2001—2013年云貴高原土地利用動態變化分析

許玉鳳，陳 宸，陳洪升

(1.黔南民族師范學院 民族地區可持續脫貧與鄉村現代化治理研究中心，貴州 都勻 558000；2.新疆農業大學 草業與環境科學學院，新疆 烏魯木齊 830011；3.黔南民族職業技術學院，貴州 都勻 558000)

土地利用變化能很好地反映社會經濟發展的歷程，是人類活動最為顯著的表現形式[1]。土地利用變化是人類-環境耦合系統研究的理想切入點[2-3]，它直接影響水資源利用、碳氮物質排放等，并危及陸地生態系統安全。研究人類活動對生態環境的影響程度及其相應機理是解決生態環境危機和促進經濟、社會可持續發展的重要途徑之一。

土地資源是人類生存和社會發展所不可替代的物質基礎和支撐，隨著經濟的發展和人口的增加，對土地資源的需求也不斷增加，城市土地利用結構變化迅速。在一些脆弱區域，當基層組織和居民對環境退化消極響應的時候，政府的積極響應對于區域的可持續發展尤為重要[4]。因此，研究區域土地利用結構及其動態變化對于深刻認識區域的生態環境、維持生態平衡、促進區域經濟與環境的協調發展具有重要意義。

云貴高原屬于典型喀斯特地區，也是全球生態脆弱區，其生態系統對氣候變化和人類活動的影響極為敏感。云貴高原生態系統對國家生態安全具有重要的屏障作用。在人口壓力下，當地居民為了維持生計而進行的薪材砍伐、過牧、開墾等土地利用行為導致了水土流失加劇，石漠化面積加大，景觀破碎、土壤侵蝕、草地退化、泥石流多發、生物多樣性喪失等問題引起各界關注。針對云貴高原的環境退化問題，中央和地方政府采取了一系列積極措施，如退耕還林、退牧還草、生態移民等。然而，目前對于在相關措施驅動下云貴高原區域土地利用/覆被變化的研究較少。

本研究選擇位于中國南方喀斯特地區的云貴高原作為研究區，根據2001—2013年云貴高原環境遙感動態監測資料和實地調查資料，系統分析了2001—2013年云貴高原土地利用動態變化特征，這對云貴高原地區生態環境保護具有重要的理論意義和現實意義。

1 研究區概況

云貴高原位于中國西南部，介于21°～30°N、97°～112°E之間，是中國第四大高原，西起橫斷山區，北鄰四川盆地，東到湖南省雪峰山，包括云南省東部、廣西壯族自治區西北部、貴州省全部，以及重慶、湖南、湖北等省市的部分地區。

云貴高原處于中國南北走向和東北—西南走向兩組山脈的交會處，地勢西北高東南低，崎嶇不平，海拔1 000～2 000 m，是典型喀斯特地形，石灰巖廣布，到處有溶洞、石鐘乳、石筍、石柱、地下暗河、峰林等。

由于地勢較高、緯度較低，受季風氣候制約的綜合影響，形成了四季溫差小、干濕分明、氣候資源垂直變化顯著的低緯高原季風氣候，四季如春。

云貴高原氣候溫暖濕潤，植被生長茂盛，植物根部分泌的酸類和植物體分解時所產生的酸類都特別多，同時各種水體中的二氧化碳含量也比較高，因此，便形成了云貴高原極為發育的巖溶地貌。

目前云貴高原的生態環境問題主要是由于地形崎嶇、喀斯特地貌裂隙較多等地形地貌因素和人地矛盾引起的過度墾殖、陡坡開荒等人為因素，以及干旱與降水異常等氣候因素綜合影響所致的石漠化。

