基于分形理論的土地利用時(shí)空格局變化
——以嘉陵江流域?yàn)槔?/h1>
2023-10-30 13:00:26郭興月程圣東李占斌
中國(guó)水土保持科學(xué) 2023年5期
郭興月, 王 添,2?, 程圣東, 李占斌,2, 張 皎, 李 鵬,2
(1.西安理工大學(xué)省部共建西北旱區(qū)生態(tài)水利國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室,710048,西安;2.西安理工大學(xué)旱區(qū)生態(tài)水文與災(zāi)害防治國(guó)家林業(yè)局重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室,710048,西安)
2020年全國(guó)水土流失面積為269.27萬(wàn)km2,約占國(guó)土面積25.767%[1]。水土流失會(huì)導(dǎo)致土地生產(chǎn)力降低、土壤貧瘠;與此同時(shí),化學(xué)污染物隨著水土流失進(jìn)入水體,不僅帶來(lái)環(huán)境污染,還直接影響人們生產(chǎn)生活,嚴(yán)重破壞生態(tài)環(huán)境[2]。土地利用類型是定量預(yù)測(cè)土壤侵蝕程度的重要指標(biāo),在一定程度上反映流域內(nèi)水土流失情況[3],為水土保持規(guī)劃提供科學(xué)參考,研究土地利用情況顯得尤為重要。
分形理論由法國(guó)曼德?tīng)柌剂_特提出的,利用整體內(nèi)部離散多邊形斑塊的面積和周長(zhǎng),計(jì)算分形維數(shù),研究事物整體的內(nèi)部熵值。人類生產(chǎn)活動(dòng)引起的土地利用變化是全球環(huán)境變化的重要因素,土地利用動(dòng)態(tài)分析是土地資源管理中的關(guān)鍵環(huán)節(jié),是土壤侵蝕預(yù)報(bào)的重要內(nèi)容[4]。自然環(huán)境和人類活動(dòng)的共同作用導(dǎo)致土地利用變化,使其演變存在非持續(xù)、中斷甚至突變的特點(diǎn)[5]。分形維數(shù)和穩(wěn)定性指數(shù)的大小可以體現(xiàn)不同土地利用類型斑塊形狀的嵌套復(fù)雜程度與其所受人類活動(dòng)干擾的程度[6-7],反映土地利用結(jié)構(gòu)變化和演變轉(zhuǎn)換規(guī)律,體現(xiàn)土地利用類型的空間分布狀態(tài)是否具有穩(wěn)定性,評(píng)估其可持續(xù)發(fā)展?jié)摿Α?/p>
筆者利用分形理論,選取嘉陵江流域作為研究對(duì)象,通過(guò)計(jì)算1990—2005、2005—2020年的土地利用轉(zhuǎn)換矩陣和3期流域整體以及不同土地利用的分形維數(shù),對(duì)1990、2005和2020年間土地利用時(shí)空格局變化進(jìn)行深入探究,得到各地類面積轉(zhuǎn)化方向和比例變化大小,對(duì)比土地利用分形維數(shù)及穩(wěn)定性指數(shù)的變化趨勢(shì),概括30 a嘉陵江流域土地利用時(shí)空變化格局,為土地利用地類合理布局及水土流失治理的規(guī)劃提供一定的科學(xué)依據(jù)。
1 研究區(qū)概況
嘉陵江流域介于E 102°35′36″～109°01′08″、N 29°17′30″～34°28′11″之間。發(fā)源于陜西省秦嶺北麓的鳳縣代王山。嘉陵江中途流經(jīng)陜西、甘肅、四川3省和重慶市,在重慶與長(zhǎng)江干流交匯,流域總面積約 16萬(wàn)km2。為亞熱帶季風(fēng)氣候,全年降雨量分配不均勻,夏季和秋季降雨量多,占年度降雨量的70%～90%。
2 數(shù)據(jù)與研究
2.1 數(shù)據(jù)來(lái)源
選取1990、2005和2020年嘉陵江流域的TM遙感數(shù)據(jù),1990、2005年數(shù)據(jù)來(lái)自衛(wèi)星Landsat 4-5,2020年數(shù)據(jù)來(lái)自衛(wèi)星Landsat 8。TM遙感數(shù)據(jù)來(lái)源于中國(guó)科學(xué)院計(jì)算機(jī)網(wǎng)絡(luò)信息中心地理空間數(shù)據(jù)云平臺(tái)(http://www.gscloud.cn)。時(shí)間跨度長(zhǎng)達(dá) 30 a。
2.2 土地利用分形維數(shù)及穩(wěn)定性指數(shù)
分形維數(shù)是表示整體內(nèi)部自相似性的定量指標(biāo)之一[8]。計(jì)算不同土地利用種類的封閉多邊形斑塊,用分形維數(shù)定量表述其核心區(qū)大小和邊界周長(zhǎng)之間的關(guān)系[9]。分形維數(shù)的大小能夠展示事物內(nèi)部的復(fù)雜程度及穩(wěn)定程度[10]。對(duì)于特定土地利用種類斑塊,以r=1 km為尺度,測(cè)量各斑塊面積和周長(zhǎng),則其分形維數(shù)的計(jì)算公式為:
LnA(r)=DlnP(r)+C。
(1)
式中:A(r)為斑塊面積,km2;D為分形維數(shù),量綱為1;P(r)為斑塊周長(zhǎng),km;C為待定常數(shù)。可知,對(duì)周長(zhǎng)與面積同時(shí)取對(duì)數(shù),進(jìn)行擬合分析,建立回歸模型,若lnA(r)與lnP(r)呈線性關(guān)系,斜率數(shù)值即D的取值。其取值正常范圍為[1,2],當(dāng)D=1時(shí)表示嵌套結(jié)構(gòu)最為簡(jiǎn)單的正方形斑塊;當(dāng)D=2時(shí),表示等面積下嵌套結(jié)構(gòu)最為復(fù)雜的多邊形斑塊,邊界最不規(guī)則;若D的值越低,斑塊鑲嵌結(jié)構(gòu)越簡(jiǎn)單清晰,表示內(nèi)部事物分布規(guī)律性高,破碎性低,共通性強(qiáng);若D的值越高,斑塊鑲嵌結(jié)構(gòu)越復(fù)雜混亂,表示內(nèi)部事物分布規(guī)律性低,破碎性強(qiáng),共通性弱[11]。當(dāng)D取值1.5時(shí),則表明該種斑塊處于極其不穩(wěn)定的情況,稱為布朗隨機(jī)運(yùn)動(dòng)[12]。
在此基礎(chǔ)上,引入穩(wěn)定性指數(shù)S來(lái)描述事物空間分布有序性。
S=|D-1.5|。
(2)
式中:S為穩(wěn)定性指數(shù),量綱為1,取值范圍為[0,0.5],空間結(jié)構(gòu)分布越清晰有序,S的取值就越大。
對(duì)1900、2005和2020年的影像數(shù)據(jù)進(jìn)行計(jì)算處理,得到每個(gè)時(shí)間整體及各土地利用類型的分形維數(shù)與穩(wěn)定性指數(shù)。
