宦 吉 林，王 鐵 霖，吳 柏 清，2

(1.成都理工大學 旅游與城鄉(xiāng)規(guī)劃學院，四川 成都 610059； 2.四川省高校人文社會科學重點研究基地 青藏高原及其東緣人文地理研究中心，四川 成都 610059)

0 引 言

土地利用/覆被變化(LUCC)已成為現(xiàn)代地理學研究的核心，而土地利用格局變化則是LUCC研究的重要內容[1]。土地利用的動態(tài)演變是多種要素綜合作用的結果，地形因素作為基礎性因素之一，深度參與區(qū)域土地利用時空格局的演變過程[2]。土地利用的地形梯度特征研究越來越受到國內外學者的關注。近年來，不少學者從土地利用變化格局及其影響因素[2]、地形梯度效應[3]、時空演變規(guī)律[4]、生態(tài)系統(tǒng)服務價值變化[5]以及土地利用與地形因子相互關系[6-7]等方面為主開展研究。目前多借助DEM(Digital Elevation Model)提取坡度、坡向和高程等地形因子，來探討不同地形梯度下土地利用的變化情況[8]。但這些研究多聚焦于某個單一地形因子，具有一定局限性。研究方法多采用地形位、分布指數(shù)等方法[9-10]，同時借助“3S”定量分析[11]、景觀格局指數(shù)[12]等。研究對象涵蓋省市縣[13]，烏江流域[14]、喀斯特山區(qū)[15]、秦巴山區(qū)[16]等自然區(qū)域，以及環(huán)渤海、京津冀[17]等經(jīng)濟區(qū)域，但針對高山峽谷這一特殊山地形態(tài)區(qū)域的研究仍然少見。

岷江上游地處中國自然地貌階梯中第一和第二階梯之間的過渡地帶，以高山峽谷地貌為主[18]，復雜的地形造就了豐富的自然景觀，也形成了其獨特的土地利用格局，具有鮮明的地形梯度特征。同時，岷江上游也是重要的生態(tài)屏障區(qū)，在岷江流域乃至長江上游都占據(jù)重要的生態(tài)戰(zhàn)略地位。相較于平原和丘陵低山地區(qū)，其生態(tài)環(huán)境脆弱，耕地較少且更易受到地災脅迫。針對這些特征，基于地形梯度效應分析其土地利用時空格局，厘清土地利用在地形因子影響下的分布變化規(guī)律，對該地區(qū)生態(tài)環(huán)境、糧食安全和經(jīng)濟社會的可持續(xù)發(fā)展具有重要意義[19]。因此，本文以岷江上游為研究區(qū)，分析2000～2020年岷江上游土地利用在地形梯度上的變化及利用程度，以期促進土地資源的合理利用和經(jīng)濟社會跨越式可持續(xù)發(fā)展。

1 研究區(qū)概況與數(shù)據(jù)來源

1.1 研究區(qū)概況

岷江是長江上游支流之一，其上游處于川西高原東北邊緣與龍門山過渡帶[5](31°26′～33°16′N，102°59′～104°14′E)，范圍大致與阿壩藏族羌族自治州的汶川縣、理縣、茂縣、黑水縣和松潘縣行政轄區(qū)重合，面積約為2.48萬km2(見圖1)。地勢西北高東南低，海拔在764～5 840 m之間，地形起伏大，土地利用以林地和草地為主。

圖1 研究區(qū)位置Fig.1 Location of the study area

1.2 數(shù)據(jù)來源與處理

土地利用數(shù)據(jù)來源于Globeland 30(http：∥www.globallandcover.com)，選取2000，2020年兩期數(shù)據(jù)，其空間分辨率為30 m，總體精度為83.5%，Kappa系數(shù)為0.78，數(shù)據(jù)被劃分成為耕地、林地、草地、水域、建設用地及未利用地6種土地類型。同時結合Google Earth對其進行考察驗證對比，保證數(shù)據(jù)的精度。DEM來源于地理空間數(shù)據(jù)云平臺(http：∥www.gscloud.cn)，分辨率為30 m，高程、坡度、地形位指數(shù)通過ArcGIS 10.8平臺提取得到(見圖2)。在ArcGIS 10.8中進行校正，統(tǒng)一采用WGS_1984坐標，Albers投影。

圖2 岷江上游高程、坡度及地形位指數(shù)Fig.2 Elevation，slope and topographic index of upper Minjiang River

將坡度、高程及地形位指數(shù)分級圖分別與2000，2020年的土地利用類型圖疊加，得到不同級別上的土地利用類型，計算出各地類在各級別上的優(yōu)劣分布。

