1986—2015年滇西北地區(qū)土地利用類型時空動態(tài)研究

李曉娜 鄧忠堅 王秋華 王玉和 萬仕蓉

( 1. 西南林業(yè)大學，云南 昆明 650233；2. 云南省林業(yè)調(diào)查規(guī)劃院生態(tài)分院，云南 昆明 650002)

土地是人類生存與發(fā)展的自然基礎。土地利用狀況及其變化是陸地對人類社會經(jīng)濟活動的重要響應和表現(xiàn)，是人類陸地自然資源開發(fā)和利用的結(jié)果，與全球氣候變化、生物多樣性保護、生態(tài)環(huán)境變化等所有與可持續(xù)發(fā)展相關的問題密切相關[1-4]。人類對土地的開發(fā)利用以及由此引發(fā)的土地覆被變化被認為是全球環(huán)境變化的重要組成部分和主要原因[5-10]。近年來，區(qū)域土地利用變化的研究一直受到眾多學者的關注[11-19]。研究土地利用類型空間分布格局，有利于土地資源的合理配置。

滇西北地區(qū)位于金沙江、瀾滄江、怒江三江并流大峽谷地區(qū)，山河交錯，地貌類型復雜，孕育了豐富的動植物資源和景觀資源等，是世界生物多樣性熱點之一，是我國生物多樣性保護極其重要的生態(tài)功能區(qū)和水源涵養(yǎng)區(qū)，但由于山高坡陡，生態(tài)環(huán)境脆弱。隨著人口增加和社會發(fā)展，滇西北地區(qū)對水資源、糧食和能源以及土地資源等的需求持續(xù)增加，給研究區(qū)的生態(tài)環(huán)境帶來巨大的壓力[20-21]。土地利用類型的變化在很大程度上反映生態(tài)環(huán)境的變化，部分學者對三江并流區(qū)1983—1999年間的土地利用變化及其驅(qū)動因素進行了分析，表明森林采伐、毀林毀草開荒、林火、基礎設施建設和少數(shù)民族生產(chǎn)生活方式等因素是影響滇西北地區(qū)土地利用發(fā)生變化的根本原因[22-25]。然而，2000年以來，國家和云南省實施了大規(guī)模的生態(tài)建設工程，其對滇西北地區(qū)的影響如何尚未可知，分析1986—2015年滇西北地區(qū)的土地利用時空變化特征，對于保護滇西北地區(qū)的生物多樣性和生態(tài)系統(tǒng)功能具有重要的意義，可以為研究區(qū)制定合理的可持續(xù)發(fā)展土地利用政策提供科學依據(jù)。

1 研究區(qū)概況

滇西北地區(qū)（24°40′～29°16′N，98°07′～101°31′E）位于橫斷山脈縱谷區(qū)，境內(nèi)峽谷縱橫、山高坡陡，最高海拔6 740 m，最低海拔700 m，相對高差達到6 000 m，是中國地形地貌最為復雜的地區(qū)之一。受印度洋西南季風、太平洋東南季風和青藏高原氣團的綜合影響，該區(qū)為典型的內(nèi)陸性季風氣候，冬春季長，夏秋季短，日溫差和年溫差均較大，干濕季分明，降水集中于夏季，受地形影響，氣候復雜，山地立體氣候特征明顯。

滇西北地區(qū)包括麗江市、迪慶藏族自治州和怒江傈僳族自治州3個州市，總面積為59 173 km2，多年以來受氣候、地形和社會等多方原因的影響，生產(chǎn)水平落后，經(jīng)濟發(fā)展緩慢。1949年國民生產(chǎn)總值還不足1.40億元，改革開放以后滇西北地區(qū)經(jīng)濟發(fā)展速度加快，人口大量增加，到1988年GDP達到38.76億元，人口超過163萬；隨著社會發(fā)展，1995年人口增加到183.85萬，GDP增加到29.21億元，第一產(chǎn)業(yè)比重也由1988年的60%以上降低為不足42%。2000年前，林業(yè)采伐是研究區(qū)地方財政收入和居民獲取收入的主要來源，道路和城鎮(zhèn)建設均基于林業(yè)發(fā)展的需要，同時森林大面積采伐也導致研究區(qū)植被退化[23]；2000年以后國家實施了“天然林保護工程”，滇西北地區(qū)的經(jīng)濟收入逐漸由林業(yè)轉(zhuǎn)變?yōu)槁糜螛I(yè)等第三產(chǎn)業(yè)。截止2015年末，人口增加到223.00萬，GDP達到564.10億元，第一、第二和第三產(chǎn)業(yè)比重為23.3∶24.3∶52.4。

