濟南市南部山區土地利用變化與地形因子關系研究

鄭亞運, 趙 清, 黃巧華, 鄭國強

(1.江蘇師范大學 地理測繪與城鄉規劃學院, 江蘇 徐州221116; 2.山東建筑大學 土木工程學院, 濟南250101)

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濟南市南部山區土地利用變化與地形因子關系研究

鄭亞運1, 趙 清1, 黃巧華1, 鄭國強2

(1.江蘇師范大學 地理測繪與城鄉規劃學院, 江蘇 徐州221116; 2.山東建筑大學 土木工程學院, 濟南250101)

在DEM基礎上，基于2000年和2013年Landsat ETM+/OLI衛星影像數據，綜合運用RS和GIS技術，分析了濟南市南部山區土地利用結構及其變化、土地利用類型轉移率及轉移方式與高程、坡度和坡向間的關系。研究表明：(1) 研究區以綠地為主體的土地利用結構雖未發生根本改變，但內部結構已發生深刻變化，大面積土地利用類型曾發生過轉化。(2) 基于研究區尺度和自然環境特點，地形是影響土地利用及其變化的主導自然因素，但地形因子高度、坡度和坡向對土地利用及其變化的作用是不同的。(3) 高度和坡度對土地利用及其變化的影響較為一致，即隨高度和坡度的增加，土地利用結構及其變化、土地利用類型間轉移特點有相似的規律性。比較坡度和高度的作用方式發現，坡度是更直接和更明顯的影響因素。(4) 在高度有限的山地丘陵區，不同坡向與土地利用結構及其變化間無明顯相關關系。與坡度和高度相比，坡向對土地利用結構及其變化的影響非常有限。

土地利用變化; 土地利用結構; 地形因子; 濟南市南部山區

土地利用是自然因素和人文因素綜合作用的結果，集中體現了人地關系的特性及作用機制[1-2]，土地利用結構及其變化研究實質上是解釋人類生活和資源利用的空間格局及其演變。自然因素在環境背景上控制著土地利用結構及其變化的基本特征及過程[3]。地形作為重要的自然因子，不僅影響著土地利用結構和空間格局，也影響著土地利用的演變過程[4]。研究特定區域地形與土地利用變化間的關系，對闡明環境因子與土地利用變化間的相互關系，闡明區域人地關系的特點、過程和驅動力，制定區域土地利用的對策有重要的理論意義和實踐價值。現代RS和GIS技術為精確地研究地形和土地利用變化間關系提供了條件，并被廣泛應用于相關研究[5-6]。數字高程模型是最重要的國家基礎地理信息數據，基于GIS的數字地形分析的理論、方法與應用，是地理學、地貌學界及地理信息科學研究的熱點[7]。崔步禮、鐘德燕、陳見影等的研究都表明土地利用空間格局與地形間存在密切關系[8-10]，黎景良、毛蔣興、李丹等的研究也進一步表明地形對土地利用變化的重要影響[11-13]。

濟南市有“泉城”之稱，濟南市南部山區不僅有調節改善市區及其周邊生態環境的功能，也可為泉域補給地下水。隨著經濟社會快速發展對土地需求的增長，環境優美、地價便宜、交通便利的南部山區已成為開發建設的熱點區域，這對其土地利用結構、生物多樣性、泉水補給能力及水土流失狀況等產生很大影響[14-15]，尤其是地下水補給量減少，泉水趨于衰竭。《濟南市城市空間戰略及新區發展研究》提出“東拓、西進、南控、北跨、中疏”的城市發展戰略，明確提出“嚴格控制城市向南發展，將南部山區作為城市重點生態保護區”，并將南部山區土地資源合理利用及生態恢復保護作為實現城市發展戰略的關鍵舉措之一。本文擬綜合運用RS和GIS技術，及土地利用學、生態學和地理學等原理，采用定量和定性相結合的方法，分析濟南市南部山區土地利用變化特點，探討地形因子與土地利用變化間關系，擬為該區土地資源合理利用、生態環境保護建設及濟南市經濟社會的可持續發展提供依據。

