楊育麗， 馬明國，周兆葉

(1.中國科學院 西北生態(tài)環(huán)境資源研究院，甘肅 蘭州 730000； 2.蘭州理工大學 土木工程學院，甘肅 蘭州 730050；3.中國科學院大學，北京 100049；4.西南大學 地理科學學院，重慶 400715))

引用著錄：楊育麗，馬明國，周兆葉，等.基于地形梯度的山地流域土地利用格局及時空演變研究—以云南小江流域為例[J].測繪工程，2017，26(12)：8-16.

DOI:10.19349/j.cnki.issn1006-7949.2017.12.002

基于地形梯度的山地流域土地利用格局及時空演變研究—以云南小江流域為例

楊育麗1，2，3， 馬明國4，周兆葉2

(1.中國科學院 西北生態(tài)環(huán)境資源研究院，甘肅 蘭州 730000； 2.蘭州理工大學 土木工程學院，甘肅 蘭州 730050；3.中國科學院大學，北京 100049；4.西南大學 地理科學學院，重慶 400715))

地形差異是山區(qū)土地利用結構和空間格局分異的重要影響因素，云南小江流域作為典型山地流域的代表，針對其土地利用結構不合理導致生態(tài)環(huán)境惡化的問題，文中提出利用小江流域1990、2000、2010年三期土地利用數據，采用GIS空間分析技術，在簡要分析土地利用宏觀總體格局及變化的基礎上，分析流域4大垂直帶譜的土地利用格局，并分析驅動因素。重點從高程和坡度兩個因子分析流域土地利用格局及演變的地形梯度特征，得出土地利用變化所在的各地形梯度位置范圍，可為小江流域土地利用結構優(yōu)化、土地資源合理利用和生態(tài)環(huán)境治理及改善提供重要參考。

小江流域 ；土地利用；地形梯度；垂直帶譜

土地利用變化是表征人類活動對地球陸表自然生態(tài)系統(tǒng)影響最直接的信號[1]，是人類活動與自然環(huán)境相互作用最直接的表現形式[2-4]，自20世紀90年代以來，逐漸成為全球環(huán)境變化和可持續(xù)發(fā)展研究的核心[5-6]。地形是山區(qū)土地利用空間分布格局的重要影響因素之一[7]，在一定程度上決定著土地利用的方向[8-9]，對土地利用方式和空間格局有著直接作用[10]。國內外學者選取高程、坡度、坡向、地形起伏度等因子分析地形對土地利用的影響[11]，并將高程和坡度綜合為地形位指數揭示土地利用變化的地形梯度特征[12-14]。在已有研究中，以流域為尺度的研究主要集中在丘陵、平原地區(qū)，對山地流域的研究相對較少。研究山地流域土地利用格局及變化的地形梯度特征，對于土地利用結構優(yōu)化及生態(tài)環(huán)境保護具有重要意義。

云南小江流域作為橫斷山區(qū)的典型山地流域，流域內山高坡陡、地形高差懸殊較大，氣候、水文、植被、土壤、土地利用等在垂直方向上分異明顯，地形梯度特征明顯。土地利用不合理導致水土流失嚴重，泥石流頻繁，生態(tài)環(huán)境退化嚴重，因此基于地形梯度對其土地利用格局及時空演變進行研究具有重要生態(tài)意義。本文利用遙感解譯和GIS空間分析技術，在簡要分析該流域土地利用總體宏觀格局及變化的基礎上，對以植被類型劃分的4大垂直帶譜進行土地利用格局研究，并分析驅動因素；重點基于地形梯度選取高程、坡度兩個表征區(qū)域地形特征的指標，分析1990—2010年云南小江流域土地利用格局及時空演變的地形梯度特征，以期為區(qū)域土地利用結構優(yōu)化、生態(tài)環(huán)境保護建設及社會經濟可持續(xù)發(fā)展提供重要參考。

1 研究方法

1.1 研究區(qū)概況

小江流域位于云南省東北部(102°52′～103°22′E, 25°32′～26°35′N)，發(fā)源于滇東北高原的清水海，自南而北流經尋甸縣、昆明市東川區(qū)和會澤縣注入金沙江，主溝長141.93 km，流域面積3 063 km2，如圖1所示。

