基于地形坡面的土地覆被變化強度分析
——以伊洛河流域為例

張永民

（河南財經(jīng)政法大學資源與環(huán)境學院，河南鄭州 450046）

近百年來，隨著人類土地利用活動的日益擴大，地表的土地覆被發(fā)生了規(guī)?？臻g的巨大變化，并成為影響氣候變化、土地退化和生物多樣性銳減等環(huán)境問題的重要因素，因此土地利用/覆被變化（簡稱“土地覆被變化”）被列為環(huán)境變化和可持續(xù)發(fā)展領域研究的核心問題［1－3］。隨著遙感和地理信息系統(tǒng)技術的迅速發(fā)展，學術界對眾許多典型地區(qū)的土地覆被變化開展了大量研究，并取得了豐碩成果，如快速城鎮(zhèn)化地區(qū)的建設用地擴張［4－6］、熱帶雨林地區(qū)的毀林［7，8］、生態(tài)脆弱區(qū)的土地開發(fā)等［9－11］。但以往研究多是關注土地覆被變化的數(shù)量、位置和驅動因素，對土地覆被變化的內在過程研究較少。顯然，每種土地覆被變化都是一種土地覆被類型的轉出（縮減）與另一種土地覆被類型的轉入（擴增）過程。但不同地區(qū)不同土地覆被類型的轉出與轉入過程可能存在巨大差異。從轉出看，某一土地覆被類型縮減的空間可能是被其他地類隨機占用，也可能是被某特定地類“超比例”占用；從轉入看，某地類的擴增可能是系統(tǒng)的“指向”或“避讓”某特定地類，也可能是隨機的“捕獲”其他地類［12］。詳細深入分析轉入與轉出過程對于識別土地覆被變化系統(tǒng)中的行為特征，進而評估變化的驅動機制至關重要。以往案例多是選擇國家、經(jīng)濟區(qū)和省份等行政單元作為研究地區(qū)，基于坡面等自然地理單元的土地覆被變化研究相對較少。實際上，不同坡面的水、熱、土資源組合狀況各不相同，土地覆被變化的強度和方向存在明顯差異。同時，不同坡面土地覆被變化的環(huán)境效應差別較大，如陡坡相對于平地更易發(fā)生水土流失，因此基于坡面的土地覆被變化研究更有助于評估變化的環(huán)境效應［13－15］。鑒于以上原因，本文選擇伊洛河流域作為研究地區(qū)，探索基于坡面尺度詳細深入分析土地覆被變化過程的途徑與方法，以期為今后的土地覆被變化研究提供新的視角，同時為研究地區(qū)的生態(tài)保護與可持續(xù)發(fā)展決策提供科學依據(jù)。

1 研究地區(qū)概況

伊洛河是黃河中下游重要的一級支流，由伊河與洛河匯聚而成。伊河發(fā)源于熊耳山南麓河南省欒川縣，河長264.8km；洛河起源于陜西省洛南縣，向東流入河南境內，河長446.9km。兩河于偃師市東部匯合，匯流后東流至鞏義市北入黃河，流域面積為18881km2（圖1）。伊洛河流域海拔57—2655m，地處我國地形二、三階梯的交界處，屬于黃土邊緣地帶，生態(tài)與環(huán)境過渡性特征明顯，多年平均水資源總量32.31 × 108m3，對黃河下游的洪淤具有重要的影響［16，17］。伊洛河流域中上游的丘陵山區(qū)主要以森林和草地為主，部分地區(qū)地下埋藏有煤炭等礦產(chǎn)資源，下游的沖積平原土壤肥沃，是重要的糧食基地。伊洛河流域具有悠久的開發(fā)歷史，經(jīng)濟發(fā)展水平呈階梯狀分布，中上游的洛寧、盧氏和洛南等地區(qū)較落后，下游的洛陽、義馬、偃師和鞏義等中小城市經(jīng)濟較發(fā)達［18］。據(jù)水文資料分析，20 世紀50 年代以來，由于土地覆被變化等人類活動的影響，伊洛河流域徑流量呈顯著減少趨勢，水土流失和洪水災害等環(huán)境問題比較突出［19］。目前，我國正處于實施黃河流域生態(tài)保護和高質量發(fā)展戰(zhàn)略的關鍵時期，伊洛河流域作為黃河流域的重要組成部分，其生態(tài)保護與發(fā)展倍受關注，因此開展伊洛河流域土地覆被變化研究具有重要意義。