1　研究區和研究數據

1.1研究區概況

濟南市南部山區是指濟南市南外環以南的主城區及其所轄區、市、縣的山地丘陵區，包括平陰、長清和章丘的大部分及歷城的一部分，總面積約3 400 km2。該區地處魯中丘陵與魯北平原過渡地帶，以低山丘陵為主，地勢南高北低，海拔30～961 m，中山、低山、丘陵和山前平原呈階梯狀分布。研究區屬暖溫帶季風氣候，四季分明，溫差較大，降水集中且變率較大。

本文研究區主要包括市中區的十六里河街道和黨家街道，長清區的崮云湖街道、五峰山街道、張夏鎮和萬德鎮，及歷城區的柳埠鎮、西營鎮、仲宮鎮和港溝鎮，總面積約1 502.3 km2。研究區共涉及10個鄉鎮及街道辦事處，總人口60多萬。因受地形和交通影響，第一產業歷來在國民經濟中比重較高，第二、第三產業比重較低。近年來隨交通等基礎設施建設的改善，旅游業已逐步成長為當地的新興主導產業之一，產業結構和土地利用結構已發生顯著變化。

1.2數據源及其處理

本文研究采用的數據源主要有：2000年9月14日Landsat 7 ETM+影像、2013年9月26日Landsat 8 OLI影像，空間分辨率30 m，少云，圖像質量良好；DEM數據為覆蓋研究區全區的90 m分辨率數據，數據格式為GRID；研究區野外調查資料，及社會經濟調查和統計數據。

參照《土地利用現狀分類(GB/T21010—2007)》，結合研究區地形、土地利用現狀和研究目的，將研究區土地利用類型分為綠地、耕地、水域、建設用地和未利用地5類。采用最大似然法對影像進行監督分類，并利用GIS分析方法提取土地利用信息，得到研究區2000年、2013年土地利用總體結構(表1)。

表1　研究區2000年和2013年土地利用結構

據表1可知，2000—2013年研究區土地利用變化特點是：綠地占總面積比例一直保持在50%以上，以綠地為主的土地利用總體結構沒有發生根本變化；土地利用結構變化的總趨勢是，綠地穩中有升，耕地快速減少，建設用地大幅增長；建設用地總變化率和年均變化率最大，遠遠高于其他利用類型，而綠地變化率最小。

2　研究區地形因子對土地利用結構及其變化的影響

據重力、動力學原理及《土地利用更新調查技術規定》(試行)，結合南部山區地形特點和本文研究目的，將研究區內地形因素分析成高程、坡度和坡向3個因子，再將每個因子分為5級，并統計出每級內土地利用信息，結果如表2所示。

2.1高程對土地利用結構形成及變化的影響

據表3對研究區內不同高程范圍土地利用結構及其變化特點的分析，可將高程的影響分三種情況：

(1) 高程200 m以下地區，形成了以耕地為主體的土地利用結構，近期表現出耕地大幅減少而建設用地不斷增加的變化趨勢。200 m以下地區，以平地和緩坡地為主，土層較厚，地表水和地下資源較豐富，土地適宜性較廣，尤其適宜農作物生長，對各種建設用地限制性小，因而形成了以耕地為主體土地利用結構。近年來隨各項建設事業發展的需要，導致耕地比重不斷下降，而建設用地不斷上升的變化趨勢。

表2　研究區地形因子分級

表3　基于地形因子分級的土地利用結構統計　%

(2) 高度200～300 m間地區，形成了以綠地為主、耕地為輔的土地利用結構。在此高程范圍內，以緩坡和斜坡為主，土層較薄，水源較少，適宜林木生長，作為耕地有一定的限制性，作為建設用地限制性較小。近年來變化趨勢是，綠地比例穩定，耕地明顯減少，建設用地明顯增加。

