基于地形梯度的高山峽谷區土地利用時空格局及功能分區

李益敏, 王東馳, 袁 靜, 劉心知

(1.云南大學 地球科學學院, 云南 昆明 650500; 2.云南省高校國產高分衛星遙感地質工程研究中心， 云南 昆明 650500)

地形作為制約人類對土地資源的利用和改造的一個關鍵環境因子，深度參與著區域土地利用時空格局的形成和變化過程。在高程、坡度等地形因子的綜合作用下，光、溫、水、養分被再次分配[1]，調整著區域內的經濟建設和農業生產活動，并最終印刻在土地利用格局的基因之中。近年來，不少學者選擇洼地[2]、平原[3]、丘陵[4]、山區等[5]具有不同地形特征的地區，分析對應的土地利用格局時空變化情況，但是對高山峽谷這一特殊山地形態區域的研究仍然少見。中國是一個多山國家，接近70%的陸域國土被山區覆蓋，在云南省，山高谷深，山區面積占比達94%以上。云南省北部位于橫斷山脈南延段，多有高山峽谷地形分布，復雜的地形既造就了豐富的山地景觀和自然資源，也形成了獨特的土地利用分布格局。相較于平原和低山地區，高山峽谷區受地形條件約束，面臨生態環境脆弱、耕地匱乏、基建難度大、交通成本高等多方面困擾[5]，易形成貧困聚集區。在我國全面建成小康社會、打贏脫貧攻堅戰的關鍵節點，針對高山峽谷區進行基于地形梯度的土地利用時空格局分析，有利于了解其土地利用在地形因子作用下的分布變化規律[6]，揭示土地利用格局內在形成與地形環境因子外部作用間的相互關系，促進生態環境、糧食安全和經濟社會協同發展。

云南省瀘水市是典型的高山峽谷區，自然資源豐富，承擔著維護滇西北區域生態安全的戰略任務。但這里山高坡陡的自然環境導致人地矛盾突出，地質及生態環境脆弱，滑坡、泥石流災害頻繁，面臨著生態保護和資源開發利用的沖突。本文基于RS和GIS技術，選擇2000，2010，2018年Landsat TM/OLI遙感影像，提取瀘水市三期土地利用數據，從高程和坡度切入，采用地形位、分布指數等方法，分析瀘水市土地利用時空格局的地形梯度分布特征，揭示地形因素與土地利用的互動關系。同時，針對當前有關土地利用功能分區的研究大多是選擇自然、經濟、生態等因素作為指標，建立評價模型進行分區[7-8]，而基于土地利用格局的地形梯度分布規律進行分區的研究較為缺乏的情況。本研究也將根據土地利用地形分異規律對瀘水市進行土地利用功能分區，確定各分區的生態和土地利用功能。通過在地形層面合理布局瀘水市土地資源，在保證生態安全的基礎上，促進高山峽谷區土地資源的合理利用和經濟社會跨越式可持續發展，最終擺脫貧困落后面貌。

1 研究區概況

瀘水市位于云南省西北部“三江并流”世界自然遺產地，隸屬怒江州，國土面積3 203.04 km2，轄6鎮3鄉，2018年末總人口18.9萬人。全市地處橫斷山脈南端，碧羅雪山與高黎貢山夾怒江由北向南縱貫全境，呈“兩山夾一江”的格局。主要地貌類型包括河谷、中山和高山地貌，又以中高山為主，是典型的“V”字形高山峽谷地貌。整體地勢北高南低，地形起伏較大，境內最高海拔4 162.1 m，最低海拔728.5 m，具有“山高谷深，平地少”的特點。受特殊的地貌和印度洋熱帶季風的綜合作用，瀘水市從河谷至山巔的立體氣候明顯，縱跨亞熱帶、溫帶和寒帶3種氣候帶，整體具有年溫差小，日溫差大，干濕季分明，四季不明顯的氣候特征。瀘水市特殊的地理環境，多樣的氣候類型，孕育了境內獨特而豐富的自然資源，成為生態戰略地位特殊、生態重要性突出的關鍵區域。但高山峽谷的地貌也深入影響著當地對土地資源的利用，形成了以林地、未利用地為主；耕地、草地少量分布；建設用地和水域稀少；“山多地少”的土地利用格局，可利用土地資源的稀缺極大制約了當地的經濟社會發展，至2020年5月瀘水市仍為云南省僅剩的9個貧困縣(市)之一。

