夏 磊，史正濤，趙 楊，何依桐，楊 帆，蘇旺德

(云南師范大學(xué)旅游與地理科學(xué)學(xué)院，昆明 650500)

0 引 言

西南地區(qū)國際河流眾多，由于流域內(nèi)不合理的農(nóng)林業(yè)生產(chǎn)和工業(yè)活動，導(dǎo)致河流污染和水土流失問題嚴(yán)重，其中土地的不合理利用是產(chǎn)生上述問題的主導(dǎo)因素。本文以怒江一級支流南汀河流域土地利用空間結(jié)構(gòu)為例，分析土地利用空間結(jié)構(gòu)對流域生態(tài)環(huán)境保護(hù)和水資源合理利用及當(dāng)?shù)亟?jīng)濟(jì)發(fā)展產(chǎn)生的影響。土地利用空間結(jié)構(gòu)是指特定區(qū)域，國民經(jīng)濟(jì)各部門用地面積占土地總面積的比重[1]。在城市變遷中，隨著社會經(jīng)濟(jì)發(fā)展和人民生活水平的提高，土地利用方式在不斷地發(fā)生變化。土地利用作為人類有目的，有意識的社會經(jīng)濟(jì)活動貫穿人類發(fā)展的整個(gè)歷史過程[2]。對土地利用空間結(jié)構(gòu)的研究已經(jīng)成為當(dāng)前地理學(xué)探究的熱點(diǎn)問題之一，深入認(rèn)識土地類型屬性以及擬定合理的土地利用方向，優(yōu)化利用措施，對于保護(hù)流域生態(tài)環(huán)境和水資源都具有深遠(yuǎn)意義[3]。通過對土地利用結(jié)構(gòu)的分析，可以更好的認(rèn)識土地利用與自然、人口、社會和經(jīng)濟(jì)的關(guān)系性，進(jìn)而分析土地利用布局的區(qū)域差異性[4]。

目前廣泛應(yīng)用神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)、信息熵、線性規(guī)劃、RS-GIS等方法對土地利用空間結(jié)構(gòu)進(jìn)行研究，但這些方法較為復(fù)雜，所需的資料難以獲取。而洛倫茨曲線-基尼系數(shù)操作精簡，且能較為精準(zhǔn)、直接地反饋出土地利用空間結(jié)構(gòu)合理性；分形方法則可彌補(bǔ)洛倫茲曲線對土地利用類型內(nèi)在的復(fù)雜性和鑲嵌程度上表達(dá)不足。文章試以洛倫茲曲線和分形方法相結(jié)合對南汀河流域土地利用空間結(jié)構(gòu)進(jìn)行分析，該成果可為南汀河流域土地利用結(jié)構(gòu)優(yōu)化提供科學(xué)依據(jù)。

1 研究區(qū)概況及數(shù)據(jù)來源

南汀河位于東經(jīng)100°13′～98°40′、北緯23°17′～24°19′，發(fā)源于云南省臨滄市臨翔區(qū)的博尚鎮(zhèn)，流域總長311 km，流經(jīng)臨翔區(qū)、云縣、永德縣、鎮(zhèn)康縣、耿馬縣等地后進(jìn)入緬甸匯入薩爾溫江，是一條流往緬甸的重要國際河流。中國境內(nèi)流域總面積約8 207.9 km2，流域內(nèi)除臨滄壩子、孟定壩子外，其他均為山區(qū)、半山區(qū)。半山區(qū)是指處在山區(qū)和農(nóng)區(qū)的交界處，既有山區(qū)的特點(diǎn)，又有農(nóng)耕地區(qū)特色的地區(qū)，占流域面積的97.5%[5]。流域內(nèi)少數(shù)民族聚居地分布眾多，尤其以佤族為代表，其人口占全國佤族的一半以上。當(dāng)?shù)剞r(nóng)民傳統(tǒng)上多以陡坡種植、森林砍伐為生，毀林開荒現(xiàn)象較為突出，耕地主體以坡耕地為主，陡坡種植現(xiàn)象普遍，土地的不合理利用問題突出，大面積的土地原生植被損毀。因此在空間上合理地配置土地利用類型對南汀河流域的發(fā)展至關(guān)重要。

