喀斯特山地土地利用變化的垂直分布特征*

許爾琪 張紅旗

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喀斯特山地土地利用變化的垂直分布特征*

許爾琪 張紅旗**

(中國(guó)科學(xué)院地理科學(xué)與資源研究所陸地表層格局與模擬重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室 北京 100101)

喀斯特山區(qū)土地利用變化受復(fù)雜地形影響, 以往大尺度研究皆是對(duì)整個(gè)研究區(qū)地形特征進(jìn)行統(tǒng)計(jì), 局部土地利用變化空間特征和差異研究較少。本文以黔桂喀斯特山地為例, 構(gòu)建土地利用動(dòng)態(tài)垂直梯度指數(shù), 刻畫和揭示研究區(qū)土地利用變化的垂直分布特征。結(jié)果表明: 1990—2010年, 喀斯特山地土地利用的凈變化面積較小, 但各土地利用類型的相互轉(zhuǎn)化劇烈。耕地被建設(shè)用地?cái)D占, 林地和草地又被開墾為耕地; 生態(tài)恢復(fù)工程使得林地、草地和水域等明顯增加。增加和減少的耕地在垂直分布上明顯錯(cuò)位, 減少耕地主要分布于低海拔(0~200 m)和緩坡度(0°~5°)區(qū)域, 而增加耕地主要位于高海拔(600~1 400 m)和陡坡(8°~25°)區(qū)域; 增加和減少的林地和草地在分布上相互對(duì)應(yīng), 分別在800~1 400 m和8°~25°出現(xiàn)峰值; 水域和建設(shè)用地的增加多位于低海拔(0~800 m)和緩坡度(0°~5°)區(qū)域。應(yīng)用土地利用動(dòng)態(tài)垂直梯度指數(shù)發(fā)現(xiàn), 盡管2000—2010年研究區(qū)新增建設(shè)用地集中在最低海拔和最緩坡度等級(jí), 但局部范圍內(nèi)新增建設(shè)用地趨近于相對(duì)更高海拔和陡坡區(qū)域分布。有限土地資源使得喀斯特山區(qū)有向高海拔、陡坡區(qū)域進(jìn)行土地利用開發(fā)的趨勢(shì)。土地利用動(dòng)態(tài)垂直梯度指數(shù), 既可進(jìn)一步支撐采用全局統(tǒng)計(jì)分析方法結(jié)論, 也可分析和挖掘土地利用變化垂直分布特征的局部相對(duì)差異。

土地利用變化 海拔分布 坡度分布 垂直梯度指數(shù) 喀斯特山地

人類通過對(duì)與土地有關(guān)的自然資源的利用, 改變地球陸地表面的覆被狀況[1], 以滿足需求、獲得物質(zhì)產(chǎn)品和服務(wù)[2]。隨著工業(yè)化、城市化和經(jīng)濟(jì)的快速發(fā)展, 各種土地利用類型之間的爭(zhēng)奪與沖突日趨激烈。例如, 城市用地、工業(yè)用地占用耕地[3-5], 耕地開墾占用林、草地, 以及大規(guī)模的退耕還林還草[6-7]等等, 各類用地相互競(jìng)爭(zhēng)劇烈。面對(duì)耕地的快速減少, 我國(guó)實(shí)行了最嚴(yán)格的土地用途管制和耕地保護(hù)制度, 其中耕地占補(bǔ)平衡便是其中最為重要的環(huán)節(jié)[8]。然而, 耕地“占補(bǔ)”平衡往往更多地體現(xiàn)的是一種耕地?cái)?shù)量上的平衡, 而非質(zhì)量上的平衡, 現(xiàn)實(shí)中出現(xiàn)以質(zhì)量差的山區(qū)耕地“置換”平地的基本農(nóng)田等現(xiàn)象[8]。在山區(qū), 其特殊地理結(jié)構(gòu)和土地資源條件, 使得耕地后備資源不足, 土地開發(fā)整理標(biāo)準(zhǔn)要求高, 占補(bǔ)平衡形勢(shì)不容樂觀[9], 尤其耕地在垂直分布上的變化, 將很大程度影響耕地在“質(zhì)”的平衡。山區(qū)地表起伏大, 復(fù)雜的地形特征影響著土地利用的方向與方式, 對(duì)土地利用/覆被有顯著影響[10], 同時(shí), 土地利用在垂直分布上的差異又將影響用地本身的質(zhì)量和利用方向。因此, 分析土地利用隨地形梯度的變化, 能夠揭示土地利用變化的規(guī)律性, 有助于科學(xué)地進(jìn)行區(qū)域土地利用規(guī)劃與結(jié)構(gòu)調(diào)整。

以往研究表明, 隨著海拔、坡度及坡向等相關(guān)地形因子的變化, 不同土地利用類型的變化趨勢(shì)表現(xiàn)出不同變化特征[11-17]。而在我國(guó)的喀斯特山區(qū), 有限的土地資源和密集的人口, 使得用地競(jìng)爭(zhēng)和矛盾更為突出[18], 但目前關(guān)于喀斯特山區(qū)土地利用變化的垂直分布特征尚缺乏大尺度研究。以往研究中, 皆是對(duì)各地形因子進(jìn)行分級(jí)統(tǒng)計(jì), 以分析包括農(nóng)牧交錯(cuò)區(qū)、喀斯特山區(qū)、太行山區(qū)和黃土丘陵區(qū)等區(qū)域土地利用的變化趨勢(shì)和垂直分布特征[11-17], 部分學(xué)者引入地形位指數(shù)和分布指數(shù)來描述地形差異[19-25], 而山區(qū)地形起伏大, 局部區(qū)域的地形差異明顯, 進(jìn)行統(tǒng)一的分級(jí)統(tǒng)計(jì)會(huì)忽略了局部土地利用變化的空間信息。有鑒于此, 本研究以黔桂喀斯特山地為例, 在分析1990—2010年土地利用變化總體特征的基礎(chǔ)上, 以縣域?yàn)閱挝? 構(gòu)建土地利用動(dòng)態(tài)垂直梯度指數(shù), 探討土地利用變化在地形梯度上的空間分布差異。