2 研究數據與方法

2.1 土地覆蓋分類數據集

本研究使用的土地覆蓋數據來自NASA(National Aeronautics and Space Administration)MODIS陸地產品組開發的土地覆蓋數據產品(MCD12Q1)。本研究選取了2001—2013年空間分辨率為500 m、每年一次的IGBP(International Geosphere-Biosphere Programme)土地覆蓋分類數據。已有研究表明，IGBP土地覆蓋分類數據在中國區域有較高的整體分類精度[5]，雖然云貴高原地區受植被飽和度和復雜地形條件的影響較大，但是研究其變化趨勢還是能夠說明一些問題。

2.2 研究方法

2.2.1 土地利用動態度

土地利用動態度是用來定量研究某一土地類型數量變化的指標，可以反映土地利用類型的變化幅度與變化速度，其意義在于刻畫區域土地利用變化的劇烈程度，可預測未來土地變化趨勢，并能夠反映土地利用變化速率的區域差異。

單一土地利用動態度的表達式為

(1)

式中：K為研究時段某一土地利用類型動態度；Ua、Ub分別為研究期初、末某一土地利用類型面積；T為研究時段長。

2.2.2 土地利用類型轉移矩陣

地類間相互轉移面積的概率組成的矩陣稱為轉移矩陣，可以反映一個時期內由一種土地類型轉化到另一種類型的數量多少，便于了解研究期初各類型土地的去向及研究期末各土地利用類型的來源與構成[6]。在ArcGIS操作平臺上獲得不同時期的土地利用類型面積變化數量，據此可以求得表示土地利用類型相互轉化的數量關系的轉移矩陣。

2.2.3 土地利用程度綜合指數

土地利用程度綜合指數可以反映某區域特定時期的土地利用程度，研究期間的指數變化可反映區域土地利用程度變化[7]，主要反映區域土地利用的廣度和深度等方面的變化程度。參考已有研究成果[8-9]，并結合研究區實際，將土地利用類型整合為未利用土地、林草水用地、農業用地、農業用地與天然植被鑲嵌體(簡稱“鑲嵌體”)和城鄉建設用地等5級(表1)，并且分別將分級指數設定為1、2、3、4、5。

(2)

式中：L為土地利用程度綜合指數；Ai為區域內第i級土地利用程度分級指數；Qi為區域內第i級土地利用程度分級面積比例；n為土地利用程度分級數。

表1 土地利用程度分級指數

2.2.4 土地利用結構信息熵、均衡度和優勢度

信息熵(H)的高低可以反映城市土地利用的均衡程度，熵值越高，表明不同職能的土地利用類型越多，各職能類型的面積相差越小，土地分布越均衡[10]。其計算公式為

(3)

式中：m為土地利用類型數量；Pi為第i類土地利用類型的面積比例。

基于信息熵函數構建的土地利用結構均衡度(E)，目的在于反映土地利用結構的均衡程度[10]。其取值范圍為，E值越大均質性越強，當E=0時用地處于最不均勻狀態，當E=1時研究區用地類型達到理想平衡狀態。其計算公式為

(4)

優勢度(I)體現區域內一種或幾種土地利用類型支配該區域土地類型的程度，其表達式為

I=1-E

(5)

土地利用結構信息熵和均衡度、優勢度可以在一定程度上綜合反映某區域在一定時間段內的土地利用結構特征、動態變化及其轉換程度，對具體區域土地利用結構的調整與優化、土地利用總體規劃有著一定的指導和借鑒意義。

2.2.5 土地利用生態服務價值當量因子

生態系統服務功能價值是生態保護、生態功能區劃、自然資產核算和生態補償決策的依據和基礎，并且生態服務功能呈現出與生態功能密切相關的時空動態變化特征[11]。一般采用土地利用生態服務價值當量因子反映生態系統服務功能價值的大小。單位面積生態系統服務功能價值的基礎當量是指不同類型生態系統單位面積上各類服務功能年均價值當量。

生態系統提供的服務一般包括供給服務、調節服務、支持服務和文化服務等四種一級類別，根據不同生態系統類型面積，計算不同生態服務功能的時空動態價值[12]。采用基于單位面積價值當量因子的方法，核算云貴高原生態系統的生態服務價值，分析近十幾年云貴高原生態系統服務的生態效應，可為自然資產評估和生態補償等方面研究提供理論參考。

