大清河流域土地利用變化的地形梯度效應(yīng)分析

李 碩，沈占鋒，劉克儉，許澤宇，王浩宇，焦淑慧，劉相臣，雷雅婷

大清河流域土地利用變化的地形梯度效應(yīng)分析

李 碩1,2，沈占鋒1,3，劉克儉4※，許澤宇1,3，王浩宇1,3，焦淑慧1,3，劉相臣1,3，雷雅婷1,3

（1. 中國科學院空天信息創(chuàng)新研究院，北京 100101；2. 中國科學院大學資源與環(huán)境學院，北京 100049； 3. 中國科學院大學，北京 100049；4. 中國人民公安大學公安遙感應(yīng)用工程技術(shù)研究中心，北京 100038）

地形對于土地利用具有重要制約作用。該研究選取1974－2019年的Landsat影像，從地形起伏度、坡度、地形位等級的角度，分析大清河流域土地利用類型、結(jié)構(gòu)變化在地形梯度上的分布效應(yīng)，對影響研究區(qū)土地利用變化的驅(qū)動力進行討論。結(jié)果表明：1）大清河流域土地利用類型分布具有顯著的地形梯度。建設(shè)用地、耕地與水體在低地形梯度地區(qū)分布優(yōu)勢明顯，草地的優(yōu)勢分布區(qū)在中、高地形梯度地區(qū)，林地的優(yōu)勢分布區(qū)多集中在高地形梯度區(qū)域。2）大清河流域土地利用結(jié)構(gòu)變化類型主要包括保持恒定與后期變化2種。其中保持恒定型以低地形梯度的耕地與高地形梯度的林地為主；后期變化型廣泛分布于中高、中低地形梯度地區(qū)，建設(shè)用地擠占耕地現(xiàn)象愈加嚴重，耕地的優(yōu)勢分布區(qū)向更高的地形梯度區(qū)域擴張，因為“退耕還林還草”戰(zhàn)略的實施，林地的優(yōu)勢分布區(qū)呈現(xiàn)下移趨勢，耕地由單向轉(zhuǎn)入演變?yōu)殡p向流轉(zhuǎn)。3）由于人口的增長與降水減少等原因，大清河流域在太行山麓毀林墾荒約4 866 km2，后由于城市擴張導致建設(shè)用地侵占耕地約3 727 km2，“人地矛盾”尖銳、建設(shè)用地總體設(shè)計不合理、集約化程度不高等問題突出，未來土地政策應(yīng)根據(jù)不同地形梯度因地制宜。

遙感；土地利用；地形梯度；大清河；分布指數(shù)

0 引 言

土地是包括地質(zhì)、地貌、土壤、植被、水文與氣候等多種自然要素在內(nèi)的綜合體[1]，土地利用的動態(tài)演變是人與自然共同作用的結(jié)果[2]，表現(xiàn)為土地利用類型在時間或空間上的不斷變化[3]。地形因素是土地利用格局形成的基礎(chǔ)性因素之一[4]，影響了土地利用類型變化的方式與方向[5]。近年來，華北平原建設(shè)用地擠占耕地現(xiàn)象愈加嚴重，林地面積受政策影響波動明顯[6]。大清河流域位于海河流域中部，是京津冀地區(qū)重要生態(tài)屏障：西部太行山地區(qū)是大清河的主要發(fā)源地，地形起伏大，生物分布梯度效應(yīng)明顯，植被保護較好但水土流失現(xiàn)象嚴重；東部屬華北平原，人地矛盾尖銳，生態(tài)環(huán)境復雜且脆弱[7]。

