豫西黃河流域土地利用空間格局地形梯度特征分析

申懷飛，吳國璽，丁圣彥

(1．許昌學院 城市與環境學院，河南許昌461000;2．河南大學 環境與規劃學院，河南開封475004)

土地利用是自然基礎上人類活動的直接反映，是人類有目的地開發利用土地資源的一切活動。土地利用/土地覆蓋(LUCC)是由各土地類型的斑塊組成，具有顯著的空間特點和時間特點。通過對其空間格局分析可以把土地利用的空間特征與時間過程緊密聯系起來，從而更好分析土地利用的時空演變規律，同時也有助于了解各土地類型要素的形狀、大小、數量和空間組合;分析影響物種分布、動物遷徙、河流徑流和土壤侵蝕等生態過程和邊緣效應，探討土地利用空間格局與地理生態過程的關系［1-8］。土地利用格局受自然環境的限制與人類活動的干預而發生變化，開展土地利用格局研究，了解其成因機制，是理解人類社會與自然環境相互關系的重要途徑，對于大尺度區域生態環境現狀評價及發展趨勢分析也是十分有效的手段［9-12］。

地形因子作為影響土地利用空間格局形成及其變化的重要因子，受到學術界的高度重視。通過分析土地利用格局變化及其與地形因子之間的相互關系，可以探討土地利用空間格局及其變化的地形梯度特征，目前該方面的相關研究更多的是討論地形梯度與土地利用變化的關系［13-17］，而分析其與土地利用空間格局間相互關系的研究相對較少。黃河流域因其地理位置的獨特性和重要性，歷來受到學術界的關注，成為各學科研究的熱點，地理學界和生態學界也進行了許多卓有成效的研究。在前人研究工作的基礎上，利用河南省土地利用現狀數據、2003—2009年河南省土地變更調查數據和DEM數據，對2009年豫西黃河流域土地利用空間格局地形梯度特征進行深入地研究，從而為該區域的土地資源管理及規劃、生態環境保護、社會經濟發展等提供科學決策支持。

1 研究區概況

研究區位于黃河中下游地區，河南省的西部，界于33°32'54″N ～ 35°21'37″N，110°20'48″E ～ 114°15'52″E，東西長357．98 km，南北寬202．20 km，總面積38 517．40 km2，占河南省土地總面積的23．87%。研究區地處我國第二階梯和第三階梯的過渡地帶，地形復雜，山地、丘陵與平原分野明顯，地勢由西向東呈階梯狀逐漸降低;北、西、南3面分別有太行山、伏牛山環繞，間有斷陷盆地，東部為平原(圖1)。研究區位于暖溫帶和亞熱帶交錯的邊緣地區，兼有南北之長，屬典型的大陸性季風氣候，氣候溫和，四季分明，日照充分，降水豐沛。年平均氣溫13℃ ～15℃，年平均降水量600～1 200 mm，年平均日照時數2 000～2 600 h，光熱資源豐富，可以滿足農作物一年兩熟或兩年三熟的需要。氣象災害較多，干旱、雨澇、霜凍等常常交替發生。受氣候影響，該區域植被分布也明顯地兼有南、北方的特點，適于多種植物生長。

圖1 研究區域范圍及位置示意圖Fig．1 The illustrative diagram of the study area

2 研究方法

2．1 研究數據

本研究選用河南省土地利用現狀數據、2003—2009年河南省土地變更調查數據、野外實測調查數據和1∶5萬河南省DEM數據為主要基礎數據，利用ArcGIS 9．2和Excel作為數據處理分析平臺。土地利用類型的劃分以中國地球系統科學數據共享網提供的河南省土地利用數據中的土地資源分類系統為參考，根據研究區土地類型特征，將土地利用類型劃分為16種類型(表1)。

表1 豫西黃河流域各土地利用類型統計表Tab．1 The statistics of land-use types in study area in 2009

2．2 研究方法

地形是土地利用空間分異的重要影響因子，因此土地利用結構及其變化往往在地形梯度上表現出一定的分布規律［13］。為了定量分析土地利用變化與地形梯度之間的相互關系，根據研究區土地利用分布格局，利用ArcGIS軟件對研究區土地利用類型圖按照不同的地形因素梯度進行疊加分析，并統計各土地利用類型隨地形因子梯度的變化的分布特征。具體分析了高程和坡度兩個地形指標，其中高程分300m以下、300～500m、500～800 m、800～1 000 m、1 000 m 以上共5級，坡度分5°以內、5°～10°、10°～15°、15°～30°、30°以上共5 級。

