劉純軍,周國富,黃啟芬,雷 嫦,周宇洋,張 娜

(貴州師范大學 地理與環(huán)境科學學院,貴州 貴陽 550001)

0 引言

土地利用/覆被變化(LUCC)作為全球變化研究的重要組成部分，在全球環(huán)境變化過程中一直扮演著非常重要的角色[1-3]，其中，土地利用/覆被變化的驅(qū)動力一直是國內(nèi)外研究熱點。地形因子作為自然驅(qū)動因素中的重要組成部分，影響著物質(zhì)遷移、能量轉(zhuǎn)換以及光、熱、水、土的分布情況，從而直接或間接的影響著土地利用的空間格局[4]。例如高程決定了區(qū)域的溫度與光照狀況，坡度影響著區(qū)域的土壤保持與水源涵養(yǎng)能力[5]，而區(qū)域的日照時數(shù)、太陽輻射強度則與坡向密切相關(guān)[6]。目前，國內(nèi)外針對土地利用的地形梯度特征的研究多借助DEM(Digital elevation model)數(shù)據(jù)提取地形因子，包括高程、坡度、坡向、坡度變率以及將高程與坡度結(jié)合成地形位指數(shù)，探討不同地形梯度下土地利用的變化情況。其研究對象主要涵蓋以下3個方面：1)行政區(qū)域，例如貴州省[7]、哈爾濱市[8]、河北省懷來縣[9]、韶關(guān)市大塘鎮(zhèn)[10]等；2)自然區(qū)域，例如太行山[11]、鄱陽湖區(qū)[12]、滇池流域[13]、淺山丘陵區(qū)[14]等；3)經(jīng)濟區(qū)域，例如環(huán)津京貧困帶[15]、長江中游經(jīng)濟帶[16]、皖南地區(qū)[17]等，而基于地形梯度效應，分析典型喀斯特地區(qū)流域的土地利用變化時空特征尚不多見。

烏江流域地處西南巖溶區(qū)中心，是典型的喀斯特區(qū)與石漠化區(qū)，同時也是《全國生態(tài)功能區(qū)劃》劃定的水源涵養(yǎng)區(qū)與土壤保持區(qū)，流域以其地理背景的獨特性成為各學科研究的熱點區(qū)域。有關(guān)烏江流域土地利用的研究，國內(nèi)學者一直緊跟研究熱點。早在20世紀90年代，李久林[18]就探討了烏江流域的土地利用現(xiàn)狀特征以及存在的若干問題，但研究以定性描述為主；21世紀初，國內(nèi)學者開展的相關(guān)研究多從土地利用的視角出發(fā)，探討烏江流域的土壤侵蝕[19]、生態(tài)脆弱性[20]、生態(tài)系統(tǒng)服務價值[21]以及生態(tài)風險評價[22]等。目前，學術(shù)界尚未見到烏江流域土地利用時空變化特征的系統(tǒng)研究。因此，本文以貴州省烏江流域為例，基于1990年、2000年、2010年與2017年土地利用數(shù)據(jù)，系統(tǒng)研究流域在不同地形因子下的土地利用變化特征，以期為流域的生態(tài)文明建設(shè)與土地資源的可持續(xù)利用提供科學依據(jù)。

1 研究區(qū)概況

貴州省烏江流域(以下簡稱“烏江流域”)位于云貴高原的東部(26°15′N～29°21′N，104°31′E～108°79′E)，是貴州省境內(nèi)最大的流域，流域面積66 875.43 km2，是典型的喀斯特地區(qū)，流域內(nèi)以丘陵與山地為主。烏江發(fā)源于威寧縣鹽倉鎮(zhèn)西南，其干流從河源至化屋基為上游，化屋基至思南為中游，思南至重慶涪陵為下游。流域地勢呈西南高、東北低。烏江流域?qū)賮啛釒Ц咴撅L濕潤氣候，植被類型以常綠針葉林以及常綠闊葉林為主[23]，主要土壤類型有黃壤、石灰土與水稻土。流域年平均氣溫為13～18 ℃，平均降雨量800～1 600 mm。

