黃土丘陵區(qū)土地利用變化與地形梯度關(guān)系研究

莊逐舟, 黃秋昊, 石 云

(1.南京大學(xué) 地理與海洋科學(xué)學(xué)院， 南京 210023; 2.寧夏大學(xué) 資源環(huán)境學(xué)院， 銀川 750021)

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黃土丘陵區(qū)土地利用變化與地形梯度關(guān)系研究

莊逐舟1, 黃秋昊1, 石 云2

(1.南京大學(xué) 地理與海洋科學(xué)學(xué)院， 南京 210023; 2.寧夏大學(xué) 資源環(huán)境學(xué)院， 銀川 750021)

土地利用/土地覆被變化(LUCC)是人類活動與自然環(huán)境相互作用最直接的表現(xiàn)形式，是反映人類活動程度的重要因子。以彭陽縣為例，應(yīng)用1995年和2014年25 m×25 m的DEM數(shù)據(jù)和土地利用現(xiàn)狀數(shù)據(jù)，運用GIS空間分析功能，采用地形位指數(shù)以及分布指數(shù)定量分析了1995—2014年彭陽縣土地利用基于地形梯度的變化特征。結(jié)果表明：(1) 1995—2014年，彭陽縣耕地和未利用地面積大量減少，草地面積大量增加，林地、水域和建筑用地面積均有不同程度的增加；(2) 隨著地形位的升高，耕地、水域、建筑用地的分布指數(shù)逐漸降低，林地和草地的分布指數(shù)逐漸升高，未利用地的分布指數(shù)先升后降。草地的優(yōu)勢分布區(qū)間增加了2個地形位，未利用地的優(yōu)勢分布區(qū)間降低了2個地形位；(3) 水域的優(yōu)勢度區(qū)間集中在低地形位區(qū)間，耕地和建筑用地的優(yōu)勢度區(qū)間集中于低中地形位區(qū)間，林地、草地和未利用地的優(yōu)勢度區(qū)間集中于中高地形位區(qū)間。

土地利用變化; 地形位指數(shù); 分布指數(shù); 彭陽縣

土地利用變化是土地利用/覆被變化研究的重要內(nèi)容[1-2]，也是全球環(huán)境變化和可持續(xù)發(fā)展研究的熱點領(lǐng)域[3-8]。地形是自然環(huán)境中的重要因素，地形特征在一定程度上決定土地利用的方向和方式[9-13]，其空間特征也影響是土地利用的演變過程[14]。近年來，李增加等[15]分析了西雙版納1976—2007年不同地形下的土地利用變化；崔步禮[16]等以青海湖流域為例，從地形角度(坡度、坡向、高程)分析了流域內(nèi)土地利用的空間分布格局；邱揚等[17]從土地利用類型與地形分布格局的變化分析著手，研究黃土丘陵溝壑區(qū)小流域土地利用的時空分布格局及其影響因子；陳楠等[18]基于地形位指數(shù)與分布指數(shù)，探究了巴中市不同地形梯度下不同土地利用結(jié)構(gòu)的分布特征。上述研究均揭示了土地利用在地形梯度上呈現(xiàn)的變化規(guī)律，但研究區(qū)域較為集中于中國西南山區(qū)以及南方低山丘陵區(qū)，涉及黃土丘陵溝壑區(qū)土地利用空間分布與變化規(guī)律的研究相對較少。彭陽縣位于寧夏回族自治區(qū)南部，地處黃土丘陵溝壑區(qū)，也是全國的重點水土保持區(qū)，以彭陽縣為研究區(qū)，利用GIS的空間分析功能，結(jié)合25 m×25 m的DEM數(shù)據(jù)以及土地利用現(xiàn)狀數(shù)據(jù)，采用地形位指數(shù)以及分布指數(shù)，定量分析彭陽縣土地利用變化與地形梯度的關(guān)系，為黃土丘陵溝壑區(qū)縣域土地利空間格局研究、土地利用布局的優(yōu)化及土地資源的可持續(xù)利用提供理論依據(jù)。