研究表明，在不同的坡度[8]、地表起伏度上[9]，土地利用變化形式呈現(xiàn)明顯的梯度效應(yīng)。近年來，不少學者在地形因子對土地利用類型空間格局的形成與變化上進行了研究，覃金蘭等[10]研究了瑪納斯河流域2000－2018年植被生長變化特征與地形因子間的空間關(guān)系，劉新宇等[11]將遙感數(shù)據(jù)與高程等地形因子疊加分析，對喀納斯自然保護區(qū)的土地利用格局進行研究，孫丕苓等[12]利用多時期影像的圖譜變化信息對環(huán)京津貧困帶土地利用變化進行研究。但這些研究多基于高程、坡度等某個單一地形因子進行研究，具有一定局限性，缺少長時間序列、較大流域范圍內(nèi)土地利用變化規(guī)律與土地利用政策在地形梯度下的綜合研究。對此本文以大清河流域為研究區(qū)，利用Landsat影像進行面向?qū)ο蟮耐恋乩眯畔⑻崛?，將提取結(jié)果與地形起伏度、坡度與地形位等級進行綜合分析，系統(tǒng)研究了大清河流域1974－2019年土地利用類型在地形梯度上的變化規(guī)律，探究了46年來驅(qū)動大清河流域土地利用變化的原因，以期為地區(qū)土地結(jié)構(gòu)調(diào)整與優(yōu)化提供科學依據(jù)。

1 研究區(qū)概況

大清河流域?qū)俸：游宕笾Я髦?，位?8°10′～40°00′N，113°40°～117°00′E之間，地理位置如圖1所示，總面積達43 296 km2，大清河發(fā)源于山西省任丘市，流經(jīng)河北保定、石家莊、廊坊等多地后在天津匯入海河干流注入渤海，其中主體部分位于河北保定市。高程由西北向東南遞減，其中東部平原面積22 946 km2，西部丘陵山區(qū)面積為20 349 km2。有南北2支水系，呈扇形分布。內(nèi)部主要河流包括拒馬河及大清河等，均匯入白洋淀內(nèi)[13]。流域地處溫帶大陸性季風氣候區(qū)，年平均氣溫11.8 ℃，年平均降水量為490.2 mm。西北太行山區(qū)呈“八山一水一分田”，生態(tài)環(huán)境脆弱，農(nóng)耕條件較差，水土流失現(xiàn)象嚴重，成為大清河主要泥沙來源。大清河降水量年內(nèi)分布不均，呈雨熱同期趨勢，東部平原地區(qū)年降水量集中在400～600 m之間，西部山區(qū)年平均降水量僅為390.1 mm。

2 數(shù)據(jù)與方法

2.1 數(shù)據(jù)獲取與處理

研究選用空間分辨率為30 m的ASTER GDEM作為高程數(shù)據(jù)，土地利用數(shù)據(jù)以1974、2001和2019年的Landsat影像為數(shù)據(jù)源，在影像選取過程中主要選用6－9月植被茂盛期遙感影像，并避免極端天氣與云層干擾，并進行輻射定標、大氣校正、幾何糾正等影像預處理工作。

2.2 方 法

2.2.1 面向?qū)ο蟮耐恋乩眯畔⑻崛∨c變化結(jié)構(gòu)

根據(jù)研究區(qū)實際情況，結(jié)合現(xiàn)行土地利用現(xiàn)狀分類標準的分類體系，設(shè)立耕地、林地、草地、水域、建設(shè)用地和未利用地6種地類。首先，利用eCognition將遙感影像分割為若干個分類對象，即若干個互不相交的非空子區(qū)域；之后，通過波段計算得到改進后的歸一化水體指數(shù)（MNDWI）、歸一化植被指數(shù)（NDVI）等特征信息，結(jié)合高程、坡度等地形信息建立適用于大清河流域的決策樹分類模型；最后，根據(jù)面向?qū)ο蟮耐恋乩眯畔⑻崛∫?guī)則進行分類，并結(jié)合少量人工判讀方法，獲取1974、1988、2001和2019年4期的大清河流域土地利用分類結(jié)果。進行精度驗證時，首先在Arcgis軟件中在不同年份的分類結(jié)果中生成500個隨機驗證點，而后對Landsat原始影像的的圖譜信息所體現(xiàn)的地物實際特征進行判讀，可以得到基于人機交互方法的不同年份隨機驗證點數(shù)據(jù)集，經(jīng)過精度檢驗制圖精度均在88.46%以上，平均制圖精度達93.62%。

2.2.2 地形梯度等級劃分

根據(jù)地形因子對土地利用變化影響程度的顯著性，分別從地形起伏度、坡度和地形位分析地形對土地利用類型變化的影響[14]。地形起伏度可以宏觀描述區(qū)域地形變化，直觀反應(yīng)地形起伏特征，通過鄰域計算得到一定范圍內(nèi)高程最大值與最小值的差值[15]。坡度是描述地表單元陡緩的重要指標，是地面高程相對于水平方向的變化，反應(yīng)地形剖面的曲率信息[16]。地形位是復合地形因子，反應(yīng)高程和坡度的綜合影響[17]，公式為