1 研究方法

1.1 研究區(qū)概況

本文選取的黔桂喀斯特山地范圍,主要參考中國(guó)國(guó)家自然地圖集[26]中的華南喀斯特地形圖及亞洲喀斯特地形分布圖。研究區(qū)位于42°15′~44°55′N、80°5′~84°5′E之間(圖1), 面積21.41萬km2。該區(qū)海拔范圍為0~2 848 m, 自西北向東南逐漸降低; 地貌類型以中小山地為主, 從中山丘陵逐步過渡到低山盆地; 植被類型以亞熱帶落葉林、闊葉林和混交林為主, 并有部分熱帶雨林和高山植被類型; 土壤類型以石灰土、黃壤和紅壤為主, 其余類型土壤零星分布。行政區(qū)劃主要包括貴州省中南部和廣西省中西部。

1.2 數(shù)據(jù)來源

土地利用矢量數(shù)據(jù)(1990年、2000年和2010年, 圖2)來自中國(guó)科學(xué)院資源環(huán)境科學(xué)數(shù)據(jù)中心, 包括6個(gè)一級(jí)類: 耕地、林地、草地、水域、城鄉(xiāng)工礦及居民用地(以下統(tǒng)稱建設(shè)用地)和未利用地(研究區(qū)為裸巖)等, 該數(shù)據(jù)為矢量數(shù)據(jù)格式, 一級(jí)土地利用分類綜合評(píng)價(jià)精度達(dá)到94.3%以上, 滿足1︰10萬比例尺用戶制圖精度; 應(yīng)用地形分析工具(Arcgis 10.1)和數(shù)字高程模型GDEM數(shù)據(jù)(來自地理空間數(shù)據(jù)云http://www.gscloud.cn/), 本研究提取了研究區(qū)的海拔和坡度分布圖, 以作后續(xù)分析。

1.3 研究方法

1.3.1 土地利用類型動(dòng)態(tài)度

土地利用類型動(dòng)態(tài)度是指研究區(qū)一定時(shí)間范圍內(nèi), 某一土地利用類型數(shù)量變化的速率, 其公式[27]如下:

式中:為研究時(shí)段內(nèi)某一土地利用類型動(dòng)態(tài)度, 本文表示為土地利用的年變化率;a和b分別為研究初期及末期某一土地利用類型的數(shù)量;為研究時(shí)長(zhǎng)。

1.3.2 地形分級(jí)依據(jù)與劃分

根據(jù)研究區(qū)的海拔分布特征, 以200 m為1個(gè)等級(jí), 從低到高, 本文共設(shè)置10個(gè)海拔分級(jí); 坡度則是按照水土保持綜合治理規(guī)劃通則(GB/T15772—1995), 劃分為6個(gè)坡度分級(jí), 依次為微坡、較緩坡、緩坡、較陡坡、陡坡和急陡坡(表1)。

1.3.3 土地利用動(dòng)態(tài)垂直(海拔和坡度)梯度指數(shù)

土地利用變化的垂直分布差異, 受限于該區(qū)域所處的位置, 是在一定的海拔或者坡度范圍內(nèi)發(fā)生變化, 例如, 位于高山地區(qū)地勢(shì)較低的耕地, 其海拔仍高于位于丘陵地區(qū)地勢(shì)較高的耕地; 若進(jìn)行全區(qū)的統(tǒng)計(jì), 按照2.3.2進(jìn)行統(tǒng)一的海拔分級(jí), 則不同地區(qū)耕地變化的相對(duì)差異被掩蓋, 難以揭示。因此, 本研究以縣域各土地利用類型的平均海拔(坡度)作為參考, 進(jìn)行標(biāo)準(zhǔn)化計(jì)算, 表征研究時(shí)段內(nèi)某一類型土地利用變化區(qū)域所在海拔(坡度)相對(duì)于該時(shí)段初期對(duì)應(yīng)類型土地利用的平均海拔(坡度)的高低, 通過該指數(shù)可分析土地利用變化垂直分布在空間上的相對(duì)差異。其計(jì)算公式如下:

(3)

表1 黔桂喀斯特山地海拔和坡度分級(jí)

2 結(jié)果與分析

2.1 土地利用變化的總體特征

1990—2010年, 黔桂喀斯特山地土地利用結(jié)構(gòu)以林地面積最大, 比重超過50%; 耕地、草地、建設(shè)用地和水域面積分列2到5位; 未利用地面積很小, 比重僅為0.01%(表2)。20年間, 研究區(qū)各土地利用數(shù)量?jī)糇兓鄬?duì)較小, 年均變化率最大值也沒有超過1%, 且1990—2000年土地利用變化幅度小于2000—2010年時(shí)段。其中, 水域和建設(shè)用地的變化率最高, 兩個(gè)時(shí)段的增加速度分別是0.384%和0.797%, 以及0.651%和0.899%, 凈增加量分別為1.96萬hm2和4.39萬hm2; 耕地在兩個(gè)時(shí)段均呈現(xiàn)減少的趨勢(shì), 分別減少了0.22萬hm2和2.42萬hm2, 第2時(shí)段減少速率(0.043%)遠(yuǎn)高于第一時(shí)段的減少速率(0.004%); 林地呈現(xiàn)先減少后增加的趨勢(shì), 20年來面積略有增加, 凈增加了6.00萬hm2; 草地則呈現(xiàn)持續(xù)下降的趨勢(shì), 凈減少了9.70萬hm2。

