度全局莫兰指数分别为0.27、0.23、0.12、0.15和0.06,呈下降趋势,表明土地利用程度与生态环境质量的耦合协调度具有正向空间关联性,仅有2000年和2004年通过0.01%的显著性检验,2014年通过0.10%的显著性检验,表明耦合协调度高或低的地区与周边地区明显具有空间聚集特征.图6为研究区的耦合协调度局部莫兰指数空间集聚分布,能反映局部区域的集聚性及分异特征.由图6可知,研究区耦合协调度的集聚分布以高高集聚为主,主要分布在信丰县、全南县和安远县,高低集聚区主要分布在龙南市和安远县,低高集聚区主要位于信丰县和全南县,低低集聚区主要位于安远县、全南县和龙南市.

2000—2019年,信丰县的集聚发生在县域西部,高高集聚区明显扩大,低高集聚区与其相邻,嘉定镇、大塘埠镇和小河镇的生态环境质量均滞后于土地利用程度,生态环境质量有待提高.安远县的低低集聚区分布在县域北部,高高集聚区分布在南部,表明安远县的耦合协调度呈北低南高的空间分布,北部的土地利用程度和生态环境质量均低于南部.全南县的高高集聚区以南迳镇和中寨乡为中心,以陂头镇为中心形成低低集聚区,以龙源坝镇为中心形成低高集聚区.2014年龙南市以渡江镇、程龙镇和临塘乡为中心形成低低集聚区,以桃江乡、龙南镇和汶龙镇为中心形成高低集聚区,2019年以程龙镇为中心形成低低集聚区,以桃江乡和渡江镇为中心形成高低集聚区.

4 讨论

赣南稀土开采县属于南方丘陵山区,土地利用类型以耕地和林地为主,处于北部的信丰县和安远县的林地总量低于南部的全南县、龙南市和定南县,植被覆盖是影响生态环境质量的主要因素[21],故研究区北部的环境质量低于南部.同时,林地也是制约区域发展的主要土地类型[22],在城镇化进程中,山林资源丰富的区域既要满足土地利用开发的需求,又要兼顾生态文明建设,发展难度较大导致研究区南部的土地利用程度比北部弱.因此,在土地利用程度与生态环境质量的耦合协调过程中产生南北分异的空间格局,其与土地利用程度的空间分布特征一致,说明土地利用程度是耦合协调度的主要影响因素.不同于前人的研究,本研究利用遥感数据并侧重从乡镇空间的角度分析土地利用与生态环境的耦合协调关系,能直观地看出各个区域的土地利用程度与生态环境质量的空间差异和协调程度.

结合研究结果,依据区域实际情况,特提出以下对策建议:一是针对土地利用程度强、生态环境质量差的发展不平衡类乡镇,可借鉴协调发展类乡镇的发展经验,土地开发利用适度放缓,优化土地利用结构,积极开展生态修复与生态文明建设,走绿色可持续发展路线;二是针对生态环境质量优、土地利用程度弱的发展不平衡类乡镇,可借助自身生态优势,发展生态农业和林下经济,节约集约利用建设用地,制定乡镇特色发展路线;三是针对土地利用和生态环境协调发展类乡镇,要发挥辐射带动作用,可与周围发展较弱的乡镇建立合作关系,促进区域整体土地利用与生态环境质量平衡发展.

5 结论