瀾滄江流域云南段土地利用結(jié)構(gòu)及生態(tài)風(fēng)險演化研究

白釗成，張家禮

(西南林業(yè)大學(xué) 園林園藝學(xué)院， 云南 昆明 650224)

土地是人類賴以生存和發(fā)展的物質(zhì)基礎(chǔ)與環(huán)境資源，土地利用的變化不僅影響土地生態(tài)系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)，同時對區(qū)域土地生態(tài)風(fēng)險有著決定性影響[1-2]。研究土地利用結(jié)構(gòu)及其變化，預(yù)測未來土地生態(tài)風(fēng)險程度，對區(qū)域土地利用的合理開發(fā)有著重大現(xiàn)實意義，也可為國土空間規(guī)劃提供科學(xué)、有效的依據(jù)[3-4]。

近年來有關(guān)土地利用結(jié)構(gòu)和生態(tài)風(fēng)險的研究已有不少成果，在土地利用結(jié)構(gòu)的變化趨勢、未來預(yù)測以及優(yōu)化建議等方面均有相關(guān)報道[5-9]。這些研究多利用計量地理學(xué)模型，構(gòu)建土地生態(tài)風(fēng)險評價指標(biāo)體系以度量土地利用狀況，少數(shù)對于土地生態(tài)風(fēng)險的研究也只是停留在水平尺度[10-13]，基于土地利用結(jié)構(gòu)的演變，在時相尺度縱向的生態(tài)風(fēng)險預(yù)測研究相對較少。

以瀾滄江流域云南段區(qū)域作為研究區(qū)域，以流域沿線州市作為分析單元，運用計量地理學(xué)模型和GIS空間分析板塊，對其土地利用結(jié)構(gòu)和生態(tài)風(fēng)險進行定量分析。根據(jù)灰色GM(1,1)預(yù)測模型分析未來研究區(qū)的生態(tài)風(fēng)險走向，通過生態(tài)風(fēng)險預(yù)測，警示、遏制不合理的土地開發(fā)，保護流域生態(tài)環(huán)境，對促進瀾滄江流域整體綜合開發(fā)利用具有重要意義。

1 研究區(qū)概況

瀾滄江流域云南段區(qū)域位于瀾滄江—湄公河中下游區(qū)域(21°08′～29°15′N，98°36′～102°19′E), 流經(jīng)7個州市，39個縣市，流域面積為9.1萬 km2(圖1)。流域內(nèi)地表形態(tài)特殊, 涵蓋冰川、峽谷、山地、平原、丘陵等多種類型，土地利用結(jié)構(gòu)復(fù)雜[14]。近年來，隨著城市化進程的加快，人類對土地生態(tài)系統(tǒng)的干擾越發(fā)頻繁，水土流失、環(huán)境破壞、生物多樣性銳減問題突出，土地生態(tài)系統(tǒng)越發(fā)脆弱，流域內(nèi)滑坡和水土流失等自然災(zāi)害頻發(fā)，影響了流域的可持續(xù)發(fā)展[15]。因此，對瀾滄江流域云南段區(qū)域的土地生態(tài)系統(tǒng)開展研究顯得極為關(guān)鍵。

2 數(shù)據(jù)來源與研究方法

2.1 數(shù)據(jù)來源及處理

研究數(shù)據(jù)為7個時期(1990、1995、2000、2005、2010、2015、2020年)1 km×1 km的土地利用現(xiàn)狀數(shù)據(jù)，該數(shù)據(jù)來源于中國科學(xué)院資源環(huán)境科學(xué)數(shù)據(jù)中心(http://www.resdc.cn)。參考中科院資源環(huán)境科學(xué)數(shù)據(jù)中心發(fā)布的中國土地利用/土地覆蓋遙感監(jiān)測數(shù)據(jù)分類系統(tǒng)，結(jié)合研究區(qū)土地利用情況，將研究區(qū)土地利用類型劃分為耕地、林地、草地、水域、建設(shè)用地和未利用土地6個一級類型以及19個二級類型，通過ArcGIS軟件生成瀾滄江流域云南段區(qū)域7個時期的土地利用現(xiàn)狀數(shù)據(jù)，以進行后續(xù)土地利用的計算。

