2001—2013年云贵高原土地利用动态变化分析

许玉凤，陈 宸，陈洪升

(1.黔南民族师范学院 民族地区可持续脱贫与乡村现代化治理研究中心，贵州 都匀 558000；2.新疆农业大学 草业与环境科学学院，新疆 乌鲁木齐 830011；3.黔南民族职业技术学院，贵州 都匀 558000)

土地利用变化能很好地反映社会经济发展的历程，是人类活动最为显著的表现形式[1]。土地利用变化是人类-环境耦合系统研究的理想切入点[2-3]，它直接影响水资源利用、碳氮物质排放等，并危及陆地生态系统安全。研究人类活动对生态环境的影响程度及其相应机理是解决生态环境危机和促进经济、社会可持续发展的重要途径之一。

土地资源是人类生存和社会发展所不可替代的物质基础和支撑，随着经济的发展和人口的增加，对土地资源的需求也不断增加，城市土地利用结构变化迅速。在一些脆弱区域，当基层组织和居民对环境退化消极响应的时候，政府的积极响应对于区域的可持续发展尤为重要[4]。因此，研究区域土地利用结构及其动态变化对于深刻认识区域的生态环境、维持生态平衡、促进区域经济与环境的协调发展具有重要意义。

云贵高原属于典型喀斯特地区，也是全球生态脆弱区，其生态系统对气候变化和人类活动的影响极为敏感。云贵高原生态系统对国家生态安全具有重要的屏障作用。在人口压力下，当地居民为了维持生计而进行的薪材砍伐、过牧、开垦等土地利用行为导致了水土流失加剧，石漠化面积加大，景观破碎、土壤侵蚀、草地退化、泥石流多发、生物多样性丧失等问题引起各界关注。针对云贵高原的环境退化问题，中央和地方政府采取了一系列积极措施，如退耕还林、退牧还草、生态移民等。然而，目前对于在相关措施驱动下云贵高原区域土地利用/覆被变化的研究较少。

本研究选择位于中国南方喀斯特地区的云贵高原作为研究区，根据2001—2013年云贵高原环境遥感动态监测资料和实地调查资料，系统分析了2001—2013年云贵高原土地利用动态变化特征，这对云贵高原地区生态环境保护具有重要的理论意义和现实意义。

1 研究区概况

云贵高原位于中国西南部，介于21°～30°N、97°～112°E之间，是中国第四大高原，西起横断山区，北邻四川盆地，东到湖南省雪峰山，包括云南省东部、广西壮族自治区西北部、贵州省全部，以及重庆、湖南、湖北等省市的部分地区。

云贵高原处于中国南北走向和东北—西南走向两组山脉的交会处，地势西北高东南低，崎岖不平，海拔1 000～2 000 m，是典型喀斯特地形，石灰岩广布，到处有溶洞、石钟乳、石笋、石柱、地下暗河、峰林等。

由于地势较高、纬度较低，受季风气候制约的综合影响，形成了四季温差小、干湿分明、气候资源垂直变化显著的低纬高原季风气候，四季如春。

云贵高原气候温暖湿润，植被生长茂盛，植物根部分泌的酸类和植物体分解时所产生的酸类都特别多，同时各种水体中的二氧化碳含量也比较高，因此，便形成了云贵高原极为发育的岩溶地貌。

目前云贵高原的生态环境问题主要是由于地形崎岖、喀斯特地貌裂隙较多等地形地貌因素和人地矛盾引起的过度垦殖、陡坡开荒等人为因素，以及干旱与降水异常等气候因素综合影响所致的石漠化。

2 研究数据与方法

2.1 土地覆盖分类数据集

本研究使用的土地覆盖数据来自NASA(National Aeronautics and Space Administration)MODIS陆地产品组开发的土地覆盖数据产品(MCD12Q1)。本研究选取了2001—2013年空间分辨率为500 m、每年一次的IGBP(International Geosphere-Biosphere Programme)土地覆盖分类数据。已有研究表明，IGBP土地覆盖分类数据在中国区域有较高的整体分类精度[5]，虽然云贵高原地区受植被饱和度和复杂地形条件的影响较大，但是研究其变化趋势还是能够说明一些问题。

2.2 研究方法

2.2.1 土地利用动态度

土地利用动态度是用来定量研究某一土地类型数量变化的指标，可以反映土地利用类型的变化幅度与变化速度，其意义在于刻画区域土地利用变化的剧烈程度，可预测未来土地变化趋势，并能够反映土地利用变化速率的区域差异。

单一土地利用动态度的表达式为

(1)

式中：K为研究时段某一土地利用类型动态度；Ua、Ub分别为研究期初、末某一土地利用类型面积；T为研究时段长。

2.2.2 土地利用类型转移矩阵

地类间相互转移面积的概率组成的矩阵称为转移矩阵，可以反映一个时期内由一种土地类型转化到另一种类型的数量多少，便于了解研究期初各类型土地的去向及研究期末各土地利用类型的来源与构成[6]。在ArcGIS操作平台上获得不同时期的土地利用类型面积变化数量，据此可以求得表示土地利用类型相互转化的数量关系的转移矩阵。

