2001—2013年云貴高原土地利用動(dòng)態(tài)變化分析

許玉鳳，陳 宸，陳洪升

(1.黔南民族師范學(xué)院 民族地區(qū)可持續(xù)脫貧與鄉(xiāng)村現(xiàn)代化治理研究中心，貴州 都勻 558000；2.新疆農(nóng)業(yè)大學(xué) 草業(yè)與環(huán)境科學(xué)學(xué)院，新疆 烏魯木齊 830011；3.黔南民族職業(yè)技術(shù)學(xué)院，貴州 都勻 558000)

土地利用變化能很好地反映社會(huì)經(jīng)濟(jì)發(fā)展的歷程，是人類(lèi)活動(dòng)最為顯著的表現(xiàn)形式[1]。土地利用變化是人類(lèi)-環(huán)境耦合系統(tǒng)研究的理想切入點(diǎn)[2-3]，它直接影響水資源利用、碳氮物質(zhì)排放等，并危及陸地生態(tài)系統(tǒng)安全。研究人類(lèi)活動(dòng)對(duì)生態(tài)環(huán)境的影響程度及其相應(yīng)機(jī)理是解決生態(tài)環(huán)境危機(jī)和促進(jìn)經(jīng)濟(jì)、社會(huì)可持續(xù)發(fā)展的重要途徑之一。

土地資源是人類(lèi)生存和社會(huì)發(fā)展所不可替代的物質(zhì)基礎(chǔ)和支撐，隨著經(jīng)濟(jì)的發(fā)展和人口的增加，對(duì)土地資源的需求也不斷增加，城市土地利用結(jié)構(gòu)變化迅速。在一些脆弱區(qū)域，當(dāng)基層組織和居民對(duì)環(huán)境退化消極響應(yīng)的時(shí)候，政府的積極響應(yīng)對(duì)于區(qū)域的可持續(xù)發(fā)展尤為重要[4]。因此，研究區(qū)域土地利用結(jié)構(gòu)及其動(dòng)態(tài)變化對(duì)于深刻認(rèn)識(shí)區(qū)域的生態(tài)環(huán)境、維持生態(tài)平衡、促進(jìn)區(qū)域經(jīng)濟(jì)與環(huán)境的協(xié)調(diào)發(fā)展具有重要意義。

云貴高原屬于典型喀斯特地區(qū)，也是全球生態(tài)脆弱區(qū)，其生態(tài)系統(tǒng)對(duì)氣候變化和人類(lèi)活動(dòng)的影響極為敏感。云貴高原生態(tài)系統(tǒng)對(duì)國(guó)家生態(tài)安全具有重要的屏障作用。在人口壓力下，當(dāng)?shù)鼐用駷榱司S持生計(jì)而進(jìn)行的薪材砍伐、過(guò)牧、開(kāi)墾等土地利用行為導(dǎo)致了水土流失加劇，石漠化面積加大，景觀破碎、土壤侵蝕、草地退化、泥石流多發(fā)、生物多樣性喪失等問(wèn)題引起各界關(guān)注。針對(duì)云貴高原的環(huán)境退化問(wèn)題，中央和地方政府采取了一系列積極措施，如退耕還林、退牧還草、生態(tài)移民等。然而，目前對(duì)于在相關(guān)措施驅(qū)動(dòng)下云貴高原區(qū)域土地利用/覆被變化的研究較少。

本研究選擇位于中國(guó)南方喀斯特地區(qū)的云貴高原作為研究區(qū)，根據(jù)2001—2013年云貴高原環(huán)境遙感動(dòng)態(tài)監(jiān)測(cè)資料和實(shí)地調(diào)查資料，系統(tǒng)分析了2001—2013年云貴高原土地利用動(dòng)態(tài)變化特征，這對(duì)云貴高原地區(qū)生態(tài)環(huán)境保護(hù)具有重要的理論意義和現(xiàn)實(shí)意義。

