洛陽市偃師區不同坡度帶用地類型分布研究

李中原，王國重，張繼宇，程煥玲，楊 丹，高鏡清

（1.河南省水文水資源局，鄭州 450003；2.黃河水文水資源科學研究院，鄭州 450004；3.河南黃河河務局，鄭州 450003；4.河南省水土保持監測總站，鄭州 450008；5.河南省周口水文水資源勘測局，河南 周口 466000；6.鄭州大學生態與環境學院，鄭州 450001）

坡度是土地資源固有的重要環境因子，對用地類型分布與土地生產力發揮都有著直接的影響［1］。郭漩等［2］對河南省伊洛河流域8 個縣域坡度與用地類型的關系進行了研究，認為坡度與土地利用等因素的關系密切；李君潔等［3］對太行山區坡度與用地格局變化的研究也表明坡度是地學要素多樣性格局的重要影響因素；胡榮明等［4］研究了坡度對土地利用/覆被變化的影響，認為坡度因素對土地利用格局的演變具有控制作用；馬士彬等［5］分析了都勻市土地利用與坡度因子間的關系，發現土地利用程度與坡度存在負相關；陳見影等［6］以秦莊溝流域為例分析了用地類型空間分布與地形因子的關系，認為不同地類分布與地形因子關系密切并有一定的規律性；邵懷勇等［7］分析了三峽庫區不同坡度帶的土地利用格局，發現隨著坡度的增加，用地類型的多樣性指數逐漸降低；寧文怡等［8］以巴馬縣為例研究了地形因素對用地類型空間分布的影響；劉德林等［9］根據因地制宜、合理配置資源的原則分析了上黃小流域1982—2008 年用地類型隨坡度的分布變化；王娜娜等［10］基于重慶市北碚區的DEM 和2015 年的土地利用數據，分析了坡度等因子作用下土地利用格局的分異特征；周愛霞等［11］根據解譯衛星遙感影像數據和GIS 軟件對大寧河流域坡度對土地利用/覆蓋變化的影響。

Landsat8 衛星影像攜帶的陸地成像儀傳感器收窄了原全色波段的光譜范圍，更容易區分植被與非植被［12］；陸地成像儀傳感器各波段信噪比ETM+對應波段高3 倍，輻射分辨率為12 bit，消除了極亮（暗）區灰度過飽和現象，可以更好地顯示這些地方的具體信息，在性能與可靠度方面都優于ETM+影像［13］。偃師區屬洛陽市管轄，根據其2016 年Landsat8 影像和DEM 數據研究偃師區不同坡度帶用地類型分布情況，可以為該市土地利用、水土保持規劃提供依據。

1 研究區概況

偃師區地處洛陽市東，東鄰鞏義市西接洛龍區和孟津區，南倚嵩山，北與孟州市相隔黃河，地理坐標介于東經112°26′15″—113°00′00″、北緯 34°27′30″—34°50′00″。地勢南北高中間低，地貌景觀大致為槽形，地表形態大體可分成山地、丘陵、坡地、平原4類［14］。氣候上屬暖溫帶大陸性季風區，年平均氣溫為14.2 ℃、無霜期211 d，全年日照時數2 248.3 h、年均降水量500～600 mm。

2 數據來源與研究方法

2.1 數據來源與處理

所用Landsat8 衛星數據為偃師區2016 年9 月23日的影像，云量為2.36%，投影坐標系是WGS1984-UTM49N。借助ENVI 軟件對該影像進行輻射定標、大氣校正；用矢量格式的偃師市邊界圖（坐標系為GCS WGS1984）用以裁剪遙感影像，在ArcGIS 中將邊界圖坐標系轉換成WGS1984UTM49N，再在ENVI中用轉換后的邊界圖裁剪柵格格式的影像數據，得到偃師區遙感影像，然后采用支持向量機、最大似然法進行分類，將用地分成耕地、林地、草地、水域、建設用地。最大似然法的分類精度略高于支持向量機，故采用該法的分類結果。

