曹銀貴，陳曉輝，白中科，張笑然，孫 琦，丁 翔

(1.中國地質(zhì)大學(xué)(北京) 土地科學(xué)技術(shù)學(xué)院，北京 100083；2.國土資源部土地整治重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，北京 100035)

基于地形的黃土區(qū)礦-農(nóng)-城復(fù)合區(qū)土地利用景觀變化研究

曹銀貴1,2，陳曉輝1，白中科1,2，張笑然1，孫 琦1，丁 翔1

(1.中國地質(zhì)大學(xué)(北京) 土地科學(xué)技術(shù)學(xué)院，北京 100083；2.國土資源部土地整治重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，北京 100035)

土地利用；景觀；海拔；坡度；坡向；礦-農(nóng)-城復(fù)合區(qū)

以黃土區(qū)礦-農(nóng)-城復(fù)合區(qū)(平朔礦區(qū))為研究對(duì)象，采用1986、2013年的遙感影像和數(shù)字高程數(shù)據(jù)，通過海拔分級(jí)、坡度分級(jí)、坡向劃分及疊加分析等方法，分析了研究區(qū)1986、2013年土地利用景觀基于不同地形要素的分布及1986—2013年期間各土地利用景觀的時(shí)空變化規(guī)律。研究結(jié)果表明：①海拔1 300—1 400 m范圍內(nèi)是土地利用景觀變化最明顯的區(qū)域，在不同海拔上耕地轉(zhuǎn)換的方向也存在差異；②坡度≤6°區(qū)域是土地利用景觀變化最明顯的區(qū)域，不同坡度的區(qū)域景觀變化存在差異，在坡度15°以下區(qū)域景觀類型面積的增加以占用耕地為主，在坡度>15°區(qū)域以占用草地為主；③陽坡是土地利用景觀變化最明顯的區(qū)域，并且主要景觀類型的轉(zhuǎn)換在各個(gè)坡向均比較明顯。

土地利用景觀的變化受多方面因素的影響，包括自然因素和社會(huì)因素。在自然因素中，地形因素通過影響水熱條件的分布而影響土地利用景觀類型及其變化[1-3]。地形條件不僅是形成土地資源的重要基礎(chǔ)，而且也是制約人類活動(dòng)的主要載體[4]。一般來說，土地利用景觀變化劇烈程度與海拔、坡度和坡向相關(guān)性較強(qiáng)[5]。研究表明，受人類活動(dòng)強(qiáng)烈干擾的地段主要集中在海拔低、坡度平緩的區(qū)域，同時(shí)這個(gè)區(qū)域也是景觀類型和多樣性最豐富的區(qū)域[6-7]。高海拔、高坡度對(duì)土地利用景觀格局有一定的制約作用[6]，隨著高程、坡度增大，土地利用景觀變化逐漸減弱[5]。由于土地資源的稀缺和土地利用能力的提升，人類在利用土地資源時(shí)開始轉(zhuǎn)向坡度大的區(qū)域，因此坡度大的區(qū)域土地利用景觀變化逐漸明顯[8-9]，而在坡向?qū)用嫱恋乩镁坝^變化特征差異較小[8]。從具體的土地利用景觀變化來看，耕地的變化主要集中在低海拔區(qū)域，林地、草地的變化主要集中在高海拔區(qū)域[10]，這主要是由于土壤的理化性質(zhì)受到不同海拔小氣候影響的緣故[11]。從土地利用景觀的轉(zhuǎn)換方向來看，在大部分地區(qū)，低海拔和低坡度區(qū)域內(nèi)主要表現(xiàn)為耕地轉(zhuǎn)向建設(shè)用地和園地[5]，高海拔和高坡度區(qū)域受退耕還林還草政策的影響，主要表現(xiàn)為耕地向林地、草地轉(zhuǎn)換[12]。

從地形因子的角度開展土地利用景觀變化研究的方法比較成熟，其研究成果相對(duì)比較豐富。開展此次研究主要是從特殊的研究區(qū)域出發(fā)，揭示黃土區(qū)礦-農(nóng)-城復(fù)合區(qū)土地利用景觀在海拔、坡度、坡向?qū)用娴姆植继卣骷皶r(shí)空變化規(guī)律。這一方面可為礦區(qū)生態(tài)恢復(fù)與重建提供支撐，另一方面可為礦-農(nóng)-城復(fù)合區(qū)協(xié)同規(guī)劃提供參考。

