基于地形梯度的高原山地區(qū)土地利用格局時空特征
——以貴州省盤縣為例

董順舟, 趙宇鸞,, 李秀彬

(1.貴州師范大學(xué) 地理與環(huán)境科學(xué)學(xué)院, 貴陽 550001; 2.中國科學(xué)院 地理科學(xué)與資源研究所, 北京 100101)

基于地形梯度的高原山地區(qū)土地利用格局時空特征
——以貴州省盤縣為例

董順舟1, 趙宇鸞1,2, 李秀彬2

(1.貴州師范大學(xué) 地理與環(huán)境科學(xué)學(xué)院, 貴陽 550001; 2.中國科學(xué)院 地理科學(xué)與資源研究所, 北京 100101)

地形因子在一定程度上制約著土地利用空間格局的形成及變化，高原山地區(qū)更為明顯。該文選取貴州省盤縣作為研究區(qū)，運用地學(xué)信息圖譜理論、地形分布優(yōu)勢指數(shù)、地形位指數(shù)和土地利用綜合程度指數(shù)分析了2000—2010年研究區(qū)土地利用在地形梯度上的空間分布和內(nèi)在演變特征。結(jié)果表明：研究期間，盤縣耕地大幅度減少，林地、草地、建設(shè)用地和水域大幅度增加，未利用地不甚明顯.不同土地利用時空分布及其變化受地形因子的影響呈現(xiàn)一定的垂直分布特征。低級別區(qū)耕地優(yōu)勢位增強，水體優(yōu)勢位出現(xiàn)顯著萎縮，中級別區(qū)林地和草地優(yōu)勢位基本保持穩(wěn)定。高級別區(qū)林地和草地優(yōu)勢分布范圍拉寬，建設(shè)用地和水體優(yōu)勢位出現(xiàn)退縮。土地利用圖譜以穩(wěn)定型和前期變化型為主，不同圖譜變化類型均是不同級別區(qū)耕地向林地、草地及建設(shè)用地轉(zhuǎn)化為主要特征。土地利用綜合程度指數(shù)隨地形級別區(qū)的增加呈現(xiàn)先下降后趨緩特征。高原山地區(qū)土地利用結(jié)構(gòu)調(diào)整應(yīng)充分統(tǒng)籌區(qū)域地形結(jié)構(gòu)及土地利用格局垂直梯度特征，對不同土地利用類型優(yōu)化布局進行因地制宜的安排與協(xié)調(diào)，實現(xiàn)區(qū)域土地資源在空間結(jié)構(gòu)上的合理配置與可持續(xù)利用。

空間分布; 地形梯度; 地形位指數(shù); 分布指數(shù); 土地利用程度綜合指數(shù)

土地利用變化客觀記錄了人類改造自然環(huán)境的時空動態(tài)過程，土地利用/植被變化(LUCC)研究已成為全球環(huán)境變化的核心領(lǐng)域[1]。山區(qū)具有高度空間異質(zhì)化的山地環(huán)境，蘊含豐富的地理生態(tài)信息，其土地利用變化約為水平變異梯度的1 000倍[2-3]。山區(qū)也是貧困和生態(tài)環(huán)境脆弱集聚帶，土地利用地形梯度變化對經(jīng)濟建設(shè)和農(nóng)業(yè)生產(chǎn)活動具有深遠的影響[4-5]，其土地資源可持續(xù)利用關(guān)系到區(qū)域的糧食安全和生態(tài)安全[6]。地形因子是決定山區(qū)土地利用分布的重要因素之一，其特點變化直接或間接影響區(qū)域的地表物質(zhì)遷移與能量轉(zhuǎn)換[7]。地形基本決定了土地利用方式和人類利用土地的難易程度，山區(qū)土地利用空間分布通常在地形梯度上表現(xiàn)出明顯的區(qū)域演變特征[8]。尤其是在人為活動強度大的區(qū)域，地形特征構(gòu)成了大范圍人為干擾強度下區(qū)域土地利用分布格局的基本骨架[9]。由于山區(qū)地形結(jié)構(gòu)組成多樣性、快速城鎮(zhèn)化、土地利用內(nèi)部轉(zhuǎn)換變化性和類型優(yōu)勢分布特征、土地轉(zhuǎn)型的過程、格局和驅(qū)動力多尺度綜合特性，導(dǎo)致對地形梯度的土地利用變化特征分析存在一定難度[10-13]。利用DEM數(shù)字模型提取地形因子，為研究土地利用在區(qū)域的空間分布及變化特征提供了高效方法[14]，而基于DEM為基礎(chǔ)的地形梯度變化特征與土地利用相關(guān)性已成為LUCC研究的一個重要視角。目前，地形因子與土地利用相結(jié)合方面的研究，國內(nèi)外多數(shù)學(xué)者已做了部分研究分析，如高程條件約束下土地利用類型空間分布特征、生態(tài)過程的效應(yīng)和單一因子高程、坡度、坡向等地形因子對土地利用空間變化的效用分析[15-16]。綜合來看，多集中在坡度、高程、坡向、地形起伏度、地形分布指數(shù)、地形位指數(shù)、土地利用綜合程度指數(shù)等指標對土地利用數(shù)量結(jié)構(gòu)變化進行定量分析[17-21]。地學(xué)信息圖譜是以遙感、地理信息系統(tǒng)及數(shù)學(xué)模型為支撐的地球空間信息復(fù)合分析方法論，其圖譜單元將地理實體、地理現(xiàn)象空間差異性及地理過程時序變化性綜合起來，有效解決了空間與過程的集成研究問題[22-23]，故綜合地形因子與地學(xué)信息圖譜分析理論研究土地利用變化已成為一種趨勢。分析土地利用在地形梯度上的時空分布及變異特征，有助于深入揭示土地利用變化內(nèi)外環(huán)境因子的關(guān)聯(lián)性，對了解不同地形環(huán)境下土地利用變化演變特征等具有重要的實際意義，進而為區(qū)域的土地利用分布及變化特征和土地資源優(yōu)化布局奠定基礎(chǔ)。

