李曉娜 鄧忠堅(jiān) 王秋華 王玉和 萬仕蓉

( 1. 西南林業(yè)大學(xué)，云南 昆明 650233；2. 云南省林業(yè)調(diào)查規(guī)劃院生態(tài)分院，云南 昆明 650002)

土地是人類生存與發(fā)展的自然基礎(chǔ)。土地利用狀況及其變化是陸地對人類社會經(jīng)濟(jì)活動的重要響應(yīng)和表現(xiàn)，是人類陸地自然資源開發(fā)和利用的結(jié)果，與全球氣候變化、生物多樣性保護(hù)、生態(tài)環(huán)境變化等所有與可持續(xù)發(fā)展相關(guān)的問題密切相關(guān)[1-4]。人類對土地的開發(fā)利用以及由此引發(fā)的土地覆被變化被認(rèn)為是全球環(huán)境變化的重要組成部分和主要原因[5-10]。近年來，區(qū)域土地利用變化的研究一直受到眾多學(xué)者的關(guān)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(qū)位于金沙江、瀾滄江、怒江三江并流大峽谷地區(qū)，山河交錯，地貌類型復(fù)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(diǎn)之一，是我國生物多樣性保護(hù)極其重要的生態(tài)功能區(qū)和水源涵養(yǎng)區(qū)，但由于山高坡陡，生態(tài)環(huán)境脆弱。隨著人口增加和社會發(fā)展，滇西北地區(qū)對水資源、糧食和能源以及土地資源等的需求持續(xù)增加，給研究區(qū)的生態(tài)環(huán)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(tài)環(huán)境的變化，部分學(xué)者對三江并流區(qū)1983—1999年間的土地利用變化及其驅(qū)動因素進(jìn)行了分析，表明森林采伐、毀林毀草開荒、林火、基礎(chǔ)設(shè)施建設(shè)和少數(shù)民族生產(chǎn)生活方式等因素是影響滇西北地區(qū)土地利用發(fā)生變化的根本原因[22-25]。然而，2000年以來，國家和云南省實(shí)施了大規(guī)模的生態(tài)建設(shè)工程，其對滇西北地區(qū)的影響如何尚未可知，分析1986—2015年滇西北地區(qū)的土地利用時空變化特征，對于保護(hù)滇西北地區(qū)的生物多樣性和生態(tài)系統(tǒng)功能具有重要的意義，可以為研究區(qū)制定合理的可持續(xù)發(fā)展土地利用政策提供科學(xué)依據(jù)。

1 研究區(qū)概況

滇西北地區(qū)（24°40′～29°16′N，98°07′～101°31′E）位于橫斷山脈縱谷區(qū)，境內(nèi)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(dá)到6 000 m，是中國地形地貌最為復(fù)雜的地區(qū)之一。受印度洋西南季風(fēng)、太平洋東南季風(fēng)和青藏高原氣團(tuán)的綜合影響，該區(qū)為典型的內(nèi)陸性季風(fēng)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(fù)雜，山地立體氣候特征明顯。

滇西北地區(qū)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(chǎn)水平落后，經(jīng)濟(jì)發(fā)展緩慢。1949年國民生產(chǎn)總值還不足1.40億元，改革開放以后滇西北地區(qū)經(jīng)濟(jì)發(fā)展速度加快，人口大量增加，到1988年GDP達(dá)到38.76億元，人口超過163萬；隨著社會發(fā)展，1995年人口增加到183.85萬，GDP增加到29.21億元，第一產(chǎn)業(yè)比重也由1988年的60%以上降低為不足42%。2000年前，林業(yè)采伐是研究區(qū)地方財(cái)政收入和居民獲取收入的主要來源，道路和城鎮(zhèn)建設(shè)均基于林業(yè)發(fā)展的需要，同時森林大面積采伐也導(dǎo)致研究區(qū)植被退化[23]；2000年以后國家實(shí)施了“天然林保護(hù)工程”，滇西北地區(qū)的經(jīng)濟(jì)收入逐漸由林業(yè)轉(zhuǎn)變?yōu)槁糜螛I(yè)等第三產(chǎn)業(yè)。截止2015年末，人口增加到223.00萬，GDP達(dá)到564.10億元，第一、第二和第三產(chǎn)業(yè)比重為23.3∶24.3∶52.4。

2 材料與方法

2.1 數(shù)據(jù)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(shù)據(jù)來源于“地球系統(tǒng)科學(xué)數(shù)據(jù)共享網(wǎng)”（http：//www.geodata.cn/data/publisher.html），2015年數(shù)據(jù)下載自地理空間數(shù)據(jù)云（http：//www.gscloud.cn/）2014年12月—2016年11月期間研究區(qū)（共6景）無云或少云Landsat 8 OLI數(shù)據(jù)。

在ENVI 5.1支持下，對Landsat 8 OLI影像進(jìn)行幾何校正、輻射校正、影像增強(qiáng)等預(yù)處理，根據(jù)研究區(qū)的邊界對遙感影像進(jìn)行幾何裁剪來獲取研究范圍。

