喀斯特土地利用变化及其区域生态环境效应_以广西都安瑶族自治县为例

喀斯特土地利用变化及其区域生态环境效应
)))以广西都安瑶族自治县为例
许俐俐1,胡宝清2,严志强2,廖赤眉2,覃开贤2
(1.东华理工学院,江西抚州344000; 2.广西师范学院资源与环境科学学院,南宁,530001)
摘要:从土地利用转移类型、空间格局变化定量分析、动态变化预测模型等方面分析近20年都安土地利用变化,进而对其生态环境质量变化进行定量分析,得出结论:都安各乡(镇)生态环境质量改善与恶化在很大程度取决于裸岩地扩展与收缩,土地利用时空变化与区域生态环境质量的区域差异有很大相关性。

关 键 词:土地利用变化;区域生态环境效应;喀斯特区域;都安瑶族自治县
中图分类号:S181;X820.3 文献标识码:A 文章编号:1003O 2363(2005)06O 0066O 06
收稿日期:2005-03-27;修回日期:2005-10-21基金项目:国家自然科学基金资助项目(40361002,40161004);广西教育厅科研项目(2003-22)
作者简介:许俐俐(1967-),女,江西临川人,讲师,在读硕士,主要从事土地科学与区域可持续发展教学和研究,(E_mail)
hbq1230@ 。

区域土地利用/土地覆盖变化(LUCC)及其环境效应目前已成为土地科学研究热点问题之一,有关研究主要集中于区域土地利用变化的区域气候、水文效应以及对土壤养分和生物多样性影响等方面[1~3]。

由于问题的复杂性,对特定LUCC 生态环境效应的综合定量分析和评价仍处于探索中[4]。

1 研究方法
1.1 研究区域及数据资料处理
1.1.1 研究区域特征。

都安瑶族自治县位于广西中部偏西,介于东经107b 46c ~108b 31c ,北纬23b 48c ~24b 35c 之间,南宁至金城江公路干线贯穿于自治县境南北,地处云贵高原向广西盆地过渡的斜坡地带。

地势北西高,东南低,地形复杂,全境多以喀斯特石山为主,分为峰丛洼地、峰丛谷地和峰林谷地3种地貌单元,只有南部的澄江、东部的百旺和北部的下坳至板岭一带有土山丘陵分布。

山地、台地和谷地平原分别占全县面积的77.9%,13.2%和8.9%。

气候属于中亚热带季风气候与南亚热带季风气候区的过渡地带,年均气温18.2e ~21.7e ,年降雨量1200~1900mm,但雨量集中于夏季,约占年降雨量的68.3%,且以暴雨形式降落,常造成洪涝灾害。

地表水系不发育,地下水丰富,但埋藏深,水量、水位动态不稳,春、秋干旱,水土流失
日趋严重。

地层以石灰系和二迭系碳酸盐为主,约占总面积的90%。

土壤划分为7个土类,23个亚类,以石灰岩土为主,占全自治县土地总面积的83.28%。

自然植被以石山区亚热带喜钙耐旱常绿阔叶树为主,但由于人为的毁林,多已沦为石山藤木灌丛植被。

全县总人口6351万(2003年),人口密度152.54人/km 2,其中农业人口58.7万人,占93.9%。

该县岩溶地貌广泛分布,人地矛盾突出,是广西生态环境较差,且资源环境与社会经济发展矛盾比较突出的地区。

1.1.2 数据资料处理。

根据5县级基本资源遥感动态信息系统本底数据库建设技术规程6和实际情况,采用二级分级系统来确定喀斯特土地利用/土地覆被分类系统,其中一级包括6个类,二级分为14个类。

