清水江流域地形因子對(duì)土地利用變化的影響

金　桃， 安艷玲， 謝元貴， 廖小鋒， 胡　偉， 謝　剛

(1.貴州省山地資源研究所，貴州貴陽 550001； 2.貴州省山地資源研究所有限公司，貴州貴陽 550001；3.貴州理工學(xué)院，貴州貴陽 550001)

土地利用是人類社會(huì)經(jīng)濟(jì)活動(dòng)與自然生態(tài)環(huán)境相互作用最為密切的環(huán)節(jié)[1]，自20世紀(jì)90年代以來，關(guān)于土地利用/覆被變化的研究已成為全球環(huán)境變化與可持續(xù)發(fā)展的前沿領(lǐng)域[2-3]。我國以往關(guān)于土地利用的研究多側(cè)重于對(duì)面積變化、轉(zhuǎn)化、土地利用格局驅(qū)動(dòng)力的探討，或從景觀尺度上通過土地利用程度指數(shù)、土地利用動(dòng)態(tài)度等指標(biāo)對(duì)土地利用時(shí)空變化進(jìn)行研究[4-7]。然而，從自然環(huán)境背景方面探討土地利用及其時(shí)空變化的研究還相對(duì)較少[1，8]。

地形因子是眾多自然因素中對(duì)土地利用影響程度最大的因素之一，不僅為土地利用格局的形成提供基礎(chǔ)，而且影響土地利用的演變過程[9-11]。高程、坡度、坡向等地形因子影響土地利用的空間分布、作物種植、旱澇水土流失狀況及石漠化程度等[8，12-14]。分析地形因子對(duì)土地利用變化的影響，有助于深入了解引起土地利用變化的驅(qū)動(dòng)機(jī)制，對(duì)優(yōu)化土地資源配置具有指導(dǎo)意義[8-10]。本研究以貴州省清水江流域?yàn)檠芯繀^(qū)，基于數(shù)字高程模型(digital elevation model，簡稱DEM)數(shù)據(jù)及遙感影像數(shù)據(jù)，綜合運(yùn)用遙感(remote sensing，簡稱RS)和地理信息系統(tǒng)(geographic information system，簡稱GIS)技術(shù)，定量分析清水江流域的土地利用變化及其與地形因子之間的相關(guān)性，以期為流域內(nèi)土地利用的合理配置提供參考。

1　研究區(qū)概況

清水江流域(貴州段)是洞庭湖沅江水系的上游干流河段，地處云貴高原向湘桂丘陵過渡的斜坡地帶，位于貴州省東南部，橫跨黔南州和黔東南州；清水江在貴州省境內(nèi)長 459 km，流域面積17 145 km2；流域多年平均流量355 m3/s，總落差1 275 m，平均比降0.397%[15-16]。

清水江流域?qū)賮啛釒Ъ撅L(fēng)濕潤氣候區(qū)，氣候溫暖濕潤，年平均氣溫14～18 ℃，多年平均降水量為1 050～1 500 mm，降水時(shí)空分布不均，主要集中在5—10月。流域巖溶發(fā)育較弱，多為中低山剝蝕、溶蝕地貌和剝蝕溶蝕河谷地貌，在錦平、天柱、黎平一帶，多為低山、丘陵、河谷盆地常態(tài)地貌。山體巖石主要由碎屑巖組成，山體大、切割深，常形成脊?fàn)钌?。流域?nèi)海拔標(biāo)高多為500～1 100 m，最高點(diǎn)在雷公山(2 178.8 m)，最低點(diǎn)在天柱縣清水江出境河口處(206.0 m)。

清水江流域內(nèi)的土壤類型主要為黃壤、紅壤、黃棕壤、紫色土及黑色石灰土，其中黃壤主要分布在海拔為500～1 000 m 的山地；紅壤主要分布在海拔為500 m以下的丘陵盆地，如天柱、錦平、黎平等縣；黃棕壤分布在海拔為1 500～1 800 m 的雷公山、佛頂山等地；紫色土主要分布在施秉縣及天柱縣藍(lán)田鎮(zhèn)等地；黑色石灰土主要分布在都勻市、福泉市、凱里市、麻江縣、丹寨縣、黃平縣、施秉縣等地。流域內(nèi)植被類型較多，以常綠闊葉林和落葉闊葉林為主。

