快速城鎮(zhèn)化地區(qū)土地利用變化的地形梯度特征分析*——以榆次區(qū)為例

陳學(xué)兄, 張小軍, 韓偉宏

快速城鎮(zhèn)化地區(qū)土地利用變化的地形梯度特征分析*——以榆次區(qū)為例

陳學(xué)兄1,2, 張小軍3, 韓偉宏4

(1. 山西農(nóng)業(yè)大學(xué)資源環(huán)境學(xué)院 太谷 030801; 2. 山西農(nóng)業(yè)大學(xué)農(nóng)業(yè)資源與環(huán)境國(guó)家級(jí)實(shí)驗(yàn)教學(xué)示范中心 太谷 030801; 3. 山西農(nóng)業(yè)大學(xué)園藝學(xué)院 太谷 030801; 4. 山西農(nóng)業(yè)大學(xué)經(jīng)濟(jì)管理學(xué)院(農(nóng)業(yè)資源與經(jīng)濟(jì)研究所) 太原 030006)

為探討快速城鎮(zhèn)化地區(qū)——山西省晉中市榆次區(qū)不同地形梯度上的土地利用變化特征, 本研究以2000年、2008年和2016年3期影像和ASTER GDEM為數(shù)據(jù)源, 分析2000—2016年間土地利用變化的時(shí)空特征, 選用坡向、坡度變率、地形起伏度、地形位指數(shù)和土地利用類型分布指數(shù)對(duì)土地利用的地形梯度分布特征和變化過(guò)程進(jìn)行分析。結(jié)果表明: 1)2000—2016年, 榆次區(qū)建設(shè)用地主要向西北方向擴(kuò)張, 主要分布在地形起伏度<30 m、坡度變率<2°、陽(yáng)坡和半陽(yáng)坡及地形位為1~3級(jí)的地區(qū)。土地利用以建設(shè)用地、耕地和未利用地為主, 其中耕地所占面積最大, 2000年、2008年和2016年的平均比例為46.91%。2000—2008年建設(shè)用地面積增加43.07 km2, 未利用地面積減少37.33 km2; 2008—2016年未利用地面積減少221.00 km2, 而耕地面積和建設(shè)用地面積分別增加170.61 km2和37.36 km2。2)在坡度變率、地形起伏度和地形位梯度上, 建設(shè)用地、耕地和水域主要分布于低梯度帶, 而林地和未利用地分布于中高梯度帶; 建設(shè)用地和耕地在平地、陽(yáng)坡和半陽(yáng)坡呈分布優(yōu)勢(shì), 林地在陰坡和半陰坡具有分布優(yōu)勢(shì), 而未利用地的優(yōu)勢(shì)分布區(qū)為陽(yáng)坡和半陽(yáng)坡; 2000—2016年耕地的主要分布區(qū)向地形起伏度>30 m、坡度變率為2°~15°、地形位為4~11級(jí)的區(qū)域擴(kuò)張。榆次區(qū)土地利用變化地形梯度差異明顯, 地形因素、人類活動(dòng)、政策因素、交通和區(qū)位為其主導(dǎo)因素。該研究結(jié)果為區(qū)域城鎮(zhèn)化過(guò)程中的土地合理規(guī)劃利用提供科學(xué)依據(jù), 為生態(tài)環(huán)境治理提供決策支持。

土地利用變化; 地形梯度; 地形位指數(shù); 分布指數(shù); 榆次區(qū)

