楊 帆, 曾建軍, 蘇旺德, 肖夢景, 徐建寧

(1.云南師范大學 旅游與地理科學學院, 云南 昆明 650500; 2.甘肅省水利科學研究院,

甘肅 蘭州 730000; 3.蘭州交通大學 測繪與地理信息學院， 甘肅 蘭州 730000)

云南高原盆地城市水源地土地利用空間結構

楊 帆1, 曾建軍2, 蘇旺德1, 肖夢景1, 徐建寧3

(1.云南師范大學 旅游與地理科學學院, 云南 昆明 650500; 2.甘肅省水利科學研究院,

甘肅 蘭州 730000; 3.蘭州交通大學 測繪與地理信息學院， 甘肅 蘭州 730000)

摘要：[目的] 探究云南高原盆地城市水源地土地利用空間結構，為該區(qū)城市水源地土地利用結構調整提供依據(jù)。 [方法] 以洛倫茲曲線和分形方法相結合，對云南省9個典型高原盆地城市水源地土地利用空間結構進行了分析。 [結果] 9個典型高原盆地城市水源地土地利用類型中建設用地、草地和未利用地當前分布欠缺合理性，很不均衡，而未利用地和水域的空間結構鑲嵌程度復雜，穩(wěn)定性差。 [結論] 各個水源地現(xiàn)存的土地利用空間結構缺乏從水源保護角度出發(fā)的統(tǒng)一規(guī)劃，土地利用問題突出。

關鍵詞：高原盆地城市水源地; 土地利用空間結構; 洛倫茲曲線; 分形

土地利用的空間結構反映了土地利用類型在空間上的配置及其對比關系，能否實現(xiàn)土地資源的可持續(xù)利用，不僅取決于是否合理、高效地利用各類土地，還取決于不同土地類型間組合關系的合理性[1]。對土地利用結構的區(qū)域差異性與合理性進行分析，便于人們更好地認識土地利用與人口、自然、社會和經(jīng)濟的相關性及土地利用類型的空間分布規(guī)律[2]。關于土地利用空間結構相關研究當前已取得較多成果，諸如應用RS-GIS、馬爾可夫鏈、最優(yōu)線性規(guī)劃、景觀指數(shù)、信息熵、神經(jīng)網(wǎng)絡等多種方法在研究土地利用空間結構都取得了一定成果，但這些方法基本都是傳統(tǒng)的地理學或者數(shù)學方法，研究過程復雜且結果不夠直觀[3]。

洛倫茨曲線(Lorrenze curvers)是美國經(jīng)濟統(tǒng)計學家Lorrenz在20世紀初期利用頻率累計數(shù)繪制成的曲線來刻畫社會財富、土地和工資收入等不平等(集中或分散)程度而提出的，經(jīng)濟學中利用該方法對地區(qū)之間收入差距或財富不平等進行分析[4]。1975年法國數(shù)學家曼德爾布羅特(Mandelbrot)提出分形(fractal)概念，土地斑塊為自然界中最典型的分形幾何體，對各土地生態(tài)類型的形態(tài)結構可以運用分形理論進行定量化研究[5]。利用空間洛倫茨曲線可直觀地從圖形上反映土地利用類型在地域上配置的合理性；基尼系數(shù)則可以對洛倫茲曲線得出的結果合理性進行定量化研究；而分形可用來揭示土地利用空間結構的復雜性和穩(wěn)定性特征。當前，以上方法已經(jīng)運用在土地利用空間結構分析中，但是利用洛倫茲曲線結合分形方法進行土地利用的空間結構分析還鮮有報道。本研究擬以洛倫茲曲線和分形方法相結合從不同側面對云南高原盆地城市水源地土地利用空間結構進行分析，應用洛倫茲曲線和分形方法相結合進行土地利用空間結構的可行性分析，并為當?shù)爻鞘兴吹赝恋乩媒Y構調整提供依據(jù)。