所用DEM 數據來自90 m 分辨率的SRTM 數字高程模型，通過ArcGIS 軟件經坐標轉換、坡度生成、坡度分級等操作形成坡度分級圖。再在ArcGIS 中將生成的土地利用分類結果與坡度分級圖進行坐標轉換，將其坐標統一為CGCS2000：3DegreeGKzone 38，然后將兩者矢量化后進行疊加，就得到了坡度與用地類型疊加結果，如圖1 所示。通過ArcGIS 的面積統計工具可以得到不同坡度帶、各類用地的面積。

圖1 偃師區不同坡度帶土地利用分類結果

2.2 坡度與各類用地分布

結合耕地分級標準［15］、林地分級標準［16］，將偃師區地面坡度分為 7 級：≤2°、2°～6°、6°～15°、15°～25°、25°～35°、35°～45°、＞45°，通過ArcGIS 軟件，統計出各級坡度帶占總面積的比例分別為52.473%、22.362%、15.527%、7.477%、1.893%、0.239%、0.029%，偃師區地面坡度分布較為理想，坡度不超過2°的面積 占 總 面 積 的 52.473%，6° 以 下 面 積 占 比 達74.835%，90.362%的土地面積坡度在15°以下，坡度超過25°的面積僅占2.161%。說明偃師區是適宜人類居住、生活的理想區域。偃師區各類用地中耕地占了總面積的55.567%，其次是建設用地、林地、草地、水域，其占比分別是17.402%、13.297%、9.919%、3.815%。這與其坡度較緩、各級坡度分布較為理想、適宜人類居住相適應。

2.3 用地類型多樣性指數

用地類型多樣性指數是用來描述區域內各類用地的齊全程度與總體結構的重要參數，常采用吉布斯-馬丁多樣化指數來計算，公式如下［17］。

公式（1）中，GM表示多樣性指數；ai代表第i類用地類型的面積。由該式可以看出，若只有1 種用地類型，GM就為0；如果研究區內存在多種用地類型，發展規模越均衡，則GM值越接近 1［18］。

3 結果與分析

3.1 不同坡度帶用地類型分布特征

偃師區不同坡度帶各類用地面積占總面積的百分比如圖2 所示。從圖2 可知，≤2°的坡度中耕地面積占總面積比例33.82%，其次是建設用地13.16%、草地2.71%、水域2.61%，林地占比最少僅占0.26%；2°～6°坡度中也是耕地占比最大15.24%，其次是建設用地、草地，占比分別是3.12%、2.34%，水域面積占比僅有0.7%；6°～15°坡度帶內耕地、林地、草地面積所占比例分別為6.10%、4.92%、3.47%，建設用地、水域面積的占比相對較小，分別是0.66%、0.38%；15°～25°坡度中林、草地面積占比分別是5.39%、1.24%，耕地、建設用地、水域所占比例較小，分別是0.52%、0.22%、0.12%；25°～35°坡度帶內林地所占面積比例最大1.52%，其他用地類比例較小，分別是草地0.23%、建設用地0.09%、耕地0.04%、水域0.01%；35°～45°帶內主要地類是林地與草地，占比分別為0.21%、0.02%，其他用地面積之和占比僅為0.01%；＞45°坡度帶內主要地類為林地，占比0.03%，其次是草地，所占比例為0.001%。

圖2 不同坡度帶各用地類型面積

通過對各坡度帶內不同用地類型分布分析，不難發現，偃師區用地類型主要分布在≤15°坡度內，各類用地面積之和占總面積的比例超過90%，其中耕地面積占總面積的55.16%，其次是建設用地、草地、林地、水域，分別占總面積的16.94%、8.52%、6.14%、3.59%；＞15°坡度內主要以林地、草地為主，其次為耕地、建設用地、水域，各類用地面積之和在總面積中的占比不足10%。隨著坡度的增加耕地類型在各坡度帶的主導地位逐漸降低，取而代之的是林地與草地，可見坡度是影響用地類型分布的重要因素［19，20］。

3.2 各類用地隨坡度變化規律

申懷飛等［21］基于DEM 數據，研究了豫西黃河流域用地類型隨坡度的變化，發現各類用地空間分布隨坡度的變化具有明顯的特點。鄒愛平等［22］的研究也表明，不同坡度帶內的用地類型結構變化存在較大差異。偃師區各類用地面積（以用地面積占總面積的百分比表示）隨坡度的變化如圖3 所示。

