滇北區(qū)域土地利用類型及植被覆蓋度的時(shí)空動(dòng)態(tài)變化1)

陳成 李亞強(qiáng) 楊棟淏 王建雄 辛京達(dá)

(云南農(nóng)業(yè)大學(xué)，昆明，650210)

土地利用和土地覆蓋變化是導(dǎo)致土地產(chǎn)生各種連鎖反應(yīng)的主要原因之一[1]，而主要問題是人地關(guān)系，人類活動(dòng)與土地利用的矛盾對生態(tài)環(huán)境的影響尤為敏感[2-4]。土地利用和土地覆蓋變化可以影響到地球中能量間的相互轉(zhuǎn)換，從而進(jìn)一步地影響到區(qū)域的氣候條件、水資源循環(huán)、生態(tài)系統(tǒng)的穩(wěn)定性以及社會(huì)經(jīng)濟(jì)等一系列問題[5-6]，所以土地利用和土地覆蓋變化已經(jīng)成為地理科學(xué)領(lǐng)域的重要研究議題[7-8]。

結(jié)合土地利用和土地覆蓋變化的特點(diǎn)，已有較多研究成果對不同的研究區(qū)進(jìn)行定量分析[9-10]，為區(qū)域的經(jīng)濟(jì)可持續(xù)發(fā)展和生態(tài)環(huán)境的修復(fù)提供了大量的數(shù)據(jù)支撐以及科學(xué)有效的理論參考[11-13]；從不同角度分析土地利用變化與歸一化植被指數(shù)(NDVI)[10]、海洋[14]、景觀格局[15]、經(jīng)濟(jì)中心遷移[16]等之間的關(guān)系[17-22]。

云南省北部的昆明市、曲靖市、昭通市、楚雄彝族自治州，擁有豐富的土地利用資源。本研究以滇北4個(gè)市州為研究區(qū)域，借助土地利用數(shù)據(jù)、中分辨率成像光譜儀歸一化植被指數(shù)(MODIS-NDVI)，結(jié)合像元二分模型法估算滇北2000—2020年植被覆蓋度；利用核密度分析法、土地利用動(dòng)態(tài)度、土地利用轉(zhuǎn)移矩陣、泰爾森中位數(shù)和曼-肯德爾(Sen+MK)趨勢分析法，分析土地利用和土地覆蓋變化的時(shí)空動(dòng)態(tài)變化特征。旨在為增強(qiáng)區(qū)域土地利用資源的合理使用、為滇北地區(qū)生態(tài)建設(shè)工程的實(shí)施以及生態(tài)環(huán)境的保護(hù)提供參考。

1 研究方法

本研究選取位于云南省北部的昆明市、曲靖市、昭通市、楚雄彝族自治州為研究區(qū)域，地理坐標(biāo)介于24°13′～28°36′N、100°43′～105°19′E之間，面積約1.01×104km2。北與四川省交界，昆明市、曲靖市、楚雄州屬于亞熱帶季風(fēng)氣候，昭通市具有高原季風(fēng)立體氣候。4個(gè)區(qū)域地理位置均位于長江流域內(nèi)，水資源較為豐富，整體降水量多、氣溫適宜，氣候明顯，并擁有復(fù)雜的地形地貌特征。

數(shù)據(jù)來源：本研究使用的土地利用數(shù)據(jù)，來源于中國科學(xué)院地理科學(xué)與資源研究所的1 km云南省土地利用類型遙感數(shù)據(jù)，包括2000、2010、2020年三期數(shù)據(jù)。中分辨率成像光譜儀(MODIS)數(shù)據(jù)(MOD13Q1)的時(shí)間跨度為2000—2020年，空間分辨率為250 m，時(shí)間分辨率為16 d，來源于美國航空航天局(NASA)。將下載的數(shù)據(jù)，通過MRT軟件對其進(jìn)行拼接、投影和格式的轉(zhuǎn)換等預(yù)處理。

土地利用轉(zhuǎn)移矩陣：土地利用轉(zhuǎn)移矩陣主要用來對土地利用類型的狀態(tài)與其狀態(tài)轉(zhuǎn)移的定量描述，監(jiān)測土地利用類型在初期和末期之間的相互轉(zhuǎn)變以及面積變化。應(yīng)用獲取的土地利用類型數(shù)據(jù)，制作土地利用轉(zhuǎn)移矩陣，分析土地利用的動(dòng)態(tài)變化特征。

