1975—2016年濟南市南部山區(qū)土地利用及其地形控制特征

崔曉慶，于泉洲，湯慶新，劉煜杰，呂建樹，李彩虹

(1.聊城大學 環(huán)境與規(guī)劃學院，山東 聊城 252059； 2.西南石油大學 地球科學與技術(shù)學院，四川 成都 610500；3.中國環(huán)境科學研究院 生態(tài)文明研究中心，北京 100012； 4.山東師范大學 地理與環(huán)境學院，山東 濟南 250014)

土地利用/覆被變化(LUCC)研究是全球變化科學的熱點研究領域[1-2]。隨著遙感技術(shù)的出現(xiàn)，LUCC研究表現(xiàn)出大區(qū)域、短周期和愈加細致的特征[3]。從20世紀70年代美國的地球資源技術(shù)衛(wèi)星計劃到80年代開始利用氣象衛(wèi)星進行洲際尺度土地覆被的研究，再到90年代后眾多商業(yè)遙感衛(wèi)星的應用，土地覆被的遙感監(jiān)測在頻率和精度方面都日益提升[4]。改革開放以來，隨著經(jīng)濟社會的發(fā)展，土地利用強度不斷加大，LUCC研究已成為我國全球變化研究的熱點領域[5]。如：劉紀遠和布和敖斯爾[6]對中國土地利用變化的時空特征進行了研究，提出了土地利用動態(tài)度模型，該模型得到了廣泛的應用；近期劉紀遠等[5]又提出了土地利用動態(tài)區(qū)劃法，以研究土地利用的格局特征。

濟南市南部山區(qū)位于泰山山脈北翼，地理位置獨特，是濟南市若干泉群的集水區(qū)和飲用水源地，被稱為“省城后花園”。當前，武紅智等[7-8]已對該區(qū)域進行了一定的研究。然而，對于該區(qū)長時間序列的LUCC研究比較缺乏，并且已有研究所選的研究區(qū)也有差異。同時，由于近20年來經(jīng)濟的快速發(fā)展，南部山區(qū)作為重點旅游資源進行了大面積的國土開發(fā)[9]，因此相比20世紀70、80年代，區(qū)域土地覆被和景觀特征都發(fā)生了深刻變化。為此，本研究利用1975—2016年的5期Landsat系列衛(wèi)星遙感數(shù)據(jù)，分析濟南南部山區(qū)LUCC特征，并著重揭示南部山區(qū)地形因素對LUCC特征的控制作用，以期為濟南市南部山區(qū)及類似山區(qū)的土地資源可持續(xù)利用提供一定的指導。

1 研究區(qū)概況

濟南市南部山區(qū)是指位于泰山山脈背斜濟南市境內(nèi)的山地丘陵區(qū)。濟南市南部山區(qū)沒有明確的區(qū)域邊界，但一般認為包括市中區(qū)的黨家街道與十六里河街道部分區(qū)域，歷城區(qū)的仲宮街道、柳埠街道、西營鎮(zhèn)，以及港溝街道和彩石街道的部分區(qū)域，總面積約為837 km2(圖1)。該區(qū)屬于暖溫帶大陸性季風氣候區(qū)，四季分明，雨熱同期，山區(qū)多為石灰?guī)r和泰山變質(zhì)巖低山丘陵地貌，植被豐富[9]。近年來，區(qū)域經(jīng)濟社會的發(fā)展使土地利用結(jié)構(gòu)發(fā)生了顯著變化，對生態(tài)環(huán)境也造成了一定影響。

圖1 濟南市南部山區(qū)位置

2 數(shù)據(jù)來源與研究方法

2.1 數(shù)據(jù)來源

本研究采用美國地質(zhì)勘探局提供的Landsat系列衛(wèi)星數(shù)據(jù)為主要數(shù)據(jù)源(見表1)。此外，還使用了30 m分辨率的DEM數(shù)據(jù)及濟南市行政區(qū)劃圖(2009年版本)。

