基于高程和坡度分級(jí)的延安市土地利用格局研究

火 紅，韓 磊，奧 勇，劉 釗，3，趙永華，3，朱會(huì)利，陳 芮

（1.長(zhǎng)安大學(xué) 地球科學(xué)與資源學(xué)院，陜西 西安710054；2.長(zhǎng)安大學(xué) 土地工程學(xué)院，陜西 西安710054；3.陜西省土地整治重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，陜西 西安710064；4.中國(guó)科學(xué)院 地球環(huán)境研究所 黃土與第四紀(jì)地質(zhì)國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，陜西 西安710061；5.長(zhǎng)安大學(xué) 地質(zhì)工程與測(cè)繪學(xué)院，陜西 西安710054）

土地利用/覆蓋變化是人類活動(dòng)對(duì)地球陸表自然生態(tài)系統(tǒng)影響的最直接反映，是全球氣候變化和環(huán)境變化研究的重要內(nèi)容［1-3］。土地利用類型及結(jié)構(gòu)的變化影響著生態(tài)系統(tǒng)物質(zhì)循環(huán)和能量流動(dòng)，進(jìn)而改變土壤侵蝕的發(fā)生和發(fā)展［4-6］。人口增長(zhǎng)和城市擴(kuò)張等造成的人地矛盾日益突出，因此土地利用結(jié)構(gòu)調(diào)整成為黃河流域高質(zhì)量發(fā)展研究的焦點(diǎn)。

我國(guó)于1999年開(kāi)始實(shí)施的退耕還林（草）工程是世界上最大的生態(tài)修復(fù)工程，現(xiàn)已由大規(guī)模推進(jìn)轉(zhuǎn)入成果鞏固階段。延安市作為“全國(guó)退耕還林（草）第一市”，積極落實(shí)國(guó)家退耕還林（草）政策、率先實(shí)施退耕還林（草）工程并推行全市禁牧，使區(qū)域生態(tài)環(huán)境顯著改善，為黃河流域甚至全國(guó)退耕還林（草）和生態(tài)修復(fù)樹(shù)立了典范，其做法、經(jīng)驗(yàn)和效果具有重要的借鑒價(jià)值，因此有不少學(xué)者對(duì)延安市退耕還林（草）后的土地利用、生態(tài)效益、土壤侵蝕變化情況等進(jìn)行了監(jiān)測(cè)、評(píng)估、研究［7-14］。

地形因子影響地表水熱再分配、風(fēng)沙作用方式和水力侵蝕強(qiáng)度，不同地形上土地利用類型的改變會(huì)產(chǎn)生不同的生態(tài)修復(fù)效果，但是退耕還林（草）和土地利用格局相關(guān)研究中對(duì)地形因子的分析較少。筆者基于遙感數(shù)據(jù)與DEM數(shù)據(jù)，在RS與GIS技術(shù)支持下獲取土地利用與地形因子數(shù)據(jù)，分析了延安市大規(guī)模實(shí)施退耕還林（草）前后各土地利用類型在不同地形因子上的分異及轉(zhuǎn)移特征，以期為科學(xué)合理地評(píng)估退耕還林（草）效果和相關(guān)研究提供參考。

1 延安市概況與研究方法

1.1 延安市概況

延安市總面積為37 031.30 km2，地處黃河中游地區(qū)，境內(nèi)有黃河及其支流北洛河、延河、清澗河、仕望河、汾川河等，大都屬黃土丘陵溝壑區(qū)，地勢(shì)西北高、東南低，平均海拔1 000 m，地貌以梁、峁、溝為主，地形破碎、生態(tài)環(huán)境脆弱、水土流失嚴(yán)重。延安市屬半濕潤(rùn)半干旱大陸性季風(fēng)氣候區(qū)，四季分明，晝夜溫差大，年均氣溫9.9℃、1月平均氣溫-5.5℃、7月平均氣溫23.1℃，年均無(wú)霜期170 d，年日照時(shí)數(shù)為2 300～2 700 h；年均降水量537 mm，降水時(shí)空分布不均，降雨多集中于6—9月，年均降水量從南部的650 mm遞減到北部的380 mm。1999年以來(lái)延安市實(shí)施了2輪退耕還林（草），第一輪自1999年開(kāi)始在全國(guó)率先退耕坡度大于25°的坡耕地，第二輪從2013年開(kāi)始率先啟動(dòng)實(shí)施坡度大于15°的坡耕地退耕。

