劉文鵬,李 博,宋志宏,張扣強(qiáng)
(云南財(cái)經(jīng)大學(xué),云南 昆明 650000)
土地是人類進(jìn)行日常生活、生產(chǎn)的基礎(chǔ),土地利用是人類根據(jù)自身需要對(duì)土地進(jìn)行方向性改造的過(guò)程。土地利用/覆被變化是全球變化的重要組成部分和主要原因,在全球土壤退化、食物安全、生物多樣性和氣候變化等關(guān)鍵問(wèn)題的研究中發(fā)揮著非常重要作用,是全球變化研究的熱點(diǎn)領(lǐng)域[1-3]。隨著城市化的快速發(fā)展,人類社會(huì)活動(dòng)加強(qiáng),加劇了土地利用類型變化,進(jìn)而影響土地利用景觀格局變化[4]。借助“3S”技術(shù)和景觀生態(tài)學(xué)方法,通過(guò)景觀格局指數(shù)刻畫不同景觀類型特征,并對(duì)土地利用進(jìn)行生態(tài)學(xué)方面的景觀變化進(jìn)行定量描述,深刻分析土地利用類型變化和土地利用景觀格局時(shí)空演變特征[5-7]。
元胞自動(dòng)機(jī)(CA)模型可以通過(guò)其強(qiáng)大的空間運(yùn)算,對(duì)復(fù)雜系統(tǒng)的空間變化進(jìn)行模擬[8]。馬爾科夫(Markov)模型具有長(zhǎng)期預(yù)測(cè)優(yōu)勢(shì),被廣泛應(yīng)用于分析土地利用景觀格局變化[9]。將兩者優(yōu)勢(shì)結(jié)合起來(lái)構(gòu)建的CA-Markov模型是土地利用變化預(yù)測(cè)最常用的方法之一[10]。
2019 年,為加快云南對(duì)外開(kāi)放步伐,促進(jìn)云南省與東南亞國(guó)家經(jīng)貿(mào)合作,提高云南經(jīng)濟(jì)發(fā)展水平,中國(guó)政府設(shè)立了中國(guó)(云南)自由貿(mào)易試驗(yàn)區(qū)。本文以云南自貿(mào)區(qū)為研究對(duì)象,對(duì)2010-2020 年土地利用變化和景觀格局進(jìn)行分析,并利用CA-Markov 模型預(yù)測(cè)2025 年土地利用景觀格局。為管控土地利用空間,加強(qiáng)土地生態(tài)管理,實(shí)施適應(yīng)性開(kāi)發(fā)提供支持。以便協(xié)調(diào)好云南自貿(mào)區(qū)內(nèi)城鎮(zhèn)化發(fā)展、人口增長(zhǎng)、經(jīng)濟(jì)發(fā)展、環(huán)境改善與土地資源之間的關(guān)系,促進(jìn)土地資源高效可持續(xù)利用,實(shí)現(xiàn)經(jīng)濟(jì)發(fā)展與土地資源節(jié)約集約利用,對(duì)云南自貿(mào)區(qū)的發(fā)展具有深遠(yuǎn)意義。
云南自貿(mào)區(qū)有三個(gè)片區(qū),分別是昆明片區(qū)、紅河片區(qū)、德宏片區(qū),三個(gè)片區(qū)的定位和發(fā)展目標(biāo)各不同。昆明片區(qū)主要打造特色空港經(jīng)濟(jì)區(qū),努力建設(shè)面向南亞、東南亞,輻射西南城市群的商貿(mào)中心;紅河片區(qū)主要打造中越經(jīng)濟(jì)交流區(qū),打通中越經(jīng)濟(jì)發(fā)展新通道,大力發(fā)展對(duì)外型工業(yè)產(chǎn)品制造基地和經(jīng)貿(mào)物流中心;德宏片區(qū)主要發(fā)展跨境經(jīng)貿(mào)、打造中緬經(jīng)濟(jì)走廊①來(lái)自《國(guó)務(wù)院關(guān)于印發(fā)6 個(gè)新設(shè)自由貿(mào)易試驗(yàn)區(qū)總體方案的通知》。。
