地形梯度視域下的云南山區土地利用時空格局變化研究

王 敏，吳映梅，胡平平

(云南師范大學 旅游與地理科學學院，云南 昆明 650500)

0 引言

土地利用是人類針對土地自然屬性進行的經濟活動，包括物質、能量和信息的交流，是一個復雜的綜合體。山區地理環境復雜多樣，具有明顯的空間異質性，是生態環境脆弱區和貧困集中發生區，其土地利用地形梯度變化對經濟建設和農業生產活動具有深遠的影響[1-2]。地形是影響山區土地利用數量、結構變化的重要因素之一，其變化直接影響地面的物質流動和能量轉化，對人類生產生活具有明顯的限制性，使不同地類在地形梯度上的分布呈現出規律變化特征[3-4]。利用DEM數字高程模型提取地形因子，為研究土地利用空間分布及變化特征提供了高效方法[5]，而以DEM為基礎的地形梯度變化特征與土地利用相關性已成為LUCC研究的一個重要視角[6]。目前國內外學者對山區土地利用變化與地形因子相關性展開了一定研究，認為地形是土地利用結構和空間分布格局差異的重要影響因子[7-16]，但現有研究主要是采用DEM高程數字模型提取地形因子，研究縣域、市域等中小尺度區域土地利用梯度特征，從省域尺度出發探究地形梯度與土地利用格局變化的相關研究較為鮮見。

我國是山地大國，山區面積占土地面積的69%，西南山區尤甚，山區面積占土地面積的95%，云南是西南山區的典型代表，山區面積占其土地面積的94%。受地理環境復雜、歷史基礎薄弱和社會人文多樣等條件的影響，云南山區經濟發展相對滯后，對土地資源的依賴性較強，長期不合理的土地利用方式導致該地區水土流失嚴重，滑坡、泥石流、山洪等地質災害頻發。研究云南山區土地利用的地形梯度時空分布規律，對土地資源合理配置和區域生態環境改善尤為重要。而當前，從地形梯度視域下探究云南山區縣域、市域、省域土地利用時空格局的成果還相對較少。為此，本研究從地形梯度視域出發，采用DEM數字高程模型提取高程、坡度等地形因子，篩選構建地形起伏度、地形位指數、分布指數等為主的方法，探究云南山區土地利用梯度分布變化規律，揭示地形因子在山區土地利用中的重要作用，以期為云南山區土地資源可持續利用提供科學依據。

1 研究區地理環境基礎

云南地處我國西南邊陲，土地面積39.41萬km2。地勢西北高東南低，與我國整體地勢相似。地貌類型多樣，山地、丘陵和高原占全省面積的94%，盆地、河谷約占6%，山地特征顯著，是我國典型的山區省份。地形起伏大，最高點海拔為6151 m，最低點海拔為76 m。全省以元江谷地—云嶺山脈南段寬谷為界，分為東西兩大地形區，以西，橫斷山區高山深谷縱列，地勢險峻；以東，滇東高原和滇中高原上低山、丘陵遍布起伏(圖1)。屬于亞熱帶季風氣候，氣溫隨地勢高低變化明顯，干濕季節分明，大部分地區降水1000 mm以上。受復雜的地理環境影響，全省土地利用類型多樣，以耕地、草地和林地為主，耕地墾殖率較高，坡耕地比例較大。2018年全省總人口4829.5萬人，GDP為17881.12億元，人均GDP為37136元，經濟發展水平相對全國其他省份滯后，而山地為主的地形地貌是影響其經濟發展水平的重要因素，因此，從地形梯度視域下，探究云南山區土地利用時空格局變化規律對土地可持續發展利用和經濟協調發展具有重要意義。

2 數據來源與研究方法

2.1 數據來源及圖像處理

2000年以來，云南省工業化和城鎮化進程加快，城鄉建設用地需求增加，“城鎮上山”政策的實施使得山區土地開發與保護的矛盾愈加突出，為此研究選擇云南省2000、2005、2010、2015年4期Landsat TM遙感影像，采用ENVI 5.3進行幾何校正、圖像配準、人機交互解譯等處理，得到4期云南省土地利用圖，按照國家土地利用分類標準將其分為耕地、林地、草地、水域、建設用地和未利用地一共6類(圖2)；運用ArcGIS軟件處理分辨率為90 m的云南DEM數字高程數據，得到高程、坡度、地形起伏度和地形位分布圖，并與4期土地利用圖疊加，從地形梯度視域分析，不同地形因子影響下的云南山區土地利用時空分布格局及變化規律。

