基于地形梯度的山地流域土地利用格局及時(shí)空演變研究—以云南小江流域?yàn)槔?/h1>
2017-12-13 01:45:49楊育麗馬明國(guó)周兆葉
測(cè)繪工程 2017年12期 關(guān)鍵詞：耕地
楊育麗， 馬明國(guó)，周兆葉
(1.中國(guó)科學(xué)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(xué) 土木工程學(xué)院，甘肅 蘭州 730050；3.中國(guó)科學(xué)院大學(xué)，北京 100049；4.西南大學(xué) 地理科學(xué)學(xué)院，重慶 400715))
引用著錄：楊育麗，馬明國(guó)，周兆葉，等.基于地形梯度的山地流域土地利用格局及時(shí)空演變研究—以云南小江流域?yàn)槔齕J].測(cè)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(shí)空演變研究—以云南小江流域?yàn)槔?/p>
楊育麗1，2，3， 馬明國(guó)4，周兆葉2
(1.中國(guó)科學(xué)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(xué) 土木工程學(xué)院，甘肅 蘭州 730050；3.中國(guó)科學(xué)院大學(xué)，北京 100049；4.西南大學(xué) 地理科學(xué)學(xué)院，重慶 400715))
地形差異是山區(qū)土地利用結(jié)構(gòu)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(duì)其土地利用結(jié)構(gòu)不合理導(dǎo)致生態(tài)環(huán)境惡化的問(wèn)題，文中提出利用小江流域1990、2000、2010年三期土地利用數(shù)據(jù)，采用GIS空間分析技術(shù)，在簡(jiǎn)要分析土地利用宏觀總體格局及變化的基礎(chǔ)上，分析流域4大垂直帶譜的土地利用格局，并分析驅(qū)動(dòng)因素。重點(diǎn)從高程和坡度兩個(gè)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(jié)構(gòu)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(dòng)對(duì)地球陸表自然生態(tài)系統(tǒng)影響最直接的信號(hào)[1]，是人類活動(dòng)與自然環(huán)境相互作用最直接的表現(xiàn)形式[2-4]，自20世紀(jì)90年代以來(lái)，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(duì)土地利用方式和空間格局有著直接作用[10]。國(guó)內(nèi)外學(xué)者選取高程、坡度、坡向、地形起伏度等因子分析地形對(duì)土地利用的影響[11]，并將高程和坡度綜合為地形位指數(shù)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?yàn)槌叨鹊难芯恐饕性谇鹆?、平原地區(qū)，對(duì)山地流域的研究相對(duì)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(duì)于土地利用結(jié)構(gòu)優(yōu)化及生態(tài)環(huán)境保護(hù)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(nèi)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(dǎo)致水土流失嚴(yán)重，泥石流頻繁，生態(tài)環(huán)境退化嚴(yán)重，因此基于地形梯度對(duì)其土地利用格局及時(shí)空演變進(jìn)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(shù)，在簡(jiǎn)要分析該流域土地利用總體宏觀格局及變化的基礎(chǔ)上，對(duì)以植被類型劃分的4大垂直帶譜進(jìn)行土地利用格局研究，并分析驅(qū)動(dòng)因素；重點(diǎn)基于地形梯度選取高程、坡度兩個(gè)表征區(qū)域地形特征的指標(biāo)，分析1990—2010年云南小江流域土地利用格局及時(shí)空演變的地形梯度特征，以期為區(qū)域土地利用結(jié)構(gòu)優(yōu)化、生態(tài)環(huán)境保護(hù)建設(shè)及社會(huì)經(jīng)濟(jì)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(jīng)尋甸縣、昆明市東川區(qū)和會(huì)澤縣注入金沙江，主溝長(zhǎng)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(dòng)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(guò)渡地帶，地質(zhì)構(gòu)造復(fù)雜，地震活動(dòng)頻繁，該流域山高坡陡、切割強(qiáng)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(fù)雜，同時(shí)因長(zhǎng)期生態(tài)環(huán)境破壞，生態(tài)環(huán)境退化嚴(yán)重。小江流域具有植被覆蓋度低、地形起伏大、多暴雨等特點(diǎn)，加之土地利用不合理導(dǎo)致水土流失嚴(yán)重，泥石流頻繁，目前泥石流溝流域面積已達(dá)1 878.58 km2，占小江流域總面積的61.73%[15]，也是我國(guó)水土流失極為嚴(yán)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(shù)據(jù)源
本文用到的基礎(chǔ)數(shù)據(jù)是橫斷山區(qū)土地利用數(shù)據(jù)、小江流域邊界數(shù)據(jù)和DEM數(shù)據(jù)，小江流域土地利用數(shù)據(jù)由橫斷山區(qū)土地利用數(shù)據(jù)裁剪獲得。
1)橫斷山區(qū)土地利用數(shù)據(jù)。數(shù)據(jù)來(lái)自中科院地理所國(guó)家重點(diǎn)基礎(chǔ)研究973計(jì)劃項(xiàng)目“山區(qū)國(guó)土空間功能優(yōu)化與調(diào)控對(duì)策”， 數(shù)據(jù)統(tǒng)一采用Krasovsky_1940_Albers投影坐標(biāo)系統(tǒng)。
