王 敏，吳映梅，胡平平

(云南師范大學 旅游與地理科學學院，云南 昆明 650500)

0 引言

土地利用是人類針對土地自然屬性進行的經濟活動，包括物質、能量和信息的交流，是一個復雜的綜合體。山區(qū)地理環(huán)境復雜多樣，具有明顯的空間異質性，是生態(tài)環(huán)境脆弱區(qū)和貧困集中發(fā)生區(qū)，其土地利用地形梯度變化對經濟建設和農業(yè)生產活動具有深遠的影響[1-2]。地形是影響山區(qū)土地利用數(shù)量、結構變化的重要因素之一，其變化直接影響地面的物質流動和能量轉化，對人類生產生活具有明顯的限制性，使不同地類在地形梯度上的分布呈現(xiàn)出規(guī)律變化特征[3-4]。利用DEM數(shù)字高程模型提取地形因子，為研究土地利用空間分布及變化特征提供了高效方法[5]，而以DEM為基礎的地形梯度變化特征與土地利用相關性已成為LUCC研究的一個重要視角[6]。目前國內外學者對山區(qū)土地利用變化與地形因子相關性展開了一定研究，認為地形是土地利用結構和空間分布格局差異的重要影響因子[7-16]，但現(xiàn)有研究主要是采用DEM高程數(shù)字模型提取地形因子，研究縣域、市域等中小尺度區(qū)域土地利用梯度特征，從省域尺度出發(fā)探究地形梯度與土地利用格局變化的相關研究較為鮮見。

我國是山地大國，山區(qū)面積占土地面積的69%，西南山區(qū)尤甚，山區(qū)面積占土地面積的95%，云南是西南山區(qū)的典型代表，山區(qū)面積占其土地面積的94%。受地理環(huán)境復雜、歷史基礎薄弱和社會人文多樣等條件的影響，云南山區(qū)經濟發(fā)展相對滯后，對土地資源的依賴性較強，長期不合理的土地利用方式導致該地區(qū)水土流失嚴重，滑坡、泥石流、山洪等地質災害頻發(fā)。研究云南山區(qū)土地利用的地形梯度時空分布規(guī)律，對土地資源合理配置和區(qū)域生態(tài)環(huán)境改善尤為重要。而當前，從地形梯度視域下探究云南山區(qū)縣域、市域、省域土地利用時空格局的成果還相對較少。為此，本研究從地形梯度視域出發(fā)，采用DEM數(shù)字高程模型提取高程、坡度等地形因子，篩選構建地形起伏度、地形位指數(shù)、分布指數(shù)等為主的方法，探究云南山區(qū)土地利用梯度分布變化規(guī)律，揭示地形因子在山區(qū)土地利用中的重要作用，以期為云南山區(qū)土地資源可持續(xù)利用提供科學依據(jù)。

1 研究區(qū)地理環(huán)境基礎

云南地處我國西南邊陲，土地面積39.41萬km2。地勢西北高東南低，與我國整體地勢相似。地貌類型多樣，山地、丘陵和高原占全省面積的94%，盆地、河谷約占6%，山地特征顯著，是我國典型的山區(qū)省份。地形起伏大，最高點海拔為6151 m，最低點海拔為76 m。全省以元江谷地—云嶺山脈南段寬谷為界，分為東西兩大地形區(qū)，以西，橫斷山區(qū)高山深谷縱列，地勢險峻；以東，滇東高原和滇中高原上低山、丘陵遍布起伏(圖1)。屬于亞熱帶季風氣候，氣溫隨地勢高低變化明顯，干濕季節(jié)分明，大部分地區(qū)降水1000 mm以上。受復雜的地理環(huán)境影響，全省土地利用類型多樣，以耕地、草地和林地為主，耕地墾殖率較高，坡耕地比例較大。2018年全省總人口4829.5萬人，GDP為17881.12億元，人均GDP為37136元，經濟發(fā)展水平相對全國其他省份滯后，而山地為主的地形地貌是影響其經濟發(fā)展水平的重要因素，因此，從地形梯度視域下，探究云南山區(qū)土地利用時空格局變化規(guī)律對土地可持續(xù)發(fā)展利用和經濟協(xié)調發(fā)展具有重要意義。