式中為地形位；和分別為坡度(°)與高程（m）；0與0分別為坡度(°)與平均高程（m）。因此，坡度越大、高程越高的區(qū)域則對應(yīng)的地形位數(shù)值越大[18]。

根據(jù)圖1高程與坡度圖，結(jié)合該流域土地利用類型的實際情況，將高程在1 600 m以上的單一類型土地單獨歸為一級，200～1 600 m之間的高程區(qū)，按間隔200 m進行分級。當坡度大于35°時，對土地利用限制作用強烈，為此35°以上單獨歸為一級，35°以下，按間隔5°進行分級，坡度緩、高程低則對應(yīng)的等級較低，坡度陡、高程高則對應(yīng)的等級較高，由此得到1～8級地形位梯度[19]。

2.2.3 地形梯度效應(yīng)

根據(jù)分布指數(shù)（Distribution Index, DI）可以得到不同土地利用類型及結(jié)構(gòu)變化特征在不同地形梯度上的分布特征[14]，公式為

其中DI為分布指數(shù)，A、A分別表示第種地類的總面積（km2）和在第級地形區(qū)的分布面積（km2），A為第級地形區(qū)面積（km2），TA為研究區(qū)面積（km2）。若DI>1，該類型土地在某等級地形中呈優(yōu)勢分布，優(yōu)勢度越大則對應(yīng)的分布指數(shù)越高；若DI<1，呈劣勢分布，優(yōu)勢度越低則對應(yīng)的分布指數(shù)越小[20]。

3 結(jié)果與分析

3.1 土地利用結(jié)構(gòu)變化的地形梯度差異

3.1.1 土地利用結(jié)構(gòu)變化的地形起伏度差異

1974－2019年的4期大清河流域土地利用分類結(jié)果如圖2所示。2019年大清河流域建設(shè)用地在平原地區(qū)呈現(xiàn)“棋盤式”分布，在西部山區(qū)呈不規(guī)則聚集分布，總面積可達6 923 km2。耕地呈現(xiàn)先增后減趨勢，分布在東部、中部平原以及中西部居民點周圍，面積為17 881 km2；水體面積受降水、蒸發(fā)以及下墊面等的綜合影響，最終面積約為979 km2；草地面積多年來基本穩(wěn)定，多分布在耕地、林地周圍，面積約為2 501 km2；林地主要分布在山區(qū)與低山丘陵區(qū)，在前期墾荒與后期保護的雙重影響下，面積為14 868 km2；未利用地區(qū)多分布于東部平原的居民點周圍，面積約為140 km2。

表1為1974－2019年土地利用類型的地形起伏度梯度差異。地形起伏度梯度在0～100 m的區(qū)域主要土地利用類型為耕地、水體、建設(shè)用地和未利用地；地形起伏梯度在100～200 m的區(qū)域主要是林地、草地的優(yōu)勢分布區(qū)；梯度在200 m以上時，水體分布優(yōu)勢增大。林地主要集中在高起伏度區(qū)域。耕地在0～100 m的地形起伏度中占比由80.93%升至93.86%，一方面原因是在耕地在大清河流域被建設(shè)用地不斷擠占，導致耕地總面積減??；一方面是由于對于生態(tài)環(huán)境的保護，在較高地形起伏度的耕地不適宜大規(guī)模發(fā)展農(nóng)業(yè)故而被林地取代。建設(shè)用地的面積是單向遞增的，年增長速度約為5.83%，為了保證糧食安全，建設(shè)面積的擴張不能無限度的擠占耕地，因此不得不向在較高地形起伏度的區(qū)域擴張，在0～100 m的地形起伏度的面積比例由原來的94.01%降至88.84%而在較高地形起伏度中面積分布上升。

表1 1974－2019年土地利用類型的地形起伏度梯度差異

3.1.2 土地利用結(jié)構(gòu)變化的坡度變率梯度差異

如表2所示，大清河流域土地利用類型坡度變化率梯度差異明顯，土地利用類型變化主要分布在0°～15°區(qū)域。耕地、水域、建設(shè)用地、草地均在坡度變化率在0°～2°的梯度范圍內(nèi)具有分布優(yōu)勢；林地在坡度>6°的梯度范圍分布優(yōu)勢逐漸加大，且在>35°時達到最大值2.50；草地的優(yōu)勢分布區(qū)從1974年的0°～6°變化為2019年的6°～35°以上的梯度區(qū)域。

