底 亮, 馬友鑫, 李紅梅, 孫燕瓷

(1.中國科學(xué)院 西雙版納熱帶植物園, 云南 昆明 650223; 2.中國科學(xué)院大學(xué), 北京 100049)

流沙河流域土地利用與地形因子的關(guān)系

底 亮1,2, 馬友鑫1, 李紅梅1, 孫燕瓷1,2

(1.中國科學(xué)院 西雙版納熱帶植物園, 云南 昆明 650223; 2.中國科學(xué)院大學(xué), 北京 100049)

摘要：[目的] 以西雙版納傣族自治州的流沙河流域?yàn)槔?，對該流域土地利用與地形因子的關(guān)系進(jìn)行研究，為流域土地利用規(guī)劃提供科學(xué)依據(jù)。 [方法] 采用分布指數(shù)和基于DEM數(shù)據(jù)提取的高程、坡度、坡向，分析該流域1976—2010年各地類在不同地形因子下的分布變化特征。 [結(jié)果] 有林地在較高海拔，較大坡度，北坡區(qū)域占有優(yōu)勢；茶園主要分布在1 200～1 400 m海拔的東坡和南坡，坡度對其分布影響較弱；橡膠園主要分布在水熱條件較好的600～1 000 m海拔,坡度較緩，東坡和南坡區(qū)域；建設(shè)用地主要分布在中低海拔，坡度較緩，無坡向的平地；輪歇地在1 000～1 600 m的東坡和南坡占優(yōu)，坡度對其分布影響較?。凰镏饕植荚谥械秃０?，緩坡，無坡向的平地。 [結(jié)論] 流沙河流域有林地和傳統(tǒng)耕地不斷被開墾為橡膠園和茶園等經(jīng)濟(jì)種植園，橡膠種植有向高海拔、陡坡與北坡發(fā)展趨勢，使有林地分布進(jìn)一步破碎化。為維持該流域生態(tài)穩(wěn)定性，應(yīng)嚴(yán)格控制好經(jīng)濟(jì)作物的種植面積，保護(hù)好現(xiàn)存的熱帶森林。

關(guān)鍵詞：土地利用變化; 分布指數(shù); 流沙河流域

地形因子是各種生態(tài)現(xiàn)象和生態(tài)過程產(chǎn)生的最根本因素[1]，對土地利用的空間形成有一定制約作用[2],是土地利用類型空間分布的重要環(huán)境因子[3-4]。生態(tài)現(xiàn)象最直觀的表現(xiàn)就是土地利用，土地利用的空間分布影響區(qū)域地表徑流過程、非點(diǎn)源污染的產(chǎn)生和植物多樣性等[5-7]，因此開展土地利用與地形因子關(guān)系的研究，有助于發(fā)現(xiàn)土地利用的空間分布規(guī)律及人類活動(dòng)與環(huán)境因子相互關(guān)系。目前這方面的研究還主要集中在一些經(jīng)濟(jì)發(fā)展迅速及生態(tài)環(huán)境脆弱地區(qū)[8-9],對農(nóng)耕文化較濃厚且經(jīng)濟(jì)種植發(fā)展較迅速的區(qū)域關(guān)注不夠。

流沙河流域位于云南省西雙版納傣族自治州勐海縣和景洪市境內(nèi)，流域內(nèi)有典型的農(nóng)田—鄉(xiāng)村聚落—森林—丘陵多樣化景觀，其建立了該流域獨(dú)特的生態(tài)和文化多樣性。近幾十年來，由于橡膠和茶樹的種植，流域的農(nóng)耕文化正在逐漸消失，更多的輪歇地被開墾出來，導(dǎo)致森林被砍伐。該流域近年來受到相關(guān)研究者的重視，主要集中在土地利用變化和河流徑流產(chǎn)沙方面研究，關(guān)于土地利用與地形因子關(guān)系的報(bào)道僅限于更大尺度西雙版納地區(qū)，也僅是單一地形因子與土地利用面積比例的分析[10]。本研究利用3個(gè)時(shí)期的遙感影像與DEM數(shù)據(jù),選擇高程、坡度、坡向和分布指數(shù)，分析地形因子對土地利用分布的影響及土地利用隨地形因子變化的適宜性，為未來土地利用發(fā)展方向提供參考，為流域土地利用規(guī)劃提供科學(xué)依據(jù)。

