高原地區(qū)生態(tài)用地分布變化與地形因子的關系研究
——以河北壩上為例

武愛彬,龐 磊

(1.河北省科學院 地理科學研究所/河北省地理信息開發(fā)應用工程技術研究中心,河北 石家莊 050011;2.河北省新樂市農機監(jiān)理站,河北 新樂 050700)

土地是人類社會生存和發(fā)展最根本的物質基礎,是各種人類活動的載體。土地利用/覆被變化(Land use/cover change, LUCC)是全球環(huán)境變化和可持續(xù)發(fā)展研究領域的核心問題[1],其中土地利用空間格局與時空變化是LUCC研究的重要內容[2]。地形因子作為自然環(huán)境中的重要因素,其變化影響著地球表面的生物、水文及能量等過程,在一定程度上決定著土地利用方向和方式的選擇[3],是土地利用空間格局形成的基礎[4]。近年來,有關學者圍繞地形因子與土地利用關系這一問題進行了大量的研究,這些研究涵蓋了山地丘陵[5-8]、河流流域[9-11]、平原[3]、巖溶區(qū)[12]、喀斯特[13]等各種地貌單元,省[14-15]、市[16-17]、縣[18-19]、鄉(xiāng)鎮(zhèn)[20]等各級行政區(qū)域,以及環(huán)京津[2]、三峽庫區(qū)[21]、鄱陽湖區(qū)[22]、農牧交錯區(qū)[23]等典型生態(tài)敏感區(qū)域,研究結果普遍表明地形是土地利用空間格局及時空變化的重要影響因子,土地利用結構和轉變在地形梯度上呈明顯的規(guī)律性。但少有以壩上高原地區(qū)作為對象進行研究。

壩上高原地區(qū)位于京津冀區(qū)域西北部,內蒙古高原與華北平原的過渡帶,為河北省建設京津冀生態(tài)環(huán)境支撐區(qū)中5個生態(tài)區(qū)之一。生態(tài)用地是以保護和穩(wěn)定區(qū)域生態(tài)系統為目標,能夠直接或間接發(fā)揮生態(tài)環(huán)境調節(jié)和生物支持等生態(tài)服務功能且其自身具有一定的自我調節(jié)、修復、維持和發(fā)展能力的土地[24]。在壩上高原地區(qū),生態(tài)用地主要分為草地、林地、濕地和其他生態(tài)用地4個一級類[25],為京津冀區(qū)域提供了涵養(yǎng)水源、防風護沙、氣候調節(jié)、水土保持、美學景觀等多方面重要的生態(tài)服務,因此壩上生態(tài)用地的數量、結構及布局變化對京津冀區(qū)域的生態(tài)平衡和生態(tài)安全具有重要影響。

1 研究區(qū)域和研究方法

1.1 研究區(qū)概況

壩上高原位于河北省北部、內蒙古高原的東南緣,地處我國北方干旱與半干旱、農區(qū)與牧區(qū)接壤的過渡地帶,是京津境內眾多河流的發(fā)源地及上游所在地,也是京津等地的重要沙源地。位于東經114°35′～116°45′、北緯41°00′～42°20′；海拔1100～2200 m；受蒙古高壓的長期控制,氣候特征為低溫、少雨、多風、高蒸發(fā),年平均氣溫為2～5 ℃,年均降水量為330～460 mm。

1.2 數據來源與處理

本研究中土地覆被解譯數據和DEM數據源自河北省生態(tài)本底數據,分辨率為1∶100000。該解譯數據共劃分了耕地、林地、草地、建設用地、水域和未利用土地6個一級類、25個二級類。從兩期解譯數據中提取出本研究需要的生態(tài)用地類型,根據研究區(qū)域尺度,將提取的數據統一轉換為分辨率為100 m×100 m的柵格。研究區(qū)域1990年和2015年的生態(tài)用地分布如圖1所示。DEM采用河北省地理所提供的1∶250000 GRID格式河北省數字高程數據,分辨率為100 m×100 m。利用ArcGIS軟件ArcToolbox中的slope、aspect等工具可得到研究區(qū)域的坡度分布圖和坡向分布圖。根據研究需要，利用reclassify工具進行分級,將分級后的結果與1990年和2015年生態(tài)用地分布圖疊加分析,可計算出1990年和2015年各生態(tài)用地地類在不同高程、坡度和坡向分級區(qū)間的分布指數,其中由于其他生態(tài)用地地類數量占總用地的比重過小(1990年為0.44%,2015年為0.60%),本研究對此地類不予討論。

