隆子縣土地利用多樣化及其聚集度分析*

胡智文，陳俊旭，2，趙志芳，張帆，鄭鑫，李子晨

(1.云南大學(xué) 地球科學(xué)學(xué)院，云南 昆明 650091；2.云南大學(xué) 國(guó)際喀斯特聯(lián)合研究中心，云南 昆明 650091)

對(duì)土地利用狀況及其變化的研究是全球環(huán)境變化研究的核心領(lǐng)域與熱點(diǎn)[1-2]。土地利用是一種在人類活動(dòng)干預(yù)下進(jìn)行經(jīng)濟(jì)和自然再生產(chǎn)的復(fù)雜過(guò)程，它不但受到自然因素的作用和制約，還受到社會(huì)經(jīng)濟(jì)、技術(shù)條件的影響[3]。研究一個(gè)區(qū)域的土地利用多樣化及其聚集度，對(duì)合理利用其土地資源并實(shí)施有效地監(jiān)管和控制具有重要的意義[4]。

近年來(lái)針對(duì)土地利用多樣化及其聚集度分析已有較多成果，如用GM模型衡量土地利用多樣化程度[5]、用聚集度指數(shù)評(píng)價(jià)土地利用空間聚集程度[6-7]、用區(qū)位指數(shù)評(píng)估每種土地類型在區(qū)域的相對(duì)聚集度以及區(qū)位優(yōu)勢(shì)[8]、用程度指數(shù)反映土地系統(tǒng)中人類經(jīng)濟(jì)社會(huì)活動(dòng)的影響程度[9-10]、用分離度指數(shù)衡量每種土地類型離散化程度[11]等。在區(qū)域上，已有對(duì)全國(guó)[12-13]、省級(jí)[14]、市和地區(qū)級(jí)[15]以及城市[16]、沿海[17]、邊緣[18]、平原[19]等不同尺度土地利用多樣化及其聚集度的研究，但對(duì)關(guān)鍵地域[20]、生態(tài)脆弱區(qū)[21]等縣級(jí)尺度土地利用多樣化及其聚集度涉及較少[22]。

隆子縣地處西藏南部，喜馬拉雅山東段北麓，地理區(qū)位特殊，是我國(guó)典型生態(tài)脆弱區(qū)域及邊境地區(qū)。對(duì)其土地利用多樣化及其聚集度分析與探討對(duì)捍衛(wèi)國(guó)家主權(quán)和領(lǐng)土完整[23]及構(gòu)建邊境國(guó)土安全以及增強(qiáng)邊境地區(qū)重點(diǎn)縣域的聚集、輻射能力與競(jìng)爭(zhēng)力[24]等具有重大意義。本研究基于隆子縣土地利用遙感數(shù)據(jù)與DEM柵格數(shù)據(jù)，采用較成熟的指數(shù)分析方法對(duì)隆子縣的土地利用結(jié)構(gòu)和空間分布進(jìn)行多樣化及其聚集度分析，旨在為揭示該縣土地利用空間布局動(dòng)態(tài)規(guī)律，為基于國(guó)防安全的區(qū)域開發(fā)及生態(tài)保護(hù)提供理論支撐。

1 研究區(qū)概況

隆子縣(91°53′～93°06′E，28°07′～28°52′N)，位于喜馬拉雅山東段北麓，北與朗縣、加查縣接壤，東與墨脫縣、西與措美縣相連，西南與錯(cuò)那、偏北方與曲松縣、西北與乃東縣、東北與米林縣相鄰。地勢(shì)北高南低，西高東低。南部主要山峰位于喜馬拉雅山脈大“弧形”處，海拔5 000 m以上，冰磧、冰塔林立，終年積雪。雄曲山原區(qū)，海拔在3 900～4 300 m之間，河灘較為寬闊，谷地與高山相對(duì)高差在300～800 m間，分布有桑佐塘、拉貢、麥木江東草場(chǎng)。色曲、河曲、雄曲峽谷區(qū)，海拔3 000～3 600 m，呈“V”型河谷，發(fā)育沖溝與支流，有大小不等的沖積扇。隆子縣2018年末地區(qū)生產(chǎn)總值為10.99×104元，第二、三產(chǎn)業(yè)人員為1.11×104人(來(lái)源于2019年中國(guó)縣域統(tǒng)計(jì)年鑒)。