盤縣是貴州煤炭資源型城市，土地利用受地形限制性較強，是高原山地區(qū)城鎮(zhèn)化快速發(fā)展和資源環(huán)境變化尤為顯著的典型地區(qū)。本文選取盤縣作為案例區(qū)，利用GIS作為基本的空間分析工具，構(gòu)建研究區(qū)土地利用數(shù)據(jù)庫，運用地形位指數(shù)、地形分布優(yōu)勢指數(shù)、地學(xué)信息圖譜理論和土地利用綜合程度指數(shù)系統(tǒng)且定量分析高原山地區(qū)土地利用在地形梯度上的空間分布及變化特征，旨在為高原山地區(qū)乃至山區(qū)土地資源優(yōu)化配置提供依據(jù)。

1 研究區(qū)概況

盤縣(104°17′—104°57′E,25°19′—26°17′N)位于貴州省西部，土地總面積約4 061.40 km2。屬貴州省六盤水市，東鄰普安縣，南連興義市，西與云南省宣威縣、富源縣接界，北與水城縣接壤，地處云貴高原中段過渡地帶，北盤江等河流深切。地勢西北高，東部和南部較低，中南部隆起。最高海拔為2 865 m，最低海拔為735 m，相對高差達2 130 m，地形起伏較大，山地特征顯著。地貌屬高原山地類型，部分區(qū)域分布有丘陵、山間壩地。氣候?qū)賮啛釒Т焊上臐駵睾蜌夂?，降水? 394.9 mm，雨季多暴雨，年均氣溫15.2℃。森林覆蓋率為60.03%。煤炭、汞等礦產(chǎn)資源豐富，存儲量大，是西南地區(qū)重要的資源型城市之一。轄7鄉(xiāng)，14鎮(zhèn)，6個街道辦事處。2012年末人口118萬人，其中農(nóng)業(yè)人口97萬人，人口密度約238人/km2。同時盤縣也是貴州省經(jīng)濟較為發(fā)達的城市，全縣地區(qū)生產(chǎn)總值達300.98億元，其一產(chǎn)、二產(chǎn)、三產(chǎn)分別占地區(qū)生產(chǎn)總值的6.4%，73.6%，20%，城鎮(zhèn)化率為39.56%。盤縣山地特征鮮明，人口密度大，人地矛盾尖銳，資源開發(fā)利用水平較高，土地利用分布深受地形因子影響，水土流失較為嚴重，因此，區(qū)域土地利用在地形梯度上的空間格局分布及變化特征值得關(guān)注。

2 數(shù)據(jù)與方法

2.1 數(shù)據(jù)來源與處理

2000年、2005年和2010年土地利用數(shù)據(jù)來源于貴州省山地資源與環(huán)境遙感應(yīng)用重點實驗室，將研究區(qū)土地利用類型矢量數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換成30×30像元的柵格數(shù)據(jù)。依據(jù)研究區(qū)地形地貌和土地利用結(jié)構(gòu)特征，結(jié)合中國科學(xué)院應(yīng)用數(shù)據(jù)中心下載的30 mDEM數(shù)據(jù)，對不同地形因子進行重分級。將坡度劃分為5級：0°～6°(平緩坡)，6°～15°(緩坡)，15°～25°(斜坡)，25°～35°(緩陡坡),>35°(陡坡)；為了與坡度相對應(yīng)，將高程劃分為5級，755～1 566 m，1 566～1 755 m，1 755～1 940 m，1 940～2 199 m,>2 199 m；使用GIS中的Equal Interval方法將地形位指數(shù)分成5級。將土地利用類型分布柵格圖與坡度、高程、地形位柵格圖進行柵格圖層運算，提取統(tǒng)計不同時期土地利用在各地形因子上的數(shù)量和空間變化過程特征。土地利用參考我國土地利用分類標準[24]，綜合當(dāng)?shù)貙嶋H情況將土地利用類型劃分為：建設(shè)用地、耕地、林地、草地、水體、未利用地6種一級地類。

2.2 研究方法

2.2.1 地形位指數(shù) 為了定量分析土地類型空間格局與地形梯度關(guān)聯(lián)性，采用地形位指數(shù)來度量地形梯度。地形位模型即將高程與坡度組合成一個地形位指數(shù)來綜合描述。其中，坡度越大，高程越高，地形位指數(shù)就越大；反之則越小，其他組合情況的地形位指數(shù)居于中間值。公式[25-26]如下：

2.2.2 分布指數(shù) 為了消除地形梯度分級和土地利用面積差異的影響，研究引入地形優(yōu)勢分布指數(shù)，分布指數(shù)是一個標準化、無量綱指數(shù)；如果Pie>1，說明第i種地類在第e地形上占據(jù)優(yōu)勢，值越大，優(yōu)勢度越大；Pie<1，第i種地類在第e地形上占據(jù)劣勢；Pie=1，第i種地類在第e級地形上的比重與研究區(qū)內(nèi)該地類的比重相等。公式[27]如下：

式中：Pie為分布指數(shù)；Sie為e地形級別區(qū)第i種土地利用類型面積；Si為整個研究區(qū)內(nèi)第i種土地利用類型總面積；Se為整個研究區(qū)內(nèi)e地形級別區(qū)總面積；S為整個研究區(qū)域面積。