2 材料與方法

2.1 數(shù)據(jù)來源及處理

本研究中，1986年和1995年1∶10萬以及2005年1∶25萬土地利用數(shù)據(jù)來源于“地球系統(tǒng)科學數(shù)據(jù)共享網(wǎng)”（http：//www.geodata.cn/data/publisher.html），2015年數(shù)據(jù)下載自地理空間數(shù)據(jù)云（http：//www.gscloud.cn/）2014年12月—2016年11月期間研究區(qū)（共6景）無云或少云Landsat 8 OLI數(shù)據(jù)。

在ENVI 5.1支持下，對Landsat 8 OLI影像進行幾何校正、輻射校正、影像增強等預處理，根據(jù)研究區(qū)的邊界對遙感影像進行幾何裁剪來獲取研究范圍。

2.2 影像分類方法

利用非監(jiān)督分類的方法進行影像分類和目視解譯，借助Google earth高分辨率影像對獲得的分類數(shù)據(jù)進行人工修改和校驗，最終在ArcGIS軟件的支持下建立空間屬性數(shù)據(jù)庫，獲取滿足本研究需要的2015年滇西北地區(qū)的土地利用類型數(shù)據(jù)。

根據(jù)滇西北地區(qū)的實際土地利用狀態(tài)情況和土地利用/覆蓋變化（LUCC）體系，采用國家土地利用一級類型分類標準，將研究區(qū)土地分為耕地、林地、草地、水域、城鄉(xiāng)居住工礦用地（城鎮(zhèn)用地、農(nóng)村居民點和其他建設用地）和未利用土地6大類。在ArcGIS 10.2的支持下，將所有的數(shù)據(jù)統(tǒng)一空間分辨率為100 m×100 m（圖1）。

圖1 1986—2015年滇西北地區(qū)土地利用類型空間分布Fig. 1 Spatial pattern of land-use types in Northwest Yunnan from 1986 to 2015

精度評價是驗證影像分類結(jié)果可信度，檢驗影像分類效果的定量評價。本研究在Google影像上隨機選取樣本點，對分類結(jié)果進行精度驗證，耕地、林地、草地、水域、城鄉(xiāng)居住工礦用地和未利用土地的分類精度分別為94.35%、92.24%、93.65%、92.61%、94.00%和94.76%，總體分類精度為93.60%。

2.3 土地利用類型變化分析方法

2.3.1 土地利用類型動態(tài)度

土地利用動態(tài)度可以定量描述一定時間范圍內(nèi)各土地利用的變化速度。單一動態(tài)度的絕對值用來衡量同一土地利用類型的變化速度，絕對值越大，表明土地利用類型變化相對劇烈，反之表示研究區(qū)土地利用相對穩(wěn)定，動態(tài)度值大于0時，表示該類型面積增加，小于0表示該類型面積減小。綜合動態(tài)度可以描述區(qū)域土地利用類型的變化的劇烈程度。主要計算公式如下[18,26-27]：

式中：K和Kl分別為研究時段（T）內(nèi)某一土地利用類型的動態(tài)度和綜合土地利用類型動態(tài)度，Ua為研究初期某一土地利用類型面積（km2），Ub為研究末期某一土地利用類型的面積（km2），為研究期間第i類土地利用類型保持不變的面積（km2），為 研究時段（T）內(nèi)第i類土地利用類型轉(zhuǎn)換為j類（非i類）土地利用類型的面積的絕對值（km2）。

2.3.2 土地利用轉(zhuǎn)移矩陣

轉(zhuǎn)移矩陣作為地理學和景觀生態(tài)學的重要研究方法之一，能夠較全面地展示區(qū)域土地利用變化的結(jié)構(gòu)特征，已被廣泛的用于分析土地利用類型的動態(tài)。本研究采用研究區(qū)土地利用類型面積作為狀態(tài)轉(zhuǎn)移矩陣中的向量，分析計算了研究區(qū)1986—1995年、1995—2005年、2005—2015年3個時期的土地利用狀態(tài)轉(zhuǎn)移矩陣。

