流沙河流域土地利用與地形因子的關系

底 亮, 馬友鑫, 李紅梅, 孫燕瓷

(1.中國科學院 西雙版納熱帶植物園, 云南 昆明 650223; 2.中國科學院大學, 北京 100049)

流沙河流域土地利用與地形因子的關系

底 亮1,2, 馬友鑫1, 李紅梅1, 孫燕瓷1,2

(1.中國科學院 西雙版納熱帶植物園, 云南 昆明 650223; 2.中國科學院大學, 北京 100049)

摘要：[目的] 以西雙版納傣族自治州的流沙河流域為例，對該流域土地利用與地形因子的關系進行研究，為流域土地利用規劃提供科學依據。 [方法] 采用分布指數和基于DEM數據提取的高程、坡度、坡向，分析該流域1976—2010年各地類在不同地形因子下的分布變化特征。 [結果] 有林地在較高海拔，較大坡度，北坡區域占有優勢；茶園主要分布在1 200～1 400 m海拔的東坡和南坡，坡度對其分布影響較弱；橡膠園主要分布在水熱條件較好的600～1 000 m海拔,坡度較緩，東坡和南坡區域；建設用地主要分布在中低海拔，坡度較緩，無坡向的平地；輪歇地在1 000～1 600 m的東坡和南坡占優，坡度對其分布影響較小；水田主要分布在中低海拔，緩坡，無坡向的平地。 [結論] 流沙河流域有林地和傳統耕地不斷被開墾為橡膠園和茶園等經濟種植園，橡膠種植有向高海拔、陡坡與北坡發展趨勢，使有林地分布進一步破碎化。為維持該流域生態穩定性，應嚴格控制好經濟作物的種植面積，保護好現存的熱帶森林。

關鍵詞：土地利用變化; 分布指數; 流沙河流域

地形因子是各種生態現象和生態過程產生的最根本因素[1]，對土地利用的空間形成有一定制約作用[2],是土地利用類型空間分布的重要環境因子[3-4]。生態現象最直觀的表現就是土地利用，土地利用的空間分布影響區域地表徑流過程、非點源污染的產生和植物多樣性等[5-7]，因此開展土地利用與地形因子關系的研究，有助于發現土地利用的空間分布規律及人類活動與環境因子相互關系。目前這方面的研究還主要集中在一些經濟發展迅速及生態環境脆弱地區[8-9],對農耕文化較濃厚且經濟種植發展較迅速的區域關注不夠。

流沙河流域位于云南省西雙版納傣族自治州勐海縣和景洪市境內，流域內有典型的農田—鄉村聚落—森林—丘陵多樣化景觀，其建立了該流域獨特的生態和文化多樣性。近幾十年來，由于橡膠和茶樹的種植，流域的農耕文化正在逐漸消失，更多的輪歇地被開墾出來，導致森林被砍伐。該流域近年來受到相關研究者的重視，主要集中在土地利用變化和河流徑流產沙方面研究，關于土地利用與地形因子關系的報道僅限于更大尺度西雙版納地區，也僅是單一地形因子與土地利用面積比例的分析[10]。本研究利用3個時期的遙感影像與DEM數據,選擇高程、坡度、坡向和分布指數，分析地形因子對土地利用分布的影響及土地利用隨地形因子變化的適宜性，為未來土地利用發展方向提供參考，為流域土地利用規劃提供科學依據。

1研究區概況

流沙河流域位于云南省西雙版納傣族自治州西部(約100°5′—100°35′E,21°40′—22°06′N)，流域面積約2 067 km2,終年受西南季風控制，屬熱帶季風氣候，一年中有干季和雨季之分，年均氣溫21.8°C，年均降水量1 492.9 mm,其中80%分布在雨季。流域高差起伏大，最高海拔2 400 m，最低海拔499 m。流域中上游區域，自古就有滇南“魚米之鄉”之稱，流域壩區居民以傣族為主，主要耕作傳統水田，居住在山區的少數民族主要為布朗族和基諾族，他們在長期的生產活動中形成了“刀耕火種”的輪歇耕作方式，近年來由于人口壓力和經濟發展，新開墾的輪歇地很難再轉化為森林，而是被其他土地利用方式所取代。