本研究采用云南自貿(mào)區(qū)2010、2015、2020 年3期,坐標(biāo)投影為GCS_WGS_1984,比例尺(72DPI)為1:10000,空間分辨率為4 m×4 m,來(lái)源于Google Earth的高分辨率衛(wèi)星遙感影像。對(duì)基礎(chǔ)衛(wèi)星遙感影像數(shù)據(jù)進(jìn)行波段融合、圖像拼接、裁剪等預(yù)處理。
利用ArcGIS 10.6,采用中國(guó)科學(xué)院地理科學(xué)與資源研究所LUCC(土地利用/土地覆蓋變化)分類體系[11],通過(guò)人機(jī)互動(dòng)目視解譯法,采用交互式監(jiān)督分類對(duì)遙感影像進(jìn)行解譯,并將云南自貿(mào)區(qū)內(nèi)土地利用類型分為耕地、林地、草地、建設(shè)用地、水域和未利用地[12],共六種土地利用類型。
對(duì)每期分類結(jié)果構(gòu)建100 個(gè)隨機(jī)采樣點(diǎn),利用混淆矩陣進(jìn)行精度評(píng)價(jià),得出如下表1 所示的Kappa 系數(shù),三個(gè)片區(qū)的Kappa Coefficient 均在0.75~1 范圍,表明分類結(jié)果和實(shí)際土地類別幾乎一致,符合要求[13]。
表1 土地利用分類kappa 系數(shù)表
基礎(chǔ)地理數(shù)據(jù)選取3 個(gè)空間變量:離道路距離(鐵路、公路、高速公路);2 個(gè)自然屬性變量:DEM 高程(1:5000)和坡度矢量數(shù)據(jù)。
2.2.1 土地利用變化
土地利用動(dòng)態(tài)度K表示為某個(gè)時(shí)間段內(nèi),研究區(qū)內(nèi)的某一種土地利用類型的數(shù)量變化[14],用來(lái)衡量土地利用類型變化的幅度和速度。
土地利用轉(zhuǎn)移矩陣Sij對(duì)區(qū)域內(nèi)土地利用變化的結(jié)構(gòu)特征以及各類用地變化的方向有著良好的刻畫效果[15]。不僅反映研究期間各類型土地利用的數(shù)量情況,同時(shí)也反映出各類型土地的轉(zhuǎn)移變化情況[16]。
2.2.2 景觀指數(shù)的選取
為深層次研究自貿(mào)區(qū)土地利用變化類型,進(jìn)一步探究景觀格局時(shí)空演變規(guī)律,選取具有代表性的部分景觀指標(biāo),計(jì)算景觀指數(shù)[16]。本文結(jié)合自貿(mào)區(qū)實(shí)際情況,根據(jù)陳文波等[17]提出的景觀指數(shù)分類系統(tǒng),對(duì)發(fā)展基礎(chǔ)較好的昆明片區(qū),計(jì)算分析其單一斑塊層級(jí)和整體景觀層級(jí)的景觀格局指數(shù),紅河片區(qū)、德宏片區(qū)僅采用整體景觀層級(jí)的景觀指數(shù)。各指標(biāo)及其對(duì)應(yīng)的生態(tài)意義見(jiàn)文獻(xiàn)[18]。
2.2.3 CA-Markov 模型的構(gòu)建
本文利用IDRIS 軟件,借助CA-Markov 模型用于LUCC 模型研究。CA 與Markov 耦合模型,在基礎(chǔ)Markov 模型之上加入了空間權(quán)重因素,不僅擁有CA模型復(fù)雜時(shí)空變化的能力,同時(shí)又具備Markov 模型長(zhǎng)期進(jìn)行預(yù)測(cè)的優(yōu)點(diǎn)[19],大大增加了模擬結(jié)果的科學(xué)性。
3.1.1 土地利用結(jié)構(gòu)變化分析
從圖1 至圖3 可以看出,從2010-2020 年,各個(gè)片區(qū)的土地利用結(jié)構(gòu)變化主要是建設(shè)用地增加、林地、耕地和未利用地減少,草地和水體基本保持不變。昆明片區(qū)的建設(shè)用地更加密集,紅河片區(qū)新增建設(shè)用地主要沿著河流兩側(cè),德宏片區(qū)是以犧牲耕地來(lái)增加建設(shè)用地。昆明片區(qū)和德宏片區(qū)主要由建設(shè)用地構(gòu)成,紅河片區(qū)主要由林地構(gòu)成,建設(shè)用地面積較少,未來(lái)發(fā)展?jié)摿薮蟆?/p>
