基于地形坡面的土地覆被變化強(qiáng)度分析
——以伊洛河流域?yàn)槔?/h1>
2021-11-02 01:06:16張永民
資源開發(fā)與市場(chǎng) 2021年11期
張永民
（河南財(cái)經(jīng)政法大學(xué)資源與環(huán)境學(xué)院，河南鄭州 450046）
近百年來，隨著人類土地利用活動(dòng)的日益擴(kuò)大，地表的土地覆被發(fā)生了規(guī)?？臻g的巨大變化，并成為影響氣候變化、土地退化和生物多樣性銳減等環(huán)境問題的重要因素，因此土地利用/覆被變化（簡(jiǎn)稱“土地覆被變化”）被列為環(huán)境變化和可持續(xù)發(fā)展領(lǐng)域研究的核心問題［1－3］。隨著遙感和地理信息系統(tǒng)技術(shù)的迅速發(fā)展，學(xué)術(shù)界對(duì)眾許多典型地區(qū)的土地覆被變化開展了大量研究，并取得了豐碩成果，如快速城鎮(zhèn)化地區(qū)的建設(shè)用地?cái)U(kuò)張［4－6］、熱帶雨林地區(qū)的毀林［7，8］、生態(tài)脆弱區(qū)的土地開發(fā)等［9－11］。但以往研究多是關(guān)注土地覆被變化的數(shù)量、位置和驅(qū)動(dòng)因素，對(duì)土地覆被變化的內(nèi)在過程研究較少。顯然，每種土地覆被變化都是一種土地覆被類型的轉(zhuǎn)出（縮減）與另一種土地覆被類型的轉(zhuǎn)入（擴(kuò)增）過程。但不同地區(qū)不同土地覆被類型的轉(zhuǎn)出與轉(zhuǎn)入過程可能存在巨大差異。從轉(zhuǎn)出看，某一土地覆被類型縮減的空間可能是被其他地類隨機(jī)占用，也可能是被某特定地類“超比例”占用；從轉(zhuǎn)入看，某地類的擴(kuò)增可能是系統(tǒng)的“指向”或“避讓”某特定地類，也可能是隨機(jī)的“捕獲”其他地類［12］。詳細(xì)深入分析轉(zhuǎn)入與轉(zhuǎn)出過程對(duì)于識(shí)別土地覆被變化系統(tǒng)中的行為特征，進(jìn)而評(píng)估變化的驅(qū)動(dòng)機(jī)制至關(guān)重要。以往案例多是選擇國(guó)家、經(jīng)濟(jì)區(qū)和省份等行政單元作為研究地區(qū)，基于坡面等自然地理單元的土地覆被變化研究相對(duì)較少。實(shí)際上，不同坡面的水、熱、土資源組合狀況各不相同，土地覆被變化的強(qiáng)度和方向存在明顯差異。同時(shí)，不同坡面土地覆被變化的環(huán)境效應(yīng)差別較大，如陡坡相對(duì)于平地更易發(fā)生水土流失，因此基于坡面的土地覆被變化研究更有助于評(píng)估變化的環(huán)境效應(yīng)［13－15］。鑒于以上原因，本文選擇伊洛河流域作為研究地區(qū)，探索基于坡面尺度詳細(xì)深入分析土地覆被變化過程的途徑與方法，以期為今后的土地覆被變化研究提供新的視角，同時(shí)為研究地區(qū)的生態(tài)保護(hù)與可持續(xù)發(fā)展決策提供科學(xué)依據(jù)。
1 研究地區(qū)概況
伊洛河是黃河中下游重要的一級(jí)支流，由伊河與洛河匯聚而成。伊河發(fā)源于熊耳山南麓河南省欒川縣，河長(zhǎng)264.8km；洛河起源于陜西省洛南縣，向東流入河南境內(nèi)，河長(zhǎng)446.9km。兩河于偃師市東部匯合，匯流后東流至鞏義市北入黃河，流域面積為18881km2（圖1）。伊洛河流域海拔57—2655m，地處我國(guó)地形二、三階梯的交界處，屬于黃土邊緣地帶，生態(tài)與環(huán)境過渡性特征明顯，多年平均水資源總量32.31 × 108m3，對(duì)黃河下游的洪淤具有重要的影響［16，17］。伊洛河流域中上游的丘陵山區(qū)主要以森林和草地為主，部分地區(qū)地下埋藏有煤炭等礦產(chǎn)資源，下游的沖積平原土壤肥沃，是重要的糧食基地。伊洛河流域具有悠久的開發(fā)歷史，經(jīng)濟(jì)發(fā)展水平呈階梯狀分布，中上游的洛寧、盧氏和洛南等地區(qū)較落后，下游的洛陽、義馬、偃師和鞏義等中小城市經(jīng)濟(jì)較發(fā)達(dá)［18］。據(jù)水文資料分析，20 世紀(jì)50 年代以來，由于土地覆被變化等人類活動(dòng)的影響，伊洛河流域徑流量呈顯著減少趨勢(shì)，水土流失和洪水災(zāi)害等環(huán)境問題比較突出［19］。目前，我國(guó)正處于實(shí)施黃河流域生態(tài)保護(hù)和高質(zhì)量發(fā)展戰(zhàn)略的關(guān)鍵時(shí)期，伊洛河流域作為黃河流域的重要組成部分，其生態(tài)保護(hù)與發(fā)展倍受關(guān)注，因此開展伊洛河流域土地覆被變化研究具有重要意義。
圖1 伊洛河流域示意圖
2 數(shù)據(jù)資料
本文使用的數(shù)據(jù)主要是數(shù)字高程模型（DEM）數(shù)據(jù)和2010 年、2020 年兩期土地覆被數(shù)據(jù)。DEM 數(shù)據(jù)源自于日本經(jīng)濟(jì)產(chǎn)業(yè)?。∕ETI）和美國(guó)航空航天局（NASA）聯(lián)合研制并免費(fèi)面向公眾分發(fā)的全球數(shù)字高程數(shù)據(jù)產(chǎn)品ASTER GDEM V2 版，數(shù)據(jù)為柵格格式，柵格大小為30m。土地覆被數(shù)據(jù)源自中國(guó)研制的30m空間分辨率全球地表覆被數(shù)據(jù)GlobeLand30，伊洛河流域的GlobeLand30 數(shù)據(jù)包括耕地、林地、草地、濕地、水體和人造地表6 種土地覆被類型［20］。根據(jù)研究需要，本文對(duì)伊洛河流域的原始數(shù)據(jù)進(jìn)行了預(yù)處理：首先，將DEM 和土地覆被數(shù)據(jù)重采樣為90m，主要是因?yàn)檠芯康貐^(qū)面積較大，劃分坡面的軟件難以運(yùn)行其30m 分辨率的DEM 數(shù)據(jù)；其次，把GlobeLand30 數(shù)據(jù)中的濕地和水體合并在一起統(tǒng)稱為濕地，人造地表改稱建設(shè)用地，從而將研究地區(qū)的土地覆被劃分為耕地、林地、草地、濕地和建設(shè)用地5 種類型（圖2）。
圖2 2010—2020 年伊洛河流域土地覆被
3 研究方法
3.1 坡面的劃分
坡面是構(gòu)成地貌形態(tài)的基本單元，陸地表面就是由一系列形狀、大小、坡度和坡向等屬性不同的坡面鑲嵌而成的。目前坡面的界定尚沒有統(tǒng)一標(biāo)準(zhǔn)，但一般認(rèn)為同一坡面各處的坡度和坡向等屬性應(yīng)相對(duì)一致，而相鄰的不同坡面應(yīng)有較大差異。如，每個(gè)流域一般可由中間的流水線劃分為左右兩個(gè)半流域，這兩個(gè)半流域面就是構(gòu)成流域的兩個(gè)坡面。坡面的劃分主要有自上而下逐步分割法和自下而上逐步合并法［21，22］，本文根據(jù)Alvioli 等設(shè)計(jì)的基于流域自上而下逐步分割法［23，24］，運(yùn)用軟件R.slopeunits 對(duì)伊洛河流域進(jìn)行坡面劃分。