圖1 壩上高原地區(qū)1990年和2015年生態(tài)用地分布

1.3 地形分級

研究區(qū)域高程為900～2204 m,主要集中分布在高程1300～1600 m區(qū)間,此區(qū)間面積占總面積的比重為80.47%,而分布在高程900～1300 m和1600～2204 m區(qū)間的面積比重較小。為了更好地體現研究區(qū)域土地利用的高程梯度性,將高程900～1300 m和1600～2204 m區(qū)間單獨分級,將高程1300～1600 m區(qū)間按照ArcGIS軟件中的Equal Interval方法,以100 m高程差為間距劃分等級,共將研究區(qū)域高程區(qū)間劃分為5級。研究區(qū)域坡度為0°～39.75°,主要集中分布在坡度0°～5°區(qū)間,其占總面積的比重為76.88%。參考相關的分級標準[16,26-27]將研究區(qū)域的坡度劃分為5級。按照平坡、陰坡、半陽坡、陽坡和半陰坡的劃分原則和標準將坡向劃分為5級。高程、坡度和坡向的分級標準及本研究區(qū)域各級面積比重如表1所示。

1.4 地形分布指數

為了避免不同生態(tài)用地類型面積對其在不同地形梯度區(qū)間出現頻率的影響,本文采用標準化、無量綱的地形分布指數[24],進行了生態(tài)用地在不同地形梯度區(qū)間或不同利用類型間的比較,計算公式如下:

P=(Sie/Si)×(S/Se)

式中:P為地形分布指數;Sie為e地形區(qū)間上第i種土地利用類型的面積;Si為整個研究區(qū)內第i種土地利用類型的總面積;Se為研究區(qū)域e地形區(qū)間的總面積;S為整個研究區(qū)域的面積。

表1 高程、坡度和坡向的分級及面積比例

2 結果與分析

研究區(qū)域生態(tài)用地數量總體上呈減少趨勢,1990年生態(tài)用地數量為904.5萬hm2,占總用地的47.69%;2015年生態(tài)用地數量減少至881.8萬hm2,占總用地的46.49%。與1990年相比,2015年生態(tài)用地數量減少了2.51%,其中:林地數量由275.0萬hm2增加至324.9萬hm2,增加了18.15%;草地數量由501.5萬hm2減少到437.3萬hm2,減少了12.80%;濕地數量由119.7萬hm2減少到108.3萬hm2,減少了9.52%;其他生態(tài)用地數量由8.3萬hm2增加至11.3萬hm2,增加了36.14%。

