大理市土地利用时空变化及其生态环境效应研究

和春兰，费丽娜，沈映政

(云南国土资源职业学院，云南 昆明 652501)

0 引言

土地利用/覆被变化(LUCC)是生态环境变化的重要因素之一，对改变地球表层的水分循环、生物和能量的交换方式等有较大的影响[1]。近年来随着城市化进程的加快，加速了人类活动对地表环境造成的破坏程度，导致城市生态环境问题日益凸显，严重威胁城市生态安全[2]。王志杰和代磊[3]采用遥感生态指数(RSEI)模型，在系统分析研究区土地利用/覆被类型和生态环境质量时空动态变化的基础上，剖析土地利用/覆被变化的生态效应。陈亚军等[4]探讨了人文因素在昆明市土地利用/覆盖变化过程中的驱动作用，得出人口增长、经济发展和人民生活水平的提升是昆明市土地利用变化的主要驱动因素；赵益祯等[5]以志丹县为例，探讨了陕北黄土高原生态脆弱地区的土地利用时空变化，得出志丹县土地利用结构向稳定方向发展，为陕西北部黄土高原城市土地合理利用和高效管理提供依据。

有的地方旅游开发不考虑生态承载力，过度开发的行为引起了大量的土地资源浪费和优质耕地的损失等土地利用结构失调，以及生态退化、环境污染等土地利用与土地覆被的极大变化，甚至带来区域产业结构不合理等问题，这些问题不但影响了旅游用地功能的发挥，同时也影响到区域土地利用的整体效益[6]。大理市被定位为“滇西中心城市”，是云南省非常重要的旅游城市，同时大理市的洱海、苍山等地区又是重要的生态保护区，如何协调开发与保护的关系，研究其生态环境状况，对大理市的发展有着极其重要的意义。胡婷[7]研究了大理市1999年～2010年的土地利用变化情况，而近期研究大理市的生态环境效应的文章鲜见，因此本研究利用大理市2009年、2014年、2019年的土地利用/覆被数据，研究近10年来该区域土地的时空变化及其驱动力，并分析土地利用类型变化的生态环境效应。以期为研究区的土地资源合理开发利用与生态环境保护提供科学参考。

1 研究区概况

大理市位于滇西及大理州中部，是中国重要的旅游城市之一，位于东经99°58′至100°27′，北纬25°25′至25°58′，东与宾川县、祥云县相连，南与巍山县、弥渡县相邻，西接漾濞，以点苍山为界，北与洱源县、鹤庆县交界，总面积为1 815 km2，其中山地面积占总面积的70.5%，坝区面积占15.8%，洱海水域面积占13.7%。

大理市主要由高山分水岭、冰蚀地形、高山山麓洪积扇地形组成，地势西高东低，最高点4 097 m，最低点1 340 m，主要河流属澜沧江、怒江和红河(元江)3大水系，境内水资源丰富。全市年平均气温约为15℃，年平均降水量1 056 mm，四季温差小，气温变化具有冬暖夏凉、日差变化大等特点，境内的苍山、洱海为国家级自然保护区。

全市2019年末总人口约64万，以少数民族白族居多，约占到总人口的68%。2019年大理市地区生产总值约476.49亿元，以旅游收入为主，约占生产总值的38.69%。

2 材料与方法

2.1 数据来源及处理

研究共收集了大理市2009年、2014年、2019年3期遥感影像，其中2009年采用Landsat5-TM

卫星影像，2014年、2019年采用Landsat8-OLI卫星影像，影像分辨率为30 m×30 m；同时收集了区域数字高程模型DEM数据，均来源于中国科学院地理空间数据云网站(http：//www.gscloud.cn/)。并基于全球气象数据网站(https：//en.tutiempo. net/climate)，采集了区域3年期年平均气温和年降水量数据。

根据土地利用现状分类标准(GB/T 21010-2017)，结合研究区特点与研究目的，将研究区景观分为耕地、园地、林地、草地、水域、未利用地和建设用地7种类型。在实地考察的基础上，参考2007年大理市土地利用现状矢量数据建立解译标志，采用人机交互目视解译生成，并通过野外调查进行检验和修正，采用误差矩阵法对分类结果进行精度评价，总体分类精度(Overall Accuracy)在 90%以上，结果可靠，满足本研究的分析要求[8，9]，分类结果如图1所示。

图1 大理市2009～2019年土地利用

2.2 研究方法

2.2.1 土地利用动态度

综合土地利用动态度是指研究区在一定时段内所有土地利用类型的变化剧烈程度，是判断用地转型热点区的指标，也适用于局部与全区或区域间土地利用变化的对比[10]，其计算公式为：

