滇池流域土地利用變化圖譜的地形梯度效應

王啟名, 楊 昆, 許泉立, 李鳴蟬, 肖 茜

(1.云南師范大學 旅游與地理科學學院, 昆明 650500; 2.西部資源環境地理信息技術教育部工程研究中心, 昆明 650500; 3.云南師范大學 信息學院, 昆明 650500)

土地利用/覆被變化(LUCC)是人類與其生存環境對土地資源系統最直接作用的結果[1-2]。與此同時，LUCC在不同的時間和空間尺度影響著人類和自然系統[3]。自20世紀90年代至今，LUCC一直是全球氣候變化、全球環境變化和可持續發展的核心主題和熱點問題之一，已經成為經濟學、生態學、地理學、及相關交叉學科研究的重點和熱點領域之一[4-7]。地形因素是最基本自然地理要素[8]，直接影響不同地形梯度上的土地利用變化的水熱組合和能量收支平衡，使土地利用格局和過程變化的梯度效應差異明顯，因此，基于地形梯度的土地利用格局和過程變化也成為LUCC研究的重要內容之一[8-10]。

土地利用格局和過程的變化需要通過時空復合方法來進行定量化研究，而地學信息圖譜具有這樣的功能，它以遙感技術、地理信息科學、計算機制圖等學科為基礎，能夠綜合反映LUCC在空間格局的“圖”和時間序列的“譜”的二元特征，解決LUCC的非空間屬性信息在空間位置上的定位信息和可視化表達[11-12]。目前，已有研究表明[13-14]，土地利用變化圖譜能很好地表達土地利用變化的空間—屬性—過程一體化時空分布格局，并將這些分布格局用信息圖譜單元來表示，在空間位置和空間行為上都具有一定的指示性。近些年，土地利用變化的圖譜特征研究備受學者的關注[12-15]，成為分析土地利用格局與過程變化的重要組成部分。但從地形角度對土地利用信息圖譜變化的研究較少。

滇池流域地處云南省中東部，是昆明城市發展的核心區域，該地區地形地貌起伏較大，使得土地利用在不同地形梯度上的利用方式和用途分布不同，在不同的地形梯度形成不同的土地利用變化圖譜特征。近年來，人類活動不斷加強改變了地形梯度約束下的土地利用方式和方向，也改變了土地利用變化圖譜模式，影響滇池流域生態環境，威脅人類的生存和發展。目前，沒有關于滇池流域土地利用變化圖譜的地形梯度效應方面的研究，本文以2000年、2007年、2014年遙感影像為數據源生成土地利用變化圖譜，從地形位、坡向2個宏觀地形因子，綜合研究滇池流域的土地利用變化圖譜在地形梯度上的格局變化特征，以期為土地資源可持續發展、土地利用的合理布局提供理論依據。

1　研究區概況

滇池流域地處長江、珠江和紅河3大水系分水嶺地帶，地理位置在102°29′—103°1′E，24°28′—25°28′N，是地質構造形成的南北長，東西窄的湖盆地，包括昆明市中部的五華區、盤龍區、官渡區、西山區和呈貢區，北部的尋甸回族彝族自治縣、富民縣和嵩明縣和南部的晉寧縣9個縣級行政區，面積為290 431.89 hm2，僅占云南省總面積的0.75%，卻是滇中城市經濟圈發展的核心，人口密度、城鎮化程度和社會經濟發展速度遠遠高于云南省其他區域。該研究區海拔高度起伏較大，在1 753～2 875 m之間，東北高，西南低，從滇池向四周不斷升高(見圖1A),海拔的起伏不同使得土地利用類型在不同的地形梯度上轉化程度不同，造成土地利用變化圖譜在地形梯度上變化程度不同。