表2 1974－2019年土地利用類型的坡度變化梯度差異

1974－2019年，除草地外，各土地利用類型所占面積比例差異不大，隨著坡度的逐漸增大，建設(shè)用地、裸地、水域的所占比例不斷減小，耕地、草地、林地的比例先增大后減小。耕地、林地的減少主要表現(xiàn)在坡度在0°～15°范圍內(nèi)，而建設(shè)用地的大量增加則主要表現(xiàn)在0°～2°范圍內(nèi)，36年間在該流域建設(shè)用地增加10 295 km2，耕地、林地面積分別減小2 278、6 264 km2。

3.1.3 土地利用結(jié)構(gòu)變化的地形位梯度差異

土地類型對土地的高程與坡度具有選擇性，不同地形位等級下的土地利用梯度差異如表3所示。

表3 1974－2019年大清河流域土地利用類型地形位梯度差異

1974－2019年耕地分布指數(shù)隨地形位等級變化差異顯著，在1974年，耕地的優(yōu)勢分布區(qū)主要集中在地形位為1～2級的土地，即東部平原地區(qū)，由于人口的不斷增加以及生產(chǎn)力水平的提高，在2019年時復雜地形條件下也存在開荒現(xiàn)象；林地的優(yōu)勢分布區(qū)主要在3～8級，分布指數(shù)隨著地形位等級的不斷提高而增大，且在低地形位等級的土地中分布指數(shù)存在減小趨勢；草地的分布變化顯著，在1974年草地的優(yōu)勢分布區(qū)在地形位1～2級的平原地區(qū)，后隨著經(jīng)濟發(fā)展，山區(qū)林地退化現(xiàn)象頻發(fā)，草地的優(yōu)勢分布區(qū)向高地形位等級不斷擴展直至3～8級；由于水體的向下指向性使得水域的優(yōu)勢分布區(qū)主要集中在低地形位區(qū)域，為了防止洪澇災害的產(chǎn)生，上游崗南水庫等大中型水庫增加庫容使得水域的分布指數(shù)在高地形位區(qū)域顯著提高；隨著城鎮(zhèn)化的推進，較1974年，建設(shè)用在地形梯度上分布差異增大，1～2級的優(yōu)勢區(qū)域向上擴展至1～3級地形位；未利用地的分布則變得更加分散，在2～8級地形位內(nèi)的未利用地均呈現(xiàn)增大趨勢。

3.2 土地利用結(jié)構(gòu)變化的地形梯度效應(yīng)

根據(jù)空間分析可知，1974－2019大清河流域土地利用結(jié)構(gòu)變化信息如圖3所示，大清河流域土地利用結(jié)構(gòu)變化地形梯度差異明顯，其中，保持恒定的結(jié)構(gòu)變化分布范圍最廣，約為23 167 km2，占整個流域面積的53.60%，其主要以“林地-林地-林地-林地”與“耕地-耕地-耕地-耕地”兩種恒定型變化模式為主，即研究區(qū)內(nèi)林地與耕地兩種土地利用類型分別在山區(qū)與平原占主導地位。后期變化型結(jié)構(gòu)變化面積為5 660 km2，約占總面積的13.10%，主要以“耕地-耕地-耕地-建設(shè)用地”為主；前期變化型結(jié)構(gòu)變化與中間過渡型結(jié)構(gòu)變化分別占到研究區(qū)總面積的7.52%、7.46%，多表現(xiàn)為林地與耕地的相互轉(zhuǎn)化，即“林地-耕地-耕地-耕地”與“林地-耕地-耕地-林地”。

1974－2019年，大清河流域建設(shè)用地由聚集性分布變化為“棋盤式”分布[21]，面積由最初509 km2增長至6 923 km2，與此相對應(yīng)的耕地與林地則分別減少了1 884 、3 881 km2。1974－1988年，人口的增長使人們不得不大規(guī)模墾荒，主要是將太行山麓丘陵地區(qū)的水土肥力較好的林地開墾為耕地，墾荒面積約為3 391 km2；2001年后，基于生態(tài)環(huán)境的考慮在中西部早期開墾的耕地中分別有3 477 、1 485 km2的耕地變?yōu)榱值嘏c草地。

