基于地形因子的喀斯特山地土地利用變化分析——以烏江北源為例

翟榮飛,趙翠薇,楊　莉

(貴州師范大學地理與環境科學學院，中國 貴陽　550001)

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基于地形因子的喀斯特山地土地利用變化分析——以烏江北源為例

翟榮飛,趙翠薇*,楊莉

(貴州師范大學地理與環境科學學院，中國 貴陽550001)

摘要以烏江北源2000年、2010年兩期土地利用和DEM數據為基礎，運用GIS空間分析軟件，探究喀斯特流域土地利用變化的空間規律．結果表明： 1)2000—2010年期間，耕地大幅度減少(-2.29%)，林地、草地和水域用地卻在增加(+1.53%、+0.21%、+0.47%)．2)土地利用類型面積變化差異顯著，在高程1 200～1 600 m、坡度15°～25°、與河流主干距離<10 km區域內變化最為劇烈．3)主要地類轉化包括：以耕地轉向林地、草地、水域用地為主，多發生在高程1 200～1 600 m、坡度15°～25°的與河流主干距離<10 km區域內；林地、草地轉向水域用地，多發生在高程<1 200 m、坡度8°～15°的與河流主干距離<10 km區域內；林地向居住用地轉化，多發生在高程1 200～1 600 m、坡度8°～15°與河流主干距離<10 km區域內．4)土地利用變化程度與高程、坡度和河流主干距離有高度的相關性，且隨著高程、坡度的增加先增加再減小，隨著與河流主干距離增加明顯急劇較小的趨勢．

關鍵詞喀斯特流域；土地利用變化；高程；坡度；與河流主干距離

Natural Factor Analysis of Land Use Change in Karst Mountain Area—North Source of Wujiang River

ZHAIRong-fei,ZHAOCui-wei*,YANGLi

(Geographic and Environmental Sciences, Guizhou Normal University, Guiyang 550001, China)

AbstractThe natural environment as a basic factor that affects land use change, which directly has impact on the way and degree of land use. Especially on the karst mountain areas where the ecological environment is fragile, the uniqueness of the natural environment leads to the typical form of land use. On the basis of two issues DEM data ( 2000, 2010 year) on land use of north source in Wujiang river, GIS spatial analysis software was employed to explore the space law of land use change in karst basin. Our results showed that: (1) Cultivated land was reduced by a large margin (2.29%) during 2000—2010, while forest land, grass land and waters were increased by+1.53%,+0.21%,+0.47%, respectively. Significant differences were found in different land use types with the most dramatic change occurred in the area with the elevation of 1 200~1 600 m, gradient of 15°~25°, and river trunk distance <10 km. (2) Main transformation includes that cultivated land was mainly turned to forest land, grassland, water land, and they occurred in the area with the elevation of 1 200~1 600 m, slope of 15°~25° and river trunk distance < 10 km area. Forest land, grass land were converted to water land in the area where elevation<1 200 m, gradient of 8°~15° and river trunk distance <10 km. Forest land tumed to residential land elevation of 1 200~1 600 m, gradient of 8°~15° and river trunk distance<10 km area. (3) Degree of land use change a high correlation with elevation, slope, and river’s backbone distance. With an increased elevation and slope change increases first and then decreases. With an increase in distance of river trunk the change was found to decrease sharply.

Key wordsKarst basin; land use change; elevation; slope; distance to backbone

土地利用是人類活動對自然環境的綜合表現，也是影響全球環境變化的重要組成部分．而土地利用類型的變化將對能量交換、水分循環和土壤侵蝕等陸地主要生態過程的結果和功能產生深遠影響，同時也能直接反映一個區域生態環境和社會經濟的可持續發展程度[1-4]．

近年來喀斯特地區土地利用研究已成為國內外廣泛關注的焦點，其研究主要包括：喀斯特土地利用結構、類型特征[5-10]；土地利用變化的時空差異[11-15]以及土地利用類型、結構和變化受地形因子的影響程度[16-20]等．生態環境脆弱地區，社會經濟發展落后、人地矛盾突出、土地利用變化劇烈，從而反過來限制區域的可持續發展．地形因子作為自然環境的重要因素，特別是高程、坡度，對土地利用形式和時空分布產生直接影響；在流域區尺度上，水資源狀況影響人類對土地利用程度，尤其在自然條件獨特的喀斯特山地，其地形崎嶇、地表嚴重缺水，導致土壤能力低下、養分及水土流失狀況嚴重，因而地形、水資源狀況對喀斯特流域區的土地利用形態有著不可忽略的影響[5]．