表2 1990年、2000年和2010年黔桂喀斯特山地土地利用動(dòng)態(tài)變化

研究區(qū)各土地利用類型的相互轉(zhuǎn)化劇烈(圖3a, b),如1990—2000年耕地減少和增加量分別為2.22萬hm2和2.44萬hm2, 2000—2010年則分別為6.27萬hm2和3.85萬hm2, 變化面積遠(yuǎn)高于土地利用凈變化面積(0.22萬hm2和2.42萬hm2)。1990—2000年, 耕地、林地和草地的相互轉(zhuǎn)化面積較大, 建設(shè)用地?cái)U(kuò)張和水域變化面積在數(shù)量級(jí)上明顯低于上述3類用地。耕地增加主要來自林地, 其次來源為草地, 林地和草地轉(zhuǎn)為耕地面積分別是1.45萬hm2和0.70萬hm2, 分別占耕地轉(zhuǎn)入總面積的65.24%和31.53%, 毀林開荒的現(xiàn)象依然頻繁, 而減少的耕地主要是建設(shè)用地?cái)U(kuò)張所占, 占耕地轉(zhuǎn)出總面積的65.76%; 林地變化面積最大, 林草相互轉(zhuǎn)化最為頻繁, 林地轉(zhuǎn)為草地和草地轉(zhuǎn)為林地的面積分別為3.76萬hm2和3.56萬hm2; 水域增加來源主要來自耕地和林地, 收縮的面積很小。

2000—2010年, 耕地、林地和草地轉(zhuǎn)化仍然比較劇烈, 草地的變化面積最大; 耕地增加源主要來自草地, 其次是林地, 分別為2.75萬hm2和1.06萬hm2, 林地與草地轉(zhuǎn)變?yōu)楦刂饕怯捎谕恋亻_發(fā)整治; 雖然建設(shè)用地的增加仍然主要來自耕地占用, 但耕地減少的主要量由建設(shè)用地轉(zhuǎn)為林地, 耕地轉(zhuǎn)為林地的面積為3.54萬hm2, 占耕地轉(zhuǎn)出總面積的56.4%, 凸顯退耕還林政策實(shí)施的效果; 草地轉(zhuǎn)為林地, 面積達(dá)到了8.99萬hm2, 遠(yuǎn)高于其余類型的用地轉(zhuǎn)化; 水域增加主要來自耕地和林地。

研究區(qū)耕地減少, 主要是建設(shè)用地?cái)U(kuò)張及退耕還林還草工程實(shí)施效果, 但占補(bǔ)平衡政策又使得大量新耕地被開墾, 總體上20年間耕地略有下降; 建設(shè)用地則是急劇增加, 以滿足人口的增加以及城市化和經(jīng)濟(jì)的快速發(fā)展的需要; 同時(shí), 珠(長(zhǎng))江防護(hù)林、天然林保護(hù)、退耕還林、自然保護(hù)區(qū)建設(shè)、濕地保護(hù)與恢復(fù)、石漠化綜合治理等生態(tài)工程項(xiàng)目, 使得林地、草地和水域等具有重要生態(tài)作用的土地利用類型明顯增加。

2.2 土地利用變化總體垂直分布特征

應(yīng)用GIS的空間分析技術(shù), 疊置地形因子和土地利用圖, 分析兩個(gè)時(shí)段土地利用在海拔和坡度的變化規(guī)律(圖4和圖5)。1990—2000年, 土地利用的增加和減少區(qū)域在海拔分布上存在錯(cuò)位(圖4)。在0~200 m海拔區(qū)間, 耕地減少面積遠(yuǎn)大于增加面積, 分別是1.59萬hm2和0.55萬hm2; 而200~1 400 m區(qū)間, 耕地增加面積多于減少面積, 分別是0.82萬hm2和1.61萬hm2; 林地增加面積主要在0~600 m, 達(dá)到3.55萬hm2, 占增加總面積近60%, 減少面積主要在800~ 1 400 m, 超過減少總面積50%; 相反, 草地減少面積主要集中在0~600 m, 增加面積主要在800~1 400 m;水域和建設(shè)用地增加集中在低海拔地區(qū)。2000—2010年, 各用地增加和減少區(qū)域在海拔分布一致性有明顯增強(qiáng)(圖4); 只有耕地在0~200 m海拔的減少面積仍然遠(yuǎn)大于增加面積, 分別是1.50萬hm2和0.10萬hm2, 減少耕地在0~200 m出現(xiàn)第1個(gè)峰值, 800~1 400 m耕地增加和減少面積也出現(xiàn)峰值; 草地和林地在800~1 400 m出現(xiàn)峰值, 垂直分布呈現(xiàn)相對(duì)應(yīng)特征; 增加和減少水域集中分布在0~800 m區(qū)間, 各占變化面積的86.78%和90.65%; 建設(shè)用地增加集中在0~200 m的低海拔地區(qū)。

