近20年西雙版納土地利用特征研究

李君 楊欣 張卓亞 李甜江 郎曉雪 馬月偉

摘要：以ENVI為平臺(tái)，采用監(jiān)督分類方法，解譯西雙版納1996年和2016年兩個(gè)時(shí)期的遙感影像。對(duì)監(jiān)督分類后的結(jié)果進(jìn)行分析，主要結(jié)論如下：①林地和橡膠為主要類型;②林地減少，橡膠用地?cái)U(kuò)大并聚集成片，且橡膠是面積增長(zhǎng)最多、變化強(qiáng)度最大的地類;③橡膠主要由林地和耕地轉(zhuǎn)化而來，說明這段時(shí)期內(nèi)受到較大程度的人為干擾;④景觀格局的優(yōu)勢(shì)度變大，景觀異質(zhì)性和穩(wěn)定性降低。

Abstract： The spatial and temporal change patterns in land use were quantified by interpreting Landsat images from 1996 and 2016 and using the method of landscape ecology， and various landscape metrics were calculated at class and landscape levels. The main conclusions are as follows ：①The pattern of land use was mainly composed of forest land and rubber in the study area;②However there was a decrease in forest land， on the contrary， rubber area was expanded and gathered. In addition， the rubber's the change intensity and the area of the growth were the most large among all the class.③Rubber was mainly transformed form forest land and farmland. Therefore， this study area suffer from a larger degree of human disturbance during the study period. ④During the period between 1996 and 2016， the dominance increased， the landscape heterogeneity and landscape stability reduced.

關(guān)鍵詞：土地利用/土地覆蓋;空間格局;動(dòng)態(tài)變化;西雙版納

Key words： land use/land cover;spatial pattern;dynamic change;Xishuangbanna

中圖分類號(hào)：F301.24? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? 文章編號(hào)：1006-4311（2019）21-0219-04

0? 引言

土地利用/覆蓋變化（Land Use / Land Cover Change，簡(jiǎn)稱LUCC）研究是地理學(xué)綜合研究的國(guó)際性前沿課題它既是全球變化的結(jié)果也是全球變化的重要原因[1]。20年來，由于西雙版納地區(qū)人口數(shù)量迅猛增加，以及大量的原始森林和林地被砍伐用來種植橡膠等經(jīng)濟(jì)林，研究區(qū)的LUCC空間格局已發(fā)生較大的變化。本研究利用遙感技術(shù)結(jié)合景觀生態(tài)學(xué)的原理，以ENVI5.0軟件作為處理平臺(tái)，對(duì)1996和2016年遙感影像解譯。最后對(duì)西雙版納20年來LUCC空間格局變化特征進(jìn)行分析，以及對(duì)導(dǎo)致LUCC發(fā)生的驅(qū)動(dòng)因素進(jìn)行定性分析。從而為西雙版納傣族自治州的生態(tài)可持續(xù)提供科學(xué)依據(jù)。

1? 研究區(qū)概況

西雙版納（21°09′～22°36′N，99°58′～101°50′E）處于云南省南部邊緣，位于橫斷山脈南部，處在北回歸線以南的熱帶北部。地貌格局以中低山和丘陵為主，絕大部分地區(qū)海拔均低于1500m，海拔在800m以下區(qū)域所占面積為3452km2，占總區(qū)域的18%，800m～1500m的區(qū)域面積為12611km2，占總區(qū)域的65.7%，海拔高度大于1500m的地區(qū)占總區(qū)域的15.3%。年平均氣溫在18～22℃之間，日常最高溫約為30℃，月極端最低溫度為6℃，極端最高溫可達(dá)41.1℃。日照時(shí)數(shù)為1800～2464.5小時(shí)，≥10℃的活動(dòng)積溫為5062～8000℃，林冠年積溫可超過9000℃。年平均降水量為1193.7～2492mm之間，有明顯的干濕季之分，雨季在每年的5月至10月，該時(shí)間段內(nèi)降雨量占全年的80%，干季則為每年的11月至次年4月，2月平均降水量可低于20mm，雖然冬季少雨，但霧濃，彌補(bǔ)了降水量的不足。州境內(nèi)土壤有9個(gè)土類，18個(gè)亞類，55個(gè)土屬，其中主要土類為赤紅壤、磚紅壤、紅壤和紫色土，它們分別占總面積的61.07%、15.65%、8.3%和7.6%。屬西部型季風(fēng)熱帶氣候，該氣候類型造成了西雙版納地區(qū)具有長(zhǎng)夏無冬且秋春相連，夏季時(shí)長(zhǎng)較長(zhǎng)的特點(diǎn)。地勢(shì)中部低、四周高，再加上海拔相對(duì)高差大等特點(diǎn)，造就了西雙版納地區(qū)擁有極其豐富的生物多樣性，動(dòng)物、植物等種類眾多，單單是植物種類就高達(dá)20000多種。被譽(yù)為“動(dòng)植物王國(guó)”和“生物基因庫(kù)”。