像元二分模型的構(gòu)建：依據(jù)歸一化植被指數(shù)(IV(ND))通過像元二分法反演植被覆蓋度(FVC)，計(jì)算公式[27]：FVC=(IV(ND)-IV(ND),S)/(IV(ND),V-IV(ND),S)。式中：IV(ND),S為裸土區(qū)域或者無任何植被區(qū)域的歸一化植被指數(shù)，IV(ND),V為植被完全覆蓋區(qū)域的歸一化植被指數(shù)。本研究采用給定置信區(qū)間的最大值和最小值代替IV(ND),S和IV(ND),V，取累計(jì)頻率為5%對應(yīng)的IV(ND)作為IV(ND),S，取累計(jì)頻率為95%對應(yīng)的IV(ND)作為IV(ND),V。

趨勢分析方法：趨勢分析采用泰爾森中位數(shù)(Theil-Sen Median)斜率估計(jì)與曼-肯德爾(Mann-Kendall)統(tǒng)計(jì)檢驗(yàn)相結(jié)合進(jìn)行分析。斜率估計(jì)公式[28]：β=Median[(xj-xi)/(j-i)]，?j>i。式中：xj為歸一化植被指數(shù)序列數(shù)據(jù)中的第j項(xiàng)值；xi為歸一化植被指數(shù)序列數(shù)據(jù)中的第i項(xiàng)值；β為斜率，當(dāng)β大于0時(shí)，表示歸一化植被指數(shù)時(shí)間序列呈改善趨勢，當(dāng)β小于0時(shí)，則表示歸一化植被指數(shù)時(shí)間序列呈退化趨勢。

由于本研究的時(shí)間序列長度n=21(2000—2020年)，統(tǒng)計(jì)量(S)近似服從標(biāo)準(zhǔn)正態(tài)分布，故采用檢驗(yàn)統(tǒng)計(jì)量(Z)進(jìn)行趨勢檢驗(yàn)，將Z作為歸一化植被指數(shù)的衰減指標(biāo)。計(jì)算公式：當(dāng)S>0時(shí)，Z=(S-1)/[Var(S)]1/2；當(dāng)S=0時(shí)，Z=0；當(dāng)S<0時(shí)，Z=(S+1)/[Var(S)]1/2。Var(S)=n(n-1)(2n+5)/18。不同的置信度所對應(yīng)的|Z|大于1.65、1.96、2.58時(shí)，表示趨勢分別通過了置信度為90%、95%、99%的顯著性檢驗(yàn)。本研究選取α=0.05，Z1-α=Z0.975=1.96。

2 結(jié)果與分析

2.1 滇北土地利用時(shí)空變化

將2000—2020年滇北土地利用類型數(shù)據(jù)進(jìn)行分類統(tǒng)計(jì)(見表1)表明，滇北整體以林地、草地、耕地為主，其中未利用地所占面積最小。近21 a間，主要是建設(shè)用地和水域面積有增加，分別增加了138.46%、28.67%；但耕地和草地面積有減少，分別減少了4.27%、2.08%；其中林地基本保持不變。說明滇北地區(qū)土地資源使用，占用了部分耕地和草地，對于部分耕地和草地產(chǎn)生了一定的消極影響。

通過核密度分析，獲得滇北6種不同土地利用類型數(shù)據(jù)核密度分布(見圖2)。圖2(a)表明，耕地高密度主要部分在昭通市以及曲靖市北部區(qū)域，整體上2000年耕地分布呈現(xiàn)為“個(gè)體式”，直到2020年呈現(xiàn)“組團(tuán)式”的群集空間分布，并且曲靖市總體耕地改善明顯。圖2(b)表明，草地主要集中在曲靖市以及昆明市東北部區(qū)域，2000—2020年曲靖市中部區(qū)域草地有明顯退化趨勢，但昭通市和楚雄市有一定的改善。圖2(c)表明，林地主要集中在楚雄市，昭通市北部也存在一定數(shù)量林地，整體上呈現(xiàn)“連片式”擴(kuò)展態(tài)勢，2000—2020年昭通市和曲靖市均出現(xiàn)由低密度轉(zhuǎn)入中高密度區(qū)域。圖2(d)表明，在滇北滇池流域，近10年來，劃定生態(tài)紅線并設(shè)立管控區(qū)，在滇池周邊建立多個(gè)濕地公園，起到保護(hù)、利用、教育和生態(tài)觀光等作用，故滇池周邊的環(huán)境得到極大改善。圖2(e)表明，建設(shè)用地主要集中在各州市的核心區(qū)域，2000—2020年，整體上建設(shè)用地增加較多，主要呈現(xiàn)以點(diǎn)為重心向四周擴(kuò)散，中高密度區(qū)域面積大范圍增加。圖2(f)表明，未利用地主要集中于昆明市北部和曲靖市交界處，整體上曲靖市的部分未利用地有一定的增加，均為裸巖石質(zhì)地。