1990—2000年, 耕地增加和減少的用地在坡度分布上也出現(xiàn)錯(cuò)位, 0°~5°耕地減少面積遠(yuǎn)大于增加面積, 分別是1.63萬hm2和0.69萬hm2, 而8°~25°耕地增加面積多于減少面積, 分別是0.81萬hm2和1.51萬hm2; 其余用地在坡度分布一致性較強(qiáng)(圖5); 林地和草地在8°~25°出現(xiàn)變化峰值, 該區(qū)間面積皆超過各自變化總面積的50%; 水域和建設(shè)用地變化集中在0°~5°的低坡度地區(qū), 水域增加、水域減少和建設(shè)用地增加在0°~5°區(qū)域的面積占各自變化總面積分別達(dá)55.13%、42.50%和70.32%。2000—2010年, 耕地0°~5°耕地減少面積仍遠(yuǎn)大于增加面積, 分別是1.88萬hm2和0.81萬hm2, 且減少面積在其余區(qū)間也略高于增加面積; 該時(shí)段, 其余用地變化的坡度分布特征與1990—2000年類似(圖5)。

綜上所述, 喀斯特山區(qū)耕地增加和減少區(qū)域在垂直分布出現(xiàn)一定程度錯(cuò)位, 減少耕地主要是城市周邊低海拔和緩坡度水田區(qū)域, 而增加耕地主要以高海拔和陡坡的旱地為主, 在占補(bǔ)平衡政策實(shí)施下, 盡管耕地總量略有減少, 但是新增的耕地質(zhì)量遠(yuǎn)低于減少的耕地質(zhì)量; 林地和草地相互轉(zhuǎn)化頻繁, 增加和減少的面積在海拔和坡度的垂直分布呈現(xiàn)相對(duì)應(yīng)特征; 水域和建設(shè)用地的增加趨近于低海拔和地形平坦區(qū)域。

2.3 土地利用動(dòng)態(tài)垂直梯度指數(shù)分析

為進(jìn)一步挖掘喀斯特山地土地利用變化在局部范圍的垂直分布差異, 根據(jù)公式(2)和(3), 本文計(jì)算每一土地利用類型的土地利用動(dòng)態(tài)垂直梯度指數(shù)(包括海拔指數(shù)和坡度指數(shù))。考慮到土地利用變化量相對(duì)于區(qū)域的總面積仍然較小, 影響顯示的效果, 本文最終計(jì)算縣域單元內(nèi)的海拔(坡度)梯度指數(shù)平均值, 且由于篇幅所限, 本文僅展示2000—2010年時(shí)段建設(shè)用地增加的海拔和坡度梯度指數(shù)作為示例(圖6)。有接近一半縣的海拔梯度指數(shù)大于1, 主要分布在貴州北部的遵義, 西部的六盤水、黔西南地區(qū), 以及廣西的百色和河池地區(qū); 更有超過2/3縣的坡度梯度指數(shù)大于1, 主要分布貴州的大部和廣西的柳州, 來賓和百色地區(qū)。可見, 盡管研究區(qū)新增建設(shè)用地集中在最低海拔和最緩坡度等級(jí)區(qū)間(0~200 m和0°~5°)(圖4, 5), 但是, 局部范圍內(nèi)新增建設(shè)用地趨近于相對(duì)更高海拔和陡坡區(qū)域分布?？梢? 研究區(qū)可有效利用的土地資源有限, 城鎮(zhèn)人口規(guī)模快速增長(zhǎng), 用地規(guī)模急劇擴(kuò)張, 人地矛盾突顯, 一些城鎮(zhèn)出現(xiàn)“上山建城”的現(xiàn)象。

表3分別統(tǒng)計(jì)了各類土地利用變化垂直梯度指數(shù)的平均值。耕地減少的海拔和坡度梯度指數(shù)(1990—2000年)分別是0.90和0.91, 耕地的減少趨近于低海拔、緩坡區(qū)域分布, 但是坡度梯度指數(shù)(2000—2010年)高達(dá)1.24, 表明該時(shí)段耕地的減少趨近于坡度相對(duì)較大區(qū)域; 耕地增加的數(shù)值皆大于1, 尤其是坡度梯度指數(shù), 分別達(dá)到1.32和1.40, 明顯高于1, 表明大量陡坡土地仍被進(jìn)行開發(fā)和利用。林地增加的數(shù)值基本在1左右, 而林地減少的數(shù)值在0.9左右, 表明相對(duì)地勢(shì)低、緩坡的林地資源容易被開發(fā)為其他用地。草地減少數(shù)值在1左右, 而增加的數(shù)值除海拔梯度指數(shù)(2000—2010年)小于1外, 其余都大于1, 可見, 新增草地多趨于相對(duì)更高海拔和陡坡區(qū)域。除水域增加的海拔梯度指數(shù)(1990—2000年)為0.97, 其余皆大于1, 尤其是坡度梯度指數(shù), 遠(yuǎn)大于1, 表明水域變化也趨近于相對(duì)更高海拔和陡坡區(qū)域。建設(shè)用地1900—2000年增加多區(qū)域在海拔相對(duì)較低、坡度較大的位置(海拔和坡度梯度指數(shù)分別為0.92和1.19)。

