吳彥潮，趙翠薇，韓冰倩

（貴州師范大學(xué) 地理與環(huán)境科學(xué)學(xué)院，貴陽550001）

山地流域土地利用時空演變的地形梯度特征
——以烏江北源為例

吳彥潮，趙翠薇，韓冰倩

（貴州師范大學(xué) 地理與環(huán)境科學(xué)學(xué)院，貴陽550001）

地形因子是丘陵山區(qū)土地利用空間分布格局的重要影響因素之一，對土地的利用方式和空間格局有著直接作用。以烏江北源2000年、2005年和2010年Landsat TM/ETM遙感影像為數(shù)據(jù)源，采用高程、坡度、地形位指數(shù)3個指標(biāo)，分析了山地流域土地利用時空演變的地形梯度特征。結(jié)果表明：（1）2000—2010年，林地、建設(shè)用地和水域用地面積增加，耕地和草地面積減少。土地利用類型以林地和耕地為主，反映了山地流域土地利用結(jié)構(gòu)特點(diǎn)；（2）研究區(qū)土地利用類型的地形梯度特征明顯。耕地、建設(shè)用地、水域用地在低地形梯度上有明顯分布優(yōu)勢。林地、未利用地分布優(yōu)勢在高地形梯度上；（3）耕地、建設(shè)用地優(yōu)勢分布主要受坡度梯度的影響，高程梯度決定了水域用地的分布，這與其他平原、丘陵地區(qū)有所不同。地形因素是山地流域土地利用結(jié)構(gòu)演變的決定性因素，其他社會、經(jīng)濟(jì)、人文因素都對該區(qū)域土地利用格局的轉(zhuǎn)變起到推動作用。在對山地流域土地開發(fā)利用過程中，應(yīng)兼顧生態(tài)效益和社會經(jīng)濟(jì)效益，保障河流源區(qū)生態(tài)經(jīng)濟(jì)的持續(xù)發(fā)展。

土地利用；地形梯度；效應(yīng)分析；山地流域

土地利用/覆被變化（Land use/cover change，LUCC）作為人類活動與自然環(huán)境相互作用最直接的表現(xiàn)形式[1-2]，自20世紀(jì)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[3-5]。地形是丘陵山區(qū)土地利用空間分布格局的重要影響因素之一[6]，在一定程度上決定著土地利用的方向[7-9]，對土地利用方式和空間格局有著直接作用[10]。國內(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土地利用的影響[11-12]，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[13-15]。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)，對山地流域的研究相對較少。研究山地流域土地利用變化的地形梯度特征，對其土地利用結(jié)構(gòu)優(yōu)化及生態(tài)環(huán)境保護(hù)具有重要意義。

烏江北源是貴州省第一大河烏江的北部發(fā)源地，區(qū)內(nèi)海拔較高，地形起伏度大，地形梯度特征明顯。近年來，隨著經(jīng)濟(jì)社會的發(fā)展，河流源區(qū)退耕還林等政策的實(shí)施，使流域內(nèi)土地利用發(fā)生深刻變化。擬選取高程、坡度、地形位指數(shù)3個表征區(qū)域地形特征的指標(biāo)，分析2000—2010年烏江北源土地利用時空演變的地形梯度特征，以期為區(qū)域土地利用格局的調(diào)控及生態(tài)保護(hù)提供科學(xué)依據(jù)。

1 研究區(qū)概況

烏江北源即六沖河，是烏江最大的一級支流，流域范 圍 位 于 104°19′17″—106°7′24″E，26°32′7″—27°33′19″N，流域總面積10 874 km2，其中，除小部分位于云南省鎮(zhèn)雄縣境內(nèi)，大部分位于貴州省西北部的畢節(jié)市境內(nèi)。

研究區(qū)屬亞熱帶高原氣候，年均氣溫10℃，降雨主要集中在夏季，占全年降雨量的86.06%。區(qū)域土地利用以林地和耕地為主，兩種土地利用類型的面積占研究區(qū)總面積的80%以上。地帶性植被為亞熱帶常綠闊葉林，土壤主要以黃壤和黃棕壤為主，二者占土壤總面積的62.92%。該區(qū)域經(jīng)濟(jì)發(fā)展基礎(chǔ)薄弱，由于山地面積比重大，河谷深切，人口多分布在狹窄的河谷或坡麓地帶，人口分布不均，人地矛盾較為突出。受數(shù)據(jù)資料限制，研究區(qū)范圍限定在貴州省境內(nèi)，主要流經(jīng)畢節(jié)市的赫章、七星關(guān)區(qū)、納雍、大方、織金、黔西和威寧7個縣共計(jì)128個鄉(xiāng)鎮(zhèn)。

