清水江流域地形因子对土地利用变化的影响

金　桃， 安艳玲， 谢元贵， 廖小锋， 胡　伟， 谢　刚

(1.贵州省山地资源研究所，贵州贵阳 550001； 2.贵州省山地资源研究所有限公司，贵州贵阳 550001；3.贵州理工学院，贵州贵阳 550001)

土地利用是人类社会经济活动与自然生态环境相互作用最为密切的环节[1]，自20世纪90年代以来，关于土地利用/覆被变化的研究已成为全球环境变化与可持续发展的前沿领域[2-3]。我国以往关于土地利用的研究多侧重于对面积变化、转化、土地利用格局驱动力的探讨，或从景观尺度上通过土地利用程度指数、土地利用动态度等指标对土地利用时空变化进行研究[4-7]。然而，从自然环境背景方面探讨土地利用及其时空变化的研究还相对较少[1，8]。

地形因子是众多自然因素中对土地利用影响程度最大的因素之一，不仅为土地利用格局的形成提供基础，而且影响土地利用的演变过程[9-11]。高程、坡度、坡向等地形因子影响土地利用的空间分布、作物种植、旱涝水土流失状况及石漠化程度等[8，12-14]。分析地形因子对土地利用变化的影响，有助于深入了解引起土地利用变化的驱动机制，对优化土地资源配置具有指导意义[8-10]。本研究以贵州省清水江流域为研究区，基于数字高程模型(digital elevation model，简称DEM)数据及遥感影像数据，综合运用遥感(remote sensing，简称RS)和地理信息系统(geographic information system，简称GIS)技术，定量分析清水江流域的土地利用变化及其与地形因子之间的相关性，以期为流域内土地利用的合理配置提供参考。

1　研究区概况

清水江流域(贵州段)是洞庭湖沅江水系的上游干流河段，地处云贵高原向湘桂丘陵过渡的斜坡地带，位于贵州省东南部，横跨黔南州和黔东南州；清水江在贵州省境内长 459 km，流域面积17 145 km2；流域多年平均流量355 m3/s，总落差1 275 m，平均比降0.397%[15-16]。

清水江流域属亚热带季风湿润气候区，气候温暖湿润，年平均气温14～18 ℃，多年平均降水量为1 050～1 500 mm，降水时空分布不均，主要集中在5—10月。流域岩溶发育较弱，多为中低山剥蚀、溶蚀地貌和剥蚀溶蚀河谷地貌，在锦平、天柱、黎平一带，多为低山、丘陵、河谷盆地常态地貌。山体岩石主要由碎屑岩组成，山体大、切割深，常形成脊状山。流域内海拔标高多为500～1 100 m，最高点在雷公山(2 178.8 m)，最低点在天柱县清水江出境河口处(206.0 m)。

清水江流域内的土壤类型主要为黄壤、红壤、黄棕壤、紫色土及黑色石灰土，其中黄壤主要分布在海拔为500～1 000 m 的山地；红壤主要分布在海拔为500 m以下的丘陵盆地，如天柱、锦平、黎平等县；黄棕壤分布在海拔为1 500～1 800 m 的雷公山、佛顶山等地；紫色土主要分布在施秉县及天柱县蓝田镇等地；黑色石灰土主要分布在都匀市、福泉市、凯里市、麻江县、丹寨县、黄平县、施秉县等地。流域内植被类型较多，以常绿阔叶林和落叶阔叶林为主。

2　研究方法

2.1　数据来源与预处理

数据来源包括：(1)研究区2002年专题绘图仪(thematic mapper，简称TM)影像及2013年陆地成像仪(operational land imager，简称OLI)遥感影像，分辨率均为30 m；(2)1 ∶1500 000 贵州省政区图；(3)遥感影像判读标志野外调查数据；(4)下载于http：//srtm.csi.cgiar.org/的DEM数据，分辨率为90 m。首先，借助ERDAS Imagine 9.1(简称ERDAS)遥感处理软件，利用多项式模型对遥感影像进行几何校正(校正时均方根误差控制在0.5个象元内)、影像拼接、影像裁剪，生成研究区的遥感影像图。根据研究区遥感影像，对DEM图进行图像配准，以便进行空间叠加分析。