3 討論與建議

本文提出并計(jì)算土地利用動(dòng)態(tài)垂直梯度指數(shù), 其大小能夠直觀展示各行政單元土地利用變化在局部的分布差異和趨勢(shì)的強(qiáng)弱(圖6), 可進(jìn)一步支撐采用全局統(tǒng)計(jì)分析方法的結(jié)論(圖4和5), 同時(shí), 也可分析土地利用變化垂直分布特征在局部的相對(duì)差異。如耕地減少和增加在垂直分布特征上得出的結(jié)論基本一致, 除2000—2010年的坡度減少趨于陡坡區(qū)域分布外(圖5, 表3), 其余減少耕地主要位于低海拔和緩坡度區(qū)域, 而增加耕地主要以高海拔和陡坡為主, 常規(guī)方法能夠發(fā)現(xiàn)減少和增加的耕地在總體垂直分布的錯(cuò)位, 垂直梯度指數(shù)則可展示土地利用變化垂直分布的相對(duì)差異, 且其均值也能快速判斷變化的耕地在垂直分布上變化的強(qiáng)弱, 如耕地增加的坡度梯度指數(shù)遠(yuǎn)高于1, 表明研究區(qū)陡坡開荒現(xiàn)象大量存在。

表3 1990—2000年和2000—2010年黔桂喀斯特山地土地利用動(dòng)態(tài)垂直梯度指數(shù)平均值

同時(shí), 垂直梯度指數(shù)能夠挖掘常規(guī)方法所沒有發(fā)現(xiàn)的規(guī)律, 如采用常規(guī)研究方法, 結(jié)果都表明建設(shè)用地的增加和水域的變化主要發(fā)生在低海拔和緩坡區(qū)域(圖4, 5); 然而, 采用土地利用動(dòng)態(tài)垂直梯度指數(shù)發(fā)現(xiàn), 2000—2010年的城鎮(zhèn)擴(kuò)張和水域變化都有向相對(duì)高海拔、陡坡區(qū)域分布的趨勢(shì)(表3)?？梢? 本研究方法所刻畫和挖掘土地利用垂直分布的局部相對(duì)變化特征, 部分容易被全局統(tǒng)計(jì)分析方法所忽略。當(dāng)然, 該方法的適用性和相關(guān)結(jié)論還需要進(jìn)一步的討論和驗(yàn)證。

因此, 采用傳統(tǒng)的全局統(tǒng)計(jì)方法和本文提出的地形垂直梯度指數(shù)方法, 可分別從全局范圍和局部差異等兩個(gè)角度來揭示土地利用的垂直分布特征。本文結(jié)果表明, 20年來, 喀斯特山地不同類型土地利用之間相互轉(zhuǎn)化劇烈, 耕地被建設(shè)用地?cái)D占, 林地和草地又被開墾為耕地; 生態(tài)恢復(fù)工程使得林地、草地和水域等明顯增加。研究區(qū)在城鎮(zhèn)化發(fā)展、糧食安全和生態(tài)保護(hù)等多重需求和矛盾下, 人地矛盾依然尖銳, 亟須從總體上進(jìn)行用地調(diào)控和協(xié)調(diào)。在有限的土地資源條件下, 本文建議應(yīng)著力于提高土地利用效率, 從垂直分布上進(jìn)行土地利用的空間優(yōu)化和調(diào)控。尤其是部分趨近于更高海拔、陡坡區(qū)域土地資源開發(fā)較高的縣(市), 考慮到新增的耕地質(zhì)量遠(yuǎn)低于減少的耕地質(zhì)量, 研究區(qū)須進(jìn)一步嚴(yán)格保護(hù)相對(duì)優(yōu)質(zhì)的耕地資源, 對(duì)部分不適宜耕作的坡耕地繼續(xù)推行退耕還林還草政策。建設(shè)用地方面, 20年來研究區(qū)建設(shè)規(guī)模急劇擴(kuò)張, 一些城鎮(zhèn)向相對(duì)高海拔和陡坡區(qū)域擴(kuò)張, 然而, 山區(qū)脆弱的生態(tài)環(huán)境、資源環(huán)境承載能力有限, 使得城鎮(zhèn)化不宜大規(guī)模展開, 應(yīng)以中小城市為主, 以小城鎮(zhèn)體系建設(shè)為重點(diǎn), 須防止過度聚集, 改善山區(qū)城鎮(zhèn)建成區(qū)低水平的蔓延, 在城鎮(zhèn)化進(jìn)程中提高建設(shè)用地利用效率, 提高建設(shè)用地質(zhì)量[28]。

4 結(jié)論

本文應(yīng)用GIS空間分析技術(shù), 構(gòu)建土地利用動(dòng)態(tài)垂直梯度指數(shù), 刻畫和分析黔桂喀斯特山地土地利用變化的垂直分布特征, 結(jié)果表明:

1)1990—2010年, 研究區(qū)土地利用變化的凈面積總體較小, 但各類型土地利用的相互轉(zhuǎn)化頻繁, 耕地、林地和草地轉(zhuǎn)化最為劇烈。其中, 林地變化面積最大, 前10年總體減少, 后10年顯著增加; 耕地前10年增加和減少量相當(dāng), 后10年減少幅度較大; 草地均呈減少趨勢(shì); 水域和建設(shè)用地則明顯擴(kuò)大。人地矛盾依然尖銳, 建設(shè)用地急劇增加并占用大量耕地, 林地和草地則被新開墾為耕地, 同時(shí), 生態(tài)恢復(fù)工程使得林地、草地和水域等明顯增加。

2)耕地增加和減少區(qū)域在垂直分布出現(xiàn)明顯錯(cuò)位, 減少耕地主要位于低海拔(0~200 m)和緩坡度(0°~5°)區(qū)域, 而增加耕地主要以高海拔(600~1 400 m)和陡坡(8°~25°)為主; 林地和草地相互轉(zhuǎn)化頻繁, 林地增加和草地減少, 及林地減少和草地增加在垂直分布特征呈現(xiàn)相對(duì)一致, 分別在800~1 400 m和8°~ 25°出現(xiàn)峰值; 水域和建設(shè)用地的增加主要發(fā)生在低海拔(0~800 m)和緩坡(0°~5°)區(qū)域。