土地利用/覆蓋變化是全球環(huán)境變化研究的核心內(nèi)容之一[1-4], 已成為地理學(xué)、生態(tài)學(xué)、經(jīng)濟(jì)學(xué)及相關(guān)交叉學(xué)科的研究熱點(diǎn)和重點(diǎn)領(lǐng)域之一。土地利用/覆蓋變化是在多種自然和人文因素共同影響下發(fā)生的, 涉及的自然因素很多, 比如地形、自然災(zāi)害、氣候、水文等[3,5]。地形因素對(duì)土地利用變化的影響是土地利用/覆蓋變化研究的重要內(nèi)容[1,6-8]。地形的特點(diǎn)及其變化在一定程度上決定著區(qū)域土地利用變化的方式和方向[1,9-10]。地形因子是土地利用格局形成的基礎(chǔ), 且其空間特征影響土地利用的演變過(guò)程[11]。地形對(duì)土地利用變化的影響是不同地形因素綜合作用的結(jié)果, 單一地形因素?zé)o法綜合反映地形的影響作用[3]。地形梯度分析的主要指標(biāo)有高程、坡向、坡度、坡度變率、地形起伏度、地形位指數(shù)、分布指數(shù)等[6]。其中, 地形位指數(shù)將高程和坡度合二為一分析地形梯度對(duì)土地利用的影響, 是當(dāng)前應(yīng)用較廣泛的一種方法[12]。目前國(guó)內(nèi)外一些學(xué)者開展了有關(guān)土地利用變化地形梯度分異特征的研究, 研究區(qū)域集中在干旱半干旱區(qū)[1]、區(qū)域流域[2,9,13]、高原區(qū)[6,13-15]、珠江三角洲地區(qū)[7]、淺山丘陵區(qū)[8]、沿海低山丘陵區(qū)[16]、太行山區(qū)[17]、濕地[18]、冀西北間山盆地區(qū)[19]、典型城市(如: 運(yùn)城[3]、哈爾濱[10]、重慶[12]、北京市[20]、井岡山市[21])以及國(guó)家森林重點(diǎn)區(qū)[22]等, 研究?jī)?nèi)容主要包括: 利用高程[23]或坡度因子[24]、高程和坡度2個(gè)因子[13,15]、高程和坡度及坡向3個(gè)因子[8-9,20,22]或者地形起伏度因子[25]分析地形對(duì)土地利用格局變化的影響; 使用高程和坡度構(gòu)建的地形綜合指數(shù)分析土地利用變化與地形因子的關(guān)系[3-7]; 綜合高程和坡度, 結(jié)合地學(xué)信息圖譜理論分析土地利用變化的地形梯度特征[10-11,14,19]; 利用高程、坡度、地形位指數(shù)分析地形對(duì)土地利用類型分布、動(dòng)態(tài)變化及景觀格局的作用[21]等方面, 已有的研究大多是將高程、坡度等作為單一因素進(jìn)行分析, 且主要側(cè)重于分析微觀地形因子對(duì)土地利用格局變化的影響,而使用坡向、坡度變率、地形起伏度和地形位指數(shù)對(duì)土地利用變化地形梯度分布特征的研究相對(duì)較少。因此, 將單因素與多因素、微觀與宏觀地形因子相結(jié)合, 綜合系統(tǒng)地分析土地利用變化的地形梯度特征對(duì)合理利用土地資源具有重要意義。

榆次區(qū)作為山西省晉中市政治、經(jīng)濟(jì)和文化中心, 是城鎮(zhèn)化進(jìn)程較快和研究環(huán)境資源變化的典型區(qū)域, 境內(nèi)地形地貌復(fù)雜多樣, 地形對(duì)土地利用變化的影響較明顯; 同時(shí), 榆次區(qū)作為省城太原市的衛(wèi)星城市, 是土地利用變化的敏感性區(qū)域。鑒于此, 本研究以快速城鎮(zhèn)化地區(qū)榆次區(qū)為研究對(duì)象, 利用2000年、2008年和2016年的Landsat系列影像和ASTER GDEM數(shù)據(jù), 選用坡向、坡度變率、地形起伏度和地形位因子, 分析地形因素對(duì)該區(qū)土地利用格局變化的影響以及土地利用變化的地形梯度分布特征, 以期為該區(qū)城鎮(zhèn)化過(guò)程中的土地合理規(guī)劃利用和生態(tài)環(huán)境治理等方面提供依據(jù)。

1 研究區(qū)概況

榆次區(qū)地處山西省中部的晉中盆地(112°34′~113°08′E, 37°23′~37°54′N), 轄9個(gè)街道、6個(gè)鎮(zhèn)和4個(gè)鄉(xiāng), 總?cè)丝?9萬(wàn), 其中鄉(xiāng)村人口14.8萬(wàn), 是晉中市城市化及市民人口比率最高的區(qū)縣, 距離省城太原25 km, 總面積1 328 km2。東部與壽陽(yáng)縣相連, 西與清徐縣相鄰, 南和太谷縣接壤, 西北與太原市接壤, 東南與和順、榆社相鄰, 素有省城“南大門”之稱。地形總體東高西低, 向內(nèi)漸趨平緩, 依海拔高度分為平川區(qū)、中低土石山區(qū)和黃土丘陵溝壑區(qū)3類。境內(nèi)土壤以褐土為主, 為典型的暖溫帶半濕潤(rùn)大陸性季風(fēng)氣候, 農(nóng)業(yè)氣候條件較優(yōu)越, 共有12條河流, 其中瀟河為汾河的主要支流, 在榆次境內(nèi)長(zhǎng)40 km, 徑流面積為467 km2。

