基于地形梯度的淇河流域土地利用時空變異分析

馮小燕，朱文博，張靜靜，李理，徐帥博，朱連奇

（河南大學環境與規劃學院，河南 開封 475004）

山區是特殊的國土空間單元，具有較強的資源梯度性、災害多發性和生態脆弱性等特點；不合理的山區土地利用將導致植被破壞和嚴重的水土流失[1-2]。而地形通過立地條件影響陸地生態系統物質與能量的再分配，并通過干擾發生頻率及強度成為影響山區土地利用的主導因子[3]。因山區土地和環境因子的多樣及復雜性、生態系統對人類擾動的敏感性，二者之間的耦合更成為學界關注的熱點[4-11]。地形是決定土地利用的重要環境因子，目前多見于單一地形因子對土地利用/覆被類型的影響，比如從地形海拔高程角度結合土地利用程度綜合指數對不同垂直帶土地利用類型分異程度進行分析；基于高程和坡度，利用景觀研究的分布指數分析不同土地利用類型時空變化的規律等[12]。基于DEM和遙感技術、地理信息系統方法把地形對土地利用格局的影響進行分析，揭示了山區土地利用的多維變化規律，指出地形構成了土地利用格局的基本框架，分析了山區土地利用變化的總體趨勢[13-26]。但已有研究對不同地形梯度土地利用類型轉移的定量化研究相對薄弱[27-28]。而土地利用與覆被變化的研究對于山地生態系統的穩定及服務有重要影響，如何確定不同垂直梯度的土地利用結構，合理管控山地不同海拔高程土地利用類型的轉化是穩定山區土地資源、保護其利用的可持續性，使山地生態系統服務價值最大化的理論基礎。因此開展基于地形梯度的山區土地利用時空變異規律研究就具有理論意義和現實意義。

本文選擇具有明顯地形過渡特征的淇河流域，綜合選取多種地形因子，基于1990、2000、2010和2015年四期土地利用/覆被變化（LUCC）數據，運用轉移矩陣、區域統計分析和地形分布指數等方法，系統分析淇河流域土地利用時空變異特征，探討地形因子對土地利用格局的分異作用以及土地利用動態變化的地形梯度差異特征，以期為該區土地利用規劃與管理以及生態環境建設與保護提供決策支持。因此研究國土空間格局的變化規律，對促進國土空間有序、適度、可持續開發利用，強化國土空間治理極為重要。

1 研究區概況

淇河是海河水系衛河的支流，發源于山西省陵川縣，經山西壺關縣、河南省的輝縣市、林州市、鶴壁市、淇縣、浚縣，匯入衛河，全長約165 km。淇河流域（113°17′～114°23′E，35°32′～36°04′N）往東與華北平原相接（圖1），流域面積2227 km2，90%的區域屬于山區。海拔自西向東遞減，范圍為31～1862 m，平均海拔為781 m。地貌類型復雜，主要有山地、低山丘陵和平原等。屬暖溫帶半濕潤季風氣候，四季分明，平均降水量為600 mm左右，年均氣溫為12 ℃左右。太行山作為京津和華北平原的生態屏障，使得位于其南段的淇河流域生態環境也比較脆弱，因此該區急需加強土地利用規劃與管理。

2 研究方法與數據來源

2.1 研究方法

2.1.1 轉移矩陣 引入轉移矩陣來分析各土地利用類型之間的相互轉化情況，進而揭示土地利用變化的內部過程及趨勢。公式如下[29]：

式中：Sij為地類面積；n為地類的類型數；i和j分別為研究時段初期和末期的地類序號。根據公式可計算不同地形因子梯度上各地類之間的相互轉換特征。

基于1990、2000、2010和2015年四期土地利用數據，分析淇河流域土地利用多維變化，構建1990—2000，2000—2010、2010—2015 和 1990—2015年土地利用轉移矩陣，分析1990—2015年淇河流域土地利用的變化方向。并從不同海拔、坡度和坡向的視角出發，提取不同土地利用現狀及變化在不同海拔、坡度和坡向的分布，得到淇河流域土地利用結構及變化的地形梯度特征。

