劉樂怡，楊雙娜，張龍，宋鈺紅,3

(1.西南林業(yè)大學(xué) 園林園藝學(xué)院，云南 昆明 650224；2.西南林業(yè)大學(xué) 地理與生態(tài)旅游學(xué)院，云南 昆明 650224；3.國家林業(yè)與草原局西南風(fēng)景園林工程技術(shù)研究中心，云南 昆明 650224)

生態(tài)環(huán)境是人類生存和發(fā)展的物質(zhì)基礎(chǔ)。19世紀(jì)以來，城市化進(jìn)程使人類活動與生態(tài)環(huán)境之間的矛盾沖突日益加劇，生態(tài)功能衰退、過度開發(fā)等生態(tài)問題顯著。在社會經(jīng)濟(jì)發(fā)展的同時，加強(qiáng)對區(qū)域生態(tài)環(huán)境的保護(hù)和修復(fù)已成為各國專家學(xué)者的共識。

土地利用/土地覆蓋變化(land-use and land-cover change，LUCC)受自然因素和人文因素的相互影響，是全球變化與可持續(xù)發(fā)展的重要研究內(nèi)容[1]，其變化具有復(fù)雜的非線性特征[2]。學(xué)界倡導(dǎo)關(guān)注土地利用變化，從而保護(hù)生物多樣性、生態(tài)環(huán)境和生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)[3]。在社會生產(chǎn)生活發(fā)生改變的大環(huán)境下，土地利用在研究方向、研究內(nèi)容和深度上不斷擴(kuò)展并加深[4]。

生態(tài)環(huán)境敏感性是指生態(tài)系統(tǒng)對人類活動干擾和自然環(huán)境變化的反映程度，能夠說明發(fā)生區(qū)域生態(tài)環(huán)境問題的難易程度和可能性大小[5]，是評價區(qū)域生態(tài)環(huán)境的重要途徑。生態(tài)敏感性在不同生態(tài)環(huán)境現(xiàn)狀中體現(xiàn)出較大差異，生態(tài)敏感性越高說明生態(tài)環(huán)境越不穩(wěn)定，區(qū)域發(fā)生生態(tài)環(huán)境問題的可能性越大；生態(tài)敏感性越低說明生態(tài)環(huán)境越穩(wěn)定，區(qū)域發(fā)生生態(tài)環(huán)境問題的可能性越小。不同區(qū)域生態(tài)敏感性評價需根據(jù)該地實(shí)際的生態(tài)環(huán)境特點(diǎn)、生態(tài)問題嚴(yán)重程度，客觀科學(xué)地劃分生態(tài)敏感性區(qū)域。

目前國內(nèi)學(xué)者在生態(tài)敏感性領(lǐng)域的研究已取得大量研究成果，主要聚焦以下幾方面：(1)在研究發(fā)展層面，早期生態(tài)敏感性研究主要聚焦于單一生態(tài)因子探究，如肖榮波等[6]學(xué)者在識別石漠化敏感區(qū)域的基礎(chǔ)上進(jìn)行生態(tài)評價與空間分析，谷花云[7]采用定量評價方法對貴州省生態(tài)系統(tǒng)進(jìn)行酸沉降相對敏感性研究；后期生態(tài)敏感性研究逐漸從單一轉(zhuǎn)向多影響因子的綜合研究，如崔寧等[8]學(xué)者對高原湖泊生態(tài)敏感性和生態(tài)功能重要性進(jìn)行分析并提出保護(hù)對策。(2)研究對象層面呈現(xiàn)多元化態(tài)勢，生態(tài)敏感性評價及空間分異性研究主要涉及鄉(xiāng)村聚落集群[9-10]、各級行政區(qū)劃等[11-13]范疇，以及山地、盆地、水系(河流、湖泊等)流域等[14-17]自然地理特征區(qū)，多集中于東部沿海地區(qū)和南部低山丘陵地區(qū)。(3)研究途徑上，大尺度自然屬性研究區(qū)域主要涉及土壤侵蝕敏感性、酸雨敏感性[7]、沙漠化敏感性[18]、石漠化敏感性[6]、鹽漬化敏感性等評價途徑，小尺度行政單位屬性研究區(qū)域通常選取高程、坡度、坡向、植被類型、環(huán)境質(zhì)量等多因素進(jìn)行生態(tài)敏感性綜合評價。(4)研究方法多采用定性與定量相結(jié)合的研究方法，如劉青青等以生態(tài)敏感性功能分區(qū)對國家公園功能區(qū)進(jìn)行差異化調(diào)控[19]，吳帛陽應(yīng)用ArcGIS結(jié)合AHP-熵值法，對自然保護(hù)區(qū)生態(tài)敏感性進(jìn)行分析并提出生態(tài)保護(hù)對策等[20]。