以嘉陵江流域1990、2005和2020年的TM遙感數(shù)據(jù)為數(shù)據(jù)源,選擇5月下旬—6月中旬與8月下旬—9月中旬TM遙感圖像,其地物信息清楚,地物反射光譜具有顯著差異,易識(shí)別,方便進(jìn)行影像解譯工作。經(jīng)過(guò)處理后,按照土地利用劃分標(biāo)準(zhǔn),利用ENVI 軟件中的監(jiān)督分類法,將土地利用類型劃分為耕地、林地、草地、水域、建設(shè)用地和未利用地,解譯過(guò)后的柵格數(shù)據(jù)導(dǎo)入ArcGIS軟件中,柵格轉(zhuǎn)矢量,利用Merge進(jìn)行圖斑合并,得到研究區(qū)3期土地利用劃分圖,統(tǒng)計(jì)整體周長(zhǎng)、面積、斑塊數(shù)、平均斑塊面積等參數(shù)數(shù)據(jù),再經(jīng)分類得各地類斑塊數(shù)、平均斑塊面積等指標(biāo)數(shù)據(jù)。利用混淆矩陣法進(jìn)行驗(yàn)證,圖像精度均>85%,滿足研究要求。
3 結(jié)果與分析
3.1 土地利用面積轉(zhuǎn)化
3.1.1 1990—2005年土地利用面積轉(zhuǎn)化 1990—2005年間,如表1所示,嘉陵江流域中林地、水域、建設(shè)用地、未利用地的面積逐漸增加,耕地、草地的面積逐漸減少。耕地和林地相互轉(zhuǎn)換頻繁,研究期間,耕地主要轉(zhuǎn)換為林地,轉(zhuǎn)換面積比例為3.34%,有39.64%仍保持初始耕地屬性,林地主要轉(zhuǎn)換為耕地,轉(zhuǎn)換面積比例為2.41%。草地、水域、建設(shè)用地與未利用地轉(zhuǎn)化流動(dòng)面積比例較小,各自主要轉(zhuǎn)化為林地(1.16%)、耕地(0.07%)、水域(0.04%)、草地(0.01%),草地與建設(shè)用地主要由耕地轉(zhuǎn)換得到,水域、未利用地分別主要由建設(shè)用地、草地轉(zhuǎn)換得到。經(jīng)過(guò)轉(zhuǎn)化后,林地面積增加最多,增幅為1.99%,通過(guò)轉(zhuǎn)移矩陣分析,其主要來(lái)自耕地(3.34%)與草地(1.16%)2類;草地面積減少最多,降幅為1.41%,主要轉(zhuǎn)換為林地(1.16%)、耕地(1.06%)2類。
表1 1990—2005年各土地利用種類之間轉(zhuǎn)化比例
3.1.2 2005—2020年土地利用面積轉(zhuǎn)化 2005—2020年間,如表2所示,嘉陵江流域中林地、水域、建設(shè)用地、未利用地的面積逐漸增加,耕地、草地的面積逐漸減少。耕地和林地相互轉(zhuǎn)換頻繁,研究期間,耕地主要轉(zhuǎn)換為林地,轉(zhuǎn)換面積比例為5.68%,林地主要轉(zhuǎn)換為耕地,轉(zhuǎn)換面積比例為1.81%。草地、水域、建設(shè)用地與未利用地轉(zhuǎn)化流動(dòng)面積比例較小,各自主要轉(zhuǎn)化為林地(0.90%)、耕地(0.05%)、水域(0.09%)、草地(0.02%),草地、水域與建設(shè)用地主要由耕地轉(zhuǎn)換得到,未利用地主要由草地轉(zhuǎn)換得到。經(jīng)過(guò)轉(zhuǎn)化后,林地面積增加最多,增幅為4.69%,通過(guò)轉(zhuǎn)移矩陣分析,其主要來(lái)自耕地(5.68%)與草地(0.90%)2類;耕地面積減少最多,降幅為4.65%,主要轉(zhuǎn)換為林地(5.68%)、草地(0.82%)、建設(shè)用地(0.66%)3類。
表2 2005—2020年各土地利用種類之間轉(zhuǎn)化比例
3.2 嘉陵江流域土地利用分形維數(shù)變化特征
利用ArcGIS 10.7軟件,計(jì)算各斑塊的周長(zhǎng)面積,通過(guò)Origin軟件進(jìn)行數(shù)據(jù)處理及繪圖。1990、2005和2020年的整體土地利用分形維數(shù)分別為1.486 3、1.497 2和1.514 2,整體分形維數(shù)逐步上升,說(shuō)明嘉陵江流域內(nèi)部自相似性減弱,斑塊形狀向著不規(guī)則狀態(tài)發(fā)展。
1990—2020年內(nèi),如表3所示,嘉陵江流域內(nèi)的土地利用情況有較大變化,耕地、草地的面積都呈現(xiàn)減少態(tài)勢(shì),林地、水域、建設(shè)用地、未利用地的面積都呈現(xiàn)增加態(tài)勢(shì)。其中,耕地面積減少最多,減少面積為8 961.79 km2,相較于1990年初始土地面積,草地同比下降最多,為-22.68%;林地的增加面積最多,增長(zhǎng)量高達(dá)1萬(wàn)803.93 km2,相較于1990年初始土地所占比例,建設(shè)用地同比增長(zhǎng)最多,高達(dá)209.09%。
表3 1990—2020年各土地利用類型斑塊面積變化
整體土地利用類型的斑塊數(shù)呈現(xiàn)下降趨勢(shì),減少135萬(wàn)7 590個(gè),平均斑塊面積呈現(xiàn)上升趨勢(shì),增加4.69 hm2。耕地、林地、草地、水域、未利用地的斑塊數(shù)呈現(xiàn)下降趨勢(shì),僅有建設(shè)用地的斑塊數(shù)呈現(xiàn)增加趨勢(shì),其中林地的斑塊數(shù)減少最多,減少59萬(wàn)1 833個(gè),未利用地的斑塊數(shù)減少最少,減少6 717個(gè),建設(shè)用地的斑塊數(shù)增加最多,增加 1萬(wàn)5 130個(gè)。 所有土地利用類型的平均斑塊面積均呈現(xiàn)逐年增加態(tài)勢(shì),其中林地的平均斑塊面積增加的最多,增加11.81 hm2,草地的平均斑塊面積增加的最少,增加0.74 hm2。
3.3 土地利用分形維數(shù)及穩(wěn)定性指數(shù)變化特征
3.3.1 耕地 如表3和表4所示,1990—2020年間耕地面積比例呈現(xiàn)逐步下降趨勢(shì),由44.07%降至38.53%,減少5.54%。2020年相對(duì)于1990年同比減少12.56%,減少面積高達(dá)8 961.79 km2。如圖1和表5所示,耕地分形維數(shù)逐年上升,由1.483 4增高至1.513 5。而穩(wěn)定性指數(shù)呈現(xiàn)出先下降后上升的趨勢(shì)。結(jié)果表明1990—2020年間耕地的多邊形斑塊嵌套結(jié)構(gòu)愈發(fā)復(fù)雜,逐漸趨于混亂狀態(tài),規(guī)則性減弱,內(nèi)部的無(wú)序性增強(qiáng)。在1900—2005年,耕地的分形維數(shù)從<1.5,增長(zhǎng)為1.500 9,超過(guò)臨界點(diǎn)1.5,故耕地從1990年具有規(guī)則有序狀態(tài)的穩(wěn)定性,轉(zhuǎn)變?yōu)榫哂袩o(wú)序混亂狀態(tài)的穩(wěn)定性。