基于用地強(qiáng)度指數(shù)的昆明市呈貢區(qū)土地利用變化特征分析

易俊華，趙 玉

(1.昆明冶金高等專科學(xué)校測(cè)繪學(xué)院，云南 昆明 650033；2.云南省測(cè)繪產(chǎn)品檢測(cè)站，云南 昆明 650034)

0 引 言

自從1995年國(guó)際地圈生物圈計(jì)劃(International Geosphere-Biosphere Programme,IGBP)和國(guó)際全球環(huán)境變化人文因素計(jì)劃(International Human Dimentions Programme on Global Environmental Change,IHDP)共同擬定并發(fā)表了《土地利用/土地覆蓋變化科學(xué)研究計(jì)劃》以來(lái)，許多全球環(huán)境變化的國(guó)際組織和國(guó)家紛紛啟動(dòng)了各自的土地利用/土地覆蓋變化(Land Use/Land Cover Change，LUCC)研究項(xiàng)目。土地資源有限，如何評(píng)價(jià)人地關(guān)系及其特征以集約化利用土地資源是當(dāng)前土地利用需要解決的重大問(wèn)題。土地利用強(qiáng)度指數(shù)是指人類為了生存發(fā)展，需要改變土地的原始布局和樣貌，對(duì)土地生態(tài)系統(tǒng)進(jìn)行改變的程度。該方法既能直接表現(xiàn)土地表面覆蓋的變化，還能間接表現(xiàn)土地生態(tài)系統(tǒng)的損害而導(dǎo)致變化的環(huán)境，進(jìn)而為政府從事相關(guān)工作進(jìn)行可持續(xù)發(fā)展提供了依據(jù)。比如，閆永濤等[1]利用土地利用強(qiáng)度指數(shù)研究了北京市土地利用變化的空間結(jié)構(gòu)形態(tài),揭示了其特征及影響因素；劉歡等[2]應(yīng)用地學(xué)信息圖譜方法研究了銀川平原的土地利用強(qiáng)度空間變化規(guī)律，為該地區(qū)土地資源優(yōu)化配置和社會(huì)經(jīng)濟(jì)可持續(xù)發(fā)展提供基礎(chǔ)依據(jù)；馬勁松等[3]以南京市江寧區(qū)和溧水縣為例,利用半方差變異函數(shù)和分形維數(shù)對(duì)研究區(qū)2個(gè)時(shí)段的土地利用強(qiáng)度指數(shù)進(jìn)行了空間變異特征分析，結(jié)果表明：對(duì)土地利用強(qiáng)度指數(shù)進(jìn)行空間異質(zhì)性分析能挖掘出更多的土地利用信息；劉芳等[4]利用遙感、社會(huì)經(jīng)濟(jì)和土地利用分類等多源數(shù)據(jù)，研究了土地利用強(qiáng)度的高分辨率表達(dá)方法，并利用該成果對(duì)中國(guó)21世紀(jì)的土地利用強(qiáng)度的分布格局進(jìn)行了定量分析?？梢?jiàn)，利用土地利用強(qiáng)度指數(shù)是定量刻畫區(qū)域性人類活動(dòng)與LUCC關(guān)系的有效方法。

呈貢區(qū)位于我國(guó)云南省昆明市滇池東岸，是昆明社會(huì)經(jīng)濟(jì)發(fā)展的南部重鎮(zhèn)，近年來(lái)經(jīng)濟(jì)發(fā)展迅速，經(jīng)濟(jì)發(fā)展與自然環(huán)境存在著明顯的差異，摸清該區(qū)域土地利用變化與人類社會(huì)經(jīng)濟(jì)的關(guān)系對(duì)于促進(jìn)該區(qū)域的可持續(xù)發(fā)展具有重要意義?；诖?，本文運(yùn)用GIS數(shù)量分析方法對(duì)呈貢區(qū)的土地利用程度進(jìn)行定量分析，以期為實(shí)現(xiàn)土地資源的高效利用以及土地生態(tài)系統(tǒng)的良性發(fā)展提供科學(xué)的依據(jù)。

