1990—2015年劍湖流域土地利用變化動態(tài)及趨勢預測

郭玉靜 王 妍 鄭 毅 劉云根 侯 磊 張 超 聞國靜

(1. 西南林業(yè)大學環(huán)境科學與工程學院，云南 昆明 650224；2. 西南林業(yè)大學國家高原濕地研究中心，云南 昆明 650224；3. 西南林業(yè)大學農村污水處理研究所，云南 昆明 650224；4. 西南林業(yè)大學林學院，云南 昆明 650224)

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1990—2015年劍湖流域土地利用變化動態(tài)及趨勢預測

郭玉靜1,2王 妍1,3鄭 毅1劉云根1,3侯 磊1,3張 超4聞國靜1

(1. 西南林業(yè)大學環(huán)境科學與工程學院，云南 昆明 650224；2. 西南林業(yè)大學國家高原濕地研究中心，云南 昆明 650224；3. 西南林業(yè)大學農村污水處理研究所，云南 昆明 650224；4. 西南林業(yè)大學林學院，云南 昆明 650224)

基于1990—2015年6期Landsat影像數(shù)據(jù)，借助ArcGIS平臺，采用土地利用動態(tài)度、轉移矩陣及CA-Markov模型，研究了近25年劍湖流域土地利用動態(tài)變化特征，并預測其未來15年土地利用變化趨勢。結果表明：1990—2015劍湖流域土地利用空間格局發(fā)生了明顯變化，變化面積達8.18%，變化速度表現(xiàn)為先減小后增加再減小又增加的趨勢；25年間水域面積減少93.51 hm2，未利用地面積減少2 664.99 hm2，農地面積增加1 038.42 hm2，林地面積增加450.81 hm2，建筑用地面積增加1 269.27 hm2，土地利用強度逐漸增大；2015—2020年、2020—2030年土地利用格局基本保持了1990—2015年的變化趨勢，建筑用地和林地繼續(xù)增加，預計2030年建筑用地和林地面積將分別為3 300、33 588 hm2。

劍湖流域；土地利用；轉移矩陣；CA-Markov模型；變化動態(tài)；趨勢

人類活動在城市、區(qū)域、國家和全球范圍內影響著土地利用變化，因此對土地利用變化過程的研究和未來的預測成為全球變化研究的重要領域[1-3]。當前在研究土地利用變化過程中，常用的研究方法有土地利用程度綜合指數(shù)、土地利用轉移矩陣、土地利用動態(tài)度、土地利用類型的重心遷移、景觀格局指數(shù)等[4-7]。高原湖泊具有地形獨特、流域面積小、水源補給有限、換水周期長、污染風險高、富營養(yǎng)化等特點[8-10]，前人在高原湖泊研究中先后采用景觀格局指數(shù)分析了研究區(qū)景觀演變特征和驅動因子[11-12]，采用轉移矩陣、動態(tài)度、利用程度等方法研究了流域土地利用變化特征和空間分異規(guī)律[7]，采用構建庫茲涅茲曲線研究了云南省高原湖泊流域土地利用與水環(huán)境變化的異質性等[13]，均取得較好的成果，對高原湖泊的保護具有重要的理論和現(xiàn)實意義。然而關于高原湖泊流域的土地利用模擬預測卻鮮有報道，因此深入研究高原湖泊流域土地利用動態(tài)變化，對于保護和修復高原湖泊濕地生態(tài)系統(tǒng)具有重要意義。

劍湖是典型高原湖泊，屬瀾滄江流域，是云南省省級自然保護區(qū)，在調節(jié)流域氣候和保護生物多樣性等方面發(fā)揮著巨大作用[14]，但目前存在湖面面積萎縮和水質變差等問題。目前，對劍湖的研究主要集中在湖泊沉積[15]、濕地土壤[16-17]、湖濱帶[18-19]、濕地植物[20-21]、濕地生態(tài)修復[22]等方面，從土地利用及動態(tài)變化的角度討論流域保護卻少有報道。本研究以劍湖流域1990—2015年具有代表性的6期Landsat影像為基礎數(shù)據(jù)，對劍湖流域土地利用動態(tài)變化及預測進行研究，以期為土地利用總體規(guī)劃和區(qū)域土地資源合理利用以及劍湖保護提供充足的理論依據(jù)和有效的決策支持。

