基于高程和坡度分級的延安市土地利用格局研究

火 紅，韓 磊，奧 勇，劉 釗，3，趙永華，3，朱會利，陳 芮

（1.長安大學 地球科學與資源學院，陜西 西安710054；2.長安大學 土地工程學院，陜西 西安710054；3.陜西省土地整治重點實驗室，陜西 西安710064；4.中國科學院 地球環境研究所 黃土與第四紀地質國家重點實驗室，陜西 西安710061；5.長安大學 地質工程與測繪學院，陜西 西安710054）

土地利用/覆蓋變化是人類活動對地球陸表自然生態系統影響的最直接反映，是全球氣候變化和環境變化研究的重要內容［1-3］。土地利用類型及結構的變化影響著生態系統物質循環和能量流動，進而改變土壤侵蝕的發生和發展［4-6］。人口增長和城市擴張等造成的人地矛盾日益突出，因此土地利用結構調整成為黃河流域高質量發展研究的焦點。

我國于1999年開始實施的退耕還林（草）工程是世界上最大的生態修復工程，現已由大規模推進轉入成果鞏固階段。延安市作為“全國退耕還林（草）第一市”，積極落實國家退耕還林（草）政策、率先實施退耕還林（草）工程并推行全市禁牧，使區域生態環境顯著改善，為黃河流域甚至全國退耕還林（草）和生態修復樹立了典范，其做法、經驗和效果具有重要的借鑒價值，因此有不少學者對延安市退耕還林（草）后的土地利用、生態效益、土壤侵蝕變化情況等進行了監測、評估、研究［7-14］。

地形因子影響地表水熱再分配、風沙作用方式和水力侵蝕強度，不同地形上土地利用類型的改變會產生不同的生態修復效果，但是退耕還林（草）和土地利用格局相關研究中對地形因子的分析較少。筆者基于遙感數據與DEM數據，在RS與GIS技術支持下獲取土地利用與地形因子數據，分析了延安市大規模實施退耕還林（草）前后各土地利用類型在不同地形因子上的分異及轉移特征，以期為科學合理地評估退耕還林（草）效果和相關研究提供參考。

1 延安市概況與研究方法

1.1 延安市概況

延安市總面積為37 031.30 km2，地處黃河中游地區，境內有黃河及其支流北洛河、延河、清澗河、仕望河、汾川河等，大都屬黃土丘陵溝壑區，地勢西北高、東南低，平均海拔1 000 m，地貌以梁、峁、溝為主，地形破碎、生態環境脆弱、水土流失嚴重。延安市屬半濕潤半干旱大陸性季風氣候區，四季分明，晝夜溫差大，年均氣溫9.9℃、1月平均氣溫-5.5℃、7月平均氣溫23.1℃，年均無霜期170 d，年日照時數為2 300～2 700 h；年均降水量537 mm，降水時空分布不均，降雨多集中于6—9月，年均降水量從南部的650 mm遞減到北部的380 mm。1999年以來延安市實施了2輪退耕還林（草），第一輪自1999年開始在全國率先退耕坡度大于25°的坡耕地，第二輪從2013年開始率先啟動實施坡度大于15°的坡耕地退耕。

1.2 數據來源與處理

本研究采用的遙感數據為Landsat4-5 TM、Landsat8 OLI衛星遙感影像數據，共20景影像，空間分辨率為30 m，成像時間分別為1988年、1998年、2008年、2018年的6—9月，成像時云量均小于10%。影像數據下載于https://www.usgs.gov/land-resources，均為Landsat Surface Reflectance產品，并經過輻射定標、大氣校正、幾何校正和正射校正等處理（其中Landsat4-5 TM影像數據采用LEDAPS進行預處理、Landsat8 OLI影像數據采用LaSRC進行預處理），對20景影像數據進行7、5、3波段合成、裁剪、鑲嵌。把土地利用分為耕地、林地、草地、建設用地、水域等5種類型，采用隨機森林法對衛星遙感影像進行監督分類，分類精度均在80%以上，4個時期延安市土地利用分類結果見圖1。采用的DEM數據空間分辨率為30 m，按照自然斷點法將高程分為5級，根據全國農業區劃委員會制定的《土地利用現狀調查技術規程》將坡度也分成5級，分級標準見表1。

