高原傳統農區土地利用功能演變及其生態環境效應

丁慧敏, 楊朝現, 李 鑫, 呂兆群, 左鈺瑤

(西南大學 資源環境學院, 重慶 北碚 400715)

土地是人類賴以生存和活動的重要場所和物質基礎，是人類生存發展和生態環境之間的重要紐帶[1-2]，而土地利用功能演變是人類活動和自然環境對區域景觀產生影響的直接體現[3]。隨著社會經濟發展速度的加快，人類社會活動會導致土地利用數量結構和功能(生產、生活、生態功能)發生變化，從而對生態環境造成影響。不合理的土地利用方式會導致水土流失、人居環境質量下降和土地資源過度消耗等系列環境問題加劇，而這一系列的環境問題反過來又會限制人類社會的生存與發展[4-6]。因此如何實現經濟和生態之間的協調發展，減少生態環境在社會經濟發展過程中的消極影響[7]，成為當下亟需重點關注的問題。厘清土地利用功能演變對生態環境影響的規律，尋求區域土地利用差別化調控策略，引導土地科學利用，促進區域社會經濟全面發展和生態環境保護具有重要現實意義。

對于土地利用功能演變的研究，在土地利用功能演變特征[8-9]及其驅動因素分析[10-12]、土地利用功能演變與城鄉發展間的關系[13]、土地利用功能演變對生態環境的影響等[14-15]方面，不少學者已有關注。尤其在區域土地利用功能演變對生物生境[16]和生態系統服務價值影響方面的研究[17]，以及土地利用功能演變與土壤、水源、大氣等單一自然要素間關系的研究[18-19]更是眾多學者關注的熱點。在平原、流域、熱點城市等[20-22]區域，學者們采用構建模型、建立生態環境評價指標體系[23]、計算生態環境質量指數等[24]方法來揭示土地利用變化對生態環境質量變化帶來的影響程度。

梳理土地利用功能演變對生態環境效應的相關研究成果發現，多數學者將研究重點放在土地利用功能演變對生態環境影響的途徑和演變規律上，對于區域內部土地利用功能演變及其生態環境效應的差異性關注較少。特別是對地貌分異性較強、土地利用功能格局多樣、生態環境脆弱的高原傳統農區開展相關研究更是鮮有?；诖耍狙芯窟x取西南地區云貴高原的云南省保山市昌寧縣為案例，基于地形梯度效應的視角，探究垂直梯度上不同地貌區域土地利用功能演變特征及其生態環境效應的分異性，以期為尋求差別化的土地利用調控策略，實現區域生態環境良好保護提供依據。

1 研究區概況與數據處理

1.1 研究區概況

云南省昌寧縣地處滇西高原西南部，位于北緯24°14′—25°12′，東經99°16′—100°02′，幅員面積3 768.62 km2。境內喀斯特地貌發育，地質條件脆弱，地形起伏較大(海拔在583～2 881 m)，地貌類型多樣，山區溝深坡陡，地勢自西北向東南由高漸低，形成山壩南北縱列、高山壩谷相間的地貌形態。屬亞熱帶季風氣候，有低熱、溫熱、溫涼、高寒4個氣候帶。年平均氣溫14.9℃，極端最高氣溫40.4℃，極端最低氣溫-6℃，年平均降雨1 259 mm，無霜期253 d，具有四季分明、雨量充沛的特點。昌寧縣是一個多民族聚居的高原山區傳統農業縣，獨特的水熱條件和土壤資源，適宜多種農作物種植和動植物生長，區內茶葉、蔬菜、養殖等特色產業發展突出。2020年，研究區共轄13個鄉(鎮)，總人口35.56萬人(其中農業人口24.95萬人)，全年人均地區生產總值(GDP)為4.59萬元，茶葉年綜合產值35.93億元，蔬菜年產值4.86億元，養殖業年產值34.67億元。

1.2 數據來源與處理

本研究選取2000年、2010年、2020年3期分辨率為30 m×30 m的Landsat遙感影像作為主信息源，對遙感數據進行波段合成、輻射校正、幾何校正以及拼接、裁剪等預處理，然后通過監督分類、人機交互目視解譯完成。DEM數據來源于地理空間數據云平臺，分辨率為30 m×30 m。