表1 2000—2020年滇北土地利用類型面積統(tǒng)計(jì)結(jié)果

2.2 滇北土地利用轉(zhuǎn)移矩陣

對2000、2010、2020年的滇北地區(qū)土地利用數(shù)據(jù)進(jìn)行疊加統(tǒng)計(jì)分析，獲得2000—2010年、2010—2020年、2000—2020年3個(gè)時(shí)段的土地利用轉(zhuǎn)移矩陣(見表2、表3、表4)。由轉(zhuǎn)移矩陣可見，3個(gè)時(shí)段中均出現(xiàn)林地和草地大面積互相轉(zhuǎn)換。在2000—2010年，主要為林草地互轉(zhuǎn)，其次為耕地轉(zhuǎn)為建設(shè)用地。2010—2020年，林地主要由草地和耕地轉(zhuǎn)入，耕地轉(zhuǎn)入建設(shè)用地也在增加。2000—2020年，土地利用類型轉(zhuǎn)變，主要存在林地和草地互轉(zhuǎn)、耕地與草地互轉(zhuǎn)、林地與草地互轉(zhuǎn)；耕地和草地的轉(zhuǎn)入量大于轉(zhuǎn)出量，說明耕地和草地的面積在一定程度上減少。由于近21 a，云南省城市的迅速擴(kuò)張以及人類活動(dòng)區(qū)域的不斷擴(kuò)大，也存在耕地轉(zhuǎn)為建設(shè)用地，轉(zhuǎn)入面積為1 087.75 km2，占轉(zhuǎn)入面積的8.93%；隨著云南省各州市政府退耕還林還草政策等生態(tài)工程的實(shí)施，耕地轉(zhuǎn)入林地的面積為6 045.43 km2，占轉(zhuǎn)入面積的49.63%；耕地轉(zhuǎn)入草地的面積為4 789.12 km2，占轉(zhuǎn)入面積的39.32%。但3個(gè)時(shí)段相比，2000—2010年土地轉(zhuǎn)移量較少，但2010—2020年土地轉(zhuǎn)移量大幅度增加。

表2 滇北2000—2010年土地利用類型轉(zhuǎn)移矩陣 km2

表3 滇北2010—2020年土地利用類型轉(zhuǎn)移矩陣 km2

表4 滇北2000—2020年土地利用類型轉(zhuǎn)移矩陣 km2

2.3 滇北土地利用類型動(dòng)態(tài)度

由表5可見：研究區(qū)內(nèi)耕地減少速率在逐漸增大，單一動(dòng)態(tài)度達(dá)到-0.20%。林地與草地單一動(dòng)態(tài)度分別為0.01%、-0.10%；兩者相比，林地在整體上呈現(xiàn)先增后減趨勢，在2010—2020年有一定的回退趨勢，但整體上趨勢基本保持穩(wěn)定；草地整體上存在一定的回退態(tài)勢。水域，由于當(dāng)?shù)氐恼咝员Ｗo(hù)，逐年都有一定的增長，總體上增加了238.49 km2，單一動(dòng)態(tài)度為1.37%。建設(shè)用地的變化幅度為持續(xù)增長，變化幅度為1 335.26 km2，單一動(dòng)態(tài)度為6.59%，為研究區(qū)內(nèi)增長率最快的土地利用類型。未利用地在2000—2010年未發(fā)生變化，但在2010—2020年出現(xiàn)減少，單一動(dòng)態(tài)度為-0.33%，表明研究區(qū)內(nèi)的未利用地得到了一定的開發(fā)使用。2000—2020年綜合動(dòng)態(tài)度為0.08%，整體上土地利用類型之間的相互轉(zhuǎn)化較為頻繁，其中2010—2020年綜合利用動(dòng)態(tài)度最高，為0.13%。