圖1 延安市不同時期土地利用分類結果

表1 高程及坡度分級標準

1.3 研究方法

采用土地利用類型動態度［15］反映研究區各時段各土地利用類型的面積變化情況，其計算公式為

式中:K為研究時段某一土地利用類型動態度；Ua、Ub分別為時段初、末該土地利用類型的面積；T為研究時段長，當T以年為單位時K值就是研究區該土地利用類型的年變化率。

采用地形分布指數［16-18］表示地形因子對各土地利用類型分布的影響，精確定量化反映各土地利用類型的空間分布格局與地形梯度的變化關系。地形分布指數計算公式為

式中:i表示土地利用類型（耕地、林地、草地、建設用地、水域）；e表示地形因子（高程或坡度）；P i e為i地類的e地形分布指數，即i地類在某級地形上的優勢度，e為高程時P ie為i地類的高程分布指數，e為坡度時P i e為i地類的坡度分布指數；S i e為i地類在某級地形因子上的面積；S i為i地類的總面積；S e為研究區某級地形的總面積；S為研究區總面積。

2 結果與分析

2.1 土地利用類型動態度計算結果及分析

延安市不同時期各類土地利用面積占比見表2。1988—2018年耕地與林地面積變化較大，耕地面積占比由29.01%降低到11.51%，減少6 481.50 km2，其中1998—2008年耕地面積減幅最大；林地面積占比由36.01%提高到60.60%，增加9 107.64 km2，其中2008—2018年增幅最大，由于林地成林需要一定時間，與耕地面積的變化相比具有一定的滯后性，因此林地面積劇烈變化的時間落后于耕地的；草地面積占比由32.88%降低到25.31%，減少了2 806.5 km2；建設用地面積增加242.73 km2，占比由1.30%提高到1.95%；水域面積較小，呈波動減少趨勢。

表2 延安市不同時期各類土地面積及其占比

各時段延安市各土地利用類型動態度計算結果見表3。各時段耕地的動態度均為負值且絕對值逐時段增大，表明耕地面積減幅越來越大，其中:1998—2008年，由于1999年開始實施大面積退耕還林還草，因此耕地面積大幅減少，動態度為-3.15；2008—2018年于2013年啟動新一輪退耕還林（草），使耕地面積進一步減少，計算動態度時耕地面積基數即分母較前一時段小，因而該時段耕地的動態度達-3.50。各時段林地的動態度均為正值，表明林地面積隨著耕地減少而增加，2008—2018年動態度達到2.41。各時段草地的動態度均為負值且絕對值逐時段增大，表明草地面積逐時段減少，2008—2018年動態度達到-1.91。各時段建設用地的動態度均為正值，其中2008—2018年動態度達3.29。各時段水域的動態度波動較大，原因是水域面積基數較小。總體而言，延安市實施退耕還林（草）政策以來，耕地面積大幅減少、林地面積隨耕地和草地的減少穩步增加，建設用地面積不斷增加，水域面積小但波動性大。

