滇中岩溶区土地利用变化特征及驱动力分析
Characteristics and Driving Forces of Land Use Change in Karst Area of Central Yunnan Province

作者: 彭晓红 :云南师范大学地理学部,云南 昆明;

关键词: 土地利用遥感解译动态度转移矩阵土地利用程度驱动力石林县Land Use Remote Sensing Interpretation Dynamic Degree Transfer Matrix Land Use Degree Driving Force Shilin County

摘要: 基于2000年、2005年、2010年的Landsat TM遥感影像和2015年的Landsat 8遥感影像解译,利用土地利用动态度、转移矩阵、土地利用程度综合指数,分析石林县土地利用时空演变特征和驱动机制。结果表明:1) 在2000~2015年期间,石林县耕地、林地、草地和建设用地分别增加了10%、3%、3%和3.3%,未利用土地和水域减少21%和0.2%;2) 在空间变化上,各类土地类型交叉分布,未利用土地、耕地和林地分布最广,水域、草地和建设用地相对分布较少。3) 2000~2015年,石林县的土地转移特征为:耕地、建设用地、草地和林地以转入为主,转入面积分别为165.42 km2、57.97 km2、52.25 km2、60.43 km2,未利用土地和水域以转出为主,转出面积分别为332.94 km2、3.47 km2;4) 2000~2015年,石林县的土地利用程度处于合理开发利用状态;5) 社会经济发展、人口因素、气候变化和政府政策是石林县土地利用变化的主要驱动因素。因此,在未来对土地资源的开发利用过程中继续加强对其石漠化的治理,既要资源利用最大化,也要环境最优化。

Abstract: Based on the interpretation of Landsat TM remote sensing images in 2000, 2005 and 2010 and Landsat 8 remote sensing images in 2015, the temporal and spatial evolution characteristics and driving mechanism of land use in Shilin County are analyzed by using land use dynamic degree, transfer matrix and comprehensive index of land use degree. The results showed that: 1) During 2000~ 2015, the cultivated land, woodland, grassland and construction land increased by 10%, 3%, 3% and 3.3% respectively, and the unused land and water area decreased by 21% and 0.2%; 2) In terms of spatial change, all kinds of land types were cross distributed, the unused land, cultivated land and forest land were the most widely distributed, and the water area, grassland and construction land were relatively less distributed. 3) From 2000 to 2015, the characteristics of land transfer in Shilin County are as follows: cultivated land, construction land, grassland and forest land are mainly transferred in, with the transfer in area of 165.42 km2, 57.97 km2, 52.25 km2 and 60.43 km2, respectively; unused land and water area are mainly transferred out, with the transferred out area of 332.94 km2 and 3.47 km2 respectively; 4) From 2000 to 2015, the land use degree of Shilin County is in a state of reasonable development and utilization; 5) Social and economic development, population factors, climate change and gov-ernment policies are the main driving factors of land use change in Shilin County. Therefore, in the future development and utilization of land resources, we should continue to strengthen the control of rocky desertification, not only to maximize the use of resources, but also to optimize the environment.