1 研究區(qū)概況

研究區(qū)平朔礦區(qū)地處黃土高原晉陜蒙接壤的黑三角地帶，位于山西省北部的朔州市境內(nèi)，屬于晉北煤炭基地，在行政區(qū)劃上涉及井坪鎮(zhèn)、向陽堡鄉(xiāng)、白堂鄉(xiāng)、榆嶺鄉(xiāng)、陶村鄉(xiāng)、下面高鄉(xiāng)這6個(gè)鄉(xiāng)鎮(zhèn)的部分區(qū)域(如圖1)。從采礦界來看，包括了中煤平朔公司的3個(gè)露天礦和3個(gè)井工礦及周邊多個(gè)地方井工礦，采礦區(qū)面積占6個(gè)鄉(xiāng)鎮(zhèn)面積的80%左右。由于研究區(qū)DEM數(shù)據(jù)覆蓋的面積小于圖1中虛線的礦界部分，因此通過裁剪得到實(shí)際研究區(qū)，面積為317 km2。研究區(qū)地貌為黃土低山丘陵，平均海拔1 350 m，土壤侵蝕嚴(yán)重，同時(shí)冬春季節(jié)風(fēng)大風(fēng)多、地表干燥，是黃土高原典型的生態(tài)脆弱區(qū)。煤炭經(jīng)濟(jì)是該區(qū)域經(jīng)濟(jì)發(fā)展的主要模式，礦業(yè)城鎮(zhèn)也因煤炭經(jīng)濟(jì)發(fā)展而發(fā)展，另外研究區(qū)大部分處在山前傾斜平原，農(nóng)業(yè)生產(chǎn)占主導(dǎo)，因此是典型的礦-農(nóng)-城復(fù)合區(qū)。

2 數(shù)據(jù)來源與處理

2.1 數(shù)據(jù)來源

本研究利用了兩期遙感影像，均為多光譜數(shù)據(jù)。2013年4月的SPOT 6影像來源于北京視寶衛(wèi)星圖像有限公司，1986年6月的TM影像來源于美國陸地衛(wèi)星資源共享平臺(tái)。礦區(qū)1986年和2013年DEM數(shù)據(jù)來源于中煤平朔煤業(yè)有限責(zé)任公司地測部，其分辨率為30 m。

2.2 數(shù)據(jù)處理

采用ENVI 5.0對(duì)兩期遙感影像進(jìn)行糾正處理，以礦區(qū)1 ∶10 000的地形圖作為參考。糾正時(shí)均勻選擇地面控制點(diǎn)，采用二次多項(xiàng)式進(jìn)行高精度幾何糾正，并用鄰近法重采樣。糾正后的數(shù)據(jù)為UTM 投影，參考橢球?yàn)閃GS-84橢球。依據(jù)土地利用分類標(biāo)準(zhǔn)及研究區(qū)露天礦區(qū)的景觀特征，將研究區(qū)土地利用景觀類型分為3個(gè)一級(jí)類，包括農(nóng)用地、建設(shè)用地和損毀土地；10個(gè)二級(jí)類，農(nóng)用地包括耕地、林地、草地，建設(shè)用地包括城鎮(zhèn)用地、農(nóng)村居民點(diǎn)、交通用地，損毀土地包括露采場、剝離區(qū)、排土場、工業(yè)場地[13]。