2 研究方法

2.1 數(shù)據(jù)來源與處理

DEM數(shù)據(jù)來源于地球系統(tǒng)科學(xué)數(shù)據(jù)共享平臺，空間分辨率為30 m×30 m。通過ArcGIS水文分析模塊提取生成烏江北源流域范圍。

土地利用數(shù)據(jù)運(yùn)用監(jiān)督分類方式，通過研究區(qū)2000年、2005年、2010年空間分辨率為30 m的Landsat TM/ETM遙感影像，以研究區(qū)1：5萬地形圖為參考進(jìn)行解譯。經(jīng)檢驗(yàn)，Kappa系數(shù)分別為0.82，0.83，0.83，解譯結(jié)果能滿足研究需要。依據(jù)全國生態(tài)系統(tǒng)土地覆被Ⅰ，Ⅱ級分類系統(tǒng)，將土地利用方式分為林地、耕地、草地、建設(shè)用地、水域用地和未利用地6類（附圖2—3）。將3期土地利用矢量數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)化為柵格數(shù)據(jù)，柵格大小為30 m×30 m。

2.2 研究方法

2.2.1 地形梯度分級 高程和坡度是影響山地丘陵地區(qū)景觀格局分布最主要的因素，但高程和坡度往往綜合發(fā)生作用，因此在選取高程和坡度的同時，選取疊加了高程和坡度信息的地形位指數(shù)[16]，分析土地利用的地形梯度特征。

根據(jù)坡度對土地利用的影響，參照《貴州農(nóng)業(yè)地貌區(qū)劃》坡度分級指標(biāo)，將坡度梯度分為6類（表1）。以DEM數(shù)據(jù)為基礎(chǔ)，利用ArcGIS空間分析工具，生成高程和坡度圖（圖1）。

為了定量分析土地利用變化與地形梯度之間的相互關(guān)系，選取地形位指數(shù)來度量地形梯度特征，其公式為[7，17]：

式中：T為地形位指數(shù)；E和S分別為某點(diǎn)的高程（m）和坡度（°）；E0和S0分別為該點(diǎn)所在區(qū)域的平均高程（m）和坡度（°）。高程越高，坡度越大，則地形位指數(shù)T越大，反之越?。桓叱梯^高，但坡度較小，或高程較低，但坡度較大，則地形位指數(shù)T居中。

結(jié)合研究區(qū)實(shí)際情況，采用Equal Interval法將地形位指數(shù)分為12級，并將其分為低、較低、較高、高4個梯度（表2）。通過地理信息建模將高程圖和坡度圖疊加，生成地形位圖。

2.2.2 地形梯度效應(yīng)分析 分布指數(shù)可以反映土地利用類型在不同地形梯度上的分布特征，同時能夠消除地形區(qū)段和土地利用面積比重差異帶來的量綱影響[18-19]。公式如下：

式中：P為分布指數(shù)；e代表地形因子；Sie為e地形位下第i種地類面積；Si是i地類面積；Se為e種地形位下的總面積；S是研究區(qū)域總面積。若分布指數(shù)大于1，表明該土地利用類型呈優(yōu)勢分布，指數(shù)值越大，優(yōu)勢度越高；若分布指數(shù)小于1，則呈現(xiàn)劣勢分布，指數(shù)值越小，優(yōu)勢度越低。

圖1 研究區(qū)高程、坡度、地形位示意圖

表1 高程、坡度分級及面積比例

表2 地形位因子分級及面積比例

3 結(jié)果與分析

3.1 研究區(qū)土地利用變化特征

烏江北源2000年、2005年、2010年土地利用數(shù)量結(jié)構(gòu)表明（表3）：區(qū)域內(nèi)土地利用以耕地和林地為主，兩種土地利用類型的面積分別占研究區(qū)2000年、2005年、2010年總面積的81.81%，81.04%，81.05%，其中林地面積最大，2000年、2005年、2010年分別占研究區(qū)總面積的49%，49.23%，50.53%；水域用地面積最小，但面積比例有所增加，從2000年的0.24%提升到2010年的0.71%。