2.2 影像分類方法

利用非監(jiān)督分類的方法進(jìn)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(shù)據(jù)進(jìn)行人工修改和校驗(yàn)，最終在ArcGIS軟件的支持下建立空間屬性數(shù)據(jù)庫，獲取滿足本研究需要的2015年滇西北地區(qū)的土地利用類型數(shù)據(jù)。

根據(jù)滇西北地區(qū)的實(shí)際土地利用狀態(tài)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(biāo)準(zhǔn)，將研究區(qū)土地分為耕地、林地、草地、水域、城鄉(xiāng)居住工礦用地（城鎮(zhèn)用地、農(nóng)村居民點(diǎn)和其他建設(shè)用地）和未利用土地6大類。在ArcGIS 10.2的支持下，將所有的數(shù)據(jù)統(tǒng)一空間分辨率為100 m×100 m（圖1）。

圖1 1986—2015年滇西北地區(qū)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(yàn)證影像分類結(jié)果可信度，檢驗(yàn)影像分類效果的定量評價。本研究在Google影像上隨機(jī)選取樣本點(diǎn)，對分類結(jié)果進(jìn)行精度驗(yàn)證，耕地、林地、草地、水域、城鄉(xiāng)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(tài)度

土地利用動態(tài)度可以定量描述一定時間范圍內(nèi)各土地利用的變化速度。單一動態(tài)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(qū)土地利用相對穩(wěn)定，動態(tài)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(tài)度可以描述區(qū)域土地利用類型的變化的劇烈程度。主要計(jì)算公式如下[18,26-27]：

式中：K和Kl分別為研究時段（T）內(nèi)某一土地利用類型的動態(tài)度和綜合土地利用類型動態(tài)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(nèi)第i類土地利用類型轉(zhuǎn)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(zhuǎn)移矩陣

轉(zhuǎn)移矩陣作為地理學(xué)和景觀生態(tài)學(xué)的重要研究方法之一，能夠較全面地展示區(qū)域土地利用變化的結(jié)構(gòu)特征，已被廣泛的用于分析土地利用類型的動態(tài)。本研究采用研究區(qū)土地利用類型面積作為狀態(tài)轉(zhuǎn)移矩陣中的向量，分析計(jì)算了研究區(qū)1986—1995年、1995—2005年、2005—2015年3個時期的土地利用狀態(tài)轉(zhuǎn)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(shù)和穩(wěn)定性指數(shù)分析

分形理論始于20世紀(jì)70年代，是研究不規(guī)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(guī)則幾何對象，運(yùn)用分形思想探討土地利用類型的分布和變化規(guī)律，可以進(jìn)一步表征空間鑲嵌結(jié)構(gòu)的復(fù)雜性和穩(wěn)定性。穩(wěn)定性指數(shù)可以反映某種土地利用類型在自然狀態(tài)下抵抗外界干擾，維持自身形態(tài)的能力，是衡量土地利用結(jié)構(gòu)穩(wěn)定程度與否的基本指標(biāo)。分形維數(shù)和穩(wěn)定性指數(shù)的計(jì)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(shù)，C是不定常數(shù)，S為穩(wěn)定性指數(shù)。

分形維數(shù)可以用來量化斑塊形狀的復(fù)雜程度，一定程度上反映人類活動對景觀的影響。分形維數(shù)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(dāng)D=1.5時，圖斑穩(wěn)定性達(dá)到臨界值。該土地利用類型的分維值越接近臨界值，其穩(wěn)定性就越差，相反則越好[29]。穩(wěn)定性指數(shù)基于分形維數(shù)計(jì)算而來，是衡量土地利用狀態(tài)穩(wěn)定程度的指標(biāo)。其理論值范圍為0～0.5，S值越大，說明該地類空間結(jié)構(gòu)越處于穩(wěn)定狀態(tài)，反之越不穩(wěn)定。

2.4.2 景觀格局指數(shù)

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

3 結(jié)果與分析

3.1 土地利用類型動態(tài)分析

3.1.1 土地利用類型面積變化

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

圖1 1986—2015年滇西北地區(qū)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(zhuǎn)化特征

以1986年、1995年、2005年、2015年4個時期的土地利用類型數(shù)據(jù)為基礎(chǔ)進(jìn)行轉(zhuǎn)移矩陣分析，結(jié)果見表1～3。前2個時段均是林地的轉(zhuǎn)出面積最大，主要轉(zhuǎn)出流向?yàn)椴莸睾透?；其次是草地，主要轉(zhuǎn)向?yàn)榱值睾透?。?005—2015年，草地的流轉(zhuǎn)面積最大，主要轉(zhuǎn)出流向?yàn)楦睾土值?；其次是林地，其主要轉(zhuǎn)向耕地和草地。3個時段內(nèi)，6類土地利用類型中均是城鄉(xiāng)居住工礦用地的面積轉(zhuǎn)出最少。由此可見，滇西北地區(qū)土地利用類型間的轉(zhuǎn)換主要在耕地、林地和草地之間互相流轉(zhuǎn)。與此同時，耕地的轉(zhuǎn)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(zhuǎn)向?yàn)榱值睾筒莸?，其次是城鄉(xiāng)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(zhuǎn)化面積大幅增加，這可能與近年來滇西北地區(qū)的人口變化與經(jīng)濟(jì)的快速發(fā)展密切相關(guān)。