圖1 研究區(qū)區(qū)位

根據(jù)各土地利用景觀類型在遙感影像上的紋理特征，建立遙感影像解譯標(biāo)志[14]。利用ENVI 5.0對(duì)遙感影像進(jìn)行監(jiān)督分類，并利用Kappa系數(shù)來檢測分類的精度。各期土地利用景觀分類結(jié)果的Kappa系數(shù)均達(dá)到0.80以上。利用DEM數(shù)據(jù)生成研究區(qū)海拔、坡度、坡向分布圖。海拔分成4級(jí)，分別是≤1 200 m、1 200—1 300 m、1 300—1 400 m、>1 400 m。坡度分成4級(jí)，分別是≤6°、6°—15°、15°—25°、>25°。坡向劃分根據(jù)《造林學(xué)》[15]的劃分標(biāo)準(zhǔn)，分為陰坡、半陰坡、陽坡、半陽坡。將土地利用景觀類型圖與海拔、坡度、坡向圖疊加，生成土地利用景觀的海拔、坡度、坡向分布圖。利用ArcGIS 10.0對(duì)各分布圖進(jìn)行統(tǒng)計(jì)和分析，得到不同時(shí)期研究區(qū)不同海拔、坡度、坡向情況下的土地利用景觀類型面積。

3 結(jié)果與分析

3.1 土地利用景觀海拔差異

3.1.1 土地利用景觀海拔分布

從土地利用景觀的海拔分布來看，耕地主要分布在海拔1 300—1 400 m區(qū)域，1986年和2013年該海拔區(qū)域耕地面積占耕地總面積的比例均在50%以上。林地主要分布在海拔1 300—1 400 m和>1 400 m區(qū)域，對(duì)比1986年，2013年林地面積在海拔1 300—1 400 m區(qū)域的比例增加近10百分點(diǎn)。草地主要分布在海拔1 200—1 300 m和1 300—1 400 m區(qū)域，對(duì)比1986年，2013年草地面積在海拔1 200—1 300 m區(qū)域的比例增加15百分點(diǎn)左右，而在海拔1 300—1 400 m區(qū)域其比例減少10百分點(diǎn)左右。城鎮(zhèn)用地主要分布在海拔1 300—1 400 m區(qū)域，1986年和2013年該區(qū)域城鎮(zhèn)用地面積占城鎮(zhèn)用地總面積的比例均在95%以上，2013年該區(qū)域城鎮(zhèn)用地面積的比例比1986年略有增加。農(nóng)村居民點(diǎn)主要分布在海拔1 300—1 400 m區(qū)域，1986年和2013年該區(qū)域農(nóng)村居民點(diǎn)面積占農(nóng)村居民點(diǎn)總面積的比例均在60%以上，2013年該區(qū)域農(nóng)村居民點(diǎn)面積的比例比1986年增加5百分點(diǎn)以上。1986年安太堡露天礦沒有動(dòng)工，未形成損毀土地；2013年露采場、剝離區(qū)、工業(yè)場地主要分布在海拔1 300—1 400 m區(qū)域，其面積比例在50%以上。交通用地主要分布在海拔1 300—1 400 m區(qū)域，1986年和2013年該區(qū)域交通用地面積占交通用地總面積的比例在50%以上，2013年達(dá)到70%以上。

3.1.2 基于海拔的土地利用景觀數(shù)量變化

在海拔≤1 200 m區(qū)域，對(duì)比1986年，從面積變化來看，2013年耕地面積增加最多，共增加111.58 hm2，增加率為32.94 %；減少面積最多的是交通用地，共減少27.51 hm2，減少率為95.29%。從變化率來看，農(nóng)村居民點(diǎn)面積增加比例最大，增加了6.64倍，增加面積為61.35 hm2；交通用地是減少比例最大的景觀類型。

在海拔1 200—1 300 m區(qū)域，對(duì)比1986年，從面積變化來看，2013年耕地面積減少最多，減少面積1 832.40 hm2，減少率為42.46%；林地面積增加最多，增加面積643.13 hm2，增加了1.73倍。從變化率來看，農(nóng)村居民點(diǎn)面積增加比例最大，增加了14.12倍，增加面積167.30 hm2；城鎮(zhèn)用地面積減少比例最大，其減少率為77.56%，減少面積0.97 hm2。

在海拔1 300—1 400 m區(qū)域，對(duì)比1986年，從面積變化來看，2013年耕地面積減少最多，減少面積5 780.93 hm2，減少率為49.76%；林地面積增加最多，增加面積2 098.29 hm2，增加了1.16倍。從變化率來看，農(nóng)村居民點(diǎn)面積增加比例最大，增加了12.06倍，增加面積871.03 hm2；耕地面積的減少比例最大。