表1 遙感影像數(shù)據(jù)信息

注：DOY指Day of years,一年中的第幾天。

2.2 研究方法

2.2.1 土地利用/覆被分類系統(tǒng)

結(jié)合濟南市南部山區(qū)的土地利用現(xiàn)狀及研究目的，將濟南市南部山區(qū)的土地利用/覆被類型劃分為耕地、林地、草地、水域、建設用地和未利用地6類，具體類型說明見表2。

表2 濟南市南部山區(qū)土地利用類型

2.2.2 遙感影像解譯及精度評價

在ENVI軟件中對遙感影像進行多波段融合、輻射校正、大氣校正等預處理，并基于2016年的Landsat8影像對其他年份影像進行相對幾何校正，然后進行統(tǒng)一裁剪。根據(jù)目標地物在影像上的顏色、形狀、空間位置三方面特征，結(jié)合已有資料并基于不同衛(wèi)星影像建立不同土地利用類型的解譯標志。采用監(jiān)督分類與目視解譯相結(jié)合的方法對影像進行人機交互解譯。

通過監(jiān)督分類的樣本區(qū)建立混淆矩陣進行分類精度評價。1975、1985、1996、2006、2016分類精度分別為81.46%、94.68%、88.04%、92.50%、86.59%，相應kappa系數(shù)分別為0.738 4、0.912 8、0.841 0、0.891 0、0.805 3?？傮w解譯精度滿足要求。

2.2.3 地形因素及其分級

根據(jù)原國土資源部2004年頒布的《土地利用更新調(diào)查技術(shù)規(guī)定(試行)》中關于耕地坡度的分級標準，結(jié)合南部山區(qū)地形特點及相關文獻[8]，將研究區(qū)內(nèi)地形因素分為高程、坡度和坡向，其中高程和坡度分為5級，坡向分為4級，詳見表3。

表3 地形因子分級

注：無坡向地沒有朝向，被賦值為-1°。

LUCC特征的地形因素影響分析采用ArcGIS中的3D分析和疊置分析功能。將DEM數(shù)據(jù)統(tǒng)一到Beijing_1954_3_Degree_GK_CM_102E坐標系；基于南部山區(qū)DEM提取其坡向和坡度信息；根據(jù)表3分級標準對高程、坡度、坡向進行重分類并與土地利用分類圖進行疊加運算，統(tǒng)計出不同地形條件下的土地利用信息。

3 南部山區(qū)LUCC特征分析

3.1 南部山區(qū)LUCC總體特征

由濟南市南部山區(qū)LUCC圖譜(圖2)可見，濟南市南部山區(qū)土地利用/覆被類型呈現(xiàn)明顯的空間異質(zhì)性。其中，林地和草地主要分布在研究區(qū)的中東部，耕地和建設用地主要位于西部，而水域在41年間未發(fā)生明顯變化，主要分布在中西部的錦繡川和臥虎山兩大水庫區(qū)域。建設用地面積增加明顯，且具有隨著交通干道不斷擴張蔓延的趨勢，尤其在研究區(qū)西部及公路沿線增加最為顯著。另外，水域和未利用地占比很小，且未利用地呈顯著減少趨勢。

對41年間5個時期的土地利用/覆被類型面積進行統(tǒng)計，結(jié)果見表4和圖3。分析可知，濟南市南部山區(qū)的主要土地覆被類型為草地和林地，41年間兩類面積之和均超過區(qū)域面積的70%，說明林草覆被為主的土地利用結(jié)構(gòu)相對穩(wěn)定。林地呈現(xiàn)先下降后上升的特征，而草地呈現(xiàn)動態(tài)趨穩(wěn)的特征。同時，41年間耕地和建設用地發(fā)生了明顯的結(jié)構(gòu)性變化。建設用地面積持續(xù)增加，由1975年的3 222.72 hm2增加到2016年的10 508.40 hm2，尤其在1996—2006年的10年間南部山區(qū)建設用地面積增加最快，平均每年新增建設用地約467.75 hm2。耕地面積則在短暫增加后，從1985年開始持續(xù)下降，到2016年南部山區(qū)耕地面積已經(jīng)少于建設用地面積，土地利用結(jié)構(gòu)發(fā)生了明顯變化。

