基于地形因子的吉林西部地区土地利用变化研究

蒲罗曼，张树文，李　飞，王让虎，王　晴，常丽萍，杨久春

(1.吉林大学地球科学学院，吉林 长春 130061；2.中国科学院东北地理与农业生态研究所，吉林 长春 130102)

基于地形因子的吉林西部地区土地利用变化研究

蒲罗曼1，2，张树文2，李飞1，2，王让虎1，2，王晴1，2，常丽萍2，杨久春2

(1.吉林大学地球科学学院，吉林 长春 130061；2.中国科学院东北地理与农业生态研究所，吉林 长春 130102)

[摘要]选取吉林省西部地区为研究对象，基于DEM及三期遥感影像，通过目视解译获取研究区土地利用数据，并从高程、坡度、坡向、坡形4个地形因子的角度对土地利用结构的变化特征进行了全面分析.结果表明：(1)1975—2013年间，吉林西部地区土地利用结构的变化主要表现为耕地、盐碱地面积的显著增加和草地面积的显著减少.(2)高程和坡度因子对吉林西部地区土地利用变化有着重要的影响，而坡向和坡形因子对土地利用变化影响不明显.(3)各土地利用类型多分布在100～200 m海拔范围和0°～6°坡度范围内，但200～250 m范围内土地利用变化量最大，主要表现为耕地、林地的增加和草地的减少.(4)1975—2000年间坡度在0°～6°范围内的土地表现为耕地、盐碱地面积的大幅增加和草地面积的大幅减少；2000—2013年间表现为耕地面积的小幅增加和草地、盐碱地面积的小幅减少.

[关键词]土地利用；地形因子；DEM；吉林西部

自20世纪90年代以来，土地利用/覆被变化研究已成为全球环境变化与可持续发展的热点问题.目前，针对土地利用变化的研究已经有很多，但多侧重于土地利用时空格局变化、土地利用类型转移情况及土地利用变化驱动力方面[1-4]，从自然环境背景方面，尤其是以数字高程模型(digital elevation model，DEM)为基础，研究土地利用结构随地形因子的分布格局变化的研究还相对较少[5-6]，而研究地形因子对区域土地利用方式和变化的影响，对于土地资源的可持续利用和区域的可持续发展具有重要意义.

本文以吉林省西部地区为研究对象，基于DEM数据，通过对1975—2000年以及2000—2013年两个时段内不同高程、坡度、坡向、坡形级别上的土地利用变化情况进行分析，探讨了土地利用结构变化与地形因子分布格局的关系，以实现研究区土地利用结构的优化，促进区域土地资源的可持续发展，为合理利用土地资源、协调社会经济发展提供科学依据.

1研究区概况

吉林省西部地区位于松嫩平原的西南部，其北、西分别与黑龙江省、内蒙古自治区接壤，包括白城和松原两个地级市以及长春市的农安县和四平市的双辽市.地理位置为121°38′～126°12′E，43°21′～46°19′N.该区地域辽阔，土地面积为5.53万km2，东、南、西三面地势较高，北部和中部地势较低，地形似簸箕状，海拔95～638 m.全区总人口为646万人.吉林西部属于北温带大陆性季风气候，年均气温4℃ ～6℃，降水量400～500 mm，蒸发量为1 600 mm，年太阳总辐射量为5 000～5 400 MJ/m2.

2数据来源与研究方法

2.1数据来源

本文采用的遥感数据主要为美国陆地卫星Landsat MSS获取的1975年的遥感影像(空间分辨率为80 m)，以及Landsat 5获取的2000年的TM影像和Landsat 8获取的2013年的ETM影像(空间分辨率均为30 m).研究区1975年土地利用数据来自于中国科学院资源环境数据中心的土地利用数据库，并通过目视解译方法获取2000年和2013年的土地利用数据库和属性数据库；DEM数据为覆盖全研究区的SRTM DEM数据，空间分辨率为90 m.

在目视解译的过程中，依据全国土地分类体系，考虑到农田和草地的严重碱化和湿地的大面积消失，把盐碱地和沼泽地在未利用地中分离出来作为单独的土地利用类型，因此土地利用类型分为以下8类：耕地、林地、草地、建设用地、水域、盐碱地、沼泽地、未利用地[7].

