赤水河流域地表覆蓋變化及地形分異特征

陳步勇 滕明塔

(1.貴州師范大學地理與環境科學學院，貴州 貴陽 550025；2.貴州省喀斯特山地生態環境國家重點實驗室培育基地，貴州 貴陽 550025)

地表覆蓋是巖石圈、大氣圈、水圈、生物圈交織作用的結果。地表覆蓋變化可以反映一定時空范圍內的土地利用方式、人類活動強度及生態狀況轉變，同時也是生態系統評估、氣候變化模擬、地理國情監測、宏觀調控分析等必不可少的參考信息[1]。而地形是導致地表覆蓋變化的重要原因之一，如海拔、坡度、起伏度等，可以通過改變水熱組合及土壤理化條件，使地表景觀呈現規律性特征[2]。此外，地形也是影響人類土地利用方式及強度的重要考量方面。因此，探究地表覆蓋與地形的關系對國土空間開發及土地利用規劃具有現實意義[3]。

近年來，隨著生態安全問題逐漸凸顯，地表覆蓋變化研究已成為全球環境變化與可持續發展研究的熱點[4]。目前對地表覆蓋變化的研究多集中在特定區域從地表覆蓋演化及驅動因素[5]，地表覆蓋變化與生態環境、地形的聯系等。而流域是生態環境保護的重點開展地區，也是地表覆蓋變化的重要地理要素單元。當前以流域作為地表覆蓋變化的相關研究已取得一定成果，其研究方位從地表覆蓋變化監測，延伸到覆蓋變化對水文、生態系統服務功能的影響。雖然國內學者對流域地表覆蓋的地形分異進行了探究，但側重于關注地表覆蓋在地形梯度上的動態變化，對地形梯度上的地表覆蓋轉移的研究相對較少[2]。由此可見，基于地形梯度的地表覆蓋的相關研究仍需進一步加強。

赤水河流域地形起伏較大、生態環境脆弱、水土流失相對嚴重，使得該地成為重要的生態保護區。該流域水土流失面積達到9520.49km2，年均土壤侵蝕總量達0.21億t[6]；流域內土壤水源涵養量偏低，0～20cm土層有效水源涵養量平均值僅81.22mm[7]；地形對流域土壤侵蝕強度影響較大。雖然目前已對赤水河流域展開了大量研究，但研究地表覆蓋在地形梯度上的轉移相對較少。基于此，通過2000年、2010年和2020年3期地表覆蓋數據，探究赤水河流域2000—2020年地表覆蓋在海拔、坡度、起伏度上的地形分異特征，以期為該流域可持續發展提供科學參考。

1 研究方法及數據來源

1.1 研究區概況

赤水河發源于烏蒙山區東緣，干流全長約441.5km，流經云南、貴州和四川等地。氣候溫暖濕潤，平均氣溫為13.1～17.6℃，降水量為749～1286mm[8]。河流中上游以喀斯特地貌為主，地形破碎、地勢陡峻、土體松軟、土層薄，極易發生水土流失，下游地勢相對平坦[9]。

1.2 數據來源與處理

地表覆蓋數據(2000年、2010年和2020年3期)來源于全國地理信息資源目錄服務系統(https：//www.webmap.cn/)，分辨率為30m。海拔高程數據來源于地理空間數據云(http：//www.gscloud.cn/)，分辨率為30m。流域矢量邊界為基于DEM數據，利用Arcgis 10.7水文分析指令提取而得。

研究區內共包括耕地、林地、草地、灌木地、濕地、水體、人造地表等在內的地表覆蓋類型。人造地表能較好反映建設用地情況，本文以人造地表表征建設用地。此外，由于灌木地、濕地分布面積極少，同時在地形梯度上動態度變化不顯著，因此本研究著重分析耕地、林地、草地、水體、建設用地的地形分異特征。本研究選取海拔、坡度、起伏度3個地形因子分析赤水河地表覆蓋的地形分異特征。按照研究區實際情況并參照已有學者研究[3]，將海拔、坡度劃分為10級，起伏度劃分為8級，見表1。

圖1 赤水河流域區位及海拔

表1 地形因子劃分及屬性特征

1.3 研究方法

土地利用轉移矩陣能夠監測研究區地表覆蓋變化結構特征、變化面積及方向[10]。計算公式：

(1)