2研究方法

2.1　數據源

根據該區1976，1999，2010年3期遙感影像解譯數據(1976年影像分辨率為80 m,后兩期影像分辨率為30 m,影像處理和具體解譯、精度評價方法參考李紅梅研究[11])，本研究將流域劃分為有林地、灌木林地、茶園、橡膠園、荒草地、水田、水澆地、輪歇地、建設用地、水體和灘涂[11]。1976年為MSS影像，分辨率僅為80，由于當時茶園和建設用地面積很小導致很難判讀，因此1976年的分類缺省這兩種土地利用類型。限于篇幅，本文主要分析比較有代表性的有林地、茶園、橡膠園、建設用地和輪歇地和水田。

2.2　研究方法

2.2.1土地利用變化強度指數為了反映土地利用類型面積的變化幅度，采用土地利用變化強度指數[12]，其表達如下:

(1)

式中：P——研究時段區域土地利用類型j變化強度指數；Uaj，Ubj——研究初期與末期土地利用類型j的面積；U——研究區土地總面積；T——研究末期和初期時間間隔(a)。

2.2.2地形因子分級將土地利用分類圖轉成柵格格式(分辨率為30 m),與DEM數據派生的高程、坡度、坡向地形因子進行空間疊加，統計土地利用類型在各地形因子分級的分布指數。高程、坡度、坡向因子分級[10]為：高程分級為2 000 m以下每200 m為一級，2 000 m以上為一級：<600，600～800，800～1000，1 000～1 200，1 200～1 400，1 400～1 600，1 600～1 800，1 800～2 000和>2 000 m。坡度共分為6級：微坡<5°，較緩坡5°～8°，緩坡8～15°，較陡坡15°～25°，陡坡25°～35°，急陡坡>35°。坡向分為5級：平地(0°)，北坡(0～45°,315°～360°)，東坡(45°～135°)，南坡(135°～225°)，西坡(225°～315°)。

2.2.3分布指數采用分布指數描述土地利用類型在各地形因子梯度的分布特征,分布指數消除了各地形梯度和不同景觀類型面積差異的影響。分布指數計算公式[13]為:

Pie=(Sie/Si)/(Se/S)

(2)

式中：Pie——第i種景觀類型在地形因子e上的分布指數:Sie——第i種景觀類型在e地形因子特定分級下的i地類面積；Si——研究區內第i種景觀類型的面積；Se——研究區內e地形因子特定分級下的的總面積；S——整個研究區的總面積。分布指數是一個標準化、無量綱的指數，若Pie>1，表示第i種景觀類型在該地形等級下具有優勢分布，Pie越大，優勢越明顯。反之若Pie<1，表示該地形等級不是該景觀類型的優勢分布。

3結果與分析

3.1　土地利用類型面積、強度變化分析

由表1可以看出，1976—2010年，流域土地利用變化劇烈，主要表現出有林地和水田持續減少，分別減少43%和69%，輪歇地增長1.6倍以上，橡膠園、茶園和建設用地增長高達近3倍以上。從6個主要地類的變化強度可以看出(表1)，有林地在兩個時期變化強度明顯較高，尤其在1976—1999年變化強度顯著大于其他各類，說明在此時期有林地破壞嚴重；水田的強度變化值在各時期均為負值，說明其面積在不斷減少；輪歇地在兩個時期變化強度值明顯較高且均為正值，說明輪歇地被大量開發；橡膠園和茶園變化強度居中，說明該區經濟種植業發展穩定，大量的輪歇地轉變為經濟種植園，預示今后該區經濟種植業發展速度加快。