1 研究區(qū)概況

云貴高原位于中國(guó)西南部，介于21°～30°N、97°～112°E之間，是中國(guó)第四大高原，西起橫斷山區(qū)，北鄰四川盆地，東到湖南省雪峰山，包括云南省東部、廣西壯族自治區(qū)西北部、貴州省全部，以及重慶、湖南、湖北等省市的部分地區(qū)。

云貴高原處于中國(guó)南北走向和東北—西南走向兩組山脈的交會(huì)處，地勢(shì)西北高東南低，崎嶇不平，海拔1 000～2 000 m，是典型喀斯特地形，石灰?guī)r廣布，到處有溶洞、石鐘乳、石筍、石柱、地下暗河、峰林等。

由于地勢(shì)較高、緯度較低，受季風(fēng)氣候制約的綜合影響，形成了四季溫差小、干濕分明、氣候資源垂直變化顯著的低緯高原季風(fēng)氣候，四季如春。

云貴高原氣候溫暖濕潤(rùn)，植被生長(zhǎng)茂盛，植物根部分泌的酸類(lèi)和植物體分解時(shí)所產(chǎn)生的酸類(lèi)都特別多，同時(shí)各種水體中的二氧化碳含量也比較高，因此，便形成了云貴高原極為發(fā)育的巖溶地貌。

目前云貴高原的生態(tài)環(huán)境問(wèn)題主要是由于地形崎嶇、喀斯特地貌裂隙較多等地形地貌因素和人地矛盾引起的過(guò)度墾殖、陡坡開(kāi)荒等人為因素，以及干旱與降水異常等氣候因素綜合影響所致的石漠化。

2 研究數(shù)據(jù)與方法

2.1 土地覆蓋分類(lèi)數(shù)據(jù)集

本研究使用的土地覆蓋數(shù)據(jù)來(lái)自NASA(National Aeronautics and Space Administration)MODIS陸地產(chǎn)品組開(kāi)發(fā)的土地覆蓋數(shù)據(jù)產(chǎn)品(MCD12Q1)。本研究選取了2001—2013年空間分辨率為500 m、每年一次的IGBP(International Geosphere-Biosphere Programme)土地覆蓋分類(lèi)數(shù)據(jù)。已有研究表明，IGBP土地覆蓋分類(lèi)數(shù)據(jù)在中國(guó)區(qū)域有較高的整體分類(lèi)精度[5]，雖然云貴高原地區(qū)受植被飽和度和復(fù)雜地形條件的影響較大，但是研究其變化趨勢(shì)還是能夠說(shuō)明一些問(wèn)題。

2.2 研究方法

2.2.1 土地利用動(dòng)態(tài)度

土地利用動(dòng)態(tài)度是用來(lái)定量研究某一土地類(lèi)型數(shù)量變化的指標(biāo)，可以反映土地利用類(lèi)型的變化幅度與變化速度，其意義在于刻畫(huà)區(qū)域土地利用變化的劇烈程度，可預(yù)測(cè)未來(lái)土地變化趨勢(shì)，并能夠反映土地利用變化速率的區(qū)域差異。

單一土地利用動(dòng)態(tài)度的表達(dá)式為

(1)

式中：K為研究時(shí)段某一土地利用類(lèi)型動(dòng)態(tài)度；Ua、Ub分別為研究期初、末某一土地利用類(lèi)型面積；T為研究時(shí)段長(zhǎng)。

2.2.2 土地利用類(lèi)型轉(zhuǎn)移矩陣

地類(lèi)間相互轉(zhuǎn)移面積的概率組成的矩陣稱(chēng)為轉(zhuǎn)移矩陣，可以反映一個(gè)時(shí)期內(nèi)由一種土地類(lèi)型轉(zhuǎn)化到另一種類(lèi)型的數(shù)量多少，便于了解研究期初各類(lèi)型土地的去向及研究期末各土地利用類(lèi)型的來(lái)源與構(gòu)成[6]。在ArcGIS操作平臺(tái)上獲得不同時(shí)期的土地利用類(lèi)型面積變化數(shù)量，據(jù)此可以求得表示土地利用類(lèi)型相互轉(zhuǎn)化的數(shù)量關(guān)系的轉(zhuǎn)移矩陣。

