都安县土地利用时空变化与生态环境质量的时空关系

都安县土地利用时空变化与生态环境质量的时空关系

区域土地利用变化（lucc）及其环境效应已成为研究土地科学的一个热点问题之一。这项研究主要集中在区域土地利用变化的区域气候、水文效应以及对土壤养分和生物多样性的影响上。由于问题的复杂性,对特定LUCC生态环境效应的综合定量分析和评价仍处于探索中。1学习方法1.1研究区域和数据处理1.1.1气候、地貌条件都安瑶族自治县位于广西中部偏西,介于东经107°46′～108°31′,北纬23°48′～24°35′之间,南宁至金城江公路干线贯穿于自治县境南北,地处云贵高原向广西盆地过渡的斜坡地带。地势北西高,东南低,地形复杂,全境多以喀斯特石山为主,分为峰丛洼地、峰丛谷地和峰林谷地3种地貌单元,只有南部的澄江、东部的百旺和北部的下坳至板岭一带有土山丘陵分布。山地、台地和谷地平原分别占全县面积的77.9%,13.2%和8.9%。气候属于中亚热带季风气候与南亚热带季风气候区的过渡地带,年均气温18.2℃～21.7℃,年降雨量1200～1900mm,但雨量集中于夏季,约占年降雨量的68.3%,且以暴雨形式降落,常造成洪涝灾害。地表水系不发育,地下水丰富,但埋藏深,水量、水位动态不稳,春、秋干旱,水土流失日趋严重。地层以石灰系和二迭系碳酸盐为主,约占总面积的90%。土壤划分为7个土类,23个亚类,以石灰岩土为主,占全自治县土地总面积的83.28%。自然植被以石山区亚热带喜钙耐旱常绿阔叶树为主,但由于人为的毁林,多已沦为石山藤木灌丛植被。全县总人口6351万(2003年),人口密度152.54人/km2,其中农业人口58.7万人,占93.9%。该县岩溶地貌广泛分布,人地矛盾突出,是广西生态环境较差,且资源环境与社会经济发展矛盾比较突出的地区。1.1.2土地利用/土地覆被分类系统根据《县级基本资源遥感动态信息系统本底数据库建设技术规程》和实际情况,采用二级分级系统来确定喀斯特土地利用/土地覆被分类系统,其中一级包括6个类,二级分为14个类。由于土地利用二级分类系统具有较高分辨率,且体现了明显的生态差异性。根据专家评分和层次分析法相结合,可对二级分类体系下的土地利用类型所具有的生态环境质量进行赋值,如表1所示。1.2土地使用变化研究方法1.2.1土地利用类型地图编码在GIS技术的支持下,通过对不同时期的遥感影像或土地利用图进行空间叠加运算,求出各时期土地利用类型的转移矩阵,进而分析土地利用变化的过程。在实际应用时,对于任意两期土地利用类型图,按照地图代数方法可以求得Cij=Akijkij×10+Ak+1ijk+1ij(土地利用类型小于10时适用)。式中:i和j是一种土地利用类型在图上的经纬位置;Akijkij,Ak+1ij分别为k时期和由k+1时期的土地利用类型;Ci+j为k时期到k+1时期的土地利用变化图,表示土地利用变化的类型及其空间分布。据此可以求得土地利用类型相互转化的数量关系的原始转移矩阵。1.2.2土地利用/覆被的多样性指数土地利用格局是由大大小小的斑块组成,斑块的空间分布称为格局。采用景观空间格局的定量描述指标,可对土地利用空间格局进行定量分析;对不同时期的指标进行比较,可以把土地利用格局的空间特征和时间过程联系起来。具体指标如下。(1)土地利用/覆被的多样性指数(H)指土地利用/覆被中类型的丰富和复杂程度。其表达式为Η=-n∑i=1Ρi×logΡi2。H=−∑i=1nPi×logPi2。式中:Pi是第i种土地利用类型占总面积的比;n为区内土地利用类型总数。(2)土地利用/覆被的优势度指数(D)用于度量土地利用结构中一种或几种土地利用类型支配整个土地利用/覆被格局的程度,表达式D=Ηmax+n∑i=1Ρi×logΡi2‚Ηmax=logΡi2。D=Hmax+∑i=1nPi×logPi2‚Hmax=logPi2。(3)土地利用/覆被的均匀指数(E)用来描述土地利用/覆被中不同类型的分配均匀程度,表达式E=Η/Ηmax×100%‚?