圖1 研究區(qū)域地理位置圖Fig.1 Geographical location of the study area

2 數(shù)據(jù)來源與研究方法

2.1 數(shù)據(jù)來源

本文選取烏江流域1990年、2000年、2010年以及2017年4期土地利用數(shù)據(jù)作為基礎(chǔ)數(shù)據(jù)，其中2000年與2010年土地利用數(shù)據(jù)源于“貴州省生態(tài)環(huán)境十年( 2000—2010) 變化遙感調(diào)查與評估”，1990年與2017年土地利用數(shù)據(jù)在2000年與2010年數(shù)據(jù)的基礎(chǔ)上，采用ENVI 5.3對Landsat TM/OLI遙感影像(來源于地理空間數(shù)據(jù)云：http://www.gscloud.cn)進行監(jiān)督分類以及目視解譯獲得，最后運用Goole Earth進行校正，空間分辨率30 m×30 m。土地利用分類參照國際IGBP的LUCC分類，將研究區(qū)的土地利用分類系統(tǒng)分為耕地、林地、草地、水域、未利用地、建設(shè)用地6個一級分類。DEM數(shù)據(jù)精度為30m×30 m，來源于地理空間數(shù)據(jù)云。

2.2 研究方法

2.2.1 地形位指數(shù)

地形位是通過地理信息模型建模，綜合了高程與坡度信息的復合地形因子[24]，引入該指數(shù)可以很好地解決單一地形因子(高程、坡度)的空間分析無法體現(xiàn)地形條件對景觀分布的綜合影響這一問題，其表達式為：

(1)

2.2.2 分布指數(shù)

分布指數(shù)作為一個無量綱指數(shù)，可以消除面積差異所帶來的量綱影響，并且反映土地利用類型在不同梯度上的分布特征，其表達式為[24]：

(2)

式中：P為分布指數(shù)，Sie為第i種土地利用類型在e地形因子等級下的面積，Si為第i種土地利用類型的總面積，Se為e地形因子級別區(qū)的面積，S為研究區(qū)總面積。

若P>1，該土地利用類型i在e地形因子等級下呈優(yōu)勢分布，P值越大，優(yōu)勢度越高；反之，則呈劣勢分布，P值越小，優(yōu)勢度越低；P=1，則說明地類i在e地形因子等級上的比重與研究區(qū)該地類的比重相等。

2.2.3 土地利用多樣性指數(shù)

多樣性指數(shù)可定量反映研究區(qū)內(nèi)各土地利用組成在不同地形梯度上的多樣性特征，即所有分類單元在不同地形梯度上的均勻程度，其表達式為[25]：

(3)

式中：Yh為土地利用多樣性指數(shù)；Pi為第i種土地利用類型所占面積的比例；n為土地利用類型的數(shù)目，表示研究區(qū)土地利用類型的相對多度。

多樣性指數(shù)的值域為[0,1]，若值趨近于1，則說明研究區(qū)內(nèi)所有土地利用類型分布均勻，反之，則說明各土地利用類型分布均勻度較差，有某一類或少數(shù)幾類地類擠占其它地類的面積。

2.2.4 土地利用程度綜合指數(shù)

為定量研究土地利用程度地形分異特征，引入土地利用程度綜合指數(shù)，指數(shù)的大小可反映土地利用程度高低。參照莊大方等[26]學者的研究成果，將土地利用程度分為4級并分別賦值(表1)，表達式為：

表1 土地利用程度分級賦值表Tab.1 The land use degree classification index assignment

La∈[100,400]

(4)

式中：La為土地利用程度綜合知識；Ai為是第i種土地利用類型分級指數(shù)；Ci為第i種土地利用類型所占比例。

本文在分析烏江流域不同地形梯度上的土地利用變化特征之前，將研究區(qū)的高程圖、坡度圖與地形位圖結(jié)合研究區(qū)的實際情況進行分級。其中坡度分級按照水利部提出的分級標準：0～5°、5～8°、8～15°、15～25°、25～35°、>35°；同時將高程與地形位相應的分成6級。然后，通過ArcGIS 10.2的Spatial Analyst工具將研究區(qū)4期土地利用數(shù)據(jù)分別與高程圖、坡度圖與地形位圖疊加獲取研究區(qū)不同地形因子下各土地利用類型的分布情況，最后進行統(tǒng)計匯總，探討研究區(qū)土地利用在不同梯度上的分布及變化規(guī)律。

