基于地形的黄土区矿-农-城复合区土地利用景观变化研究

2015-02-28曹银贵陈晓辉白中科张笑然

中国水土保持 2015年5期

关键词：坡向坡度海拔

曹银贵，陈晓辉，白中科，张笑然，孙琦，丁翔

(1.中国地质大学(北京) 土地科学技术学院，北京 100083；2.国土资源部土地整治重点实验室，北京 100035)

基于地形的黄土区矿-农-城复合区土地利用景观变化研究

曹银贵1,2，陈晓辉1，白中科1,2，张笑然1，孙琦1，丁翔1

(1.中国地质大学(北京) 土地科学技术学院，北京 100083；2.国土资源部土地整治重点实验室，北京 100035)

土地利用；景观；海拔；坡度；坡向；矿-农-城复合区

以黄土区矿-农-城复合区(平朔矿区)为研究对象，采用1986、2013年的遥感影像和数字高程数据，通过海拔分级、坡度分级、坡向划分及叠加分析等方法，分析了研究区1986、2013年土地利用景观基于不同地形要素的分布及1986—2013年期间各土地利用景观的时空变化规律。研究结果表明：①海拔1 300—1 400 m范围内是土地利用景观变化最明显的区域，在不同海拔上耕地转换的方向也存在差异；②坡度≤6°区域是土地利用景观变化最明显的区域，不同坡度的区域景观变化存在差异，在坡度15°以下区域景观类型面积的增加以占用耕地为主，在坡度>15°区域以占用草地为主；③阳坡是土地利用景观变化最明显的区域，并且主要景观类型的转换在各个坡向均比较明显。

土地利用景观的变化受多方面因素的影响，包括自然因素和社会因素。在自然因素中，地形因素通过影响水热条件的分布而影响土地利用景观类型及其变化[1-3]。地形条件不仅是形成土地资源的重要基础，而且也是制约人类活动的主要载体[4]。一般来说，土地利用景观变化剧烈程度与海拔、坡度和坡向相关性较强[5]。研究表明，受人类活动强烈干扰的地段主要集中在海拔低、坡度平缓的区域，同时这个区域也是景观类型和多样性最丰富的区域[6-7]。高海拔、高坡度对土地利用景观格局有一定的制约作用[6]，随着高程、坡度增大，土地利用景观变化逐渐减弱[5]。由于土地资源的稀缺和土地利用能力的提升，人类在利用土地资源时开始转向坡度大的区域，因此坡度大的区域土地利用景观变化逐渐明显[8-9]，而在坡向层面土地利用景观变化特征差异较小[8]。从具体的土地利用景观变化来看，耕地的变化主要集中在低海拔区域，林地、草地的变化主要集中在高海拔区域[10]，这主要是由于土壤的理化性质受到不同海拔小气候影响的缘故[11]。从土地利用景观的转换方向来看，在大部分地区，低海拔和低坡度区域内主要表现为耕地转向建设用地和园地[5]，高海拔和高坡度区域受退耕还林还草政策的影响，主要表现为耕地向林地、草地转换[12]。

从地形因子的角度开展土地利用景观变化研究的方法比较成熟，其研究成果相对比较丰富。开展此次研究主要是从特殊的研究区域出发，揭示黄土区矿-农-城复合区土地利用景观在海拔、坡度、坡向层面的分布特征及时空变化规律。这一方面可为矿区生态恢复与重建提供支撑，另一方面可为矿-农-城复合区协同规划提供参考。

1 研究区概况

研究区平朔矿区地处黄土高原晋陕蒙接壤的黑三角地带，位于山西省北部的朔州市境内，属于晋北煤炭基地，在行政区划上涉及井坪镇、向阳堡乡、白堂乡、榆岭乡、陶村乡、下面高乡这6个乡镇的部分区域(如图1)。从采矿界来看，包括了中煤平朔公司的3个露天矿和3个井工矿及周边多个地方井工矿，采矿区面积占6个乡镇面积的80%左右。由于研究区DEM数据覆盖的面积小于图1中虚线的矿界部分，因此通过裁剪得到实际研究区，面积为317 km2。研究区地貌为黄土低山丘陵，平均海拔1 350 m，土壤侵蚀严重，同时冬春季节风大风多、地表干燥，是黄土高原典型的生态脆弱区。煤炭经济是该区域经济发展的主要模式，矿业城镇也因煤炭经济发展而发展，另外研究区大部分处在山前倾斜平原，农业生产占主导，因此是典型的矿-农-城复合区。

2 数据来源与处理

2.1 数据来源

本研究利用了两期遥感影像，均为多光谱数据。2013年4月的SPOT 6影像来源于北京视宝卫星图像有限公司，1986年6月的TM影像来源于美国陆地卫星资源共享平台。矿区1986年和2013年DEM数据来源于中煤平朔煤业有限责任公司地测部，其分辨率为30 m。

