南汀河流域土地利用空間結構分析研究

夏 磊，史正濤，趙 楊，何依桐，楊 帆，蘇旺德

(云南師范大學旅游與地理科學學院，昆明 650500)

0 引 言

西南地區國際河流眾多，由于流域內不合理的農林業生產和工業活動，導致河流污染和水土流失問題嚴重，其中土地的不合理利用是產生上述問題的主導因素。本文以怒江一級支流南汀河流域土地利用空間結構為例，分析土地利用空間結構對流域生態環境保護和水資源合理利用及當地經濟發展產生的影響。土地利用空間結構是指特定區域，國民經濟各部門用地面積占土地總面積的比重[1]。在城市變遷中，隨著社會經濟發展和人民生活水平的提高，土地利用方式在不斷地發生變化。土地利用作為人類有目的，有意識的社會經濟活動貫穿人類發展的整個歷史過程[2]。對土地利用空間結構的研究已經成為當前地理學探究的熱點問題之一，深入認識土地類型屬性以及擬定合理的土地利用方向，優化利用措施，對于保護流域生態環境和水資源都具有深遠意義[3]。通過對土地利用結構的分析，可以更好的認識土地利用與自然、人口、社會和經濟的關系性，進而分析土地利用布局的區域差異性[4]。

目前廣泛應用神經網絡、信息熵、線性規劃、RS-GIS等方法對土地利用空間結構進行研究，但這些方法較為復雜，所需的資料難以獲取。而洛倫茨曲線-基尼系數操作精簡，且能較為精準、直接地反饋出土地利用空間結構合理性；分形方法則可彌補洛倫茲曲線對土地利用類型內在的復雜性和鑲嵌程度上表達不足。文章試以洛倫茲曲線和分形方法相結合對南汀河流域土地利用空間結構進行分析，該成果可為南汀河流域土地利用結構優化提供科學依據。

1 研究區概況及數據來源

南汀河位于東經100°13′～98°40′、北緯23°17′～24°19′，發源于云南省臨滄市臨翔區的博尚鎮，流域總長311 km，流經臨翔區、云縣、永德縣、鎮康縣、耿馬縣等地后進入緬甸匯入薩爾溫江，是一條流往緬甸的重要國際河流。中國境內流域總面積約8 207.9 km2，流域內除臨滄壩子、孟定壩子外，其他均為山區、半山區。半山區是指處在山區和農區的交界處，既有山區的特點，又有農耕地區特色的地區，占流域面積的97.5%[5]。流域內少數民族聚居地分布眾多，尤其以佤族為代表，其人口占全國佤族的一半以上。當地農民傳統上多以陡坡種植、森林砍伐為生，毀林開荒現象較為突出，耕地主體以坡耕地為主，陡坡種植現象普遍，土地的不合理利用問題突出，大面積的土地原生植被損毀。因此在空間上合理地配置土地利用類型對南汀河流域的發展至關重要。

以研究區2010年SPOT5影像與TM/ETM影像作為土地利用現狀遙感解譯的數據源，利用SPOT5影像作為基準數據，將TM/ETM影像進行幾何精校正，并與SPOT5影像進行融合，利用研究區邊界對融合影像進行裁剪，選擇543波段組合，并做圖像增強處理，以便目視解譯。采用GPS實測樣本點，對解譯所得的土地利用分類結果進行精度驗證。利用ENVI5.1得到土地利用混淆矩陣，得到總體精度為87.36%，kappa系數為0.852，解譯數據精度符合實驗要求。同時根據《土地利用現狀分類》國家標準并結合實際資料將南汀河流域土地利用類型分為：建筑用地、耕地、草地、林地、疏林地、水域以及其他用地等7大類。

2 土地利用結構分析

2.1 繪制洛倫茲曲線

洛倫茲曲線是美國經濟學家M.Lorrenz在上世紀初期為研究社會財富、土地和工資收入是否公平提出的，利用頻率累計數繪制成的曲線來刻畫其集中或分散程度[6]。以遙感解譯的南汀河流域2010年土地利用數據，繪制出南汀河流域不同土地利用類型的洛倫茲曲線，描述南汀河流域各縣區土地利用類型空間分布上的分散和集中程度。具體過程如下。