2.2研究方法

本文应用土地利用转移矩阵来分析土地利用变化的总体特征.土地利用转移矩阵反映了某区域某时间段研究初期和末期各土地利用类型相互转化的动态信息[8].它不仅可以反映出一定区域某时间点的各地类的面积信息，还可以很丰富地表示出一段时间内各土地利用类型期初转出和期末转入的信息.

为了便于对研究区在不同地形因子上的土地利用变化进行分析，本文依据研究区的实际情况，将高程划分成6个级别(见表1)；坡度分为5个级别(见表2)[9-10]；坡向以正北方向为0°，按顺时针方向分别分为平地、北坡(0°～22.5°)、东北坡、东坡、东南坡、南坡、西南坡、西坡、西北坡、北坡(337.5°～360°)(见表3)[11-13]；按照坡面的形状，将坡形分为凹形坡、直线型坡和凸形坡3类[14-15].

表1　吉林西部地区海拔分级　m

表2　吉林西部地区坡度分级　(°)

表3　吉林西部地区坡向分级 　(°)

3结果与分析

3.1土地利用变化的总体特征

图1　吉林西部地区各土地利用类型面积

从图1可以看出，近40年吉林西部地区土地利用结构发生了比较明显的变化：耕地一直是整个研究区土地利用格局的主体，占据研究区总面积的53%以上，且在整个研究期内其面积一直持续增长；林地的面积在1975—2000年间增长较快，但在2000—2013年间有小幅下降；草地的面积在1975—2000年间有大幅度的减少，由84.67万hm2减少到50.68万hm2，年均减少1.36万hm2，但后13年减幅缩小，只减少了1.16万hm2；水域和沼泽地的面积总体呈减少趋势，但变化不明显；建设用地的面积在整个研究区内持续增长，但总体面积变化不大；盐碱地的面积变化模式为先增长后减少，且在前25年间减少比例高达22%，但在2000—2013年间只减少约2万hm2；未利用地的面积最少，仅占总面积的0.4%左右，且在整个研究期内变化不明显.

分别将研究区1975年与2000年、2000年与2013年的土地利用数据在Arcgis中进行空间叠加分析，得到研究区1975—2000年、2000—2013年不同土地利用类型面积变化的转移矩阵[16]，见表4、表5.

表4　吉林西部地区1975—2000年土地利用类型转移矩阵　万hm2

由表4可知，1975—2000年间，吉林西部地区土地利用类型的相互转化规律可以概括为：草地和林地大量转化为耕地；减少的草地面积作为耕地与林地的补充，同时盐碱地的面积大量增加，主要来源于草地.由此看来，1975—2000年间，吉林西部地区土地利用方式十分不合理，由于过分追求粮食产量，大量破坏林地和草地来开垦耕地，使得草场被大量破坏，部分草地在开垦时利用不合理，导致土地盐碱化[17].林地的小幅增加说明防护林工程得到了有效实施.

表5　吉林西部地区2000—2013年土地利用类型转移矩阵　万hm2

由表5可以看出，2000—2013年间，吉林西部地区耕地面积小幅增长，主要来自于沼泽地和草地的补充；草地面积的减少速度得到了有效地控制，小部分草地退化为盐碱地；土地盐碱化的情况得到治理，部分盐碱地恢复为耕地和草地；建设用地的面积有小幅增长，主要来自耕地的补充.由此可见，2000年以来，吉林西部地区不合理的土地利用方式得到了改善，各土地利用类型的面积变化均不十分明显，草地面积略有减少，土地盐碱化的局面也得到有效控制，环境治理效果显著[18].

3.2基于高程分级的土地利用变化分析

由于可以默认为地形因子在短期内保持不变，因此选取2000年为代表年份，在Arcgis中将吉林西部地区高程数据与2000年土地利用数据进行空间叠加分析，得到2000年吉林西部地区各土地利用类型在各海拔级别下的分布特征[18]，结果见图2.

图2　2000年吉林西部地区各土地利用类型在不同海拔级别下的分布

从图2可以看出，吉林西部地区土地利用格局在不同海拔级别下分布不同：耕地、林地、草地和盐碱地在100～200 m海拔范围内分布较多，这是由于吉林西部地区海拔低于100 m的区域较少，而100～200 m海拔范围内地势十分平坦，适宜开垦耕地与植树造林，也适于草类植物的生长与盐碱地的生成；水域和沼泽地也在第二级海拔级别下分布较多，在其他级别下鲜有分布；建设用地在150～200 m海拔范围内分布较多；海拔高于250 m的区域耕地有少许分布，其他地类鲜有分布.