表5 滇北2000—2020年土地利用類型動(dòng)態(tài)度

2.4 滇北不同土地利用類型年際植被覆蓋度的變化

對滇北2000—2020年歸一化植被指數(shù)數(shù)據(jù)，應(yīng)用像元二分法模型提取植被覆蓋度，得到滇北近21 a的年植被覆蓋度分布情況，并對其進(jìn)行統(tǒng)計(jì)分析，得到滇北不同土地利用類型的植被覆蓋度逐年變化(見圖3)。整體看，林地的植被覆蓋度遠(yuǎn)高于耕地和草地，其平均值達(dá)到了59.77%；其中植被覆蓋度最低的是草地，平均值為44.92%。整體看，草地、耕地、林地，近21 a分別以0.77%/a、0.29%/a、0.52%/a的速率呈現(xiàn)上升趨勢，其中草地的植被覆蓋度上升趨勢尤為明顯，在2012年植被覆蓋度高于耕地。不同土地利用類型的植被覆蓋度，由于生態(tài)工程的建設(shè)，均保持平穩(wěn)的上升趨勢；2010年，由于云南省大范圍遭受百年一遇的旱災(zāi)，植被和農(nóng)作物的生長由于氣候因素的問題受到了一定程度的影響，故在當(dāng)年存在植被覆蓋度出現(xiàn)滑落的現(xiàn)象。

由泰爾森中位數(shù)和曼-肯德爾趨勢分析法對滇北2000—2020年植被覆蓋度變化趨勢分析結(jié)果(見圖4、表6)可見：滇北3種不同土地利用類型的植被覆蓋度均以改善趨勢為主。其中：草地呈現(xiàn)改善趨勢的面積占比為78.49%，改善顯著的面積占比39.08%，增幅均為最大；林地呈現(xiàn)改善趨勢面積占比66.55%，增幅為3種不同土地利用類型中最小。3種不同土地利用類型呈改善趨勢顯著的區(qū)域，主要分布在昭通市和曲靖市北部區(qū)域。在改善不顯著的類型中，耕地和草地主要分布在昭通市和曲靖市南部區(qū)域；林地主要分布在楚雄州和昭通市中北部區(qū)域。在退化趨勢中，整體看退化面積占比不高，主要集中于退化不顯著。其中耕地退化區(qū)域面積較大，占比為18.14%，退化不顯著區(qū)域零散分布在研究區(qū)內(nèi)，退化顯著區(qū)域主要在昭通市西南部分區(qū)域和曲靖市南部部分區(qū)域；其次為林地，退化面積占比15.57%，主要分布在楚雄州境內(nèi)和昆明市中部區(qū)域；最低為草地，退化面積占比9.91%，零星分布在研究區(qū)域內(nèi)。林地基本穩(wěn)定區(qū)域占比面積最大，主要分布在楚雄市和昭通市北部區(qū)域；耕地和草地基本穩(wěn)定區(qū)域，均零星分布在研究區(qū)域內(nèi)。

表6 滇北不同土地利用類型植被覆蓋度變化趨勢統(tǒng)計(jì)結(jié)果

3 討論與結(jié)論

人地之間關(guān)系是人文地理學(xué)研究的一個(gè)重要議題，最基礎(chǔ)層次的人地關(guān)系是人類活動(dòng)與土地利用之間的關(guān)系。依據(jù)已有研究成果[29-30]，并結(jié)合實(shí)際土地利用數(shù)據(jù)，本研究表明滇北土地利用主要以林地、耕地、草地為主；但從2000年以來，滇北的土地利用情況發(fā)生了一定程度的變化，其中耕地和草地面積減少，耕地減少的面積最多、草地和未利用地次之。這主要原因是人類活動(dòng)區(qū)域擴(kuò)大、城鎮(zhèn)化的發(fā)展過程中對耕地和草地造成了不合理的占用現(xiàn)象。水域面積的增加，說明近年來云南省對滇池流域的生態(tài)保護(hù)建設(shè)工程得到了顯著性的成效[31]；其中，對入滇池河道進(jìn)行截污工作、2003年進(jìn)行滇池退塘還湖、構(gòu)建滇池生態(tài)紅線、周邊建設(shè)濕地公園等生態(tài)建設(shè)工程，有效地增加了水域周邊環(huán)境。城鎮(zhèn)建設(shè)用地雖然一直增加，但總體控制在城鎮(zhèn)中心區(qū)域，也使得人地關(guān)系得到一定的緩解[32-33]。