(3) 高度300 m以上地區，形成了以綠地占絕對優勢的土地利用結構，近期土地利用結構相對較穩定。在此高程范圍內，多屬山腰和山頂部位，生境特點是坡度較陡、土層薄、水源少，作為耕地和建設用地限制性大，適宜林木生長。近年來，盡管建設用地比例有所上升，但因限制性大，所以增幅有限。因退耕還林等措施，導致耕地比例不斷減小，綠地不斷增加。

2.2坡度對土地利用結構形成及變化的影響

研究區內坡度對土地利用結構形成和變化的影響也可分三種類型：

(1) 坡度小于2°的平地，形成了以耕地和建設用地為主的土地利用結構。近年來變化趨勢是，耕地快速減少，建設用地快速增長，其他類型用地較為穩定，但仍保持了以耕地為主體的利用結構。平地地區地勢低平，土層厚，水源較豐富，適宜農作物生長，也適宜作為各類建設用地或其他類型用地，土地結構的形成與變化主要決定于社會經濟發展的需求。

(2) 坡度2°～6°的緩坡地區，形成了以耕地為主，綠地為輔的土地利用結構。近年來土地利用結構變化趨勢是，綠地穩中略升，耕地明顯減少，建設用地迅速增加，三種類型的比重有接近的趨勢。該區以山麓地帶為主，坡度不大，土層較厚，作為耕地和建設用地較適宜，土地利用結構形成受自然條件和社會經濟發展需要的綜合影響，即在土地適宜性的基礎上，根據生態環境建設的要求，社會經濟發展的需求而作出調整。

(3) 坡度大于6°的地區，形成了以綠地占絕對優勢的土地利用結構。近期土地利用結構變化的特點是，綠地比例仍有上升，耕地有所減少，建設用地略有增加。該區為斜坡地和陡坡地，多位于山丘中上部，土層較薄，水源很少，立地條件較差，發展種植業有很大限制性，也不適宜作為建設用地，因而形成了以綠地占絕對優勢的土地利用結構，斜坡地有少量耕地和建設用地，而隨著坡度增加，綠地比例更高，耕地和建設用地則迅速減少。

2.3坡向對土地利用結構形成及變化的影響

據表3分析坡向對土地利用結構形成及其變化的影響，可得到3個基本結論：

(1) 無坡向地與有坡向地間差異顯著。無坡向地形成了以耕地和建設用地并重的土地利用結構，而有坡向地則形成了以綠地為主、耕地為輔的土地利用結構；有坡向地與無坡向地間的土地利用結構變化趨勢也有截然不同，即無坡向地表現為以耕地為主、建設用地為輔的利用結構，轉為耕地與建設用地并重的利用結構，而有坡向地則一直保持了以綠地為主的利用結構，變化趨勢是綠地穩中略升，耕地明顯減少，建設用地明顯增加。導致上述差異的原因是：無坡向地地勢低平，土層厚，水源條件好，土地適宜性廣，尤其適合作為耕地和各種建設用地，而有坡向地一般地勢較高，土層較薄，水源少，適宜發展林木，作為耕地和建設用地有較明顯的限制性。

(2) 坡向對土地利用結構形成和變化的作用相對較小。比較有坡向地中陽坡地、半陽坡地和陰坡地間的土地利用結構及其變化趨勢可見，它們之間的差異性較小，即三種類型坡向地的土地利用結構都是以綠地為主體，且綠地都呈穩中有升的變化趨勢，同時耕地不斷減少，建設用地不斷增加。不同坡向地間土地利用結構及其變化趨勢的相似性說明，與高度和坡度相比坡向對土地利用結構及其變化的影響較小。

(3) 不同坡向對土地利用結構的影響有一定的規律性。盡管坡向對土地利用結構形成及變化的作用不及高程和坡度明顯，但仍存在一定的影響，并表現出明顯的規律性，即從陽坡地、半陽坡地到陰坡地類型，綠地比重小幅增加，同時耕地比重有小幅下降，建設用地變化不明顯，這也說明坡向對綠地和耕地利用有一定影響，但對建設用地影響不明顯。分析認為，與陽坡地相比，陰坡地日照、太陽輻射和風力偏低，相對濕度偏大，利于植被恢復及中生性植物生長，因而陰坡地綠地率往往較陽坡高，而陽坡地日照和太陽輻射偏高，利于陽性的農作物生長發育導致耕地比重略有偏高。

