近10年來神木縣土地利用變化和生態效應的地形特征分異研究

封建民, 郭玲霞, 陳玲俠

(咸陽師范學院 資源環境與歷史文化學院, 陜西 咸陽 712000)

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近10年來神木縣土地利用變化和生態效應的地形特征分異研究

封建民, 郭玲霞, 陳玲俠

(咸陽師范學院 資源環境與歷史文化學院, 陜西 咸陽 712000)

以神木縣為研究區，利用2000年和2010年2期遙感影像解譯獲得的土地利用/覆被數據和DEM數據，對近10年神木縣土地利用/覆被變化(LUCC)及其生態效應的地形分異特征進行研究。結果表明：(1) 神木縣各用地類型變化在不同地形因子等級下分異性特征明顯。耕地在所有高程和坡度上均減少，尤其在950～1 250 m的較緩坡和緩坡上減少最為明顯；草地、林地、建設用地和未利用地的變化主要集中在1 050～1 250 m的平地、微坡和緩坡上；工礦用地的變化主要集中在950～1 250 m坡度小于5°的緩坡和平地；水域在海拔<950 m和1 150～1 250 m的區域略有增加，而在其他高程級上明顯減少，在不同坡度上的變化顯示，水域在所有坡度均減少且在平地和微坡上減少最明顯；(2) 生態系統服務價值在高度>1 250 m的高海拔地區和坡度<5°的平地和微坡減少，而在其他高程和坡度級均增加。LUCC的生態效應模數大致隨高程等級增加而增加，而在各坡度等級上呈明顯的“V”形特征。因而高海拔的平地和陡坡對研究區生態環境產生的影響最為顯著。

土地利用變化; 生態效應; 生態系統服務價值; 神木縣

土地是人類賴以生產和生活的物質基礎，是一個自然經濟的綜合體。土地利用/土地覆蓋狀態及變化(LUCC)趨勢是人類基于社會經濟目的，對土地進行長期經營的各類活動與自然環境相互作用的集中表現[1-2]，是區域生態環境質量的綜合表現形式，并且能在一定程度上反映生態環境優劣程度，同時也是全球變化的重要組成部分和驅動因子之一[3-4]。近年來，國內外學者在LUCC及生態效應研究方面做了大量的工作[5-9]，但這些研究多集中于對區域LUCC及其生態效應在二維平面的時空分異分析，而對其在地形上的分布特征及其動態變化規律的研究還比較少[10]。

地形是最重要的環境要素之一，地形分布直接影響著人類活動方式和土地利用過程。我國地勢復雜，地形起伏較大，土地利用受地形因子的制約性強，特別是近年來，隨著城市化進程的加快，人類對土地的使用和改造力度不斷加大，地形因子對土地利用的約束性愈顯突出。地形特征在很大程度上會影響土地利用的方式和方向，進而影響土地利用的生態服務價值。利用RS和GIS技術，研究土地利用變化及其生態效應的時空變化特征，分析其與地形之間的關系，有助于揭示土地利用的環境驅動因素，提高人們對生態環境問題的認識，從而更好地為相關部門土地利用規劃、管理與決策提供科學依據。

1　研究區概況

神木縣位于陜西省北部，地處鄂爾多斯盆地東北部的黃土高原和毛烏素沙地過渡帶，呈西北高、東南低的特點，海拔最高1 448.7 m，最低724 m，位于北緯38°13′—39°27′，東經109°40′—110°54′，面積為751 024.2 hm2，屬于中溫帶大陸性干旱﹑半干旱季風季候，氣候特點是寒暑劇烈，氣候干燥，災害頻發，四級分明；冬季漫長寒冷，夏季短促，溫差大，多西北風，風沙頻繁，無霜期短。全縣下轄22個鄉鎮，人口37.8萬。按照地形特點可分為3個區域，北部風沙草灘區包括大柳塔、爾林兔、大堡當、中雞、孫家岔、麻家塔、店塔、瑤鎮、西溝等鄉鎮，約占全縣總面積的51.3%，該區地勢較為平坦，海撥987～1 448.7 m，地表為流動和半固定沙地，土地利用以沙地、灌木林地、草地和水澆地為主；中部丘陵溝壑區包括神木、永興、欄桿堡、謝家堡、高家堡、太和寨、花石崖、喬岔灘、瓦羅等鄉鎮，約占全縣總面積的37.76%，該區海拔901～1 337 m，土地利用類型以草地、旱地、林地為主；南部黃河沿岸土石山區包括馬鎮、沙峁、賀家川、萬鎮等鄉鎮，約占全縣總面積的10.94%，該區海拔724～1 161 m，相對高差較大，山大溝深，石多土薄，水土流失嚴重，土地利用類型以草地和林地為主。