圖1 伊洛河流域示意圖

2 數(shù)據(jù)資料

本文使用的數(shù)據(jù)主要是數(shù)字高程模型（DEM）數(shù)據(jù)和2010 年、2020 年兩期土地覆被數(shù)據(jù)。DEM 數(shù)據(jù)源自于日本經(jīng)濟產(chǎn)業(yè)省（METI）和美國航空航天局（NASA）聯(lián)合研制并免費面向公眾分發(fā)的全球數(shù)字高程數(shù)據(jù)產(chǎn)品ASTER GDEM V2 版，數(shù)據(jù)為柵格格式，柵格大小為30m。土地覆被數(shù)據(jù)源自中國研制的30m空間分辨率全球地表覆被數(shù)據(jù)GlobeLand30，伊洛河流域的GlobeLand30 數(shù)據(jù)包括耕地、林地、草地、濕地、水體和人造地表6 種土地覆被類型［20］。根據(jù)研究需要，本文對伊洛河流域的原始數(shù)據(jù)進行了預處理：首先，將DEM 和土地覆被數(shù)據(jù)重采樣為90m，主要是因為研究地區(qū)面積較大，劃分坡面的軟件難以運行其30m 分辨率的DEM 數(shù)據(jù)；其次，把GlobeLand30 數(shù)據(jù)中的濕地和水體合并在一起統(tǒng)稱為濕地，人造地表改稱建設用地，從而將研究地區(qū)的土地覆被劃分為耕地、林地、草地、濕地和建設用地5 種類型（圖2）。

圖2 2010—2020 年伊洛河流域土地覆被

3 研究方法

3.1 坡面的劃分

坡面是構成地貌形態(tài)的基本單元，陸地表面就是由一系列形狀、大小、坡度和坡向等屬性不同的坡面鑲嵌而成的。目前坡面的界定尚沒有統(tǒng)一標準，但一般認為同一坡面各處的坡度和坡向等屬性應相對一致，而相鄰的不同坡面應有較大差異。如，每個流域一般可由中間的流水線劃分為左右兩個半流域，這兩個半流域面就是構成流域的兩個坡面。坡面的劃分主要有自上而下逐步分割法和自下而上逐步合并法［21，22］，本文根據(jù)Alvioli 等設計的基于流域自上而下逐步分割法［23，24］，運用軟件R.slopeunits 對伊洛河流域進行坡面劃分。

需要說明的是，軟件R.slopeunits 劃分出的坡面是由河流（河谷）流水線和分水嶺山脊線包圍而成的半流域面，對坡面的判定主要有兩個條件：一是最小面積，如果某半流域面的面積小于設定值（本文為15萬m2），就將其視為一個坡面。二是圓方差（Circular variance），表征半流域面各組成柵格坡向變異程度的指標，取值范圍是0 至1。值越小，表示組成半流域面的柵格坡向變異越小；反之，表示坡向變異越大。本研究設置的臨界值為0.3，即對于面積大于15 萬m2的半流域面來說，其圓方差必須小于0.3才被判定為坡面。

3.2 土地覆被轉變矩陣

土地覆被轉變矩陣是開展強度分析的基礎數(shù)據(jù)。運用GIS技術對兩個時點的土地覆被圖進行疊加，統(tǒng)計各土地覆被類型之間轉變的面積即可得到該時段的土地覆被轉變矩陣。本文涉及5 種土地覆被類型，土地覆被轉變矩陣的數(shù)學表達式如下：