1 材料與方法

1.1 研究區(qū)概況

呈貢區(qū)地處北緯24°42′—25°00′，東經(jīng)102°45′—103°00′,在昆明壩子的南部，西連滇池，是昆明市級(jí)行政中心，高校云集，交通便利，農(nóng)業(yè)發(fā)達(dá)，眾多產(chǎn)業(yè)園也紛紛遷至于此。2017年呈貢區(qū)GDP突破200億元，城鎮(zhèn)化和工業(yè)化進(jìn)程不斷加快，也是云南省高等教育的腹地，多所高校坐落在呈貢，加之眾多產(chǎn)業(yè)園，為呈貢區(qū)發(fā)展提供了源源動(dòng)力。因此，以呈貢區(qū)為研究對(duì)象，利用用地強(qiáng)度指數(shù)分析城市化進(jìn)程中土地利用變化特征，有助于發(fā)現(xiàn)該地區(qū)社會(huì)經(jīng)濟(jì)發(fā)展與土地資源之間的互動(dòng)關(guān)系與相關(guān)程度，為該地區(qū)的良性用地規(guī)劃提供決策依據(jù)。

1.2 土地利用強(qiáng)度指數(shù)

土地利用強(qiáng)度指數(shù)能夠反映土地利用的深度和廣度，是人類活動(dòng)和自然環(huán)境共同作用的結(jié)果。將各類型的土地利用類型進(jìn)行重新分類，把它們劃分為4級(jí)地類，再將各級(jí)地類實(shí)現(xiàn)分級(jí)定量化，其結(jié)果如下：Ⅰ 級(jí)地類為未利用地，土地利用定量為1；Ⅱ 級(jí)地類為林地、草地、水域，土地利用定量為2；Ⅲ 級(jí)地類為耕地、園地、人工草地，土地利用定量為3；Ⅳ 級(jí)地類為工礦用地、居民用地、城鎮(zhèn)用地、交通用地，土地利用定量為4。根據(jù)劉紀(jì)遠(yuǎn)等提出的土地利用強(qiáng)度的綜合分析方法，土地利用強(qiáng)度指數(shù)計(jì)算公式如下[5-6]：

UINDEX=100×∑Ai×Ci

UINDEX∈[100,400]

其中：UINDEX為土地利用強(qiáng)度指數(shù)；Ai為第i級(jí)土地利用強(qiáng)度分級(jí)指數(shù)；Ci為第i級(jí)土地利用強(qiáng)度分級(jí)面積百分比。

根據(jù)公式可知，土地利用綜合量化指標(biāo)體系是一個(gè)[100, 400]之間連續(xù)變化的指標(biāo)，綜合指數(shù)越大，則土地利用強(qiáng)度越大；反之，則土地利用強(qiáng)度越小。土地利用強(qiáng)度指數(shù)可以反映土地的利用現(xiàn)狀、土地的覆蓋情況、人口集聚度等情況，作為人和自然的共同作用的結(jié)果，其量化結(jié)果可以客觀地為人們提供用地參考。基于呈貢地區(qū)的現(xiàn)狀，本文主要研究林地、草地、耕地、城鎮(zhèn)工礦居民用地、水域等地類和未利用土地的面積變化與用地強(qiáng)度指數(shù)的時(shí)空變化；利用土地利用強(qiáng)度指數(shù)對(duì)呈貢區(qū)進(jìn)行定量化的研究，掌握呈貢區(qū)的用地程度情況，并分析其原因，引入統(tǒng)計(jì)學(xué)中的皮爾遜相關(guān)系數(shù)，得到到各級(jí)地類間的相關(guān)程度。