2 數(shù)據(jù)來(lái)源與研究方法

2.1 數(shù)據(jù)獲取與處理

基礎(chǔ)數(shù)據(jù): 2000年9月的Landsat 7 TM影像、2008年9月的Landsat 4-5 TM影像、2016年9月的Landsat 8 OLI_TIRS影像、30 m分辨率的ASTER GDEM和榆次區(qū)行政邊界。運(yùn)用ENVI 4.7對(duì)3期影像數(shù)據(jù)進(jìn)行輻射定標(biāo)、大氣校正等預(yù)處理, 利用行政邊界裁剪出榆次區(qū)范圍的遙感影像, 使用人機(jī)交互解譯方式提取土地信息。研究區(qū)土地利用類型劃分為5類(圖1), 因草地多為荒廢的土地, 與未利用地并為了一類。2000年、2008年和2016年的分類總體精度分別為97.635 1%、94.776 1%、96.629 2%, Kappa系數(shù)分別為0.950 7、0.889 6、0.950 7。將解譯所得3期土地利用矢量數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換為像元大小為30 m的柵格數(shù)據(jù)(圖1),以保持?jǐn)?shù)據(jù)的統(tǒng)一性。

2.2 研究方法

2.2.1 地形梯度等級(jí)劃分

本研究選取坡向、坡度變率、地形起伏度、地形位指數(shù)分析地形對(duì)土地利用變化的影響, 使用ASTER GDEM高程數(shù)據(jù)提取各地形因子。

1)坡向影響局部地面接收陽(yáng)光和重新分配太陽(yáng)輻射量, 影響局部地區(qū)氣候特征差異、作物生長(zhǎng)適宜程度、土壤水分等[1]。

2)坡度變率, 即在所提取的坡度基礎(chǔ)上再求一次坡度, 它在一定程度上反映地形的剖面曲率信息[1]。

3)地形起伏度為描述一個(gè)區(qū)域地形特征的宏觀性指標(biāo), 可使用鄰域分析法提取[26-27]。

4)地形位指數(shù)是高程和坡度的組合, 公式如下[1-2,10-12,14,16-19,28]:

對(duì)不同地形因子進(jìn)行分級(jí), 并計(jì)算不同等級(jí)所對(duì)應(yīng)面積、面積比例, 結(jié)果如表1所示。

2.2.2 地形梯度特征分析

利用分布指數(shù)(D)分析各土地利用類型在不同地形梯度上的分布特征, 公式如下[1-2,10-12,14,16-19,29]:

D=(A/A)/(A/) (2)

式中:A為第種土地利用類型在第級(jí)地形區(qū)的面積,A為第種土地利用類型的總面積,A為第級(jí)地形區(qū)的土地總面積,為研究區(qū)總面積。若D>1, 說(shuō)明第種地類在第級(jí)地形上屬于優(yōu)勢(shì)分布,D值越大, 優(yōu)勢(shì)度就越高, 表示第種土地利用類型在級(jí)地形上的適宜程度和分布程度高; 若D<1, 則相反。

3 結(jié)果與分析

3.1 土地利用變化分析

榆次區(qū)2000年、2008年和2016年土地利用現(xiàn)狀如圖1所示。為掌握研究區(qū)2000年和2016年不同土地利用類型之間的動(dòng)態(tài)變化轉(zhuǎn)移情況, 利用ArcGIS的空間分析工具(Tabulate Area), 使用2000年和2016年的土地利用類型數(shù)據(jù)求得2000—2016年不同土地利用類型面積轉(zhuǎn)移矩陣, 結(jié)果如表2所示。并對(duì)2000—2016年各類土地利用類型所占面積和面積比進(jìn)行了統(tǒng)計(jì)計(jì)算, 結(jié)果如表3所示。

由圖1和表2可知, 2000—2016年榆次區(qū)建設(shè)用地外擴(kuò)明顯, 16年間建設(shè)用地面積增加118.52 km2, 主要來(lái)源于耕地和未利用地, 且向西北部方向擴(kuò)張明顯, 尤其是與太原市交匯處擴(kuò)張情況更加明顯, 其主要原因是太榆同城化政策對(duì)榆次區(qū)北部和太原市南部的城市建設(shè)產(chǎn)生了重大影響; 2016年耕地增加298.84 km2, 約91%由未利用地轉(zhuǎn)化而來(lái), 在榆次東南部地區(qū)增加明顯; 2000—2016年間, 未利用地面積減少330.44 km2, 主要轉(zhuǎn)化為了耕地、建設(shè)用地和林地。