本文以烏江北源流域為例，基于2000年與2010年兩期土地利用矢量圖，運用GIS空間分析軟件，在對高程、坡度及與河流主干距離分級的基礎上，分析烏江北源流域區2000—2010年土地利用變化在不同高程、坡度及與河流主干距離的變化情況，探究喀斯特流域土地利用變化空間規律，為喀斯特流域區的土地資源利用、規劃以及政府決策提供依據．

1研究區概況

圖1　烏江北源區位圖　Fig.1　The geographic location map of the Wujiang north source

烏江，長江上游右岸的最大支流，有南北兩源，其中南源三岔河，北源六沖河．六沖河又名烏江北源，地理位置介于東經104°19′46.46″～106°7′18.86″、北緯26°31′～28.96″之間，流域區總面積為10 874 km2，小部分流經云南省高雄鎮，大部分流經貴州畢節、大方、赫章、納雍、織金、黔西以及威寧縣，貴州省境內流域面積為9 934 km2(圖1)．

流域地勢呈西北東南走向，海拔913～3 034 m，碳酸鹽巖溶面積占流域區總面積的71.22%，典型喀斯特地貌特征，包括峰叢洼地、峰叢溝谷、峰叢谷地和溶丘洼地等．大部分地方屬亞熱帶濕潤氣候，年均日照1 231 h、氣溫13.09 ℃、降雨量1 129.04 mm、無霜期266天，冬無嚴寒，夏無酷暑，四季分明，氣候宜人，適合于多種農作物和動物的生長、繁衍．其經濟情況表現為，2013年初步核算全區生產總值為1 041.93億元，按可比價格計算，比上年增長15.1%，第一、二、三產業結構比為18.8∶43.2∶38.0．按常住人口計算，人均生產總值為15 953元．

2數據來源及方法

2.1數據來源及處理

數據來源：(1)地球系統科學數據共享平臺獲取30×30 m分辨率的DEM；(2)遙感數據解譯貴州省2000年和2010年兩期土地利用．

數據處理：(1) 利用ArcGIS空間分析，對30×30 m DEM進行水文分析，確定河網分布及研究區范圍(見圖1)；(2)利用ArcGIS中分析工具，提取研究區高程、坡度以及與河流主干距離分級專題圖和屬性數據庫；(3)疊加分析，獲取研究區2000～2010年土地利用變化圖和屬性數據；(4)疊加研究區土地利用變化圖與高程、坡度以及與河流主干距離分級圖，統計分析研究區土地利用變化在不同高程、坡度、與河流主干距離的分布規律．

2.2研究方法

在GIS與RS技術支持下，利用DEM數據提取高程、坡度與坡向等地形因子信息，根據研究區區地形特點以及《貴州農業地貌區劃》進行高程、坡度和坡向與河流主干距離分級．將研究區土地利用變化圖和高程、坡度和河流主干距離圖進行疊加，統計分析在不同高程、坡度和河流主干距離帶上土地利用變化特征．

2.2.1土地利用分類參照全國土地利用現狀分類，結合研究目的，將土地利用類型劃分為林地、耕地、草地、水域、居住用地、工礦用地、交通用地、未利用地8類．

2.2.2自然條件因子分級研究區海拔介于913～3 034 m之間，屬云貴高原山地．高程決定局地的溫度和光照狀況，影響人類利用土地的難易程度，從而直接對土地利用的空間分布產生重要影響．又因研究區高程<1 200 m的占總面積的2.17%、>2 000 m占總面積的11.59%．因此，將研究區高程<1 200 m和>2 000 m界定為第一、四高程帶，1 200～2 000 m之間的400 m為間隔平均分為2個高程帶．

坡度是表征局部地表坡面在空間的傾斜程度的地形因子，坡度的大小直接影響地表物質流動和能量轉換的規模和強度，是制約土地利用的空間布局．按照《貴州農業地貌區劃》坡度分級指標，將研究區坡度分為微坡(0°～5°)、較緩坡(5°～8°)、緩坡(8°～15°)、較陡坡(15°～20°)、陡坡(20°～25°)和急陡坡(>25°)共6個等級．