1. 引言

土地资源是人类生产生活中主要的物质基础和自然资源,而对土地资源的利用深刻地影响和改变着人类的生存环境 [1] [2] [3] [4]。土地利用/覆盖变化(LUCC)是人类活动与自然环境之间的相互作用的结果,是一个地区经济社会可持续发展、生态系统、气候变化和资源利用等一系列核心问题的主要影响因子 [5] [6] [7] [8],因此,土地利用/覆盖变化(LUCC)的研究已在全球生态环境变化、生态系统以及可持续发展过程的研究中占有特殊的特殊重要地位 [9]。前人对土地利用的变化研究多数主要集中于沿海经济发达地区 [10] 和典型的生态脆弱区 [11] [12],在尺度上主要是基于国家不同级别行政尺度 [13] 和不同流域 [14] [15],探究土地利用时空变化特征及其驱动机制 [16] [17]。其中喀斯特地区是我国境内典型的生态系统脆弱区,土地支离破碎,石漠化严重,植被覆盖度较低,土地利用变化有其独特的演化特性,岩溶地区的土地利用变化成为广大学者的关注热点,秦罗义等以贵州普定县为研究对象,结合GIS和RS技术,揭示了喀斯特地区的土地利用变化及其驱动机制 [18],李丽等运用GIS和RS方法,结合社会经济数据,对土地利用/覆被时空变化进行了定量分析,揭示其变化特征和驱动力因子 [19],刘南建等基于遥感数据和地学统计方法对典型岩溶区土地利用时空演变格局进行定量分析,探讨岩溶区的土地利用变化特征 [20],巨凡凡等利用RS和GIS技术对水城县15 a的土地利用变化和社会经济进行研究分析,探讨变化特征和驱动力,许月卿等基于遥感数据对猫跳河流域土地利用变化情况进行探讨,定量分析岩溶地区土地利用变化特征 [21]。前任研究多数基于遥感影像数据对贵州喀斯特地区进行土地利用动态演化进程分析,同时对产生这种演化的驱动力因素进行探讨分析,对区域的生态坏境、资源合理开发利用和经济发展都具有深刻意义。

云南石林地区位于云南省中部,是典型的喀斯特岩溶区,其石漠化严重,属于我国主要的生态脆弱区。随着经济的快速发展,水土流失严重,石漠化加剧,生产力下降,制约区域的社会经济发展。目前对该地区的研究主要是对其喀斯特地貌的研究 [22] [23] [24],但是缺乏对多种土地利用类型变化特征的角度对其石漠化的研究。综上所述,将针对石林县2000~2015年不同土地利用类型进行时空变化特征分析,并探究其驱动机制,对石漠化改善和土地合理利用具有重要的理论和现实意义。

2. 研究区概况

石林彝族自治县是滇中典型的岩溶区,位于24˚30'N~25˚03'N,103˚10'E~104˚40'E之间,以大小石林风景区为主要代表。石林县总体地势呈现东北高西南低,海拔多在1700~1900 m之间,国土面积1680 km² (图1)。县域内喀斯特地貌发育广泛,人类活动强烈,石漠化面积超过国土面积的10%,土地资源遭受到破坏,所以水土资源的可持续利用已成为社会经济持续发展的关键问题。

Figure 1. Regional overview of Shilin County

图1. 石林县区域概况图

3. 数据与方法

3.1. 数据来源与处理

3.1.1. 土地数据

土地数据主要来源于地理空间数据云(http://www.gscloud.cn/search),选取了石林县2000年、2005年、2010年Landsat TM5遥感影像和2015年的Landsat 8遥感影像,分辨率为30 m。利用ENVI对四期遥感数据进行辐射校正、图像增强、裁切等处理后,参考地类分类标准和野外实际调查,进行人工目视解译,对四期遥感影像进行解译判读,把石林县的土地分为林地、耕地、草地、建设用地、水域和未利用土地,其中未利用土地主要为石漠化严重的裸地为主,并对解译结果随机抽样精度检验,四期影像精度评价均在90%以上。

3.1.2. 社会经济和气象数据

社会经济和气象数据主要来源于石林县2000~2015年统计年鉴和统计公报。其中社会经济数据选取国民生产总值(亿元)、第一产业(亿元)、第二产业(亿元)、第三产业(亿元)、工业(亿元)、农业(亿元)、旅游总收入(亿元),总人口数(万人)、非农人口(万人)。气象数据选择气温(℃)、降水(mm)。

3.2. 研究方法

3.2.1. 土地利用转移矩阵

土地利用转移矩阵能具体反映土地利用类型变化的结构特征及各土地类型之间的转移数量和方向 [2]。其数学形式为:

S = { S 11 S 1 n S n 1 S n n (1)

3.2.2. 土地利用动态度

土地利用动态度能反映一个区域土地利用变化的剧烈程度 [19]。单一土地利用动态度(K)。用来比较不同土地利用类型的变化速度。

K = U 2 U 1 U 1 × 1 T 2 T 1 × 100 % (2)