2 數據來源和研究方法

2.1 數據來源與處理

研究選用地理空間數據云(http:∥www.gscloud.cn/)提供的Landsat影像作為主要數據源，具體數據信息詳見表1，數據質量較好。在ENVI 5.3平臺下對各時期的遙感影像進行幾何校正、大氣校正、邊界裁剪等預處理后，采用支持向量機法，參照全國土地利用現狀分類[9]并結合瀘水市實際情況，按照林地、未利用地、水域、建設用地、耕地、草地的土地利用分類對研究區遙感影像進行監督分類，得到瀘水市2000，2010，2018年的土地利用數據(附圖15)。結合野外調查和Google Earth高分辨率影像，對分類結果進行精度評價，2000，2010，2018年分類精度分別為95.50%，94.94%和92.68%，kappa系數分別為0.83，0.85和0.79，滿足研究精度要求。DEM數據則采用獲取于地理空間數據云的30 m分辨率GDEM V2數字高程數據，利用ArcGIS 10.5平臺提取出高程、坡度等地形因子信息。

表1 Landsat遙感影像數據信息

2.2 研究方法

2.2.1 地形位指數 地形位模型可以將高程與坡度組合成一個綜合指數來描述，可更清晰準確地反映土地利用空間格局和地形梯度的關聯性[10]，體現高程與坡度變化對土地利用空間格局的綜合影響。其計算公式為：

(1)

2.2.2 地形分布優勢指數 地形分布指數可以描述區域不同土地利用類型在各地形梯度上的概率分布情況，能夠有效消除地形梯度區段和土地利用面積差異帶來的影響，反映不同土地類型的分布優勢狀況[11]。其計算公式為：

P=(Sie/Si)×(S/Se)

(2)

式中：P為地形分布指數;e代表某一地形因子,本研究中為高程、坡度、地形位,分別進行計算;Sie代表e地形因子某一等級下的i地類的面積;Si代表i地類的面積;Se代表研究區e地形因子在某一等級下的面積;S代表研究區總面積。分布指數是一個標準化、無量綱的指數[12]。某種地類分布指數變化越小,表明該地類對地形差異的適宜性越好;反之,則對地形具有較強的選擇性[13-14]。當P=1時,表示某地類在某級地形上的比重與該地類占整個研究區的比重相等;當P>1時,表明某地類在某級地形上的比重大于該地類占整個研究區的比重,則將P>1的地形區段確定為該地類的優勢位。

2.2.3 地形因子分級 瀘水市高程和坡度分布范圍分別為728.5～4 162.1 m和0°～78.6°(圖1)，根據本文的研究內容，對瀘水市高程、坡度、地形位指數進行分級。考慮到瀘水市高山峽谷地貌具有高差大、坡度陡，低海拔和低坡度地區面積較小的特征，為避免低等級區域面積過小，不能很好的體現梯度性，參考瀘水市相關研究[15]，適當提高高程、坡度因子各等級間隔和初始等級范圍。研究區高程因子分為5級：1級(≤1 600 m)，2級(1 600～2100 m)，3級(2 100～2600 m)，4級(2 600～3 100 m)，5級(>3 100 m)；坡度因子分為5級：1級(0°～8°)，2級(8°～15°)，3級(15°～25°)，4級(25°～35°)，5級(>35°)；地形位指數由公式(1)計算后，范圍為0.12～0.90(圖1)，按照等數量分類法等分為10個級別，分別用數字1—10表示。

3 結果與分析

3.1 土地利用變化分析

由表2可知，瀘水市土地利用結構表現出明顯的優勢分布傾向，林地是瀘水市最主要的土地利用類型，具有統治地位，占比達到全市總面積的75%以上，且持續增加，體現了瀘水市生態戰略地位的重要性；未利用地、耕地和草地在土地利用結構中也占據重要地位，在2000—2018年均呈持續減少趨勢，占比分別從2000年的11.26%，6.95%和3.09%減少到2018年的6.61%，5.28%和1.77%，表明退耕還林、封山育林等生態保護治理工程推動了未利用土地、陡坡耕地、草地向林地的轉變，有效改善了當地的生態環境；建設用地和水域占比最小。水域主要由怒江干流構成，常年水量穩定，面積一直穩定在900 hm2左右。受高山峽谷地貌限制，建設用地面積和占比一直不高，2000年占比僅為0.91%，但隨著當地經濟的快速發展和對土地的開發平整，建設用地有明顯增加，2018年增加到1.55%，但仍低于2%[16]的全國平均水平。