流域處于小江深大斷裂帶，海拔高差巨大，最高海拔4 289 m，最低海拔691 m，小江流域人類活動較為劇烈，坡耕地比例較高，目前大于25°坡耕地比例占耕地總面積的23%。小江流域地處橫斷山東部邊緣云貴高原與川西南山地的過渡地帶，地質構造復雜，地震活動頻繁，該流域山高坡陡、切割強烈、地形高差懸殊，氣候、水文、植被、土壤、土地利用等在垂直方向上分異明顯，變化復雜，同時因長期生態(tài)環(huán)境破壞，生態(tài)環(huán)境退化嚴重。小江流域具有植被覆蓋度低、地形起伏大、多暴雨等特點，加之土地利用不合理導致水土流失嚴重，泥石流頻繁，目前泥石流溝流域面積已達1 878.58 km2，占小江流域總面積的61.73%[15]，也是我國水土流失極為嚴重的區(qū)域之一。

圖1 小江流域2010年土地利用圖及區(qū)位圖

1.2 數據源

本文用到的基礎數據是橫斷山區(qū)土地利用數據、小江流域邊界數據和DEM數據，小江流域土地利用數據由橫斷山區(qū)土地利用數據裁剪獲得。

1)橫斷山區(qū)土地利用數據。數據來自中科院地理所國家重點基礎研究973計劃項目“山區(qū)國土空間功能優(yōu)化與調控對策”， 數據統(tǒng)一采用Krasovsky_1940_Albers投影坐標系統(tǒng)。

橫斷山區(qū)土地利用數據是基于1990年、2000年和2010年TM影像、30 m DEM、Google高分影像、部分土地利用數據，根據建立的各地類遙感影像解譯標志用監(jiān)督分類法進行目視解譯和更新而獲得。三期1∶10萬土地利用數據采用中科院地理所最新土地資源分類系統(tǒng)，將土地利用數據分為耕地、林地、草地、水域、城鄉(xiāng)工礦和居民建設用地，未利用土地6大類，分類精度78%以上，解譯精度可以滿足研究需要。

2)小江流域土地利用數據。由解譯的橫斷山區(qū)1990年、2000年和2010年三期1∶10萬土地利用數據，用小江流域邊界數據裁剪獲得。

3)DEM數據。DEM數據來源于地球系統(tǒng)科學數據共享平臺，空間分辨率為30 m。

1.3 分析方法

在ArcGIS 10.2環(huán)境下首先將遙感解譯所獲得的小江流域土地利用數據的同類型二級地類進行融合，然后將融合后的二級地類再融合為一級地類的6大類，共分為耕地、林地、草地、水域、城鄉(xiāng)、工礦、居民建設用地，未利用土地6大類。

將小江流域DEM數據每隔100 m高程進行重分類，將重分類后的DEM數據與小江流域各時期土地利用數據進行疊加求交運算，分別統(tǒng)計出3個時期各高程范圍內的土地利用面積情況。

將小江流域DEM數據用slope工具生成坡度數據，每隔50對坡度數據進行重分類，將重分類后的坡度數據與小江流域各時期土地利用數據進行疊加求交運算，分別統(tǒng)計出3個時期各坡度范圍內的土地利用情況。

2 基于地形梯度的云南小江流域土地利用格局及變化分析

2.1 土地利用總體格局及變化分析

通過統(tǒng)計小江流域土地利用類型的面積及百分比，總體上分析小江流域各土地類型面積及變化。表1為1990—2010年小江流域三期土地利用類型面積及比例表；圖2為2010年土地利用類型面積比率圖;圖3為三期土地利用面積柱狀圖。

表1 小江流域土地利用類型面積及比例

圖2 2010年小江流域土地利用類型比率

圖3 1990—2010年三期土地利用類型面積

2.1.1 土地利用格局分析

從圖2分析2010年土地利用類型所占比例可知，小江流域的主要土地類型以耕地、林地、草地為主，3種地類共占整個流域總面積的95%，水域、未利用地和建設用地共占整個流域面積的5%，所占整個流域面積的比例較小。其中草地所占面積比例最大，占45.5%，建設用地所占比例最小，僅占0.8%，各地類所占面積的比例順序為：草地>林地>耕地>水域>未利用地>建設用地。從1990—2010年，各地類土地利用面積如圖3所示。從圖中各時期土地利用總體格局來看，各地類所占總流域面積百分比的大小順序關系各時期是完全一致的。