圖1 云南山地分布范圍

2.2 研究方法

2.2.1 高程、坡度 高程和坡度是土地資源固有的2個重要因子，對土地開發利用和土地承載力研究有直接作用[17-19]。研究應用ArcGIS軟件提取地形因子，采用自然斷點法進行分類(表1)。

表1 高程和坡度分區分級

2.2.2 地形起伏度 地形起伏度表示區域內最高點海拔高度與最低點海拔高度之差，用于描述區域地形起伏狀況，計算公式如下：

RDLSi=Emax-Emin

(1)

式中，RDLSi表示空間上第i個柵格地形起伏度，Emax、Emin分別表示第i個柵格的最大高程和最小高程。

圖2 2000～2015年云南省土地利用圖

2.2.3 地形位指數 地形位指數用于衡量地形梯度差異，是一個綜合影響因子。為定量分析土地利用空間格局與地形梯度的變化關系，本研究采用地形位指數來度量地形梯度[20]，計算公式如下：

(2)

式中，T表示地形位指數，E表示空間上任意點高程，S表示空間上任意點坡度，E0、S0分別表示研究區平均高程、平均坡度。高程越高、坡度越大的區域地形位指數越大，反之則越小；高程較高但坡度較小或高程較小坡度較高的區域，其地形位指數居中[20-21]。

2.2.4 分布指數 分布指數用于消除各類用地面積差異，使分布相對少的用地類型特征得以表現，采用該指數計算各類用地的出現頻率，以反映土地利用在不同地形因子上的梯度分布特征[22-23]，計算公式如下：

(3)

式中，S表示分布指數，t表示某一地形因子，L表示研究區用地面積，Li表示i類用地面積，Lt表示t地形因子用地面積，Lit表示t地形因子下某等級區內i類用地面積。分布指數曲線越平緩，表明某種地類分布與標準分布的偏離越小，其對地形差異的適宜性越大；反之，則表明某種地類對地形具有較強的選擇性[22-24]。即標準分布為1，當S=1時，說明第i種地類在t地形上的比重與研究區內該地類的比重相等；當S>1時，說明第i種地類在t地形上占優勢，對地形差異的適應性較強；當S<1時，說明第i種地類在t地形上占劣勢，對地形差異的適應性較弱小。

研究結合云南地形地貌等地理環境特征，參照現有成果[25-26]，對地形起伏度、地形位指數進行分類(表2)。

表2 地形起伏度和地形位分區分級

3 結果與分析

3.1 不同地形梯度視域下土地利用時空變化特征

3.1.1 高程梯度視域下土地利用時空變化特征 從高程梯度視域看，耕地主要分布在低、中地形梯度區，優勢位為Ⅰ～Ⅲ級，高地形梯度區分布較少；林地、草地分布較廣，優勢位不明顯；水域主要分布在低、中地形梯度區，優勢位為Ⅰ、Ⅲ級；建設用地主要分布在中地形梯度區，優勢位為Ⅲ級；未利用地主要分布在高地形梯度區，優勢位為Ⅴ級。這也表明在高程1789～2402 m的中地形梯度區，人類開發建設活動最為活躍。

在低地形梯度區，耕地、草地、林面積持續減少，其中耕地面積減少最多，為579.23 km2；水域、建設用地、未利用地面積不斷增加，其中水域、建設用地面積增加量最多，增加了885.3 km2。在中地形梯度區，耕地、林地、草地面積波動減少，最為明顯的是耕地，15年間減少374.95 km2；水域、建設用地、未利用地面積不斷增加，最為明顯的是建設用地，增加了441.68 km2。在高地形梯度區，耕地、草地、未利用地面積有所減少，林地面積、水域、建設用地面積有所增加，面積變化量均小于低、中地形梯度區(表3)。

表3 不同高程上各土地利用類型的面積和分布指數

總體來說，耕地、林地、草地、水域、建設用地、未利用地分布隨高程的增加，呈現明顯的梯度變化規律，建設用地面積在低、中、高地形梯度區呈增加態勢。在低、中、高地形梯度區，耕地面積總量持續減少，多為建設用地所占用。在低、中、高地形梯度區，地類減少面積之和相當于地類增加面積之和。