2.1.2 地形分布指數 為消除不同地形梯度上面積差異帶來的量綱影響，本研究引入地形分布指數來分析土地利用在各地形因子梯度上的分布特征，分布指數[30]是一個標準化、無量綱指數，公式如下：

式中：P為分布指數；Sie為e地形梯度上i種地類面積；Si為i種地類的總面積；Se為e地形因子的總面積；S為研究區的面積。P值的大小代表某地類出現的頻率，當P＞1時，表示i地類在e地形梯度上的分布為優勢分布，值越大，代表優勢度越高。根據公式可計算土地利用類型以及轉移矩陣得到的地類之間轉換情況在各地形因子分布的優勢區間。

2.2 數據來源

本研究所用1990、2000和2010年土地利用/覆被變化（LUCC）數據來源于國家地球系統數據共享平臺-黃河中下游科學數據中心（http://www.geodata.cn/），2015年的土地利用/覆被變化（LUCC）是基于2015年的Landsat 8遙感影像 (來源于地理空間數據云，http://www.gscloud.cn/)，參考該區往年土地利用類型圖，進行人工目視解譯所得。土地利用數據均為1∶10萬的矢量圖，包括25個二級類，根據需要，合并為6個一級類，分別為耕地、林地、草地、水域、建設用地及未利用地。

2.3 數據處理

地形數據包括海拔、坡度及坡向，均由DEM計算得到，DEM數據來源于ASTER GDEM數據，分辨率為30 m。依據研究區地形特點和土地利用分布情況，將生成的高程圖、坡度圖和坡向圖重新進行分級[28]，利用ArcGIS中的重分類工具對海拔、坡度和坡向進行分級，將海拔劃分為＜200 m、200～400 m、400～600 m、600～800 m、800～1 000 m、1 000～1200 m、1200～1400 m、1400～1600 m、＞1600 m共九級 ；將坡度劃分為 0°～5°、5°～8°、8°～15°、15°～25°、25°～35°、＞35°共六級，坡度分級時結合了研究區的地形地類特點，采用這樣分級范圍能夠體現出研究區坡度梯度明顯的差異性；將坡向劃分為無坡向（-1°）、北坡（0°～22.5°，337.5°～360°）、東北坡（22.5°～67.5°）、東坡（67.5°～112.5°）、東南坡（112.5°～157.5°）、南坡（157.5°～202.5°）、西南坡（202.5°～247.5°）、西 坡（247.5°～292.5°） 和 西 北 坡（292.5°～337.5°），研究區地形因子分級及面積比例見圖2和表1。

圖2 研究區海拔、坡度和坡向的空間分布Fig. 2 Spatial distributions of elevation, slope and slope direction in the study area

表1 海拔、坡度、坡向分級及面積比例Table 1 Classi fi cation and area proportions of elevation,slope and slope direction

3 結果與分析

3.1 土地利用整體變化

由表2和圖3可以看出1990—2000年淇河流域土地利用變化幅度不大，2000—2010年和2010—2015年變化幅度較劇烈；25年來變化最大的為耕地和草地，耕地面積凈減少了137.19 km2，占6.19%，草地面積凈增加了88.39 km2，占3.97%。建設用地面積凈增加了49.21 km2，占2.21%。水域面積凈增加了20.16 km2，占0.91%。林地面積和未利用地面積變化不大，分別減少了0.96%和增加了0.03%。近年來淇河流域退耕還林還草、生態保護區建設、濕地保護等政策的實施使得草地和水域面積大幅增加。