Ηmax=logΡi2。E=H/Hmax×100%‚?Hmax=logPi2。1.2.3土地利用变化过程的转移概率土地利用变化预测可采用马尔柯夫的数学模型。马尔柯夫(马氏)过程是一种特殊的随机运动过程,它反映的是一系列特定的时间间隔下,一个亚稳定系统由t时刻状态向t+1时刻状态转化的一系列过程。其最大特点是:在t+1时刻的状态只与t时刻的状态有关,而与以前的状态无关。这一特性用于土地利用变化的预测是合理的,而成功地应用马氏模型的关键在于转移概率矩阵的确定。土地利用类型转移概率矩阵的数学表达式Ρ=[Ρ11Ρ12⋯Ρ1nΡ21Ρ22⋯Ρ2n⋯⋯⋯⋯Ρn1Ρn2⋯Ρnn]。P=⎡⎣⎢⎢⎢⎢P11P21⋯Pn1P12P22⋯Pn2⋯⋯⋯⋯P1nP2n⋯Pnn⎤⎦⎥⎥⎥⎥。式中:Pij为土地利用类型i转化为土地利用类型j的转移概率。转移矩阵的每一项元素需要满足以下条件:当0≤Pij≤1,即各元素为非负值;当n∑j=1Ρij=1∑j=1nPij=1,即每行元素之和为1。根据马氏过程性质和条件概率的定义,运用马氏过程的基本方程Ρ(n)ij=n-1∑k=0ΡikΡ(n-)kj=n-1∑k=0Ρ(n-)ikΡkj。P(n)ij=∑k=0n−1PikP(n−)kj=∑k=0n−1P(n−)ikPkj。依据该方程即可计算出系统经n步转移后,达到的状态概率矩阵。但对土地利用变化过程而言,有意义的参数是转换速率而不是转移概率,这与时间连续的马氏过程相近。设aij(i≠j)为状态i到状态j的转移速率,则在时间间隔dt内处于状态i的过程转移到状态j的概率是aijdt(i≠j)。状态作出2次或更多次转移的概率与(dt)2或更高次方同阶,由于我们在分析土地利用变化过程时,时间间隔dt取1年,所以得到的转移速率矩阵与上述转移概率矩阵等效。其中时间间隔dt内,系统状态未发生转移,即i=j时的转移概率为Ρij=1-∑i≠jaijdt。Pij=1−∑i≠jaijdt。对于土地利用变化而言,如果现有的外界干扰条件不变一直持续下去,人们经过对土地长时间的利用,n趋向于无穷大时,转移概率达到相对稳定状态,此时各土地利用类型面积所占比例与其初始状态无关。马氏过程稳定状态的方程组{Ν∑j=1aj=1‚aj=Ν∑i=1aiΡij。⎧⎩⎨⎪⎪⎪⎪⎪⎪⎪⎪⎪⎪⎪⎪∑j=1Naj=1‚aj=∑i=1NaiPij。式中:ai,aj为各土地利用类型的面积百分比;Pij为转移概率;N为土地利用类型的数量;i,j代表1～n间的数值。1.3土地利用强度土地利用变化强度指数是指某一区域,如乡(镇)等单位面积上类型用地从a时期到b时期发生的改变。该研究通过构建该指数来度量、表征土地利用强度的区域分异特征,其计算公式LUΙt=(Κbj-Κaj)/LAt×1Τ×100%。LUIt=(Kbj−Kaj)/LAt×1T×100%。式中:LUIi为土地利用类型j在某一空间单元i(乡镇)内的土地利用变化强度指数;Kaj,Kbj为研究初期a及研究末期b土地利用类型j在空间单元i内的面积;LAi为空间单元i的土地面积;T为研究末期和初期相间隔的时间。1.4区域生态环境质量指数的建立1.4.1生态环境指数evt综合考虑区域内各土地利用所具有的生态质量及面积比例,用以定量表征某一区域(乡镇级行政单元)内生态环境质量的总体状况,其表达式EVt=Ν∑i=1LUi×Ci/ΤA。EVt=∑i=1NLUi×Ci/TA。式中:LUi,Ci为该区域内t时期第i种土地利用类型所具有的面积和生态环境指数;TA为该区域总面积;N为区域内所具有的土地利用类型数量。1.4.2生态质量指数la/1-le指某一种土地利用变化类型所导致的区域生态质量的改变,其表达式LEΙ=(LEt+1-LEt)LA/ΤA。式中:LEt+1,LEt为某一土地利用变化类型所反映的变化末期和初期土地利用类型所具有生态质量指数;LA为该变化类型的面积;TA为该研究单元——乡(镇)级行政单元的总面积。