2.2.3 土地利用程度綜合指數(shù)

土地利用程度綜合指數(shù)可以反映某區(qū)域特定時(shí)期的土地利用程度，研究期間的指數(shù)變化可反映區(qū)域土地利用程度變化[7]，主要反映區(qū)域土地利用的廣度和深度等方面的變化程度。參考已有研究成果[8-9]，并結(jié)合研究區(qū)實(shí)際，將土地利用類(lèi)型整合為未利用土地、林草水用地、農(nóng)業(yè)用地、農(nóng)業(yè)用地與天然植被鑲嵌體(簡(jiǎn)稱(chēng)“鑲嵌體”)和城鄉(xiāng)建設(shè)用地等5級(jí)(表1)，并且分別將分級(jí)指數(shù)設(shè)定為1、2、3、4、5。

(2)

式中：L為土地利用程度綜合指數(shù)；Ai為區(qū)域內(nèi)第i級(jí)土地利用程度分級(jí)指數(shù)；Qi為區(qū)域內(nèi)第i級(jí)土地利用程度分級(jí)面積比例；n為土地利用程度分級(jí)數(shù)。

表1 土地利用程度分級(jí)指數(shù)

2.2.4 土地利用結(jié)構(gòu)信息熵、均衡度和優(yōu)勢(shì)度

信息熵(H)的高低可以反映城市土地利用的均衡程度，熵值越高，表明不同職能的土地利用類(lèi)型越多，各職能類(lèi)型的面積相差越小，土地分布越均衡[10]。其計(jì)算公式為

(3)

式中：m為土地利用類(lèi)型數(shù)量；Pi為第i類(lèi)土地利用類(lèi)型的面積比例。

基于信息熵函數(shù)構(gòu)建的土地利用結(jié)構(gòu)均衡度(E)，目的在于反映土地利用結(jié)構(gòu)的均衡程度[10]。其取值范圍為，E值越大均質(zhì)性越強(qiáng)，當(dāng)E=0時(shí)用地處于最不均勻狀態(tài)，當(dāng)E=1時(shí)研究區(qū)用地類(lèi)型達(dá)到理想平衡狀態(tài)。其計(jì)算公式為

(4)

優(yōu)勢(shì)度(I)體現(xiàn)區(qū)域內(nèi)一種或幾種土地利用類(lèi)型支配該區(qū)域土地類(lèi)型的程度，其表達(dá)式為

I=1-E

(5)

土地利用結(jié)構(gòu)信息熵和均衡度、優(yōu)勢(shì)度可以在一定程度上綜合反映某區(qū)域在一定時(shí)間段內(nèi)的土地利用結(jié)構(gòu)特征、動(dòng)態(tài)變化及其轉(zhuǎn)換程度，對(duì)具體區(qū)域土地利用結(jié)構(gòu)的調(diào)整與優(yōu)化、土地利用總體規(guī)劃有著一定的指導(dǎo)和借鑒意義。

2.2.5 土地利用生態(tài)服務(wù)價(jià)值當(dāng)量因子

生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)功能價(jià)值是生態(tài)保護(hù)、生態(tài)功能區(qū)劃、自然資產(chǎn)核算和生態(tài)補(bǔ)償決策的依據(jù)和基礎(chǔ)，并且生態(tài)服務(wù)功能呈現(xiàn)出與生態(tài)功能密切相關(guān)的時(shí)空動(dòng)態(tài)變化特征[11]。一般采用土地利用生態(tài)服務(wù)價(jià)值當(dāng)量因子反映生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)功能價(jià)值的大小。單位面積生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)功能價(jià)值的基礎(chǔ)當(dāng)量是指不同類(lèi)型生態(tài)系統(tǒng)單位面積上各類(lèi)服務(wù)功能年均價(jià)值當(dāng)量。