橫斷山區(qū)土地利用數(shù)據(jù)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(shù)據(jù)，根據(jù)建立的各地類遙感影像解譯標(biāo)志用監(jiān)督分類法進(jìn)行目視解譯和更新而獲得。三期1∶10萬(wàn)土地利用數(shù)據(jù)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(shù)據(jù)分為耕地、林地、草地、水域、城鄉(xiāng)工礦和居民建設(shè)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(shù)據(jù)。由解譯的橫斷山區(qū)1990年、2000年和2010年三期1∶10萬(wàn)土地利用數(shù)據(jù)，用小江流域邊界數(shù)據(jù)裁剪獲得。
3)DEM數(shù)據(jù)。DEM數(shù)據(jù)來(lái)源于地球系統(tǒng)科學(xué)數(shù)據(jù)共享平臺(tái)，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(shù)據(jù)的同類型二級(jí)地類進(jìn)行融合，然后將融合后的二級(jí)地類再融合為一級(jí)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(shè)用地，未利用土地6大類。
將小江流域DEM數(shù)據(jù)每隔100 m高程進(jìn)行重分類，將重分類后的DEM數(shù)據(jù)與小江流域各時(shí)期土地利用數(shù)據(jù)進(jìn)行疊加求交運(yùn)算，分別統(tǒng)計(jì)出3個(gè)時(shí)期各高程范圍內(nèi)的土地利用面積情況。
將小江流域DEM數(shù)據(jù)用slope工具生成坡度數(shù)據(jù)，每隔50對(duì)坡度數(shù)據(jù)進(jìn)行重分類，將重分類后的坡度數(shù)據(jù)與小江流域各時(shí)期土地利用數(shù)據(jù)進(jìn)行疊加求交運(yùn)算，分別統(tǒng)計(jì)出3個(gè)時(shí)期各坡度范圍內(nèi)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(guò)統(tǒng)計(jì)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(gè)流域總面積的95%，水域、未利用地和建設(shè)用地共占整個(gè)流域面積的5%，所占整個(gè)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(shè)用地所占比例最小，僅占0.8%，各地類所占面積的比例順序?yàn)椋翰莸?林地>耕地>水域>未利用地>建設(shè)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(shí)期土地利用總體格局來(lái)看，各地類所占總流域面積百分比的大小順序關(guān)系各時(shí)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(gè)時(shí)期的土地利用變化轉(zhuǎn)移矩陣，如表2、表3和表4所示。
表2 1990—2000年土地利用轉(zhuǎn)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(zhuǎn)入的，有200.35 km2的大面積草地轉(zhuǎn)為耕地，還有小部分未利用地和林地也轉(zhuǎn)為耕地，是由于為了緩解人口增長(zhǎng)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(zhuǎn)為草地，有55.21 km2的林地轉(zhuǎn)為草地；草地面積減少，是由于草地主要轉(zhuǎn)為耕地，少量草地轉(zhuǎn)為未利用地，主要是因?yàn)榫植可鷳B(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(zhuǎn)化為耕地，有一部分轉(zhuǎn)化為少量草地，主要是開墾河灘地造成的。建設(shè)用地增加，增加的建設(shè)用地主要通過(guò)占用耕地得到的，是由于此期間社會(huì)經(jīng)濟(jì)發(fā)展，城鎮(zhèn)的擴(kuò)張和人口的增長(zhǎng)需要增加建設(shè)用地做保障。未利用地面積減少，主要被轉(zhuǎn)變?yōu)楦睾筒莸亍?/p>
表3 2000—2010年轉(zhuǎn)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(zhuǎn)變?yōu)椴莸睾土值?，是由于?guó)家“退耕還林”政策的實(shí)施，有部分耕地轉(zhuǎn)為建設(shè)用地，是由于經(jīng)濟(jì)發(fā)展、城鎮(zhèn)擴(kuò)張和人口增長(zhǎng)所致；林地面積增加，主要是由耕地和草地轉(zhuǎn)入的；草地面積也在增加，主要是由耕地和未利用地轉(zhuǎn)入的，這是由于國(guó)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(zhuǎn)為草地。建設(shè)用地的面積在增加，主要是由耕地和草地轉(zhuǎn)入的，增加建設(shè)用地占用了耕地和草地；未利用地面積減少，主要轉(zhuǎn)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(zhuǎn)入的；林地面積增加，主要是由耕地、草地、未利用地轉(zhuǎn)化來(lái)的；草地面積減少，主要轉(zhuǎn)為耕地；水域面積減少，主要轉(zhuǎn)為耕地和草地；建設(shè)用地增加，主要是占用耕地和草地得到的，是由于人口增長(zhǎng)所帶來(lái)的居住和基礎(chǔ)設(shè)施需求占用了大量耕地和草地；水域面積減少，主要轉(zhuǎn)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(hù)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(zhuǎn)移矩陣 km2