2 研究方法

2.1 地形因子分級

依據(jù)岷江上游的土地利用實際情況和地形特征，將高程、坡度和地形位指數(shù)進行分級。岷江上游高程在764～5 840 m之間，相對高程有5 000多m，對比發(fā)現(xiàn)在1 000 m以下和5 000 m以上土地利用結果較為單一，因此單獨劃分一級；1 000～5 000 m之間以1 000為相等間隔進行分級。坡度在0～88.34°之間，參考國土調查技術規(guī)程的坡度分級規(guī)則，結合岷江上游的實際特征，依次劃分6個等級。地形位指數(shù)通過公式(1) 計算得到，在0.21～2.28之間，在ArcGIS軟件中利用重分類工具按equal interval劃分方法，以0.35為間隔對應高程坡度的分級也分為6個等級(見表1)。

表1 岷江上游高程、坡度及地形位指數(shù)分級

2.2 地形位指數(shù)

地形位能夠反應高程和坡度的綜合影響程度[20]，可以定量分析土地利用變化空間格局與地形梯度的關系[21]，計算公式為

(1)

2.3 地形梯度效應

為了消除量綱帶來的影響，采用地形分布指數(shù)反映不同土地利用類型在各地形梯度上的分布情況[23]，計算公式為

P=(Sij∕Si)∕(Sj/S)

(2)

式中：P為分布指數(shù)；Sij為第i種地類在第j級地形區(qū)的面積；Si為第i種地類總面積；Sj為第j級地形區(qū)總面積；S為研究區(qū)總面積。當P>1時，表示該地類在某級別地形區(qū)呈優(yōu)勢分布，指數(shù)越大，分布優(yōu)勢越大；當P=1時，表示該地類在某級別地形區(qū)的比重與研究區(qū)內該地類比重一致；當P<1時，表示該地類在某級別地形區(qū)呈劣勢分布，指數(shù)越小，分布劣勢越大。

2.4 土地利用程度綜合指數(shù)

量化展示不同地形等級下的土地利用程度的分布規(guī)律[24]，計算公式為

(3)

式中：L為土地利用程度綜合指數(shù)；n為土地利用類型數(shù)量；Ai為第i種地類的分級指數(shù)；Ci為第i種地類的面積占總面積的比例。

參考劉紀元等[25]設定的土地利用分級指數(shù)，依據(jù)人類利用土地的強度，將土地利用程度分為4級進行分級賦值：建設用地為4，耕地為3，林地、草地和水域為2，未利用地為1。

3 結果與分析

3.1 土地利用變化

3.1.1土地利用動態(tài)變化

由表2可得，岷江上游土地利用類型以林地和草地為主，面積之和占岷江上游總面積的95%以上。2000～2020年間，林地減少最多，減少了218.73 km2。耕地、草地和水域均有小幅增加，分布增加了29.00，2.44，121.89 km2。建設用地呈現(xiàn)劇烈擴張趨勢，20 a間面積擴大約了4倍，2000～2020年增速達249.40%，主要是經(jīng)濟發(fā)展需要大量的建設用地。未利用地呈現(xiàn)減少趨勢，減少了7.93 km2，減少幅度為39.87%。

表2 2000～2020年岷江上游土地利用變化

3.1.2土地利用轉移圖譜

由圖3可知，受地形限制，岷江上游耕地和建設用地相對較少且集中分布在河谷地帶；2000～2020年岷江上游耕地、林地、草地相互之間轉換劇烈，存在草地和耕地對林地擠壓現(xiàn)象。耕地的增加主要來源于林地和草地，建設用地的增加來源于耕地和草地；在空間上林地、草地轉為耕地主要發(fā)生在茂縣和汶川縣，耕地、草地轉為建設用地主要是在松潘縣、茂縣和汶川縣，且都發(fā)生在岷江上游的河谷地區(qū)。

圖3 2000～2020年岷江上游土地利用轉移Fig.3 Land use transfer in upper reaches of Minjiang River from 2000 to 2020