圖1　研究區高程、地形位和坡向

2　數據來源和研究方法

2.1　數據來源與處理

本文以中國地理空間數據云的2000年、2007年的Landsat TM和2014年Landsat8 OLI為數據源，運用ENVI5.1對以上3期遙感數據進行預處理、邊界裁剪、解譯，得到目標土地里利用分布圖。土地利用類型分類參考國土資源部2007年頒布的《土地利用現狀分類標準》及滇池流域的地域特點，將土地利用類型分為耕地、林地、草地、建設用地、水域和未利用地，并對分類的3期土地利用類型遙感影像進行精度檢驗，總體分類精度分別為86.53%，87.12%和90.35%，Kappa系數分別為0.75，0.80，0.84，均達到標準。并將柵格單元大小統一為30×30 m。

2.2　研究方法

2.2.1土地利用變化圖譜構建及分級土地利用變化圖譜是在地學信息圖譜的理論基礎上發展起來的，利用地圖代數運算把“空間單元特征的圖”和“時間發展過程的譜”結合起來，形成土地利用變化時空復合體。具體過程是利用ArcGIS 10.2軟件對2000年、2007年和2014年3期分類的土地利用分類圖利用公式(1)進行地圖代數運算以構建2000—2014年的土地利用信息圖譜，體現了土的地利用變化格局時空復合特征。土地利用信息圖譜計算公式[10,15]如下：

Y=C1×10n-1+C2×10n-2+，…，+Cn×10n-n

(1)

式中：Y無數學意義，表示n期土地利用類型代碼的合成的n位編碼時空復合數據；n為土地利用期數；C1，C2，…，Cn為第1期，2期，…，n期不同時期土地利用單元所形成的土地利用圖；將C1，C2，…，Cn不同時期土地利用圖進行疊加，分別位于n位，…，十位、個位，形成n位編碼時空復合數據。

根據土地利用類型在3個不同時間段的變化情況，可將土地利用變化圖譜分為5種圖譜類型[16]，即穩定型(土地利用類型在2000—2014年一直未發生變化)、前期變化型(土地利用類型只在2000—2007年發生變化，其他時期不變)、后期變化型(土地利用類型只在2007—2014年發生變化，其他時期不變)、反復變化型(2000—2014年3個時期土地利用類型發生變化且末期土地利用類型和初期相同)和持續變化型(2000—2014年3個時期土地利用類型發生變化且末期土地利用類型和初期不同)。

2.2.2地形梯度等級的劃分根據地形的起伏變化情況，選取地形位和坡向2個地形宏觀因子進行地形梯度的劃分，分析地形在垂直梯度上對土地利用變化圖譜特征。地形位結合了高程和坡度2個地形因素對土地利用變化圖譜的分布和影響，具有高程和坡度共有的地形優勢，利用公式[17](1) 進行計算，生成地形位圖(圖1B)。公式(1)如下：

(2)

坡向表示坡面在水平方向上投影的方向，直接影響地形區域接受太陽輻射強度的大小及日照時間的長短，利用ArcGIS軟件中空間分析，生成坡向圖(圖1C)。坡向根據地形接受太陽輻射方向不同分為5種級別，即平坡(-1°)、陽坡(135°～225°)、半陽坡(90°～135°和225°～270°)、半陰坡(45°～90°和270°～315°)和陰坡(0°～45°和315°～360°)。

2.2.3地形分布指數效應分布指數(distribution index，DI)能夠很好分析土地利用變化圖譜在不同地形梯度上的概率分布，因為DI是一個無量綱單位[18-19]，可以消除地形梯度和土地利用變化圖譜間的面積差異的影響，其公式為[8-9,15,20]：

(3)

式中：DI為地形分布指數；j為地形因子梯度；i為土地利用變化圖譜類型；Ti為第i土地利用變化圖譜的總面積；Tij為第i土地利用變化圖譜在第j形梯度上的總面積；Tj為第j地形梯度上的總面積；TA為研究區的總面積。當DI>1表示該種土地利用變化圖譜在某個地形梯度上呈現優勢分布，DI越高，優勢度越明顯；反之，表示該種土地利用變化圖譜在某個地形梯度上呈現劣勢分布，DI越小，劣勢度越明顯。