圖1 2000—2016年榆次區(qū)土地利用現(xiàn)狀圖

表1 研究區(qū)不同地形因子分級(jí)、面積及面積百分比

表2 2000—2016年榆次區(qū)土地利用轉(zhuǎn)移矩陣

2000—2016年不同土地利用類型所占面積差異顯著(表3)。建設(shè)用地、耕地和未利用地為主要地類, 三者占研究區(qū)總面積的93%以上。其中耕地比例最大, 2000年、2008年和2016年平均為46.91%, 而未利用地和建設(shè)用地的平均比例分別為33.79%和12.99%。2000—2016年林地平均面積僅占總面積的6.18%, 水域所占面積最小, 均不超過(guò)總面積的0.2%。2008—2016年榆次區(qū)土地利用變化的主要特征為耕地和建設(shè)用地面積增加, 未利用地面積減少;其中, 耕地面積增幅最大, 增加了170.61 km2, 建設(shè)用地面積增加了37.36 km2, 而未利用地面積減少了221 km2; 林地和水域面積變化不顯著。2000—2008年榆次區(qū)建設(shè)用地面積增加了43.07 km2, 未利用地面積減少了37.33 km2; 耕地和林地面積有所減少, 二者減少的面積相當(dāng), 而在2008—2016年是增加的, 且耕地較林地增幅顯著。建設(shè)用地和水域各時(shí)段均增加, 水域面積為小幅增加, 其變化并不明顯。2008—2016年間, 除未利用地面積明顯減少外, 其他土地利用類型的面積均有所增加, 未利用地主要轉(zhuǎn)化為了耕地、建設(shè)用地和林地, 城市擴(kuò)張顯著, 影響了該區(qū)的土地利用變化模式。

表3 2000—2016年榆次區(qū)土地利用變化情況

3.2 土地利用結(jié)構(gòu)變化的地形起伏度梯度差異

將2000年、2008年和2016年的土地利用類型數(shù)據(jù)分別與地形起伏度做疊加分析, 統(tǒng)計(jì)不同土地利用類型在不同地形起伏度的面積, 并對(duì)其分布指數(shù)進(jìn)行計(jì)算, 結(jié)果如表4所示。

由表4可知, 2000—2016年, 建設(shè)用地和耕地面積隨地形起伏度增大而減少, 而林地面積在不斷增加, 未利用地所占面積呈先增大后減小趨勢(shì), 2000年和2008年水域面積呈先增加后減少趨勢(shì), 而2016年的水域面積不斷減少。2000—2008年在0~30 m梯度建設(shè)用地增加43.73 km2, 耕地減少51.93 km2, 說(shuō)明由于人口增加和城市化進(jìn)程的加快, 建設(shè)用地面積相應(yīng)增加, 耕地被占用。2008—2016年, 在30~70 m梯度耕地所占面積增加最為顯著, 增加112.18 km2, 而未利用地面積減少129.48 km2, 說(shuō)明耕地的主要分布區(qū)域逐漸向較高的地形起伏度區(qū)域擴(kuò)張; 在>70 m梯度林地面積增加7.59 km2, 水域面積在0~30 m梯度增加最明顯。

地形起伏度<30 m梯度為建設(shè)用地和耕地的優(yōu)勢(shì)分布區(qū), 二者的分布指數(shù)隨地形起伏度的增加而持續(xù)減小; 30~70 m和>70 m梯度是未利用地的優(yōu)勢(shì)分布區(qū); 2000—2016年水域的分布指數(shù)在0~30 m梯度逐年增加, 而在30~70 m和>70 m梯度逐年減少; 林地的分布指數(shù)隨地形起伏度的增加而持續(xù)增大, 在地形起伏度>70 m梯度具有分布優(yōu)勢(shì)。

表4 2000—2016年榆次區(qū)土地利用類型的地形起伏度梯度差異

3.3 土地利用結(jié)構(gòu)變化的坡度變率梯度差異

將2000年、2008年和2016年的土地利用類型數(shù)據(jù)分別與坡度變率做疊加分析, 統(tǒng)計(jì)不同坡度變率上不同土地利用類型的面積, 并計(jì)算相應(yīng)的分布指數(shù), 結(jié)果如表5所示。