表3 各時段延安市各土地利用類型動態度計算結果

2.2 土地利用類型高程分布指數計算結果及分析

1988—2018年延安市各級高程的土地利用轉移矩陣見表4，可以看出，延安市各土地利用類型在不同高程的分布呈現明顯分異。退耕地向林地的轉化主要發生在2～4級高程即919～1 445 m，在高于919 m的區域耕地向林地轉化的面積隨高程提高而減少。由于高海拔區域自然條件不佳、人工生態林生長狀況較差，而種草對自然條件的適應性優于造林，因此低海拔區域的退耕地主要轉為林地、高海拔區域的退耕地主要轉為草地。林地的轉出主要發生在2～3級高程即919～1 277 m，主要向耕地轉化，在2級高程以上隨著海拔升高林地的轉出面積減少，原因可能是分布在高海拔區域的林地較少。草地的轉出主要發生在2～4級高程即919～1 445 m且主要轉為林地，在2級高程以上隨海拔升高轉出總量及其向林地轉化的面積逐漸減少。建設用地在1～2級高程即373～1 115 m的低海拔區域變化明顯，轉出主要轉為耕地和草地、轉入主要來源也為耕地和草地。水域面積基數較小，總體變化不大。

表4 1988—2018年延安市各級高程的土地利用轉移矩陣

延安市不同時期各土地利用類型高程分布指數見圖2。1988年，在1～2級高程即373～1 115 m，草地、建設用地、水域的分布指數大于1，耕地在2級高程的分布指數大于在1級高程的；在3～4級高程即1 115～1 445 m，林地分布指數最大；在5級高程即1 445～1 812 m，各土地利用類型的分布指數由大到小依次為耕地＞林地＞草地＞水域＞建設用地。1998年，耕地在1～3級高程即373～1 277 m的分布指數減小、在4～5級高程即1 277～1 812 m增大，林地在1～2級高程即373～1 115 m的分布指數增大、在3～5級高程即1 115～1 812 m略有減小，草地在2～3級高程即919～1 277 m的分布指數增大、在4～5級高程即1 277～1 812 m減小。2008年，耕地與草地在各級高程的分布指數變化趨勢與1998年相反，而林地在各級高程的分布指數變化趨勢與1998年一致。2018年，耕地與林地的高程分布指數變化趨勢與2008年相似，分別在1級高程和5級高程減小；草地的高程分布指數在1級高程和5級高程增大、在2～4級高程減小。1988—2018年，建設用地和水域在各級高程的分布具有明顯的分異性，均主要分布在低海拔區域。

圖2 延安市不同時期各土地利用類型的高程分布指數

2.3 土地利用類型坡度分布指數計算結果及分析

1988—2018年延安市各級坡度的土地利用轉移矩陣見表5。耕地轉出主要發生在3～5級坡度即大于6°的區域且主要轉化為林地和草地，轉化為建設用地的耕地大多分布在2～3級坡度即2°～15°。林地轉出面積與轉入面積相比較小（主要轉化為草地），主要轉入來源是耕地與草地，3級以下坡度即小于15°的草地轉化為林地的面積小于耕地轉化為林地的面積，而4級以上坡度即大于15°的草地轉化為林地的面積大于耕地轉化為林地的面積。研究時段草地面積大幅減少，轉出的草地中大部分轉化為林地且主要發生在3級以上坡度即大于6°的區域、小部分轉化為耕地且主要發生在3～4級坡度即6°～25°的區域，草地的轉入來源主要是陡坡耕地。建設用地轉出主要發生在3～4級坡度即6°～25°的區域且主要轉化為林地和草地，研究時段建設用地面積增加且主要來源為2～3級坡度（2°～15°）的耕地。水域轉出主要發生在2級坡度以上即大于2°的區域，以轉化為草地為主。總體來看，在各級坡度上耕地、林地與草地面積變化較大，建設用地轉出較少、轉入較多，而水域轉出較多、轉入較少。