2　研究方法

2.1　數(shù)據(jù)來源與預(yù)處理

數(shù)據(jù)來源包括：(1)研究區(qū)2002年專題繪圖儀(thematic mapper，簡稱TM)影像及2013年陸地成像儀(operational land imager，簡稱OLI)遙感影像，分辨率均為30 m；(2)1 ∶1500 000 貴州省政區(qū)圖；(3)遙感影像判讀標(biāo)志野外調(diào)查數(shù)據(jù)；(4)下載于http：//srtm.csi.cgiar.org/的DEM數(shù)據(jù)，分辨率為90 m。首先，借助ERDAS Imagine 9.1(簡稱ERDAS)遙感處理軟件，利用多項(xiàng)式模型對(duì)遙感影像進(jìn)行幾何校正(校正時(shí)均方根誤差控制在0.5個(gè)象元內(nèi))、影像拼接、影像裁剪，生成研究區(qū)的遙感影像圖。根據(jù)研究區(qū)遙感影像，對(duì)DEM圖進(jìn)行圖像配準(zhǔn)，以便進(jìn)行空間疊加分析。

2.2　地形因子的提取

基于90 m分辨率的DEM數(shù)據(jù)，通過ERDAS Imagine 9.1和Arcview GIS 3.2(簡稱Arcview)軟件提取海拔圖、坡度圖、坡向圖和坡位圖。將研究區(qū)海拔分成6個(gè)連續(xù)海拔帶(圖1)，由于流域內(nèi)海拔標(biāo)高多為500～1 100 m，因此在500～1 000 m 以250 m為間隔，其余的以500 m為間隔；參考《第二次全國土地調(diào)查技術(shù)規(guī)范》，并根據(jù)研究區(qū)實(shí)際情況，對(duì)研究區(qū)坡度采用7級(jí)坡度分級(jí)法[17]進(jìn)行分級(jí)，分別是S<3°、3°≤S<5°、5°≤S<8°、8°≤S<15°、15°≤S<25°、25°≤S<35°、S≥35°(圖2)；研究區(qū)的坡向采用5類坡向分級(jí)法[18]進(jìn)行分級(jí)，分別為無坡、陽坡、陰坡、半陽坡、半陰坡(圖3)；采用Arcview坡位分析模塊地形位置指數(shù)(topographic position index，簡稱TPI)中自帶的4級(jí)分類法[12]進(jìn)行坡位分級(jí)，分別為溝谷、緩坡、陡坡和山脊(圖4)。

2.3　土地利用分類

在ERDAS軟件中，利用監(jiān)督分類與人工目視判讀解譯相結(jié)合，并輔以2013年野外調(diào)查數(shù)據(jù)對(duì)解譯結(jié)果進(jìn)行修正。根據(jù)GB/T 21010—2007《土地利用現(xiàn)狀分類》[19]，并結(jié)合研究區(qū)實(shí)際情況及TM、OLI遙感影像的實(shí)際可識(shí)別能力，將土地利用分為有林地、灌木林地(包括疏林地和其他林地)、草地、水域、耕地、建筑用地及未利用地等7類(圖5、圖6)。2013年土地利用解譯精度達(dá)到92.6%，2002年為86.3%。

3　結(jié)果與分析

3.1　土地利用變化

本研究以2個(gè)時(shí)期的土地利用圖為基礎(chǔ)，通過ERDAS軟件的統(tǒng)計(jì)分析功能，得到研究區(qū)在2個(gè)時(shí)期土地利用類型的面積及其在研究區(qū)中所占的面積比例。從表1可以看出，2個(gè)時(shí)期的土地構(gòu)成狀況基本一致，其中面積最大的為有林地，分別占研究區(qū)總面積的50.26%、43.55%；面積最小的為水域，分別占研究區(qū)總面積的0.75%、0.76%；2個(gè)時(shí)期各種土地利用類型的面積比例大小順序?yàn)橛辛值?灌木林地>耕地>草地>水域。2002—2013年，面積減少的土地利用類型為有林地、未利用地，其中有林地減少幅度較大，減少量約占研究區(qū)總面積的6.71%；其他土地利用類型的面積均不同程度的增加，其中增加幅度最大的為灌木林地，增加量約占研究區(qū)總面積的2.71%，草地增加幅度次之，增加量約占研究區(qū)總面積的2.40%。