3　研究區地形因子對土地利用轉移的影響

研究區土地總面積不變，則區內一種土地利用類型面積增加必然伴隨其他類型面積減少[16]。因土地具有空間區位的固定性與利用的可轉化性，僅分析地類凈變化量將難以準確反映各地類的真實變化情況，如某地類既有大量轉出，同時又有大量轉入，盡管凈變化量很小，但實際上土地利用變化卻很大[17]。研究發現，土地利用的遷移轉化程度和方向與地形因子間也存在較高相關性。將2000年和2013年的土地利用類型圖進行疊加處理，得到研究區土地利用轉移矩陣，如表4所示。

3.1高程對土地利用轉移的影響

研究區內高程多在五六百米以下，自下向上的高程變化盡管不足以引起水熱條件性質的分異，但卻導致了地貌部位的分異，地貌部位的差異引起了立地條件的差異，使土地利用的適宜性和限制性發生分異，進而影響到土地利用變化的程度和方向。據表4可知：(1) 隨高程增加，土地利用轉移率呈顯著衰減趨勢。研究區內1—5級高程內發生轉移面積與其高程內總面積比分別為39%，34%，27%，17%和10%。(2) 隨高程增加，土地利用轉移方向趨于單一化。低海拔區各類型間相互轉化形式復雜多樣，隨海拔升高，轉化形式趨于簡單，轉化方向趨于單一。(3) 不同高程級別內土地變化特點有顯著差異。1—2級高程內耕地、綠地和建設用地間互轉劇烈，總體表現為建設用地增量大，耕地迅速減少，綠地保持動態平衡；3級高程內主要是耕地與綠地間的轉化；4—5級高程內變化量小，主要表現為退耕還綠地。

3.2坡度對土地利用轉移的影響

據表4可知，坡度對土地利用變化程度和轉移方向的影響表現為：(1) 隨坡度增加，土地利用類型間轉化強度呈顯著遞減趨勢。在1—5級坡度內，轉化量與該級別土地總面積的比分別是38%，37%，26%，13%和5%。(2) 隨坡度增加，土地類型轉化形式和方向趨于簡單。坡度小，類型間轉化較復雜，坡度增大，各土地類型轉化方向趨于簡單化。(3) 不同坡度范圍內土地利用變化特點不同。平地、緩坡地區主要是耕地、綠地和建設用地間的互轉，總體上表現為綠地基本上保持動態平衡，建設用地顯著增加，耕地明顯減少；斜坡地區耕地減少量大，綠地迅速增加；緩陡坡地、陡坡地轉化量很小，主要是耕地向綠地的轉化。

由上述可知，坡度變化對土地利用變化的影響，與高程變化對土地利用變化的影響具有相似的規律性。與高度變化相比，坡度變化對地表物質能量遷移轉化的影響更加直接，更明顯，隨坡度增加，土地利用的適宜性減小，限制性增強，因而土地利用轉化程度和轉化方向也表現出一定的規律性。

3.3坡向對土地利用轉移的影響

據表4分析可知：(1) 無坡向地轉移顯著高于有坡地。無坡向地土地利用轉化率為46%，有坡向地轉化率低于30%。無坡向地即為平地，限制因素較少，土地利用類型間轉化大，轉化形式也較復雜多樣。主要轉移方向是耕地轉為建設用地。(2) 在有坡地中，陽坡地、半陽坡地和陰坡地的轉化率分別是30%，29%和28%，相互間差異很小，且轉化方向和形式也較相似，主要表現為綠地、耕地和建設用地間的轉化，耕地減少，建設用地增加，綠地基本穩定。

表4　2000—2013年土地利用地形因子變化量統計　km2

4　結 論

本文在DEM基礎上，綜合運用RS和GIS技術及土地利用相關原理，分析了濟南市南部山區2000—2013年土地利用結構及其變化、土地利用轉化程度和方向與地形因子間的相互關系。得出的主要結論有：