3)本文構(gòu)建土地利用動(dòng)態(tài)垂直梯度指數(shù), 深入挖掘局部區(qū)域土地利用變化的垂直分布特征。結(jié)果發(fā)現(xiàn), 1990—2000年, 研究區(qū)耕地的減少趨近于相對(duì)地勢(shì)低、緩坡的地區(qū), 2000—2010年, 減少的耕地趨近于相對(duì)較陡的區(qū)域分布; 1990—2000年耕地增加、草地增加、水域變化、建設(shè)用地的增加趨近于高海拔、陡坡分布; 20年間, 林地的減少趨近于相對(duì)地勢(shì)低、緩坡的地區(qū)。研究區(qū)可有效利用的土地資源有限, 有向高海拔、陡坡區(qū)域進(jìn)行城鎮(zhèn)擴(kuò)張和耕地開墾的趨勢(shì)。

References

[1] 李秀彬. 全球環(huán)境變化研究的核心領(lǐng)域——土地利用/土地覆被變化的國(guó)際研究動(dòng)向[J]. 地理學(xué)報(bào), 1996, 51(6): 553–558 Li X B. A review of the international researches on land use/land cover change[J]. Acta Geographica Sinica, 1996, 51(6): 553–558

[2] Vitousek P M, Mooney H A, Lubchenco J, et al. Human domination of earth’s ecosystems[J]. Science, 1997, 277(5325): 494–499

[3] 黃季焜, 朱莉芬, 鄧祥征. 中國(guó)建設(shè)用地?cái)U(kuò)張的區(qū)域差異及其影響因素[J]. 中國(guó)科學(xué): D輯, 2007, 37(9): 1235–1241 Huang J K, Zhu L F, Deng X Z. Regional differences and determinants of built-up area expansion in China[J]. Science in China Series D: Earth Sciences, 2007, 37(9): 1235–1241

[4] 傅澤強(qiáng), 蔡運(yùn)龍, 楊友孝, 等. 中國(guó)糧食安全與耕地資源變化的相關(guān)分析[J]. 自然資源學(xué)報(bào), 2001, 16(4): 313–319 Fu Z Q, Cai Y L, Yang Y X, et al. Research on the relationship of cultivated land change and food security in China[J]. Journal of Natural Resource, 2001, 16(4): 313–319

[5] 談明洪, 呂昌河. 城市用地?cái)U(kuò)展與耕地保護(hù)[J]. 自然資源學(xué)報(bào), 2005, 20(1): 52–58 Tan M H, Lü C H. Urban land expansion and farmland loss in China[J]. Journal of Natural Resource, 2005, 20(1): 52–58

[6] 劉誠(chéng), 劉俊昌. 我國(guó)退耕還林政策的實(shí)施對(duì)糧食安全的影響[J]. 北京林業(yè)大學(xué)學(xué)報(bào): 社會(huì)科學(xué)版, 2007, 6(4): 42–47 Liu C, Liu J C. Influences of grain for green project on food security in China[J]. Journal of Beijing Forestry University: Social Sciences, 2007, 6(4): 42–47

[7] 雷玉桃, 謝建春, 王雅鵬. 退耕還林與糧食安全協(xié)調(diào)機(jī)制淺析[J]. 農(nóng)業(yè)現(xiàn)代化研究, 2003, 24(3): 222–224 Lei Y T, Xie J C, Wang Y P. Research on harmonious mechanism of reforestation and food security[J]. Research of Agricultural Modernization, 2003, 24(3): 222–224

[8] 王世忠, 胡文霞, 劉衛(wèi)東. 我國(guó)耕地占補(bǔ)平衡制度的研究[J].農(nóng)機(jī)化研究, 2007(8): 13–16 Wang S Z, Hu W X, Liu W D. Review on Chinese balance system of farmland in occupation and supplement[J]. Journal of Agricultural Mechanization Research, 2007(8): 13–16

[9] 何騰兵, 金蕾, 鄧冬冬. 喀斯特山區(qū)縣域耕地占補(bǔ)平衡預(yù)警[J]. 農(nóng)業(yè)工程學(xué)報(bào), 2012, 28(1): 238–243 He T B, Jin L, Deng D D. Early warning of cultivated land requisition-compensation balance in Karst mountainous county area[J]. Transactions of the CSAE, 2012, 28(1): 238–243

[10] 李丹, 劉丹丹, 趙金祥. 基于DEM的山區(qū)土地利用變化分析[J]. 水土保持研究, 2014, 21(1): 66–70 Li D, Liu D D, Zhao J X. Analysis of land use change in mountain area based on DEM[J]. Research of Soil and Water Conservation, 2014, 21(1): 66–70

[11] 李飛, 張樹文, 楊久春, 等. 北方農(nóng)牧交錯(cuò)帶農(nóng)村居民點(diǎn)分布特征及其對(duì)土地利用的影響——以科爾沁左翼中旗為例[J].地理科學(xué), 2015, 35(3): 328–333 Li F, Zhang S W, Yang J C, et al. Spatial distribution of rural settlements in farming-pastoral zone of northern China and its impact on land use pattern: A case study of Korqin Left Wing Middle Banner[J]. Scientia Geographica Sinica, 2015, 35(3): 328–333