3 分析結果

3.1 土地利用動態變化

由表2可看出，2001—2013年，研究區耕地、林地、城鄉建設用地面積在增加，草地、永久濕地、鑲嵌體、水域與未利用地面積在減少。有研究表明，2001—2009年貴州省草地面積呈增加趨勢，云南草地面積呈減小趨勢；云貴高原各省區耕地面積呈減少趨勢[13]。但2009年以后，貴州省茶園面積迅速增加，表現為耕地面積擴張很快。

表2 2001—2013年不同利用類型的土地面積占總面積的比例 %

由表3可知，2001—2013年研究區林地與耕地土地利用動態度值分別為最大值和次大值，表明這兩種土地利用類型呈明顯擴張趨勢；未利用地、永久濕地和草地等出現較大負值，說明這幾種土地面積在減少。

表3 2001—2013年云貴高原土地利用動態度

3.2 土地利用系統穩定性分析

3.2.1 土地利用程度綜合指數

土地利用程度綜合指數最大的意義在于它能夠反映區域土地利用的集約程度，可以衡量區域土地利用所處發展或衰退階段。2001—2013年，研究區土地利用程度綜合指數呈上升趨勢(圖1)，表明云貴高原地區的土地利用處于發展階段，尤其是2009年之后土地利用程度綜合指數躍升幅度較大，土地利用發展較快。

圖1 2001—2013年云貴高原土地利用程度綜合指數

3.2.2 土地利用結構信息熵值與均衡度、優勢度變化

根據信息熵原理，信息熵越高表明系統有序程度越低、越無序混亂，信息熵減小表明系統向有序發展。利用信息熵原理對研究區土地利用結構合理性進行研究，可以了解在人類活動影響下土地系統有序程度的變化趨勢，并能定量研究人類活動對區域系統的影響程度。

由圖2可看出，2001—2013年云貴高原土地利用結構信息熵經歷了兩個明顯的階段：第一階段為2001—2006年，信息熵處于較快增長階段，從1.172 9升高到1.278 7，年均增長1.764%；第二階段為2007—2013年，信息熵呈下降趨勢。土地利用結構的變化是導致云貴高原土地利用結構信息熵值變化的直接原因：2006年以前，耕地、林地和草地都在減少，建設用地、濕地有所增加；2006年以后，云貴高原的耕地、林地面積在增加，草地和未利用地在減少(表2)，草地逐步向耕地、林地等用地類型轉化，林地中果園和經濟林面積增加，農業產業結構升級，傳統農業開始向現代農業轉化。

圖2 2001—2013年云貴高原土地利用信息熵變化

2001—2013年土地利用均衡度與信息熵的變化一致，呈現先上升后下降的趨勢，而優勢度變化趨勢則相反(圖3)。研究期初，草地、林地、耕地等用地面積減少(表2)，草地向其他用地類型轉化較多，土地利用結構趨于均衡；研究期末，耕地、林地等在區域土地利用中的支配地位占優勢，土地利用信息熵減小，土地利用優勢度呈上升趨勢。

圖3 2001—2013年土地利用結構均衡度和優勢度變化

2006年前，由于大量農村人員外出打工，造成棄耕地增加，農業用地與天然植被鑲嵌體面積增加，土地利用均衡度呈上升趨勢。2006年之后，國家相關部門相繼出臺保護耕地、退耕還林還草等政策，使得耕地、林地等土地類型面積增大，同時由于社會發展的需要，其他地類轉換為建設用地的面積在增加，土地利用結構均衡度有所降低，土地利用優勢度又有所回升。

綜上來看，云貴高原土地利用信息熵由上升逐漸轉變為下降趨勢，說明該區域土地利用系統在向相對有序的狀態演變；土地利用均衡度由逐漸增加到逐漸減少，表明區域土地利用均衡程度不斷降低；土地利用優勢度呈上升趨勢，表明以耕地、林地為代表的土地利用類型在該區域的支配程度不斷增加。

