高原地区生态用地分布变化与地形因子的关系研究——以河北坝上为例

武爱彬,庞 磊

(1.河北省科学院 地理科学研究所/河北省地理信息开发应用工程技术研究中心,河北 石家庄 050011;2.河北省新乐市农机监理站,河北 新乐 050700)

土地是人类社会生存和发展最根本的物质基础,是各种人类活动的载体。土地利用/覆被变化(Land use/cover change, LUCC)是全球环境变化和可持续发展研究领域的核心问题[1],其中土地利用空间格局与时空变化是LUCC研究的重要内容[2]。地形因子作为自然环境中的重要因素,其变化影响着地球表面的生物、水文及能量等过程,在一定程度上决定着土地利用方向和方式的选择[3],是土地利用空间格局形成的基础[4]。近年来,有关学者围绕地形因子与土地利用关系这一问题进行了大量的研究,这些研究涵盖了山地丘陵[5-8]、河流流域[9-11]、平原[3]、岩溶区[12]、喀斯特[13]等各种地貌单元,省[14-15]、市[16-17]、县[18-19]、乡镇[20]等各级行政区域,以及环京津[2]、三峡库区[21]、鄱阳湖区[22]、农牧交错区[23]等典型生态敏感区域,研究结果普遍表明地形是土地利用空间格局及时空变化的重要影响因子,土地利用结构和转变在地形梯度上呈明显的规律性。但少有以坝上高原地区作为对象进行研究。

坝上高原地区位于京津冀区域西北部,内蒙古高原与华北平原的过渡带,为河北省建设京津冀生态环境支撑区中5个生态区之一。生态用地是以保护和稳定区域生态系统为目标,能够直接或间接发挥生态环境调节和生物支持等生态服务功能且其自身具有一定的自我调节、修复、维持和发展能力的土地[24]。在坝上高原地区,生态用地主要分为草地、林地、湿地和其他生态用地4个一级类[25],为京津冀区域提供了涵养水源、防风护沙、气候调节、水土保持、美学景观等多方面重要的生态服务,因此坝上生态用地的数量、结构及布局变化对京津冀区域的生态平衡和生态安全具有重要影响。

1 研究区域和研究方法

1.1 研究区概况

坝上高原位于河北省北部、内蒙古高原的东南缘,地处我国北方干旱与半干旱、农区与牧区接壤的过渡地带,是京津境内众多河流的发源地及上游所在地,也是京津等地的重要沙源地。位于东经114°35′～116°45′、北纬41°00′～42°20′；海拔1100～2200 m；受蒙古高压的长期控制,气候特征为低温、少雨、多风、高蒸发,年平均气温为2～5 ℃,年均降水量为330～460 mm。

1.2 数据来源与处理

本研究中土地覆被解译数据和DEM数据源自河北省生态本底数据,分辨率为1∶100000。该解译数据共划分了耕地、林地、草地、建设用地、水域和未利用土地6个一级类、25个二级类。从两期解译数据中提取出本研究需要的生态用地类型,根据研究区域尺度,将提取的数据统一转换为分辨率为100 m×100 m的栅格。研究区域1990年和2015年的生态用地分布如图1所示。DEM采用河北省地理所提供的1∶250000 GRID格式河北省数字高程数据,分辨率为100 m×100 m。利用ArcGIS软件ArcToolbox中的slope、aspect等工具可得到研究区域的坡度分布图和坡向分布图。根据研究需要，利用reclassify工具进行分级,将分级后的结果与1990年和2015年生态用地分布图叠加分析,可计算出1990年和2015年各生态用地地类在不同高程、坡度和坡向分级区间的分布指数,其中由于其他生态用地地类数量占总用地的比重过小(1990年为0.44%,2015年为0.60%),本研究对此地类不予讨论。