1　研究區(qū)概況

彭陽縣位于寧夏回族自治區(qū)東南部，地處黃土高原中部丘陵溝壑區(qū)，地貌由梁峁、殘垣、川地、和溝壑組成，其中以梁峁?fàn)钋鹆隇橹鳎瑢冱S土丘陵地貌，其間有河谷川臺及殘塬分布，地理坐標(biāo)介于東經(jīng)106°32′—106°58′，北緯35°41′—36°17′。土地總面積2 529 km2，海拔1 286～2 416 m，地形西北高，東南低，由西北向東南呈波狀傾斜。境內(nèi)有紅河、茹河、安家川河縱橫東西(均流入涇河)，三河流域形成以6塊殘塬、2條長川、1條碎陵狹長河谷為主體，5條大溝、100多條小溝組成的溝壑縱橫的復(fù)雜地貌，是寧夏地區(qū)水土流失最為嚴(yán)重的縣域之一，同時也是全國重點水土保持區(qū)。

2　數(shù)據(jù)準(zhǔn)備及研究方法

2.1數(shù)據(jù)準(zhǔn)備

研究選用數(shù)據(jù)源包括彭陽縣25 m×25 m，1995年TM影像和2014年資源三號高分遙感影像，目視判讀解譯的1995年和2014年兩期土地利用數(shù)據(jù)，并結(jié)合黃土丘陵溝壑區(qū)自身特點，將研究區(qū)土地利用/覆被類型劃分為耕地、林地、草地、水域、建筑用地和未利用地六類。其他數(shù)據(jù)包括統(tǒng)計及社會經(jīng)濟數(shù)據(jù)。

2.2研究方法

2.2.1數(shù)字地形分析結(jié)合彭陽縣的地形地貌特征，應(yīng)用25×25 m的DEM數(shù)據(jù)以及地形分析，將由DEM中提取的高程、坡度信息進行分級(圖1—2)。高程以200 m為間隔，按<1 300，1 300～1 500，1 500～1 700，1 700～1 900，>1 900 m分為五級；坡度按0°～5°，5°～8°，8°～15°，15°～25°，25°～35°和>35°分為六級[19-21]。

圖2　彭陽縣坡度分級

2.2.2地形位指數(shù)結(jié)合GIS地形分析，將坡度和高程組合成一個地形位指數(shù)。該指數(shù)能夠定量分析土地利用變化與地形梯度的關(guān)系，并能夠綜合描述坡度與高程變化對土地利用變化的影響[22]，其計算公式如式(1)所示：

(1)

2.2.3地形位分布指數(shù)分布指數(shù)是用來描述不同土地利用類型在地形位梯度上的分布情況[22],分布指數(shù)可以消除地形位梯度分段和土地利用面積差異的影響。其公式如(2) 所示：

P=(Sie/Si)×(S/Se)

(2)

式中：P代表分布指數(shù)；e地形因子，分別為高程、坡度、地形位；Sie代表e地形因子特定等級下的i地類的面積；Si代表i地類的面積；Se代表整個區(qū)域e地形因子特定等級下的總面積；S代表整個區(qū)域的面積。

分布指數(shù)是一個標(biāo)準(zhǔn)化、無量綱的指數(shù)[22]。分布指數(shù)曲線越平緩，表明某種土地利用類型的分布與標(biāo)準(zhǔn)分布的偏離越小，其對地形差異的適宜性越大；反之，表明某種土地利用類型對地形具有較強的選擇性，在其優(yōu)勢地形位上該組分發(fā)育較多。若P>1，表示地形位e是該土地利用類型分布的優(yōu)勢地形位，P越大，優(yōu)勢越明顯。反之若P<1，表示地形位e的該土地利用類型分布為非優(yōu)勢地形位。在強烈的人為干擾作用下，不同時期的P值變化體現(xiàn)了土地利用類型在相應(yīng)地形位上發(fā)生的調(diào)整。