圖1 昆明片區(qū)2010、2015、2020 年土地利用結(jié)構(gòu)圖
圖2 德宏片區(qū)2010、2015、2020 年土地利用結(jié)構(gòu)圖
圖3 紅河片區(qū)2010、2015、2020 年土地利用結(jié)構(gòu)圖
3.1.2 土地利用面積變化分析
由表2 可得,三個(gè)片區(qū)建設(shè)用地均為正向增長(zhǎng),耕地、未利用地均為負(fù)向增長(zhǎng),林地、草地、水體先減少后增加。昆明片區(qū)與德宏片區(qū)主要用地類型為建設(shè)用地,而紅河片區(qū)為林地,且其城鎮(zhèn)化進(jìn)程發(fā)展緩慢。昆明片區(qū)草地、水體基本處于穩(wěn)定狀態(tài),而德宏片區(qū)、紅河片區(qū)由于內(nèi)部河流湖泊較多,水體變化幅度較大,呈現(xiàn)先增加后減少的趨勢(shì)。2010-2020 年內(nèi),三個(gè)片區(qū)均呈現(xiàn)建設(shè)用地上漲,耕地大幅度減少的趨勢(shì),其中昆明片區(qū)和紅河片區(qū)減少最多,耕地流失現(xiàn)象非常嚴(yán)重,進(jìn)一步分析2025 年的土地利用情況,該趨勢(shì)仍在持續(xù)。
表2 云南自貿(mào)區(qū)土地利用面積變化表
由表3 可得,從2010-2020 年,昆明片區(qū)內(nèi)建設(shè)用地和草地面積增加,其中建設(shè)用地面積增加速度逐漸加快,說(shuō)明昆明片區(qū)城鎮(zhèn)發(fā)展速度較快,并呈現(xiàn)逐步上升的趨勢(shì)。另外林地、水體、耕地和未利用地面積減少,其中林地減少幅度最小。紅河片區(qū)建設(shè)用地和未利用地增加,其中建設(shè)用地變化幅度和變化速度最大,耕地和林地減少量和減少幅度最大。紅河片區(qū)近十年城市發(fā)展速度較快,但伴隨著犧牲林地和耕地來(lái)滿足建設(shè)用地發(fā)展需求。德宏片區(qū)近十年前期建設(shè)用地發(fā)展最迅速,達(dá)到一定程度后,建設(shè)用地?cái)U(kuò)張速度減緩,使得水體、林地等生態(tài)用地得以增加,促進(jìn)了德宏片區(qū)生態(tài)多樣性的發(fā)展。
表3 云南自貿(mào)區(qū)土地利用/覆被類型動(dòng)態(tài)變化
3.1.3 土地利用類型轉(zhuǎn)移分析
由表4 可以看出,研究區(qū)在2010-2015 年的土地利用轉(zhuǎn)移趨勢(shì)為:建設(shè)用地?cái)U(kuò)展明顯,耕地與裸地大幅度減少,草地與水體基本不變,符合基本城鎮(zhèn)化發(fā)展初期趨勢(shì)。在2010-2015 年,昆明片區(qū)建設(shè)用地主要來(lái)源為林地、耕地、未利用地。未利用地與建設(shè)用地大量轉(zhuǎn)換,表明昆明進(jìn)入高速發(fā)展時(shí)期,城市中大量進(jìn)行拆除與重建工程。德宏片區(qū)各類用地流向均為建設(shè)用地,其中耕地、林地、未利用地最明顯。水體與草體存在略微增長(zhǎng)趨勢(shì),說(shuō)明德宏在城鎮(zhèn)化過(guò)程中較注重可持續(xù)發(fā)展。紅河片區(qū)各類用地以林地變化最明顯,紅河城鎮(zhèn)化主要是以開(kāi)墾林地、侵蝕耕地為代價(jià)進(jìn)行建設(shè)。紅河湖泊較多,適宜發(fā)展?jié)竦厣鷳B(tài),促進(jìn)生物多樣性發(fā)展。
表4 2010-2015 年云南自貿(mào)區(qū)土地利用轉(zhuǎn)移矩陣