2 結(jié)果與分析

2.1 土地利用強(qiáng)度計(jì)算結(jié)果

用地強(qiáng)度指數(shù)作為衡量土地利用強(qiáng)度的指標(biāo)，是對(duì)某一時(shí)間點(diǎn)或時(shí)間段內(nèi)的土地利用的真實(shí)反映。2013年呈貢區(qū)的用地強(qiáng)度分布情況如圖1(a)所示。將呈貢區(qū)的土地利用程度指數(shù)從100～400分為5級(jí),可以看出：土地利用綜合指數(shù)低于149的區(qū)域，用地強(qiáng)度比較低，主要集中分布在東部毗鄰陽(yáng)宗海地區(qū)、南部馬金鋪鄉(xiāng)大部分地區(qū)、大漁鄉(xiāng)鄰近滇池的大部分土地以及北部呈貢工業(yè)園區(qū)旁邊的大片區(qū)域；綜合指數(shù)在149～221的區(qū)域主要包括滇池、陽(yáng)宗海、北部諸山(尖山、蛇山、五里箐、西路山、向陽(yáng)山、黑山阱)、東部諸山(柴家墳、大官山、小官山、李凹山等)以及東南邊陲諸山(架子臺(tái)、雞叫山、十八臺(tái)等)；綜合指數(shù)在221～280的區(qū)域沒(méi)有成片出現(xiàn)，而是零散呈點(diǎn)狀分布于呈貢區(qū)中西部地區(qū)；綜合指數(shù)在280～349的區(qū)域，主要分布于滇池東岸鄰近地域、王家營(yíng)、中衛(wèi)居委會(huì)等片區(qū)；綜合指數(shù)在349～400的區(qū)域，屬于用地強(qiáng)度最大的區(qū)域，在本次分類中，主要分布于呈貢老城區(qū)、各級(jí)人民政府所在地、呈貢工業(yè)園區(qū)以及各類學(xué)校所在地。

2017年呈貢區(qū)的用地強(qiáng)度分布情況，如圖1(b)所示。將呈貢區(qū)的土地利用強(qiáng)度指數(shù)從100 ～400 分為5級(jí)。從中可以看出：綜合指數(shù)在149以下的區(qū)域，主要分布在鄰近陽(yáng)宗海附近地域、中部諸山(柴家墳、大官山、小官山、李凹山、尖山、營(yíng)盤山等)、南部的白云居委會(huì)境內(nèi)、東南邊境諸山(架子臺(tái)、雞叫山、十八臺(tái))以及東北部諸山(支鍋山、鳳凰山、黑阱山、向陽(yáng)山)等地區(qū)，其余區(qū)域零散地分布于毗連滇池一帶；強(qiáng)度指數(shù)在149～221的區(qū)域主要組成為水域、呈貢區(qū)正北部的山區(qū)、西南邊陲部、東部諸山大部分地區(qū)以及北部尖山區(qū)域；綜合指數(shù)在221～284的區(qū)域，零散分布于呈貢區(qū)的各地，沒(méi)有成片的出現(xiàn)，不太明顯；強(qiáng)度指數(shù)在284～356的區(qū)域主要分布于斗南農(nóng)業(yè)園片區(qū)、北部果林、吳家營(yíng)農(nóng)業(yè)園，其余小部分零散分布于南部；強(qiáng)度指數(shù)在356～400的區(qū)域，主要是建設(shè)用地，中西部的大部分平坦區(qū)域、東北部的呈貢工業(yè)園區(qū)、四合院片區(qū)以及七子灣片區(qū)，其余小部分零散分布于山里較平坦的區(qū)域。

圖1 呈貢區(qū)2013和2017年用地強(qiáng)度對(duì)比

從呈貢區(qū)總體上來(lái)看，2013和2017年的土地利用強(qiáng)度指數(shù)平均指數(shù)分別為206.82和240.81，土地利用強(qiáng)度增長(zhǎng)14.11個(gè)百分點(diǎn)，變化顯著，說(shuō)明這4年內(nèi)呈貢區(qū)經(jīng)濟(jì)發(fā)展迅猛。指數(shù)高的建設(shè)用地，4年間占比面積不斷擴(kuò)大，因此對(duì)土地利用強(qiáng)度影響最大。從總體上看，呈貢區(qū)的土地利用強(qiáng)度不均衡，中西部地區(qū)土地利用強(qiáng)度較大，而東部地區(qū)土地利用強(qiáng)度指數(shù)較小。用一條直線連接正北端和正南端，大致把呈貢區(qū)的土地利用強(qiáng)度分為兩部分：利用強(qiáng)度大的西部和利用強(qiáng)度小的東部；2017年西部陸域的強(qiáng)度平均指數(shù)超過(guò)300，而東部陸域的強(qiáng)度平均指數(shù)仍在200以下。

