基于地形梯度的淇河流域土地利用时空变异分析

冯小燕，朱文博，张静静，李理，徐帅博，朱连奇

（河南大学环境与规划学院，河南 开封 475004）

山区是特殊的国土空间单元，具有较强的资源梯度性、灾害多发性和生态脆弱性等特点；不合理的山区土地利用将导致植被破坏和严重的水土流失[1-2]。而地形通过立地条件影响陆地生态系统物质与能量的再分配，并通过干扰发生频率及强度成为影响山区土地利用的主导因子[3]。因山区土地和环境因子的多样及复杂性、生态系统对人类扰动的敏感性，二者之间的耦合更成为学界关注的热点[4-11]。地形是决定土地利用的重要环境因子，目前多见于单一地形因子对土地利用/覆被类型的影响，比如从地形海拔高程角度结合土地利用程度综合指数对不同垂直带土地利用类型分异程度进行分析；基于高程和坡度，利用景观研究的分布指数分析不同土地利用类型时空变化的规律等[12]。基于DEM和遥感技术、地理信息系统方法把地形对土地利用格局的影响进行分析，揭示了山区土地利用的多维变化规律，指出地形构成了土地利用格局的基本框架，分析了山区土地利用变化的总体趋势[13-26]。但已有研究对不同地形梯度土地利用类型转移的定量化研究相对薄弱[27-28]。而土地利用与覆被变化的研究对于山地生态系统的稳定及服务有重要影响，如何确定不同垂直梯度的土地利用结构，合理管控山地不同海拔高程土地利用类型的转化是稳定山区土地资源、保护其利用的可持续性，使山地生态系统服务价值最大化的理论基础。因此开展基于地形梯度的山区土地利用时空变异规律研究就具有理论意义和现实意义。

本文选择具有明显地形过渡特征的淇河流域，综合选取多种地形因子，基于1990、2000、2010和2015年四期土地利用/覆被变化（LUCC）数据，运用转移矩阵、区域统计分析和地形分布指数等方法，系统分析淇河流域土地利用时空变异特征，探讨地形因子对土地利用格局的分异作用以及土地利用动态变化的地形梯度差异特征，以期为该区土地利用规划与管理以及生态环境建设与保护提供决策支持。因此研究国土空间格局的变化规律，对促进国土空间有序、适度、可持续开发利用，强化国土空间治理极为重要。

1 研究区概况

淇河是海河水系卫河的支流，发源于山西省陵川县，经山西壶关县、河南省的辉县市、林州市、鹤壁市、淇县、浚县，汇入卫河，全长约165 km。淇河流域（113°17′～114°23′E，35°32′～36°04′N）往东与华北平原相接（图1），流域面积2227 km2，90%的区域属于山区。海拔自西向东递减，范围为31～1862 m，平均海拔为781 m。地貌类型复杂，主要有山地、低山丘陵和平原等。属暖温带半湿润季风气候，四季分明，平均降水量为600 mm左右，年均气温为12 ℃左右。太行山作为京津和华北平原的生态屏障，使得位于其南段的淇河流域生态环境也比较脆弱，因此该区急需加强土地利用规划与管理。

2 研究方法与数据来源

2.1 研究方法

2.1.1 转移矩阵 引入转移矩阵来分析各土地利用类型之间的相互转化情况，进而揭示土地利用变化的内部过程及趋势。公式如下[29]：

式中：Sij为地类面积；n为地类的类型数；i和j分别为研究时段初期和末期的地类序号。根据公式可计算不同地形因子梯度上各地类之间的相互转换特征。

基于1990、2000、2010和2015年四期土地利用数据，分析淇河流域土地利用多维变化，构建1990—2000，2000—2010、2010—2015 和 1990—2015年土地利用转移矩阵，分析1990—2015年淇河流域土地利用的变化方向。并从不同海拔、坡度和坡向的视角出发，提取不同土地利用现状及变化在不同海拔、坡度和坡向的分布，得到淇河流域土地利用结构及变化的地形梯度特征。