由于土地利用二级分类系统具有较高分辨率,且体现了明显的生态差异性。

根据专家评分和层次分析法相结合,可对二级分类体系下的土地利用类型所具有的生态环境质量进行赋值[5],如表1所示。

表1 土地利用分类系统及其生态环境指数赋值
Tab.1 Land utilization classification system and its eco _environment index substitution
一级类型
二级类型
编号名称编号名称生态质量指数
赋值一级类型二级类型编号名称编号名称生态质量指数赋值
1
林地11
12
有林地
灌木林
0.950.65
4
建设用地4142居民点用地交通用地0.200.15
1321疏林地高覆盖度0.450.75
5水域5152
河流塘、库0.200.202
草地2223中覆盖度低覆盖度0.45
0.206
未利用地6162
裸岩地裸土地
0.010.05
3
耕地
31水田0.30第24卷 第6期2005年 12月地域研究与开发
AREAL RESEA RCH AN D DEVELOP M EN T V ol.24 N o.6Dec.2005
1.2土地利用变化研究方法
1.2.1土地利用转移类型分析。

在GIS技术的支持下,通过对不同时期的遥感影像或土地利用图进行空间叠加运算,求出各时期土地利用类型的转移矩阵,进而分析土地利用变化的过程。

在实际应用时,对于任意两期土地利用类型图,按照地图代数方法可以求得
C i j=A k ij@10+A k+1i j(土地利用类型小于10时适用)。

式中:i和j是一种土地利用类型在图上的经纬位置;
A k i j,A k+1i j分别为k时期和由k+1时期的土地利用类型;C i+j为k时期到k+1时期的土地利用变化图,表示土地利用变化的类型及其空间分布。

据此可以求得土地利用类型相互转化的数量关系的原始转移矩阵。

1.2.2土地利用空间格局变化定量分析。

土地利用格局是由大大小小的斑块组成,斑块的空间分布称为格局。

采用景观空间格局的定量描述指标,可对土地利用空间格局进行定量分析;对不同时期的指标进行比较,可以把土地利用格局的空间特征和时间过程联系起来。

具体指标如下。

(1)土地利用/覆被的多样性指数(H)指土地利用/覆被中类型的丰富和复杂程度。

其表达式为
H=-E n i=1P i@log P i2。

式中:P
i
是第i种土地利用类型占总面积的比;n为区内土地利用类型总数。

(2)土地利用/覆被的优势度指数(D)用于度量土地利用结构中一种或几种土地利用类型支配整个土地利用/覆被格局的程度,表达式
D=H max+E n i=1P i@log P i2,
H ma x=log P i2。

(3)土地利用/覆被的均匀指数(E)用来描述土地利用/覆被中不同类型的分配均匀程度,表达式
E=H/H ma x@100%,
H ma x=log P i
2。

1.2.3土地利用变化的预测模型。

土地利用变化预测可采用马尔柯夫的数学模型。

马尔柯夫(马氏)过程是一种特殊的随机运动过程,它反映的是一系列特定的时间间隔下,一个亚稳定系统由t时刻状态向t+1时刻状态转化的一系列过程。

其最大特点是:在t+1时刻的状态只与t时刻的状态有关,而与以前的状态无关。

这一特性用于土地利用变化的预测是合理的,而成功地应用马氏模型的关键在于转移概率矩阵的确定。

土地利用类型转移概率矩阵的数学表达式
P=
P11P12,P1n
P21P22,P2n
,,,,
P n1P n2,P nn。

式中:P
i j
为土地利用类型i转化为土地利用类型j的转移概率。

转移矩阵的每一项元素需要满足以下条件:当0[P ij[1,即各元素为非负值;当E n j=1P ij=1,即每行元素之和为1。

根据马氏过程性质和条件概率的定义,运用马氏过程的基本方程
P(n)ij=E n-1k=0P ik P(n-)k j=E n-1k=0P(n-)ik P kj。

依据该方程即可计算出系统经n步转移后,达到的状态概率矩阵。

但对土地利用变化过程而言,有意义的参数是转换速率而不是转移概率,这与时间连续的马氏过程相近。

设a i j(i X j)为状态i到状态j的转移速率,则在时间间隔d t内处于状态i的过程转移到状
态j的概率是a
i j
d t(i X j)。

状态作出2次或更多次转移的概率与(d t)2或更高次方同阶,由于我们在分析土地利用变化过程时,时间间隔d t取1年,所以得到的转移速率矩阵与上述转移概率矩阵等效。