2.2.3 土地利用圖譜法 利用GIS空間分析模塊，對土地利用現(xiàn)狀數(shù)據(jù)進行編碼和疊加(表1)，探討不同時期間土地利用類型總體的內(nèi)在演變特征。研究將圖譜變化模式概括為穩(wěn)定型(2000—2010年沒有變化)、前期變化型(僅2000—2005年變化)、后期變化型(2005—2010年變化)、反復(fù)變化型(2000—2010年至少2種轉(zhuǎn)化，且2000—2010年利用類型相同)和連續(xù)變化型(2000—2010年至少2種轉(zhuǎn)化，且2000年、2010年利用類型不同)五種類型。公式[28]如下：

Y=G1×10n-1+G2×10n-2+…+Gn×10n-n

式中：Y為土地利用代碼計算合成的n位數(shù)字；n為土地利用的時期數(shù)目；Gn為第n期的土地利用單元。

表1 土地利用分類方案及編碼

2.2.4 土地利用程度綜合指數(shù) 為了定量研究土地利用程度的地形分異特征，采用土地利用程度綜合指數(shù)。土地利用程度分級指數(shù)是根據(jù)區(qū)域土地利用強度賦值(表2)。公式[29]如下：

式中:La為土地利用程度綜合指數(shù)；Ai為第i級的土地利用程度分級指數(shù)；Ci為第i級土地利用程度分級面積百分比。

表2 土地利用程度分級賦值

3 結(jié)果與分析

3.1 土地利用結(jié)構(gòu)變化的地形梯度差異特征

3.1.1 土地利用結(jié)構(gòu)變化的坡度梯度差異 將土地利用分布柵格圖與坡度柵格圖進行圖層運算，提取且統(tǒng)計土地利用在各坡度級別區(qū)的數(shù)量結(jié)構(gòu)變化特征。由表3可見，研究期間全縣土地利用數(shù)量結(jié)構(gòu)發(fā)生了顯著變化；其中，受人類活動干擾性較強的耕地大幅度減少，從2000年160 667.55 hm2減少為2010年的143 480.16 hm2，共減少17 187.39 hm2，年均下降1.07%；而草地、建設(shè)用地、林地和水域則大幅度遞增，適應(yīng)性極強的林地和草地增幅尤為劇烈，分別增加12 499.92 hm2，4 223.34 hm2，其次是建設(shè)用地和水域，增加面積分別為240.57 hm2，172.53 hm2，未利用地基本保持穩(wěn)定。

從不同坡度級別區(qū)的土地利用分布面積可見，6°～15°級別區(qū)面積分布最為廣泛，占研究區(qū)總面積的44.17%；其次是15°～25°級別區(qū)，占總面積的31.37%；<6°級別區(qū)面積占總面積的12.98%；>25°級別區(qū)面積占總面積的11.47%。由此可見，全縣土地利用類型主要分布在25°以下級別區(qū)范圍內(nèi)。

表3 研究區(qū)不同坡度梯度上各土地利用類型的面積 hm2

0°～6°級別區(qū)主要分布地類為耕地、林地和草地，分別占2010年各地類總面積的17.74%，9.54%和10.27%。耕地在該級別區(qū)共減少1 584.36 hm2。林地和草地共增加1 483.11 hm2，其林地占了76.19%。6°～15°級別區(qū)主要分布地類為林地、耕地、建設(shè)用地和草地，分別占2010年各地類總面積的41.99%，48.35%，54.00%和39.41%。該坡度級別區(qū)地類面積變化尤為劇烈。其中，林地、草地、建設(shè)用地和水域大幅度增加，增加面積分別為4 605.66 hm2，1 523.61 hm2，148.23 hm2，69.66 hm2，耕地減少6 403.05 hm2?？梢缘弥撈露燃墑e區(qū)土地利用變化以耕地轉(zhuǎn)林地、草地和建設(shè)用地為主要變化類型。15°～25°級別區(qū)主要分布地類為林地、耕地和草地，分別占2010年各地類總面積的34.96%，26.48%和33.98%。地類面積變化劇烈程度僅次于6°～15°級別區(qū)。所有土地利用增加類型中，增幅最大屬林地和草地，分別增加4 534.48 hm2，1 537.38 hm2；耕地減少6 148.71 hm2。>25°以上主要分布地類為林地、耕地和草地，分別占2010年各地類總面積的13.51%，7.43%和16.33%。其中，林地和草地分別增加2 229.93 hm2，809.19 hm2，耕地仍大幅度減少，該級別區(qū)減少3 051.27 hm2。

綜上所述，隨坡度級別區(qū)的增加，耕地在不同坡度級別區(qū)均大幅度減少，林地、草地、建設(shè)用地和水域大幅度增加，未利用地基本保持穩(wěn)定。耕地減少主要發(fā)生在6°～25°級別區(qū)，占耕地減少總面積的73.03%。林地、草地、建設(shè)用地和水域增加主要也發(fā)生在該級別區(qū)。分別占總增加面積的73.12%，72.48%，69.02%和63.38%。林地在>6°級別區(qū)面積增加最多，自陡坡耕地實施退耕還林還草工程以來，陡坡區(qū)域耕地面積逐步減少，林地、草地面積增加明顯，更有利于高原山地區(qū)生態(tài)恢復(fù)。草地變化主要發(fā)生在15°～25°級別區(qū)，建設(shè)用地和水域主要發(fā)生在6°～15°級別區(qū)，而未利用地集中在6°～25°級別區(qū)，且廢棄工礦用地及撂荒土地是造成未利用地的根本原因。

