基于地形因素的赤峰市城子鄉(xiāng)土地利用空間格局變化

盛 艷，姚云峰，秦富倉(cāng)

(1.內(nèi)蒙古農(nóng)業(yè)大學(xué)生態(tài)環(huán)境學(xué)院，內(nèi)蒙古呼和浩特 010019;2.內(nèi)蒙古農(nóng)業(yè)大學(xué)林學(xué)院，內(nèi)蒙古呼和浩特 010019)

土地利用是指人類(lèi)有目的、有意識(shí)的開(kāi)發(fā)利用土地資源的一切活動(dòng)。土地利用空間格局的變化主要受自然環(huán)境條件的制約與人類(lèi)活動(dòng)的干擾。研究土地利用空間格局及變化，探討其影響機(jī)制，是了解人類(lèi)社會(huì)與自然環(huán)境相互關(guān)系的重要途徑，亦是評(píng)價(jià)分析區(qū)域生態(tài)環(huán)境現(xiàn)狀及其發(fā)展趨勢(shì)的有效手段［1-3］。地形因素對(duì)土地利用空間格局的形成及變化有一定的制約作用，特別是在山地丘陵地區(qū)，地形直接影響地表物質(zhì)的遷移和能量的轉(zhuǎn)換［4-5］，并影響植被類(lèi)型的分布。山地丘陵地區(qū)，海拔、坡度和坡向3種地形因素在很大程度上決定著光照、水分、溫度和土壤條件，在一定程度上決定著土地利用的方向與方式，同時(shí)對(duì)土地利用空間格局的分布和變化有顯著影響［6-7］。山地丘陵區(qū)地形復(fù)雜多變，屬于生態(tài)環(huán)境脆弱區(qū)，且該地區(qū)人口眾多，人地矛盾尤為突出，不當(dāng)?shù)耐恋乩梅绞綐O易造成生態(tài)環(huán)境的破壞，導(dǎo)致嚴(yán)重的水土流失。通過(guò)分析山地丘陵區(qū)土地利用的地形控制機(jī)制，可以更好地掌握土地利用空間格局分布和變化，為半干旱山地丘陵區(qū)的土地資源管理及規(guī)劃、土地利用開(kāi)發(fā)與水土保持等生態(tài)保護(hù)之間權(quán)衡提供科學(xué)依據(jù)［8-9］。

松山區(qū)地處赤峰市東南部，屬于燕山丘陵區(qū)，山地丘陵約占總面積的85%，占耕地面積65%以上。筆者以?xún)?nèi)蒙古赤峰市松山區(qū)城子鄉(xiāng)作為典型研究區(qū)，運(yùn)用GIS技術(shù)，研究10a來(lái)赤峰市城子鄉(xiāng)不同地形條件下的土地利用空間格局變化，從地形角度(高程、坡度)分析其土地利用空間格局及變化，揭示地形因素對(duì)土地利用空間格局及變化的影響機(jī)制。

1 研究區(qū)概況

城子鄉(xiāng)行政隸屬于內(nèi)蒙古自治區(qū)赤峰市松山區(qū)，位于松山區(qū)南部，地理坐標(biāo)為北緯42°02'05″～42°14'19″，東經(jīng)118°22'34″～118°49'17″，土地總面積 358 km2，有 20 個(gè)行政村，總?cè)丝?3.2 萬(wàn)人。城子鄉(xiāng)屬于北溫帶大陸性季風(fēng)氣候，春季干旱多風(fēng)，降雨稀少;夏季溫?zé)崆医涤昙?，雨熱同?秋季溫度劇降，降雨減少，光照充足，晝夜氣溫變化較大;冬季寒冷、干燥而漫長(zhǎng)。年平均氣溫7.2℃，年內(nèi)最高氣溫24.8℃，最低氣溫-12.4℃;年平均降水量370 mm，降水主要集中在6—9月，占全年降水量的80%;年平均日照時(shí)數(shù)2865.8 h，日照時(shí)數(shù)每天可達(dá)12～14 h，光照充足;無(wú)霜期135d;最大凍土深度1.8 m;林草覆蓋度約48%;地帶性土壤類(lèi)型為棕壤土和褐土。城子鄉(xiāng)地處低山丘陵區(qū)，屬赤峰市西部老哈河水系半箭河流域。