2000—2010 年耕地數(shù)量呈減少趨勢，除了退耕還林變化為林地之外，建設(shè)用地占用耕地也是重要原因之一。10年間，建設(shè)用地面積有所增加，所占比例由2000年1.39%增加到2010年1.44%。但總體看來，研究區(qū)建設(shè)用地面積較小，增長速度較慢，主要原因在于研究區(qū)經(jīng)濟(jì)社會發(fā)展相對落后，發(fā)展速度較為緩慢。2000—2005年草地面積呈先增加后降低趨勢，這歸因于退耕還林/還草政策的實(shí)施，2005年后部分草地轉(zhuǎn)化為林地。水域用地比例在10年間大幅增加，主要原因在于水利設(shè)施的建設(shè)，加強(qiáng)了水庫蓄水功能，例如：洪家渡水電站自2004年建成以來，總庫容達(dá)45.89億m3，增加了水域面積，改變了水庫附近的土地利用結(jié)構(gòu)。研究區(qū)內(nèi)地形起伏度大，地形情況復(fù)雜，未利用地多分布于海拔較高處，加之坡度等自然因素影響，使研究區(qū)未利用地面積未發(fā)生較大變化。

3.2 土地利用變化的地形梯度特征

3.2.1 高程梯度及變化特征 研究區(qū)土地利用的高程梯度特征明顯。耕地在海拔1 600 m以下地形分布指數(shù)＞1，呈優(yōu)勢分布，其中在1 200～1 400 m帶最大，為1.57，在＞2 000 m最小，為0.5；2000—2010年其分布指數(shù)在1 200 m以下區(qū)域顯著減小，1 200～1 600 m略有上升且逐年增高，其余高度帶分布優(yōu)勢變化不大。林地分布優(yōu)勢區(qū)域在海拔1 600 m以上，在海拔2 000 m以上地區(qū)呈最優(yōu)分布。2010年較2000年相比，其分布指數(shù)在海拔1 800 m以上地區(qū)有所降低，但仍為優(yōu)勢分布區(qū)域。在＞2 000 m地區(qū)，分布指數(shù)為1.30，優(yōu)勢度依然最高。但2000—2010年分布指數(shù)最小值所在區(qū)間有所不同，2000年分布優(yōu)勢最小值為海拔1 200～1 400 m，2010年在＜1 200 m地區(qū)，分布指數(shù)分別為0.61，0.51。草地的分布優(yōu)勢區(qū)域在1 200～1 600 m，其中，在1 200～1 400 m分布指數(shù)最大，2005年為1.11，但2010年有所下降；在＞2 000 m地區(qū)內(nèi)，僅2000年呈優(yōu)勢分布。建設(shè)用地在＜1 600 m地區(qū)隨著高程增加分布指數(shù)逐年提高，在海拔1 200～1 600 m分布指數(shù)大于1，在1 400～1 600 m區(qū)域分布優(yōu)勢最大。隨著海拔的增高，建設(shè)用地的分布優(yōu)勢大幅降低，在＞2 000 m處分布指數(shù)達(dá)到最低值。水域用地在＜1 200 m呈最優(yōu)勢分布，未利用地在高程＞1 800 m區(qū)間分布指數(shù)大于1，并在＞2 000 m地區(qū)分布指數(shù)達(dá)到最大（表4）。

表3 2000-2010年烏江北源土地利用變化統(tǒng)計(jì)

表4 2000-2010年烏江北源土地利用類型高程梯度特征

3.2.2 坡度梯度及變化特征 研究區(qū)土地利用結(jié)構(gòu)變化坡度梯度特征明顯（表5），除林地、草地、未利用地外，其他地類主要集中分布于25°以下區(qū)域。林地、未利用地在＞15°地區(qū)分布優(yōu)勢較為顯著，分布指數(shù)大于1。其中，林地隨著坡度的增加分布指數(shù)逐漸加大，在35°以上區(qū)域優(yōu)勢度最大，分布指數(shù)為1.37，2000—2010年分布優(yōu)勢區(qū)間集中在15°以上區(qū)域，優(yōu)勢分布特征逐漸顯現(xiàn)。未利用地分布指數(shù)隨著坡度等級加大，優(yōu)勢度也不斷提升，在35°以上區(qū)域提升最為明顯，并達(dá)到分布指數(shù)最大值。耕地、建設(shè)用地在15°以下地區(qū)呈優(yōu)勢分布，分布指數(shù)隨坡度的增大而減小。耕地最優(yōu)分布區(qū)間為0°～5°，2000—2010年耕地分布指數(shù)在0°～5°，5°～8°，8°～15°區(qū)間有所增加，在0°～5°范圍內(nèi)分布指數(shù)提升幅度最大。建設(shè)用地在0°～5°區(qū)域內(nèi)優(yōu)勢度最為明顯，分布指數(shù)為2.59，隨著坡度等級的增加，其分布指數(shù)下降明顯，2000—2010年不同坡度等級上的分布指數(shù)相對穩(wěn)定。草地在8°～35°分布指數(shù)大于1，呈優(yōu)勢分布，10年間優(yōu)勢度未發(fā)生明顯波動。水域用地在0°～5°優(yōu)勢度最大，2010年分布指數(shù)較2000年有所降低，其優(yōu)勢分布逐步向5°～8°轉(zhuǎn)移。