2.1.2 地形分布指数 为消除不同地形梯度上面积差异带来的量纲影响，本研究引入地形分布指数来分析土地利用在各地形因子梯度上的分布特征，分布指数[30]是一个标准化、无量纲指数，公式如下：

式中：P为分布指数；Sie为e地形梯度上i种地类面积；Si为i种地类的总面积；Se为e地形因子的总面积；S为研究区的面积。P值的大小代表某地类出现的频率，当P＞1时，表示i地类在e地形梯度上的分布为优势分布，值越大，代表优势度越高。根据公式可计算土地利用类型以及转移矩阵得到的地类之间转换情况在各地形因子分布的优势区间。

2.2 数据来源

本研究所用1990、2000和2010年土地利用/覆被变化（LUCC）数据来源于国家地球系统数据共享平台-黄河中下游科学数据中心（http://www.geodata.cn/），2015年的土地利用/覆被变化（LUCC）是基于2015年的Landsat 8遥感影像 (来源于地理空间数据云，http://www.gscloud.cn/)，参考该区往年土地利用类型图，进行人工目视解译所得。土地利用数据均为1∶10万的矢量图，包括25个二级类，根据需要，合并为6个一级类，分别为耕地、林地、草地、水域、建设用地及未利用地。

2.3 数据处理

地形数据包括海拔、坡度及坡向，均由DEM计算得到，DEM数据来源于ASTER GDEM数据，分辨率为30 m。依据研究区地形特点和土地利用分布情况，将生成的高程图、坡度图和坡向图重新进行分级[28]，利用ArcGIS中的重分类工具对海拔、坡度和坡向进行分级，将海拔划分为＜200 m、200～400 m、400～600 m、600～800 m、800～1 000 m、1 000～1200 m、1200～1400 m、1400～1600 m、＞1600 m共九级 ；将坡度划分为 0°～5°、5°～8°、8°～15°、15°～25°、25°～35°、＞35°共六级，坡度分级时结合了研究区的地形地类特点，采用这样分级范围能够体现出研究区坡度梯度明显的差异性；将坡向划分为无坡向（-1°）、北坡（0°～22.5°，337.5°～360°）、东北坡（22.5°～67.5°）、东坡（67.5°～112.5°）、东南坡（112.5°～157.5°）、南坡（157.5°～202.5°）、西南坡（202.5°～247.5°）、西 坡（247.5°～292.5°） 和 西 北 坡（292.5°～337.5°），研究区地形因子分级及面积比例见图2和表1。

图2 研究区海拔、坡度和坡向的空间分布Fig. 2 Spatial distributions of elevation, slope and slope direction in the study area

表1 海拔、坡度、坡向分级及面积比例Table 1 Classi fi cation and area proportions of elevation,slope and slope direction

3 结果与分析

3.1 土地利用整体变化

由表2和图3可以看出1990—2000年淇河流域土地利用变化幅度不大，2000—2010年和2010—2015年变化幅度较剧烈；25年来变化最大的为耕地和草地，耕地面积净减少了137.19 km2，占6.19%，草地面积净增加了88.39 km2，占3.97%。建设用地面积净增加了49.21 km2，占2.21%。水域面积净增加了20.16 km2，占0.91%。林地面积和未利用地面积变化不大，分别减少了0.96%和增加了0.03%。近年来淇河流域退耕还林还草、生态保护区建设、湿地保护等政策的实施使得草地和水域面积大幅增加。