2 數(shù)據(jù)來源與研究方法

2.1 數(shù)據(jù)來源及圖像處理

2000年以來，云南省工業(yè)化和城鎮(zhèn)化進程加快，城鄉(xiāng)建設用地需求增加，“城鎮(zhèn)上山”政策的實施使得山區(qū)土地開發(fā)與保護的矛盾愈加突出，為此研究選擇云南省2000、2005、2010、2015年4期Landsat TM遙感影像，采用ENVI 5.3進行幾何校正、圖像配準、人機交互解譯等處理，得到4期云南省土地利用圖，按照國家土地利用分類標準將其分為耕地、林地、草地、水域、建設用地和未利用地一共6類(圖2)；運用ArcGIS軟件處理分辨率為90 m的云南DEM數(shù)字高程數(shù)據(jù)，得到高程、坡度、地形起伏度和地形位分布圖，并與4期土地利用圖疊加，從地形梯度視域分析，不同地形因子影響下的云南山區(qū)土地利用時空分布格局及變化規(guī)律。

圖1 云南山地分布范圍

2.2 研究方法

2.2.1 高程、坡度 高程和坡度是土地資源固有的2個重要因子，對土地開發(fā)利用和土地承載力研究有直接作用[17-19]。研究應用ArcGIS軟件提取地形因子，采用自然斷點法進行分類(表1)。

表1 高程和坡度分區(qū)分級

2.2.2 地形起伏度 地形起伏度表示區(qū)域內最高點海拔高度與最低點海拔高度之差，用于描述區(qū)域地形起伏狀況，計算公式如下：

RDLSi=Emax-Emin

(1)

式中，RDLSi表示空間上第i個柵格地形起伏度，Emax、Emin分別表示第i個柵格的最大高程和最小高程。

圖2 2000～2015年云南省土地利用圖

2.2.3 地形位指數(shù) 地形位指數(shù)用于衡量地形梯度差異，是一個綜合影響因子。為定量分析土地利用空間格局與地形梯度的變化關系，本研究采用地形位指數(shù)來度量地形梯度[20]，計算公式如下：

(2)

式中，T表示地形位指數(shù)，E表示空間上任意點高程，S表示空間上任意點坡度，E0、S0分別表示研究區(qū)平均高程、平均坡度。高程越高、坡度越大的區(qū)域地形位指數(shù)越大，反之則越??；高程較高但坡度較小或高程較小坡度較高的區(qū)域，其地形位指數(shù)居中[20-21]。

2.2.4 分布指數(shù) 分布指數(shù)用于消除各類用地面積差異，使分布相對少的用地類型特征得以表現(xiàn)，采用該指數(shù)計算各類用地的出現(xiàn)頻率，以反映土地利用在不同地形因子上的梯度分布特征[22-23]，計算公式如下：

(3)

式中，S表示分布指數(shù)，t表示某一地形因子，L表示研究區(qū)用地面積，Li表示i類用地面積，Lt表示t地形因子用地面積，Lit表示t地形因子下某等級區(qū)內i類用地面積。分布指數(shù)曲線越平緩，表明某種地類分布與標準分布的偏離越小，其對地形差異的適宜性越大；反之，則表明某種地類對地形具有較強的選擇性[22-24]。即標準分布為1，當S=1時，說明第i種地類在t地形上的比重與研究區(qū)內該地類的比重相等；當S>1時，說明第i種地類在t地形上占優(yōu)勢，對地形差異的適應性較強；當S<1時，說明第i種地類在t地形上占劣勢，對地形差異的適應性較弱小。

