橫斷山區涼山州耕地景觀安全格局演變及驅動力分析

張麗芳, 冉丹陽, 楊存建,*, 廖雨, 祝聰, 張英

橫斷山區涼山州耕地景觀安全格局演變及驅動力分析

張麗芳1,2, 冉丹陽1,2, 楊存建1,2,*, 廖雨1,2, 祝聰1,2, 張英1,2

1. 四川師范大學地理與資源科學學院, 成都 610068 2. 四川師范大學西南土地資源評價與監測教育部重點實驗室, 成都 610068

針對橫斷山區涼山彝族自治州1995年—2015年的耕地安全評價與演變等問題, 采用耕地安全評價模型、土地動態度方法和地理探測器模型法, 對其進行時空格局演變與驅動力分析。結果表明: (1)1995年—2015年涼山州耕地斑塊呈現破碎化狀態, 脆弱度呈現先增加后降低的發展趨勢; (2)與1995年—2005年相比, 2005年—2015年涼山州的耕地安全等級呈明顯下降趨勢, 低安全水平主要分布在西昌市及其周邊縣區; (3)耕地動態變化度主要受第一產值、有效灌溉面積、化肥使用量、耕地安全指數、人口密度等5個因子的影響。該研究結果可為涼山彝族自治州的耕地整理與利用提供科學的參考, 并對橫斷山的其他區域的耕地可持續發展提供借鑒意義。

耕地; 景觀安全格局; 時空演變; 驅動力分析; 橫斷山區

0 引言

耕地作為人類社會中維持生命系統必不可少的一部分, 承擔了生產、生活、生態等諸多功能[1]。耕地景觀的變化對于糧食安全與社會穩定具有十分重要的意義[2-3], 區域的耕地景觀生態安全是維持可持續發展的重要前提。近年來, 隨著我國人口劇增, 耕地退化嚴重、資源貧乏、水土流失、土壤石漠化等一系列問題的出現, 導致耕地景觀的脆弱度增加、安全性受損, 耕地景觀的安全問題亟待解決。目前, 耕地景觀安全已經成為影響人類生存與社會經濟發展的阻礙性問題, 對于耕地景觀安全的研究也已成為21世紀的研究熱點。

國內外學者主要是運用構建數理模型與指標評價分析法等對耕地景觀安全進行了研究[4-5], 其中, 劉秀芝[6]利用耕地安全評價模型、重心轉移法對北戴河的耕地進行了生態安全的時空變化研究, 劉彥隨等[7]人從耕地數量與質量上對我國的耕地進行了研究, 陳錦坪等[8]從景觀角度出發對昌黎縣的耕地破碎化進行了時空動態分析, 張晶等[9]人則通過構建生態足跡模型對浙江省2000年—2006年的生態安全進行了動態研究。上述研究為耕地質量的安全評價奠定了基礎與理論方法, 豐富了耕地安全評價體系。但是, 在耕地景觀安全評價的理論基礎上, 對長時期的耕地的動態度評價與驅動力研究則較少。因此, 在前人研究的基礎上, 分析耕地景觀的動態度特征, 構建驅動力評價因子, 利用地理探測器對其動態度進行因子探測意義重大。

涼山彝族自治州地處橫斷山區東部, 生態環境惡劣, 對于生態安全要求較高。隨著人類活動的增加與城市化的建設, 土地荒漠、水土流失等災害頻發, 生態系統失衡嚴重, 耕地資源面臨著自然災害與人類干擾等雙重問題, 耕地景觀安全逐步引起廣泛重視。為此, 本文運用景觀安全格局理論、土地利用動態度、地理探測器模型等方法對橫斷山區的涼山彝族自治州1995—2015年進行耕地景觀安全評價與動態度演變驅動力分析, 研究結果將填補研究區域的空白, 為涼山州的耕地安全保護以及利用優化提供重要依據。同時, 還可為實現西南山區重點連片貧困區的可持續發展提供科學依據。

1 研究區概況

涼山彝族自治州位于西南地區四川省境內, 屬于中亞熱帶季風氣候, 介于100°15′—103°53′E, 26° 03′—29°27′N之間, 全州面積60423 km2。該區地處青藏高原東緣, 橫斷山區的東部, 地接云、貴、川的“金三角”區域。境內地形十分復雜、地形起伏大、生態環境脆弱、地質災害頻發。因為其獨特的地理位置與自然環境, 使得該區域自然資源與生物資源品種繁多, 資源豐富。境內水資源豐富, 為“水電王國”, 涼山州共轄 17 個縣, 有漢、彝、藏、蒙古等 14 個民族居住, 是我國最大的彝族分布聚居區, 也是西南地區集中連片的特困地區之一[10-11]。

