基于空间转移图谱的异龙湖流域土地利用时空变化特征及趋势预测

李晓琳，肖颖，邓姜艳，郑毅,2*

基于空间转移图谱的异龙湖流域土地利用时空变化特征及趋势预测

李晓琳1，肖颖1，邓姜艳1，郑毅1,2*

（1.西南林业大学 生态与环境学院，昆明 650224；2.云南开放大学，昆明 650500）

【目的】明晰高原湖泊流域土地利用动态变化特征，可为实现湖泊生态系统可持续发展奠定基础。【方法】采用空间转移图谱和CA-Markov模型方法，开展高原湖泊异龙湖流域土地利用变化特征及趋势预测方面的研究。【结果】①1999—2005年异龙湖流域土地利用以耕地为主，2010—2018年土地利用则以林地为主；②1999—2018年耕地、草地、未利用地和水域面积持续减少，减少面积分别为50.60、27.17、24.72、6.66 km2；与之相反，林地和建设用地明显增加。林地增加的来源主要是耕地、草地和未利用地；建设用地的增加主要来源于耕地和未利用地。③预计到2050年建设用地和林地会持续增加，水域面积将减少。【结论】综上可知，控制建设用地增加和湖泊面积缩小是未来异龙湖流域土地资源管理的重要目标。

异龙湖流域；土地利用；转移矩阵；空间变化；CA-Markov模型

0 引言

【研究意义】土地利用是人们利用土地资源自然属性的方式，也是人类活动与自然生态环境相互作用最直接的表现形式[1-4]。近年来，由于湖泊流域内不合理的土地利用方式引起的水环境功能受损、水生生态退化、水质性缺水和灌溉用水短缺等诸多问题日益频发[5-7]。云南省境内高原湖泊众多，湖泊面积在30 km2以上的有9个，分别为滇池、洱海、抚仙湖、程海、泸沽湖、杞麓湖、星云湖、阳宗海和异龙湖。九大高原湖泊是云南省水资源的重要载体，也是全省居民最密集、人类活动最频繁的地区，在区域及流域经济社会发展中起着非常重要的支撑作用[8-10]。随着流域周边人为活动加剧，区域土地利用类型也发生激烈的动态转型。2010—2020年滇中高原湖泊流域各土地利用类型均呈多向动态转移，农田转出面积高达659.1 km2，其中65.4%转化为建设用地[11]；围湖造田使得耕地有所增加但水域面积缩减，湖泊水量供给能力减弱[12]。随着流域社会经济发展不断加快，土地利用变化对于流域生态环境、人类生产生活和经济社会的可持续发展越发重要。深入研究异龙湖流域土地利用动态变化，对保护和修复湖泊生态环境系统，实现区域社会经济可持续发展有着重要意义。

【研究进展】异龙湖位于红河哈尼族彝族自治州石屏县境内，是州内面积最大的天然水域，流域内以第一产业为主，种植作物主要为水稻、玉米和小麦。农业灌溉用水主要来源于湖泊水体，据统计，异龙湖水域面积约31 km2，总容水量达到1.27×108m3，正常蓄水位为1 414.2 m，对应水量约为1.1×108m3，其中农业灌溉用水约为3×107m3[13]。近年来，由于人类干扰作用加剧，异龙湖面临着严重的富营养化问题，水质长期处于劣Ⅴ类[14]。同时，湖面面积萎缩，水域用地面积持续减少，水资源短缺问题日益突出。土地利用类型变化尤其是水域用地变化，逐渐成为影响区域水资源利用的重要因素。当前在湖泊土地利用的研究中主要采用景观格局方法分析湖泊流域全局尺度下的景观格局变化特征及其影响因素[15-16]；运用土地利用动态度、转移矩阵研究区域土地利用变化动态特征[17-19]；基于湖泊水质数据利用综合营养状态指数对湖泊水质营养状况变化趋势与生态系统响应特征评价分析[20-23]。已有研究均取得较好成果，对高原湖泊保护具有重要的理论和实践意义。【切入点】然而从长时间尺度对异龙湖流域的土地利用趋势预测还鲜有报道。在土地利用变化研究中，多集中于土地转移矩阵方法，关注流域内不同土地利用类型转移的时间分异特征及数量关系，而对其空间转移规律研究还有待加强。