需要說明的是，軟件R.slopeunits 劃分出的坡面是由河流（河谷）流水線和分水嶺山脊線包圍而成的半流域面，對(duì)坡面的判定主要有兩個(gè)條件：一是最小面積，如果某半流域面的面積小于設(shè)定值（本文為15萬m2），就將其視為一個(gè)坡面。二是圓方差（Circular variance），表征半流域面各組成柵格坡向變異程度的指標(biāo)，取值范圍是0 至1。值越小，表示組成半流域面的柵格坡向變異越??；反之，表示坡向變異越大。本研究設(shè)置的臨界值為0.3，即對(duì)于面積大于15 萬m2的半流域面來說，其圓方差必須小于0.3才被判定為坡面。
3.2 土地覆被轉(zhuǎn)變矩陣
土地覆被轉(zhuǎn)變矩陣是開展強(qiáng)度分析的基礎(chǔ)數(shù)據(jù)。運(yùn)用GIS技術(shù)對(duì)兩個(gè)時(shí)點(diǎn)的土地覆被圖進(jìn)行疊加，統(tǒng)計(jì)各土地覆被類型之間轉(zhuǎn)變的面積即可得到該時(shí)段的土地覆被轉(zhuǎn)變矩陣。本文涉及5 種土地覆被類型，土地覆被轉(zhuǎn)變矩陣的數(shù)學(xué)表達(dá)式如下：
式中，Cij表示某時(shí)段土地覆被類型i 轉(zhuǎn)變?yōu)轭愋蚸的面積；i和j的取值為1，2，3，4，5，分別表示耕地、林地、草地、濕地和建設(shè)用地。
3.3 土地覆被變化的強(qiáng)度分析
土地覆被變化強(qiáng)度分析是美國(guó)Clark大學(xué)Pontius教授研究組提出的分析方法，它是從變化時(shí)段、土地覆被類型和土地覆被轉(zhuǎn)變類型3 個(gè)層次逐層深入的分析土地覆被變化過程，根據(jù)土地覆被轉(zhuǎn)變矩陣，從轉(zhuǎn)入和轉(zhuǎn)出兩個(gè)視角全面系統(tǒng)地揭示土地覆被變化過程與格局的內(nèi)在聯(lián)系［25－27］。
時(shí)段層次的變化強(qiáng)度：任何一個(gè)地點(diǎn)（柵格）的土地覆被變化既是某種地類的轉(zhuǎn)出，同時(shí)也是另一種地類的轉(zhuǎn)入，因此研究地區(qū)所有地類的轉(zhuǎn)出之和等于轉(zhuǎn)入之和，時(shí)段層次的總變化強(qiáng)度就是全部地類的轉(zhuǎn)出（或者轉(zhuǎn)入）之和占全部地類總面積的百分比?？傋兓瘡?qiáng)度（T）包括數(shù)量變化強(qiáng)度（Q）和空間變化強(qiáng)度（S）兩部分，數(shù)量變化強(qiáng)度是指數(shù)量增加（或者減少）的土地覆被類型增加（或者減少）的數(shù)量之和占全部地類總面積的百分比；空間變化是指各地類之間空間配置方面的變化，包括位置對(duì)換（比如一個(gè)柵格上的耕地轉(zhuǎn)變?yōu)椴莸?，另一個(gè)柵格上的草地轉(zhuǎn)變?yōu)楦兀┖瓦w移（比如一個(gè)柵格上的耕地轉(zhuǎn)變?yōu)椴莸兀硪粋€(gè)柵格上的草地轉(zhuǎn)變?yōu)榱值兀﹥煞N形式［28］，其強(qiáng)度等于總變化強(qiáng)度與數(shù)量變化強(qiáng)度之差。計(jì)算公式分別為：
本文所有公式中的J ＝5，表示土地覆被類型的數(shù)量。
土地覆被類型層次的變化強(qiáng)度：每種土地覆被類型的變化都包含轉(zhuǎn)出（縮減）與轉(zhuǎn)入（擴(kuò)增）兩個(gè)方面，且同一地類的轉(zhuǎn)出與轉(zhuǎn)入面積一般互不相等，因此覆被類型層次的變化強(qiáng)度分為轉(zhuǎn)入強(qiáng)度與轉(zhuǎn)出強(qiáng)度兩部分。某土地覆被類型的轉(zhuǎn)入強(qiáng)度是指其他地類對(duì)其轉(zhuǎn)入面積之和占變化終點(diǎn)該地類面積的百分比，轉(zhuǎn)出強(qiáng)度是其對(duì)其他地類的轉(zhuǎn)出面積之和占變化起點(diǎn)該土地覆被類型面積的百分比。計(jì)算公式分別為：
假設(shè)全部地類的轉(zhuǎn)入之和是根據(jù)變化終點(diǎn)各地類的面積隨機(jī)均勻（按比例）地“分配”給各地類的話，那么各地類的轉(zhuǎn)入強(qiáng)度將相等，且等于整體的轉(zhuǎn)入強(qiáng)度（即時(shí)段層次的總變化強(qiáng)度），表示隨機(jī)均勻擴(kuò)增。如果某地類的轉(zhuǎn)入強(qiáng)度大于整體的總變化強(qiáng)度，那么它就是高強(qiáng)度轉(zhuǎn)入地類，表示“超比例”快速擴(kuò)增；否則，它就是低強(qiáng)度轉(zhuǎn)入地類，表示“降比例”緩慢擴(kuò)增。同理，假設(shè)全部地類的轉(zhuǎn)出之和是根據(jù)變化起點(diǎn)各地類的面積隨機(jī)均勻（按比例）“分?jǐn)偂弊愿鞯仡惖脑?，那么各地類的轉(zhuǎn)出強(qiáng)度將相等，且都等于整體的轉(zhuǎn)出強(qiáng)度（即時(shí)段層次的總變化強(qiáng)度），表示隨機(jī)均勻縮減。如果某地類的轉(zhuǎn)出強(qiáng)度大于整體的總變化強(qiáng)度，那么它就是高強(qiáng)度轉(zhuǎn)出地類，表示快速縮減；否則，它就是低強(qiáng)度轉(zhuǎn)出地類，表示緩慢縮減。
轉(zhuǎn)變類型層次的變化強(qiáng)度：和土地覆被類型層次相似，轉(zhuǎn)變類型層次的變化強(qiáng)度也包含轉(zhuǎn)出強(qiáng)度和轉(zhuǎn)入強(qiáng)度兩個(gè)方面。對(duì)于地類i 轉(zhuǎn)變?yōu)榈仡恓 這一轉(zhuǎn)變類型（Cij）來說，從轉(zhuǎn)入看，地類i 對(duì)地類j 的轉(zhuǎn)入強(qiáng)度是指地類i 轉(zhuǎn)變?yōu)榈仡恓 的面積占變化起點(diǎn)地類i 的面積的百分比。對(duì)于地類j 的轉(zhuǎn)入（擴(kuò)增）來說，假設(shè)其總轉(zhuǎn)入面積是根據(jù)其他地類在變化起點(diǎn)的面積隨機(jī)均勻（按比例）的“捕獲”其他地類的話，那么其他地類對(duì)地類j 的轉(zhuǎn)入強(qiáng)度將相等，且都等于地類j的總轉(zhuǎn)入面積占變化起點(diǎn)其他地類面積之和的百分比（簡(jiǎn)稱地類j 的隨機(jī)轉(zhuǎn)入強(qiáng)度），表示地類j 的擴(kuò)增是以隨機(jī)均勻的方式“占用”其他地類。如果地類i對(duì)地類j 的轉(zhuǎn)入強(qiáng)度大于地類j 的隨機(jī)轉(zhuǎn)入強(qiáng)度，那么它就是高強(qiáng)度轉(zhuǎn)入，表示地類j的擴(kuò)增“指向”（超比例占用）地類i；否則，它就是低強(qiáng)度轉(zhuǎn)入，表示地類j 的擴(kuò)增“避讓”（降比例占用）地類i。計(jì)算公式分別為：
從轉(zhuǎn)出看，地類i對(duì)地類j的轉(zhuǎn)出強(qiáng)度是指地類i轉(zhuǎn)變?yōu)榈仡恓的面積占變化終點(diǎn)地類j的面積的百分比。對(duì)于地類i 的轉(zhuǎn)出（縮減）來說，假設(shè)其總轉(zhuǎn)出面積是根據(jù)其他地類在變化終點(diǎn)的面積隨機(jī)均勻（按比例）地“分配”給其他地類的話，那么地類i 對(duì)其他地類的轉(zhuǎn)出強(qiáng)度將相等，且都等于地類i 的總轉(zhuǎn)出面積占變化終點(diǎn)其他地類面積之和的百分比（簡(jiǎn)稱地類i的隨機(jī)轉(zhuǎn)出強(qiáng)度），表示地類i縮減的面積被其他地類以隨機(jī)均勻的方式占用。如果地類i對(duì)地類j的轉(zhuǎn)出強(qiáng)度大于地類i的隨機(jī)轉(zhuǎn)出強(qiáng)度，那么它就是高強(qiáng)度轉(zhuǎn)出，表示地類i 的縮減“吸引”地類j，被其“超比例”占用；否則，它就是低強(qiáng)度轉(zhuǎn)出，表示地類i 的縮減“抵制”地類j，被其“降比例”占用。計(jì)算公式分別為：