2 數據與方法

2.1 數據來源

涼山州土地利用現狀數據(1995、2005、2015年)采用1995年11月、12月的Landsat 5遙感影像數據、2005年2月、4月、11月的Landsat 7遙感影像數據與2015年10月、11月、12月的Landsat 8遙感影像數據進行預處理后人工目視解譯獲得。基礎遙感影像與全球數字高程數據下載于地理空間數據云網站(http://www.gscloud.cn/), 數據經過拼接、裁剪得到涼山州30m分辨率的DEM數據。運用ArcGIS軟件對DEM數據進行表面分析, 計算出坡度并進行重分類處理; 涼山州行政邊界等矢量數據來源于西南重點實驗室遙感監測中心; 氣象數據、土壤類型數據、土壤侵蝕數據來源于中國科學院資源環境科學數據中心(http://www.resdc.cn); 此外, 研究區第一產業值、有效灌溉面積、化肥使用量、耕地安全指數、人口密度數據等來源于四川省1995年—2015年統計年鑒。研究區土地分類使用的分類系統是根據中科院土地利用分類系統進行分類, 一級分類包括耕地、林地、草地等8類, 下分31個二級類別[12]。基于本文的研究需要, 將研究區劃分為耕地、林地、草地、水域、建設用地、未利用地等6大地類, 其1995年、2005年、2015年土地利用分布情況如表1所示。

表1 涼山州土地利用類型面積 (單位: km2)

2.2 耕地安全評價模型構建

景觀格局方法主要采用能夠高度濃縮景觀格局信息、反映其結構組成和空間配置某些方面特征的景觀指標[13], 來研究景觀結構組成特征和空間配置關系。景觀指數的功能性強、涵蓋的景觀信息含量高, 是景觀生態學研究中使用廣泛且較為成熟的定量研究方法, 通常用于生態景觀、土地利用景觀的分析研究中。耕地景觀作為人類生產生活的基本用地景觀, 受人類影響活動較大, 目前的土地利用形勢, 使耕地景觀格局產生了破碎化、不規則化、不可持續等一系列的問題。研究結合前人研究經驗與方法[14], 借助Fragstats4.2軟件平臺, 選取斑塊密度(PD)、分離度(DIVISION)、面積加權平均形狀(AWMSI)、分維數(FRACT)、邊緣密度(ED)等5個耕地景觀評價指標。

景觀脆弱性指標反映了景觀對于反映外界環境影響的自身易損性[15], 根據所選取的景觀指標, 構建景觀脆弱度模型, 其公式如下:

=×+×+×(1)

式中:表示為景觀脆弱度;表示為面積加權的平均形狀因子;表示為分維數;表示為分離度,、、表示為因子的權重。參考前人經驗對脆弱度進行權重系數的確定[16-17,6], 確定、、分別為 0.50、0.34、0.16。

根據景觀脆弱度模型, 構建耕地景觀安全評價模型, 其公式如下:

=1–[(+)×2.5] (2)

式中:為耕地景觀安全指數;為景觀邊緣密度;為景觀斑塊密度;為景觀脆弱度。

2.3 土地利用動態度

土地利用動態度是定量的描述研究區土地利用時空格局動態變化情況[18]。其公式為:

式中:代表土地動態度;S代表研究初期的單一土地類型面積;S代表研究末期的單一土地類型面積;S-S為初期時間段內的單一土地類型的變化面積, T代表時間段, 單位為年。研究利用GIS軟件平臺, 計算字段計算器工具來研究涼山州各個縣1995年—2015年的耕地利用動態度, 并通過軟件制圖展示。

2.4 地理探測器法

地理探測器是由用來探測空間異質性的驅動力因子的一種有著地理特性的數學分析統計分析方法[19-22]。該方法是由王勁峰等人在2010年研究而成。地理探測器主要包括因子探測、風險探測、生態探測、交互探測4部分, 在目前各個領域中均有涉及。

因子探測: 運用地理探測器可以直接對耕地動態度的分布特征進行驅動力因子大小的探測, 因此, 本文利用地理探測器的因子探測法來研究所選取各個因子對耕地動態度分布的解釋力的大小, 其公式如下。