可能存在以下幾點(diǎn)原因:一是響應(yīng)退耕還林(草)政策,開(kāi)展國(guó)土綠化工程,為建設(shè)和諧綠色的生態(tài)環(huán)境,推進(jìn)天然防護(hù)林保護(hù),滿足條件的耕地被改造成草地或林地,使耕地面積呈現(xiàn)減少的趨勢(shì);二是城市中心化,中國(guó)城鄉(xiāng)之間巨大經(jīng)濟(jì)差距使大量農(nóng)村剩余勞動(dòng)力流向城市,導(dǎo)致部分耕地荒廢或非農(nóng)化。與此同時(shí),許多土地經(jīng)過(guò)租賃匯合到少數(shù)人手中,方便其對(duì)耕地進(jìn)行有序化、合理化的劃分與種植,使耕地多邊形斑塊平均面積呈現(xiàn)增加趨勢(shì);三是耕地部分轉(zhuǎn)化為林地,斑塊之間的連通性減弱,新增斑塊使耕地破碎度增加,碎片化、零星化分布導(dǎo)致耕地分形維數(shù)增加[13];四是嘉陵江流域上游地區(qū)約90%縣為山區(qū)縣,受制于山區(qū)地形,不利于農(nóng)業(yè)機(jī)械化灌溉與生產(chǎn)[14]。
A為斑塊面積,km2;P為斑塊周長(zhǎng),km。下同。A in the figure represents the plaque area, km2; P is the perimeter of the plaque, km. The same below.
表4 1990—2020年整體面積和分形維數(shù)變化
表5 1990—2020年間各土地利用類型分形維數(shù)變化
3.3.2 林地 林地面積比例在所有土地利用類型中最高。如表3和表4所示,在1990—2020年內(nèi),嘉陵江流域內(nèi)的林地面積增加1萬(wàn)803.93 km2,比例由45.20%升至51.87%,達(dá)到歷史峰值,增加6.67%,其中2020年相對(duì)于1990年同比增長(zhǎng)14.77%。如圖2所示,研究區(qū)內(nèi)林地斑塊的分形維數(shù)逐漸升高,由1.484 5增加至1.517 5。1990—2020期間,穩(wěn)定性指數(shù)先減少后增加。表明林地的多邊形斑塊穩(wěn)定性降低,空間結(jié)構(gòu)規(guī)則性減弱,內(nèi)部無(wú)序性增加,整體狀態(tài)從1990年具有規(guī)則有序狀態(tài)的穩(wěn)定性,轉(zhuǎn)變?yōu)榫哂袩o(wú)序混亂狀態(tài)的穩(wěn)定性?？赡艽嬖谝韵聨c(diǎn)原因:一方面20世紀(jì)90年代初期許多樹木被砍伐后,林地被建設(shè)成工業(yè)用地、商業(yè)用地等人類生產(chǎn)生活場(chǎng)所,導(dǎo)致其破碎性增加,原有的完整性遭到人為破壞,使其分形維數(shù)增加,林地面積也稍有減少;另一方面于1988年,國(guó)務(wù)院批準(zhǔn)將長(zhǎng)江上游地區(qū)作為國(guó)家水土保持重點(diǎn)防治對(duì)象,其中包括嘉陵江流域、三峽庫(kù)區(qū)和金沙江下游;1999年,四川、陜西、甘肅3省率先進(jìn)行退耕還林試點(diǎn),以“退耕還林,封山綠化,以糧代賑,個(gè)體承包”為基本措施,大量耕地經(jīng)過(guò)改造后,成為栽種適宜當(dāng)?shù)貧夂驑淠绢愋偷牧值?使林地面積得到大量補(bǔ)充,但在此過(guò)程中,區(qū)域綠化方案的要求較低,沒(méi)有在保持天然防護(hù)林完整性的基礎(chǔ)上,將人工防護(hù)林與之完美銜接與擴(kuò)展,使林地面積大幅增加,但林地分形維數(shù)并未降低。
圖2 1990、2005、2020年林地雙對(duì)數(shù)面積—周長(zhǎng)散點(diǎn)圖
3.3.3 草地 草地面積大小逐漸減小,由占嘉陵江流域總面積的9.68%降低至7.49%,減少2.19%,減少面積為3 555.19 km2,減少面積僅次于耕地。如圖3所示,1990—2020年間草地的分形維數(shù)呈現(xiàn)逐年增加的趨勢(shì),從1.490 6增加到1.501 8,增加0.011 2。1990—2005年期間穩(wěn)定性指數(shù)減少0.007 6,2005—2020年保持不變。結(jié)果表明:在研究期間內(nèi),該流域內(nèi)的草地破碎度增加,嵌套結(jié)構(gòu)愈發(fā)復(fù)雜,土地斑塊形態(tài)趨于碎片化,空間結(jié)構(gòu)不穩(wěn)定。于20世紀(jì)90年代,實(shí)施退耕還林(草)土地利用結(jié)構(gòu)調(diào)整政策和“長(zhǎng)治”工程,使90年代末期草地面積的減少大大減緩。草地分形維數(shù)增加可能存在以下兩個(gè)原因:一是大量草地被開(kāi)墾為耕地,用于種植農(nóng)作物,導(dǎo)致草地面積大幅度減少,完整性遭到破壞,連通性減弱,分形維數(shù)增加;二是因草地面積逐年減少,導(dǎo)致更多草地零星地鑲嵌在林地、耕地等大面積景觀內(nèi),分形維數(shù)進(jìn)一步增加[15]。
圖3 1990、2005、2020年草地雙對(duì)數(shù)面積—周長(zhǎng)散點(diǎn)圖
3.3.4 水域 嘉陵江流域水域面積呈現(xiàn)增加態(tài)勢(shì),由最初992.37 km2增加到1 246.21 km2,增加253.84 km2,面積比例從0.61%增加到0.77%。如圖4所示,3期各地類分形維數(shù)平均值中,水域的平均值最小,表示其在所有地類中,水域的空間結(jié)構(gòu)最穩(wěn)定,規(guī)則性最高。1990—2020年間水域的分形維數(shù)呈現(xiàn)逐年增加的趨勢(shì),從1.473 1增加到1.489 8,增加0.016 7。1990—2020年期間穩(wěn)定性指數(shù)呈現(xiàn)逐年減少趨勢(shì),從0.026 9減少到0.010 2。結(jié)果表明,研究期間嘉陵江流域水域的斑塊嵌套結(jié)構(gòu)愈發(fā)復(fù)雜,無(wú)序性增強(qiáng),混亂度增加,穩(wěn)定性減少?？赡艽嬖谝韵略?一是響應(yīng)國(guó)家號(hào)召退耕還湖政策,系統(tǒng)化治理“山水林田湖草沙冰”,“長(zhǎng)治”工程期間,在小型水利水土保持方面,修谷坊3 828座,塘堰7萬(wàn)793座,蓄水池9萬(wàn)4 998座,沉沙池 156萬(wàn)7 756個(gè),截水溝9 679 km,排灌渠2萬(wàn)2 787 km,部分耕地、林地轉(zhuǎn)化為水域[14];二是城市建設(shè)過(guò)程中,公園、住宅區(qū)等場(chǎng)地修建小型人工湖泊,這也變相增加了水域面積,使分形維數(shù)快速增加,穩(wěn)定性指數(shù)下降[16]。
圖4 1990、2005、2020年水域雙對(duì)數(shù)面積—周長(zhǎng)散點(diǎn)圖