研究結合云南地形地貌等地理環(huán)境特征，參照現(xiàn)有成果[25-26]，對地形起伏度、地形位指數(shù)進行分類(表2)。

表2 地形起伏度和地形位分區(qū)分級

3 結果與分析

3.1 不同地形梯度視域下土地利用時空變化特征

3.1.1 高程梯度視域下土地利用時空變化特征 從高程梯度視域看，耕地主要分布在低、中地形梯度區(qū)，優(yōu)勢位為Ⅰ～Ⅲ級，高地形梯度區(qū)分布較少；林地、草地分布較廣，優(yōu)勢位不明顯；水域主要分布在低、中地形梯度區(qū)，優(yōu)勢位為Ⅰ、Ⅲ級；建設用地主要分布在中地形梯度區(qū)，優(yōu)勢位為Ⅲ級；未利用地主要分布在高地形梯度區(qū)，優(yōu)勢位為Ⅴ級。這也表明在高程1789～2402 m的中地形梯度區(qū)，人類開發(fā)建設活動最為活躍。

在低地形梯度區(qū)，耕地、草地、林面積持續(xù)減少，其中耕地面積減少最多，為579.23 km2；水域、建設用地、未利用地面積不斷增加，其中水域、建設用地面積增加量最多，增加了885.3 km2。在中地形梯度區(qū)，耕地、林地、草地面積波動減少，最為明顯的是耕地，15年間減少374.95 km2；水域、建設用地、未利用地面積不斷增加，最為明顯的是建設用地，增加了441.68 km2。在高地形梯度區(qū)，耕地、草地、未利用地面積有所減少，林地面積、水域、建設用地面積有所增加，面積變化量均小于低、中地形梯度區(qū)(表3)。

表3 不同高程上各土地利用類型的面積和分布指數(shù)

總體來說，耕地、林地、草地、水域、建設用地、未利用地分布隨高程的增加，呈現(xiàn)明顯的梯度變化規(guī)律，建設用地面積在低、中、高地形梯度區(qū)呈增加態(tài)勢。在低、中、高地形梯度區(qū)，耕地面積總量持續(xù)減少，多為建設用地所占用。在低、中、高地形梯度區(qū)，地類減少面積之和相當于地類增加面積之和。

3.1.2 坡度梯度視域下土地利用時空變化特征 從坡度梯度視域看，耕地、水域、建設用地主要分布在低地形梯度區(qū)，優(yōu)勢位為Ⅰ級；林地、草地分布較廣，優(yōu)勢位不明顯，遍布在低、中、高地形梯度區(qū)，這也表明云南森林覆蓋率高；未利用地主要分布在中、高地形梯度區(qū)，優(yōu)勢位為Ⅲ～Ⅴ級。

在低地形梯度區(qū)，耕地、林地、草地面積持續(xù)減少，減少了1030.66 km2；水域、建設用地、未利用地面積不斷增加，增加了1029.96 km2。其中，耕地面積減少量、建設用地面積增加量在低地形梯度區(qū)最多。在中地形梯度區(qū)，耕地、林地、草地面積減少了447.08 km2；水域、建設用地、未利用地面積增加了447.014 km2。在高地形梯度區(qū)，6個地類面積變化量為5個坡度等級中最少(表4)。

表4 不同坡度上各土地利用類型的面積和分布指數(shù)

總體而言，6個地類坡度梯度分布特征明顯，耕地、水域、建設用地面積隨坡度梯度等級的上升而減少；未利用地面積隨坡度梯度等級的上升而增加。6個地類在低、中、高地形梯度區(qū)具有不同的競爭優(yōu)勢，耕地、水域、建設用地在低地形梯度區(qū)競爭優(yōu)勢強；未利用地在高地形梯度區(qū)競爭優(yōu)勢強。其中，耕地和建設用地的競爭最為激烈，城鎮(zhèn)化建設不斷推進，大部分耕地被占用，要協(xié)調好耕地與建設用地之間的關系，避免因過度占用耕地導致耕地資源減少。

3.1.3 地形起伏度梯度視域下土地利用時空變化特征 6個地類地形起伏度空間分布特征顯著。耕地、水域、建設用地主要分布在低地形梯度區(qū)，優(yōu)勢位為Ⅰ級；林地、草地分布較廣，優(yōu)勢位不明顯，在Ⅰ～Ⅴ級分布指數(shù)林地大于0.64、草地大于0.94，分布較為均衡；未利用地主要分布在高地形梯度區(qū)，優(yōu)勢位為Ⅳ～Ⅴ級。