3.2.3 地形位梯度及變化特征 高程、坡度雖能表現(xiàn)土地利用的空間格局及其時空變化特征，但高程、坡度等往往對土地利用產(chǎn)生綜合影響。因此，從綜合角度系統(tǒng)研究地形梯度對土地利用空間分布及其格局變化的影響，更具科學(xué)性和實(shí)踐意義[7]。

地形位梯度及變化特征顯示（表6），耕地、建設(shè)用地地形梯度特征相似，分異明顯，在1—4區(qū)間上分布優(yōu)勢突出，分布指數(shù)均大于1。2000—2010年，耕地的最優(yōu)分布區(qū)域由第1級轉(zhuǎn)向第2級，分布指數(shù)均為1.82。2000年、2005年和2010年，建設(shè)用地的分布指數(shù)最大值均在第2級，分別為3.28，3.28，3.30。兩種土地利用類型在2—4級優(yōu)勢度持續(xù)減弱。這表明，地形特征影響了人類活動范圍，在高高程、高坡度地區(qū)人類活動受到限制。林地在5—12級呈優(yōu)勢分布，并隨著地形位分級的增大，分布優(yōu)勢逐漸加強(qiáng)，但在10—12級分布指數(shù)出現(xiàn)回落，最大值分布在第10級。在林地優(yōu)勢分布區(qū)間內(nèi)，2000—2010年分布指數(shù)主要波動同樣出現(xiàn)在第10—12級，其他年份基本保持平衡。草地優(yōu)勢分布區(qū)域處于較低和較高區(qū)間內(nèi)，2000年、2005年和2010年分布指數(shù)較為平穩(wěn)，優(yōu)勢度未發(fā)生明顯改變。水域用地優(yōu)勢區(qū)域集中分布于低地形位梯度，在1級分布優(yōu)勢最大，說明水域分布嚴(yán)格受地形位制約，集中分布于低地形位區(qū)域，其優(yōu)勢分布區(qū)體現(xiàn)了研究區(qū)湖泊和水庫的分布狀況。未利用地分布優(yōu)勢隨著地形位指數(shù)的增大持續(xù)增強(qiáng)，2000年、2005年和2010年峰值均出現(xiàn)在12級，2010年分布指數(shù)較2000年有所降低。整體看來，2000—2010年未利用地分布優(yōu)勢減弱力度隨著地形位等級的升高而加大。

表5 2000-2010年烏江北源土地利用類型坡度梯度特征

表6 2000-2010年烏江北源土地利用類型地形位梯度特征

4 結(jié)論與討論

（1）通過對烏江北源流域土地利用類型時空演變的地形梯度特征研究發(fā)現(xiàn)，研究區(qū)土地利用類型的空間分布和其變化明顯受到地形因素的影響和制約。2000—2010年，林地、建設(shè)用地和水域用地面積增加，耕地和草地面積減少，土地利用類型以林地和耕地為主。耕地、建設(shè)用地和水域用地的優(yōu)勢分布區(qū)域主要在低地形梯度上，耕地、建設(shè)用地分布主要受到坡度梯度的影響，高程梯度決定了水域用地的分布。耕地多分布于海拔較低、坡度平緩地區(qū)，其分布優(yōu)勢逐漸增強(qiáng)。建設(shè)用地主要分布于高程略高，但坡度平緩地區(qū)，其分布優(yōu)勢在0°～5°地區(qū)出現(xiàn)擴(kuò)張。林地和草地的分布除了地形因素外，退耕還林/還草等政策因素也對其產(chǎn)生一定的影響。林地的分布優(yōu)勢集中在海拔高、坡度陡的較高和高地形位梯度上。草地優(yōu)勢分布區(qū)域在較低和較高地形梯度上，分布指數(shù)相對平穩(wěn)。綜上，地形因素是山地流域土地利用結(jié)構(gòu)演變的決定性因素，其他社會、經(jīng)濟(jì)、人文因素都對該區(qū)域土地利用格局的轉(zhuǎn)變起到推動作用。