土地利用類型1975年面積/hm2比例/%1985年面積/hm2比例/%1996年面積/hm2比例/%2006年面積/hm2比例/%2016年面積/hm2比例/%耕地8 950.5010.6917 925.5721.4213 923.6316.6313 142.6115.709 404.3711.24林地31 237.6537.3230 121.2035.9926 480.8831.6220 874.2424.9425 119.2730.02草地38 032.0245.4430 192.2136.0737 576.2644.8738 859.1246.4337 329.3944.61水域1 685.702.011 239.481.48927.181.111 295.911.551 301.941.56建設用地3 222.723.853 995.554.774 658.945.569 336.4211.1610 508.4012.56未利用地575.010.69222.390.27175.230.21180.540.2216.830.02

圖3 1975—2016年濟南市南部山區(qū)土地利用/覆被變化

3.2 地形因素對LUCC特征的影響

將分級的地形因素與不同時期的土地利用類型圖進行疊加分析，統(tǒng)計得到不同地形條件下的土地利用信息，然后從高程、坡度、坡向三個方面對研究區(qū)土地利用結(jié)構(gòu)類型及其變化特點進行分析。

3.2.1 不同高程區(qū)域的LUCC特征

基于高程分級的5個時期土地利用類型面積占比統(tǒng)計見表5。

高程200 m以下低海拔區(qū)域主要是平坡和緩坡地，水資源豐富，是人類活動集中的區(qū)域。由表5可知，該區(qū)域土地利用結(jié)構(gòu)較簡單，以耕地為主。41年間，該高程區(qū)域耕地面積占比先增后減，在1985年達到最高的61.71%，2016年減少為40.97%；建設用地面積持續(xù)增加，由1975年的不足10%增加到30%以上；草地、林地都處于減少狀態(tài)，水域面積占比相對穩(wěn)定，未利用地呈減少趨勢。

表5 基于高程分級的5個時期土地利用類型面積占比統(tǒng)計

高程200～300 m的區(qū)域主要是緩坡地和斜坡地，水源較少，土地利用結(jié)構(gòu)相對復雜，以草地和耕地為主。41年間，該高程區(qū)域草地穩(wěn)中略減，耕地減少明顯，建設用地則明顯增加。

高程300 m以上的區(qū)域多為山腰以上的斜坡和陡坡地，水源稀少，土地利用類型以林地和草地為主，土地利用結(jié)構(gòu)較穩(wěn)定。但41年間，林地和草地面積占比有明顯變化，林地持續(xù)增加，草地則穩(wěn)中有降。另外，區(qū)域建設用地和耕地雖然占比較少，但是表現(xiàn)出耕地減少、建設用地增加的特征，尤其在2006—2016年間最為明顯。

3.2.2 不同坡度區(qū)域的LUCC特征

基于坡度分級的5個時期土地利用類型面積占比統(tǒng)計見表6。

表6 基于坡度分級的5個時期土地利用類型面積占比統(tǒng)計

坡度≤2°的區(qū)域地勢平坦，水土資源豐富，適宜耕種，對建設用地擴張的限制也較小，因此該坡度區(qū)域土地利用結(jié)構(gòu)以耕地、建設用地為主。由表6可知，41年間建設用地的快速增加使其在該區(qū)域內(nèi)所占比例明顯上升，耕地面積總體上則呈現(xiàn)減少的趨勢，存在較明顯的耕地轉(zhuǎn)變?yōu)榻ㄔO用地的特征。