1研究區(qū)概況

流沙河流域位于云南省西雙版納傣族自治州西部(約100°5′—100°35′E,21°40′—22°06′N)，流域面積約2 067 km2,終年受西南季風(fēng)控制，屬熱帶季風(fēng)氣候，一年中有干季和雨季之分，年均氣溫21.8°C，年均降水量1 492.9 mm,其中80%分布在雨季。流域高差起伏大，最高海拔2 400 m，最低海拔499 m。流域中上游區(qū)域，自古就有滇南“魚米之鄉(xiāng)”之稱，流域壩區(qū)居民以傣族為主，主要耕作傳統(tǒng)水田，居住在山區(qū)的少數(shù)民族主要為布朗族和基諾族，他們在長期的生產(chǎn)活動(dòng)中形成了“刀耕火種”的輪歇耕作方式，近年來由于人口壓力和經(jīng)濟(jì)發(fā)展，新開墾的輪歇地很難再轉(zhuǎn)化為森林，而是被其他土地利用方式所取代。

2研究方法

2.1　數(shù)據(jù)源

根據(jù)該區(qū)1976，1999，2010年3期遙感影像解譯數(shù)據(jù)(1976年影像分辨率為80 m,后兩期影像分辨率為30 m,影像處理和具體解譯、精度評價(jià)方法參考李紅梅研究[11])，本研究將流域劃分為有林地、灌木林地、茶園、橡膠園、荒草地、水田、水澆地、輪歇地、建設(shè)用地、水體和灘涂[11]。1976年為MSS影像，分辨率僅為80，由于當(dāng)時(shí)茶園和建設(shè)用地面積很小導(dǎo)致很難判讀，因此1976年的分類缺省這兩種土地利用類型。限于篇幅，本文主要分析比較有代表性的有林地、茶園、橡膠園、建設(shè)用地和輪歇地和水田。

2.2　研究方法

2.2.1土地利用變化強(qiáng)度指數(shù)為了反映土地利用類型面積的變化幅度，采用土地利用變化強(qiáng)度指數(shù)[12]，其表達(dá)如下:

(1)

式中：P——研究時(shí)段區(qū)域土地利用類型j變化強(qiáng)度指數(shù)；Uaj，Ubj——研究初期與末期土地利用類型j的面積；U——研究區(qū)土地總面積；T——研究末期和初期時(shí)間間隔(a)。

2.2.2地形因子分級將土地利用分類圖轉(zhuǎn)成柵格格式(分辨率為30 m),與DEM數(shù)據(jù)派生的高程、坡度、坡向地形因子進(jìn)行空間疊加，統(tǒng)計(jì)土地利用類型在各地形因子分級的分布指數(shù)。高程、坡度、坡向因子分級[10]為：高程分級為2 000 m以下每200 m為一級，2 000 m以上為一級：<600，600～800，800～1000，1 000～1 200，1 200～1 400，1 400～1 600，1 600～1 800，1 800～2 000和>2 000 m。坡度共分為6級：微坡<5°，較緩坡5°～8°，緩坡8～15°，較陡坡15°～25°，陡坡25°～35°，急陡坡>35°。坡向分為5級：平地(0°)，北坡(0～45°,315°～360°)，東坡(45°～135°)，南坡(135°～225°)，西坡(225°～315°)。

2.2.3分布指數(shù)采用分布指數(shù)描述土地利用類型在各地形因子梯度的分布特征,分布指數(shù)消除了各地形梯度和不同景觀類型面積差異的影響。分布指數(shù)計(jì)算公式[13]為:

Pie=(Sie/Si)/(Se/S)

(2)