首先，根據各土地利用類型的原始數據，依次計算得出南汀河流域6個縣某種土地利用類型的區位熵。區位熵又稱為專門化率，用其研究南汀河流域某個區域要素的空間分布狀況,區位熵表示該地某土地利用類型占區域該土地類型總面積的比值與該地區土地總面積占區域土地總面積之比[7]，其公式(1)[8]:

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

(1)

式中：Q為區位熵；A1為某縣某種地類的面積，km2；A2為南汀河流域6個縣某種地類總面積，km2；A3為南汀河流域某縣總的土地利用面積，km2；A4為總土地面積，km2。

其次，由小到大排列區位熵，分別排列各水源地土地利用類型面積占總土地利用面積的比例，計算累計百分比(以耕地為例，見表1)。

表1 南汀河流域耕地累計百分比Tab.1 The Nanting River basin area plough cumulative percent

最后，以土地總面積的累計百分比為橫坐標，各地類累計面積百分比為縱坐標，各取100長度，繪出坐標圖，并根據各累計數繪制坐標點，得到的曲線至絕對均衡線的離差就是該地類的實際分布與其在全區均衡分布的相異程度[9](圖1)。越接近絕對均衡線，曲線離差月越小，表明該土地在全區分布越均衡；反之，分布差異較大，即分布相對分散[10]。

圖1 南汀河流域6個縣土地利用類型的洛倫茨曲線Fig.1 Lorrenze curvers of Nanting River basin area land use

2.2 空間基尼系數的計算

基尼系數(Gini Coefficient)是意大利經濟學家基尼1922年提出，用來考察居民內部收入分配差異的分析指標[11]，洛倫茲曲線可直觀顯示某土地利用類型在全區分布差異性，但無法對差異程度進行定量描述。而基尼系數可對土地利用類型的分布情況進行定量描述。在洛倫茲曲線上，基尼系數反映的是曲線與絕對均衡線之間面積和絕對均衡線以上三角形面積之比，其常用公式(2)[12]：

(2)

式中：G為基尼系數；Mi為某土地類型面積累計百分比；Qi為某縣土地占研究區總土地面積的累計百分比。

基尼系數低于0.2表示分布絕對平均，0.2～0.3表示比較平均，0.3～0.4表示差距較小，0.4～0.5表示差距較大，0.6以上表示差距懸殊[13]，其計算結果見表2。

表2 南汀河流域6個縣土地利用類型基尼系數Tab.2 Gini coefficient of Nanting River basin six counties area land use

2.3 分形維數的計算

分形是指部分以某種形式與整體相似的形狀，自相似性和標度不變性是它的兩個重要特征。分形維數是自相似系統的定量指標之一，研究其分維，主要是定量描述其核心標度。不變性是指自相似性的系統不具有特征長度，具有自相似的結構一定滿足標度不變性[14]。分別計算出滄源縣、鎮康縣、耿馬縣、臨翔區、永德縣、云縣的7種不同地類的分維數和穩定性指數，可以采用公式(3)進行各地類斑塊周長-面積關系的建立和各地類空間形態分維的計算[15]。

A=kP

(3)

式中：A為某一斑塊面積，km2；P為同一斑塊周長，km；D為分形維數；k為待定常數。

對式(3)進行雙對數變換，可得：

(4)

由式(4)求出分維數。D值越大，表示空間上的鑲嵌結構越復雜。當D=1.50時，表示處于空間最不穩定形態。地類空間結構穩定性指數SK計算公式為[16]：

SK=|1.5-D|

(5)

SK值越大，表示空間結構越穩定。分形維數是檢驗土地利用斑塊形狀復雜程度的指標，其值越大斑塊形狀越復雜。由此，繪制南汀河流域各地類周長-面積雙對數散點圖(圖2)，并經過回歸分析后依次計算出分維數和穩定性指數(表3)。

圖2 南汀河流域各地類周長-面積雙對數散點圖Fig.2 Scatter diagram of Nanting River basin area land use perimeter-proportion double logarithmic

土地類型模型(回歸方程)R2分維數穩定性指數耕地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建設用地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 結果分析