式（8）與式（10）中，n 取值為1 至5 的整數(shù)。需強(qiáng)調(diào)的是，對(duì)地類i 轉(zhuǎn)變?yōu)榈仡恓 這一轉(zhuǎn)變類型來說，如果Rij＞W(wǎng)j，且Qij＞Vi，那么它是系統(tǒng)性的高強(qiáng)度轉(zhuǎn)變，表示地類i的縮減“吸引”地類j，且地類j的擴(kuò)增“指向”地類i，土地經(jīng)營(yíng)者具有把地類i 轉(zhuǎn)變?yōu)榈仡恓的較強(qiáng)意愿和行為特征；相反，如果Rij＜Wj，且Qij＜Vi，那么它就是低強(qiáng)度轉(zhuǎn)變，表示地類i的縮減“抵制”地類j，且地類j的擴(kuò)增“避讓”地類i，地類i向地類j的轉(zhuǎn)變屬于偶然性的轉(zhuǎn)變類型。
4 結(jié)果及分析
4.1 坡面的劃分與土地覆被轉(zhuǎn)變矩陣
伊洛河流域共劃分為65021 個(gè)坡面，根據(jù)每個(gè)坡面（組成柵格）的平均坡度，將它們歸為平地（平均坡度小于5°）、緩坡（平均坡度5—20°）和陡坡（平均坡度大于20°）3 種類型（圖3）。這3 類坡面的面積分別占流域總面積的23.17%、61.79%和15.04%，主要受地形因素和開發(fā)利用難易程度影響，其土地覆被及變化具有明顯差異（表1）。
圖3 伊洛河流域坡面分布
表1 2010—2020 年伊洛河流域土地覆被轉(zhuǎn)變矩陣（單位：km2）
整個(gè)伊洛河流域的土地覆被主要是林地、耕地和建設(shè)用地，三者之和約占土地總面積的93%，而草地和濕地之和僅占7%左右。但不同坡面的土地覆被差別巨大，平地以耕地和建設(shè)用地為主，二者之和占土地總面積的92%以上，緩坡以耕地、林地和草地為主，三者之和占土地總面積的97%以上，而陡坡以林地和草地為主，二者之和約占土地總面積的97%。需要說明的是，濕地面積雖然較少（不足土地總面積的1%），但是它是整個(gè)流域的主要水源，其變化對(duì)社會(huì)經(jīng)濟(jì)和自然生態(tài)皆有重要影響。
整個(gè)伊洛河流域的土地覆被變化主要表現(xiàn)為耕地和草地減少，濕地和建設(shè)用地大幅增加。但是，各坡面除了濕地和建設(shè)用地皆大幅增加之外，其他地類的變化差別較大。平地上，耕地、林地和草地皆大幅減少，尤其是草地的減幅最大（38.86%）；緩坡上，耕地、林地和草地是小幅減少，耕地的減幅最大（1.59%）；陡坡上，耕地和草地均明顯增加，耕地的增幅最大（6.64%），林地略有減少。
4.2 時(shí)段層次的變化強(qiáng)度
2010—2020 年，伊洛河流域土地覆被的總變化強(qiáng)度為6.89%。其中，空間變化（5.01%）大于數(shù)量變化（1.88%），表明各種土地覆被類型之間競(jìng)爭(zhēng)劇烈，頻繁發(fā)生空間位置對(duì)換。3 類坡面的變化強(qiáng)度依次為平地＞緩坡＞陡坡，說明平地是整個(gè)流域人類活動(dòng)強(qiáng)度最大的國(guó)土空間，各種土地覆被類型之間競(jìng)爭(zhēng)最為激烈，數(shù)量變化和空間變化強(qiáng)度相當(dāng)；而緩坡和陡坡受地形因素影響，生態(tài)環(huán)境脆弱，適宜開發(fā)利用的土地資源有限，土地覆被變化強(qiáng)度較小，但各地類之間競(jìng)爭(zhēng)依然強(qiáng)烈，空間變化遠(yuǎn)大于數(shù)量變化（表2）。
表2 時(shí)段層次的土地覆被變化強(qiáng)度（單位：%）
4.3 土地覆被類型層次的變化強(qiáng)度
由表3 可知，平地上的耕地屬于低強(qiáng)度轉(zhuǎn)出與低強(qiáng)度轉(zhuǎn)入地類，相對(duì)比較穩(wěn)定，但是轉(zhuǎn)出強(qiáng)度大于轉(zhuǎn)入強(qiáng)度，數(shù)量減少了6.08%；林地和草地屬于高強(qiáng)度轉(zhuǎn)出與高強(qiáng)度轉(zhuǎn)入地類，變化非常劇烈，且轉(zhuǎn)出強(qiáng)度遠(yuǎn)遠(yuǎn)大于轉(zhuǎn)入強(qiáng)度，數(shù)量分別減少了16.15%和38.86%；濕地和建設(shè)用地屬于低強(qiáng)度轉(zhuǎn)出與高強(qiáng)度轉(zhuǎn)入地類，而且轉(zhuǎn)入強(qiáng)度遠(yuǎn)大于轉(zhuǎn)出強(qiáng)度，數(shù)量分別增加33.72%和27.92%。
表3 土地覆被類型層次的變化強(qiáng)度
緩坡上，耕地和林地屬于低強(qiáng)度轉(zhuǎn)出與低強(qiáng)度轉(zhuǎn)入地類，轉(zhuǎn)出強(qiáng)度稍大于轉(zhuǎn)入強(qiáng)度，數(shù)量分別減少了1.59%和0.48%；草地、濕地和建設(shè)用地屬于高強(qiáng)度轉(zhuǎn)入與高強(qiáng)度轉(zhuǎn)出地類，草地的轉(zhuǎn)出強(qiáng)度稍大于轉(zhuǎn)入強(qiáng)度，數(shù)量減少了0.44%；濕地和建設(shè)用地的轉(zhuǎn)入強(qiáng)度大于轉(zhuǎn)出強(qiáng)度，數(shù)量分別增加了28.25%和43.60%。
陡坡上，耕地、草地、濕地和建設(shè)用地都屬于高強(qiáng)度轉(zhuǎn)出與高強(qiáng)度轉(zhuǎn)入地類，且轉(zhuǎn)入強(qiáng)度皆大于轉(zhuǎn)出強(qiáng)度，數(shù)量皆有不同幅度的增加，尤其是濕地和建設(shè)用地增幅較大，分別為75.09%和16.23%；林地屬于低強(qiáng)度轉(zhuǎn)出與低強(qiáng)度轉(zhuǎn)入地類，轉(zhuǎn)出強(qiáng)度稍大于轉(zhuǎn)入強(qiáng)度，數(shù)量減少了0.37%。
4.4 土地覆被轉(zhuǎn)變類型層次的變化強(qiáng)度