式中：Pie——第i種景觀類型在地形因子e上的分布指數(shù):Sie——第i種景觀類型在e地形因子特定分級下的i地類面積；Si——研究區(qū)內(nèi)第i種景觀類型的面積；Se——研究區(qū)內(nèi)e地形因子特定分級下的的總面積；S——整個(gè)研究區(qū)的總面積。分布指數(shù)是一個(gè)標(biāo)準(zhǔn)化、無量綱的指數(shù)，若Pie>1，表示第i種景觀類型在該地形等級下具有優(yōu)勢分布，Pie越大，優(yōu)勢越明顯。反之若Pie<1，表示該地形等級不是該景觀類型的優(yōu)勢分布。

3結(jié)果與分析

3.1　土地利用類型面積、強(qiáng)度變化分析

由表1可以看出，1976—2010年，流域土地利用變化劇烈，主要表現(xiàn)出有林地和水田持續(xù)減少，分別減少43%和69%，輪歇地增長1.6倍以上，橡膠園、茶園和建設(shè)用地增長高達(dá)近3倍以上。從6個(gè)主要地類的變化強(qiáng)度可以看出(表1)，有林地在兩個(gè)時(shí)期變化強(qiáng)度明顯較高，尤其在1976—1999年變化強(qiáng)度顯著大于其他各類，說明在此時(shí)期有林地破壞嚴(yán)重；水田的強(qiáng)度變化值在各時(shí)期均為負(fù)值，說明其面積在不斷減少；輪歇地在兩個(gè)時(shí)期變化強(qiáng)度值明顯較高且均為正值，說明輪歇地被大量開發(fā)；橡膠園和茶園變化強(qiáng)度居中，說明該區(qū)經(jīng)濟(jì)種植業(yè)發(fā)展穩(wěn)定，大量的輪歇地轉(zhuǎn)變?yōu)榻?jīng)濟(jì)種植園，預(yù)示今后該區(qū)經(jīng)濟(jì)種植業(yè)發(fā)展速度加快。

表1　流沙河流域土地利用類型面積比例及變化強(qiáng)度　%

3.2　不同海拔高度土地利用分布特征

圖1顯示了不同海拔土地利用類型分布指數(shù)隨時(shí)間變化的規(guī)律。

從圖1可以看出： (1) 各年份有林地優(yōu)勢分布高程為>1 200 m區(qū)域內(nèi)，此高程以下，分布指數(shù)隨時(shí)間有減小的趨勢，而在之上則相反，說明隨時(shí)間推移，海拔較低區(qū)域森林破壞較嚴(yán)重，高海拔區(qū)域受人類干擾相對較小，以及灌木林地的恢復(fù)，已成為有林地的優(yōu)勢分布地帶； (2) 茶園分布指數(shù)整體上隨著海拔升高呈先增加，隨后降低趨勢，茶園優(yōu)勢地位由1999年的1 800～2 000 m降到2010年的1 200～1 400 m，茶園在高海拔的優(yōu)勢地位喪失； (3) 橡膠園在研究期內(nèi)優(yōu)勢分布區(qū)域沒有變化，主要分布在600～1 000 m區(qū)域內(nèi),但是，由于中低海拔土地利用開發(fā)強(qiáng)度較大，已經(jīng)處于飽和狀態(tài)，橡膠園有向高海拔發(fā)展趨勢； (4) 建設(shè)用地主要分布在600～800 m區(qū)域，而在較高海拔(>800 m)存在隨時(shí)間上升趨勢，說明建設(shè)用地在向中高海拔發(fā)展的趨勢，其主要原因是流域內(nèi)海拔較高的勐海縣城城市化進(jìn)程速度加快所致； (5) 輪歇地分布優(yōu)勢主要出現(xiàn)在1 000～1 600 m范圍； (6) 水田在<600 m 內(nèi)區(qū)域具有明顯優(yōu)勢，而且變化幅度較大，其他高程區(qū)分布指數(shù)變化幅度不大，隨時(shí)間推移，中高海拔水田大部分轉(zhuǎn)變?yōu)楹档睾徒ㄔO(shè)用地。