近年來，較多學(xué)者基于土地利用方式評價區(qū)域生態(tài)敏感性。如林榮清以南水北調(diào)中線為研究區(qū)，選取人為和自然因素建立生態(tài)敏感性指標(biāo)體系，通過單因子和綜合生態(tài)敏感性評價研究了南水北調(diào)中線生態(tài)環(huán)境存在的問題及原因[21]；馬聆蕭等分析了青島西海岸新區(qū)土地利用功能與生態(tài)敏感性的匹配程度[22]；景英利用GIS軟件對蘭州新區(qū)進(jìn)行生態(tài)敏感性分區(qū)，結(jié)合土地承載力分析了土地生態(tài)功能分區(qū)，根據(jù)蘭州新區(qū)生態(tài)功能區(qū)劃分提出具體的土地利用建議[23]；吳愛林采用統(tǒng)計(jì)資料研究分析了長江三角洲16地市2000—2014年生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)價值的時空演化規(guī)律以及2015—2020年生態(tài)敏感性時空演變規(guī)律[24]。

1 研究方法

1.1 數(shù)據(jù)來源與處理

本文以中國科學(xué)院空天信息創(chuàng)新研究院發(fā)布的1985—2020年全球30 m精細(xì)地表覆蓋動態(tài)監(jiān)測產(chǎn)品(GLC-FCS30-1985-2020)作為研究數(shù)據(jù)源，通過數(shù)據(jù)共享服務(wù)系統(tǒng)(https://data.casearth.cn/)獲取。研究區(qū)矢量范圍數(shù)據(jù)采用云南省矢量范圍數(shù)據(jù)(2020年)。使用分辨率為30 m的DEM數(shù)據(jù)，來源于地理空間數(shù)據(jù)云(http://www.gscloud.cn)。利用ArcGIS的空間分析功能提取坡向、坡度、高程等基本信息。

1.2 分析方法

1.2.1 土地利用類型分析方法

本研究土地利用分析部分通過土地利用轉(zhuǎn)移矩陣、單一土地利用動態(tài)度、綜合土地利用動態(tài)度來衡量香格里拉市土地利用變化特征。生態(tài)敏感性評價部分，首先分析單因子生態(tài)敏感性，再使用變異系數(shù)法確定單因子權(quán)重，最終通過加權(quán)疊加分析香格里拉市綜合生態(tài)敏感性。

土地利用轉(zhuǎn)移矩陣是分析土地利用類型中不同地類之間轉(zhuǎn)換情況的方法。一般情況下，矩陣的列表示初始年份的土地利用類型，行表示結(jié)束年份的土地利用類型，中間數(shù)值表示土地利用類型中的相互轉(zhuǎn)換面積大小[25-28]。計(jì)算公式如下。

NC(n，i)=NC(n)×10+NC(i)

式中:NC(n，i)表示第n年，第i年的土地利用變化狀況；NC(n)表示第n年的土地利用現(xiàn)狀；NC(i)表示第i年的土地利用現(xiàn)狀[29]。轉(zhuǎn)移矩陣形式如下。

