洛陽市偃師區(qū)不同坡度帶用地類型分布研究

李中原，王國重，張繼宇，程煥玲，楊 丹，高鏡清

（1.河南省水文水資源局，鄭州 450003；2.黃河水文水資源科學研究院，鄭州 450004；3.河南黃河河務(wù)局，鄭州 450003；4.河南省水土保持監(jiān)測總站，鄭州 450008；5.河南省周口水文水資源勘測局，河南 周口 466000；6.鄭州大學生態(tài)與環(huán)境學院，鄭州 450001）

坡度是土地資源固有的重要環(huán)境因子，對用地類型分布與土地生產(chǎn)力發(fā)揮都有著直接的影響［1］。郭漩等［2］對河南省伊洛河流域8 個縣域坡度與用地類型的關(guān)系進行了研究，認為坡度與土地利用等因素的關(guān)系密切；李君潔等［3］對太行山區(qū)坡度與用地格局變化的研究也表明坡度是地學要素多樣性格局的重要影響因素；胡榮明等［4］研究了坡度對土地利用/覆被變化的影響，認為坡度因素對土地利用格局的演變具有控制作用；馬士彬等［5］分析了都勻市土地利用與坡度因子間的關(guān)系，發(fā)現(xiàn)土地利用程度與坡度存在負相關(guān)；陳見影等［6］以秦莊溝流域為例分析了用地類型空間分布與地形因子的關(guān)系，認為不同地類分布與地形因子關(guān)系密切并有一定的規(guī)律性；邵懷勇等［7］分析了三峽庫區(qū)不同坡度帶的土地利用格局，發(fā)現(xiàn)隨著坡度的增加，用地類型的多樣性指數(shù)逐漸降低；寧文怡等［8］以巴馬縣為例研究了地形因素對用地類型空間分布的影響；劉德林等［9］根據(jù)因地制宜、合理配置資源的原則分析了上黃小流域1982—2008 年用地類型隨坡度的分布變化；王娜娜等［10］基于重慶市北碚區(qū)的DEM 和2015 年的土地利用數(shù)據(jù)，分析了坡度等因子作用下土地利用格局的分異特征；周愛霞等［11］根據(jù)解譯衛(wèi)星遙感影像數(shù)據(jù)和GIS 軟件對大寧河流域坡度對土地利用/覆蓋變化的影響。

Landsat8 衛(wèi)星影像攜帶的陸地成像儀傳感器收窄了原全色波段的光譜范圍，更容易區(qū)分植被與非植被［12］；陸地成像儀傳感器各波段信噪比ETM+對應(yīng)波段高3 倍，輻射分辨率為12 bit，消除了極亮（暗）區(qū)灰度過飽和現(xiàn)象，可以更好地顯示這些地方的具體信息，在性能與可靠度方面都優(yōu)于ETM+影像［13］。偃師區(qū)屬洛陽市管轄，根據(jù)其2016 年Landsat8 影像和DEM 數(shù)據(jù)研究偃師區(qū)不同坡度帶用地類型分布情況，可以為該市土地利用、水土保持規(guī)劃提供依據(jù)。

1 研究區(qū)概況

偃師區(qū)地處洛陽市東，東鄰鞏義市西接洛龍區(qū)和孟津區(qū)，南倚嵩山，北與孟州市相隔黃河，地理坐標介于東經(jīng)112°26′15″—113°00′00″、北緯 34°27′30″—34°50′00″。地勢南北高中間低，地貌景觀大致為槽形，地表形態(tài)大體可分成山地、丘陵、坡地、平原4類［14］。氣候上屬暖溫帶大陸性季風區(qū)，年平均氣溫為14.2 ℃、無霜期211 d，全年日照時數(shù)2 248.3 h、年均降水量500～600 mm。

2 數(shù)據(jù)來源與研究方法

2.1 數(shù)據(jù)來源與處理

所用Landsat8 衛(wèi)星數(shù)據(jù)為偃師區(qū)2016 年9 月23日的影像，云量為2.36%，投影坐標系是WGS1984-UTM49N。借助ENVI 軟件對該影像進行輻射定標、大氣校正；用矢量格式的偃師市邊界圖（坐標系為GCS WGS1984）用以裁剪遙感影像，在ArcGIS 中將邊界圖坐標系轉(zhuǎn)換成WGS1984UTM49N，再在ENVI中用轉(zhuǎn)換后的邊界圖裁剪柵格格式的影像數(shù)據(jù)，得到偃師區(qū)遙感影像，然后采用支持向量機、最大似然法進行分類，將用地分成耕地、林地、草地、水域、建設(shè)用地。最大似然法的分類精度略高于支持向量機，故采用該法的分類結(jié)果。

