1990—2015年剑湖流域土地利用变化动态及趋势预测

2016-12-15郭玉静刘云根闻国静

西南林业大学学报 2016年6期

郭玉静王妍郑毅刘云根侯磊张超闻国静

(1. 西南林业大学环境科学与工程学院，云南昆明 650224；2. 西南林业大学国家高原湿地研究中心，云南昆明 650224；3. 西南林业大学农村污水处理研究所，云南昆明 650224；4. 西南林业大学林学院，云南昆明 650224)

郭玉静1,2王妍1,3郑毅1刘云根1,3侯磊1,3张超4闻国静1

基于1990—2015年6期Landsat影像数据，借助ArcGIS平台，采用土地利用动态度、转移矩阵及CA-Markov模型，研究了近25年剑湖流域土地利用动态变化特征，并预测其未来15年土地利用变化趋势。结果表明：1990—2015剑湖流域土地利用空间格局发生了明显变化，变化面积达8.18%，变化速度表现为先减小后增加再减小又增加的趋势；25年间水域面积减少93.51 hm2，未利用地面积减少2 664.99 hm2，农地面积增加1 038.42 hm2，林地面积增加450.81 hm2，建筑用地面积增加1 269.27 hm2，土地利用强度逐渐增大；2015—2020年、2020—2030年土地利用格局基本保持了1990—2015年的变化趋势，建筑用地和林地继续增加，预计2030年建筑用地和林地面积将分别为3 300、33 588 hm2。

剑湖流域；土地利用；转移矩阵；CA-Markov模型；变化动态；趋势

人类活动在城市、区域、国家和全球范围内影响着土地利用变化，因此对土地利用变化过程的研究和未来的预测成为全球变化研究的重要领域[1-3]。当前在研究土地利用变化过程中，常用的研究方法有土地利用程度综合指数、土地利用转移矩阵、土地利用动态度、土地利用类型的重心迁移、景观格局指数等[4-7]。高原湖泊具有地形独特、流域面积小、水源补给有限、换水周期长、污染风险高、富营养化等特点[8-10]，前人在高原湖泊研究中先后采用景观格局指数分析了研究区景观演变特征和驱动因子[11-12]，采用转移矩阵、动态度、利用程度等方法研究了流域土地利用变化特征和空间分异规律[7]，采用构建库兹涅兹曲线研究了云南省高原湖泊流域土地利用与水环境变化的异质性等[13]，均取得较好的成果，对高原湖泊的保护具有重要的理论和现实意义。然而关于高原湖泊流域的土地利用模拟预测却鲜有报道，因此深入研究高原湖泊流域土地利用动态变化，对于保护和修复高原湖泊湿地生态系统具有重要意义。

剑湖是典型高原湖泊，属澜沧江流域，是云南省省级自然保护区，在调节流域气候和保护生物多样性等方面发挥着巨大作用[14]，但目前存在湖面面积萎缩和水质变差等问题。目前，对剑湖的研究主要集中在湖泊沉积[15]、湿地土壤[16-17]、湖滨带[18-19]、湿地植物[20-21]、湿地生态修复[22]等方面，从土地利用及动态变化的角度讨论流域保护却少有报道。本研究以剑湖流域1990—2015年具有代表性的6期Landsat影像为基础数据，对剑湖流域土地利用动态变化及预测进行研究，以期为土地利用总体规划和区域土地资源合理利用以及剑湖保护提供充足的理论依据和有效的决策支持。

1 研究区自然概况

研究区剑湖流域位于青藏高原与云贵高原交界处的横断山脉中断东侧，地貌类型多样，结构复杂，主要地貌类型有山地地貌和河谷与盆地地貌。剑湖是侵蚀构造型湖泊，位于云南省大理州剑川县县城东南部，地处东经99°55′，北纬26°28′，距县城4.5 km，海拔2 186 m。

剑湖流域属澜沧江流域西江水系，有永丰河、金龙河、格美江、螳螂河和狮河等主要河流汇入湖中，剑湖出水口进入黑惠江后流入漾濞江，最终进入澜沧江。剑湖湖滨湿地水生维管植物112科281属，有443种；主要动物种类鱼类15种，隶属于3目4科14属；鸟类32科62属94种；两栖动物13种；爬行动物16种。剑湖流域的动植物资源丰富多样，其中部分动植物是国家级的保护对象，如国家II级保护植物海菜花 (Otteliaacuminata)，国家I级保护动物黑鹤 (Ciconianigra)，以及国家II级保护动物赤麻鸭 (Tadomaferruginea)。2006年剑湖被云南省人民政府批准为省级自然保护区，总面积4 630.3 hm2，其主要保护对象是湿地野生动植物和高原湿地生态系统。