生態(tài)系統(tǒng)提供的服務(wù)一般包括供給服務(wù)、調(diào)節(jié)服務(wù)、支持服務(wù)和文化服務(wù)等四種一級(jí)類(lèi)別，根據(jù)不同生態(tài)系統(tǒng)類(lèi)型面積，計(jì)算不同生態(tài)服務(wù)功能的時(shí)空動(dòng)態(tài)價(jià)值[12]。采用基于單位面積價(jià)值當(dāng)量因子的方法，核算云貴高原生態(tài)系統(tǒng)的生態(tài)服務(wù)價(jià)值，分析近十幾年云貴高原生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)的生態(tài)效應(yīng)，可為自然資產(chǎn)評(píng)估和生態(tài)補(bǔ)償?shù)确矫嫜芯刻峁├碚搮⒖肌?/p>

3 分析結(jié)果

3.1 土地利用動(dòng)態(tài)變化

由表2可看出，2001—2013年，研究區(qū)耕地、林地、城鄉(xiāng)建設(shè)用地面積在增加，草地、永久濕地、鑲嵌體、水域與未利用地面積在減少。有研究表明，2001—2009年貴州省草地面積呈增加趨勢(shì)，云南草地面積呈減小趨勢(shì)；云貴高原各省區(qū)耕地面積呈減少趨勢(shì)[13]。但2009年以后，貴州省茶園面積迅速增加，表現(xiàn)為耕地面積擴(kuò)張很快。

表2 2001—2013年不同利用類(lèi)型的土地面積占總面積的比例 %

由表3可知，2001—2013年研究區(qū)林地與耕地土地利用動(dòng)態(tài)度值分別為最大值和次大值，表明這兩種土地利用類(lèi)型呈明顯擴(kuò)張趨勢(shì)；未利用地、永久濕地和草地等出現(xiàn)較大負(fù)值，說(shuō)明這幾種土地面積在減少。

表3 2001—2013年云貴高原土地利用動(dòng)態(tài)度

3.2 土地利用系統(tǒng)穩(wěn)定性分析

3.2.1 土地利用程度綜合指數(shù)

土地利用程度綜合指數(shù)最大的意義在于它能夠反映區(qū)域土地利用的集約程度，可以衡量區(qū)域土地利用所處發(fā)展或衰退階段。2001—2013年，研究區(qū)土地利用程度綜合指數(shù)呈上升趨勢(shì)(圖1)，表明云貴高原地區(qū)的土地利用處于發(fā)展階段，尤其是2009年之后土地利用程度綜合指數(shù)躍升幅度較大，土地利用發(fā)展較快。

圖1 2001—2013年云貴高原土地利用程度綜合指數(shù)

3.2.2 土地利用結(jié)構(gòu)信息熵值與均衡度、優(yōu)勢(shì)度變化

根據(jù)信息熵原理，信息熵越高表明系統(tǒng)有序程度越低、越無(wú)序混亂，信息熵減小表明系統(tǒng)向有序發(fā)展。利用信息熵原理對(duì)研究區(qū)土地利用結(jié)構(gòu)合理性進(jìn)行研究，可以了解在人類(lèi)活動(dòng)影響下土地系統(tǒng)有序程度的變化趨勢(shì)，并能定量研究人類(lèi)活動(dòng)對(duì)區(qū)域系統(tǒng)的影響程度。