圖1 瀘水市高程、坡度、地形位指數

表2 瀘水市2000-2018年土地利用類型面積及其變化

3.2 基于高程梯度的土地利用類型分布特征分析

將瀘水市高程分級結果與土地利用數據疊加處理，統計2000，2010，2018年各地類在5個高程等級的分布情況，并計算對應的高程分布指數，得到表3。可以看出，各高程等級的面積相近，1—5級分別占瀘水市總面積的17.36%，18.89%，23.00%，21.66%，19.09%。

其中，林地在所有高程等級中均為占比最大的地類，第1級占比已達58%以上，且面積和占比隨高程升高逐漸增加，至第5級有所減少，體現了林地在垂直方向具有普遍的統治地位。2000—2018年各等級林地面積持續增加，分布指數變化則表明2 600 m以下的林地增速明顯快于以上的林地；未利用地總體隨高程的升高而增加，在第5級具有主導優勢，表明海拔越高，氣候越惡略，不適宜植物生長的區域就越大。2000年之后，隨著生態環境的普遍改善，未利用地不斷向林地轉變，第1—4級未利用地顯著減少，但第5級分布指數卻呈增加趨勢，結合林地的變化趨勢，說明瀘水市高海拔生態脆弱區生態環境的改善程度有限；水域高度集中在第1級，占水域總面積的97%，之后隨著高程的增加面積迅速下降，這主要是因為作為瀘水市主要水域的怒江干流全部流經1 600 m以下區域，其他支流水系也隨著高程升高而逐漸減少的緣故；耕地和建設用地隨高程的增加逐漸減少，優勢位均處在第1，2級，這與的人類活動的聚集分布規律呈正相關性，說明了兩種地類分布受到人為因素的直接影響。2000—2018年，因瀘水市退耕還林的實施和經濟發展的需要，各等級耕地持續減少，尤以第1，2級的減少面積最多，占耕地總減少面積的86.76%。建設用地也在經濟發展的推動下不斷擴張，以第1級擴張最為突出，占建設用地總增長面積的90.38%；草地面積隨高程等級增加呈倒U字形分布，優勢位在第1—3級，2000—2018年面積總體呈現減少趨勢，也與退耕還林等生態保護工程的實施有密切關系。以上分析體現了瀘水市作為高山峽谷區，土地利用結構在高程梯度上的明顯的層級差異。

3.3 基于坡度梯度的土地利用類型分布特征分析

將瀘水市坡度分級結果與土地利用數據疊加處理，統計2000，2010和2018年各地類在5個坡度等級的分布情況，并計算對應的坡度分布指數，得到表4。可以看出，各等級面積差異巨大，坡度等級越高，面積占比就越大，1—5級分別占瀘水市總面積的1.89%，4.18%，16.10%，34.29%和43.53%，體現了高山峽谷地貌“山高谷深，平地少”的特點。

其中，林地在坡度梯度上同樣占有統治地位，在各坡度等級均為占比最大的地類，又以第4，5級為優勢位，在2000—2018年除1—2級有所下降外，3—5級占比均持續增加，反映了瀘水全市生態環境的改善趨勢；未利用地面積隨坡度的增加也呈上升趨勢，優勢位在第2—4級，2000年各級分布指數均在1上下浮動，表明未利用地分布對坡度的敏感性較低。但2000年后，未利用地前4級分布指數不斷增大，第5級明顯變小，這可能是因為瀘水市未利用地多分布在>35°的山腰陡坡地帶，是生態保護工程干預的重點地區，而山頂緩坡地帶的未利用地則受干擾較小；建設用地和耕地主要分布于第1—3級，但在25°以上地區也有一定分布，這是由于瀘水市優質緩坡土地的稀缺，使得人們不得不向陡坡區域進行開墾和建設。建設用地和耕地的分布指數也隨坡度的升高而降低，優勢位均處在第2—4級，表明這兩種地類更偏向坡度較低的地區，同時也擠占了林地、草地在低坡地區的分布空間；水域坡度梯度分布規律與高程相似，在第1級高度集中，面積和分布也較為穩定。瀘水市坡度為0°～8°的區域主要包括怒江干流及兩岸的河灘和沖擊區，在V字形地貌和重力的作用下，將水域匯流于此；草地雖然在各坡度等級的比重較小，但在坡度梯度上的分布具有較強的規律性，隨著坡度的升高占比逐漸增加，優勢位在第5級，體現了草地對陡坡環境較強的適應性。總體來看，瀘水市土地利用結構在第1—3級變化劇烈，人類活動及與之相關的地類隨著坡度的增加迅速衰減，進入第4，5級后，土地利用結構逐漸由林地和未利用地主導。