基于面向?qū)ο蟮倪b感影像分類得到1974－2019年的4期大清河流域土地利用圖，根據(jù)研究區(qū)土地利用結(jié)構(gòu)變化變化特征，將其劃分為3個研究時期分別為：1874－1988年、1988－2001年以及2001－2019年，8種類型的結(jié)構(gòu)變化變化模式如表4所示。

表4 土地利用結(jié)構(gòu)變化類型

3.2.1 土地利用結(jié)構(gòu)變化的地形起伏梯度效應(yīng)

由表5可知，隨著地形起伏度的增大，持續(xù)變化型、后期恒定型、前期變化型、中間過渡型的結(jié)構(gòu)變化具有相似的變化趨勢，分布指數(shù)先減小后增大，優(yōu)勢分布區(qū)主要集中在0～100 m與＞400 m的地區(qū)；反復變化型、后期變化型與保持恒定型的分布指數(shù)均表現(xiàn)為先增大后減小，其最大值分布在100～300 m的地形梯度間；僅有交替變化型的分布指數(shù)隨地形起伏度增大而不斷減小。

土地利用類型與地形起伏度關(guān)系密切，在0～100 m的地形起伏度中“耕地-耕地-耕地-耕地”“耕地-耕地-耕地-建設(shè)用地”2種變化類型分布最廣，地形起伏度小的區(qū)域適宜農(nóng)業(yè)結(jié)構(gòu)調(diào)整與城鎮(zhèn)化的推行；200～300 m之間屬草地、林地、耕地、建設(shè)用地混合區(qū)域，是“林地-耕地-耕地-林地”“耕地-耕地-建設(shè)用地-建設(shè)用地”等變化類型的優(yōu)勢分布區(qū)；當?shù)匦纹鸱仍?00～400 m范圍內(nèi)時，林地、草地分布優(yōu)勢逐漸占優(yōu)“未利用地-草地-草地-草地”與“草地-林地-林地-林地”面積最大；在>400 m的地形起伏度區(qū)域，林地分布占據(jù)主導優(yōu)勢“林地-林地-林地-林地”面積占比最大。

3.2.2 土地利用結(jié)構(gòu)變化的坡度變率梯度效應(yīng)

由表5可知，隨著坡度的增大，持續(xù)變化型、后期恒定型、交替變化型、前期變化型與中間過渡型的分布指數(shù)變化趨勢基本一致，呈現(xiàn)先增大后減小的的分布特點，分布指數(shù)的最大值分別出現(xiàn)在6°～15°與2°～6°的坡度等級；而反復變化型的分布指數(shù)隨著坡度的增大呈現(xiàn)波動下降的趨勢，該類型存在2個優(yōu)勢分布區(qū)，即0°～2°與6°～15°、15°～25°。后期變化型分布指數(shù)持續(xù)減?。槐３趾愣ㄐ头植贾笖?shù)先減小后增大，其優(yōu)勢分布區(qū)主要分布在>15°的坡度區(qū)域。

表5 分布指數(shù)在土地利用結(jié)構(gòu)變化類型的地形梯度差異

由此可知，在0°～6°的坡度區(qū)域內(nèi)，地面較為平坦，有利于建設(shè)用地的擴張以及農(nóng)業(yè)耕地擴展，建設(shè)用地與耕地的矛盾日益突出，在2001年后建設(shè)用地擠占耕地約4 809 km2；在6°～15°的坡度區(qū)域內(nèi)，在2001年之前耕地以單向流入為主多表現(xiàn)為“林地-耕地-耕地-耕地”，在2001年之后則變?yōu)殡p向流轉(zhuǎn)多表現(xiàn)為“未利用地-耕地-耕地-建設(shè)用地”“林地-耕地-耕地-林地”；在>15°的坡度區(qū)域內(nèi)主要表現(xiàn)為草地與林地的流轉(zhuǎn)：“草地-林地-林地-林地”，以及林地的保持：“林地-林地-林地-林地”。