1 研究區(qū)自然概況

研究區(qū)劍湖流域位于青藏高原與云貴高原交界處的橫斷山脈中斷東側，地貌類型多樣，結構復雜，主要地貌類型有山地地貌和河谷與盆地地貌。劍湖是侵蝕構造型湖泊，位于云南省大理州劍川縣縣城東南部，地處東經99°55′，北緯26°28′，距縣城4.5 km，海拔2 186 m。

劍湖流域屬瀾滄江流域西江水系，有永豐河、金龍河、格美江、螳螂河和獅河等主要河流匯入湖中，劍湖出水口進入黑惠江后流入漾濞江，最終進入瀾滄江。劍湖湖濱濕地水生維管植物112科281屬，有443種；主要動物種類魚類15種，隸屬于3目4科14屬；鳥類32科62屬94種；兩棲動物13種；爬行動物16種。劍湖流域的動植物資源豐富多樣，其中部分動植物是國家級的保護對象，如國家II級保護植物海菜花 (Otteliaacuminata)，國家I級保護動物黑鶴 (Ciconianigra)，以及國家II級保護動物赤麻鴨 (Tadomaferruginea)。2006年劍湖被云南省人民政府批準為省級自然保護區(qū)，總面積4 630.3 hm2，其主要保護對象是濕地野生動植物和高原濕地生態(tài)系統(tǒng)。

2 數(shù)據(jù)與方法

2.1 研究數(shù)據(jù)

本研究以劍湖流域1990年、1995年、2000年、2005年、2009年、2015年6期TM/OLI影像為主要信息源，采集土地利用圖等相關地理數(shù)據(jù)，進行影像糾正和輔助解譯?？紤]研究區(qū)的氣候特征、云霧狀況等，采用4、5、3波段組合，對圖像進行幾何校正、大氣校正、數(shù)據(jù)融合等預處理后，利用Erdas和ArcGIS軟件，并根據(jù)GB/T 21010—2007 《土地利用現(xiàn)狀分類》，結合劍湖流域土地資源的性質和特點，將研究區(qū)土地利用類型劃分為農地、林地、水域、建筑用地和未利用地，其中將火燒跡地、宜林荒山荒地和草地劃分到未利用地，水庫和湖泊劃分到水域 (圖1)，建立劍湖流域6期土地利用空間數(shù)據(jù)庫。

2.2 研究方法

本研究采用土地利用動態(tài)度、土地利用轉移矩陣和CA-Marcov模型進行土地利用動態(tài)變化分析和模擬預測研究。土地利用動態(tài)度刻畫了某段時間范圍內各土地利用類型的數(shù)量變化，包括土地資源數(shù)量變化、土地利用空間變化和土地利用類型組合方式變化等，可分為單一土地利用動態(tài)度和綜合土地利用動態(tài)度2類[23]，計算公式參考文獻[23-24]。土地利用轉移矩陣描述了各種土地利用類型之間的轉換，是用來刻畫區(qū)域土地利用變化方向和各土地利用類型研究期末的來源和構成[25]，計算公式參考文獻[26]。CA-Markov模型是以馬爾科夫鏈為基礎，根據(jù)事件現(xiàn)狀預測未來各個時刻變動狀況，是一種對事件發(fā)生概率進行預測的手段和方法，計算公式參考文獻[25]。

3 結果與分析

3.1 土地利用動態(tài)度分析

根據(jù)單一類型土地利用動態(tài)度和綜合土地利用動態(tài)度計算公式，計算劍湖流域1990—2015年建筑用地、林地、農地、水域以及未利用地的年平均動態(tài)變化情況，結果見表1。