由圖2可看出，2001—2013年云貴高原土地利用結(jié)構(gòu)信息熵經(jīng)歷了兩個(gè)明顯的階段：第一階段為2001—2006年，信息熵處于較快增長(zhǎng)階段，從1.172 9升高到1.278 7，年均增長(zhǎng)1.764%；第二階段為2007—2013年，信息熵呈下降趨勢(shì)。土地利用結(jié)構(gòu)的變化是導(dǎo)致云貴高原土地利用結(jié)構(gòu)信息熵值變化的直接原因：2006年以前，耕地、林地和草地都在減少，建設(shè)用地、濕地有所增加；2006年以后，云貴高原的耕地、林地面積在增加，草地和未利用地在減少(表2)，草地逐步向耕地、林地等用地類(lèi)型轉(zhuǎn)化，林地中果園和經(jīng)濟(jì)林面積增加，農(nóng)業(yè)產(chǎn)業(yè)結(jié)構(gòu)升級(jí)，傳統(tǒng)農(nóng)業(yè)開(kāi)始向現(xiàn)代農(nóng)業(yè)轉(zhuǎn)化。

圖2 2001—2013年云貴高原土地利用信息熵變化

2001—2013年土地利用均衡度與信息熵的變化一致，呈現(xiàn)先上升后下降的趨勢(shì)，而優(yōu)勢(shì)度變化趨勢(shì)則相反(圖3)。研究期初，草地、林地、耕地等用地面積減少(表2)，草地向其他用地類(lèi)型轉(zhuǎn)化較多，土地利用結(jié)構(gòu)趨于均衡；研究期末，耕地、林地等在區(qū)域土地利用中的支配地位占優(yōu)勢(shì)，土地利用信息熵減小，土地利用優(yōu)勢(shì)度呈上升趨勢(shì)。

圖3 2001—2013年土地利用結(jié)構(gòu)均衡度和優(yōu)勢(shì)度變化

2006年前，由于大量農(nóng)村人員外出打工，造成棄耕地增加，農(nóng)業(yè)用地與天然植被鑲嵌體面積增加，土地利用均衡度呈上升趨勢(shì)。2006年之后，國(guó)家相關(guān)部門(mén)相繼出臺(tái)保護(hù)耕地、退耕還林還草等政策，使得耕地、林地等土地類(lèi)型面積增大，同時(shí)由于社會(huì)發(fā)展的需要，其他地類(lèi)轉(zhuǎn)換為建設(shè)用地的面積在增加，土地利用結(jié)構(gòu)均衡度有所降低，土地利用優(yōu)勢(shì)度又有所回升。

綜上來(lái)看，云貴高原土地利用信息熵由上升逐漸轉(zhuǎn)變?yōu)橄陆第厔?shì)，說(shuō)明該區(qū)域土地利用系統(tǒng)在向相對(duì)有序的狀態(tài)演變；土地利用均衡度由逐漸增加到逐漸減少，表明區(qū)域土地利用均衡程度不斷降低；土地利用優(yōu)勢(shì)度呈上升趨勢(shì)，表明以耕地、林地為代表的土地利用類(lèi)型在該區(qū)域的支配程度不斷增加。

3.3 土地利用轉(zhuǎn)化分析

由表4可以看出，2013年研究區(qū)耕地面積的3.3%、53.76%、15.20%和0.09%分別由2001年的林地、草地、鑲嵌體和永久濕地轉(zhuǎn)化而來(lái)，林地面積的3.58%、44.11%、5.50%分別由耕地、草地和鑲嵌體轉(zhuǎn)化而來(lái)，草地面積的5.90%、8.39%、9.75%分別由耕地、林地和鑲嵌體轉(zhuǎn)化而來(lái)，永久濕地面積的12.93%、16.77%、43.42%、6.30%、6.24%和1.36%分別由耕地、林地、草地、鑲嵌體、水域和未利用地轉(zhuǎn)化而來(lái)，鑲嵌體面積的17.99%、6.83%、48.10%分別由耕地、林地、草地轉(zhuǎn)化而來(lái)，城鄉(xiāng)建設(shè)用地面積的0.08%、0.05%分別由永久濕地和水域轉(zhuǎn)化而來(lái)，水域面積的0.96%、1.51%、1.48%、0.93%、0.46%、0.03%、0.55%分別由耕地、林地、草地、永久濕地、鑲嵌體、城鄉(xiāng)建設(shè)用地轉(zhuǎn)化而來(lái)，未利用地面積的4.35%、8.70%、24.64%、7.25%、2.90%、43.48%分別由耕地、林地、草地、永久濕地、鑲嵌體和水域轉(zhuǎn)化而來(lái)。

