南汀河流域土地利用空间结构分析研究

夏 磊，史正涛，赵 杨，何依桐，杨 帆，苏旺德

(云南师范大学旅游与地理科学学院，昆明 650500)

0 引 言

西南地区国际河流众多，由于流域内不合理的农林业生产和工业活动，导致河流污染和水土流失问题严重，其中土地的不合理利用是产生上述问题的主导因素。本文以怒江一级支流南汀河流域土地利用空间结构为例，分析土地利用空间结构对流域生态环境保护和水资源合理利用及当地经济发展产生的影响。土地利用空间结构是指特定区域，国民经济各部门用地面积占土地总面积的比重[1]。在城市变迁中，随着社会经济发展和人民生活水平的提高，土地利用方式在不断地发生变化。土地利用作为人类有目的，有意识的社会经济活动贯穿人类发展的整个历史过程[2]。对土地利用空间结构的研究已经成为当前地理学探究的热点问题之一，深入认识土地类型属性以及拟定合理的土地利用方向，优化利用措施，对于保护流域生态环境和水资源都具有深远意义[3]。通过对土地利用结构的分析，可以更好的认识土地利用与自然、人口、社会和经济的关系性，进而分析土地利用布局的区域差异性[4]。

目前广泛应用神经网络、信息熵、线性规划、RS-GIS等方法对土地利用空间结构进行研究，但这些方法较为复杂，所需的资料难以获取。而洛伦茨曲线-基尼系数操作精简，且能较为精准、直接地反馈出土地利用空间结构合理性；分形方法则可弥补洛伦兹曲线对土地利用类型内在的复杂性和镶嵌程度上表达不足。文章试以洛伦兹曲线和分形方法相结合对南汀河流域土地利用空间结构进行分析，该成果可为南汀河流域土地利用结构优化提供科学依据。

1 研究区概况及数据来源

南汀河位于东经100°13′～98°40′、北纬23°17′～24°19′，发源于云南省临沧市临翔区的博尚镇，流域总长311 km，流经临翔区、云县、永德县、镇康县、耿马县等地后进入缅甸汇入萨尔温江，是一条流往缅甸的重要国际河流。中国境内流域总面积约8 207.9 km2，流域内除临沧坝子、孟定坝子外，其他均为山区、半山区。半山区是指处在山区和农区的交界处，既有山区的特点，又有农耕地区特色的地区，占流域面积的97.5%[5]。流域内少数民族聚居地分布众多，尤其以佤族为代表，其人口占全国佤族的一半以上。当地农民传统上多以陡坡种植、森林砍伐为生，毁林开荒现象较为突出，耕地主体以坡耕地为主，陡坡种植现象普遍，土地的不合理利用问题突出，大面积的土地原生植被损毁。因此在空间上合理地配置土地利用类型对南汀河流域的发展至关重要。

以研究区2010年SPOT5影像与TM/ETM影像作为土地利用现状遥感解译的数据源，利用SPOT5影像作为基准数据，将TM/ETM影像进行几何精校正，并与SPOT5影像进行融合，利用研究区边界对融合影像进行裁剪，选择543波段组合，并做图像增强处理，以便目视解译。采用GPS实测样本点，对解译所得的土地利用分类结果进行精度验证。利用ENVI5.1得到土地利用混淆矩阵，得到总体精度为87.36%，kappa系数为0.852，解译数据精度符合实验要求。同时根据《土地利用现状分类》国家标准并结合实际资料将南汀河流域土地利用类型分为：建筑用地、耕地、草地、林地、疏林地、水域以及其他用地等7大类。

2 土地利用结构分析

2.1 绘制洛伦兹曲线

洛伦兹曲线是美国经济学家M.Lorrenz在上世纪初期为研究社会财富、土地和工资收入是否公平提出的，利用频率累计数绘制成的曲线来刻画其集中或分散程度[6]。以遥感解译的南汀河流域2010年土地利用数据，绘制出南汀河流域不同土地利用类型的洛伦兹曲线，描述南汀河流域各县区土地利用类型空间分布上的分散和集中程度。具体过程如下。