2.2 数据处理

采用ENVI 5.0对两期遥感影像进行纠正处理，以矿区1 ∶10 000的地形图作为参考。纠正时均匀选择地面控制点，采用二次多项式进行高精度几何纠正，并用邻近法重采样。纠正后的数据为UTM 投影，参考椭球为WGS-84椭球。依据土地利用分类标准及研究区露天矿区的景观特征，将研究区土地利用景观类型分为3个一级类，包括农用地、建设用地和损毁土地；10个二级类，农用地包括耕地、林地、草地，建设用地包括城镇用地、农村居民点、交通用地，损毁土地包括露采场、剥离区、排土场、工业场地[13]。

图1 研究区区位

根据各土地利用景观类型在遥感影像上的纹理特征，建立遥感影像解译标志[14]。利用ENVI 5.0对遥感影像进行监督分类，并利用Kappa系数来检测分类的精度。各期土地利用景观分类结果的Kappa系数均达到0.80以上。利用DEM数据生成研究区海拔、坡度、坡向分布图。海拔分成4级，分别是≤1 200 m、1 200—1 300 m、1 300—1 400 m、>1 400 m。坡度分成4级，分别是≤6°、6°—15°、15°—25°、>25°。坡向划分根据《造林学》[15]的划分标准，分为阴坡、半阴坡、阳坡、半阳坡。将土地利用景观类型图与海拔、坡度、坡向图叠加，生成土地利用景观的海拔、坡度、坡向分布图。利用ArcGIS 10.0对各分布图进行统计和分析，得到不同时期研究区不同海拔、坡度、坡向情况下的土地利用景观类型面积。

3 结果与分析

3.1 土地利用景观海拔差异

3.1.1 土地利用景观海拔分布

从土地利用景观的海拔分布来看，耕地主要分布在海拔1 300—1 400 m区域，1986年和2013年该海拔区域耕地面积占耕地总面积的比例均在50%以上。林地主要分布在海拔1 300—1 400 m和>1 400 m区域，对比1986年，2013年林地面积在海拔1 300—1 400 m区域的比例增加近10百分点。草地主要分布在海拔1 200—1 300 m和1 300—1 400 m区域，对比1986年，2013年草地面积在海拔1 200—1 300 m区域的比例增加15百分点左右，而在海拔1 300—1 400 m区域其比例减少10百分点左右。城镇用地主要分布在海拔1 300—1 400 m区域，1986年和2013年该区域城镇用地面积占城镇用地总面积的比例均在95%以上，2013年该区域城镇用地面积的比例比1986年略有增加。农村居民点主要分布在海拔1 300—1 400 m区域，1986年和2013年该区域农村居民点面积占农村居民点总面积的比例均在60%以上，2013年该区域农村居民点面积的比例比1986年增加5百分点以上。1986年安太堡露天矿没有动工，未形成损毁土地；2013年露采场、剥离区、工业场地主要分布在海拔1 300—1 400 m区域，其面积比例在50%以上。交通用地主要分布在海拔1 300—1 400 m区域，1986年和2013年该区域交通用地面积占交通用地总面积的比例在50%以上，2013年达到70%以上。

3.1.2 基于海拔的土地利用景观数量变化

在海拔≤1 200 m区域，对比1986年，从面积变化来看，2013年耕地面积增加最多，共增加111.58 hm2，增加率为32.94 %；减少面积最多的是交通用地，共减少27.51 hm2，减少率为95.29%。从变化率来看，农村居民点面积增加比例最大，增加了6.64倍，增加面积为61.35 hm2；交通用地是减少比例最大的景观类型。

在海拔1 200—1 300 m区域，对比1986年，从面积变化来看，2013年耕地面积减少最多，减少面积1 832.40 hm2，减少率为42.46%；林地面积增加最多，增加面积643.13 hm2，增加了1.73倍。从变化率来看，农村居民点面积增加比例最大，增加了14.12倍，增加面积167.30 hm2；城镇用地面积减少比例最大，其减少率为77.56%，减少面积0.97 hm2。

在海拔1 300—1 400 m区域，对比1986年，从面积变化来看，2013年耕地面积减少最多，减少面积5 780.93 hm2，减少率为49.76%；林地面积增加最多，增加面积2 098.29 hm2，增加了1.16倍。从变化率来看，农村居民点面积增加比例最大，增加了12.06倍，增加面积871.03 hm2；耕地面积的减少比例最大。

