横断山区凉山州耕地景观安全格局演变及驱动力分析

张丽芳, 冉丹阳, 杨存建,*, 廖雨, 祝聪, 张英

横断山区凉山州耕地景观安全格局演变及驱动力分析

张丽芳1,2, 冉丹阳1,2, 杨存建1,2,*, 廖雨1,2, 祝聪1,2, 张英1,2

1. 四川师范大学地理与资源科学学院, 成都 610068 2. 四川师范大学西南土地资源评价与监测教育部重点实验室, 成都 610068

针对横断山区凉山彝族自治州1995年—2015年的耕地安全评价与演变等问题, 采用耕地安全评价模型、土地动态度方法和地理探测器模型法, 对其进行时空格局演变与驱动力分析。结果表明: (1)1995年—2015年凉山州耕地斑块呈现破碎化状态, 脆弱度呈现先增加后降低的发展趋势; (2)与1995年—2005年相比, 2005年—2015年凉山州的耕地安全等级呈明显下降趋势, 低安全水平主要分布在西昌市及其周边县区; (3)耕地动态变化度主要受第一产值、有效灌溉面积、化肥使用量、耕地安全指数、人口密度等5个因子的影响。该研究结果可为凉山彝族自治州的耕地整理与利用提供科学的参考, 并对横断山的其他区域的耕地可持续发展提供借鉴意义。

耕地; 景观安全格局; 时空演变; 驱动力分析; 横断山区

0 引言

耕地作为人类社会中维持生命系统必不可少的一部分, 承担了生产、生活、生态等诸多功能[1]。耕地景观的变化对于粮食安全与社会稳定具有十分重要的意义[2-3], 区域的耕地景观生态安全是维持可持续发展的重要前提。近年来, 随着我国人口剧增, 耕地退化严重、资源贫乏、水土流失、土壤石漠化等一系列问题的出现, 导致耕地景观的脆弱度增加、安全性受损, 耕地景观的安全问题亟待解决。目前, 耕地景观安全已经成为影响人类生存与社会经济发展的阻碍性问题, 对于耕地景观安全的研究也已成为21世纪的研究热点。

国内外学者主要是运用构建数理模型与指标评价分析法等对耕地景观安全进行了研究[4-5], 其中, 刘秀芝[6]利用耕地安全评价模型、重心转移法对北戴河的耕地进行了生态安全的时空变化研究, 刘彦随等[7]人从耕地数量与质量上对我国的耕地进行了研究, 陈锦坪等[8]从景观角度出发对昌黎县的耕地破碎化进行了时空动态分析, 张晶等[9]人则通过构建生态足迹模型对浙江省2000年—2006年的生态安全进行了动态研究。上述研究为耕地质量的安全评价奠定了基础与理论方法, 丰富了耕地安全评价体系。但是, 在耕地景观安全评价的理论基础上, 对长时期的耕地的动态度评价与驱动力研究则较少。因此, 在前人研究的基础上, 分析耕地景观的动态度特征, 构建驱动力评价因子, 利用地理探测器对其动态度进行因子探测意义重大。

凉山彝族自治州地处横断山区东部, 生态环境恶劣, 对于生态安全要求较高。随着人类活动的增加与城市化的建设, 土地荒漠、水土流失等灾害频发, 生态系统失衡严重, 耕地资源面临着自然灾害与人类干扰等双重问题, 耕地景观安全逐步引起广泛重视。为此, 本文运用景观安全格局理论、土地利用动态度、地理探测器模型等方法对横断山区的凉山彝族自治州1995—2015年进行耕地景观安全评价与动态度演变驱动力分析, 研究结果将填补研究区域的空白, 为凉山州的耕地安全保护以及利用优化提供重要依据。同时, 还可为实现西南山区重点连片贫困区的可持续发展提供科学依据。

