岷江上游土地利用變化的地形梯度效應分析

宦 吉 林，王 鐵 霖，吳 柏 清，2

(1.成都理工大學 旅游與城鄉規劃學院，四川 成都 610059； 2.四川省高校人文社會科學重點研究基地 青藏高原及其東緣人文地理研究中心，四川 成都 610059)

0 引 言

土地利用/覆被變化(LUCC)已成為現代地理學研究的核心，而土地利用格局變化則是LUCC研究的重要內容[1]。土地利用的動態演變是多種要素綜合作用的結果，地形因素作為基礎性因素之一，深度參與區域土地利用時空格局的演變過程[2]。土地利用的地形梯度特征研究越來越受到國內外學者的關注。近年來，不少學者從土地利用變化格局及其影響因素[2]、地形梯度效應[3]、時空演變規律[4]、生態系統服務價值變化[5]以及土地利用與地形因子相互關系[6-7]等方面為主開展研究。目前多借助DEM(Digital Elevation Model)提取坡度、坡向和高程等地形因子，來探討不同地形梯度下土地利用的變化情況[8]。但這些研究多聚焦于某個單一地形因子，具有一定局限性。研究方法多采用地形位、分布指數等方法[9-10]，同時借助“3S”定量分析[11]、景觀格局指數[12]等。研究對象涵蓋省市縣[13]，烏江流域[14]、喀斯特山區[15]、秦巴山區[16]等自然區域，以及環渤海、京津冀[17]等經濟區域，但針對高山峽谷這一特殊山地形態區域的研究仍然少見。

岷江上游地處中國自然地貌階梯中第一和第二階梯之間的過渡地帶，以高山峽谷地貌為主[18]，復雜的地形造就了豐富的自然景觀，也形成了其獨特的土地利用格局，具有鮮明的地形梯度特征。同時，岷江上游也是重要的生態屏障區，在岷江流域乃至長江上游都占據重要的生態戰略地位。相較于平原和丘陵低山地區，其生態環境脆弱，耕地較少且更易受到地災脅迫。針對這些特征，基于地形梯度效應分析其土地利用時空格局，厘清土地利用在地形因子影響下的分布變化規律，對該地區生態環境、糧食安全和經濟社會的可持續發展具有重要意義[19]。因此，本文以岷江上游為研究區，分析2000～2020年岷江上游土地利用在地形梯度上的變化及利用程度，以期促進土地資源的合理利用和經濟社會跨越式可持續發展。

1 研究區概況與數據來源

1.1 研究區概況

岷江是長江上游支流之一，其上游處于川西高原東北邊緣與龍門山過渡帶[5](31°26′～33°16′N，102°59′～104°14′E)，范圍大致與阿壩藏族羌族自治州的汶川縣、理縣、茂縣、黑水縣和松潘縣行政轄區重合，面積約為2.48萬km2(見圖1)。地勢西北高東南低，海拔在764～5 840 m之間，地形起伏大，土地利用以林地和草地為主。

圖1 研究區位置Fig.1 Location of the study area

1.2 數據來源與處理

土地利用數據來源于Globeland 30(http：∥www.globallandcover.com)，選取2000，2020年兩期數據，其空間分辨率為30 m，總體精度為83.5%，Kappa系數為0.78，數據被劃分成為耕地、林地、草地、水域、建設用地及未利用地6種土地類型。同時結合Google Earth對其進行考察驗證對比，保證數據的精度。DEM來源于地理空間數據云平臺(http：∥www.gscloud.cn)，分辨率為30 m，高程、坡度、地形位指數通過ArcGIS 10.8平臺提取得到(見圖2)。在ArcGIS 10.8中進行校正，統一采用WGS_1984坐標，Albers投影。

圖2 岷江上游高程、坡度及地形位指數Fig.2 Elevation，slope and topographic index of upper Minjiang River