式中：Sij表示第i種地類轉(zhuǎn)變?yōu)榈趈種地類的面積；n代表土地利用類型數(shù)目[30]。

土地利用動態(tài)度是衡量土地利用動態(tài)變化速度的重要指標(biāo)，單一土地利用動態(tài)度計(jì)算公式如下。

式中，Kj為初年到末年某地類的動態(tài)度；LUit0為初始年某地類的面積；LUit1為結(jié)束年某地類的面積；T為累計(jì)研究時長。

綜合土地利用動態(tài)度反映了研究區(qū)在一定時間范圍內(nèi)土地利用數(shù)量的總體變化情況，計(jì)算公式如下。

式中：LC為綜合土地利用動態(tài)度，LUi為研究初期第i類土地的面積，△LUi-j為某一時間段第i類土地轉(zhuǎn)化為j類土地的面積絕對值，T為累計(jì)研究時長[31]。

1.2.2 生態(tài)敏感性分析方法

研究針對香格里拉市地理環(huán)境特征，進(jìn)行篩選樣本地生態(tài)敏感性影響因子并建立指標(biāo)體系。首先，在實(shí)地調(diào)研所收集資料的基礎(chǔ)上，結(jié)合前人相關(guān)研究案例，將香格里拉市生態(tài)敏感性劃分為5級，分別為1、3、5、7、9，其中“1”為一般敏感、“3”為輕度敏感、“5”為中度敏感、“7”為高度敏感、“9”為極度敏感。最終篩選出6個最為重要的香格里拉市生態(tài)敏感性影響因子，分別為土地利用類型、坡度、坡向、高程、水域緩沖區(qū)、植被覆蓋度。等級指標(biāo)體系見表1。

表1 香格里拉生態(tài)敏感性評價因子指標(biāo)體系

香格里拉市生態(tài)敏感性評價因子指標(biāo)體系中，根據(jù)土地利用對生態(tài)敏感性的影響程度，將建設(shè)用地賦值為1，劃為一般敏感區(qū)域。林地極易受到人類生產(chǎn)生活的影響，穩(wěn)定性最差，因此將林地劃分為極度敏感。

植被覆蓋度通過遙感影像解譯計(jì)算植被歸一化指數(shù)獲得。植被覆蓋度與植被面積、植被茂盛程度呈正相關(guān)。水域、冰川雪地生態(tài)敏感性極易受到人類生產(chǎn)生活影響，遂將其劃為極度敏感區(qū)域。

坡度是指坡面垂直高度與水平方向距離之間的比值，能夠反映地表在該點(diǎn)的陡緩程度[32]。坡度較大的坡面地勢陡峭植被生長稀疏，坡度較小的坡面，地勢平坦，植被生長茂盛。本文使用ArcGis提取研究區(qū)DEM數(shù)據(jù)中的坡度信息[33]。

坡向是指地表面上某一點(diǎn)的切平面的法線，對于研究區(qū)山地生態(tài)環(huán)境有著較大的作用[34]。香格里拉市山地特征明顯，因此選擇坡向作為香格里拉生態(tài)敏感性評價指標(biāo)因子之一。本次研究中坡向因子參照8坡向分類方法，將8坡向、平地根據(jù)太陽輻射強(qiáng)度劃分為5個敏感等級。

本文根據(jù)樣本量豐富完善并具有普遍性的特點(diǎn)，選擇使用變異系數(shù)法求取生態(tài)敏感性各指標(biāo)因子權(quán)重值(表2)，計(jì)算公式如下。

式中:wi為指標(biāo)因子權(quán)重；v為變異系數(shù)；s為指標(biāo)因子標(biāo)準(zhǔn)差；x為指標(biāo)因子均值；i為指標(biāo)因子的序號數(shù)，i=1，2，…，i[35]。