式中，Cij表示某時段土地覆被類型i 轉變?yōu)轭愋蚸的面積；i和j的取值為1，2，3，4，5，分別表示耕地、林地、草地、濕地和建設用地。

3.3 土地覆被變化的強度分析

土地覆被變化強度分析是美國Clark大學Pontius教授研究組提出的分析方法，它是從變化時段、土地覆被類型和土地覆被轉變類型3 個層次逐層深入的分析土地覆被變化過程，根據(jù)土地覆被轉變矩陣，從轉入和轉出兩個視角全面系統(tǒng)地揭示土地覆被變化過程與格局的內在聯(lián)系［25－27］。

時段層次的變化強度：任何一個地點（柵格）的土地覆被變化既是某種地類的轉出，同時也是另一種地類的轉入，因此研究地區(qū)所有地類的轉出之和等于轉入之和，時段層次的總變化強度就是全部地類的轉出（或者轉入）之和占全部地類總面積的百分比。總變化強度（T）包括數(shù)量變化強度（Q）和空間變化強度（S）兩部分，數(shù)量變化強度是指數(shù)量增加（或者減少）的土地覆被類型增加（或者減少）的數(shù)量之和占全部地類總面積的百分比；空間變化是指各地類之間空間配置方面的變化，包括位置對換（比如一個柵格上的耕地轉變?yōu)椴莸?，另一個柵格上的草地轉變?yōu)楦兀┖瓦w移（比如一個柵格上的耕地轉變?yōu)椴莸?，另一個柵格上的草地轉變?yōu)榱值兀﹥煞N形式［28］，其強度等于總變化強度與數(shù)量變化強度之差。計算公式分別為：

本文所有公式中的J ＝5，表示土地覆被類型的數(shù)量。

土地覆被類型層次的變化強度：每種土地覆被類型的變化都包含轉出（縮減）與轉入（擴增）兩個方面，且同一地類的轉出與轉入面積一般互不相等，因此覆被類型層次的變化強度分為轉入強度與轉出強度兩部分。某土地覆被類型的轉入強度是指其他地類對其轉入面積之和占變化終點該地類面積的百分比，轉出強度是其對其他地類的轉出面積之和占變化起點該土地覆被類型面積的百分比。計算公式分別為：

假設全部地類的轉入之和是根據(jù)變化終點各地類的面積隨機均勻（按比例）地“分配”給各地類的話，那么各地類的轉入強度將相等，且等于整體的轉入強度（即時段層次的總變化強度），表示隨機均勻擴增。如果某地類的轉入強度大于整體的總變化強度，那么它就是高強度轉入地類，表示“超比例”快速擴增；否則，它就是低強度轉入地類，表示“降比例”緩慢擴增。同理，假設全部地類的轉出之和是根據(jù)變化起點各地類的面積隨機均勻（按比例）“分攤”自各地類的話，那么各地類的轉出強度將相等，且都等于整體的轉出強度（即時段層次的總變化強度），表示隨機均勻縮減。如果某地類的轉出強度大于整體的總變化強度，那么它就是高強度轉出地類，表示快速縮減；否則，它就是低強度轉出地類，表示緩慢縮減。

轉變類型層次的變化強度：和土地覆被類型層次相似，轉變類型層次的變化強度也包含轉出強度和轉入強度兩個方面。對于地類i 轉變?yōu)榈仡恓 這一轉變類型（Cij）來說，從轉入看，地類i 對地類j 的轉入強度是指地類i 轉變?yōu)榈仡恓 的面積占變化起點地類i 的面積的百分比。對于地類j 的轉入（擴增）來說，假設其總轉入面積是根據(jù)其他地類在變化起點的面積隨機均勻（按比例）的“捕獲”其他地類的話，那么其他地類對地類j 的轉入強度將相等，且都等于地類j的總轉入面積占變化起點其他地類面積之和的百分比（簡稱地類j 的隨機轉入強度），表示地類j 的擴增是以隨機均勻的方式“占用”其他地類。如果地類i對地類j 的轉入強度大于地類j 的隨機轉入強度，那么它就是高強度轉入，表示地類j的擴增“指向”（超比例占用）地類i；否則，它就是低強度轉入，表示地類j 的擴增“避讓”（降比例占用）地類i。計算公式分別為：

