基于地形因子的喀斯特山地土地利用变化分析

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　　摘 要 以乌江北源2000年、2010年两期土地利用和DEM数据为基础，运用GIS空间分析软件，探究喀斯特流域土地利用变化的空间规律.结果表明： 1）2000―2010年期间，耕地大幅度减少（-2.29%），林地、草地和水域用地却在增加（+1.53%、+0.21%、+0.47%）.2）土地利用类型面积变化差异显著，在高程1 200～1 600 m、坡度15°～25°、与河流主干距离<10 km区域内变化最为剧烈.3）主要地类转化包括：以耕地转向林地、草地、水域用地为主，多发生在高程1 200～1 600 m、坡度15°～25°的与河流主干距离<10 km区域内；林地、草地转向水域用地，多发生在高程<1 200 m、坡度8°～15°的与河流主干距离<10 km区域内；林地向居住用地转化，多发生在高程1 200～1 600 m、坡度8°～15°与河流主干距离<10 km区域内.4）土地利用变化程度与高程、坡度和河流主干距离有高度的相关性，且随着高程、坡度的增加先增加再减小，随着与河流主干距离增加明显急剧较小的趋势.
　　关键词 喀斯特流域；土地利用变化；高程；坡度；与河流主干距离
　　中图分类号 K903 文献标识码 A 文章编号 10002537（2016）01000907
　　Natural Factor Analysis of Land Use Change in Karst Mountain Area
　　―North Source of Wujiang River
　　ZHAI Rongfei， ZHAO Cuiwei*， YANG Li
　　（Geographic and Environmental Sciences， Guizhou Normal University， Guiyang 550001， China）
　　Abstract
　　The natural environment as a basic factor that affects land use change， which directly has impact on the way and degree of land use. Especially on the karst mountain areas where the ecological environment is fragile， the uniqueness of the natural environment leads to the typical form of land use. On the basis of two issues DEM data （ 2000， 2010 year） on land use of north source in Wujiang river， GIS spatial analysis software was employed to explore the space law of land use change in karst basin. Our results showed that： （1） Cultivated land was reduced by a large margin （2.29%） during 2000―2010， while forest land， grass land and waters were increased by+1.53%，+0.21%，+0.47%， respectively. Significant differences were found in different land use types with the most dramatic change occurred in the area with the elevation of 1 200～1 600 m， gradient of 15°～25°， and river trunk distance <10 km. （2） Main transformation includes that cultivated land was mainly turned to forest land， grassland， water land， and they occurred in the area with the elevation of 1 200～1 600 m， slope of 15°～25° and river trunk distance < 10 km area. Forest land， grass land were converted to water land in the area where elevation<1 200 m， gradient of 8°～15° and river trunk distance <10 km. Forest land tumed to residential land elevation of 1 200～1 600 m， gradient of 8°～15° and river trunk distance<10 km area. （3） Degree of land use change a high correlation with elevation， slope， and rivers backbone distance. With an increased elevation and slope change increases first and then decreases. With an increase in distance of river trunk the change was found to decrease sharply. 　　Key words Karst basin； land use change； elevation； slope； distance to backbone
　　土地利用是人类活动对自然环境的综合表现，也是影响全球环境变化的重要组成部分.而土地利用类型的变化将对能量交换、水分循环和土壤侵蚀等陆地主要生态过程的结果和功能产生深远影响，同时也能直接反映一个区域生态环境和社会经济的可持续发展程度 [14].
　　近年来喀斯特地区土地利用研究已成为国内外广泛关注的焦点，其研究主要包括：喀斯特土地利用结构、类型特征[510]；土地利用变化的时空差异[1115]以及土地利用类型、结构和变化受地形因子的影响程度[1620]等.生态环境脆弱地区，社会经济发展落后、人地矛盾突出、土地利用变化剧烈，从而反过来限制区域的可持续发展.地形因子作为自然环境的重要因素，特别是高程、坡度，对土地利用形式和时空分布产生直接影响；在流域区尺度上，水资源状况影响人类对土地利用程度，尤其在自然条件独特的喀斯特山地，其地形崎岖、地表严重缺水，导致土壤能力低下、养分及水土流失状况严重，因而地形、水资源状况对喀斯特流域区的土地利用形态有着不可忽略的影响[5].
　　本文以乌江北源流域为例，基于2000年与2010年两期土地利用矢量图，运用GIS空间分析软件，在对高程、坡度及与河流主干距离分级的基础上，分析乌江北源流域区2000―2010年土地利用变化在不同高程、坡度及与河流主干距离
　　的变化情况，探究喀斯特流域土地利用变化空间规律，为喀斯特流域区的土地资源利用、规划以及政府决策提供依据.
　　1 研究区概况
　　图1 乌江北源区位图
　　Fig.1 The geographic location map of the Wujiang north source
　　乌江，长江上游右岸的最大支流，有南北两源，其中南源三岔河，北源六冲河.六冲河又名乌江北源，地理位置介于东经104°19′46.46″～106°7′18.86″、北纬26°31′～28.96″之间，流域区总面积为10 874 km2，小部分流经云南省高雄镇，大部分流经贵州毕节、大方、赫章、纳雍、织金、黔西以及威宁县，贵州省境内流域面积为9 934 km2（图1）.