表2 淇河流域不同年份土地利用變化Table 2 Land use change in Qi River Basin among different years

圖31990、2000、2010和2015年土地利用類型圖Fig. 3 Land use types in 1990, 2000, 2010 and 2015

由圖4可知，1990—2000年間耕地面積減少了7.49 km2，主要轉為草地、建設用地和林地，少部分轉為了水域，同時也有部分耕地和林地轉變為草地，草地變化不大；林地增加量略大于減少量，未利用地和水域基本不變；建設用地增加的主要來源是耕地。2000—2010年土地利用變化幅度相比前十年明顯增大，耕地變化面積最大，減少72.30 km2；林地增加量和減少量相當，主要是與耕地和草地相互轉化；水域面積呈增加趨勢；草地增加明顯，主要來源是耕地和林地；建設用地主要來源是耕地，其次是草地和林地。2010—2015年各用地類型相互轉化最明顯，主要是耕、林、草之間的轉化。草地面積動態變化最大，呈現增長態勢；其次為林地，減少量多于增加量；耕地面積主要轉化為草地和林地，也有部分草地轉化為耕地，草地和林地與耕地之間相互轉化，但耕地面積減少量明顯大于增加量；建設用地增加的主要來源是草地，小部分來源于耕地。1990—2015年耕地變化面積最大，25年來減少137.19 km2，主要轉化為草地、林地和建設用地；草地增加幅度較大，25年來增加88.39 km2；林地呈減少趨勢，水域呈增加趨勢；建設用地主要來源是耕地，其次為草地。

3.2 基于地形梯度的土地利用結構變化

圖41990—2015年淇河流域土地利用轉移方向Fig. 4 Transformation of land uses in Qi River Basin from 1990 to 2015

圖5 土地利用結構的海拔梯度分布Fig. 5 Elevation gradient distribution of land use structure

3.2.1 土地利用結構的海拔梯度差異 圖5為淇河流域1990年和2015年不同海拔分級土地利用結構：耕地主要分布在400 m海拔以下地區，1990年和2015年面積變化不大，分別占51.98%和50.49%；在1200～1400 m等級再次出現峰值，分別占比16.11%和15.57%。林地主要分布在1200～1600 m海拔區，1990年和2015年略有差別，分別占46.13%和49.51%，在低于400 m和大于1600 m海拔區占比重均較小。草地主要分布在200～600 m海拔區，1990年和2015年分別占54.34%和52.12%，在1400—1600 m等級再次出現峰值，分別占10.34%和11.92%；水域和建設用地分布相似，均在低于400 m海拔區域所占面積最大；在低于400 m海拔區，1990年和2015年水域分布差別較大，分別占水域總面積的63.44%和50.69%；在低于400 m海拔區，1990年和2015年建設用地分布差別較明顯，分別占建設用地總面積的75.18%和66.13%。

從圖6淇河流域1990年和2015年不同坡度分布可知：耕地在0°～5°等級的分布比重最大，1990年和2015年的占比分別為31.43%和30.45%；在8°～15°等級達到第二個峰值，分別占27.52%和26.87%。林地和草地在坡度分布上類似，隨坡度增大比重呈先增后減，均在15°～25°等級達到峰值，1990年和2015年比重變化不明顯，比重均在31%左右；水域和建設用地分布較為類似，隨坡度增大比重不斷降低，均在0°～5°等級的面積比重最大，水域在1990年和2015年的比重差別較大，分別為43.78%和32.41%；在0°～5°的坡度等級中，1990年和2015年建設用地的占比差距較大，分別占比50.02%和43.23%。

從圖7可以得出：耕地在東南坡、南坡、東坡、東北坡分布比例較大，即主要分布在陽坡、半陽坡；林地在東坡、東北坡、北坡和西北坡、東南坡分布較多，即半陽坡、半陰坡和陰坡；草地在東坡、東南坡、東北坡和西北坡分布較多，即多分布于半陽坡和半陰坡；水域明顯朝向東北坡、東坡、東南坡、南坡分布。