2 数据与方法

2.1 研究数据

本研究以剑湖流域1990年、1995年、2000年、2005年、2009年、2015年6期TM/OLI影像为主要信息源，采集土地利用图等相关地理数据，进行影像纠正和辅助解译。考虑研究区的气候特征、云雾状况等，采用4、5、3波段组合，对图像进行几何校正、大气校正、数据融合等预处理后，利用Erdas和ArcGIS软件，并根据GB/T 21010—2007 《土地利用现状分类》，结合剑湖流域土地资源的性质和特点，将研究区土地利用类型划分为农地、林地、水域、建筑用地和未利用地，其中将火烧迹地、宜林荒山荒地和草地划分到未利用地，水库和湖泊划分到水域 (图1)，建立剑湖流域6期土地利用空间数据库。

2.2 研究方法

本研究采用土地利用动态度、土地利用转移矩阵和CA-Marcov模型进行土地利用动态变化分析和模拟预测研究。土地利用动态度刻画了某段时间范围内各土地利用类型的数量变化，包括土地资源数量变化、土地利用空间变化和土地利用类型组合方式变化等，可分为单一土地利用动态度和综合土地利用动态度2类[23]，计算公式参考文献[23-24]。土地利用转移矩阵描述了各种土地利用类型之间的转换，是用来刻画区域土地利用变化方向和各土地利用类型研究期末的来源和构成[25]，计算公式参考文献[26]。CA-Markov模型是以马尔科夫链为基础，根据事件现状预测未来各个时刻变动状况，是一种对事件发生概率进行预测的手段和方法，计算公式参考文献[25]。

3 结果与分析

3.1 土地利用动态度分析

根据单一类型土地利用动态度和综合土地利用动态度计算公式，计算剑湖流域1990—2015年建筑用地、林地、农地、水域以及未利用地的年平均动态变化情况，结果见表1。

单一类型土地利用动态度计算结果表明：建筑用地、林地和农地的面积持续增加，其中建筑用地年变化率由1990—1995年的1.06%增至2000—2005年的10.84%，之后增加速率变缓，从2005—2010年的1.41%降至2010—2015年的1.08%；林地年变化率呈现出先减小后上升又减小的增长趋势，1990—1995年年变化速率最高，为0.95%，这是因为1991年以来剑川县实施森林保护和森林培育，林地面积得以持续增加；农地年变化率由1990—1995年的0.09%增至2000—2005年的0.56%，继而增速先减小又小幅上升；与建筑用地、林地和农地变化趋势相反，流域内水域和未利用地面积不断减少，水域变化速率总体上不断减小，由1990—1995年的0.31%减至2010—2015年的0.47%；未利用地的年变化减少速率总体在减小，由1990—1995年的1.55%减至2010—2015年的7.5%。

图1 1990—2015年剑湖流域土地利用类型

表1 剑湖流域1990—2015年土地利用动态度计算结果

综合土地利用动态度计算结果表明：1990—1995年剑湖流域全部土地年变化率为0.09%，增至2000—2005年的0.30%，达到最大值，然后又逐渐减至2010—2015年的0.08%，剑湖流域土地利用变化速率呈现先增加后减少的特征。

3.2 土地利用类型转换

1990—2015年分时段剑湖流域土地利用转移矩阵见表2。

表2 1990—2015年分时段剑湖流域土地利用转移矩阵

由表2转移矩阵计算可知，1990—1995年、1995—2000年、2000—2005年、2005—2010年和2010—2015年土地利用变化的面积分别占总面积的23.16%、2.27%、3.90%、0.90%、1.47%，1990—2015年土地利用类型发生变化的面积为8.18%。表明25年来随经济发展和城镇化进程加快，剑湖流域土地利用发生了明显变化，但其变化速度表现为 “W” 的形式，即先减小后增加再减小后又增加的趋势。

