1986—2015年滇西北地區土地利用類型時空動態研究

李曉娜 鄧忠堅 王秋華 王玉和 萬仕蓉

( 1. 西南林業大學，云南 昆明 650233；2. 云南省林業調查規劃院生態分院，云南 昆明 650002)

土地是人類生存與發展的自然基礎。土地利用狀況及其變化是陸地對人類社會經濟活動的重要響應和表現，是人類陸地自然資源開發和利用的結果，與全球氣候變化、生物多樣性保護、生態環境變化等所有與可持續發展相關的問題密切相關[1-4]。人類對土地的開發利用以及由此引發的土地覆被變化被認為是全球環境變化的重要組成部分和主要原因[5-10]。近年來，區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。

滇西北地區位于金沙江、瀾滄江、怒江三江并流大峽谷地區，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功能區和水源涵養區，但由于山高坡陡，生態環境脆弱。隨著人口增加和社會發展，滇西北地區對水資源、糧食和能源以及土地資源等的需求持續增加，給研究區的生態環境帶來巨大的壓力[20-21]。土地利用類型的變化在很大程度上反映生態環境的變化，部分學者對三江并流區1983—1999年間的土地利用變化及其驅動因素進行了分析，表明森林采伐、毀林毀草開荒、林火、基礎設施建設和少數民族生產生活方式等因素是影響滇西北地區土地利用發生變化的根本原因[22-25]。然而，2000年以來，國家和云南省實施了大規模的生態建設工程，其對滇西北地區的影響如何尚未可知，分析1986—2015年滇西北地區的土地利用時空變化特征，對于保護滇西北地區的生物多樣性和生態系統功能具有重要的意義，可以為研究區制定合理的可持續發展土地利用政策提供科學依據。

1 研究區概況

滇西北地區（24°40′～29°16′N，98°07′～101°31′E）位于橫斷山脈縱谷區，境內峽谷縱橫、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，該區為典型的內陸性季風氣候，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，生產水平落后，經濟發展緩慢。1949年國民生產總值還不足1.40億元，改革開放以后滇西北地區經濟發展速度加快，人口大量增加，到1988年GDP達到38.76億元，人口超過163萬；隨著社會發展，1995年人口增加到183.85萬，GDP增加到29.21億元，第一產業比重也由1988年的60%以上降低為不足42%。2000年前，林業采伐是研究區地方財政收入和居民獲取收入的主要來源，道路和城鎮建設均基于林業發展的需要，同時森林大面積采伐也導致研究區植被退化[23]；2000年以后國家實施了“天然林保護工程”，滇西北地區的經濟收入逐漸由林業轉變為旅游業等第三產業。截止2015年末，人口增加到223.00萬，GDP達到564.10億元，第一、第二和第三產業比重為23.3∶24.3∶52.4。

2 材料與方法

2.1 數據來源及處理

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

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，根據研究區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據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據庫，獲取滿足本研究需要的2015年滇西北地區的土地利用類型數據。

根據滇西北地區的實際土地利用狀態情況和土地利用/覆蓋變化（LUCC）體系，采用國家土地利用一級類型分類標準，將研究區土地分為耕地、林地、草地、水域、城鄉居住工礦用地（城鎮用地、農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，將所有的數據統一空間分辨率為100 m×100 m（圖1）。

圖1 1986—2015年滇西北地區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，對分類結果進行精度驗證，耕地、林地、草地、水域、城鄉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 土地利用類型動態度

土地利用動態度可以定量描述一定時間范圍內各土地利用的變化速度。單一動態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，反之表示研究區土地利用相對穩定，動態度值大于0時，表示該類型面積增加，小于0表示該類型面積減小。綜合動態度可以描述區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）內某一土地利用類型的動態度和綜合土地利用類型動態度，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）內第i類土地利用類型轉換為j類（非i類）土地利用類型的面積的絕對值（km2）。