單一類型土地利用動態(tài)度計算結果表明：建筑用地、林地和農地的面積持續(xù)增加，其中建筑用地年變化率由1990—1995年的1.06%增至2000—2005年的10.84%，之后增加速率變緩，從2005—2010年的1.41%降至2010—2015年的1.08%；林地年變化率呈現(xiàn)出先減小后上升又減小的增長趨勢，1990—1995年年變化速率最高，為0.95%，這是因為1991年以來劍川縣實施森林保護和森林培育，林地面積得以持續(xù)增加；農地年變化率由1990—1995年的0.09%增至2000—2005年的0.56%，繼而增速先減小又小幅上升；與建筑用地、林地和農地變化趨勢相反，流域內水域和未利用地面積不斷減少，水域變化速率總體上不斷減小，由1990—1995年的0.31%減至2010—2015年的0.47%；未利用地的年變化減少速率總體在減小，由1990—1995年的1.55%減至2010—2015年的7.5%。

圖1 1990—2015年劍湖流域土地利用類型

表1 劍湖流域1990—2015年土地利用動態(tài)度計算結果

綜合土地利用動態(tài)度計算結果表明：1990—1995年劍湖流域全部土地年變化率為0.09%，增至2000—2005年的0.30%，達到最大值，然后又逐漸減至2010—2015年的0.08%，劍湖流域土地利用變化速率呈現(xiàn)先增加后減少的特征。

3.2 土地利用類型轉換

1990—2015年分時段劍湖流域土地利用轉移矩陣見表2。

表2 1990—2015年分時段劍湖流域土地利用轉移矩陣

由表2轉移矩陣計算可知，1990—1995年、1995—2000年、2000—2005年、2005—2010年和2010—2015年土地利用變化的面積分別占總面積的23.16%、2.27%、3.90%、0.90%、1.47%，1990—2015年土地利用類型發(fā)生變化的面積為8.18%。表明25年來隨經濟發(fā)展和城鎮(zhèn)化進程加快，劍湖流域土地利用發(fā)生了明顯變化，但其變化速度表現(xiàn)為 “W” 的形式，即先減小后增加再減小后又增加的趨勢。

1990—2015年劍湖流域建筑用地面積持續(xù)增加。在此時段內劍湖流域建筑用地無轉出，轉入的面積比例為19.6% (面積為1 271.21 hm2)，其主要來源為農地和未利用地，農地占轉入面積的58.24%，未利用地占轉入面積的34.02%。值得注意的是，在2000—2005年建筑用地的轉入量為845.94 hm2，在5個時段內轉入量最大。

1990—2015年林地的轉入總量大于轉出總量，林地轉為其他土地類型的比例為1.75% (面積為576.87 hm2)，其中85.02%的林地轉為農地；從其他土地利用類型轉為林地的面積為1 023.29 hm2，其主要來源于未利用地的轉移，使林地面積增加了532.81 hm2。

1990—2015年農地面積持續(xù)增加，農地轉化為其他土地類型的比例為6.58% (面積為839.57 hm2)，從其他土地類型轉為農地的比例為47.19% (面積為1 876.97 hm2)，其主要來源為林地和未利用地，其中在2000—2005年農地轉出量為22.87%，同時其轉入量為3.24%，其轉出轉入量之差為5個時段內最大。

水域面積在25年間呈現(xiàn)總體下降趨勢，水域變化特征主要與林地和農地相關。相比其他用地類型，各個時段內水域轉入轉出量值較小，總共轉出量為99.24 hm2，轉入量為7.36 hm2，導致水域的面積減少91.88 hm2，其中劍湖面積由1990年的470.42 hm2減少至2015年的451.72 hm2。

未利用地面積在25年間總體下降速度較快，轉出量為2 263.15 hm2，其中33.70%轉為林地，50.07%轉為農地，16.23%轉為建筑用地，而轉入量只有2.78 hm2，其中轉自林地的有1.09 hm2，轉自農地的有0.69 hm2，是面積變化最大的土地利用類型。