【拟解决的关键问题】综上所述，本研究选取了异龙湖流域1999—2018年的Landsat影像数据，通过遥感解译获取1999—2018年流域土地利用类型空间分布情况；基于空间转移图谱分析1999—2018异龙湖流域土地利用空间变化特征；利用CA-Markov模型预测2030年和2050年异龙湖流域土地利用变化趋势，以期为区域土地资源合理利用及高原湖泊保护提供理论支撑和决策依据。

1 材料与方法

1.1 研究区概况

异龙湖是云南九大高原湖泊之一，地处红河哈尼族彝族自治州石屏县境内（23°39′—23°42′N，102°30′—102°38′E），是无山流的封闭型浅水湖，湖面面积31 km2，形如葫芦呈东西向，湖岸线长62.9 km，最大水深6.6 m，平均水深2.8 m[24]。异龙湖流域紧靠珠江水系支系南盘江与红河两大流域分水岭，系南盘江一级支流泸江的源头，属珠江水系，流域面积360.4 km2。异龙湖流域（图1）位于北亚热带干燥季风与中热带半湿润季风气候区，具有气候温和、雨量充沛、冬干夏湿、冬暖夏凉的气候特点。入湖河流主要有赤瑞海河（城河）、城北河、城南河等7条河流。异龙湖流域是红河州石屏县经济最发达、人口最集中、城市化水平最高的区域，流域分属于异龙镇、宝秀镇和坝心镇。

图1 研究区位置

1.2 数据来源及预处理

本研究中空间分辨率30 m数字高程模型数据（DEM）和遥感数据Landsat系列遥感数据均来源于地理空间数据云平台（http://www.gscloud.cn）。基于数字高程模型数据（DEM），运用GIS流域分析功能，通过洼地填充、汇流量计算、河网提取、集水区生成得到异龙湖流域边界。以异龙湖流域1999、2005、2010年和2018年4期影像为主要信息源，结合自然资源部国土卫星遥感应用中心平台（http://sasclouds.com）获取的研究区空间分辨率为4 m的高分1号遥感影像数据，进行影像纠正和辅助解译。运用ENVI5.3软件对图像进行几何校正、大气校正、图像裁剪等预处理，并根据《土地利用现状分类》（GB/T 21010—2017）以及异龙湖流域土地资源特点，结合GIS空间分析功能，将研究区土地利用类型划分为耕地、林地、草地、建设用地、水域和未利用地6大类型。

1.3 研究方法

1.3.1 土地利用动态度计算

土地利用变化动态度可以定量描述为区域土地利用变化速率[19]，它对区域土地利用差异比较以及土地利用变化趋势预测都有重要意义。土地利用动态度分析可以利用研究区一定时间范围内某种土地利用类型面积的变化情况计算[25]，具体计算式为：

式中：K为第种土地利用类型动态度；Ub、Ua为研究区末期和初期第种土地利用类型面积；为研究时长。

1.3.2 土地利用空间转移图谱

信息图谱能够清晰表达出土地利用类型的空间变化特征，采用地学信息图谱法构建异龙湖土地利用类型转移空间[26]，计算式为：

式中：表示研究区在多个连续时期内土地利用演变为新的图谱单元栅格属性值；表示研究的连续时期数目表示其序列号；Q表示研究区内的第个时期的土地利用栅格图的属性值。

1.3.3 CA-Markov预测模型

元胞自动机（cellular automata，CA）是一种时间、空间、状态都离散，空间相互作用和时间因果关系皆局部的网格动力学模型，具有模拟复杂时空演变过程的能力[27-28]。CA[29]模型计算式为：

式中：为元胞有限离散的状态集合；,1为不同时刻；为元胞的邻域；为局部空间的元胞转化规则。

Markov模有型是一种用于随机过程系统的预测和优化控制问题的理论。在Markov过程中有限的时序123…<t，时刻t的状态只与其前一时刻t1的状态有关。土地类型之间相互转化的面积或比例构成转移概率，根据这种转移规律来预测未来土地利用状态，计算式[30]为：

式中：S1和S分别表示+1和时刻土地利用系统的状态；P为状态转移矩阵。P为状态转移矩阵，计算式为：

CA-Markov模型综合了CA模型模拟复杂时空演化过程的能力和Markov模型长时间数量预测的优点，提高了土地利用变化趋势预测的精度。本文采用IDRISI软件中的CA-Markov模型进行模拟预测。