2 數(shù)據(jù)來(lái)源及研究方法

選取2001年和2011年2個(gè)時(shí)期的土地利用現(xiàn)狀圖，將研究區(qū)土地利用類(lèi)型劃分為耕地、園地、林地、草地、城鎮(zhèn)村及工礦用地、交通運(yùn)輸用地、水域及水利設(shè)施用地、其他用地共8類(lèi)。在GIS技術(shù)的支持下，將研究區(qū)1∶10000地形圖(2001年航攝，1980西安坐標(biāo)系，1985國(guó)家高程基準(zhǔn)，等高線間距5 m)進(jìn)行掃描，在ARCGIS下對(duì)等高線進(jìn)行屏幕跟蹤矢量化，生成DEM圖。DEM的數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)較為簡(jiǎn)單，便于進(jìn)行分析運(yùn)算;精度較高，可以得到比較準(zhǔn)確的分析結(jié)果，是一種優(yōu)秀的地形數(shù)據(jù)描述形式。在DEM基礎(chǔ)上可以獲得多層次、多角度的有關(guān)地形信息的內(nèi)容［10］。在ARCGIS軟件支持下，對(duì)DEM數(shù)據(jù)進(jìn)行高程和坡度提取，并對(duì)高程、坡度數(shù)據(jù)進(jìn)行重分類(lèi)分級(jí)。根據(jù)研究區(qū)域的地形及土地利用類(lèi)型分布特點(diǎn)將高程劃分為5個(gè)等級(jí)［11-13］，參考水土流失調(diào)查中采用的8°作為緩坡，將坡度分為6個(gè)等級(jí)，詳見(jiàn)表1、圖1、圖2，然后將高程、坡度圖分別與兩期土地利用圖進(jìn)行空間疊加分析［14-16］，從而得出研究區(qū)不同地形條件下的土地利用格局分布和變化情況。

表1 地形因素分級(jí)系統(tǒng)Table 1 Terrain factor classification system

圖1 DEM圖Fig.1 DEM map

圖2 坡度分級(jí)示意圖Fig.2 Sketch map of slope classification

3 結(jié)果分析

3.1 土地利用空間格局變化分析

由表2和圖3可知:10a間土地利用變化較為明顯。林地、城鎮(zhèn)村及工礦用地、交通運(yùn)輸用地面積呈現(xiàn)上升趨勢(shì)，其中以林地面積增加最多，其次是城鎮(zhèn)村及工礦用地和交通運(yùn)輸用地;園地、草地、水域及水利設(shè)施、其他用地面積一直在減少，總量均有所下降。其中以園地減少最明顯，其次是草地、水域及水利設(shè)施用地和其他用地;同時(shí)由于退耕還林還牧政策的實(shí)施，耕地呈現(xiàn)出減少趨勢(shì)，耕地總量較2001年減少了750.14 hm2。

圖3 土地利用空間格局分布Fig.3 Distribution of spatial patterns of land use

2001—2011 年，土地利用類(lèi)型轉(zhuǎn)化比較頻繁，其中林地、城鎮(zhèn)村及工礦用地和其他用地之間的轉(zhuǎn)化最頻繁。耕地的主要轉(zhuǎn)化來(lái)源是園地和草地。園地、草地、水域及水利設(shè)施用地和其他用地均向其他土地利用類(lèi)型轉(zhuǎn)化，而沒(méi)有其他土地利用類(lèi)型的轉(zhuǎn)入，導(dǎo)致這幾類(lèi)土地面積一直在減少。林地、城鎮(zhèn)村及工礦用地和交通運(yùn)輸用地均未向其他土地利用類(lèi)型轉(zhuǎn)化，而均有其他土地利用類(lèi)型的轉(zhuǎn)入，導(dǎo)致這幾類(lèi)土地面積一直在增加。