注：高程分級1.<600 m； 2.600～800 m； 3.800～1 000 m； 4.1 000～1 200 m； 5.1 200～1 400 m； 6.1 400～1 600 m； 7.1 600～1 800 m； 8.1 800～2 000 m； 9.>2 000 m。

圖1各高程梯度上不同土地利用類型的分布指數(shù)

3.3　不同坡度上土地利用分布特征

從圖2可以看出： (1) 有林地分布指數(shù)總體上隨著坡度增加而上升，>8°區(qū)域?yàn)閮?yōu)勢分布，而且隨時(shí)間增加這種優(yōu)勢更加明顯，這可能與退耕還林和森林保護(hù)政策有關(guān)； (2) 總體而言，坡度對茶園的分布優(yōu)勢影響較?。?(3) 橡膠園主要分布在5～15°，在<15°坡地上，隨著時(shí)間增加，橡膠園分布優(yōu)勢降低，但在此坡度以上則相反，說明受土地資源限制，橡膠種植向陡坡地區(qū)發(fā)展； (4) 建設(shè)用地分布指數(shù)整體呈現(xiàn)隨坡度增加而減小的趨勢，其優(yōu)勢分布區(qū)域?yàn)?～2坡度等級范圍，但受到城市化擴(kuò)張，大于8°坡度范圍其分布有增加趨勢。 (5) 輪歇地作為一種過渡土地利用類型，各坡度級上受到不同程度的開發(fā)，總體分布受坡度的約束較小，1999和2010年大于25°分布有減少趨勢，反映此坡度級退耕還林活動(dòng)開展較好。 (6) 各年份水田分布指數(shù)在坡度上分布較為一致，呈現(xiàn)隨坡度等級增加而降低的趨勢，在小于5°坡度區(qū)域內(nèi)分布優(yōu)勢尤為明顯，這是因?yàn)閲业霓r(nóng)業(yè)用地的保護(hù)政策，水田在<5°的優(yōu)勢地位始終沒有改變。

3.4　不同坡向土地利用分布特征

圖3顯示了不同坡向土地利用類型分布指數(shù)隨時(shí)間的變化規(guī)律。從圖3可以看出： (1) 北坡是有林地的優(yōu)勢分布區(qū)域，尤其在1999年最明顯，隨時(shí)間變化，坡向?qū)τ辛值胤植嫉南拗朴薪档挖厔荩?(2) 東坡和南坡是茶園的優(yōu)勢分布區(qū)域，并且隨時(shí)間變化，茶園在這兩個(gè)坡向的分布優(yōu)勢有增強(qiáng)的趨勢； (3) 1999，2010年橡膠園在北坡分布指數(shù)較1976年有明顯抬升，受到經(jīng)濟(jì)利益的驅(qū)使，水熱條件較差的北坡也大量種植橡膠，總體來看，東坡是其優(yōu)勢分布區(qū)域，橡膠種植對坡向的選擇減弱； (4) 建設(shè)用地主要分布在平地，其次在西坡，熱量相對不充足的北坡不具有分布優(yōu)勢； (5) 輪歇地主要分布在東坡和南坡，其在平地分布隨時(shí)間增加而增加； (6) 水田主要分布在平地，與坡向關(guān)系不明顯。

圖2　各坡度梯度上不同土地利用類型的分布指數(shù)

4結(jié)論與討論

流沙河流域土地利用空間格局逐漸發(fā)展為隨海拔增加“水田—橡膠(茶園)—輪歇地—有林地”逐漸占優(yōu)的格局[10]。與人類生產(chǎn)活動(dòng)較密切的土地利用類型，如水田、橡膠園主要分布在坡度較緩的區(qū)域，坡度越大，有林地受到破壞越小。有林地在北坡占優(yōu)，東坡是橡膠園優(yōu)勢分布區(qū)域，且有向北坡發(fā)展趨勢，水田和建設(shè)用地在平地上占有優(yōu)勢。