表1 1986—1995年土地利用類型轉(zhuǎn)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(zhuǎn)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(zhuǎn)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(tài)度變化

滇西北地區(qū)1986—2015年土地利用動態(tài)度變化見表4。由表4可知，研究區(qū)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(tài)度有差異。同一時段內(nèi)，第1時段城鄉(xiāng)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(tài)度絕對值均不足0.10；第2時段各土地利用類型動態(tài)變化表現(xiàn)為城鄉(xiāng)居住工礦用地動態(tài)度最大，達(dá)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(tài)度值均較?。ǎ?.00）；與前2個時段相比，第3時段各土地利用類型的動態(tài)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(xiāng)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(xiāng)居住工礦用地的動態(tài)度達(dá)到最大（17.17）。

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

滇西北地區(qū)土地利用類型的綜合動態(tài)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(tài)度和區(qū)域綜合動態(tài)度均為最高值，各土地利用類型間流轉(zhuǎn)較為劇烈，從側(cè)面表明2005—2015年滇西北地區(qū)社會經(jīng)濟(jì)發(fā)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(shù)和穩(wěn)定性指數(shù)見表5。由表5可知，研究區(qū)4個時期的耕地、林地、草地、水域、城鄉(xiāng)居住工礦用地和未利用土地6大地類的分維值和穩(wěn)定性指數(shù)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(xiāng)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(wěn)定性指數(shù)表現(xiàn)為未利用土地（0.09±0.05）＞水域（0.08±0.06）＞草地（0.05±0.05）＞城鄉(xiāng)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(shù)和穩(wěn)定性指數(shù)Table 5 Fractal-dimension and stable-index among land-use types from 1986 to 2015

研究時期（1986—2015年）內(nèi)，各土地利用類型的分維值和穩(wěn)定性指數(shù)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(tài)下穩(wěn)定，城鄉(xiāng)居民工礦用地趨于復(fù)雜狀態(tài)下的穩(wěn)定，而耕地和水域趨于更加不穩(wěn)定狀態(tài)。

3.2.2 景觀格局指數(shù)分析

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

表6 1986—2015年景觀水平格局指數(shù)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(shù)變化見圖3。由圖3可知，耕地、林地、水域、城鄉(xiāng)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(xiāng)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(xiāng)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(xiàn)為耕地、草地、水域和城鄉(xiāng)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(qū)類型水平的格局指數(shù)變化Fig. 3 Changes of pattern indexes at the class-level in the study area from 1986 to 2015

景觀指數(shù)變化表明，研究區(qū)耕地、草地、水域和城鄉(xiāng)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(qū)景觀整體趨于破碎化，連通度增強(qiáng)，分割度減弱。

4 結(jié)論與討論

滇西北地區(qū)土地利用類型變化表明，30 a來研究區(qū)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(shí)施了系列的生態(tài)恢復(fù)工程，林地面積有所增加。耕地和城鄉(xiāng)居住工礦用地不斷增加，尤其是城鄉(xiāng)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(qū)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(zhuǎn)是研究區(qū)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(qū)土地利用類型的變化速度整體上呈增大趨勢，其中城鄉(xiāng)居住工礦用地最為活躍，水域次之；各研究時段動態(tài)度相比，較前2個時段，近10 a來滇西北地區(qū)各土地利用類型的動態(tài)度和綜合動態(tài)度均大幅增加，其中城鄉(xiāng)居住工礦用地變化度達(dá)到17.17，綜合動態(tài)度高達(dá)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(guī)則穩(wěn)定，城鄉(xiāng)居住工礦用地的斑塊趨于復(fù)雜穩(wěn)定，而耕地和水域趨于活躍狀態(tài)。研究區(qū)各類景觀指數(shù)均呈波動，各土地利用類型景觀指數(shù)變化較復(fù)雜，耕地、草地、水域和城鄉(xiāng)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(qū)景觀整體趨于破碎化，連通度增強(qiáng)。

研究表明，2000年以前研究區(qū)森林遭受大面積采伐，采伐是導(dǎo)致研究區(qū)土地利用類型發(fā)生變化的根本原因[23-28]。2000年后滇西北地區(qū)全面停止了天然林采伐，實(shí)施了大規(guī)模的生態(tài)建設(shè)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(jīng)濟(jì)發(fā)展可能是導(dǎo)致研究區(qū)耕地和城鄉(xiāng)居住工礦用地面積持續(xù)增加的原因，人口增加、經(jīng)濟(jì)發(fā)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(guān)重要的影響。