[12] 陳丹, 周啟剛, 何昌華, 等. 重慶山地都市區(qū)1985—2010年土地利用變化地形特征分異研究[J]. 水土保持研究, 2013, 20(5): 210–215 Chen D, Zhou Q G, He C H, et al. Research on the differentiation of land use terrain feature from 1985 to 2010 in Chongqing Mountainous Metropolitan Area[J]. Research of Soil and Water Conservation, 2013, 20(5): 210–215

[13] 張躍紅, 安裕倫, 馬良瑞, 等. 1960—2010年貴州省喀斯特山區(qū)陡坡土地利用變化[J]. 地理科學(xué)進(jìn)展, 2012, 31(7): 878–884 Zhang Y H, An Y L, Ma L R, et al. Land use change of slope land in karst mountainous regions, Guizhou Province during 1960–2010[J]. Progress in Geography, 2012, 31(7): 878–884

[14] 哈凱, 丁慶龍, 門明新, 等. 山地丘陵區(qū)土地利用分布及其與地形因子關(guān)系——以河北省懷來縣為例[J]. 地理研究, 2015, 34(5): 909–921 Ha K, Ding Q L, Men M X, et al. Spatial distribution of land use and its relationship with terrain factors in hilly area[J]. Geographical Research, 2015, 34(5): 909–921

[15] 羅婭, 楊勝天, 劉曉燕, 等. 黃河河口鎮(zhèn)—潼關(guān)區(qū)間1998–2010年土地利用變化特征[J]. 地理學(xué)報(bào), 2014, 69(1): 42–53 Luo Y, Yang S T, Liu X Y, et al. Land use change in the reach from Hekouzhen to Tongguan of the Yellow River during 1998–2010[J]. Acta Geographica Sinica, 2014, 69(1): 42–53

[16] 擺萬奇, 姚麗娜, 張鐿鋰, 等. 近35 a西藏拉薩河流域耕地時(shí)空變化趨勢(shì)[J]. 自然資源學(xué)報(bào), 2014, 29(4): 623–632 Bai W Q, Yao L N, Zhang Y L, et al. Spatial-temporal dynamics of cultivated land in recent 35 years in the Lhasa River Basin of Tibet[J]. Journal of Natural Resource, 2014, 29(4): 623–632

[17] 韓建平, 賈寧鳳. 土地利用與地形因子關(guān)系研究——以磚窯溝流域?yàn)槔齕J]. 中國(guó)生態(tài)農(nóng)業(yè)學(xué)報(bào), 2010, 18(5): 1071?1075 Han J P, Jia N F. Relationship between topographic factor and land use — A case study of Zhuanyaogou watershed[J]. Chinese Journal of Eco-Agriculture, 2010, 18(5): 1071?1075

[18] 張惠遠(yuǎn), 趙昕奕, 蔡運(yùn)龍, 等. 喀斯特山區(qū)土地利用變化的人類驅(qū)動(dòng)機(jī)制研究——以貴州省為例[J]. 地理研究, 1999, 18(2): 136–142 Zhang H Y, Zhao X Y, Cai Y L, et al. The driving mechanism of human forces to the land-use change in the Karst Mountain area — The case study of Guizhou Province[J]. Geographical Research, 1999, 18(2): 136–142

[19] 喻紅, 曾輝, 江子瀛. 快速城市化地區(qū)景觀組分在地形梯度上的分布特征研究[J]. 地理科學(xué), 2001, 21(1): 64–69 Yu H, Zeng H, Jiang Z Y. Study on distribution characteristics of landscape elements along the terrain gradient[J]. Scientia Geographica Sinica, 2001, 21(1): 64–69

[20] 斯鈞浪, 齊偉, 曲衍波, 等. 膠東山區(qū)縣域土地利用在地形梯度上的分布特征[J]. 應(yīng)用生態(tài)學(xué)報(bào), 2009, 20(3): 679–685 Si J L, Qi W, Qu Y B, et al. Distribution characteristics of land use pattern on terrain gradient in Jiaodong Mountainous areas at county level[J]. Chinese Journal of Applied Ecology, 2009, 20(3): 679–685

[21] 鐘德燕, 常慶瑞, 宋豐驥. 黃土丘陵溝壑區(qū)土地利用空間分布與地形因子關(guān)系研究[J]. 干旱區(qū)資源與環(huán)境, 2012, 26(6): 102–107 Zhong D Y, Chang Q R, Song F J. Relationship between terrain factors and spatial distribution of land use in loess hilly and gully area[J]. Journal of Arid Land Resources and Environment, 2012, 26(6): 102–107

[22] 梁發(fā)超, 劉黎明. 基于地形梯度的土地利用類型分布特征分析——以湖南省瀏陽市為例[J]. 資源科學(xué), 2010, 32(11): 2138–2144 Liang F C, Liu L M. Analysis on distribution characteristics of land use types based on terrain gradient: A case of Liuyang City in Hunan Province[J]. Resources Science, 2010, 32(11): 2138–2144

[23] 毛學(xué)森, Jakeman T, Dietrich C. RS與GIS支持下的土地利用及植被覆蓋變化研究[J]. 中國(guó)生態(tài)農(nóng)業(yè)學(xué)報(bào), 2001, 9(4): 52–53 Mao X S, Jakeman T, Dietrich C. Study on changes of land use and land cover based on RS and GIS technology[J]. Chinese Journal of Eco-Agriculture, 2001, 9(4): 52–53