由表4 和表5 可知：①平地上，平地是流域范圍內(nèi)耕地（尤其是基本農(nóng)田）和建設(shè)用地的集中分布區(qū)，開發(fā)建設(shè)和保護(hù)耕地的矛盾十分尖銳。關(guān)于耕地的縮減，耕地對(duì)建設(shè)用地的轉(zhuǎn)出屬于高強(qiáng)度轉(zhuǎn)出，對(duì)其他地類屬于低強(qiáng)度轉(zhuǎn)出，說明縮減的耕地主要是被建設(shè)用地占用，開發(fā)建設(shè)是導(dǎo)致耕地減少的主要原因。關(guān)于建設(shè)用地的擴(kuò)增，草地對(duì)建設(shè)用地是高強(qiáng)度轉(zhuǎn)入，耕地和林地的轉(zhuǎn)入略低于隨機(jī)轉(zhuǎn)入強(qiáng)度，說明開發(fā)建設(shè)傾向于占用草地，對(duì)耕地和林地的占用近似于隨機(jī)過程，表明耕地保護(hù)政策實(shí)施效果不甚明顯。濕地向建設(shè)用地的轉(zhuǎn)變是低強(qiáng)度轉(zhuǎn)變類型，屬于偶然性的轉(zhuǎn)變，說明開發(fā)建設(shè)具有避讓濕地的特征。由于建設(shè)用地大幅擴(kuò)張，草地未能滿足建設(shè)需要，進(jìn)而導(dǎo)致被占用的耕地高達(dá)266km2（約占2010年平地耕地總面積的8.25%），嚴(yán)重影響了糧食生產(chǎn)。因此，控制建設(shè)用地?cái)U(kuò)張以保護(hù)耕地應(yīng)是今后國(guó)土空間用途管制的重點(diǎn)。關(guān)于濕地的擴(kuò)增，林地和草地對(duì)濕地是高強(qiáng)度轉(zhuǎn)入，耕地的轉(zhuǎn)入等同于隨機(jī)過程，建設(shè)用地是低強(qiáng)度轉(zhuǎn)入，說明濕地?cái)U(kuò)增傾向于占用林地和草地。但由于林地和草地面積較小而耕地面積較大，耕地轉(zhuǎn)入濕地的面積（12.82km2）遠(yuǎn)大于林地和草地的轉(zhuǎn)入之和（2.39km2），所以保育濕地也是造成耕地減少的另一主要原因。此外，林地對(duì)耕地的轉(zhuǎn)入屬于高強(qiáng)度轉(zhuǎn)入，說明耕地?cái)U(kuò)增傾向于占用林地，存在為補(bǔ)充耕地而毀林的現(xiàn)象。②緩坡上，耕地向濕地和建設(shè)用地的轉(zhuǎn)變，濕地和建設(shè)用地向耕地的轉(zhuǎn)變都屬于系統(tǒng)性高強(qiáng)度轉(zhuǎn)變類型，說明有些地方為了開發(fā)建設(shè)和保育濕地而占用耕地，另一些地方則開墾濕地和復(fù)墾廢棄建設(shè)用地以補(bǔ)充耕地，導(dǎo)致它們之間頻繁發(fā)生位置對(duì)換和數(shù)量消長(zhǎng)變化。林地向草地的轉(zhuǎn)變，草地向林地的轉(zhuǎn)變皆屬于系統(tǒng)性高強(qiáng)度轉(zhuǎn)變類型，說明有些地方營(yíng)林，另一些地方毀林，導(dǎo)致林地和草地的位置對(duì)換及數(shù)量消長(zhǎng)關(guān)系較明顯。草地向濕地和建設(shè)用地的轉(zhuǎn)出屬于高強(qiáng)度轉(zhuǎn)出，說明縮減的草地傾向于用作濕地和建設(shè)用地。此外，濕地向建設(shè)用地的轉(zhuǎn)出也屬于高強(qiáng)度轉(zhuǎn)出，說明不同于平地，緩坡上開發(fā)建設(shè)沒有避讓河灘濕地。③陡坡上，草地和建設(shè)用地向耕地的轉(zhuǎn)變、耕地向草地和建設(shè)用地的轉(zhuǎn)變皆屬于系統(tǒng)性高強(qiáng)度轉(zhuǎn)變類型，說明某些地方開墾草地和復(fù)墾廢棄建設(shè)用地以增加耕地。有些地方因開發(fā)建設(shè)占用耕地，有些地方耕地撂荒現(xiàn)象較突出。林地對(duì)建設(shè)用地、濕地和草地的轉(zhuǎn)出皆屬于高強(qiáng)度轉(zhuǎn)出類型，說明為了開發(fā)建設(shè)和保育濕地而毀林的現(xiàn)象較嚴(yán)重。草地向建設(shè)用地的轉(zhuǎn)變、濕地向耕地和建設(shè)用地的轉(zhuǎn)變也都屬于系統(tǒng)性高強(qiáng)度轉(zhuǎn)變類型，說明為了開發(fā)建設(shè)和開墾耕地而占用草地和濕地的現(xiàn)象比較普遍。
表4 轉(zhuǎn)變類型層次土地覆被變化的轉(zhuǎn)入強(qiáng)度
表5 轉(zhuǎn)變類型層次土地覆被變化的轉(zhuǎn)出強(qiáng)度
綜上可知，伊洛河流域開發(fā)建設(shè)、糧食生產(chǎn)與生態(tài)保護(hù)之間的矛盾非常突出，除了濕地得到保護(hù)之外，建設(shè)用地?cái)U(kuò)增不但導(dǎo)致耕地大量流失，而且造成林地與草地等生態(tài)用地相繼減少。不同坡面土地覆被變化過程具有明顯差異，平地上建設(shè)用地?cái)U(kuò)增“指向”草地，“避讓”濕地，同時(shí)耕地向建設(shè)用地高強(qiáng)度轉(zhuǎn)出。緩坡和陡坡上無序土地利用活動(dòng)較嚴(yán)重，不同土地覆被類型兩兩（如耕地和建設(shè)用地）之間頻繁發(fā)生位置對(duì)換，土地覆被變化主要表現(xiàn)為系統(tǒng)性的高強(qiáng)度變化類型。但緩坡和陡坡上耕地向林地的轉(zhuǎn)變、林地向耕地的轉(zhuǎn)變皆是低強(qiáng)度轉(zhuǎn)變類型，都屬于偶然性的轉(zhuǎn)變，說明直接毀林開墾耕地的現(xiàn)象較少，同時(shí)退耕還林的效果也不明顯。此外，平地和緩坡耕地大量減少，陡坡耕地大幅增加而且撂荒現(xiàn)象比較突出，說明在執(zhí)行“耕地占補(bǔ)平衡”政策時(shí)，存在占優(yōu)補(bǔ)劣之嫌。事實(shí)上，陡坡是重要的生態(tài)空間，生態(tài)環(huán)境脆弱，土地利用應(yīng)當(dāng)遵循生態(tài)優(yōu)先原則，必須嚴(yán)格控制開發(fā)建設(shè)和開墾耕地，并加強(qiáng)工礦廢棄地的生態(tài)修復(fù)。
5 結(jié)論與討論
本文根據(jù)數(shù)字高程模型和伊洛河流域土地覆被數(shù)據(jù)，運(yùn)用GIS 技術(shù)和強(qiáng)度分析等方法對(duì)2010—2020年伊洛河流域不同坡面的土地覆被變化進(jìn)行了研究，主要結(jié)論如下：①伊洛河流域不同坡面土地覆被變化強(qiáng)度是平地＞緩坡＞陡坡。所有坡面的草地，緩坡和陡坡的建設(shè)用地和濕地，平地的林地和陡坡的耕地是高強(qiáng)度變化地類，其轉(zhuǎn)入與轉(zhuǎn)出強(qiáng)度皆大于隨機(jī)均勻變化強(qiáng)度。②平地上建設(shè)用地?cái)U(kuò)增“指向”草地，“避讓”濕地，同時(shí)耕地向建設(shè)用地高強(qiáng)度轉(zhuǎn)出。緩坡和陡坡上不同土地覆被類型兩兩之間頻繁發(fā)生位置對(duì)換，土地覆被變化主要表現(xiàn)為系統(tǒng)性的高強(qiáng)度變化類型，但緩坡和陡坡上耕地向林地的轉(zhuǎn)變、林地向耕地的轉(zhuǎn)變皆是低強(qiáng)度轉(zhuǎn)變類型，屬于偶然性的轉(zhuǎn)變。
強(qiáng)度分析是以假設(shè)的隨機(jī)均勻變化為對(duì)照，從不同層次逐層深入分析土地覆被變化的轉(zhuǎn)入與轉(zhuǎn)出過程，與局限于土地覆被變化自身進(jìn)行分析的傳統(tǒng)方法相比，能夠更好揭示土地經(jīng)營(yíng)者的偏好和行為特征，解釋變化過程與格局的內(nèi)在聯(lián)系［29，30］。但假設(shè)的隨機(jī)均勻變化僅考慮了數(shù)量變化，沒有考慮變化的空間分布，因此難以揭示空間鄰接關(guān)系對(duì)土地覆被變化的影響。如，從轉(zhuǎn)出看耕地向建設(shè)用地的高強(qiáng)度轉(zhuǎn)出可能是因?yàn)楦嘏c建設(shè)用地鄰接度較大的原因，而不是開發(fā)建設(shè)特意要占用耕地，所以如何納入空間屬性是今后完善土地覆被變化強(qiáng)度分析的關(guān)鍵所在。