表1　流沙河流域土地利用類型面積比例及變化強度　%

3.2　不同海拔高度土地利用分布特征

圖1顯示了不同海拔土地利用類型分布指數隨時間變化的規律。

從圖1可以看出： (1) 各年份有林地優勢分布高程為>1 200 m區域內，此高程以下，分布指數隨時間有減小的趨勢，而在之上則相反，說明隨時間推移，海拔較低區域森林破壞較嚴重，高海拔區域受人類干擾相對較小，以及灌木林地的恢復，已成為有林地的優勢分布地帶； (2) 茶園分布指數整體上隨著海拔升高呈先增加，隨后降低趨勢，茶園優勢地位由1999年的1 800～2 000 m降到2010年的1 200～1 400 m，茶園在高海拔的優勢地位喪失； (3) 橡膠園在研究期內優勢分布區域沒有變化，主要分布在600～1 000 m區域內,但是，由于中低海拔土地利用開發強度較大，已經處于飽和狀態，橡膠園有向高海拔發展趨勢； (4) 建設用地主要分布在600～800 m區域，而在較高海拔(>800 m)存在隨時間上升趨勢，說明建設用地在向中高海拔發展的趨勢，其主要原因是流域內海拔較高的勐海縣城城市化進程速度加快所致； (5) 輪歇地分布優勢主要出現在1 000～1 600 m范圍； (6) 水田在<600 m 內區域具有明顯優勢，而且變化幅度較大，其他高程區分布指數變化幅度不大，隨時間推移，中高海拔水田大部分轉變為旱地和建設用地。

注：高程分級1.<600 m； 2.600～800 m； 3.800～1 000 m； 4.1 000～1 200 m； 5.1 200～1 400 m； 6.1 400～1 600 m； 7.1 600～1 800 m； 8.1 800～2 000 m； 9.>2 000 m。

圖1各高程梯度上不同土地利用類型的分布指數

3.3　不同坡度上土地利用分布特征

從圖2可以看出： (1) 有林地分布指數總體上隨著坡度增加而上升，>8°區域為優勢分布，而且隨時間增加這種優勢更加明顯，這可能與退耕還林和森林保護政策有關； (2) 總體而言，坡度對茶園的分布優勢影響較小； (3) 橡膠園主要分布在5～15°，在<15°坡地上，隨著時間增加，橡膠園分布優勢降低，但在此坡度以上則相反，說明受土地資源限制，橡膠種植向陡坡地區發展； (4) 建設用地分布指數整體呈現隨坡度增加而減小的趨勢，其優勢分布區域為1～2坡度等級范圍，但受到城市化擴張，大于8°坡度范圍其分布有增加趨勢。 (5) 輪歇地作為一種過渡土地利用類型，各坡度級上受到不同程度的開發，總體分布受坡度的約束較小，1999和2010年大于25°分布有減少趨勢，反映此坡度級退耕還林活動開展較好。 (6) 各年份水田分布指數在坡度上分布較為一致，呈現隨坡度等級增加而降低的趨勢，在小于5°坡度區域內分布優勢尤為明顯，這是因為國家的農業用地的保護政策，水田在<5°的優勢地位始終沒有改變。

3.4　不同坡向土地利用分布特征

圖3顯示了不同坡向土地利用類型分布指數隨時間的變化規律。從圖3可以看出： (1) 北坡是有林地的優勢分布區域，尤其在1999年最明顯，隨時間變化，坡向對有林地分布的限制有降低趨勢； (2) 東坡和南坡是茶園的優勢分布區域，并且隨時間變化，茶園在這兩個坡向的分布優勢有增強的趨勢； (3) 1999，2010年橡膠園在北坡分布指數較1976年有明顯抬升，受到經濟利益的驅使，水熱條件較差的北坡也大量種植橡膠，總體來看，東坡是其優勢分布區域，橡膠種植對坡向的選擇減弱； (4) 建設用地主要分布在平地，其次在西坡，熱量相對不充足的北坡不具有分布優勢； (5) 輪歇地主要分布在東坡和南坡，其在平地分布隨時間增加而增加； (6) 水田主要分布在平地，與坡向關系不明顯。