3.1.2 土地利用結(jié)構(gòu)變化的高程梯度差異 同理，由表4可見，研究區(qū)在1 566～1 755 m和1 755～1 940 m級別區(qū)面積分布較多，分別占2010年地類總面積的29.96%和36.04%；其次是1 940～2 199 m高程級別區(qū)，占2010年地類總面積的17.36%；755～1 566 m級別區(qū)占地類總面積的12.08%；>2 199 m級別區(qū)占地類總面積的4.57%。說明研究區(qū)土地利用類型主要分布在<2 199 m級別區(qū)范圍內(nèi)。

表4 研究區(qū)不同高程梯度上各土地利用類型的面積 hm2

755～1 566 m級別區(qū)主要分布地類為耕地、林地和水域，分別占2010年各地類總面積的15.91%，8.60%和50.00%。該級別區(qū)耕地減少1 852.47 hm2，林地和草地共增加1 655.64 hm2，水域增加161.19 hm2。1 566～1 755 m級別區(qū)主要分布地類為林地、耕地、草地和建設(shè)用地，分別占2010年各地類總面積的26.11%，35.10%，30.04%和34.92%。其林地、草地及建設(shè)用地增加面積分別為3 308.04 hm2，1 087.83 hm2，64.80 hm2，耕地減少4 497.93 hm2。1 755～1 940 m級別區(qū)主要分布地類為林地、耕地、草地、建設(shè)用地和未利用地，分別占2010年各地類總面積的36.96%，34.70%，36.79%，28.87%和73.53%。地類面積變化劇烈程度較大在該級別區(qū)。具體來看，在該級別區(qū)耕地減少6 483.24 hm2，林地、草地及建設(shè)用地分別增加4 800.24 hm2，1 499.31 hm2，175.77 hm2，而未利用地基本保持穩(wěn)定。1 940～2 199 m級別區(qū)主要分布地類為林地、草地和耕地，分別占2010年各地類總面積的21.39%，18.65%和11.96%。林地和草地共增加3 474.09 hm2，耕地減少3 470.85 hm2。>2 199 m級別區(qū)主要分布地類為林地和耕地，分別占2010年各地類總面積的2.32%和6.92%。其中，林地增加774.36 hm2，耕地減少882.90 hm2。

總之，隨高程級別區(qū)的增加，林地、草地、建設(shè)用地和水域均大幅度增加，耕地大幅度減少，未利用地基本保持穩(wěn)定。耕地面積的減少主要發(fā)生在1 566～1 940 m高程級別區(qū)，占地類總面積的69.80%。林地、草地、建設(shè)用地和水域面積的增加主要也發(fā)生在1 566～1 940 m級別區(qū)，占地類總面積的63.08%，66.84%，63.79%和48.19%。未利用地主要集中在1 755～1 940 m級別區(qū)。

3.1.3 土地利用結(jié)構(gòu)變化在地形梯度上的空間分布特征 從不同坡度級別區(qū)土地利用類型的分布指數(shù)可知(圖1),在坡度1—2級別區(qū)林地、草地分布指數(shù)小于1，處劣勢分布區(qū)域，耕地、建設(shè)用地和水體分布指數(shù)大于1，處優(yōu)勢分布區(qū)域，說明耕地及建設(shè)用地是土地利用的主導(dǎo)方式；在3—5級別區(qū)林地、草地分布指數(shù)大于1，占據(jù)優(yōu)勢地位，耕地、建設(shè)用地和水體分布指數(shù)小于1，占據(jù)劣勢地位；未利用地在1，4—5級別區(qū)分布指數(shù)小于1，而在2—3級別區(qū)占據(jù)優(yōu)勢地位。從時間上看，2005年、2010年林地和草地在坡度3—5級別區(qū)分布指數(shù)較2000年整體呈現(xiàn)增加態(tài)勢，而耕地在該級別區(qū)呈現(xiàn)減少態(tài)勢，土地利用結(jié)構(gòu)趨向合理，導(dǎo)致自然生態(tài)類型的優(yōu)勢逐漸向更高范圍擴展，這可能與多年來全縣退耕還林還草政策有關(guān)，也可能與人口鄉(xiāng)城遷移引起的耕地撂荒有關(guān)；耕地在1—2級別區(qū)分布指數(shù)呈現(xiàn)增加態(tài)勢，表明部分閑置工礦用地經(jīng)土地整治后復(fù)墾為耕地，使得1—2級別區(qū)的耕地面積損失得到有效補償；水體在1—2級別區(qū)分布指數(shù)呈現(xiàn)減少態(tài)勢，3—5級別區(qū)呈現(xiàn)增加態(tài)勢，說明在城鎮(zhèn)化進程的加速下城市和農(nóng)村建設(shè)用地擴張雙向擠占水體，使得1—2級別區(qū)水體優(yōu)勢位出現(xiàn)退縮；建設(shè)用地與未利用地分布指數(shù)變化不甚明顯。