3.3.5 建設(shè)用地 與1990年初始土地利用面積相比,建設(shè)用地在所有地類中同比增幅最大,同比增幅高達(dá)209.09%,1990年建設(shè)用地面積為649.97 km2,2020年增加到2 008.99 km2,占地面積增多1 359.02 km2,增加面積大小僅次于林地。如圖5所示,在3期各地類分形維數(shù)均值從大到小排序中,建設(shè)用地的排名最高,建設(shè)用地分形維數(shù)在1990—2020年期間逐年增加,由1.511 0增加到1.520 0,增加0.009 0。研究期間,穩(wěn)定性指數(shù)呈上升趨勢(shì),由0.011 0增加到0.020 0。表明隨著建設(shè)用地整體面積增加,土地利用空間格局破碎度快速上升,空間結(jié)構(gòu)愈發(fā)不穩(wěn)定,且這種混亂無(wú)序狀態(tài)具有一定的穩(wěn)定性與可持續(xù)性?？赡艽嬖谝韵略?一是隨著工業(yè)化與城市化,農(nóng)村人口逐漸流入城市,在城市定居或務(wù)工,常住人口數(shù)量增長(zhǎng)必然導(dǎo)致對(duì)城鎮(zhèn)用地與居民點(diǎn)用地的需求增加,原有建筑不能滿足人們生活生產(chǎn)需要,擴(kuò)大城鎮(zhèn)用地成為客觀需求,使建設(shè)面積增長(zhǎng)迅速;二是在城市建設(shè)規(guī)劃中,沒(méi)有對(duì)市區(qū)邊界整體規(guī)劃工作給予高度重視,導(dǎo)致基礎(chǔ)建設(shè)設(shè)施利用率低,建筑區(qū)域劃分不規(guī)則。
3.3.6 未利用地 未利用地面積從1990—2020年間逐步上漲,由67.29 km2增加到167.49 km2,增加100.19 km2,增長(zhǎng)幅度為100.19 km2,僅次于水域。如圖6所示,未利用地分形維數(shù)從1990—2020年呈現(xiàn)先減少后增加趨勢(shì),在2020年高到1.533 1,成為各地類分形維數(shù)最高值。穩(wěn)定性指數(shù)呈逐步增加趨勢(shì),由1990年的0.003 8,在2020年增加為0.033 1,在各地類中穩(wěn)定性指數(shù)值最高。表明未利用地的無(wú)序性在所有地類中最高,多邊形斑塊不規(guī)則狀況明顯,鑲嵌結(jié)構(gòu)復(fù)雜,混亂度相對(duì)較高,且這種混亂無(wú)序狀態(tài)具有一定的穩(wěn)定性與可持續(xù)性?？赡艽嬖谝韵聝蓚€(gè)原因:一是部分草地、耕地因過(guò)度放牧或化肥使用過(guò)量轉(zhuǎn)化為荒地,致使未利用地面積增加;二是嘉陵江流域內(nèi)氣溫逐漸升高,導(dǎo)致永久性冰川雪地融化,裸漏出巖石地質(zhì)地表,未利用地分布碎片化,導(dǎo)致未利用地分形維數(shù)整體呈現(xiàn)增加趨勢(shì)[17]。
圖6 1990、2005、2020年未利用地雙對(duì)數(shù)面積—周長(zhǎng)散點(diǎn)圖
4 結(jié)論
20世紀(jì)80年代末期,國(guó)務(wù)院批準(zhǔn)將長(zhǎng)江上游地區(qū)作為國(guó)家水土保持重點(diǎn)防治對(duì)象,其中包括嘉陵江流域、三峽庫(kù)區(qū)和金沙江下游;1999年,四川、陜西、甘肅3省率先進(jìn)行退耕還林試點(diǎn)。1990—2020年內(nèi),嘉陵江流域內(nèi)的各土地利用均因?yàn)槿祟惢顒?dòng)有較大變化。
耕地、草地的面積呈現(xiàn)減少態(tài)勢(shì),林地、水域、建設(shè)用地、未利用地的面積呈現(xiàn)增加態(tài)勢(shì)。1990—2005年間,林地面積增加最多,增幅為2.01%,草地面積減少最多,降幅為1.42%;2005—2020年間,林地面積增加最多,增幅為4.68%,耕地面積減少最多,降幅為4.65%。
耕地、林地、草地、水域、未利用地的斑塊數(shù)呈現(xiàn)下降趨勢(shì),僅有建設(shè)用地的斑塊數(shù)呈現(xiàn)增加趨勢(shì)。所有土地利用類型的平均斑塊面積均呈現(xiàn)逐年增加態(tài)勢(shì),其中林地的平均斑塊面積增加的最多,為11.81 hm2,草地增加最少,為0.74 hm2。
1990、2005和2020年的整體土地利用分形維數(shù)分別為1.486 3、1.497 2和1.514 2,逐步上升,嘉陵江流域內(nèi)部自相似性減弱,斑塊形狀向著不規(guī)則狀態(tài)發(fā)展。
耕地、林地、草地、水域和建設(shè)用地的分形維數(shù)均呈現(xiàn)逐年增加趨勢(shì),僅有未利用地的分形維數(shù)為先減少后增加狀態(tài)。大部分土地利用類型的多邊形斑塊破碎度增加,碎片化嚴(yán)重,嵌套結(jié)構(gòu)愈發(fā)復(fù)雜,空間結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性減少。
總體土地利用分布斑塊數(shù)量趨于簡(jiǎn)單,但是由于景觀相互交錯(cuò)干擾,展現(xiàn)出低穩(wěn)定狀態(tài),易受到外界影響。在區(qū)域經(jīng)濟(jì)發(fā)展過(guò)程中,需要持續(xù)關(guān)注生態(tài)可持續(xù)發(fā)展?jié)摿?避免產(chǎn)生較大生態(tài)環(huán)境問(wèn)題,未來(lái)進(jìn)行土地規(guī)劃利用時(shí),要更加注重整體性協(xié)調(diào),降低土地利用空間結(jié)構(gòu)嵌套復(fù)雜度。
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郭興月, 王 添,2?, 程圣東, 李占斌,2, 張 皎, 李 鵬,2
(1.西安理工大學(xué)省部共建西北旱區(qū)生態(tài)水利國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室,710048,西安;2.西安理工大學(xué)旱區(qū)生態(tài)水文與災(zāi)害防治國(guó)家林業(yè)局重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室,710048,西安)
2020年全國(guó)水土流失面積為269.27萬(wàn)km2,約占國(guó)土面積25.767%[1]。水土流失會(huì)導(dǎo)致土地生產(chǎn)力降低、土壤貧瘠;與此同時(shí),化學(xué)污染物隨著水土流失進(jìn)入水體,不僅帶來(lái)環(huán)境污染,還直接影響人們生產(chǎn)生活,嚴(yán)重破壞生態(tài)環(huán)境[2]。土地利用類型是定量預(yù)測(cè)土壤侵蝕程度的重要指標(biāo),在一定程度上反映流域內(nèi)水土流失情況[3],為水土保持規(guī)劃提供科學(xué)參考,研究土地利用情況顯得尤為重要。