其中时间间隔d t 内,系统状态未发生转移,即i=j时的转移概率为
P ij=1-E i X j a ij d t。

对于土地利用变化而言,如果现有的外界干扰条件不变一直持续下去,人们经过对土地长时间的利用, n趋向于无穷大时,转移概率达到相对稳定状态,此时各土地利用类型面积所占比例与其初始状态无关。

马氏过程稳定状态的方程组
E N
j=1
a j=1,
a j=E N i=1a i P i j。

式中:a
i
,a j为各土地利用类型的面积百分比;P ij为转移概率;N为土地利用类型的数量;i,j代表1~n间的数值。

1.3土地利用变化强度指数
土地利用变化强度指数是指某一区域,如乡(镇)等单位面积上类型用地从a时期到b时期发生的改变。

该研究通过构建该指数来度量、表征土地利用强度的区域分异特征,其计算公式
L UI t=(K b j-K aj)/LA t@1T@100%。

式中:L UI
i
为土地利用类型j在某一空间单元i(乡镇)内的土地利用变化强度指数;K aj,K bj为研究初期a及
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67
#
第6期许俐俐等:喀斯特土地利用变化及其区域生态环境效应
研究末期b土地利用类型j在空间单元i内的面积;LA
i 为空间单元i的土地面积;T为研究末期和初期相间隔的时间。

1.4区域生态环境质量指标的构建
1.4.1区域生态环境指数(E V)。

综合考虑区域内各土地利用所具有的生态质量及面积比例,用以定量表征某一区域(乡镇级行政单元)内生态环境质量的总体状况,其表达式
EV t=E N i=1L U i@C i/T A。

式中:L U
i
,C i为该区域内t时期第i种土地利用类型所具有的面积和生态环境指数;TA为该区域总面积;N 为区域内所具有的土地利用类型数量。

1.4.2区域土地利用转变类型生态贡献率。

指某一种土地利用变化类型所导致的区域生态质量的改变,其表达式
LEI=(LE t+1-LE t)LA/T A。

式中:LE
t+1
,LE t为某一土地利用变化类型所反映的变化末期和初期土地利用类型所具有生态质量指数; LA为该变化类型的面积;T A为该研究单元)))乡(镇)级行政单元的总面积。

2研究结果
2.11977~1999年土地利用变化特征
2.1.1土地利用结构及空间格局变化特征。

将1977 ~1999年的土地利用现状信息层分别叠加即可得出该区两个时期的土地利用变化图。

利用Arc View
3.2, SPAT IA L ANALYST模块功能统计这两个时期各主要土地利用变化类型面积,据此绘制都安瑶族自治县22年来土地利用结构变化图(图1)。

由此可总结出近22年来都安土地利用变化的特点:坡耕地一直呈增长趋势,主要分布在下坳、隆福、保安、板岭和拉仁;有林地不断地增加,增加幅度较大的乡(镇)有下坳、板岭和百旺;建设用地不断地扩展,主要在澄江安阳地苏高岭、拉仁和板岭;灌丛地的面积呈现减少的态势,减少2000hm2的有大兴、保安、菁盛、拉烈、永安等乡(镇),未利用地,尤其是裸岩地一直呈扩大趋势,扩大较快的乡(镇)有九渡、保安、菁盛、拉烈和隆福;而草地和水域
变化不大。

图122年来都安瑶族自治县土地利用结构变化图
Fig.1Land use structural change
in Du.an Yao Autonomous C ounty in the recently22years
2.1.2土地利用程度变化特征。