在海拔>1 400 m區(qū)域，對(duì)比1986年，從面積變化來看，2013年耕地面積減少最多，減少了1 398.60 hm2，減少率為37.81%；排土場面積增加最多，增加了1 195.33 hm2，屬于完全性增加。從變化率來看，農(nóng)村居民點(diǎn)面積增加比例最大，增加了7.37倍，增加面積171.86 hm2；草地面積減少比例最大，減少率為74.66%，減少面積633.08 hm2。

3.1.3 基于海拔的土地利用景觀空間變化

從各級(jí)海拔土地利用景觀類型的空間變化來看，在海拔≤1 200 m區(qū)域，1986—2013年期間土地利用景觀變化不明顯。在海拔1 200—1 300 m區(qū)域，1986—2013年期間耕地明顯減少，林地、草地及損毀土地增加明顯，尤其是工業(yè)場地與露采場。在海拔1 300—1 400 m區(qū)域，1986—2013年期間耕地減少最明顯，主要集中在井坪鎮(zhèn)、榆嶺鄉(xiāng)和下面高鄉(xiāng)，井坪鎮(zhèn)減少的耕地主要轉(zhuǎn)換成城鎮(zhèn)用地、農(nóng)村居民點(diǎn)及損毀土地，尤其是剝離區(qū)，榆嶺鄉(xiāng)和下面高鄉(xiāng)的耕地主要轉(zhuǎn)換成林地。在海拔>1 400 m區(qū)域，1986—2013年期間耕地減少主要集中在井坪鎮(zhèn)和榆嶺鄉(xiāng)，井坪鎮(zhèn)主要轉(zhuǎn)換成排土場，榆嶺鄉(xiāng)主要轉(zhuǎn)換成林地。

3.2 土地利用景觀坡度差異

3.2.1 土地利用景觀坡度分布

從土地利用景觀的坡度分布來看，耕地主要分布在坡度15°以下的區(qū)域，其占耕地總面積的比例達(dá)到85%左右，尤其是坡度≤6°的區(qū)域，其比例達(dá)到50%以上。對(duì)比1986年，2013年耕地面積在坡度≤6°區(qū)域的比例略有減少。林地主要分布在坡度15°以下的區(qū)域，其占林地面積的比例達(dá)到80%以上。對(duì)比1986年，2013年林地面積在坡度≤6°區(qū)域的比例減少近10百分點(diǎn)，而在其他坡度區(qū)域的比例均有所增加。草地主要分布在坡度25°以下的區(qū)域，其占草地面積的比例達(dá)到90%左右。對(duì)比1986年，2013年草地面積在坡度6°—15°區(qū)域的比例減少近10百分點(diǎn)，在坡度>25°區(qū)域的比例有所增加。城鎮(zhèn)用地主要分布在坡度≤6°區(qū)域，其占城鎮(zhèn)用地總面積的比例達(dá)到90%以上。對(duì)比1986年，2013年城鎮(zhèn)用地面積在坡度≤6°區(qū)域的比例略有增加。農(nóng)村居民點(diǎn)主要分布在坡度≤6°的區(qū)域，其占農(nóng)村居民點(diǎn)總面積的比例達(dá)65%以上。露采場、剝離區(qū)、排土場、工業(yè)場地主要分布在15°以下區(qū)域，尤其是坡度≤6°的區(qū)域有大量分布。交通用地主要分布在坡度≤6°的區(qū)域，其占交通用地總面積的比例達(dá)60%以上。

3.2.2 基于坡度的土地利用景觀數(shù)量變化

在坡度≤6°區(qū)域，對(duì)比1986年，從面積變化來看，2013年林地面積增加最多，共增加977.52 hm2，增加率為35.36%；減少面積最多的是耕地，減少4 942.35 hm2，減少率為46.01%。從變化率來看，農(nóng)村居民點(diǎn)面積增加比例最大，增加了10.88倍，增加面積為879.87 hm2；耕地是減少比例最大的景觀類型。

在坡度6°—15°區(qū)域，對(duì)比1986年，從面積變化來看，2013年林地面積增加最多，其增加面積為1 221.71 hm2，增加率為78.92%；減少面積最多的是耕地，減少面積為3 061.84 hm2，減少率為44.06%。從變化率來看，農(nóng)村居民點(diǎn)面積增加比例最大，增加了10.64倍，增加面積為339.45 hm2；草地面積減少比例最大，減少率為48.31%，減少面積為1 232.60 hm2。