3.3 土地利用變化趨勢預測

依據(jù)CA-Marcov模型及1990—2015年土地利用類型的轉移矩陣，并以2015年各地類面積占全部地類面積的比例為初始狀態(tài)矩陣，獲得2020年和2030年土地利用變化趨勢，結果見圖2和表3。

圖2 2020年與2030年土地利用類型預測

表3 2015年與2030年土地利用類型面積比較

由圖2和表3可知，2015—2020年土地利用格局基本保持了1990—2015年的變化趨勢，建筑用地和林地均有所增加，其中建筑用地增加540 hm2，林地增加47 hm2。與以往變化不同的是農地開始減少，到2020年減至13 553 hm2。水域和未利用地繼續(xù)呈減少趨勢，其中水域減少13 hm2，未利用地減少334 hm2。2020—2030年與2015—2020年的變化格局相同，建筑用地和林地繼續(xù)增加，其中建筑用地增加370 hm2，林地增加54 hm2；農地、水域和未利用地都呈減少趨勢，農地減少171 hm2，水域減少7 hm2，未利用地減少245 hm2。

4 結論與討論

4.1 結 論

1) 不同階段的土地利用動態(tài)度存在較大差異。從單一土地利用動態(tài)度來看，建筑用地和農地增速先增大又減小，2000—2005年建筑用地和農地年變化速率達到最大值，分別為10.84%和0.56%；林地面積一直在增加，但呈現(xiàn)不規(guī)則的規(guī)律性；水域和未利用地一直在減小，水域由1990—1995年的0.31%減小為2010—2015年的0.47%；未利用地的年變化減少速率總體在減小，由1990—1995年的1.55%減至2010—2015年的7.5%。從土地利用綜合動態(tài)度來看，1990—2015年劍湖流域土地利用變化速度表現(xiàn)為前期較快、后期趨緩。

2) 1990—1995年、1995—2000年、2000—2005年、2005—2010年、2010—2015年，土地利用變化的面積分別占總面積的23.16%、2.27%、3.90%、0.90%、1.47%，劍湖流域土地利用變化速度表現(xiàn)為 “W” 的形式，即先減小后增加再減小又增加的趨勢。1990—2015年的25年間水域面積減少93.51 hm2，未利用地面積減少2 664.99 hm2，農地面積增加1 038.42 hm2，林地面積增加450.81 hm2，建筑用地面積增加1 269.27 hm2，土地利用強度逐漸增大。

3) 運用CA-Marcov模型對2020年和2030年劍湖流域土地利用結構進行預測，結果表明：在未來5年內建筑用地和林地面積有所增加，分別增加540 hm2和47 hm2；與以往變化不同的是農地開始減少，其主要是建筑用地的使用導致農地減少了240 hm2；水域和未利用地將繼續(xù)減少，分別減少了13 hm2和 334 hm2。在未來15年內林地和建筑用地會持續(xù)增加，農地則會大量減少，許多農地和其他類型土地將會被建筑用地占據(jù)，到2030年建筑用地和林地面積將分別為3 300、33 588 hm2，農地面積將減小到13 382 hm2；水域將繼續(xù)減少，到2030年面積將為737 hm2；未利用地也將大幅度減少，到2030年面積將為125 hm2。

4.2 討 論

1) 土地利用變化是全球變化的一個重要組成部分，人類活動對自然環(huán)境的影響是顯著的[27]。研究表明，劍湖流域林地的面積自1990年以來一直在增加，1990年劍湖流域森林覆蓋率約為64.61%，1998年實施的 “天然保護林工程” 和1999年實施的 “退耕還林工程” 均顯著的增加了森林面積[28]，到2015年森林覆蓋率上升至65.49% (含國家特別規(guī)定灌木林覆蓋率)。森林覆蓋率的增加，有效的遏制了劍湖流域的水土流失，對劍湖入湖污染物和水質的保護具有重要意義。