1 研究区概况

凉山彝族自治州位于西南地区四川省境内, 属于中亚热带季风气候, 介于100°15′—103°53′E, 26° 03′—29°27′N之间, 全州面积60423 km2。该区地处青藏高原东缘, 横断山区的东部, 地接云、贵、川的“金三角”区域。境内地形十分复杂、地形起伏大、生态环境脆弱、地质灾害频发。因为其独特的地理位置与自然环境, 使得该区域自然资源与生物资源品种繁多, 资源丰富。境内水资源丰富, 为“水电王国”, 凉山州共辖 17 个县, 有汉、彝、藏、蒙古等 14 个民族居住, 是我国最大的彝族分布聚居区, 也是西南地区集中连片的特困地区之一[10-11]。

2 数据与方法

2.1 数据来源

凉山州土地利用现状数据(1995、2005、2015年)采用1995年11月、12月的Landsat 5遥感影像数据、2005年2月、4月、11月的Landsat 7遥感影像数据与2015年10月、11月、12月的Landsat 8遥感影像数据进行预处理后人工目视解译获得。基础遥感影像与全球数字高程数据下载于地理空间数据云网站(http://www.gscloud.cn/), 数据经过拼接、裁剪得到凉山州30m分辨率的DEM数据。运用ArcGIS软件对DEM数据进行表面分析, 计算出坡度并进行重分类处理; 凉山州行政边界等矢量数据来源于西南重点实验室遥感监测中心; 气象数据、土壤类型数据、土壤侵蚀数据来源于中国科学院资源环境科学数据中心(http://www.resdc.cn); 此外, 研究区第一产业值、有效灌溉面积、化肥使用量、耕地安全指数、人口密度数据等来源于四川省1995年—2015年统计年鉴。研究区土地分类使用的分类系统是根据中科院土地利用分类系统进行分类, 一级分类包括耕地、林地、草地等8类, 下分31个二级类别[12]。基于本文的研究需要, 将研究区划分为耕地、林地、草地、水域、建设用地、未利用地等6大地类, 其1995年、2005年、2015年土地利用分布情况如表1所示。

表1 凉山州土地利用类型面积 (单位: km2)

2.2 耕地安全评价模型构建

景观格局方法主要采用能够高度浓缩景观格局信息、反映其结构组成和空间配置某些方面特征的景观指标[13], 来研究景观结构组成特征和空间配置关系。景观指数的功能性强、涵盖的景观信息含量高, 是景观生态学研究中使用广泛且较为成熟的定量研究方法, 通常用于生态景观、土地利用景观的分析研究中。耕地景观作为人类生产生活的基本用地景观, 受人类影响活动较大, 目前的土地利用形势, 使耕地景观格局产生了破碎化、不规则化、不可持续等一系列的问题。研究结合前人研究经验与方法[14], 借助Fragstats4.2软件平台, 选取斑块密度(PD)、分离度(DIVISION)、面积加权平均形状(AWMSI)、分维数(FRACT)、边缘密度(ED)等5个耕地景观评价指标。

景观脆弱性指标反映了景观对于反映外界环境影响的自身易损性[15], 根据所选取的景观指标, 构建景观脆弱度模型, 其公式如下:

=×+×+×(1)

式中:表示为景观脆弱度;表示为面积加权的平均形状因子;表示为分维数;表示为分离度,、、表示为因子的权重。参考前人经验对脆弱度进行权重系数的确定[16-17,6], 确定、、分别为 0.50、0.34、0.16。

根据景观脆弱度模型, 构建耕地景观安全评价模型, 其公式如下:

=1–[(+)×2.5] (2)

式中:为耕地景观安全指数;为景观边缘密度;为景观斑块密度;为景观脆弱度。

2.3 土地利用动态度

土地利用动态度是定量的描述研究区土地利用时空格局动态变化情况[18]。其公式为:

式中:代表土地动态度;S代表研究初期的单一土地类型面积;S代表研究末期的单一土地类型面积;S-S为初期时间段内的单一土地类型的变化面积, T代表时间段, 单位为年。研究利用GIS软件平台, 计算字段计算器工具来研究凉山州各个县1995年—2015年的耕地利用动态度, 并通过软件制图展示。