图1 坝上高原地区1990年和2015年生态用地分布

1.3 地形分级

研究区域高程为900～2204 m,主要集中分布在高程1300～1600 m区间,此区间面积占总面积的比重为80.47%,而分布在高程900～1300 m和1600～2204 m区间的面积比重较小。为了更好地体现研究区域土地利用的高程梯度性,将高程900～1300 m和1600～2204 m区间单独分级,将高程1300～1600 m区间按照ArcGIS软件中的Equal Interval方法,以100 m高程差为间距划分等级,共将研究区域高程区间划分为5级。研究区域坡度为0°～39.75°,主要集中分布在坡度0°～5°区间,其占总面积的比重为76.88%。参考相关的分级标准[16,26-27]将研究区域的坡度划分为5级。按照平坡、阴坡、半阳坡、阳坡和半阴坡的划分原则和标准将坡向划分为5级。高程、坡度和坡向的分级标准及本研究区域各级面积比重如表1所示。

1.4 地形分布指数

为了避免不同生态用地类型面积对其在不同地形梯度区间出现频率的影响,本文采用标准化、无量纲的地形分布指数[24],进行了生态用地在不同地形梯度区间或不同利用类型间的比较,计算公式如下:

P=(Sie/Si)×(S/Se)

式中:P为地形分布指数;Sie为e地形区间上第i种土地利用类型的面积;Si为整个研究区内第i种土地利用类型的总面积;Se为研究区域e地形区间的总面积;S为整个研究区域的面积。

表1 高程、坡度和坡向的分级及面积比例

2 结果与分析

研究区域生态用地数量总体上呈减少趋势,1990年生态用地数量为904.5万hm2,占总用地的47.69%;2015年生态用地数量减少至881.8万hm2,占总用地的46.49%。与1990年相比,2015年生态用地数量减少了2.51%,其中:林地数量由275.0万hm2增加至324.9万hm2,增加了18.15%;草地数量由501.5万hm2减少到437.3万hm2,减少了12.80%;湿地数量由119.7万hm2减少到108.3万hm2,减少了9.52%;其他生态用地数量由8.3万hm2增加至11.3万hm2,增加了36.14%。

2.1 生态用地的高程特征

研究区域生态用地在不同高程区间的分布指数如图2所示。研究区域1990年和2015年生态用地在不同高程区间的分布趋势是一致的,在1990～2015年期间,高程Ⅰ区、Ⅳ区和Ⅴ区为生态用地的优势分布区,高程Ⅱ区、Ⅲ区为生态用地的劣势分布区。与1990年相比,2015年生态用地在高程Ⅰ区的分布优势略有下降,在高程Ⅱ区、Ⅲ区的分布劣势基本上没有变化,在高程Ⅳ区、Ⅴ区的分布优势略有提高。其中,林地的优势分布区为高程Ⅰ区、Ⅳ区和Ⅴ区,草地的优势分布区为高程Ⅳ区、Ⅴ区,湿地的优势分布区为Ⅱ区。与1990年相比,2015年林地在高程Ⅰ区的分布优势有了明显提高,在Ⅳ区和Ⅴ区的分布优势略有下降；草地的分布变化与林地相反,在高程Ⅰ区的分布指数出现了大幅度下降,由优势分布变成了劣势分布,而其在Ⅳ区和Ⅴ区的分布优势均有所提高；湿地在Ⅰ区、Ⅱ区的分布略有增加,在Ⅲ区、Ⅳ区和Ⅴ区的分布略有减少,变化幅度很小。

图2 1990年和2015年生态用地的高程分布指数

2.2 生态用地的坡度特征

研究区域生态用地在不同坡度区间的分布指数如图3所示。研究区域1990年和2015年生态用地在不同坡度区间的分布趋势是一致的；在1990～2015年期间,随坡度的增加，生态用地的分布优势在不断提高,生态用地的优势分布区为坡度Ⅳ区和Ⅴ区；与1990年相比,2015年生态用地在各坡度区的分布变化程度很小。其中：研究区域林地的分布指数随坡度增加而提高,优势分布区为坡度Ⅳ区和Ⅴ区,在Ⅴ区的分布优势十分显著；草地的分布指数随坡度的增加先提高后减少,优势分布区为坡度Ⅳ区和Ⅴ区；湿地的分布指数随坡度的增加而减少,优势分布区为坡度Ⅰ区。与1990年相比,2015年除林地在坡度Ⅴ区的分布优势有所下降外,不同生态用地地类在各坡度区的分布变化程度均很小。