通過(guò)以上分析可得：小江流域地類以耕地、林地、草地為主，建設(shè)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(shè)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(shè)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(shì)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(jù)植被的垂直分異性將小江流域劃分為4個(gè)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(fù)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?yàn)楦鞔怪睅ёV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(gè)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(gè)垂直帶，高山草甸帶耕地極少；林地和草地在4個(gè)垂直帶都有分布，水域和建設(shè)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(méi)有分布；未利用地在4個(gè)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(gè)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(shè)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(gè)流域面積的72.2%，該帶譜耕地、林地、草地3種地類約占整個(gè)帶譜面積的97.5%，3種地類所占該帶譜面積比例順序?yàn)椋翰莸?林地>耕地；水域、建設(shè)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(gè)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(jīng)不存在，建設(shè)用地由于后來(lái)人口的搬遷駐扎，僅占0.07%。
高山灌叢草甸帶占整個(gè)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(shè)用地和水域完全不存在。地類面積順序關(guān)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(gè)垂直帶；林地和草地在4個(gè)垂直帶都有分布；水域和建設(shè)用地主要分布于前兩個(gè)海拔低的垂直帶，在后兩個(gè)海拔高的垂直帶上沒(méi)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(zhì)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(zhì)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(gè)時(shí)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(gè)時(shí)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(shí)期2010年每隔100 m高程范圍內(nèi)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(shè)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(nèi)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(nèi)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(shè)用地也在低海拔處分布面積較大，在2 500 m以上建設(shè)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(shè)用地主要分布于低海拔處，在高海拔處幾乎沒(méi)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(nèi)先減少后增加。1990—2010年，水域面積減少在1 300～1 700 m,建設(shè)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(méi)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(shè)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(zhì)性不僅表現(xiàn)在海拔高程上，也表現(xiàn)在坡度上，土地利用隨坡度的變化也存在空間異質(zhì)性。本文也統(tǒng)計(jì)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(shí)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(shí)，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(shí)，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(shí)，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(dá)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(shí)，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(nèi)。建設(shè)用地在5°～10°范圍內(nèi)分布最多，大于10°時(shí)，建設(shè)用地面積隨坡度的增加而逐漸減少，建設(shè)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(shí)，未利用地隨著坡度的增加而逐漸減少。