分形理論由法國(guó)曼德?tīng)柌剂_特提出的,利用整體內(nèi)部離散多邊形斑塊的面積和周長(zhǎng),計(jì)算分形維數(shù),研究事物整體的內(nèi)部熵值。人類生產(chǎn)活動(dòng)引起的土地利用變化是全球環(huán)境變化的重要因素,土地利用動(dòng)態(tài)分析是土地資源管理中的關(guān)鍵環(huán)節(jié),是土壤侵蝕預(yù)報(bào)的重要內(nèi)容[4]。自然環(huán)境和人類活動(dòng)的共同作用導(dǎo)致土地利用變化,使其演變存在非持續(xù)、中斷甚至突變的特點(diǎn)[5]。分形維數(shù)和穩(wěn)定性指數(shù)的大小可以體現(xiàn)不同土地利用類型斑塊形狀的嵌套復(fù)雜程度與其所受人類活動(dòng)干擾的程度[6-7],反映土地利用結(jié)構(gòu)變化和演變轉(zhuǎn)換規(guī)律,體現(xiàn)土地利用類型的空間分布狀態(tài)是否具有穩(wěn)定性,評(píng)估其可持續(xù)發(fā)展?jié)摿Α?/p>
筆者利用分形理論,選取嘉陵江流域作為研究對(duì)象,通過(guò)計(jì)算1990—2005、2005—2020年的土地利用轉(zhuǎn)換矩陣和3期流域整體以及不同土地利用的分形維數(shù),對(duì)1990、2005和2020年間土地利用時(shí)空格局變化進(jìn)行深入探究,得到各地類面積轉(zhuǎn)化方向和比例變化大小,對(duì)比土地利用分形維數(shù)及穩(wěn)定性指數(shù)的變化趨勢(shì),概括30 a嘉陵江流域土地利用時(shí)空變化格局,為土地利用地類合理布局及水土流失治理的規(guī)劃提供一定的科學(xué)依據(jù)。
1 研究區(qū)概況
嘉陵江流域介于E 102°35′36″～109°01′08″、N 29°17′30″～34°28′11″之間。發(fā)源于陜西省秦嶺北麓的鳳縣代王山。嘉陵江中途流經(jīng)陜西、甘肅、四川3省和重慶市,在重慶與長(zhǎng)江干流交匯,流域總面積約 16萬(wàn)km2。為亞熱帶季風(fēng)氣候,全年降雨量分配不均勻,夏季和秋季降雨量多,占年度降雨量的70%～90%。
2 數(shù)據(jù)與研究
2.1 數(shù)據(jù)來(lái)源
選取1990、2005和2020年嘉陵江流域的TM遙感數(shù)據(jù),1990、2005年數(shù)據(jù)來(lái)自衛(wèi)星Landsat 4-5,2020年數(shù)據(jù)來(lái)自衛(wèi)星Landsat 8。TM遙感數(shù)據(jù)來(lái)源于中國(guó)科學(xué)院計(jì)算機(jī)網(wǎng)絡(luò)信息中心地理空間數(shù)據(jù)云平臺(tái)(http://www.gscloud.cn)。時(shí)間跨度長(zhǎng)達(dá) 30 a。
2.2 土地利用分形維數(shù)及穩(wěn)定性指數(shù)
分形維數(shù)是表示整體內(nèi)部自相似性的定量指標(biāo)之一[8]。計(jì)算不同土地利用種類的封閉多邊形斑塊,用分形維數(shù)定量表述其核心區(qū)大小和邊界周長(zhǎng)之間的關(guān)系[9]。分形維數(shù)的大小能夠展示事物內(nèi)部的復(fù)雜程度及穩(wěn)定程度[10]。對(duì)于特定土地利用種類斑塊,以r=1 km為尺度,測(cè)量各斑塊面積和周長(zhǎng),則其分形維數(shù)的計(jì)算公式為:
LnA(r)=DlnP(r)+C。
(1)
式中:A(r)為斑塊面積,km2;D為分形維數(shù),量綱為1;P(r)為斑塊周長(zhǎng),km;C為待定常數(shù)。可知,對(duì)周長(zhǎng)與面積同時(shí)取對(duì)數(shù),進(jìn)行擬合分析,建立回歸模型,若lnA(r)與lnP(r)呈線性關(guān)系,斜率數(shù)值即D的取值。其取值正常范圍為[1,2],當(dāng)D=1時(shí)表示嵌套結(jié)構(gòu)最為簡(jiǎn)單的正方形斑塊;當(dāng)D=2時(shí),表示等面積下嵌套結(jié)構(gòu)最為復(fù)雜的多邊形斑塊,邊界最不規(guī)則;若D的值越低,斑塊鑲嵌結(jié)構(gòu)越簡(jiǎn)單清晰,表示內(nèi)部事物分布規(guī)律性高,破碎性低,共通性強(qiáng);若D的值越高,斑塊鑲嵌結(jié)構(gòu)越復(fù)雜混亂,表示內(nèi)部事物分布規(guī)律性低,破碎性強(qiáng),共通性弱[11]。當(dāng)D取值1.5時(shí),則表明該種斑塊處于極其不穩(wěn)定的情況,稱為布朗隨機(jī)運(yùn)動(dòng)[12]。
在此基礎(chǔ)上,引入穩(wěn)定性指數(shù)S來(lái)描述事物空間分布有序性。
S=|D-1.5|。
(2)
式中:S為穩(wěn)定性指數(shù),量綱為1,取值范圍為[0,0.5],空間結(jié)構(gòu)分布越清晰有序,S的取值就越大。
對(duì)1900、2005和2020年的影像數(shù)據(jù)進(jìn)行計(jì)算處理,得到每個(gè)時(shí)間整體及各土地利用類型的分形維數(shù)與穩(wěn)定性指數(shù)。
以嘉陵江流域1990、2005和2020年的TM遙感數(shù)據(jù)為數(shù)據(jù)源,選擇5月下旬—6月中旬與8月下旬—9月中旬TM遙感圖像,其地物信息清楚,地物反射光譜具有顯著差異,易識(shí)別,方便進(jìn)行影像解譯工作。經(jīng)過(guò)處理后,按照土地利用劃分標(biāo)準(zhǔn),利用ENVI 軟件中的監(jiān)督分類法,將土地利用類型劃分為耕地、林地、草地、水域、建設(shè)用地和未利用地,解譯過(guò)后的柵格數(shù)據(jù)導(dǎo)入ArcGIS軟件中,柵格轉(zhuǎn)矢量,利用Merge進(jìn)行圖斑合并,得到研究區(qū)3期土地利用劃分圖,統(tǒng)計(jì)整體周長(zhǎng)、面積、斑塊數(shù)、平均斑塊面積等參數(shù)數(shù)據(jù),再經(jīng)分類得各地類斑塊數(shù)、平均斑塊面積等指標(biāo)數(shù)據(jù)。利用混淆矩陣法進(jìn)行驗(yàn)證,圖像精度均>85%,滿足研究要求。
3 結(jié)果與分析
3.1 土地利用面積轉(zhuǎn)化