2? 材料和方法

2.1 數(shù)據(jù)來源及處理

本研究的數(shù)據(jù)主要來自于中國(guó)科學(xué)院計(jì)算機(jī)網(wǎng)絡(luò)信息中心國(guó)際科學(xué)數(shù)據(jù)鏡像網(wǎng)站和美國(guó)地質(zhì)勘測(cè)局（United States Geological Survey，簡(jiǎn)稱USGS）的2016年西雙版納landsat8遙感影像數(shù)據(jù)和1996年西雙版納landsat5遙感影像數(shù)據(jù)。

利用ENVI5.0軟件作為處理平臺(tái)，先對(duì)西雙版納的1996年和2016年的TM和ETM遙感影像進(jìn)行幾何校正、融合、圖像增強(qiáng)和拼接等處理。然后，利用在合成遙感影像時(shí)不同的波段組合能增強(qiáng)不同地物的特點(diǎn)，使某些被增強(qiáng)的地物被優(yōu)先識(shí)別出來并有效與其他地物進(jìn)行區(qū)分，再加上不同地物的紋理有不同的特征，通過目視解譯從而得到解譯標(biāo)志。并參照國(guó)家農(nóng)業(yè)區(qū)劃委員會(huì)規(guī)定的分類標(biāo)準(zhǔn)，最終得到水域、居民用地、耕地、林地、橡膠和水田/濕地六種地物。本研究中，六種地物的感興趣區(qū)（Region of Interest，簡(jiǎn)稱ROI）的個(gè)數(shù)均在100～200個(gè)之間，這確保了分類結(jié)果有較高的精度。監(jiān)督分類需重復(fù)進(jìn)行，根據(jù)每次的分類結(jié)果，對(duì)于不合適的分類，則在分類樣本中進(jìn)一步調(diào)整興趣樣本，再做分類直至滿意，最后得到分類結(jié)果圖1、圖2。1996年影像分類結(jié)果的總體精度達(dá)99.45%，Kappa系數(shù)為0.9794;2016年影像分類結(jié)果的總體精度達(dá)99.36%，Kappa系數(shù)為0.9791。

2.2 研究方法

2.2.1 動(dòng)態(tài)度量指標(biāo)

可通過年變化率指數(shù)K來表示。計(jì)算后可以通過對(duì)比不同地物類別在研究時(shí)段內(nèi)的面積增減大小和變化速度，來得到相關(guān)土地利用/覆蓋變化特征。

式中K表示年變化率，Ua、Ub為初期和末期地類面積（km2），T為時(shí)間間隔。

分析地類的變化速度的同時(shí)，也要分析各個(gè)地類的變化強(qiáng)度，即哪一地類為該研究區(qū)的主要變化類型，這就要計(jì)算變化強(qiáng)度指數(shù)P[2]。

公式中，P為變化強(qiáng)度指數(shù)，Ua、Ub與年變化率中一致，U為總面積（km2），T為時(shí)間間隔。

2.2.2 地類間的轉(zhuǎn)移

為分析地類間的轉(zhuǎn)移方向和特征，本研究通過LUCC流向百分比矩陣來表示[3]。計(jì)算包括轉(zhuǎn)移概率和貢獻(xiàn)率。

公式中Bij表示轉(zhuǎn)移概率，它定義了初期的i類地物轉(zhuǎn)變?yōu)槟┢诘膉類地物的面積與初期的i類地物面積之比，n表示地物類別個(gè)數(shù)。