(1)

式中：LC为研究时段内综合土地利用动态度；LUi为研究期初第i类土地的面积；ΔLUi-j为研究时段内第i类土地转移为第j类(j=1，2，…，n；n为土地利用类型数)土地的面积；T为研究时段长，当其单位设定为年时，LC为区域土地利用的年综合变化率。

单一土地利用类型动态度是指研究区在一定时间段内某种土地利用类型的变化程度，又称为变化率指数，可以直观地反映该类土地的变化速度和幅度[11]，其计算公式为

(2)

式中：Ki为研究时段内第i类土地利用类型动态度；Ua、Ub分别为研究期初及研究期末第i类土地利用类型的面积；T为研究时段长，当其单位设定为年时，Ki为第i类土地的年变化率。

2.2.2 土地利用程度

土地利用程度的本质是从整个研究区域的土地利用和发展水平出发，全面反映了人类活动对研究区土地利用变化的影响程度，土地利用程度以土地利用程度综合指数模型为特征[12]，计算公式为：

(3)

式中：L为土地利用程度综合指数；Ai为土地利用程度分级指数；Ci为对应地类i级土地使用面积占土地总使用面积的百分比。

参照刘纪远[14]提出的分级标准，并结合研究区的实际情况，各地类的土地利用程度分级指数赋值情况如下：未利用地为1，林地、草地、水域用地为2，耕地为3，建设用地4，园地为5。

2.2.3 地理探测器模型

地理探测器是由王建峰、胡艺开发的，既可以检验单变量的空间分异性(stratified heterogeneity)，也可以通过检验两个变量空间分布的耦合性(coupling)，来探测两变量之间可能的因果关系。计算公式为：

(4)

2.2.4 土地利用变化的生态效应分析

(1)区域生态环境质量指数

生态环境质量指数用于定量描述区域土地利用变化的生态环境效应、评价区域生态环境质量的总体状况[16]，其计算公式为：

(5)

式中：EVi为区域第t时期生态环境质量指数；Ci为第i种用地类型的生态环境质量指数；n为土地利用类型数目；LUi为第t时期，第i种土地利用地类型的面积；TA为研究区总面积。

(2)土地利用转型生态贡献率

土地利用转型生态贡献率指某一种土地利用类型变化所导致的区域生态环境质量的改变[17]，其计算公式为：

CLEI=(LEt+1-LEt)LA/TA

(6)

式中：CLEI为土地利用功能转型的生态贡献率；LEt+1、LEt分别为某种土地利用变化类型所反映的变化初期和末期土地利用类型所具有的生态环境质量指数；LA为该变化类型的面积；TA为区域总面积。

3 结果与分析

3.1 土地利用变化的时空演变分析

3.1.1 土地利用结构变化分析

土地利用结构变化可以反映该区土地利用变化趋势及其土地利用规律。通过ArcGIS 10.3软件按分类结果计算得到大理市3个不同时期的土地利用类型面积(表1)。

表1 2009～2019年大理市各地类土地面积

整体来看，2009年和2014年各用地面积除了2009年草地面积大于建设用地面积外，其余地类的面积排序为：林地>耕地>水域>建设用地>草地>园地>未利用地。2019年各用地面积排序为：林地>水域>耕地>建设用地>园地>草地>未利用地。可以看出不论哪期数据，林地是占绝对优势的用地类型，占到区域面积的一半以上，其余用地类型中，耕地和水域用地面积比重相当，未利用地占比最小。3期土地利用中草地、园地、未利用地及建设用地的比重均不超过10%，这几类用地面积之和也不到区域面积的18%，区域以林地、耕地、水域为主要地类，2014年相比2009年，各用地面积变化不大，但相较2014年，2019年各地类面积有一定程度的升降，但总体用地结构比例趋于稳定。

10年间，面积比例处于增长态势的是林地、建设用地、园地，其中增幅最大的是林地，相比2009年，2019年的林地增加了69.66 km2，面积增加约8%，增幅最小的是水域，增加了9.73 km2；面积比例处于减少态势的是未利用地、草地和耕地，尤其在2014至2019年时段下降程度较快，其中耕地面积减幅最大，相比2009年减少了83.50 km2，面积约减少了28%，未利用地下降幅度也较大，相比2009年，减少了19 km2，说明区域土地开发程度越来越高；林地、园地和水域随着时间的增长，面积处于先降后增的态势，2009年至2014年下降程度缓慢，2014年至2019年时段增长程度较快；建设用地面积则一直处于上升趋势，相对于2009年，2019年的建设用地面积增长了41.46%，是城镇化的体现，也得益于区域旅游业的发展带动。

