豫西黄河流域土地利用空间格局地形梯度特征分析

申怀飞，吴国玺，丁圣彦

(1．许昌学院 城市与环境学院，河南许昌461000;2．河南大学 环境与规划学院，河南开封475004)

土地利用是自然基础上人类活动的直接反映，是人类有目的地开发利用土地资源的一切活动。土地利用/土地覆盖(LUCC)是由各土地类型的斑块组成，具有显著的空间特点和时间特点。通过对其空间格局分析可以把土地利用的空间特征与时间过程紧密联系起来，从而更好分析土地利用的时空演变规律，同时也有助于了解各土地类型要素的形状、大小、数量和空间组合;分析影响物种分布、动物迁徙、河流径流和土壤侵蚀等生态过程和边缘效应，探讨土地利用空间格局与地理生态过程的关系［1-8］。土地利用格局受自然环境的限制与人类活动的干预而发生变化，开展土地利用格局研究，了解其成因机制，是理解人类社会与自然环境相互关系的重要途径，对于大尺度区域生态环境现状评价及发展趋势分析也是十分有效的手段［9-12］。

地形因子作为影响土地利用空间格局形成及其变化的重要因子，受到学术界的高度重视。通过分析土地利用格局变化及其与地形因子之间的相互关系，可以探讨土地利用空间格局及其变化的地形梯度特征，目前该方面的相关研究更多的是讨论地形梯度与土地利用变化的关系［13-17］，而分析其与土地利用空间格局间相互关系的研究相对较少。黄河流域因其地理位置的独特性和重要性，历来受到学术界的关注，成为各学科研究的热点，地理学界和生态学界也进行了许多卓有成效的研究。在前人研究工作的基础上，利用河南省土地利用现状数据、2003—2009年河南省土地变更调查数据和DEM数据，对2009年豫西黄河流域土地利用空间格局地形梯度特征进行深入地研究，从而为该区域的土地资源管理及规划、生态环境保护、社会经济发展等提供科学决策支持。

1 研究区概况

研究区位于黄河中下游地区，河南省的西部，界于33°32'54″N ～ 35°21'37″N，110°20'48″E ～ 114°15'52″E，东西长357．98 km，南北宽202．20 km，总面积38 517．40 km2，占河南省土地总面积的23．87%。研究区地处我国第二阶梯和第三阶梯的过渡地带，地形复杂，山地、丘陵与平原分野明显，地势由西向东呈阶梯状逐渐降低;北、西、南3面分别有太行山、伏牛山环绕，间有断陷盆地，东部为平原(图1)。研究区位于暖温带和亚热带交错的边缘地区，兼有南北之长，属典型的大陆性季风气候，气候温和，四季分明，日照充分，降水丰沛。年平均气温13℃ ～15℃，年平均降水量600～1 200 mm，年平均日照时数2 000～2 600 h，光热资源丰富，可以满足农作物一年两熟或两年三熟的需要。气象灾害较多，干旱、雨涝、霜冻等常常交替发生。受气候影响，该区域植被分布也明显地兼有南、北方的特点，适于多种植物生长。

图1 研究区域范围及位置示意图Fig．1 The illustrative diagram of the study area

2 研究方法

2．1 研究数据

本研究选用河南省土地利用现状数据、2003—2009年河南省土地变更调查数据、野外实测调查数据和1∶5万河南省DEM数据为主要基础数据，利用ArcGIS 9．2和Excel作为数据处理分析平台。土地利用类型的划分以中国地球系统科学数据共享网提供的河南省土地利用数据中的土地资源分类系统为参考，根据研究区土地类型特征，将土地利用类型划分为16种类型(表1)。

表1 豫西黄河流域各土地利用类型统计表Tab．1 The statistics of land-use types in study area in 2009

2．2 研究方法

地形是土地利用空间分异的重要影响因子，因此土地利用结构及其变化往往在地形梯度上表现出一定的分布规律［13］。为了定量分析土地利用变化与地形梯度之间的相互关系，根据研究区土地利用分布格局，利用ArcGIS软件对研究区土地利用类型图按照不同的地形因素梯度进行叠加分析，并统计各土地利用类型随地形因子梯度的变化的分布特征。具体分析了高程和坡度两个地形指标，其中高程分300m以下、300～500m、500～800 m、800～1 000 m、1 000 m 以上共5级，坡度分5°以内、5°～10°、10°～15°、15°～30°、30°以上共5 级。