2 研究方法

主要采用GM模型、土地聚集度指數(shù)、土地區(qū)位指數(shù)、土地利用程度指數(shù)及分離度指數(shù)等方法分析隆子縣土地利用多樣化及其聚集度。

2.1 數(shù)據(jù)來(lái)源

遙感數(shù)據(jù)為分辨率30 m的Landsat/OLI影像與30 m分辨率的DEM數(shù)據(jù)，均來(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)[25-26]。鑒于研究區(qū)土地利用類型在夏季區(qū)分度明顯，故選擇時(shí)間窗口為6—9月。共6景影像，云霧覆蓋度均小于10%。經(jīng)過(guò)Envi軟件對(duì)影像進(jìn)行拼接、裁剪、輻射定標(biāo)、大氣校正[27]等綜合處理獲得了隆子縣2019年Landsat/OLI標(biāo)準(zhǔn)假彩色合成影像。綜合研究區(qū)自身特點(diǎn)及研究的實(shí)際需要，參照GB/T 21010—2007《土地利用現(xiàn)狀分類》[28-29]，通過(guò)Arcgis軟件目視解譯，將隆子縣劃分為耕地、林地、草地、水域、建設(shè)用地和未利用地6種土地利用類型(圖1)。并輔助實(shí)際野外驗(yàn)證，達(dá)到1∶5000解譯精度要求。

圖1 隆子縣2019年土地利用現(xiàn)狀Fig.1 Land use status of Longzi County in 2019

2.2 土地利用多樣化測(cè)算方法

(1)土地多樣化指數(shù) 土地利用多樣化表征土地利用類型均衡與否及土地利用結(jié)構(gòu)復(fù)雜程度。本研究采用GM模型來(lái)衡量隆子縣土地利用多樣化程度[5]。

①

式中：GM代表多樣性指數(shù)；ZK為第k種地類的面積；n代表區(qū)域內(nèi)的土地類型數(shù)。GM的值越趨近于1，代表該地類的多樣化越高；越趨近于0，說(shuō)明該地類的多樣化越低。

(2)土地利用程度指數(shù) 土地利用程度指數(shù)的計(jì)算公式如下[9-10]。

②

式中:Ya為土地利用程度指數(shù)；n為地類種數(shù)；Di為區(qū)域中某個(gè)地類的程度分級(jí)指數(shù)；Zi為該地類占總面積的百分比。

2.3 聚集程度測(cè)算方法

(1)土地聚集度指數(shù) 聚集度指數(shù)是度量土地利用空間集中化程度的主要指標(biāo)[6-7]。

③

式中：I為土地聚集度指數(shù)；A為各土地利用類型累計(jì)百分比之和；M為假設(shè)土地都集中到某一土地類型時(shí)最大累計(jì)百分比的總和；R為更高一尺度區(qū)域的各土地利用類型累計(jì)的百分比之和。

(2)土地區(qū)位指數(shù)[8]

④

式中:xi代表區(qū)域內(nèi)第i種土地面積；n代表區(qū)域內(nèi)土地類型總數(shù)；Xi為高一層次區(qū)域內(nèi)第i種土地的面積。Y>1，說(shuō)明該類土地具有區(qū)位意義；Y<1，說(shuō)明該類土地不具有區(qū)位意義。

(3)土地分離度指數(shù)[19]

分離度指數(shù)Pi是聚集度的反向指標(biāo)，可用于驗(yàn)證區(qū)位指數(shù)的結(jié)果。

⑤

⑥

⑦

式中:Di代表土地利用類型i的距離指數(shù)；Qi代表土地利用類型i的面積指數(shù)；S代表某地區(qū)或某地類的土地面積總和；Si代表土地利用類型i的面積。分離度指數(shù)越小，聚集度越高，越大則聚集度越低。