滇北的土地利用轉(zhuǎn)化相對穩(wěn)定，但內(nèi)部土地利用類型之間轉(zhuǎn)換較為頻繁，其中存在耕地、林地與草地之間相互轉(zhuǎn)化，主要是2002年云南省實(shí)施第一輪退耕還林還草工作，近十幾年隨著工作的不斷推進(jìn)和完善，也推動(dòng)林地、草地和耕地得到一定改善。滇北草地、耕地、林地，近21 a植被覆蓋度分別以0.77%/a、0.29%/a、0.52%/a的速率呈現(xiàn)上升趨勢。依據(jù)趨勢分析，草地改善趨勢最明顯，其次為耕地，最后為林地；但在改善的同時(shí)，也需要注意后期土地利用局部遭受破壞的現(xiàn)象，進(jìn)一步保護(hù)土地現(xiàn)狀。土地利用的改變，主要一部分來源于人類，還有一部分與氣候因素存在一定關(guān)系；本研究對土地利用的分析還存在一定的局限性，后續(xù)研究還可以定量分析人類活動(dòng)或者氣候因素與土地利用之間的關(guān)系，以達(dá)到進(jìn)一步完善土地利用評價(jià)指標(biāo)體系，并為云南省土地的可持續(xù)發(fā)展進(jìn)行優(yōu)化調(diào)整。

本研究依據(jù)土地利用數(shù)據(jù)和中分辨率成像光譜儀歸一化植被指數(shù)長時(shí)序數(shù)據(jù)，利用核密度分析、土地利用動(dòng)態(tài)度、土地利用轉(zhuǎn)移矩陣、像元二分模型、泰爾森中位數(shù)和曼-肯德爾趨勢分析法，分析了滇北不同土地利用類型的時(shí)空變化情況，并結(jié)合植被覆蓋度，分析了耕地、草地、林地近21 a的空間變化趨勢情況，研究結(jié)果認(rèn)為：

(1)滇北土地利用類型整體以林地為主，占研究區(qū)域的46.50%左右，其次為草地和耕地。近21 a，建設(shè)用地和水域有一定的增加，但耕地和草地有一定的減少。不同土地利用類型空間格局特征為：耕地主要分布特征由“個(gè)體式”演變?yōu)椤敖M團(tuán)式”，其中高密度主要分布在昭通市和曲靖市北部地區(qū)；草地主要分布在曲靖市和昆明市東北部區(qū)域，整體看曲靖市草地存在一定退化；林地主要集中在楚雄市和昭通市，呈“連片式”向周圍擴(kuò)展；水域主要集中在滇池流域，通過政策性的保護(hù)，水域密度呈現(xiàn)一定的升高；建設(shè)用地主要集中于各州市核心區(qū)域，主要呈現(xiàn)以點(diǎn)為重心向四周擴(kuò)散；未利用地主要集中于昆明市北部和曲靖市交界處。

(2)2000—2020年，滇北地區(qū)土地利用類型互相轉(zhuǎn)換頻繁，整體出現(xiàn)林地和草地大面積互相轉(zhuǎn)換；也有一定的耕地轉(zhuǎn)為建設(shè)用地，面積為1 087.75 km2。土地利用類型的轉(zhuǎn)移，前10 a土地轉(zhuǎn)移量少，但后10 a土地利用轉(zhuǎn)移量大。

(3)2000—2020年，綜合土地利用動(dòng)態(tài)度為0.08%，說明滇北的土地利用類型相互轉(zhuǎn)化比較平穩(wěn)，整體呈現(xiàn)的是輕微增長態(tài)勢；但耕地和草地的單一動(dòng)態(tài)度分別為-0.20%、-0.10%，有一定面積出現(xiàn)減少的情況。其中建設(shè)用地的變化幅度為持續(xù)增長，變化幅度為1 335.26 km2，單一動(dòng)態(tài)度為6.59%，表明近21 a滇北城市擴(kuò)張的速度變快。

(4)滇北草地、耕地、林地，近21 a植被覆蓋度分別以0.77%/a、0.29%/a、0.52%/a的速率呈現(xiàn)上升趨勢，林地的植被覆蓋度最高，草地的植被覆蓋度在2012年超過耕地。滇北3種不同土地利用類型的植被覆蓋度均以改善趨勢為主，草地改善趨勢最明顯，改善趨勢的面積占比為78.49%，其次耕地呈現(xiàn)改善趨勢面積占比67.88%，最后林地呈現(xiàn)改善趨勢面積占比66.55%。