3 结果与分析

3．1 土地利用总体特征分析

将研究区土地利用数据与DEM数据进行叠加分析，可以看出在东部平原区是典型的农业耕作区，其中旱地占主导地位。而在西部山地区，土地类型较为复杂，林地、草地、灌木林等各类型交错分布，其中有林地的面积最大，该类型可以看作该分区的基质类型，其后是高覆盖度草地。具体来说，旱地面积为1 320 760．00 hm2，约占总面积的34．29%，主要分布在东部平原区，而有林地面积990 270．00 hm2，约占总面积的25．71%，主要分布在西部山地区。水浇地和高覆盖度草地，面积分别为 456 219．00 hm2，359 164．00 hm2，占总面积的11．85%和9．33%;其他类型面积较小，面积比例都小于总面积的5%，其面积从大到小依次排序为:农村居民地、水田、灌木林、中覆盖度草地、稀疏林地、城镇建设用地、湿地、水域、果园、其他建设用地、低覆盖度草地和未利用地。各土地利用类型总的斑块数目达到20 144个，其中，斑块数目最多的是农村居民地，其数目达到7 641个，该类型比较均匀地分布在研究区内。紧随其后的为旱地、高覆盖度草地和灌木林，分别有4 581，2 913和1 061个斑块，未利用地的斑块数目最少(表1)。

3．2 土地利用/覆被地形梯度特征分析

3．2．1 土地利用/覆被海拔梯度特征。利用ArcGIS软件对2009年土地利用/覆被数据和DEM数据进行叠加分析，并统计各土地类型在不同海拔上的面积比例(表2)以及不同海拔段内各类型的面积百分比。经过分析可以看出，研究区内各土地利用/覆被类型的分布规律随海拔变化有以下显著特点。①农田中的水田和水浇地主要分布在300 m以下的区域，在高于800 m的地方没有水田及水浇地分布;旱地随海拔的变化比例为32．17%，37．11%，23．60%，5．10% 和 2．02%。② 有林地随着海拔的增高分布面积逐渐增大。灌木林和稀疏林地则是先增后减，但是幅度较小，比较均匀地分布在各个高程段。③草地的分布比较均匀，其中高覆盖度草地和中覆盖度草地都在500～800 m的高程段分布较多，占其总面积的1/3左右;而低覆盖度草地在300～500 m的高程段内分布最多，超过其总面积的50%。④城镇、农村居民地以及其他建设用地则主要集中在500 m以下的高程范围内，并随高程的增加而减少。⑤水域和湿地也主要集中在500 m以下，并且湿地主要分布在一些水域的周围，与水域的分布密切相关。

表2 各土地利用类型面积的海拔段百分比构成 %Tab．2 The area com position of altitudinal belts for different land-use types

在不同的海拔段内各类型的面积变化有一定的规律性:在海拔500 m以下，各类型均有分布，但是所占比重有较大差异，总体而言农田(旱地、水田和水浇地)占据了主导地位，总的分布面积接近70%，其中在海拔300 m以下的区域内，分布的主要类型有旱地和水浇地;而在300～500 m的海拔段主要的类型为旱地，其面积占到62．13%。在500～800 m的海拔范围内，没有水田分布，主要有旱地和有林地。在800～1 000 m的海拔段内，没有水田、水浇地、水域以及城镇，其类型以各类林地为主体，其面积比例达到70%左右;当高程超过1 000 m后，林地的主导地位更加明显，其面积比例更是高达80%以上，其间也分布有少量的旱地、灌木林、草地。