將坡度、高程及地形位指數分級圖分別與2000，2020年的土地利用類型圖疊加，得到不同級別上的土地利用類型，計算出各地類在各級別上的優劣分布。

2 研究方法

2.1 地形因子分級

依據岷江上游的土地利用實際情況和地形特征，將高程、坡度和地形位指數進行分級。岷江上游高程在764～5 840 m之間，相對高程有5 000多m，對比發現在1 000 m以下和5 000 m以上土地利用結果較為單一，因此單獨劃分一級；1 000～5 000 m之間以1 000為相等間隔進行分級。坡度在0～88.34°之間，參考國土調查技術規程的坡度分級規則，結合岷江上游的實際特征，依次劃分6個等級。地形位指數通過公式(1) 計算得到，在0.21～2.28之間，在ArcGIS軟件中利用重分類工具按equal interval劃分方法，以0.35為間隔對應高程坡度的分級也分為6個等級(見表1)。

表1 岷江上游高程、坡度及地形位指數分級

2.2 地形位指數

地形位能夠反應高程和坡度的綜合影響程度[20]，可以定量分析土地利用變化空間格局與地形梯度的關系[21]，計算公式為

(1)

2.3 地形梯度效應

為了消除量綱帶來的影響，采用地形分布指數反映不同土地利用類型在各地形梯度上的分布情況[23]，計算公式為

P=(Sij∕Si)∕(Sj/S)

(2)

式中：P為分布指數；Sij為第i種地類在第j級地形區的面積；Si為第i種地類總面積；Sj為第j級地形區總面積；S為研究區總面積。當P>1時，表示該地類在某級別地形區呈優勢分布，指數越大，分布優勢越大；當P=1時，表示該地類在某級別地形區的比重與研究區內該地類比重一致；當P<1時，表示該地類在某級別地形區呈劣勢分布，指數越小，分布劣勢越大。

2.4 土地利用程度綜合指數

量化展示不同地形等級下的土地利用程度的分布規律[24]，計算公式為

(3)

式中：L為土地利用程度綜合指數；n為土地利用類型數量；Ai為第i種地類的分級指數；Ci為第i種地類的面積占總面積的比例。

參考劉紀元等[25]設定的土地利用分級指數，依據人類利用土地的強度，將土地利用程度分為4級進行分級賦值：建設用地為4，耕地為3，林地、草地和水域為2，未利用地為1。

3 結果與分析

3.1 土地利用變化

3.1.1土地利用動態變化

由表2可得，岷江上游土地利用類型以林地和草地為主，面積之和占岷江上游總面積的95%以上。2000～2020年間，林地減少最多，減少了218.73 km2。耕地、草地和水域均有小幅增加，分布增加了29.00，2.44，121.89 km2。建設用地呈現劇烈擴張趨勢，20 a間面積擴大約了4倍，2000～2020年增速達249.40%，主要是經濟發展需要大量的建設用地。未利用地呈現減少趨勢，減少了7.93 km2，減少幅度為39.87%。

表2 2000～2020年岷江上游土地利用變化

3.1.2土地利用轉移圖譜

由圖3可知，受地形限制，岷江上游耕地和建設用地相對較少且集中分布在河谷地帶；2000～2020年岷江上游耕地、林地、草地相互之間轉換劇烈，存在草地和耕地對林地擠壓現象。耕地的增加主要來源于林地和草地，建設用地的增加來源于耕地和草地；在空間上林地、草地轉為耕地主要發生在茂縣和汶川縣，耕地、草地轉為建設用地主要是在松潘縣、茂縣和汶川縣，且都發生在岷江上游的河谷地區。

圖3 2000～2020年岷江上游土地利用轉移Fig.3 Land use transfer in upper reaches of Minjiang River from 2000 to 2020