2.1.2 總體土地利用變化分析

在ArcGIS 10.2環(huán)境下，用tabulate area工具，可以得出1990—2000年、2000—2010年、1990—2010年3個時期的土地利用變化轉移矩陣，如表2、表3和表4所示。

表2 1990—2000年土地利用轉移矩陣 km2

從表2可分析出，1990—2000年期間，耕地面積增加，增加的耕地面積主要是由草地轉入的，有200.35 km2的大面積草地轉為耕地，還有小部分未利用地和林地也轉為耕地，是由于為了緩解人口增長而造成的糧食壓力，大面積草地、林地、水域被開墾為耕地做生活保障；林地面積減少，減少的林地面積主要轉為草地，有55.21 km2的林地轉為草地；草地面積減少，是由于草地主要轉為耕地，少量草地轉為未利用地，主要是因為局部生態(tài)環(huán)境惡化造成；水域面積也減少，減少的水域面積主要轉化為耕地，有一部分轉化為少量草地，主要是開墾河灘地造成的。建設用地增加，增加的建設用地主要通過占用耕地得到的，是由于此期間社會經濟發(fā)展，城鎮(zhèn)的擴張和人口的增長需要增加建設用地做保障。未利用地面積減少，主要被轉變?yōu)楦睾筒莸亍?/p>

表3 2000—2010年轉移矩陣 km2

從表3可分析得出，2000—2010年期間，耕地面積減小，耕地主要轉變?yōu)椴莸睾土值?，是由于國家“退耕還林”政策的實施，有部分耕地轉為建設用地，是由于經濟發(fā)展、城鎮(zhèn)擴張和人口增長所致；林地面積增加，主要是由耕地和草地轉入的；草地面積也在增加，主要是由耕地和未利用地轉入的，這是由于國家“退耕還林還草”政策和政府注重改善生態(tài)環(huán)境政策所致。水域面積減少，主要是轉為草地。建設用地的面積在增加，主要是由耕地和草地轉入的，增加建設用地占用了耕地和草地；未利用地面積減少，主要轉變?yōu)椴莸亍?/p>

從表4分析可知，1990—2010年20年期間，耕地面積總量增加，主要是由草地轉入的；林地面積增加，主要是由耕地、草地、未利用地轉化來的；草地面積減少，主要轉為耕地；水域面積減少，主要轉為耕地和草地；建設用地增加，主要是占用耕地和草地得到的，是由于人口增長所帶來的居住和基礎設施需求占用了大量耕地和草地；水域面積減少，主要轉化為少量耕地和草地；未利用地減少，主要被開墾為林地和草地，是由于政府出于保護生態(tài)環(huán)境的目的，以緩解生態(tài)環(huán)境的惡化，20年間各地類總體上面積變化幅度不大。

表4 1990—2010年轉移矩陣 km2

通過以上分析可得：小江流域地類以耕地、林地、草地為主，建設用地、水域和未利用地所占面積比例較小。1990—2010年20年間，耕地、林地和建設用地增加，草地、水域和未利用地減少。各地類變化規(guī)律為：耕地面積先增加后減少，林地和草地面積先減少后增加，水域和未利用地面積持續(xù)減少，建設用地持續(xù)增加。

2.2 小江流域4大垂直帶譜土地利用格局分析

小江流域地勢高差巨大, 最大高差3 649 m，因此氣候、植被、土壤、土地利用等在空間垂直方向分異明顯。根據植被的垂直分異性將小江流域劃分為4個垂直帶譜，海拔1 600 m以下的河谷為干熱河谷稀樹草叢帶；1 600～2 800 m的山地為山地常綠闊葉林與針葉林帶，植物種類豐富，群落類型復雜；2 800～3 300 m山地為亞高山針葉林帶；海拔3 300 m以上山地為高山灌叢草甸帶，植被為耐旱的矮小灌叢和草本。小江流域4大垂直帶譜如圖4所示，各帶譜圖中綠色區(qū)域為各垂直帶譜所占區(qū)域。