由表5 可以看出,研究區(qū)在2015-2020 年土地利用轉(zhuǎn)移趨勢(shì)為:建設(shè)用地仍處于高速擴(kuò)張階段,其中紅河片區(qū)最為顯著,同時(shí)在擴(kuò)張的同時(shí),更加注重保護(hù)生態(tài)多樣性和維持可持續(xù)發(fā)展。在2015-2020 年,昆明片區(qū)建設(shè)用地仍然保持增長(zhǎng),同時(shí)積極開(kāi)發(fā)未利用地,保護(hù)和恢復(fù)濕地水體,在“退耕還草”政策的推動(dòng)下,草地面積增多。德宏片區(qū)建設(shè)用地、林地、未利用地均存在輕微漲幅。表明德宏土地利用變化受“退耕還林”等政策的影響較大,耕地減少,林地增加,并加大力度保護(hù)瑞麗江及沿岸濕地景觀風(fēng)貌。紅河片區(qū)建設(shè)用地出現(xiàn)激增情況,耕地、未利用地持續(xù)保持減少的趨勢(shì)。建設(shè)用地、林地的主要來(lái)源是耕地與水體。
表5 2015-2020 年云南自由貿(mào)易實(shí)驗(yàn)區(qū)土地利用轉(zhuǎn)移矩陣
3.2.1 土地利用結(jié)構(gòu)預(yù)測(cè)
根據(jù)研究區(qū)2010、2015、2020 年三期的土地利用景觀格局?jǐn)?shù)據(jù),預(yù)測(cè)2025 年土地利用景觀格局。為檢驗(yàn)CA-Markov 模型預(yù)測(cè)土地利用變化的精確度,選用2015 年各片區(qū)土地利用圖模擬預(yù)測(cè)2020 年土地利用圖,并與2020 年實(shí)際土地利用分類圖進(jìn)行對(duì)比,通過(guò)目視對(duì)照,相似度較高,并運(yùn)用VALIDATE 模塊檢驗(yàn)精度,得出昆明片區(qū)kappa 系數(shù)0.846 1、紅河片區(qū)0.785 2、德宏片區(qū)0.817 3,達(dá)到顯著相關(guān)精度要求。再次運(yùn)用CA-Markov 模型對(duì)研究區(qū)2025 年土地利用景觀格局進(jìn)行模擬演化,并以建設(shè)用地作為限制性因素,DEM、坡度、道路等因素作為發(fā)展性因子,制作適應(yīng)性圖集,最終得出研究區(qū)2025 年土地利用景觀格局預(yù)測(cè)圖。模擬預(yù)測(cè)結(jié)果如圖4 所示。
圖4 昆明片區(qū)、德宏片區(qū)和紅河片區(qū)2025 年土地利用結(jié)構(gòu)預(yù)測(cè)圖
3.2.2 土地利用面積預(yù)測(cè)
由表6 可知,隨著云南自貿(mào)區(qū)城鎮(zhèn)化發(fā)展進(jìn)一步推進(jìn),基礎(chǔ)設(shè)施不斷完善,土地資源開(kāi)發(fā)程度逐漸增加,三個(gè)片區(qū)均出現(xiàn)未利用地、耕地減少的情況,其中主要流向均為建設(shè)用地。
表6 2020-2025 年云南自貿(mào)區(qū)土地利用轉(zhuǎn)移矩陣
在2020-2025 年,昆明片區(qū)建設(shè)用地和林地的主要來(lái)源分別是未利用地和建設(shè)用地。德宏片區(qū)僅建設(shè)用地、林地表現(xiàn)為輕微增長(zhǎng),耕地、未利用地、水體、草地均有不同程度減少。建設(shè)用地主要來(lái)源是水體,其次是未利用地和草地。紅河片區(qū)建設(shè)用地增長(zhǎng)尤為明顯,主要來(lái)源為林地、未利用地、水體。在保持城鎮(zhèn)化推進(jìn)的同時(shí),水體、草地出現(xiàn)了增長(zhǎng)的趨勢(shì),增加了紅河當(dāng)?shù)氐纳鷳B(tài)多樣性與穩(wěn)定性。