式中,表示某一個因子對耕地動態度分布密度的解釋力度, 值域在[0,1]之間,=1, ..., L為耕地動態度影響因子的分級數, N與分別為耕地動態度影響因子級別與研究區的樣本數,σ與分別為級別和整個研究區的耕地動態度的方差。結果中, 某一因子的值越大, 就說明了該因子對研究局的耕地動態度分布解釋力越強, 當某一因襲=0時, 說明該因子與研究區的耕地動態度分布無關系, 當某一因子=1時, 說明該因子完全控制研究區的耕地動態度分布。

生態探測法: 通過比較任意因子間對涼山州耕地動態度分布的影響是否產生顯著性差異, 式中以統計量來衡量:

式中,N及N分別表示因子X和因子X的樣本量;SSW和SSW分別表示由因子X和因子X形成的分層的層內方差之和;L和L分別表示變量X和X分層數目。其中零假設0:SSW1=SSW2。如果位于顯著性水平的拒絕了H, 這表明因子X和因子X對耕地動態度的影響存在著較為顯著性的差異[21]。

3 結果與分析

3.1 耕地景觀總體特征

利用Fragstats4.2軟件計算1995年、2005年、2015年三期耕地的景觀安全指數并導入Excel表進行分析。結果如表2所示, 1995年—2015年研究區的耕地斑塊密度由平穩至逐漸降低, 由0.0814下降到0.0791; 分離度呈現降低后增加趨勢; 分維數呈現降低后增加; 面積加權平均形狀指數呈現降低趨勢; 斑塊邊緣密度由0.0300下降至0.0272, 呈現下降趨勢; 景觀脆弱度呈現下降趨勢, 整體的脆弱度減小; 耕地景觀安全水平在1995年至2005年呈現較低水平, 僅為0.0316和0.0361, 在2015年景觀安全水平呈現大幅度增加, 安全水平相對來說有所提高, 但是安全水平值仍然不樂觀。總體來看, 1995年—2015年涼山州耕地斑塊呈現破碎化狀態, 斑塊形狀整體趨向規則化, 脆弱度呈現先增高后降低趨勢。

3.2 耕地景觀安全演變

根據2.2所述公式, 借助景觀指數軟件與GIS軟件平臺, 計算出各個鄉鎮不同時期的耕地景觀安全等級, 并利用GIS對其利用自然斷點法進行分級, 結合分級結果, 將其分為3個等級, 其中(0.0994—0.7235)為高安全水平、(-0.5249—0.0994)為中安全水平、(-1.1491—-0.5249)為低安全水平。根據圖1所示, 可以看出1995年—2015年間的耕地景觀安全水平演變, 具體變化特征如下:

表 2 1995年、2005 年及 2015 年耕地景觀格局指數

注: PD 為斑塊密度; D為斑塊分離度; F為分維數; AWMSI 為面積加權平均形狀指數; ED 為邊緣密度; LVI為景觀脆弱度; ES 為景觀生態安全指數。

1995—2005年涼山州的耕地安全格局主要變化特征表現為:高安全水平主要分布在涼山州的的北部與東部邊緣縣, 主要是木里藏族自治縣、冕寧縣、甘洛縣、美姑縣、雷波縣、金陽縣、布拖縣、普格縣、寧南縣; 中安全水平主要分布涼山州的中部以及西昌市的周邊縣, 主要是越西縣、喜德縣、德昌縣、會東縣, 昭覺縣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邊, 主要是西昌市、鹽源縣、會理縣、昭覺縣。2005—2015年, 涼山州的耕地安全格局主要變化特征表現為:高安全水平大幅度減少, 主要表現在木里藏族自治縣、冕寧縣、布拖縣安全級別降低, 轉為中級安全水平, 高安全水平主要分布在涼山州的東部; 中安全水平越西縣、喜德縣、會東縣轉為安全水平, 中安全水平主要分布在涼山州的北部以及中部; 低安全水平主要表現大幅度的增加, 主要分布在西昌市的周邊縣以及涼山州的南部等縣。