2.2.3 土地利用程度综合指数

土地利用程度综合指数可以反映某区域特定时期的土地利用程度，研究期间的指数变化可反映区域土地利用程度变化[7]，主要反映区域土地利用的广度和深度等方面的变化程度。参考已有研究成果[8-9]，并结合研究区实际，将土地利用类型整合为未利用土地、林草水用地、农业用地、农业用地与天然植被镶嵌体(简称“镶嵌体”)和城乡建设用地等5级(表1)，并且分别将分级指数设定为1、2、3、4、5。

(2)

式中：L为土地利用程度综合指数；Ai为区域内第i级土地利用程度分级指数；Qi为区域内第i级土地利用程度分级面积比例；n为土地利用程度分级数。

表1 土地利用程度分级指数

2.2.4 土地利用结构信息熵、均衡度和优势度

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，表明不同职能的土地利用类型越多，各职能类型的面积相差越小，土地分布越均衡[10]。其计算公式为

(3)

式中：m为土地利用类型数量；Pi为第i类土地利用类型的面积比例。

基于信息熵函数构建的土地利用结构均衡度(E)，目的在于反映土地利用结构的均衡程度[10]。其取值范围为，E值越大均质性越强，当E=0时用地处于最不均匀状态，当E=1时研究区用地类型达到理想平衡状态。其计算公式为

(4)

优势度(I)体现区域内一种或几种土地利用类型支配该区域土地类型的程度，其表达式为

I=1-E

(5)

土地利用结构信息熵和均衡度、优势度可以在一定程度上综合反映某区域在一定时间段内的土地利用结构特征、动态变化及其转换程度，对具体区域土地利用结构的调整与优化、土地利用总体规划有着一定的指导和借鉴意义。

2.2.5 土地利用生态服务价值当量因子

生态系统服务功能价值是生态保护、生态功能区划、自然资产核算和生态补偿决策的依据和基础，并且生态服务功能呈现出与生态功能密切相关的时空动态变化特征[11]。一般采用土地利用生态服务价值当量因子反映生态系统服务功能价值的大小。单位面积生态系统服务功能价值的基础当量是指不同类型生态系统单位面积上各类服务功能年均价值当量。

生态系统提供的服务一般包括供给服务、调节服务、支持服务和文化服务等四种一级类别，根据不同生态系统类型面积，计算不同生态服务功能的时空动态价值[12]。采用基于单位面积价值当量因子的方法，核算云贵高原生态系统的生态服务价值，分析近十几年云贵高原生态系统服务的生态效应，可为自然资产评估和生态补偿等方面研究提供理论参考。

3 分析结果

3.1 土地利用动态变化

由表2可看出，2001—2013年，研究区耕地、林地、城乡建设用地面积在增加，草地、永久湿地、镶嵌体、水域与未利用地面积在减少。有研究表明，2001—2009年贵州省草地面积呈增加趋势，云南草地面积呈减小趋势；云贵高原各省区耕地面积呈减少趋势[13]。但2009年以后，贵州省茶园面积迅速增加，表现为耕地面积扩张很快。

表2 2001—2013年不同利用类型的土地面积占总面积的比例 %

由表3可知，2001—2013年研究区林地与耕地土地利用动态度值分别为最大值和次大值，表明这两种土地利用类型呈明显扩张趋势；未利用地、永久湿地和草地等出现较大负值，说明这几种土地面积在减少。

表3 2001—2013年云贵高原土地利用动态度

3.2 土地利用系统稳定性分析

3.2.1 土地利用程度综合指数

土地利用程度综合指数最大的意义在于它能够反映区域土地利用的集约程度，可以衡量区域土地利用所处发展或衰退阶段。2001—2013年，研究区土地利用程度综合指数呈上升趋势(图1)，表明云贵高原地区的土地利用处于发展阶段，尤其是2009年之后土地利用程度综合指数跃升幅度较大，土地利用发展较快。

图1 2001—2013年云贵高原土地利用程度综合指数

3.2.2 土地利用结构信息熵值与均衡度、优势度变化

根据信息熵原理，信息熵越高表明系统有序程度越低、越无序混乱，信息熵减小表明系统向有序发展。利用信息熵原理对研究区土地利用结构合理性进行研究，可以了解在人类活动影响下土地系统有序程度的变化趋势，并能定量研究人类活动对区域系统的影响程度。

由图2可看出，2001—2013年云贵高原土地利用结构信息熵经历了两个明显的阶段：第一阶段为2001—2006年，信息熵处于较快增长阶段，从1.172 9升高到1.278 7，年均增长1.764%；第二阶段为2007—2013年，信息熵呈下降趋势。土地利用结构的变化是导致云贵高原土地利用结构信息熵值变化的直接原因：2006年以前，耕地、林地和草地都在减少，建设用地、湿地有所增加；2006年以后，云贵高原的耕地、林地面积在增加，草地和未利用地在减少(表2)，草地逐步向耕地、林地等用地类型转化，林地中果园和经济林面积增加，农业产业结构升级，传统农业开始向现代农业转化。