圖1 研究區(qū)不同土地利用類型在坡度梯度上的分布

從不同高程級別區(qū)土地利用類型的分布指數(shù)可知(圖2),在高程1—2級別區(qū)林地、草地分布指數(shù)小于1，處劣勢分布區(qū)域，耕地、建設(shè)用地和水體分布指數(shù)大于1，處優(yōu)勢分布區(qū)域；在3—5級別區(qū)林地分布指數(shù)大于1，占據(jù)優(yōu)勢地位，草地在3—4級別區(qū)占據(jù)優(yōu)勢位，耕地、建設(shè)用地和水體在3—5級別區(qū)分布指數(shù)小于1，占據(jù)劣勢地位；未利用地除在3級別區(qū)分布指數(shù)大于1之外，其他級別區(qū)均處于劣勢地形位。從時點上看，林地在5級別區(qū)分布指數(shù)呈現(xiàn)略微增加態(tài)勢，林地面積有恢復(fù)趨向；耕地在1—2級別區(qū)分布指數(shù)增加顯著，3—5級別區(qū)呈現(xiàn)減少態(tài)勢，表明在1—2級別區(qū)耕地出現(xiàn)大量虧損，由非農(nóng)地塊的轉(zhuǎn)化而得到補償，優(yōu)勢分布范圍被拉寬，3—5級別區(qū)不適宜耕作的地塊被釋放，優(yōu)勢位出現(xiàn)萎縮，說明部分水土流失較大的陡坡區(qū)域耕地逐步退出農(nóng)業(yè)生產(chǎn)，實施還林還草工程，水土流失得到緩解；水體在1級別區(qū)分布指數(shù)呈現(xiàn)增加態(tài)勢，2—5級別區(qū)呈現(xiàn)減少態(tài)勢，說明在1級別區(qū)人類修建的人工湖和水庫面積逐年增加，在2—5級別區(qū)人類活動對水體改造作用明顯，使水體的優(yōu)勢位出現(xiàn)萎縮，表明在注重經(jīng)濟發(fā)展的同時應(yīng)維護區(qū)域水資源的穩(wěn)定；建設(shè)用地、草地和未利用地分布指數(shù)變化不甚明顯。

從不同地形位級別區(qū)土地利用類型的分布指數(shù)可知(圖3)，在地形位1—2級別區(qū)林地、草地及未利用地分布指數(shù)小于1，處劣勢分布區(qū)域，耕地和建設(shè)用地分布指數(shù)大于1，處優(yōu)勢分布區(qū)域；3—5級別區(qū)林地、草地和未利用地分布指數(shù)大于1，耕地分布指數(shù)小于1，占據(jù)劣勢位；在4—5級別區(qū)建設(shè)用地和水體分布指數(shù)大于1，占據(jù)優(yōu)勢位，水體在1—3級別區(qū)分布指數(shù)小于1,占據(jù)劣勢位。從時點上看，林地在4—5級別區(qū)分布指數(shù)呈輕微增大態(tài)勢，說明在4—5級別區(qū)林地優(yōu)勢位沒有受到其他土地利用類型的擠壓而使得優(yōu)勢位被拉寬；耕地在1—2級別區(qū)分布指數(shù)呈現(xiàn)增加態(tài)勢，3—5級別區(qū)呈現(xiàn)減少態(tài)勢，表明1—2級別區(qū)峽谷壩地耕地面積出現(xiàn)大量損失，通過向非農(nóng)地塊擴張而得到有效補償，3—5級別區(qū)山地高原受退耕還林政策等驅(qū)動耕地優(yōu)勢位出現(xiàn)萎縮，逐漸向更低地形位發(fā)展形成新的穩(wěn)定優(yōu)勢位；建設(shè)用地在5級別區(qū)分布指數(shù)呈現(xiàn)減少態(tài)勢，說明城鎮(zhèn)發(fā)展用地逐步向盆地壩地方向擴展，在3級別區(qū)分布指數(shù)達到波谷，主要在3級別區(qū)河谷切割階地上,可利用土地資源面積甚少；草地在1—2級別區(qū)分布指數(shù)呈現(xiàn)減少態(tài)勢，4—5級別區(qū)呈現(xiàn)增加態(tài)勢，表明在低地形級別區(qū)草地資源遭到破壞，主要用于彌補耕地數(shù)量，人為活動干擾范圍的縮小有利于草地面積在高地形級別區(qū)的保護；水體在1—2級別區(qū)分布指數(shù)呈減少態(tài)勢，3—5級別區(qū)呈現(xiàn)增加態(tài)勢，說明水體在低地形區(qū)域優(yōu)勢位已逐步失去，優(yōu)勢位出現(xiàn)萎縮，應(yīng)注重調(diào)整土地利用結(jié)構(gòu)，防止水資源分布優(yōu)勢被其他土地利用類型擠占，實現(xiàn)水資源在空間結(jié)構(gòu)上的有效配置，高級別區(qū)優(yōu)勢位拉寬，水體面積得到有效彌補；未利用地分布指數(shù)變化不甚明顯。

圖2 研究區(qū)不同土地利用類型在高程梯度上的分布

圖3 研究區(qū)不同土地利用類型在地形位梯度上的分布

3.2 土地利用圖譜的地形梯度效應(yīng)分析

3.2.1 土地利用主要圖譜類型變化特征 從土地利用主要變化圖譜分析可知(表5)，穩(wěn)定型及前期變化型占比較大，分別占總面積的95.77%，2.24%，最小圖譜變化類型為反復(fù)變化型，且變化不甚明顯。(1) 穩(wěn)定型：集中分布在地勢平坦的峽谷壩地區(qū)域，其最大變化模式為林地→林地→林地，占穩(wěn)定型圖譜面積的48.05%，緊跟其后的是耕地→耕地→耕地變化模式，占圖譜面積的36.84%，說明研究區(qū)的生產(chǎn)結(jié)構(gòu)中農(nóng)林業(yè)占有重要地位；(2) 后期變化型：耕地→耕地→林地為主要圖譜變化模式，占后期變化型圖譜面積的67.39%，可知耕地與林地間的轉(zhuǎn)化為該圖譜變化的主要特征，這得益于國家“退耕還林”政策的實施；前期、后期和連續(xù)變化型占各圖譜總面積介于 1.80%～2.24%，且前期、后期和連續(xù)變化型是耕地向林地、草地、建設(shè)用地的轉(zhuǎn)化為主要變化特征，說明不宜耕作的土地基本轉(zhuǎn)變?yōu)榱值睾筒莸?，尤其指出現(xiàn)狀城鎮(zhèn)發(fā)展用地供需矛盾突出，城鎮(zhèn)和農(nóng)村建設(shè)用地雙向擠占耕地仍面臨嚴峻挑戰(zhàn)；(3) 反復(fù)變化型：耕地→草地→耕地為該圖譜變化的主要模式，草地向耕地的轉(zhuǎn)化為主要變化類型，這可能與“耕地占補平衡”政策實施有關(guān)，山區(qū)應(yīng)謹慎通過土地開發(fā)項目來實現(xiàn)耕地占補平衡，這可能會破壞山區(qū)脆弱環(huán)境。