由?;鶊D5 可得,昆明片區(qū)與德宏片區(qū)城鎮(zhèn)化較高的地區(qū),建設(shè)用地均大部分來(lái)自未利用地開(kāi)發(fā),而紅河片區(qū)城鎮(zhèn)化較低的地區(qū),建設(shè)用地主要來(lái)源于林地。并且三個(gè)片區(qū)總體趨勢(shì)為其他土地利用類型流入建設(shè)用地,水體、耕地、林地流入其他土地利用類型。
圖5 2020-2025 年昆明片區(qū)、德宏片區(qū)和紅河片區(qū)土地利用轉(zhuǎn)移矩陣?;鶊D
3.3.1 類型水平變化特征
計(jì)算昆明片區(qū)不同土地利用類型的景觀指數(shù),深入探究各景觀類型的時(shí)空演化規(guī)律,全面分析2010-2025 年昆明片區(qū)的景觀類型水平變化特征。由圖6 可知:(1)在六類土地利用類型中,PLAND(斑塊所占景觀面積)建設(shè)用地占比最高,數(shù)值保持在49%~55%之間,占比最少的是草地和水體,耕地的占比逐漸減少。(2)對(duì)LPI(最大斑塊指數(shù))進(jìn)行分析:昆明片區(qū)的各個(gè)用地類型景觀中,LPI 最大的是建設(shè)用地,數(shù)值保持在46%~54%。其中,在2015-2025 年,耕地、林地的LPI 逐年遞減,這表明耕地、林地的優(yōu)勢(shì)度正在逐漸喪失[20]。(3)對(duì)NP(斑塊個(gè)數(shù))、PD(斑塊密度)、AI(聚集度指數(shù))進(jìn)行分析,PD 最小的是河流,較小的是建設(shè)用地和草地,但建設(shè)用地的PLAND 和AI 是所有用地類型里面最大的,這意味著,建設(shè)用地面積最廣且發(fā)展聚集度高[21];從2015-2025 年,耕地和林地的斑塊密度、斑塊個(gè)數(shù)都呈現(xiàn)下降的趨勢(shì),這表明,破碎化的形勢(shì)嚴(yán)重。能夠從中看出,建設(shè)用地面積的增加、城市的快速發(fā)展,是以消耗耕地、林地為代價(jià)的。(4)對(duì)LSI(景觀形狀指數(shù))進(jìn)行分析,在2015-2025 年這一段時(shí)間中,建設(shè)用地和未利用土地的景觀形狀指數(shù)都呈現(xiàn)出遞減的趨勢(shì),從中可以看出,未利用土地、建設(shè)用地的形狀都趨向規(guī)則化,集聚性較強(qiáng),反映出的是未利用土地以及建設(shè)用地的開(kāi)發(fā)更具有方向性。
圖6 昆明片區(qū)各土地類型景觀格局指數(shù)變化圖
3.3.2 景觀水平變化特征
根據(jù)景觀指數(shù)生態(tài)學(xué)價(jià)值意義和城市地理學(xué)等學(xué)科知識(shí),結(jié)合前人研究相關(guān)成果和表7,對(duì)研究區(qū)景觀指數(shù)變化進(jìn)行分析[22-24]。
表7 2010-2025 年云南自貿(mào)區(qū)景觀指數(shù)表
昆明片區(qū)在2010-2020 年P(guān)D、NP 和LSI 不斷減少,說(shuō)明其景觀破碎化度在不斷下降,景觀斑塊分布趨向集聚,整體景觀趨向簡(jiǎn)單化;而蔓延度指數(shù)近10年來(lái),大致呈上升趨勢(shì),由此可以看出,昆明片區(qū)各斑塊類型在整體景觀中分布比較集中,且集中分布的是建設(shè)用地。2025 年模擬預(yù)測(cè)的結(jié)果與2020 年進(jìn)行對(duì)比,PD 和NP 仍處于減少的狀態(tài),AI 的上升表明了其景觀破碎化水平還在降低,整體景觀朝向簡(jiǎn)單化發(fā)展,生物多樣性減少[25]。
