郭健斌,張 英,張志偉,侯 磊,曾維蓮
(1.西藏農(nóng)牧學(xué)院 資源與環(huán)境學(xué)院,西藏 林芝 860000;2.西藏農(nóng)牧學(xué)院 西藏鄉(xiāng)村振興研究院,西藏 林芝 860000;3.西藏農(nóng)牧學(xué)院 植物科學(xué)學(xué)院,西藏 林芝 860000)
土地利用變化研究是近年來全球變化研究的熱點(diǎn)[1],主要包括土地覆被變化和土地利用程度變化2 個(gè)方面。但當(dāng)前學(xué)術(shù)界普遍關(guān)注土地覆被變化的空間形態(tài)、類型與數(shù)量、演化機(jī)理和驅(qū)動(dòng)力研究[2-4],而對(duì)土地利用程度的關(guān)注度不高。土地利用程度是一個(gè)地區(qū)土地開發(fā)數(shù)量和程度的度量指標(biāo),反映了土地自然屬性和人類活動(dòng)對(duì)土地利用的綜合影響[5]。探究區(qū)域土地利用程度的變化,有利于人類可持續(xù)利用土地資源。國外關(guān)于土地利用程度的研究側(cè)重于農(nóng)用地的投入產(chǎn)出分析[6];國內(nèi)有學(xué)者選用1 個(gè)[5]或多個(gè)指標(biāo)[7]對(duì)土地利用程度進(jìn)行量化研究,為了便于區(qū)域之間的橫向比較,多數(shù)學(xué)者采用[8]或改進(jìn)[9]楚玉山等[10]提出的土地利用程度綜合指數(shù)量化分析方法對(duì)中國不同自然地理區(qū)域[11-12]和行政區(qū)域[8,13]的土地利用程度進(jìn)行綜合評(píng)價(jià)。隨著遙感和地理信息系統(tǒng)技術(shù)的快速發(fā)展,多源高精度影像數(shù)據(jù)在土地利用程度變化的研究中也得到普遍運(yùn)用[13-15]??臻g研究中經(jīng)常使用的方法是空間自相關(guān)分析[16-19]。由于土地利用變化是一類具有高度空間異質(zhì)性的地理現(xiàn)象,利用空間自相關(guān)技術(shù)分析其空間聚集規(guī)律的同時(shí),還可以將空間數(shù)據(jù)可視化??臻g自相關(guān)性使用全域和局域2 種指標(biāo),Moran’sⅠ指數(shù)在判斷區(qū)域土地利用程度的空間聚集上具有可靠性[20]和不易受偏離正態(tài)分布影響的特點(diǎn)[19],得到廣泛應(yīng)用[11-12,21]。
在中國,土地利用程度的研究多聚焦于黃土高原[9,14,22]、西南喀斯特山區(qū)[12]和西北內(nèi)陸干旱區(qū)[23-24]等生態(tài)脆弱地區(qū)以及中東部人口密集地區(qū)[8,11,21]。青藏高原作為中國典型的生態(tài)環(huán)境脆弱地區(qū)和國家重要生態(tài)安全屏障,目前僅見三江源地區(qū)土地利用程度變化的時(shí)空分析[25]和《西藏自治區(qū)土地利用》對(duì)西藏各縣土地利用程度的對(duì)比分析[10]。林芝市位于西藏東南部的高山峽谷地區(qū),垂直落差大,土質(zhì)疏松,局部暴雨多,滑坡和泥石流等自然災(zāi)害頻繁。隨著人口和人類社會(huì)經(jīng)濟(jì)活動(dòng)的增加,不但會(huì)改變林芝市的社會(huì)經(jīng)濟(jì)發(fā)展模式,也會(huì)威脅脆弱的生態(tài)環(huán)境。因此,客觀和準(zhǔn)確地認(rèn)識(shí)林芝市土地利用強(qiáng)度及其空間分異對(duì)高山峽谷地區(qū)的可持續(xù)發(fā)展具有重要意義。本研究以藏東南林芝市為研究區(qū)域,以2010 年和2020 年遙感影像為基礎(chǔ),建立土地利用強(qiáng)度及其變化模型,采用Moran’sⅠ指數(shù)對(duì)林芝市土地利用程度進(jìn)行空間異質(zhì)性分析,探究區(qū)域土地利用程度的內(nèi)部差異和空間相關(guān)性,可為當(dāng)?shù)貒量臻g規(guī)劃和生態(tài)環(huán)境保護(hù)決策提供理論基礎(chǔ)。