圖1 瀾滄江流域云南段地理區(qū)位Fig.1 Location of Yunnan section of Lancang River watershed

2.2 研究方法

2.2.1土地利用變化

利用土地利用動態(tài)度展示研究區(qū)7個時期的各種土地利用類型數(shù)量面積的變化與轉(zhuǎn)移情況[16]，土地利用動態(tài)度(K)公式為：

(1)

式中：U(i,t0)為各地類初期面積；U(i-,t1)為各地類從初期向末期轉(zhuǎn)移的面積；T為研究時段長。

2.2.2土地生態(tài)風(fēng)險評價

土地利用類型的變化影響土地生態(tài)安全，利用各土地類型的面積比重，計算研究區(qū)綜合生態(tài)風(fēng)險的相對大小，將景觀空間結(jié)構(gòu)量化成土地生態(tài)風(fēng)險變量，以表征瀾滄江流域云南段區(qū)域各土地利用類型的變化對區(qū)域土地生態(tài)安全的影響程度[17]，生態(tài)風(fēng)險指數(shù)(ERI)公式為：

(2)

式中：n為土地利用類型數(shù)量；A為研究區(qū)土地利用類型的總面積；Ai為研究區(qū)第i種土地利用類型的面積；Wi為研究區(qū)第i種土地利用類型代表的生態(tài)風(fēng)險強度系數(shù)。

參考相關(guān)文獻，分別確定耕地、林地、草地、水域、建設(shè)用地、未利用土地的生態(tài)風(fēng)險強度參數(shù)為：0.112 7、0.075 7、0.071 4、0.079 1、0.253 8、0.084 4。當(dāng)ERI數(shù)值越大時，表明區(qū)域生態(tài)風(fēng)險越高，生態(tài)安全指數(shù)下降；反之，區(qū)域生態(tài)安全指數(shù)上升。

2.2.3土地生態(tài)風(fēng)險預(yù)測

土地生態(tài)風(fēng)險的變化受到自然社會等諸多因素的影響，土地生態(tài)風(fēng)險系統(tǒng)具有 “小樣本、少數(shù)據(jù)、貧信息”的特點，適合采用灰色系統(tǒng)預(yù)測模型?；疑獹M(1,1)預(yù)測模型以隨時間變化的序列為基礎(chǔ)，對其元素采用累加的方法，生成一組趨勢明顯的數(shù)據(jù)序列，建立灰色預(yù)測模型來預(yù)測事物的未來變化，然后采用累減的方法進行逆運算，恢復(fù)原來的時間序列，以得到預(yù)測的數(shù)據(jù)[18]。

(3)

式中：X(t+1)為累加生成后的數(shù)據(jù)序列；X(1)為原始序列；a為發(fā)展系數(shù)，是行為序列估計值的發(fā)展態(tài)勢；b為灰色作用量，是反映數(shù)據(jù)變化的關(guān)系。

另外，還需對模型擬合的效果進行檢驗，檢驗小誤差概率(C)和均方差比值(P)，當(dāng)P>0.95且C<0.35時，表明模型預(yù)測的精度好。

3 結(jié)果與分析

3.1 土地利用變化分析

通過公式(1)，可計算出瀾滄江流域云南段區(qū)域的綜合土地利用動態(tài)度指數(shù)(表1，表2)。

表1 土地利用類型面積變化Tab.1 Area change of land use types

表2 1990—2020年綜合土地動態(tài)度Tab.2 Comprehensive land dynamics from 1990 to 2020

從整體來看，瀾滄江流域云南段區(qū)域30年間的土地利用面積動態(tài)度為29.7%，土地利用面積增加了205 km2，增幅為0.12%；單一土地利用類型中林地和建設(shè)用地的增加面積最大，分別為944、772 km2，減少面積最多的為耕地和草地。不同階段瀾滄江流域云南段區(qū)域的土地利用變換情況見圖2。