2.3.2 土地利用轉移矩陣

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

2.4 土地利用類型空間格局變化分析方法

2.4.1 分形維數和穩定性指數分析

分形理論始于20世紀70年代，是研究不規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律，可以進一步表征空間鑲嵌結構的復雜性和穩定性。穩定性指數可以反映某種土地利用類型在自然狀態下抵抗外界干擾，維持自身形態的能力，是衡量土地利用結構穩定程度與否的基本指標。分形維數和穩定性指數的計算方法[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，C是不定常數，S為穩定性指數。

分形維數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，其穩定性就越差，相反則越好[29]。穩定性指數基于分形維數計算而來，是衡量土地利用狀態穩定程度的指標。其理論值范圍為0～0.5，S值越大，說明該地類空間結構越處于穩定狀態，反之越不穩定。

2.4.2 景觀格局指數

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

3 結果與分析

3.1 土地利用類型動態分析

3.1.1 土地利用類型面積變化

1986—2015年滇西北地區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＞城鄉居住工礦用地。1986年滇西北地區耕地、林地、草地、水域、城鄉居住工礦用地和未利用土地占研究區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年研究區的耕地、林地和城鄉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總面積的12.77%、0.77%和2.26%。

圖1 1986—2015年滇西北地區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 土地利用類型間轉化特征

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

表1 1986—1995年土地利用類型轉移矩陣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 土地利用類型動態度變化

滇西北地區1986—2015年土地利用動態度變化見表4。由表4可知，研究區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度有差異。同一時段內，第1時段城鄉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度絕對值均不足0.10；第2時段各土地利用類型動態變化表現為城鄉居住工礦用地動態度最大，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，但動態度值均較小（＜1.00）；與前2個時段相比，第3時段各土地利用類型的動態度均最大（＞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，其中城鄉居住工礦用地的動態度達到最大（17.17）。

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

滇西北地區土地利用類型的綜合動態度在前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度和區域綜合動態度均為最高值，各土地利用類型間流轉較為劇烈，從側面表明2005—2015年滇西北地區社會經濟發展均較迅速。

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和穩定性指數見表5。由表5可知，研究區4個時期的耕地、林地、草地、水域、城鄉居住工礦用地和未利用土地6大地類的分維值和穩定性指數的范圍分別為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），穩定性指數表現為未利用土地（0.09±0.05）＞水域（0.08±0.06）＞草地（0.05±0.05）＞城鄉居住工礦用地（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和穩定性指數Table 5 Fractal-dimension and stable-index among land-use types from 1986 to 2015

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

3.2.2 景觀格局指數分析

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

表6 1986—2015年景觀水平格局指數的變化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變化見圖3。由圖3可知，耕地、林地、水域、城鄉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的變化表現為耕地、草地、水域和城鄉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年研究區類型水平的格局指數變化Fig. 3 Changes of pattern indexes at the class-level in the study area from 1986 to 2015

景觀指數變化表明，研究區耕地、草地、水域和城鄉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。研究區景觀整體趨于破碎化，連通度增強，分割度減弱。

4 結論與討論

滇西北地區土地利用類型變化表明，30 a來研究區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恢復工程，林地面積有所增加。耕地和城鄉居住工礦用地不斷增加，尤其是城鄉居住工礦用地在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是研究區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，該區土地利用類型的變化速度整體上呈增大趨勢，其中城鄉居住工礦用地最為活躍，水域次之；各研究時段動態度相比，較前2個時段，近10 a來滇西北地區各土地利用類型的動態度和綜合動態度均大幅增加，其中城鄉居住工礦用地變化度達到17.17，綜合動態度高達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則穩定，城鄉居住工礦用地的斑塊趨于復雜穩定，而耕地和水域趨于活躍狀態。研究區各類景觀指數均呈波動，各土地利用類型景觀指數變化較復雜，耕地、草地、水域和城鄉居住工礦用地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年以前研究區森林遭受大面積采伐，采伐是導致研究區土地利用類型發生變化的根本原因[23-28]。2000年后滇西北地區全面停止了天然林采伐，實施了大規模的生態建設工程，這可能是2015年林地面積增加的主要原因。人口激增和經濟發展可能是導致研究區耕地和城鄉居住工礦用地面積持續增加的原因，人口增加、經濟發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。