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張永民
（河南財(cái)經(jīng)政法大學(xué)資源與環(huán)境學(xué)院，河南鄭州 450046）
近百年來，隨著人類土地利用活動(dòng)的日益擴(kuò)大，地表的土地覆被發(fā)生了規(guī)?？臻g的巨大變化，并成為影響氣候變化、土地退化和生物多樣性銳減等環(huán)境問題的重要因素，因此土地利用/覆被變化（簡(jiǎn)稱“土地覆被變化”）被列為環(huán)境變化和可持續(xù)發(fā)展領(lǐng)域研究的核心問題［1－3］。隨著遙感和地理信息系統(tǒng)技術(shù)的迅速發(fā)展，學(xué)術(shù)界對(duì)眾許多典型地區(qū)的土地覆被變化開展了大量研究，并取得了豐碩成果，如快速城鎮(zhèn)化地區(qū)的建設(shè)用地?cái)U(kuò)張［4－6］、熱帶雨林地區(qū)的毀林［7，8］、生態(tài)脆弱區(qū)的土地開發(fā)等［9－11］。但以往研究多是關(guān)注土地覆被變化的數(shù)量、位置和驅(qū)動(dòng)因素，對(duì)土地覆被變化的內(nèi)在過程研究較少。顯然，每種土地覆被變化都是一種土地覆被類型的轉(zhuǎn)出（縮減）與另一種土地覆被類型的轉(zhuǎn)入（擴(kuò)增）過程。但不同地區(qū)不同土地覆被類型的轉(zhuǎn)出與轉(zhuǎn)入過程可能存在巨大差異。從轉(zhuǎn)出看，某一土地覆被類型縮減的空間可能是被其他地類隨機(jī)占用，也可能是被某特定地類“超比例”占用；從轉(zhuǎn)入看，某地類的擴(kuò)增可能是系統(tǒng)的“指向”或“避讓”某特定地類，也可能是隨機(jī)的“捕獲”其他地類［12］。詳細(xì)深入分析轉(zhuǎn)入與轉(zhuǎn)出過程對(duì)于識(shí)別土地覆被變化系統(tǒng)中的行為特征，進(jìn)而評(píng)估變化的驅(qū)動(dòng)機(jī)制至關(guān)重要。以往案例多是選擇國(guó)家、經(jīng)濟(jì)區(qū)和省份等行政單元作為研究地區(qū)，基于坡面等自然地理單元的土地覆被變化研究相對(duì)較少。實(shí)際上，不同坡面的水、熱、土資源組合狀況各不相同，土地覆被變化的強(qiáng)度和方向存在明顯差異。同時(shí)，不同坡面土地覆被變化的環(huán)境效應(yīng)差別較大，如陡坡相對(duì)于平地更易發(fā)生水土流失，因此基于坡面的土地覆被變化研究更有助于評(píng)估變化的環(huán)境效應(yīng)［13－15］。鑒于以上原因，本文選擇伊洛河流域作為研究地區(qū)，探索基于坡面尺度詳細(xì)深入分析土地覆被變化過程的途徑與方法，以期為今后的土地覆被變化研究提供新的視角，同時(shí)為研究地區(qū)的生態(tài)保護(hù)與可持續(xù)發(fā)展決策提供科學(xué)依據(jù)。
1 研究地區(qū)概況
伊洛河是黃河中下游重要的一級(jí)支流，由伊河與洛河匯聚而成。伊河發(fā)源于熊耳山南麓河南省欒川縣，河長(zhǎng)264.8km；洛河起源于陜西省洛南縣，向東流入河南境內(nèi)，河長(zhǎng)446.9km。兩河于偃師市東部匯合，匯流后東流至鞏義市北入黃河，流域面積為18881km2（圖1）。伊洛河流域海拔57—2655m，地處我國(guó)地形二、三階梯的交界處，屬于黃土邊緣地帶，生態(tài)與環(huán)境過渡性特征明顯，多年平均水資源總量32.31 × 108m3，對(duì)黃河下游的洪淤具有重要的影響［16，17］。伊洛河流域中上游的丘陵山區(qū)主要以森林和草地為主，部分地區(qū)地下埋藏有煤炭等礦產(chǎn)資源，下游的沖積平原土壤肥沃，是重要的糧食基地。伊洛河流域具有悠久的開發(fā)歷史，經(jīng)濟(jì)發(fā)展水平呈階梯狀分布，中上游的洛寧、盧氏和洛南等地區(qū)較落后，下游的洛陽、義馬、偃師和鞏義等中小城市經(jīng)濟(jì)較發(fā)達(dá)［18］。據(jù)水文資料分析，20 世紀(jì)50 年代以來，由于土地覆被變化等人類活動(dòng)的影響，伊洛河流域徑流量呈顯著減少趨勢(shì)，水土流失和洪水災(zāi)害等環(huán)境問題比較突出［19］。目前，我國(guó)正處于實(shí)施黃河流域生態(tài)保護(hù)和高質(zhì)量發(fā)展戰(zhàn)略的關(guān)鍵時(shí)期，伊洛河流域作為黃河流域的重要組成部分，其生態(tài)保護(hù)與發(fā)展倍受關(guān)注，因此開展伊洛河流域土地覆被變化研究具有重要意義。
圖1 伊洛河流域示意圖
2 數(shù)據(jù)資料
本文使用的數(shù)據(jù)主要是數(shù)字高程模型（DEM）數(shù)據(jù)和2010 年、2020 年兩期土地覆被數(shù)據(jù)。DEM 數(shù)據(jù)源自于日本經(jīng)濟(jì)產(chǎn)業(yè)?。∕ETI）和美國(guó)航空航天局（NASA）聯(lián)合研制并免費(fèi)面向公眾分發(fā)的全球數(shù)字高程數(shù)據(jù)產(chǎn)品ASTER GDEM V2 版，數(shù)據(jù)為柵格格式，柵格大小為30m。土地覆被數(shù)據(jù)源自中國(guó)研制的30m空間分辨率全球地表覆被數(shù)據(jù)GlobeLand30，伊洛河流域的GlobeLand30 數(shù)據(jù)包括耕地、林地、草地、濕地、水體和人造地表6 種土地覆被類型［20］。根據(jù)研究需要，本文對(duì)伊洛河流域的原始數(shù)據(jù)進(jìn)行了預(yù)處理：首先，將DEM 和土地覆被數(shù)據(jù)重采樣為90m，主要是因?yàn)檠芯康貐^(qū)面積較大，劃分坡面的軟件難以運(yùn)行其30m 分辨率的DEM 數(shù)據(jù)；其次，把GlobeLand30 數(shù)據(jù)中的濕地和水體合并在一起統(tǒng)稱為濕地，人造地表改稱建設(shè)用地，從而將研究地區(qū)的土地覆被劃分為耕地、林地、草地、濕地和建設(shè)用地5 種類型（圖2）。
圖2 2010—2020 年伊洛河流域土地覆被
3 研究方法
3.1 坡面的劃分
坡面是構(gòu)成地貌形態(tài)的基本單元，陸地表面就是由一系列形狀、大小、坡度和坡向等屬性不同的坡面鑲嵌而成的。目前坡面的界定尚沒有統(tǒng)一標(biāo)準(zhǔn)，但一般認(rèn)為同一坡面各處的坡度和坡向等屬性應(yīng)相對(duì)一致，而相鄰的不同坡面應(yīng)有較大差異。如，每個(gè)流域一般可由中間的流水線劃分為左右兩個(gè)半流域，這兩個(gè)半流域面就是構(gòu)成流域的兩個(gè)坡面。坡面的劃分主要有自上而下逐步分割法和自下而上逐步合并法［21，22］，本文根據(jù)Alvioli 等設(shè)計(jì)的基于流域自上而下逐步分割法［23，24］，運(yùn)用軟件R.slopeunits 對(duì)伊洛河流域進(jìn)行坡面劃分。