3 結(jié)果與分析

3.1 隆子縣土地利用結(jié)構(gòu)和空間分布

隆子縣主要用地類型為草地、林地、未利用土地(圖2)，各占總面積的40.65%、33.87%及23.20%；耕地、水域、建設(shè)用地的面積較小。草地是隆子縣第一大土地利用類型，總面積為4 085.61 km2，主要分布于熱榮鄉(xiāng)、雪薩鄉(xiāng)、三安曲林鄉(xiāng)、日當(dāng)鎮(zhèn)和隆子鎮(zhèn)。林地主要連片分布于玉麥鄉(xiāng)、扎日鄉(xiāng)、斗玉珞巴民族鄉(xiāng)。未利用土地是隆子縣第三大土地利用類型，多分布于玉麥鄉(xiāng)、日當(dāng)鎮(zhèn)、扎日鄉(xiāng)、加玉鄉(xiāng)。水域總面積為144.29 km2，占全縣土地總面積的1.44%，主要分布于日當(dāng)鎮(zhèn)、隆子鎮(zhèn)。隆子縣河流多屬雄曲河水系，主要支流有色曲、洛曲、玉麥曲。日當(dāng)鎮(zhèn)、隆子鎮(zhèn)的水系非常發(fā)達(dá)，其中日當(dāng)鎮(zhèn)水域面積為29.56 km2，占其總面積的2.60%;隆子鎮(zhèn)水域面積為43.66 km2，占其總面積的8.26%。耕地總面積為53.48 km2，占全縣土地總面積的0.53%,主要分布于日當(dāng)鎮(zhèn)、隆子鎮(zhèn)的沿河地區(qū)。其中,日當(dāng)鎮(zhèn)耕地面積為15.31 km2,占其總面積的1.35%；隆子鎮(zhèn)耕地面積為20.81 km2，占其總面積的3.94%。建設(shè)用地的面積最小，只有31.19 km2?？臻g上零散分布，隆子鎮(zhèn)、日當(dāng)鎮(zhèn)為主要分布區(qū)。

圖2 隆子縣及各鄉(xiāng)鎮(zhèn)土地面積比例Fig.2 Land area ratio of Longzi County and each township

3.2 隆子縣土地利用多樣化及其聚集度分析

3.2.1 土地利用程度分析

隆子縣及各鄉(xiāng)鎮(zhèn)的土地利用程度指數(shù)介于157.4～197之間(圖3)，土地利用程度指數(shù)平均為178.89，表明其土地利用程度為中等水平。隆子鎮(zhèn)、雪薩鄉(xiāng)、斗玉珞巴民族鄉(xiāng)和準(zhǔn)巴鄉(xiāng)高于平均水平，其余鄉(xiāng)鎮(zhèn)均低于平均水平。隆子縣土地利用程度指數(shù)大多分布在平均值上下10(170～190)之間，隆子鎮(zhèn)、雪薩鄉(xiāng)土地利用程度指數(shù)不在該范圍區(qū)間，其中隆子鎮(zhèn)土地利用程度指數(shù)為197，屬于高土地利用區(qū)，因該鎮(zhèn)人類活動(dòng)劇烈，建設(shè)用地占全鎮(zhèn)總面積的1.86%，耕地與水域條件也比較好，為土地利用提供較好的條件。扎日鄉(xiāng)土地利用程度最低，指數(shù)為157.4，表明人類活動(dòng)對(duì)其自然環(huán)境的影響程度不深，土地的自然屬性較強(qiáng)。

圖3 隆子縣及各鄉(xiāng)鎮(zhèn)土地利用程度指數(shù)Fig.3 Land use index of Longzi County and each township

3.2.2 土地利用多樣化

隆子縣土地利用多樣化指數(shù)為0.67，與理論最大值0.857[19]相差0.187(表1)；通過(guò)Arcgis聚類分析中的自然斷點(diǎn)把隆子縣的多樣化指數(shù)分為低、中、高等3個(gè)等級(jí)，其中土地利用高多樣化的區(qū)域有4個(gè)鄉(xiāng)，中多樣化的有2個(gè)鄉(xiāng)，低多樣化的為5個(gè)鄉(xiāng)鎮(zhèn)(圖4)。

圖4 隆子縣各鄉(xiāng)鎮(zhèn)土地利用多樣化與聚集度空間分布

表1 隆子縣及各鄉(xiāng)鎮(zhèn)土地利用多樣化與聚集度指數(shù)