表2 香格里拉各評價指標(biāo)因子權(quán)重

2 結(jié)果與分析

2.1 土地利用分析

根據(jù)《土地利用現(xiàn)狀分類》(GB/T21010-2017)結(jié)合香格里拉市地形特點(diǎn)，將香格里拉市土地利用類型劃分為林地、草地、耕地、冰川雪地、建設(shè)用地、其他用地、水域7種土地類型。根據(jù)土地利用類型統(tǒng)計(jì)結(jié)果分析可知，在 7種土地利用類型中林地在4個研究時間段內(nèi)都占據(jù)明顯面積優(yōu)勢，1990—2020年林地面積分別是：8 350.93 hm2、8 297.40 hm2、8 218.00 hm2、8 133.16 hm2，這與香格里拉市山地分布廣泛、森林覆蓋度高的實(shí)際情況相符。香格里拉市第二優(yōu)勢土地利用類型為草地，其余用地類型占比相近且較小。詳細(xì)數(shù)據(jù)見表3。

表3 1990—2020年香格里拉土地利用類型面積及比例

2.1.1 土地利用轉(zhuǎn)移特征分析

由表4可知，1990—2000年間草地向耕地的轉(zhuǎn)移最為明顯，少部分草地、耕地、林地轉(zhuǎn)移為建設(shè)用地，但建設(shè)用地未向其他用地轉(zhuǎn)出。這與1990—2000年間香格里拉市城市建設(shè)進(jìn)程加快的實(shí)際情況相符。冰川雪地與其他類型都有轉(zhuǎn)化，說明因?yàn)闅夂蛟虮ζ渌仡愑兴谏w。

表4 香格里拉1990—2000年土地利用類型轉(zhuǎn)移矩陣

由表5可知， 2000—2010年時期內(nèi)草地、林地的總體轉(zhuǎn)入量較高。冰川雪地主要表現(xiàn)為向草地、林地方向轉(zhuǎn)化。其他用地向各類土地利用類型轉(zhuǎn)化量都較少。林地在這一階段主要轉(zhuǎn)化為草地、其次為耕地，較少部分轉(zhuǎn)化為建設(shè)用地和其他用地。說明在這一時期地方對土地開發(fā)程度加大。水域在這一階段主要轉(zhuǎn)化為其他用地和草地，有少量轉(zhuǎn)化為冰川雪地，這一變化與數(shù)據(jù)采集季節(jié)有關(guān)，但也體現(xiàn)了冰川雪地土地利用類型不穩(wěn)定。

表5 香格里拉2000—2010年土地利用類型轉(zhuǎn)移矩陣

由表6可知，2010—2020年間草地、林地的轉(zhuǎn)移流最為明顯，其次是建設(shè)用地、耕地，水域、其他用地轉(zhuǎn)移流最不顯著。其中冰川雪地主要由草地轉(zhuǎn)換得到，草地主要由林地轉(zhuǎn)換得到。

表6 香格里拉2010—2020年土地利用類型轉(zhuǎn)移矩陣

土地利用轉(zhuǎn)移?；鶊D對香格里拉市1990—2020年的土地利用轉(zhuǎn)移進(jìn)行可視化呈現(xiàn)。林地在3個階段的變化中始終是香格里拉市覆蓋最廣的土地利用類型，且30年間各土地利用類型之間的土地轉(zhuǎn)移持續(xù)增加(圖1)。

圖1 香格里拉市土地利用的轉(zhuǎn)移桑基

2.1.2 香格里拉單一土地利用動態(tài)度

分析1990—2020年香格里拉市單一土地利用動態(tài)度，結(jié)果表明香格里拉土地利用僅2000—2010年水域動態(tài)度大于1%，說明這一階段水域面積變化較大，與其他階段相比較呈現(xiàn)大幅度增長趨勢。1990—2000年、2010—2020年草地動態(tài)度最小，說明這2個階段草地總體面積變化較小。3個時期林地動態(tài)度體現(xiàn)了林地的總體面積變化小，但持續(xù)穩(wěn)步增加的發(fā)展趨勢，結(jié)合2010—2020年耕地負(fù)向動態(tài)度變化加大，判斷主要由于云南省將80%退耕還林還草任務(wù)傾斜給貧困區(qū)縣有關(guān)，香格里拉市屬于項(xiàng)目中“三區(qū)三州”重點(diǎn)區(qū)域(表7)。