林芝市是西藏自治區(qū)下轄地級(jí)市,位于E92°09′~98°47′,N26°52′~30°40′ (圖1)。東與昌都市和云南省迪慶藏族自治州毗鄰,西與拉薩市和山南市交界,北與那曲市相連,南與緬甸和印度接壤。東西長646.7 km,南北寬353.2 km,平均海拔3 100 m,總面積11.7 萬km2(包括印度非法控制區(qū))[26]。林芝市地處青藏高原南緣,地勢自西北向東南傾斜,雅魯藏布江和怒江等水系切割高原,形成典型的高山峽谷地貌,海拔落差大。市域氣候分為熱帶北緣和亞熱帶山地濕潤氣候區(qū)以及高原溫帶半濕潤氣候區(qū),立體氣候明顯[27]。
圖1 研究區(qū)位置Fig.1 Location of the study area
林芝史稱貢布,是藏民族發(fā)祥地之一。和平解放后,1960—1963 年曾設(shè)林芝專區(qū),隨后撤銷,1986 年林芝地區(qū)行政公署恢復(fù)成立,2015 年3 月國務(wù)院批復(fù)同意撤銷林芝地區(qū),設(shè)立林芝市。2020 年全市下轄1 區(qū)6 縣,包括54 個(gè)鄉(xiāng)(鎮(zhèn))、2 個(gè)街道辦,共504 個(gè)村(居),總?cè)丝?3.89 萬,是以藏族為主體,漢、門巴和珞巴等35 個(gè)民族和僜人多民族聚居區(qū)。境內(nèi)分布有中國最大的原始林區(qū),耕地散布于河谷地帶,草地位于林線上下,垂直地帶性明顯。2020 年全市實(shí)現(xiàn)地區(qū)生產(chǎn)總值191.34 億元,可比增長7.9%,三次產(chǎn)業(yè)的比例為6.4∶38.7∶54.9[28]。
土地利用數(shù)據(jù)來源于中國科學(xué)院計(jì)算機(jī)網(wǎng)絡(luò)信息中心創(chuàng)立的地學(xué)大數(shù)據(jù)平臺(tái)——地理空間數(shù)據(jù)云(https://www.gscloud.cn/)的2010 年Landsat-7 ETM+和2020 年Landsat-8OLI 2 期各11 景衛(wèi)星影像(空間分辨率為30 m×30 m),為確保云量小于10%,影像日期選擇當(dāng)年10—12 月或次年1—3 月。利用ENVI 5.1 對(duì)2 期遙感數(shù)據(jù)進(jìn)行輻射定標(biāo)、大氣校正和裁剪等預(yù)處理,對(duì)于部分ETM+數(shù)據(jù)條帶缺失的問題,利用ENVI 軟件中的條帶修復(fù)補(bǔ)丁,并基于單文件三角插值的條帶填充進(jìn)行修復(fù)。結(jié)合研究區(qū)實(shí)際情況,依據(jù)《土地利用現(xiàn)狀分類標(biāo)準(zhǔn)》(GB/T 21010—2017),選取典型林地、水域、耕地、建設(shè)用地、草地和未利用地為訓(xùn)練樣本,對(duì)研究區(qū)典型地物進(jìn)行最大似然法監(jiān)督分類。同時(shí)借助Google Earth 高分辨率影像和部分實(shí)地考察數(shù)據(jù),每一地類隨機(jī)選取100 個(gè)樣本進(jìn)行精度評(píng)價(jià),2010 年和2020 年2 期土地利用類型識(shí)別精度分別為90%和92%,kappa系數(shù)分別為0.88 和0.90,滿足研究需求。
1.3.1 土地利用程度指數(shù)
土地利用程度指數(shù)是以土地開發(fā)利用程度來反映人類活動(dòng)對(duì)某一區(qū)域土地利用變化的影響水平[14]。本研究參考莊大方等[29]數(shù)量化土地利用程度分析方法,將土地利用程度按照土地自然綜合體在社會(huì)因素影響下的自然平衡保持狀態(tài)分為4 級(jí),并分級(jí)賦予指數(shù),從而給出土地利用程度的定量表達(dá)。其計(jì)算公式為
