洛阳市偃师区不同坡度带用地类型分布研究

李中原，王国重，张继宇，程焕玲，杨 丹，高镜清

（1.河南省水文水资源局，郑州 450003；2.黄河水文水资源科学研究院，郑州 450004；3.河南黄河河务局，郑州 450003；4.河南省水土保持监测总站，郑州 450008；5.河南省周口水文水资源勘测局，河南 周口 466000；6.郑州大学生态与环境学院，郑州 450001）

坡度是土地资源固有的重要环境因子，对用地类型分布与土地生产力发挥都有着直接的影响［1］。郭漩等［2］对河南省伊洛河流域8 个县域坡度与用地类型的关系进行了研究，认为坡度与土地利用等因素的关系密切；李君洁等［3］对太行山区坡度与用地格局变化的研究也表明坡度是地学要素多样性格局的重要影响因素；胡荣明等［4］研究了坡度对土地利用/覆被变化的影响，认为坡度因素对土地利用格局的演变具有控制作用；马士彬等［5］分析了都匀市土地利用与坡度因子间的关系，发现土地利用程度与坡度存在负相关；陈见影等［6］以秦庄沟流域为例分析了用地类型空间分布与地形因子的关系，认为不同地类分布与地形因子关系密切并有一定的规律性；邵怀勇等［7］分析了三峡库区不同坡度带的土地利用格局，发现随着坡度的增加，用地类型的多样性指数逐渐降低；宁文怡等［8］以巴马县为例研究了地形因素对用地类型空间分布的影响；刘德林等［9］根据因地制宜、合理配置资源的原则分析了上黄小流域1982—2008 年用地类型随坡度的分布变化；王娜娜等［10］基于重庆市北碚区的DEM 和2015 年的土地利用数据，分析了坡度等因子作用下土地利用格局的分异特征；周爱霞等［11］根据解译卫星遥感影像数据和GIS 软件对大宁河流域坡度对土地利用/覆盖变化的影响。

Landsat8 卫星影像携带的陆地成像仪传感器收窄了原全色波段的光谱范围，更容易区分植被与非植被［12］；陆地成像仪传感器各波段信噪比ETM+对应波段高3 倍，辐射分辨率为12 bit，消除了极亮（暗）区灰度过饱和现象，可以更好地显示这些地方的具体信息，在性能与可靠度方面都优于ETM+影像［13］。偃师区属洛阳市管辖，根据其2016 年Landsat8 影像和DEM 数据研究偃师区不同坡度带用地类型分布情况，可以为该市土地利用、水土保持规划提供依据。

1 研究区概况

偃师区地处洛阳市东，东邻巩义市西接洛龙区和孟津区，南倚嵩山，北与孟州市相隔黄河，地理坐标介于东经112°26′15″—113°00′00″、北纬 34°27′30″—34°50′00″。地势南北高中间低，地貌景观大致为槽形，地表形态大体可分成山地、丘陵、坡地、平原4类［14］。气候上属暖温带大陆性季风区，年平均气温为14.2 ℃、无霜期211 d，全年日照时数2 248.3 h、年均降水量500～600 mm。

2 数据来源与研究方法

2.1 数据来源与处理

所用Landsat8 卫星数据为偃师区2016 年9 月23日的影像，云量为2.36%，投影坐标系是WGS1984-UTM49N。借助ENVI 软件对该影像进行辐射定标、大气校正；用矢量格式的偃师市边界图（坐标系为GCS WGS1984）用以裁剪遥感影像，在ArcGIS 中将边界图坐标系转换成WGS1984UTM49N，再在ENVI中用转换后的边界图裁剪栅格格式的影像数据，得到偃师区遥感影像，然后采用支持向量机、最大似然法进行分类，将用地分成耕地、林地、草地、水域、建设用地。最大似然法的分类精度略高于支持向量机，故采用该法的分类结果。