3.2.2 土地利用變化的海拔梯度差異 由圖8可知各土地利用類型在不同海拔梯度的變化情況：耕地在海拔200 m以下、200～400 m和1200～1600 m區域面積呈減少趨勢，其中在200～400 m和1400～1600 m區域內的減少達到兩個峰值，減少量最大，分別減少63.21 km2和35.13 km2；在200 m以下平坦寬闊的平原區，耕地減少的原因是人為開發建設占用，導致耕地轉變為建設用地；在200～400 m和1200～1600 m高程區域內，耕地減少是因為山區耕地分散零碎，交通不便，耕作成本高，經濟效益低下和國家的退耕還林還草政策；耕地在400～1200 m的區域面積內呈穩定狀態。林地面積增加主要在海拔1200～1600 m區域，增加了12.41 km2；在400～1200 m面積呈減少趨勢，減少了34.20 km2；在200～400 m區域內呈穩定狀態。草地在海拔400～600 m面積減少，減少面積為16.00 km2；在200～400 m、600～800 m 和 1 000～1600 m 高程級別上面積增加，其中在200～400 m區域內增加的最多，達到峰值狀態，增加了46.76 km2。水域和建設用地增加集中在低海拔地區，隨海拔增大比重呈減少趨勢。

圖6 土地利用結構的坡度梯度分布Fig. 6 Slope gradient distribution of land use structure

圖7 土地利用結構的坡向分布Fig. 7 Slope direction distribution of land use structure

圖81990—2015年土地利用變化的海拔梯度分布Fig. 8 Elevation gradient distribution of land use change from 1990 to 2015

由圖9可知各土地利用類型在不同坡度梯度的變化情況：耕地在0°～25°區域內呈現減少趨勢，其中在 0°～5°和 8°～15°區域出現峰值，分別減少了49.00 km2和41.53 km2。林地增加面積主要在低于15°區域，在8°～15°范圍增加最多，增加了16.32 km2；減少面積主要在高于15°區域，在15°～25°坡度級別上減少的最多，減少面積為5.23 km2。草地在0°～35°區域內呈現增加趨勢，其中在 15°～25°區域出現變化的峰值，增加最多，增加面積為8.72 km2，增加面積始終多于減少面積；水域在0°～35°區域內呈現增加狀態，增加面積主要集中在8°～25°區域；建設用地在0°～35°區域內始終呈現增加狀態，且增加集中在 0°～15°地區，在 0°～5°區域增加值最大，增加面積為16.34 km2。

圖91990—2015年土地利用變化的坡度梯度分布Fig. 9 Slope gradient distribution of land use change from 1990 to 2015

3.2.3 土地利用類型分布指數變化特征 由圖10可知土地利用類型在海拔梯度上的優勢位分布：1990年和2015年兩個時期的耕地分布指數曲線形態基本相似，其分布指數基本保持穩定。優勢分布區間沒有變化，均為＜400 m和1200～1400 m高程等級。通過前述分析可知，25年間，耕地面積除在＜400 m、1200～1600 m和＞1600 m等級降幅明顯，在其余的高程帶呈現增長狀態，而分布指數消除了研究區耕地面積減少帶來的差異，說明在高程梯度上耕地面積的增減幅度和分布指數變化基本一致。林地在不同的高度梯度上具有很強的適應性，其空間分布格局的顯著變化是優勢分布范圍逐漸向高地形梯度縮小，1990年其優勢位分布在600～1600 m和＞1600 m高程梯度上，2015年其優勢位分布在600～1600 m區域，與1990年相比，2015年的優勢位減少了1個高程梯度。草地的優勢分布區間沒有明顯變化，1990和2015年的優勢區間均在200～1 000 m高程級別上，集中分布于中高地形梯度區；在1 000～1600 m地形梯度區，草地分布指數有所上升。在1990年和2015年兩個時期中，水域的優勢區間上升了兩個地形梯度。研究期間建設用地優勢位保持不變，均為＜200 m和200～400 m高程級別；在9個地形梯度中，2個時期的分布指數曲線相似，除＜200 m和200～400 m地形梯度間，2015年的分布指數均大于1990年，說明地形因素對人類開發建設活動的影響在減少。

圖10 1990—2015年土地利用類型在海拔梯度上的分布指數Fig. 10 Elevation gradient distribution index of land use types from 1990 to 2015

圖111990—2015年土地利用類型在坡度梯度上的分布Fig. 11 Slope gradient distribution index of land use types from 1990 to 2015