式中:LA指某一區(qū)域土地利用綜合指數(shù),為100~400 的連續(xù)函數(shù),值越大表明該區(qū)域土地利用程度越高;Ai為 第i級(jí)土地利用程度的分級(jí)指數(shù),參照已有研究[8,10-11,29]中的分級(jí)標(biāo)準(zhǔn)并結(jié)合研究區(qū)實(shí)際,將未利用地賦值為1,林地、草地和水域賦值為2,耕地賦值為3,建設(shè)用地賦值為4;Ci為第i級(jí)土地利用程度分級(jí)面積百分比,即第i級(jí)土地利用程度分級(jí)類型與區(qū)域總面積的比值;n為土地利用程度分級(jí)數(shù),本研究取值為4。
由于全局空間自相關(guān)大小對(duì)采樣方式和采樣尺度較敏感[30],介于研究區(qū)域林草地和未利用地占比大,垂直地帶性明顯,綜合考慮評(píng)價(jià)單元的實(shí)效性和工作量,最終采用10 km×10 km 的網(wǎng)格對(duì)研究區(qū)2 期土地利用類型圖進(jìn)行采樣,共計(jì)獲得1 314 個(gè)采樣網(wǎng)格進(jìn)行土地利用程度指數(shù)計(jì)算及土地利用程度變化分析;再利用ArcGIS 10.6,在自然斷點(diǎn)基礎(chǔ)上結(jié)合當(dāng)?shù)貙?shí)際,依據(jù)土地利用程度指數(shù)將林芝市土地利用程度劃分為強(qiáng)、較強(qiáng)、中等、較弱和弱5 級(jí)(表1)。
表1 土地利用程度分級(jí)表Tab.1 Grades of land use intensity classification
1.3.2 土地利用程度變化
本研究利用2 個(gè)時(shí)期土地利用程度指數(shù)的變化來衡量某一區(qū)域土地利用程度的變化趨勢[23],其表達(dá)式為
式中:CLAb-a為 該區(qū)域研究期初到期末土地利用程度變化指數(shù);LAb和 LAa分別為該區(qū)域研究期末和期初土地利用程度指數(shù)。
1.3.3 空間自相關(guān)分析
空間自相關(guān)是指某一變量在一定區(qū)域內(nèi)空間上的相關(guān)性,土地利用程度(變化)作為連續(xù)空間的度量指標(biāo)也具有空間相關(guān)性。本研究選用全域和局域Moran’sⅠ指數(shù)衡量土地利用程度(變化)的空間聚集程度。
全域Moran’sⅠ統(tǒng)計(jì)量用于描述土地利用程度(變化)在整個(gè)研究區(qū)域的空間依賴程度,可反映土地利用程度(變化)是否在空間上聚類,其表達(dá)式為
式中:n為樣本數(shù),Xi和Xj分 別為區(qū)域內(nèi)第i和第j處的土地利用程度(變化);X為區(qū)域內(nèi)所有樣本的平均值;Wij為空間權(quán)重矩陣,本研究采用基于距離標(biāo)準(zhǔn)的二進(jìn)制空間權(quán)重矩陣,當(dāng)Wij=1時(shí),區(qū) 域i與j相 鄰,當(dāng)Wij=0 時(shí),區(qū) 域i與j不相鄰。I值的顯著性用以下公式檢驗(yàn)[31]:
式中:E(I) 和v(I)分別為Moran’sⅠ的數(shù)學(xué)期望和方差。
全域Moran’sⅠ指數(shù)范圍在[-1,1],在既定的顯著性水平下,I>0 時(shí),表示土地利用程度(變化)之間存在顯著正相關(guān),值越大相關(guān)性越強(qiáng),空間上聚合;I<0 時(shí),表示土地利用程度(變化)之間存在顯著負(fù)相關(guān),絕對(duì)值越大相關(guān)性越強(qiáng),空間上離散;I=0 時(shí),表示土地利用程度(變化)不存在空間自相關(guān),隨機(jī)分布。
雖然全域空間自相關(guān)可以反映土地利用程度是否在空間集聚,但它不能進(jìn)一步顯示具體的空間集聚特征[19]。局域空間自相關(guān)則可以進(jìn)一步展示土地利用程度空間集聚或離散的位置和范圍,本研究選用的局部空間關(guān)聯(lián)指標(biāo)(local indicators spatial association,LISA)為局域Moran’sⅠ指數(shù)。