采用景观空间格局定量分析模型,得出土地利用空间格局指数,以及采用不同动态监测模型测算,都安瑶族自治县从1977~ 1999年间各土地利用类型的变化速率的结果见(表2)。

表2都安瑶族自治县1977~1999年土地利用程度指标/覆被空间格局指数% T ab.2La nd utilization lev el index/cov er spatial pattern index in Du.an Ya o Autonom ous C ounty during the years o f1977~1999
年份多样性
指数
优势度
指数
均匀度
指数
土地
利用率
土地
垦殖率
土地农业
利用率
土地建设
利用率
森林
覆盖率
土地利用
综合指数
1977 2.3027.5260.6965.9413.0964.66 1.2837.19181.81 1988 2.3326.6059.9958.9714.457.2 1.7728.02170.35 1999 2.2728.4554.6650.4917.1748.47 2.0221.23165.7 1977~1988年变化率0.03-0.92-0.70-10.579.8-11.5438.34-24.66-6.3 1988~1999年变化率-0.41 1.85-5.33-14.3819.48-15.2614.44-24.23-2.73
2.2土地利用结构的预测分析
2.2.1土地利用变化趋势。

将都安土地利用变化按历史时期分成几个阶段,先求出初始状态各土地利用类型的转移概率矩阵,以年为基本时间单位,求出各时间段内土地利用的年平均转移概率(表3)。

2.2.2土地利用转移过程的校验。

借助M AT LAB软件求出1977年后各年任何一年的土地利用类型的转移概率矩阵P(n)及各土地利用所占比例A n,由此可以模拟出各土地利用类型所占比例的变化情况。

例如,从初始状态经过n=22步转移到1999年的转移概率矩阵预测1999年各土地利用类型所占比例如表3所示。

在1977年初始状态矩阵和初始状态转移概率的基础上,用马氏过程模拟的1999年的数据与从影像数据中提取的数据计算值进行比较(表4),可以看出,有林地、
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#地域研究与开发第24卷
表3 1977~1999年各土地利用类型的转移概率矩阵(n =22)
Tab.3 The transition probability matrix of various land use types during the year of 1977~1999(n =22)
土地类型有林地疏林地灌丛地草地沟谷耕地坡耕地建设用地水体裸岩地有林地0.03440.11420.02040.04410.06830.20060.03930.01100.4678疏林地0.02510.12540.01710.04360.06380.16480.04480.00780.5074灌丛地0.02950.11700.01880.04340.07520.18280.04330.01200.4782草地0.02710.12070.01780.04330.06610.18280.04200.00980.4904沟谷耕地0.02350.10510.01780.04020.15030.14430.05030.02770.4408坡耕地0.02500.11900.01690.04240.05820.20420.04170.00970.4829建设用地0.01800.07270.01540.03340.22060.11350.18400.02410.3182水体0.02240.09710.01700.03930.12060.15100.06340.07840.4109裸岩地
0.0250
0.1261
0.0171
0.0437
0.0639
0.1625
0.0436
0.0079
0.5100
裸岩地、沟谷耕地、水体模拟结果与实测情况差异不显著,两者吻合情况较好。

这说明采用土地利用类型之间
的面积转移矩阵所确定的转移概率,通过马氏过程模型来预测土地利用格局的变化是可行的。

表4 Markov 过程模拟1999年各土地利用类型的检验
Tab.4 The inspection of various land use types in 1999by Markov .s course imitation
数值有林地灌丛地疏林地草地沟谷耕地坡耕地建设用地水体裸岩地初始值 1.7771
35.3100
2.5492
10.7896
9.1966
3.8937
1.2755
1.1500 34.0583模拟值
2.503612.1597 1.7343 4.30947.485216.5909 4.6347 1.114649.4405实测值 2.598118.6315 2.1287 6.79618.60088.5723 2.0191 1.144049.5093差值0.0945 6.47180.3944 2.4867 1.1156-8.0186-2.61560.02940.0688误差/%
3.77
53.22
22.74
57.70
14.90
48.33
56.44
2.64
0.14
2.2.3 土地利用变化趋势预测。