2.4 地理探测器法

地理探测器是由用来探测空间异质性的驱动力因子的一种有着地理特性的数学分析统计分析方法[19-22]。该方法是由王劲峰等人在2010年研究而成。地理探测器主要包括因子探测、风险探测、生态探测、交互探测4部分, 在目前各个领域中均有涉及。

因子探测: 运用地理探测器可以直接对耕地动态度的分布特征进行驱动力因子大小的探测, 因此, 本文利用地理探测器的因子探测法来研究所选取各个因子对耕地动态度分布的解释力的大小, 其公式如下。

式中,表示某一个因子对耕地动态度分布密度的解释力度, 值域在[0,1]之间,=1, ..., L为耕地动态度影响因子的分级数, N与分别为耕地动态度影响因子级别与研究区的样本数,σ与分别为级别和整个研究区的耕地动态度的方差。结果中, 某一因子的值越大, 就说明了该因子对研究局的耕地动态度分布解释力越强, 当某一因袭=0时, 说明该因子与研究区的耕地动态度分布无关系, 当某一因子=1时, 说明该因子完全控制研究区的耕地动态度分布。

生态探测法: 通过比较任意因子间对凉山州耕地动态度分布的影响是否产生显著性差异, 式中以统计量来衡量:

式中,N及N分别表示因子X和因子X的样本量;SSW和SSW分别表示由因子X和因子X形成的分层的层内方差之和;L和L分别表示变量X和X分层数目。其中零假设0:SSW1=SSW2。如果位于显著性水平的拒绝了H, 这表明因子X和因子X对耕地动态度的影响存在着较为显著性的差异[21]。

3 结果与分析

3.1 耕地景观总体特征

利用Fragstats4.2软件计算1995年、2005年、2015年三期耕地的景观安全指数并导入Excel表进行分析。结果如表2所示, 1995年—2015年研究区的耕地斑块密度由平稳至逐渐降低, 由0.0814下降到0.0791; 分离度呈现降低后增加趋势; 分维数呈现降低后增加; 面积加权平均形状指数呈现降低趋势; 斑块边缘密度由0.0300下降至0.0272, 呈现下降趋势; 景观脆弱度呈现下降趋势, 整体的脆弱度减小; 耕地景观安全水平在1995年至2005年呈现较低水平, 仅为0.0316和0.0361, 在2015年景观安全水平呈现大幅度增加, 安全水平相对来说有所提高, 但是安全水平值仍然不乐观。总体来看, 1995年—2015年凉山州耕地斑块呈现破碎化状态, 斑块形状整体趋向规则化, 脆弱度呈现先增高后降低趋势。

3.2 耕地景观安全演变

根据2.2所述公式, 借助景观指数软件与GIS软件平台, 计算出各个乡镇不同时期的耕地景观安全等级, 并利用GIS对其利用自然断点法进行分级, 结合分级结果, 将其分为3个等级, 其中(0.0994—0.7235)为高安全水平、(-0.5249—0.0994)为中安全水平、(-1.1491—-0.5249)为低安全水平。根据图1所示, 可以看出1995年—2015年间的耕地景观安全水平演变, 具体变化特征如下:

表 2 1995年、2005 年及 2015 年耕地景观格局指数

注: PD 为斑块密度; D为斑块分离度; F为分维数; AWMSI 为面积加权平均形状指数; ED 为边缘密度; LVI为景观脆弱度; ES 为景观生态安全指数。