3.2 土地利用變化的高程梯度效應

由圖4可知，除草地外，其余5種地類在2000～2020年間高程梯度的優勢分布基本穩定。① 耕地的分布指數隨著高程的增加而降低；在高程4 000 m以上為0，表明對應的高程區間沒有耕地分布；在高程2 000 m以下分布指數在5以上，是優勢分布區域，這都表明耕地受到高程的限制，在高程低的地帶呈優勢分布。2020年與2000年相比變化不明顯。② 林地在梯度1～6均有分布，在高程1 000～4 000 m是優勢分布；林地的分布指數隨著高程級別的升高先增加后減少，2000～2020年林地的分布指數略有下降，這是由于“退耕還林”政策的實行，林地向更高的高度拓展，而高程太高不適宜樹木的生長，導致高海拔地區林地較少。③ 草地在高程分級上呈現先下降后上升趨勢，在高程4 000 m以上分布指數大于1；在高程1 000 m以下草地由2000年的優勢分布變為2020年的劣勢分布，主要是經濟建設需大量建設用地侵占草地。④ 水域優勢分布在高程2 000 m以下和4 000 m以上；2000～2020年水域分布指數在1 000 m以下明顯上升，在高程5 000 m以上下降；這說明低高程地區水域有大量增加，而5 000 m以上水域主要為冰雪等。⑤ 建設用地優勢分布在3 000 m以下，2020年的分布指數低于2000年，這表示隨著城市化，單一的建設用地降低，多種用地類型增加。⑥ 2000～2020年未利用地分布指數變化基本一致，優勢分布在高程3 000～4 000 m，沒有明顯規律；此處未利用地主要是裸土地、高寒荒漠、苔原等，海拔較高，人類活動影響小。

圖4 高程梯度上土地利用類型的分布指數Fig.4 Distribution index of land use types on elevation gradient

3.3 土地利用變化的坡度梯度效應

由圖5可知，土地利用類型主要在坡度0～25°分布集中；且在各等級優勢分布均未發生變化。草地和耕地在坡度0～25°優勢分布，建設用地、水域和未利用地在坡度0～15°優勢分布，林地在坡度25°以上為優勢分布。耕地、水域、建設用地和未利用地隨著坡度的增加，分布指數呈遞減趨勢；林地隨著坡度的增加，分布指數呈上升趨勢；而草地隨著坡度增加，分布指數呈倒“S”曲線，在2°～15°區域最高。2000～2020年，土地利用類型變化主要發生在0～2°區域，各地類分布指數在0～2°均有變化，耕地、草地和建設用地變化劇烈，表明人類活動影響隨坡度增加而減小。

圖5 坡度梯度上土地利用類型的分布指數Fig.5 Distribution index of land use types on slope gradient

3.4 土地利用變化的地形位梯度效應

由圖6可知，2000～2020年，耕地在1～4級集中分布，1～3級上為優勢分布，在地形位梯度上逐漸減少；2020年與2000年相比，在第1級上顯著減少，說明經濟發展在第1級上侵占了大量耕地，耕地在1～3級別上分布指數下降(在1級別下降最明顯，由18.05下降到13.45)，在4～6級別上呈上升(在4級別上由0.34上升到0.36)，說明耕地有向高地形位級別發展趨勢。林地分布指數在地形位梯度上先上升后減少的趨勢，優勢分布在3～4級別；表明林地主要集中在中、高地形位區；2000～2020年林地分布指數在地形位上基本無變化。草地分布指數在地形位梯度上逐漸上升，從時間上看在第1級別上變化劇烈，可能與“退耕還林”政策有關。水域分布指數在地形位梯度上先減少后上升，優勢分布在1～2和5～6級別；2020年與2000年相比在第1級別上增加，在第6級別上減少。建設用地分布指數在地形位梯度上逐漸減少，在5～6級別上為0，表明沒有建設用地分布；在1～3級別上分布指數變化幅度大，表明建設用地的分布受到高程和坡度的制約影響大；與2000年相比，2020年在第1級別上分布指數有明顯上升，符合建設用地向低海拔和平坦地區發展趨勢。未利用地分布指數在地形位梯度上先上升后下降，在2～3級別上優勢分布；2000～2020年除在第2級別上有減少外，其余級別上無明顯變化。

圖6 地形位梯度上土地利用類型的分布指數Fig.6 Distribution index of land use types on topographic gradient

3.5 土地利用程度的地形梯度分析

2000～2020年隨地形位指數的增加，岷江上游土地利用程度綜合指數在地形位梯度上呈減小的趨勢(見圖7)。主要是因為高地形位指數區域坡度大、海拔高，對其區域的開發難度就大，以林地和草地為主，土地利用程度綜合指數就小。土地利用程度指數在第3級別之后趨于平緩，說明在這范圍內土地利用形式較單一。近20 a間，岷江上游土地利用程度綜合指數在1～3級地形位有所增加，而在3～6級地形位無明顯變化，這主要是因為經濟快速發展，人類對土地利用形式影響較大，使得坡度和海拔較低區域的城市和新農村建設增多。