3 結(jié)果與分析

3.1 烏江流域土地利用數(shù)量變化分析

烏江流域1990—2017年不同地類所占比重差異明顯(表2)?？v觀烏江流域1990年、2000年、2010年、2017年4個時期，林地、耕地、草地是流域內(nèi)分布的主要土地利用類型，其中林地面積最大，耕地面積次之，草地所占比重較少，三者面積之和占流域土地總面積的比例分別為99.15%、99.12%、98.7%、96.72%，總體呈現(xiàn)下降的趨勢。建設(shè)用地與水域面積均呈上升趨勢，兩者面積之和所占比重從1990年的0.84%上升到2017年的3.27%。未利用地由于本身基數(shù)較小，四個時期的面積所占比重為均為0.01%。

表2 烏江流域不同年份土地利用變化Tab.2 Land use change in Wujiang River Basin among different years

1990—2017年，烏江流域地類的變化可分為2個階段：第一階段是1990—2000年，該階段耕地與草地的面積不斷增加，分別增加了1 676.46 km2與276.92 km2，比重增加了2.51與0.41%；林地面積降低了1 975.96 km2，比重下降了2.95%。第二階段是2000—2017年，該階段耕地與草地的面積開始下降，分別下降了956.96 km2與2 000.34 km2，比重下降了1.43%與2.99%；林地面積增加了1 356.25 km2，比重增加了2.02%。水域與建設(shè)用地面積27年來持續(xù)增加，其中在2000—2017年增加幅度較大。未利用地面積減少，但減少幅度較小。上述分析表明：自2002年以來，貴州省實施的退耕還林等相關(guān)措施對于烏江流域的土地利用變化模式產(chǎn)生了重要影響。

3.2 烏江流域土地利用地形梯度分析

3.2.1 高程梯度帶下土地利用變化的分布特征

1990—2017年，烏江流域不同高程分級下的土地利用分布呈現(xiàn)出先增后減的變化特征(表3)。流域土地利用在高程1 000～1 300 m梯度分布的面積所占比重最大，為29.54%；隨后降至高程大于1 900 m梯度的5.9%，所占比重最少。從各地類來看(圖3)，耕地、林地主要分布在高程700～1 000 m、1 000～1 300 m梯度，其中耕地2017年在兩個高程梯度的占比分別為28.05%、29.18%，林地占比分別為31.58%、30.28%，兩者出現(xiàn)的峰值在不同的高程梯度；草地集中分布在高程1 000～1 300 m、1 300～1 600 m梯度，2017年在2個高程梯度的占比分別為25.36%、29.18%，峰值出現(xiàn)在高程1 300～1 600 m梯度；建設(shè)用地與水域峰值相同，出現(xiàn)在高程1 000～1 300 m梯度，兩者2017年的峰值占比分別為54.31%、45.06%，未利用地的峰值出現(xiàn)在高程1 300～1 600 m梯度，為68.32%。整體上看，烏江流域各地類變化呈現(xiàn)出先增后減的變化特征，各地類的峰值出現(xiàn)在不同高程梯度上。

表3 地形因子分級及面積比例Tab.3 Classification and Area Proportion of terrain factors

圖4為烏江流域不同高程梯度的土地利用類型的分布指數(shù)變化情況。高程205～700 m梯度主要分布的地類為耕地與水域，其分布指數(shù)均大于1，說明兩者在該區(qū)域具有分布優(yōu)勢，是該區(qū)域土地利用的主導方式；高程700～1 000 m梯度的耕地、林地、水域的分布指數(shù)大于1，占據(jù)優(yōu)勢地位；建設(shè)用地、耕地、林地、水域在高程1 000～1 300 m梯度分布指數(shù)大于1，具有分布優(yōu)勢；隨著高程的增加，耕地、水域與建設(shè)用地受到海拔的影響越明顯，優(yōu)勢度不斷下降，而草地的優(yōu)勢度不斷增加，在高程1 300 m以上的區(qū)域都具有分布優(yōu)勢；未利用地的分布指數(shù)僅在高程1 300～1 600 m梯度的區(qū)域大于1，具有分布優(yōu)勢。由此可見，高程對耕地與水域的分布影響較大，低海拔的區(qū)域地理環(huán)境與水土資源條件更有利于人類從事各種生產(chǎn)活動。