首先，根据各土地利用类型的原始数据，依次计算得出南汀河流域6个县某种土地利用类型的区位熵。区位熵又称为专门化率，用其研究南汀河流域某个区域要素的空间分布状况,区位熵表示该地某土地利用类型占区域该土地类型总面积的比值与该地区土地总面积占区域土地总面积之比[7]，其公式(1)[8]:

Q=(A1/A2)/(A3/A4)

(1)

式中：Q为区位熵；A1为某县某种地类的面积，km2；A2为南汀河流域6个县某种地类总面积，km2；A3为南汀河流域某县总的土地利用面积，km2；A4为总土地面积，km2。

其次，由小到大排列区位熵，分别排列各水源地土地利用类型面积占总土地利用面积的比例，计算累计百分比(以耕地为例，见表1)。

表1 南汀河流域耕地累计百分比Tab.1 The Nanting River basin area plough cumulative percent

最后，以土地总面积的累计百分比为横坐标，各地类累计面积百分比为纵坐标，各取100长度，绘出坐标图，并根据各累计数绘制坐标点，得到的曲线至绝对均衡线的离差就是该地类的实际分布与其在全区均衡分布的相异程度[9](图1)。越接近绝对均衡线，曲线离差月越小，表明该土地在全区分布越均衡；反之，分布差异较大，即分布相对分散[10]。

图1 南汀河流域6个县土地利用类型的洛伦茨曲线Fig.1 Lorrenze curvers of Nanting River basin area land use

2.2 空间基尼系数的计算

基尼系数(Gini Coefficient)是意大利经济学家基尼1922年提出，用来考察居民内部收入分配差异的分析指标[11]，洛伦兹曲线可直观显示某土地利用类型在全区分布差异性，但无法对差异程度进行定量描述。而基尼系数可对土地利用类型的分布情况进行定量描述。在洛伦兹曲线上，基尼系数反映的是曲线与绝对均衡线之间面积和绝对均衡线以上三角形面积之比，其常用公式(2)[12]：

(2)

式中：G为基尼系数；Mi为某土地类型面积累计百分比；Qi为某县土地占研究区总土地面积的累计百分比。

基尼系数低于0.2表示分布绝对平均，0.2～0.3表示比较平均，0.3～0.4表示差距较小，0.4～0.5表示差距较大，0.6以上表示差距悬殊[13]，其计算结果见表2。

表2 南汀河流域6个县土地利用类型基尼系数Tab.2 Gini coefficient of Nanting River basin six counties area land use

2.3 分形维数的计算

分形是指部分以某种形式与整体相似的形状，自相似性和标度不变性是它的两个重要特征。分形维数是自相似系统的定量指标之一，研究其分维，主要是定量描述其核心标度。不变性是指自相似性的系统不具有特征长度，具有自相似的结构一定满足标度不变性[14]。分别计算出沧源县、镇康县、耿马县、临翔区、永德县、云县的7种不同地类的分维数和稳定性指数，可以采用公式(3)进行各地类斑块周长-面积关系的建立和各地类空间形态分维的计算[15]。

A=kP

(3)

式中：A为某一斑块面积，km2；P为同一斑块周长，km；D为分形维数；k为待定常数。

对式(3)进行双对数变换，可得：

(4)

由式(4)求出分维数。D值越大，表示空间上的镶嵌结构越复杂。当D=1.50时，表示处于空间最不稳定形态。地类空间结构稳定性指数SK计算公式为[16]：

SK=|1.5-D|

(5)

SK值越大，表示空间结构越稳定。分形维数是检验土地利用斑块形状复杂程度的指标，其值越大斑块形状越复杂。由此，绘制南汀河流域各地类周长-面积双对数散点图(图2)，并经过回归分析后依次计算出分维数和稳定性指数(表3)。

图2 南汀河流域各地类周长-面积双对数散点图Fig.2 Scatter diagram of Nanting River basin area land use perimeter-proportion double logarithmic

土地类型模型(回归方程)R2分维数稳定性指数耕地lgA=1．469lgP-0．0130．9421．3620．138林地lgA=1．502lgP-0．1450．9431．3320．168疏林地lgA=1．549lgP-0．2210．9471．2910．209草地lgA=1．497lgP-0．0840．9441．3360．164建设用地lgA=1．457lgP+0．0700．8841．3730．127水域lgA=1．256lgP+0．3770．8601．5920．092其他用地lgA=1．633lgP-0．4650．9201．2240．276