總之，建設(shè)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(shè)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(gè)時(shí)期耕地面積的最大值都出現(xiàn)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(xiàn);2000—2010年，耕地面積的減小在0°～40°都有體現(xiàn)。林地面積三期曲線基本重合，說(shuō)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(gè)時(shí)期內(nèi)基本沒(méi)有變化。水域面積在0°～15°3個(gè)時(shí)期內(nèi)基本無(wú)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(shè)用地在1990—2010年3個(gè)時(shí)期內(nèi)面積最大值都出現(xiàn)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(gè)時(shí)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(méi)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(wú)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(jié)束語(yǔ)
地形差異是山區(qū)土地利用結(jié)構(gòu)和空間格局分異的重要影響因子，國(guó)內(nèi)外在土地利用時(shí)空格局研究方面，關(guān)于土地垂直異質(zhì)性研究較少，而在以流域?yàn)槌叨鹊耐恋乩米兓芯恐?，山地流域研究較少。
小江流域地形垂直分異性顯著，針對(duì)其土地利用不合理造成生態(tài)環(huán)境惡化的問(wèn)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(jiǎn)要分析土地利用宏觀總體格局及變化的基礎(chǔ)上，對(duì)流域以植被類型劃分的4大垂直帶譜也分別進(jìn)行土地利用空間格局分析，重點(diǎn)基于高程和坡度兩個(gè)地形梯度因子對(duì)流域土地利用格局及時(shí)空演變進(jìn)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(dāng)?shù)卣诖嘶A(chǔ)上進(jìn)一步調(diào)查，深入分析土地利用時(shí)空演變的驅(qū)動(dòng)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(jié)構(gòu)優(yōu)化、土地資源合理利用及生態(tài)環(huán)境建設(shè)提供重要參考。
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[責(zé)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(guó)家重點(diǎn)研發(fā)計(jì)劃重點(diǎn)專項(xiàng)基金資助項(xiàng)目(2016YFC0500106)；國(guó)家科技基礎(chǔ)性工作專項(xiàng)基金資助項(xiàng)目(2014FY210800);甘肅省青年科技基金計(jì)劃資助項(xiàng)目(1610RJYA011)；蘭州理工大學(xué)建工七七基金資助項(xiàng)目(JK2015-29)
楊育麗(1980-)，女，博士研究生.
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楊育麗， 馬明國(guó)，周兆葉
(1.中國(guó)科學(xué)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(xué) 土木工程學(xué)院，甘肅 蘭州 730050；3.中國(guó)科學(xué)院大學(xué)，北京 100049；4.西南大學(xué) 地理科學(xué)學(xué)院，重慶 400715))
引用著錄：楊育麗，馬明國(guó)，周兆葉，等.基于地形梯度的山地流域土地利用格局及時(shí)空演變研究—以云南小江流域?yàn)槔齕J].測(cè)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(shí)空演變研究—以云南小江流域?yàn)槔?/p>
楊育麗1，2，3， 馬明國(guó)4，周兆葉2
(1.中國(guó)科學(xué)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(xué) 土木工程學(xué)院，甘肅 蘭州 730050；3.中國(guó)科學(xué)院大學(xué)，北京 100049；4.西南大學(xué) 地理科學(xué)學(xué)院，重慶 400715))
地形差異是山區(qū)土地利用結(jié)構(gòu)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(duì)其土地利用結(jié)構(gòu)不合理導(dǎo)致生態(tài)環(huán)境惡化的問(wèn)題，文中提出利用小江流域1990、2000、2010年三期土地利用數(shù)據(jù)，采用GIS空間分析技術(shù)，在簡(jiǎn)要分析土地利用宏觀總體格局及變化的基礎(chǔ)上，分析流域4大垂直帶譜的土地利用格局，并分析驅(qū)動(dòng)因素。重點(diǎn)從高程和坡度兩個(gè)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(jié)構(gòu)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(dòng)對(duì)地球陸表自然生態(tài)系統(tǒng)影響最直接的信號(hào)[1]，是人類活動(dòng)與自然環(huán)境相互作用最直接的表現(xiàn)形式[2-4]，自20世紀(jì)90年代以來(lái)，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(duì)土地利用方式和空間格局有著直接作用[10]。國(guó)內(nèi)外學(xué)者選取高程、坡度、坡向、地形起伏度等因子分析地形對(duì)土地利用的影響[11]，并將高程和坡度綜合為地形位指數(shù)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?yàn)槌叨鹊难芯恐饕性谇鹆?