局域Moran’sⅠ指數(shù)用于描述土地利用程度在局域空間是否存在空間自相關(guān),能更直觀地反映研究區(qū)土地利用程度的空間集聚狀況,其表達(dá)式為
式中變量的含義與全域Moran’sⅠ統(tǒng)計(jì)量公式相同。局域Moran’sⅠ指數(shù)表示土地利用程度(變化)在不同空間位置上的集聚模式,當(dāng)I>0 時(shí),表示以高—高值或低—低值的模式集聚;當(dāng)I<0時(shí),表示以高—低值或低—高值的模式集聚。
2.1.1 土地利用結(jié)構(gòu)變化
2010—2020 年,林芝市的草地、林地、未利用地和水域4 類用地稍有減少,其中,林地的占比從2010 年的53.49%降至2020 年的53.43%,未利用地的占比從2010 年的16.34%降至2020年的16.32%,草地的占比從26.20%降至26.17%,水域的占比從2.86%降至2.85%。2010—2020年,林芝市的耕地占比從2010 年的1.10%增加至2020 年的1.17%;建設(shè)用地明顯增加,從2010的25.05 km2增加至2020 年的66.57 km2,增長了2.66 倍,占比從0.02%增至0.06% (表2)。
表2 2010—2020 年林芝市各用地類型面積及其占比Tab.2 Area and proportion of land use types in Nyingchi City from 2010 to 2020
2.1.2 土地利用程度時(shí)間變化
由表3 可知:2010—2020 年,弱等級(jí)網(wǎng)格單元面積的占比保持在0.51%;較弱等級(jí)網(wǎng)格單元面積的占比從6.50%增加至6.55%;中等等級(jí)網(wǎng)格單元面積的占比從26.02%降至25.82%;較強(qiáng)等級(jí)網(wǎng)格單元面積的占比從 48.48% 降至 45.61%;強(qiáng)等級(jí)網(wǎng)格單元面積的占比從 18.48% 增至 21.51%。整體而言,土地利用程度呈現(xiàn)出由中等和較強(qiáng)等級(jí)向強(qiáng)等級(jí)轉(zhuǎn)變的態(tài)勢。中等和較強(qiáng)等級(jí)土地利用程度網(wǎng)格單元面積從85 486.70 km2降至81 959.90 km2;除弱和較弱等級(jí)土地利用程度網(wǎng)格單元面積增加1.07 和58.09 km2外,其余3 467.60 km2(占比98.33%)全部轉(zhuǎn)變?yōu)閺?qiáng)等級(jí)土地利用程度。
表3 2010—2020 年林芝市土地利用程度等級(jí)面積及其占比Tab.3 Area and proportion of land use intensity in Nyingchi City from 2010 to 2020
2.1.3 土地利用程度空間特征
林芝市土地利用程度空間分布(圖2)表明:較強(qiáng)和強(qiáng)等級(jí)土地利用程度網(wǎng)格單元主要分布在墨脫縣、察隅縣南部的低海拔區(qū)域和人類活動(dòng)密集的雅魯藏布江及其支流尼洋河寬河谷流域,弱和較弱等級(jí)土地利用程度網(wǎng)格單元主要分布在高海拔的市域東北部、西北部和中部東喜馬拉雅南迦巴瓦區(qū)域。2010 年林芝市土地利用程度指數(shù)平均值為181.27,2020 年為181.37。2010—2020 年,強(qiáng)等級(jí)土地利用程度網(wǎng)格單元在尼洋河流域和墨脫縣有明顯增加。
圖2 林芝市土地利用程度等級(jí)Fig.2 Grades of land use intensity in Nyingchi City
2.2.1 全域空間自相關(guān)