3　結果與分析

3.1　研究區土地利用結構變化

基于土地利用圖可得出研究區土地利用結構變化趨勢。從表1可以看出，滇池流域2000—2014年土地利用類型結構面積和比例差異明顯。2000—2014年，土地利用類型以耕地、林地、草地和未利用地為主，占總面積的87%左右，主要土地利用類型也發生了轉化，2000年的耕地、林地和草地為主轉化為2014年的耕地、林地和建設用地為主。耕地和草地面積減少幅度明顯(減少了37.33%)，林地和建設用地面積增加幅度很快(增加了36.65%)，水域和未利用地面積基本保持不變。主要是由于昆明市政府不斷落實坡耕地“退耕還林”政策以及積極響應西部大開發戰略，促進昆明市社會經濟的發展導致耕地和草地面積的減少、林地和建設用地的面積的增加。

表1　2000-2014年滇池流域土地利用結構

研究區土地利用結構變化只能總體上分析土地利用變化的總趨勢，并不能看出土地利用變化的方向和方式，需通過土地利用變化圖譜單元來準確反映。

3.2　研究區土地利用變化圖譜

對2000—2014年3期的土地利用圖利用公式(1)進行疊加運算得到時空一體的土地利用變化圖譜單元，并將其分級為5個圖譜類型，統計圖譜類型及最大圖譜面積和比例，從而有利于分析土地利用類型的數量和過程變化，見表2。土地利用變化圖譜類型主要以穩定型和前期變化型為主，兩者占總面積的62.59%，大片分布在滇池及滇池的東部和北部，少量分布在滇池流域的邊緣部分。

(1) 穩定型主要分布在滇池及滇池北部、海拔較高邊緣部分，占圖譜類型總面積的38.71%，其中“林地—林地—林地”為最大圖譜類型，占穩定型總面積的50.56%，超過一半，滇池流域地處亞熱帶地區，林業資源優勢明顯，發展核桃、油橄欖和板栗等經果林有利于提高農民收入，促進生態經濟快速發展；其次為“水域—水域—水域”圖譜，占穩定型總面積的26.37%，水域對于昆明市氣候環境具有一定的調節。

(2) 前期變化型主要分布在嵩明縣、呈貢區和晉寧縣，占圖譜類型總面積的23.88%，其中“草地—林地—林地”為最大圖譜類型，占前期變化型總面積的48.15%，昆明市政府依托其林業資源優勢，并大力推行“防林護林造林”策略，促進草地→林地；其次為“耕地—建設用地—建設用地”圖譜，占前期變化總面積的13.29%，隨著2007年來，人口大量涌入城市，社會經濟和城鎮化的發展迅速，促使對建設用地需求的不斷增加，迫使耕地→建設用地。

(3) 后期變化型主要分布在滇池周圍的東北部和西南部，占總面積的14.72%，其中耕地—耕地—建設用地為最大圖譜類型，占后期變化型總面積的42.36%，城市人口的持續增加、城鎮化速率加快，致使耕地→建設用地在持續增長；其次為“耕地—林地—林地”圖譜，占后期變化型總面積的10.99%，昆明市的地形氣候條件有利于發展林業經濟，2000年國家施行“退耕還林”政策，昆明市政府的貫徹實行，促進滇池流域耕地→林地，尤其是坡耕地。

(4) 反復變化型廣泛分布在整個流域(除滇池)，占總面積的6.97%，其中最大圖譜“草地—耕地—草地”僅占反復變化型總面積的16.46%，不具有明顯的優勢，2000—2007年，城鎮化發展使得耕地被建設用地侵占，增加了耕地需求和糧食供求，促使草地→耕地；2007年后耕地→草地歸因于國家繼續推進退耕還草政策，當地政府不斷重視生態環境建設。

(5) 持續變化型主要分布在滇池東部和南部，占總面積的15.72%，其中最大圖譜“草地—耕地—建設用地”占持續變化型總面積的15.79%，該圖譜表明隨著社會經濟的發展，城鎮化擴張，建設用地需求增加，使人們開始不斷加大對草地的開墾利用。