從圖2可以看出，1990—2000年，瀾滄江流域云南段區(qū)域的土地利用動態(tài)度是0.46%，土地利用總面積未發(fā)生增減，其中，草地轉(zhuǎn)入量最多為371 km2，林地轉(zhuǎn)出量最多為461 km2。林地減少的原因是城市化和工業(yè)化進程中開發(fā)建設(shè)占用林地。2000—2010年，瀾滄江流域云南段區(qū)域的土地利用動態(tài)度為0.33%，耕地面積減少最多為292 km2，年均減幅為1.14%，林地的增加面積最多為212 km2，主要原因是退耕還林政策的實施。2010—2020年，瀾滄江流域云南段區(qū)域的土地利用動態(tài)度為78.86%，動態(tài)度變化高于前兩個階段，表明該階段的土地利用變化情況最為劇烈。其中，林地、建設(shè)用地和水域的面積是增加的，草地、耕地、未利用土地的面積是減少的，究其原因是退耕還林政策的進一步實施，以及云南省生態(tài)文明建設(shè)的切實推進使得林地、水域面積增加，但在瀾滄江沿線地區(qū)城鎮(zhèn)化進程的快速推進中，加劇了土地開發(fā)建設(shè)，使得草地、耕地等面積減少，建設(shè)用地面積增加。

圖2 1990—2020年瀾滄江流域云南段區(qū)域土地利用變換Fig.2 Land use change in Yunnan section of Lancang River watershed from 1990 to 2020

3.2 土地利用生態(tài)風(fēng)險分析

通過公式(3)，可計算出研究時段內(nèi)瀾滄江流域云南段區(qū)域的土地生態(tài)風(fēng)險指數(shù)(表3)，利用ArcGIS的自然斷點法進行分類，再通過人為的數(shù)值調(diào)整，將土地生態(tài)風(fēng)險指數(shù)劃分為低生態(tài)風(fēng)險、較低生態(tài)風(fēng)險、中生態(tài)風(fēng)險、較高生態(tài)風(fēng)險、高生態(tài)風(fēng)險5個級別，做出1990、2000、2010、2020年的土地生態(tài)風(fēng)險空間分布圖(圖3)。

從整體來看，瀾滄江流域云南段區(qū)域的土地生態(tài)風(fēng)險指數(shù)介于0.080 96～0.081 66之間，具體表現(xiàn)為1990年為0.080 96，1995年為0.080 98，2000年為0.081 03，2005年為0.081 05，2010年為0.081 04，2010年為0.081 18，2020年為0.081 66。1990—2020年生態(tài)風(fēng)險指數(shù)整體呈波動增長趨勢，1990—2010年增長趨勢緩慢，生態(tài)風(fēng)險指數(shù)僅上升了0.000 08；從2010年開始生態(tài)風(fēng)險指數(shù)則有較為

圖3 1990—2020年瀾滄江流域云南段區(qū)域各州市土地生態(tài)風(fēng)險時空變化Fig.3 Spatial and temporal changes of land ecological risk of each city in Yunnan section of Lancang River watershed from 1990 to 2020

明顯的增長，尤其是在2020年，土地風(fēng)險指數(shù)達到最大值為0.081 7，相比2010年增長了0.000 62，這均說明瀾滄江流域云南段區(qū)域的生態(tài)環(huán)境整體呈惡化趨勢，且風(fēng)險發(fā)生速率加快，應(yīng)開始重視瀾滄江生態(tài)環(huán)境保護問題，加強生態(tài)保護，合理開發(fā)土地。