3.4 基于地形位梯度的土地利用類型分布特征分析

將地形位指數分級結果與瀘水市2000，2010和2018年土地利用數據疊加，分別計算這3期各土地利用類型在地形位等級上的分布指數，分析土地利用類型在地形梯度上的分布特征，結果如圖2所示。

2000—2018年林地分布指數在地形梯度上表現出先增加后減少的趨勢，變化曲線平穩，優勢位集中在第6—8級。表明林地主要分布在中、高地形位區域，在的經濟發展建設和生態治理保護綜合作用下，第1—4級地形位區間的分布指數有所下降，而4級以上的分布指數則有小幅上升。

表4 瀘水市不同坡度梯度上各土地利用類型面積及分布指數

未利用地分布指數在地形梯度上表現出逐漸增大趨勢，第7級以下隨地形位級別的變化較小，第7級以上曲線陡然上升，在第8—10級分布指數大于1。從時間變化看，3期未利用地分布指數的地形梯度分布規律一致，第7級以下各級分布指數變化不大，第8—10級增長顯著，說明未利用地優勢區間越發向高地形位傾斜。

水域的優勢區段在第1—4級，其中第1級分布指數最高，并隨著地形位等級的升高迅速降低，從第1級的116左右降至第5級的0.3。從時間變化看，水域分布指數變化不大，表明瀘水市水域大量集中在河谷處的低地形位區域且保持穩定。

建設用地分布指數隨地形位級別的增加呈連續衰減趨勢，衰減曲線較為平滑，優勢區段集中在第1—5級，符合建設用地宜布局在低海拔平坦區域的趨向，且集中程度明顯大于非高山峽谷區。2000—2018年，第2，3級分布指數增加明顯，其他等級變化微小，反映出除2，3級外的其他地形位等級可建設開發的土地已十分稀缺。

耕地的優勢區段在第1—6級，隨地形位等級的增加呈現先上升后減少的趨勢，峰值在第2—3級，表明耕地偏向分布在中、低地形位。2000年后，第1，2級分布指數逐漸減少，第3，4級顯著增加，說明在低地形位建設用地占用和中高地形位退耕還林的雙向作用下，耕地優勢區段逐漸向中低地形位壓縮。

草地分布指數在地形位梯度上呈現先增加后減少的分布，峰值在第6級。從時間變化看，草地分布指數變化較為劇烈，2010年在第3，4，5級有明顯增加，而第8，9，10級則下降明顯，可能與當地退耕還林在不同年份的實施側重點不同有關。

綜上，瀘水市水域、建設用地、耕地主要聚集于河谷、壩區、中低山等中、低地形位地區。但受高山峽谷地貌的限制，相比于平原、丘陵地區，建設用地和耕地在中地形位的分布更為突出。林地、未利用地則廣泛分布于中高地形位，草地在中地形位最為集中。在“山頂封和禁、半山移和退、河谷建和育”的生態保護建設方針指導下，瀘水市城鎮和耕地愈發向中低地形位集中，未利用地則向高地形位壓縮，為林地在中、高地形位的擴張提供了空間。

3.5 土地利用功能分區研究

根據上文分析結果可以發現，瀘水市不同土地類型呈現出不同的地形梯度分布特征，在坡度和高程上有著明顯的等級差異，這為基于地形梯度的土地功能分區提供了可能性。利用表3—4中的數據，分別將2018年每種土地類型的各級高程分布指數與坡度分布指數依次相乘，提取各等級乘積大于1的地類，即為該高程和坡度級別的共同優勢地類。基于不同地形級別共同優勢地類的聚集差異進行區域劃分(表5)，并以優勢地類的優先利用和保護為各分區的發展目標，最終基于不同的高程和坡度組合劃分出了研究區4大土地利用功能區：河谷集約發展區，陡坡綜合治理區，中高山生態提升區，山頂生態封禁區(圖3)。

圖2 瀘水市各土地利用類型在地形位指數梯度上的分布

表5 瀘水市各高程、坡度等級的共同優勢地類分布及分區情況

圖3 瀘水市土地利用功能分區結果

3.5.1 河谷集約發展區 位于高程小于2 600 m，坡度小于25°的區域，優勢地類以水域、建設用地、耕地為主，主要包括怒江水系的河谷地帶，以老窩鎮、上江鎮、六庫鎮、片馬鎮分布較多。這一地區地勢平坦但面積狹小，是瀘水市僅有的適宜人類生產生活的核心地帶，承擔著糧食保障、城鎮建設、交通運輸、工業生產等多項功能。所以，應因地制宜，嚴格實行土地節約集約利用，以可持續發展為目標，在保護怒江水系的前提下，平衡基本農田保護和經濟社會發展的需要，帶動全市擺脫貧困。