3.3　研究區土地利用變化圖譜的地形梯度

將土地利用信息圖譜與地形位分級圖、坡向分級圖分別進行疊加，得到不同地形位和坡向上的土地利用變化圖譜的面積，利用公式(3)進行計算得到不同地形位和坡向上分布指數。

表2　2000-2014年滇池流域土地利用變化圖譜結構

注：1為耕地，2為林地，3為草地，4為建設用地，5為水域，6為未利用地，下同。

3.3.1研究區土地利用變化圖譜的地形位梯度研究區土地利用變化圖譜的地形位梯度差異明顯(圖2)。隨著地形位梯度增加，穩定型分布指數先減少后增加最后趨于穩定，在1，9～16級具有分布優勢，主要是因為水域受地形位梯度嚴格約束，林地則主要分布在高地形位梯度上。前期變化型隨地形位梯度級別增加呈現先增加趨于穩定后有減少的趨勢，在4～13級具有分布優勢，中高和高地形位上受林業資源所帶來的經濟利益所驅使促使草地→林地，城鎮化的擴張加劇及人地矛盾的加劇促使耕地→建設用地向中低地形位上推進。反復變化型、后期變化型和持續變化型變化趨勢基本相似，隨著地形位級別的增加呈先增加后減少又增加的趨勢，主要都在2～8級具有分布優勢，社會經濟活動不斷向高地形位梯度推進，促使中低和高地形位梯度上的土地利用的模式不斷發生轉變。

圖2　2000-2014年滇池流域土地利用變化圖譜地形位梯度

不同地形位梯度對研究區圖譜類型優勢分布影響存在差異，但對土地利用類型變化不具有明確指示性，所以引入地形分級上的最大圖譜類型的分布指數，以探討地形因素和人類活動對土地利用模式的影響程度。

由表3可知：(1)穩定型。研究區域在低地形位和中高、高地形位上具有明顯分布優勢。在低地形位上最大面積圖譜為“水域—水域—水域”和“建設用地—建設用地—建設用地”，該梯度分布指數具有優勢，尤其“水域—水域—水域”分布指數高達8.98，主要是因為水域受地形位梯度的嚴格約束，滇池流域是昆明市城市發展的主要區域，并且該地形位梯度小，地勢平坦，有利于城鎮化穩定發展；在中高和高地形位上最大圖譜面積為“林地—林地—林地”，該梯度分布優勢明顯且穩定增長，表明中高和高地形位梯度是林地的優勢分布區。(2)前期變化型。“耕地—建設用地—建設用地”是低地形位上的最大面積圖譜，分布指數優勢明顯，主要由于人口大量涌入昆明市使人地矛盾加大，城市化擴張，使得建設用地需求不斷增加，迫使2000—2007年不斷侵占耕地；“草地—林地—林地”是中高和高地形位梯度上的最大面積圖譜，分布優勢穩定增長，高地形梯度適合林地的生長，在前期經濟利益的刺激下，人們在高地形位上大量種植核桃、油橄欖、板栗等經果林占用的大量的草地，使土地利用方式在前期發生轉變。(3)后期變化型。“耕地—耕地—建設用地”分布指數在低和中低地形位優勢明顯，耕地→林地還在持續進行，并且向中低地形位推進，由于人地矛盾和城鎮擴張加劇，致使耕地面積在中低地形位上減少明顯，但在中高和高地形位上不具分布優勢，同時表明地形位對建設用地有一定的約束性；“草地—草地—耕地”在高地形上具有一定優勢分布，表面該梯度毀草開荒比較明顯，雖然當地政府也一直推行退耕還草政策，但由于建設用地侵占耕地向高地形位持續進行，為了“占補平衡”和滿足更多的糧食需求，迫使后期高地形位上草地→耕地。(4)反復變化型。“建設用地—耕地—建設用地”是低、中低地形位上最大面積土地利用圖譜，分布指數優勢明顯，2000—2007年農村人口大量涌入城市，使農業人口非農業化，使部分閑置的建設用地→耕地，2007年以后，由于社會經濟的快速發展和城市化進程加快，致使城市不斷向外擴張，致使城郊耕地→建設用地；在中高地形位上，“草地—建設用地(耕地)—草地”分布指數具有優勢，2000—2007年，主要由于人類生產生活范圍擴張，不斷向中高地形位上的推移，使草地→建設用地(耕地)，2007年以后，當地政府不斷重視生態環境建設以及實行“生態移民”政策，使中高地形位上建設用地(耕地)→草地。(5)持續變化型。“草地—耕地—建設用地”是低、中低和中高地形位上的最大面積圖譜，具有分布優勢，糧食需求和經濟利益的追求，致使部分草地→耕地，城市化發展迅速和城鎮人口的不斷增加，使得耕地→建設用地；“草地—未利用地—林地”在高地形位上具有分布優勢，前期由于水土保持力度不夠，使草地→未利用地，后期昆明市政府加大水土保持力度和生態環境建設使未利用地→林地。