2.2 各級(jí)土地利用類型強(qiáng)度相關(guān)分析

呈貢區(qū)的土地利用強(qiáng)度指數(shù)為Ⅰ級(jí)地類、Ⅱ級(jí)地類、Ⅲ級(jí)地類、Ⅳ級(jí)地類利用指數(shù)之和，所以各級(jí)地類共同影響著用地強(qiáng)度指數(shù)，且影響力大小不同[7]。利用皮爾遜相關(guān)系數(shù)分析用地強(qiáng)度指數(shù)和各級(jí)地類的相關(guān)程度，結(jié)果見(jiàn)表1。其中，用地強(qiáng)度指數(shù)與Ⅰ級(jí)地類指數(shù)相關(guān)性極大，相關(guān)系數(shù)為-1(P<0.01)，與Ⅱ、Ⅳ級(jí)地類指數(shù)呈顯著正相關(guān)，相關(guān)系數(shù)分別為0.999和1(P<0.05)，與Ⅲ級(jí)地類利用指數(shù)相關(guān)性不大(P>0.05)。Ⅱ級(jí)地類和Ⅳ級(jí)地類利用指數(shù)是土地利用強(qiáng)度指數(shù)大小的重要成分，并且土地利用強(qiáng)度與其呈正相關(guān)，反之，則與Ⅰ級(jí)地類的利用指數(shù)呈負(fù)相關(guān)。從各級(jí)地類指數(shù)之間的相關(guān)性來(lái)看，Ⅰ級(jí)地類和Ⅱ級(jí)地類的相關(guān)系數(shù)為-0.998，Ⅰ級(jí)地類和Ⅳ級(jí)地類的相關(guān)系數(shù)為-0.999(P<0.05)，說(shuō)明未利用地的利用程度增加，將直接導(dǎo)致水體、林地、草地利用強(qiáng)度的減弱，但Ⅰ級(jí)地類和Ⅲ級(jí)地類無(wú)明顯相關(guān)性；Ⅱ級(jí)地類和Ⅲ級(jí)地類相關(guān)系數(shù)為-0.997(P<0.05)，呈顯著負(fù)相關(guān)，說(shuō)明林地、水體、草地利用程度的增加將會(huì)直接導(dǎo)致耕地利用程度的減弱，Ⅱ級(jí)地類和Ⅳ級(jí)地類呈顯著正相關(guān)，相關(guān)系數(shù)為1(P<0.05)，說(shuō)明耕地利用強(qiáng)度的增加為建設(shè)用地利用強(qiáng)度的增加提供正能量，其他各級(jí)地類間的相關(guān)性不顯著。

表1 2013—2017年呈貢區(qū)各級(jí)地類土地利用強(qiáng)度指數(shù)之間的Pearson相關(guān)系數(shù)

2.3 土地利用強(qiáng)度指數(shù)影響因子分析

利用皮爾遜相關(guān)系數(shù)對(duì)呈貢區(qū)4年內(nèi)各地級(jí)指數(shù)、用地強(qiáng)度指數(shù)與第一產(chǎn)業(yè)值、第二產(chǎn)業(yè)值、第三產(chǎn)業(yè)值進(jìn)行相關(guān)性分析[7]，發(fā)現(xiàn)相關(guān)性并不顯著(表2)。造成呈貢區(qū)土地利用強(qiáng)度指數(shù)時(shí)空變化的因素很多，但追根尋底可概括為人為因素和自然因素兩方面。從自然因素來(lái)看，呈貢區(qū)位于滇池東岸，昆明壩子的南端，全區(qū)的地理環(huán)境多樣，水域的利用難度較大，地勢(shì)西部平坦，東部多山、地勢(shì)較高難以開(kāi)發(fā)利用，因此，形成了東部高、中西部低的地貌走勢(shì)。從人為要素方面來(lái)看，自2013—2017年以來(lái)，隨著城鎮(zhèn)化進(jìn)程的加快，傳統(tǒng)產(chǎn)業(yè)不斷轉(zhuǎn)型升級(jí)，不斷有房地產(chǎn)開(kāi)發(fā)商來(lái)到呈貢區(qū)進(jìn)行開(kāi)發(fā)投資，加強(qiáng)了呈貢區(qū)的用地強(qiáng)度，因此政策要素才是呈貢區(qū)各種土地格局變化的主要因素：2013年呈貢縣改區(qū)，打破了昆明市多年來(lái)的四區(qū)格局，形成“五區(qū)鼎立”的新格局；昆明市政府搬到呈貢區(qū)內(nèi)，讓呈貢區(qū)被重新定位為未來(lái)昆明市的中心，致使眾多的企業(yè)、商人看到了呈貢未來(lái)的潛力，紛至沓來(lái)從事各類商業(yè)活動(dòng)，大大改變了各類型土地的占比；昆明市首條地鐵線的開(kāi)通、昆明南站(高鐵站)的使用，使得呈貢區(qū)的交通變得十分便利；呈貢區(qū)環(huán)境好、車輛少、消費(fèi)較低，受到大多數(shù)人的青睞，人們不約而同來(lái)到呈貢生活，加大了人口密度，從而提高了土地利用強(qiáng)度。