式中,K表示某一类土地利用类型T1到T2时段内土地利用类型的单一动态度,U1表示T1时间某类土地利用类型的面积,U2表示T2时间某类土地利用类型的面积。

3.2.3. 土地利用程度

土地利用程度综合指数主要是来描绘土地利用程度,研究区域内的土地利用开发程度 [25],将土地资源的利用状态分为未利用、自身再生利用、认为再生利用、非再生利用4个等级,并分别赋予分级指数来表示利用程度。

L = 100 × i = 1 n A i × C i (3)

式中:L为土地利用程度综合指数,其数值越大,土地利用程度越高;Ai为土地利用程度分级指数;Ci为土地利用程度面积百分比;根据土地利用程度综合分析方法,将土地利用分为4级。第1级为未利用土地;第2级为草地、林地及水域;第3级为耕地等农业用地;第4级为居民建设用地。

4. 土地利用变化特征分析

4.1. 石林县土地利用时间变化特征

图2可知,石林县的主要土地利用类型是耕地和林地,这两种土地类型占石林县总土地面积的70%以上。其次是未利用土地次之,石林县是典型岩溶区,未利用土地一直占比较大。2000~2015年期间,耕地占比总体呈增长的趋势,由2000年26%增长至2015年36%,草地和建设用地一直呈现缓慢增长趋势,未利用土地占比一直呈现减少趋势,从2000年占比25%减少到2015年占比4%,说明石林县总体石漠化有所减少。林地占比先减少后增加,总体呈增加趋势,由42%增长至45%,石林水域主要是巴江河和湖泊水库,2000~2015年间水域占比变化较小,但总体呈现减少趋势,由1%减少至0.8%。

Figure 2. Change in the proportion of land use types in Shilin County from 2000 to 2015

图2. 2000~2015年石林县土地利用类型占比变化图

4.2. 石林县土地利用空间变化特征

在空间分布上,2000年未利用土地分布面积较大,特别是长湖镇、西街口镇、石林镇,圭山镇主要以林地为主,鹿阜街道和大可乡主要以耕地为主,全县建设面积较少。2005年鹿阜街道建设面积增加,长湖镇和西街口镇未利用土地减少,林地面积减少,耕地面积增加。2010年鹿阜街道建设面积持续增加,但未利用土地也增加,耕地面积占主要面积,2015年鹿阜街道、板桥镇和大可乡石林镇建设面积明显增加,圭山镇、长湖镇、西街口镇林地面积增大,全县以林地面积占比最大。总体上,建设用地主要分布在鹿阜街道,林地主要分布于圭山镇、长湖镇、石林镇东北部、西街口镇东南部、板桥镇东部,耕地主要分布于石林镇、鹿阜街道、板桥镇、大可乡,水域主要以石林县西部为主,以水库和湖泊为主,东部分布较少,草地面积分布零星,主要分布于耕地附近,未利用土地主要分布于西街口镇东北部、长湖镇北部、石林镇东南部。

4.3. 土地利用变化率

4.3.1. 土地利用转移情况

基于不同时期的土地利用的分类,得出2000~2015年石林县的土地利用转移矩阵(见表1~3),从而得出石林县不同土地利用类型之间的相互转移情况。

Table 1. Land use type transfer matrix of Shilin County from 2000 to 2005 (km2)

表1. 2000~2005年石林县土地利用类型转移矩阵(km2)

Table 2. Land use type transfer matrix of Shilin County from 2005 to 2010 (km2)

表2. 2005~2010年石林县土地利用类型转移矩阵(km2)

Table 3. Land use type transfer matrix of Shilin County from 2010 to 2015 (km2)

表3. 2010~2015年石林县土地利用类型转移矩阵(km2)