3.1.2 土地利用类型转变

(1)土地利用类型面积转移矩阵

由于2009年到2014年的地类面积发生转移的情况对比后5年要小很多。因此本研究主要分析2009～2019年的土地利用类型转移状况(表2)。

表2 研究区近10年土地利用类型面积转移矩阵

2009～2019年，发生转移的地类面积为360.39 km2，从转入面积来看，近10年间，林地的面积增幅最大，转入面积达149.01 km2，主要由耕地和草地转入，转入面积为49.42 km2和65.08 km2，由此可见大理市退耕还林、植树造林的力度较大；面积增幅第2、第3的是园地及建设用地，转入面积大致相当，分别为69.33 km2及65.23 km2，增加的园地主要由耕地和草地转化而来，面积为27.37 km2和32.92 km2，且增加的园地主要种植柑橘、苹果、桃、梅、梨、茶、桑等；增加的建设用地主要由耕地转入，转入面积达34.60 km2，说明城市的扩张侵占了耕地；耕地也有43.55 km2的转入，转入面积主要来源于林地，达22.27 km2；其余用地的转入面积相对较小。从转出面积来看，近10年，转出面积最大的是耕地，达127.05 km2，主要转为林地、建设用地和园地；草地的转出面积次之，达87.37 km2，主要转出为林地，未利用地转出了21.32 km2，主要转出为林地，虽然面积不多，但相对于2009年未利用地面积只有23.10 km2，未利用地的转化率是最高的，达93%。

由此可见，近10年土地转移速率在增大，各地类均有相互转移的现象，且土地利用率越来越高。

(2)土地利用动态度分析

利用公式(1)和公式(2)计算的综合土地利用动态度及单一土地利用动态度，结果见表3。

表3研究区各时段土地利用动态度

从表3可见，2014～2019年的综合土地利用动态度为3.91%，远远高于2009～2014年的0.64%。而近10年的综合动态度为2.07%，说明大理市2014年后的土地利用变化速率高于2014年以前，2014年后各地类转型频繁，受人为因素的影响较大。

单一土地利用动态度揭示了各土地利用类型在一定时期内的变化率。2009～2019年，耕地、草地、未利用地的动态度分别为-2.83%、-5.85%、-8.23%，表明其面积总体呈减少趋势，其中未利用地的面积减速最快；林地、水域、建设用地、园地面积相对于2009年有所增长，动态度分别为0.78%、0.38%、4.15%和11.93，表明园地增长速率最快，其次为林地和建设用地，而水域面积虽有略微增长，但变化不明显。从不同时段对比来看，各土地利用类型在 2014～2019年增减变化最为剧烈，动态度明显大于其他时段，其中园地、未利用地和草地变化更为突出，动态度分别达到48.18%、-16.44%、-10.82%；建设用地在2009～2014年段增长最快，动态度达5.06%。2014～2019年，建设用地也趋于增长状态，但增长速率低于2014年前，10年间，建设用地一直处于增长态势；耕地在2009～2014年面积增长，但增长幅度较小，动态度为0.24%，2014～2019年，耕地面积下降，动态度为-5.82%，且10年间耕地面积一直处于减少状态；林地在2009～2014年面积有小幅度的减小，动态度为-0.16%，但2014年后林地面积增加，动态度达1.73%。水域在10年间面积虽有小幅度的增长，但变化很平缓。

3.1.3 土地利用时空格局特征

通过绘制研究区各时段各土地类型转移格局图(图略)表明，耕地转为建设用地区域主要分布在洱海中西部及洱海南部区域，在原有建设用地分布的基础上占用耕地向外扩张；草地转为林地区域主要分布在大理州的中上部，主要包括向阳村、大城村、花甸药材区、海潮河村等区域；未利用地转林地区域主要分布在银桥国有林和上登村区域；林地转园地区域主要分布在大理市西南部，乌栖村及已早村范围区域；退耕还林区域主要分布在锦阜村、乐和村、光邑村和大城村坡度较陡区域；园地转耕地主要分布在文武村范围。地类变化的原因主要有建设用地扩张占用耕地及坡度较缓处的林地、未利用地开发转为林地、退耕还林、种植经济林木等，且2014～2019年的土地利用类型变化相较2009～2014年明显。