2研究结果2.11977年至1999年的土地利用变化特征2.1.1土地利用变化将1977～1999年的土地利用现状信息层分别叠加即可得出该区两个时期的土地利用变化图。利用ArcView3.2,SPATIALANALYST模块功能统计这两个时期各主要土地利用变化类型面积,据此绘制都安瑶族自治县22年来土地利用结构变化图(图1)。由此可总结出近22年来都安土地利用变化的特点:坡耕地一直呈增长趋势,主要分布在下坳、隆福、保安、板岭和拉仁;有林地不断地增加,增加幅度较大的乡(镇)有下坳、板岭和百旺;建设用地不断地扩展,主要在澄江安阳地苏高岭、拉仁和板岭;灌丛地的面积呈现减少的态势,减少2000hm2的有大兴、保安、菁盛、拉烈、永安等乡(镇),未利用地,尤其是裸岩地一直呈扩大趋势,扩大较快的乡(镇)有九渡、保安、菁盛、拉烈和隆福;而草地和水域变化不大。2.1.2土地利用类型的动态监测特征采用景观空间格局定量分析模型,得出土地利用空间格局指数,以及采用不同动态监测模型测算,都安瑶族自治县从1977～1999年间各土地利用类型的变化速率的结果见(表2)。2.2土地使用结构的预测分析2.2.1土地利用类型的年平均转移概率将都安土地利用变化按历史时期分成几个阶段,先求出初始状态各土地利用类型的转移概率矩阵,以年为基本时间单位,求出各时间段内土地利用的年平均转移概率(表3)。2.2.2初始状态转移概率借助MATLAB软件求出1977年后各年任何一年的土地利用类型的转移概率矩阵P(n)及各土地利用所占比例An,由此可以模拟出各土地利用类型所占比例的变化情况。例如,从初始状态经过n=22步转移到1999年的转移概率矩阵预测1999年各土地利用类型所占比例如表3所示。在1977年初始状态矩阵和初始状态转移概率的基础上,用马氏过程模拟的1999年的数据与从影像数据中提取的数据计算值进行比较(表4),可以看出,有林地、裸岩地、沟谷耕地、水体模拟结果与实测情况差异不显著,两者吻合情况较好。这说明采用土地利用类型之间的面积转移矩阵所确定的转移概率,通过马氏过程模型来预测土地利用格局的变化是可行的。2.2.3土地利用变化据马氏过程稳定状态定义,稳定状态转移概率之值就是土地利用类型达到相对稳定状态时所占面积百分比。为了预测都安瑶族自治县2000年以后土地利用变化趋势,进一步计算该县2010年和2021年各土地利用占区域土地总面积的百分比(表5)。可以看出,1999～2021年间,都安县耕地面积呈现不断减少的趋势。依照1977～1999年间的土地利用变化趋势,当裸岩地面积增加到占总土地面积的48.63%时,系统达到稳定状态。2.3土地利用转变类型及贡献率区域生态环境质量指数主要取决于通过土地利用/土地覆盖类型体现出来的生态环境结构。1977～1999年期间,都安乡(镇)级单元内的生态质量同时发生着好转和恶化两种相反趋势,这两种趋势在一定程度上相互抵消,但其生态质量在总体上呈恶化趋势。导致区域生态环境质量改善的主要土地利用转变类型和贡献率见表6,导致区域生态环境质量恶化的主要土地利用转变类型及贡献率见表7。由此可见,近20多年来都安生态环境整体恶化,主要是多种土地利用类型不同地退化为裸岩地,喀斯特石漠化日趋严重。2.4土地使用变化对生态环境影响的分析2.4.1生态环境质量不同土地利用类型的生态环境质量具有明显差异性。从图2可看出,都安22年来各乡(镇)生态环境质量变化有很大差异。这是由于从1977～1999年各乡(镇)土地利用结构及其土地利用转变类型不同,以致其生态环境质量变化不同。2.4.2土地利用变化采用直方图分类方法,根据生态环境质量恶化程度,将都安生态质量变化划为3个等级,绘制都安土地利用变化对生态环境质量变化影响分布(图3)。1977～1999年都安大多乡(镇)的裸岩地都增大,取代了生态价值相对较好的其它用地,因此生态环境质量普遍恶化。3