為客觀刻畫研究區土地利用功能演變特征，基于土地的生產、生活、生態主導功能差異，參考相關研究[17-19]，對研究區的土地利用類型進行了功能分類(表1)。同時，為揭示土地利用功能演變對區域生態環境產生的影響，本文在參考楊清可[15]、高星[22]、羅剛[24]等對土地利用功能生態環境質量值測算研究成果的基礎上，采用面積加權取平均測算的方法確定了不同土地利用類型的生態環境質量指數(表1)。

表1 土地利用功能分類及其生態環境質量指數

2 研究方法

2.1 土地利用轉型

2.1.1 地貌類型劃分 參考徐漢明[25]、高玄彧[26]等的地貌類型劃分方案，本文結合研究區地類分布實際情況，根據海拔高度和地勢起伏度〔公式(1)〕，將海拔<1 500 m、地勢起伏度<200 m的區域劃分為高原地勢低起伏地貌類型區(下簡稱“低起伏地貌區”)、將1 500≤海拔<2 000 m，200 m≤地勢起伏度<500 m的區域劃分為高原地勢中起伏地貌類型區(下簡稱“中起伏地貌區”)，將海拔≥2 000 m、地勢起伏度≥500 m的區域劃分為高原地勢高起伏地貌類型區(下簡稱“高起伏地貌區”)。劃分結果表明(圖1)，低起伏地貌區主要分布在研究區中部及南部邊緣地區，中起伏地貌區主要沿低起伏地貌區周圍分布，高起伏地貌區主要分布在研究區北部。低起伏地貌區、中起伏地貌區、高起伏地貌區占研究區幅員面積的比重分別為43.46%，33.35%，23.19%。

ΔH=Hmax-Hmin

(1)

式中:ΔH為地勢起伏度；Hmax為最大高程值；Hmin為最小高程值。

2.1.2 土地利用類型轉移矩陣 土地利用類型轉移矩陣可客觀揭示不同類型土地的流向和結構變化，是分析土地利用轉型的基礎[27]。其表達式為：

(2)

2.2 生態環境效應

2.2.1 土地利用功能演變的生態貢獻率 土地利用功能演變的生態貢獻率是指土地利用功能類型轉換引起的區域生態環境質量的變化率[28]。用公式(3)能清晰分離出導致區域生態環境質量變化的主要用地轉換類型。

LEI=(LE1-LE0)LA/TA

(3)

式中:LEI為土地利用功能演變的生態貢獻率;LE0，LE1分別為某種土地利用變化類型反映的變化初期和變化末期所賦予的生態環境質量指數;LA為該變化類型的面積;TA為區域總面積。

2.2.2 生態單元環境質量指數 地理空間數據具有很大的尺度依賴性，選取的研究尺度不同，得到的結論會有所差異。本文將各用地斑塊(圖斑)視為采樣點，2000年、2010年與2020年3個節點年份數據均7萬個左右，為獲得最優尺寸，經多次試驗，選取1 km×1 km的格網，生成4 008個樣區。綜合考慮各生態單元內“三生”功能用地具有的生態質量及面積比例，用公式(4)定量表征區域內生態單元環境質量狀況。

(4)

式中:Ek為研究區k時期生態環境質量指數;n為區域土地利用類型數量;Ski和Sk分別為該區域第k時期第i種土地利用類型的面積和區域總面積;Mi為第i種土地利用類型的生態環境質量指數。

3 結果與分析

3.1 土地利用演變特征

3.1.1 土地利用功能結構變化特征 根據研究區3期土地利用數據統計結果(表2，圖2)顯示，研究區用地面積中，生態用地面積最大，生產用地次之，生活用地面積最小。2000—2020年期間，“三生”用地結構沒有發生根本性改變，但從各地類結構變化看，總體表現出生活用地面積持續增加、生態用地面積緩慢增長、生產用地不斷減少的特征。

