基于分形理論的土地利用時空格局變化
——以嘉陵江流域為例

郭興月, 王 添,2?, 程圣東, 李占斌,2, 張 皎, 李 鵬,2

(1.西安理工大學省部共建西北旱區(qū)生態(tài)水利國家重點實驗室,710048,西安;2.西安理工大學旱區(qū)生態(tài)水文與災(zāi)害防治國家林業(yè)局重點實驗室,710048,西安)

2020年全國水土流失面積為269.27萬km2,約占國土面積25.767%[1]。水土流失會導(dǎo)致土地生產(chǎn)力降低、土壤貧瘠;與此同時,化學污染物隨著水土流失進入水體,不僅帶來環(huán)境污染,還直接影響人們生產(chǎn)生活,嚴重破壞生態(tài)環(huán)境[2]。土地利用類型是定量預(yù)測土壤侵蝕程度的重要指標,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)劃提供科學參考,研究土地利用情況顯得尤為重要。

分形理論由法國曼德爾布羅特提出的,利用整體內(nèi)部離散多邊形斑塊的面積和周長,計算分形維數(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)報的重要內(nèi)容[4]。自然環(huán)境和人類活動的共同作用導(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[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象,通過計算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1990、2005和2020年間土地利用時空格局變化進行深入探究,得到各地類面積轉(zhuǎn)化方向和比例變化大小,對比土地利用分形維數(shù)及穩(wěn)定性指數(shù)的變化趨勢,概括30 a嘉陵江流域土地利用時空變化格局,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,在重慶與長江干流交匯,流域總面積約 16萬km2。為亞熱帶季風氣候,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)來自衛(wèi)星Landsat 4-5,2020年數(shù)據(jù)來自衛(wèi)星Landsat 8。TM遙感數(shù)據(jù)來源于中國科學院計算機網(wǎng)絡(luò)信息中心地理空間數(shù)據(jù)云平臺(http://www.gscloud.cn)。時間跨度長達 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之一[8]。計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]。對于特定土地利用種類斑塊,以r=1 km為尺度,測量各斑塊面積和周長,則其分形維數(shù)的計算公式為:

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,km;C為待定常數(shù)。可知,對周長與面積同時取對數(shù),進行擬合分析,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D=1時表示嵌套結(jié)構(gòu)最為簡單的正方形斑塊;當D=2時,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;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,共通性弱[11]。當D取值1.5時,則表明該種斑塊處于極其不穩(wěn)定的情況,稱為布朗隨機運動[12]。

在此基礎(chǔ)上,引入穩(wěn)定性指數(shù)S來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1900、2005和2020年的影像數(shù)據(jù)進行計算處理,得到每個時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,易識別,方便進行影像解譯工作。經(jīng)過處理后,按照土地利用劃分標準,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進行圖斑合并,得到研究區(qū)3期土地利用劃分圖,統(tǒng)計整體周長、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數(shù)據(jù)。利用混淆矩陣法進行驗證,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)過轉(zhuǎn)化后,林地面積增加最多,增幅為1.99%,通過轉(zhuǎn)移矩陣分析,其主要來自耕地(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)過轉(zhuǎn)化后,林地面積增加最多,增幅為4.69%,通過轉(zhuǎn)移矩陣分析,其主要來自耕地(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,計算各斑塊的周長面積,通過Origin軟件進行數(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,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。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,增長量高達1萬803.93 km2,相較于1990年初始土地所占比例,建設(shè)用地同比增長最多,高達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,減少135萬7 590個,平均斑塊面積呈現(xiàn)上升趨勢,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,僅有建設(shè)用地的斑塊數(shù)呈現(xiàn)增加趨勢,其中林地的斑塊數(shù)減少最多,減少59萬1 833個,未利用地的斑塊數(shù)減少最少,減少6 717個,建設(shè)用地的斑塊數(shù)增加最多,增加 1萬5 130個。 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,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,由44.07%降至38.53%,減少5.54%。2020年相對于1990年同比減少12.56%,減少面積高達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。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)部的無序性增強。在1900—2005年,耕地的分形維數(shù)從<1.5,增長為1.500 9,超過臨界點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序混亂狀態(tài)的穩(wěn)定性。可能存在以下幾點原因:一是響應(yīng)退耕還林(草)政策,開展國土綠化工程,為建設(shè)和諧綠色的生態(tài)環(huán)境,推進天然防護林保護,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;二是城市中心化,中國城鄉(xiāng)之間巨大經(jīng)濟差距使大量農(nóng)村剩余勞動力流向城市,導(dǎo)致部分耕地荒廢或非農(nóng)化。與此同時,許多土地經(jīng)過租賃匯合到少數(shù)人手中,方便其對耕地進行有序化、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;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)機械化灌溉與生產(chǎn)[14]。