3.1.1 1990—2005年土地利用面積轉(zhuǎn)化 1990—2005年間,如表1所示,嘉陵江流域中林地、水域、建設(shè)用地、未利用地的面積逐漸增加,耕地、草地的面積逐漸減少。耕地和林地相互轉(zhuǎn)換頻繁,研究期間,耕地主要轉(zhuǎn)換為林地,轉(zhuǎn)換面積比例為3.34%,有39.64%仍保持初始耕地屬性,林地主要轉(zhuǎn)換為耕地,轉(zhuǎn)換面積比例為2.41%。草地、水域、建設(shè)用地與未利用地轉(zhuǎn)化流動(dòng)面積比例較小,各自主要轉(zhuǎn)化為林地(1.16%)、耕地(0.07%)、水域(0.04%)、草地(0.01%),草地與建設(shè)用地主要由耕地轉(zhuǎn)換得到,水域、未利用地分別主要由建設(shè)用地、草地轉(zhuǎn)換得到。經(jīng)過(guò)轉(zhuǎn)化后,林地面積增加最多,增幅為1.99%,通過(guò)轉(zhuǎn)移矩陣分析,其主要來(lái)自耕地(3.34%)與草地(1.16%)2類;草地面積減少最多,降幅為1.41%,主要轉(zhuǎn)換為林地(1.16%)、耕地(1.06%)2類。
表1 1990—2005年各土地利用種類之間轉(zhuǎn)化比例
3.1.2 2005—2020年土地利用面積轉(zhuǎn)化 2005—2020年間,如表2所示,嘉陵江流域中林地、水域、建設(shè)用地、未利用地的面積逐漸增加,耕地、草地的面積逐漸減少。耕地和林地相互轉(zhuǎn)換頻繁,研究期間,耕地主要轉(zhuǎn)換為林地,轉(zhuǎn)換面積比例為5.68%,林地主要轉(zhuǎn)換為耕地,轉(zhuǎn)換面積比例為1.81%。草地、水域、建設(shè)用地與未利用地轉(zhuǎn)化流動(dòng)面積比例較小,各自主要轉(zhuǎn)化為林地(0.90%)、耕地(0.05%)、水域(0.09%)、草地(0.02%),草地、水域與建設(shè)用地主要由耕地轉(zhuǎn)換得到,未利用地主要由草地轉(zhuǎn)換得到。經(jīng)過(guò)轉(zhuǎn)化后,林地面積增加最多,增幅為4.69%,通過(guò)轉(zhuǎn)移矩陣分析,其主要來(lái)自耕地(5.68%)與草地(0.90%)2類;耕地面積減少最多,降幅為4.65%,主要轉(zhuǎn)換為林地(5.68%)、草地(0.82%)、建設(shè)用地(0.66%)3類。
表2 2005—2020年各土地利用種類之間轉(zhuǎn)化比例
3.2 嘉陵江流域土地利用分形維數(shù)變化特征
利用ArcGIS 10.7軟件,計(jì)算各斑塊的周長(zhǎng)面積,通過(guò)Origin軟件進(jìn)行數(shù)據(jù)處理及繪圖。1990、2005和2020年的整體土地利用分形維數(shù)分別為1.486 3、1.497 2和1.514 2,整體分形維數(shù)逐步上升,說(shuō)明嘉陵江流域內(nèi)部自相似性減弱,斑塊形狀向著不規(guī)則狀態(tài)發(fā)展。
1990—2020年內(nèi),如表3所示,嘉陵江流域內(nèi)的土地利用情況有較大變化,耕地、草地的面積都呈現(xiàn)減少態(tài)勢(shì),林地、水域、建設(shè)用地、未利用地的面積都呈現(xiàn)增加態(tài)勢(shì)。其中,耕地面積減少最多,減少面積為8 961.79 km2,相較于1990年初始土地面積,草地同比下降最多,為-22.68%;林地的增加面積最多,增長(zhǎng)量高達(dá)1萬(wàn)803.93 km2,相較于1990年初始土地所占比例,建設(shè)用地同比增長(zhǎng)最多,高達(dá)209.09%。
表3 1990—2020年各土地利用類型斑塊面積變化
整體土地利用類型的斑塊數(shù)呈現(xiàn)下降趨勢(shì),減少135萬(wàn)7 590個(gè),平均斑塊面積呈現(xiàn)上升趨勢(shì),增加4.69 hm2。耕地、林地、草地、水域、未利用地的斑塊數(shù)呈現(xiàn)下降趨勢(shì),僅有建設(shè)用地的斑塊數(shù)呈現(xiàn)增加趨勢(shì),其中林地的斑塊數(shù)減少最多,減少59萬(wàn)1 833個(gè),未利用地的斑塊數(shù)減少最少,減少6 717個(gè),建設(shè)用地的斑塊數(shù)增加最多,增加 1萬(wàn)5 130個(gè)。 所有土地利用類型的平均斑塊面積均呈現(xiàn)逐年增加態(tài)勢(shì),其中林地的平均斑塊面積增加的最多,增加11.81 hm2,草地的平均斑塊面積增加的最少,增加0.74 hm2。
3.3 土地利用分形維數(shù)及穩(wěn)定性指數(shù)變化特征
3.3.1 耕地 如表3和表4所示,1990—2020年間耕地面積比例呈現(xiàn)逐步下降趨勢(shì),由44.07%降至38.53%,減少5.54%。2020年相對(duì)于1990年同比減少12.56%,減少面積高達(dá)8 961.79 km2。如圖1和表5所示,耕地分形維數(shù)逐年上升,由1.483 4增高至1.513 5。而穩(wěn)定性指數(shù)呈現(xiàn)出先下降后上升的趨勢(shì)。結(jié)果表明1990—2020年間耕地的多邊形斑塊嵌套結(jié)構(gòu)愈發(fā)復(fù)雜,逐漸趨于混亂狀態(tài),規(guī)則性減弱,內(nèi)部的無(wú)序性增強(qiáng)。在1900—2005年,耕地的分形維數(shù)從<1.5,增長(zhǎng)為1.500 9,超過(guò)臨界點(diǎn)1.5,故耕地從1990年具有規(guī)則有序狀態(tài)的穩(wěn)定性,轉(zhuǎn)變?yōu)榫哂袩o(wú)序混亂狀態(tài)的穩(wěn)定性。可能存在以下幾點(diǎn)原因:一是響應(yīng)退耕還林(草)政策,開(kāi)展國(guó)土綠化工程,為建設(shè)和諧綠色的生態(tài)環(huán)境,推進(jìn)天然防護(hù)林保護(hù),滿足條件的耕地被改造成草地或林地,使耕地面積呈現(xiàn)減少的趨勢(shì);二是城市中心化,中國(guó)城鄉(xiāng)之間巨大經(jīng)濟(jì)差距使大量農(nóng)村剩余勞動(dòng)力流向城市,導(dǎo)致部分耕地荒廢或非農(nóng)化。與此同時(shí),許多土地經(jīng)過(guò)租賃匯合到少數(shù)人手中,方便其對(duì)耕地進(jìn)行有序化、合理化的劃分與種植,使耕地多邊形斑塊平均面積呈現(xiàn)增加趨勢(shì);三是耕地部分轉(zhuǎn)化為林地,斑塊之間的連通性減弱,新增斑塊使耕地破碎度增加,碎片化、零星化分布導(dǎo)致耕地分形維數(shù)增加[13];四是嘉陵江流域上游地區(qū)約90%縣為山區(qū)縣,受制于山區(qū)地形,不利于農(nóng)業(yè)機(jī)械化灌溉與生產(chǎn)[14]。
A為斑塊面積,km2;P為斑塊周長(zhǎng),km。下同。A in the figure represents the plaque area, km2; P is the perimeter of the plaque, km. The same below.