需要說明的是，軟件R.slopeunits 劃分出的坡面是由河流（河谷）流水線和分水嶺山脊線包圍而成的半流域面，對(duì)坡面的判定主要有兩個(gè)條件：一是最小面積，如果某半流域面的面積小于設(shè)定值（本文為15萬m2），就將其視為一個(gè)坡面。二是圓方差（Circular variance），表征半流域面各組成柵格坡向變異程度的指標(biāo)，取值范圍是0 至1。值越小，表示組成半流域面的柵格坡向變異越??；反之，表示坡向變異越大。本研究設(shè)置的臨界值為0.3，即對(duì)于面積大于15 萬m2的半流域面來說，其圓方差必須小于0.3才被判定為坡面。
3.2 土地覆被轉(zhuǎn)變矩陣
土地覆被轉(zhuǎn)變矩陣是開展強(qiáng)度分析的基礎(chǔ)數(shù)據(jù)。運(yùn)用GIS技術(shù)對(duì)兩個(gè)時(shí)點(diǎn)的土地覆被圖進(jìn)行疊加，統(tǒng)計(jì)各土地覆被類型之間轉(zhuǎn)變的面積即可得到該時(shí)段的土地覆被轉(zhuǎn)變矩陣。本文涉及5 種土地覆被類型，土地覆被轉(zhuǎn)變矩陣的數(shù)學(xué)表達(dá)式如下：
式中，Cij表示某時(shí)段土地覆被類型i 轉(zhuǎn)變?yōu)轭愋蚸的面積；i和j的取值為1，2，3，4，5，分別表示耕地、林地、草地、濕地和建設(shè)用地。
3.3 土地覆被變化的強(qiáng)度分析
土地覆被變化強(qiáng)度分析是美國(guó)Clark大學(xué)Pontius教授研究組提出的分析方法，它是從變化時(shí)段、土地覆被類型和土地覆被轉(zhuǎn)變類型3 個(gè)層次逐層深入的分析土地覆被變化過程，根據(jù)土地覆被轉(zhuǎn)變矩陣，從轉(zhuǎn)入和轉(zhuǎn)出兩個(gè)視角全面系統(tǒng)地揭示土地覆被變化過程與格局的內(nèi)在聯(lián)系［25－27］。
時(shí)段層次的變化強(qiáng)度：任何一個(gè)地點(diǎn)（柵格）的土地覆被變化既是某種地類的轉(zhuǎn)出，同時(shí)也是另一種地類的轉(zhuǎn)入，因此研究地區(qū)所有地類的轉(zhuǎn)出之和等于轉(zhuǎn)入之和，時(shí)段層次的總變化強(qiáng)度就是全部地類的轉(zhuǎn)出（或者轉(zhuǎn)入）之和占全部地類總面積的百分比?？傋兓瘡?qiáng)度（T）包括數(shù)量變化強(qiáng)度（Q）和空間變化強(qiáng)度（S）兩部分，數(shù)量變化強(qiáng)度是指數(shù)量增加（或者減少）的土地覆被類型增加（或者減少）的數(shù)量之和占全部地類總面積的百分比；空間變化是指各地類之間空間配置方面的變化，包括位置對(duì)換（比如一個(gè)柵格上的耕地轉(zhuǎn)變?yōu)椴莸?，另一個(gè)柵格上的草地轉(zhuǎn)變?yōu)楦兀┖瓦w移（比如一個(gè)柵格上的耕地轉(zhuǎn)變?yōu)椴莸兀硪粋€(gè)柵格上的草地轉(zhuǎn)變?yōu)榱值兀﹥煞N形式［28］，其強(qiáng)度等于總變化強(qiáng)度與數(shù)量變化強(qiáng)度之差。計(jì)算公式分別為：
本文所有公式中的J ＝5，表示土地覆被類型的數(shù)量。
土地覆被類型層次的變化強(qiáng)度：每種土地覆被類型的變化都包含轉(zhuǎn)出（縮減）與轉(zhuǎn)入（擴(kuò)增）兩個(gè)方面，且同一地類的轉(zhuǎn)出與轉(zhuǎn)入面積一般互不相等，因此覆被類型層次的變化強(qiáng)度分為轉(zhuǎn)入強(qiáng)度與轉(zhuǎn)出強(qiáng)度兩部分。某土地覆被類型的轉(zhuǎn)入強(qiáng)度是指其他地類對(duì)其轉(zhuǎn)入面積之和占變化終點(diǎn)該地類面積的百分比，轉(zhuǎn)出強(qiáng)度是其對(duì)其他地類的轉(zhuǎn)出面積之和占變化起點(diǎn)該土地覆被類型面積的百分比。計(jì)算公式分別為：
假設(shè)全部地類的轉(zhuǎn)入之和是根據(jù)變化終點(diǎn)各地類的面積隨機(jī)均勻（按比例）地“分配”給各地類的話，那么各地類的轉(zhuǎn)入強(qiáng)度將相等，且等于整體的轉(zhuǎn)入強(qiáng)度（即時(shí)段層次的總變化強(qiáng)度），表示隨機(jī)均勻擴(kuò)增。如果某地類的轉(zhuǎn)入強(qiáng)度大于整體的總變化強(qiáng)度，那么它就是高強(qiáng)度轉(zhuǎn)入地類，表示“超比例”快速擴(kuò)增；否則，它就是低強(qiáng)度轉(zhuǎn)入地類，表示“降比例”緩慢擴(kuò)增。同理，假設(shè)全部地類的轉(zhuǎn)出之和是根據(jù)變化起點(diǎn)各地類的面積隨機(jī)均勻（按比例）“分?jǐn)偂弊愿鞯仡惖脑?，那么各地類的轉(zhuǎn)出強(qiáng)度將相等，且都等于整體的轉(zhuǎn)出強(qiáng)度（即時(shí)段層次的總變化強(qiáng)度），表示隨機(jī)均勻縮減。如果某地類的轉(zhuǎn)出強(qiáng)度大于整體的總變化強(qiáng)度，那么它就是高強(qiáng)度轉(zhuǎn)出地類，表示快速縮減；否則，它就是低強(qiáng)度轉(zhuǎn)出地類，表示緩慢縮減。
轉(zhuǎn)變類型層次的變化強(qiáng)度：和土地覆被類型層次相似，轉(zhuǎn)變類型層次的變化強(qiáng)度也包含轉(zhuǎn)出強(qiáng)度和轉(zhuǎn)入強(qiáng)度兩個(gè)方面。對(duì)于地類i 轉(zhuǎn)變?yōu)榈仡恓 這一轉(zhuǎn)變類型（Cij）來說，從轉(zhuǎn)入看，地類i 對(duì)地類j 的轉(zhuǎn)入強(qiáng)度是指地類i 轉(zhuǎn)變?yōu)榈仡恓 的面積占變化起點(diǎn)地類i 的面積的百分比。對(duì)于地類j 的轉(zhuǎn)入（擴(kuò)增）來說，假設(shè)其總轉(zhuǎn)入面積是根據(jù)其他地類在變化起點(diǎn)的面積隨機(jī)均勻（按比例）的“捕獲”其他地類的話，那么其他地類對(duì)地類j 的轉(zhuǎn)入強(qiáng)度將相等，且都等于地類j的總轉(zhuǎn)入面積占變化起點(diǎn)其他地類面積之和的百分比（簡(jiǎn)稱地類j 的隨機(jī)轉(zhuǎn)入強(qiáng)度），表示地類j 的擴(kuò)增是以隨機(jī)均勻的方式“占用”其他地類。如果地類i對(duì)地類j 的轉(zhuǎn)入強(qiáng)度大于地類j 的隨機(jī)轉(zhuǎn)入強(qiáng)度，那么它就是高強(qiáng)度轉(zhuǎn)入，表示地類j的擴(kuò)增“指向”（超比例占用）地類i；否則，它就是低強(qiáng)度轉(zhuǎn)入，表示地類j 的擴(kuò)增“避讓”（降比例占用）地類i。計(jì)算公式分別為：
從轉(zhuǎn)出看，地類i對(duì)地類j的轉(zhuǎn)出強(qiáng)度是指地類i轉(zhuǎn)變?yōu)榈仡恓的面積占變化終點(diǎn)地類j的面積的百分比。對(duì)于地類i 的轉(zhuǎn)出（縮減）來說，假設(shè)其總轉(zhuǎn)出面積是根據(jù)其他地類在變化終點(diǎn)的面積隨機(jī)均勻（按比例）地“分配”給其他地類的話，那么地類i 對(duì)其他地類的轉(zhuǎn)出強(qiáng)度將相等，且都等于地類i 的總轉(zhuǎn)出面積占變化終點(diǎn)其他地類面積之和的百分比（簡(jiǎn)稱地類i的隨機(jī)轉(zhuǎn)出強(qiáng)度），表示地類i縮減的面積被其他地類以隨機(jī)均勻的方式占用。如果地類i對(duì)地類j的轉(zhuǎn)出強(qiáng)度大于地類i的隨機(jī)轉(zhuǎn)出強(qiáng)度，那么它就是高強(qiáng)度轉(zhuǎn)出，表示地類i 的縮減“吸引”地類j，被其“超比例”占用；否則，它就是低強(qiáng)度轉(zhuǎn)出，表示地類i 的縮減“抵制”地類j，被其“降比例”占用。計(jì)算公式分別為：