表2 2000-2020年不同地貌類型區土地利用功能結構變化

圖2 2000-2020年昌寧縣土地利用功能變化

區域土地利用類型分布與地勢起伏程度關系密切。在低起伏地貌區，以耕地和園地為主導的農業生產用地集中分布，占到了地類比重的19.31%，從2000年的74 941.88 hm2到2020年的70 300.22 hm2，減少了4 641.66 hm2，減少百分比為1.23%；受城鎮化影響，代表生活用地的城鎮農村生活用地持續增加2 296.46 hm2，20 a間增加了0.62 %；林地、草地等生態用地規模共減少1 384.80 hm2。在中起伏地貌區，林地生態用地為該區土地利用主體類型，占到地類比重的18.52%，共增長416.48 hm2，增長百分比為0.11%；農業生產用地次之，20 a間減少了189.63 hm2，減少百分比為0.05%，下降幅度小于低起伏地貌區，林地、濕地等生態用地總體增加了2 610.54 hm2，但變化幅度也減少。在高起伏地貌區，受地勢起伏度影響，其他用地類型適宜性較低，而林地生態用地廣泛分布，占比保持在17.74%左右。整個研究區內，生態用地在各地貌類型區均有分布，草地生態用地分布范圍從低起伏到高起伏地貌區逐漸縮小，以河流為主的濕地生態用地以及裸地等其他生態用地則主要集中在低起伏地貌區。生活用地與生產用地相鄰分布，主要集中在研究區中部及南部邊緣的低起伏地貌區，該區域地勢起伏度較小，海拔較低，人類擾動劇烈，城鎮農村生活用地(尤其是城鎮居民點用地)在該區呈持續擴張趨勢。

3.1.2 土地利用功能結構轉移特征 為更好地厘清研究區土地利用功能結構的轉型特征，本研究采用ArcGIS疊加分析工具，以多期土地利用數據為基礎，與地貌類型區相結合，構建了2000—2010年和2010—2020年兩期土地利用轉移矩陣，結果見表3—4。

表3 2000-2010年昌寧縣不同地貌類型區土地利用功能結構轉移矩陣 hm2

表4 2010-2020年昌寧縣不同地貌類型區土地利用功能結構轉移矩陣 hm2

各研究時段內各土地利用功能類型均有不同程度的轉移，表3—4分別從兩個時段具體展現了不同地貌類型區各地類的轉移結果。表3結果顯示，在2000—2010年期間，在低起伏地貌區，農業生產用地轉出規模最大，轉出面積為4 903.16 hm2，占總轉出面積的56.11%，主要轉移流向為林地生態用地、城鎮農村生活用地和草地生態用地，且農業生產用地轉出規模從低起伏地貌區到高起伏地貌區逐漸縮小。受城鎮化進程影響，城鎮農村生活用地轉出面積最少，僅為83.61 hm2，占總轉出面積的0.96%。林地生態用地和草地生態用地轉出規模分別為2 247.25 hm2，932.28 hm2，分別占總轉出面積的25.72%，10.67%，主要向農業生產用地轉移，這是由于昌寧縣內發展茶園等經濟產業的需要，以園地為代表的生產用地規模迅速增加，侵占原有灌木林地、草地等生態用地。根據轉出流向分析，農業生產用地、林地生態用地、城鎮農村生活用地和草地生態用地轉入規模均較大，其中城鎮農村生活用地轉入面積占總轉入面積的19.68%，主要是由相鄰的農業生產用地轉移而來，轉入規模遠超過其他地貌區。在中起伏地貌區和高起伏地貌區，受退耕還林還草政策影響，部分坡耕地、低效園地等農業生產用地主要轉出流向仍然為林地生態用地、草地生態用地，但轉移規模遠小于低起伏地貌區，其中流向林地生態用地的規模分別為1 901.73，826.70 hm2。林地生態用地和草地生態用地轉出流向與低起伏地貌區一致，但轉出規模也是呈穩定下降趨勢。受地貌特征影響，在海拔較高、地勢起伏度較大的中起伏和高起伏地貌區，人類擾動較弱，土地利用功能類型轉移規模要少于人類活動集中的低起伏地貌區，特別表現在城鎮農村生活用地上，其轉入規模逐漸縮減，占總轉入面積的比例從19.68%下降到5.04%，變化顯著。

2010—2020年期間，在各地貌類型區內，土地利用功能類型主要轉移流向與前期保持一致，但轉移規模則呈倍數增長趨勢，與該地城鎮化建設加速發展同步。在低起伏地貌區，由于茶園等產業經濟和城鎮化的快速發展，致使耕地、林地、草地等用地大量轉出，而城鎮農村生活用地大量轉入。在中起伏和高起伏地貌區，部分農業生產用地向林地、草地等生態用地轉移，且轉移規模隨海拔增高和地勢起伏度增大而逐漸減少，其他用地轉移規模也逐漸減少。由于林地生態用地和農業生產用地本身基數較大，兩者呈相互轉換趨勢。通過轉出轉入對比分析，生活用地占用生產用地，生產用地占用生態用地現象頻發，且主要活躍于低起伏地貌區；而在中起伏和高起伏地貌區，農業生產用地、林地生態用地和草地生態用地相互轉換，但轉換規模較小，各功能地類保持相對穩定狀態。