A為斑塊面積,km2;P為斑塊周長,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1萬803.93 km2,比例由45.20%升至51.87%,達到歷史峰值,增加6.67%,其中2020年相對于1990年同比增長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序混亂狀態(tài)的穩(wěn)定性?？赡艽嬖谝韵聨c原因:一方面20世紀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,國務(wù)院批準將長江上游地區(qū)作為國家水土保持重點防治對象,其中包括嘉陵江流域、三峽庫區(qū)和金沙江下游;1999年,四川、陜西、甘肅3省率先進行退耕還林試點,以“退耕還林,封山綠化,以糧代賑,個體承包”為基本措施,大量耕地經(jīng)過改造后,成為栽種適宜當?shù)貧夂驑淠绢愋偷牧值?使林地面積得到大量補充,但在此過程中,區(qū)域綠化方案的要求較低,沒有在保持天然防護林完整性的基礎(chǔ)上,將人工防護林與之完美銜接與擴展,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年林地雙對數(shù)面積—周長散點圖

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,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90年代,實施退耕還林(草)土地利用結(jié)構(gòu)調(diào)整政策和“長治”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原因:一是大量草地被開墾為耕地,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)進一步增加[15]。

圖3 1990、2005、2020年草地雙對數(shù)面積—周長散點圖

3.3.4 水域 嘉陵江流域水域面積呈現(xiàn)增加態(tài)勢,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,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,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,無序性增強,混亂度增加,穩(wěn)定性減少?？赡艽嬖谝韵略?一是響應(yīng)國家號召退耕還湖政策,系統(tǒng)化治理“山水林田湖草沙冰”,“長治”工程期間,在小型水利水土保持方面,修谷坊3 828座,塘堰7萬793座,蓄水池9萬4 998座,沉沙池 156萬7 756個,截水溝9 679 km,排灌渠2萬2 787 km,部分耕地、林地轉(zhuǎn)化為水域[14];二是城市建設(shè)過程中,公園、住宅區(qū)等場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年水域雙對數(shù)面積—周長散點圖

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,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)量增長必然導(dǎo)致對城鎮(zhèn)用地與居民點用地的需求增加,原有建筑不能滿足人們生活生產(chǎn)需要,擴大城鎮(zhèn)用地成為客觀需求,使建設(shè)面積增長迅速;二是在城市建設(shè)規(guī)劃中,沒有對市區(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,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,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,混亂度相對較高,且這種混亂無序狀態(tài)具有一定的穩(wěn)定性與可持續(xù)性?？赡艽嬖谝韵聝蓚€原因:一是部分草地、耕地因過度放牧或化肥使用過量轉(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[17]。

圖6 1990、2005、2020年未利用地雙對數(shù)面積—周長散點圖

4 結(jié)論

20世紀80年代末期,國務(wù)院批準將長江上游地區(qū)作為國家水土保持重點防治對象,其中包括嘉陵江流域、三峽庫區(qū)和金沙江下游;1999年,四川、陜西、甘肅3省率先進行退耕還林試點。1990—2020年內(nèi),嘉陵江流域內(nèi)的各土地利用均因為人類活動有較大變化。

耕地、草地的面積呈現(xiàn)減少態(tài)勢,林地、水域、建設(shè)用地、未利用地的面積呈現(xiàn)增加態(tài)勢。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,僅有建設(shè)用地的斑塊數(shù)呈現(xiàn)增加趨勢。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,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,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)量趨于簡單,但是由于景觀相互交錯干擾,展現(xiàn)出低穩(wěn)定狀態(tài),易受到外界影響。在區(qū)域經(jīng)濟發(fā)展過程中,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)境問題,未來進行土地規(guī)劃利用時,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。