6個地類地形起伏度空間分布變化態(tài)勢明顯。在低地形梯度區(qū)，耕地、林地、草地分布面積最大，水域、建設用地次之，未利用地分布面積最小。2015年耕地、林地、草地分布面積占低地形梯度區(qū)土地面積的97%。15年間耕地面積減少了802.78 km2，是低地形梯度區(qū)上面積減少量最多的地類；建設用地面積增加805.46 km2，I級梯度分布指數(shù)達4.0以上，這也表明該梯度是人類建設活動最活躍的地區(qū)。在中地形梯度區(qū)，15年間耕地面積減少了189.96 km2，分布指數(shù)維持在0.75；林地面積有輕微增加，在中地形梯度區(qū)上仍為優(yōu)勢地類。在高地形梯度區(qū)，耕地面積最少，分布指數(shù)僅為0.34；林地、草地面積有輕微減少，分布指數(shù)均大于1；水域、建設用地、未利用地面積有輕微增加。在低、中、高地形梯度區(qū)，建設用地面積呈現(xiàn)出持續(xù)增加的態(tài)勢，增加來源主要是其他地類面積減少造成，這也表明建設用地在各地類中競爭力大(表5)。

表5 不同地形起伏度上各土地利用類型的面積和分布指數(shù)

6個地類在低、中、高地形梯度區(qū)的分布呈現(xiàn)出不同的競爭優(yōu)勢，耕地、水域、建設用地在Ⅰ級具有分布優(yōu)勢，換言之，耕地、水域、建設用地地形起伏度梯度分布特征明顯，地形起伏度越大，分布面積越少。從6個地類的面積變化量來看，其競爭優(yōu)勢表現(xiàn)為：建設用地>水域>未利用地>林地>草地>耕地，耕地、草地、林地面積減少量轉換為建設用地、水域、未利用地增加量。耕地面積減少量大多轉化為建設用地；水域面積增加得益于云南得天獨厚的地理環(huán)境，地區(qū)降水量增多，匯入湖泊的水量大于蒸發(fā)和流失的水量；未利用地面積增加主要是人類社會經濟活動中對森林植被的砍伐，使得林地減少，裸地增加。

3.1.4 地形位梯度視域下土地利用時空變化特征

6個地類地形位空間分布特征顯著。耕地主要分布在低、中地形梯度區(qū)，優(yōu)勢位為Ⅰ～Ⅲ級，Ⅴ級分布指數(shù)僅為0.01；林地、草地分布較廣，優(yōu)勢位不明顯；水域、建設用地主要分布在低地形梯度區(qū)，優(yōu)勢位為Ⅰ級；未利用地主要分布在高地形梯度區(qū)，優(yōu)勢位為Ⅳ～Ⅴ級(圖3)。

15年來6個地類整體分布基本一致，耕地在低、中地形梯度區(qū)分布指數(shù)大于1；林地、草地分布指數(shù)與標準分布偏離較??；水域、建設用地、未利用地分布指數(shù)在Ⅰ～Ⅴ級有波動，建設用地Ⅰ、Ⅲ級大于1，未利用地Ⅴ級大于1，這也表明未利用地對地形位具有較強的選擇性，人類活動對高地形梯度區(qū)干擾較弱。地類分布對地形位的依賴較大，低、中地形梯度區(qū)耕地、水域、建設用地轉移活躍，但隨著地形位等級的上升，不斷衰減；中、高地形梯度區(qū)林地、草地、未利用地轉移活躍，隨著地形位等級的上升，不斷增強。

3.2 不同地形梯度視域下土地利用時空變化差異

6個地類在高程、坡度、地形起伏度、地形位梯度上分布規(guī)律總體相似，但仍存在細微差異。 耕地在高程、地形位等級上主要分布在Ⅰ～Ⅲ級，在坡度、地形起伏度等級上主要分布在Ⅰ級；水域在高程等級上主要分布在Ⅰ、Ⅲ級，在坡度、地形起伏度、地形位等級上主要分布在Ⅰ級；建設用地在高程等級上主要分布在Ⅲ級；在坡度、地形起伏度和地形位等級上主要分布在Ⅰ級；未利用地在高程等級上主要分布在Ⅴ 級，在坡度等級上主要分布在Ⅲ～Ⅴ級，在地形起伏度、地形位等級上主要分布在Ⅳ～Ⅴ 級(表 6) 。