根據(jù)公式(1)，在ArcGIS軟件平臺下，計算得到彭陽縣地形位指數(shù)，并采用等數(shù)量重分類(quantile reclassify)法[23]將地形位(0.276～1.030)劃分為13級(等級間隔為0.058)，分屬低、中、高地形位3個梯度，如表1所示。

表1　彭陽縣地形位分級

3　結(jié)果與分析

3.1基于高程分級的土地利用變化特征分析

根據(jù)高程分級圖與土地利用圖疊加得到彭陽縣1995年和2014年各土地利用類型高程分級分布，并選擇面積變化較大的耕地、草地和未利用地，各土地利用類型高程分級面積統(tǒng)計表，見表2。彭陽縣水域和建筑用地只分布于高程小于1 300 m的區(qū)域內(nèi)，耕地面積隨高程增加而減少，這可能是因為高程高的區(qū)域不適合人們居住以及勞作。1995—2014年，耕地和未利用地面積大量減少，草地面積大量增加。高程大于1 300 m的區(qū)域，土地利用主要由草地和耕地構(gòu)成。變化較為明顯的為耕地和未利用地，前者面積共減少12 778 hm2；高程大于1 700 m的區(qū)域基本不存在耕地，后者面積共減少66 916 hm2，1995年分布于各高程分級，至2014年只分布于高程小于1 300 m的高程區(qū)域內(nèi)。而水域和建筑用地雖只分布于高程小于1 300 m的區(qū)域內(nèi)，但面積也都有所增加。

以上彭陽縣1995—2014年土地利用類型分布在高程分級的變化體現(xiàn)區(qū)域生態(tài)恢復(fù)略有成效，從20世紀(jì)90年代開始，彭陽縣大力施行封山禁牧、退耕還林還草、荒山造林等生態(tài)恢復(fù)工程，導(dǎo)致未利用地和耕地面積大量減少，生態(tài)環(huán)境得到很好的改善，草地面積大量增加，林地和水域面積也有所增加。此外，彭陽縣經(jīng)濟發(fā)展勢頭迅猛，人口的增加以及生態(tài)移民的實施，使得建筑用地面積也呈現(xiàn)快速增長趨勢。

3.2基于坡度分級的土地利用變化特征分析

根據(jù)坡度分級圖與土地利用圖疊加得到彭陽縣1995年和2014年各土地利用類型坡度分級分布圖，并選擇面積變化較大的耕地、草地和未利用地，各土地利用類型坡度分級面積統(tǒng)計表，見表3。彭陽縣水域和建筑用地的面積隨著坡度的增大而減小，而其他土地利用類型面積隨著坡度變化則沒有明顯的連續(xù)性變化。水域和建筑用地面積的增加主要發(fā)生在0°～5°的坡度分級內(nèi)，占研究期間相應(yīng)地類增加面積的94.75%和66.72%。建筑用地面積的增加反映20 a來彭陽縣的經(jīng)濟發(fā)展；林地面積的增加主要集中在坡度小于25°的范圍內(nèi)，占研究期間林地增加面積的95.06%。耕地和未利用地面積的減少體現(xiàn)在所有的坡度分級，大部分耕地和未利用地轉(zhuǎn)化為草地也導(dǎo)致了草地面積在所有坡度分級內(nèi)的增加。

從1995年以來，退耕還林還草、封山禁牧、荒山造林等生態(tài)恢復(fù)工程的實施，是彭陽縣1995—2014年土地利用變化呈現(xiàn)坡度分級特征的最主要原因。

3.3基于地形梯度的土地利用變化特征分析

結(jié)合彭陽縣地形位指數(shù)，并分析彭陽縣1995年和2014年耕地、林地、草地、水域、建筑用地和未利用地在各地形位上的分布指數(shù)，見圖3所示。彭陽縣土地利用類型在地形位梯度上的優(yōu)勢分布區(qū)間見表4。