流沙河流域橡膠園和茶園的擴(kuò)張，使熱帶森林持續(xù)遭到破壞，有林地景觀破碎化嚴(yán)重[14]，同時(shí)也使流域內(nèi)傳統(tǒng)的、小尺度的耕作行為發(fā)生終止，破壞了該區(qū)域的物種多樣性和供物種繁衍的自然生境[15]。輪歇地作為一種過渡的土地利用類型，大多由熱帶森林砍伐而來，之后又轉(zhuǎn)移成和人類生產(chǎn)活動(dòng)密切的土地類型，這種轉(zhuǎn)化使熱帶森林很難再恢復(fù)，影響該區(qū)域自然生態(tài)系統(tǒng)的完整性。大量研究[16-18]也顯示西雙版納地區(qū)橡膠園替代為熱帶森林后，使局地氣候發(fā)生改變，土壤退化和河流水環(huán)境污染。以上分析表明，應(yīng)嚴(yán)格控制好經(jīng)濟(jì)作物的種植面積，保護(hù)好現(xiàn)存的熱帶森林，考慮對高海拔和陡坡區(qū)域種植經(jīng)濟(jì)作物的土地恢復(fù)為有林地。

圖3　各坡向梯度上不同土地利用類型的分布指數(shù)

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Relationship Between Land Use and Topographic Factors in Liushahe Watershed

DI Liang1,2, MA Youxin1, LI Hongmei1, SUN Yanci1,2

(1.XishuangbannaTropicalBotanicalGarden,ChineseAcademyofSciences,Kunming,Yunnan650223,China. 2.UniversityofChineseAcademyofSciences,Beijing100049,China)

Abstract：[Objective] Taking Liushahe watershed in Xishuangbanna Dai Automomous Prefecture as a case study area, this study tries to investigate the relationship between land use and topography factors in order to provide scientific support for land use planning. [Methods] We extracted elevation, slope and aspect from DEM data, combined with distribution index, we then analyzed the relationships between land use distribution and topography factors from 1976 to 2010. [Results] Forest was dominant in higher elevations, steeper slope and north-facing aspects; Tea garden mainly distributed in elevation between 1 200 and 1 400 m on east and south-facing aspects，and the slope had weak effect on the distribution of tea garden; Rubber plantation mainly distributed at elevation of 600~1 000 m on gentle slopes in east-facing and south-facing aspects with better hydrothermal conditions; Construction land was mainly located in the area at low altitude with flat and gentle slopes; Rotation land mainly distributed at elevation of 1 000~1 600 m, and had a maximum percentage in east-facing and south-facing slopes, and the slope had little restraints on the distribution of rotation land; Paddy field mainly distributed in the area with low altitude, flat and gentle slopes. [Conclusion] Forest and traditional tillage has been reclaimed for rubber plantation and tea garden, and rubber plantation continuously expands to higher and steeper areas and in north-facing aspect.As a result, the forest has been fragmented. Therefore, the expansion of rubber plantations into forest must be controlled to ensure the ecological stability of the watersheds in this region.

Keywords:land use change; distribution index; Liushahe watershed

文獻(xiàn)標(biāo)識碼：A

文章編號：1000-288X(2015)06-0296-05

中圖分類號：Q149

通信作者：馬友鑫(1960—),男(漢族),遼寧省阜蒙縣,博士,研究員,主要從事景觀生態(tài)學(xué)方面的研究。E-mail:may@xtbg.ac.cn。

收稿日期：2014-02-26修回日期：2014-03-26

資助項(xiàng)目：中國科學(xué)院戰(zhàn)略性先導(dǎo)科技專項(xiàng)“應(yīng)對氣候變化的碳收支認(rèn)證及相關(guān)問題”(XDA05050206)

第一作者：底亮(1988—),男(回族),寧夏自治區(qū)石嘴山市人,碩士研究生,研究方向?yàn)榱饔蛲恋乩米兓c水環(huán)境評價(jià)。E-mail:dibaiys@163.com。