坡度在2°～6°之間的緩坡區(qū)域，41年間土地利用結(jié)構(gòu)發(fā)生了較為明顯的變化，由早期草地為主、耕地為輔的結(jié)構(gòu)類型，發(fā)展成為當前耕地、建設用地和草地三足鼎立的利用結(jié)構(gòu)。1975年草地占比大于耕地，到1985年耕地占比大幅度增加。近年來，土地利用結(jié)構(gòu)變化趨勢為草地穩(wěn)中略升、耕地明顯減少、建設用地持續(xù)上升，到2016年草地、耕地、建設用地所占比例基本持平。這可能是因為該區(qū)域坡度不大，土層較厚，適合耕地和建設用地的開發(fā)利用，也表現(xiàn)出草地和耕地轉(zhuǎn)變?yōu)榻ㄔO用地的特征。

坡度大于6°的斜坡和陡坡區(qū)形成了以林草地為主的土地利用結(jié)構(gòu)，水域所占比例極少。41年間的土地利用變化趨勢為耕地和林地處于減少狀態(tài)，草地穩(wěn)中有增，建設用地穩(wěn)中略增。這可能是與該區(qū)域地勢陡峭，土層較薄，水源稀少，不適合作為建設用地，也不利于農(nóng)業(yè)開墾有關。從表6數(shù)據(jù)看出，隨著坡度的增加，林地和草地增加，而建設用地和耕地減少。

3.2.3 不同坡向區(qū)域的LUCC特征

基于坡向分級的5個時期土地利用類型面積占比統(tǒng)計見表7。

表7 基于坡向分級的5個時期土地利用類型面積占比統(tǒng)計

由表7可看出，坡向小于0°的無坡向地，近年來林草地占比有較為明顯的下降，耕地穩(wěn)中有降，而建設用地則持續(xù)增加，到2016年耕地和建設用地所占比例基本持平，形成了以耕地和建設用地為主的土地利用結(jié)構(gòu)。

坡向大于0°的不同坡向地形成了以林草地為主、耕地為輔的土地利用結(jié)構(gòu)。該區(qū)域土層較薄，水源較少，因此耕地和建設用地所占比例較小。

陰坡和陽坡由于水熱條件和光照的不同，其土地利用結(jié)構(gòu)具有明顯差異。首先，林地和草地在陰坡和陽坡的分布比例呈顯著差異，陰坡以林地占主導，陽坡以草地占主導。其次，耕地和建設用地呈現(xiàn)出在陽坡分布面積顯著高于陰坡的特點。此外，從時間變化看，陰坡、陽坡和半陰坡三種坡向的土地利用變化趨勢具有相似性，說明了坡向?qū)ν恋乩媒Y(jié)構(gòu)變化的影響較小。從同一時期的空間變化看，由于陽坡日照充足，太陽輻射量較多，熱量豐富，有利于農(nóng)作物的生長，而陰坡日照較少，太陽輻射量偏少，濕度大，有利于中生性植物生長，因此從陽坡、半陰坡到陰坡地，草地和耕地面積逐漸減少，林地有較明顯的增加。這說明受自然條件的影響，不同坡向?qū)ν恋乩媒Y(jié)構(gòu)的分布具有一定的控制作用。

3.2.4 地形因素對土地利用/覆被類型的綜合影響

地形條件在一定程度上決定了土地利用的結(jié)構(gòu)和類型。從分布規(guī)律來看：耕地和建設用地主要分布在海拔低于300 m、坡度小于6°的陽坡地；草地和林地主要分布在海拔高于300 m、坡度大于6°的坡地上，且草地多分布于陽坡而林地多分布于陰坡；水域主要分布在海拔小于200 m且坡度小于2°的平地上，主要為研究區(qū)內(nèi)的兩大水庫。隨著高程和坡度的增加，林地和草地所占比例逐漸增加，其他土地利用類型面積占比則逐漸下降；坡向由陰轉(zhuǎn)陽，除了林地有較為明顯的減少，其他土地利用類型均逐漸增加。這揭示了林地的空間分布格局受到了地形因素引起的水熱條件差異的影響。地形因素影響土地利用結(jié)構(gòu)的形成及利用類型的差異，但同一地形條件下土地利用類型的變化則主要受人類活動的影響。