所用DEM 数据来自90 m 分辨率的SRTM 数字高程模型，通过ArcGIS 软件经坐标转换、坡度生成、坡度分级等操作形成坡度分级图。再在ArcGIS 中将生成的土地利用分类结果与坡度分级图进行坐标转换，将其坐标统一为CGCS2000：3DegreeGKzone 38，然后将两者矢量化后进行叠加，就得到了坡度与用地类型叠加结果，如图1 所示。通过ArcGIS 的面积统计工具可以得到不同坡度带、各类用地的面积。

图1 偃师区不同坡度带土地利用分类结果

2.2 坡度与各类用地分布

结合耕地分级标准［15］、林地分级标准［16］，将偃师区地面坡度分为 7 级：≤2°、2°～6°、6°～15°、15°～25°、25°～35°、35°～45°、＞45°，通过ArcGIS 软件，统计出各级坡度带占总面积的比例分别为52.473%、22.362%、15.527%、7.477%、1.893%、0.239%、0.029%，偃师区地面坡度分布较为理想，坡度不超过2°的面积 占 总 面 积 的 52.473%，6° 以 下 面 积 占 比 达74.835%，90.362%的土地面积坡度在15°以下，坡度超过25°的面积仅占2.161%。说明偃师区是适宜人类居住、生活的理想区域。偃师区各类用地中耕地占了总面积的55.567%，其次是建设用地、林地、草地、水域，其占比分别是17.402%、13.297%、9.919%、3.815%。这与其坡度较缓、各级坡度分布较为理想、适宜人类居住相适应。

2.3 用地类型多样性指数

用地类型多样性指数是用来描述区域内各类用地的齐全程度与总体结构的重要参数，常采用吉布斯-马丁多样化指数来计算，公式如下［17］。

公式（1）中，GM表示多样性指数；ai代表第i类用地类型的面积。由该式可以看出，若只有1 种用地类型，GM就为0；如果研究区内存在多种用地类型，发展规模越均衡，则GM值越接近 1［18］。

3 结果与分析

3.1 不同坡度带用地类型分布特征

偃师区不同坡度带各类用地面积占总面积的百分比如图2 所示。从图2 可知，≤2°的坡度中耕地面积占总面积比例33.82%，其次是建设用地13.16%、草地2.71%、水域2.61%，林地占比最少仅占0.26%；2°～6°坡度中也是耕地占比最大15.24%，其次是建设用地、草地，占比分别是3.12%、2.34%，水域面积占比仅有0.7%；6°～15°坡度带内耕地、林地、草地面积所占比例分别为6.10%、4.92%、3.47%，建设用地、水域面积的占比相对较小，分别是0.66%、0.38%；15°～25°坡度中林、草地面积占比分别是5.39%、1.24%，耕地、建设用地、水域所占比例较小，分别是0.52%、0.22%、0.12%；25°～35°坡度带内林地所占面积比例最大1.52%，其他用地类比例较小，分别是草地0.23%、建设用地0.09%、耕地0.04%、水域0.01%；35°～45°带内主要地类是林地与草地，占比分别为0.21%、0.02%，其他用地面积之和占比仅为0.01%；＞45°坡度带内主要地类为林地，占比0.03%，其次是草地，所占比例为0.001%。

图2 不同坡度带各用地类型面积

通过对各坡度带内不同用地类型分布分析，不难发现，偃师区用地类型主要分布在≤15°坡度内，各类用地面积之和占总面积的比例超过90%，其中耕地面积占总面积的55.16%，其次是建设用地、草地、林地、水域，分别占总面积的16.94%、8.52%、6.14%、3.59%；＞15°坡度内主要以林地、草地为主，其次为耕地、建设用地、水域，各类用地面积之和在总面积中的占比不足10%。随着坡度的增加耕地类型在各坡度带的主导地位逐渐降低，取而代之的是林地与草地，可见坡度是影响用地类型分布的重要因素［19，20］。

3.2 各类用地随坡度变化规律

申怀飞等［21］基于DEM 数据，研究了豫西黄河流域用地类型随坡度的变化，发现各类用地空间分布随坡度的变化具有明显的特点。邹爱平等［22］的研究也表明，不同坡度带内的用地类型结构变化存在较大差异。偃师区各类用地面积（以用地面积占总面积的百分比表示）随坡度的变化如图3 所示。