3.1.2 坡度梯度視域下土地利用時空變化特征 從坡度梯度視域看，耕地、水域、建設用地主要分布在低地形梯度區，優勢位為Ⅰ級；林地、草地分布較廣，優勢位不明顯，遍布在低、中、高地形梯度區，這也表明云南森林覆蓋率高；未利用地主要分布在中、高地形梯度區，優勢位為Ⅲ～Ⅴ級。

在低地形梯度區，耕地、林地、草地面積持續減少，減少了1030.66 km2；水域、建設用地、未利用地面積不斷增加，增加了1029.96 km2。其中，耕地面積減少量、建設用地面積增加量在低地形梯度區最多。在中地形梯度區，耕地、林地、草地面積減少了447.08 km2；水域、建設用地、未利用地面積增加了447.014 km2。在高地形梯度區，6個地類面積變化量為5個坡度等級中最少(表4)。

表4 不同坡度上各土地利用類型的面積和分布指數

總體而言，6個地類坡度梯度分布特征明顯，耕地、水域、建設用地面積隨坡度梯度等級的上升而減少；未利用地面積隨坡度梯度等級的上升而增加。6個地類在低、中、高地形梯度區具有不同的競爭優勢，耕地、水域、建設用地在低地形梯度區競爭優勢強；未利用地在高地形梯度區競爭優勢強。其中，耕地和建設用地的競爭最為激烈，城鎮化建設不斷推進，大部分耕地被占用，要協調好耕地與建設用地之間的關系，避免因過度占用耕地導致耕地資源減少。

3.1.3 地形起伏度梯度視域下土地利用時空變化特征 6個地類地形起伏度空間分布特征顯著。耕地、水域、建設用地主要分布在低地形梯度區，優勢位為Ⅰ級；林地、草地分布較廣，優勢位不明顯，在Ⅰ～Ⅴ級分布指數林地大于0.64、草地大于0.94，分布較為均衡；未利用地主要分布在高地形梯度區，優勢位為Ⅳ～Ⅴ級。

6個地類地形起伏度空間分布變化態勢明顯。在低地形梯度區，耕地、林地、草地分布面積最大，水域、建設用地次之，未利用地分布面積最小。2015年耕地、林地、草地分布面積占低地形梯度區土地面積的97%。15年間耕地面積減少了802.78 km2，是低地形梯度區上面積減少量最多的地類；建設用地面積增加805.46 km2，I級梯度分布指數達4.0以上，這也表明該梯度是人類建設活動最活躍的地區。在中地形梯度區，15年間耕地面積減少了189.96 km2，分布指數維持在0.75；林地面積有輕微增加，在中地形梯度區上仍為優勢地類。在高地形梯度區，耕地面積最少，分布指數僅為0.34；林地、草地面積有輕微減少，分布指數均大于1；水域、建設用地、未利用地面積有輕微增加。在低、中、高地形梯度區，建設用地面積呈現出持續增加的態勢，增加來源主要是其他地類面積減少造成，這也表明建設用地在各地類中競爭力大(表5)。

表5 不同地形起伏度上各土地利用類型的面積和分布指數

6個地類在低、中、高地形梯度區的分布呈現出不同的競爭優勢，耕地、水域、建設用地在Ⅰ級具有分布優勢，換言之，耕地、水域、建設用地地形起伏度梯度分布特征明顯，地形起伏度越大，分布面積越少。從6個地類的面積變化量來看，其競爭優勢表現為：建設用地>水域>未利用地>林地>草地>耕地，耕地、草地、林地面積減少量轉換為建設用地、水域、未利用地增加量。耕地面積減少量大多轉化為建設用地；水域面積增加得益于云南得天獨厚的地理環境，地區降水量增多，匯入湖泊的水量大于蒸發和流失的水量；未利用地面積增加主要是人類社會經濟活動中對森林植被的砍伐，使得林地減少，裸地增加。

3.1.4 地形位梯度視域下土地利用時空變化特征

6個地類地形位空間分布特征顯著。耕地主要分布在低、中地形梯度區，優勢位為Ⅰ～Ⅲ級，Ⅴ級分布指數僅為0.01；林地、草地分布較廣，優勢位不明顯；水域、建設用地主要分布在低地形梯度區，優勢位為Ⅰ級；未利用地主要分布在高地形梯度區，優勢位為Ⅳ～Ⅴ級(圖3)。