圖2 研究區(qū)高程、坡度、地形位指數(shù)圖Fig.2 Maps of altitude, slope and terrain niche index in study area

圖3 土地利用結(jié)構(gòu)的高程梯度分布Fig.3 Altitude gradient distribution of land use structure

圖4 1990—2017年土地利用類型在個高程梯度上的分布指數(shù)Fig.4 Altitude gradient distribution index index of land use types from 1990 to 2017

3.2.2 坡度梯度帶下土地利用變化的分布特征

1990—2017年，烏江流域不同坡度分級下土地利用變化表現(xiàn)出先增后減的特征(表3)。流域土地利用在坡度15～25°梯度下分布的面積達到最大，占比為32.2%，隨后降至坡度大于35°梯度下的6.62%，占比為最低。從各地類來看(圖5)，耕地、林地、草地與未利用地主要分布在坡度8～15°、15～25°梯度，其中耕地在2017年2個坡度梯度的占比分別為32.05%、29.64%；林地與草地的峰值出現(xiàn)在坡度15～25°梯度，兩者2017年的峰值分別為34.49%、33.39%；未利用地的峰值在2017年發(fā)生了改變，出現(xiàn)在坡度8～15°梯度，為34.81%，其余3個時期均在坡度梯度15～25°，未利用地4個時期峰值的變化幅度不大；建設(shè)用地與水域的變化特征相同，表現(xiàn)為減少-增加-減少，兩者的峰值出現(xiàn)在坡度8～15°，2017年兩者面積占比分別為34.6%、27.13%。

圖5 土地利用結(jié)構(gòu)的坡度梯度分布Fig.5 Slope gradient distribution of land use structure

圖6為烏江流域不同坡度梯度的土地利用類型的分布指數(shù)變化情況。烏江流域坡度0～15°梯度下主要分布的地類包括建設(shè)用地、耕地、水域以及未利用地，其分布指數(shù)大于1，在該區(qū)域具有分布優(yōu)勢；林地與草地在坡度15°以上的區(qū)域分布指數(shù)大于1，具有分布優(yōu)勢。隨著坡度的增加，建設(shè)用地、耕地、水域以及未利用地的優(yōu)勢度在降低，而草地與林地的優(yōu)勢度在增加。說明坡度對建設(shè)用地、耕地、水域以及未利用地的影響較大，而林地與草地對坡度的限制條件具有較強的適應性；另一方面流域內(nèi)近年來響應國家生態(tài)文明建設(shè)要求，實施的退耕還林還草工程、石漠化治理工程等政策有了切實效果。

圖6 1990—2017年土地利用類型在坡度梯度上的分布指數(shù)Fig.6 Slope gradient distribution index of land use types from 1990 to 2017

3.2.3 地形梯度帶下土地利用變化的分布特征

圖7體現(xiàn)了烏江流域1990—2017年土地利用類型地形位梯度的差異。在地形位1～3級別區(qū)，耕地與建設(shè)用地的分布指數(shù)大于1，處優(yōu)勢分布區(qū)域，林地與草地分布指數(shù)在該區(qū)間小于1，處劣勢分布區(qū)域；在地形位等級4～6級別區(qū)，耕地與建設(shè)用地的分布指數(shù)小于1，林地與草地分布指數(shù)在該區(qū)間大于1。未利用地在3～5級地形位梯度區(qū)間具有分布優(yōu)勢，其中分布指數(shù)在4級地形位達到最大，水域的優(yōu)勢分布區(qū)在1990—2000年為1～3級別區(qū)，在2010—2017年為1～2級別區(qū)?？傮w上看，耕地增加、建設(shè)用地與水域的優(yōu)勢度隨地形位等級的增加而降低，林地與草地的優(yōu)勢度隨地形位等級的增加而減少，未利用的分布指數(shù)表現(xiàn)出先增加后減少的變化特征。

圖7 1990—2017年土地利用類型在地形位梯度上的分布指數(shù)Fig.7 Terrain index gradient distribution index index of land use types from 1990 to 2017

