基于高程和坡度分级的延安市土地利用格局研究

火 红，韩 磊，奥 勇，刘 钊，3，赵永华，3，朱会利，陈 芮

（1.长安大学 地球科学与资源学院，陕西 西安710054；2.长安大学 土地工程学院，陕西 西安710054；3.陕西省土地整治重点实验室，陕西 西安710064；4.中国科学院 地球环境研究所 黄土与第四纪地质国家重点实验室，陕西 西安710061；5.长安大学 地质工程与测绘学院，陕西 西安710054）

土地利用/覆盖变化是人类活动对地球陆表自然生态系统影响的最直接反映，是全球气候变化和环境变化研究的重要内容［1-3］。土地利用类型及结构的变化影响着生态系统物质循环和能量流动，进而改变土壤侵蚀的发生和发展［4-6］。人口增长和城市扩张等造成的人地矛盾日益突出，因此土地利用结构调整成为黄河流域高质量发展研究的焦点。

我国于1999年开始实施的退耕还林（草）工程是世界上最大的生态修复工程，现已由大规模推进转入成果巩固阶段。延安市作为“全国退耕还林（草）第一市”，积极落实国家退耕还林（草）政策、率先实施退耕还林（草）工程并推行全市禁牧，使区域生态环境显著改善，为黄河流域甚至全国退耕还林（草）和生态修复树立了典范，其做法、经验和效果具有重要的借鉴价值，因此有不少学者对延安市退耕还林（草）后的土地利用、生态效益、土壤侵蚀变化情况等进行了监测、评估、研究［7-14］。

地形因子影响地表水热再分配、风沙作用方式和水力侵蚀强度，不同地形上土地利用类型的改变会产生不同的生态修复效果，但是退耕还林（草）和土地利用格局相关研究中对地形因子的分析较少。笔者基于遥感数据与DEM数据，在RS与GIS技术支持下获取土地利用与地形因子数据，分析了延安市大规模实施退耕还林（草）前后各土地利用类型在不同地形因子上的分异及转移特征，以期为科学合理地评估退耕还林（草）效果和相关研究提供参考。

1 延安市概况与研究方法

1.1 延安市概况

延安市总面积为37 031.30 km2，地处黄河中游地区，境内有黄河及其支流北洛河、延河、清涧河、仕望河、汾川河等，大都属黄土丘陵沟壑区，地势西北高、东南低，平均海拔1 000 m，地貌以梁、峁、沟为主，地形破碎、生态环境脆弱、水土流失严重。延安市属半湿润半干旱大陆性季风气候区，四季分明，昼夜温差大，年均气温9.9℃、1月平均气温-5.5℃、7月平均气温23.1℃，年均无霜期170 d，年日照时数为2 300～2 700 h；年均降水量537 mm，降水时空分布不均，降雨多集中于6—9月，年均降水量从南部的650 mm递减到北部的380 mm。1999年以来延安市实施了2轮退耕还林（草），第一轮自1999年开始在全国率先退耕坡度大于25°的坡耕地，第二轮从2013年开始率先启动实施坡度大于15°的坡耕地退耕。

1.2 数据来源与处理

本研究采用的遥感数据为Landsat4-5 TM、Landsat8 OLI卫星遥感影像数据，共20景影像，空间分辨率为30 m，成像时间分别为1988年、1998年、2008年、2018年的6—9月，成像时云量均小于10%。影像数据下载于https://www.usgs.gov/land-resources，均为Landsat Surface Reflectance产品，并经过辐射定标、大气校正、几何校正和正射校正等处理（其中Landsat4-5 TM影像数据采用LEDAPS进行预处理、Landsat8 OLI影像数据采用LaSRC进行预处理），对20景影像数据进行7、5、3波段合成、裁剪、镶嵌。把土地利用分为耕地、林地、草地、建设用地、水域等5种类型，采用随机森林法对卫星遥感影像进行监督分类，分类精度均在80%以上，4个时期延安市土地利用分类结果见图1。采用的DEM数据空间分辨率为30 m，按照自然断点法将高程分为5级，根据全国农业区划委员会制定的《土地利用现状调查技术规程》将坡度也分成5级，分级标准见表1。

图1 延安市不同时期土地利用分类结果

表1 高程及坡度分级标准

1.3 研究方法

采用土地利用类型动态度［15］反映研究区各时段各土地利用类型的面积变化情况，其计算公式为

式中:K为研究时段某一土地利用类型动态度；Ua、Ub分别为时段初、末该土地利用类型的面积；T为研究时段长，当T以年为单位时K值就是研究区该土地利用类型的年变化率。

采用地形分布指数［16-18］表示地形因子对各土地利用类型分布的影响，精确定量化反映各土地利用类型的空间分布格局与地形梯度的变化关系。地形分布指数计算公式为

式中:i表示土地利用类型（耕地、林地、草地、建设用地、水域）；e表示地形因子（高程或坡度）；P i e为i地类的e地形分布指数，即i地类在某级地形上的优势度，e为高程时P ie为i地类的高程分布指数，e为坡度时P i e为i地类的坡度分布指数；S i e为i地类在某级地形因子上的面积；S i为i地类的总面积；S e为研究区某级地形的总面积；S为研究区总面积。