(1) 耕地。耕地的分布指數(shù)在地形位上表現(xiàn)為逐漸降低的趨勢，1995年和2014年的曲線形態(tài)基本相似，其優(yōu)勢度區(qū)間為1～5，而在6～13區(qū)間耕地分布指數(shù)均小于1，但在地形位2～5的區(qū)間上2014年比1995年占優(yōu)勢，這主要是坡耕地面積大量減少。同時，隨著地形位的增加，耕地的分布指數(shù)開始趨向于0，表明該地形位區(qū)間內(nèi)耕地的面積逐漸在減少。

表2　彭陽縣1995年與2014年各高程分級土地利用類型面積統(tǒng)計　hm2

表3　彭陽縣1995年與2014年各坡度分級土地利用類型面積統(tǒng)計　hm2

表4　彭陽縣土地利用類型在地形位梯度上的優(yōu)勢分布區(qū)間

圖3　基于地形位分級的彭陽縣1995年和2014年各土地利用類型分布指數(shù)對比

(2) 林地。林地的分布指數(shù)在地形位上表現(xiàn)為逐漸升高的趨勢，其優(yōu)勢度區(qū)間為7～13。2014年與1995年相比，在10～13地形位區(qū)間上，2014年的分布指數(shù)小于1995年的分布指數(shù)，表明林地分布趨向較高地形位區(qū)間。由于研究區(qū)域?qū)嵭型烁€林還草并且調(diào)整了農(nóng)業(yè)結(jié)構(gòu)，減少了玉米、小麥等作物在坡耕地的種植，增加了桃、李、杏等經(jīng)果林的種植。

(3) 草地。草地的分布指數(shù)在地形位上表現(xiàn)為逐漸升高的趨勢，且優(yōu)勢分布區(qū)間最廣，地形適應(yīng)彈性最大，1995年的優(yōu)勢度區(qū)間為7～13而2014年的優(yōu)勢度區(qū)間為5～13。相比而言，1995年草地的優(yōu)勢度區(qū)間范圍較小，分布區(qū)間范圍也較小，2014年草地的優(yōu)勢度區(qū)間范圍已擴展到第5區(qū)間，這與20 a來彭陽縣實施的退耕還林還草、荒山造林工程有密切關(guān)系。同時，草地優(yōu)勢度區(qū)間的變化與草地面積隨坡度和高程梯度的變化相關(guān)。

(4) 水域。水域的分布指數(shù)隨著地形位的增大而減小，第1和第2區(qū)間是水域的優(yōu)勢度區(qū)間。2014年與1995年相比，水域分布指數(shù)的變化較小，變化趨勢較為相似，優(yōu)勢度區(qū)間沒有發(fā)生變化。而在3～13區(qū)間上分布指數(shù)接近于0，表明水域的分布對定形的選擇有嚴(yán)格的限制，同時也表明這20 a來水域所分布的地形保持穩(wěn)定，沒有發(fā)生較大變化，其主要分布在低地形位區(qū)域。

(5) 建筑用地。建筑用地的分布指數(shù)隨著地形位的增大而減小，其優(yōu)勢度區(qū)間為1～4。2014年與1995年相比，在6～10地形位區(qū)間，2014年的分布指數(shù)均小于1995年的分布指數(shù)。說明隨著社會經(jīng)濟的發(fā)展，人口的增加，在低地形位區(qū)域，居民用地、道路、采礦等建筑用地規(guī)模在不斷擴張。此外，地形位指數(shù)從第11開始，分布指數(shù)減小至0，這主要是高地形位區(qū)間受地形限制較大，同時彭陽縣這20 a來實行了生態(tài)移民政策，將處于山區(qū)，交通不便，環(huán)境惡劣的居民遷移出來，導(dǎo)致較高地形位上沒有建筑用地分布。

(6) 未利用地。未利用地的分布指數(shù)曲線1995年和2 014存在較為明顯的不同。1995年的分布指數(shù)曲線隨著地形位的增大，分布指數(shù)先增大后減小，其優(yōu)勢度區(qū)間為6～11，而2014年的分布指數(shù)曲線變化相對劇烈，特別是從第9地形位區(qū)間開始，分布指數(shù)分布指數(shù)直接降到1以下，其優(yōu)勢度區(qū)間范圍也縮小為6～9?？梢钥闯?，彭陽縣這20 a來土地利用類型的變化，最主要便是集中在對未利用地的處理，通過荒山造林等生態(tài)恢復(fù)工程，將高地形位區(qū)間的未利用地大量轉(zhuǎn)化為草地，使得2014年的未利用地的優(yōu)勢度區(qū)間范圍較小，分布區(qū)間范圍也較小。