　　流域地势呈西北东南走向，海拔913～3 034 m，碳酸盐岩溶面积占流域区总面积的71.22%，典型喀斯特地貌特征，包括峰丛洼地、峰丛沟谷、峰丛谷地和溶丘洼地等.大部分地方属亚热带湿润气候，年均日照1 231 h、气温13.09 ℃、降雨量1 129.04 mm、无霜期266天，冬无严寒，夏无酷暑，四季分明，气候宜人，适合于多种农作物和动物的生长、繁衍.其经济情况表现为，2013年初步核算全区生产总值为1 041.93亿元，按可比价格计算，比上年增长15.1%，第一、二、三产业结构比为18.8∶43.2∶38.0.按常住人口计算，人均生产总值为15 953元.
　　2 数据来源及方法
　　2.1 数据来源及处理
　　数据来源：（1）地球系统科学数据共享平台获取30×30 m分辨率的DEM；（2）遥感数据解译贵州省2000年和2010年两期土地利用.
　　数据处理：（1） 利用ArcGIS空间分析，对30×30 m DEM进行水文分析，确定河网分布及研究区范围（见图1）；（2）利用ArcGIS中分析工具，提取研究区高程、坡度以及与河流主干距离分级专题图和属性数据库；（3）叠加分析，获取研究区2000～2010年土地利用变化图和属性数据；（4）叠加研究区土地利用变化图与高程、坡度以及与河流主干距离分级图，统计分析研究区土地利用变化在不同高程、坡度、与河流主干距离的分布规律.
　　2.2 研究方法
　　在GIS与RS技术支持下，利用DEM数据提取高程、坡度与坡向等地形因子信息，根据研究区区地形特点以及《贵州农业地貌区划》进行高程、坡度和坡向与河流主干距离分级.将研究区土地利用变化图和高程、坡度和河流主干距离图进行叠加，统计分析在不同高程、坡度和河流主干距离带上土地利用变化特征.
　　2.2.1 土地利用分类 参照全国土地利用现状分类，结合研究目的，将土地利用类型划分为林地、耕地、草地、水域、居住用地、工矿用地、交通用地、未利用地8类.
　　2.2.2 自然条件因子分级 研究区海拔介于913～3 034 m之间，属云贵高原山地.高程决定局地的温度和光照状况，影响人类利用土地的难易程度，从而直接对土地利用的空间分布产生重要影响.又因研究区高程<1 200 m的占总面积的2.17%、>2 000 m占总面积的11.59%.因此，将研究区高程<1 200 m和>2 000 m界定为第一、四高程带，1 200～2 000 m之间的400 m为间隔平均分为2个高程带.
　　坡度是表征局部地表坡面在空间的倾斜程度的地形因子，坡度的大小直接影响地表物质流动和能量转换的规模和强度，是制约土地利用的空间布局.按照《贵州农业地貌区划》坡度分级指标，将研究区坡度分为微坡（0°～5°）、较缓坡（5°～8°）、缓坡（8°～15°）、较陡坡（15°～20°）、陡坡（20°～25°）和急陡坡（>25°）共6个等级.
　　由于研究区为流域尺度下的喀斯特山地，地表水较为缺乏，水源因素对土地利用变化的影响不可忽略，所以将研究区与河流主干距离每隔10 km划一级，将研究区与河流主干距离划分为：近距离（<10 km）、较近距离（10～20 km）和远距离（>20 km）3个等级（图2）.
　　其中高程1 600～2 000 m、坡度8°～15°、与河流主干距离<10 km所占面积比例最大（见表1）.
　　3 结果 　　3.1 地类面积变化总体特征
　　2000～2010年乌江北源流域区以林地、耕地和草地为主要地类，其中地类变化主要表现为：耕地在大幅度减少，林地、水域用地、草地、居住用地以及未利用地在增加，工矿用地和交通用地基本无明显变化（见表2）.
　　由图3可得，乌江北源2000～2010年以林地、耕地、草地为主要地类，林地在地势较高的西北分布居多，耕地在地势较低的东南分布较广，而草地却零星分布在整个研究区.其中，耕地在明显减少，林地、草地和水域用地却在增加.这是由于研究区地势陡峭，地形破碎，碳酸盐岩发育较好，属水土流失严重的西南喀斯特区，退耕还林政策的实施，将易造成水土流失的耕地向林草地转型.研究区水能资源丰富，10 MW以上的河流有8条（包括干流），其中洪家渡电站是我国“西电东送”重要电站，从2000年11月8日起我国正式进入西部大开发，这就是导致研究区水域用地在2000～2010年间面积急剧增加的主要原因.由于乌江北源区地形特点导致社会经济发展滞后，使之交通用地、工矿用地面积较少且基本无变化.