在坡度15°—25°區(qū)域，對(duì)比1986年，從面積變化來看，2013年林地面積增加最多，其增加面積為621.20 hm2，增加了1.70倍；耕地面積減少最多，其減少面積為816.25 hm2，減少率為43.40%。從變化率來看，農(nóng)村居民點(diǎn)面積增加比例最大，增加了14.48倍，增加面積為40.77 hm2；耕地是減少比例最大的景觀類型。

在坡度>25°區(qū)域，對(duì)比1986年，從面積變化來看，2013年林地面積增加最多，其增加面積為240.24 hm2，增加了3.03倍；耕地面積減少最多，其減少面積為70.64 hm2，減少率為18.23%。從變化率來看，農(nóng)村居民點(diǎn)面積增加比例最大，增加了12.19倍，增加面積為11.48 hm2；城鎮(zhèn)用地面積減少比例最大，減少率為62.96%，減少面積為0.06 hm2。

3.2.3 基于坡度的土地利用景觀空間變化

從各坡度土地利用景觀類型的空間變化來看，在坡度15°以下區(qū)域，1986—2013年期間土地利用景觀變化明顯，尤其是坡度≤6°區(qū)域。在坡度≤6°區(qū)域，城鎮(zhèn)用地、農(nóng)村居民點(diǎn)、損毀土地增加明顯，尤其是損毀土地中的工業(yè)場地和排土場，其增加主要以占用耕地為主，主要集中在井坪鎮(zhèn)。在坡度6°—15°區(qū)域，損毀土地、林地、農(nóng)村居民點(diǎn)增加明顯。損毀土地增加主要集中在井坪鎮(zhèn)，林地增加主要集中在榆嶺鄉(xiāng)，農(nóng)村居民點(diǎn)增加主要集中在陶村鄉(xiāng)。土地利用景觀類型在坡度15°以上區(qū)域變化不是很明顯，以草地向損毀土地和林地轉(zhuǎn)換為主。

3.3 土地利用景觀坡向差異

3.3.1 土地利用景觀坡向分布

從土地利用景觀的坡向分布來看，耕地與林地的坡向分布比較類似，1986年和2013年4個(gè)坡向的面積比例均在20%以上，并且陰坡和陽坡的面積比例略高于其他坡向。對(duì)比1986年，2013年耕地、林地在陰坡與半陰坡的面積比例略有增加，而在陽坡與半陽坡的面積比例有所減少。草地主要分布在陽坡，1986年草地在陽坡的面積比例達(dá)到30%，2013年在陽坡的面積比例增加至40%左右，在半陽坡的面積比例也略有增加，而在陰坡的面積比例減少10百分點(diǎn)以上。城鎮(zhèn)用地在1986年主要分布在半陽坡和陽坡，其面積的比例均在30%以上，而2013年主要分布在陰坡、半陰坡和半陽坡。對(duì)比1986年，2013年陰坡城鎮(zhèn)用地面積的比例增長最大，增長近20百分點(diǎn)，而陽坡城鎮(zhèn)用地面積的比例減少最大，減少近15%。農(nóng)村居民點(diǎn)主要分布在陽坡，1986年陽坡農(nóng)村居民點(diǎn)面積的比例達(dá)到40%以上，2013年其比例有所減少。露采場、剝離區(qū)、排土場在各坡向的比例均在20%以上。工業(yè)場地主要分布在陽坡和半陽坡。交通用地在1986年主要分布在陽坡，其面積比例接近35%，在2013年陽坡的面積比例有所減少，陰坡、半陰坡、半陽坡的面積比例均有增長，達(dá)到20%以上。

3.3.2 基于坡向的土地利用景觀數(shù)量變化

在陰坡處，對(duì)比1986年，從面積變化來看，2013年林地面積增加最多，共增加932.60 hm2，增加率為83.97%；減少面積最多的是耕地，減少1 007.39 hm2，減少率為24.01%。從變化率來看，城鎮(zhèn)用地面積增加比例最大，增加了188.21倍，增加187.80 hm2；草地面積減少比例最大，減少率為65.18%，共減少977.08 hm2。