15年來6個地類整體分布基本一致，耕地在低、中地形梯度區分布指數大于1；林地、草地分布指數與標準分布偏離較小；水域、建設用地、未利用地分布指數在Ⅰ～Ⅴ級有波動，建設用地Ⅰ、Ⅲ級大于1，未利用地Ⅴ級大于1，這也表明未利用地對地形位具有較強的選擇性，人類活動對高地形梯度區干擾較弱。地類分布對地形位的依賴較大，低、中地形梯度區耕地、水域、建設用地轉移活躍，但隨著地形位等級的上升，不斷衰減；中、高地形梯度區林地、草地、未利用地轉移活躍，隨著地形位等級的上升，不斷增強。

3.2 不同地形梯度視域下土地利用時空變化差異

6個地類在高程、坡度、地形起伏度、地形位梯度上分布規律總體相似，但仍存在細微差異。 耕地在高程、地形位等級上主要分布在Ⅰ～Ⅲ級，在坡度、地形起伏度等級上主要分布在Ⅰ級；水域在高程等級上主要分布在Ⅰ、Ⅲ級，在坡度、地形起伏度、地形位等級上主要分布在Ⅰ級；建設用地在高程等級上主要分布在Ⅲ級；在坡度、地形起伏度和地形位等級上主要分布在Ⅰ級；未利用地在高程等級上主要分布在Ⅴ 級，在坡度等級上主要分布在Ⅲ～Ⅴ級，在地形起伏度、地形位等級上主要分布在Ⅳ～Ⅴ 級(表 6) 。

表6 不同地形梯度等級下土地利用類型分布規律

在高程、坡度、地形起伏度、地形位梯度等級下，15年間6個地類面積變化量變化趨勢相同。耕地面積在低、中、高地形梯度區持續減少，水域、建設用地面積在低、中、高地形梯度區不斷增加，林地、草地面積在低、中、高地形梯度區波動減少，未利用地面積在低、中、高地形梯度區波動增加，且4個梯度視域下面積變動總量基本相同。從而進一步驗證了高程、坡度、地形起伏度、地形位上土地利用類型分布趨勢與實際分布相符合，不同地形梯度對云南省土地利用變化影響基本一致(表7)。

4 結論與討論

本研究以云南省2000、2005、2010、2015年4期土地利用現狀數據和DEM數字高程數據為基礎，從地形梯度視域出發，篩選構建了地形起伏度、地形位指數、分布指數等為主的方法體系，運用ArcGIS、ENVI等數據處理手段，分析了云南山區土地利用時空分布格局及變化規律，結果如下。

土地利用類型在高程、坡度、地形起伏度、地形位等級上梯度分布特征明顯。其中，耕地主要分布在低、中地形梯度區，優勢位為Ⅰ～Ⅲ級；水域、建設用地主要分布在低地形梯度區，優勢位為Ⅰ級；未利用地主要分布在高地形梯度區，優勢位為Ⅳ～Ⅴ級；林地、草地分布較廣，優勢位不明顯，遍布在低、中、高地形梯度區，Ⅰ～Ⅴ級分布指數相差較小。換言之，與人類生產生活相關的耕地、建設用地、水域主要適應在低地形梯度區，由于高地形梯度限制了人類的開發利用，未利用地主要分布在高地形梯度區，而林地、草地對地形梯度的適應性強，對地形梯度變化敏感性較弱，分布較廣。

表7 2000～2015年不同地形梯度下的土地利用類型面積變化量km2

土地利用類型梯度分布變化規律明顯。2000～2015年，低、中、高地形梯度區耕地、林地、草地面積不斷減少；水域、建設用地、未利用地分布面積持續增加。6類用地中耕地與建設用地空間競爭最為激烈，耕地面積減少量最多，建設用地面積增加量最多。且土地利用類型在不同地形梯度上相互轉變，建設用地占用耕地，耕地面積銳減并向高地形梯度區轉移，不同地形梯度上坡耕地與林地、草地、未利用地間相互轉變。

揭示了地形因子在土地資源開發利用、土地結構優化配置過程中起到的空間限制作用。今后，云南在土地資源開發利用中，要針對不同地形梯度區分布規律合理安排各類用地，在低地形梯度區，應減少耕地、林地、草地流失，保障糧食生產和生態安全，協調好城鎮建設用地與各類用地之間的關系，協調好經濟發展與生態保護之間的關系；在中、高地形梯度區，應嚴禁毀林開荒等破壞生態平衡的行為，實施退耕還林工程，保證林地水源涵養功能的發揮，控制土壤沙漠化、減少水土流失，以保障土地可持續發展利用，促進山區人地關系協調發展。