1.2 數(shù)據(jù)來(lái)源與處理

本研究采用的遙感數(shù)據(jù)為L(zhǎng)andsat4-5 TM、Landsat8 OLI衛(wèi)星遙感影像數(shù)據(jù)，共20景影像，空間分辨率為30 m，成像時(shí)間分別為1988年、1998年、2008年、2018年的6—9月，成像時(shí)云量均小于10%。影像數(shù)據(jù)下載于https://www.usgs.gov/land-resources，均為L(zhǎng)andsat Surface Reflectance產(chǎn)品，并經(jīng)過(guò)輻射定標(biāo)、大氣校正、幾何校正和正射校正等處理（其中Landsat4-5 TM影像數(shù)據(jù)采用LEDAPS進(jìn)行預(yù)處理、Landsat8 OLI影像數(shù)據(jù)采用LaSRC進(jìn)行預(yù)處理），對(duì)20景影像數(shù)據(jù)進(jìn)行7、5、3波段合成、裁剪、鑲嵌。把土地利用分為耕地、林地、草地、建設(shè)用地、水域等5種類型，采用隨機(jī)森林法對(duì)衛(wèi)星遙感影像進(jìn)行監(jiān)督分類，分類精度均在80%以上，4個(gè)時(shí)期延安市土地利用分類結(jié)果見(jiàn)圖1。采用的DEM數(shù)據(jù)空間分辨率為30 m，按照自然斷點(diǎn)法將高程分為5級(jí)，根據(jù)全國(guó)農(nóng)業(yè)區(qū)劃委員會(huì)制定的《土地利用現(xiàn)狀調(diào)查技術(shù)規(guī)程》將坡度也分成5級(jí)，分級(jí)標(biāo)準(zhǔn)見(jiàn)表1。

圖1 延安市不同時(shí)期土地利用分類結(jié)果

表1 高程及坡度分級(jí)標(biāo)準(zhǔn)

1.3 研究方法

采用土地利用類型動(dòng)態(tài)度［15］反映研究區(qū)各時(shí)段各土地利用類型的面積變化情況，其計(jì)算公式為

式中:K為研究時(shí)段某一土地利用類型動(dòng)態(tài)度；Ua、Ub分別為時(shí)段初、末該土地利用類型的面積；T為研究時(shí)段長(zhǎng)，當(dāng)T以年為單位時(shí)K值就是研究區(qū)該土地利用類型的年變化率。

采用地形分布指數(shù)［16-18］表示地形因子對(duì)各土地利用類型分布的影響，精確定量化反映各土地利用類型的空間分布格局與地形梯度的變化關(guān)系。地形分布指數(shù)計(jì)算公式為

式中:i表示土地利用類型（耕地、林地、草地、建設(shè)用地、水域）；e表示地形因子（高程或坡度）；P i e為i地類的e地形分布指數(shù)，即i地類在某級(jí)地形上的優(yōu)勢(shì)度，e為高程時(shí)P ie為i地類的高程分布指數(shù)，e為坡度時(shí)P i e為i地類的坡度分布指數(shù)；S i e為i地類在某級(jí)地形因子上的面積；S i為i地類的總面積；S e為研究區(qū)某級(jí)地形的總面積；S為研究區(qū)總面積。

2 結(jié)果與分析

2.1 土地利用類型動(dòng)態(tài)度計(jì)算結(jié)果及分析

延安市不同時(shí)期各類土地利用面積占比見(jiàn)表2。1988—2018年耕地與林地面積變化較大，耕地面積占比由29.01%降低到11.51%，減少6 481.50 km2，其中1998—2008年耕地面積減幅最大；林地面積占比由36.01%提高到60.60%，增加9 107.64 km2，其中2008—2018年增幅最大，由于林地成林需要一定時(shí)間，與耕地面積的變化相比具有一定的滯后性，因此林地面積劇烈變化的時(shí)間落后于耕地的；草地面積占比由32.88%降低到25.31%，減少了2 806.5 km2；建設(shè)用地面積增加242.73 km2，占比由1.30%提高到1.95%；水域面積較小，呈波動(dòng)減少趨勢(shì)。