式中，i與j分別為始末的土地利用類型；n為土地利用類型總數；Sij為研究期內第i類向第j類轉化的總面積[11]。

2 地表覆蓋的時空變化特征

2.1 地表覆蓋空間分布及變化

從地表覆蓋格局特征上來看，耕地、林地、草地為流域主要地表覆蓋類型，分布范圍最廣并多呈條帶狀分布；灌木地、濕地、水體、建設用地分布范圍較小且多呈點塊狀分布，見圖2。耕地除習水與赤水之間分布較少外，其余各地均分布較廣泛；林地集中分布于赤水與習水之間的廣大區域，在流域邊緣也有零星分布；草地多集中在流域中、東部地區；濕地集中分布于云南與四川交界處的河谷地帶；水體主要分布于河流、水庫，無明顯聚集特征；建設用地集中于城市附近。從時空演化特征來看，2000—2020年林地、建設用地空間擴張迅速。林地在流域北部、東部及南部邊緣大量增加，尤其是習水與赤水一帶增加較顯著，主要是由于該區地形起伏較大適宜林地分布，再加之受生態保護影響，因此林地分布范圍廣并促進了林地擴張。建設用地能夠反映人口、社會經濟活動狀況，城市人口密集、社會經濟活動活躍，因此是建設用地集中分布區域。

圖2 2000—2020年地表覆蓋空間分布

2.2 地表覆蓋面積變化幅度

2000—2020年赤水河流域地表覆蓋變化顯著，總體以林地、濕地、水體、建設用地擴張，耕地、草地收縮，灌木地保持穩定為主要特征，見表2。林地、濕地為先擴張后收縮，水體、建設用地為連續擴張，面積分別增長702.15km2、25.93km2、15.82km2、175.81km2；耕地為先擴張后收縮，草地為連續收縮，面積分別減少130.76km2、789.09km2；其中林地增加面積最多，草地減少面積最多。研究區耕地、草地呈減少趨勢，林地、建設用地呈增加趨勢，主要是該地受退耕還林以及城鎮化、工業化影響，促進了耕地、草地向林地、建設用地流出。2000—2020年建設用地雖呈連續增長趨勢但表現出先慢后快的階段特征，原因為人口增長及城鎮化進程不同。2000—2010年流域內人口增長且城鎮化進程較慢，建設用地增長較慢；2010—2020年人口快速增長，城鎮化進程逐步加速，建設用地增長較快。濕地、水體呈增加趨勢，原因與流域近20年來生態環境改善有關。

表2 2000—2020年地表覆蓋面積變化

2.3 地表覆蓋轉移特征

基于表2的數據，繪制了2000—2020年地表覆蓋轉移桑基圖，見圖3。

圖3 2000—2020年地表覆蓋轉移桑基圖

由圖3可知，20年間赤水河流域土地流轉方向主要表現為草地流向林地、耕地、建設用地，耕地流向建設用地、林地、濕地，林地流向建設用地。從圖3可知，林地增加的面積主要從草地、耕地流出而來，說明受封山育林、退耕還林等生態保護政策影響，促進了草地、耕地流向林地。建設用地增加的面積多數從耕地流入，這是因為耕地相對平坦開發利用難度較低，且耕地多分布于人口密集地區附近便于開發。新建、擴建居民點及道路交通設施也促進了流域林地、草地向建設用地流出。

3 地表覆蓋的地形分異特征

3.1 地表覆蓋的海拔分異特征

隨海拔上升，耕地、林地、草地面積呈“先增后減”變化，水體面積呈減少趨勢，建設用地面積呈“先減后增再減”的變化特征，見圖4。耕地面積隨海拔上升呈先增后減的倒“V”型特征，以海拔1000～1200m為轉折區間，海拔800～1400m為耕地分布集中區域，20年間耕地面積在各海拔均有一定減少。林地面積變化折點在海拔1200～1400m，海拔800～1600m為面積集中區域；期間林地面積在各海拔均有增加，在海拔600～1600m增加較多。草地面積變化節點在海拔1000～1400m，海拔600～1400m為草地分布集中區域；期間草地面積在各海拔均有減少，在海拔400～1800m減少最多。水體面積隨海拔上升呈減少趨勢，面積集中于海拔<600m的區域；期間水體面積在海拔<400m顯著減少，在海拔400～1400m明顯增加。隨海拔上升，建設用地面積呈“先減后增再減”的特點，建設用地面積在海拔<800m時隨海拔升高面積稍有減少，在海拔800～1000m面積迅速增加，在海拔1000～1400m變化相對穩定，在海拔>1400m隨海拔升高面積逐漸減少；期間建設用地面積在海拔800～1400m分布最集中且增長最快。從轉移方向來看，耕地多在海拔<1600m時與其它地類轉換，主要趨勢為從草地流入并向建設用地、林地流出，見圖5。林地在各海拔從草地、耕地流入，在海拔600～1600m從草地、耕地流入面積較多。水體主要在海拔<1200m從草地、耕地、林地流入。建設用地在各海拔從耕地、林地、草地、水體流入，向其它地類流出面積極少，在各海拔流出面積均不足1km2。