3.3.2研究區土地利用變化圖譜的坡向梯度探討研究區不同坡向梯度對土地利用變化最大圖譜的影響(表4)，有利于分析不同坡向梯度上土地利用模式和過程。在平坡等級上，圖譜類型差異明顯，穩定型圖譜在平坡上具有絕對優勢分布，最大圖譜類型為“水域—水域—水域”，分布指數高達9.33，說明水域分布主要分布在地勢平坦區并受坡向的嚴格約束；在陽坡和半陽坡等級上，穩定型不具分布優勢，其他圖譜類型都具有分布優勢，其中后期變化型的最大圖譜“耕地—耕地—建設用地”、反復變化型的最大圖譜“草地—耕地—草地”和持續變化型的最大圖譜“草地—耕地—建設用地”，優勢分布都很明顯，主要由于陽坡和半陽坡接受的太陽輻射較多，光照時間較強，利于農作物的生長和人類的生產生活活動；在半陰坡和陰坡等級上，穩定型分布指數不具優勢但接近1，穩定型的最大圖譜“林地—林地—林地”分布優勢卻很明顯，表明“林地—林地—林地”對于穩定型優勢分布具有很強的指示性；其他圖譜類型都具分布優勢，其中以半陰坡等級上前期變化型最大圖譜“草地—林地—林地”和反復變化型最大圖譜“草地—建設用地—草地”的優勢分布明顯，半陰坡和陰坡接受較少的太陽輻射，但土壤持水性強，有利于草地和林地的生長。

表3　2000-2014年滇池流域土地利用變化最大圖譜地形位梯度

表4　2000-2014年滇池流域土地利用變化最大圖譜坡向梯度

4　討 論

總體看來，研究區不同地形梯度對土地利用變化圖譜的影響程度不同，這與滇池流域的當地實際的自然因素和人口密度增加、社會經濟持續發展、政府宏觀調控等人為因素有密切的關系。

從自然因素看，人類活動受地形因子的約束，土地利用變化的6種最大圖譜“水域—水域—水域”、“建設用地—建設用地—建設用地”、“耕地—建設用地—建設用地”、“耕地—耕地—建設用地”、“建設用地—耕地—建設用地”、“草地—耕地—建設用地”在低地形位上呈優勢分布，由于人類耕種、城鎮化發展和工程建設等人類生產生活活動主要在低地形位上進行，致使水域、耕地和建設用地對地形的選擇性較強。土地利用變化最大圖譜“林地—林地—林地”和的“草地—林地—林地”在高地形位上分布指數最大且優勢更明顯，表明林地在高地形位優勢更明顯。

從社會經濟因素看，人類活動范圍的加強逐漸開始突破地形梯度的約束，土地利用變化的3種最大圖譜“耕地—耕地—建設用地”、“建設用地—耕地—建設用地”、“草地—耕地—建設用地”優勢分布從低地形位一直持續到中高地形位上，但分布指數呈減少趨勢，說明人口大量涌入擴大城市范圍，社會經濟大發展，增加了居住地、工礦用地和交通用地等建設用地需求，迫使耕地草地轉化為建設用地向高地形位持續推進，但人類活動對地形影響逐漸減弱。