表2 2013—2017年呈貢區(qū)各級(jí)地類土地利用強(qiáng)度指數(shù)與影響因子的Pearson相關(guān)系數(shù)分析

3 結(jié) 論

本研究形成的主要結(jié)論為：1) 2013—2017年呈貢區(qū)土地總體利用動(dòng)態(tài)變化表現(xiàn)為耕地的動(dòng)態(tài)度最大，未利用地次之，再次為草地、建設(shè)用地和林地，水體的動(dòng)態(tài)度最小，各地類土地間都有所轉(zhuǎn)移，但轉(zhuǎn)移的多少和方向各不相同。2) 呈貢區(qū)土地利用強(qiáng)度指數(shù)存在明顯的時(shí)空差異，2013—2017年土地平均利用強(qiáng)度指數(shù)由206.82增長(zhǎng)到240.81，土地利用程度增長(zhǎng) 14.29%；土地利用強(qiáng)度指數(shù)高的區(qū)域集中分布在呈貢區(qū)中、西部區(qū)域，特別是市、區(qū)級(jí)政府所在地、學(xué)校、工業(yè)園區(qū)，東部地區(qū)用地強(qiáng)度較低。3) 呈貢區(qū)內(nèi)Ⅱ級(jí)地類、Ⅳ級(jí)地類的利用強(qiáng)度指數(shù)為土地利用強(qiáng)度指數(shù)提供正能量，Ⅰ級(jí)地類利用強(qiáng)度指數(shù)為土地利用強(qiáng)度指數(shù)提供負(fù)能量，Ⅲ級(jí)地類對(duì)用地強(qiáng)度指數(shù)影響不顯著。4) 呈貢區(qū)內(nèi)的土地利用時(shí)空變化是人類活動(dòng)和自然環(huán)境共同作用的結(jié)果。自然因素主要體現(xiàn)在地形和自然資源的分配上，人為因素主要是人們的活動(dòng)——種植業(yè)、房地產(chǎn)建設(shè)、交通用地以及政府的行政行為等影響人口的分布，進(jìn)而導(dǎo)致土地利用類型的變化和用地強(qiáng)度指數(shù)的變化。

綜上所述，呈貢區(qū)絕大部分地區(qū)土地利用強(qiáng)度指數(shù)增長(zhǎng)顯著，可歸咎于近4年來(lái)城鎮(zhèn)化進(jìn)程的加快和人口密度的快速增加。一個(gè)地區(qū)是一個(gè)整體，一個(gè)土地利用類型面積的增加勢(shì)必導(dǎo)致與其相關(guān)其他類型土地面積的減少，建設(shè)用地的增加多以犧牲耕地為代價(jià)。因此，在加強(qiáng)土地利用的同時(shí)，也要保障生態(tài)系統(tǒng)的穩(wěn)定、實(shí)現(xiàn)可持續(xù)發(fā)展，避免因盲目提高土地利用強(qiáng)度指數(shù)而破壞生態(tài)系統(tǒng)和土地利用結(jié)構(gòu)的平衡。