据马氏过程稳定状态定义,稳定状态转移概率之值就是土地利用类型达到相对稳定状态时所占面积百分比。

为了预测都安瑶族自治县2000年以后土地利用变化趋势,进一步计算该县2010年和2021年各土地利用占区域土地总面积的百分比(表5)。

可以看出,1999~2021年间,都安县耕地面积呈现不断减少的趋势。

依照1977~1999年间的土地利用变化趋势,当裸岩地面积增加到占总土地面积的48.63%时,系统达到稳定状态。

2.3 生态环境变化的主要特征及驱动因素
区域生态环境质量指数主要取决于通过土地利用/土地覆盖类型体现出来的生态环境结构。

1977~1999年期间,都安乡(镇)级单元内的生态质量同时发生着好转和恶化两种相反趋势,这两种趋势在一定程度上相互抵消,但其生态质量在总体上呈恶化趋势。

导致区域生态环境质量改善的主要土地利用转变类型和贡献率见表6,导致区域生态环境质量恶化的主要土地利用转变类型及贡献率见表7。

由此可见,近20多年来都安生态环境整体恶化,主要是多种土地利用类型不同地退化为裸岩地,喀斯特石漠化日趋严重。

表5 都安瑶族自治县未来土地利用结构变化趋势
%
Tab.5 The coming land uses structure change trend of Du .an Yao Autonomous C ounty
时相有林地灌丛地疏林地草地沟谷耕地坡耕地建设用地水体裸岩地1977年 1.777135.3100 2.549210.78969.1966 3.8937 1.2755 1.150034.05831988年 2.892228.2349 1.98088.57958.1738 6.1999 1.7644 1.141141.03331999年 2.598118.6315 2.1287 6.79618.60088.5723 2.0191 1.144049.50932010年 2.505912.0308 1.7236 4.28067.646216.8014 4.9290 1.128248.95432021年 2.498211.9793 1.7211 4.27017.765216.8160 5.0440 1.142348.7664
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69#第6期许俐俐等:喀斯特土地利用变化及其区域生态环境效应
表6 导致区域生态环境质量改善的主要土地利用转变类型及贡献率
Tab.6 Major land use change types and contribution rate leading to the region eco _environment quality improvement
土地利用转变类型面积/hm 2贡献率土地利用转变类型面积/hm 2贡献率裸岩地y 灌丛地25479.110.16326裸岩地y 建设用地1125.840.00192裸岩地y 草地5661.580.02332裸岩地y 有林地 178.650.00168草地y 有林地3933.840.02088沟谷耕地y 疏林地 775.390.00116灌丛地y 有林地2704.520.01334坡耕地y 有林地 137.690.00096裸岩地y 坡耕地4111.900.00988建设用地y 沟谷耕地 780.270.00094裸岩地y 疏林地1823.980.00804草地y 疏林地2849.960.00086裸岩地y 沟谷耕地1653.990.00480沟谷耕地y 灌丛地 201.530.0000草地y 灌丛地1980.800.00456坡耕地y 草地 384.500.00066灌丛地y 有林地 892.540.00268沟谷耕地y 草地
462.580.00056坡耕地y 灌丛地
658.43
0.00264
合计
55797.10
0.26284
表7 导致区域生态环境质量恶化的主要土地利用转变类型及贡献率
Tab.7 Major land use change types and their contribution rate leading to the region eco _environment quality deterioration
土地利用转变类型面积/hm 2贡献率土地利用转变类型面积/hm 2贡献率灌丛地y 裸岩地78538.19-0.50324坡耕地y 裸岩地2945.45-0.00708草地y 裸岩地14858.52-0.06100有林地y 草地 603.53-0.00640灌丛地y 坡耕地6833.03-0.02736建设用地y 裸岩地 200.10-0.00376灌丛地y 草地8422.37-0.01940草地y 沟谷耕地1351.43-0.00162有林地y 裸岩地1249.48-0.01752疏林地y 坡耕地 792.12-0.00158草地y 坡耕地9849.15-0.01676疏林地y 沟谷耕地 792.08-0.00118沟谷耕地y 裸岩地3965.57-0.01572有林地y 沟谷耕地 76.89-0.00100有林地y 疏林地2289.72-0.01146疏林地y 草地2749.05-0.00082疏林地y 裸岩地2397.08-0.01056沟谷耕地y 水体
766.32-0.00076灌丛地y 建设用地
1945.41
-0.00916
合计
140625.50
-0.71638
2.4 土地利用变化对生态环境影响分析
2.4.1 生态环境质量的时空分异特征。