(1) 2000—2013年，盡管研究區以綠地為主體的土地利用結構未發生根本的改變，但內部已發生了深刻的變化，如耕地減少了10.2%，建設用地增加了7.3%，期間有30%面積曾發生了土地利用的轉化，其中以耕地的轉化率最高。

(2) 土地利用是自然因素和人文因素共同作用的結果，自然因素決定了土地利用的適宜性和限制性，潛在地影響著土地利用結構的形成和變化，而社會經濟發展的要求決定了土地利用結構變化的方向和程度。研究區尺度和自然環境特點決定了影響土地利用分異的主導自然因素是地形，地形因素進一步可分析為高度、坡度和坡向三個因子，但三個地形因子對土地利用結構的形成和變化、土地利用轉化程度和方向的影響是有顯著差異的。

(3) 高度和坡度對土地利用結構變化和土地利用轉化的影響較為一致。即隨著高度和坡度的增加，土地利用結構由耕地、建設用地為主體，逐漸轉為以綠地為主體的利用結構，耕地明顯減少，建設用地大幅增加，綠地穩中略升是變化的基本方向；且隨著高度和坡度的增加，土地類型間轉化的強度呈顯著遞減趨勢，土地類型間轉化形式和方向也趨于簡單。比較高度和坡度的作用方式可以發現，在高度未引起水熱條件性質發生分異時，坡度是更加直接和明顯的影響因素。

(4) 與高度和坡度相比，坡向與土地利用結構形成及變化、土地利用轉化程度和方向間無明顯相關關系。盡管陽坡、半陽坡和陰坡間在土地利用結構上有一定的差異，但這種差異處于從屬地位。這說明，在高度有限的山地丘陵區，坡向對土地利用結構的影響是非常有限的。而有坡向地與無坡向地間的差異很大也從另一角度證明了這一點。

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Research on the Relationship Between Land Use Change and Terrain Factors in the South Mountain Area of Ji′nan, Shandong Province, China

ZHENG Yayun, ZHAO Qing1, HUANG Qiaohua1, ZHENG Guoqiang2

(1.SchoolofGeographySurveyingandRaral-urbanPlanning，JiangsuNormalUniversity,Xuzhou,Jiangsu221116,China; 2.SchoolofCivilEngineering,ShandongJianzhuUniversity,Ji′nan250101,China)

Based on the DEM and the data from Landsat ETM+/OLI images, remote sensing and GIS techniques were used to analyze the relationship among land use structure, land use change, and metastatic rates and ways of land use types with terrain factors, such as elevation, slope gradient, and aspect of slope in the south mountain area of Ji′nan during the period from 2000 to 2013. The results show that: (1) although the nature of land use dominated by green land in the study area has kept stable, the internal structure has profound change and most of land use types have transferred; (2) based on the scale of the study area and the characteristics of the natural environment, with respect to the main natural factors, the terrain factors can affect land use change, but the effects are different; (3) elevation and slope gradient are closely related with land use change and transfer, demonstrating some regularity, with the increase of elevation and slope gradient, the land use transfer rate shows a remarkable trend of decline, the transfer ways tend to be simple, and the transfer direction tends to be concentrated. Compared with elevation, slope gradient is the more direct and more obvious influence factor; (4) in limit height of mountain and hilly areas, there was no obvious correlation between different slope gradients and land use structures and their changes. Comparing with elevation and slope gradient, the influence of the aspect of slope on land use structure and its change is very limited.

land use change; land use structure; terrain factors; south mountain of Ji′nan City

2015-06-09

2015-12-09

國家自然科學基金項目“區域經濟極化演化機理與調控研究”(41171118)

鄭亞運(1990—),男,江蘇揚州人,碩士研究生，研究方向為景觀生態與土地利用。E-mail:zhengyayun721@126.com

趙清(1965—),男,江蘇鹽城人,博士,教授，主要從事景觀生態與自然資源利用研究。E-mail:zhaoqingl@163.com

F301.24

A

1005-3409(2016)04-0149-05