1990—2015年剑湖流域建筑用地面积持续增加。在此时段内剑湖流域建筑用地无转出，转入的面积比例为19.6% (面积为1 271.21 hm2)，其主要来源为农地和未利用地，农地占转入面积的58.24%，未利用地占转入面积的34.02%。值得注意的是，在2000—2005年建筑用地的转入量为845.94 hm2，在5个时段内转入量最大。

1990—2015年林地的转入总量大于转出总量，林地转为其他土地类型的比例为1.75% (面积为576.87 hm2)，其中85.02%的林地转为农地；从其他土地利用类型转为林地的面积为1 023.29 hm2，其主要来源于未利用地的转移，使林地面积增加了532.81 hm2。

1990—2015年农地面积持续增加，农地转化为其他土地类型的比例为6.58% (面积为839.57 hm2)，从其他土地类型转为农地的比例为47.19% (面积为1 876.97 hm2)，其主要来源为林地和未利用地，其中在2000—2005年农地转出量为22.87%，同时其转入量为3.24%，其转出转入量之差为5个时段内最大。

水域面积在25年间呈现总体下降趋势，水域变化特征主要与林地和农地相关。相比其他用地类型，各个时段内水域转入转出量值较小，总共转出量为99.24 hm2，转入量为7.36 hm2，导致水域的面积减少91.88 hm2，其中剑湖面积由1990年的470.42 hm2减少至2015年的451.72 hm2。

未利用地面积在25年间总体下降速度较快，转出量为2 263.15 hm2，其中33.70%转为林地，50.07%转为农地，16.23%转为建筑用地，而转入量只有2.78 hm2，其中转自林地的有1.09 hm2，转自农地的有0.69 hm2，是面积变化最大的土地利用类型。

3.3 土地利用变化趋势预测

依据CA-Marcov模型及1990—2015年土地利用类型的转移矩阵，并以2015年各地类面积占全部地类面积的比例为初始状态矩阵，获得2020年和2030年土地利用变化趋势，结果见图2和表3。

图2 2020年与2030年土地利用类型预测

表3 2015年与2030年土地利用类型面积比较

由图2和表3可知，2015—2020年土地利用格局基本保持了1990—2015年的变化趋势，建筑用地和林地均有所增加，其中建筑用地增加540 hm2，林地增加47 hm2。与以往变化不同的是农地开始减少，到2020年减至13 553 hm2。水域和未利用地继续呈减少趋势，其中水域减少13 hm2，未利用地减少334 hm2。2020—2030年与2015—2020年的变化格局相同，建筑用地和林地继续增加，其中建筑用地增加370 hm2，林地增加54 hm2；农地、水域和未利用地都呈减少趋势，农地减少171 hm2，水域减少7 hm2，未利用地减少245 hm2。

4 结论与讨论

4.1 结论

1) 不同阶段的土地利用动态度存在较大差异。从单一土地利用动态度来看，建筑用地和农地增速先增大又减小，2000—2005年建筑用地和农地年变化速率达到最大值，分别为10.84%和0.56%；林地面积一直在增加，但呈现不规则的规律性；水域和未利用地一直在减小，水域由1990—1995年的0.31%减小为2010—2015年的0.47%；未利用地的年变化减少速率总体在减小，由1990—1995年的1.55%减至2010—2015年的7.5%。从土地利用综合动态度来看，1990—2015年剑湖流域土地利用变化速度表现为前期较快、后期趋缓。

2) 1990—1995年、1995—2000年、2000—2005年、2005—2010年、2010—2015年，土地利用变化的面积分别占总面积的23.16%、2.27%、3.90%、0.90%、1.47%，剑湖流域土地利用变化速度表现为 “W” 的形式，即先减小后增加再减小又增加的趋势。1990—2015年的25年间水域面积减少93.51 hm2，未利用地面积减少2 664.99 hm2，农地面积增加1 038.42 hm2，林地面积增加450.81 hm2，建筑用地面积增加1 269.27 hm2，土地利用强度逐渐增大。

3) 运用CA-Marcov模型对2020年和2030年剑湖流域土地利用结构进行预测，结果表明：在未来5年内建筑用地和林地面积有所增加，分别增加540 hm2和47 hm2；与以往变化不同的是农地开始减少，其主要是建筑用地的使用导致农地减少了240 hm2；水域和未利用地将继续减少，分别减少了13 hm2和 334 hm2。在未来15年内林地和建筑用地会持续增加，农地则会大量减少，许多农地和其他类型土地将会被建筑用地占据，到2030年建筑用地和林地面积将分别为3 300、33 588 hm2，农地面积将减小到13 382 hm2；水域将继续减少，到2030年面积将为737 hm2；未利用地也将大幅度减少，到2030年面积将为125 hm2。