從圖11可知土地利用類型在坡度梯度上的優勢位分布：1990年和2015年兩個時期耕地的分布指數曲線形態基本一致，其分布指數保持穩定；優勢分布區間沒有變化，均為 0°～5°、5°～8°和 8°～15°區域，耕地面積在0°～15°降幅明顯，而分布指數消除了研究區耕地面積減少帶來的差異，說明在坡度梯度上耕地面積的增減幅度和分布指數變化基本一致。林地在不同的坡度梯度上具有很強的適應性，其優勢位分布于 15°～25°、25°～35°、＞35°坡度區間；在0°～15°坡度區間，2015年分布指數高于1990年；在 15°～35°、＞35°坡度區間，2015 年的分布指數明顯低于1990年。草地的優勢分布區間沒有明顯變化，1990年優勢區間為15°～35°坡度級別，2015年的優勢區間為15°～35°和＞35°區域，集中分布于中高地形梯度區；1990年到2015年，在8°～25°地形梯度區，草地分布指數有所降低。在1990年和2015年間，水域的優勢位均為 0°～5°和5°～8°坡度梯度；在8°～35°、＞35°坡度范圍內，2015年的分布指數始終高于1990年的分布指數。研究期間建設用地優勢位保持不變，均為0°～5°和5°～8°之間；在 6個地形梯度中，2個時期的分布指數曲線相似，在0°～8°坡度分布區間中，1990年分布指數高于2015年，在8°～35°和＞35°坡度區間中2015年的分布指數均大于1990年。

4 結論與討論

4.1 結論

1）淇河流域土地利用總體變化特征以耕地減少為主。2000—2010年和2010—2015年變化幅度較劇烈；25年來變化最大的為耕地和草地，耕地面積凈減少最多，草地凈增加最多，建設用地面積凈增加次之，水域面積凈增加最少。林地面積和未利用地面積變化不大。近年來淇河流域退耕還林還草、生態保護區建設、濕地保護等政策的實施使得草地和水域面積大幅增加。而建設用地擴張明顯，淇河流域人地矛盾依然嚴峻。

2）淇河流域土地利用結構具有顯著的地形梯度差異。就土地利用結構的地形梯度分布而言，耕地、建設用地、草地、水域多位于低海拔和小坡度地區，林地處于高海拔地區。土地利用變化在地形梯度上的分布：在低海拔區域，耕地面積減少，草地、水域和建設用地面積增加。在中海拔區域，草地和林地面積減少。林地面積增加主要在高海拔區域。土地利用變化在坡度梯度上的分布：在低坡度區域，耕地面積減少，建設用地和林地面積增加；草地和水域始終處于增加狀態。

3）土地利用類型優勢位在海拔梯度和坡度梯度保持穩定，變化微小。耕地、草地和建設用地在海拔梯度和坡度梯度的優勢位變化微小。在海拔梯度上，林地的空間分布格局發生了顯著變化，優勢分布范圍逐漸向高地形梯度縮小。

4.2 討論

淇河流域處于山地與平原的過渡地帶，區域內地形分異較大，通過研究區域內土地利用格局的地形梯度特征，可以進一步分析不同地形條件下土地利用方式的分布選擇。無量綱的分布指數消除了不同地形梯度面積分布比例不同帶來的影響，更能反映出土地利用類型的優勢分布情況。分析發現土地利用方式有著明顯的地形梯度特征分異，低海拔區間和低坡度區間高程低，坡度平緩，氣候條件適宜，人為活動對土地利用方式干擾性大，為建設用地、耕地和水域的優勢分布區間，高海拔區間和高坡度區間人類對土地利用方式干擾度低，為林地的優勢分布區間，符合山地平原過渡帶的自然規律和社會經濟規律，地形因子很大程度決定了土地利用格局。研究中沒有考慮地形起伏度及其他地形因子的影響，并只做了定性的驅動力分析，探究綜合更多的地形因子對土地利用格局及其變化的影響并定量分析變化的驅動力是下一步工作的重點。