表2 延安市不同時(shí)期各類土地面積及其占比

各時(shí)段延安市各土地利用類型動(dòng)態(tài)度計(jì)算結(jié)果見(jiàn)表3。各時(shí)段耕地的動(dòng)態(tài)度均為負(fù)值且絕對(duì)值逐時(shí)段增大，表明耕地面積減幅越來(lái)越大，其中:1998—2008年，由于1999年開(kāi)始實(shí)施大面積退耕還林還草，因此耕地面積大幅減少，動(dòng)態(tài)度為-3.15；2008—2018年于2013年啟動(dòng)新一輪退耕還林（草），使耕地面積進(jìn)一步減少，計(jì)算動(dòng)態(tài)度時(shí)耕地面積基數(shù)即分母較前一時(shí)段小，因而該時(shí)段耕地的動(dòng)態(tài)度達(dá)-3.50。各時(shí)段林地的動(dòng)態(tài)度均為正值，表明林地面積隨著耕地減少而增加，2008—2018年動(dòng)態(tài)度達(dá)到2.41。各時(shí)段草地的動(dòng)態(tài)度均為負(fù)值且絕對(duì)值逐時(shí)段增大，表明草地面積逐時(shí)段減少，2008—2018年動(dòng)態(tài)度達(dá)到-1.91。各時(shí)段建設(shè)用地的動(dòng)態(tài)度均為正值，其中2008—2018年動(dòng)態(tài)度達(dá)3.29。各時(shí)段水域的動(dòng)態(tài)度波動(dòng)較大，原因是水域面積基數(shù)較小。總體而言，延安市實(shí)施退耕還林（草）政策以來(lái)，耕地面積大幅減少、林地面積隨耕地和草地的減少穩(wěn)步增加，建設(shè)用地面積不斷增加，水域面積小但波動(dòng)性大。

表3 各時(shí)段延安市各土地利用類型動(dòng)態(tài)度計(jì)算結(jié)果

2.2 土地利用類型高程分布指數(shù)計(jì)算結(jié)果及分析

1988—2018年延安市各級(jí)高程的土地利用轉(zhuǎn)移矩陣見(jiàn)表4，可以看出，延安市各土地利用類型在不同高程的分布呈現(xiàn)明顯分異。退耕地向林地的轉(zhuǎn)化主要發(fā)生在2～4級(jí)高程即919～1 445 m，在高于919 m的區(qū)域耕地向林地轉(zhuǎn)化的面積隨高程提高而減少。由于高海拔區(qū)域自然條件不佳、人工生態(tài)林生長(zhǎng)狀況較差，而種草對(duì)自然條件的適應(yīng)性優(yōu)于造林，因此低海拔區(qū)域的退耕地主要轉(zhuǎn)為林地、高海拔區(qū)域的退耕地主要轉(zhuǎn)為草地。林地的轉(zhuǎn)出主要發(fā)生在2～3級(jí)高程即919～1 277 m，主要向耕地轉(zhuǎn)化，在2級(jí)高程以上隨著海拔升高林地的轉(zhuǎn)出面積減少，原因可能是分布在高海拔區(qū)域的林地較少。草地的轉(zhuǎn)出主要發(fā)生在2～4級(jí)高程即919～1 445 m且主要轉(zhuǎn)為林地，在2級(jí)高程以上隨海拔升高轉(zhuǎn)出總量及其向林地轉(zhuǎn)化的面積逐漸減少。建設(shè)用地在1～2級(jí)高程即373～1 115 m的低海拔區(qū)域變化明顯，轉(zhuǎn)出主要轉(zhuǎn)為耕地和草地、轉(zhuǎn)入主要來(lái)源也為耕地和草地。水域面積基數(shù)較小，總體變化不大。

表4 1988—2018年延安市各級(jí)高程的土地利用轉(zhuǎn)移矩陣

延安市不同時(shí)期各土地利用類型高程分布指數(shù)見(jiàn)圖2。1988年，在1～2級(jí)高程即373～1 115 m，草地、建設(shè)用地、水域的分布指數(shù)大于1，耕地在2級(jí)高程的分布指數(shù)大于在1級(jí)高程的；在3～4級(jí)高程即1 115～1 445 m，林地分布指數(shù)最大；在5級(jí)高程即1 445～1 812 m，各土地利用類型的分布指數(shù)由大到小依次為耕地＞林地＞草地＞水域＞建設(shè)用地。1998年，耕地在1～3級(jí)高程即373～1 277 m的分布指數(shù)減小、在4～5級(jí)高程即1 277～1 812 m增大，林地在1～2級(jí)高程即373～1 115 m的分布指數(shù)增大、在3～5級(jí)高程即1 115～1 812 m略有減小，草地在2～3級(jí)高程即919～1 277 m的分布指數(shù)增大、在4～5級(jí)高程即1 277～1 812 m減小。2008年，耕地與草地在各級(jí)高程的分布指數(shù)變化趨勢(shì)與1998年相反，而林地在各級(jí)高程的分布指數(shù)變化趨勢(shì)與1998年一致。2018年，耕地與林地的高程分布指數(shù)變化趨勢(shì)與2008年相似，分別在1級(jí)高程和5級(jí)高程減?。徊莸氐母叱谭植贾笖?shù)在1級(jí)高程和5級(jí)高程增大、在2～4級(jí)高程減小。1988—2018年，建設(shè)用地和水域在各級(jí)高程的分布具有明顯的分異性，均主要分布在低海拔區(qū)域。