3 結果與分析

3．1 土地利用總體特征分析

將研究區土地利用數據與DEM數據進行疊加分析，可以看出在東部平原區是典型的農業耕作區，其中旱地占主導地位。而在西部山地區，土地類型較為復雜，林地、草地、灌木林等各類型交錯分布，其中有林地的面積最大，該類型可以看作該分區的基質類型，其后是高覆蓋度草地。具體來說，旱地面積為1 320 760．00 hm2，約占總面積的34．29%，主要分布在東部平原區，而有林地面積990 270．00 hm2，約占總面積的25．71%，主要分布在西部山地區。水澆地和高覆蓋度草地，面積分別為 456 219．00 hm2，359 164．00 hm2，占總面積的11．85%和9．33%;其他類型面積較小，面積比例都小于總面積的5%，其面積從大到小依次排序為:農村居民地、水田、灌木林、中覆蓋度草地、稀疏林地、城鎮建設用地、濕地、水域、果園、其他建設用地、低覆蓋度草地和未利用地。各土地利用類型總的斑塊數目達到20 144個，其中，斑塊數目最多的是農村居民地，其數目達到7 641個，該類型比較均勻地分布在研究區內。緊隨其后的為旱地、高覆蓋度草地和灌木林，分別有4 581，2 913和1 061個斑塊，未利用地的斑塊數目最少(表1)。

3．2 土地利用/覆被地形梯度特征分析

3．2．1 土地利用/覆被海拔梯度特征。利用ArcGIS軟件對2009年土地利用/覆被數據和DEM數據進行疊加分析，并統計各土地類型在不同海拔上的面積比例(表2)以及不同海拔段內各類型的面積百分比。經過分析可以看出，研究區內各土地利用/覆被類型的分布規律隨海拔變化有以下顯著特點。①農田中的水田和水澆地主要分布在300 m以下的區域，在高于800 m的地方沒有水田及水澆地分布;旱地隨海拔的變化比例為32．17%，37．11%，23．60%，5．10% 和 2．02%。② 有林地隨著海拔的增高分布面積逐漸增大。灌木林和稀疏林地則是先增后減，但是幅度較小，比較均勻地分布在各個高程段。③草地的分布比較均勻，其中高覆蓋度草地和中覆蓋度草地都在500～800 m的高程段分布較多，占其總面積的1/3左右;而低覆蓋度草地在300～500 m的高程段內分布最多，超過其總面積的50%。④城鎮、農村居民地以及其他建設用地則主要集中在500 m以下的高程范圍內，并隨高程的增加而減少。⑤水域和濕地也主要集中在500 m以下，并且濕地主要分布在一些水域的周圍，與水域的分布密切相關。

表2 各土地利用類型面積的海拔段百分比構成 %Tab．2 The area com position of altitudinal belts for different land-use types

在不同的海拔段內各類型的面積變化有一定的規律性:在海拔500 m以下，各類型均有分布，但是所占比重有較大差異，總體而言農田(旱地、水田和水澆地)占據了主導地位，總的分布面積接近70%，其中在海拔300 m以下的區域內，分布的主要類型有旱地和水澆地;而在300～500 m的海拔段主要的類型為旱地，其面積占到62．13%。在500～800 m的海拔范圍內，沒有水田分布，主要有旱地和有林地。在800～1 000 m的海拔段內，沒有水田、水澆地、水域以及城鎮，其類型以各類林地為主體，其面積比例達到70%左右;當高程超過1 000 m后，林地的主導地位更加明顯，其面積比例更是高達80%以上，其間也分布有少量的旱地、灌木林、草地。