2 结果与分析

2.1 土地利用类型动态度计算结果及分析

延安市不同时期各类土地利用面积占比见表2。1988—2018年耕地与林地面积变化较大，耕地面积占比由29.01%降低到11.51%，减少6 481.50 km2，其中1998—2008年耕地面积减幅最大；林地面积占比由36.01%提高到60.60%，增加9 107.64 km2，其中2008—2018年增幅最大，由于林地成林需要一定时间，与耕地面积的变化相比具有一定的滞后性，因此林地面积剧烈变化的时间落后于耕地的；草地面积占比由32.88%降低到25.31%，减少了2 806.5 km2；建设用地面积增加242.73 km2，占比由1.30%提高到1.95%；水域面积较小，呈波动减少趋势。

表2 延安市不同时期各类土地面积及其占比

各时段延安市各土地利用类型动态度计算结果见表3。各时段耕地的动态度均为负值且绝对值逐时段增大，表明耕地面积减幅越来越大，其中:1998—2008年，由于1999年开始实施大面积退耕还林还草，因此耕地面积大幅减少，动态度为-3.15；2008—2018年于2013年启动新一轮退耕还林（草），使耕地面积进一步减少，计算动态度时耕地面积基数即分母较前一时段小，因而该时段耕地的动态度达-3.50。各时段林地的动态度均为正值，表明林地面积随着耕地减少而增加，2008—2018年动态度达到2.41。各时段草地的动态度均为负值且绝对值逐时段增大，表明草地面积逐时段减少，2008—2018年动态度达到-1.91。各时段建设用地的动态度均为正值，其中2008—2018年动态度达3.29。各时段水域的动态度波动较大，原因是水域面积基数较小。总体而言，延安市实施退耕还林（草）政策以来，耕地面积大幅减少、林地面积随耕地和草地的减少稳步增加，建设用地面积不断增加，水域面积小但波动性大。

表3 各时段延安市各土地利用类型动态度计算结果

2.2 土地利用类型高程分布指数计算结果及分析

1988—2018年延安市各级高程的土地利用转移矩阵见表4，可以看出，延安市各土地利用类型在不同高程的分布呈现明显分异。退耕地向林地的转化主要发生在2～4级高程即919～1 445 m，在高于919 m的区域耕地向林地转化的面积随高程提高而减少。由于高海拔区域自然条件不佳、人工生态林生长状况较差，而种草对自然条件的适应性优于造林，因此低海拔区域的退耕地主要转为林地、高海拔区域的退耕地主要转为草地。林地的转出主要发生在2～3级高程即919～1 277 m，主要向耕地转化，在2级高程以上随着海拔升高林地的转出面积减少，原因可能是分布在高海拔区域的林地较少。草地的转出主要发生在2～4级高程即919～1 445 m且主要转为林地，在2级高程以上随海拔升高转出总量及其向林地转化的面积逐渐减少。建设用地在1～2级高程即373～1 115 m的低海拔区域变化明显，转出主要转为耕地和草地、转入主要来源也为耕地和草地。水域面积基数较小，总体变化不大。

表4 1988—2018年延安市各级高程的土地利用转移矩阵

延安市不同时期各土地利用类型高程分布指数见图2。1988年，在1～2级高程即373～1 115 m，草地、建设用地、水域的分布指数大于1，耕地在2级高程的分布指数大于在1级高程的；在3～4级高程即1 115～1 445 m，林地分布指数最大；在5级高程即1 445～1 812 m，各土地利用类型的分布指数由大到小依次为耕地＞林地＞草地＞水域＞建设用地。1998年，耕地在1～3级高程即373～1 277 m的分布指数减小、在4～5级高程即1 277～1 812 m增大，林地在1～2级高程即373～1 115 m的分布指数增大、在3～5级高程即1 115～1 812 m略有减小，草地在2～3级高程即919～1 277 m的分布指数增大、在4～5级高程即1 277～1 812 m减小。2008年，耕地与草地在各级高程的分布指数变化趋势与1998年相反，而林地在各级高程的分布指数变化趋势与1998年一致。2018年，耕地与林地的高程分布指数变化趋势与2008年相似，分别在1级高程和5级高程减小；草地的高程分布指数在1级高程和5级高程增大、在2～4级高程减小。1988—2018年，建设用地和水域在各级高程的分布具有明显的分异性，均主要分布在低海拔区域。