1.3.4 遥感解译及预测精度检验

系数一般是用来进行遥感解译的精度评价或评价2个图件的一致性，当系数≥0.75时，说明遥感解译结果可信度高或2个图件一致性较高；当0.4≤系数≤0.75，说明解译结果可信度一般，或2组间一致性一般；当≤0.4时，解译结果不可信且一致性较差[17, 31]。本研究中，各类用地解译及土地利用变化趋势预测的系数均达85%以上，说明遥感解译结果可信度高。

2 结果与分析

2.1 异龙湖流域土地利用动态变化

异龙湖流域面积360.4 km2，2010年之前流域土地利用类型以耕地为主，1999年和2005年耕地面积占流域总土地面积分别为30.61%和42.43%；在此之后，林地成为流域内主要的土地利用类型，2010年和2018年占比分别为34.39%和40%（图2）。建设用地占比逐年增加，从1999年的3.26%增至2018年的23.37%，与之相反，草地占比明显下降，1999年为12.59%，但到2018年仅占5.05%。截止2018年，异龙湖流域内各地类面积从高到低依次为林地、建设用地、耕地、水域、未利用地、草地，面积分别为144.13、84.22、59.73、29、25.09、18.19 km2。

图2 1999—2018年异龙湖流域土地利用类型

林地面积持续增加，1999—2018年异龙湖流域林地总面积从107.52 km2增至144.13 km2，其中2010—2018年增幅最大，高达20.2 km2；耕地面积呈先增加后减少的趋势，1999—2005年流域内耕地面积增加42.58 km2，约占总耕地面积的27.85%。此后2005—2010年，2010—2018年耕地面积持续减少，分别减少36.69、56.49 km2，截止2018年流域总耕地面积仅有59.73 km2，远低于2005年的152.91 km2。水域面积持续减少，1999—2018年水体面积共减少6.66 km2，其中1999—2005年变化幅度最大，减少5.72 km2。随着城镇化过程的快速推进，1999—2018年异龙湖流域建设用地面积持续增长，1999—2005、2005—2010年和2010—2018年，流域内建设用地面积分别增加20.71、20.23、31.54 km2，建设用地总面积从1999年11.74 km2增至84.22 km2，增长6.17倍。1999—2005年建设用地动态度最高，达到29.4%。草地面积呈先显著减少，后稳定波动的过程。其中1999—2005年波动最大，减少22.28 km2。未利用地在2010—2018年波动较大，动态度为12.06%（表1）。

表1 异龙湖流域1999—2018年土地利用动态度

2.2 异龙湖流域土地利用空间变化

1999—2005年土地利用类型变化以草地转耕地、林地转耕地及未利用地转耕地为主，三者转化面积分别为：20.49、26.75、18.93 km2，转变主要发生在北部区域及大水河、城北河等子流域（图3）。2005—2010年土地利用类型变化以耕地转林地、耕地转建设用地为主。其中耕地转林地主要发生在异龙湖流域北部区域及大水河子流域，转换面积高达31.22 km2，占2005年耕地总面积的20.42%。耕地转建设用地主要发生在城河、城南河及上仁和河等子流域，以主城区为中心呈放射性的外扩，转化面积达22.01 km2，约占2005年总耕地面积的14.39%。2010—2018年耕地转建设用地成为异龙湖流域最主要的土地变化类型，主要发生于城河、城北河及上仁和河子流域，增加建设用地面积36.53 km2，占异龙湖流域2018年建设用地总量的43.37%，远高于其他土地利用类型的转变数量。

图3 1999—2018年异龙湖流域土地利用类型空间变化情况

表2 异龙湖流域1999—2018年土地类型转移统计表

1999—2018年异龙湖流域耕地面积持续减少，其中42.81%转为林地，40.35%转为建设用地（表2）。耕地转入量为118.49 km2，主要来源于林地。建设用地持续增加，转入面积高达97.92 km2，主要来源为耕地，耕地占转入面积的68.94%。其中2010—2018年建设用地转入量最大。林地转入面积为132.01 km2，主要来源于耕地和草地，转出面积为95.42 km2。草地变化较为平缓，转入与转出量差异不大，转入主要来源于林地，转出主要是作为耕地。异龙湖水域用地面积呈总体下降趋势，水域的变化特征主要与耕地相关。1999—2005年，异龙湖北部湖滨带以及城河流域北部有大量的水域用地转变为耕地，面积达6.17 km2，占总水域面积的20%左右。未利用地面积在1999—2018年呈下降趋势，转出量为57.03 km2，转入量为32.31 km2。