　　3.2 不同自然条件的土地利用变化分析
　　3.2.1 不同高程带的土地利用变化 由表3可得，2000～2010年期间乌江北源流域区在1 200～1 600 m高程范围内，地类变化面积最大，占总转化面积的43.58%，其次为1 600～2 000 m高程范围内占33.81%，转化面积相对较小的为>2 000 m高程，只占总转化面积的2.35%.表明研究区土地转化主要在1 200～1 600 m高程范围内发生，随高程的增加，土地转化面积先增加再减小.总体来讲，以耕地向林地、草地、水域地转出为主，且在1 200～1 600 m高程范围内耕地向林地转化面积最大，在研究期间交通用地、工矿用地与其他地类几乎无转化.主要地类转化具体表现为：在<1 200 m高程范围内，耕地转化为林地、草地、水域、未利用地；林地、草地转化为水域用地.在1 200～1 600 m高程范围内，耕地向林地、草地、水域、居住用地、未利用地转化；林地向水域、居住用地转化；草地向水域用地转化.在1 200～1 600 m高程范围内，耕地向林地、草地、居住用地、未利用地转化，林地向水域用地转化.在>2 000 m高程范围内以耕地向林地、草地转化为主.
　　3.2.2 不同坡度带的土地利用变化 由表4可得，2000～2010年期间乌江北源流域区在坡度15°～25°范围内，地类变化最为频繁，占总转化面积的31.68%，其次为坡度8°～15°范围内占28.07%，而坡度>35°范围内地类转化最小，占总转化的6.41%.表明研究区土地转化主要在坡度为8°～25°范围内发生，随坡度的增加，土地转化面积表现为先增加再减小.总体表现为：以耕地向林地、草地、居住用地、水域、未利用地转化为主，且在坡度为15°～25°范围内耕地向林地转化面积最大，交通用地和工矿用地在研究期间几乎无转化.具体表现为：在坡度为0°～5°、5°～8°、8°～15°、15°～25°、25°～35°范围内，地类转化方向相近，主要转化地类包括：耕地转化为林地、草地、水域、居住用地、未利用地；林地转化为水域、居住用地；草地转化为水域用地.在坡度>35°范围内主要以耕地转化为林地、草地、水域、未利用地；林地、草地转化为水域用地为主.
　　3.3 不同河流干道距离的土地利用变化
　　由表5可得，2000～2010年期间乌江北源流域区在与河流主干距离<10 km范围内地类变化最为频繁，占总转化面积的68.40%，其次为与河流主干距离10～20 km范围内占26.72%，转化面积最少的为与河流主干距离>20 km范围内占4.88%.表明研究区土地转化主要在与河流主干距离<10 km范围内发生，表现为随着与河流主干距离的增加土地转化面积急剧减小的趋势.总体来讲，以耕地向林地、草地、水域用地、居住用地转出为主；在与河流主干距离<10 km范围内耕地向林地转化面积最大；交通用地和工矿用地在研究期间与其他地类几乎无转化.具体表现为，在与河流主干距离<10 km范围内主要地类转化包括，耕地转化为林地、草地、水域、居住用地、未利用地；林地转化为水域、居住用地，草地转化为水域用地；在与河流主干距离10～20 km范围内，耕地转化为林地、草地、居住用地、未利用地，林地转化为居住用地；在与河流主干距离>20 km范围内只有耕地向林地、草地、居住用地、未利用地转出.
　　4 结论与讨论
　　综合考虑高程、坡度和与河流主干距离因素，表明2000～2010年在乌江北源流域区：（1）土地利用变化程度随着高程、坡度的增加先增加再减小，随与河流主干距离增加显急剧减小的趋势.（2）土地利用变化以耕地向林地、草地和水域用地转化为主，且发生在高程1 200～1 600 m、坡度15°～25°的与河流主干距离<10 km区域内最为剧烈.（3）主要地类转化包括：以耕地转向林地、草地、水域用地为主，多发生在高程1 200～1 600 m、坡度15°～25°的与河流主干距离<10 km区域内；林地、草地转向水域用地，多发生在高程<1 200 m、坡度8°～15°的与河流主干距离<10 km区域内；林地向居住用地转化，多发生在高程1 200～1 600 m、坡度8°～15°的与河流主干距离<10 km区域内.（4）基本无转化地类包括：交通用地、工矿用地与其他地类的转化.
　　由于国家退耕还林和“西电东送”政策的实施，使得乌江北源流域区土地利用变化剧烈，以发生在与河流主干近距离的中海拔、较陡坡范围内耕地向林地、草地、水域用地的转出和发生在与河流主干近距离的低海拔、缓坡区域内耕地、草地和林地向水域用地的转入最为明显.退耕还林政策的不断进行，使得易造成水土流失的耕地向林草地转型，生态环境得以改善；但由于喀斯特流域地形特点导致经济发展滞后，大量青壮年外出打工，主要劳动力减少，使得部分耕地也向未利用地转化；同时社会经济发展迟缓，使之交通用地、工矿用地面积较少且基本无变化. 　　乌江北源流域区土地利用变化受高程、坡度以及与河流距离影响较大，这种影响符合贵州喀斯特地貌下的自然环境和社会经济规律，遵循地形特征，充分利用高程、坡度以及水资源特点，结合区域社会经济状况，合理、科学制定乌江北源流域区的土地利用方式和类型，以达到生态、社会和经济一体化的发展.
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