式（8）與式（10）中，n 取值為1 至5 的整數(shù)。需強(qiáng)調(diào)的是，對(duì)地類i 轉(zhuǎn)變?yōu)榈仡恓 這一轉(zhuǎn)變類型來說，如果Rij＞W(wǎng)j，且Qij＞Vi，那么它是系統(tǒng)性的高強(qiáng)度轉(zhuǎn)變，表示地類i的縮減“吸引”地類j，且地類j的擴(kuò)增“指向”地類i，土地經(jīng)營(yíng)者具有把地類i 轉(zhuǎn)變?yōu)榈仡恓的較強(qiáng)意愿和行為特征；相反，如果Rij＜Wj，且Qij＜Vi，那么它就是低強(qiáng)度轉(zhuǎn)變，表示地類i的縮減“抵制”地類j，且地類j的擴(kuò)增“避讓”地類i，地類i向地類j的轉(zhuǎn)變屬于偶然性的轉(zhuǎn)變類型。
4 結(jié)果及分析
4.1 坡面的劃分與土地覆被轉(zhuǎn)變矩陣
伊洛河流域共劃分為65021 個(gè)坡面，根據(jù)每個(gè)坡面（組成柵格）的平均坡度，將它們歸為平地（平均坡度小于5°）、緩坡（平均坡度5—20°）和陡坡（平均坡度大于20°）3 種類型（圖3）。這3 類坡面的面積分別占流域總面積的23.17%、61.79%和15.04%，主要受地形因素和開發(fā)利用難易程度影響，其土地覆被及變化具有明顯差異（表1）。
圖3 伊洛河流域坡面分布
表1 2010—2020 年伊洛河流域土地覆被轉(zhuǎn)變矩陣（單位：km2）
整個(gè)伊洛河流域的土地覆被主要是林地、耕地和建設(shè)用地，三者之和約占土地總面積的93%，而草地和濕地之和僅占7%左右。但不同坡面的土地覆被差別巨大，平地以耕地和建設(shè)用地為主，二者之和占土地總面積的92%以上，緩坡以耕地、林地和草地為主，三者之和占土地總面積的97%以上，而陡坡以林地和草地為主，二者之和約占土地總面積的97%。需要說明的是，濕地面積雖然較少（不足土地總面積的1%），但是它是整個(gè)流域的主要水源，其變化對(duì)社會(huì)經(jīng)濟(jì)和自然生態(tài)皆有重要影響。
整個(gè)伊洛河流域的土地覆被變化主要表現(xiàn)為耕地和草地減少，濕地和建設(shè)用地大幅增加。但是，各坡面除了濕地和建設(shè)用地皆大幅增加之外，其他地類的變化差別較大。平地上，耕地、林地和草地皆大幅減少，尤其是草地的減幅最大（38.86%）；緩坡上，耕地、林地和草地是小幅減少，耕地的減幅最大（1.59%）；陡坡上，耕地和草地均明顯增加，耕地的增幅最大（6.64%），林地略有減少。
4.2 時(shí)段層次的變化強(qiáng)度
2010—2020 年，伊洛河流域土地覆被的總變化強(qiáng)度為6.89%。其中，空間變化（5.01%）大于數(shù)量變化（1.88%），表明各種土地覆被類型之間競(jìng)爭(zhēng)劇烈，頻繁發(fā)生空間位置對(duì)換。3 類坡面的變化強(qiáng)度依次為平地＞緩坡＞陡坡，說明平地是整個(gè)流域人類活動(dòng)強(qiáng)度最大的國(guó)土空間，各種土地覆被類型之間競(jìng)爭(zhēng)最為激烈，數(shù)量變化和空間變化強(qiáng)度相當(dāng)；而緩坡和陡坡受地形因素影響，生態(tài)環(huán)境脆弱，適宜開發(fā)利用的土地資源有限，土地覆被變化強(qiáng)度較小，但各地類之間競(jìng)爭(zhēng)依然強(qiáng)烈，空間變化遠(yuǎn)大于數(shù)量變化（表2）。
表2 時(shí)段層次的土地覆被變化強(qiáng)度（單位：%）
4.3 土地覆被類型層次的變化強(qiáng)度
由表3 可知，平地上的耕地屬于低強(qiáng)度轉(zhuǎn)出與低強(qiáng)度轉(zhuǎn)入地類，相對(duì)比較穩(wěn)定，但是轉(zhuǎn)出強(qiáng)度大于轉(zhuǎn)入強(qiáng)度，數(shù)量減少了6.08%；林地和草地屬于高強(qiáng)度轉(zhuǎn)出與高強(qiáng)度轉(zhuǎn)入地類，變化非常劇烈，且轉(zhuǎn)出強(qiáng)度遠(yuǎn)遠(yuǎn)大于轉(zhuǎn)入強(qiáng)度，數(shù)量分別減少了16.15%和38.86%；濕地和建設(shè)用地屬于低強(qiáng)度轉(zhuǎn)出與高強(qiáng)度轉(zhuǎn)入地類，而且轉(zhuǎn)入強(qiáng)度遠(yuǎn)大于轉(zhuǎn)出強(qiáng)度，數(shù)量分別增加33.72%和27.92%。
表3 土地覆被類型層次的變化強(qiáng)度
緩坡上，耕地和林地屬于低強(qiáng)度轉(zhuǎn)出與低強(qiáng)度轉(zhuǎn)入地類，轉(zhuǎn)出強(qiáng)度稍大于轉(zhuǎn)入強(qiáng)度，數(shù)量分別減少了1.59%和0.48%；草地、濕地和建設(shè)用地屬于高強(qiáng)度轉(zhuǎn)入與高強(qiáng)度轉(zhuǎn)出地類，草地的轉(zhuǎn)出強(qiáng)度稍大于轉(zhuǎn)入強(qiáng)度，數(shù)量減少了0.44%；濕地和建設(shè)用地的轉(zhuǎn)入強(qiáng)度大于轉(zhuǎn)出強(qiáng)度，數(shù)量分別增加了28.25%和43.60%。
陡坡上，耕地、草地、濕地和建設(shè)用地都屬于高強(qiáng)度轉(zhuǎn)出與高強(qiáng)度轉(zhuǎn)入地類，且轉(zhuǎn)入強(qiáng)度皆大于轉(zhuǎn)出強(qiáng)度，數(shù)量皆有不同幅度的增加，尤其是濕地和建設(shè)用地增幅較大，分別為75.09%和16.23%；林地屬于低強(qiáng)度轉(zhuǎn)出與低強(qiáng)度轉(zhuǎn)入地類，轉(zhuǎn)出強(qiáng)度稍大于轉(zhuǎn)入強(qiáng)度，數(shù)量減少了0.37%。
4.4 土地覆被轉(zhuǎn)變類型層次的變化強(qiáng)度