從轉出看，地類i對地類j的轉出強度是指地類i轉變?yōu)榈仡恓的面積占變化終點地類j的面積的百分比。對于地類i 的轉出（縮減）來說，假設其總轉出面積是根據(jù)其他地類在變化終點的面積隨機均勻（按比例）地“分配”給其他地類的話，那么地類i 對其他地類的轉出強度將相等，且都等于地類i 的總轉出面積占變化終點其他地類面積之和的百分比（簡稱地類i的隨機轉出強度），表示地類i縮減的面積被其他地類以隨機均勻的方式占用。如果地類i對地類j的轉出強度大于地類i的隨機轉出強度，那么它就是高強度轉出，表示地類i 的縮減“吸引”地類j，被其“超比例”占用；否則，它就是低強度轉出，表示地類i 的縮減“抵制”地類j，被其“降比例”占用。計算公式分別為：

式（8）與式（10）中，n 取值為1 至5 的整數(shù)。需強調的是，對地類i 轉變?yōu)榈仡恓 這一轉變類型來說，如果Rij＞W(wǎng)j，且Qij＞Vi，那么它是系統(tǒng)性的高強度轉變，表示地類i的縮減“吸引”地類j，且地類j的擴增“指向”地類i，土地經(jīng)營者具有把地類i 轉變?yōu)榈仡恓的較強意愿和行為特征；相反，如果Rij＜Wj，且Qij＜Vi，那么它就是低強度轉變，表示地類i的縮減“抵制”地類j，且地類j的擴增“避讓”地類i，地類i向地類j的轉變屬于偶然性的轉變類型。

4 結果及分析

4.1 坡面的劃分與土地覆被轉變矩陣

伊洛河流域共劃分為65021 個坡面，根據(jù)每個坡面（組成柵格）的平均坡度，將它們歸為平地（平均坡度小于5°）、緩坡（平均坡度5—20°）和陡坡（平均坡度大于20°）3 種類型（圖3）。這3 類坡面的面積分別占流域總面積的23.17%、61.79%和15.04%，主要受地形因素和開發(fā)利用難易程度影響，其土地覆被及變化具有明顯差異（表1）。

圖3 伊洛河流域坡面分布

表1 2010—2020 年伊洛河流域土地覆被轉變矩陣（單位：km2）

整個伊洛河流域的土地覆被主要是林地、耕地和建設用地，三者之和約占土地總面積的93%，而草地和濕地之和僅占7%左右。但不同坡面的土地覆被差別巨大，平地以耕地和建設用地為主，二者之和占土地總面積的92%以上，緩坡以耕地、林地和草地為主，三者之和占土地總面積的97%以上，而陡坡以林地和草地為主，二者之和約占土地總面積的97%。需要說明的是，濕地面積雖然較少（不足土地總面積的1%），但是它是整個流域的主要水源，其變化對社會經(jīng)濟和自然生態(tài)皆有重要影響。

整個伊洛河流域的土地覆被變化主要表現(xiàn)為耕地和草地減少，濕地和建設用地大幅增加。但是，各坡面除了濕地和建設用地皆大幅增加之外，其他地類的變化差別較大。平地上，耕地、林地和草地皆大幅減少，尤其是草地的減幅最大（38.86%）；緩坡上，耕地、林地和草地是小幅減少，耕地的減幅最大（1.59%）；陡坡上，耕地和草地均明顯增加，耕地的增幅最大（6.64%），林地略有減少。

4.2 時段層次的變化強度

2010—2020 年，伊洛河流域土地覆被的總變化強度為6.89%。其中，空間變化（5.01%）大于數(shù)量變化（1.88%），表明各種土地覆被類型之間競爭劇烈，頻繁發(fā)生空間位置對換。3 類坡面的變化強度依次為平地＞緩坡＞陡坡，說明平地是整個流域人類活動強度最大的國土空間，各種土地覆被類型之間競爭最為激烈，數(shù)量變化和空間變化強度相當；而緩坡和陡坡受地形因素影響，生態(tài)環(huán)境脆弱，適宜開發(fā)利用的土地資源有限，土地覆被變化強度較小，但各地類之間競爭依然強烈，空間變化遠大于數(shù)量變化（表2）。