3.2 生態環境效應

3.2.1 土地利用功能演變對生態環境質量的影響 從研究區生態環境質量指數(2000年為0.597 4，2010年為0.597 6，2020年為0.599 8)變化分析，生態環境質量雖然總體維持在較為穩定的狀態，但各功能地類的轉移對研究區內部不同區域生態環境造成了不同程度的影響(表5)。

表5 不同地貌類型區主要功能地類轉移及其生態環境效應

農業生產用地轉為林地、草地等生態用地是研究區生態環境質量得以提升的主導因素。具體表現為：在不同時期各地貌類型區內，受退耕還林政策和農業結構調整影響，以耕地為代表的農業生產用地轉化為林地生態用地對該地生態環境質量上升的貢獻率最大。在2000—2010年期間，農業生產用地轉為林地生態用地對生態環境的貢獻率從低起伏地貌區的66.61%持續上升至高起伏地貌區的83.34%，其次為農業生產用地轉為草地生態用地，貢獻率從低起伏地貌區的26.62%持續下降至高起伏地貌區的12.42%，其他地類轉換貢獻率基本保持穩定；在2010—2020年期間，在低起伏和中起伏地貌區內，地類轉換規模增大，農業生產用地轉為林地生態用地對生態環境的貢獻率分別增至71.21%，83.38%，而在高起伏地貌區，由于地類間轉化頻率和規模相對較低，貢獻率也基本保持穩定。

農業生產和城鎮農村生活用地對林地、草地等生態用地的占用是造成研究區生態環境質量降低的主要原因。在低起伏地貌區，導致生態環境質量下降的主要因素為林地、草地生態用地轉為農業生產用地，貢獻率由88.06%緩慢降至84.94%，受城鎮化進程的影響，城鎮農村生活用地對農業生產用地和草地生態用地的占用也是該區生態環境質量下降的重要原因，貢獻率達6.15%，后增至10.56%；在中起伏地貌區，林地、草地生態用地轉為農業生產用地的貢獻率保持在94.98%左右，仍為該區生態環境質量下降的主導因素，城鎮農村生活用地占用草地生態用地的貢獻率也基本穩定在0.97%；在高起伏地貌區，導致該區生態環境質量下降的主要功能用地轉化類型與其他地貌區基本一致，但比較可知，受地勢起伏度和海拔影響，在中起伏和高起伏地貌區，人類擾動較少，城鎮化建設擴張緩慢，對生態環境影響較小，生態功能可能增強或保持相對穩定；而在低起伏地貌區，受人類活動影響，城鎮農村生活用地迅速擴張，導致生態環境質量下降，因此在內部不同區域正負影響相互抵消的情況下，生態環境質量在整體上會保持相對穩定狀態[24,29]。

3.2.2 生態環境質量變化特征 為清晰了解生態環境質量的演變狀況，根據公式(4)計算各年份不同地貌區生態環境質量指數(表6)，同時利用ArcGIS軟件，基于1 km×1 km網格，運用克里金插值法分別表達2000年、2010年、2020年研究區生態環境質量的空間差異，根據自然斷點法分為低質量區、較低質量區、中質量區、較高質量區和高質量區5個質量等級(圖3)。

表6 不同地貌類型區生態環境質量指數

圖3 生態環境質量空間分布

不同地貌區各年份生態環境質量指數表明，高起伏地貌區生態環境質量優于中起伏地貌區，中起伏地貌區優于低起伏地貌區。在低起伏地貌區，主要為農業生產用地和城鎮農村生活用地等生態環境質量指數較低的功能地類，生態環境質量相較最低，從2000年的0.538 3到2010年的0.539 1再到2020年的0.534 5，呈波動變化狀態，但總體上下降。在中起伏地貌區，由于各地類轉化頻率和規模都較低，生態環境質量指數從2000年的0.594 8緩慢降至2020年的0.594 0，變化幅度小。在高起伏地貌區，主要以林地生態用地為主且受人類活動影響小，生態環境質量指數從2000年的0.708 8增至2020年的0.711 2，共增長0.002 4。在整個研究區內，生態環境質量總體保持穩定，但在低起伏地貌區和中起伏地貌區生態環境質量呈下降，在高起伏地貌區呈上升的趨勢，這與該區不同地貌區城鎮化工業化建設差異性發展有關。