除未利用地外，其他土地利用類型1995年和2014年的分布指數(shù)在地形位分布上較為一致。水域的優(yōu)勢度區(qū)間集中在低地形位區(qū)間，耕地和建筑用地的優(yōu)勢度區(qū)間集中于低中地形位區(qū)間，林地、草地和未利用地的優(yōu)勢度區(qū)間集中于中高地形位區(qū)間。1995—2014年，耕地、水域和建筑用地的地形位分布指數(shù)趨向減少，其分布趨向于較低的地形位區(qū)間，而林地、草地和未利用地則趨向于較高的地形位區(qū)間。

4　討論與結(jié)論

4.1討 論

(1) 本文從高程，坡度單個因子以及地形位梯度兩個方面，對彭陽縣1995—2014年土地利用類型在地形梯度上的分布及變化特征進行研究分析，不難發(fā)現(xiàn)運用高程、坡度以及地形梯度都能夠反映研究區(qū)域20 a來土地利用的變化，并且總體上各土地利用類型在高程、坡度上的變化與在地形梯度上的變化一致，但是地形位更能反映土地利用在空間格局上的變化規(guī)律，例如近20 a來草地面積在高程帶和坡度帶上均有大量增加但總體變化較為復(fù)雜，不過在地形位分布上呈現(xiàn)一定的規(guī)律性。

(2) 黃土丘陵溝壑區(qū)是生態(tài)環(huán)境極端脆弱區(qū)，經(jīng)濟貧困落后，該區(qū)域土地資源的可持續(xù)利用關(guān)系到區(qū)域生態(tài)安全，因此需要加強退耕還林草工程、荒山造林、水土保持生態(tài)修復(fù)、生態(tài)移民等工程引起的土地利用變化的影響研究，對評估區(qū)域土地資源可持續(xù)利用和生態(tài)環(huán)境重建具有重要指導(dǎo)意義。彭陽縣20 a的土地利用變化反映該區(qū)域生態(tài)恢復(fù)的重點與變化規(guī)律，彭陽縣土地利用/覆被景觀格局變化的時間節(jié)點為2000年，從土地利用數(shù)據(jù)充分反映了國家的退耕還林草工程、水土保持生態(tài)修復(fù)、生態(tài)移民等土地可持續(xù)利用政策成為土地利用變化的重要影響因素。2007年國家對退耕還林還草工程結(jié)構(gòu)性調(diào)整，和水土保持工作的支持，實現(xiàn)水土資源可持續(xù)利用和生態(tài)環(huán)境可持續(xù)發(fā)展，保障和改善民生。

(3) 本文只是利用高程、坡度、地形位指數(shù)以及土地利用程度綜合指數(shù)定量分析了在地形梯度上的土地利用變化特征，并沒有考慮坡向以及其他地形因子的影響，綜合更多的地形因子對土地利用變化特征進行探究，并定量分析其變化是接下來可以繼續(xù)研究的方向。

4.2結(jié) 論

(1) 1995—2014年，彭陽縣耕地和未利用地面積大量減少，分別減少12 778，66 916 hm2，草地面積大量增加，增加74 973 hm2，林地、水域和建筑用地面積均有不同程度的增加，分別為3 873,438，1 208 hm2。