總體來看, 1995年—2005年涼山州的耕地安全變化程度較穩定, 2005年—2015年涼山州的耕地安全變化程度較大, 耕地安全等級明顯呈現下降趨勢, 其低安全水平主要分布在經濟較為發達的市中心西昌市及周邊等縣, 說明城市化的建設以及人類活動的增強對于耕地安全等級有著直接影響, 同時當地區域的人類活動、搬遷、公共設施建設等社會活動以及滑坡、石漠化、泥石流、森林火災等災害問題, 都將對該區域的耕地景觀安全產生不利的影響。針對該區域的耕地景觀安全, 當地政府首先應出臺政策保障措施, 保護地表植被、禁止亂砍亂伐, 維系區域生態可持續發展。對于耕地景觀安全水平較低的區域, 科學制定相應的區域土地規劃方案, 進行土地管控與整理, 嚴禁建設用地的盲目擴張行為, 集約利用土地, 提高耕地的利用率, 同時, 保持耕地景觀的連通性、可持續性發展, 對于限制與廢棄的耕地進行還草、還林整治。

圖1 涼山州耕地景觀安全空間演變

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

3.3 耕地動態度分析

根據2.3中土地利用動態度公式, 得出各個鄉鎮在1995年—2005年、2005年—2015年間的土地動態度指數, 取其絕對值并利用自然斷點法將其分為3個等級, 其中0—0.25為一級, 2—3.5為二級, ＞3.5為三級。并利用GIS軟件進行出圖, 如圖2所示。

1995—2005年, 涼山州的耕地動態度主要變化特征表現為:一級動態度主要在木里藏族自治縣、會理縣、寧南縣、會東縣、普格縣、布拖縣、雷波縣, 耕地變化度小; 二級動態度主要分布在涼山州的中部地區, 主要為鹽源縣、德昌縣、西昌縣、喜德縣、昭覺縣、金陽縣、美姑縣、甘洛縣等縣; 三級動態度主要分布在冕寧縣與越西縣, 該區域的耕地變化度較大。

2005—2015年, 涼山州的耕地動態度主要變化特征表現為:一級動態度主要在冕寧縣、鹽源縣、會理縣、美姑縣、甘洛縣, 耕地變化度小; 二級動態度主要分布在木里藏族自治縣、德昌縣、西昌縣、會東縣、昭覺縣、布拖縣喜德縣; 三級動態度主要分布在涼山州的東部區域, 主要在越西縣、雷波縣、金陽縣、普格縣、寧南縣, 該區域的耕地變化度較大。

總體來看, 1995年—2015年的耕地動態度主要分布特征為: 耕地動態度較大的主要分布在涼山州北部地區冕寧縣和越西縣, 及普格縣、雷波縣, 耕地動態度較小的主要分布在涼山州的西部木里藏族自治縣、鹽源縣, 南部的寧南縣、會理縣, 以及北部的美姑縣。

3.4 耕地動態度地理探測分析

為進一步探究涼山州耕地1995年—2015年耕地動態度演變的驅動力機制, 本文將1995年—2015年的耕地動態度作為因子, 如圖3所示。同時選取第一產業值、有效灌溉面積、化肥使用量、耕地安全指數、人口密度、氣溫、降水量、河流距離、海拔、坡度、侵蝕度等11個地理探測影響因子作為影響值的因子, 用于探測涼山州1995年—2015年土地動態度的地域分異機制。

借助GIS軟件平臺, 對涼山州區域以均勻采樣與模型計算效率為標準, 對其進行漁網創建, 并取每個格網的中心點作為地理探測器的采樣點, 共計采樣點608個。將第一產業值、有效灌溉面積、化肥使用量、耕地安全指數、人口密度、氣溫、降水量、河流距離、海拔、坡度、侵蝕度分別利用重分類工具按照自然斷點法進行分類, 其中氣溫、降水量、海拔、坡度、侵蝕度為9類, 第一產業值、有效灌溉面積、化肥使用量、耕地安全指數、人口密度、河流距離為6類; 將各個因子和1995年—2015年的耕地動態度的值進行多值提取到點, 提取其字段屬性表, 導入至地理探測器模型進行計算, 最終得到涼山州的耕地動態度與各個地理因子之間的關系。

圖2 涼山州1995—2015年土地動態度變化

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

圖3 涼山州1995—2015年耕地動態度

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

地理探測器因子探測結果如表3所示, 從表中可以得出, 各自然因子對應的值大小排序為: 第一產值>有效灌溉面積>化肥使用量>耕地安全指數>人口密度>河流距離>氣溫>降水量>河流距離>海拔>坡度>侵蝕度。從解釋力角度來看, 第一產值、有效灌溉面積、化肥使用量、耕地安全指數、人口密度5個因子是影響耕地動態度的最主要因素, 其解釋力都在20%以上; 氣溫、降水量、河流距離、海拔、坡度、侵蝕度為次要影響因素, 其解釋力在10%以下; 說明涼山州耕地動態度受氣溫、降水量、河流距離、海拔、坡度、侵蝕度的影響較小。