2　研究方法

2.1數據源及土地利用信息提取

本研究采用2000年8月12日和2010年8月20日2個時相的TM/ETM影像，以及研究區30 m分辨率的DEM數據，影像質量均良好。在土地利用類型劃分上，采用2007年8月頒布的《土地利用現狀分類》國家標準，并結合研究區的實際情況，將土地利用類型劃分為耕地(水澆地和旱地)、林地(有林地和灌木林地)、草地、水域、建設用地、工礦用地、未利用土地(沙地和裸地)7類。數據過程處理主要為：(1) 利用Erdas 9.2軟件對影像進行融合、校正、裁剪等預處理；(2) 在Erdas 9.2軟件中應用監督分類方法對2期影像進行解譯分類獲得土地利用數據(圖1)。在數據獲取過程中，根據各種地物的判讀標志，參考研究區相關年份土地利用數據，并結合野外實地調查，對2期解譯分類結果進行多次調整，直至分類精度檢驗結果大于85%滿足研究需要；(3) 利用Erdas 9.2軟件將影像分類結果與由DEM數據生成的高程分級、坡度分級數據進行空間疊加，獲得不同時期不同地形條件下的土地利用數據，為土地利用變化及其生態效應的地形分異動態變化特征的分析提供基礎數據。

圖1研究區2000年和2010年土地利用狀況

2.2高程分級

神木縣海拔最高1 448.7 m，最低724 m，平均為1 125 m，地形起伏較大。在高程分級方面，綜合考慮地形變化特點及深入分析不同高程條件下LUCC及其生態效應的需要，對研究區DEM中的高程數據劃分為6個等級：第1級[724 m，850 m)、第2級[850 m，950 m)、第3級[950 m，1 050 m)、第4級[1 050 m，1 150 m)、第5級[1 150 m，1 250 m)、第6級[1 250 m，1 449 m)(圖2)。

2.3坡度分級

利用DEM數據生成的坡度數據顯示，神木縣坡度為0°～49.7°。根據國際地理學聯合會地貌調查與地貌制圖委員會的坡度分級體系和耕地分級體系[11]，結合神木縣的地形地貌特征，將研究區坡度劃分為5個等級：第1級平地[0°，2°)、第2級微坡[2°，5°)、第3級較緩坡[5°，8°)、第4級緩坡[8°，15°)、第5級陡坡(≥15°)(圖2)。

圖2研究區地形分級

2.4生態服務價值和效應測算

1997年Costanza等[12]提出了生態系統服務價值估算的原理和方法，為全球各地的生態系統服務價值研究提供了有意義的借鑒。該研究對生態系統服務價值估算的公式如下：

(1)

式中：V——生態系統服務總價值；Ai——i類生態系統的面積；Eij——i類生態系統第j項服務功能的價值；m——生態系統類型數；n——生態系統服務類別數。

2003年謝高地等[13]針對Costanza等[12]研究的優、缺點，根據中國實情提出了中國陸地生態系統服務價值評估系統，并于2005年提出了我國不同省份農田生態系統生態服務價值修正系數[14]。考慮到神木縣處于陜西省北部，與內蒙古自治區接壤，本文以這兩個省(自治區)的平均修正系數(0.475)來確定研究區生態系統類型單位面積生態服務價值，并以不變貨幣價值來分析各種土地利用類型生態系統服務總價值的地形分異特征。在計算時7類土地利用類型與生態系統的對應關系為：林地—森林、草地—草地、耕地—農田、水域—水體、工礦用地、建設用地和未利用地—荒漠。

不同地形等級上的生態效應除與土地利用變化的面積有關外，還受地類轉化類型的影響。為客觀地評估LUCC在不同地形等級上的生態效應，可以構建公式(2)所示的生態效應模數H來確定每個地形等級上單位面積LUCC所產生的生態效應[10]。

(2)