由圖3 可知:2010 年和2020 年的Moran’sⅠ指數(shù)均為正數(shù),數(shù)值分別為0.588 和0.587,大于0、接近1;z值分別為31.21 和26.32,均大于臨界值(2.58),并且通過了 α=0.01 的顯著性檢驗(yàn),表明林芝市土地利用程度存在較強(qiáng)的正空間相關(guān)性,即土地利用程度空間分布上不是隨機(jī)的,而是表現(xiàn)為高值或低值的集聚??梢?,林芝市土地利用程度的空間聯(lián)系特征為:土地利用程度高的網(wǎng)格單元相對(duì)趨向于與土地利用程度高的網(wǎng)格單元相鄰,土地利用程度低的網(wǎng)格單元相對(duì)趨向于與土地利用程度低的網(wǎng)格單元相鄰。2020年Moran’sⅠ指數(shù)較2010 年僅減少了0.001,說明2010—2020 年土地利用程度的空間分布呈現(xiàn)集聚的趨勢基本穩(wěn)定。
圖3 2010 年(左)和2020 年(右)林芝市土地利用程度散點(diǎn)圖Fig.3 Scatterplots of land use intensity in Nyingchi City in 2010 (left) and 2020 (right)
2.2.2 局域空間自相關(guān)
由圖4 可知:低—低值集聚區(qū)主要分布在市域東北部和西北部高海拔地區(qū);高—高值集聚區(qū)分布在市域低海拔的南部和東南部部分地區(qū)、尼洋河流域和雅魯藏布江寬河谷地區(qū)。2020 年尼洋河流域高—高值集聚區(qū)較2010 年明顯增加。
圖4 2010 年(左)和2020(右)年林芝市土地利用程度LISA 集聚圖Fig.4 LISA agglomeration graphs of land use intensity in Nyingchi City in 2010 (left) and 2020 (right)
2010—2020 年,林芝市土地利用程度變化全域Moran’sⅠ指數(shù)為0.223,z值為22.21,大于臨界值,通過了 α=0.01 的顯著性檢驗(yàn),表明其土地利用程度變化量存在較強(qiáng)的空間正相關(guān)性,即土地利用程度變化劇烈的網(wǎng)格單元相對(duì)趨向于與土地利用程度變化劇烈的網(wǎng)格單元相鄰,土地利用程度變化微弱的網(wǎng)格單元相對(duì)趨向于與土地利用程度變化微弱的網(wǎng)格單元相鄰(圖5)。
圖5 2010—2020 年林芝市土地利用程度變化散點(diǎn)圖Fig.5 Scatterplots of land use intensity change in Nyingchi City from 2010 to 2020
由局域空間自相關(guān)LISA 集聚地圖(圖6)可知:2010—2020 年林芝市土地利用程度變化高—高值集聚區(qū)集中分布在尼洋河流域的巴宜區(qū)的八一鎮(zhèn)、百巴鎮(zhèn)和更張門巴民族鄉(xiāng)以及工布江達(dá)縣的巴河鎮(zhèn)、錯(cuò)高鄉(xiāng)和工布江達(dá)鎮(zhèn),在巴宜區(qū)的魯朗鎮(zhèn)、波密縣的扎木鎮(zhèn)、墨脫縣的墨脫鎮(zhèn)和格當(dāng)鄉(xiāng)以及察隅縣的下察隅鎮(zhèn)和上察隅鎮(zhèn)也有分布;低—高值集聚區(qū)分布在上述高—高值集聚范圍的周邊;低—低值集聚區(qū)分布在墨脫縣的墨脫鎮(zhèn)和背崩鄉(xiāng)、米林縣的丹娘鄉(xiāng)和羌納鄉(xiāng)以及巴宜區(qū)的米瑞鄉(xiāng)、林芝鎮(zhèn)和布久鄉(xiāng),在高海拔區(qū)域如工布江達(dá)縣朱拉鄉(xiāng)和察隅縣古玉鄉(xiāng)等也有分布;高—低值在波密縣松宗鎮(zhèn)和市域邊緣有少量分布。
圖6 2010—2020 年林芝市土地利用程度變化LISA 集聚圖Fig.6 LISA agglomeration graph of land use intensity change in Nyingchi City from 2010 to 2020