耕地在2000~2005年期间转入面积大于转出面积,转入面积为367.79 km2,其中耕地主要由未利用土地和林地的转入,占总转入面积的88.9%,在此期间耕地主要转出为草地和未利用土地,总的转出面积为133.71 km2。在2005~2010年耕地总体呈现增加趋势,主要转入来自未利用土地,这是由于人口增加,同时也增加了对未利用土地的开发利用,此期间主要转出为林地和草地,转为林地56.65 km2、草地23.98 km2。在2010~2015年间耕地面积减少,减少的面积主要转出为林地,占总转出面积的49.9%,转入少于转出面积。各类面积均有转入。

建设用地在这3个阶段均以转入为主。在2000~2005年间转入面积为56.29 km2,占总面积的62%,转出面积为27.08 km2,主要转为耕地。在2005~2010年间主要由耕地转入,转入面积为29.1 km2,转出面积为40.44 km2。2010~2015年期间转入61.44 km2,其中耕地和草地占转入面积的87.7%,这主要是由于经济发展促进城镇化发展,建设用地增加。建设用地转出为耕地,主要来自转为城镇的农村地区的废弃土地。

草地3个阶段均以耕地转入和耕地转出为主,且转入面积大于转出面积,总体上草地面积呈现增长趋势,从2000~2015年面积增加了52.25 km2。其中2000~2005年转入面积最大,为73.42 km2,占草地面积的83.69%,2010~2015年转出最大,转出面积占总面积的67.6%。其中转入主要是来自退耕还林还草的结果,而转出主要是人口增加,扩大对草地的耕种。

未利用土地一直处于减少趋势,共减少333.48 km2,但是依旧有新的未利用土地的转入,且主要以耕地和林地的转入为主,这表明石林县的对石漠化的治理有一定的成效,同时人口增加和耕地林地的滥砍滥伐的现象依旧出现,促进了耕地和林地向未利用土地的转化。

林地是石林县主要的土地利用类型。在2000~2005年林地主要以转出为主,且主要转为耕地,占转出面积的76.9%,转入面积为51.05 km2,主要由未利用土地转入。在2005~2010年林地转入面积大于转出面积,主要来自耕地和未利用土地的转入,分别转入56.65 km2、53.24 km2,这主要是2005年政府提出退耕还林、封山育林政策,使得耕地和未利用土地转入。转出以耕地为主,33.87 km2的林地依旧被开发成为耕地。在2010~2015年林地的转入面积加大,这表明对退耕还林、水土保持等政策的确实落实和人们对环境保护的深刻认识。

水域是石林县占比最小的土地类型,水域主要由湖泊、水库和巴江流域组成。总体上水域面积呈减少趋势,且主要以转出为主。2000~2015年水域面积减少了3.47 km2,减少部分主要转出为耕地、草地和建设用地,主要是近年来气温不断升高,降水减少,以及人类对水资源的不合理利用,使得水域面积不断减少。湖泊、水库面积缩小。

4.3.2. 土地利用动态度分析

对石林县相邻两期土地利用数据进行单一动态度分析(见图3)可知:不同时间段里的土地变化情况既有一致性也有差异性。其中未利用土地的变化速度具有一致性,未利用土地的变化速度在三个阶段都呈现快速降低趋势,由第一阶段的6.9%增加至第三阶段的10.38%,表明未利用土地在2000~2015年变化程度剧烈。耕地、草地和建设用地第一阶段变化程度剧烈,动态度分别为10.63%、15.37%和9.39%,第二三阶段变化程度较小,且耕地第三阶段面积减小。林地第三阶段变化剧烈,单一动态度为4.39%,第一阶段次之为3.94%,第二阶段最小为2.16%。水域第二阶段变化最为强烈,主要是因为此期间云南遭遇干旱,气温升高,降水较少,使得石林县水域面积大幅度减小,变化较大。

4.4. 土地利用程度

基于4期遥感影像解译得到不同土地利用类型面积,根据公式(4)计算得出石林县土地利用程度综合指数(见表4),从而分析2000~2015年石林县的土地利用情况。四期土地利用程度综合指数均位于100-400之间,表明石林县的土地利用处于合理开发利用阶段。2000~2005年土地利用程度综合指数增加27.07,说明该阶段石林县的土地利用处于发展阶段,主要为耕地和草地面积的大量增加。2005~2010年土地利用综合指数增加7.95,表明该阶段土地利用相对发展缓慢,主要是林地面积的增加。2010~2015年土地利用程度综合指数增加1.53,表明该阶段石林县的土地利用状态已经趋于稳定发展,土地利用的压力相对于前两个阶段得以缓解。