1995—2005年凉山州的耕地安全格局主要变化特征表现为:高安全水平主要分布在凉山州的的北部与东部边缘县, 主要是木里藏族自治县、冕宁县、甘洛县、美姑县、雷波县、金阳县、布拖县、普格县、宁南县; 中安全水平主要分布凉山州的中部以及西昌市的周边县, 主要是越西县、喜德县、德昌县、会东县, 昭觉县的安全水平由中安全水平下降至低安全水平; 低安全水平主要分布在市中心西昌市的周边, 主要是西昌市、盐源县、会理县、昭觉县。2005—2015年, 凉山州的耕地安全格局主要变化特征表现为:高安全水平大幅度减少, 主要表现在木里藏族自治县、冕宁县、布拖县安全级别降低, 转为中级安全水平, 高安全水平主要分布在凉山州的东部; 中安全水平越西县、喜德县、会东县转为安全水平, 中安全水平主要分布在凉山州的北部以及中部; 低安全水平主要表现大幅度的增加, 主要分布在西昌市的周边县以及凉山州的南部等县。

总体来看, 1995年—2005年凉山州的耕地安全变化程度较稳定, 2005年—2015年凉山州的耕地安全变化程度较大, 耕地安全等级明显呈现下降趋势, 其低安全水平主要分布在经济较为发达的市中心西昌市及周边等县, 说明城市化的建设以及人类活动的增强对于耕地安全等级有着直接影响, 同时当地区域的人类活动、搬迁、公共设施建设等社会活动以及滑坡、石漠化、泥石流、森林火灾等灾害问题, 都将对该区域的耕地景观安全产生不利的影响。针对该区域的耕地景观安全, 当地政府首先应出台政策保障措施, 保护地表植被、禁止乱砍乱伐, 维系区域生态可持续发展。对于耕地景观安全水平较低的区域, 科学制定相应的区域土地规划方案, 进行土地管控与整理, 严禁建设用地的盲目扩张行为, 集约利用土地, 提高耕地的利用率, 同时, 保持耕地景观的连通性、可持续性发展, 对于限制与废弃的耕地进行还草、还林整治。

图1 凉山州耕地景观安全空间演变

Figure 1 Spatial evolution of landscape safety of cultivated land in Liangshan Prefecture

3.3 耕地动态度分析

根据2.3中土地利用动态度公式, 得出各个乡镇在1995年—2005年、2005年—2015年间的土地动态度指数, 取其绝对值并利用自然断点法将其分为3个等级, 其中0—0.25为一级, 2—3.5为二级, ＞3.5为三级。并利用GIS软件进行出图, 如图2所示。

1995—2005年, 凉山州的耕地动态度主要变化特征表现为:一级动态度主要在木里藏族自治县、会理县、宁南县、会东县、普格县、布拖县、雷波县, 耕地变化度小; 二级动态度主要分布在凉山州的中部地区, 主要为盐源县、德昌县、西昌县、喜德县、昭觉县、金阳县、美姑县、甘洛县等县; 三级动态度主要分布在冕宁县与越西县, 该区域的耕地变化度较大。

2005—2015年, 凉山州的耕地动态度主要变化特征表现为:一级动态度主要在冕宁县、盐源县、会理县、美姑县、甘洛县, 耕地变化度小; 二级动态度主要分布在木里藏族自治县、德昌县、西昌县、会东县、昭觉县、布拖县喜德县; 三级动态度主要分布在凉山州的东部区域, 主要在越西县、雷波县、金阳县、普格县、宁南县, 该区域的耕地变化度较大。

总体来看, 1995年—2015年的耕地动态度主要分布特征为: 耕地动态度较大的主要分布在凉山州北部地区冕宁县和越西县, 及普格县、雷波县, 耕地动态度较小的主要分布在凉山州的西部木里藏族自治县、盐源县, 南部的宁南县、会理县, 以及北部的美姑县。

3.4 耕地动态度地理探测分析

为进一步探究凉山州耕地1995年—2015年耕地动态度演变的驱动力机制, 本文将1995年—2015年的耕地动态度作为因子, 如图3所示。同时选取第一产业值、有效灌溉面积、化肥使用量、耕地安全指数、人口密度、气温、降水量、河流距离、海拔、坡度、侵蚀度等11个地理探测影响因子作为影响值的因子, 用于探测凉山州1995年—2015年土地动态度的地域分异机制。