1研究區(qū)概況及數(shù)據(jù)來源

云南省位于我國西南邊陲，以高原山地為主，山區(qū)、半山區(qū)占該省國土面積的94%，壩區(qū)占該省國土面積的6%。降水相對充沛，多年平均降雨量1 000 mm以上，但降水變率大且時空分布極不均勻，雨季(5—10月)降水占全年降水量的80%以上[6]。由于云南省內城市大多位于地形相對封閉的斷陷盆地中，少有大江大河經(jīng)過，盆地上游水庫成為城市最主要，甚至是唯一的水源[7]，其水庫供水量4.00×108m3，占總供水量的61.7%。該省具有城市飲用水供水功能的大中型水源地共有82個，2009年以來，云南省遭遇連續(xù)4 a干旱，使得缺少補給、生態(tài)環(huán)境脆弱的高原盆地城市水源地面臨的供水壓力日益增大[8]。針對上述情況，為保障城市供水安全，本研究從土地利用空間結構的角度對保山市北廟水庫、玉溪市東風水庫、紅河州菲白水庫、楚雄市九龍甸水庫、曲靖市瀟湘水庫、普洱市信房水庫、昭通市漁洞水庫以及昆明市的云龍水庫和松華壩水庫共9個典型城市水源地進行分析。

以2012年SPOT5影像與TM/ETM影像作為遙感解譯的基礎數(shù)據(jù)，根據(jù)《土地利用現(xiàn)狀分類》國家標準進行解譯并結合實際需要將城市水源區(qū)土地利用類型分為：建筑用地、耕地、草地、林地、疏林地、水域以及未利用地等7大類。

2土地利用結構分析

2.1　洛倫茲曲線的繪制

利用遙感解譯的云南省高原盆地九大城市水源地土地利用數(shù)據(jù)數(shù)據(jù)，繪制出不同土地利用類型的洛倫茲曲線，表述各土地利用類型空間分布的分散或集中程度。利用水源地各地類土地利用類型面積的原始數(shù)據(jù)，分別求出9個水源地某地類的區(qū)位熵。區(qū)位熵主要被用來衡量某一要素的空間分布情況，指某一地區(qū)該土地利用類型面積占區(qū)域該土地類型總面積的比值與該地區(qū)土地總面積占區(qū)域土地總面積之比，計算公式為[9]:

Q=(A1/A2)/(A3/A4)

(1)

式中：Q——區(qū)位熵；A1——某水源地某種土地利用類型的面積(km2)；A2——9個水源地某土地利用類型總面積(km2)；A3——某水源地土地總面積(km2)；A4——9個水源地土地總面積(km2)。

按照區(qū)位熵大小，由小到大依次列出各個水源地各地類面積占總土地面積百分比，并計算累計百分比(以耕地為例，表1)。

表1　云南省9個典型高原盆地城市水源地耕地累計比例

注：A1表示某水源地某種土地利用類型的面積(km2)；A2表示9個水源地某土地利用類型總面積(km2)；A3表示某水源地土地總面積(km2)；A4表示9個水源地土地總面積(km2)。

最后以各水源地土地總面積占9個水源地土地總面積的累計百分比為橫坐標，以各水源地某地類面積占9個水源地該地類總面積的累計百分比為縱坐標，各取100長度，繪出坐標圖，以各累計數(shù)繪制坐標點，得到的曲線至絕對均勻線的離差就是該地類實際分布與其在全區(qū)均勻分布的差異程度(圖1)。越接近絕對均勻線，曲線離差較小，表明該土地利用類型在全區(qū)分布越均勻；反之，離絕對均勻線較遠的曲線，表明該土地利用類型在全區(qū)中的區(qū)域分布差異較大，即分布相對分散[3]。

圖1　云南9個典型高原盆地城市水源地

2.2　空間基尼系數(shù)