Figure 3. Dynamic change map of single land use in Shilin County from 2000 to 2015

图3. 石林县2000~2015年单一土地利用动态度变化图

Table 4. Comprehensive index and change of land use degree in Shilin County

表4. 石林县土地利用程度综合指数及变化

5. 驱动力分析

5.1. 社会经济发展

2000~2015年石林县的经济发展速度较快,国民生产总值由10亿元增长到70.68亿元,工业由的6.31亿元增长到66.64亿元,农业由2.74亿元增长到34.23亿元,旅游业由1.8亿元增长到42.7亿元,增长幅度较大。经济的快速增长使土地利用类型发生变化,特别是石林县太阳能光伏电站的建立,使得裸地得到充分利用,裸地转换为建设用地,旅游业的发展也促使建设用地的增加,经济的发展必然带来人民生活的提高,使建设用地大面积增加,林地/草地和林地转化为建设用地。

5.2. 人口因素

人口在土地利用变化过程中具有重要地位。2000~2015年间石林县人口呈增长趋势,由22.28万人增加到24.96万人,其中非农人口由2.15万人增加至7.53万人,大量的人口增加必然带来对生活的高要求,住房的扩张,公共建设的增加,以及交通用地的兴建,促使建设用地的大量增加,同时占用一定的耕地、草地、裸地、水域的面积,使其转化为建设用地,从而使土地利用类型发生变化。

5.3. 气候因素

气候因素在土地利用变化中起到一定的影响,其中主要是降水和气温影响较大。在2000~2015年期间石林县的降水总体呈现下降趋势,气温总体呈现上升趋势,降水减少和气温升高,使地表水补给减少,蒸发增加,从而使水域面积逐渐减少。

5.4. 政策因素

石林县的土地利用类型变化受当地政府的政策影响。2002年政府开始提出退耕还林工程,2004年提出珠江防护林工程建设政策,2005年加大植树造林、封山育林的政策,2009年提出水土保持宣传,2011年进一步完善土地利用等一系列政策都推动石林县的林地增加,使石漠化得到改善,耕地和裸地减少。

6. 结论

本文基于石林县2000~2015年四期遥感影像进行土地利用分类,对土地利用变化及其驱动力进行分析,得出以下结论:

1) 在2000~2015年期间,石林县耕地、草地和建设用地呈现增长趋势,未利用土地和水域呈现减少趋势,林地占比先减少后增加,总体呈增加趋势。

2) 在空间变化上,未利用土地分布主要分布在长湖镇、西街口镇、石林镇,圭山镇主要以林地为主,鹿阜街道和大可乡主要以耕地为主,建设用地和耕地主要分布于鹿阜街道和大可乡,林地为全县主要用地,水域零星分布于全县。

3) 2000~2015年,石林县的土地转移特征为:耕地、建设用地、草地和林地以转入为主,未利用土地和水域主要转出为主,未利用土地主要转为林地和耕地,水域以转出耕地和草地为主。

4) 2000~2015年,石林县的土地利用程度处于合理开发利用状态,且土地利用程度综合指数的变化量逐渐减小,表明石林县的土地利用程度逐渐稳定。

5) 社会经济发展、人口因素、气候变化和政府政策是石林县土地利用变化的主要驱动因素。

通过该研究结果表明,石林县目前的土地开发利用处于合理阶段,在未来对土地资源的开发利用应继续加强对其石漠化的治理,既使土地资源利用最大化,也使生态环境最优化。

文章引用: 彭晓红 (2021) 滇中岩溶区土地利用变化特征及驱动力分析。 地理科学研究, 10, 295-304. doi: 10.12677/GSER.2021.103035

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