所用DEM 數(shù)據(jù)來自90 m 分辨率的SRTM 數(shù)字高程模型，通過ArcGIS 軟件經(jīng)坐標轉(zhuǎn)換、坡度生成、坡度分級等操作形成坡度分級圖。再在ArcGIS 中將生成的土地利用分類結(jié)果與坡度分級圖進行坐標轉(zhuǎn)換，將其坐標統(tǒng)一為CGCS2000：3DegreeGKzone 38，然后將兩者矢量化后進行疊加，就得到了坡度與用地類型疊加結(jié)果，如圖1 所示。通過ArcGIS 的面積統(tǒng)計工具可以得到不同坡度帶、各類用地的面積。

圖1 偃師區(qū)不同坡度帶土地利用分類結(jié)果

2.2 坡度與各類用地分布

結(jié)合耕地分級標準［15］、林地分級標準［16］，將偃師區(qū)地面坡度分為 7 級：≤2°、2°～6°、6°～15°、15°～25°、25°～35°、35°～45°、＞45°，通過ArcGIS 軟件，統(tǒng)計出各級坡度帶占總面積的比例分別為52.473%、22.362%、15.527%、7.477%、1.893%、0.239%、0.029%，偃師區(qū)地面坡度分布較為理想，坡度不超過2°的面積 占 總 面 積 的 52.473%，6° 以 下 面 積 占 比 達74.835%，90.362%的土地面積坡度在15°以下，坡度超過25°的面積僅占2.161%。說明偃師區(qū)是適宜人類居住、生活的理想?yún)^(qū)域。偃師區(qū)各類用地中耕地占了總面積的55.567%，其次是建設(shè)用地、林地、草地、水域，其占比分別是17.402%、13.297%、9.919%、3.815%。這與其坡度較緩、各級坡度分布較為理想、適宜人類居住相適應(yīng)。

2.3 用地類型多樣性指數(shù)

用地類型多樣性指數(shù)是用來描述區(qū)域內(nèi)各類用地的齊全程度與總體結(jié)構(gòu)的重要參數(shù)，常采用吉布斯-馬丁多樣化指數(shù)來計算，公式如下［17］。

公式（1）中，GM表示多樣性指數(shù)；ai代表第i類用地類型的面積。由該式可以看出，若只有1 種用地類型，GM就為0；如果研究區(qū)內(nèi)存在多種用地類型，發(fā)展規(guī)模越均衡，則GM值越接近 1［18］。

3 結(jié)果與分析

3.1 不同坡度帶用地類型分布特征

偃師區(qū)不同坡度帶各類用地面積占總面積的百分比如圖2 所示。從圖2 可知，≤2°的坡度中耕地面積占總面積比例33.82%，其次是建設(shè)用地13.16%、草地2.71%、水域2.61%，林地占比最少僅占0.26%；2°～6°坡度中也是耕地占比最大15.24%，其次是建設(shè)用地、草地，占比分別是3.12%、2.34%，水域面積占比僅有0.7%；6°～15°坡度帶內(nèi)耕地、林地、草地面積所占比例分別為6.10%、4.92%、3.47%，建設(shè)用地、水域面積的占比相對較小，分別是0.66%、0.38%；15°～25°坡度中林、草地面積占比分別是5.39%、1.24%，耕地、建設(shè)用地、水域所占比例較小，分別是0.52%、0.22%、0.12%；25°～35°坡度帶內(nèi)林地所占面積比例最大1.52%，其他用地類比例較小，分別是草地0.23%、建設(shè)用地0.09%、耕地0.04%、水域0.01%；35°～45°帶內(nèi)主要地類是林地與草地，占比分別為0.21%、0.02%，其他用地面積之和占比僅為0.01%；＞45°坡度帶內(nèi)主要地類為林地，占比0.03%，其次是草地，所占比例為0.001%。

圖2 不同坡度帶各用地類型面積

通過對各坡度帶內(nèi)不同用地類型分布分析，不難發(fā)現(xiàn)，偃師區(qū)用地類型主要分布在≤15°坡度內(nèi)，各類用地面積之和占總面積的比例超過90%，其中耕地面積占總面積的55.16%，其次是建設(shè)用地、草地、林地、水域，分別占總面積的16.94%、8.52%、6.14%、3.59%；＞15°坡度內(nèi)主要以林地、草地為主，其次為耕地、建設(shè)用地、水域，各類用地面積之和在總面積中的占比不足10%。隨著坡度的增加耕地類型在各坡度帶的主導地位逐漸降低，取而代之的是林地與草地，可見坡度是影響用地類型分布的重要因素［19，20］。

3.2 各類用地隨坡度變化規(guī)律

申懷飛等［21］基于DEM 數(shù)據(jù)，研究了豫西黃河流域用地類型隨坡度的變化，發(fā)現(xiàn)各類用地空間分布隨坡度的變化具有明顯的特點。鄒愛平等［22］的研究也表明，不同坡度帶內(nèi)的用地類型結(jié)構(gòu)變化存在較大差異。偃師區(qū)各類用地面積（以用地面積占總面積的百分比表示）隨坡度的變化如圖3 所示。