表2 淇河流域不同年份土地利用变化Table 2 Land use change in Qi River Basin among different years

图31990、2000、2010和2015年土地利用类型图Fig. 3 Land use types in 1990, 2000, 2010 and 2015

由图4可知，1990—2000年间耕地面积减少了7.49 km2，主要转为草地、建设用地和林地，少部分转为了水域，同时也有部分耕地和林地转变为草地，草地变化不大；林地增加量略大于减少量，未利用地和水域基本不变；建设用地增加的主要来源是耕地。2000—2010年土地利用变化幅度相比前十年明显增大，耕地变化面积最大，减少72.30 km2；林地增加量和减少量相当，主要是与耕地和草地相互转化；水域面积呈增加趋势；草地增加明显，主要来源是耕地和林地；建设用地主要来源是耕地，其次是草地和林地。2010—2015年各用地类型相互转化最明显，主要是耕、林、草之间的转化。草地面积动态变化最大，呈现增长态势；其次为林地，减少量多于增加量；耕地面积主要转化为草地和林地，也有部分草地转化为耕地，草地和林地与耕地之间相互转化，但耕地面积减少量明显大于增加量；建设用地增加的主要来源是草地，小部分来源于耕地。1990—2015年耕地变化面积最大，25年来减少137.19 km2，主要转化为草地、林地和建设用地；草地增加幅度较大，25年来增加88.39 km2；林地呈减少趋势，水域呈增加趋势；建设用地主要来源是耕地，其次为草地。

3.2 基于地形梯度的土地利用结构变化

图41990—2015年淇河流域土地利用转移方向Fig. 4 Transformation of land uses in Qi River Basin from 1990 to 2015

图5 土地利用结构的海拔梯度分布Fig. 5 Elevation gradient distribution of land use structure

3.2.1 土地利用结构的海拔梯度差异 图5为淇河流域1990年和2015年不同海拔分级土地利用结构：耕地主要分布在400 m海拔以下地区，1990年和2015年面积变化不大，分别占51.98%和50.49%；在1200～1400 m等级再次出现峰值，分别占比16.11%和15.57%。林地主要分布在1200～1600 m海拔区，1990年和2015年略有差别，分别占46.13%和49.51%，在低于400 m和大于1600 m海拔区占比重均较小。草地主要分布在200～600 m海拔区，1990年和2015年分别占54.34%和52.12%，在1400—1600 m等级再次出现峰值，分别占10.34%和11.92%；水域和建设用地分布相似，均在低于400 m海拔区域所占面积最大；在低于400 m海拔区，1990年和2015年水域分布差别较大，分别占水域总面积的63.44%和50.69%；在低于400 m海拔区，1990年和2015年建设用地分布差别较明显，分别占建设用地总面积的75.18%和66.13%。

从图6淇河流域1990年和2015年不同坡度分布可知：耕地在0°～5°等级的分布比重最大，1990年和2015年的占比分别为31.43%和30.45%；在8°～15°等级达到第二个峰值，分别占27.52%和26.87%。林地和草地在坡度分布上类似，随坡度增大比重呈先增后减，均在15°～25°等级达到峰值，1990年和2015年比重变化不明显，比重均在31%左右；水域和建设用地分布较为类似，随坡度增大比重不断降低，均在0°～5°等级的面积比重最大，水域在1990年和2015年的比重差别较大，分别为43.78%和32.41%；在0°～5°的坡度等级中，1990年和2015年建设用地的占比差距较大，分别占比50.02%和43.23%。

从图7可以得出：耕地在东南坡、南坡、东坡、东北坡分布比例较大，即主要分布在阳坡、半阳坡；林地在东坡、东北坡、北坡和西北坡、东南坡分布较多，即半阳坡、半阴坡和阴坡；草地在东坡、东南坡、东北坡和西北坡分布较多，即多分布于半阳坡和半阴坡；水域明显朝向东北坡、东坡、东南坡、南坡分布。