海拔對塑造地區氣候具有重要作用。受海拔影響，研究區耕地在海拔<1200m的地區為優勢地表覆蓋類型，林地在海拔>1200m的地區為優勢地表覆蓋類型。2000年后隨人口增長及城鎮化、工業化推進，促進了耕地在海拔<1600m向建設用地流出；同時生態保護政策的實施也促進了耕地、草地在各海拔向林地流出。

圖4 2000—2020年地表覆蓋海拔分布特征

圖5 2000—2020年地表覆蓋在海拔上轉移特征

3.2 地表覆蓋的坡度分異特征

隨坡度上升，耕地、林地、草地面積為先增后減變化，水體、建設用地面積呈減少趨勢，見圖6。耕地面積為先增后減變化，耕地面積分布峰值位于坡度10°～15°，面積集中于坡度5°～20°，20年間耕地面積在各坡度均有一定收縮。林地面積分布峰值位于坡度15°～20°，面積集中于坡度10°～25°；期間林地面積在各個坡度均有增加，在坡度10°～35°增加最多。草地面積分布峰值位于坡度10°～20°，面積集中于坡度5°～30°；期間草地面積在各坡度均有減少，在坡度10°～35°減少最多。水體面積呈減少趨勢，水體面積集中分布于坡度0°～15°；期間水體面積在各個坡度總體呈增加趨勢，其中在坡度5°～20°增加最多。建設用地面積集中分布于坡度0°～15°，并且在此坡度區間增長面積最多。從轉移方向來看，耕地與其它地表覆蓋多在坡度<25°時進行相互轉換，主要特征為從草地流入并向建設用地、林地流出，見圖7。林地與草地、耕地在各坡度均有相互轉移，以林地流入，草地、耕地流出為主；在坡度10°～35°林地從草地、耕地流入面積最多，在坡度<25°林地向建設用地流出面積較多。水體在各坡度均有從草地、耕地流入，坡度<20°是水體從草地、耕地流入的主要區間，水體與建設用地相互轉換面積較少。建設用地流出面積較少，僅在坡度<15°稍有向耕地流出。

坡度是影響人類土地利用的又一重要地形因子，坡度越大，開發難度越大且越容易造成生態破壞。坡度15°、25°是退耕還林、石漠化治理的關鍵節點[3]。0°～15°坡度和緩適宜人們開發利用，因此是耕地分布的優勢區，同時也是建設用地分布集中及擴張最迅速的區域。坡度>15°，坡度較大，進行開發利用容易造成水體流失，近年來在生態保護下促進了林地在坡度>15°地區快速增長。

圖6 2000—2020年地表覆蓋坡度分布特征

3.3 地表覆蓋的起伏度分異特征

隨起伏度上升，耕地、林地、草地面積為先增后減變化，水體、建設用地面積呈減少趨勢，見圖8。耕地面積為先增后減變化，耕地面積在起伏度10～20m達到峰值，面積集中于起伏度0～30m，期間耕地面積在各起伏度均有一定收縮。林地面積在起伏度10～20m達到峰值，起伏度10～40m為林地分布集中區域；期間林地面積在各起伏度均有增加，在起伏度10～60m增加最多。草地面積在起伏度10～20m達到峰值，面積集中于起伏度10～40m；期間草地面積在各起伏度均有明顯減少，在起伏度10～50m減少最多。隨起伏度上升，水體面積呈減少趨勢，面積集中分布于起伏度0～20m；期間水體面積在各起伏度均有增加，在起伏度10～30m增加最多。建設用地面積集中分布于起伏度0～20m，期間建設用地面積在各起伏度均有增加，在起伏度0～30m增加最多。從轉移方向來看，耕地與林地、草地、水體、建設用地多在起伏度<40m進行相互轉換，特征為從草地流入并向建設用地、林地流出，起伏度<20m為耕地轉建設用地集中區域，見圖9。林地與草地、耕地在各起伏度均有相互轉換，以林地流入，草地、耕地流出為主；林地與建設用地、水體多在起伏度<30m轉換，以林地流出，建設用地、水體流入為主。水體主要在起伏度<30m與草地、耕地、林地相互轉換，以水體流入為主；水體與建設用地轉換面積極少，僅在起伏度<20m有些許轉換。建設用地主要在起伏度<20m從耕地流入，而向其它地類流出面積極少，僅在起伏度<30m略有向耕地流出，流出面積為3.08km2。