3.2.2 土地利用圖譜的坡度梯度效應(yīng)特征 從土地利用主要變化圖譜的坡度級別區(qū)分析可知(表6)：(1) 穩(wěn)定型：林地→林地→林地、耕地→耕地→耕地、草地→草地→草地、建設(shè)用地→建設(shè)用地→建設(shè)用地變化模式主要發(fā)生在6°～25°級別區(qū)，分別占各圖譜總面積的78.42%，

76.07%，74.49%和70.24%。(2) 前期變化型：耕地→林地→林地、耕地→草地→草地變化模式主要發(fā)生在6°～25°級別區(qū)，分別占各圖譜總面積的74.12%和72.67%，而耕地→建設(shè)用地→建設(shè)用地變化模式則主要發(fā)生在0°～15°坡度級別區(qū)，占該圖譜總面積的92.78%。(3) 后期變化型：耕地→耕地→林地、耕地→耕地→草地變化模式主要發(fā)生在6°～25°級別區(qū)，分別占各圖譜總面積的74.19%和74.93%。(4) 反復(fù)變化型：耕地→草地→耕地變化模式主要發(fā)生在6°～15°級別區(qū)。(5) 連續(xù)變化型：耕地→草地→林地變化模式主要發(fā)生在6°～25°級別區(qū)，占圖譜面積的72.40%。由此可見，不同變化類型的主要圖譜變化模式均集中發(fā)生在6°～25°級別區(qū)范圍內(nèi)。

表5 研究區(qū)土地利用變化圖譜統(tǒng)計

表6 研究區(qū)主要圖譜變化類型在坡度梯度上的面積分布 hm2

3.2.3 土地利用圖譜的地形位梯度差異特征 從土地利用主要變化圖譜分析可知(圖4)：(1) 穩(wěn)定型。主要變化模式林地→林地→林地、草地→草地→草地集中發(fā)生在3—4級別區(qū)，耕地→耕地→耕地主要發(fā)生在1—2級別區(qū)，說明林地和草地在中高地形級別區(qū)處主導(dǎo)地位，耕地在低地形級別區(qū)占據(jù)優(yōu)勢位(圖4E)。(2) 耕地轉(zhuǎn)為林地、草地、建設(shè)用地均為前期、后期和連續(xù)變化型的主要變化特征，主要發(fā)生在1—2，4—5級別區(qū)(圖4 A，B，D)，一方面得利于”退耕還林還草”政策的推行，使不適宜耕作地塊退出農(nóng)業(yè)生產(chǎn)，另一方面城鎮(zhèn)化背景下耕地大幅度減少。(3) 反復(fù)變化型。主要變化模式耕地→草地→耕地主要發(fā)生在3級別區(qū)(圖4C)，說明為了保證耕地數(shù)量不減少，開墾草地補充耕地，導(dǎo)致該區(qū)域草地受到不合理的開發(fā)利用。

圖4 研究區(qū)不同圖譜類型下主要變化類型的地形分布指數(shù)

3.3 土地利用程度的地形梯度效應(yīng)

從土地利用綜合程度指數(shù)的地形位梯度可知(表7)：研究區(qū)不同時點地形級別區(qū)土地利用綜合指數(shù)分別為246.95，244.56，242.93，均略高于全國平均水平231.92。土地利用程度綜合指數(shù)隨地形位的增加均呈先下降后趨緩特征，1～2級地形位土地利用程度相對較高，這與該區(qū)位于高原峽谷壩地區(qū)有關(guān)，其人類經(jīng)濟生產(chǎn)建設(shè)活動頻繁，土地利用綜合開發(fā)程度相對較高。2000—2010年期間，土地利用程度變化量和變化率均為負值。其原因是研究區(qū)所有地形梯度上耕地面積減少對區(qū)域土地利用程度指數(shù)的負向貢獻程度遠大于建設(shè)用地、林草地等增加面積對該縣土地利用程度的正向貢獻程度。從時間變化看，2000—2005年土地利用綜合程度指數(shù)增量為-11.96，其減少幅度大于2005—2010年土地利用綜合程度指數(shù)減少幅度。同時，土地利用程度指數(shù)在不同地形級別區(qū)2000年均大于2010年，意味著10 a間不同地形級別區(qū)的土地利用開發(fā)程度均降低，體現(xiàn)了高原山地區(qū)土地利用存在粗放化現(xiàn)象。其中，減少最大主要發(fā)生在地形5級別區(qū)，其值為-5.03，減少最少發(fā)生在地形1級別區(qū)，其值為-3.17，說明在加速城鎮(zhèn)化背景下偏遠山區(qū)勞動力析出對高級別區(qū)土地利用影響較大，由于高級別山區(qū)勞動力城鄉(xiāng)遷移，引起坡耕地撂荒現(xiàn)象尤為嚴重，而對低級別區(qū)山區(qū)土地利用影響較小。