圖2　各坡度梯度上不同土地利用類型的分布指數

4結論與討論

流沙河流域土地利用空間格局逐漸發展為隨海拔增加“水田—橡膠(茶園)—輪歇地—有林地”逐漸占優的格局[10]。與人類生產活動較密切的土地利用類型，如水田、橡膠園主要分布在坡度較緩的區域，坡度越大，有林地受到破壞越小。有林地在北坡占優，東坡是橡膠園優勢分布區域，且有向北坡發展趨勢，水田和建設用地在平地上占有優勢。

流沙河流域橡膠園和茶園的擴張，使熱帶森林持續遭到破壞，有林地景觀破碎化嚴重[14]，同時也使流域內傳統的、小尺度的耕作行為發生終止，破壞了該區域的物種多樣性和供物種繁衍的自然生境[15]。輪歇地作為一種過渡的土地利用類型，大多由熱帶森林砍伐而來，之后又轉移成和人類生產活動密切的土地類型，這種轉化使熱帶森林很難再恢復，影響該區域自然生態系統的完整性。大量研究[16-18]也顯示西雙版納地區橡膠園替代為熱帶森林后，使局地氣候發生改變，土壤退化和河流水環境污染。以上分析表明，應嚴格控制好經濟作物的種植面積，保護好現存的熱帶森林，考慮對高海拔和陡坡區域種植經濟作物的土地恢復為有林地。

圖3　各坡向梯度上不同土地利用類型的分布指數

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Relationship Between Land Use and Topographic Factors in Liushahe Watershed

DI Liang1,2, MA Youxin1, LI Hongmei1, SUN Yanci1,2

(1.XishuangbannaTropicalBotanicalGarden,ChineseAcademyofSciences,Kunming,Yunnan650223,China. 2.UniversityofChineseAcademyofSciences,Beijing100049,China)

Abstract：[Objective] Taking Liushahe watershed in Xishuangbanna Dai Automomous Prefecture as a case study area, this study tries to investigate the relationship between land use and topography factors in order to provide scientific support for land use planning. [Methods] We extracted elevation, slope and aspect from DEM data, combined with distribution index, we then analyzed the relationships between land use distribution and topography factors from 1976 to 2010. [Results] Forest was dominant in higher elevations, steeper slope and north-facing aspects; Tea garden mainly distributed in elevation between 1 200 and 1 400 m on east and south-facing aspects，and the slope had weak effect on the distribution of tea garden; Rubber plantation mainly distributed at elevation of 600~1 000 m on gentle slopes in east-facing and south-facing aspects with better hydrothermal conditions; Construction land was mainly located in the area at low altitude with flat and gentle slopes; Rotation land mainly distributed at elevation of 1 000~1 600 m, and had a maximum percentage in east-facing and south-facing slopes, and the slope had little restraints on the distribution of rotation land; Paddy field mainly distributed in the area with low altitude, flat and gentle slopes. [Conclusion] Forest and traditional tillage has been reclaimed for rubber plantation and tea garden, and rubber plantation continuously expands to higher and steeper areas and in north-facing aspect.As a result, the forest has been fragmented. Therefore, the expansion of rubber plantations into forest must be controlled to ensure the ecological stability of the watersheds in this region.

Keywords:land use change; distribution index; Liushahe watershed

文獻標識碼：A

文章編號：1000-288X(2015)06-0296-05

中圖分類號：Q149

通信作者：馬友鑫(1960—),男(漢族),遼寧省阜蒙縣,博士,研究員,主要從事景觀生態學方面的研究。E-mail:may@xtbg.ac.cn。

收稿日期：2014-02-26修回日期：2014-03-26

資助項目：中國科學院戰略性先導科技專項“應對氣候變化的碳收支認證及相關問題”(XDA05050206)

第一作者：底亮(1988—),男(回族),寧夏自治區石嘴山市人,碩士研究生,研究方向為流域土地利用變化與水環境評價。E-mail:dibaiys@163.com。