2.2　地形因子的提取

基于90 m分辨率的DEM数据，通过ERDAS Imagine 9.1和Arcview GIS 3.2(简称Arcview)软件提取海拔图、坡度图、坡向图和坡位图。将研究区海拔分成6个连续海拔带(图1)，由于流域内海拔标高多为500～1 100 m，因此在500～1 000 m 以250 m为间隔，其余的以500 m为间隔；参考《第二次全国土地调查技术规范》，并根据研究区实际情况，对研究区坡度采用7级坡度分级法[17]进行分级，分别是S<3°、3°≤S<5°、5°≤S<8°、8°≤S<15°、15°≤S<25°、25°≤S<35°、S≥35°(图2)；研究区的坡向采用5类坡向分级法[18]进行分级，分别为无坡、阳坡、阴坡、半阳坡、半阴坡(图3)；采用Arcview坡位分析模块地形位置指数(topographic position index，简称TPI)中自带的4级分类法[12]进行坡位分级，分别为沟谷、缓坡、陡坡和山脊(图4)。

2.3　土地利用分类

在ERDAS软件中，利用监督分类与人工目视判读解译相结合，并辅以2013年野外调查数据对解译结果进行修正。根据GB/T 21010—2007《土地利用现状分类》[19]，并结合研究区实际情况及TM、OLI遥感影像的实际可识别能力，将土地利用分为有林地、灌木林地(包括疏林地和其他林地)、草地、水域、耕地、建筑用地及未利用地等7类(图5、图6)。2013年土地利用解译精度达到92.6%，2002年为86.3%。

3　结果与分析

3.1　土地利用变化

本研究以2个时期的土地利用图为基础，通过ERDAS软件的统计分析功能，得到研究区在2个时期土地利用类型的面积及其在研究区中所占的面积比例。从表1可以看出，2个时期的土地构成状况基本一致，其中面积最大的为有林地，分别占研究区总面积的50.26%、43.55%；面积最小的为水域，分别占研究区总面积的0.75%、0.76%；2个时期各种土地利用类型的面积比例大小顺序为有林地>灌木林地>耕地>草地>水域。2002—2013年，面积减少的土地利用类型为有林地、未利用地，其中有林地减少幅度较大，减少量约占研究区总面积的6.71%；其他土地利用类型的面积均不同程度的增加，其中增加幅度最大的为灌木林地，增加量约占研究区总面积的2.71%，草地增加幅度次之，增加量约占研究区总面积的2.40%。

表1　研究区土地利用面积及面积比例

3.2　土地利用变化与地形因子的相关性分析

为研究土地利用类型变化与地形因子之间的相关性，利用2个时期土地利用现状图，在ERDAS中生成土地利用变化图，在Arcview中，利用土地利用变化图与海拔、坡度、坡向及坡位等图进行叠加，获得属性数据库(表2至表5)。利用SPSS软件对这些属性数据库进行相关性分析，得到土地利用类型与海拔、坡度、坡向及坡位等地形因子之间的相关性(表6)。

3.2.1各海拔带的土地利用变化由表2可知，近10年来，各土地利用类型动态变化主要发生在海拔<1 500 m的地区，尤其在500≤H<750 m，草地、水域及建筑用地的变化幅度均在40%以上，说明近10年来此地区土地利用变化较激烈，且人为因子可能是导致其激烈变化的原因。而在海拔≥1 500 m 的区域，各土地利用类型变化较小甚至无变化。由表6可知，各土地利用类型变化与海拔之间存在不同程度的负相关性，说明海拔对各土地利用类型变化有不同程度的影响。其中，建筑用地变化与海拔存在显著负相关关系，即随着海拔的增加，建筑用地变化幅度减小。

表2　各海拔带的土地利用变化构成　%

3.2.2各坡度带的土地利用变化由表3可以看出，在坡度为5°≤S<25°范围内，各土地利用类型变化幅度较大，均占各土地利用类型变化的60%以上。在8°≤S<15°、15°≤S<25°等2个坡度等级上，除建筑用地在15°≤S<25°的变化幅度为 20.08% 外，其余的变化幅度均达到30%左右。在坡度≥35°的地区，各土地利用变化幅度较小，其中草地、水域、耕地、建筑用地、未利用地几乎无变化。由表6可知，坡度与有林地、灌木林地及未利用地的变化之间呈正相关关系，与草地、水域、耕地及建筑用地变化呈负相关关系，均未达到显著水平；说明坡度对各土地利用类型变化的影响较小，且随着坡度的增加，有林地、灌木林地及未利用地的变化幅度呈增大趋势，草地、水域、耕地及建筑用地变化幅度呈减小趋势。

