金　桃， 安艷玲， 謝元貴， 廖小鋒， 胡　偉， 謝　剛

(1.貴州省山地資源研究所，貴州貴陽 550001； 2.貴州省山地資源研究所有限公司，貴州貴陽 550001；3.貴州理工學院，貴州貴陽 550001)

土地利用是人類社會經(jīng)濟活動與自然生態(tài)環(huán)境相互作用最為密切的環(huán)節(jié)[1]，自20世紀90年代以來，關于土地利用/覆被變化的研究已成為全球環(huán)境變化與可持續(xù)發(fā)展的前沿領域[2-3]。我國以往關于土地利用的研究多側重于對面積變化、轉化、土地利用格局驅動力的探討，或從景觀尺度上通過土地利用程度指數(shù)、土地利用動態(tài)度等指標對土地利用時空變化進行研究[4-7]。然而，從自然環(huán)境背景方面探討土地利用及其時空變化的研究還相對較少[1，8]。

地形因子是眾多自然因素中對土地利用影響程度最大的因素之一，不僅為土地利用格局的形成提供基礎，而且影響土地利用的演變過程[9-11]。高程、坡度、坡向等地形因子影響土地利用的空間分布、作物種植、旱澇水土流失狀況及石漠化程度等[8，12-14]。分析地形因子對土地利用變化的影響，有助于深入了解引起土地利用變化的驅動機制，對優(yōu)化土地資源配置具有指導意義[8-10]。本研究以貴州省清水江流域為研究區(qū)，基于數(shù)字高程模型(digital elevation model，簡稱DEM)數(shù)據(jù)及遙感影像數(shù)據(jù)，綜合運用遙感(remote sensing，簡稱RS)和地理信息系統(tǒng)(geographic information system，簡稱GIS)技術，定量分析清水江流域的土地利用變化及其與地形因子之間的相關性，以期為流域內(nèi)土地利用的合理配置提供參考。

1　研究區(qū)概況

清水江流域(貴州段)是洞庭湖沅江水系的上游干流河段，地處云貴高原向湘桂丘陵過渡的斜坡地帶，位于貴州省東南部，橫跨黔南州和黔東南州；清水江在貴州省境內(nèi)長 459 km，流域面積17 145 km2；流域多年平均流量355 m3/s，總落差1 275 m，平均比降0.397%[15-16]。

清水江流域屬亞熱帶季風濕潤氣候區(qū)，氣候溫暖濕潤，年平均氣溫14～18 ℃，多年平均降水量為1 050～1 500 mm，降水時空分布不均，主要集中在5—10月。流域巖溶發(fā)育較弱，多為中低山剝蝕、溶蝕地貌和剝蝕溶蝕河谷地貌，在錦平、天柱、黎平一帶，多為低山、丘陵、河谷盆地常態(tài)地貌。山體巖石主要由碎屑巖組成，山體大、切割深，常形成脊狀山。流域內(nèi)海拔標高多為500～1 100 m，最高點在雷公山(2 178.8 m)，最低點在天柱縣清水江出境河口處(206.0 m)。

清水江流域內(nèi)的土壤類型主要為黃壤、紅壤、黃棕壤、紫色土及黑色石灰土，其中黃壤主要分布在海拔為500～1 000 m 的山地；紅壤主要分布在海拔為500 m以下的丘陵盆地，如天柱、錦平、黎平等縣；黃棕壤分布在海拔為1 500～1 800 m 的雷公山、佛頂山等地；紫色土主要分布在施秉縣及天柱縣藍田鎮(zhèn)等地；黑色石灰土主要分布在都勻市、福泉市、凱里市、麻江縣、丹寨縣、黃平縣、施秉縣等地。流域內(nèi)植被類型較多，以常綠闊葉林和落葉闊葉林為主。

2　研究方法

2.1　數(shù)據(jù)來源與預處理

數(shù)據(jù)來源包括：(1)研究區(qū)2002年專題繪圖儀(thematic mapper，簡稱TM)影像及2013年陸地成像儀(operational land imager，簡稱OLI)遙感影像，分辨率均為30 m；(2)1 ∶1500 000 貴州省政區(qū)圖；(3)遙感影像判讀標志野外調(diào)查數(shù)據(jù)；(4)下載于http：//srtm.csi.cgiar.org/的DEM數(shù)據(jù)，分辨率為90 m。首先，借助ERDAS Imagine 9.1(簡稱ERDAS)遙感處理軟件，利用多項式模型對遙感影像進行幾何校正(校正時均方根誤差控制在0.5個象元內(nèi))、影像拼接、影像裁剪，生成研究區(qū)的遙感影像圖。根據(jù)研究區(qū)遙感影像，對DEM圖進行圖像配準，以便進行空間疊加分析。