由于研究區為流域尺度下的喀斯特山地，地表水較為缺乏，水源因素對土地利用變化的影響不可忽略，所以將研究區與河流主干距離每隔10 km劃一級，將研究區與河流主干距離劃分為：近距離(<10 km)、較近距離(10～20 km)和遠距離(>20 km)3個等級(圖2)．

其中高程1 600～2 000 m、坡度8°～15°、與河流主干距離<10 km所占面積比例最大(見表1)．

表1　烏江北源流域區地形因子及與河流距離分級系統及面積比例

圖2　烏江北源流域高程(左)、坡度(右)與河流主干距離(中)分級示意圖Fig.2　The elevation of the Wujiang north source basin (left), the slope (right) and the main distance of the river (middle)

3結果

3.1地類面積變化總體特征

2000～2010年烏江北源流域區以林地、耕地和草地為主要地類，其中地類變化主要表現為：耕地在大幅度減少，林地、水域用地、草地、居住用地以及未利用地在增加，工礦用地和交通用地基本無明顯變化(見表2)．

表2　烏江北源土地利用分類系統及2000年和2010年面積比例圖

由圖3可得，烏江北源2000～2010年以林地、耕地、草地為主要地類，林地在地勢較高的西北分布居多，耕地在地勢較低的東南分布較廣，而草地卻零星分布在整個研究區．其中，耕地在明顯減少，林地、草地和水域用地卻在增加．這是由于研究區地勢陡峭，地形破碎，碳酸鹽巖發育較好，屬水土流失嚴重的西南喀斯特區，退耕還林政策的實施，將易造成水土流失的耕地向林草地轉型．研究區水能資源豐富，10 MW以上的河流有8條(包括干流)，其中洪家渡電站是我國“西電東送”重要電站，從2000年11月8日起我國正式進入西部大開發，這就是導致研究區水域用地在2000～2010年間面積急劇增加的主要原因．由于烏江北源區地形特點導致社會經濟發展滯后，使之交通用地、工礦用地面積較少且基本無變化．

圖3　烏江北源2000～2010年主要地類面積空間變化示意圖Fig.3　Area space change diagram of Wujiang river north source mainly from 2000 to 2010 in class

3.2不同自然條件的土地利用變化分析

3.2.1不同高程帶的土地利用變化由表3可得，2000～2010年期間烏江北源流域區在1 200～1 600 m高程范圍內，地類變化面積最大，占總轉化面積的43.58%，其次為1 600～2 000 m高程范圍內占33.81%，轉化面積相對較小的為>2 000 m高程，只占總轉化面積的2.35%．表明研究區土地轉化主要在1 200～1 600 m高程范圍內發生，隨高程的增加，土地轉化面積先增加再減?。傮w來講，以耕地向林地、草地、水域地轉出為主，且在1 200～1 600 m高程范圍內耕地向林地轉化面積最大，在研究期間交通用地、工礦用地與其他地類幾乎無轉化．主要地類轉化具體表現為：在<1 200 m高程范圍內，耕地轉化為林地、草地、水域、未利用地；林地、草地轉化為水域用地．在1 200～1 600 m高程范圍內，耕地向林地、草地、水域、居住用地、未利用地轉化；林地向水域、居住用地轉化；草地向水域用地轉化．在1 200～1 600 m高程范圍內，耕地向林地、草地、居住用地、未利用地轉化，林地向水域用地轉化．在>2 000 m高程范圍內以耕地向林地、草地轉化為主．

表3　烏江北源2000～2010年基于高程土地利用變化統計(單位：hm2)

3.2.2不同坡度帶的土地利用變化由表4可得，2000～2010年期間烏江北源流域區在坡度15°～25°范圍內，地類變化最為頻繁，占總轉化面積的31.68%，其次為坡度8°～15°范圍內占28.07%，而坡度>35°范圍內地類轉化最小，占總轉化的6.41%．表明研究區土地轉化主要在坡度為8°～25°范圍內發生，隨坡度的增加，土地轉化面積表現為先增加再減小．總體表現為：以耕地向林地、草地、居住用地、水域、未利用地轉化為主，且在坡度為15°～25°范圍內耕地向林地轉化面積最大，交通用地和工礦用地在研究期間幾乎無轉化．具體表現為：在坡度為0°～5°、5°～8°、8°～15°、15°～25°、25°～35°范圍內，地類轉化方向相近，主要轉化地類包括：耕地轉化為林地、草地、水域、居住用地、未利用地；林地轉化為水域、居住用地；草地轉化為水域用地．在坡度>35°范圍內主要以耕地轉化為林地、草地、水域、未利用地；林地、草地轉化為水域用地為主．