表2 時段層次的土地覆被變化強度（單位：%）

4.3 土地覆被類型層次的變化強度

由表3 可知，平地上的耕地屬于低強度轉出與低強度轉入地類，相對比較穩(wěn)定，但是轉出強度大于轉入強度，數(shù)量減少了6.08%；林地和草地屬于高強度轉出與高強度轉入地類，變化非常劇烈，且轉出強度遠遠大于轉入強度，數(shù)量分別減少了16.15%和38.86%；濕地和建設用地屬于低強度轉出與高強度轉入地類，而且轉入強度遠大于轉出強度，數(shù)量分別增加33.72%和27.92%。

表3 土地覆被類型層次的變化強度

緩坡上，耕地和林地屬于低強度轉出與低強度轉入地類，轉出強度稍大于轉入強度，數(shù)量分別減少了1.59%和0.48%；草地、濕地和建設用地屬于高強度轉入與高強度轉出地類，草地的轉出強度稍大于轉入強度，數(shù)量減少了0.44%；濕地和建設用地的轉入強度大于轉出強度，數(shù)量分別增加了28.25%和43.60%。

陡坡上，耕地、草地、濕地和建設用地都屬于高強度轉出與高強度轉入地類，且轉入強度皆大于轉出強度，數(shù)量皆有不同幅度的增加，尤其是濕地和建設用地增幅較大，分別為75.09%和16.23%；林地屬于低強度轉出與低強度轉入地類，轉出強度稍大于轉入強度，數(shù)量減少了0.37%。

4.4 土地覆被轉變類型層次的變化強度

由表4 和表5 可知：①平地上，平地是流域范圍內耕地（尤其是基本農(nóng)田）和建設用地的集中分布區(qū)，開發(fā)建設和保護耕地的矛盾十分尖銳。關于耕地的縮減，耕地對建設用地的轉出屬于高強度轉出，對其他地類屬于低強度轉出，說明縮減的耕地主要是被建設用地占用，開發(fā)建設是導致耕地減少的主要原因。關于建設用地的擴增，草地對建設用地是高強度轉入，耕地和林地的轉入略低于隨機轉入強度，說明開發(fā)建設傾向于占用草地，對耕地和林地的占用近似于隨機過程，表明耕地保護政策實施效果不甚明顯。濕地向建設用地的轉變是低強度轉變類型，屬于偶然性的轉變，說明開發(fā)建設具有避讓濕地的特征。由于建設用地大幅擴張，草地未能滿足建設需要，進而導致被占用的耕地高達266km2（約占2010年平地耕地總面積的8.25%），嚴重影響了糧食生產(chǎn)。因此，控制建設用地擴張以保護耕地應是今后國土空間用途管制的重點。關于濕地的擴增，林地和草地對濕地是高強度轉入，耕地的轉入等同于隨機過程，建設用地是低強度轉入，說明濕地擴增傾向于占用林地和草地。但由于林地和草地面積較小而耕地面積較大，耕地轉入濕地的面積（12.82km2）遠大于林地和草地的轉入之和（2.39km2），所以保育濕地也是造成耕地減少的另一主要原因。此外，林地對耕地的轉入屬于高強度轉入，說明耕地擴增傾向于占用林地，存在為補充耕地而毀林的現(xiàn)象。②緩坡上，耕地向濕地和建設用地的轉變，濕地和建設用地向耕地的轉變都屬于系統(tǒng)性高強度轉變類型，說明有些地方為了開發(fā)建設和保育濕地而占用耕地，另一些地方則開墾濕地和復墾廢棄建設用地以補充耕地，導致它們之間頻繁發(fā)生位置對換和數(shù)量消長變化。林地向草地的轉變，草地向林地的轉變皆屬于系統(tǒng)性高強度轉變類型，說明有些地方營林，另一些地方毀林，導致林地和草地的位置對換及數(shù)量消長關系較明顯。草地向濕地和建設用地的轉出屬于高強度轉出，說明縮減的草地傾向于用作濕地和建設用地。此外，濕地向建設用地的轉出也屬于高強度轉出，說明不同于平地，緩坡上開發(fā)建設沒有避讓河灘濕地。③陡坡上，草地和建設用地向耕地的轉變、耕地向草地和建設用地的轉變皆屬于系統(tǒng)性高強度轉變類型，說明某些地方開墾草地和復墾廢棄建設用地以增加耕地。有些地方因開發(fā)建設占用耕地，有些地方耕地撂荒現(xiàn)象較突出。林地對建設用地、濕地和草地的轉出皆屬于高強度轉出類型，說明為了開發(fā)建設和保育濕地而毀林的現(xiàn)象較嚴重。草地向建設用地的轉變、濕地向耕地和建設用地的轉變也都屬于系統(tǒng)性高強度轉變類型，說明為了開發(fā)建設和開墾耕地而占用草地和濕地的現(xiàn)象比較普遍。