3.2.3 土地利用結(jié)構(gòu)變化的地形位梯度效應(yīng)

由圖4可知，隨著地形位等級的增大，持續(xù)變化型、后期恒定型、交替變化型與反復變化型結(jié)構(gòu)變化信息有相似的變化趨勢，其分布指數(shù)先增大后減小，且優(yōu)勢分布區(qū)多集中在2～4級地形位區(qū)域；前期變化型與中間過渡型的分布指數(shù)隨地形位等級增大而逐漸減小，在1～2級地形位呈現(xiàn)分布優(yōu)勢；后期變化型結(jié)構(gòu)變化分布指數(shù)呈現(xiàn)波動下降趨勢，在1～4級地形位存在分布優(yōu)勢；保持恒定型的分布指數(shù)持續(xù)增大，其優(yōu)勢分布區(qū)在4～8級地形位區(qū)域。

根據(jù)圖4中大清河流域的土地利用類型在地形位梯度上的分布特征可知，保持恒定型結(jié)構(gòu)變化在1～4級的平原地區(qū)主要表現(xiàn)為“耕地-耕地-耕地-耕地”且在地形位等級為1的區(qū)域分布指數(shù)最大，在5～8級的山地中“林地-林地-林地-林地”具有顯著的分布優(yōu)勢，說明在人為擾動較小的山區(qū)內(nèi)，林地在該區(qū)域的土地利用類型中占主導地位；在1974－2019年間共有7 855 km2的耕地轉(zhuǎn)化為建設(shè)用地，由于建設(shè)用地流轉(zhuǎn)具有單向性，在不同的類型中表現(xiàn)為：“耕地-耕地-耕地-建設(shè)用地”、“耕地-耕地-建設(shè)用地-建設(shè)用地”和“耕地-建設(shè)用地-建設(shè)用地-建設(shè)用地”。這三種分布分別成為后期變化型、中間過渡型、前期變化型中面積最大的變化模式，其優(yōu)勢分布區(qū)集中在1～2級地形位區(qū)域。

4 土地利用類型變化驅(qū)動力分析

土地利用類型的變化是一個復雜且特殊的過程，受到多種因素的影響，而人口、經(jīng)濟與政策對其影響尤為突出，通過對1974－2019年大清河流域土地利用類型變化的驅(qū)動力進行研究，以期實現(xiàn)土地資源的可持續(xù)發(fā)展。

4.1 人口對土地利用類型變化的影響

人口作為社會經(jīng)濟的重要考量因素之一，截至2019年京津冀地區(qū)城鎮(zhèn)化率由31.85%升至66.7%，如圖5所示，城鎮(zhèn)化過程中大批的農(nóng)村人口進城務(wù)工的同時也間接導致了耕地撂荒，以河北為例，第一產(chǎn)業(yè)占GDP總量由1988年的24.7%下降到2019年的9.3%[22-23]，僅在大清河流域就有648 km2的耕地退化為草地與未利用地[24]。

在隨著城鎮(zhèn)人口的不斷增加對土地的需求愈發(fā)迫切，在土地性質(zhì)變化的地區(qū)又以“耕地-耕地-建設(shè)用地-建設(shè)用地”“耕地-耕地-耕地-建設(shè)用地”2種最多，1988年后城市建設(shè)用地面積以5%的速度擴張，累計占耕地約3 727 km2耕地成為建設(shè)用地擴張的最主要來源，土地利用結(jié)構(gòu)不合理性加劇，建設(shè)用地對耕地侵占速度加快，在低地形位等級中建設(shè)用地“攤大餅式”擴張問題突出，耕地與建設(shè)用地矛盾尖銳。

4.2 經(jīng)濟對土地利用類型變化的影響

京津冀城市群成為中國經(jīng)濟發(fā)展的動力源之一，地區(qū)GDP年增長率約為11.33%，截止到2019年，總量已達8.45萬億元約占全國總量的8.52%，京津冀協(xié)同發(fā)展成效顯著。如圖5所示，河北省經(jīng)濟發(fā)展較北京、天津略有遜色，但15.4%的人均GDP高速增長率大于京津地區(qū)的10.0%與12.6%。46年間在大清河內(nèi)部京津冀建設(shè)用地的平均增速分別為5.12%，5.74%，4.82%。由此可知人均GDP對建設(shè)用地的擴張具有顯著影響[25]。但早期河北為實現(xiàn)短期內(nèi)經(jīng)濟快速發(fā)展，高耗能、低端型產(chǎn)業(yè)較多，建設(shè)用地規(guī)模超出《規(guī)劃綱要》9.9萬hm2，與經(jīng)濟發(fā)達地區(qū)相比，大清河流域土地容積率較低，產(chǎn)業(yè)聚集能力較弱[26]，早期不合理土地結(jié)構(gòu)規(guī)劃又成為后期經(jīng)濟發(fā)展的桎梏。