2.1 生態(tài)用地的高程特征

研究區(qū)域生態(tài)用地在不同高程區(qū)間的分布指數如圖2所示。研究區(qū)域1990年和2015年生態(tài)用地在不同高程區(qū)間的分布趨勢是一致的,在1990～2015年期間,高程Ⅰ區(qū)、Ⅳ區(qū)和Ⅴ區(qū)為生態(tài)用地的優(yōu)勢分布區(qū),高程Ⅱ區(qū)、Ⅲ區(qū)為生態(tài)用地的劣勢分布區(qū)。與1990年相比,2015年生態(tài)用地在高程Ⅰ區(qū)的分布優(yōu)勢略有下降,在高程Ⅱ區(qū)、Ⅲ區(qū)的分布劣勢基本上沒有變化,在高程Ⅳ區(qū)、Ⅴ區(qū)的分布優(yōu)勢略有提高。其中,林地的優(yōu)勢分布區(qū)為高程Ⅰ區(qū)、Ⅳ區(qū)和Ⅴ區(qū),草地的優(yōu)勢分布區(qū)為高程Ⅳ區(qū)、Ⅴ區(qū),濕地的優(yōu)勢分布區(qū)為Ⅱ區(qū)。與1990年相比,2015年林地在高程Ⅰ區(qū)的分布優(yōu)勢有了明顯提高,在Ⅳ區(qū)和Ⅴ區(qū)的分布優(yōu)勢略有下降；草地的分布變化與林地相反,在高程Ⅰ區(qū)的分布指數出現了大幅度下降,由優(yōu)勢分布變成了劣勢分布,而其在Ⅳ區(qū)和Ⅴ區(qū)的分布優(yōu)勢均有所提高；濕地在Ⅰ區(qū)、Ⅱ區(qū)的分布略有增加,在Ⅲ區(qū)、Ⅳ區(qū)和Ⅴ區(qū)的分布略有減少,變化幅度很小。

圖2 1990年和2015年生態(tài)用地的高程分布指數

2.2 生態(tài)用地的坡度特征

研究區(qū)域生態(tài)用地在不同坡度區(qū)間的分布指數如圖3所示。研究區(qū)域1990年和2015年生態(tài)用地在不同坡度區(qū)間的分布趨勢是一致的；在1990～2015年期間,隨坡度的增加，生態(tài)用地的分布優(yōu)勢在不斷提高,生態(tài)用地的優(yōu)勢分布區(qū)為坡度Ⅳ區(qū)和Ⅴ區(qū)；與1990年相比,2015年生態(tài)用地在各坡度區(qū)的分布變化程度很小。其中：研究區(qū)域林地的分布指數隨坡度增加而提高,優(yōu)勢分布區(qū)為坡度Ⅳ區(qū)和Ⅴ區(qū),在Ⅴ區(qū)的分布優(yōu)勢十分顯著；草地的分布指數隨坡度的增加先提高后減少,優(yōu)勢分布區(qū)為坡度Ⅳ區(qū)和Ⅴ區(qū)；濕地的分布指數隨坡度的增加而減少,優(yōu)勢分布區(qū)為坡度Ⅰ區(qū)。與1990年相比,2015年除林地在坡度Ⅴ區(qū)的分布優(yōu)勢有所下降外,不同生態(tài)用地地類在各坡度區(qū)的分布變化程度均很小。

2.3 生態(tài)用地的坡向特征

研究區(qū)域生態(tài)用地在不同坡向區(qū)的分布指數見圖4。研究區(qū)域1990年和2015年生態(tài)用地在不同坡向區(qū)的分布趨勢是一致的；在1990～2015年期間,各坡向區(qū)間生態(tài)用地的分布指數起伏程度很小,半陽坡和陽坡為生態(tài)用地的優(yōu)勢分布區(qū)。與1990年相比,2015年生態(tài)用地在半陽坡和陽坡的分布優(yōu)勢略有下降,在平坡、陰坡的分布略有增加。其中：林地和草地的分布指數隨坡向的變化趨勢相同,陰坡、半陽坡和陽坡為優(yōu)勢分布區(qū),在平坡的分布劣勢顯著；濕地的優(yōu)勢分布區(qū)為平坡,在其他坡向區(qū)均呈劣勢分布。與1990年相比,2015年林地在半陽坡的分布優(yōu)勢略有下降,草地在半陽坡和陽坡的分布優(yōu)勢有所下降,濕地在半陽坡和陽坡的分布有了顯著提高,各地類在其余坡向區(qū)的分布變化很小。