圖3 各類用地分布隨坡度的變化

圖3 中，耕地面積占總面積的比例隨著坡度的增大逐漸減小，≤2°、2°～6°、6°～15°坡度內(nèi)分布的各類用地中都是耕地面積所占比例最大，分別為總面積的33.82%、15.24%、6.10%，超過15°以后其優(yōu)勢地位逐漸被別的用地取代；與耕地相反，林地的優(yōu)勢隨著坡度的增加逐漸凸顯，在≤6°坡度內(nèi)其面積占比低于建設(shè)用地、草地，6°～15°坡度內(nèi)其面積分布已明顯超越二者，僅次于耕地，＞15°坡度后林地面積占據(jù)了主導地位；草地面積分布在≤6°坡度內(nèi)低于耕地、建設(shè)用地，6°～15°坡度時超越建設(shè)用地，＞15°坡度后成為僅次于林地的優(yōu)勢地類；建設(shè)用地分布在≤6°坡度內(nèi)僅次于耕地，其面積占總面積的比例分別為13.16%、3.12%，＞6°坡度后其優(yōu)勢地位逐漸被林地、草地取代；水域面積主要分布在＜35°坡度內(nèi)，而且隨坡度增大逐漸減小，≤2°、2°～6°、6°～15°、15°～25°、25°～35°坡度內(nèi)其面積占比分別是 2.51%、0.7%、0.38%、0.12%、0.01%。

3.3 用地類型多樣性變化趨勢

利用公式（1）可以得到偃師區(qū)不同坡度帶內(nèi)用地類型的多樣性指數(shù)（圖4）。從圖4 可知，用地類型多樣性指數(shù)隨坡度增加呈先降低再增加之后持續(xù)降低的變化趨勢：≤2°到2°～6°坡度，其多樣性指數(shù)從0.516 6 降到 0.502 4，6°～15°坡度內(nèi)多樣性指數(shù)到達最大，為 0.692 9，之后不斷降低，15°～25°、25°～35°、35°～45°、＞45°坡度帶的用地類型多樣性指數(shù)依次為0.447 8、0.339 7、0.197 8、0.068 9。

圖4 不同坡度帶用地類型多樣性

變化趨勢表明，坡度＜15°范圍尤其是 6°～15°坡度帶是適宜人類居住與活動的主要區(qū)域，用地類型齊全、各類用地分布較為合理；隨著坡度的增加，人類活動的強度逐漸減弱，用地面積也表現(xiàn)為以林地、草地為主，耕地、水域、建設(shè)用地等用地類型逐漸消失，導致用地類型多樣性指數(shù)降低。

4 小結(jié)與討論

4.1 討論

卓靜等［23］對延安市寶塔區(qū)用地類型變化及坡度分異特征進行分析，認為該地區(qū)對大于25°的坡地進行坡改梯、超過35°的坡地退耕還林還草，成效顯著；張金池等［24］對上舍河小流域不同用地類型實測降雨土壤侵蝕量的坡度效應(yīng)進行了研究，發(fā)現(xiàn)坡耕地內(nèi)的徑流量與侵蝕模數(shù)隨坡度的增大而增加，而林地內(nèi)的徑流量與徑流侵蝕模數(shù)卻隨坡度的增加而降低；唐建等［25］的研究表明，用地類型和坡度分布對土壤有機質(zhì)含量有顯著影響。偃師區(qū)從2006年就開始了小流域生態(tài)清潔治理，通過退耕還林還草、坡改梯工程，實現(xiàn)了用地類型隨坡度合理分布，不僅降低了水土流失、增加了土壤有機質(zhì)含量，也使人民生活水平日益得到改善，其經(jīng)驗值得借鑒與推廣。

4.2 小結(jié)

1）坡度在15°以下的土地面積占總面積的90.36%，其中耕地分布比例是55.16%，林地為6.14%、草地8.52%、建設(shè)用地16.94%、水域3.60%；在25°以下的土地面積占總面積的97.84%，這種坡度與用地類型分布非常適宜人類居住、生活。

2）各類用地受6°、15°、35°坡度影響較大。坡度≤6°范圍內(nèi)，草地面積低于建設(shè)用地，坡度＞6°后，草地面積占比就會大于建設(shè)用地；坡度＜15°范圍內(nèi)耕地面積占據(jù)主導地位，＞15°坡度范圍則是林地、草地面積占據(jù)支配地位；坡度＞35°范圍內(nèi)，耕地、水域沒有面積分布，建設(shè)用地也鮮有分布。

3）6°～15°坡度帶是人類居住與活動的主要區(qū)域，用地結(jié)構(gòu)較為合理，用地類型多樣性指數(shù)達最大。

根據(jù)坡度合理布局用地類型、堅持退耕還林還草、實施坡改梯、營造水保林等措施，洛陽市偃師區(qū)的水土流失可以得到有效遏制，土壤養(yǎng)分含量提高，人民生活水平也日益改善。