圖2 延安市不同時(shí)期各土地利用類型的高程分布指數(shù)

2.3 土地利用類型坡度分布指數(shù)計(jì)算結(jié)果及分析

1988—2018年延安市各級(jí)坡度的土地利用轉(zhuǎn)移矩陣見(jiàn)表5。耕地轉(zhuǎn)出主要發(fā)生在3～5級(jí)坡度即大于6°的區(qū)域且主要轉(zhuǎn)化為林地和草地，轉(zhuǎn)化為建設(shè)用地的耕地大多分布在2～3級(jí)坡度即2°～15°。林地轉(zhuǎn)出面積與轉(zhuǎn)入面積相比較?。ㄖ饕D(zhuǎn)化為草地），主要轉(zhuǎn)入來(lái)源是耕地與草地，3級(jí)以下坡度即小于15°的草地轉(zhuǎn)化為林地的面積小于耕地轉(zhuǎn)化為林地的面積，而4級(jí)以上坡度即大于15°的草地轉(zhuǎn)化為林地的面積大于耕地轉(zhuǎn)化為林地的面積。研究時(shí)段草地面積大幅減少，轉(zhuǎn)出的草地中大部分轉(zhuǎn)化為林地且主要發(fā)生在3級(jí)以上坡度即大于6°的區(qū)域、小部分轉(zhuǎn)化為耕地且主要發(fā)生在3～4級(jí)坡度即6°～25°的區(qū)域，草地的轉(zhuǎn)入來(lái)源主要是陡坡耕地。建設(shè)用地轉(zhuǎn)出主要發(fā)生在3～4級(jí)坡度即6°～25°的區(qū)域且主要轉(zhuǎn)化為林地和草地，研究時(shí)段建設(shè)用地面積增加且主要來(lái)源為2～3級(jí)坡度（2°～15°）的耕地。水域轉(zhuǎn)出主要發(fā)生在2級(jí)坡度以上即大于2°的區(qū)域，以轉(zhuǎn)化為草地為主?？傮w來(lái)看，在各級(jí)坡度上耕地、林地與草地面積變化較大，建設(shè)用地轉(zhuǎn)出較少、轉(zhuǎn)入較多，而水域轉(zhuǎn)出較多、轉(zhuǎn)入較少。

表5 1988—2018年延安市各級(jí)坡度的土地利用轉(zhuǎn)移矩陣

延安市不同時(shí)期各土地利用類型坡度分布指數(shù)見(jiàn)圖3。1988年，耕地、建設(shè)用地和水域的坡度分布指數(shù)在1～3級(jí)坡度（0°～15°）大于1，其中建設(shè)用地與水域的坡度分布指數(shù)明顯大于其他土地利用類型的，隨著坡度增大耕地、建設(shè)用地和水域的分布指數(shù)逐漸減小，說(shuō)明這3種土地利用類型在坡度較緩的區(qū)域有更好的適應(yīng)性；草地和林地的坡度分布指數(shù)隨著坡度的增大均呈增大趨勢(shì)且在相同坡度等級(jí)上二者數(shù)值大小相近，均在4～5級(jí)坡度（大于15°）的區(qū)域大于1。1998年，耕地的坡度分布指數(shù)在1～2級(jí)坡度（0°～6°）增大、在2級(jí)坡度以上減小，林地的坡度分布指數(shù)在3～4級(jí)坡度（6°～25°）減小、在1、2、5級(jí)坡度增大，草地的坡度分布指數(shù)在緩坡區(qū)域增大、在陡坡區(qū)域減小，說(shuō)明草地分布整體上向緩坡轉(zhuǎn)移。2008年，耕地的坡度分布指數(shù)在緩坡區(qū)域增大、在陡坡區(qū)域減小，林地的坡度分布指數(shù)也在緩坡區(qū)域增大、在陡坡區(qū)域減小，而草地的坡度分布指數(shù)變化趨勢(shì)與林地相反。2018年，耕地的分布較2008年整體向緩坡區(qū)域轉(zhuǎn)移，林地與草地在各級(jí)坡度的分布變化趨勢(shì)與2008年的相反。1998—2018年，建設(shè)用地與水域在緩坡的分布指數(shù)遠(yuǎn)大于陡坡的且越來(lái)越明顯。