從區(qū)域來看，瀾滄江流域云南段區(qū)域的土地生態(tài)風(fēng)險呈一定規(guī)律的核心地域分布模式。1990—2000年，瀾滄江流域云南段區(qū)域的土地生態(tài)風(fēng)險區(qū)分布基本類似，較高生態(tài)風(fēng)險區(qū)主要集中在中游，主要是大理、保山、臨滄和普洱，原因是中游地區(qū)人口密度大，耕地需求的增加嚴重破壞林地、草地；中低生態(tài)風(fēng)險區(qū)則分布在上游和下游地區(qū)，原因是上游和下游人口較少且生態(tài)風(fēng)險較低；2010年土地生態(tài)風(fēng)險區(qū)總體分布基本保持不變，但迪慶州和西雙版納的生態(tài)風(fēng)險均上升一個等級，原因是隨著旅游業(yè)等的開發(fā)，建設(shè)用地不斷增加，生態(tài)環(huán)境受到破壞；2020年，土地生態(tài)風(fēng)險等級呈上升趨勢，其中，保山由2010年的較高生態(tài)風(fēng)險區(qū)上升為高生態(tài)風(fēng)險區(qū)，主要是因為人口密度進一步增大，工農(nóng)用水量增多，修建大型水利設(shè)施的數(shù)量增多，且城市化進程的加快、工農(nóng)產(chǎn)業(yè)的發(fā)展加劇了環(huán)境污染和生態(tài)破壞，人類對土地的干擾更加劇烈。

總體來說，伴隨著人類活動對土地生態(tài)系統(tǒng)干擾強度的增加，瀾滄江流域云南段區(qū)域的土地生態(tài)風(fēng)險增高的趨勢明顯，研究區(qū)整體生態(tài)系統(tǒng)功能降低，景觀結(jié)構(gòu)逐漸退化，植被遭到破壞，林草面積減少，而建設(shè)用地不斷增加，表現(xiàn)為土地生態(tài)風(fēng)險等級向高風(fēng)險等級演變，中高生態(tài)風(fēng)險區(qū)不斷增加。因此，要注重研究區(qū)的土地生態(tài)安全問題，控制城市擴張速度，在土地開發(fā)的同時要處理好與生態(tài)環(huán)境的關(guān)系，維持生態(tài)系統(tǒng)的穩(wěn)定與健康，加強生態(tài)保護的意識，重點針對高生態(tài)風(fēng)險區(qū)開展環(huán)境保護工作，避免高生態(tài)風(fēng)險區(qū)的進一步擴展與蔓延。

3.3 土地生態(tài)風(fēng)險預(yù)測分析

通過公式(3)，利用灰色GM(1,1)預(yù)測模型對瀾滄江流域云南段區(qū)域2025、2030、2035年的土地生態(tài)風(fēng)險情況進行預(yù)測。通過計算相對誤差和級比偏差值以分析模型擬合情況：相對誤差最大值為0.003<0.1，表明此模型預(yù)測的精度較高，能達到較高的擬合效果，級比偏差值<0.1，表明能達到較高的精度要求。同時，將模型預(yù)測計算結(jié)果與實際值進行比較也可知，2020年瀾滄江流域云南段區(qū)域的土地生態(tài)風(fēng)險的預(yù)測值為0.081，實際值為0.082，相對誤差為0.277%，誤差很小，說明預(yù)測模型的精度符合本研究要求。

根據(jù)構(gòu)建的預(yù)測模型分析可知，2025、2030、2035年瀾滄江流域云南段區(qū)域的土地生態(tài)風(fēng)險指數(shù)分別為0.081 5、0.081 7和0.081 8，未來土地生態(tài)風(fēng)險呈不斷上升的趨勢。這說明未來要重視瀾滄江流域的區(qū)域土地生態(tài)風(fēng)險，制定更加合理的土地利用制度，集約化利用土地，控制好建設(shè)用地的開發(fā)力度，降低土地生態(tài)風(fēng)險的上升趨勢。

4 結(jié)論

本研究以1990—2020年7個時期的土地利用數(shù)據(jù)為基礎(chǔ)，借助ArcGIS軟件，探討瀾滄江流域云南段區(qū)域的土地利用結(jié)構(gòu)，并構(gòu)建基于土地利用面積的土地生態(tài)風(fēng)險指數(shù)，進一步預(yù)測了未來瀾滄江流域云南段區(qū)域的土地生態(tài)安全情況，揭示了研究區(qū)土地利用結(jié)構(gòu)和生態(tài)風(fēng)險的時空演變趨勢。