2.3 异龙湖流域土地利用趋势预测

2018—2030年的土地利用变化特征和1999—2018年基本一致（图4）。水体、耕地持续减少，水体由29.08 km2减少了5.03 km2，耕地减少了5.37 km2；林地、建设用地持续增加，其中林地增加了4.71 km2，建设用地增加了7.11 km2，且在整个流域内分布更加密集（表3）。与之前不同，草地增加2.44 km2，而未利用地减少了3.86 km2。异龙湖水域逐渐向中心缩小，而林地的分布越来越分散。2050年水域用地面积将持续减少，最终仅有22.46 km2，与2018年相比净减少6.62 km2；耕地及未利用地也呈明显下降趋势，其中耕地仅有46.22 km2，未利用地为9.35 km2；与之相反，林地、草地和建设用地持续扩张，三者分别为161.03、22.76、98.62 km2。

图4 2030年和2050年异龙湖流域土地利用趋势预测

表3 2018年与2030、2050年土地利用类型面积比较

3 讨论

本研究表明，异龙湖流域林地和建设用地面积自1999年以来一直在增加，分别增长36.61 km2和72.48 km2。在20世纪90年代前由于筑路、采石、采土、采矿及垦荒等人类活动造成流域内天然植被严重破坏，在此背景下，当地政府高度重视异龙湖的生态治理，实施了异龙湖流域防护林工程，其中完成人工造林35.08 km2，封山育林117.24 km2，退耕还林553.3 km2[32]。林地主要来源于耕地和草地，天然防护林工程及退耕还林工程均显著增加了林地面积，使得流域森林覆盖率提高至35%以上。1999—2018年异龙湖流域内建设用地增加主要来源于耕地和未利用地，二者分别占建设用地新增量的80%和13%，究其原因，退耕还湖政策的实施，使得部分移民从湖泊周边向城镇搬迁，城镇人口的增加，使得建设用地不断扩张且分布更加集中；此外，随着2010年开始石屏县城镇化进程的不断推进，旨在促进城乡协调发展，优化产业结构，改善人居环境质量。在这一举措下，城镇化水平显著提高，城镇规模持续扩张。

与林地和建设用地变化不同，流域内耕地面积呈先增加后减少的趋势，这主要是因为1999年以前，人们对异龙湖进行了大规模的围湖造田和毁林开荒等活动，甚至部分林地被开辟为旱地用于发展烟叶，通过增加耕地面积来提高作物产量。但是农田上山，对异龙湖周边植被造成了非常严重的破坏，随着退耕还林工程开展，耕地转为林地面积增至31.22 km2（2010年）。此外，快速的城镇化过程，建设用地向外扩张不断侵占周边耕地，使得耕地面积继续减少。1999年异龙湖水域减少6.66 km2，水域面积持续减少是目前异龙湖面临的严峻挑战。据统计异龙湖9个湖湾围垦造田，共造田14.27 km2，造成河道淤积堵塞严重，湖泊水位急剧下降，湖面面积大大缩小，异龙湖沿岸滑落区湿地系统破坏严重。1999—2018年异龙湖水量从1.1×108m3下降为0.68×108m3，湖泊水量减少严重制约农业灌溉用水的供应[13]。此外，石屏县位于亚热带高原湿润季风气候区，主要以湿润性的季风气候为主，湖泊补给主要以季节性河流补给为主[33]。随着全球气候逐年变暖，石屏县年平均气温从18.4 ℃增加至18.6 ℃，降水量则减少490 mm，仅为651 mm（2012年），远小于年平均蒸发量。气候变化是导致湖泊面积缩小的另一重要原因。