(2) 土地利用變化與高程的關(guān)系。1995年到2014年，彭陽縣水域和建筑用地只分布于高程小于1 300 m的區(qū)域內(nèi)，耕地面積隨高程增加而減少；高程大于1 300 m的區(qū)域，土地利用類型主要為草地和耕地；高程大于1 700 m的區(qū)域基本無耕地；1995年耕地分布于各高程分級，2014年主要分布于高程小于1 300 m的高程區(qū)域內(nèi)。(3) 土地利用變化與坡度的關(guān)系。1995—2014年，彭陽縣水域和建筑用地的面積隨著坡度的增大而減小，其他土地利用類型面積隨著坡度變化則沒有明顯的連續(xù)性變化；由于坡度較大的區(qū)域并不適宜人們居住，因此1995年到2014年彭陽縣建筑用地面積的增加集中在0°～5°的坡度分級內(nèi)；林地面積的增加主要集中在坡度小于25°的范圍內(nèi)；耕地和未利用地面積的減少貫穿了所有的坡度分級；大部分耕地和未利用地轉(zhuǎn)化為草地也導(dǎo)致了草地面積在所有坡度分級內(nèi)的增加。

(4) 土地利用變化與地形位指數(shù)的關(guān)系。1995—2014年,隨著地形位的升高，耕地、水域、建筑用地的分布指數(shù)逐漸降低；林地和草地的分布指數(shù)逐漸升高；未利用地的分布指數(shù)先升后降；草地的優(yōu)勢分布區(qū)間增加了2個地形位，未利用地的優(yōu)勢分布區(qū)間降低了2個地形位。整體而言，水域的優(yōu)勢度區(qū)間集中在低地形位區(qū)間，耕地和建筑用地的優(yōu)勢度區(qū)間集中于低中地形位區(qū)間，林地、草地和未利用地的優(yōu)勢度區(qū)間集中于中高地形位區(qū)間。研究期內(nèi)，耕地、水域和建筑用地的地形位分布指數(shù)趨向減少，其分布趨向于較低的地形位區(qū)間，而林地、草地和未利用地則趨向于較高的地形位區(qū)間。

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Relationship Between the Land Use Change and the Terrain Gradient in Counties in the Loess Hilly and Gully Region

ZHUANG Zhuzhou1, HUANG Qiuhao1, SHI Yun2

(1.CollegeofGeographicandOceanographicSciences,NanjingUniversity,Nanjing210023,China;2.CollegeofResourcesandEnvironment,NingxiaUniversity,Yinchuan750021,China)

Land-use/cover change (LUCC) is the most direct manifestation of the interaction between human activities and natural environment, and is an important factor to reflect the extent of human activities as well. Based on the DEM data in 1995 and 2014 and the land use status, we quantitatively analyzed the characteristics of land use change based on terrain gradient in Pengyang County with the aid of GIS space analysis and terrain niche index, dispersion index, and the comprehensive index. Firstly, from 1995 to 2014, the area of cultivated land and unused land decreased dramatically. The grassland area, on the other hand, increased significantly, and the area of woodland, water bodies and construction land also showed the increasing trend. Secondly, with the elevation of the terrain niche, the distribution index of cultivated land, water bodies and construction land declined, while areas of woodland and grassland were rising, and the distribution index of unused land first rose then declined. The dominance distribution section of grassland increased two terrain niches, while that of unused land decreased two. Overall, water bodies′ dominance distribution section concentrates at the low position; cultivated land and construction land dominance distribution sections are mainly at the low-to-mid position and woodland, grassland and unused land dominance distribution sections are mainly at high position. Thirdly， compared with the comprehensive index of the extent of land use in 1995, that increased in all terrain niches in 2014. This research can provide the theoretical basis for the optimization of land use pattern and sustainable utilization of land resources in Pengyang County.

land use change; terrain niche; distribution index; Pengyang County

2015-07-30

2015-08-25

國家自然科學(xué)基金“基于景觀格局變化的黃土高原縣域退耕還林還草生態(tài)效益評價研究”(41161081)

莊逐舟(1992—),男,福建泉州人,研究生,從事GIS應(yīng)用方面研究。E-mail:zhuangzhuzhou@163.com

石云(1977—),女,寧夏銀川人,博士,副教授,長期從事GIS應(yīng)用教學(xué)及研究。E-mail:shiyun@nxu.edu.cn

F301

A

1005-3409(2016)04-0331-07