圖7 土地利用程度綜合指數Fig.7 Land utilization degree index

對2000，2020年土地利用數據采用ArcGIS漁網工具，分別計算各地類在1 km×1 km柵格內的比例，計算土地利用程度綜合指數(見圖8)。從縣域上看，2020年松潘縣土地利用程度較2000年增加明顯，茂縣、理縣、汶川縣土地利用程度均有提高，而黑水縣與其他四縣相比土地利用程度最低。對比岷江上游土地利用分類圖，可以看出土地利用程度綜合指數高的地區集中在建設用地密集的區域，且沿岷江及其支流分布，集中在河谷地區；在草地、林地集中分布的區域土地利用程度綜合指數小。與2000年相比，2020年土地利用程度綜合指數高值更高，低值更低；土地利用程度綜合指數高值的區域增加明顯且聚集性更強。這說明隨著時間推移，岷江上游土地利用方式向更加合理和穩定的方向發展。

圖8 土地利用程度綜合指數分布Fig.8 Comprehensive index distribution of land use degree

4 討 論

岷江上游地區屬川西高原，具有獨特的地理位置和自然條件。隨著退耕還林(草)工程的實施，2000～2020年岷江上游主要表現在中高和高地形區域草地面積的增加；而林地呈減少趨勢，主要是受“汶川大地震”、鄉村振興建設等影響。雖然退耕還林(草)持續實施，但耕地仍出現了小幅度的增加，主要是由于岷江上游地區的經濟發展，城市化建設，人口增加需要大量的耕地[26]；耕地的分布更加集中，主要在低海拔、低坡度地區。

和平原地區相比，岷江上游的土地利用類型受地形的影響更加顯著。在自然環境的制約和人為活動的影響下，不同地類在地形梯度上的分布變化，體現了對不同地形的適應。2000～2020年岷江上游耕地在海拔2 000～3 000 m、坡度25～35°、地形位0.9～1.24的區域增加最大，建設用地在海拔1 000～2 000 m、坡度2～15°、地形位0.9～1.24范圍增加最大；這體現了人類活動的范圍受到海拔、坡度等因素影響，在不同地形梯度上的分布差異明顯，對地形有較強的選擇性[27]。與其他地類相比，草地和林地能夠分布在更高的海拔和坡度上，這主要是草和樹木的生長特性決定的。同時也發現一些問題：在坡度25°以上仍有耕地的存在，且呈增加趨勢，應及時調查原因，進一步實施退耕還林(草)，保護生態環境，防止水土流失，實現土地資源合理優化配置。

5 結 論

(1) 岷江上游土地利用類型以草地和林地為主，建設用地和未利用地占比最小。2000～2020年，耕地、草地、水域和建設用地呈增加趨勢，而林地和未利用地呈減少趨勢，耕地、林地、草地三者相互之間轉換劇烈。

(2) 岷江上游各地類在地形梯度上差異顯著，對地形有較強的選擇性。2000～2020年土地利用變化主要發生在各地類優勢分布區域，即海拔4 000 m以下，坡度35°以下，地形位指數1.59以下的區域。

(3) 岷江上游土地利用程度綜合指數隨著地形位的增加而下降，后趨于平緩。在低地形位的區域2020年的土地利用程度綜合指數高于2000年，表明地形是影響土地利用程度的因素之一。從空間上看，2000～2020年岷江上游地區人類活動的主要區域仍主要集中在河谷地區。

岷江上游地區屬高山峽谷的地貌，同時又是重要的生態屏障，對經濟發展帶來了巨大難度，不宜大規模開發土地資源。通過對岷江上游土地利用的地形梯度研究可知，今后應集中規模發展河谷經濟，生態農業等，減少人為的生態環境破壞。重點關注低地形位區域的土地利用變化，在低地形位區域應控制耕地開墾和限制建設用地的盲目擴張；對中高地形位區域切實落實水土保持、退耕還林(草)等措施，避免開發。依據地形特征，注重各地類的空間布局，最終實現可持續協調發展。