以研究區(qū)2010年SPOT5影像與TM/ETM影像作為土地利用現(xiàn)狀遙感解譯的數(shù)據(jù)源，利用SPOT5影像作為基準(zhǔn)數(shù)據(jù)，將TM/ETM影像進(jìn)行幾何精校正，并與SPOT5影像進(jìn)行融合，利用研究區(qū)邊界對融合影像進(jìn)行裁剪，選擇543波段組合，并做圖像增強(qiáng)處理，以便目視解譯。采用GPS實(shí)測樣本點(diǎn)，對解譯所得的土地利用分類結(jié)果進(jìn)行精度驗(yàn)證。利用ENVI5.1得到土地利用混淆矩陣，得到總體精度為87.36%，kappa系數(shù)為0.852，解譯數(shù)據(jù)精度符合實(shí)驗(yàn)要求。同時(shí)根據(jù)《土地利用現(xiàn)狀分類》國家標(biāo)準(zhǔn)并結(jié)合實(shí)際資料將南汀河流域土地利用類型分為：建筑用地、耕地、草地、林地、疏林地、水域以及其他用地等7大類。

2 土地利用結(jié)構(gòu)分析

2.1 繪制洛倫茲曲線

洛倫茲曲線是美國經(jīng)濟(jì)學(xué)家M.Lorrenz在上世紀(jì)初期為研究社會財(cái)富、土地和工資收入是否公平提出的，利用頻率累計(jì)數(shù)繪制成的曲線來刻畫其集中或分散程度[6]。以遙感解譯的南汀河流域2010年土地利用數(shù)據(jù)，繪制出南汀河流域不同土地利用類型的洛倫茲曲線，描述南汀河流域各縣區(qū)土地利用類型空間分布上的分散和集中程度。具體過程如下。

首先，根據(jù)各土地利用類型的原始數(shù)據(jù)，依次計(jì)算得出南汀河流域6個(gè)縣某種土地利用類型的區(qū)位熵。區(qū)位熵又稱為專門化率，用其研究南汀河流域某個(gè)區(qū)域要素的空間分布狀況,區(qū)位熵表示該地某土地利用類型占區(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[7]，其公式(1)[8]:

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

(1)

式中：Q為區(qū)位熵；A1為某縣某種地類的面積，km2；A2為南汀河流域6個(gè)縣某種地類總面積，km2；A3為南汀河流域某縣總的土地利用面積，km2；A4為總土地面積，km2。

其次，由小到大排列區(qū)位熵，分別排列各水源地土地利用類型面積占總土地利用面積的比例，計(jì)算累計(jì)百分比(以耕地為例，見表1)。

表1 南汀河流域耕地累計(jì)百分比Tab.1 The Nanting River basin area plough cumulative percent

最后，以土地總面積的累計(jì)百分比為橫坐標(biāo)，各地類累計(jì)面積百分比為縱坐標(biāo)，各取100長度，繪出坐標(biāo)圖，并根據(jù)各累計(jì)數(shù)繪制坐標(biāo)點(diǎn)，得到的曲線至絕對均衡線的離差就是該地類的實(shí)際分布與其在全區(qū)均衡分布的相異程度[9](圖1)。越接近絕對均衡線，曲線離差月越小，表明該土地在全區(qū)分布越均衡；反之，分布差異較大，即分布相對分散[10]。

圖1 南汀河流域6個(gè)縣土地利用類型的洛倫茨曲線Fig.1 Lorrenze curvers of Nanting River basin area land use

2.2 空間基尼系數(shù)的計(jì)算

基尼系數(shù)(Gini Coefficient)是意大利經(jīng)濟(jì)學(xué)家基尼1922年提出，用來考察居民內(nèi)部收入分配差異的分析指標(biāo)[11]，洛倫茲曲線可直觀顯示某土地利用類型在全區(qū)分布差異性，但無法對差異程度進(jìn)行定量描述。而基尼系數(shù)可對土地利用類型的分布情況進(jìn)行定量描述。在洛倫茲曲線上，基尼系數(shù)反映的是曲線與絕對均衡線之間面積和絕對均衡線以上三角形面積之比，其常用公式(2)[12]：

(2)

式中：G為基尼系數(shù)；Mi為某土地類型面積累計(jì)百分比；Qi為某縣土地占研究區(qū)總土地面積的累計(jì)百分比。

基尼系數(shù)低于0.2表示分布絕對平均，0.2～0.3表示比較平均，0.3～0.4表示差距較小，0.4～0.5表示差距較大，0.6以上表示差距懸殊[13]，其計(jì)算結(jié)果見表2。