将高程数据分别与1975—2000年、2000—2013年土地利用图进行叠加，得到吉林西部地区近40年土地利用变化与不同海拔级别的关系，结果见图3、图4.

图3　吉林西部地区1975—2000年土地利用格局随海拔级别变化图

图4　吉林西部地区2000—2013年土地利用格局随海拔级别变化图

从图3可以看出，1975—2000年，吉林西部地区土地利用格局随海拔级别变化明显.各土地利用类型变化量在-80%～100%之间.其中，土地利用变化量最大的海拔范围是200～250 m，此海拔内耕地面积增长比例高达100%，远远超过其他土地利用类型，而沼泽地的面积减少比例也近80%；0～100 m与>250 m这两个海拔范围内土地利用变化量几乎为0；100～150 m海拔内林地增加显著，约增加40%，而草地在此范围内减少约40%；150～200 m海拔范围内土地利用变化量适中，主要表现为盐碱地的增加与草地的减少；150～200 m高程范围内土地利用变化量较小，这一区间主要是草地大量减少的区域.

如图4所示，2000—2013年间，吉林西部地区土地利用变化远远未及2000年以前剧烈，总体变化范围在-25%～20%之间.200～250 m依然是土地利用变化量最大的海拔范围，主要表现为草地和林地的迅速增加；100～150 m海拔内主要表现为建设用地的小幅增加和未利用地的小幅减少；100～150 m与150～200 m这两个区间均为草地、水域和盐碱地大量减少的区域.

由此看来，高程因子对于土地利用变化的影响较大，二级、三级与五级高程范围内是土地利用变化剧烈的区间，而四级海拔范围内土地利用变化量适中，一级与六级海拔范围内土地利用几乎未发生变化.

3.3基于坡度分级的土地利用变化分析

将坡度分级图与三期土地利用分类图分别进行叠加与计算，可以得到研究区不同坡度级别内各土地利用类型面积分布比例，结果见表6.

表6　不同坡度级别下土地利用类型的分布面积　万hm2

总体看来，吉林西部地区各地类均集中分布于0°～2°的土地上，且随着坡度的增大，分布面积逐渐减小.耕地在坡度大于15°的范围内未见分布，可见高坡度的区域不适于开垦耕种；林地和草地在各坡度范围内均有分布；未利用地和盐碱地只分布在坡度小于6°的区域上；水域几乎均分布于0°～2°的区域上；建设用地和沼泽地在坡度大于10°的区域几乎未见分布.

1975—2013年间，各地类在不同的坡度级别下变化幅度不同：在坡度小于2°的土地上，耕地与草地占主导地位，且耕地与盐碱地的面积在近40年间得到大幅度增长，尤其是盐碱地在1975—2000年间增幅达到22%，而草地面积却大幅度减少，这主要是因为人口增长导致耕地开垦活动剧烈，草地被大量破坏，导致土地盐碱化；在2°～6°的坡度范围内，耕地与林地占主导地位，此坡度范围内主要表现为林地面积的增加和草地面积的减少，且变化率均为50%左右，其他土地利用类型面积变化不大；在坡度为6°～10°的区域上，主要表现为耕地面积的小幅增加和草地面积的小幅减少；坡度大于10°的范围内，只分布着少许林地和草地，且在1975—2013年间几乎未发生变化.此变化规律说明，坡度越小，各土地利用类型的分布越广，且变化越剧烈；坡度越大，各土地利用类型的变化越小.

3.4基于坡向分级的土地利用变化分析

将研究区坡向分级图分别与1975—2000年、2000—2013年土地利用变化图进行叠加，得到吉林西部地区近40年土地利用变化与坡向的关系[20]，结果见图5、图6.

图6　2000—2013年吉林西部地区不同坡向级别下土地利用格局变化

对比图5和图6可知，2000—2013年土地利用格局随坡向变化程度远远小于1975—2000年.1975—2000年间，未利用地和林地随不同坡向变化较明显，而其余地类在不同坡向上的变化均较为稳定，这主要是由于南坡或西南坡接收日照的时间相对比北坡或东北坡长，因此相对温暖，适宜植被的生长，而其他地类几乎不受日照时间的影响.2000—2013年间，各地类面积变化相对较小，在各坡向上的面积变化也很均一.由此可见，在吉林西部地区，坡向对土地利用变化影响较小.