3.2 土地利用變化的高程梯度效應

由圖4可知，除草地外，其余5種地類在2000～2020年間高程梯度的優(yōu)勢分布基本穩(wěn)定。① 耕地的分布指數(shù)隨著高程的增加而降低；在高程4 000 m以上為0，表明對應的高程區(qū)間沒有耕地分布；在高程2 000 m以下分布指數(shù)在5以上，是優(yōu)勢分布區(qū)域，這都表明耕地受到高程的限制，在高程低的地帶呈優(yōu)勢分布。2020年與2000年相比變化不明顯。② 林地在梯度1～6均有分布，在高程1 000～4 000 m是優(yōu)勢分布；林地的分布指數(shù)隨著高程級別的升高先增加后減少，2000～2020年林地的分布指數(shù)略有下降，這是由于“退耕還林”政策的實行，林地向更高的高度拓展，而高程太高不適宜樹木的生長，導致高海拔地區(qū)林地較少。③ 草地在高程分級上呈現(xiàn)先下降后上升趨勢，在高程4 000 m以上分布指數(shù)大于1；在高程1 000 m以下草地由2000年的優(yōu)勢分布變?yōu)?020年的劣勢分布，主要是經(jīng)濟建設需大量建設用地侵占草地。④ 水域優(yōu)勢分布在高程2 000 m以下和4 000 m以上；2000～2020年水域分布指數(shù)在1 000 m以下明顯上升，在高程5 000 m以上下降；這說明低高程地區(qū)水域有大量增加，而5 000 m以上水域主要為冰雪等。⑤ 建設用地優(yōu)勢分布在3 000 m以下，2020年的分布指數(shù)低于2000年，這表示隨著城市化，單一的建設用地降低，多種用地類型增加。⑥ 2000～2020年未利用地分布指數(shù)變化基本一致，優(yōu)勢分布在高程3 000～4 000 m，沒有明顯規(guī)律；此處未利用地主要是裸土地、高寒荒漠、苔原等，海拔較高，人類活動影響小。

圖4 高程梯度上土地利用類型的分布指數(shù)Fig.4 Distribution index of land use types on elevation gradient

3.3 土地利用變化的坡度梯度效應

由圖5可知，土地利用類型主要在坡度0～25°分布集中；且在各等級優(yōu)勢分布均未發(fā)生變化。草地和耕地在坡度0～25°優(yōu)勢分布，建設用地、水域和未利用地在坡度0～15°優(yōu)勢分布，林地在坡度25°以上為優(yōu)勢分布。耕地、水域、建設用地和未利用地隨著坡度的增加，分布指數(shù)呈遞減趨勢；林地隨著坡度的增加，分布指數(shù)呈上升趨勢；而草地隨著坡度增加，分布指數(shù)呈倒“S”曲線，在2°～15°區(qū)域最高。2000～2020年，土地利用類型變化主要發(fā)生在0～2°區(qū)域，各地類分布指數(shù)在0～2°均有變化，耕地、草地和建設用地變化劇烈，表明人類活動影響隨坡度增加而減小。

圖5 坡度梯度上土地利用類型的分布指數(shù)Fig.5 Distribution index of land use types on slope gradient

3.4 土地利用變化的地形位梯度效應

由圖6可知，2000～2020年，耕地在1～4級集中分布，1～3級上為優(yōu)勢分布，在地形位梯度上逐漸減少；2020年與2000年相比，在第1級上顯著減少，說明經(jīng)濟發(fā)展在第1級上侵占了大量耕地，耕地在1～3級別上分布指數(shù)下降(在1級別下降最明顯，由18.05下降到13.45)，在4～6級別上呈上升(在4級別上由0.34上升到0.36)，說明耕地有向高地形位級別發(fā)展趨勢。林地分布指數(shù)在地形位梯度上先上升后減少的趨勢，優(yōu)勢分布在3～4級別；表明林地主要集中在中、高地形位區(qū)；2000～2020年林地分布指數(shù)在地形位上基本無變化。草地分布指數(shù)在地形位梯度上逐漸上升，從時間上看在第1級別上變化劇烈，可能與“退耕還林”政策有關。水域分布指數(shù)在地形位梯度上先減少后上升，優(yōu)勢分布在1～2和5～6級別；2020年與2000年相比在第1級別上增加，在第6級別上減少。建設用地分布指數(shù)在地形位梯度上逐漸減少，在5～6級別上為0，表明沒有建設用地分布；在1～3級別上分布指數(shù)變化幅度大，表明建設用地的分布受到高程和坡度的制約影響大；與2000年相比，2020年在第1級別上分布指數(shù)有明顯上升，符合建設用地向低海拔和平坦地區(qū)發(fā)展趨勢。未利用地分布指數(shù)在地形位梯度上先上升后下降，在2～3級別上優(yōu)勢分布；2000～2020年除在第2級別上有減少外，其余級別上無明顯變化。

圖6 地形位梯度上土地利用類型的分布指數(shù)Fig.6 Distribution index of land use types on topographic gradient

3.5 土地利用程度的地形梯度分析

2000～2020年隨地形位指數(shù)的增加，岷江上游土地利用程度綜合指數(shù)在地形位梯度上呈減小的趨勢(見圖7)。主要是因為高地形位指數(shù)區(qū)域坡度大、海拔高，對其區(qū)域的開發(fā)難度就大，以林地和草地為主，土地利用程度綜合指數(shù)就小。土地利用程度指數(shù)在第3級別之后趨于平緩，說明在這范圍內土地利用形式較單一。近20 a間，岷江上游土地利用程度綜合指數(shù)在1～3級地形位有所增加，而在3～6級地形位無明顯變化，這主要是因為經(jīng)濟快速發(fā)展，人類對土地利用形式影響較大，使得坡度和海拔較低區(qū)域的城市和新農村建設增多。