表4 轉變類型層次土地覆被變化的轉入強度

表5 轉變類型層次土地覆被變化的轉出強度

綜上可知，伊洛河流域開發(fā)建設、糧食生產(chǎn)與生態(tài)保護之間的矛盾非常突出，除了濕地得到保護之外，建設用地擴增不但導致耕地大量流失，而且造成林地與草地等生態(tài)用地相繼減少。不同坡面土地覆被變化過程具有明顯差異，平地上建設用地擴增“指向”草地，“避讓”濕地，同時耕地向建設用地高強度轉出。緩坡和陡坡上無序土地利用活動較嚴重，不同土地覆被類型兩兩（如耕地和建設用地）之間頻繁發(fā)生位置對換，土地覆被變化主要表現(xiàn)為系統(tǒng)性的高強度變化類型。但緩坡和陡坡上耕地向林地的轉變、林地向耕地的轉變皆是低強度轉變類型，都屬于偶然性的轉變，說明直接毀林開墾耕地的現(xiàn)象較少，同時退耕還林的效果也不明顯。此外，平地和緩坡耕地大量減少，陡坡耕地大幅增加而且撂荒現(xiàn)象比較突出，說明在執(zhí)行“耕地占補平衡”政策時，存在占優(yōu)補劣之嫌。事實上，陡坡是重要的生態(tài)空間，生態(tài)環(huán)境脆弱，土地利用應當遵循生態(tài)優(yōu)先原則，必須嚴格控制開發(fā)建設和開墾耕地，并加強工礦廢棄地的生態(tài)修復。

5 結論與討論

本文根據(jù)數(shù)字高程模型和伊洛河流域土地覆被數(shù)據(jù)，運用GIS 技術和強度分析等方法對2010—2020年伊洛河流域不同坡面的土地覆被變化進行了研究，主要結論如下：①伊洛河流域不同坡面土地覆被變化強度是平地＞緩坡＞陡坡。所有坡面的草地，緩坡和陡坡的建設用地和濕地，平地的林地和陡坡的耕地是高強度變化地類，其轉入與轉出強度皆大于隨機均勻變化強度。②平地上建設用地擴增“指向”草地，“避讓”濕地，同時耕地向建設用地高強度轉出。緩坡和陡坡上不同土地覆被類型兩兩之間頻繁發(fā)生位置對換，土地覆被變化主要表現(xiàn)為系統(tǒng)性的高強度變化類型，但緩坡和陡坡上耕地向林地的轉變、林地向耕地的轉變皆是低強度轉變類型，屬于偶然性的轉變。

強度分析是以假設的隨機均勻變化為對照，從不同層次逐層深入分析土地覆被變化的轉入與轉出過程，與局限于土地覆被變化自身進行分析的傳統(tǒng)方法相比，能夠更好揭示土地經(jīng)營者的偏好和行為特征，解釋變化過程與格局的內在聯(lián)系［29，30］。但假設的隨機均勻變化僅考慮了數(shù)量變化，沒有考慮變化的空間分布，因此難以揭示空間鄰接關系對土地覆被變化的影響。如，從轉出看耕地向建設用地的高強度轉出可能是因為耕地與建設用地鄰接度較大的原因，而不是開發(fā)建設特意要占用耕地，所以如何納入空間屬性是今后完善土地覆被變化強度分析的關鍵所在。