表7 香格里拉1990—2020年單一土地利用動態(tài)度

2.1.3 香格里拉綜合土地利用動態(tài)度

根據(jù)綜合土地利用動態(tài)度模型計(jì)算得出香格里拉各階段綜合土地利用動態(tài)度。1990—2000年、2000—2010年、2010—2020年香格里拉市綜合土地利用動態(tài)度分別為0.04%、0.07%、0.08%，呈上升趨勢。1990—2020年越往后期土地利用變化強(qiáng)度越劇烈，主要受人口增加、經(jīng)濟(jì)發(fā)展的影響。

2.2 生態(tài)敏感性評價結(jié)果

由香格里拉市2020年高程各敏感區(qū)占比情況(圖2a)可知:受高程影響，極度敏感區(qū)分布集中，且主要分布于香格里拉北部及個別南部高海拔雪山;高度敏感區(qū)面積最大;中度敏感區(qū)廣泛分布在香格里拉中部地區(qū);一般敏感區(qū)分布少、占比最小，僅為8.09%。結(jié)果體現(xiàn)了香格里拉市高海拔的特征。

圖2 香格里拉市2020年單因子生態(tài)敏感性分布

2020年香格里拉市坡度因子影響下的生態(tài)敏感性評價中，高度敏感區(qū)面積最大，其次是中度敏感區(qū)和極度敏感區(qū)，一般敏感區(qū)域面積最小且集中于研究區(qū)中部(圖2b)。說明香格里拉中部坡度較低，四周地形坡度普遍高于中部。以坡向?yàn)橐蜃舆M(jìn)行生態(tài)敏感性評價時，各敏感度級別所占比例數(shù)據(jù)差距較大(圖2c)。體現(xiàn)了坡向變化對高原山地生態(tài)敏感性有顯著影響。

香格里拉市水域單因子生態(tài)敏感性評價中，一般敏感區(qū)域面積占比較大，其它敏感等級區(qū)域面積所占比重較小且數(shù)值接近(圖2d)。植被覆蓋度單因子生態(tài)敏感性分析結(jié)果中，極度敏感區(qū)域面積最大，其他敏感區(qū)大多均勻分布于研究區(qū)，輕度敏感區(qū)相對集中分布于研究區(qū)北部，一般敏感地區(qū)分布分散(圖2e)。

研究區(qū)林地面積較大，林地屬于極度敏感地區(qū)。研究區(qū)極度敏感區(qū)是一般敏感與輕度敏感區(qū)面積之和的7倍(圖2f)。說明香格里拉市土地利用類型單因子生態(tài)敏感性高。

通過變異系數(shù)法求得單因子權(quán)重值，使用ArcGis疊加分析功能，得到香格里拉市生態(tài)敏感性綜合評價結(jié)果(圖3)。在6個生態(tài)敏感性單因子的綜合影響下，香格里拉市中部地區(qū)整體生態(tài)敏感性較低，中部向外圍擴(kuò)散為中度敏感。以香格里拉市主城區(qū)為中心以圈層形式向周圍擴(kuò)散，生態(tài)敏感性逐漸增高。

圖3 香格里拉市2020年綜合生態(tài)敏感性分布

從綜合生態(tài)敏感性分析結(jié)果來看，香格里拉市高度敏感以上區(qū)域占研究區(qū)面積51.87%以上，輕度生態(tài)敏感性以上區(qū)域占研究區(qū)面積91.38%以上，說明香格里拉市綜合生態(tài)敏感性高，生態(tài)環(huán)境受外界干擾反映強(qiáng)烈，生態(tài)環(huán)境自我恢復(fù)能力弱(表8)。