表3　各坡度带的土地利用变化构成　%

3.2.3各坡向的土地利用变化由表4可知，在无坡地区，各土地利用类型斑块变化幅度较小。而在其他4个坡向上，各土地利用类型变化幅度差异不大。由表6可知，坡向与未利用地变化呈显著正相关关系，与其他土地利用类型变化具有一定的正相关性，但不显著；说明坡向对各土地利用类型变化有一定影响，其中对未利用地变化影响显著，随着坡向由阴转阳，各土地利用类型变化幅度整体上呈增加趋势。

3.2.4各坡位的土地利用变化由表5可以看出，在缓坡处，除建筑用地外，其他各土地利用类型变化幅度较小。沟谷处的各土地利用类型变化较陡坡处大。由表6可知，建筑用地及水域变化幅度与坡位呈弱负相关关系，即一个坡面上自坡底到坡顶，建筑用地及水域变化幅度呈减小趋势，且弱负相关。说明坡位对建筑用地及水域变化影响不大。有林地、灌木林地、草地、耕地、未利用地与坡位呈弱正相关关系，即从坡底到坡顶，有林地、灌木林地、草地、耕地斑块类型变化幅度呈增加趋势。

3.3　土地类型变化对各地形因子的响应

综合“3.2”节分析可知，相同土地利用类型变化对各地形因子的响应不同。有林地变化在一定程度上受坡向、海拔影响，而坡度、坡位对有林地变化的影响较小；灌木林地的变化在一定程度上受到坡向的影响，海拔、坡度、坡位对灌木林地的影响较小；草地、水域的变化在一定程度上受海拔、坡向影响；耕地变化在一定程度上受坡向影响，略受海拔影响；建筑用地斑块变化受海拔影响较为显著，坡向由阴转阳对建筑用地变化有一定程度的影响；未利用地变化受坡向影响较为显著。

表4　各坡向上的土地利用变化构成　%

表5　各坡位上的土地利用变化构成　%

表6　土地利用变化构成与地形因子之间的相关性

注：“*”表示在0.05水平(双侧)上显著相关。

4　结论与讨论

本研究在TM、OLI遥感影像及DEM数据的基础上，综合运用RS、GIS技术，通过对2002、2013年清水江流域海拔、坡度、坡向和坡位对土地利用变化的影响进行叠加及相关性分析，得出如下结论。

在2002—2013年间，清水江流域土地利用变化主要表现为有林地、未利用地的面积减少，灌木林地、草地、耕地、水域及建筑用地的面积增加。其中，有林地减少幅度较大，减少量约占整个流域面积的6.71%；灌木林地及草地增加幅度次之，分别占研究区的2.71%、2.40%。当地人们的生活习惯、人口的增长及现代经济社会的发展，可能是清水江流域有林地面积减少的主要原因[16，20-21]。

土地利用变化程度随海拔、坡度、坡向和坡位等地形因子等级的不同而不同，土地利用变化主要发生在在海拔为小于 1 500 m 和坡度5°≤S<25°之间的区域。在无坡及缓坡地区，土地利用变化幅度较小。近10年来，在海拔为500～750 m，坡度为8°≤S<25°地区，土地利用变化较激烈。

随着海拔的升高，建筑用地变化幅度显著减小。随着坡向由阴转阳，未利用地变化幅度显著增加。其他地形因子对各土地利用斑块类型变化有不同程度的影响，但均不显著。

清水江流域土地利用变化明显受地形因子的影响，不同土地利用类型变化受同一地形因子影响的程度存在差异，相同土地利用类型变化对各地形因子的响应不同。本研究分析得出的土地利用变化与各地形因子之间的关系，可为土地利用的合理配置提供一定的科学依据，但本研究未对各地形等级下的土地利用类型之间的转换进行深入分析，下一步将重点研究各地形等级下土地利用类型间的相互转换关系。

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