4.3 政策調(diào)整對土地利用類型變化的影響

政府決策對于土地具有強制約束性，1978年以來家庭聯(lián)產(chǎn)承包責任制的實行，極大的調(diào)動了農(nóng)民的生產(chǎn)積極性，使得農(nóng)民收入快速提高[26]。在1988年之前耕地單向遞增，耕地年增長速度為347.57 km2/a。截至1988年，耕地單向遞增，年增長速度為347.57 km2，毀林面積達4 866 km2，1988年后三北防護林的建設(shè)以及退耕還林還草戰(zhàn)略的實施使得在較高地形的林地面積開始增加，并不斷向低地形位等級區(qū)域擴張，太行山森林覆蓋率達到28.1%[27]。

綜合考慮大清河流域土地利用變化的的梯度效應(yīng)，在下一階段的發(fā)展中應(yīng)做到“因地制宜”[28]：低地形位等級的平原地區(qū)是耕地與建設(shè)用地的聚集區(qū)域，同時也是土地政策調(diào)整的關(guān)鍵區(qū)[29-30]，為緩和“人地矛盾”應(yīng)當調(diào)整土地規(guī)劃布局，減緩建設(shè)用地侵占耕地速度，優(yōu)化城鄉(xiāng)建設(shè)用地規(guī)模與結(jié)構(gòu)，合理規(guī)劃城鎮(zhèn)邊界，促進土地集約發(fā)展[31]；在太行山麓中低地形位等級的山區(qū)坡地是水土流失的重點區(qū)域，應(yīng)加強三北防護林建設(shè)以及“退耕還林還草”的有序?qū)嵤?；在中高地形位等級與高地形位等級的太行山區(qū)應(yīng)嚴格限制耕地的規(guī)模，設(shè)立自然保護區(qū)，注重生態(tài)效益的發(fā)展[32]。

5 結(jié) 論

基于1974－2019年大清河流域4期土地利用類型圖與ASTER DGEM數(shù)據(jù)，結(jié)合研究區(qū)坡度、地形起伏度與地形位因子，對該地區(qū)的土地利用類型變化與土地利用結(jié)構(gòu)變化在地形梯度上的分布特征進行分，結(jié)論如下：

1）1974－2019年大清河流域土地利用類型分布具有顯著的地形梯度。建設(shè)用地、耕地與水體在低地形梯度地區(qū)分布優(yōu)勢明顯，草地的優(yōu)勢分布區(qū)則在中、高地形梯度地區(qū)，林地的優(yōu)勢分布區(qū)多集中在高地形梯度區(qū)域。

2）大清河地區(qū)土地利用結(jié)構(gòu)變化類型主要包括保持恒定與后期變化2種。其中保持恒定型主要以低地形梯度地區(qū)的耕地與高地形梯度的林地為主；后期變化型廣泛分布于中高、中低地形梯度地區(qū)，1988年后，耕地的優(yōu)勢分布區(qū)呈現(xiàn)向更高的地形梯度區(qū)域擴張的趨勢，因為“退耕還林還草”戰(zhàn)略的實施，林地的優(yōu)勢分布區(qū)呈現(xiàn)下移趨勢，耕地由單向轉(zhuǎn)入演變?yōu)殡p向流轉(zhuǎn)。

3）由于人口的增長與降水減少等原因，在1974－1988年間大清河流域僅太行山麓毀林墾荒達3 391 km2，1988年后由于城市面積以5%的速度擴張導致建設(shè)用地侵占耕地約3 727 km2，“人地矛盾”日趨尖銳，大清河流域建設(shè)用地總體設(shè)計不合理、集約化程度不高等問題逐漸顯著。