從政策因素來看，相關政策的實施，使中高和高地形位林地面積大幅增加，優勢分布明顯提高，土地利用變化的最大圖譜“草地—林地—林地”分布指數在中高和高地形位具有優勢，主要因為昆明市政府因地制宜，發揮高地形林業資源優勢，鼓勵農民大量種植的核桃、油橄欖、板栗等經果林的緣故，最大圖譜“草地—未利用地—林地”在高地形梯度呈優勢分布，但昆明市政府2007年開始注意在高地形上生態退化現象，制定了相關水土保持政策，開墾未利用地為林地，防止水土流失。

本文運用地形位和坡向2個地形因子分析了土地利用變化圖譜的地形梯度效應。總體上看，地形位因子更能綜合地反映土地利用變化圖譜的垂直分布規律，并能夠避免單一海拔和坡度的對土地利用圖譜空間分布的偏離，這與薄廣濤[9]、吳見[10]、龔文峰[15]等的研究結論基本相符。

5　結 論

(1) 研究區土地利用類型以耕地、林地、草地和未利用地為主，占總面積的87%左右，主要土地利用類型由2000年的耕地、林地和草地為主轉化為2014年的耕地、林地和建設用地為主。

(2) 研究區土地利用變化圖譜中以“林地—林地—林地”為最大圖譜的穩定型所占面積最多，占總面積的38.71%，主要分布滇池及滇池北部、海拔較高邊緣部分；其次以“草地—林地—林地”為最大圖譜的前期變化型，占總面積的23.88%，主要分布在嵩明縣、呈貢區和晉寧縣；持續變化型以“草地—耕地—建設用地”為其最大圖譜類型；后期變化型以“耕地—耕地—建設用地”為其最大圖譜類型；反復變化型僅占總面積的6.97%，以“草地—耕地—草地”其最大圖譜類型。

(3) 研究區土地利用變化圖譜在不同地形梯度存在差異。在低地形梯度上，5種土地利用變化圖譜都具分布優勢，但其最大圖譜對地形具有選擇性；在中低和中高梯度上，后期變化型的最大圖譜“耕地—耕地—建設用地”、反復變化型的最大圖譜“建設用地—耕地—建設用地”和持續變化型的最大圖譜“草地—耕地—建設用地”一直持續并具有分布優勢，但分布指數減少，主要因為人類活動范圍逐漸突破地形因素的約束但強度逐漸減弱，穩定型和前期變化型在中高地形梯度上也具有分布優勢；在高地形梯度上，穩定型的最大圖譜“林地—林地—林地”和前期變化型的最大圖譜“草地—林地—林地”一直持續并具有分布優勢，以“草地—未利用地—林地”為最大圖譜的持續變化型也具有分布優勢，林業經濟利益的驅動和生態環境的保護使林業高地形分布優勢更為明顯。

(4) 研究區土地利用變化圖譜受自然因素、社會經濟因素和政策因素共同影響，其中自然因素以地形位為基礎，社會經濟因素以人口密度和城鎮化為推動力量，政策因素以林業資源轉型和水土保持為調控作用。

本文通過地形位和坡向兩個地形因子運用地學信息圖譜法和分布指數對研究區土地利用變化圖譜的地形特征進行分析，得出滇池流域的不同地形梯度的土地利用變化圖譜特征差異明顯。研究區土地利用變化圖譜結構基本合理，但最大圖譜“耕地—耕地—建設用地”、“建設用地—耕地—建設用地”和“草地—耕地—建設用地”優勢分布區不斷向中高地形梯度的推移，反映了社會經濟活動的增強和城市擴張向中高地形梯度推進，地形對耕地→建設用地的約束性減弱，不利于土地資源系統的動態平衡發展，應合理配置影響土地利用變化圖譜的地形因素和人為因素，使土地利用變化圖譜在不同地形梯度上合理分布，即在低和中低地形梯度，嚴格劃定穩定型的耕地和建設用地，防止耕地被侵、建設用地的無序發展，在中高和高地形梯度，加大穩定型的林地優勢，繼續推行退耕還林和生態可持續發展政策，以實現土地利用變化的圖譜的優化配置和土地資源的可持續發展。

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