由表4 和表5 可知：①平地上，平地是流域范圍內(nèi)耕地（尤其是基本農(nóng)田）和建設(shè)用地的集中分布區(qū)，開發(fā)建設(shè)和保護(hù)耕地的矛盾十分尖銳。關(guān)于耕地的縮減，耕地對(duì)建設(shè)用地的轉(zhuǎn)出屬于高強(qiáng)度轉(zhuǎn)出，對(duì)其他地類屬于低強(qiáng)度轉(zhuǎn)出，說明縮減的耕地主要是被建設(shè)用地占用，開發(fā)建設(shè)是導(dǎo)致耕地減少的主要原因。關(guān)于建設(shè)用地的擴(kuò)增，草地對(duì)建設(shè)用地是高強(qiáng)度轉(zhuǎn)入，耕地和林地的轉(zhuǎn)入略低于隨機(jī)轉(zhuǎn)入強(qiáng)度，說明開發(fā)建設(shè)傾向于占用草地，對(duì)耕地和林地的占用近似于隨機(jī)過程，表明耕地保護(hù)政策實(shí)施效果不甚明顯。濕地向建設(shè)用地的轉(zhuǎn)變是低強(qiáng)度轉(zhuǎn)變類型，屬于偶然性的轉(zhuǎn)變，說明開發(fā)建設(shè)具有避讓濕地的特征。由于建設(shè)用地大幅擴(kuò)張，草地未能滿足建設(shè)需要，進(jìn)而導(dǎo)致被占用的耕地高達(dá)266km2（約占2010年平地耕地總面積的8.25%），嚴(yán)重影響了糧食生產(chǎn)。因此，控制建設(shè)用地?cái)U(kuò)張以保護(hù)耕地應(yīng)是今后國(guó)土空間用途管制的重點(diǎn)。關(guān)于濕地的擴(kuò)增，林地和草地對(duì)濕地是高強(qiáng)度轉(zhuǎn)入，耕地的轉(zhuǎn)入等同于隨機(jī)過程，建設(shè)用地是低強(qiáng)度轉(zhuǎn)入，說明濕地?cái)U(kuò)增傾向于占用林地和草地。但由于林地和草地面積較小而耕地面積較大，耕地轉(zhuǎn)入濕地的面積（12.82km2）遠(yuǎn)大于林地和草地的轉(zhuǎn)入之和（2.39km2），所以保育濕地也是造成耕地減少的另一主要原因。此外，林地對(duì)耕地的轉(zhuǎn)入屬于高強(qiáng)度轉(zhuǎn)入，說明耕地?cái)U(kuò)增傾向于占用林地，存在為補(bǔ)充耕地而毀林的現(xiàn)象。②緩坡上，耕地向濕地和建設(shè)用地的轉(zhuǎn)變，濕地和建設(shè)用地向耕地的轉(zhuǎn)變都屬于系統(tǒng)性高強(qiáng)度轉(zhuǎn)變類型，說明有些地方為了開發(fā)建設(shè)和保育濕地而占用耕地，另一些地方則開墾濕地和復(fù)墾廢棄建設(shè)用地以補(bǔ)充耕地，導(dǎo)致它們之間頻繁發(fā)生位置對(duì)換和數(shù)量消長(zhǎng)變化。林地向草地的轉(zhuǎn)變，草地向林地的轉(zhuǎn)變皆屬于系統(tǒng)性高強(qiáng)度轉(zhuǎn)變類型，說明有些地方營(yíng)林，另一些地方毀林，導(dǎo)致林地和草地的位置對(duì)換及數(shù)量消長(zhǎng)關(guān)系較明顯。草地向濕地和建設(shè)用地的轉(zhuǎn)出屬于高強(qiáng)度轉(zhuǎn)出，說明縮減的草地傾向于用作濕地和建設(shè)用地。此外，濕地向建設(shè)用地的轉(zhuǎn)出也屬于高強(qiáng)度轉(zhuǎn)出，說明不同于平地，緩坡上開發(fā)建設(shè)沒有避讓河灘濕地。③陡坡上，草地和建設(shè)用地向耕地的轉(zhuǎn)變、耕地向草地和建設(shè)用地的轉(zhuǎn)變皆屬于系統(tǒng)性高強(qiáng)度轉(zhuǎn)變類型，說明某些地方開墾草地和復(fù)墾廢棄建設(shè)用地以增加耕地。有些地方因開發(fā)建設(shè)占用耕地，有些地方耕地撂荒現(xiàn)象較突出。林地對(duì)建設(shè)用地、濕地和草地的轉(zhuǎn)出皆屬于高強(qiáng)度轉(zhuǎn)出類型，說明為了開發(fā)建設(shè)和保育濕地而毀林的現(xiàn)象較嚴(yán)重。草地向建設(shè)用地的轉(zhuǎn)變、濕地向耕地和建設(shè)用地的轉(zhuǎn)變也都屬于系統(tǒng)性高強(qiáng)度轉(zhuǎn)變類型，說明為了開發(fā)建設(shè)和開墾耕地而占用草地和濕地的現(xiàn)象比較普遍。
表4 轉(zhuǎn)變類型層次土地覆被變化的轉(zhuǎn)入強(qiáng)度
表5 轉(zhuǎn)變類型層次土地覆被變化的轉(zhuǎn)出強(qiáng)度
綜上可知，伊洛河流域開發(fā)建設(shè)、糧食生產(chǎn)與生態(tài)保護(hù)之間的矛盾非常突出，除了濕地得到保護(hù)之外，建設(shè)用地?cái)U(kuò)增不但導(dǎo)致耕地大量流失，而且造成林地與草地等生態(tài)用地相繼減少。不同坡面土地覆被變化過程具有明顯差異，平地上建設(shè)用地?cái)U(kuò)增“指向”草地，“避讓”濕地，同時(shí)耕地向建設(shè)用地高強(qiáng)度轉(zhuǎn)出。緩坡和陡坡上無序土地利用活動(dòng)較嚴(yán)重，不同土地覆被類型兩兩（如耕地和建設(shè)用地）之間頻繁發(fā)生位置對(duì)換，土地覆被變化主要表現(xiàn)為系統(tǒng)性的高強(qiáng)度變化類型。但緩坡和陡坡上耕地向林地的轉(zhuǎn)變、林地向耕地的轉(zhuǎn)變皆是低強(qiáng)度轉(zhuǎn)變類型，都屬于偶然性的轉(zhuǎn)變，說明直接毀林開墾耕地的現(xiàn)象較少，同時(shí)退耕還林的效果也不明顯。此外，平地和緩坡耕地大量減少，陡坡耕地大幅增加而且撂荒現(xiàn)象比較突出，說明在執(zhí)行“耕地占補(bǔ)平衡”政策時(shí)，存在占優(yōu)補(bǔ)劣之嫌。事實(shí)上，陡坡是重要的生態(tài)空間，生態(tài)環(huán)境脆弱，土地利用應(yīng)當(dāng)遵循生態(tài)優(yōu)先原則，必須嚴(yán)格控制開發(fā)建設(shè)和開墾耕地，并加強(qiáng)工礦廢棄地的生態(tài)修復(fù)。
5 結(jié)論與討論
本文根據(jù)數(shù)字高程模型和伊洛河流域土地覆被數(shù)據(jù)，運(yùn)用GIS 技術(shù)和強(qiáng)度分析等方法對(duì)2010—2020年伊洛河流域不同坡面的土地覆被變化進(jìn)行了研究，主要結(jié)論如下：①伊洛河流域不同坡面土地覆被變化強(qiáng)度是平地＞緩坡＞陡坡。所有坡面的草地，緩坡和陡坡的建設(shè)用地和濕地，平地的林地和陡坡的耕地是高強(qiáng)度變化地類，其轉(zhuǎn)入與轉(zhuǎn)出強(qiáng)度皆大于隨機(jī)均勻變化強(qiáng)度。②平地上建設(shè)用地?cái)U(kuò)增“指向”草地，“避讓”濕地，同時(shí)耕地向建設(shè)用地高強(qiáng)度轉(zhuǎn)出。緩坡和陡坡上不同土地覆被類型兩兩之間頻繁發(fā)生位置對(duì)換，土地覆被變化主要表現(xiàn)為系統(tǒng)性的高強(qiáng)度變化類型，但緩坡和陡坡上耕地向林地的轉(zhuǎn)變、林地向耕地的轉(zhuǎn)變皆是低強(qiáng)度轉(zhuǎn)變類型，屬于偶然性的轉(zhuǎn)變。
強(qiáng)度分析是以假設(shè)的隨機(jī)均勻變化為對(duì)照，從不同層次逐層深入分析土地覆被變化的轉(zhuǎn)入與轉(zhuǎn)出過程，與局限于土地覆被變化自身進(jìn)行分析的傳統(tǒng)方法相比，能夠更好揭示土地經(jīng)營(yíng)者的偏好和行為特征，解釋變化過程與格局的內(nèi)在聯(lián)系［29，30］。但假設(shè)的隨機(jī)均勻變化僅考慮了數(shù)量變化，沒有考慮變化的空間分布，因此難以揭示空間鄰接關(guān)系對(duì)土地覆被變化的影響。如，從轉(zhuǎn)出看耕地向建設(shè)用地的高強(qiáng)度轉(zhuǎn)出可能是因?yàn)楦嘏c建設(shè)用地鄰接度較大的原因，而不是開發(fā)建設(shè)特意要占用耕地，所以如何納入空間屬性是今后完善土地覆被變化強(qiáng)度分析的關(guān)鍵所在。
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