從時點上看，1990—2017年烏江流域林地在4～6級別區(qū)分布指數(shù)呈增大趨勢，在1～3級別區(qū)呈降低趨勢，但變化幅度不大，說明以自然為主導的生態(tài)類型的優(yōu)勢逐漸向更高范圍擴展；耕地各地形位梯度的分布指數(shù)整體上呈現(xiàn)下降趨勢，說明各地形位梯度上有地類擠占耕地面積；建設(shè)用地與水域在2～3級別區(qū)分布指數(shù)變小，在4～6級別區(qū)增大，說明烏江流域“縣縣通高速”等政策的實施、梯級電站等水利設(shè)施的建設(shè)對建設(shè)用地與水域的變化產(chǎn)生了重要影響；而未利用地與草地的分布指數(shù)變化特征不明顯。

3.3 烏江流域土地多樣性分析

1990—2017年，烏江流域土地利用多樣性指數(shù)在地形位梯度上表現(xiàn)為逐步增大的變化特征(圖8)。其中以地形位等級為1時，變化最為明顯，從1990年的0.58增加到2017年的0.67；其余地形位梯度的多樣性指數(shù)均有不同的增幅，這說明各個地形位梯度的土地利用類型構(gòu)成趨向于均勻分布。此外，1990—2010年烏江流域的土地利用多樣性指數(shù)表現(xiàn)為先增后減的特征，在地形位等級為2時達到最大，然后隨著地形位梯度的增加呈現(xiàn)降低的趨勢，2017年流域的多樣性指數(shù)為4個時期最低，歷年的多樣性指數(shù)整體變化特征均是隨著地形位梯度的增加而降低，主要是因為土地利用的多樣性地形位等級具有較高的選擇性與適應性，另一方面，流域的多樣性指數(shù)變化特征也說明土地利用多樣性豐富度主要分布于1～2級的地形位梯度。

圖8 烏江流域地形梯度的土地利用多樣性分析Fig.8 Land use diversity of terrain gradient in Wujiang River Basin

根據(jù)烏江流域1990—2017年土地利用多樣性指數(shù)在地形位梯度上的變化特征可知，流域歷年的土地利用類型分布均勻度集中分布于低地形位區(qū)間，原因是低地形梯度的區(qū)域地勢平坦，海拔低、坡度小，城鎮(zhèn)用地、農(nóng)村居民地多集中分布于此，人口的集中分布有利于土地資源的開墾利用，使得土地利用多樣性增加且分布均勻。此外，烏江流域歷年的多樣性指數(shù)在地形位等級為1～2時增加，在地形位等級為2～3時開始減少，說明地形位等級1～2與2～3是土地利用多樣性的跨區(qū)。

3.4 烏江流域土地利用程度分析

1990—2017年，烏江流域土地利用程度綜合指數(shù)在各地形位梯度上隨著地形位的增加而逐漸降低(圖9)。原因是高地形位的區(qū)域坡度大海拔高，影響了城鎮(zhèn)的集聚，加之政府實施的異地扶貧搬遷等政策，使得人口相對稀少，導致土地資源的開發(fā)利用程度較低。另一方面，隨著時間的推移，烏江流域歷年的土地利用程度綜合指數(shù)在地形位等級1～3級時逐步增大，而在地形位4～6級的區(qū)間指數(shù)的變化特征不明顯，主要原因是流域內(nèi)近年來實施的農(nóng)業(yè)結(jié)構(gòu)調(diào)整、新農(nóng)村建設(shè)等政策集中在低地形位區(qū)域，致使人類對土地利用的擾動頻繁?？傮w上，烏江流域的土地資源在各地形位梯度上的分布正在朝著合理、穩(wěn)定的趨勢發(fā)展。

圖9 烏江流域地形梯度的土地利用程度Fig.9 Land use intensity of terrain gradient in Wujiang River Basin

4 討論

結(jié)合研究區(qū)的實際情況，從自然因素、社會經(jīng)濟因素與政策因素3個方面探討烏江流域土地利用在地形梯度上呈現(xiàn)空間分布差異性的原因。