表6 不同地形梯度等級下土地利用類型分布規(guī)律

在高程、坡度、地形起伏度、地形位梯度等級下，15年間6個地類面積變化量變化趨勢相同。耕地面積在低、中、高地形梯度區(qū)持續(xù)減少，水域、建設用地面積在低、中、高地形梯度區(qū)不斷增加，林地、草地面積在低、中、高地形梯度區(qū)波動減少，未利用地面積在低、中、高地形梯度區(qū)波動增加，且4個梯度視域下面積變動總量基本相同。從而進一步驗證了高程、坡度、地形起伏度、地形位上土地利用類型分布趨勢與實際分布相符合，不同地形梯度對云南省土地利用變化影響基本一致(表7)。

4 結論與討論

本研究以云南省2000、2005、2010、2015年4期土地利用現(xiàn)狀數(shù)據(jù)和DEM數(shù)字高程數(shù)據(jù)為基礎，從地形梯度視域出發(fā)，篩選構建了地形起伏度、地形位指數(shù)、分布指數(shù)等為主的方法體系，運用ArcGIS、ENVI等數(shù)據(jù)處理手段，分析了云南山區(qū)土地利用時空分布格局及變化規(guī)律，結果如下。

土地利用類型在高程、坡度、地形起伏度、地形位等級上梯度分布特征明顯。其中，耕地主要分布在低、中地形梯度區(qū)，優(yōu)勢位為Ⅰ～Ⅲ級；水域、建設用地主要分布在低地形梯度區(qū)，優(yōu)勢位為Ⅰ級；未利用地主要分布在高地形梯度區(qū)，優(yōu)勢位為Ⅳ～Ⅴ級；林地、草地分布較廣，優(yōu)勢位不明顯，遍布在低、中、高地形梯度區(qū)，Ⅰ～Ⅴ級分布指數(shù)相差較小。換言之，與人類生產生活相關的耕地、建設用地、水域主要適應在低地形梯度區(qū)，由于高地形梯度限制了人類的開發(fā)利用，未利用地主要分布在高地形梯度區(qū)，而林地、草地對地形梯度的適應性強，對地形梯度變化敏感性較弱，分布較廣。

表7 2000～2015年不同地形梯度下的土地利用類型面積變化量km2

土地利用類型梯度分布變化規(guī)律明顯。2000～2015年，低、中、高地形梯度區(qū)耕地、林地、草地面積不斷減少；水域、建設用地、未利用地分布面積持續(xù)增加。6類用地中耕地與建設用地空間競爭最為激烈，耕地面積減少量最多，建設用地面積增加量最多。且土地利用類型在不同地形梯度上相互轉變，建設用地占用耕地，耕地面積銳減并向高地形梯度區(qū)轉移，不同地形梯度上坡耕地與林地、草地、未利用地間相互轉變。

揭示了地形因子在土地資源開發(fā)利用、土地結構優(yōu)化配置過程中起到的空間限制作用。今后，云南在土地資源開發(fā)利用中，要針對不同地形梯度區(qū)分布規(guī)律合理安排各類用地，在低地形梯度區(qū)，應減少耕地、林地、草地流失，保障糧食生產和生態(tài)安全，協(xié)調好城鎮(zhèn)建設用地與各類用地之間的關系，協(xié)調好經濟發(fā)展與生態(tài)保護之間的關系；在中、高地形梯度區(qū)，應嚴禁毀林開荒等破壞生態(tài)平衡的行為，實施退耕還林工程，保證林地水源涵養(yǎng)功能的發(fā)揮，控制土壤沙漠化、減少水土流失，以保障土地可持續(xù)發(fā)展利用，促進山區(qū)人地關系協(xié)調發(fā)展。