3.5.2 陡坡綜合治理區 位于高程小于3 100 m，坡度大于等于25°的區域，優勢地類以耕地、草地、林地為主，主要包括怒江河谷兩側的碧羅雪山和高黎貢山，是全市分布最廣的功能區。這一地區坡度較陡，但海拔適中，仍有較多人類活動，分布有大量耕地和少量建設用地。但受地形限制和對“三江并流”世界遺產地保護的要求，不適合高強度生產生活用途，應以生態環境保護為首要任務，依托高黎貢山國家自然保護區，堅持退耕還林、陡坡地生態治理等生態恢復工程，同時調整種植業結構，以生態旅游和林業經濟為產業支撐，促進耕地、草地向林地轉變，提升全市生態環境質量。

3.5.3 中高山生態提升區 位于高程在2 600～3 100 m區間，坡度小于25°的區域，沒有特別突出的優勢地類，但未利用地和林地相對有較多分布，是森林覆蓋區和山頂積雪覆蓋區之間的過渡地帶。這一地區生態環境脆弱，植物生長難度較高，存在向森林覆蓋區或裸土裸巖區轉變的雙面性。應禁止土地開發建設，并對竹材采伐和林下采集業進行嚴格控制，在保護原有森林資源規模不變的前提下，通過封山育林、荒山綠化等措施，提高森林覆蓋率，預防水土流失和地質災害，增強生態屏障功能。

3.5.4 山頂生態封禁區 位于高程大于等于3 100 m的區域，未利用地具有絕對主導優勢，以碧羅雪山和高黎貢山山頂的冬季積雪覆蓋區為主體，緊挨瀘水市東西兩側行政邊界。這一地區海拔較高，主要受氣候因素主導，并不適宜植物生長，應貫徹“山頂封和禁”的方針，除環境保護和科研考察需要外，杜絕這一地區的人類活動，保持原生態面貌。

4 結 論

(1) 作為典型的高山峽谷區，瀘水市土地利用結構具有明顯的優勢分布特征。林地在全市占統治地位，而耕地、建設用地、草地、水域的占比較小。2000—2018年建設用地增加明顯，水域變化不明顯，未利用地、耕地、草地持續向林地轉變，導致林地面積增加。

(2) 瀘水市土地利用格局受高山峽谷地貌影響，在地形梯度上的層級差異十分顯著。林地在整個地形梯度上最為突出，且隨著生態環境的改善占比持續增加；水域高度匯集于低地形位的河谷地帶；建設用地和耕地與人類活動的分布規律一致，在中、低地形位分布廣泛，并在退耕還林、經濟發展的作用下逐漸向低地形位集中；未利用地對坡度敏感性較低，但在高海拔地區占主導優勢，經過治理后，中、低地形位未利用地大量向林地轉變；草地主要分布在高程低但坡度較高的中地形位。

(3) 基于不同的高程和坡度組合瀘水市可分為4大土地利用功能區，河谷集約發展區作為全市經濟增長的中心，應在保護怒江水系生態安全的基礎上，促進工、農、服務業集約化發展，高效合理配置土地資源;陡坡綜合治理區是全市生態安全的基本盤，應貫徹一系列必要的生態治理恢復工程，在保持良好生態質量的同時，發展生態旅游和林業經濟；中高山生態提升區是全市生態環境質量提高的潛力股，應禁止土地開發建設，合理利用自然資源，爭取在生態環境上保質提量；山頂生態封禁區生態環境惡略且脆弱，但有著獨特的山頂自然風光，應堅持封山，保持原生態面貌。

高山峽谷區作為一種特殊的地貌區，與平原、丘陵地區相比，地形對土地利用的影響更為顯著。在研究中發現，高山峽谷區地形梯度特征明顯，低地形位區域面積狹小，以中、高地形位為主，限制了對土地資源的利用，也導致了在土地利用結構及其在地形梯度分布規律上的特殊性，具有明顯的優勢和層級分布特征。通過分區發展，可以充分挖掘高山峽谷區的發展潛力，促進這一類地區的可持續發展。