空間特性上，土地利用生態環境質量整體上呈現“南北高中部低”的空間分布特征(圖3)，與研究區地勢態勢相一致，研究期間生態環境質量空間分布總體維持穩定，但在低起伏地貌區變化顯著。高質量區和較高質量區主要位于研究區北部以及南部海拔較高、地勢起伏度較大的高起伏地貌區，該區土地類型主要為林地和草地等生態用地，受地貌影響，人類活動擾動較小，城鎮化工業化發展受限，因此生態環境質量較高且保持相對平穩的狀態。低質量區和較低質量區主要集中在海拔較低、地勢起伏度較小的低起伏地貌區，該區主要為農業生產用地和城鎮農村生活用地，由于該區人類活動密集，土地類型轉換最為活躍，園地和城鎮居民點用地擴張占用林地、草地等生態用地，且隨著時間推移，該區生態功能逐漸下降，低質量區的擴張趨勢持續增強，從2000年零星分布到2020年范圍顯著擴張，使得高質量區規模也緩慢變小。中質量區主要沿高質量區周圍分布，主要位于中起伏地貌區，功能用地類型主要為濕地、草地等生態功能相對較弱的地類。

4 討論與結論

4.1 討 論

(1) 高原傳統農區有獨特的地貌特征和土地利用方式。與平原地區土地利用功能演變及其生態環境效應進行對比分析發現，高原地區不同垂直梯度內，人類活動程度的強弱對生態環境產生的影響存在差異，因此分區研究可以更清晰地解釋高原地區土地利用功能演變對生態環境影響的差異規律。本研究考慮海拔、地勢起伏度兩種因素來劃分地貌類型區，以此為基礎分析不同地貌區域內土地利用功能演變特征及其生態環境效應的分異性，為研究高原傳統農區土地利用變化及其環境效應提供了地貌分類參照。不過，本文主要利用土地利用轉移矩陣和生態環境質量指數的方法來分析該區土地利用功能演變對生態環境效應的影響，還需進一步探索新的科學測算方法，以開展更為客觀精準的研究工作。

(2) 基于不同地貌類型區的土地利用功能演變趨勢及對生態環境的影響，提出差異化的調控策略，可為實現區域可持續發展提供決策參考。在人類擾動較為強烈的低起伏地貌區，生態環境指數呈下降趨勢，應適當控制城鎮農村生活用地的無序擴張，加強耕地保護，嚴格實施占補平衡制度，大力發展生態農業、循環農業，提高土地利用效率；而在人類活動較少的中起伏和高起伏地貌區，生態環境質量基本保持穩定狀態，該區生態環境更為脆弱，宜發展生態旅游，堅持退耕還林還草政策的執行，繼續加強生態環境建設，促進地區的高效可持續發展。

4.2 結 論

(1) 伴隨人口壓力的轉移和利用程度的減弱，高原傳統農區土地利用整體格局趨于優化。近20 a來，研究區土地利用功能演變表現為生活用地、生態用地緩慢增加、生產用地持續減少的特征。其中，在數量變化上，生活用地、生態用地分別增加了2 784.18，2 561.29 hm2，生產用地減少5 345.47 hm2，且各地類變化規模表現為低起伏地貌區大于中起伏地貌區，中起伏地貌區大于高起伏地貌區的特征；在空間分布上，生態用地主要集中在北部和中部海拔較高、地勢起伏度較大的中起伏和高起伏地貌區，生產、生活用地則主要集中在研究區中南部的低起伏地貌區。

(2) 由于高原傳統農區土地空間的多功能變化及其可持續性增強，區內生態環境質量得以向好發展。近20 a來，研究區土地利用功能演變對生態環境質量的影響總體平穩，生態環境質量指數總體維持在0.598 2的良好水平，尤其在中起伏地貌區，坡耕地、低效園地等部分生態質量指數較低的生產用地轉入草地、林地等生態用地，生態環境質量基本保持穩定；在高起伏地貌區，人類擾動較弱，地類間轉移規模較小，部分農業生產用地轉為林地生態用地，生態環境質量保持穩定提升的狀態。然而，由于人口集聚、土地承載和利用過度，在中南部低起伏地貌區，隨著農業結構調整以及城鎮化，園地占用林地、草地等生態用地，城鎮農村生活用地占用農業生產用地現象多發，致使局部生態環境質量呈退化趨勢。