在半陰坡處，從面積變化來看，2013年林地面積增加最多，共增加832.51 hm2，增加了1.05倍；減少面積最多的是耕地，共減少975.24 hm2，減少率為29.62%。從變化率來看，城鎮(zhèn)用地面積增加比例最大，增加了70.52倍，共增加148.78 hm2；草地面積減少比例最大，減少率為36.96%，共減少415.37 hm2。

在陽坡處，從面積變化來看，2013年林地面積增加最多，共增加709.04 hm2，增加率為61.71%；減少面積最多的是耕地，共減少2 263.95 hm2，減少率為49.36%。從變化率來看，城鎮(zhèn)用地面積增加比例最大，增加了30.27倍，共增加90.32 hm2；耕地面積減少比例最大。

在半陽坡處，從面積變化來看，2013年林地面積增加最大，共增加669.13 hm2，增加率為70.65%；減少面積最多的是耕地，共減少1 354.86 hm2，減少率為37.71%。從變化率來看，城鎮(zhèn)用地面積增加比例最大，增加了47.12倍，共增加157.24 hm2；耕地面積減少比例最大。

3.3.2 基于坡向的土地利用景觀空間變化

從各坡向土地利用景觀類型的空間變化來看，各個(gè)坡向在1986—2013年期間土地利用景觀變化均比較明顯，主要是耕地、草地向城鎮(zhèn)用地、林地和損毀土地轉(zhuǎn)換。耕地向城鎮(zhèn)用地和損毀土地轉(zhuǎn)換主要集中在井坪鎮(zhèn)；耕地、草地向林地轉(zhuǎn)換主要集中在榆嶺鄉(xiāng)和下面高鄉(xiāng)。

4 結(jié) 論

(1)海拔1 300—1 400 m是土地利用景觀變化最明顯的區(qū)域。在各級(jí)海拔范圍內(nèi)，耕地面積變化(增加或減少)最大，而農(nóng)村居民點(diǎn)增加的比例最大。耕地的轉(zhuǎn)換在海拔上存在差異，在海拔1 300—1 400 m區(qū)域耕地明顯減少，主要轉(zhuǎn)換成城鎮(zhèn)用地、農(nóng)村居民點(diǎn)及損毀土地；在海拔>1 400 m區(qū)域耕地主要轉(zhuǎn)換成林地。

(2)坡度≤6°區(qū)域是土地利用景觀變化最明顯的區(qū)域。從面積變化來看，在各級(jí)坡度范圍內(nèi)，林地增加的面積最多，耕地減少的面積最多。從變化率來看，農(nóng)村居民點(diǎn)增加的比例最大，耕地、草地減少的比例最大。不同的坡度級(jí)景觀變化存在差異，在坡度15°以下區(qū)域，城鎮(zhèn)用地、農(nóng)村居民點(diǎn)、損毀土地、林地增加明顯，以占用耕地為主；在坡度15°以上區(qū)域，土地利用景觀變化不明顯，以損毀土地和林地占用草地為主。

(3)陽坡是土地利用景觀變化最明顯的區(qū)域。從面積變化來看，在各坡向范圍內(nèi)，林地增加的面積最多，耕地減少的面積最多。從變化率來看，城鎮(zhèn)用地增加的比例最大，耕地、草地減少的比例最大。耕地、草地向城鎮(zhèn)用地、林地和損毀土地轉(zhuǎn)換在各個(gè)坡向均比較明顯。

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(責(zé)任編輯 徐素霞)

2012年山西省科技重大專項(xiàng)項(xiàng)目(20121101007)；中國地質(zhì)調(diào)查局地質(zhì)調(diào)查工作項(xiàng)目(12120113002600)

P901；F301.24

A

1000-0941(2015)05-0053-05

曹銀貴(1982—)，男，湖南常德市人，講師，博士生，主要從事土地利用與復(fù)墾的研究工作；通信作者白中科(1963—)，男，山西運(yùn)城市人，教授，博士生導(dǎo)師，主要從事土地復(fù)墾與生態(tài)重建的研究工作。

2014-10-20