2.2　地形因子的提取

基于90 m分辨率的DEM數(shù)據(jù)，通過ERDAS Imagine 9.1和Arcview GIS 3.2(簡稱Arcview)軟件提取海拔圖、坡度圖、坡向圖和坡位圖。將研究區(qū)海拔分成6個連續(xù)海拔帶(圖1)，由于流域內(nèi)海拔標高多為500～1 100 m，因此在500～1 000 m 以250 m為間隔，其余的以500 m為間隔；參考《第二次全國土地調(diào)查技術規(guī)范》，并根據(jù)研究區(qū)實際情況，對研究區(qū)坡度采用7級坡度分級法[17]進行分級，分別是S<3°、3°≤S<5°、5°≤S<8°、8°≤S<15°、15°≤S<25°、25°≤S<35°、S≥35°(圖2)；研究區(qū)的坡向采用5類坡向分級法[18]進行分級，分別為無坡、陽坡、陰坡、半陽坡、半陰坡(圖3)；采用Arcview坡位分析模塊地形位置指數(shù)(topographic position index，簡稱TPI)中自帶的4級分類法[12]進行坡位分級，分別為溝谷、緩坡、陡坡和山脊(圖4)。

2.3　土地利用分類

在ERDAS軟件中，利用監(jiān)督分類與人工目視判讀解譯相結合，并輔以2013年野外調(diào)查數(shù)據(jù)對解譯結果進行修正。根據(jù)GB/T 21010—2007《土地利用現(xiàn)狀分類》[19]，并結合研究區(qū)實際情況及TM、OLI遙感影像的實際可識別能力，將土地利用分為有林地、灌木林地(包括疏林地和其他林地)、草地、水域、耕地、建筑用地及未利用地等7類(圖5、圖6)。2013年土地利用解譯精度達到92.6%，2002年為86.3%。

3　結果與分析

3.1　土地利用變化

本研究以2個時期的土地利用圖為基礎，通過ERDAS軟件的統(tǒng)計分析功能，得到研究區(qū)在2個時期土地利用類型的面積及其在研究區(qū)中所占的面積比例。從表1可以看出，2個時期的土地構成狀況基本一致，其中面積最大的為有林地，分別占研究區(qū)總面積的50.26%、43.55%；面積最小的為水域，分別占研究區(qū)總面積的0.75%、0.76%；2個時期各種土地利用類型的面積比例大小順序為有林地>灌木林地>耕地>草地>水域。2002—2013年，面積減少的土地利用類型為有林地、未利用地，其中有林地減少幅度較大，減少量約占研究區(qū)總面積的6.71%；其他土地利用類型的面積均不同程度的增加，其中增加幅度最大的為灌木林地，增加量約占研究區(qū)總面積的2.71%，草地增加幅度次之，增加量約占研究區(qū)總面積的2.40%。

表1　研究區(qū)土地利用面積及面積比例

3.2　土地利用變化與地形因子的相關性分析

為研究土地利用類型變化與地形因子之間的相關性，利用2個時期土地利用現(xiàn)狀圖，在ERDAS中生成土地利用變化圖，在Arcview中，利用土地利用變化圖與海拔、坡度、坡向及坡位等圖進行疊加，獲得屬性數(shù)據(jù)庫(表2至表5)。利用SPSS軟件對這些屬性數(shù)據(jù)庫進行相關性分析，得到土地利用類型與海拔、坡度、坡向及坡位等地形因子之間的相關性(表6)。

3.2.1各海拔帶的土地利用變化由表2可知，近10年來，各土地利用類型動態(tài)變化主要發(fā)生在海拔<1 500 m的地區(qū)，尤其在500≤H<750 m，草地、水域及建筑用地的變化幅度均在40%以上，說明近10年來此地區(qū)土地利用變化較激烈，且人為因子可能是導致其激烈變化的原因。而在海拔≥1 500 m 的區(qū)域，各土地利用類型變化較小甚至無變化。由表6可知，各土地利用類型變化與海拔之間存在不同程度的負相關性，說明海拔對各土地利用類型變化有不同程度的影響。其中，建筑用地變化與海拔存在顯著負相關關系，即隨著海拔的增加，建筑用地變化幅度減小。