3.1.4 大理市土地利用变化驱动力分析

本研究选取区域自然条件和社会经济条件，采用地理探测器模型定量分析大理市的土地利用变化驱动力。

(1)土地利用程度

本文通过ArcGIS 10.3软件，按公式(3)计算出大理市土地利用程度综合变化(表4)。

表4 大理市土地利用程度综合变化

从表4中可以看出，2009年和2014年的土地利用综合程度大致相当，分别为235.53和235.32，2014年 至 2019年 有较大幅度的增长，2014年后，土地利用变化率增长了3.37%。可见2014年后，大理市的土地开发利用程度较高。

(2)驱动因子选择

驱动因子结合收集的数据及区域实际情况，选取了海拔(X1)、坡度(X2)、坡向(X3)、气温(X4)、降水(X5)、植被类型(X6)、人口(X7)和国内生产总值(X8)因子。

(3)地理探测器模器

利用ArcMap，将土地利用程度，各个X因子导入，输出位置及栅格数据要素点选择100 m×100 m采样点文件，输出为表。将输出的表加载到地理探测器Excel文件中。把土地利用程度L值作为地理探测器的Y值，各个因子的值作为X值加载进地理探测器中运行。地理探测器探测结果q statistic是Q统计量，值越大代表对土地的影响越大，大理市各期土地利用程度分布因子Q值见表5。

表5 各因子对土地利用程度影响程度大小

从表5中可以看出，2009年各因子对土地利用的影响从大到小排列依次为：海拔>坡度>气温>降水>植被类型>人口>经济生产总值>坡向，说明2009年土地利用的变化主要受自然条件的影响，海拔、坡度的q值最高，依次为0.36，0.32，而人口、经济生产总值、坡向因素的q值最低，依次为0.17、0.13、0.11，说明地形条件是影响2009年土地利用变化的最大因素；2014年各因子对土地利用的影响从大到小排列依次为：人口>海拔>经济生产总值>坡度>气温>降水>植被类型>坡向，人口、海拔、经济生产总值的q值分别为0.56、0.39、0.24，坡向因子的q值最低，说明人口因素对2014年的土地利用变化影响显著，社会经济因素对土地利用变化的影响正在凸显；2019年的各因子对土地利用的影响从大到小排列依次为：社会经济生产总值>人口>海拔>坡度>气温>降水>植被类型>坡向，2019年社会经济生产总值、人口的q值明显上升，分别为4.79及4.24，坡向的q值仍然最低，由此可见近10年来，随着时间的推移，社会因素已经成为区域土地利用变化的主要驱动因素，而自然因素中的地形条件海拔和坡度由于会限制土地利用，因此地形因素也是影响区域土地利用的重要因素，而降水、植被类型和坡向因素则对区域土地利用程度影响不大。

3.2 土地利用变化的生态环境效应分析

3.2.1 土地覆被状况及生态环境质量评价

土地利用变化的生态环境效应从土地覆被状况和生态环境质量指数两方面进行分析(表6)。

表6 大理市区域生态环境质量指数及土地覆被状况指数

土地覆被类型在一定程度上反映研究区宏观生态状况。研究区由于水域面积约占区域面积的15%，加之林地面积占区域面积的50%以上，因此大理市土地覆被状况指数较高，且随着时间的增长，土地覆被状况指数呈上升趋势，2009年土地覆被状况指数为72.88%，2019年上升到73.41%，说明大理市的宏观生态环境状况整体较好。

从表6中可以看出，2009年、2014年、2019年的区域生态环境指数分别为：0.547 8、0.542 4、0.563 8，指数值处于0.5～0.6区间，表明区域生态系统服务功能一般，受外界干扰程度加深，恢复再生能力有所降低，生态问题较少。相比2009年，2019年的生态环境指数上升了2.92%，有一定的提高，林地的增加、未利用地的减少是区域生态环境质量指数上升的主要原因。总体来说，近10年来研究区生态环境质量指数略微变化但基本稳定，同时也可以看到，最近10年建设用地的增长比较明显，需要警惕由于城市扩张可能带来的生态问题，在今后的城市建设中，需要特别注意生态服务价值较高的土地利用类型，诸如林地、水域、草地等的面积比例变化。

3.2.2 土地利用转型的生态贡献率分析

区域生态环境质量往往同时存在好转与恶化两种变化趋势，这两种趋势相互抵消，使得研究区生态状况总体上趋于稳定[18]。生态环境质量指数赋值小的土地类型向高值类型转变则生态环境改善，反之则生态环境退化。