表2 城子鄉(xiāng)土地利用類(lèi)型及變化Table 2 Land use types and changes in Chengzi Township

3.2 基于高程的土地利用空間格局分布及其變化

由圖1和圖4可知:研究區(qū)海拔高度在605～1695 m范圍內(nèi)，其中800～1000 m高程分級(jí)面積最大，占研究區(qū)總面積的38.16%，其次是≤800 m高程分級(jí)，占研究區(qū)總面積的29.24%，可見(jiàn)，研究區(qū)的土地利用類(lèi)型主要分布于高程≤1000 m的區(qū)域內(nèi)。高程≤800 m區(qū)域主要土地利用類(lèi)型有耕地、林地、草地、城鎮(zhèn)村及工礦用地，分別占2011年各土地利用類(lèi)型總面積的比例為 32.54%、22.10%、33.11%、67.93%。高程800～1000 m區(qū)域主要土地利用類(lèi)型有耕地、林地、草地、城鎮(zhèn)村及工礦用地、水域及水利設(shè)施用地，分別占2011年各土地利用類(lèi)型總面積比例為48.93%、39.74%、24.50%、29.39%、36.27%。高程 1 000～1200 m區(qū)域主要土地利用類(lèi)型有園地、林地、其他用地，分別占2011年各土地利用類(lèi)型總面積比例為20.65%、22.50%、70.16%。高程1200～1400 m區(qū)域主要土地利用類(lèi)型有園地、林地、草地。高程＞1 400 m區(qū)域主要土地利用類(lèi)型是林地和其他用地。由此可見(jiàn)，耕地主要集中分布在高程≤1 000 m的區(qū)域范圍，隨高程增加而減少，其主要原因是高程低的地區(qū)地理環(huán)境和水土資源條件更有利于人類(lèi)生活和從事各種生產(chǎn)活動(dòng)，從而增大了對(duì)土地的利用強(qiáng)度。林地主要集中分布于高程800～1200 m范圍內(nèi);草地主要集中分布在高程≤1000 m和高程1200～1400 m的范圍內(nèi)。城鎮(zhèn)村及工礦用地分布隨高程增加而減少，主要分布在高程≤1000 m范圍，說(shuō)明隨著高程的增加，地理環(huán)境和氣候等條件都已經(jīng)不利于人類(lèi)的生產(chǎn)活動(dòng)。其他用地主要分布在高程≤1200 m范圍，并隨高程增加而增加。

由表3可知:在高程≤800 m的范圍內(nèi)，耕地、草地、水域及水利設(shè)施用地在不斷減少，而林地、城鎮(zhèn)村及工礦用地和交通運(yùn)輸用地在不斷增加。在800～1000 m和1000～1200 m范圍內(nèi)，基本也呈現(xiàn)這樣的變化趨勢(shì)，但變化的幅度明顯變小，說(shuō)明在低海拔區(qū)域，土地利用類(lèi)型轉(zhuǎn)換比較頻繁，主要是耕地向建設(shè)用地轉(zhuǎn)化，草地轉(zhuǎn)化為林地，其他用地和水域轉(zhuǎn)化為林地。而在高海拔區(qū)域，園地和耕地減少較快，大部分都轉(zhuǎn)化為林地，但相對(duì)于低海拔區(qū)域，土地利用相對(duì)比較穩(wěn)定。低海拔區(qū)域主要分布著耕地、城鎮(zhèn)村及工礦用地，隨著海拔升高，主導(dǎo)土地利用類(lèi)型逐漸被林地取代，特別是經(jīng)過(guò)多年退耕還林政策的實(shí)施和對(duì)生態(tài)建設(shè)的加強(qiáng)，高海拔區(qū)域不適宜耕作的土地已基本轉(zhuǎn)變?yōu)榱值?，因而林地分布面積相對(duì)比較穩(wěn)定。