圖4 小江流域4大垂直帶譜圖

4大垂直帶譜各地類的面積和比例如表5所示。在垂直帶譜中，其中1表示干熱河谷帶，2代表山地常綠闊葉林和針葉林帶，3代表亞高山針葉林帶，4代表高山灌叢草甸帶。

從表5可知，山地常綠闊葉林帶與針葉林帶占整個流域面積比例最大，占72.2%,其次是干熱河谷帶、亞高山針葉帶和高山草甸帶。耕地主要分布于前3個垂直帶，高山草甸帶耕地極少；林地和草地在4個垂直帶都有分布，水域和建設用地只分布于干熱河谷帶和山地常綠闊葉林帶，這兩種地類在亞高山針葉林和高山草甸帶幾乎沒有分布；未利用地在4個垂直帶都有分布。

從表5中也可以分析出各垂直帶譜的土地利用類型格局。

表5 小江流域2010年4大垂直帶譜面積和比例

干熱河谷帶占整個流域面積的14.57%，從表中可以分析得出，干熱河谷帶6種地類齊全，草地所占比例最大，占本帶譜面積的53.3%，耕地、水域、草地次之，建設用地和未利用地所占比例最小。山地常綠闊葉林和針葉林帶占整個流域面積的72.2%，該帶譜耕地、林地、草地3種地類約占整個帶譜面積的97.5%，3種地類所占該帶譜面積比例順序為：草地>林地>耕地；水域、建設用地和未利用地所占帶譜面積比例很小，共約占1.5%。

亞高山針葉林帶占整個流域總面積的9.6%，該帶譜也主要由草地、林地、耕地組成，面積順序：草地>林地>耕地。由于海拔高，水域已經不存在，建設用地由于后來人口的搬遷駐扎，僅占0.07%。

高山灌叢草甸帶占整個流域面積的3.6%，該帶譜主要由草地、林地和未利用地組成，3種地類共占總流域面積的99.5%，草地所占面積最大，約占該帶譜面積的62.2%。耕地所占面積最小，僅占該帶譜面積的0.42%。由于處于海拔最高帶，所以建設用地和水域完全不存在。地類面積順序關系為：草地>未利用地>林地>耕地.

4大垂直帶譜土地利用類型的垂直分布格局為：耕地在高海拔的高山灌叢草甸帶分布很少，主要分布于前3個垂直帶；林地和草地在4個垂直帶都有分布；水域和建設用地主要分布于前兩個海拔低的垂直帶，在后兩個海拔高的垂直帶上沒有分布；未利用地在各垂直帶譜都有分布，但比例較小。

2.3 基于地形梯度—海拔高程因子的土地利用格局及變化分析

小江流域海拔高差巨大，最高海拔4 289 m，最低海拔691 m，由于氣候、植被、土壤存在垂直異質性，所以土地利用在空間垂直方向上也分異明顯，存在垂直方向上的空間異質性。本文分析了小江流域海拔高程每隔100 m的較小垂直帶上3個時期各地類的土地利用面積情況，以分析土地利用在垂直方向上的空間格局,圖5為1990年、2000年、2010年3個時期土地類型隨海拔高程的變化曲線圖。

2.3.1 垂直方向基于地形梯度—海拔高程因子的土地利用格局分析

分析圖5較近時期2010年每隔100 m高程范圍內各土地利用類型隨海拔高程的面積變化情況。分析可得:建設用地和水域主要分布在低海拔區(qū)域；耕地主要分布在高程1 100～3 100 m的范圍，耕地面積在1 100～2 200 m是增加的，在2 200～3 100 m高程范圍內是減少的，3 100 m以上耕地面積幾乎接近0；林地在1 300～2 300 m范圍是逐漸增加的，在2 300～3 600 m范圍內是逐漸減少的；草地分布的高程范圍較寬，草地增加位于高程700～2 300 m的范圍，2 700～3 900 m草地面積逐漸減少。水域在低海拔處面積分布較大，在2 300 m以上面積幾乎為0；建設用地也在低海拔處分布面積較大，在2 500 m以上建設用地幾乎不存在；未利用地分布的高程范圍較廣，在海拔3 300～4 100 m分布最多。