表8 香格里拉市2020年單因子及綜合生態(tài)敏感性評價結(jié)果

本研究對香格里拉市土地利用類型變化和生態(tài)敏感性進(jìn)行分析評價，研究結(jié)果主要為保護(hù)生態(tài)環(huán)境修復(fù)生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)。香格里拉市整體土地利用動態(tài)度持續(xù)提高，在各個研究階段林地都在數(shù)量上占據(jù)明顯優(yōu)勢地位。研究區(qū)整體生態(tài)敏感性較高，以輕度敏感以上區(qū)域?yàn)橹鳌Ｏ愀窭锢械纳鷳B(tài)敏感性分布受高程、坡度、植被覆蓋度等自然因素影響大，高度生態(tài)敏感以上區(qū)域大多分布在自然資源豐富、植被覆蓋率高、坡度大且生態(tài)環(huán)境受到破壞后難以短時間恢復(fù)的高山地帶，主要集中在香格里拉市東北部三江并流國家自然保護(hù)區(qū)的高海拔山地區(qū)域。一般敏感區(qū)分布在城市建成區(qū)并以此為中心向四周輕度敏感區(qū)擴(kuò)散。

3 結(jié)論與討論

作為對地方部署的重要銜接，云南省“十四·五”規(guī)劃中強(qiáng)調(diào)“三屏兩帶”為重點(diǎn)的生態(tài)保護(hù)紅線。說明在中觀層級的生態(tài)戰(zhàn)略中，嚴(yán)守滇西北高山峽谷生態(tài)屏障，是云南省推進(jìn)重要生態(tài)系統(tǒng)保護(hù)和修復(fù)、提升生態(tài)系統(tǒng)質(zhì)量和穩(wěn)定性的重要保障。

作為全球34個生物多樣性熱點(diǎn)地區(qū)之一，香格里拉市在“十三·五”期間生態(tài)環(huán)境保護(hù)成效顯著。根據(jù)本研究結(jié)果，應(yīng)繼續(xù)不斷加大生物多樣性保護(hù)、生態(tài)保護(hù)和修復(fù)力度，結(jié)合香格里拉市土地利用演變和生態(tài)敏感性評價結(jié)果研判生態(tài)環(huán)境保護(hù)形勢，明確規(guī)劃目標(biāo)，構(gòu)建指標(biāo)體系，對地方生態(tài)可持續(xù)發(fā)展提供精準(zhǔn)目標(biāo)和科學(xué)思路。

落實(shí)到香格里拉市地方實(shí)踐中，林地、冰川雪地、水域等高敏感性土地利用類型分布區(qū)應(yīng)以生態(tài)保護(hù)和修復(fù)為主，著重保護(hù)山林整體和金沙江沿線生態(tài)脆弱區(qū)，嚴(yán)格限制高敏感區(qū)內(nèi)人為活動干擾，從動植物、景觀、水源多維度進(jìn)行有效保護(hù)；中度生態(tài)敏感區(qū)域以加強(qiáng)生態(tài)保育為主，在保證生態(tài)穩(wěn)定的前提下，提高生物多樣性，減少人為活動干擾；城市建成區(qū)及其周邊應(yīng)以人地和諧為主。城鄉(xiāng)建設(shè)應(yīng)基于城市容量研究，嚴(yán)格執(zhí)行土地分類，控制過度開發(fā)，進(jìn)行政策性管控的同時，強(qiáng)調(diào)生態(tài)環(huán)境補(bǔ)償。增強(qiáng)公眾參與和自然保護(hù)意識。積極發(fā)展高原特色產(chǎn)業(yè)，科學(xué)選取藏區(qū)旅游線路，在實(shí)現(xiàn)生態(tài)可持續(xù)的前提下，探索高原山地生態(tài)敏感地區(qū)的高質(zhì)量發(fā)展之路。