表2 南汀河流域6個(gè)縣土地利用類型基尼系數(shù)Tab.2 Gini coefficient of Nanting River basin six counties area land use

2.3 分形維數(shù)的計(jì)算

分形是指部分以某種形式與整體相似的形狀，自相似性和標(biāo)度不變性是它的兩個(gè)重要特征。分形維數(shù)是自相似系統(tǒng)的定量指標(biāo)之一，研究其分維，主要是定量描述其核心標(biāo)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(jié)構(gòu)一定滿足標(biāo)度不變性[14]。分別計(jì)算出滄源縣、鎮(zhèn)康縣、耿馬縣、臨翔區(qū)、永德縣、云縣的7種不同地類的分維數(shù)和穩(wěn)定性指數(shù)，可以采用公式(3)進(jìn)行各地類斑塊周長-面積關(guān)系的建立和各地類空間形態(tài)分維的計(jì)算[15]。

A=kP

(3)

式中：A為某一斑塊面積，km2；P為同一斑塊周長，km；D為分形維數(shù)；k為待定常數(shù)。

對式(3)進(jìn)行雙對數(shù)變換，可得：

(4)

由式(4)求出分維數(shù)。D值越大，表示空間上的鑲嵌結(jié)構(gòu)越復(fù)雜。當(dāng)D=1.50時(shí)，表示處于空間最不穩(wěn)定形態(tài)。地類空間結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性指數(shù)SK計(jì)算公式為[16]：

SK=|1.5-D|

(5)

SK值越大，表示空間結(jié)構(gòu)越穩(wěn)定。分形維數(shù)是檢驗(yàn)土地利用斑塊形狀復(fù)雜程度的指標(biāo)，其值越大斑塊形狀越復(fù)雜。由此，繪制南汀河流域各地類周長-面積雙對數(shù)散點(diǎn)圖(圖2)，并經(jīng)過回歸分析后依次計(jì)算出分維數(shù)和穩(wěn)定性指數(shù)(表3)。

圖2 南汀河流域各地類周長-面積雙對數(shù)散點(diǎn)圖Fig.2 Scatter diagram of Nanting River basin area land use perimeter-proportion double logarithmic

土地類型模型(回歸方程)R2分維數(shù)穩(wěn)定性指數(shù)耕地lgA=1．469lgP-0．0130．9421．3620．138林地lgA=1．502lgP-0．1450．9431．3320．168疏林地lgA=1．549lgP-0．2210．9471．2910．209草地lgA=1．497lgP-0．0840．9441．3360．164建設(shè)用地lgA=1．457lgP+0．0700．8841．3730．127水域lgA=1．256lgP+0．3770．8601．5920．092其他用地lgA=1．633lgP-0．4650．9201．2240．276

3 結(jié)果分析

3.1 洛倫茨曲線結(jié)果分析

從圖1可知，耕地、林地和疏林地的洛倫茲曲線與絕對均衡線的離差較小，且3條曲線大致重合，上述3種地類在南汀河流域內(nèi)均衡布局，且空間組合情況大致相同，基本合理。水域、草地和未利用地距絕對均衡線離差較大，表明該地類在整個(gè)南汀河流域內(nèi)的區(qū)域布局差別顯著，即布局相對離散，域內(nèi)各個(gè)地區(qū)分布情況不一。

3.2 基尼系數(shù)結(jié)果分析

基尼系數(shù)對南汀河流域土地利用空間結(jié)構(gòu)的分析數(shù)據(jù)與洛倫茲曲線分析得出的結(jié)果基本一致。耕地、林地、疏林地和建設(shè)用地基尼系數(shù)均小于0.2，上述4種土地利用類型分布平均，即各土地利用類型在各縣的空間安排形似程度較高。而耕地和林地的基尼系數(shù)分別為0.093和0.062，表示這兩種地類分布情況達(dá)到絕對平均?；嵯禂?shù)在0.2～0.3范圍內(nèi)無相對應(yīng)的土地利用類型。土地類型基尼系數(shù)分分別為草地0.374，其他用地0.361，水域0.337，均處于0.3～0.4之間，說明這2種地類比較其他幾種土地利用類型的分布顯得較不均衡。