由表5可知, 坡度變率0°~15°是研究區(qū)各土地利用類型的主要分布區(qū)域。2000—2016年, 在各坡度變率梯度建設(shè)用地的面積均為逐年增加, 其中2000—2008年在坡度變率0°~2°梯度增加最為顯著, 增加了28.88 km2, 建設(shè)用地面積隨著坡度變率的增大而持續(xù)減小, 而林地、水域和未利用地的面積在2°~6°梯度有所增加, 在>6°梯度上三者的面積又逐漸減少; 2000年隨著坡度變率的增大耕地的面積逐漸減小, 而2008年和2016年耕地所占面積呈現(xiàn)先增大后減少的趨勢(shì), 其增加面積在2°~6°梯度。2000—2016年建設(shè)用地和耕地均在坡度變率0°~2°梯度具有分布優(yōu)勢(shì); 林地在6°~35°梯度具有分布優(yōu)勢(shì), 且在15°~25°梯度分布優(yōu)勢(shì)最為顯著; 水域主要分布在坡度變率為<25°的區(qū)域; 未利用地在2°~25°梯度的分布指數(shù)均大于1, 為其優(yōu)勢(shì)分布區(qū)。

表5 2000—2016年榆次區(qū)土地利用類型的坡度變率梯度差異

3.4 土地利用結(jié)構(gòu)變化的坡向梯度差異

將2000年、2008年和2016年的土地利用類型數(shù)據(jù)分別與坡向做疊加分析, 統(tǒng)計(jì)不同土地利用類型在不同坡向上的面積, 并對(duì)其分布指數(shù)進(jìn)行計(jì)算, 結(jié)果如表6所示。

由表6可知, 2000—2016年, 在不同坡向上建設(shè)用地的面積逐年增加, 在陽(yáng)坡2008年較2000年增加最為顯著, 增加13.92 km2; 未利用地的面積均為減少趨勢(shì), 且2008—2016年減少較為明顯, 尤其在半陽(yáng)坡和陽(yáng)坡, 分別減少59.15 km2和70.50 km2; 耕地面積在平地、半陽(yáng)坡和陽(yáng)坡呈先下降后增加趨勢(shì), 其中在陽(yáng)坡變化最明顯, 2008年較2000年減少4.16 km2, 2016年較2008年增加58.88 km2, 而在陰坡和半陰坡是逐年增加的; 林地面積在平地略有增加, 其他坡向上呈先下降后增加趨勢(shì), 其中在陰坡增加最多, 增加6.60 km2; 水域面積在平地、陰坡和半陽(yáng)坡逐年增加, 而在其他坡向先下降后增加, 變化相差不大, 總體面積均略有增加。

不同坡向各土地利用類型的分布優(yōu)勢(shì)差異明顯。建設(shè)用地在平地、陽(yáng)坡和半陽(yáng)坡呈現(xiàn)分布優(yōu)勢(shì), 尤其在平地最為顯著; 平地和陽(yáng)坡為耕地的主要優(yōu)勢(shì)分布區(qū); 陽(yáng)坡和半陽(yáng)坡是未利用地的主要優(yōu)勢(shì)分布區(qū), 而林地在陰坡和半陰坡具有分布優(yōu)勢(shì); 水域在不同坡向上的分布程度相差不大。

3.5 土地利用結(jié)構(gòu)變化的地形位梯度差異

將2000年、2008年和2016年的土地利用類型數(shù)據(jù)分別與地形位做疊加分析, 統(tǒng)計(jì)不同土地利用類型在不同地形位上的面積, 并對(duì)其分布指數(shù)進(jìn)行計(jì)算, 結(jié)果如表7所示。

由表7可知, 2000—2016年隨著地形位的增大, 建設(shè)用地所占面積不斷減小, 主要分布在低級(jí)(1~3級(jí))、中低(4~7級(jí))地形梯度區(qū), 且在低、中低地形梯度區(qū)其面積逐年增加, 尤其在2000—2008年的低地形梯度區(qū)變化明顯, 增加37.23 km2。2000—2008年低地形梯度區(qū)耕地面積減少40.24 km2, 而2008— 2016年的中低地形梯度區(qū)其面積增加105.37 km2。2000—2016年在不同地形位梯度上林地的面積均呈先減少后增加的趨勢(shì), 中高(8~11級(jí))地形梯度區(qū)為其主要分布區(qū)。水域主要分布在1~7級(jí)地形位。2000—2016年在低、中低地形位梯度上未利用地的面積呈先增加后減少的趨勢(shì), 而在中高(8~11級(jí))、高(12~15級(jí))地形位梯度上其面積逐漸減少; 其中在2008—2016年的中低地形梯度區(qū)其面積顯著減少, 減少125.08 km2。