分析可得，土地利用類型在高程上的分布格局為：耕地在高海拔處分布較少，低海拔處分布較多；林地和草地從低海拔到高海拔處都有分布；水域和建設用地主要分布于低海拔處，在高海拔處幾乎沒有分布；未利用地在各垂直帶譜都有分布，但比例較小。

2.3.2 1990—2010年垂直方向基于海拔高程的土地利用變化分析

從圖5中分析可知：1990—2000年，耕地面積的增加主要位于1 500～1900 m，2000—2010年，耕地面積的減少主要位于1 500～1 900 m和2 000～2 400 m。1990—2010年期間，三期林地曲線幾乎是重合的，所以垂直方向上的分布變化不明顯。

圖5 1990—2010年土地類型隨海拔高程變化

1990—2000年，草地面積減小區(qū)域主要位于1 600～2 400 m,2000—2010年，草地面積增加區(qū)域也主要位于1 600～2 400 m；20年間草地面積在1 600～2 400 m范圍內先減少后增加。1990—2010年，水域面積減少在1 300～1 700 m,建設用地的增加位于1 200～1 600 m和2 100～2 300 m;未利用地的減少位于1 900～3 500 m。

分析可得，在海拔高程梯度上，20年間，耕地面積在高程1 500～1 900 m先增加后減少，林地分布沒有變化，草地面積在高程1 600～2 400 m先減少后增加，水域面積在1 300～1 700 m減少,建設用地的增加位于1 200～1 600 m和2 100～2 300 m;未利用地的減少位于1 900～3 500 m。

2.4 基于地形梯度—坡度因子的土地利用格局及變化分析

小江流域海拔高差巨大，土地利用在地形梯度上存在的空間異質性不僅表現在海拔高程上，也表現在坡度上，土地利用隨坡度的變化也存在空間異質性。本文也統(tǒng)計了小江流域坡度每隔5°的較小垂直帶上各地類的土地利用面積情況，以分析土地利用在地形梯度上的格局分布及變化，圖6為1990—2010年各地類面積隨坡度變化的曲線圖。

2.4.1 小江流域土地利用的坡度格局分析

分析圖6較近時期2010年土地類型隨坡度變化的曲線圖。從圖中分析可得，耕地在坡度0°～10°范圍逐漸增加，5°～10°分布最多，大于10°時，耕地隨著坡度的增加而逐漸減少；林地在0°～20°范圍逐漸增加，10°～20°分布面積最大，大于20°時，林地隨著坡度的增加而逐漸減少；草地面積在0°～15°范圍逐漸增加，大于15°時，草地隨著坡度的增加而逐漸減少，在10°～20°范圍，草地分布面積達到最大。

圖6 1990—2010年土地類型隨坡度變化

水域面積在0°～5°分布最多，大于5°時，水域面積隨著坡度的增加而逐漸減少，水域面積主要分布在0°～20°的坡度范圍內。建設用地在5°～10°范圍內分布最多，大于10°時，建設用地面積隨坡度的增加而逐漸減少，建設用地主要分布在0°～15°的范圍；未利用地在0°～25°逐漸增大，20°～25°分布最多，大于25°時，未利用地隨著坡度的增加而逐漸減少。

總之，建設用地和水域分布在坡度較小的區(qū)域，草地和林地分布的坡度范圍較大，耕地主要分布在小于30°的坡度范圍，且隨著坡度的增加而減少，在坡度較大的地區(qū)分布較少；水域和建設用地分布于坡度較小的區(qū)域，未利用地分布的坡度范圍也較大，但所占面積比例較小。

2.4.2 1990—2010年土地利用變化隨坡度變化的分析

圖6為1990—2010年各地類面積隨坡度變化的曲線圖，從圖中可以分析得出：

1990—2010年，3個時期耕地面積的最大值都出現在5°～10°范圍;1990—2000年，耕地面積的增大在0°～30°坡度范圍都有體現;2000—2010年，耕地面積的減小在0°～40°都有體現。林地面積三期曲線基本重合，說明林地分布變化不大，2000—2010年，林地面積在坡度10°～25°少量增加。

1990—2000年，草地面積在5°～20°減少，2000—2010年，草地面積在10°～30°增加，坡度大于30°的草地面積在3個時期內基本沒有變化。水域面積在0°～15°3個時期內基本無變化，1990—2010年，水域面積少量減少主要位于15°～30°，但面積分布很小。