洛倫茲曲線可以直觀顯示某種土地利用類型在全區(qū)空間分布的差異性，但是無法對差異(均衡或不均衡的)的程度進行定量描述。基尼系數(shù)可以進一步定量描述土地利用類型在各個水源地分布的差異程度，在洛倫茲曲線上，基尼系數(shù)反映的幾何意義是曲線與絕對均勻線之間面積和絕對均勻線以上三角形面積之比，因此也被稱為洛倫茲系數(shù)，基尼系數(shù)低于0.2表示分布絕對合理，0.2～0.3表示比較合理，0.3～0.4表示相對合理，0.4～0.5表示差距較大，0.6以上表示差距懸殊[10]。計算公式為[4]：

(2)

式中：G——基尼系數(shù)； Mi——某水源地某一土地類型面積累計百分比； Qi——某水源地土地在9個水源地土地總面積的累計比例?；嵯禂?shù)計算結果詳見表2。

表2　云南省9個典型高原盆地城市水源地土地利用類型基尼系數(shù)

2.3　分形維數(shù)

分形(fractal)指其局部結構放大后以某種方式與整體相似的形體，是研究不規(guī)則自相似體系的理論，具有自相似性和標度不變性[11]。一個系統(tǒng)的自相似性是指某種結構或過程的特征從不同的時間尺度或空間尺度上看都是相似的，標度不變性是指自相似性的系統(tǒng)不具有特征長度，具有自相似的結構一定滿足標度不變性[12]。各地類空間結構分維的計算首先要進行各地類斑塊周長—面積關系的建立，計算公式為[13]：

(3)

式中：A——某一斑塊面積；P——同一斑塊周長；D——分維；k——待定常數(shù)。對上式進行雙對數(shù)變換可得：

(4)

D值越大，表示空間上的鑲嵌結構越復雜。地類空間結構穩(wěn)定性指數(shù)SK計算公式為[14]：

SK=|1.5-D|

(5)

SK值越大，表示空間結構越穩(wěn)定。據(jù)此，繪制各土地利用類型的周長—面積散點圖(圖略)，并經(jīng)過回歸分析后分別計算出分維數(shù)和穩(wěn)定性指數(shù)(表3)。

表3　云南省9個典型高原盆地城市水源地土地

3結果分析

3.1　洛倫茨曲線結果分析

從圖1可以看出，耕地、水域、林地和疏林地距離絕對均勻線較近，說明這幾種用地類型在9個水源地分布較為分散，分布在各個水源地的面積比例大致相等。建設用地、草地和未利用地離絕對均勻線較遠，表明這3種用地類型在9個水源地分布較不均衡，其中草地距絕對均勻線最遠，即草地在各個水源地所占比例不一。

3.2　基尼系數(shù)結果分析

用基尼系數(shù)對云南省9個高原盆地城市水源地土地利用類型的分析結果與洛倫茲曲線分析出的結果基本一致。其中，耕地、水域、林地和疏林地基尼系數(shù)均小于0.2，表示上述幾種用地類型分布很合理，建設用地基尼系數(shù)為0.271，處在比較合理的范圍內，未利用地基尼系數(shù)為0.480，分布的差距較大，草地基尼系數(shù)為0.728，表明草地在9個水源地的分布差距懸殊。

3.3　分形結果分析

云南省高原盆地城市水源地不同土地利用類型的分維數(shù)排序為：未利用地>水域>草地>林地>耕地>建設用地>疏林地。其中未利用地和水域的分維數(shù)較大，表明這兩種用地類型的空間結構最復雜，鑲嵌程度最高。水域的穩(wěn)定性指數(shù)最低，僅為0.029表明水域的空間結構穩(wěn)定性最差，其次為未利用地。而建設用地和疏林地分維數(shù)最小，空間結構最簡單，其中疏林地穩(wěn)定性指數(shù)為0.472，穩(wěn)定性最高。