2000—2016年1~3級(jí)地形位是建設(shè)用地和耕地的優(yōu)勢(shì)分布區(qū), 建設(shè)用地的分布指數(shù)隨地形位的增加而不斷減小, 耕地的地形梯度分布優(yōu)勢(shì)逐年降低; 隨地形位的增大, 林地的分布指數(shù)持續(xù)增大, 8~15級(jí)地形位為其優(yōu)勢(shì)分布區(qū), 尤其在12~15級(jí)地形位最為顯著; 未利用地的優(yōu)勢(shì)分布區(qū)主要集中在4~11級(jí)地形位。

4 討論與結(jié)論

地形作為土地的重要背景, 影響著農(nóng)業(yè)生產(chǎn)活動(dòng)、農(nóng)業(yè)用地的開墾和建設(shè)用地的空間分布, 并導(dǎo)致土地利用類型發(fā)生變化, 它對(duì)土地利用變化的影響是不同地形因素綜合作用的結(jié)果。對(duì)單一地形因素進(jìn)行分析無(wú)法反映其影響作用[3], 而已有相關(guān)研究大多是對(duì)高程、坡度、坡向等單一因素[8-9,13,15,20,22-25]或者結(jié)合地學(xué)信息圖譜理論[10-11,14,19]等進(jìn)行分析, 且側(cè)重于分析微觀地形因子對(duì)土地利用格局變化的影響。本文在已有研究的基礎(chǔ)上, 選取快速城鎮(zhèn)化地區(qū)為研究區(qū), 將單因素與多因素、微觀與宏觀地形因子相結(jié)合, 綜合系統(tǒng)地分析了土地利用變化的地形梯度特征, 這對(duì)城鎮(zhèn)化過(guò)程中土地資源的合理利用和生態(tài)環(huán)境治理等具有重要指導(dǎo)意義。

榆次區(qū)土地利用梯度變化受多種因素影響, 主要為地形因素、人類活動(dòng)、政策因素、交通和區(qū)位等。研究區(qū)坡度為0°~25°的區(qū)域占總面積的98.17%, 高程<1 200 m的區(qū)域占80.92%, 這決定了該區(qū)土地利用空間分布的格局, 與孫丕苓等[1]、李京京等[2]的研究結(jié)論相似。地形因素會(huì)影響人類活動(dòng)(如農(nóng)耕、工程建設(shè)等), 所以與人類生產(chǎn)生活密切相關(guān)的土地利用類型, 如建設(shè)用地、耕地和水域均分布在低地形梯度上, 而林地和未利用地主要分布在人類活動(dòng)干擾較弱的中高地形梯度上; 另外, 人口壓力導(dǎo)致建設(shè)用地和耕地的需求不斷增加, 未利用地大量轉(zhuǎn)化為了建設(shè)用地、耕地等, 導(dǎo)致研究區(qū)土地利用的格局發(fā)生了變化, 前人研究[2,10,30]也表明人類活動(dòng)影響土地利用格局變化。太榆同城化政策對(duì)榆次區(qū)北部和太原市南部的城市建設(shè)產(chǎn)生了重大影響, 2000—2016年榆次區(qū)建設(shè)用地不斷地向外擴(kuò)張, 主要向西北部方向擴(kuò)張, 尤其是與太原市交匯處擴(kuò)張情況更加明顯(圖1)。榆次地處三晉腹地, 距離太原市25 km, 境內(nèi)鐵路、公路交通運(yùn)輸網(wǎng)呈輻射狀連接山西省內(nèi)外, 這對(duì)該區(qū)域土地利用格局變化起推動(dòng)作用。可以看出, 榆次區(qū)土地利用變化地形梯度差異明顯, 地形因素、人類活動(dòng)、政策因素、交通和區(qū)位為其主導(dǎo)因素。本研究并未深入分析相鄰城市的吸引、交通、區(qū)位等對(duì)土地利用變化地形梯度所造成的影響, 今后還有待進(jìn)一步研究。

本研究以快速城鎮(zhèn)化地區(qū)榆次區(qū)為研究對(duì)象, 利用2000年、2008年和2016年3期土地利用類型和ASTER GDEM數(shù)據(jù), 選用坡向、坡度變率、地形起伏度和地形位因子, 對(duì)該區(qū)土地利用變化的地形梯度分布特征進(jìn)行了分析, 結(jié)論如下:

1)2000—2016年榆次區(qū)建設(shè)用地主要向西北部方向擴(kuò)張, 尤其是與太原市交匯處擴(kuò)張更加明顯, 結(jié)合不同地形因子分析得出, 榆次區(qū)城市擴(kuò)張主要分布在地形起伏度為0~30 m、坡度變率<2°、陽(yáng)坡、半陽(yáng)坡和地形位為1~3級(jí)的地區(qū), 其次是地形起伏度為30~70 m、坡度變率為2°~6°、半陰坡、陰坡和地形位為4~7級(jí)的地區(qū); 2000—2016年榆次區(qū)不同地類的面積比例差異明顯。土地利用以建設(shè)用地、耕地和未利用地為主, 三者占研究區(qū)總面積的93%以上; 耕地面積和建設(shè)用地面積分別增加170.61 km2和37.36 km2, 而未利用地面積減少221 km2。

2)2000—2016年隨著地形起伏度的增大, 建設(shè)用地和耕地所占面積不斷減小, 0~30 m梯度為二者的優(yōu)勢(shì)分布區(qū); 林地的分布指數(shù)隨地形起伏度的增加而持續(xù)增大, 在>70 m梯度具有分布優(yōu)勢(shì); 未利用地所占面積呈先增大后減小趨勢(shì), 30~70 m和>70 m梯度是未利用地的優(yōu)勢(shì)分布區(qū); 2000—2016年水域的分布指數(shù)在0~30 m梯度逐年增加, 而在30~70 m和>70 m梯度逐年減少; 2000—2008年在0~30 m梯度建設(shè)用地面積變化最為明顯, 增加43.73 km2; 2008—2016年, 在30~70 m梯度耕地所占面積增加最為顯著, 增加112.18 km2, 而未利用地面積減少最多, 減少129.48 km2, 在>70 m梯度林地面積增加7.59 km2, 水域面積在0~30 m梯度增加最大。

3)榆次區(qū)各土地利用類型主要分布在坡度變率為0°~15°的區(qū)域。2000—2016年隨著坡度變率的增大建設(shè)用地的面積逐漸減小, 建設(shè)用地和耕地在0°~2°梯度具有分布優(yōu)勢(shì); 林地、水域和未利用地所占面積在2°~6°梯度有所增加, 而在>6°梯度的區(qū)域逐漸減少; 林地在6°~35°梯度具有分布優(yōu)勢(shì), 水域主要分布在坡度變率為<25°的區(qū)域, 未利用地主要分布在2°~25°梯度的區(qū)域。

4)2000—2016年, 在不同坡向建設(shè)用地的面積逐年增加, 陽(yáng)坡2008年較2000年增加13.92 km2, 平地、陽(yáng)坡和半陽(yáng)坡為其主要優(yōu)勢(shì)分布區(qū); 未利用地的面積均為減少趨勢(shì), 在半陽(yáng)坡和陽(yáng)坡分別減少59.15 km2和70.50 km2; 耕地的優(yōu)勢(shì)分布區(qū)主要為平地和陽(yáng)坡, 在陽(yáng)坡面積變化最為明顯, 2008年較2000年減少4.16 km2, 2016年較2008年增加58.88 km2;林地面積在陰坡增加最大, 增加6.60 km2, 林地在陰坡和半陰坡具有分布優(yōu)勢(shì), 而陽(yáng)坡和半陽(yáng)坡是未利用地的主要優(yōu)勢(shì)分布區(qū); 水域在不同坡向上的分布程度相差不大。

5)2000—2016年隨著地形位的增大, 建設(shè)用地所占面積不斷減小, 在低(1~3級(jí))地形梯度區(qū)2008年較2000年增加37.23 km2; 耕地面積在2000—2008年的低地形梯度區(qū)減少40.24 km2, 而在2008—2016年的中低(4~7級(jí))地形梯度區(qū)顯著增加, 增加105.37 km2, 1~3級(jí)地形位是建設(shè)用地和耕地的主要優(yōu)勢(shì)分布區(qū); 隨地形位的增大, 林地的分布指數(shù)持續(xù)增大, 8~15級(jí)地形位為其優(yōu)勢(shì)分布區(qū), 尤其在12~15級(jí)地形位最為顯著; 水域主要分布在1~7級(jí)地形位; 不同地形位梯度上未利用地的面積均為減少, 在2008—2016年的中低地形梯度區(qū)其面積顯著減少, 減少125.08 km2, 4~11級(jí)地形位為其優(yōu)勢(shì)分布區(qū)。