3.3 驅(qū)動力分析

土地利用/覆被變化的驅(qū)動力一般歸因于自然和社會經(jīng)濟發(fā)展兩方面。自然因素尤其是地質(zhì)地貌特征往往對土地利用結(jié)構(gòu)具有宏觀的控制作用，而社會經(jīng)濟因素主要影響土地利用的變化趨勢和速率，對土地利用結(jié)構(gòu)的影響相對較小。

濟南市南部山區(qū)多為低山丘陵，地勢起伏不平，此地形特征決定了林地和草地為其主要的土地利用類型。南部山區(qū)的自然環(huán)境特點為土地利用類型的分布格局和演化方向設定了地理背景條件，使不同的土地利用類型在不同的地貌區(qū)域呈現(xiàn)規(guī)律性的分布。同時，區(qū)域人口增長、經(jīng)濟發(fā)展和政策規(guī)劃等人為因素的影響也較明顯。南部山區(qū)城鎮(zhèn)化進程的逐漸加快，導致建設用地規(guī)模逐漸擴大、耕地面積明顯減少。該區(qū)地貌旅游資源豐富，2000年以來旅游業(yè)的興起也一定程度上改變了當?shù)氐耐恋乩?覆被特征[9-11]。

另外，政府做出的一系列規(guī)劃對南部山區(qū)土地利用變化起到了較大的導向性作用：2001年政府批準設立南部山區(qū)生態(tài)功能保護區(qū)；2002年將南部山區(qū)納入山東省生態(tài)功能保護區(qū)；2003年提出“東拓、西進、南控、北跨、中疏”的濟南市發(fā)展戰(zhàn)略，其中“南控”即控制濟南市城鎮(zhèn)建設向南部山區(qū)發(fā)展，把南部山區(qū)納入濟南市重點生態(tài)保護范圍[11-12]；2006年提出“在保護中發(fā)展，在發(fā)展中保護”的原則，全面規(guī)劃了南部山區(qū)的空間結(jié)構(gòu)、資源開發(fā)、環(huán)境保護和經(jīng)濟持續(xù)發(fā)展策略[12]。這一系列政策措施使得南部山區(qū)生態(tài)環(huán)境在近10年得以改善，植被覆蓋率有所提高，建設用地增速有所減緩。2016年濟南市政府成立南部山區(qū)管理委員會，并提出了“共抓大保護，不搞大開發(fā)”的規(guī)劃目標定位?？梢灶A見未來南部山區(qū)的保護性開發(fā)必將更加科學合理。

4 結(jié) 論

(1)濟南市南部山區(qū)土地利用率較高，表現(xiàn)出以林地和草地為主的土地利用結(jié)構(gòu)特征，林地、草地和耕地一直是其主要的土地利用/覆被類型。隨著社會經(jīng)濟的發(fā)展，濟南市南部山區(qū)土地利用/覆被類型之間轉(zhuǎn)化明顯，總體呈現(xiàn)出林地、耕地和未利用地大量減少，建設用地持續(xù)增加，草地和水域面積基本保持穩(wěn)定的特征。

(2)不同地形條件下(高程、坡度和坡向)形成的土地利用結(jié)構(gòu)存在明顯差異。從同一時期的空間差異看，隨著高程和坡度的增加，建設用地和耕地面積所占比例下降，林地和草地面積呈現(xiàn)較大幅度的上升趨勢，地形條件的控制作用較為明顯。不同坡向的土地利用結(jié)構(gòu)存在一定的差異，陰坡和陽坡土地利用類型差異明顯，但坡向?qū)ν恋乩媒Y(jié)構(gòu)變化的影響比較小。

(3)南部山區(qū)LUCC的時空格局特征主要是地形因素控制下的經(jīng)濟社會發(fā)展因素驅(qū)動的。地形因素控制著土地利用結(jié)構(gòu)的宏觀格局，而經(jīng)濟發(fā)展因素主導了不同土地利用類型間的流轉(zhuǎn)，尤其是建設用地與耕地之間的轉(zhuǎn)換。