图3 各类用地分布随坡度的变化

图3 中，耕地面积占总面积的比例随着坡度的增大逐渐减小，≤2°、2°～6°、6°～15°坡度内分布的各类用地中都是耕地面积所占比例最大，分别为总面积的33.82%、15.24%、6.10%，超过15°以后其优势地位逐渐被别的用地取代；与耕地相反，林地的优势随着坡度的增加逐渐凸显，在≤6°坡度内其面积占比低于建设用地、草地，6°～15°坡度内其面积分布已明显超越二者，仅次于耕地，＞15°坡度后林地面积占据了主导地位；草地面积分布在≤6°坡度内低于耕地、建设用地，6°～15°坡度时超越建设用地，＞15°坡度后成为仅次于林地的优势地类；建设用地分布在≤6°坡度内仅次于耕地，其面积占总面积的比例分别为13.16%、3.12%，＞6°坡度后其优势地位逐渐被林地、草地取代；水域面积主要分布在＜35°坡度内，而且随坡度增大逐渐减小，≤2°、2°～6°、6°～15°、15°～25°、25°～35°坡度内其面积占比分别是 2.51%、0.7%、0.38%、0.12%、0.01%。

3.3 用地类型多样性变化趋势

利用公式（1）可以得到偃师区不同坡度带内用地类型的多样性指数（图4）。从图4 可知，用地类型多样性指数随坡度增加呈先降低再增加之后持续降低的变化趋势：≤2°到2°～6°坡度，其多样性指数从0.516 6 降到 0.502 4，6°～15°坡度内多样性指数到达最大，为 0.692 9，之后不断降低，15°～25°、25°～35°、35°～45°、＞45°坡度带的用地类型多样性指数依次为0.447 8、0.339 7、0.197 8、0.068 9。

图4 不同坡度带用地类型多样性

变化趋势表明，坡度＜15°范围尤其是 6°～15°坡度带是适宜人类居住与活动的主要区域，用地类型齐全、各类用地分布较为合理；随着坡度的增加，人类活动的强度逐渐减弱，用地面积也表现为以林地、草地为主，耕地、水域、建设用地等用地类型逐渐消失，导致用地类型多样性指数降低。

4 小结与讨论

4.1 讨论

卓静等［23］对延安市宝塔区用地类型变化及坡度分异特征进行分析，认为该地区对大于25°的坡地进行坡改梯、超过35°的坡地退耕还林还草，成效显著；张金池等［24］对上舍河小流域不同用地类型实测降雨土壤侵蚀量的坡度效应进行了研究，发现坡耕地内的径流量与侵蚀模数随坡度的增大而增加，而林地内的径流量与径流侵蚀模数却随坡度的增加而降低；唐建等［25］的研究表明，用地类型和坡度分布对土壤有机质含量有显著影响。偃师区从2006年就开始了小流域生态清洁治理，通过退耕还林还草、坡改梯工程，实现了用地类型随坡度合理分布，不仅降低了水土流失、增加了土壤有机质含量，也使人民生活水平日益得到改善，其经验值得借鉴与推广。

4.2 小结

1）坡度在15°以下的土地面积占总面积的90.36%，其中耕地分布比例是55.16%，林地为6.14%、草地8.52%、建设用地16.94%、水域3.60%；在25°以下的土地面积占总面积的97.84%，这种坡度与用地类型分布非常适宜人类居住、生活。

2）各类用地受6°、15°、35°坡度影响较大。坡度≤6°范围内，草地面积低于建设用地，坡度＞6°后，草地面积占比就会大于建设用地；坡度＜15°范围内耕地面积占据主导地位，＞15°坡度范围则是林地、草地面积占据支配地位；坡度＞35°范围内，耕地、水域没有面积分布，建设用地也鲜有分布。

3）6°～15°坡度带是人类居住与活动的主要区域，用地结构较为合理，用地类型多样性指数达最大。

根据坡度合理布局用地类型、坚持退耕还林还草、实施坡改梯、营造水保林等措施，洛阳市偃师区的水土流失可以得到有效遏制，土壤养分含量提高，人民生活水平也日益改善。