式中：Ve，Vf——研究時段初期和末期的生態服務價值；ΔAi-j——監測時段內第i類土地利用類型轉化為非i類土地利用類型的面積；m——土地利用類型數。

3　結果與分析

3.1研究區LUCC的地形特征分析

3.1.1不同高程等級下的LUCC分析從表1中可以看出：① 各種土地利用類型在不同高程等級分布不均。耕地主要分布于第3，4，5級，在這3個等級上分布的耕地面積占耕地總面積的85%左右，表明研究區的耕地主要分布于海拔較高的地區；草地和林地相對集中于海拔較高的第4，5級，其余等級也有一定數量的分布，且分布較為均勻；水域在1 200 m左右的高海拔地區分布最廣，在1 000 m以下的低海拔地區分布較為均勻；工礦用地主要分布于第3，4，5級(>60%)；建設用地主要分布于第2，4級(>50%)，其次分布于第5，3級(>19%)；未利用地集中分布于第5級(>50%)，其次分布于第4，6級，在1 000 m以下的低海拔地區分布較少。② 不同高程等級的土地利用結構的差異顯著。在第1級，草地的面積最大(>46%)，其次是未利用地、林地、水域和耕地，工礦用地分布最少；在第2，3級，主要地類是耕地、草地和林地(>82%)，其次是未利用地(10%左右)；在第4級，耕地、草地、林地、未利用地分布均勻，均在15%以上，工礦用地在所有的高程級上分布最多；在第5，6級，以草地和未利用地為主(>76%)。③ 不同高程等級上土地利用變化差異大。在整個研究時段內，隨著退耕還林(草)政策的實施，耕地在所有高程等級上均減少，減幅均在65%左右，且在3，4，5級上減量較多，而在其他等級上減量少；草地在所有高程等級上均增加，增幅和增量在第3，4等級上最大，其次為第5等級，其他等級上增加較少；林地除第6等級減少外，在其他等級均增加，增量排序為：4級>3級>2級>5級>1級，增幅隨高程的增加而減小；水域在第4，6等級上略有增加，而在其他等級上明顯減少，尤其在第3等級上減量和減幅最大；工礦用地除在第2等級上減少外，在其他等級都增加，尤其在第5等級上增加最明顯，其次是第4等級，而在其他等級上增加相對較少；建設用地和未利用地在所有的等級上均增加，建設用地增加最多的是第4，5級，未利用地增加最多的是5，6級。

3.1.2不同坡度等級下的LUCC分析將研究區各期土地利用現狀數據和坡度分級數據疊加，生成各年份不同坡度等級的土地利用/覆被類型數據(表2)。可以看出神木縣不同坡度等級下各個地類的分布和變化呈現明顯的差異。

表1　研究區2000年、2010年不同高程等級的土地利用/覆被數據　km2

從各坡度級上土地利用結構來看，平地和微坡地上分布的主要是未利用地和草地(>68%)，其次為耕地和林地；緩坡地上2000年主要地類是耕地和草地(>65%)，其次是林地和未利用地，而2010年以草地和林地為主(>76%)，耕地則成為次要地類；在陡坡上2000年耕地、草地和林地均大于25%，是主要的地類，隨著退耕政策的實施，耕地面積減少，林草植被則大幅增加，到2010年耕地僅占7.55%，而林地和草地占到83%以上，其他地類變化不大。從各種土地利用類型在不同坡度等級分布變化情況來看，耕地大多分布于緩坡和較緩坡上，近10年耕地在各個坡度上面積均減少，尤其在緩坡上減少的面積最多，其減幅與坡度呈現正相關；草地除在陡坡分布較少外，在其他坡度上分布較均勻，研究時段內草地在各個坡度上均增加，尤其是在較緩坡和緩坡上增量和增幅都較大，而在平地少最少；林地30%以上分布在緩坡，除平地外，在其他坡度均增加，且增量和增幅在緩坡上最大，其次為較緩坡和陡坡，而在微坡地上變化不大；水域80%以上分布在0°～5°，在所有坡度上面積均有不同程度的減少，且減幅相當；工礦用地除在陡坡較少外，在其他坡度分布較為均勻，近10年在所有坡度上均呈增加趨勢，增量和增幅最大的是微坡和較緩坡，其次為緩坡，而在平地和陡坡增加較少；建設用地多分布于平地和微坡地(>74%)，在陡坡極少。隨著城鎮化的快速推進，建設用地快速增加，在所有地類中增加最快，且在所有坡度均有增加，增量最大的是微坡地和平地，而增幅最多的是較緩坡和微坡；未利用地75%以上分布在平地和微坡，近10年在所有坡度級上均稍有增加，但其變化幅度在所有地類中最小，增幅均不超過18%。

表2　2000年、2010年研究區不同坡度帶上土地利用/覆被變化　km2

3.2研究區生態效應的地形特征分析

將研究區2000年、2010年2個年份各等級的各種土地利用類型的面積乘以對應類型單位面積生態服務價值，即可獲得2個年份各地形等級各類型的生態服務價值和總價值，并可進一步計算出2000—2010年各等級生態服務價值變化情況及生態效應模數(表3—4)，由此可分析生態效應的地形分異特征。