表7 研究區(qū)土地利用程度綜合指數(shù)在地形梯度上的分布

4 結(jié)論與討論

通過研究發(fā)現(xiàn)盤縣耕地大幅度減少，林地、建設(shè)用地和水體增加，地類面積變化主要發(fā)生在6°—25°和海拔<1 940 m級別區(qū)范圍內(nèi)。不同土地利用類型時空分布及其變化受地形因子影響，呈現(xiàn)一定的垂直分布特征。低地形的山間壩地區(qū)域耕地優(yōu)勢位增強，水體優(yōu)勢位出現(xiàn)萎縮，中地形的高原深切河谷階地區(qū)域林地、草地優(yōu)勢位基本保持穩(wěn)定，高地形的高原面區(qū)域優(yōu)勢分布范圍拉寬，建設(shè)用地和水體優(yōu)勢位出現(xiàn)退縮。土地利用圖譜變化以穩(wěn)定型和前期變化型為主，其穩(wěn)定型以低、高級別區(qū)的耕地、林地和草地等土地利用類型基本保持不變，而前期、后期和連續(xù)變化型主要是低、高級別區(qū)耕地向林地、草地和建設(shè)用地的轉(zhuǎn)化類型，反復(fù)變化型是中級別區(qū)耕地向草地轉(zhuǎn)化為主要特征。不同級別區(qū)土地利用綜合程度指數(shù)隨級別區(qū)的增加先下降后趨緩；土地利用開發(fā)程度出現(xiàn)連續(xù)降低態(tài)勢，高原山地區(qū)土地利用粗放化特征顯著。

基于上述研究，提出高原山地區(qū)土地資源利用優(yōu)化配置建議主要有：在經(jīng)濟建設(shè)占用和山區(qū)壩地資源稀缺的雙重約束下，西南山區(qū)城市應(yīng)避免攤大餅式發(fā)展模式，城市擴展應(yīng)適當(dāng)向壩子周邊山地低丘緩坡地帶布局，既減少占用優(yōu)質(zhì)壩地，又體現(xiàn)山地城市特色。中、高地形梯度是林草地優(yōu)勢分布區(qū)域，該區(qū)應(yīng)逐步退出傳統(tǒng)種植業(yè)，發(fā)展山地特色畜牧業(yè)；同時，該區(qū)域耕地轉(zhuǎn)為林草地現(xiàn)象普遍，可能與城鎮(zhèn)化進程中勞動力析出導(dǎo)致坡耕地撂荒有關(guān)，這應(yīng)引起政府、國土開發(fā)等部門的關(guān)注，特別是在耕地占補平衡政策實施過程中，應(yīng)慎重在該區(qū)域開展土地開發(fā)等國土整治項目，避免發(fā)生新開墾耕地撂荒、浪費涉農(nóng)資金現(xiàn)象。因此，高原山地區(qū)土地利用結(jié)構(gòu)調(diào)整應(yīng)充分統(tǒng)籌遵循區(qū)域地形結(jié)構(gòu)及土地利用格局垂直梯度特征，對不同土地利用類型優(yōu)化布局進行因地制宜的安排與協(xié)調(diào)，實現(xiàn)區(qū)域土地資源在空間結(jié)構(gòu)上的合理布局與可持續(xù)利用。

[1] 李秀彬.全球環(huán)境變化研究的核心領(lǐng)域:土地利用/土地覆被變化的國際研究動向[J].地理學(xué)報,1996,51(6):553-558.

[2] Lauer W. Human development and environment in the Andes: A geoecological overview[J]. Mountain Research and Development, 1993,13(2):157-166.

[3] 哈凱,丁慶龍,門明新,等.山地丘陵區(qū)土地利用分布及其與地形因子關(guān)系:以河北省懷來縣為例[J].地理研究,2015,34(5):909-921.

[4] 靖娟利,陳植華,胡成,等.中國西南部巖溶山區(qū)生態(tài)環(huán)境脆弱性評價[J].地質(zhì)科技情報,2003,22(3):95-99.

[5] 孫然好,陳利頂,張百平,等.山區(qū)景觀垂直分異研究進展[J].應(yīng)用生態(tài)學(xué)報,2009,20(7):1617-1624.

[6] Yuluan Z, Meng Z, Xiubin L, et al. Farmland marginalization and policy implications in mountainous areas: A case study of Renhuai City, Guizhou[J]. Journal of Resources and Ecology, 2016,7(1):61-67.

[7] 崔步禮,李小雁,姜廣輝,等.基于DEM的山地丘陵區(qū)土地利用變化/覆被研究:以青海湖流域為例[J].自然資源學(xué)報,2011,26(5):871-880.

[8] 喻紅,曾輝.快速城市化地區(qū)景觀組分在地形梯度上的分布特征研究[J].地理科學(xué),2001,21(2):64-69.

[9] 毛蔣興,李志剛,閆小培,等.深圳土地利用時空變化與地形因子的關(guān)系研究[J].地理與地理信息科學(xué),2008,24(2):71-76.

[10] Songlin M, Yifeng Z. Land use changes of valleys based on topographic factors in Beijing mountainous regions of China[J]. Journal of Resources and Ecology, 2016,7(1):68-76.

[11] 邱揚,傅伯杰,王軍,等.黃土丘陵小流域土地利用的時空分布及其與地形因子的關(guān)系[J].自然資源學(xué)報,2003,18(1):20-29.

[12] 蔡運龍.貴州喀斯特高原土地系統(tǒng)變化空間尺度綜合的研究方案[J].地球科學(xué)進展,2009,24(12):1301-1306.

[13] 梁發(fā)超,劉黎明.基于地形梯度的土地利用類型分布特征分析:以湖南省瀏陽市為例[J].資源科學(xué),2010,32(11):2138-2144.

[14] Hobbs R J, Saunders D A, Arnold G W. Integrated landscape ecology: A Western Australian perspective[J]. Biological Conservation, 1993,64(3):231-238.

[15] 郜紅娟,張朝瓊,張鳳太,等.基于地形梯度的貴州省土地利用時空變化分析[J].四川農(nóng)業(yè)大學(xué)學(xué)報,2015,33(1):62-70.