在海拔>1 400 m区域，对比1986年，从面积变化来看，2013年耕地面积减少最多，减少了1 398.60 hm2，减少率为37.81%；排土场面积增加最多，增加了1 195.33 hm2，属于完全性增加。从变化率来看，农村居民点面积增加比例最大，增加了7.37倍，增加面积171.86 hm2；草地面积减少比例最大，减少率为74.66%，减少面积633.08 hm2。

3.1.3 基于海拔的土地利用景观空间变化

从各级海拔土地利用景观类型的空间变化来看，在海拔≤1 200 m区域，1986—2013年期间土地利用景观变化不明显。在海拔1 200—1 300 m区域，1986—2013年期间耕地明显减少，林地、草地及损毁土地增加明显，尤其是工业场地与露采场。在海拔1 300—1 400 m区域，1986—2013年期间耕地减少最明显，主要集中在井坪镇、榆岭乡和下面高乡，井坪镇减少的耕地主要转换成城镇用地、农村居民点及损毁土地，尤其是剥离区，榆岭乡和下面高乡的耕地主要转换成林地。在海拔>1 400 m区域，1986—2013年期间耕地减少主要集中在井坪镇和榆岭乡，井坪镇主要转换成排土场，榆岭乡主要转换成林地。

3.2 土地利用景观坡度差异

3.2.1 土地利用景观坡度分布

从土地利用景观的坡度分布来看，耕地主要分布在坡度15°以下的区域，其占耕地总面积的比例达到85%左右，尤其是坡度≤6°的区域，其比例达到50%以上。对比1986年，2013年耕地面积在坡度≤6°区域的比例略有减少。林地主要分布在坡度15°以下的区域，其占林地面积的比例达到80%以上。对比1986年，2013年林地面积在坡度≤6°区域的比例减少近10百分点，而在其他坡度区域的比例均有所增加。草地主要分布在坡度25°以下的区域，其占草地面积的比例达到90%左右。对比1986年，2013年草地面积在坡度6°—15°区域的比例减少近10百分点，在坡度>25°区域的比例有所增加。城镇用地主要分布在坡度≤6°区域，其占城镇用地总面积的比例达到90%以上。对比1986年，2013年城镇用地面积在坡度≤6°区域的比例略有增加。农村居民点主要分布在坡度≤6°的区域，其占农村居民点总面积的比例达65%以上。露采场、剥离区、排土场、工业场地主要分布在15°以下区域，尤其是坡度≤6°的区域有大量分布。交通用地主要分布在坡度≤6°的区域，其占交通用地总面积的比例达60%以上。

3.2.2 基于坡度的土地利用景观数量变化

在坡度≤6°区域，对比1986年，从面积变化来看，2013年林地面积增加最多，共增加977.52 hm2，增加率为35.36%；减少面积最多的是耕地，减少4 942.35 hm2，减少率为46.01%。从变化率来看，农村居民点面积增加比例最大，增加了10.88倍，增加面积为879.87 hm2；耕地是减少比例最大的景观类型。

在坡度6°—15°区域，对比1986年，从面积变化来看，2013年林地面积增加最多，其增加面积为1 221.71 hm2，增加率为78.92%；减少面积最多的是耕地，减少面积为3 061.84 hm2，减少率为44.06%。从变化率来看，农村居民点面积增加比例最大，增加了10.64倍，增加面积为339.45 hm2；草地面积减少比例最大，减少率为48.31%，减少面积为1 232.60 hm2。

在坡度15°—25°区域，对比1986年，从面积变化来看，2013年林地面积增加最多，其增加面积为621.20 hm2，增加了1.70倍；耕地面积减少最多，其减少面积为816.25 hm2，减少率为43.40%。从变化率来看，农村居民点面积增加比例最大，增加了14.48倍，增加面积为40.77 hm2；耕地是减少比例最大的景观类型。

在坡度>25°区域，对比1986年，从面积变化来看，2013年林地面积增加最多，其增加面积为240.24 hm2，增加了3.03倍；耕地面积减少最多，其减少面积为70.64 hm2，减少率为18.23%。从变化率来看，农村居民点面积增加比例最大，增加了12.19倍，增加面积为11.48 hm2；城镇用地面积减少比例最大，减少率为62.96%，减少面积为0.06 hm2。

3.2.3 基于坡度的土地利用景观空间变化

从各坡度土地利用景观类型的空间变化来看，在坡度15°以下区域，1986—2013年期间土地利用景观变化明显，尤其是坡度≤6°区域。在坡度≤6°区域，城镇用地、农村居民点、损毁土地增加明显，尤其是损毁土地中的工业场地和排土场，其增加主要以占用耕地为主，主要集中在井坪镇。在坡度6°—15°区域，损毁土地、林地、农村居民点增加明显。损毁土地增加主要集中在井坪镇，林地增加主要集中在榆岭乡，农村居民点增加主要集中在陶村乡。土地利用景观类型在坡度15°以上区域变化不是很明显，以草地向损毁土地和林地转换为主。