3.2.2 土地利用变化的海拔梯度差异 由图8可知各土地利用类型在不同海拔梯度的变化情况：耕地在海拔200 m以下、200～400 m和1200～1600 m区域面积呈减少趋势，其中在200～400 m和1400～1600 m区域内的减少达到两个峰值，减少量最大，分别减少63.21 km2和35.13 km2；在200 m以下平坦宽阔的平原区，耕地减少的原因是人为开发建设占用，导致耕地转变为建设用地；在200～400 m和1200～1600 m高程区域内，耕地减少是因为山区耕地分散零碎，交通不便，耕作成本高，经济效益低下和国家的退耕还林还草政策；耕地在400～1200 m的区域面积内呈稳定状态。林地面积增加主要在海拔1200～1600 m区域，增加了12.41 km2；在400～1200 m面积呈减少趋势，减少了34.20 km2；在200～400 m区域内呈稳定状态。草地在海拔400～600 m面积减少，减少面积为16.00 km2；在200～400 m、600～800 m 和 1 000～1600 m 高程级别上面积增加，其中在200～400 m区域内增加的最多，达到峰值状态，增加了46.76 km2。水域和建设用地增加集中在低海拔地区，随海拔增大比重呈减少趋势。

图6 土地利用结构的坡度梯度分布Fig. 6 Slope gradient distribution of land use structure

图7 土地利用结构的坡向分布Fig. 7 Slope direction distribution of land use structure

图81990—2015年土地利用变化的海拔梯度分布Fig. 8 Elevation gradient distribution of land use change from 1990 to 2015

由图9可知各土地利用类型在不同坡度梯度的变化情况：耕地在0°～25°区域内呈现减少趋势，其中在 0°～5°和 8°～15°区域出现峰值，分别减少了49.00 km2和41.53 km2。林地增加面积主要在低于15°区域，在8°～15°范围增加最多，增加了16.32 km2；减少面积主要在高于15°区域，在15°～25°坡度级别上减少的最多，减少面积为5.23 km2。草地在0°～35°区域内呈现增加趋势，其中在 15°～25°区域出现变化的峰值，增加最多，增加面积为8.72 km2，增加面积始终多于减少面积；水域在0°～35°区域内呈现增加状态，增加面积主要集中在8°～25°区域；建设用地在0°～35°区域内始终呈现增加状态，且增加集中在 0°～15°地区，在 0°～5°区域增加值最大，增加面积为16.34 km2。

图91990—2015年土地利用变化的坡度梯度分布Fig. 9 Slope gradient distribution of land use change from 1990 to 2015

3.2.3 土地利用类型分布指数变化特征 由图10可知土地利用类型在海拔梯度上的优势位分布：1990年和2015年两个时期的耕地分布指数曲线形态基本相似，其分布指数基本保持稳定。优势分布区间没有变化，均为＜400 m和1200～1400 m高程等级。通过前述分析可知，25年间，耕地面积除在＜400 m、1200～1600 m和＞1600 m等级降幅明显，在其余的高程带呈现增长状态，而分布指数消除了研究区耕地面积减少带来的差异，说明在高程梯度上耕地面积的增减幅度和分布指数变化基本一致。林地在不同的高度梯度上具有很强的适应性，其空间分布格局的显著变化是优势分布范围逐渐向高地形梯度缩小，1990年其优势位分布在600～1600 m和＞1600 m高程梯度上，2015年其优势位分布在600～1600 m区域，与1990年相比，2015年的优势位减少了1个高程梯度。草地的优势分布区间没有明显变化，1990和2015年的优势区间均在200～1 000 m高程级别上，集中分布于中高地形梯度区；在1 000～1600 m地形梯度区，草地分布指数有所上升。在1990年和2015年两个时期中，水域的优势区间上升了两个地形梯度。研究期间建设用地优势位保持不变，均为＜200 m和200～400 m高程级别；在9个地形梯度中，2个时期的分布指数曲线相似，除＜200 m和200～400 m地形梯度间，2015年的分布指数均大于1990年，说明地形因素对人类开发建设活动的影响在减少。

图10 1990—2015年土地利用类型在海拔梯度上的分布指数Fig. 10 Elevation gradient distribution index of land use types from 1990 to 2015

图111990—2015年土地利用类型在坡度梯度上的分布Fig. 11 Slope gradient distribution index of land use types from 1990 to 2015