3.2.1不同高程等級LUCC的生態效應分析2000—2010年研究區生態系統服務總價值呈現增加的趨勢，但在各高程級上變化趨勢差異較大。

表3　2000-2010年研究區不同高程等級的服務價值與生態效應模數

表4　2000-2010年研究區不同坡度等級的服務價值與生態效應模數

在第5，6級上生態系統服務價值減少，特別是在第6級上，60%以上為生態服務價值較高的地類向生態服務價值較低的地類的轉化，因而其減幅和減量都較大。在第1～4等級上生態服務價值均呈現增加趨勢，增量和增幅排序均為4級>3級>2級>1級，呈現隨高度增加而增大的趨勢，尤其是在第4級由生態服務價值較低的地類向生態服務價值較高的地類轉化的比率占絕對優勢，因而其生態服務價值增量和增幅遠遠大于其他級。總體來看，研究區海拔較高地區的生態系統服務價值變化較大，對研究區生態系統服務價值總量的影響顯著，因此對研究區生態環境的影響也更為重要。各高程等級上LUCC生態效應模數除第5級外，大致呈現隨高程級增大而增大的趨勢，這表明生態效應強度隨海拔的增高而加大。

3.2.1不同坡度等級LUCC的生態效應分析生態服務價值變化的坡度分異顯示，在第1，2坡度級上生態服務總價值減小，且在第1坡度級的減量和減幅都遠遠大于第2級；在第3，4，5坡度級上生態服務總價值增大，增量排序為4級>5級>3級，而增幅排序為5級>4級>3級。

各坡度等級上生態效應模數呈明顯的“V”形特征，在第2坡度級上最小，為427.04元/(hm2·a)，在第1和第5級上最大，分別為1 511.10，1 478.81元/(hm2·a)，在第3，4坡度級上隨坡度增大而增大。

4　結 論

(1) 各種土地利用/覆被類型在不同地形等級的分布差異較大。耕地、草地、建設用地主要分布于中高海拔的平地上；林地主要分布于高海拔的緩坡上；水域在中海拔地區分布較少，且主要分布于平地上；工礦用地分布于中海拔地區，且在不同坡度上分布較均勻。在2000—2010年，耕地急劇減少，工礦用地急劇增加，且變化均主要集中在中海拔的緩坡；草地、林地、建設用地和未利用地的變化主要集中在高海拔的平地；水域在高海拔地區增加，在低海拔地區減少。

(2) 2000—2010年，生態系統服務價值在中低海拔和坡度較大的地區增加，而在高海拔的平地上減少，在LUCC生態效應方面，生態效應模數大致呈現隨高程等級增加而增加的趨勢，在各坡度等級上呈明顯的“V”形特征。因而高海拔的平地和陡坡對研究區生態環境產生的影響最為顯著。

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Analysis on Terrain Characteristic of Land Use Changes and Its Ecological Effect During the Last 10 Years in Shenmu County

FENG Jianmin, GUO Lingxia, CHEN Lingxia

(CollegeofResources&EnvironmentandHistoricalCulture,XianyangNormalUniversity,Xianyang,Shaanxi712000,China)

Taking Shenmu County as study area, based on the land use change information obtained from TM images in 2000 and 2010 and the data of DEM，using the method and mode about ecological value estimation, we comprehensively analyzed the change rule of land use and its ecological effect in different altitude and slope. The results show that: (1) the distribution and change of different land use types had obvious differentiation characteristics in every terrain factor level, arable area had sharply reduced in low gentle slope and gentle slope with altitude of 950～1 250 m. The areas of grassland, woodland, built-up and unused land increased significantly in flat, slight slope and gentle slope with altitude of 1 050～1 250 m. The phenomenon of the area increase of industrial land happened in the flat and slight slope with altitude of 950～1 250 m. The water body slightly increased at the altitude of <950 m and 1 150～1 250 m, but obviously reduced at the other altitude grades with reduction in all slope levels, especially concentrated in flat and slight slope area; (2) the ecosystem service values had reduced in high altitude localities with altitude >1 250 m or flat and slight slope area, meanwhile increased at the other elevation and slope levels. The modulus of ecological effects generally increased with the increase of elevation level, but appeared obvious ‘V’ shape characteristics in grade level. Thus the flat and abrupt slope land of high altitude localities with altitude more than 1 250 m strongly affected ecological environment in the studied area.

land use change; ecological effect; ecosystem services value; Shenmu County

2015-01-16

2015-05-31

陜西省科技計劃項目(2011JM5015);陜西省普通高等學校優勢學科建設項目(歷史地理學:0602);陜西省教育廳專項科研計劃項目(15JK1785)

封建民(1972—),男,陜西鳳翔人,博士,副教授,主要從事環境遙感與土地利用研究。E-mail:feng_jianmin@aliyun.com

F301.24

A

1005-3409(2016)03-0132-05