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Land use change with topographic gradients in the Yuci District rapid urbanization area*

CHEN Xuexiong1,2, ZHANG Xiaojun3, HAN Weihong4

(1. College of Resources and Environment, Shanxi Agricultural University, Taigu 030801, China; 2. National Experimental Teaching Demonstration Center for Agricultural Resources and Environment, Shanxi Agricultural University, Taigu 030801, China; 3. College of Horticulture, Shanxi Agricultural University, Taigu 030801, China; 4. College of Economics & Management, Shanxi Agricultural University (Institute of Agricultural Resources and Economics), Taiyuan 030006, China)

The influence of topographic factors on land use change is significant for land use and cover change research. In order to explore the characteristics of land use change with different topographic gradients, in this study, ASTER GDEM data and remote sensing data of Yuci District in 2000, 2008, and 2016 were used to analyze the spatio-temporal characteristics of land use change from 2000 to 2016. The distribution characteristics and varying development of each land use type with aspect gradient, slope change rate, landform relief, and terrain niche were analyzed. The results showed the following: 1) from 2000 to 2016, construction land expanded primarily to the northwest and was mainly distributed in areas with a landform relief less than 30 m, a slope change rate less than 2°, a sunny slope or semi-sunny slope, and a terrain niche grade area of 1–3. The land uses of Yuci District were mainly construction, crop land, and unused land, which accounted for more than 93% of the research area. The crop land area is the largest, accounting for an average 46.91% of total land area in 2000, 2008, and 2016. The land use change was characterized by a decrease in unused land area and an increase in crop and construction land areas. The construction land area increased by 43.07 km2, while the unused land area decreased by 37.33 km2from 2000 to 2008. However, from 2008 to 2016, the unused land area decreased by 221.00 km2, while the crop and construction land areas increased by 170.61 km2and 37.36 km2, respectively. 2) Construction land, crop land, and water were mainly distributed on low gradients of landform relief, slope change rate, and terrain niche. Conversely, forest land and unused land were mainly distri-buted on middle and high gradients of the three topographic factors. The construction land and crop land was predominantly distri-buted on flat land, with sunny or semi-sunny slopes, while forest land was predominantly distributed along shady and semi-shady slopes. The distribution of unused land was predominantly along sunny and semi-sunny slopes. From 2000 to 2016, the main distribution area of crop land gradually expanded to areas with a landform relief greater than 30 m, a slope change rate of 2°–15°, and a terrain niche of 4–7 grade area. There were evident differences in the topographic gradient of land use change as a result of topographic factors, human activity, policy factors, transportation, and location. Therefore, this study provides a scientific basis for rational planning and utilization of land in the process of regional urbanization and decision support for ecological environment management.

Land use change; Topographic gradient; Terrain niche index; Distribution index; Yuci District

F301.24

10.13930/j.cnki.cjea.200224

陳學(xué)兄, 張小軍, 韓偉宏. 快速城鎮(zhèn)化地區(qū)土地利用變化的地形梯度特征分析——以榆次區(qū)為例[J]. 中國(guó)生態(tài)農(nóng)業(yè)學(xué)報(bào)(中英文), 2020, 28(10): 1637-1648

CHEN X X, ZHANG X J, HAN W H. Land use change with topographic gradients in the Yuci District rapid urbanization area[J]. Chinese Journal of Eco-Agriculture, 2020, 28(10): 1637-1648

* 山西省高等學(xué)?？萍紕?chuàng)新項(xiàng)目(2020L0136)、山西省重點(diǎn)研發(fā)計(jì)劃重點(diǎn)項(xiàng)目(201703D211002-1-2)和山西農(nóng)業(yè)大學(xué)引進(jìn)人才博士科研啟動(dòng)項(xiàng)目(2014YJ02)資助

陳學(xué)兄, 主要研究方向?yàn)椤?S”技術(shù)及應(yīng)用研究、基于GIS的水土流失評(píng)價(jià)研究。E-mail: chenxx0505@126.com

2020-03-26

2020-07-25

* This study was supported by the Scientific and Technological Innovation Programs of Higher Education Institutions in Shanxi (2020L0136), the Key Research and Development Project of Shanxi Province (201703D211002-1-2) and the Introduced Talent Doctoral Research Project of Shanxi Agricultural University (2014YJ02).

, CHEN Xuexiong, E-mail: chenxx0505@126.com

Mar. 26, 2020;

Jul. 25, 2020