从图11可知土地利用类型在坡度梯度上的优势位分布：1990年和2015年两个时期耕地的分布指数曲线形态基本一致，其分布指数保持稳定；优势分布区间没有变化，均为 0°～5°、5°～8°和 8°～15°区域，耕地面积在0°～15°降幅明显，而分布指数消除了研究区耕地面积减少带来的差异，说明在坡度梯度上耕地面积的增减幅度和分布指数变化基本一致。林地在不同的坡度梯度上具有很强的适应性，其优势位分布于 15°～25°、25°～35°、＞35°坡度区间；在0°～15°坡度区间，2015年分布指数高于1990年；在 15°～35°、＞35°坡度区间，2015 年的分布指数明显低于1990年。草地的优势分布区间没有明显变化，1990年优势区间为15°～35°坡度级别，2015年的优势区间为15°～35°和＞35°区域，集中分布于中高地形梯度区；1990年到2015年，在8°～25°地形梯度区，草地分布指数有所降低。在1990年和2015年间，水域的优势位均为 0°～5°和5°～8°坡度梯度；在8°～35°、＞35°坡度范围内，2015年的分布指数始终高于1990年的分布指数。研究期间建设用地优势位保持不变，均为0°～5°和5°～8°之间；在 6个地形梯度中，2个时期的分布指数曲线相似，在0°～8°坡度分布区间中，1990年分布指数高于2015年，在8°～35°和＞35°坡度区间中2015年的分布指数均大于1990年。

4 结论与讨论

4.1 结论

1）淇河流域土地利用总体变化特征以耕地减少为主。2000—2010年和2010—2015年变化幅度较剧烈；25年来变化最大的为耕地和草地，耕地面积净减少最多，草地净增加最多，建设用地面积净增加次之，水域面积净增加最少。林地面积和未利用地面积变化不大。近年来淇河流域退耕还林还草、生态保护区建设、湿地保护等政策的实施使得草地和水域面积大幅增加。而建设用地扩张明显，淇河流域人地矛盾依然严峻。

2）淇河流域土地利用结构具有显著的地形梯度差异。就土地利用结构的地形梯度分布而言，耕地、建设用地、草地、水域多位于低海拔和小坡度地区，林地处于高海拔地区。土地利用变化在地形梯度上的分布：在低海拔区域，耕地面积减少，草地、水域和建设用地面积增加。在中海拔区域，草地和林地面积减少。林地面积增加主要在高海拔区域。土地利用变化在坡度梯度上的分布：在低坡度区域，耕地面积减少，建设用地和林地面积增加；草地和水域始终处于增加状态。

3）土地利用类型优势位在海拔梯度和坡度梯度保持稳定，变化微小。耕地、草地和建设用地在海拔梯度和坡度梯度的优势位变化微小。在海拔梯度上，林地的空间分布格局发生了显著变化，优势分布范围逐渐向高地形梯度缩小。

4.2 讨论

淇河流域处于山地与平原的过渡地带，区域内地形分异较大，通过研究区域内土地利用格局的地形梯度特征，可以进一步分析不同地形条件下土地利用方式的分布选择。无量纲的分布指数消除了不同地形梯度面积分布比例不同带来的影响，更能反映出土地利用类型的优势分布情况。分析发现土地利用方式有着明显的地形梯度特征分异，低海拔区间和低坡度区间高程低，坡度平缓，气候条件适宜，人为活动对土地利用方式干扰性大，为建设用地、耕地和水域的优势分布区间，高海拔区间和高坡度区间人类对土地利用方式干扰度低，为林地的优势分布区间，符合山地平原过渡带的自然规律和社会经济规律，地形因子很大程度决定了土地利用格局。研究中没有考虑地形起伏度及其他地形因子的影响，并只做了定性的驱动力分析，探究综合更多的地形因子对土地利用格局及其变化的影响并定量分析变化的驱动力是下一步工作的重点。