李中原，王國重，張繼宇，程煥玲，楊 丹，高鏡清

（1.河南省水文水資源局，鄭州 450003；2.黃河水文水資源科學(xué)研究院，鄭州 450004；3.河南黃河河務(wù)局，鄭州 450003；4.河南省水土保持監(jiān)測總站，鄭州 450008；5.河南省周口水文水資源勘測局，河南 周口 466000；6.鄭州大學(xué)生態(tài)與環(huán)境學(xué)院，鄭州 450001）

坡度是土地資源固有的重要環(huán)境因子，對用地類型分布與土地生產(chǎn)力發(fā)揮都有著直接的影響［1］。郭漩等［2］對河南省伊洛河流域8 個(gè)縣域坡度與用地類型的關(guān)系進(jìn)行了研究，認(rèn)為坡度與土地利用等因素的關(guān)系密切；李君潔等［3］對太行山區(qū)坡度與用地格局變化的研究也表明坡度是地學(xué)要素多樣性格局的重要影響因素；胡榮明等［4］研究了坡度對土地利用/覆被變化的影響，認(rèn)為坡度因素對土地利用格局的演變具有控制作用；馬士彬等［5］分析了都勻市土地利用與坡度因子間的關(guān)系，發(fā)現(xiàn)土地利用程度與坡度存在負(fù)相關(guān)；陳見影等［6］以秦莊溝流域?yàn)槔治隽擞玫仡愋涂臻g分布與地形因子的關(guān)系，認(rèn)為不同地類分布與地形因子關(guān)系密切并有一定的規(guī)律性；邵懷勇等［7］分析了三峽庫區(qū)不同坡度帶的土地利用格局，發(fā)現(xiàn)隨著坡度的增加，用地類型的多樣性指數(shù)逐漸降低；寧文怡等［8］以巴馬縣為例研究了地形因素對用地類型空間分布的影響；劉德林等［9］根據(jù)因地制宜、合理配置資源的原則分析了上黃小流域1982—2008 年用地類型隨坡度的分布變化；王娜娜等［10］基于重慶市北碚區(qū)的DEM 和2015 年的土地利用數(shù)據(jù)，分析了坡度等因子作用下土地利用格局的分異特征；周愛霞等［11］根據(jù)解譯衛(wèi)星遙感影像數(shù)據(jù)和GIS 軟件對大寧河流域坡度對土地利用/覆蓋變化的影響。

Landsat8 衛(wèi)星影像攜帶的陸地成像儀傳感器收窄了原全色波段的光譜范圍，更容易區(qū)分植被與非植被［12］；陸地成像儀傳感器各波段信噪比ETM+對應(yīng)波段高3 倍，輻射分辨率為12 bit，消除了極亮（暗）區(qū)灰度過飽和現(xiàn)象，可以更好地顯示這些地方的具體信息，在性能與可靠度方面都優(yōu)于ETM+影像［13］。偃師區(qū)屬洛陽市管轄，根據(jù)其2016 年Landsat8 影像和DEM 數(shù)據(jù)研究偃師區(qū)不同坡度帶用地類型分布情況，可以為該市土地利用、水土保持規(guī)劃提供依據(jù)。

1 研究區(qū)概況

偃師區(qū)地處洛陽市東，東鄰鞏義市西接洛龍區(qū)和孟津區(qū)，南倚嵩山，北與孟州市相隔黃河，地理坐標(biāo)介于東經(jīng)112°26′15″—113°00′00″、北緯 34°27′30″—34°50′00″。地勢南北高中間低，地貌景觀大致為槽形，地表形態(tài)大體可分成山地、丘陵、坡地、平原4類［14］。氣候上屬暖溫帶大陸性季風(fēng)區(qū)，年平均氣溫為14.2 ℃、無霜期211 d，全年日照時(shí)數(shù)2 248.3 h、年均降水量500～600 mm。

2 數(shù)據(jù)來源與研究方法

2.1 數(shù)據(jù)來源與處理

所用Landsat8 衛(wèi)星數(shù)據(jù)為偃師區(qū)2016 年9 月23日的影像，云量為2.36%，投影坐標(biāo)系是WGS1984-UTM49N。借助ENVI 軟件對該影像進(jìn)行輻射定標(biāo)、大氣校正；用矢量格式的偃師市邊界圖（坐標(biāo)系為GCS WGS1984）用以裁剪遙感影像，在ArcGIS 中將邊界圖坐標(biāo)系轉(zhuǎn)換成WGS1984UTM49N，再在ENVI中用轉(zhuǎn)換后的邊界圖裁剪柵格格式的影像數(shù)據(jù)，得到偃師區(qū)遙感影像，然后采用支持向量機(jī)、最大似然法進(jìn)行分類，將用地分成耕地、林地、草地、水域、建設(shè)用地。最大似然法的分類精度略高于支持向量機(jī)，故采用該法的分類結(jié)果。