4討 論

水源地土地利用空間結構直接影響著地表徑流和水源供給能力，土地利用變化通過改變下墊面狀況進而影響水源供給，下墊面是水分循環(huán)的重要場所，不僅影響陸面的實際蒸散發(fā)，還影響土壤理化性質和水分狀況[15]。結合遙感解譯得到的土地利用類型數(shù)據(jù)，菲白水庫與瀟湘水庫的耕地面積均超過水庫總面積的40%；菲白水庫與魚洞水庫的林地面積不足20%；同時云龍水庫與瀟湘水庫的未利用地的面積達到10%左右；9個水源地內的居民地面積均在2%～3%，而松華壩水庫的居民地面積達到6%。耕地和未利用地與林地相比水源涵養(yǎng)功能較弱，且容易發(fā)生水土流失，水源地內耕地和未利用地所占面積過大會對水源涵養(yǎng)功能造成負面影響。實地調查情況也表明各個水庫內土地利用類型的空間結構均缺乏合理性，現(xiàn)有的土地利用類型并不利于水源地的水源涵養(yǎng)。另一方面，由于各個水源地內均分布有數(shù)量眾多的農業(yè)人口，且源區(qū)內地表徑流復雜，河流水庫等易受人為影響，農業(yè)面源污染和水土流失現(xiàn)象突出，人為因素不僅對水源地土地利用空間結構影響較大，而且對水源地供水能力和水質安全起著至關重要的作用。由于不同植被帶在控制水分和養(yǎng)分的運動上可起到重要作用[16]，不同土地利用方式在空間上的組合可以顯著地影響土壤中養(yǎng)分、水分和水土流失[17]。通過土地利用空間結構的合理分布和規(guī)劃，從而控制土壤水分和養(yǎng)分流失，以及防止水體污染。

5結 論

(1) 利用空間洛倫茨曲線可直觀地從圖形上反映土地利用類型在地域上配置的合理性；基尼系數(shù)則可以對配置的合理性進行定量化研究；而分形可用來揭示土地利用空間結構的復雜性和穩(wěn)定性特征。通過3種方法結合分析之后，得出云南省9個高原盆地城市水源地中建設用地、草地和未利用地的分布很不均衡，而水域的空間結構穩(wěn)定性最差，鑲嵌程度復雜，水源涵養(yǎng)功能較大的林地和草地分形維數(shù)較大，表面這兩種土地利用類型鑲嵌程度較高，破碎程度較大。

(2) 由于不同土地利用類型的水源涵養(yǎng)功能的強弱不同，因此土地利用空間結構的合理性對水源地水源供給至關重要，從本研究結果與實際調查情況表明，云南省9個典型高原盆地城市水源地土地利用空間結構問題突出，主要為水源地內耕地面積過大，農業(yè)生產活動強度較大，不利于水源保護；森林覆蓋率較高但破碎程度較大，使得地表蒸發(fā)量過大，減弱了森林的水源涵養(yǎng)功能；水庫內的未利用地面積較多，裸露的地表造成一定規(guī)模的水土流失。水源地土地利用結構有待進一步調整與優(yōu)化。

[參考文獻]

[1]封志明,楊艷昭,宋玉,等.中國縣域土地利用結構類型研究[J].自然資源學報,2003,18(5):552-561.

[2]黃裕鋒,徐昌明,黃裕婕.洛倫茨曲線在江西省土地利用分析中的應用[J].江西師范大學學報:自然科學版,2003,27(2):177-180.

[3]潘竟虎,石培基.基于洛倫茨曲線和分形的甘肅省土地利用空間結構分析[J].農業(yè)系統(tǒng)科學與綜合研究,2008,24(2):252-256.

[4]汪雪格,湯潔,李昭陽,等.基于洛倫茨曲線的吉林西部土地利用結構變化分析[J].農業(yè)現(xiàn)代化研究,2007,28(3):310-313.

[5]郭碧云,王光謙,傅旭東,等.黃河中游清澗河流域土地利用空間結構和分形模型[J].農業(yè)工程學報,2012,28(14):223-228.