3．2．2 土地利用/覆被坡度梯度特征。利用ArcGIS软件统计不同土地利用类型在各坡度段中的面积百分比(表3)。通过分析发现以下变化特点:①水田、水浇地、果园、水域、湿地、城镇及农村建设用地基本分布在5°以下，而该坡度段也正是人类活动聚集的区域，所以与人类生产生活密切相关的土地利用类型大多分布在该区域，在5°～15°之间也有一定的分布，但比例较小。未利用地以及其他建设用地的分布则随着坡度的增大而减少，其中又以其他建设用地减少的速率最快，这是由于其他建设用地主要是为人类的生产生活服务的，所以其也与人类的主要活动范围关系密切。② 大于30°的坡度范围内，由于坡度较大，人类的定居以及动物的栖息都相对较为困难，所以人类活动干扰影响较大的土地利用类型在该坡度段内呈现零星分布;该坡度段内有林地的分布面积较大，其占到该坡度段总面积的85．28%。③灌木林、稀疏林以及各类草地在小于30°的坡度范围内均有分布，且分布较为均匀。而有林地则在小于30°的坡度范围内，随着坡度的增加其面积比例也随之增加。其中在15°～30°坡度段内分布最广，不仅是该坡度范围内分布最多的类型，而且也是该类型在各坡度段中分布最多的坡度范围。

表3 不同土地利用类型在各坡度段的面积百分比 %Tab．3 The area percentage com positions of the slope classes for different land-use types

不同坡度段内各土地利用类型的面积比例也具有一定的规律:在各坡度段的范围内都有一个比较有优势的土地利用/覆被类型，比如在小于5°的坡度段内农田(包括旱地、水浇地、水田)占据较大优势，其比例达到70%以上，其中旱地的比例最大，占42．2%;而在5°～10°以及10°～15°坡度段内占据优势地位的3个土地利用类型为:旱地、有林地和高覆盖度草地，只不过各类型的比重有所不同而已，这说明该坡度段的土地利用类型是由农田向林地过渡的区域，其中在10°～15°坡度段内，林地面积比例接近50%;而在15°～30°以及大于30°的坡度范围，林地类型占据着绝对的优势，林地面积比例分别达到70%和85%以上。这说明在大于15°的坡度范围内，森林分布较为广泛，这也说明国家制定的大于15°的土地进行退耕还林、还草政策符合自然规律和人类发展要求。

需要说明的是由于不同土地利用/覆被类型的面积基数不同，势必影响了不同海拔段和坡度段内各土地利用类型的分布比例，面积基数较大的旱地和林地在各坡度段的面积比例都具有相对较大的优势。

4 结论与讨论

豫西黄河流域土地利用/覆被空间格局在水平方向上规律性明显:东部平原丘陵地区为典型的农业耕作区，而西部山地区则以林草地为主体;同时，由于土地利用/覆被空间格局在形成过程中受地形地貌和人类活动的双重影响，其土地利用/覆被空间格局在垂直方向上也具有一定的规律，利用DEM数据对研究区土地利用/覆被空间格局的地形梯度特征进行分析，得出以下结论:

(1)研究区各土地利用类型的空间分布规律随海拔的变化具有显著的特点:受人类活动干扰影响较大的各类农业用地、各类建筑用地、果园、水域和湿地主要分布在500 m以下的区域，特别是农业用地中的水田和水浇地受海拔影响最为明显，集中分布在高程小于300 m的区域;而受人类活动干扰影响较小的各类林地(除果园外)、草地和未利用地在各高程段的分布则相对比较均匀，特别是有林地的分布随海拔升高而增大。

(2)各土地利用类型随坡度变化的分布规律与随海拔变化的分布规律具有较高的相似性:受人类活动干扰影响显著的土地利用类型多集中分布在坡度较小(小于5°)的区域，而受人类活动影响小的各类林地和草地以及未利用地则多分布在坡度较大(大于30°)的区域内，随着坡度的增大，有林地的主导地位不断增强。

(3)就不同的海拔段和坡度段内各土地类型的面积比例而言，也存在一定的分布规律:农业用地类型和林地类型在各个地形梯度内都占有较大的面积比重，这是由于其面积基数较大、在区域内占据优势地位决定的;在低海拔、小坡度段内农业用地具有相对的面积优势，其他土地利用类型分布相对较为均匀;随海拔的升高，有林地的优势越来越明显，在海拔1 000 m以上区域，其面积比例高达80%以上，其间除分布有少量的旱地、灌木林和草地，在此高程段几乎没有其他土地利用类型分布。

综合以上分析可知，除人类活动的影响之外，地形地貌在区域土地利用空间格局形成过程中也起到了重要的作用，建议相关部门在以后的土地利用规划中要充分考虑到地形地貌的影响，因地制宜地进行土地综合开发利用和管理保护。

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