图2 2001—2013年云贵高原土地利用信息熵变化

2001—2013年土地利用均衡度与信息熵的变化一致，呈现先上升后下降的趋势，而优势度变化趋势则相反(图3)。研究期初，草地、林地、耕地等用地面积减少(表2)，草地向其他用地类型转化较多，土地利用结构趋于均衡；研究期末，耕地、林地等在区域土地利用中的支配地位占优势，土地利用信息熵减小，土地利用优势度呈上升趋势。

图3 2001—2013年土地利用结构均衡度和优势度变化

2006年前，由于大量农村人员外出打工，造成弃耕地增加，农业用地与天然植被镶嵌体面积增加，土地利用均衡度呈上升趋势。2006年之后，国家相关部门相继出台保护耕地、退耕还林还草等政策，使得耕地、林地等土地类型面积增大，同时由于社会发展的需要，其他地类转换为建设用地的面积在增加，土地利用结构均衡度有所降低，土地利用优势度又有所回升。

综上来看，云贵高原土地利用信息熵由上升逐渐转变为下降趋势，说明该区域土地利用系统在向相对有序的状态演变；土地利用均衡度由逐渐增加到逐渐减少，表明区域土地利用均衡程度不断降低；土地利用优势度呈上升趋势，表明以耕地、林地为代表的土地利用类型在该区域的支配程度不断增加。

3.3 土地利用转化分析

由表4可以看出，2013年研究区耕地面积的3.3%、53.76%、15.20%和0.09%分别由2001年的林地、草地、镶嵌体和永久湿地转化而来，林地面积的3.58%、44.11%、5.50%分别由耕地、草地和镶嵌体转化而来，草地面积的5.90%、8.39%、9.75%分别由耕地、林地和镶嵌体转化而来，永久湿地面积的12.93%、16.77%、43.42%、6.30%、6.24%和1.36%分别由耕地、林地、草地、镶嵌体、水域和未利用地转化而来，镶嵌体面积的17.99%、6.83%、48.10%分别由耕地、林地、草地转化而来，城乡建设用地面积的0.08%、0.05%分别由永久湿地和水域转化而来，水域面积的0.96%、1.51%、1.48%、0.93%、0.46%、0.03%、0.55%分别由耕地、林地、草地、永久湿地、镶嵌体、城乡建设用地转化而来，未利用地面积的4.35%、8.70%、24.64%、7.25%、2.90%、43.48%分别由耕地、林地、草地、永久湿地、镶嵌体和水域转化而来。

表4 2001年土地利用类型转化为2013年的情况及其占各自地类面积的比例 %

综上来看，在土地利用转化中，草地转化为其他类型用地的面积比例较大，其次为耕地。各地类之间的转化主要是生态保护政策的实施和社会发展的需要所致。

3.4 土地利用生态服务功能变化

生态系统服务功能是指生态系统与生态过程所形成的人类赖以生存和发展的自然环境及其效用。针对土地利用引起的生态系统服务功能变化，采用谢高地等[12-13]总结的生态当量因子方法对云贵高原进行生态系统服务价值评估。历年的生态系统服务价值的变化可以动态反映云贵高原生态系统的健康程度及不同服务类别的大小，揭示研究阶段云贵高原生态系统服务价值大小，有利于科学评估其自然资产数量并为生态补偿提供依据。

据核算，2001—2013年云贵高原的生态系统服务价值增加10.83亿元，增加了23.85%，呈上升趋势(图4)。其中除食物生产功能下降之外，其余功能都有所提高，如气体调节、气候调节、保持土壤等，尤其是原材料生产和提供美学景观、维护生物多样性方面增长趋势显著(表5)。

图4 2001—2013年云贵高原生态服务价值变化趋势

4 结 论

本研究基于遥感图像，从空间耦合角度分析了云贵高原2001—2013年土地利用变化及其生态系统服务价值变化趋势。研究表明，研究区耕地、林地面积在显著增加，建设用地面积有所增加，草地、水域、永久湿地、镶嵌体及未利用地面积在减少。

表5 2001—2013年云贵高原生态系统服务价值变化 亿元

(1)研究期间，耕地、林地、建设用地等用地面积增加，且林地面积增加最显著；其余土地利用类型面积均有所减少，草地减少面积比例最大。2009年前由于退耕还林等政策实施，耕地面积减少、林地面积大幅度增加；2009年之后，由于茶园种植面积增加幅度较大，显示为耕地面积增加较快。

(2)研究期间，土地利用程度综合指数略有上升，土地利用信息熵和土地利用均衡度均呈现先增加后减小的趋势，土地利用优势度由下降转为提升，表明土地利用的有序程度由减弱到增强，土地利用合理性在逐步增加。

(3)研究期间，土地生态系统服务功能在上升，除供给服务的食物生产功能稍有下降外，调节服务、支持服务和文化服务的功能都在提高。

综上所述，研究期间云贵高原的土地利用呈现良性发展趋势，但是其中存在的问题也应该引起足够的重视。