圖7 2000—2020年地表覆蓋在坡度上轉移特征

起伏度作為地形因子之一，隨起伏度逐漸增加，人工生態系統逐漸向自然生態系統過渡，人為景觀向自然景觀轉變[12]。起伏度<30m，起伏較小，是耕地分布的優勢區域，同時也是建設用地分布集中及增長最快的區域；起伏度>30m，起伏較大，是林地、草地分布的優勢區域，期間林地面積也增長迅速。起伏度對人類開展社會經濟活動具有限制作用，從耕地及建設用地分布、增長情況來看，赤水河流域的社會經濟活動集中在起伏度<30m的地區。

4 討論

流域是“氣-地-水-土-生”等多種要素集合的地理單元，由于其具有相對封閉性特征使其成為研究地球科學的最佳區域[13]。地形是導致赤水河地表景觀格局分布的基礎要素，生態環境狀況和地表覆蓋受到海拔、坡度、起伏度等地形因子的影響和塑造。海拔造就區域地理環境的垂直分異，并在垂直方向上對氣溫、氣壓、太陽輻射等方面施加影響[14]。坡度是影響地區水土保持、人類宜居選址以及開展生產建設活動的重要因素，地形起伏度對人類活動加以限制。從地表覆蓋分布的地形特征來看，隨海拔、坡度、起伏度增加，流域內耕地、建設用地面積占比逐漸下降，林地、草地占比逐漸上升，反映地形對赤水河流域地表景觀格局及人類活動的影響。

地表覆蓋變化受自然環境變化及人類活動共同影響，自然環境和資源稟賦對區域地表覆蓋狀況的改變起到基礎性作用，人類活動是造成地表覆蓋變化的主要原因。進入21世紀以來，赤水河流域在城鎮化、工業化的驅動下使得建設用地迅速擴張；2002年全面推進的退耕還林工程，促進了林地面積擴張，可見研究期間內生態環境惡化與改善并存。赤水河流域生態環境脆弱，雖然近20年來生態環境以改善為主，但流域內仍然有部分區域生態退化。從林地流入面積來看，流域內林地面積的增長主要得益于從草地的流入，而從耕地流入的面積相對較少。為促進生態環境持續向好發展，建議流域實行以下措施：將退耕還林補助方式多元化、完善退耕還林補助標準的價值評估體系，深入推進退耕還林還草工程，將海拔>1600m、坡度>15°、起伏度>30m的耕地進行還林還草；劃定城鎮開發邊界，管控城鎮用地規模與用地強度，做好城鎮土地發展利用規劃；制定更加詳細的保護條例及措施，劃定生態保護區與限制開發區，為生態保駕護航；要落實保護措施，要考慮保護績效，將保護措施落實到實際。

圖8 2000—2020年地表覆蓋起伏度分布特征

圖9 2000—2020年地表覆蓋在起伏度轉移特征

5 結論

耕地、林地、草地為赤水河流域主要地表覆蓋類型，期間以林地、濕地、水體、建設用地擴張，耕地、草地收縮為總體演變趨勢，其中林地、濕地、水體、建設用地分別增長702.15km2、25.93km2、15.82km2、175.81km2，耕地、草地分別減少130.76km2、789.09km2。

隨海拔上升，耕地、林地、草地面積為先增后減變化，水體面積呈減少趨勢，建設用地面積呈“先減后增再減”特征。20年間，耕地面積在各海拔從耕地流入并向建設用地、林地流出；林地面積在各海拔從耕地、草地流入，在海拔600～1600m流入面積最多；水體面積在海拔400～1400m增加較多且主要從草地、耕地流入；建設用地面積在海拔800～1400m增長迅速且主要從耕地流入。

隨坡度、起伏度上升，耕地、林地、草地面積為先增后減變化，水體、建設用地面積呈減少趨勢。20年間，耕地主要在坡度<25°、起伏度<40m與其它地類進行轉換，特征為從草地流入并向建設用地、林地流出；林地面積在各坡度、起伏度從草地、耕地流入，坡度10°～35°、起伏度10～60m為流入主要區間；水體面積在坡度5°～20°、起伏度10～60m增加最多且主要從草地、耕地流入；建設用地面積在坡度<15°、起伏度<20m增長最快且從耕地流入最多。