表4 1990—2020年整體面積和分形維數(shù)變化
表5 1990—2020年間各土地利用類型分形維數(shù)變化
3.3.2 林地 林地面積比例在所有土地利用類型中最高。如表3和表4所示,在1990—2020年內(nèi),嘉陵江流域內(nèi)的林地面積增加1萬(wàn)803.93 km2,比例由45.20%升至51.87%,達(dá)到歷史峰值,增加6.67%,其中2020年相對(duì)于1990年同比增長(zhǎng)14.77%。如圖2所示,研究區(qū)內(nèi)林地斑塊的分形維數(shù)逐漸升高,由1.484 5增加至1.517 5。1990—2020期間,穩(wěn)定性指數(shù)先減少后增加。表明林地的多邊形斑塊穩(wěn)定性降低,空間結(jié)構(gòu)規(guī)則性減弱,內(nèi)部無(wú)序性增加,整體狀態(tài)從1990年具有規(guī)則有序狀態(tài)的穩(wěn)定性,轉(zhuǎn)變?yōu)榫哂袩o(wú)序混亂狀態(tài)的穩(wěn)定性?？赡艽嬖谝韵聨c(diǎn)原因:一方面20世紀(jì)90年代初期許多樹木被砍伐后,林地被建設(shè)成工業(yè)用地、商業(yè)用地等人類生產(chǎn)生活場(chǎng)所,導(dǎo)致其破碎性增加,原有的完整性遭到人為破壞,使其分形維數(shù)增加,林地面積也稍有減少;另一方面于1988年,國(guó)務(wù)院批準(zhǔn)將長(zhǎng)江上游地區(qū)作為國(guó)家水土保持重點(diǎn)防治對(duì)象,其中包括嘉陵江流域、三峽庫(kù)區(qū)和金沙江下游;1999年,四川、陜西、甘肅3省率先進(jìn)行退耕還林試點(diǎn),以“退耕還林,封山綠化,以糧代賑,個(gè)體承包”為基本措施,大量耕地經(jīng)過(guò)改造后,成為栽種適宜當(dāng)?shù)貧夂驑淠绢愋偷牧值?使林地面積得到大量補(bǔ)充,但在此過(guò)程中,區(qū)域綠化方案的要求較低,沒(méi)有在保持天然防護(hù)林完整性的基礎(chǔ)上,將人工防護(hù)林與之完美銜接與擴(kuò)展,使林地面積大幅增加,但林地分形維數(shù)并未降低。
圖2 1990、2005、2020年林地雙對(duì)數(shù)面積—周長(zhǎng)散點(diǎn)圖
3.3.3 草地 草地面積大小逐漸減小,由占嘉陵江流域總面積的9.68%降低至7.49%,減少2.19%,減少面積為3 555.19 km2,減少面積僅次于耕地。如圖3所示,1990—2020年間草地的分形維數(shù)呈現(xiàn)逐年增加的趨勢(shì),從1.490 6增加到1.501 8,增加0.011 2。1990—2005年期間穩(wěn)定性指數(shù)減少0.007 6,2005—2020年保持不變。結(jié)果表明:在研究期間內(nèi),該流域內(nèi)的草地破碎度增加,嵌套結(jié)構(gòu)愈發(fā)復(fù)雜,土地斑塊形態(tài)趨于碎片化,空間結(jié)構(gòu)不穩(wěn)定。于20世紀(jì)90年代,實(shí)施退耕還林(草)土地利用結(jié)構(gòu)調(diào)整政策和“長(zhǎng)治”工程,使90年代末期草地面積的減少大大減緩。草地分形維數(shù)增加可能存在以下兩個(gè)原因:一是大量草地被開(kāi)墾為耕地,用于種植農(nóng)作物,導(dǎo)致草地面積大幅度減少,完整性遭到破壞,連通性減弱,分形維數(shù)增加;二是因草地面積逐年減少,導(dǎo)致更多草地零星地鑲嵌在林地、耕地等大面積景觀內(nèi),分形維數(shù)進(jìn)一步增加[15]。
圖3 1990、2005、2020年草地雙對(duì)數(shù)面積—周長(zhǎng)散點(diǎn)圖
3.3.4 水域 嘉陵江流域水域面積呈現(xiàn)增加態(tài)勢(shì),由最初992.37 km2增加到1 246.21 km2,增加253.84 km2,面積比例從0.61%增加到0.77%。如圖4所示,3期各地類分形維數(shù)平均值中,水域的平均值最小,表示其在所有地類中,水域的空間結(jié)構(gòu)最穩(wěn)定,規(guī)則性最高。1990—2020年間水域的分形維數(shù)呈現(xiàn)逐年增加的趨勢(shì),從1.473 1增加到1.489 8,增加0.016 7。1990—2020年期間穩(wěn)定性指數(shù)呈現(xiàn)逐年減少趨勢(shì),從0.026 9減少到0.010 2。結(jié)果表明,研究期間嘉陵江流域水域的斑塊嵌套結(jié)構(gòu)愈發(fā)復(fù)雜,無(wú)序性增強(qiáng),混亂度增加,穩(wěn)定性減少?？赡艽嬖谝韵略?一是響應(yīng)國(guó)家號(hào)召退耕還湖政策,系統(tǒng)化治理“山水林田湖草沙冰”,“長(zhǎng)治”工程期間,在小型水利水土保持方面,修谷坊3 828座,塘堰7萬(wàn)793座,蓄水池9萬(wàn)4 998座,沉沙池 156萬(wàn)7 756個(gè),截水溝9 679 km,排灌渠2萬(wàn)2 787 km,部分耕地、林地轉(zhuǎn)化為水域[14];二是城市建設(shè)過(guò)程中,公園、住宅區(qū)等場(chǎng)地修建小型人工湖泊,這也變相增加了水域面積,使分形維數(shù)快速增加,穩(wěn)定性指數(shù)下降[16]。
圖4 1990、2005、2020年水域雙對(duì)數(shù)面積—周長(zhǎng)散點(diǎn)圖