2.4 土地利用類型空間格局變化分析方法

2.4.1 分形維數(shù)和穩(wěn)定性指數(shù)分析

分形理論始于20世紀70年代，是研究不規(guī)則自相似體系的理論。分形理論將土地利用斑塊看作是不規(guī)則幾何對象，運用分形思想探討土地利用類型的分布和變化規(guī)律，可以進一步表征空間鑲嵌結(jié)構(gòu)的復雜性和穩(wěn)定性。穩(wěn)定性指數(shù)可以反映某種土地利用類型在自然狀態(tài)下抵抗外界干擾，維持自身形態(tài)的能力，是衡量土地利用結(jié)構(gòu)穩(wěn)定程度與否的基本指標。分形維數(shù)和穩(wěn)定性指數(shù)的計算方法[28-29]如下：

式中：A（r）和P（r）是分別是斑塊類型的面積和周長，D為斑塊的分形維數(shù)，C是不定常數(shù)，S為穩(wěn)定性指數(shù)。

分形維數(shù)可以用來量化斑塊形狀的復雜程度，一定程度上反映人類活動對景觀的影響。分形維數(shù)的理論值范圍為1～2，D值越大，表明斑塊的破碎程度越大。當D=1.5時，圖斑穩(wěn)定性達到臨界值。該土地利用類型的分維值越接近臨界值，其穩(wěn)定性就越差，相反則越好[29]。穩(wěn)定性指數(shù)基于分形維數(shù)計算而來，是衡量土地利用狀態(tài)穩(wěn)定程度的指標。其理論值范圍為0～0.5，S值越大，說明該地類空間結(jié)構(gòu)越處于穩(wěn)定狀態(tài)，反之越不穩(wěn)定。

2.4.2 景觀格局指數(shù)

本研究選取斑塊密度（PD）、景觀形狀指數(shù)（LSI）、景觀分割度（DIVISION）、連通度指數(shù)（COHESION）、聚集度指數(shù)（AI）、香濃多樣性指數(shù)（SHDI）和香濃均勻性指數(shù)（SHEI），運用Fragstats 4.2在類型或景觀水平上進行計算，以彌補分形維數(shù)和穩(wěn)定性指數(shù)的不足，更好的闡釋研究區(qū)土地利用類型的變化。

3 結(jié)果與分析

3.1 土地利用類型動態(tài)分析

3.1.1 土地利用類型面積變化

1986—2015年滇西北地區(qū)土地利用類型面積變化情況見圖2。由圖2可知，30 a（1986—2015年）來滇西北地區(qū)均以林地為主，各土地利用類型比例均為林地＞草地＞耕地＞未利用土地＞水域＞城鄉(xiāng)居住工礦用地。1986年滇西北地區(qū)耕地、林地、草地、水域、城鄉(xiāng)居住工礦用地和未利用土地占研究區(qū)總面積的比例分別為7.09%、65.69%、23.11%、1.19%、0.11%和 2.81%；與1986年相比，1995年林地比例增加了1.43%，其他各土地利用類型面積的比例均有所降低；與1995年相比，2005年林地面積有所降低，其他各土地利用類型面積比例均有增加；到2015年研究區(qū)的耕地、林地和城鄉(xiāng)居住工礦用地的面積分別增加至8.60%、75.36%和0.34%，草地、水域和未利用土地的面積分別降低至研究區(qū)總面積的12.77%、0.77%和2.26%。

圖1 1986—2015年滇西北地區(qū)土地利用類型面積比例Fig. 2 Percentages of land-use types in Northwest Yunnan during the period of 1986-2015