、平原地區(qū)，對(duì)山地流域的研究相對(duì)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(duì)于土地利用結(jié)構(gòu)優(yōu)化及生態(tài)環(huán)境保護(hù)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(nèi)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(dǎo)致水土流失嚴(yán)重，泥石流頻繁，生態(tài)環(huán)境退化嚴(yán)重，因此基于地形梯度對(duì)其土地利用格局及時(shí)空演變進(jìn)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(shù)，在簡(jiǎn)要分析該流域土地利用總體宏觀格局及變化的基礎(chǔ)上，對(duì)以植被類型劃分的4大垂直帶譜進(jìn)行土地利用格局研究，并分析驅(qū)動(dòng)因素；重點(diǎn)基于地形梯度選取高程、坡度兩個(gè)表征區(qū)域地形特征的指標(biāo)，分析1990—2010年云南小江流域土地利用格局及時(shí)空演變的地形梯度特征，以期為區(qū)域土地利用結(jié)構(gòu)優(yōu)化、生態(tài)環(huán)境保護(hù)建設(shè)及社會(huì)經(jīng)濟(jì)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(jīng)尋甸縣、昆明市東川區(qū)和會(huì)澤縣注入金沙江，主溝長(zhǎng)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(dòng)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(guò)渡地帶，地質(zhì)構(gòu)造復(fù)雜，地震活動(dòng)頻繁，該流域山高坡陡、切割強(qiáng)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(fù)雜，同時(shí)因長(zhǎng)期生態(tài)環(huán)境破壞，生態(tài)環(huán)境退化嚴(yán)重。小江流域具有植被覆蓋度低、地形起伏大、多暴雨等特點(diǎn)，加之土地利用不合理導(dǎo)致水土流失嚴(yán)重，泥石流頻繁，目前泥石流溝流域面積已達(dá)1 878.58 km2，占小江流域總面積的61.73%[15]，也是我國(guó)水土流失極為嚴(yán)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(shù)據(jù)源
本文用到的基礎(chǔ)數(shù)據(jù)是橫斷山區(qū)土地利用數(shù)據(jù)、小江流域邊界數(shù)據(jù)和DEM數(shù)據(jù)，小江流域土地利用數(shù)據(jù)由橫斷山區(qū)土地利用數(shù)據(jù)裁剪獲得。
1)橫斷山區(qū)土地利用數(shù)據(jù)。數(shù)據(jù)來(lái)自中科院地理所國(guó)家重點(diǎn)基礎(chǔ)研究973計(jì)劃項(xiàng)目“山區(qū)國(guó)土空間功能優(yōu)化與調(diào)控對(duì)策”， 數(shù)據(jù)統(tǒng)一采用Krasovsky_1940_Albers投影坐標(biāo)系統(tǒng)。
橫斷山區(qū)土地利用數(shù)據(jù)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(shù)據(jù)，根據(jù)建立的各地類遙感影像解譯標(biāo)志用監(jiān)督分類法進(jìn)行目視解譯和更新而獲得。三期1∶10萬(wàn)土地利用數(shù)據(jù)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(shù)據(jù)分為耕地、林地、草地、水域、城鄉(xiāng)工礦和居民建設(shè)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(shù)據(jù)。由解譯的橫斷山區(qū)1990年、2000年和2010年三期1∶10萬(wàn)土地利用數(shù)據(jù)，用小江流域邊界數(shù)據(jù)裁剪獲得。
3)DEM數(shù)據(jù)。DEM數(shù)據(jù)來(lái)源于地球系統(tǒng)科學(xué)數(shù)據(jù)共享平臺(tái)，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(shù)據(jù)的同類型二級(jí)地類進(jìn)行融合，然后將融合后的二級(jí)地類再融合為一級(jí)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(shè)用地，未利用土地6大類。
將小江流域DEM數(shù)據(jù)每隔100 m高程進(jìn)行重分類，將重分類后的DEM數(shù)據(jù)與小江流域各時(shí)期土地利用數(shù)據(jù)進(jìn)行疊加求交運(yùn)算，分別統(tǒng)計(jì)出3個(gè)時(shí)期各高程范圍內(nèi)的土地利用面積情況。
將小江流域DEM數(shù)據(jù)用slope工具生成坡度數(shù)據(jù)，每隔50對(duì)坡度數(shù)據(jù)進(jìn)行重分類，將重分類后的坡度數(shù)據(jù)與小江流域各時(shí)期土地利用數(shù)據(jù)進(jìn)行疊加求交運(yùn)算，分別統(tǒng)計(jì)出3個(gè)時(shí)期各坡度范圍內(nèi)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(guò)統(tǒng)計(jì)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(gè)流域總面積的95%，水域、未利用地和建設(shè)用地共占整個(gè)流域面積的5%，所占整個(gè)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(shè)用地所占比例最小，僅占0.8%，各地類所占面積的比例順序?yàn)椋翰莸?林地>耕地>水域>未利用地>建設(shè)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(shí)期土地利用總體格局來(lái)看，各地類所占總流域面積百分比的大小順序關(guān)系各時(shí)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(gè)時(shí)期的土地利用變化轉(zhuǎn)移矩陣，如表2、表3和表4所示。