2010—2020 年,林芝市人口從19.51 萬增加到23.89 萬,固定資產(chǎn)投資從65.17 億元增加到125.12 億元[28],人口和資金集中在海拔低、地勢平坦的河谷地帶,導(dǎo)致這一區(qū)域建設(shè)用地和耕地增加,草地、未利用地和林地減少。建設(shè)用地的增長反映了林芝市非農(nóng)經(jīng)濟(jì)活動(dòng)的快速增長;耕地的增減變化說明林芝市人地關(guān)系漸趨緊張,城市規(guī)模擴(kuò)張態(tài)勢明顯。在全球變暖背景下,青藏高原內(nèi)流區(qū)得益于冰川融雪和降水增加,湖泊水域擴(kuò)張明顯[32-33];而位于藏東南外流區(qū)的林芝市冰川消融[33],水域面積減少。
楊玉婷等[23]研究表明張掖市甘州區(qū)2005 年的土地利用程度指數(shù)為255.25,而林芝市2010 年和2020 年的土地利用程度指數(shù)分別為181.27 和181.37,遠(yuǎn)低于西北干旱內(nèi)陸河流域,土地利用程度低。林芝市土地利用程度空間分布明顯受地形條件和社會(huì)經(jīng)濟(jì)發(fā)展的影響,高海拔地區(qū)難利用土地占比高,土地利用程度低;低海拔區(qū)域林草地占比高,土地利用程度較高;平坦的河谷地帶耕地占比高,村莊和城鎮(zhèn)分布廣泛,土地利用程度最高。土地利用程度綜合指數(shù)能夠詮釋林芝市土地利用程度的空間分布與自然環(huán)境間的關(guān)系,但尚不能準(zhǔn)確厘定其作用機(jī)制,需要進(jìn)一步研究。2010—2020 年,林芝市土地利用程度由中等和較強(qiáng)等級(jí)向強(qiáng)等級(jí)轉(zhuǎn)變,說明隨著當(dāng)?shù)厝丝跀?shù)量和社會(huì)經(jīng)濟(jì)活動(dòng)的不斷增加,除人類難以涉足的區(qū)域外,林芝市土地利用程度都在不斷增強(qiáng)。
林芝市域西北部和東北部為高海拔區(qū)域,是土地利用程度低—低聚集區(qū)域;而南部和東南部為低海拔區(qū)域,是土地利用程度高—高集聚區(qū)域;以巴宜市區(qū)為中心的尼洋河和雅魯藏布江寬河谷區(qū)域是土地利用程度高—高集聚區(qū)域。這些LISA 集聚特征與實(shí)際情況較吻合,能夠準(zhǔn)確地反映林芝市自然地理環(huán)境條件和社會(huì)經(jīng)濟(jì)發(fā)展的特點(diǎn)。2010—2020 年,土地利用程度變化(增加)在低海拔、寬河谷和人類活動(dòng)密集地區(qū)呈高—高集聚的特征,其外圍呈低—高集聚的過渡特征,說明隨著林芝市城鎮(zhèn)化水平的不斷提高,農(nóng)村地區(qū)土地利用程度在不斷地緩釋,而城鎮(zhèn)用地利用程度不斷增強(qiáng),且有持續(xù)向外擴(kuò)張的趨勢。在可利用土地資源極其稀缺的藏東南高山峽谷地區(qū),未來土地利用應(yīng)該以挖掘現(xiàn)有建設(shè)用地潛力,提高城鎮(zhèn)用地的集約性,引導(dǎo)其有序擴(kuò)張。
本研究利用Landsat 影像解譯土地利用數(shù)據(jù),計(jì)算土地利用程度及其變化,采用空間自相關(guān)法分析土地利用程度及其變化的空間特性,結(jié)果表明:林芝市人類社會(huì)經(jīng)濟(jì)活動(dòng)密集的低海拔河谷平地土地利用程度高;人類社會(huì)經(jīng)濟(jì)活動(dòng)稀少的高海拔區(qū)域土地利用程度低。2010—2020年該區(qū)域土地利用程度不斷增強(qiáng),低海拔河谷平地的強(qiáng)等級(jí)土地利用程度網(wǎng)格單元增加更為明顯。市政府駐地尼洋河流域是土地利用程度變化的高—高值集聚區(qū),即土地利用程度變化的熱點(diǎn)區(qū)域,今后國土空間規(guī)劃和生態(tài)環(huán)境保護(hù)應(yīng)著重關(guān)注這一區(qū)域的土地集約利用。
云南農(nóng)業(yè)大學(xué)學(xué)報(bào)(自然科學(xué))2023年3期