[24] 許寧, 張廣錄, 劉紫玉. 基于地形梯度的河北省太行山區(qū)土地利用時(shí)空變異研究[J]. 中國(guó)生態(tài)農(nóng)業(yè)學(xué)報(bào), 2013, 21(10): 1284–1292 Xu N, Zhang G L, Liu Z Y. Spatial-temporal variability of land use with terrain gradient in Taihang Mountain, Hebei Province[J]. Chinese Journal of Eco-Agriculture, 2013, 21(10): 1284–1292

[25] 田超, 楊金澤, 石博安, 等. 懷來縣土地利用格局的影響因子分析[J]. 中國(guó)生態(tài)農(nóng)業(yè)學(xué)報(bào), 2016, 24(7): 957–968 Tian C, Yang J Z, Shi B A, et al. Analysis of landscape pattern and affecting factors in Huailai County[J]. Chinese Journal of Eco-Agriculture, 2016, 24(7): 957–968

[26] 中華人民共和國(guó)國(guó)家地圖集編纂委員會(huì). 中華人民共和國(guó)國(guó)家自然地圖集[M]. 北京: 中國(guó)地圖出版社, 1999 The National Atlas Compilation Committee of the People’s Republic of China. National Natural Atlas of the People’s Republic of China[M]. Beijing: China Atlas Press, 1999

[27] 王秀蘭, 包玉海. 土地利用動(dòng)態(tài)變化研究方法探討[J]. 地理科學(xué)進(jìn)展, 1999, 18(1): 81–87 Wang X L, Bao Y H. Study on the methods of land use dynamic change research[J]. Progress in Geography, 1999, 18(1): 81–87

[28] 鄧偉, 唐偉. 試論中國(guó)山區(qū)城鎮(zhèn)化方向選擇及對(duì)策[J]. 山地學(xué)報(bào), 2013, 31(2): 168–173 Deng W, Tang W. General directions and countermeasures for urbanization development in mountain areas of China[J]. Journal of Mountain Science, 2013, 31(2): 168–173

Vertical distribution of land use in karst mountainous region*

XU Erqi, ZHANG Hongqi**

(Key Laboratory of Land Surface Pattern and Simulation, Institute of Geographic Sciences and Natural Resources Research, Chinese Academy of Sciences, Beijing 100101, China)

Complex terrain features affect the land use in the karst mountain regions. Vertical changes of land uses impact on their total qualities and utilization efficiencies. Characterizing the vertical distribution of land use change can guide the land use spatial management and optimization. The conventional methods were used to analyze the vertical distribution of the land use change for the entire study area in the large-scale analysis of previous studies, which may ignore the locally spatial information and discrimination. Taking the Guizhou and Guangxi karst mountainous region as the study area, the newly vertical gradient index of land use change, including the elevation gradient index and slope gradient index, were built and used to characterize and analyze the locally vertical distribution of land use change in the typical karst mountain. Results showed a relatively small net area of land use change, but a violently mutual conversion of various land use types in the study area from 1990 to 2010. Considerable arable lands were occupied by the expanded built-up lands, and the forests and grasslands were reclaimed to the arable land. Meanwhile, the forest, grassland and water body increased significantly because of the ecological restoration project. The conversion between the arable land, forest and grassland was the most intense. It showed a significant mismatch of the vertical distribution for the increased and decreased arable land. Decreased arable lands were primarily located in the region with the low altitude (0-200 m) and gentle slope (0°-5°). In contrast, the increased arable lands were primarily located in the area with the high altitude (600-1 400 m) and steep slope (8°-25°). It was a reciprocal relationship of vertical distribution between the increased and decreased forests and grassland, both types peaked at the altitude of 800-1 400 m and the slope of 8°-25°. The increased water body and built-up land were primarily located in area with the low altitude (0-800 m) and gentle slope (0°-5°). The vertical gradient index of land use change could quantify and visualize the local distribution and relative degree of land use change trend. Based on the vertical gradient index, most vertical distribution of land use change at local scale were found to be consistent to those at global scale, but also parts were different, which were not founded by the traditional methods. Although the newly expanded built-up land from 2000 to 2010 were mostly located in area of the lowest elevation and gentle slope class, they tended to be located in area with the relatively higher altitude and steeper slope compared to the originally vertical distribution at the local scale. Limited land resources leaded to the development of land uses approaching area with the relatively higher altitude and steeper slope in the Guizhou and Guangxi Karst Mountainous Region. The results demonstrated that the vertical gradient index of land use change might further support the results from the global statistical analysis, but also could analyze and explore the vertical distribution of land use change at the local scale, which was easily omitted by the traditional methods.

Land use change; Elevation distribution; Slope distribution; Vertical gradient index; Karst mountain

10.13930/j.cnki.cjea.160456

K903

A

1671-3990(2016)12-1693-10

2016-05-19 接受日期: 2016-09-08

* 國(guó)家重點(diǎn)基礎(chǔ)研究發(fā)展計(jì)劃項(xiàng)目(973計(jì)劃) (2015CB452702)和國(guó)家自然科學(xué)基金項(xiàng)目(41601095)資助

**通訊作者:張紅旗,主要從事土地利用及空間格局研究。E-mail:zhanghq@igsnrr.ac.cn 許爾琪,主要從事土地利用及空間格局、生態(tài)環(huán)境效應(yīng)研究。E-mail: xueq@igsnrr.ac.cn

* Funded by the National Program on Key Basic Research Project of China (973 Program, 2015CB452702) and the National Natural Science Foundation of China (41601095)

** Corresponding author, E-mail: zhanghq@igsnrr.ac.cn

Received May 19, 2016; accepted Sep. 8, 2016