表1　研究區(qū)土地利用面積及面積比例

3.2　土地利用變化與地形因子的相關(guān)性分析

為研究土地利用類型變化與地形因子之間的相關(guān)性，利用2個(gè)時(shí)期土地利用現(xiàn)狀圖，在ERDAS中生成土地利用變化圖，在Arcview中，利用土地利用變化圖與海拔、坡度、坡向及坡位等圖進(jìn)行疊加，獲得屬性數(shù)據(jù)庫(表2至表5)。利用SPSS軟件對(duì)這些屬性數(shù)據(jù)庫進(jìn)行相關(guān)性分析，得到土地利用類型與海拔、坡度、坡向及坡位等地形因子之間的相關(guān)性(表6)。

3.2.1各海拔帶的土地利用變化由表2可知，近10年來，各土地利用類型動(dòng)態(tài)變化主要發(fā)生在海拔<1 500 m的地區(qū)，尤其在500≤H<750 m，草地、水域及建筑用地的變化幅度均在40%以上，說明近10年來此地區(qū)土地利用變化較激烈，且人為因子可能是導(dǎo)致其激烈變化的原因。而在海拔≥1 500 m 的區(qū)域，各土地利用類型變化較小甚至無變化。由表6可知，各土地利用類型變化與海拔之間存在不同程度的負(fù)相關(guān)性，說明海拔對(duì)各土地利用類型變化有不同程度的影響。其中，建筑用地變化與海拔存在顯著負(fù)相關(guān)關(guān)系，即隨著海拔的增加，建筑用地變化幅度減小。

表2　各海拔帶的土地利用變化構(gòu)成　%

3.2.2各坡度帶的土地利用變化由表3可以看出，在坡度為5°≤S<25°范圍內(nèi)，各土地利用類型變化幅度較大，均占各土地利用類型變化的60%以上。在8°≤S<15°、15°≤S<25°等2個(gè)坡度等級(jí)上，除建筑用地在15°≤S<25°的變化幅度為 20.08% 外，其余的變化幅度均達(dá)到30%左右。在坡度≥35°的地區(qū)，各土地利用變化幅度較小，其中草地、水域、耕地、建筑用地、未利用地幾乎無變化。由表6可知，坡度與有林地、灌木林地及未利用地的變化之間呈正相關(guān)關(guān)系，與草地、水域、耕地及建筑用地變化呈負(fù)相關(guān)關(guān)系，均未達(dá)到顯著水平；說明坡度對(duì)各土地利用類型變化的影響較小，且隨著坡度的增加，有林地、灌木林地及未利用地的變化幅度呈增大趨勢，草地、水域、耕地及建筑用地變化幅度呈減小趨勢。

表3　各坡度帶的土地利用變化構(gòu)成　%

3.2.3各坡向的土地利用變化由表4可知，在無坡地區(qū)，各土地利用類型斑塊變化幅度較小。而在其他4個(gè)坡向上，各土地利用類型變化幅度差異不大。由表6可知，坡向與未利用地變化呈顯著正相關(guān)關(guān)系，與其他土地利用類型變化具有一定的正相關(guān)性，但不顯著；說明坡向?qū)Ω魍恋乩妙愋妥兓幸欢ㄓ绊?，其中?duì)未利用地變化影響顯著，隨著坡向由陰轉(zhuǎn)陽，各土地利用類型變化幅度整體上呈增加趨勢。