所用DEM 數(shù)據(jù)來自90 m 分辨率的SRTM 數(shù)字高程模型，通過ArcGIS 軟件經(jīng)坐標(biāo)轉(zhuǎn)換、坡度生成、坡度分級等操作形成坡度分級圖。再在ArcGIS 中將生成的土地利用分類結(jié)果與坡度分級圖進(jìn)行坐標(biāo)轉(zhuǎn)換，將其坐標(biāo)統(tǒng)一為CGCS2000：3DegreeGKzone 38，然后將兩者矢量化后進(jìn)行疊加，就得到了坡度與用地類型疊加結(jié)果，如圖1 所示。通過ArcGIS 的面積統(tǒng)計(jì)工具可以得到不同坡度帶、各類用地的面積。

圖1 偃師區(qū)不同坡度帶土地利用分類結(jié)果

2.2 坡度與各類用地分布

結(jié)合耕地分級標(biāo)準(zhǔn)［15］、林地分級標(biāo)準(zhǔn)［16］，將偃師區(qū)地面坡度分為 7 級：≤2°、2°～6°、6°～15°、15°～25°、25°～35°、35°～45°、＞45°，通過ArcGIS 軟件，統(tǒng)計(jì)出各級坡度帶占總面積的比例分別為52.473%、22.362%、15.527%、7.477%、1.893%、0.239%、0.029%，偃師區(qū)地面坡度分布較為理想，坡度不超過2°的面積 占 總 面 積 的 52.473%，6° 以 下 面 積 占 比 達(dá)74.835%，90.362%的土地面積坡度在15°以下，坡度超過25°的面積僅占2.161%。說明偃師區(qū)是適宜人類居住、生活的理想?yún)^(qū)域。偃師區(qū)各類用地中耕地占了總面積的55.567%，其次是建設(shè)用地、林地、草地、水域，其占比分別是17.402%、13.297%、9.919%、3.815%。這與其坡度較緩、各級坡度分布較為理想、適宜人類居住相適應(yīng)。

2.3 用地類型多樣性指數(shù)

用地類型多樣性指數(shù)是用來描述區(qū)域內(nèi)各類用地的齊全程度與總體結(jié)構(gòu)的重要參數(shù)，常采用吉布斯-馬丁多樣化指數(shù)來計(jì)算，公式如下［17］。

公式（1）中，GM表示多樣性指數(shù)；ai代表第i類用地類型的面積。由該式可以看出，若只有1 種用地類型，GM就為0；如果研究區(qū)內(nèi)存在多種用地類型，發(fā)展規(guī)模越均衡，則GM值越接近 1［18］。

3 結(jié)果與分析

3.1 不同坡度帶用地類型分布特征

偃師區(qū)不同坡度帶各類用地面積占總面積的百分比如圖2 所示。從圖2 可知，≤2°的坡度中耕地面積占總面積比例33.82%，其次是建設(shè)用地13.16%、草地2.71%、水域2.61%，林地占比最少僅占0.26%；2°～6°坡度中也是耕地占比最大15.24%，其次是建設(shè)用地、草地，占比分別是3.12%、2.34%，水域面積占比僅有0.7%；6°～15°坡度帶內(nèi)耕地、林地、草地面積所占比例分別為6.10%、4.92%、3.47%，建設(shè)用地、水域面積的占比相對較小，分別是0.66%、0.38%；15°～25°坡度中林、草地面積占比分別是5.39%、1.24%，耕地、建設(shè)用地、水域所占比例較小，分別是0.52%、0.22%、0.12%；25°～35°坡度帶內(nèi)林地所占面積比例最大1.52%，其他用地類比例較小，分別是草地0.23%、建設(shè)用地0.09%、耕地0.04%、水域0.01%；35°～45°帶內(nèi)主要地類是林地與草地，占比分別為0.21%、0.02%，其他用地面積之和占比僅為0.01%；＞45°坡度帶內(nèi)主要地類為林地，占比0.03%，其次是草地，所占比例為0.001%。

圖2 不同坡度帶各用地類型面積

通過對各坡度帶內(nèi)不同用地類型分布分析，不難發(fā)現(xiàn)，偃師區(qū)用地類型主要分布在≤15°坡度內(nèi)，各類用地面積之和占總面積的比例超過90%，其中耕地面積占總面積的55.16%，其次是建設(shè)用地、草地、林地、水域，分別占總面積的16.94%、8.52%、6.14%、3.59%；＞15°坡度內(nèi)主要以林地、草地為主，其次為耕地、建設(shè)用地、水域，各類用地面積之和在總面積中的占比不足10%。隨著坡度的增加耕地類型在各坡度帶的主導(dǎo)地位逐漸降低，取而代之的是林地與草地，可見坡度是影響用地類型分布的重要因素［19，20］。

3.2 各類用地隨坡度變化規(guī)律

申懷飛等［21］基于DEM 數(shù)據(jù)，研究了豫西黃河流域用地類型隨坡度的變化，發(fā)現(xiàn)各類用地空間分布隨坡度的變化具有明顯的特點(diǎn)。鄒愛平等［22］的研究也表明，不同坡度帶內(nèi)的用地類型結(jié)構(gòu)變化存在較大差異。偃師區(qū)各類用地面積（以用地面積占總面積的百分比表示）隨坡度的變化如圖3 所示。