从空间变异上看，北部区域及大水河、城北河等子流域是早期耕地面积增长较快的区域。1999—2005年该区域耕地面积增加66.17 km2，增加区域粮食产量是造成该区域耕地增长的主要原因。异龙湖流域北部区域及大水河子流域是退耕还林的主要区域。2005年后，北部区域及大水河子流域退耕还林面积达到31.22 km2，荆春燕等[34]研究发现，在异龙湖盆地上游山区、半山区增加林地面积，包括封山育林、营造阔叶林，形成异龙湖上、中游生态屏障，可有效防止区域水土流失；城河、城北河及上仁和河子流域是城镇化快速发展区域。该区域是异龙镇、宝秀镇和坝心镇所在地，是流域人口最为集中的区域，该范围人口数占石屏县人口总数的44%左右，因此受人类活动影响较大。

运用CA-Marcov模型对2030年及2050年异龙湖流域土地利用结构进行预测，结果表明，林地将是未来流域内主要土地利用类型，林地覆盖面积达27%以上。2050年流域内建设用地将增至98.62 km2，建设用地占耕地问题依然存在，一方面需要严格控制建设用地规模，减少耕地非农利用；另一方面，通过城镇村建设用地集约化利用，提高土地利用效率，避免农村居民点和乡镇企业用地面积大、分散和空置现象。此外，按现有情况发展，在不采取任何措施的情况下，到2050年，异龙湖水面面积将持续减少，仅有22.46 km2。因此，进一步推进退塘还林还湖、湖泊水环境治理等方面的工作，是未来湖泊管理的重点内容。

4 结论

1）异龙湖流域林地和建设用地面积自1999年以来持续增长，分别增长36.61 km2和72.48 km2，林地主要来源于耕地和草地；建设用地主要来源于耕地和未利用地；流域耕地和水域面积持续减少，1999—2018年水体面积共减少6.66 km2；草地和未利用地面积变化不大。

2）北部区域及大水河、城北河等子流域是早期耕地面积增长较快的区域；异龙湖流域北部区域及大水河子流域是退耕还林的主要区域；城河、城北河及上仁和河子流域是城镇化快速发展区域。

3）运用CA-Marcov模型对未来异龙湖流域土地利用结构进行预测，发现控制建设用地增加和控制湖泊面积持续缩小是未来异龙湖流域土地资源管理，实现湖泊可持续发展的重要措施。

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Spatio-temporal Change in Land Usage in Yilong Lake Basin Calculated Using Spatial Transfer Map

LI Xiaolin1, XIAO Ying1, DENG Jiangyan1, ZHENG Yi1, 2*

(1. College of Ecology and Environment, Southwest Forestry University, Kunming 650224, China;2. Yunnan Open University, Kunming 650500, China)

【Objective】Yilong Lake is located in Yunnan province. Like many other regions in China, its land usage has undergone change over the past decades. The purpose of this paper is to quantify this change using satellite imageries.【Method】The analysis is based on satellite imageries acquired from 1999 to 2018 from the basin. Land use transfer matrix and the CA-Markov model were used to analyze the spatial distribution and change in land usage during this period. 【Result】①The land use was dominated by croplands from 1999 to 2005 and forest from 2010 to 2018. ②The areas of cropland, pasture, natural land and surface water bodies had been in decline from 1999 to 2018, with their overall areas reduced by 50.60, 27.17, 24.72 and 6.66 km2, respectively. In contrast, forest and urban areas had both increased significantly. The increase in forest areas is mainly due to the conversion of cropland, pasture and natural lands, while the increase in urban areas is mainly due to the use of cropland and natural land. ③It is expected that by 2050, urban and forest areas in the region will increase to 98.62 and 161.03 km², respectively, while the area of surface water will decrease. 【Conclusion】The important goal in land resource management in the Yilong lake watershed in the future should be to control the increase in urban area and the decrease in surface water bodies.

Yilong Lake Basin; land use; transition matrix; spatial change; CA-Markov model

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2021-12-09

云南省基础研究专项项目（202201AT070051）；西南林业大学科研启动基金项目（112115）

李晓琳（1988-），女，云南大理人。讲师，博士，主要从事高原湖泊养分资源综合调控方向研究。E-mail: 398798771@qq.com

郑毅（1964-），男，广东梅州人。教授，博士，主要从事土壤学和植物营养学方向研究。E-mail: zhengyi-64@163.com

1672 - 3317（2022）11 - 0107 - 08

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A

10.13522/j.cnki.ggps.2021617

责任编辑：白芳芳