3.3 土地利用景观坡向差异

3.3.1 土地利用景观坡向分布

从土地利用景观的坡向分布来看，耕地与林地的坡向分布比较类似，1986年和2013年4个坡向的面积比例均在20%以上，并且阴坡和阳坡的面积比例略高于其他坡向。对比1986年，2013年耕地、林地在阴坡与半阴坡的面积比例略有增加，而在阳坡与半阳坡的面积比例有所减少。草地主要分布在阳坡，1986年草地在阳坡的面积比例达到30%，2013年在阳坡的面积比例增加至40%左右，在半阳坡的面积比例也略有增加，而在阴坡的面积比例减少10百分点以上。城镇用地在1986年主要分布在半阳坡和阳坡，其面积的比例均在30%以上，而2013年主要分布在阴坡、半阴坡和半阳坡。对比1986年，2013年阴坡城镇用地面积的比例增长最大，增长近20百分点，而阳坡城镇用地面积的比例减少最大，减少近15%。农村居民点主要分布在阳坡，1986年阳坡农村居民点面积的比例达到40%以上，2013年其比例有所减少。露采场、剥离区、排土场在各坡向的比例均在20%以上。工业场地主要分布在阳坡和半阳坡。交通用地在1986年主要分布在阳坡，其面积比例接近35%，在2013年阳坡的面积比例有所减少，阴坡、半阴坡、半阳坡的面积比例均有增长，达到20%以上。

3.3.2 基于坡向的土地利用景观数量变化

在阴坡处，对比1986年，从面积变化来看，2013年林地面积增加最多，共增加932.60 hm2，增加率为83.97%；减少面积最多的是耕地，减少1 007.39 hm2，减少率为24.01%。从变化率来看，城镇用地面积增加比例最大，增加了188.21倍，增加187.80 hm2；草地面积减少比例最大，减少率为65.18%，共减少977.08 hm2。

在半阴坡处，从面积变化来看，2013年林地面积增加最多，共增加832.51 hm2，增加了1.05倍；减少面积最多的是耕地，共减少975.24 hm2，减少率为29.62%。从变化率来看，城镇用地面积增加比例最大，增加了70.52倍，共增加148.78 hm2；草地面积减少比例最大，减少率为36.96%，共减少415.37 hm2。

在阳坡处，从面积变化来看，2013年林地面积增加最多，共增加709.04 hm2，增加率为61.71%；减少面积最多的是耕地，共减少2 263.95 hm2，减少率为49.36%。从变化率来看，城镇用地面积增加比例最大，增加了30.27倍，共增加90.32 hm2；耕地面积减少比例最大。

在半阳坡处，从面积变化来看，2013年林地面积增加最大，共增加669.13 hm2，增加率为70.65%；减少面积最多的是耕地，共减少1 354.86 hm2，减少率为37.71%。从变化率来看，城镇用地面积增加比例最大，增加了47.12倍，共增加157.24 hm2；耕地面积减少比例最大。

3.3.2 基于坡向的土地利用景观空间变化

从各坡向土地利用景观类型的空间变化来看，各个坡向在1986—2013年期间土地利用景观变化均比较明显，主要是耕地、草地向城镇用地、林地和损毁土地转换。耕地向城镇用地和损毁土地转换主要集中在井坪镇；耕地、草地向林地转换主要集中在榆岭乡和下面高乡。

4 结论

(1)海拔1 300—1 400 m是土地利用景观变化最明显的区域。在各级海拔范围内，耕地面积变化(增加或减少)最大，而农村居民点增加的比例最大。耕地的转换在海拔上存在差异，在海拔1 300—1 400 m区域耕地明显减少，主要转换成城镇用地、农村居民点及损毁土地；在海拔>1 400 m区域耕地主要转换成林地。

(2)坡度≤6°区域是土地利用景观变化最明显的区域。从面积变化来看，在各级坡度范围内，林地增加的面积最多，耕地减少的面积最多。从变化率来看，农村居民点增加的比例最大，耕地、草地减少的比例最大。不同的坡度级景观变化存在差异，在坡度15°以下区域，城镇用地、农村居民点、损毁土地、林地增加明显，以占用耕地为主；在坡度15°以上区域，土地利用景观变化不明显，以损毁土地和林地占用草地为主。

(3)阳坡是土地利用景观变化最明显的区域。从面积变化来看，在各坡向范围内，林地增加的面积最多，耕地减少的面积最多。从变化率来看，城镇用地增加的比例最大，耕地、草地减少的比例最大。耕地、草地向城镇用地、林地和损毁土地转换在各个坡向均比较明显。

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