造成上述結(jié)果的主要因素是南汀河流域內(nèi)97.5%的面積為山地，各縣區(qū)均具有大面積的林地和疏林地，因此林地與疏林地的分布較為均衡；而南汀河流域內(nèi)氣候?qū)俚湫偷膩啛釒駶櫫Ⅲw氣候類型，草地僅分布在一定的海拔范圍內(nèi)，流域上下游各縣區(qū)由于海拔高度不同造成草地分布不均；同時(shí)，由于南汀河流域不同程度的水土流失和石漠化且分布不均，使得其他用地呈現(xiàn)不均衡分布。

3.3 分形結(jié)果分析

由表3可知南汀河流域不同地類的分行維數(shù)排序?yàn)椋核?建設(shè)用地>耕地>草地>林地>疏林地>其他用地，分形維數(shù)越大，相同面積土地斑塊的周長越長，則該地類斑塊形狀越復(fù)雜，即土地斑塊與周邊其他景觀的接觸面越大、鑲嵌越緊密。南汀河流域土地利用類型的穩(wěn)定性指數(shù)順序?yàn)椋浩渌玫?疏林地>林地>草地>耕地>建設(shè)用地>水域，各土地利用類型的穩(wěn)定性結(jié)構(gòu)與分形維數(shù)剛好相反，從景觀生態(tài)的角度來看，分維數(shù)越低，土地斑塊與其周邊其他景觀的接觸面越小，受外界干擾的機(jī)會越少，更有利于斑塊的穩(wěn)定性[17]。南汀河流域各地類中水域的分形維數(shù)最大，但由于河流水系以線型分布，面積-周長關(guān)系與其他地類不同，造成水域的分形維數(shù)較大；建設(shè)用地分形維數(shù)較大主要是因?yàn)楫?dāng)?shù)厝丝谠鲩L，建設(shè)用地缺乏統(tǒng)一規(guī)劃，耕地、草地和建設(shè)用地的分形維數(shù)依次為1.362、1.336和1.373，三者較為接近，其鑲嵌程度和復(fù)雜程度也相似。

4 結(jié) 語

根據(jù)空間洛倫茨曲線可直觀反映區(qū)域內(nèi)土地利用類型分布在其區(qū)域上的合理性以及對比關(guān)系；基尼系數(shù)的方法則是通過對其進(jìn)行定量化研究來進(jìn)一步表現(xiàn)其分布狀況；分形維數(shù)可以表達(dá)土地利用的動態(tài)變化情況，動態(tài)變化情況則通過穩(wěn)定性和復(fù)雜性表現(xiàn)出來。三者結(jié)合對探究土地利用空間結(jié)構(gòu)的規(guī)律，解析土地利用布局的動態(tài)變化特征提供了很好的依據(jù)。通過上述分析可得出，水域、草地和其他用地在南汀河流域分布相對分散且分布不均衡，耕地、林地和疏林地分布較為均衡，建設(shè)用地結(jié)構(gòu)復(fù)雜，鑲嵌程度高，而水域的穩(wěn)定性最差。草地在在南汀河流域分布不均衡、空間結(jié)構(gòu)復(fù)雜。

通過遙感解譯得到的土地利用數(shù)據(jù)結(jié)合上述分析，南汀河流域內(nèi)建設(shè)用地占總面積的1.9%且分布不均衡，形成這一現(xiàn)狀的主要原因是近年來當(dāng)?shù)厝丝跀U(kuò)張及經(jīng)濟(jì)增長，居民建房缺乏統(tǒng)一規(guī)劃，流域內(nèi)居民居住分散程度較高。而流域內(nèi)耕地面積占20%，然而有97.5%的面積為山地，這一地區(qū)并不適宜農(nóng)業(yè)生產(chǎn)發(fā)展，然而當(dāng)?shù)鼐用衿扔谏鎵毫?，將大面積坡地改造為耕地，使得當(dāng)?shù)鼐用駳Я珠_荒問題嚴(yán)重，而南汀河流域大部分地區(qū)表層土質(zhì)疏松、地質(zhì)構(gòu)造破碎、地表植被抗沖刷能力較差，易引起水土流失及滑坡、泥石流等地質(zhì)災(zāi)害，導(dǎo)致泥沙淤塞河道，影響航運(yùn)，增加洪澇風(fēng)險(xiǎn)，同時(shí)水土流失直接危害肥沃的表層土壤，使之變薄乃至喪失，流域內(nèi)土地的生產(chǎn)力受到破壞。

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