2) 研究結果表明，1990—2015年建筑用地一直呈增加趨勢，且由預測可知劍湖流域在未來15年內建筑用地將增加910 hm2，而農地和未利用地的面積將分別減少411 hm2和579 hm2，這些變化主要是人口增加導致的社會活動加劇，社會撫養(yǎng)方面的要求也同時提高，如糧食、住房、社會服務需求等，而這部分面積的增加是以減少農地和未利用地為代價，因此劍湖流域在今后的發(fā)展中應注重基本農地的保護并遏制其減少，將開發(fā)重點放在未利用地上。

3) 永豐河、金龍河和獅河等劍湖水源日漸枯竭，到枯水季節(jié)已基本無水補給[29]，加之永豐河、金龍河攜帶大量泥沙在入湖口沉積導致入湖口萎縮，且湖濱帶被農業(yè)占用現(xiàn)象較為嚴重，致使劍湖水域面積由1990年的470.42 hm2減少到2015年的451.72 hm2。因此，應對主要入湖河流永豐河和金龍河等建立阻止泥沙入湖的防護系統(tǒng)，在流域上游實施植樹造林[29]，提高森林水源涵養(yǎng)和水土保持的功能，為從源頭保護劍湖水源提供良好的生態(tài)環(huán)境[12]，并加強劍湖湖濱帶生態(tài)建設，實施退耕還湖、退塘還湖和水生植物恢復等措施，有效遏制劍湖水域面積的減少。

本研究對劍湖流域土地利用的變化進行分析，主要是針對土地利用動態(tài)度和土地利用轉移矩陣的分析以及對未來土地利用的預測，總結出該流域土地利用動態(tài)變化規(guī)律以及土地利用類型相互間轉移規(guī)律，對與之緊密相關的變化的驅動力及時空變化特點缺少研究，因此在今后的研究中，還需進一步完善和探索影響劍湖流域土地利用變化的驅動機制。

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(責任編輯 曹 龍)

The Dynamic Changes and Simulating Prediction of Land Use in Jianhu Lake Basin from 1990 to 2015

Guo Yujing1,2, Wang Yan1,3, Zheng Yi1, Liu Yungen1,3, Hou Lei1,3, Zhang Chao4, Wen Guojing1

(1.College of Environmental Science and Engineering, Southwest Forestry University, Kunming Yunnan 650224, China;2. National Plateau Wetlands Research Center, Southwest Forestry University, Kunming Yunnan 650224, China;3. Research Institute of Rural Sewage Treatment, Southwest Forestry University, Kunming Yunnan 650224, China;4. College of Forestry, Southwest Forestry University, Kunming Yunnan 650224, China)

Based on six Landsat images data from 1990 to 2015, we studied land use changes in Jianhu Lake basin over the past 25 years and then forecasted the changing trends in the following 15 years using land use dynamic degree, transition matrix and CA-Markov model aided by ArcGIS platform. The results showed that from 1990 to 2015, significant changes in land use patterns (up to 8.18%) were observed. The change rates in land use patterns first increased, then decreased and increased again. In the past 25 years, water-covered and unused land area decreased by 93.51 hm2and 2 664.99 hm2, respectively. Meanwhile, farmland, forest and construction land area increased by 1 038.42 hm2, 450.81 hm2, and 1 269.27 hm2, respectively. The land use patterns during 2015-2020 and 2020-2030 years basically kept the similar variation trends with those during 1990-2015. The construction and forest land increased continuously, which was predicated to reach 3 300 hm2and 33 588 hm2, respectively.

Jianhu Lake basin, land use, transition matrix, CA-Markov model, dynamic change, tendency

10. 11929/j. issn. 2095-1914. 2016. 06. 014

2016-03-31

國家自然科學基金 (31560237、31460195、51469030) 資助。

王妍 (1980—)，女，副教授。研究方向：生態(tài)修復及景觀生態(tài)。Email: wycaf@126.com。

S771.5

A

2095-1914(2016)06-0087-07

第1作者：郭玉靜 (1990—)，女，碩士生。研究方向：濕地生態(tài)修復。Email: 15100317358@163.com。