（2）山地流域土地利用地形梯度特征明顯，但與其他研究區(qū)域相比，存在明顯差異性。主要表現(xiàn)在以下幾個方面：①主要土地利用類型不同。研究區(qū)土地利用類型以林地為主，相比較，哈爾濱市[20]以耕地為主，黃土丘陵溝壑地區(qū)[]以草地為主，反映了山地流域土地利用的結(jié)構(gòu)特點(diǎn)。②地形位梯度差異較大。研究區(qū)地形位指數(shù)為0.451～2.827，較河北太行山區(qū)0.025～3.512[21]、環(huán)京津貧困帶0.017～3.107[7]、甘肅白龍江流域0.21～2.44[22]都有較大差別，尤其在低值上存在明顯差異。這是由山地流域高海拔，地形起伏度較大的地形特點(diǎn)所導(dǎo)致的。③土地利用類型的分布優(yōu)勢存在差異。主要體現(xiàn)在建設(shè)用地和水域用地上。建設(shè)用地最優(yōu)分布在海拔相對較高位置，水域用地最優(yōu)分布集中于低地形梯度上。反映了研究區(qū)河流深切的特殊地貌并在低地形梯度上形成較多的水塘湖泊。在對山地流域土地開發(fā)利用過程中，應(yīng)兼顧生態(tài)效益和社會經(jīng)濟(jì)效益，保障河流源區(qū)生態(tài)經(jīng)濟(jì)的持續(xù)發(fā)展。

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Characteristics of Land Topographic Gradient Caused by Temporal and Spatial Evolution in Mountainous Watershed—A Case Study of Northern Wujiang

WU Yanchao，ZHAO Cuiwei，HAN Bingqian
（School of Geography and Environment Sciences，Guizhou Normal University，Guiyang550001，China）

Terrain factor is one of the most important factors in spatial distribution pattern of land use in hilly and mountainous areas，which has a direct effect on the land use pattern and spatial pattern.Based on the remote sensing data of Landsat TM/ETM images in 2000，2005，and 2010，from the perspectives of elevation，slope and terrain index，we analyzed the land use spatiotemporal evolution along the terrain gradient features in mountainous watershed area.The results showed that：（1）from 2000 to 2010，forestland，construction land and water area increased，farmland and grassland areas reduced，land use type gave the priority to forestland and cultivated land which reflected the characteristics of mountain watershed land use structure；（2）type terrain gradient feature of study area land use was obvious，cultivated land，construction land，water area had obvious advantages in low gradient and forestland and unused land had distribution advantage on the high terrain gradient；（3）the advantage of distribution of cultivated land and construction land was mainly affected by slope，elevation gradient determined the distribution of water area，which was different from plain and hilly regions.Topography is the decisive factor in the evolution of the land use structure in mountainous watershed regions，and social，economic，cultural factors promote the change of the land use pattern.In the course of land exploitation of mountain watershed，the consideration should be given to both ecological profit，social profit and economic profit to ensure sustainable development of ecological economy in the river source areas.

land use；topographic gradient；effect analysis；mountainous watershed

F301.2

A

1005-3409（2017）01-0161-06

2016-01-08

2016-02-04

國家自然科學(xué)基金“西南山地流域城市化與生態(tài)環(huán)境的耦合關(guān)系研究——以烏江北源為例”（41261039）；貴州省科技廳社發(fā)攻關(guān)項(xiàng)目“資金約束條件下河流源區(qū)生態(tài)重建研究——以烏江流域?yàn)槔保ㄇ坪蟂Y字[2013]3168號）

吳彥潮（1990—），男，江蘇徐州人，在讀碩士，研究方向?yàn)橥恋乩门c資源環(huán)境。E-mail：745778788＠qq.com

趙翠薇（1968—），女（白族），貴州大方人，教授，主要從事山地流域土地利用與生態(tài)環(huán)境保護(hù)研究。E-mail：zhaocuiwei＠sohu.com