1)在30年間，瀾滄江流域云南段區(qū)域的土地利用動態(tài)度呈增大趨勢，各地類的面積均發(fā)生較大變化，林地、水域和建設(shè)用地為正增長，耕地、草地和未利用土地為負增長。從不同階段來看，前3個階段的土地利用動態(tài)度變化較小，但在2010—2020年動態(tài)度增幅最高，該時期的土地利用變化情況最為劇烈。研究區(qū)土地利用動態(tài)度變化的主要原因是受政策和經(jīng)濟活動的影響，政府出臺的退耕還林等政策的實施，對林地數(shù)量起到一定保護作用；而城市化進程的快速推進和人口的不斷增長，則加劇了對建設(shè)用地的需求。地方政府要嚴格劃定管控邊界，守好生態(tài)紅線，保護山水林田湖草，同時要執(zhí)行好土地利用總體規(guī)劃，嚴格控制城鎮(zhèn)建設(shè)速度，避免盲目擴大城市規(guī)模。

2)在30年間，瀾滄江流域云南段區(qū)域的土地生態(tài)風(fēng)險整體呈波動上升趨勢，前20年增長趨勢緩慢，2010年起漲幅加快，在2020年土地生態(tài)風(fēng)險達到最高值。從區(qū)域來看土地生態(tài)風(fēng)險分布呈一定規(guī)律的地域分布模式，整體表現(xiàn)為上游、下游的迪慶、保山、西雙版納為中低生態(tài)風(fēng)險區(qū)，中游的大理、臨滄和普洱為較高生態(tài)風(fēng)險區(qū)。瀾滄江流域云南段區(qū)域的土地生態(tài)風(fēng)險的高低與地區(qū)經(jīng)濟發(fā)展水平密切相關(guān)，要求在經(jīng)濟發(fā)展的同時，結(jié)合地方實際的自然環(huán)境情況，因地制宜，科學(xué)調(diào)整土地利用結(jié)構(gòu)，發(fā)展綠色經(jīng)濟，開發(fā)綠色產(chǎn)業(yè)，降低高生態(tài)風(fēng)險區(qū)的風(fēng)險指數(shù)。

3)土地生態(tài)風(fēng)險指數(shù)與各土地利用類型間均存在相關(guān)關(guān)系，關(guān)系程度大小依次為：林地>耕地>草地>未利用土地>水域>建設(shè)用地。利用灰色GM(1,1)預(yù)測模型預(yù)測未來15年土地生態(tài)風(fēng)險，到2035年瀾滄江流域云南段區(qū)域的土地生態(tài)風(fēng)險表現(xiàn)為不斷上升趨勢，土地生態(tài)風(fēng)險等級升高。今后應(yīng)重視土地生態(tài)風(fēng)險對區(qū)域的影響，進一步采取更加有利的措施控制風(fēng)險指數(shù)升高和轉(zhuǎn)移趨勢；適度開發(fā)與環(huán)境保護相結(jié)合，提高環(huán)境保護意識，平衡經(jīng)濟價值和生態(tài)價值，保持流域土地生態(tài)的穩(wěn)定性，實現(xiàn)區(qū)域的可持續(xù)發(fā)展。

土地生態(tài)安全是一個龐大的課題，目前研究還處于發(fā)展階段，尚未建立統(tǒng)一完善的土地生態(tài)安全評價體系。關(guān)于土地生態(tài)安全的研究方法多樣，一般會基于景觀格局尺度進行計算，也可選取各景觀地類的面積作為風(fēng)險指數(shù)計算的依據(jù)，但土地生態(tài)風(fēng)險的影響因素復(fù)雜多樣，本研究中僅以地類面積作為計算對象顯然不夠全面和準(zhǔn)確。此外，研究中土地生態(tài)風(fēng)險強度參數(shù)的確定一般是基于主觀賦值，在量化強度參數(shù)時缺乏客觀性。因此，完善土地生態(tài)風(fēng)險評價，采用更加客觀或主客觀結(jié)合的方式量化土地生態(tài)風(fēng)險強度參數(shù)，將是下一步的研究方向。