不同土地利用类型的生态环境质量具有明显差异性。

从图2可看出,都安22年来各乡(镇)生态环境质量变化有很大差异。

这是由于从1977~1999年各乡(镇)土地利用结构及其土地利用转变类型不同,以致其生态环境质量
变化不同。

图2 各乡(镇)土地利用变化引起的区域生态环境质量变化图Fig.2 Various regional eco _environmental quality change leaded by land use change
2.4.2 各乡(镇)土地利用变化类型对区域生态环境质量的影响。

采用直方图分类方法,根据生态环境质
量恶化程度,将都安生态质量变化划为3个等级,绘制
都安土地利用变化对生态环境质量变化影响分布(图3)。

图3 1977~1999年都安瑶族自治县土地利用
变化对生态环境质量变化影响分布图Fig.3 Du .an Yao Autonomous C ounty eco _environmental quality change
affected by land use change during the years 1977~1999
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70#地域研究与开发
第24卷
1977~1999年都安大多乡(镇)的裸岩地都增大,取代了生态价值相对较好的其它用地,因此生态环境质量普遍恶化。

3 结论
首先,从总体上看,1977~1999年间都安生态环境质量改善和恶化的两种趋势并存,恶化趋势比改善趋势明显,并在乡(镇)级行政单元上表现出明显的区域分异特征。

其中,三弄、五竹、隆福、保安、菁盛、九渡等乡(镇)生态环境退化的趋势较为明显,表明这些区域土地利用变化、生态环境变化较为剧烈。

其次,导致生态环境变化(改善和退化)的土地利用变化类型及其贡献率体现出明显的区域分异,很大程度取决于裸岩地与其它多种用地类型转型的程度及规模,大多数乡(镇)裸岩地都有增加的趋势,因此,大多数乡(镇)的生态环境质量普遍恶化。

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Karst Land Use Change and Their Regional Eco _environmental
Effect )))A Case Study of Du .an Yao Autonomous County of Guangxi XU L-i li 1,HU Bao -qing 2,YAN Zh-i qiang 2,LIAO Ch-i mei 2,Q IN K a-i x ian 2
(1.East China I nstitute of T echnology ,Wuz hou 344000,China;2.Faculty o f
Resour ce and Environmental Sciences ,Guangxi Teacher s .University ,Nanning 530001,China)Abstract:First of all,the land use change in Du .an Yao Autonomous County of Guangx i lately 20years is analyzed from the aspects including use transfer type,spatial pattern change quantitative analysis,forecast model of dynamic change,etc;Moreover,the paper takes a quantitative analysis on their eco_environmental quality change.Amelioration and deprav ation of eco_environmental quality in the various villages and towns of Du .an
result from the naked land .s enlarging and shrinking,and it can bring into the large relationship betw een land use temporal_spatial chang e and reg ional difference of eco_environmental quality.
Key words:land use change,;regional eco_environmental effect;Karst area;Du .an Yao Autonomous County
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71#第6期许俐俐等:喀斯特土地利用变化及其区域生态环境效应。