圖3 各類用地分布隨坡度的變化

圖3 中，耕地面積占總面積的比例隨著坡度的增大逐漸減小，≤2°、2°～6°、6°～15°坡度內分布的各類用地中都是耕地面積所占比例最大，分別為總面積的33.82%、15.24%、6.10%，超過15°以后其優勢地位逐漸被別的用地取代；與耕地相反，林地的優勢隨著坡度的增加逐漸凸顯，在≤6°坡度內其面積占比低于建設用地、草地，6°～15°坡度內其面積分布已明顯超越二者，僅次于耕地，＞15°坡度后林地面積占據了主導地位；草地面積分布在≤6°坡度內低于耕地、建設用地，6°～15°坡度時超越建設用地，＞15°坡度后成為僅次于林地的優勢地類；建設用地分布在≤6°坡度內僅次于耕地，其面積占總面積的比例分別為13.16%、3.12%，＞6°坡度后其優勢地位逐漸被林地、草地取代；水域面積主要分布在＜35°坡度內，而且隨坡度增大逐漸減小，≤2°、2°～6°、6°～15°、15°～25°、25°～35°坡度內其面積占比分別是 2.51%、0.7%、0.38%、0.12%、0.01%。

3.3 用地類型多樣性變化趨勢

利用公式（1）可以得到偃師區不同坡度帶內用地類型的多樣性指數（圖4）。從圖4 可知，用地類型多樣性指數隨坡度增加呈先降低再增加之后持續降低的變化趨勢：≤2°到2°～6°坡度，其多樣性指數從0.516 6 降到 0.502 4，6°～15°坡度內多樣性指數到達最大，為 0.692 9，之后不斷降低，15°～25°、25°～35°、35°～45°、＞45°坡度帶的用地類型多樣性指數依次為0.447 8、0.339 7、0.197 8、0.068 9。

圖4 不同坡度帶用地類型多樣性

變化趨勢表明，坡度＜15°范圍尤其是 6°～15°坡度帶是適宜人類居住與活動的主要區域，用地類型齊全、各類用地分布較為合理；隨著坡度的增加，人類活動的強度逐漸減弱，用地面積也表現為以林地、草地為主，耕地、水域、建設用地等用地類型逐漸消失，導致用地類型多樣性指數降低。

4 小結與討論

4.1 討論

卓靜等［23］對延安市寶塔區用地類型變化及坡度分異特征進行分析，認為該地區對大于25°的坡地進行坡改梯、超過35°的坡地退耕還林還草，成效顯著；張金池等［24］對上舍河小流域不同用地類型實測降雨土壤侵蝕量的坡度效應進行了研究，發現坡耕地內的徑流量與侵蝕模數隨坡度的增大而增加，而林地內的徑流量與徑流侵蝕模數卻隨坡度的增加而降低；唐建等［25］的研究表明，用地類型和坡度分布對土壤有機質含量有顯著影響。偃師區從2006年就開始了小流域生態清潔治理，通過退耕還林還草、坡改梯工程，實現了用地類型隨坡度合理分布，不僅降低了水土流失、增加了土壤有機質含量，也使人民生活水平日益得到改善，其經驗值得借鑒與推廣。

4.2 小結

1）坡度在15°以下的土地面積占總面積的90.36%，其中耕地分布比例是55.16%，林地為6.14%、草地8.52%、建設用地16.94%、水域3.60%；在25°以下的土地面積占總面積的97.84%，這種坡度與用地類型分布非常適宜人類居住、生活。

2）各類用地受6°、15°、35°坡度影響較大。坡度≤6°范圍內，草地面積低于建設用地，坡度＞6°后，草地面積占比就會大于建設用地；坡度＜15°范圍內耕地面積占據主導地位，＞15°坡度范圍則是林地、草地面積占據支配地位；坡度＞35°范圍內，耕地、水域沒有面積分布，建設用地也鮮有分布。

3）6°～15°坡度帶是人類居住與活動的主要區域，用地結構較為合理，用地類型多樣性指數達最大。

根據坡度合理布局用地類型、堅持退耕還林還草、實施坡改梯、營造水保林等措施，洛陽市偃師區的水土流失可以得到有效遏制，土壤養分含量提高，人民生活水平也日益改善。