of aggregation in each township in Longzi County

全縣土地多樣化指數(shù)平均為0.54，表明隆子縣土地利用類型總體上為中等程度多樣化。列麥鄉(xiāng)、加玉鄉(xiāng)、三安曲林鄉(xiāng)、斗玉珞巴民族鄉(xiāng)、準(zhǔn)巴鄉(xiāng)與扎日鄉(xiāng)多樣化水平高于平均值。準(zhǔn)巴鄉(xiāng)最高，為0.65，表明該區(qū)域的土地利用類型結(jié)構(gòu)較均勻。隆子鎮(zhèn)、熱榮鄉(xiāng)、日當(dāng)鎮(zhèn)、雪薩鄉(xiāng)與玉麥鄉(xiāng)低于平均水平，表明其土地利用類型單一，缺乏多樣性。隆子鎮(zhèn)土地利用多樣化程度最低。玉麥鄉(xiāng)主要是因?yàn)槲挥诼∽涌h東部，林地占該鄉(xiāng)土地總面積的68.91%，其他用地?cái)?shù)量較少，致使其土地利用類型單一。空間分布上，隆子縣東西兩側(cè)土地利用多樣化程度低，中部地區(qū)土地利用多樣化程度高。

3.2.3 土地聚集度分析

土地利用聚集度指數(shù)(表1)分析顯示，玉麥鄉(xiāng)的土地利用聚集度最高，是由于其林地占據(jù)該鄉(xiāng)絕大部分土地面積的原因，雪薩鄉(xiāng)次之，準(zhǔn)巴鄉(xiāng)的土地利用聚集度最低。Arcgis進(jìn)行聚類分析顯示(圖4),全縣聚集度區(qū)域差異較大，扎日鄉(xiāng)、列麥鄉(xiāng)、斗玉珞巴民族鄉(xiāng)、準(zhǔn)巴鄉(xiāng)土地利用類型聚集度較低。原因是扎日鄉(xiāng)、準(zhǔn)巴鄉(xiāng)等鄉(xiāng)鎮(zhèn)的大量草地、未利用土地，使其土地類型變得更為多樣，土地聚集度降低。玉麥鄉(xiāng)、日當(dāng)鎮(zhèn)、隆子鎮(zhèn)、雪薩鄉(xiāng)為該縣土地利用高聚集區(qū)。隆子縣土地利用聚集度在空間分布上與土地利用多樣化分布呈反向趨勢(shì)，由于兩側(cè)地區(qū)主要為大面積林地、草地與未利用土地，且集中連片，用地類型缺乏多樣化，故該縣中部地區(qū)土地利用聚集度低，而兩側(cè)地區(qū)聚集度高。

3.2.4 土地利用區(qū)位指數(shù)分析

對(duì)隆子縣各鄉(xiāng)鎮(zhèn)土地利用方式在更高一層區(qū)域空間上的相對(duì)聚集程度分析(圖5)，可知耕地、建設(shè)用地、水域在隆子鎮(zhèn)土地利用區(qū)位指數(shù)最高，表明耕地、建設(shè)用地、水域等3種土地利用類型在隆子鎮(zhèn)聚集度最高，具有很好的區(qū)位優(yōu)勢(shì)。隆子鎮(zhèn)為隆子縣耕地的主要分布地區(qū)，水系發(fā)達(dá)，水資源豐富，水利設(shè)施較完善，為農(nóng)田耕作灌溉提供了優(yōu)越的基礎(chǔ)條件，有利于推動(dòng)該縣農(nóng)業(yè)與經(jīng)濟(jì)的發(fā)展，同時(shí)隆子鎮(zhèn)城市化水平相對(duì)較高，建設(shè)用地的面積為全縣第一。林地在玉麥鄉(xiāng)土地區(qū)位指數(shù)最高，為2.03，聚集度最高，原因是該鎮(zhèn)自然森林資源豐富。草地在隆子鎮(zhèn)區(qū)位指數(shù)最高，為1.86，在該鎮(zhèn)聚集度最高。未利用土地則在熱榮鄉(xiāng)、日當(dāng)鎮(zhèn)、加玉鄉(xiāng)、扎日鄉(xiāng)占優(yōu)勢(shì)，其中扎日鄉(xiāng)區(qū)位指數(shù)最高，為1.84，表明扎日鄉(xiāng)還具有較多的未開發(fā)利用土地。

圖5 隆子縣各鄉(xiāng)鎮(zhèn)土地利用區(qū)位指數(shù)Fig.5 Land use location index of each township in Longzi County

3.2.5 分離度指數(shù)分析

隆子縣主要用地類型為草地、林地、未利用土地，3種用地空間分布上較為集中連片。故三者斑塊分離度指數(shù)較小，分別為1.24、1.53、2.18(表2)。耕地和水域分離度指數(shù)較大，破碎分散特征明顯。建設(shè)用地的分離度指數(shù)最大，為163.69，是由于建設(shè)用地在全縣分布極少，空間上零散分布，斑塊離散度最高。