借助GIS软件平台, 对凉山州区域以均匀采样与模型计算效率为标准, 对其进行渔网创建, 并取每个格网的中心点作为地理探测器的采样点, 共计采样点608个。将第一产业值、有效灌溉面积、化肥使用量、耕地安全指数、人口密度、气温、降水量、河流距离、海拔、坡度、侵蚀度分别利用重分类工具按照自然断点法进行分类, 其中气温、降水量、海拔、坡度、侵蚀度为9类, 第一产业值、有效灌溉面积、化肥使用量、耕地安全指数、人口密度、河流距离为6类; 将各个因子和1995年—2015年的耕地动态度的值进行多值提取到点, 提取其字段属性表, 导入至地理探测器模型进行计算, 最终得到凉山州的耕地动态度与各个地理因子之间的关系。

图2 凉山州1995—2015年土地动态度变化

Figure 2 Land dynamics change in Liangshan Prefecture from 1995 to 2015

图3 凉山州1995—2015年耕地动态度

Figure 3 Dynamic degree of cultivated land in Liangshan Prefecture from 1995 to 2015

地理探测器因子探测结果如表3所示, 从表中可以得出, 各自然因子对应的值大小排序为: 第一产值>有效灌溉面积>化肥使用量>耕地安全指数>人口密度>河流距离>气温>降水量>河流距离>海拔>坡度>侵蚀度。从解释力角度来看, 第一产值、有效灌溉面积、化肥使用量、耕地安全指数、人口密度5个因子是影响耕地动态度的最主要因素, 其解释力都在20%以上; 气温、降水量、河流距离、海拔、坡度、侵蚀度为次要影响因素, 其解释力在10%以下; 说明凉山州耕地动态度受气温、降水量、河流距离、海拔、坡度、侵蚀度的影响较小。

表4为生态探测结果, 从表中可以看出, 有效灌溉面积与其他因子之间无显著性差异; 化肥使用量与其他因子之间差异; 第一产值与其他因子之间无显著性差异; 耕地安全指数与其他因子之间无显著性差异; 人口密度与其他因子之间无显著性的差异; 降水量与气温无显著性差异; 侵蚀度与气温无显著性差异, 与降水量有显著性差异; 海拔与气温无显著性差异, 海拔与侵蚀度、降水量存在显著性差异; 坡度与海拔无显著性差异, 与耕地安全指数、侵蚀度、降水量、气温存在显著性差异; 河流距离与侵蚀度无显著性差异, 与人口密度、坡度、耕地安全指数、海拔、降水量、气温存在显著性差异。

生态探测进一步说明了有效灌溉面积、化肥使用量、第一产业值、耕地安全指数4个因子对于土地动态度的影响最大, 人口密度影响较大, 侵蚀度、气温、降水量、海拔等因子对于土地动态度的影响较小。

表3 因子探测结果

表 4 生态探测结果

注: 置信水平95%, Y表示两种因子对于耕地动态度存在显著性差异; N表示无显著性差异。

4 结论与讨论

本文在1995年、2005年、2015年三期土地利用数据的基础上, 采用耕地景观安全评价模型、土地动态度、地理探测器模型等方法, 对凉山州的耕地景观安全演变及动态度变化进行了研究, 并选取11个因子对凉山州的耕地动态度进行了驱动力机制探测。得出以下结论:

(1)利用fragstats4.2软件将计算了1995年、2005年、2015年三期耕地的景观景观安全指数, 总体来看, 1995年—2015年凉山州耕地斑块呈现破碎化状态, 但是斑块形状整体趋向规则化, 脆弱度降低。

(2)1995年—2005年凉山州的耕地安全变化程度较稳定, 2005年—2015年凉山州的耕地安全变化程度较大, 耕地安全等级明显呈现下降趋势, 其低安全水平主要分布在市经济较为发达的市中心西昌市及周边等县, 城市化的建设以及人类活动的增强对于耕地安全等级有着直接影响, 同时当地区域的土地整理、人类活动、移民搬迁等社会活动以及自然环境恶化、石漠化、泥石流等自然问题, 都将对该区域的耕地景观安全产生不利的影响。