表5 1988—2018年延安市各級坡度的土地利用轉移矩陣

延安市不同時期各土地利用類型坡度分布指數見圖3。1988年，耕地、建設用地和水域的坡度分布指數在1～3級坡度（0°～15°）大于1，其中建設用地與水域的坡度分布指數明顯大于其他土地利用類型的，隨著坡度增大耕地、建設用地和水域的分布指數逐漸減小，說明這3種土地利用類型在坡度較緩的區域有更好的適應性；草地和林地的坡度分布指數隨著坡度的增大均呈增大趨勢且在相同坡度等級上二者數值大小相近，均在4～5級坡度（大于15°）的區域大于1。1998年，耕地的坡度分布指數在1～2級坡度（0°～6°）增大、在2級坡度以上減小，林地的坡度分布指數在3～4級坡度（6°～25°）減小、在1、2、5級坡度增大，草地的坡度分布指數在緩坡區域增大、在陡坡區域減小，說明草地分布整體上向緩坡轉移。2008年，耕地的坡度分布指數在緩坡區域增大、在陡坡區域減小，林地的坡度分布指數也在緩坡區域增大、在陡坡區域減小，而草地的坡度分布指數變化趨勢與林地相反。2018年，耕地的分布較2008年整體向緩坡區域轉移，林地與草地在各級坡度的分布變化趨勢與2008年的相反。1998—2018年，建設用地與水域在緩坡的分布指數遠大于陡坡的且越來越明顯。

圖3 延安市不同時期各土地利用類型的坡度分布指數

2.4 討 論

大規模實施退耕還林（草）前，延安市農業處于低水平生產階段，農民為增加糧食產量而墾荒種植，曾一度導致坡耕地增多，實施大規模退耕還林（草）后把大部分坡耕地轉化成林地或草地。研究時段內林地面積占比由36.01%上升到60.60%，草地、建設用地與水域在高程為373～1 115 m的分布指數大于1，這與該高程區域的地理環境和水土資源條件更適于人類生活及從事生產活動有關。大于15°的坡耕地減少面積占總減少面積的75.77%、林地增加面積占總增加面積的62.66%。有關研究表明［19-23］，各地類的水土保持功能由強到弱依次為林地＞草地＞耕地＞建設用地，土壤侵蝕強度隨坡度增大而變得劇烈，緩坡耕地與林地的水土保持效應相近，陡坡耕地大幅減少與林地大幅增加對減緩土壤侵蝕非常有利，延安市大規模退耕還林（草）后土壤侵蝕強度顯著降低、中度以上侵蝕面積急劇減少。

眾多研究表明，退耕還林（草）工程對植被恢復、區域氣候等有顯著正向影響，使生態環境得到有效改善［24-26］。大規模退耕還林（草）以來黃土高原雖然整體變“綠”，植被覆蓋度大幅提高，但隨著時間推移，在高海拔陡坡上營造人工林逐漸暴露出土壤干化嚴重、水資源耗損過多、林分結構簡單等問題，喬木林強烈的蒸騰作用易使土壤水分快速蒸發，一些人工林因干旱而出現退化現象。如何在不同的生物氣候區和立地條件下區分環境空間異質性的影響，量化退耕還林（草）引起的土地利用變化對生態環境的影響，及其與環境因子之間的互饋機制，是今后研究的重點方向。

3 結 論

（1）退耕還林（草）工程的實施，使延安市土地利用結構發生明顯變化，耕地面積占比由29.01%降低到11.51%，草地面積占比由32.88%降低到25.31%，而林地面積占比由36.01%大幅提高到60.60%。

（2）延安市各土地利用類型在各級高程與坡度上的轉移具有一定規律性，坡度小于15°的耕地面積增幅較大，隨著時間推移耕地分布逐漸向緩坡區域轉移；草地與林地在各級坡度上的分布具有一致性，二者的分布優勢均隨著坡度增大而增大；草地分布優勢隨海拔的提高逐漸減小，但隨著時間的推移其在高海拔區域的分布優勢逐漸變大；林地分布優勢在高程為919～1 445 m較大，尤其是在高程為919～1 115 m的分布優勢更大且隨著時間推移進一步增大。

（3）實施退耕還林（草）工程后，延安市各土地利用類型在不同地形因子上的分布差異隨時間推移愈加明顯，應根據土地利用類型的地形分異特征對土地利用結構進行進一步優化調整。