3 结果分析

3.1 洛伦茨曲线结果分析

从图1可知，耕地、林地和疏林地的洛伦兹曲线与绝对均衡线的离差较小，且3条曲线大致重合，上述3种地类在南汀河流域内均衡布局，且空间组合情况大致相同，基本合理。水域、草地和未利用地距绝对均衡线离差较大，表明该地类在整个南汀河流域内的区域布局差别显著，即布局相对离散，域内各个地区分布情况不一。

3.2 基尼系数结果分析

基尼系数对南汀河流域土地利用空间结构的分析数据与洛伦兹曲线分析得出的结果基本一致。耕地、林地、疏林地和建设用地基尼系数均小于0.2，上述4种土地利用类型分布平均，即各土地利用类型在各县的空间安排形似程度较高。而耕地和林地的基尼系数分别为0.093和0.062，表示这两种地类分布情况达到绝对平均。基尼系数在0.2～0.3范围内无相对应的土地利用类型。土地类型基尼系数分分别为草地0.374，其他用地0.361，水域0.337，均处于0.3～0.4之间，说明这2种地类比较其他几种土地利用类型的分布显得较不均衡。

造成上述结果的主要因素是南汀河流域内97.5%的面积为山地，各县区均具有大面积的林地和疏林地，因此林地与疏林地的分布较为均衡；而南汀河流域内气候属典型的亚热带湿润立体气候类型，草地仅分布在一定的海拔范围内，流域上下游各县区由于海拔高度不同造成草地分布不均；同时，由于南汀河流域不同程度的水土流失和石漠化且分布不均，使得其他用地呈现不均衡分布。

3.3 分形结果分析

由表3可知南汀河流域不同地类的分行维数排序为：水域>建设用地>耕地>草地>林地>疏林地>其他用地，分形维数越大，相同面积土地斑块的周长越长，则该地类斑块形状越复杂，即土地斑块与周边其他景观的接触面越大、镶嵌越紧密。南汀河流域土地利用类型的稳定性指数顺序为：其他用地>疏林地>林地>草地>耕地>建设用地>水域，各土地利用类型的稳定性结构与分形维数刚好相反，从景观生态的角度来看，分维数越低，土地斑块与其周边其他景观的接触面越小，受外界干扰的机会越少，更有利于斑块的稳定性[17]。南汀河流域各地类中水域的分形维数最大，但由于河流水系以线型分布，面积-周长关系与其他地类不同，造成水域的分形维数较大；建设用地分形维数较大主要是因为当地人口增长，建设用地缺乏统一规划，耕地、草地和建设用地的分形维数依次为1.362、1.336和1.373，三者较为接近，其镶嵌程度和复杂程度也相似。

4 结 语

根据空间洛伦茨曲线可直观反映区域内土地利用类型分布在其区域上的合理性以及对比关系；基尼系数的方法则是通过对其进行定量化研究来进一步表现其分布状况；分形维数可以表达土地利用的动态变化情况，动态变化情况则通过稳定性和复杂性表现出来。三者结合对探究土地利用空间结构的规律，解析土地利用布局的动态变化特征提供了很好的依据。通过上述分析可得出，水域、草地和其他用地在南汀河流域分布相对分散且分布不均衡，耕地、林地和疏林地分布较为均衡，建设用地结构复杂，镶嵌程度高，而水域的稳定性最差。草地在在南汀河流域分布不均衡、空间结构复杂。

通过遥感解译得到的土地利用数据结合上述分析，南汀河流域内建设用地占总面积的1.9%且分布不均衡，形成这一现状的主要原因是近年来当地人口扩张及经济增长，居民建房缺乏统一规划，流域内居民居住分散程度较高。而流域内耕地面积占20%，然而有97.5%的面积为山地，这一地区并不适宜农业生产发展，然而当地居民迫于生存压力，将大面积坡地改造为耕地，使得当地居民毁林开荒问题严重，而南汀河流域大部分地区表层土质疏松、地质构造破碎、地表植被抗冲刷能力较差，易引起水土流失及滑坡、泥石流等地质灾害，导致泥沙淤塞河道，影响航运，增加洪涝风险，同时水土流失直接危害肥沃的表层土壤，使之变薄乃至丧失，流域内土地的生产力受到破坏。

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