圖3 1990年和2015年生態(tài)用地的坡度分布指數

圖4 1990年和2015年生態(tài)用地的坡向分布指數

3 討論

土地利用格局的變化主要受到自然因素、人類活動和政策的共同影響[2]。在山地丘陵區(qū),由于人類活動受高程影響顯著,因此與人類活動密切相關的耕地、建設用地和水域往往集中分布在低高程、低坡度、坡向為平地的區(qū)域,林地和草地往往集中分布在中高高程、中高坡度區(qū)域[5-8]。本研究發(fā)現高原地區(qū)生態(tài)用地在高程梯度上的分布與山地丘陵區(qū)有所不同,林地和草地的分布指數隨高程的增加呈“U”形變化,高程900～1300 m和1500～2206 m區(qū)間是林地和草地的優(yōu)勢分布區(qū),而高程1300～1400 m是濕地的優(yōu)勢分布區(qū)。由于壩上地區(qū)東部在高程900～1300 m區(qū)間分布有大量的國有林場、森林公園和天然草場,因此林地和草地在低高程區(qū)間呈優(yōu)勢分布。由于壩上閃電河流域、太子湖、安固里淖等湖盆沼澤地集中分布在高程1300～1400 m區(qū)間,因此濕地在此區(qū)間呈優(yōu)勢分布。隨著高程增加,灌木林、疏林地和低覆蓋度草地的分布比例擴大,因此林地和草地在高程1500～2206 m區(qū)間呈優(yōu)勢分布。高原地區(qū)生態(tài)用地在坡度梯度上的分布規(guī)律與山地丘陵區(qū)保持一致,林地的分布指數隨坡度增加而迅速提高,草地的分布指數隨坡度的增加先提高后減少,濕地的分布指數隨坡度的增加而減少,總體上生態(tài)用地的分布集中在中高坡度區(qū)域,主要是因為隨著坡度增加,地形地貌、水熱條件、氣候條件等因素不利于人類農耕、工程建設等活動,非生態(tài)用地的分布比例逐漸減少。高原地區(qū)生態(tài)用地在各坡向的分布差異表現不太明顯,與山地丘陵區(qū)的分布規(guī)律相同,說明坡向對生態(tài)用地分布的影響較小。

與1990年相比,2015年壩上高原地區(qū)各生態(tài)用地地類分布變化明顯的有:林地在900～1300 m區(qū)間的分布優(yōu)勢有了明顯提高；草地在高程900～1300 m區(qū)間的分布指數出現了大幅度下降,由優(yōu)勢分布變?yōu)榱觿莘植?；濕地在半陽坡和陽坡的分布比例有了顯著提高。究其原因，主要是近年來國家在壩上地區(qū)連續(xù)實施了多項重大生態(tài)工程,進行了大量的生態(tài)建設投資,直接導致了林地數量的快速增長。同時,由于受到氣候災害、地下水位持續(xù)下降、蟲鼠害頻發(fā)等自然因素，以及非法開墾、過度放牧、盲目建設、無序開發(fā)等人為因素的影響,草地呈現退化趨勢?；诒狙芯拷Y果,生態(tài)工程建設應優(yōu)先考慮林地、草地的優(yōu)勢分布區(qū),即高程1500 m以上、坡度5°以上區(qū)域；當退耕還林還草建設區(qū)域的坡度在15°以上時,應優(yōu)先考慮還林；平坡(坡向為-1°)區(qū)域為林地、草地的劣勢分布區(qū),應適當減少生態(tài)工程建設的強度。

4 結論

本研究結果表明：壩上高原地區(qū)生態(tài)用地的分布受地形因子影響顯著,生態(tài)用地分布指數隨高程的增加先減小后增大,隨坡度的增加而增大,在不同坡向間起伏程度很??；生態(tài)用地的優(yōu)勢分布區(qū)為高程900～1300 m和1500～2206 m的區(qū)域、坡度>5°的區(qū)域,以及坡向為半陽坡和陽坡的區(qū)域；與1990年相比,2015年林地在高程900～1300 m區(qū)間的分布優(yōu)勢有了明顯提高,草地在高程900～1300 m區(qū)間的分布指數出現了大幅度下降,由優(yōu)勢分布變?yōu)榱觿莘植?而濕地在半陽坡和陽坡的分布有了顯著提高。