公式中Cij表示貢獻(xiàn)率，它定義了初期的i類地物轉(zhuǎn)變?yōu)槟┢诘膉類地物的面積與末期的j類地物的面積之比，n表示地物類別個(gè)數(shù)。

2.2.3 景觀格局指標(biāo)

為定量研究景觀格局的變化特征，本研究分析以下三個(gè)指標(biāo)[4]：

①土地利用/覆蓋多樣性（H）

可度量景觀豐富度、異質(zhì)性以及復(fù)雜性。其計(jì)算公式為：

在式中，n是地物類型的數(shù)量，Pi表示i類地物的面積與研究區(qū)域的總面積的比例。

②土地利用/覆蓋優(yōu)勢(shì)度（D）

表示某類地型支配整個(gè)區(qū)域的強(qiáng)度[5]。其計(jì)算公式為：

在公式中，n 是該地區(qū)土地覆蓋類型的總數(shù)。Pi 是該地區(qū)土地覆蓋類型i 的比例。

③土地利用/覆蓋均勻度（E）

用于表示景觀中地類分布的均勻程度。它的計(jì)算公式為：

式中，

3? 結(jié)果與分析

3.1 結(jié)構(gòu)特征和動(dòng)態(tài)度分析

從表1中可以看出1996年和2016年西雙版納州土地利用主要以林地為主，面積分別占研究區(qū)域總面積的69.24%和67.69%，其次為橡膠用地，1996年和2016年橡膠用地面積分別占總面積的23.75%和26.56%，其余地物所占比例不大，合計(jì)面積在1996年和2016年分別共占總面積的7.01%和5.76%。

西雙版納州在20年間土地利用結(jié)構(gòu)發(fā)生了較大變化，除橡膠和水域用地面積增長(zhǎng)外，其余地物類別面積都減小。其中以橡膠增長(zhǎng)為主，橡膠面積增加了537.93km2，水域也出現(xiàn)了較小程度的增長(zhǎng)，其所占面積增長(zhǎng)了50.67km2，這和在此20年間的水庫(kù)建設(shè)有很大關(guān)系。林地的占地面積降低了297.93km2，是所有地物類別中降低最多的。除此之外，耕地用地面積降低了182.44km2，國(guó)家的退耕還林政策是導(dǎo)致耕地減少的主要原因。

從表2可以看出，水田/濕地是變化最快的，年變化率為-1.77%，而想要得到所有土地利用/覆蓋類型中哪一類是主要的變化類型，則需要看P值的高低。水田/濕地的變化強(qiáng)為-0.04‰，是所有土地利用/覆蓋類型中最小的，因此水田/濕地這類地物對(duì)西雙版納州區(qū)域的土地利用/覆蓋變化的影響也最小。雖然橡膠地類的年變化率K值只有0.59%，但橡膠地類的變化強(qiáng)度P值高達(dá)1.40‰，是所有土地利用/覆蓋類型中最大的，所以，橡膠用地是西雙版納區(qū)域的土地利用/覆蓋變化的主要類型。其次是林地，年變化率為-0.11%，變化強(qiáng)度為-0.77‰;耕地的年變化率為-1.74%（-0.48‰）;居民用地年變化率為-1.43%（-0.24‰）;水域的年變化率為0.56% （0.13‰）;水田/濕地的年變化率為-1.77%（-0.04‰）。