3.1 洛倫茨曲線結果分析

從圖1可知，耕地、林地和疏林地的洛倫茲曲線與絕對均衡線的離差較小，且3條曲線大致重合，上述3種地類在南汀河流域內均衡布局，且空間組合情況大致相同，基本合理。水域、草地和未利用地距絕對均衡線離差較大，表明該地類在整個南汀河流域內的區域布局差別顯著，即布局相對離散，域內各個地區分布情況不一。

3.2 基尼系數結果分析

基尼系數對南汀河流域土地利用空間結構的分析數據與洛倫茲曲線分析得出的結果基本一致。耕地、林地、疏林地和建設用地基尼系數均小于0.2，上述4種土地利用類型分布平均，即各土地利用類型在各縣的空間安排形似程度較高。而耕地和林地的基尼系數分別為0.093和0.062，表示這兩種地類分布情況達到絕對平均。基尼系數在0.2～0.3范圍內無相對應的土地利用類型。土地類型基尼系數分分別為草地0.374，其他用地0.361，水域0.337，均處于0.3～0.4之間，說明這2種地類比較其他幾種土地利用類型的分布顯得較不均衡。

造成上述結果的主要因素是南汀河流域內97.5%的面積為山地，各縣區均具有大面積的林地和疏林地，因此林地與疏林地的分布較為均衡；而南汀河流域內氣候屬典型的亞熱帶濕潤立體氣候類型，草地僅分布在一定的海拔范圍內，流域上下游各縣區由于海拔高度不同造成草地分布不均；同時，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，使得其他用地呈現不均衡分布。

3.3 分形結果分析

由表3可知南汀河流域不同地類的分行維數排序為：水域>建設用地>耕地>草地>林地>疏林地>其他用地，分形維數越大，相同面積土地斑塊的周長越長，則該地類斑塊形狀越復雜，即土地斑塊與周邊其他景觀的接觸面越大、鑲嵌越緊密。南汀河流域土地利用類型的穩定性指數順序為：其他用地>疏林地>林地>草地>耕地>建設用地>水域，各土地利用類型的穩定性結構與分形維數剛好相反，從景觀生態的角度來看，分維數越低，土地斑塊與其周邊其他景觀的接觸面越小，受外界干擾的機會越少，更有利于斑塊的穩定性[17]。南汀河流域各地類中水域的分形維數最大，但由于河流水系以線型分布，面積-周長關系與其他地類不同，造成水域的分形維數較大；建設用地分形維數較大主要是因為當地人口增長，建設用地缺乏統一規劃，耕地、草地和建設用地的分形維數依次為1.362、1.336和1.373，三者較為接近，其鑲嵌程度和復雜程度也相似。

4 結 語

根據空間洛倫茨曲線可直觀反映區域內土地利用類型分布在其區域上的合理性以及對比關系；基尼系數的方法則是通過對其進行定量化研究來進一步表現其分布狀況；分形維數可以表達土地利用的動態變化情況，動態變化情況則通過穩定性和復雜性表現出來。三者結合對探究土地利用空間結構的規律，解析土地利用布局的動態變化特征提供了很好的依據。通過上述分析可得出，水域、草地和其他用地在南汀河流域分布相對分散且分布不均衡，耕地、林地和疏林地分布較為均衡，建設用地結構復雜，鑲嵌程度高，而水域的穩定性最差。草地在在南汀河流域分布不均衡、空間結構復雜。

通過遙感解譯得到的土地利用數據結合上述分析，南汀河流域內建設用地占總面積的1.9%且分布不均衡，形成這一現狀的主要原因是近年來當地人口擴張及經濟增長，居民建房缺乏統一規劃，流域內居民居住分散程度較高。而流域內耕地面積占20%，然而有97.5%的面積為山地，這一地區并不適宜農業生產發展，然而當地居民迫于生存壓力，將大面積坡地改造為耕地，使得當地居民毀林開荒問題嚴重，而南汀河流域大部分地區表層土質疏松、地質構造破碎、地表植被抗沖刷能力較差，易引起水土流失及滑坡、泥石流等地質災害，導致泥沙淤塞河道，影響航運，增加洪澇風險，同時水土流失直接危害肥沃的表層土壤，使之變薄乃至喪失，流域內土地的生產力受到破壞。

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