图2 延安市不同时期各土地利用类型的高程分布指数

2.3 土地利用类型坡度分布指数计算结果及分析

1988—2018年延安市各级坡度的土地利用转移矩阵见表5。耕地转出主要发生在3～5级坡度即大于6°的区域且主要转化为林地和草地，转化为建设用地的耕地大多分布在2～3级坡度即2°～15°。林地转出面积与转入面积相比较小（主要转化为草地），主要转入来源是耕地与草地，3级以下坡度即小于15°的草地转化为林地的面积小于耕地转化为林地的面积，而4级以上坡度即大于15°的草地转化为林地的面积大于耕地转化为林地的面积。研究时段草地面积大幅减少，转出的草地中大部分转化为林地且主要发生在3级以上坡度即大于6°的区域、小部分转化为耕地且主要发生在3～4级坡度即6°～25°的区域，草地的转入来源主要是陡坡耕地。建设用地转出主要发生在3～4级坡度即6°～25°的区域且主要转化为林地和草地，研究时段建设用地面积增加且主要来源为2～3级坡度（2°～15°）的耕地。水域转出主要发生在2级坡度以上即大于2°的区域，以转化为草地为主。总体来看，在各级坡度上耕地、林地与草地面积变化较大，建设用地转出较少、转入较多，而水域转出较多、转入较少。

表5 1988—2018年延安市各级坡度的土地利用转移矩阵

延安市不同时期各土地利用类型坡度分布指数见图3。1988年，耕地、建设用地和水域的坡度分布指数在1～3级坡度（0°～15°）大于1，其中建设用地与水域的坡度分布指数明显大于其他土地利用类型的，随着坡度增大耕地、建设用地和水域的分布指数逐渐减小，说明这3种土地利用类型在坡度较缓的区域有更好的适应性；草地和林地的坡度分布指数随着坡度的增大均呈增大趋势且在相同坡度等级上二者数值大小相近，均在4～5级坡度（大于15°）的区域大于1。1998年，耕地的坡度分布指数在1～2级坡度（0°～6°）增大、在2级坡度以上减小，林地的坡度分布指数在3～4级坡度（6°～25°）减小、在1、2、5级坡度增大，草地的坡度分布指数在缓坡区域增大、在陡坡区域减小，说明草地分布整体上向缓坡转移。2008年，耕地的坡度分布指数在缓坡区域增大、在陡坡区域减小，林地的坡度分布指数也在缓坡区域增大、在陡坡区域减小，而草地的坡度分布指数变化趋势与林地相反。2018年，耕地的分布较2008年整体向缓坡区域转移，林地与草地在各级坡度的分布变化趋势与2008年的相反。1998—2018年，建设用地与水域在缓坡的分布指数远大于陡坡的且越来越明显。

图3 延安市不同时期各土地利用类型的坡度分布指数

2.4 讨 论

大规模实施退耕还林（草）前，延安市农业处于低水平生产阶段，农民为增加粮食产量而垦荒种植，曾一度导致坡耕地增多，实施大规模退耕还林（草）后把大部分坡耕地转化成林地或草地。研究时段内林地面积占比由36.01%上升到60.60%，草地、建设用地与水域在高程为373～1 115 m的分布指数大于1，这与该高程区域的地理环境和水土资源条件更适于人类生活及从事生产活动有关。大于15°的坡耕地减少面积占总减少面积的75.77%、林地增加面积占总增加面积的62.66%。有关研究表明［19-23］，各地类的水土保持功能由强到弱依次为林地＞草地＞耕地＞建设用地，土壤侵蚀强度随坡度增大而变得剧烈，缓坡耕地与林地的水土保持效应相近，陡坡耕地大幅减少与林地大幅增加对减缓土壤侵蚀非常有利，延安市大规模退耕还林（草）后土壤侵蚀强度显著降低、中度以上侵蚀面积急剧减少。

众多研究表明，退耕还林（草）工程对植被恢复、区域气候等有显著正向影响，使生态环境得到有效改善［24-26］。大规模退耕还林（草）以来黄土高原虽然整体变“绿”，植被覆盖度大幅提高，但随着时间推移，在高海拔陡坡上营造人工林逐渐暴露出土壤干化严重、水资源耗损过多、林分结构简单等问题，乔木林强烈的蒸腾作用易使土壤水分快速蒸发，一些人工林因干旱而出现退化现象。如何在不同的生物气候区和立地条件下区分环境空间异质性的影响，量化退耕还林（草）引起的土地利用变化对生态环境的影响，及其与环境因子之间的互馈机制，是今后研究的重点方向。

3 结 论

（1）退耕还林（草）工程的实施，使延安市土地利用结构发生明显变化，耕地面积占比由29.01%降低到11.51%，草地面积占比由32.88%降低到25.31%，而林地面积占比由36.01%大幅提高到60.60%。

（2）延安市各土地利用类型在各级高程与坡度上的转移具有一定规律性，坡度小于15°的耕地面积增幅较大，随着时间推移耕地分布逐渐向缓坡区域转移；草地与林地在各级坡度上的分布具有一致性，二者的分布优势均随着坡度增大而增大；草地分布优势随海拔的提高逐渐减小，但随着时间的推移其在高海拔区域的分布优势逐渐变大；林地分布优势在高程为919～1 445 m较大，尤其是在高程为919～1 115 m的分布优势更大且随着时间推移进一步增大。

（3）实施退耕还林（草）工程后，延安市各土地利用类型在不同地形因子上的分布差异随时间推移愈加明显，应根据土地利用类型的地形分异特征对土地利用结构进行进一步优化调整。