建設用地在1990—2010年3個時期內面積最大值都出現在5°～10°范圍，且一直在增加，在0°～10°面積增加最大；未利用地面積3個時期的最大值都位于坡度20°～25°的區(qū)域，1990—2010年未利用地面積一直都在減小，1990—2000年，未利用地在0°～50°都有減少，2000—2010年，未利用地的減少位于10°～30°。

從以上分析可得：1990—2010年，在坡度梯度上，耕地面積在0°～30°先增加后減少，20年間林地的分布基本沒有變化；草地在10°～20°范圍先減少，后增加；水域面積在0°～15°基本無變化，分布于15°～30°間的少量水域面積減少；未利用地面積在10°～35°減少。

3 結束語

地形差異是山區(qū)土地利用結構和空間格局分異的重要影響因子，國內外在土地利用時空格局研究方面，關于土地垂直異質性研究較少，而在以流域為尺度的土地利用變化研究中，山地流域研究較少。

小江流域地形垂直分異性顯著，針對其土地利用不合理造成生態(tài)環(huán)境惡化的問題，本文以小江流域作為典型山地流域土地利用格局及演變的研究區(qū)，在簡要分析土地利用宏觀總體格局及變化的基礎上，對流域以植被類型劃分的4大垂直帶譜也分別進行土地利用空間格局分析，重點基于高程和坡度兩個地形梯度因子對流域土地利用格局及時空演變進行分析，得出小江流域土地利用分布格局的地形梯度特征和各土地類型發(fā)生變化所在的地形梯度位置范圍，可便于當地政府在此基礎上進一步調查，深入分析土地利用時空演變的驅動原因，并為土地利用優(yōu)化提供決策。此研究可為小江流域的土地利用結構優(yōu)化、土地資源合理利用及生態(tài)環(huán)境建設提供重要參考。

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[14] 梁發(fā)超，劉黎明．基于地形梯度的土地利用類型分布特征分析：以湖南省瀏陽市為例[J]．資源科學, 2010,32(11):2138-2144.

[15] 賈松偉.小江流域土地利用格局變化及驅動因素分析[J]. 河南農業(yè)科學,2012,41(8):72-76.

[責任編輯：張德福]

Researchonlandusepatternsandtemporalandspatialevolutioninmountainouswatershedbasedontopographicgradient—Acasestudyof

XiaojiangbasinYANG Yuli1,2,3, MA Mingguo4, ZHOU Zhaoye2

(1.Northwest Institute of Eco-Environment and Resources, CAS, Lanzhou730000,China; 2.Lanzhou University of Technology, Lanzhou 730050,China;3.University of Chinese Academy of Sciences, Beijing 100049,China;4.School of Geographical Sciences, Southwest University, Chongqing 400715, China)

The terrain difference is an important factor that influences the land use structure and spatial pattern. The Xiaojiang Basin in Yunnan is a typical mountain basin and land use structure is unreasonable in it, which leads to the deterioration of the ecological environment. In this paper, the land use data of 1990, 2000, and 2010 of Xiaojiang river basin are used and the technology of GIS spatial analysis is adopted. First, a brief analysis of land use overall pattern and evolution is made. Then, the land use patterns of four vertical bands of Xiaojiang basin are also analyzed. This paper mainly focuses on the analysis of the land use pattern and temporal and spatial evolution based on two terrain gradient factors of elevation and slope. Last, the terrain gradient characteristics of land use pattern and evolution are obtained, and the terrain gradient positions and ranges of land use temporal and spatial evolution are also obtained, which can provide important reference for optimization of land use structure, rational utilization of land resources and governance and improvement of ecological environment in Xiaojiang basin.

Xiaojiang basin; land use; terrain gradient; vertical bands

P208

A

1006-7949(2017)12-008-09

2017-03-20

國家重點研發(fā)計劃重點專項基金資助項目(2016YFC0500106)；國家科技基礎性工作專項基金資助項目(2014FY210800);甘肅省青年科技基金計劃資助項目(1610RJYA011)；蘭州理工大學建工七七基金資助項目(JK2015-29)

楊育麗(1980-)，女，博士研究生.