表4 2001年土地利用類(lèi)型轉(zhuǎn)化為2013年的情況及其占各自地類(lèi)面積的比例 %

綜上來(lái)看，在土地利用轉(zhuǎn)化中，草地轉(zhuǎn)化為其他類(lèi)型用地的面積比例較大，其次為耕地。各地類(lèi)之間的轉(zhuǎn)化主要是生態(tài)保護(hù)政策的實(shí)施和社會(huì)發(fā)展的需要所致。

3.4 土地利用生態(tài)服務(wù)功能變化

生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)功能是指生態(tài)系統(tǒng)與生態(tài)過(guò)程所形成的人類(lèi)賴(lài)以生存和發(fā)展的自然環(huán)境及其效用。針對(duì)土地利用引起的生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)功能變化，采用謝高地等[12-13]總結(jié)的生態(tài)當(dāng)量因子方法對(duì)云貴高原進(jìn)行生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)價(jià)值評(píng)估。歷年的生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)價(jià)值的變化可以動(dòng)態(tài)反映云貴高原生態(tài)系統(tǒng)的健康程度及不同服務(wù)類(lèi)別的大小，揭示研究階段云貴高原生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)價(jià)值大小，有利于科學(xué)評(píng)估其自然資產(chǎn)數(shù)量并為生態(tài)補(bǔ)償提供依據(jù)。

據(jù)核算，2001—2013年云貴高原的生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)價(jià)值增加10.83億元，增加了23.85%，呈上升趨勢(shì)(圖4)。其中除食物生產(chǎn)功能下降之外，其余功能都有所提高，如氣體調(diào)節(jié)、氣候調(diào)節(jié)、保持土壤等，尤其是原材料生產(chǎn)和提供美學(xué)景觀、維護(hù)生物多樣性方面增長(zhǎng)趨勢(shì)顯著(表5)。

圖4 2001—2013年云貴高原生態(tài)服務(wù)價(jià)值變化趨勢(shì)

4 結(jié) 論

本研究基于遙感圖像，從空間耦合角度分析了云貴高原2001—2013年土地利用變化及其生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)價(jià)值變化趨勢(shì)。研究表明，研究區(qū)耕地、林地面積在顯著增加，建設(shè)用地面積有所增加，草地、水域、永久濕地、鑲嵌體及未利用地面積在減少。

表5 2001—2013年云貴高原生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)價(jià)值變化 億元

(1)研究期間，耕地、林地、建設(shè)用地等用地面積增加，且林地面積增加最顯著；其余土地利用類(lèi)型面積均有所減少，草地減少面積比例最大。2009年前由于退耕還林等政策實(shí)施，耕地面積減少、林地面積大幅度增加；2009年之后，由于茶園種植面積增加幅度較大，顯示為耕地面積增加較快。

(2)研究期間，土地利用程度綜合指數(shù)略有上升，土地利用信息熵和土地利用均衡度均呈現(xiàn)先增加后減小的趨勢(shì)，土地利用優(yōu)勢(shì)度由下降轉(zhuǎn)為提升，表明土地利用的有序程度由減弱到增強(qiáng)，土地利用合理性在逐步增加。

(3)研究期間，土地生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)功能在上升，除供給服務(wù)的食物生產(chǎn)功能稍有下降外，調(diào)節(jié)服務(wù)、支持服務(wù)和文化服務(wù)的功能都在提高。

綜上所述，研究期間云貴高原的土地利用呈現(xiàn)良性發(fā)展趨勢(shì)，但是其中存在的問(wèn)題也應(yīng)該引起足夠的重視。