3.1.2 土地利用類型間轉(zhuǎn)化特征

以1986年、1995年、2005年、2015年4個時期的土地利用類型數(shù)據(jù)為基礎進行轉(zhuǎn)移矩陣分析，結(jié)果見表1～3。前2個時段均是林地的轉(zhuǎn)出面積最大，主要轉(zhuǎn)出流向為草地和耕地；其次是草地，主要轉(zhuǎn)向為林地和耕地。而2005—2015年，草地的流轉(zhuǎn)面積最大，主要轉(zhuǎn)出流向為耕地和林地；其次是林地，其主要轉(zhuǎn)向耕地和草地。3個時段內(nèi)，6類土地利用類型中均是城鄉(xiāng)居住工礦用地的面積轉(zhuǎn)出最少。由此可見，滇西北地區(qū)土地利用類型間的轉(zhuǎn)換主要在耕地、林地和草地之間互相流轉(zhuǎn)。與此同時，耕地的轉(zhuǎn)出面積也由第1時段的1 231.07 km2增加到第3時段的2 257.46 km2，其主要轉(zhuǎn)向為林地和草地，其次是城鄉(xiāng)居住工礦用地。與前2個時段相比，第3時段的各類土地利用類型互相轉(zhuǎn)化面積大幅增加，這可能與近年來滇西北地區(qū)的人口變化與經(jīng)濟的快速發(fā)展密切相關。

表1 1986—1995年土地利用類型轉(zhuǎn)移矩陣Table 1 Transition matrix of land-use types from 1986 to 1995 km2

表2 1995—2005年土地利用類型轉(zhuǎn)移矩陣Table 2 Transition matrix of land-use types from 1995 to 2005 km2

表3 2005—2015年土地利用類型轉(zhuǎn)移矩陣Table 3 Transition matrix of land-use types from 2005 to 2015 km2

3.1.3 土地利用類型動態(tài)度變化

滇西北地區(qū)1986—2015年土地利用動態(tài)度變化見表4。由表4可知，研究區(qū)各時段同一土地利用類型和同一時段不同土地利用類型的動態(tài)度有差異。同一時段內(nèi)，第1時段城鄉(xiāng)居住工礦用地變化速度最快，其次是水域，而耕地、林地和未利用土地的動態(tài)度絕對值均不足0.10；第2時段各土地利用類型動態(tài)變化表現(xiàn)為城鄉(xiāng)居住工礦用地動態(tài)度最大，達到2.69，耕地、林地和水域有所減少，未利用土地和草地有增加，但動態(tài)度值均較?。ǎ?.00）；與前2個時段相比，第3時段各土地利用類型的動態(tài)度均最大（＞1.00），草地和水域的面積降低，而耕地、林地、草地、城鄉(xiāng)居住工礦用地和未利用土地的面積均呈增長趨勢，其中城鄉(xiāng)居住工礦用地的動態(tài)度達到最大（17.17）。

表4 1986—2015年土地利用動態(tài)度變化Table 4 Changes in dynamic indexes of land-use from 1986 to 2015

滇西北地區(qū)土地利用類型的綜合動態(tài)度在前2個時段（1986—1995年和1995—2005年）比較相近，2005—2015年間，各土地利用類型動態(tài)度和區(qū)域綜合動態(tài)度均為最高值，各土地利用類型間流轉(zhuǎn)較為劇烈，從側(cè)面表明2005—2015年滇西北地區(qū)社會經(jīng)濟發(fā)展均較迅速。

3.2 土地利用類型空間特征變化分析

3.2.1 土地利用類型分形特征分析

各年度土地利用類型分形維數(shù)和穩(wěn)定性指數(shù)見表5。由表5可知，研究區(qū)4個時期的耕地、林地、草地、水域、城鄉(xiāng)居住工礦用地和未利用土地6大地類的分維值和穩(wěn)定性指數(shù)的范圍分別為1.31～1.58和0.01～0.19。各土地利用類型的分維值相比，城鄉(xiāng)居住工礦用地（1.50±0.05）＞林地（1.50±0.03）＞草地（1.48±0.07）＞耕地（1.48±0.04）＞未利用土地（1.47±0.09），穩(wěn)定性指數(shù)表現(xiàn)為未利用土地（0.09±0.05）＞水域（0.08±0.06）＞草地（0.05±0.05）＞城鄉(xiāng)居住工礦用地（0.04±0.03）＞耕地（0.03±0.04）＞林地（0.03±0.01）。

表5 1986—2015年土地利用類型分形維數(shù)和穩(wěn)定性指數(shù)Table 5 Fractal-dimension and stable-index among land-use types from 1986 to 2015

研究時期（1986—2015年）內(nèi)，各土地利用類型的分維值和穩(wěn)定性指數(shù)均呈波動變化。各時期相比，林地、草地和未利用土地趨于簡單狀態(tài)下穩(wěn)定，城鄉(xiāng)居民工礦用地趨于復雜狀態(tài)下的穩(wěn)定，而耕地和水域趨于更加不穩(wěn)定狀態(tài)。