圖4 特定土地利用類(lèi)型在各高程段中的分布比例Fig.4 Distributions of specific land use types in different elevation ranges

表3 2001—2011年城子鄉(xiāng)各高程段不同土地利用類(lèi)型所占面積變化比例Table 3 Changing percentages of land use types in different elevation ranges in Chengzi Township from 2001 to 2011

3.3 基于坡度的土地利用空間格局的分布及其變化

由圖2和圖5可知:研究區(qū)0°～3°坡度分級(jí)面積最大，占研究區(qū)總面積的33.09%，其次是15°～25°坡度分級(jí)，占研究區(qū)總面積的21.57%，8°～15°坡度分級(jí)，占研究區(qū)總面積的20.86%，＞35°的坡地僅占研究區(qū)總面積的1.46%。耕地、城鎮(zhèn)村及工礦用地和交通用地基本分布在0°～3°以?xún)?nèi)，而該坡度段也正是人類(lèi)活動(dòng)比較集中的區(qū)域，所以與人類(lèi)生產(chǎn)生活密切相關(guān)的土地利用類(lèi)型大多分布在該區(qū)域。草地和其他用地在15°～25°范圍內(nèi)分布最廣，分別達(dá)到31.94%和40.39%;林地在＜25°的坡度范圍內(nèi)，隨著坡度的增加其面積比例也隨之增加，其中在15°～25°坡度段內(nèi)分布最廣，是該坡度范圍內(nèi)分布最多的類(lèi)型。水域及水利設(shè)施用地主要分布在0°～3°以?xún)?nèi)，隨坡度的增加急劇減少。＞35°的坡度范圍內(nèi)，由于坡度較大，受人類(lèi)活動(dòng)干擾影響較小，該區(qū)域內(nèi)土地利用類(lèi)型以林地和草地為主，還有部分耕地，應(yīng)當(dāng)適當(dāng)減少該坡度區(qū)域內(nèi)耕地的面積，退耕還林還牧，防止水土流失，其他土地利用類(lèi)型在該坡度段內(nèi)呈現(xiàn)零星分布。在15°～25°、25°～35、＞35°區(qū)域內(nèi)，各土地利用類(lèi)型面積比例開(kāi)始顯著下降，表明隨著坡度的增加，開(kāi)發(fā)利用程度在降低，且不合理的開(kāi)發(fā)將導(dǎo)致嚴(yán)重的生態(tài)環(huán)境破壞。不同坡度段內(nèi)各土地利用類(lèi)型的面積比例也具有一定的規(guī)律，在各坡度段范圍內(nèi)都有一個(gè)比較有優(yōu)勢(shì)的土地利用類(lèi)型，比如在0°～3°的坡度段內(nèi)，耕地、城鎮(zhèn)村及工礦用地分布比較廣，說(shuō)明其受地形因素影響較大，對(duì)坡度選擇性較高。在＞15°的坡度段內(nèi)，森林分布較為廣泛，體現(xiàn)了退耕還林還牧政策的實(shí)施效應(yīng)。

由表4可以看出:研究期內(nèi)，耕地在各個(gè)坡度級(jí)別中都呈現(xiàn)減少的趨勢(shì)，在0°～3°坡度段內(nèi)，減少的耕地主要轉(zhuǎn)化為建設(shè)用地，在＞15°坡度段內(nèi)，減少的耕地主要轉(zhuǎn)化為林地，主要是響應(yīng)國(guó)家的政策，要求＞15°坡度段耕地進(jìn)行退耕。林地在各個(gè)坡度級(jí)別中都呈現(xiàn)增加的趨勢(shì)，在15°～25°坡度段內(nèi)，增加的速度最快，有退耕的耕地轉(zhuǎn)化為林地，還有部分是園地和草地轉(zhuǎn)化為林地，主要是國(guó)家注重生態(tài)環(huán)境建設(shè)的結(jié)果?；谄露鹊耐恋乩每臻g格局變化的總體趨勢(shì)是隨著坡度的增加，各土地利用類(lèi)型之間的轉(zhuǎn)化幅度有所增加，特別在15°～25°坡度段內(nèi)。在≤15°坡度段內(nèi)，各土地利用類(lèi)型之間的轉(zhuǎn)化頻率較高。