[6]曾建軍,史正濤,劉新有,等.基于集對分析的云南高原盆地城市水源地脆弱性評價[J].長江流域資源與環(huán)境,2014,23(7):1080-1086.

[7]常龍芳,史正濤,曾建軍,等.滇中城市水源地森林枯落物及土壤持水特性[J].城市環(huán)境與城市生態(tài),2013,20(6):33-36,40.

[8]張雷,王杰.云南高原盆地城市水源地保護研究[J].中國水土保持,2014(7):37-39.

[9]鄧晶,刁承泰.基于空間洛倫茨曲線和基尼系數(shù)的土地利用結構分析:以重慶江津市為例[J].中國水運：學術版,2007(7):208-210.

[10]周清華.基尼系數(shù)的基本算法總結[J].統(tǒng)計教育,2002(1):12-13.

[11]楊涵,王芳芳,吳世新,等.基于分形理論的新疆土地利用空間格局分析[J].干旱區(qū)研究,2009,26(2):194-199.

[12]謝花林,李秀彬.基于分形理論的土地利用空間行為特征:以江西東江源流域為例[J].資源科學,2008,30(12):1866-1872.

[13]朱曉華,蔡運龍.中國土地利用空間分形結構及其機制[J].地理科學,2005,25(6):6671-6677.

[14]葉長盛,董玉祥.珠江三角洲土地利用分形特征及其影響機制[J].農業(yè)工程學報,2011,27(4):330-335，404.

[15]潘韜,吳紹洪,戴爾阜,等.基于InVEST模型的三江源區(qū)生態(tài)系統(tǒng)水源供給服務時空變化[J].應用生態(tài)學報,2013,24(1):183-189.

[16]陳利頂,傅伯杰.農田生態(tài)系統(tǒng)管理與非點源污染控制[J].環(huán)境科學,2000,21(2):98-100.

[17]傅伯杰,陳利頂,馬克明.黃土丘陵區(qū)小流域土地利用變化對生態(tài)環(huán)境的影響:以延安市羊圈溝流域為例[J].地理學報,1999,54(3):51-56.

Spatial Structural Analyses on Use types of Urban Watert-source Lands in Basin Area of Yunnan Plateau

YANG Fan1, ZENG Jianjun2, SU Wangde1, XIAO Mengjing1, XU Jianning3

(1.CollegeofTourism&GeographyScience,YunnanNormalUniversity,Kunming，Yunnan650500,China; 2.GansuResearchInstituteforWaterConservancy,Lanzhou，Gansu730000,China; 3.FacultyofGeometrics,LanzhouJiaotongUniversity,Lanzhou，Gansu730070,China)

Abstract：[Objective] The spatial structural of use types of water source lands in basin area of Yunnan Plateau was analyzed to provide bases for the transformation of land use types. [Methods] Lorentz curve and fractal method were used to analyze the spatial structural of urban water-source land use in basin area of Yunnan Plateau. [Results] The results showed that, currently, the water-source land use in basin area of Yunnan Plateau with respect to construction land, grass land and unutilized land was uneven and unreasonable. Moreover, the unutilized lands mosaicked messily with aquatorium and they were unstable. [Conclusion] The current land-use in basin area lacked a well-designed plan and an elaborative scheme regarding with water source protection should be conducted.

Keywords:urban water-source lands in plateau basin; land-use spatial structure; Lorentz curve; fractal method

文獻標識碼：A

文章編號：1000-288X(2015)04-0254-04

中圖分類號：F301.2

收稿日期：2014-12-27修回日期：2014-12-27

資助項目：水利部公益性行業(yè)項目“高原盆地城市水源地脆弱性診斷研究”(201001058); 云南省科技計劃項目(2012CA024)

第一作者：楊帆(1991—),男(漢族),甘肅省寧縣人,碩士研究生，研究方向為自然資源利用。E-mail:yf8110@163.com。