圖7 土地利用程度綜合指數(shù)Fig.7 Land utilization degree index

對2000，2020年土地利用數(shù)據(jù)采用ArcGIS漁網(wǎng)工具，分別計算各地類在1 km×1 km柵格內的比例，計算土地利用程度綜合指數(shù)(見圖8)。從縣域上看，2020年松潘縣土地利用程度較2000年增加明顯，茂縣、理縣、汶川縣土地利用程度均有提高，而黑水縣與其他四縣相比土地利用程度最低。對比岷江上游土地利用分類圖，可以看出土地利用程度綜合指數(shù)高的地區(qū)集中在建設用地密集的區(qū)域，且沿岷江及其支流分布，集中在河谷地區(qū)；在草地、林地集中分布的區(qū)域土地利用程度綜合指數(shù)小。與2000年相比，2020年土地利用程度綜合指數(shù)高值更高，低值更低；土地利用程度綜合指數(shù)高值的區(qū)域增加明顯且聚集性更強。這說明隨著時間推移，岷江上游土地利用方式向更加合理和穩(wěn)定的方向發(fā)展。

圖8 土地利用程度綜合指數(shù)分布Fig.8 Comprehensive index distribution of land use degree

4 討 論

岷江上游地區(qū)屬川西高原，具有獨特的地理位置和自然條件。隨著退耕還林(草)工程的實施，2000～2020年岷江上游主要表現(xiàn)在中高和高地形區(qū)域草地面積的增加；而林地呈減少趨勢，主要是受“汶川大地震”、鄉(xiāng)村振興建設等影響。雖然退耕還林(草)持續(xù)實施，但耕地仍出現(xiàn)了小幅度的增加，主要是由于岷江上游地區(qū)的經(jīng)濟發(fā)展，城市化建設，人口增加需要大量的耕地[26]；耕地的分布更加集中，主要在低海拔、低坡度地區(qū)。

和平原地區(qū)相比，岷江上游的土地利用類型受地形的影響更加顯著。在自然環(huán)境的制約和人為活動的影響下，不同地類在地形梯度上的分布變化，體現(xiàn)了對不同地形的適應。2000～2020年岷江上游耕地在海拔2 000～3 000 m、坡度25～35°、地形位0.9～1.24的區(qū)域增加最大，建設用地在海拔1 000～2 000 m、坡度2～15°、地形位0.9～1.24范圍增加最大；這體現(xiàn)了人類活動的范圍受到海拔、坡度等因素影響，在不同地形梯度上的分布差異明顯，對地形有較強的選擇性[27]。與其他地類相比，草地和林地能夠分布在更高的海拔和坡度上，這主要是草和樹木的生長特性決定的。同時也發(fā)現(xiàn)一些問題：在坡度25°以上仍有耕地的存在，且呈增加趨勢，應及時調查原因，進一步實施退耕還林(草)，保護生態(tài)環(huán)境，防止水土流失，實現(xiàn)土地資源合理優(yōu)化配置。

5 結 論

(1) 岷江上游土地利用類型以草地和林地為主，建設用地和未利用地占比最小。2000～2020年，耕地、草地、水域和建設用地呈增加趨勢，而林地和未利用地呈減少趨勢，耕地、林地、草地三者相互之間轉換劇烈。

(2) 岷江上游各地類在地形梯度上差異顯著，對地形有較強的選擇性。2000～2020年土地利用變化主要發(fā)生在各地類優(yōu)勢分布區(qū)域，即海拔4 000 m以下，坡度35°以下，地形位指數(shù)1.59以下的區(qū)域。

(3) 岷江上游土地利用程度綜合指數(shù)隨著地形位的增加而下降，后趨于平緩。在低地形位的區(qū)域2020年的土地利用程度綜合指數(shù)高于2000年，表明地形是影響土地利用程度的因素之一。從空間上看，2000～2020年岷江上游地區(qū)人類活動的主要區(qū)域仍主要集中在河谷地區(qū)。

岷江上游地區(qū)屬高山峽谷的地貌，同時又是重要的生態(tài)屏障，對經(jīng)濟發(fā)展帶來了巨大難度，不宜大規(guī)模開發(fā)土地資源。通過對岷江上游土地利用的地形梯度研究可知，今后應集中規(guī)模發(fā)展河谷經(jīng)濟，生態(tài)農業(yè)等，減少人為的生態(tài)環(huán)境破壞。重點關注低地形位區(qū)域的土地利用變化，在低地形位區(qū)域應控制耕地開墾和限制建設用地的盲目擴張；對中高地形位區(qū)域切實落實水土保持、退耕還林(草)等措施，避免開發(fā)。依據(jù)地形特征，注重各地類的空間布局，最終實現(xiàn)可持續(xù)協(xié)調發(fā)展。