3．2．2 土地利用/覆被坡度梯度特征。利用ArcGIS軟件統計不同土地利用類型在各坡度段中的面積百分比(表3)。通過分析發現以下變化特點:①水田、水澆地、果園、水域、濕地、城鎮及農村建設用地基本分布在5°以下，而該坡度段也正是人類活動聚集的區域，所以與人類生產生活密切相關的土地利用類型大多分布在該區域，在5°～15°之間也有一定的分布，但比例較小。未利用地以及其他建設用地的分布則隨著坡度的增大而減少，其中又以其他建設用地減少的速率最快，這是由于其他建設用地主要是為人類的生產生活服務的，所以其也與人類的主要活動范圍關系密切。② 大于30°的坡度范圍內，由于坡度較大，人類的定居以及動物的棲息都相對較為困難，所以人類活動干擾影響較大的土地利用類型在該坡度段內呈現零星分布;該坡度段內有林地的分布面積較大，其占到該坡度段總面積的85．28%。③灌木林、稀疏林以及各類草地在小于30°的坡度范圍內均有分布，且分布較為均勻。而有林地則在小于30°的坡度范圍內，隨著坡度的增加其面積比例也隨之增加。其中在15°～30°坡度段內分布最廣，不僅是該坡度范圍內分布最多的類型，而且也是該類型在各坡度段中分布最多的坡度范圍。

表3 不同土地利用類型在各坡度段的面積百分比 %Tab．3 The area percentage com positions of the slope classes for different land-use types

不同坡度段內各土地利用類型的面積比例也具有一定的規律:在各坡度段的范圍內都有一個比較有優勢的土地利用/覆被類型，比如在小于5°的坡度段內農田(包括旱地、水澆地、水田)占據較大優勢，其比例達到70%以上，其中旱地的比例最大，占42．2%;而在5°～10°以及10°～15°坡度段內占據優勢地位的3個土地利用類型為:旱地、有林地和高覆蓋度草地，只不過各類型的比重有所不同而已，這說明該坡度段的土地利用類型是由農田向林地過渡的區域，其中在10°～15°坡度段內，林地面積比例接近50%;而在15°～30°以及大于30°的坡度范圍，林地類型占據著絕對的優勢，林地面積比例分別達到70%和85%以上。這說明在大于15°的坡度范圍內，森林分布較為廣泛，這也說明國家制定的大于15°的土地進行退耕還林、還草政策符合自然規律和人類發展要求。

需要說明的是由于不同土地利用/覆被類型的面積基數不同，勢必影響了不同海拔段和坡度段內各土地利用類型的分布比例，面積基數較大的旱地和林地在各坡度段的面積比例都具有相對較大的優勢。

4 結論與討論

豫西黃河流域土地利用/覆被空間格局在水平方向上規律性明顯:東部平原丘陵地區為典型的農業耕作區，而西部山地區則以林草地為主體;同時，由于土地利用/覆被空間格局在形成過程中受地形地貌和人類活動的雙重影響，其土地利用/覆被空間格局在垂直方向上也具有一定的規律，利用DEM數據對研究區土地利用/覆被空間格局的地形梯度特征進行分析，得出以下結論:

(1)研究區各土地利用類型的空間分布規律隨海拔的變化具有顯著的特點:受人類活動干擾影響較大的各類農業用地、各類建筑用地、果園、水域和濕地主要分布在500 m以下的區域，特別是農業用地中的水田和水澆地受海拔影響最為明顯，集中分布在高程小于300 m的區域;而受人類活動干擾影響較小的各類林地(除果園外)、草地和未利用地在各高程段的分布則相對比較均勻，特別是有林地的分布隨海拔升高而增大。

(2)各土地利用類型隨坡度變化的分布規律與隨海拔變化的分布規律具有較高的相似性:受人類活動干擾影響顯著的土地利用類型多集中分布在坡度較小(小于5°)的區域，而受人類活動影響小的各類林地和草地以及未利用地則多分布在坡度較大(大于30°)的區域內，隨著坡度的增大，有林地的主導地位不斷增強。

(3)就不同的海拔段和坡度段內各土地類型的面積比例而言，也存在一定的分布規律:農業用地類型和林地類型在各個地形梯度內都占有較大的面積比重，這是由于其面積基數較大、在區域內占據優勢地位決定的;在低海拔、小坡度段內農業用地具有相對的面積優勢，其他土地利用類型分布相對較為均勻;隨海拔的升高，有林地的優勢越來越明顯，在海拔1 000 m以上區域，其面積比例高達80%以上，其間除分布有少量的旱地、灌木林和草地，在此高程段幾乎沒有其他土地利用類型分布。

綜合以上分析可知，除人類活動的影響之外，地形地貌在區域土地利用空間格局形成過程中也起到了重要的作用，建議相關部門在以后的土地利用規劃中要充分考慮到地形地貌的影響，因地制宜地進行土地綜合開發利用和管理保護。

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