4.2 讨论

1) 土地利用变化是全球变化的一个重要组成部分，人类活动对自然环境的影响是显著的[27]。研究表明，剑湖流域林地的面积自1990年以来一直在增加，1990年剑湖流域森林覆盖率约为64.61%，1998年实施的 “天然保护林工程” 和1999年实施的 “退耕还林工程” 均显著的增加了森林面积[28]，到2015年森林覆盖率上升至65.49% (含国家特别规定灌木林覆盖率)。森林覆盖率的增加，有效的遏制了剑湖流域的水土流失，对剑湖入湖污染物和水质的保护具有重要意义。

2) 研究结果表明，1990—2015年建筑用地一直呈增加趋势，且由预测可知剑湖流域在未来15年内建筑用地将增加910 hm2，而农地和未利用地的面积将分别减少411 hm2和579 hm2，这些变化主要是人口增加导致的社会活动加剧，社会抚养方面的要求也同时提高，如粮食、住房、社会服务需求等，而这部分面积的增加是以减少农地和未利用地为代价，因此剑湖流域在今后的发展中应注重基本农地的保护并遏制其减少，将开发重点放在未利用地上。

3) 永丰河、金龙河和狮河等剑湖水源日渐枯竭，到枯水季节已基本无水补给[29]，加之永丰河、金龙河携带大量泥沙在入湖口沉积导致入湖口萎缩，且湖滨带被农业占用现象较为严重，致使剑湖水域面积由1990年的470.42 hm2减少到2015年的451.72 hm2。因此，应对主要入湖河流永丰河和金龙河等建立阻止泥沙入湖的防护系统，在流域上游实施植树造林[29]，提高森林水源涵养和水土保持的功能，为从源头保护剑湖水源提供良好的生态环境[12]，并加强剑湖湖滨带生态建设，实施退耕还湖、退塘还湖和水生植物恢复等措施，有效遏制剑湖水域面积的减少。

本研究对剑湖流域土地利用的变化进行分析，主要是针对土地利用动态度和土地利用转移矩阵的分析以及对未来土地利用的预测，总结出该流域土地利用动态变化规律以及土地利用类型相互间转移规律，对与之紧密相关的变化的驱动力及时空变化特点缺少研究，因此在今后的研究中，还需进一步完善和探索影响剑湖流域土地利用变化的驱动机制。

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(责任编辑曹龙)

The Dynamic Changes and Simulating Prediction of Land Use in Jianhu Lake Basin from 1990 to 2015

Guo Yujing1,2, Wang Yan1,3, Zheng Yi1, Liu Yungen1,3, Hou Lei1,3, Zhang Chao4, Wen Guojing1

(1.College of Environmental Science and Engineering, Southwest Forestry University, Kunming Yunnan 650224, China;2. National Plateau Wetlands Research Center, Southwest Forestry University, Kunming Yunnan 650224, China;3. Research Institute of Rural Sewage Treatment, Southwest Forestry University, Kunming Yunnan 650224, China;4. College of Forestry, Southwest Forestry University, Kunming Yunnan 650224, China)

Based on six Landsat images data from 1990 to 2015, we studied land use changes in Jianhu Lake basin over the past 25 years and then forecasted the changing trends in the following 15 years using land use dynamic degree, transition matrix and CA-Markov model aided by ArcGIS platform. The results showed that from 1990 to 2015, significant changes in land use patterns (up to 8.18%) were observed. The change rates in land use patterns first increased, then decreased and increased again. In the past 25 years, water-covered and unused land area decreased by 93.51 hm2and 2 664.99 hm2, respectively. Meanwhile, farmland, forest and construction land area increased by 1 038.42 hm2, 450.81 hm2, and 1 269.27 hm2, respectively. The land use patterns during 2015-2020 and 2020-2030 years basically kept the similar variation trends with those during 1990-2015. The construction and forest land increased continuously, which was predicated to reach 3 300 hm2and 33 588 hm2, respectively.

Jianhu Lake basin, land use, transition matrix, CA-Markov model, dynamic change, tendency