表2 1990—2000年土地利用轉(zhuǎn)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(zhuǎn)入的，有200.35 km2的大面積草地轉(zhuǎn)為耕地，還有小部分未利用地和林地也轉(zhuǎn)為耕地，是由于為了緩解人口增長(zhǎng)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(zhuǎn)為草地，有55.21 km2的林地轉(zhuǎn)為草地；草地面積減少，是由于草地主要轉(zhuǎn)為耕地，少量草地轉(zhuǎn)為未利用地，主要是因?yàn)榫植可鷳B(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(zhuǎn)化為耕地，有一部分轉(zhuǎn)化為少量草地，主要是開墾河灘地造成的。建設(shè)用地增加，增加的建設(shè)用地主要通過(guò)占用耕地得到的，是由于此期間社會(huì)經(jīng)濟(jì)發(fā)展，城鎮(zhèn)的擴(kuò)張和人口的增長(zhǎng)需要增加建設(shè)用地做保障。未利用地面積減少，主要被轉(zhuǎn)變?yōu)楦睾筒莸亍?/p>
表3 2000—2010年轉(zhuǎn)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(zhuǎn)變?yōu)椴莸睾土值?，是由于?guó)家“退耕還林”政策的實(shí)施，有部分耕地轉(zhuǎn)為建設(shè)用地，是由于經(jīng)濟(jì)發(fā)展、城鎮(zhèn)擴(kuò)張和人口增長(zhǎng)所致；林地面積增加，主要是由耕地和草地轉(zhuǎn)入的；草地面積也在增加，主要是由耕地和未利用地轉(zhuǎn)入的，這是由于國(guó)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(zhuǎn)為草地。建設(shè)用地的面積在增加，主要是由耕地和草地轉(zhuǎn)入的，增加建設(shè)用地占用了耕地和草地；未利用地面積減少，主要轉(zhuǎn)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(zhuǎn)入的；林地面積增加，主要是由耕地、草地、未利用地轉(zhuǎn)化來(lái)的；草地面積減少，主要轉(zhuǎn)為耕地；水域面積減少，主要轉(zhuǎn)為耕地和草地；建設(shè)用地增加，主要是占用耕地和草地得到的，是由于人口增長(zhǎng)所帶來(lái)的居住和基礎(chǔ)設(shè)施需求占用了大量耕地和草地；水域面積減少，主要轉(zhuǎn)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(hù)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(zhuǎn)移矩陣 km2
通過(guò)以上分析可得：小江流域地類以耕地、林地、草地為主，建設(shè)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(shè)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(shè)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(shì)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(jù)植被的垂直分異性將小江流域劃分為4個(gè)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(fù)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?yàn)楦鞔怪睅ёV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(gè)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(gè)垂直帶，高山草甸帶耕地極少；林地和草地在4個(gè)垂直帶都有分布，水域和建設(shè)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(méi)有分布；未利用地在4個(gè)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(gè)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(shè)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(gè)流域面積的72.2%，該帶譜耕地、林地、草地3種地類約占整個(gè)帶譜面積的97.5%，3種地類所占該帶譜面積比例順序?yàn)椋翰莸?林地>耕地；水域、建設(shè)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(gè)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(jīng)不存在，建設(shè)用地由于后來(lái)人口的搬遷駐扎，僅占0.07%。
高山灌叢草甸帶占整個(gè)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(shè)用地和水域完全不存在。地類面積順序關(guān)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(gè)垂直帶；林地和草地在4個(gè)垂直帶都有分布；水域和建設(shè)用地主要分布于前兩個(gè)海拔低的垂直帶，在后兩個(gè)海拔高的垂直帶上沒(méi)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(zhì)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(zhì)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(gè)時(shí)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(gè)時(shí)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(shí)期2010年每隔100 m高程范圍內(nèi)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(shè)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(nèi)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(nèi)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(shè)用地也在低海拔處分布面積較大，在2 500 m以上建設(shè)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(shè)用地主要分布于低海拔處，在高海拔處幾乎沒(méi)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(nèi)先減少后增加。