3.2.2 景觀格局指數(shù)分析

景觀水平上，1986—2015年研究區(qū)景觀格局指數(shù)變化見表6。由表6可知，研究區(qū)各指數(shù)均呈波段變化，1986—2005年斑塊密度、香濃多樣性指數(shù)和香濃均勻度指數(shù)幾乎無變化，與其他年份相比，2015年各指數(shù)變化較大，其中斑塊密度、形狀指數(shù)和景觀連通度達最大，而分割度指數(shù)、SHDI、SHEI和聚集度指數(shù)降低到最小。

表6 1986—2015年景觀水平格局指數(shù)的變化Table 6 Changes of the pattern indexes at the landscape-level from 1986 to 2015

類型水平上，6類土地類型各景觀指數(shù)變化見圖3。由圖3可知，耕地、林地、水域、城鄉(xiāng)居住工礦用地和未利用土地的斑塊呈波動上升，草地的PD和LSI呈波動下降；耕地、草地、水域和城鄉(xiāng)居住工礦用地的COHESION呈波動下降，林地和未利用土地的COHESION呈波動上升；對于分割度而言，耕地、草地、城鄉(xiāng)居住工礦用地和未利用土地幾乎無變化，僅林地和水域波動較大；各土地利用類型的AI的變化表現(xiàn)為耕地、草地、水域和城鄉(xiāng)居住工礦用地呈降低趨勢，而林地和未利用土地呈增大趨勢。

圖3 1986—2015年研究區(qū)類型水平的格局指數(shù)變化Fig. 3 Changes of pattern indexes at the class-level in the study area from 1986 to 2015

景觀指數(shù)變化表明，研究區(qū)耕地、草地、水域和城鄉(xiāng)居住工礦用地呈破碎化，連通度有所降低，林地和未利用土地呈聚集分布，連通度增加。研究區(qū)景觀整體趨于破碎化，連通度增強，分割度減弱。

4 結(jié)論與討論

滇西北地區(qū)土地利用類型變化表明，30 a來研究區(qū)土地利用類型均以林地為主，面積呈波動變化，近年來由于實施了系列的生態(tài)恢復工程，林地面積有所增加。耕地和城鄉(xiāng)居住工礦用地不斷增加，尤其是城鄉(xiāng)居住工礦用地在2015年增長到總面積的0.34%，人為活動對滇西北地區(qū)的土地利用影響越來越大，耕地—林地—草地三者之間的大面積流轉(zhuǎn)是研究區(qū)土地利用類型變化最顯著的特征。

土地利用類型變化度表明，該區(qū)土地利用類型的變化速度整體上呈增大趨勢，其中城鄉(xiāng)居住工礦用地最為活躍，水域次之；各研究時段動態(tài)度相比，較前2個時段，近10 a來滇西北地區(qū)各土地利用類型的動態(tài)度和綜合動態(tài)度均大幅增加，其中城鄉(xiāng)居住工礦用地變化度達到17.17，綜合動態(tài)度高達49.50。分形特征表明，林地、草地和未利用土地的斑塊形狀趨于規(guī)則穩(wěn)定，城鄉(xiāng)居住工礦用地的斑塊趨于復雜穩(wěn)定，而耕地和水域趨于活躍狀態(tài)。研究區(qū)各類景觀指數(shù)均呈波動，各土地利用類型景觀指數(shù)變化較復雜，耕地、草地、水域和城鄉(xiāng)居住工礦用地4種土地利用類型斑塊破碎化，林地和未利用土地2種土地利用類型趨于聚集分布。研究區(qū)景觀整體趨于破碎化，連通度增強。

研究表明，2000年以前研究區(qū)森林遭受大面積采伐，采伐是導致研究區(qū)土地利用類型發(fā)生變化的根本原因[23-28]。2000年后滇西北地區(qū)全面停止了天然林采伐，實施了大規(guī)模的生態(tài)建設工程，這可能是2015年林地面積增加的主要原因。人口激增和經(jīng)濟發(fā)展可能是導致研究區(qū)耕地和城鄉(xiāng)居住工礦用地面積持續(xù)增加的原因，人口增加、經(jīng)濟發(fā)展和國家政策可能對于土地利用類型的格局變化有著至關重要的影響。