圖3 延安市不同時(shí)期各土地利用類型的坡度分布指數(shù)

2.4 討 論

大規(guī)模實(shí)施退耕還林（草）前，延安市農(nóng)業(yè)處于低水平生產(chǎn)階段，農(nóng)民為增加糧食產(chǎn)量而墾荒種植，曾一度導(dǎo)致坡耕地增多，實(shí)施大規(guī)模退耕還林（草）后把大部分坡耕地轉(zhuǎn)化成林地或草地。研究時(shí)段內(nèi)林地面積占比由36.01%上升到60.60%，草地、建設(shè)用地與水域在高程為373～1 115 m的分布指數(shù)大于1，這與該高程區(qū)域的地理環(huán)境和水土資源條件更適于人類生活及從事生產(chǎn)活動(dòng)有關(guān)。大于15°的坡耕地減少面積占總減少面積的75.77%、林地增加面積占總增加面積的62.66%。有關(guān)研究表明［19-23］，各地類的水土保持功能由強(qiáng)到弱依次為林地＞草地＞耕地＞建設(shè)用地，土壤侵蝕強(qiáng)度隨坡度增大而變得劇烈，緩坡耕地與林地的水土保持效應(yīng)相近，陡坡耕地大幅減少與林地大幅增加對(duì)減緩?fù)寥狼治g非常有利，延安市大規(guī)模退耕還林（草）后土壤侵蝕強(qiáng)度顯著降低、中度以上侵蝕面積急劇減少。

眾多研究表明，退耕還林（草）工程對(duì)植被恢復(fù)、區(qū)域氣候等有顯著正向影響，使生態(tài)環(huán)境得到有效改善［24-26］。大規(guī)模退耕還林（草）以來(lái)黃土高原雖然整體變“綠”，植被覆蓋度大幅提高，但隨著時(shí)間推移，在高海拔陡坡上營(yíng)造人工林逐漸暴露出土壤干化嚴(yán)重、水資源耗損過(guò)多、林分結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單等問(wèn)題，喬木林強(qiáng)烈的蒸騰作用易使土壤水分快速蒸發(fā)，一些人工林因干旱而出現(xiàn)退化現(xiàn)象。如何在不同的生物氣候區(qū)和立地條件下區(qū)分環(huán)境空間異質(zhì)性的影響，量化退耕還林（草）引起的土地利用變化對(duì)生態(tài)環(huán)境的影響，及其與環(huán)境因子之間的互饋機(jī)制，是今后研究的重點(diǎn)方向。

3 結(jié) 論

（1）退耕還林（草）工程的實(shí)施，使延安市土地利用結(jié)構(gòu)發(fā)生明顯變化，耕地面積占比由29.01%降低到11.51%，草地面積占比由32.88%降低到25.31%，而林地面積占比由36.01%大幅提高到60.60%。

（2）延安市各土地利用類型在各級(jí)高程與坡度上的轉(zhuǎn)移具有一定規(guī)律性，坡度小于15°的耕地面積增幅較大，隨著時(shí)間推移耕地分布逐漸向緩坡區(qū)域轉(zhuǎn)移；草地與林地在各級(jí)坡度上的分布具有一致性，二者的分布優(yōu)勢(shì)均隨著坡度增大而增大；草地分布優(yōu)勢(shì)隨海拔的提高逐漸減小，但隨著時(shí)間的推移其在高海拔區(qū)域的分布優(yōu)勢(shì)逐漸變大；林地分布優(yōu)勢(shì)在高程為919～1 445 m較大，尤其是在高程為919～1 115 m的分布優(yōu)勢(shì)更大且隨著時(shí)間推移進(jìn)一步增大。

（3）實(shí)施退耕還林（草）工程后，延安市各土地利用類型在不同地形因子上的分布差異隨時(shí)間推移愈加明顯，應(yīng)根據(jù)土地利用類型的地形分異特征對(duì)土地利用結(jié)構(gòu)進(jìn)行進(jìn)一步優(yōu)化調(diào)整。