3.3.5 建設(shè)用地 與1990年初始土地利用面積相比,建設(shè)用地在所有地類中同比增幅最大,同比增幅高達(dá)209.09%,1990年建設(shè)用地面積為649.97 km2,2020年增加到2 008.99 km2,占地面積增多1 359.02 km2,增加面積大小僅次于林地。如圖5所示,在3期各地類分形維數(shù)均值從大到小排序中,建設(shè)用地的排名最高,建設(shè)用地分形維數(shù)在1990—2020年期間逐年增加,由1.511 0增加到1.520 0,增加0.009 0。研究期間,穩(wěn)定性指數(shù)呈上升趨勢(shì),由0.011 0增加到0.020 0。表明隨著建設(shè)用地整體面積增加,土地利用空間格局破碎度快速上升,空間結(jié)構(gòu)愈發(fā)不穩(wěn)定,且這種混亂無(wú)序狀態(tài)具有一定的穩(wěn)定性與可持續(xù)性?？赡艽嬖谝韵略?一是隨著工業(yè)化與城市化,農(nóng)村人口逐漸流入城市,在城市定居或務(wù)工,常住人口數(shù)量增長(zhǎng)必然導(dǎo)致對(duì)城鎮(zhèn)用地與居民點(diǎn)用地的需求增加,原有建筑不能滿足人們生活生產(chǎn)需要,擴(kuò)大城鎮(zhèn)用地成為客觀需求,使建設(shè)面積增長(zhǎng)迅速;二是在城市建設(shè)規(guī)劃中,沒(méi)有對(duì)市區(qū)邊界整體規(guī)劃工作給予高度重視,導(dǎo)致基礎(chǔ)建設(shè)設(shè)施利用率低,建筑區(qū)域劃分不規(guī)則。
3.3.6 未利用地 未利用地面積從1990—2020年間逐步上漲,由67.29 km2增加到167.49 km2,增加100.19 km2,增長(zhǎng)幅度為100.19 km2,僅次于水域。如圖6所示,未利用地分形維數(shù)從1990—2020年呈現(xiàn)先減少后增加趨勢(shì),在2020年高到1.533 1,成為各地類分形維數(shù)最高值。穩(wěn)定性指數(shù)呈逐步增加趨勢(shì),由1990年的0.003 8,在2020年增加為0.033 1,在各地類中穩(wěn)定性指數(shù)值最高。表明未利用地的無(wú)序性在所有地類中最高,多邊形斑塊不規(guī)則狀況明顯,鑲嵌結(jié)構(gòu)復(fù)雜,混亂度相對(duì)較高,且這種混亂無(wú)序狀態(tài)具有一定的穩(wěn)定性與可持續(xù)性?？赡艽嬖谝韵聝蓚€(gè)原因:一是部分草地、耕地因過(guò)度放牧或化肥使用過(guò)量轉(zhuǎn)化為荒地,致使未利用地面積增加;二是嘉陵江流域內(nèi)氣溫逐漸升高,導(dǎo)致永久性冰川雪地融化,裸漏出巖石地質(zhì)地表,未利用地分布碎片化,導(dǎo)致未利用地分形維數(shù)整體呈現(xiàn)增加趨勢(shì)[17]。
圖6 1990、2005、2020年未利用地雙對(duì)數(shù)面積—周長(zhǎng)散點(diǎn)圖
4 結(jié)論
20世紀(jì)80年代末期,國(guó)務(wù)院批準(zhǔn)將長(zhǎng)江上游地區(qū)作為國(guó)家水土保持重點(diǎn)防治對(duì)象,其中包括嘉陵江流域、三峽庫(kù)區(qū)和金沙江下游;1999年,四川、陜西、甘肅3省率先進(jìn)行退耕還林試點(diǎn)。1990—2020年內(nèi),嘉陵江流域內(nèi)的各土地利用均因?yàn)槿祟惢顒?dòng)有較大變化。
耕地、草地的面積呈現(xiàn)減少態(tài)勢(shì),林地、水域、建設(shè)用地、未利用地的面積呈現(xiàn)增加態(tài)勢(shì)。1990—2005年間,林地面積增加最多,增幅為2.01%,草地面積減少最多,降幅為1.42%;2005—2020年間,林地面積增加最多,增幅為4.68%,耕地面積減少最多,降幅為4.65%。
耕地、林地、草地、水域、未利用地的斑塊數(shù)呈現(xiàn)下降趨勢(shì),僅有建設(shè)用地的斑塊數(shù)呈現(xiàn)增加趨勢(shì)。所有土地利用類型的平均斑塊面積均呈現(xiàn)逐年增加態(tài)勢(shì),其中林地的平均斑塊面積增加的最多,為11.81 hm2,草地增加最少,為0.74 hm2。
1990、2005和2020年的整體土地利用分形維數(shù)分別為1.486 3、1.497 2和1.514 2,逐步上升,嘉陵江流域內(nèi)部自相似性減弱,斑塊形狀向著不規(guī)則狀態(tài)發(fā)展。
耕地、林地、草地、水域和建設(shè)用地的分形維數(shù)均呈現(xiàn)逐年增加趨勢(shì),僅有未利用地的分形維數(shù)為先減少后增加狀態(tài)。大部分土地利用類型的多邊形斑塊破碎度增加,碎片化嚴(yán)重,嵌套結(jié)構(gòu)愈發(fā)復(fù)雜,空間結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性減少。
總體土地利用分布斑塊數(shù)量趨于簡(jiǎn)單,但是由于景觀相互交錯(cuò)干擾,展現(xiàn)出低穩(wěn)定狀態(tài),易受到外界影響。在區(qū)域經(jīng)濟(jì)發(fā)展過(guò)程中,需要持續(xù)關(guān)注生態(tài)可持續(xù)發(fā)展?jié)摿?避免產(chǎn)生較大生態(tài)環(huán)境問(wèn)題,未來(lái)進(jìn)行土地規(guī)劃利用時(shí),要更加注重整體性協(xié)調(diào),降低土地利用空間結(jié)構(gòu)嵌套復(fù)雜度。
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