表4為生態探測結果, 從表中可以看出, 有效灌溉面積與其他因子之間無顯著性差異; 化肥使用量與其他因子之間差異; 第一產值與其他因子之間無顯著性差異; 耕地安全指數與其他因子之間無顯著性差異; 人口密度與其他因子之間無顯著性的差異; 降水量與氣溫無顯著性差異; 侵蝕度與氣溫無顯著性差異, 與降水量有顯著性差異; 海拔與氣溫無顯著性差異, 海拔與侵蝕度、降水量存在顯著性差異; 坡度與海拔無顯著性差異, 與耕地安全指數、侵蝕度、降水量、氣溫存在顯著性差異; 河流距離與侵蝕度無顯著性差異, 與人口密度、坡度、耕地安全指數、海拔、降水量、氣溫存在顯著性差異。

生態探測進一步說明了有效灌溉面積、化肥使用量、第一產業值、耕地安全指數4個因子對于土地動態度的影響最大, 人口密度影響較大, 侵蝕度、氣溫、降水量、海拔等因子對于土地動態度的影響較小。

表3 因子探測結果

表 4 生態探測結果

注: 置信水平95%, Y表示兩種因子對于耕地動態度存在顯著性差異; N表示無顯著性差異。

4 結論與討論

本文在1995年、2005年、2015年三期土地利用數據的基礎上, 采用耕地景觀安全評價模型、土地動態度、地理探測器模型等方法, 對涼山州的耕地景觀安全演變及動態度變化進行了研究, 并選取11個因子對涼山州的耕地動態度進行了驅動力機制探測。得出以下結論:

(1)利用fragstats4.2軟件將計算了1995年、2005年、2015年三期耕地的景觀景觀安全指數, 總體來看, 1995年—2015年涼山州耕地斑塊呈現破碎化狀態, 但是斑塊形狀整體趨向規則化, 脆弱度降低。

(2)1995年—2005年涼山州的耕地安全變化程度較穩定, 2005年—2015年涼山州的耕地安全變化程度較大, 耕地安全等級明顯呈現下降趨勢, 其低安全水平主要分布在市經濟較為發達的市中心西昌市及周邊等縣, 城市化的建設以及人類活動的增強對于耕地安全等級有著直接影響, 同時當地區域的土地整理、人類活動、移民搬遷等社會活動以及自然環境惡化、石漠化、泥石流等自然問題, 都將對該區域的耕地景觀安全產生不利的影響。

(3)1995年—2015年的耕地動態度主要分布特征為: 耕地動態度較大的主要分布在涼山州北部地區冕寧縣和越西縣, 及普格縣、雷波縣, 耕地動態度較小的主要分布在涼山州的西部木里藏族自治縣、鹽源縣, 南部的寧南縣、會理縣, 以及北部的美姑縣。

(4)在選取的11個探測因子中, 涼山州的耕地動態變化度主要受第一產值、有效灌溉面積、化肥使用量、耕地安全指數、人口密度5個因子的影響, 其解釋力都在20%以上, 受氣溫、降水量、河流距離、海拔、坡度、侵蝕度的影響較小, 其解釋力在10%以下。

本文從耕地景觀安全格局演變、動態度演變、驅動力探測三大方面來對涼山州的耕地進行了全面的、長時間跨度的剖析與研究, 結果科學可行。利用地理探測器對耕地的動態度進行了驅動力機制的探測分析, 這為今后的耕地演變的驅動力分析方法提供了較為科學的參考。但是, 本文仍然存在一些不足, 景觀安全格局的構建以及驅動力機制的指標因子選取上, 受到了年鑒數據的限制, 希望今后的研究中能夠研究出更為全面、完善的指標創建體系。

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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

國家自然科學基金( 40771144); 國家973項目(2015CB452706)

張麗芳(1993—), 女, 山東菏澤人, 碩士研究生, 研究方向為土地資源管理與生態景觀評價, E-mail: zhanglfedu @163.com

楊存建, 男, 四川成都人, 博士, 教授, 研究員, 主要從事遙感和地理信息系統應用研究, E-mail:yangcj2008@126.com

張麗芳, 冉丹陽, 楊存建,等. 橫斷山區涼山州耕地景觀安全格局演變及驅動力分析[J]. 生態科學, 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.