3.3 土地利用轉化分析

由表4可以看出，2013年研究區耕地面積的3.3%、53.76%、15.20%和0.09%分別由2001年的林地、草地、鑲嵌體和永久濕地轉化而來，林地面積的3.58%、44.11%、5.50%分別由耕地、草地和鑲嵌體轉化而來，草地面積的5.90%、8.39%、9.75%分別由耕地、林地和鑲嵌體轉化而來，永久濕地面積的12.93%、16.77%、43.42%、6.30%、6.24%和1.36%分別由耕地、林地、草地、鑲嵌體、水域和未利用地轉化而來，鑲嵌體面積的17.99%、6.83%、48.10%分別由耕地、林地、草地轉化而來，城鄉建設用地面積的0.08%、0.05%分別由永久濕地和水域轉化而來，水域面積的0.96%、1.51%、1.48%、0.93%、0.46%、0.03%、0.55%分別由耕地、林地、草地、永久濕地、鑲嵌體、城鄉建設用地轉化而來，未利用地面積的4.35%、8.70%、24.64%、7.25%、2.90%、43.48%分別由耕地、林地、草地、永久濕地、鑲嵌體和水域轉化而來。

表4 2001年土地利用類型轉化為2013年的情況及其占各自地類面積的比例 %

綜上來看，在土地利用轉化中，草地轉化為其他類型用地的面積比例較大，其次為耕地。各地類之間的轉化主要是生態保護政策的實施和社會發展的需要所致。

3.4 土地利用生態服務功能變化

生態系統服務功能是指生態系統與生態過程所形成的人類賴以生存和發展的自然環境及其效用。針對土地利用引起的生態系統服務功能變化，采用謝高地等[12-13]總結的生態當量因子方法對云貴高原進行生態系統服務價值評估。歷年的生態系統服務價值的變化可以動態反映云貴高原生態系統的健康程度及不同服務類別的大小，揭示研究階段云貴高原生態系統服務價值大小，有利于科學評估其自然資產數量并為生態補償提供依據。

據核算，2001—2013年云貴高原的生態系統服務價值增加10.83億元，增加了23.85%，呈上升趨勢(圖4)。其中除食物生產功能下降之外，其余功能都有所提高，如氣體調節、氣候調節、保持土壤等，尤其是原材料生產和提供美學景觀、維護生物多樣性方面增長趨勢顯著(表5)。

圖4 2001—2013年云貴高原生態服務價值變化趨勢

4 結 論

本研究基于遙感圖像，從空間耦合角度分析了云貴高原2001—2013年土地利用變化及其生態系統服務價值變化趨勢。研究表明，研究區耕地、林地面積在顯著增加，建設用地面積有所增加，草地、水域、永久濕地、鑲嵌體及未利用地面積在減少。

表5 2001—2013年云貴高原生態系統服務價值變化 億元

(1)研究期間，耕地、林地、建設用地等用地面積增加，且林地面積增加最顯著；其余土地利用類型面積均有所減少，草地減少面積比例最大。2009年前由于退耕還林等政策實施，耕地面積減少、林地面積大幅度增加；2009年之后，由于茶園種植面積增加幅度較大，顯示為耕地面積增加較快。

(2)研究期間，土地利用程度綜合指數略有上升，土地利用信息熵和土地利用均衡度均呈現先增加后減小的趨勢，土地利用優勢度由下降轉為提升，表明土地利用的有序程度由減弱到增強，土地利用合理性在逐步增加。

(3)研究期間，土地生態系統服務功能在上升，除供給服務的食物生產功能稍有下降外，調節服務、支持服務和文化服務的功能都在提高。

綜上所述，研究期間云貴高原的土地利用呈現良性發展趨勢，但是其中存在的問題也應該引起足夠的重視。