1990—2010年，水域面積減少在1 300～1 700 m,建設(shè)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(méi)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(shè)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(zhì)性不僅表現(xiàn)在海拔高程上，也表現(xiàn)在坡度上，土地利用隨坡度的變化也存在空間異質(zhì)性。本文也統(tǒng)計(jì)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(shí)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(shí)，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(shí)，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(shí)，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(dá)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(shí)，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(nèi)。建設(shè)用地在5°～10°范圍內(nèi)分布最多，大于10°時(shí)，建設(shè)用地面積隨坡度的增加而逐漸減少，建設(shè)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(shí)，未利用地隨著坡度的增加而逐漸減少。
總之，建設(shè)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(shè)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(gè)時(shí)期耕地面積的最大值都出現(xiàn)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(xiàn);2000—2010年，耕地面積的減小在0°～40°都有體現(xiàn)。林地面積三期曲線基本重合，說(shuō)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(gè)時(shí)期內(nèi)基本沒(méi)有變化。水域面積在0°～15°3個(gè)時(shí)期內(nèi)基本無(wú)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(shè)用地在1990—2010年3個(gè)時(shí)期內(nèi)面積最大值都出現(xiàn)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(gè)時(shí)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(méi)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(wú)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(jié)束語(yǔ)
地形差異是山區(qū)土地利用結(jié)構(gòu)和空間格局分異的重要影響因子，國(guó)內(nèi)外在土地利用時(shí)空格局研究方面，關(guān)于土地垂直異質(zhì)性研究較少，而在以流域?yàn)槌叨鹊耐恋乩米兓芯恐?，山地流域研究較少。
小江流域地形垂直分異性顯著，針對(duì)其土地利用不合理造成生態(tài)環(huán)境惡化的問(wèn)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(jiǎn)要分析土地利用宏觀總體格局及變化的基礎(chǔ)上，對(duì)流域以植被類型劃分的4大垂直帶譜也分別進(jìn)行土地利用空間格局分析，重點(diǎn)基于高程和坡度兩個(gè)地形梯度因子對(duì)流域土地利用格局及時(shí)空演變進(jìn)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(dāng)?shù)卣诖嘶A(chǔ)上進(jìn)一步調(diào)查，深入分析土地利用時(shí)空演變的驅(qū)動(dòng)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(jié)構(gòu)優(yōu)化、土地資源合理利用及生態(tài)環(huán)境建設(shè)提供重要參考。
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[責(zé)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(guó)家重點(diǎn)研發(fā)計(jì)劃重點(diǎn)專項(xiàng)基金資助項(xiàng)目(2016YFC0500106)；國(guó)家科技基礎(chǔ)性工作專項(xiàng)基金資助項(xiàng)目(2014FY210800);甘肅省青年科技基金計(jì)劃資助項(xiàng)目(1610RJYA011)；蘭州理工大學(xué)建工七七基金資助項(xiàng)目(JK2015-29)
楊育麗(1980-)，女，博士研究生.
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