表4　烏江北源2000～2010年基于坡度土地利用變化統計(單位：hm2)

3.3不同河流干道距離的土地利用變化

由表5可得，2000～2010年期間烏江北源流域區在與河流主干距離<10 km范圍內地類變化最為頻繁，占總轉化面積的68.40%，其次為與河流主干距離10～20 km范圍內占26.72%，轉化面積最少的為與河流主干距離>20 km范圍內占4.88%．表明研究區土地轉化主要在與河流主干距離<10 km范圍內發生，表現為隨著與河流主干距離的增加土地轉化面積急劇減小的趨勢．總體來講，以耕地向林地、草地、水域用地、居住用地轉出為主；在與河流主干距離<10 km范圍內耕地向林地轉化面積最大；交通用地和工礦用地在研究期間與其他地類幾乎無轉化．具體表現為，在與河流主干距離<10 km范圍內主要地類轉化包括，耕地轉化為林地、草地、水域、居住用地、未利用地；林地轉化為水域、居住用地，草地轉化為水域用地；在與河流主干距離10～20 km范圍內，耕地轉化為林地、草地、居住用地、未利用地，林地轉化為居住用地；在與河流主干距離>20 km范圍內只有耕地向林地、草地、居住用地、未利用地轉出．

表5　烏江北源2000～2010年基于與河流主干距離的土地利用變化統計(單位：hm2)

4結論與討論

綜合考慮高程、坡度和與河流主干距離因素，表明2000～2010年在烏江北源流域區：(1)土地利用變化程度隨著高程、坡度的增加先增加再減小，隨與河流主干距離增加顯急劇減小的趨勢．(2)土地利用變化以耕地向林地、草地和水域用地轉化為主，且發生在高程1 200～1 600 m、坡度15°～25°的與河流主干距離<10 km區域內最為劇烈．(3)主要地類轉化包括：以耕地轉向林地、草地、水域用地為主，多發生在高程1 200～1 600 m、坡度15°～25°的與河流主干距離<10 km區域內；林地、草地轉向水域用地，多發生在高程<1 200 m、坡度8°～15°的與河流主干距離<10 km區域內；林地向居住用地轉化，多發生在高程1 200～1 600 m、坡度8°～15°的與河流主干距離<10 km區域內．(4)基本無轉化地類包括：交通用地、工礦用地與其他地類的轉化．

由于國家退耕還林和“西電東送”政策的實施，使得烏江北源流域區土地利用變化劇烈，以發生在與河流主干近距離的中海拔、較陡坡范圍內耕地向林地、草地、水域用地的轉出和發生在與河流主干近距離的低海拔、緩坡區域內耕地、草地和林地向水域用地的轉入最為明顯．退耕還林政策的不斷進行，使得易造成水土流失的耕地向林草地轉型，生態環境得以改善；但由于喀斯特流域地形特點導致經濟發展滯后，大量青壯年外出打工，主要勞動力減少，使得部分耕地也向未利用地轉化；同時社會經濟發展遲緩，使之交通用地、工礦用地面積較少且基本無變化．

烏江北源流域區土地利用變化受高程、坡度以及與河流距離影響較大，這種影響符合貴州喀斯特地貌下的自然環境和社會經濟規律，遵循地形特征，充分利用高程、坡度以及水資源特點，結合區域社會經濟狀況，合理、科學制定烏江北源流域區的土地利用方式和類型，以達到生態、社會和經濟一體化的發展．

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(編輯HWJ)

中圖分類號K903

文獻標識碼A

文章編號1000-2537(2016)01-0009-07

*通訊作者,E-mail：zhaocuiwei@soufu.com

基金項目：貴州省科技廳社發攻關項目[黔科合SY字[2013]3168號]

收稿日期：2015-07-20

DOI:10.7612/j.issn.1000-2537.2016.01.002