德宏片區(qū)從2010-2020 年AI 持續(xù)增長(zhǎng),NP 和PD在不斷下降,表明了德宏片區(qū)破碎化程度的不斷下降,各種景觀類型之間的連通性逐漸加強(qiáng),景觀集聚程度高。2025 年模擬預(yù)測(cè)的結(jié)果與2020 年進(jìn)行對(duì)比,LSI、SHDI(香農(nóng)多樣性指數(shù))有所增加;而AI 和SHEI(香濃均勻度指數(shù))有所降低,反映了后期德宏片區(qū)景觀斑塊形狀不規(guī)則,趨向離散化和復(fù)雜化,景觀破碎度明顯提升。
紅河片區(qū)從2010-2020 年,整體景觀變化相對(duì)穩(wěn)定。SHDI 和SHEI 呈現(xiàn)逐年下降的趨勢(shì),表明了紅河片區(qū)景觀斑塊分布趨向均勻化,斑塊類型豐富性減少,破碎度降低,生物多樣性減少。LSI 先增大后減小,反映出了紅河片區(qū)整體景觀變化的復(fù)雜情況,斑塊景觀的分布由離散走向了集聚。2025 年模擬預(yù)測(cè)的結(jié)果與2020 年進(jìn)行相比,NP 和SHDI 處于上升的趨勢(shì),再加上蔓延度指數(shù)的下降,說(shuō)明景觀內(nèi)的優(yōu)勢(shì)斑塊與景觀整體的連通性降低,團(tuán)聚程度減小、趨向分散、景觀破碎化水平有著明顯的提高。
(1)從土地利用結(jié)構(gòu)變化分析得出:云南自貿(mào)區(qū)各個(gè)片區(qū)的土地利用結(jié)構(gòu)變化的總體趨勢(shì)是建設(shè)用地增加,林地、耕地和未利用地減少,草地和水體基本保持不變。
(2)從土地利用結(jié)構(gòu)轉(zhuǎn)移分析得出:在研究期前期,建設(shè)用地以犧牲林地和耕地為代價(jià),迅速增加,加速城鎮(zhèn)化進(jìn)程;在研究期后期,建設(shè)用地趨于飽和,加強(qiáng)對(duì)未利用地的開(kāi)發(fā),城鎮(zhèn)化進(jìn)程緩慢,并加大對(duì)林地、水體和草地的保護(hù)力度,重視生態(tài)文明建設(shè),貫徹可持續(xù)發(fā)展理念。
(3)從景觀指數(shù)分析得出:云南自貿(mào)區(qū)各個(gè)片區(qū)景觀破碎化水平在不斷下降,各個(gè)片區(qū)景觀格局時(shí)空演變規(guī)律有著明顯的差異。從景觀水平來(lái)看,三個(gè)片區(qū)都呈現(xiàn)出的是,整體景觀破碎度的逐漸降低,景觀類型之間的連通性逐漸加強(qiáng),景觀集聚程度高,生物多樣性減少。由此可以看出在城鎮(zhèn)化發(fā)展過(guò)程中,在人類活動(dòng)的影響下,區(qū)域景觀自我調(diào)節(jié)能力增強(qiáng),景觀空間結(jié)構(gòu)更加穩(wěn)定。
(1)統(tǒng)籌土地資源規(guī)劃管理:云南省應(yīng)堅(jiān)持新發(fā)展理念、“多規(guī)合一”、國(guó)土空間各要素一張圖,促進(jìn)以土地為依托的空間資源的公平配置與高效利用,通過(guò)空間規(guī)劃矯正土地資源利用不合理,提高土地資源利用效率。
(2)協(xié)調(diào)經(jīng)濟(jì)發(fā)展和土地資源利用:各部門應(yīng)協(xié)調(diào)好云南自貿(mào)區(qū)內(nèi)城鎮(zhèn)化發(fā)展、人口增長(zhǎng)、經(jīng)濟(jì)發(fā)展、環(huán)境改善與土地資源之間的關(guān)系,促進(jìn)土地資源可持續(xù)利用和經(jīng)濟(jì)可持續(xù)發(fā)展。
(3)促進(jìn)土地資源高效可持續(xù)利用:云南自貿(mào)區(qū)應(yīng)堅(jiān)持存量規(guī)劃、城市更新等提高城鎮(zhèn)化質(zhì)量手段;嚴(yán)控生態(tài)保護(hù)紅線、城鎮(zhèn)開(kāi)發(fā)邊界、基本農(nóng)田保護(hù)紅線,堅(jiān)持生態(tài)優(yōu)先,推進(jìn)山水林田湖草綜合治理,促進(jìn)土地資源節(jié)約集約高效可持續(xù)利用。