從自然因素來看，研究區(qū)內(nèi)高程700～1 600 m、坡度8～35°的區(qū)域分別占研究區(qū)總面積的76.62%、75.48%，這在很大程度上決定了研究區(qū)土地利用的整體分布格局。總體來看，與人類的生產(chǎn)生活息息相關(guān)的耕地、建設(shè)用地與水域在海拔低、坡度小的區(qū)域具有分布優(yōu)勢，而受人類活動干擾較小的海拔高、坡度大的區(qū)域是林地與草地的優(yōu)勢分布區(qū)，這就導致了人類的農(nóng)業(yè)耕作、城鎮(zhèn)的集聚以及工程建設(shè)等活動集中于低地形位等級的區(qū)域。因此，低地形位等級區(qū)域的土地利用多樣性與土地利用程度均高于高地形位等級的區(qū)域。

從社會經(jīng)濟因素來看。根據(jù)貴州省第四次(1990年)、第五次(2000年)、第六次(2010年)人口普查數(shù)據(jù)，流域的鄉(xiāng)村人口數(shù)分別為1 159萬人、1 164萬人、1 055萬人，呈現(xiàn)先增后減的變化特征。鄉(xiāng)村人口的流動主要發(fā)生在距離較遠、高地形位(海拔高、坡度大)的區(qū)域向低地形位(海拔低、坡度小)的區(qū)域轉(zhuǎn)移，這種轉(zhuǎn)移引起耕地閑置，大面積的耕地撂荒，轉(zhuǎn)換為草地與林地，因此高地形位的區(qū)域耕地分布指數(shù)變小，林地、草地的分布指數(shù)增大。而低地形位的區(qū)域流入大量的鄉(xiāng)村人口則會引起住房需求增加，建設(shè)用地面積擠占耕地面積，人類擾動范圍不斷擴大，導致城鎮(zhèn)化的迅速發(fā)展，直接或間接影響了低地形位區(qū)域土地利用變化模式，致使低地形位的區(qū)域土地利用的多樣性豐富度增加以及土地利用的程度變高。綜上所述，社會經(jīng)濟因素是烏江流域土地利用變化地形梯度效應形成的重要因素。

此外，流域?qū)嵤┑耐烁€林還草工程、石漠化綜合治理工程等生態(tài)治理工程對流域的土地利用結(jié)構(gòu)及地形梯度效應的形成起著重要重用。在低地形梯度區(qū)域，建設(shè)用地規(guī)模向外擴張，擠占耕地面積，使得耕地面積減少；在高地形梯度區(qū)域，退耕還林還草工程與石漠化綜合治理工程的實施，使得耕地面積向林地與草地轉(zhuǎn)移，高地形位區(qū)域土地利用多樣性單一、分布不均勻并且土地利用程度降低，但在一定程度上優(yōu)化了高地形位區(qū)域的土地利用。

5 結(jié)論

本文以烏江流域為例，從坡度與高程的角度出發(fā)，通過土地利用多樣性指數(shù)與土地利用程度綜合指數(shù)的計算，揭示了流域土地利用的地形梯度特征，為今后類似區(qū)域土地利用規(guī)劃管理與優(yōu)化配置提供參考與借鑒，同時本文得出以下結(jié)論：

1)烏江流域土地利用總體變化特征分為兩個階段：第一階段(1990—2000年)林地減少，耕地與草地增加；第二階段(2000—2017年)林地增加，耕地與草地減少；而建設(shè)用地與水域在兩個階段面均保持增加，未利用地持續(xù)減少。

2)1990—2017年烏江流域土地利用的結(jié)構(gòu)與格局具有顯著的地形梯度效應。耕地、水域、建設(shè)用地主要分布于低地形位(海拔低、坡度小)的區(qū)域，林地與草地集中分布于高地形位(海拔高、坡度大)的區(qū)域。

3)1990—2017年烏江流域土地利用多樣性指數(shù)隨著地形位等級的增加，土地利用多樣性指數(shù)逐漸降低，土地利用多樣性由均勻分布轉(zhuǎn)向不均勻分布。

4)1990—2017年烏江流域土地利用程度集中于低地形梯度，并且隨著地形梯度的增加，烏江流域歷年的土地利用程度呈現(xiàn)逐漸降低的趨勢。