3.2.4各坡位的土地利用變化由表5可以看出，在緩坡處，除建筑用地外，其他各土地利用類型變化幅度較小。溝谷處的各土地利用類型變化較陡坡處大。由表6可知，建筑用地及水域變化幅度與坡位呈弱負(fù)相關(guān)關(guān)系，即一個(gè)坡面上自坡底到坡頂，建筑用地及水域變化幅度呈減小趨勢，且弱負(fù)相關(guān)。說明坡位對(duì)建筑用地及水域變化影響不大。有林地、灌木林地、草地、耕地、未利用地與坡位呈弱正相關(guān)關(guān)系，即從坡底到坡頂，有林地、灌木林地、草地、耕地斑塊類型變化幅度呈增加趨勢。

3.3　土地類型變化對(duì)各地形因子的響應(yīng)

綜合“3.2”節(jié)分析可知，相同土地利用類型變化對(duì)各地形因子的響應(yīng)不同。有林地變化在一定程度上受坡向、海拔影響，而坡度、坡位對(duì)有林地變化的影響較?。还嗄玖值氐淖兓谝欢ǔ潭壬鲜艿狡孪虻挠绊?，海拔、坡度、坡位對(duì)灌木林地的影響較??；草地、水域的變化在一定程度上受海拔、坡向影響；耕地變化在一定程度上受坡向影響，略受海拔影響；建筑用地斑塊變化受海拔影響較為顯著，坡向由陰轉(zhuǎn)陽對(duì)建筑用地變化有一定程度的影響；未利用地變化受坡向影響較為顯著。

表4　各坡向上的土地利用變化構(gòu)成　%

表5　各坡位上的土地利用變化構(gòu)成　%

表6　土地利用變化構(gòu)成與地形因子之間的相關(guān)性

注：“*”表示在0.05水平(雙側(cè))上顯著相關(guān)。

4　結(jié)論與討論

本研究在TM、OLI遙感影像及DEM數(shù)據(jù)的基礎(chǔ)上，綜合運(yùn)用RS、GIS技術(shù)，通過對(duì)2002、2013年清水江流域海拔、坡度、坡向和坡位對(duì)土地利用變化的影響進(jìn)行疊加及相關(guān)性分析，得出如下結(jié)論。

在2002—2013年間，清水江流域土地利用變化主要表現(xiàn)為有林地、未利用地的面積減少，灌木林地、草地、耕地、水域及建筑用地的面積增加。其中，有林地減少幅度較大，減少量約占整個(gè)流域面積的6.71%；灌木林地及草地增加幅度次之，分別占研究區(qū)的2.71%、2.40%。當(dāng)?shù)厝藗兊纳盍?xí)慣、人口的增長及現(xiàn)代經(jīng)濟(jì)社會(huì)的發(fā)展，可能是清水江流域有林地面積減少的主要原因[16，20-21]。

土地利用變化程度隨海拔、坡度、坡向和坡位等地形因子等級(jí)的不同而不同，土地利用變化主要發(fā)生在在海拔為小于 1 500 m 和坡度5°≤S<25°之間的區(qū)域。在無坡及緩坡地區(qū)，土地利用變化幅度較小。近10年來，在海拔為500～750 m，坡度為8°≤S<25°地區(qū)，土地利用變化較激烈。

隨著海拔的升高，建筑用地變化幅度顯著減小。隨著坡向由陰轉(zhuǎn)陽，未利用地變化幅度顯著增加。其他地形因子對(duì)各土地利用斑塊類型變化有不同程度的影響，但均不顯著。

清水江流域土地利用變化明顯受地形因子的影響，不同土地利用類型變化受同一地形因子影響的程度存在差異，相同土地利用類型變化對(duì)各地形因子的響應(yīng)不同。本研究分析得出的土地利用變化與各地形因子之間的關(guān)系，可為土地利用的合理配置提供一定的科學(xué)依據(jù)，但本研究未對(duì)各地形等級(jí)下的土地利用類型之間的轉(zhuǎn)換進(jìn)行深入分析，下一步將重點(diǎn)研究各地形等級(jí)下土地利用類型間的相互轉(zhuǎn)換關(guān)系。

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