3.2 土地利用/覆蓋變化流向百分比矩陣分析

通過計(jì)算轉(zhuǎn)移概率與貢獻(xiàn)率，將計(jì)算結(jié)果列于表3。

得到以下結(jié)論：①在1996年到2016年的20年間，西雙版納地區(qū)的各個(gè)土地利用類別之間發(fā)生了較為明顯的轉(zhuǎn)移過程，耕地、林地和橡膠用地為主要變化類型;②林地用地面積減少，轉(zhuǎn)出類型主要為橡膠，這與九十年代正處在改革發(fā)展的一個(gè)高速發(fā)展的時(shí)期有很大關(guān)系，一切以經(jīng)濟(jì)發(fā)展為主要目的，人們?yōu)榱舜罅Πl(fā)展經(jīng)濟(jì)去砍伐森林和林地之后通過種植橡膠來在較短時(shí)期內(nèi)快速獲得更高的經(jīng)濟(jì)效益;③橡膠用地面積在整個(gè)時(shí)間段內(nèi)增加了537.93km2，年增幅為0.59%，主要由林地和耕地轉(zhuǎn)化而來。在由林地向橡膠用地轉(zhuǎn)換過程中，主要通過砍伐焚燒雨林的方法來使林地變成橡膠用地。這樣的方式對(duì)當(dāng)?shù)卦加炅值纳鷳B(tài)環(huán)境有著很大的破壞作用，比如，加重了西雙版納的水土流失現(xiàn)象以及西雙版納的有霧日逐漸減少等環(huán)境退化現(xiàn)象;④20年間，西雙版納區(qū)域內(nèi)的橡膠則主要轉(zhuǎn)為耕地和林地，原因則是橡膠種植達(dá)到種植年限，橡膠產(chǎn)量下降，經(jīng)濟(jì)價(jià)值降低，使人們砍伐橡膠林改為耕地或者林地，種植其他經(jīng)濟(jì)作物來獲取經(jīng)濟(jì)效益;⑤耕地的轉(zhuǎn)出類型為林地，這與國(guó)家退耕還林的政策有很大關(guān)系，尤其是自2005年以后，國(guó)家更加注重發(fā)展低碳經(jīng)濟(jì)，注重對(duì)環(huán)境的保護(hù)，使得研究區(qū)經(jīng)濟(jì)發(fā)展的熱度有所下降，經(jīng)濟(jì)增速的降低也提高了對(duì)林地的保護(hù)。

3.3 空間格局分析

將三項(xiàng)景觀指數(shù)計(jì)算結(jié)果表示為圖3。

從圖3中可以看出，西雙版納地區(qū)的多樣性指數(shù)（H）由1996年的0.38降低到2016年的0.37。西雙版納地區(qū)的均勻度指數(shù)（E）由1996年的0.49降低到2016年的0.48。兩者的降低表現(xiàn)出西雙版納地區(qū)的景觀穩(wěn)定性和異質(zhì)性在減少。而西雙版納地區(qū)的優(yōu)勢(shì)度指數(shù)（D）則由1996年的0.40增加到2016年的0.41，這主要是由于橡膠面積不斷擴(kuò)大并聚集成片，使得林地和橡膠地物景觀占有更大優(yōu)勢(shì)，而與其他景觀組分的面積比例差距拉大所造成的，追求經(jīng)濟(jì)利益的人類活動(dòng)是導(dǎo)致這一現(xiàn)象的主要原因。

4? 結(jié)論與討論

4.1 討論

在幾十年的時(shí)間尺度上，影響土地利用變化因素中人類活動(dòng)為主要因素[6]。所以，西雙版納地區(qū)從1996年到2016年間的20年的較短時(shí)間尺度上，使LUCC產(chǎn)生和發(fā)展的驅(qū)動(dòng)因素主要有以下三個(gè)：

4.1.1 基于少數(shù)民族土地價(jià)值觀上的人口增長(zhǎng)

本研究區(qū)內(nèi)生活著眾多少數(shù)民族，他們的生產(chǎn)勞作方式以刀耕火種方法為主。而此種方式只有在人口的數(shù)量較少并且耕地的輪作休閑期較長(zhǎng)的情況下，才能使土地達(dá)到可持續(xù)發(fā)展的效果。20年間人口數(shù)量猛增，人地矛盾也隨著人口的增長(zhǎng)而加劇。為了解決這些問題，當(dāng)?shù)鼐用窬屯ㄟ^砍伐焚燒原始雨林和森林，使大量的原始雨林等林地轉(zhuǎn)變?yōu)楦赜玫?，又因?qū)ν恋卮笈d開墾后而不加保護(hù)，使得大量的林地退化為荒地和草地，這是造成西雙版納地區(qū)在20年內(nèi)土地利用/覆蓋發(fā)生較大變化的主要原因。

4.1.2 國(guó)家強(qiáng)制性的政策法規(guī)