圖5 特定土地利用類(lèi)型在各坡度段的分布比例Fig.5 Distributions of specific land use types in different slope ranges

表4 2001—2011年城子鄉(xiāng)各坡度段中不同土地利用類(lèi)型所占面積變化比例Table 4 Changing percentages of land use types in different slope ranges in Chengzi Township from 2001 to 2011

4 結(jié) 論

a.研究區(qū)土地利用格局的垂直分布與高程和坡度具有相關(guān)性，表現(xiàn)為隨高程的增加，林地變?yōu)橹饕妙?lèi)型，耕地在各高程區(qū)域中的相對(duì)數(shù)量呈現(xiàn)先增加后減少的趨勢(shì)，城鎮(zhèn)村及工礦用地、交通運(yùn)輸用地和水域及水利設(shè)施用地的分布比例逐漸減少，同時(shí)土地利用多樣性降低。耕地、城鎮(zhèn)村及工礦用地和交通運(yùn)輸用地基本分布在0°～3°坡度段內(nèi)，而該坡度段也正是人類(lèi)活動(dòng)比較集中的區(qū)域，所以與人類(lèi)生產(chǎn)生活密切相關(guān)的土地利用類(lèi)型大多分布在該區(qū)域，草地和其他用地在15°～25°范圍內(nèi)分布最廣，林地在在15°～25°坡度段內(nèi)分布最廣，隨著坡度的增加其面積比例呈現(xiàn)出先降低后增加再降低的趨勢(shì)。城鎮(zhèn)村及工礦用地主要分布在≤8°坡度段內(nèi)，說(shuō)明其受地形地貌因素影響較大，對(duì)坡度選擇性較高。

b.地形因素對(duì)研究區(qū)不同土地利用類(lèi)型的轉(zhuǎn)化有顯著影響，不同地形區(qū)域土地利用類(lèi)型的轉(zhuǎn)化存在一定差異，低地形區(qū)域是土地利用空間格局的變化最為活躍的區(qū)域。在高地形區(qū)域，土地利用相對(duì)比較穩(wěn)定。整體而言，林地轉(zhuǎn)化優(yōu)勢(shì)區(qū)間集中于中高地形區(qū)域，轉(zhuǎn)化優(yōu)勢(shì)地位愈顯突出。

c.土地利用空間格局是自然條件限制和人類(lèi)活動(dòng)影響共同作用的結(jié)果，地形是形成研究區(qū)土地利用空間格局的背景性基礎(chǔ)因素，原因在于地形因素通過(guò)影響水熱條件及其他自然資源要素的再分配，進(jìn)而影響著人類(lèi)對(duì)土地資源的利用方式和干擾程度。主要表現(xiàn)為高海拔區(qū)域人類(lèi)對(duì)土地的干擾程度弱，土地利用相對(duì)穩(wěn)定，其多樣性低。而低海拔區(qū)域，因地勢(shì)平緩、交通便利、氣候條件適宜，人類(lèi)對(duì)土地的利用強(qiáng)度明顯增大，土地利用多樣性較高。

d.研究只對(duì)地形因素中高程與坡度如何影響土地利用空間格局分布與變化進(jìn)行研究，今后需要更深層次的研究其他要素如何與地形因素協(xié)同影響土地利用空間變化，以及各種地形因素對(duì)土地利用空間格局分布和變化的系統(tǒng)影響效應(yīng)。

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