(3)1995年—2015年的耕地动态度主要分布特征为: 耕地动态度较大的主要分布在凉山州北部地区冕宁县和越西县, 及普格县、雷波县, 耕地动态度较小的主要分布在凉山州的西部木里藏族自治县、盐源县, 南部的宁南县、会理县, 以及北部的美姑县。

(4)在选取的11个探测因子中, 凉山州的耕地动态变化度主要受第一产值、有效灌溉面积、化肥使用量、耕地安全指数、人口密度5个因子的影响, 其解释力都在20%以上, 受气温、降水量、河流距离、海拔、坡度、侵蚀度的影响较小, 其解释力在10%以下。

本文从耕地景观安全格局演变、动态度演变、驱动力探测三大方面来对凉山州的耕地进行了全面的、长时间跨度的剖析与研究, 结果科学可行。利用地理探测器对耕地的动态度进行了驱动力机制的探测分析, 这为今后的耕地演变的驱动力分析方法提供了较为科学的参考。但是, 本文仍然存在一些不足, 景观安全格局的构建以及驱动力机制的指标因子选取上, 受到了年鉴数据的限制, 希望今后的研究中能够研究出更为全面、完善的指标创建体系。

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Analysis on the evolution and dynamic degree of cultivated land landscape safety pattern in Hengduan Mountain area of Liangshan Prefecture

ZHANG Lifang1,2, RAN Danyang1,2, YANG Cunjian1,2,*, LIAO Yu1,2, ZHU Cong1,2,ZHANG Ying1,2

1The Institute of Geography and Resources Science, Sichuan Normal University, Chengdu 610068, China 2 Key Lab of Land Resources Evaluation and Monitoring in Southwest, Ministry of Education, Sichuan Normal University, Chengdu 610068, China

Aiming at the problems of cultivated land safety assessment and evolution in Liangshan Yi Autonomous Prefecture from 1995 to 2015 in Hengduan Mountain area, the spatial-temporal pattern evolution and driving force analysis were carried out by using cultivated land safety evaluation model, land dynamic attitude method and geographical detector model. The results showed that: (1) the patch of cultivated land in Liangshan Prefecture was broken from 1995 to 2015, and the vulnerability increased first and then decreased. (2) Compared with 1995-2005, the cultivated land safety level of Liangshan Prefecture in 2005-2015 showed an obvious downward trend, and the low safety level mainly distributed in Xichang City and its surrounding counties. (3) The dynamic change degree of cultivated land was mainly influenced by five factors, such as the first output value, effective irrigated area, fertilizer use, cultivated land safety index, population density and so on. The results can provide scientific reference for cultivated land arrangement and utilization in Liangshan Yi Autonomous Prefecture and for sustainable development of cultivated land in other areas of Hengduanshan Mountain.

cultivated land; landscape security pattern; spatio-temporal evolution; driving force analysis; Hengduan mountain area

10.14108/j.cnki.1008-8873.2020.02.004

S157.2

A

1008-8873(2020)02-025-07

2019-04-01;

2019-10-10

国家自然科学基金( 40771144); 国家973项目(2015CB452706)

张丽芳(1993—), 女, 山东菏泽人, 硕士研究生, 研究方向为土地资源管理与生态景观评价, E-mail: zhanglfedu @163.com

杨存建, 男, 四川成都人, 博士, 教授, 研究员, 主要从事遥感和地理信息系统应用研究, E-mail:yangcj2008@126.com

张丽芳, 冉丹阳, 杨存建,等. 横断山区凉山州耕地景观安全格局演变及驱动力分析[J]. 生态科学, 2020, 39(2): 25–31.

ZHANG Lifang, RAN Danyang, YANG Cunjian, et al. Analysis on the evolution and dynamic degree of cultivated land landscape safety pattern in Hengduan Mountain area of Liangshan Prefecture[J]. Ecological Science, 2020, 39(2): 25–31.