3.5基于坡形分级的土地利用变化分析

为了探讨不同坡形对土地利用变化的影响，在Arcgis中将坡形分级图与1975—2000年、2000—2013年土地利用变化图进行叠加，得到土地利用类型随不同坡形的变化曲线，结果见图7、图8.

图7　1975—2000年吉林西部地区土地利用格局随坡形变化图

图8　2000—2013年吉林西部地区土地利用格局随坡形变化图

从图7和图8可以看出，1975—2000年间，林地在凸形坡的增加面积大于凹形坡和直线坡，而其他地类在各坡形上的面积变化均较为稳定.2000—2013年间，各土地利用类型面积变化也受坡形影响较小.由此看来，吉林西部土地利用变化受不同坡形的影响较小.

4结论

(1)1975—2013年间，吉林西部地区土地利用结构变化主要表现为耕地面积的大幅度增加和草地面积的大幅度减少，同时土地盐碱化严重.1975—2013年，土地利用类型之间的相互转化主要为草地转化为耕地和盐碱地，同时部分耕地转化为林地.2000—2013年间，吉林西部地区不合理的土地利用方式得到改善，草地面积略有减少，土地盐碱化的局面也得到有效控制，环境治理效果显著.

(2)各土地利用类型多分布在100～200 m海拔范围和0°～6°坡度范围内，但200～250 m是土地利用变化量最大的海拔范围，1975—2000年主要表现为耕地的大幅增加和草地的大幅减少，2000—2013年表现为草地和林地的迅速增加，而海拔小于100 m与大于300 m的区域土地利用变化不明显；1975—2000年间坡度在0°～6°范围内表现为耕地、盐碱地面积的大幅增加和草地面积的大幅减少，2000—2013年间表现为耕地面积的小幅增加和草地、盐碱地面积的小幅减少，坡度大于6°的范围内各地类变化不明显.坡向和坡形因子对土地利用变化影响不明显.

(3)吉林西部地区未来的土地利用方式应该根据当地的地形特点，并结合当地的社会经济状况，因地制宜地制定合理有效的土地利用政策，从而保证土地资源的合理利用和生态环境的良好改善.

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(责任编辑：方林)

Study on land use change in Western Jilin Province based on topographic factors

PU Luo-man1，2，ZHANG Shu-wen2，LI Fei1，2，WANG Rang-hu1，2，WANG Qing1，2，CHANG Li-ping2，YANG Jiu-chun2

(1.College of Earth Sciences，Jilin University，Changchun 130061，China；2.Northeast Institute of Geography and Agroecolopy，Chinese Academy of Science，Changchun 130102，China)

Abstract:The study on the impact of land use mode and change by topographical factors，is important for the sustainable utilization of land resources and regional sustainable development.Based on DEM and three remote sensing images，choose Western Jilin Province as the study area and get the land use data by vital interpretation.At the same time， totally analyze the change characters of land use structure from topographic factors such as elevation，slope gradient，slope aspect and slope shape.The conclusions can be drawn as follows.(1)From 1975 to 2013，the change of land use structure in Western Jilin Province is mainly expressed for the increase of farmland and saline-alkali land area and the decrease of grassland area；(2)Elevation and slope gradient have high importance on land use change in Western Jilin Province，and the effects on land use change by slope aspect and slope shape are not obvious；(3)Various land use types are mainly distributed in 100～200 altitude range and 0° ～6° slope gradient range，but the amount of land use change is large within 200～250 m，which is expressed as the increase of farmland and woodland and the decrease of grassland.(4)From 1975 to 2000，farmland and saline-alkali land increase seriously and grassland decrease within 0° ～6°，and from 2000 to 2013，farmland increase tinily and grassland and saline-alkali decrease fractionally.

Keywords:land use； topographic factors； DEM； Western Jilin Province

[文章编号]1000-1832(2016)02-0133-08

[收稿日期]2015-06-06

[基金项目]国家科技基础性工作专项基金资助项目(2013FY112800)；国家自然科学基金资助项目(41271416).

[作者简介]蒲罗曼(1993—)，女，硕士研究生，主要从事土地资源管理研究；通讯作者：张树文(1955—)，男，研究员，博士研究生导师，主要从事土地系统变化、资源环境遥感和地理信息系统应用研究.

[中图分类号]F 301.24[学科代码]790·5930

[文献标志码]A

[DOI]10.16163/j.cnki.22-1123/n.2016.02.028