[16] 趙艷霞,武愛斌,劉欣淺,等.山丘陵區(qū)土地利用地形梯度特征與生態(tài)服務(wù)價值響應(yīng)[J].水土保持研究,2014,21(3):141-145.

[17] 斯鈞浪,齊偉,曲衍波,等.膠東山區(qū)縣域土地利用在地形梯度上的分布特征[J].應(yīng)用生態(tài)學(xué)報,2009,20(3):679-685.

[18] 卜心國,王仰麟,沈春竹,等.深圳市地形對土地利用動態(tài)的影響[J].地理研究,2009,28(4):1011-1021.

[19] 周啟剛,陳丹.重慶山地都市區(qū)土地利用地形梯度特征分異研究[J].水土保持研究,2013,30(3):86-91.

[20] 劉玲,王勇,謝世友,等.基于GIS的巖溶區(qū)土地利用的地形梯度分布研究:以酉陽縣板溪鄉(xiāng)為例[J].中國巖溶,2013,32(4):462-471.

[21] 龔文峰,杜崇,范文義,等.基于GIS的景觀空間格局地形分布及生態(tài)效應(yīng)的研究:以黑龍江省尚志市帽兒山地區(qū)為例[J].吉林大學(xué)學(xué)報:地球科學(xué)版,2009,39(5):899-906.

[22] 張國坤,鄧偉,張洪巖,等.新開河流域土地利用格局變化圖譜分析[J].地理學(xué)報,2010,65(9):1111-1120.

[23] 葉慶華,劉高煥,田國良,等.黃河三角洲土地利用時空復(fù)合變化圖譜分析[J].中國科學(xué)D輯,2004,34(5):461-474.

[24] 岳健,張雪梅.關(guān)于我國土地利用分類問題的討論[J].干旱區(qū)地理,2003,26(1):78-88.

[25] 龔文峰,袁力,范文義,等.基于地形梯度的哈爾濱市土地利用格局變化分析[J].農(nóng)業(yè)工程學(xué)報,2013,29(2):250-259.

[26] 陳利頂,楊爽.土地利用變化的地形梯度特征與空間擴展:以北京市海淀區(qū)和延慶縣為例[J].地理研究,2008,27(6):1225-1234.

[27] 馬士彬,張勇榮,安裕倫.山區(qū)城市土地利用動態(tài)空間分布特征:以貴州省六盤水為例[J].自然資源學(xué)報,2012,27(3):489-496.

[28] 李京京,呂哲敏,石小平,等.基于地形梯度的汾河流域土地利用類型時空變化分析[J].農(nóng)業(yè)工程學(xué)報,2016,32(7):230-236.

[29] 賈科利,常慶瑞,張俊華,等.陜北農(nóng)牧交錯帶土地利用變化及驅(qū)動機制分析[J].資源科學(xué),2008,30(7):1053-1060.

SpatiotemporalPatternsofLandUseChangeinPlateauRegionBasedontheTerrainGradient—ACaseStudyinPanxianCounty，GuizhouProvince

DONG Shunzhou1, ZHAO Yuluan1,2, LI Xiubin2

(1.SchoolofGeographicandEnvironmentalSciences,GuizhouNormalUniversity,Guiyang550001,China;2.InstituteofGeographicSciencesandNaturalResourcesResearch,ChineseAcademyofSciences,Beijing100101,China)

To a certain extent, terrain factors have effects on the formation and change of land use spatial pattern, especially in plateau region. We selected Panxian County in Guizhou Province as the study area, and used the geological information mapping theory, terrain distribution advantage index, terrain index gradient and land utilization comprehensive index to systematically and quantitatively analyze the spatial distribution and intrinsic evolution characteristics of land use of research area in the topographic gradient in the period from 2000 to 2010. The results showed that during the study period, in Panxian, cultivated land reduced greatly, forestland, grassland, construction land and water bodies increased a lot, change of unused land was not obvious; spatial distribution of different land use types and their changes under the influence of terrain factor had vertical distribution characteristics. Terrain advantage of low level terrain area of cultivated land enhanced, terrain advantage of water body significantly shrinked, in middle level terrain area, terrain advantage of forestland and grassland remained stable. In high level terrain area, distribution range of terrain advantage of forestland and grassland became wide, construction land and water body shrinked. The changes of land use map are given priority to stable type and precancerous change type, different types are the changes of cultivated land to forestland, grassland and construction land conversion as the main characteristic in different terrain areas. The comprehensive land use degree index increased first and then remained stable with the increase of terrain area. Adjustment of land use structure in the plateau region should take full consideration of terrain structure and the vertical gradient of land use structure, optimize the layout of different land use types in arrangement and coordination of adjust measures to local conditions, to realize appropriate arrange and sustainable utilization of land resource on the spatial structure.

spatial distribution; terrain gradient; terrain index gradient; distribution index; land utilization comprehensive index

2016-08-10

：2016-09-26

國家重點基礎(chǔ)研究發(fā)展計劃(2015CB452706);國家自然科學(xué)基金(41361021);中國科學(xué)院陸地表層格局與模擬重點實驗室開放基金項目(GJ-2015-03);貴州省科學(xué)技術(shù)基金項目[黔科合J字LKS(2013)17]

董順舟(1988—),男,貴州興義人,碩士研究生,研究方向,主要從事土地利用規(guī)劃管理研究。E-mail:1352188223@qq.com

趙宇鸞(1983—),男,江西豐城人,副教授,在站博士后,研究方向,主要從事土地利用與山區(qū)發(fā)展研究。E-mail:zhaoyl.09b@igsnrr.ac.cn

F301.24

：A

：1005-3409(2017)02-0213-10