表2　各海拔帶的土地利用變化構成　%

3.2.2各坡度帶的土地利用變化由表3可以看出，在坡度為5°≤S<25°范圍內(nèi)，各土地利用類型變化幅度較大，均占各土地利用類型變化的60%以上。在8°≤S<15°、15°≤S<25°等2個坡度等級上，除建筑用地在15°≤S<25°的變化幅度為 20.08% 外，其余的變化幅度均達到30%左右。在坡度≥35°的地區(qū)，各土地利用變化幅度較小，其中草地、水域、耕地、建筑用地、未利用地幾乎無變化。由表6可知，坡度與有林地、灌木林地及未利用地的變化之間呈正相關關系，與草地、水域、耕地及建筑用地變化呈負相關關系，均未達到顯著水平；說明坡度對各土地利用類型變化的影響較小，且隨著坡度的增加，有林地、灌木林地及未利用地的變化幅度呈增大趨勢，草地、水域、耕地及建筑用地變化幅度呈減小趨勢。

表3　各坡度帶的土地利用變化構成　%

3.2.3各坡向的土地利用變化由表4可知，在無坡地區(qū)，各土地利用類型斑塊變化幅度較小。而在其他4個坡向上，各土地利用類型變化幅度差異不大。由表6可知，坡向與未利用地變化呈顯著正相關關系，與其他土地利用類型變化具有一定的正相關性，但不顯著；說明坡向對各土地利用類型變化有一定影響，其中對未利用地變化影響顯著，隨著坡向由陰轉陽，各土地利用類型變化幅度整體上呈增加趨勢。

3.2.4各坡位的土地利用變化由表5可以看出，在緩坡處，除建筑用地外，其他各土地利用類型變化幅度較小。溝谷處的各土地利用類型變化較陡坡處大。由表6可知，建筑用地及水域變化幅度與坡位呈弱負相關關系，即一個坡面上自坡底到坡頂，建筑用地及水域變化幅度呈減小趨勢，且弱負相關。說明坡位對建筑用地及水域變化影響不大。有林地、灌木林地、草地、耕地、未利用地與坡位呈弱正相關關系，即從坡底到坡頂，有林地、灌木林地、草地、耕地斑塊類型變化幅度呈增加趨勢。

3.3　土地類型變化對各地形因子的響應

綜合“3.2”節(jié)分析可知，相同土地利用類型變化對各地形因子的響應不同。有林地變化在一定程度上受坡向、海拔影響，而坡度、坡位對有林地變化的影響較?。还嗄玖值氐淖兓谝欢ǔ潭壬鲜艿狡孪虻挠绊?，海拔、坡度、坡位對灌木林地的影響較??；草地、水域的變化在一定程度上受海拔、坡向影響；耕地變化在一定程度上受坡向影響，略受海拔影響；建筑用地斑塊變化受海拔影響較為顯著，坡向由陰轉陽對建筑用地變化有一定程度的影響；未利用地變化受坡向影響較為顯著。

表4　各坡向上的土地利用變化構成　%

表5　各坡位上的土地利用變化構成　%

表6　土地利用變化構成與地形因子之間的相關性

注：“*”表示在0.05水平(雙側)上顯著相關。

4　結論與討論

本研究在TM、OLI遙感影像及DEM數(shù)據(jù)的基礎上，綜合運用RS、GIS技術，通過對2002、2013年清水江流域海拔、坡度、坡向和坡位對土地利用變化的影響進行疊加及相關性分析，得出如下結論。

在2002—2013年間，清水江流域土地利用變化主要表現(xiàn)為有林地、未利用地的面積減少，灌木林地、草地、耕地、水域及建筑用地的面積增加。其中，有林地減少幅度較大，減少量約占整個流域面積的6.71%；灌木林地及草地增加幅度次之，分別占研究區(qū)的2.71%、2.40%。當?shù)厝藗兊纳盍晳T、人口的增長及現(xiàn)代經(jīng)濟社會的發(fā)展，可能是清水江流域有林地面積減少的主要原因[16，20-21]。

土地利用變化程度隨海拔、坡度、坡向和坡位等地形因子等級的不同而不同，土地利用變化主要發(fā)生在在海拔為小于 1 500 m 和坡度5°≤S<25°之間的區(qū)域。在無坡及緩坡地區(qū)，土地利用變化幅度較小。近10年來，在海拔為500～750 m，坡度為8°≤S<25°地區(qū)，土地利用變化較激烈。

隨著海拔的升高，建筑用地變化幅度顯著減小。隨著坡向由陰轉陽，未利用地變化幅度顯著增加。其他地形因子對各土地利用斑塊類型變化有不同程度的影響，但均不顯著。

清水江流域土地利用變化明顯受地形因子的影響，不同土地利用類型變化受同一地形因子影響的程度存在差異，相同土地利用類型變化對各地形因子的響應不同。本研究分析得出的土地利用變化與各地形因子之間的關系，可為土地利用的合理配置提供一定的科學依據(jù)，但本研究未對各地形等級下的土地利用類型之間的轉換進行深入分析，下一步將重點研究各地形等級下土地利用類型間的相互轉換關系。

參考文獻：

[1]崔步禮，李小雁，姜廣輝，等. 基于DEM的山地丘陵區(qū)土地利用/覆被研究——以青海湖流域為例[J]. 自然資源學報，2011，26(5)：871-880.