圖3 各類用地分布隨坡度的變化

圖3 中，耕地面積占總面積的比例隨著坡度的增大逐漸減小，≤2°、2°～6°、6°～15°坡度內(nèi)分布的各類用地中都是耕地面積所占比例最大，分別為總面積的33.82%、15.24%、6.10%，超過15°以后其優(yōu)勢地位逐漸被別的用地取代；與耕地相反，林地的優(yōu)勢隨著坡度的增加逐漸凸顯，在≤6°坡度內(nèi)其面積占比低于建設(shè)用地、草地，6°～15°坡度內(nèi)其面積分布已明顯超越二者，僅次于耕地，＞15°坡度后林地面積占據(jù)了主導(dǎo)地位；草地面積分布在≤6°坡度內(nèi)低于耕地、建設(shè)用地，6°～15°坡度時(shí)超越建設(shè)用地，＞15°坡度后成為僅次于林地的優(yōu)勢地類；建設(shè)用地分布在≤6°坡度內(nèi)僅次于耕地，其面積占總面積的比例分別為13.16%、3.12%，＞6°坡度后其優(yōu)勢地位逐漸被林地、草地取代；水域面積主要分布在＜35°坡度內(nèi)，而且隨坡度增大逐漸減小，≤2°、2°～6°、6°～15°、15°～25°、25°～35°坡度內(nèi)其面積占比分別是 2.51%、0.7%、0.38%、0.12%、0.01%。

3.3 用地類型多樣性變化趨勢

利用公式（1）可以得到偃師區(qū)不同坡度帶內(nèi)用地類型的多樣性指數(shù)（圖4）。從圖4 可知，用地類型多樣性指數(shù)隨坡度增加呈先降低再增加之后持續(xù)降低的變化趨勢：≤2°到2°～6°坡度，其多樣性指數(shù)從0.516 6 降到 0.502 4，6°～15°坡度內(nèi)多樣性指數(shù)到達(dá)最大，為 0.692 9，之后不斷降低，15°～25°、25°～35°、35°～45°、＞45°坡度帶的用地類型多樣性指數(shù)依次為0.447 8、0.339 7、0.197 8、0.068 9。

圖4 不同坡度帶用地類型多樣性

變化趨勢表明，坡度＜15°范圍尤其是 6°～15°坡度帶是適宜人類居住與活動的主要區(qū)域，用地類型齊全、各類用地分布較為合理；隨著坡度的增加，人類活動的強(qiáng)度逐漸減弱，用地面積也表現(xiàn)為以林地、草地為主，耕地、水域、建設(shè)用地等用地類型逐漸消失，導(dǎo)致用地類型多樣性指數(shù)降低。

4 小結(jié)與討論

4.1 討論

卓靜等［23］對延安市寶塔區(qū)用地類型變化及坡度分異特征進(jìn)行分析，認(rèn)為該地區(qū)對大于25°的坡地進(jìn)行坡改梯、超過35°的坡地退耕還林還草，成效顯著；張金池等［24］對上舍河小流域不同用地類型實(shí)測降雨土壤侵蝕量的坡度效應(yīng)進(jìn)行了研究，發(fā)現(xiàn)坡耕地內(nèi)的徑流量與侵蝕模數(shù)隨坡度的增大而增加，而林地內(nèi)的徑流量與徑流侵蝕模數(shù)卻隨坡度的增加而降低；唐建等［25］的研究表明，用地類型和坡度分布對土壤有機(jī)質(zhì)含量有顯著影響。偃師區(qū)從2006年就開始了小流域生態(tài)清潔治理，通過退耕還林還草、坡改梯工程，實(shí)現(xiàn)了用地類型隨坡度合理分布，不僅降低了水土流失、增加了土壤有機(jī)質(zhì)含量，也使人民生活水平日益得到改善，其經(jīng)驗(yàn)值得借鑒與推廣。

4.2 小結(jié)

1）坡度在15°以下的土地面積占總面積的90.36%，其中耕地分布比例是55.16%，林地為6.14%、草地8.52%、建設(shè)用地16.94%、水域3.60%；在25°以下的土地面積占總面積的97.84%，這種坡度與用地類型分布非常適宜人類居住、生活。

2）各類用地受6°、15°、35°坡度影響較大。坡度≤6°范圍內(nèi)，草地面積低于建設(shè)用地，坡度＞6°后，草地面積占比就會大于建設(shè)用地；坡度＜15°范圍內(nèi)耕地面積占據(jù)主導(dǎo)地位，＞15°坡度范圍則是林地、草地面積占據(jù)支配地位；坡度＞35°范圍內(nèi)，耕地、水域沒有面積分布，建設(shè)用地也鮮有分布。

3）6°～15°坡度帶是人類居住與活動的主要區(qū)域，用地結(jié)構(gòu)較為合理，用地類型多樣性指數(shù)達(dá)最大。

根據(jù)坡度合理布局用地類型、堅(jiān)持退耕還林還草、實(shí)施坡改梯、營造水保林等措施，洛陽市偃師區(qū)的水土流失可以得到有效遏制，土壤養(yǎng)分含量提高，人民生活水平也日益改善。