表2 隆子縣及各鄉(xiāng)鎮(zhèn)分離度指數(shù)Tab.2 Separation degree of Townships in Longzi County

耕地除了在隆子鎮(zhèn)分離度指數(shù)較小以外，在其他鄉(xiāng)鎮(zhèn)的分離度都比較大，扎日鄉(xiāng)最大。原因是耕地斑塊在各鄉(xiāng)鎮(zhèn)的空間分布極為破碎，在隆子鎮(zhèn)較為集中連片。林地在隆子鎮(zhèn)與日當(dāng)鎮(zhèn)的分布極為稀疏，面積僅占全縣總面積的0.02%，空間上較為破碎分散，在其他9個(gè)鄉(xiāng)鎮(zhèn)的空間分布上較為集中連片，故林地在隆子鎮(zhèn)、日當(dāng)鎮(zhèn)分離度指數(shù)較大。草地在所有鄉(xiāng)鎮(zhèn)的分離度指數(shù)都比較小，隆子鎮(zhèn)最小，空間分布聚集度高。隆子鎮(zhèn)城市化水平相對(duì)較高，水系發(fā)達(dá)，水資源豐富，水域與建設(shè)用地在該鎮(zhèn)分布較為集中連片，聚集度高，致使水域與建設(shè)用地在隆子鎮(zhèn)的分離度指數(shù)較小，分別為14.82、28.76。未利用土地在準(zhǔn)巴鄉(xiāng)分離度指數(shù)較大，分布較為破碎分散，在其他10個(gè)鄉(xiāng)鎮(zhèn)的分離度指數(shù)較小，扎日鄉(xiāng)中最小，表明未利用土地較為集中連片，開發(fā)潛力大。分離度指數(shù)得出的結(jié)果與區(qū)位指數(shù)得出的結(jié)果一致。

4 結(jié)論

本研究針對(duì)隆子縣及各鄉(xiāng)鎮(zhèn)土地利用多樣化及其聚集度的問(wèn)題，基于土地利用現(xiàn)狀數(shù)據(jù)，采用土地利用多樣化、土地利用聚集度、土地利用程度等指數(shù)，對(duì)土地利用進(jìn)行了多樣化及聚集度分析，得到以下結(jié)論：

(1)隆子縣草地、林地、未利用土地面積各占總面積的40.65%、33.87%及23.20%，耕地、水域、建設(shè)用地的面積較小，共占總面積的2.28%。土地利用類型總體上為中等程度多樣化，土地利用類型較為豐富。準(zhǔn)巴鄉(xiāng)土地利用多樣化最高，土地利用類型結(jié)構(gòu)較均勻，隆子鎮(zhèn)土地利用多樣化最低但土地利用程度最高。

(2)隆子縣土地利用總體聚集度相對(duì)較高，高聚集區(qū)為隆子鎮(zhèn)、日當(dāng)鎮(zhèn)、雪薩鄉(xiāng)、玉麥鄉(xiāng)。玉麥鄉(xiāng)的土地利用聚集度最高，雪薩鄉(xiāng)次之，準(zhǔn)巴鄉(xiāng)的土地利用聚集度最低。耕地、建設(shè)用地、水域、草地在隆子鎮(zhèn)聚集度最大，具有很好的區(qū)位優(yōu)勢(shì)。林地與未利用土地分別在玉麥鄉(xiāng)、扎日鄉(xiāng)聚集度最高。在往后經(jīng)濟(jì)發(fā)展的同時(shí)，應(yīng)繼續(xù)加強(qiáng)對(duì)耕地的保護(hù)利用，進(jìn)一步提高隆子鎮(zhèn)建設(shè)用地集約化利用程度，按照“產(chǎn)業(yè)集聚、布局集中”的原則進(jìn)行產(chǎn)業(yè)區(qū)劃，以期節(jié)約化集約化地利用土地資源。

(3)隆子縣土地利用空間差異顯著，土地利用多樣化與聚集度成反比關(guān)系，土地利用多樣化高的區(qū)域，聚集度越低，土地利用類型越均勻。研究結(jié)果可為隆子縣產(chǎn)業(yè)經(jīng)濟(jì)布局和土地利用優(yōu)化、結(jié)構(gòu)調(diào)整及國(guó)土空間優(yōu)化等相關(guān)研究提供參考。