[2]劉紀遠，徐新良，莊大方，等. 20世紀90年代LUCC過程對中國農(nóng)田光溫生產(chǎn)潛力的影響——基于氣候觀測與遙感土地利用動態(tài)觀測數(shù)據(jù)[J]. 中國科學(D輯：地球科學)，2005，35(6)：483-492.

[3]李麗娟，楊俊偉，姜德娟，等. 20世紀90年代無定河流域土地利用的時空變化[J]. 地理研究，2005，24(4)：527-534.

[4]陳百明，張鳳榮. 我國土地利用研究的發(fā)展態(tài)勢與重點領域[J]. 地理研究，2011，30(1)：1-9.

[5]陳永林. 基于3S技術的土地利用研究進展與展望[J]. 贛南師范學院學報，2014(3)：121-124.

[6]劉頌，郭菲菲，李倩. 我國景觀格局研究進展及發(fā)展趨勢[J]. 東北農(nóng)業(yè)大學學報，2010，41(6)：144-152.

[7]吳琳娜，楊勝天，劉曉燕，等. 1976年以來北洛河流域土地利用變化對人類活動程度的響應[J]. 地理學報，2014，69(1)：54-63.

[8]王宗明，宋開山，劉殿偉，等. 地形因子對三江平原土地利用/覆被變化的影響研究[J]. 水土保持通報，2008，28(6)：10-15.

[9]李丹，劉丹丹，趙金祥. 基于DEM的山區(qū)土地利用變化分析[J]. 水土保持研究，2014，21(1)：66-70.

[10]韓建平，賈寧鳳. 土地利用與地形因子關系研究——以磚窯溝流域為例[J]. 中國生態(tài)農(nóng)業(yè)學報，2010，18(5)：1071-1075.

[11]陳丹，周啟剛，何昌華，等. 重慶山地都市區(qū)1985—2010年土地利用變化地形特征分異研究[J]. 水土保持研究，2013，20(5)：210-215，220.

[12]張盼盼，胡遠滿，肖篤寧，等. 地形因子對喀斯特高原山區(qū)潛在石漠化景觀格局變化的影響分析[J]. 土壤通報，2010(6)：1305-1310.

[13]李瑞玲，王世杰，熊康寧，等. 貴州省巖溶地區(qū)坡度與土地石漠化空間相關分析[J]. 水土保持通報，2006，26(4)：82-86.

[14]馮朝陽，于勇，高吉喜，等. 地形因子對京西門頭溝區(qū)土地利用/覆蓋變化的影響[J]. 山地學報，2007，25(3)：274-279.

[15]賴炯萍. 清水江流域水污染綜合整治經(jīng)濟效益分析[D]. 貴陽：貴州師范大學，2008.

[16]周秉正，王會香，申鵬. 清水江流域的生態(tài)環(huán)境變遷與可持續(xù)發(fā)展[J]. 三峽環(huán)境與生態(tài)，2000，22(6)：14-16.

[17]湯國安，宋佳. 基于DEM坡度圖制圖中坡度分級方法的比較研究[J]. 水土保持學報，2006，20(2)：157-160，192.

[18]解伏菊，肖篤寧，李秀珍，等. 大興安嶺北坡火燒跡地森林郁閉度恢復及其影響因子分析(英文)[J]. 林業(yè)研究，2005，16(2)：125-131.

[19]中國土地勘測規(guī)劃院，國土資源部地籍管理司. 土地利用現(xiàn)狀分類：GB/T 21010—2007[S]. 北京：國土資源部，2007.

[20]馬國君，羅康智. 清水江流域林區(qū)時空分布及樹種結構變遷研究[J]. 原生態(tài)民族文化學刊，2013，5(3)：1-13.

[21]張敏. 清水江流域林業(yè)生態(tài)文化研究[C]//“改革開放30年與貴州社會發(fā)展”學術研討會暨貴州省社會學學會2008年學術年會.貴陽，2008.