九十年代之前國(guó)家實(shí)施的橡膠林地?cái)U(kuò)種政策和土地聯(lián)產(chǎn)承包責(zé)任制政策都促使了西雙版納地區(qū)的當(dāng)?shù)鼐用襁M(jìn)行砍伐焚燒原始森林雨林和大興開墾林地的行為，將大量的林地和雨林開發(fā)成耕地用地。2000年后，國(guó)家更加注重發(fā)展低碳經(jīng)濟(jì)，注重環(huán)境保護(hù)，先后在1999和2014年兩年實(shí)行了兩次退耕還林政策。使得研究區(qū)經(jīng)濟(jì)發(fā)展的熱度有所下降，經(jīng)濟(jì)增速的降低也提高了對(duì)林地的保護(hù)，在本研究中，耕地的轉(zhuǎn)出類型主要為林地，這就與當(dāng)時(shí)的退耕還林政策有直接關(guān)系。

4.1.3 經(jīng)濟(jì)利益驅(qū)使下的人類活動(dòng)

空間變化是社會(huì)關(guān)系變化的表現(xiàn)，涉及農(nóng)民和政府等不同主體，他們之間存在著利益博弈，各主體追求自身利益最大化是橡膠面積增長(zhǎng)的主要原因[7]。就九十年代而言，一切以經(jīng)濟(jì)發(fā)展為主要目的，正處在改革發(fā)展的一個(gè)高速發(fā)展的時(shí)期，人們?yōu)榱舜罅Πl(fā)展經(jīng)濟(jì)去砍伐森林和林地之后通過種植橡膠來在較短時(shí)期內(nèi)快速獲得更高的經(jīng)濟(jì)效益。所以，為使西雙版納地區(qū)的生態(tài)環(huán)境和經(jīng)濟(jì)更好的可持續(xù)發(fā)展，當(dāng)?shù)卣畱?yīng)對(duì)橡膠等經(jīng)濟(jì)林的種植有更全方位的考慮和規(guī)劃。

4.2 結(jié)論

①研究區(qū)的土地利用類型構(gòu)成以林地和橡膠為主，1996年和2016年的林地面積分別占研究區(qū)域總面積的69.24%和67.69%，橡膠面積占區(qū)域總面積的23.75%和26.56%;

②在研究時(shí)段內(nèi)林地面積減少最多，減少了297.21km2，而橡膠用地面積增長(zhǎng)最多且集中化并向四周擴(kuò)散，面積增長(zhǎng)了537.93km2，變化強(qiáng)度最大為1.40‰，所以橡膠是西雙版納地區(qū)土地利用變化的主要類型;

③橡膠主要由林地和耕地轉(zhuǎn)化而來，說明這段時(shí)期內(nèi)受到較大程度的人為干擾，主要通過砍伐焚燒雨林和經(jīng)濟(jì)作物改種為橡膠的方法來使林地和耕地變成橡膠用地。這樣的方式對(duì)當(dāng)?shù)氐纳鷳B(tài)環(huán)境有著很大的破壞作用，比如，水土流失現(xiàn)象的加重和有霧日逐漸減少等;

④耕地流轉(zhuǎn)類型主要為林地，與國(guó)家1999年實(shí)施退耕還林政策密切相關(guān)。特別是2005以來，國(guó)家高度重視發(fā)展低碳經(jīng)濟(jì)，重視環(huán)境保護(hù)，使得研究區(qū)經(jīng)濟(jì)發(fā)展的熱度有所下降，經(jīng)濟(jì)增速的降低也提高了對(duì)林地的保護(hù);

⑤從時(shí)間序列看，1996～2016年的20年間西雙版納地區(qū)的優(yōu)勢(shì)度（D）從0.40增加到0.41，多樣性（H）從0.38降至0.37，均勻度（E）從0.49減小到0.48，從而表現(xiàn)出西雙版納地區(qū)的景觀穩(wěn)定性和異質(zhì)性在減小;

⑥導(dǎo)致西雙版納地區(qū)土地利用/覆蓋變化的主要原因有：基于少數(shù)民族土地價(jià)值觀上的人口增長(zhǎng)、國(guó)家強(qiáng)制性的政策法規(guī)和經(jīng)濟(jì)利益驅(qū)使下的人類活動(dòng)。

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