未來土地政策應(yīng)根據(jù)不同地形梯度作到因地制宜，在低地形位區(qū)域重點減緩建設(shè)用地對耕地的侵占速度，通過優(yōu)化土地結(jié)構(gòu)促進土地集約發(fā)展；在中低地形位區(qū)域推進三北防護林建設(shè)；在高地形區(qū)域嚴格限制建設(shè)用地與耕地規(guī)模設(shè)立生態(tài)保護區(qū)，加強生態(tài)效益建設(shè)。

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Analysis of terrain gradient effects of land use change in Daqing River Basin

Li Shuo1,2, Shen Zhanfeng1,3, Liu Kejian4※, Xu Zeyu1,3, Wang Haoyu1,3, Jiao Shuhui1,3, Liu Xiangchen1,3, Lei Yating1,3

(1.,,100101,; 2.,100049,; 3.,100049,; 4.,,100038,)

Dynamic evolution of land use is manifested in the continuous change of land use types in time or space. Previous studies reported that the land use type changes with terrain slope and surface undulation, showing an obvious gradient. Taking the Daqing River Basin of China as the research area, this study aims to analyze the terrain gradient of land use change using Landsat images in 1974, 1988, 2001, and 2019. The map of land use type was obtained in different periods using the object-oriented and the decision tree classification combined with a small amount of manual interpretation. The changing pattern of land use types was investigated in the topographic gradient, including the topographic undulation, slope, and topographic level. The driving forces were determined for the changes in the land use structure from the views of natural conditions, social economy, and government decision-making. The results are as follows. 1) There was a significant topographic gradient distribution of land use types. Construction land, arable land, and water bodies exhibited obvious advantages in low terrain gradient areas. The dominant distribution of grassland was in the middle and high terrain gradient areas, while that of forest land was mostly concentrated in high terrain gradient areas. 2) Two types included for the changed land use: the keeping-constant type and the changing-later type. The keeping-constant type included mainly cultivated land with low terrain gradient, and the forest land with high terrain gradient, whereas, the changing-later type distributed widely in middle-high and middle-low terrain gradient areas. The condition for the construction land that occupied farmland was becoming much more serious, while the dominant distribution of cultivated land had been expanding to higher terrain gradient areas. There was a downward trend in the dominant distribution of forest land, whereas, the cultivated land evolved from one-way transfer to two-way transfer, due mainly to the strategy implementation of the Returning Farmland to Forests and Grassland. 3) Large areas of land reclamation occurred in the foothills of Taihang Mountains during the economic backwardness period, due to the dual effects of the continuous decrease in precipitation and population growth. The cultivated land was converting into construction land, forest land, and grassland with the coordinated development in the Beijing-Tianjin-Hebei region. The contradiction between cultivated land and construction land was becoming increasingly sharp with the implementation of cultivated land protection policy. 4) Rational measures were needed for local conditions in the next stage of development. The plain areas with low topographic levels were for the cultivated land and construction land. Therefore, the speed that construction land encroached on cultivated land should be slowed, while the scale and structure of urban/rural construction land should be optimized to promote land-intensive development. The primary areas of soil erosion were concentrated in the sloping fields at the middle and low terrain levels in the foothills of Taihang Mountains, where the implementation of the Three-North Forest Protection Project and the Returning Farmland to Forests and Grassland needed to be strengthened. The scale of cultivated land should be strictly restricted in those medium and high terrain level mountainous areas. Simultaneously, nature reserves should be established under adequate consideration of ecological benefits. The finding can provide a scientific basis for the adjustment and optimization of the regional land structure.

remote sensing; land use; terrain gradient; Daqing River; distribution index

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2020-12-01

2021-01-15

國家重點研發(fā)計劃項目（2017YFB0504204，2018YFB0505000）；高分辨率對地觀測系統(tǒng)重大專項（GFZX0404130307）；國家自然科學基金（41971375，41671034）；2018年新疆維吾爾族自治區(qū)柔性引進人才資助

李碩，研究方向為遙感信息提取。Email：lishuo191@mails.ucas.ac.cn

劉克儉，博士，副研究員，研究方向為公安遙感技術(shù)與應(yīng)用。Email：liukejian@ppsuc.edu.cn

10.11975/j.issn.1002-6819.2021.05.032

TP79

A

1002-6819(2021)-05-0275-10