近10年来生态环境改善的主导因素是耕地转为林地，草地转为林地，其转型面积大，对区域生态质量提升的贡献率大，占比达33.51%和22.56%，另一个驱动因素则为未利用地变更为林地，虽然变更的面积小，但贡献率占比达14.92%，可见将未利用开发为具有生态服务价值较高的用地可改善区域生态环境质量，其余地类的转型由于面积较小，对生态质量的提升有一定的贡献，但贡献占比均小于10%；近10年来生态环境退化的主导因素是林地面积的减少，转型情况为林地转耕地、林地转建设用地、林地转园地，贡献率占比达25.95%、21.89%和21.27%，水域用地、耕地、草地被建设用地部分侵占，也是导致生态环境退化的因素，但贡献占比均小于10%。尽管研究区生态环境同时存在改善和退化两种驱动因素，但其生态环境质量总体保持稳定，使生态环境改善的土地转型面积大于使生态环境退化的土地转型面积，属向好发展。

4 结论与讨论

4.1 结论

大理市城市规划的目标为将大理市建设成为带动区域发展的滇西中心城市、山清水秀的生态宜居城市、国际一流的旅游度假城市、文明和谐的民族团结示范城市。因此在发展经济建设的同时，不能忽略土地利用转型对生态环境的影响。本文通过对近10年大理市的土地利用状况和生态环境质量进行分析，得到以下结论：

(1)近10年大理市主要土地利用类型为林地、水域、耕地，共占区域总面积的82%，其中林地是绝对优势地类，占区域面积的一半以上。

(2)2009～2014年，发生转移的地类面积为54.6 km2，2014～2019年为340.44 km2，2009～2019年为360.39 km2。3个时期，转移面积最大的均为耕地，主要转出为建设用地、林地和园地，林地和草地的转移量位列第二，主要转出为建设用地、园地和林地。水域、园地的转移面积最小。研究区减少的耕地主要被建设占用或退耕还林，减少的草地主要转为林地，减少的建设用地主要被开发为林地，说明近10年研究区开发利用程度高，建设用地增长明显，植树造林、退耕还林还草政策贯彻效果明显。

(3)土地类型动态变化的阶段性突出，相比2009～2014年，2014～2019年是土地利用变化相对剧烈的时期，全区综合动态度达3.91%。从单一土地利用动态度来看，近10年，未利用地面积减速最快，单一动态度为8.23%，耕地面积也趋于减少，单一动态度为2.83%；而园地、建设用地面积增速最快，单一动态度分别为11.93%、4.15%。其余地类面积也有变化，但变化较平缓。

(4)研究区土地利用的变更在空间上主要环绕洱海分布，耕地转为建设用地区域主要分布在洱海中西部及洱海南部区域，在原有建设用地分布的基础上占用耕地向外扩张；草地转为林地区域主要分布在大理州的中上部；林地转园地区域主要分布在大理市西南部；退耕还林区域主要分布在大理市锦阜村、乐和村、光邑村和大城村等坡度较陡区域；大理市地类变化的原因主要有建设用地扩张占用耕地及坡度较缓处的林地、未利用地开发转为林地、退耕还林、种植经济林木园林等。

(5)本研究选取海拔、坡度、坡向、气温、降水、植被类型、人口和国内生产总值因子，采用地理探测器分析这些因子和土地利用程度之间的关系，表明近10年来，社会因素尤其是人口和经济因素已经成为区域土地利用变化的主要驱动因素；自然因素中的海拔和坡度是影响区域土地利用变化的重要因素，而降水、植被类型和坡向因素则对区域土地利用程度影响不大。

(6)近10年来研究区土地覆被状况指数及生态环境质量指数总体上升，林地的增加、未利用地的减少是区域生态环境质量指数上升的主要原因。但生态环境质量指数值处于0.5～0.6，表明区域生态系统服务功能一般，同时近10年建设用地的增长比较明显，需要警惕由于城市扩张可能带来的生态问题，在今后的城市建设中，需要特别注意生态服务价值较高的土地利用类型，诸如林地、水域、草地等的面积比例变化。

4.2 讨论

2010年至今是大理市深化改革谋发展的重要10年，也是土地利用快速变化的10年。通过对近10年大理市土地利用时空变化进行分析，研究土地利用变化的驱动因素和生态环境效应，既是LUCC研究的重要方面，也为大理市旅游开发、土地资源利用管理和生态环境保护提供科学依据。论文采用区域生态环境质量指数及土地利用转型生态贡献率分析土地利用变化的生态效应，但生态系统是一个由人口、环境、生物等组成的生态—技术—经济的综合体，因此对区域的研究评价还存在一些不足，今后可进一步收集区域相关资料，扩大研究时段，考虑将政策因素量化，构建评价指标体系，进行进一步的完善和探讨。