2.3 生态用地的坡向特征

研究区域生态用地在不同坡向区的分布指数见图4。研究区域1990年和2015年生态用地在不同坡向区的分布趋势是一致的；在1990～2015年期间,各坡向区间生态用地的分布指数起伏程度很小,半阳坡和阳坡为生态用地的优势分布区。与1990年相比,2015年生态用地在半阳坡和阳坡的分布优势略有下降,在平坡、阴坡的分布略有增加。其中：林地和草地的分布指数随坡向的变化趋势相同,阴坡、半阳坡和阳坡为优势分布区,在平坡的分布劣势显著；湿地的优势分布区为平坡,在其他坡向区均呈劣势分布。与1990年相比,2015年林地在半阳坡的分布优势略有下降,草地在半阳坡和阳坡的分布优势有所下降,湿地在半阳坡和阳坡的分布有了显著提高,各地类在其余坡向区的分布变化很小。

图3 1990年和2015年生态用地的坡度分布指数

图4 1990年和2015年生态用地的坡向分布指数

3 讨论

土地利用格局的变化主要受到自然因素、人类活动和政策的共同影响[2]。在山地丘陵区,由于人类活动受高程影响显著,因此与人类活动密切相关的耕地、建设用地和水域往往集中分布在低高程、低坡度、坡向为平地的区域,林地和草地往往集中分布在中高高程、中高坡度区域[5-8]。本研究发现高原地区生态用地在高程梯度上的分布与山地丘陵区有所不同,林地和草地的分布指数随高程的增加呈“U”形变化,高程900～1300 m和1500～2206 m区间是林地和草地的优势分布区,而高程1300～1400 m是湿地的优势分布区。由于坝上地区东部在高程900～1300 m区间分布有大量的国有林场、森林公园和天然草场,因此林地和草地在低高程区间呈优势分布。由于坝上闪电河流域、太子湖、安固里淖等湖盆沼泽地集中分布在高程1300～1400 m区间,因此湿地在此区间呈优势分布。随着高程增加,灌木林、疏林地和低覆盖度草地的分布比例扩大,因此林地和草地在高程1500～2206 m区间呈优势分布。高原地区生态用地在坡度梯度上的分布规律与山地丘陵区保持一致,林地的分布指数随坡度增加而迅速提高,草地的分布指数随坡度的增加先提高后减少,湿地的分布指数随坡度的增加而减少,总体上生态用地的分布集中在中高坡度区域,主要是因为随着坡度增加,地形地貌、水热条件、气候条件等因素不利于人类农耕、工程建设等活动,非生态用地的分布比例逐渐减少。高原地区生态用地在各坡向的分布差异表现不太明显,与山地丘陵区的分布规律相同,说明坡向对生态用地分布的影响较小。

与1990年相比,2015年坝上高原地区各生态用地地类分布变化明显的有:林地在900～1300 m区间的分布优势有了明显提高；草地在高程900～1300 m区间的分布指数出现了大幅度下降,由优势分布变为劣势分布；湿地在半阳坡和阳坡的分布比例有了显著提高。究其原因，主要是近年来国家在坝上地区连续实施了多项重大生态工程,进行了大量的生态建设投资,直接导致了林地数量的快速增长。同时,由于受到气候灾害、地下水位持续下降、虫鼠害频发等自然因素，以及非法开垦、过度放牧、盲目建设、无序开发等人为因素的影响,草地呈现退化趋势。基于本研究结果,生态工程建设应优先考虑林地、草地的优势分布区,即高程1500 m以上、坡度5°以上区域；当退耕还林还草建设区域的坡度在15°以上时,应优先考虑还林；平坡(坡向为-1°)区域为林地、草地的劣势分布区,应适当减少生态工程建设的强度。

4 结论

本研究结果表明：坝上高原地区生态用地的分布受地形因子影响显著,生态用地分布指数随高程的增加先减小后增大,随坡度的增加而增大,在不同坡向间起伏程度很小；生态用地的优势分布区为高程900～1300 m和1500～2206 m的区域、坡度>5°的区域,以及坡向为半阳坡和阳坡的区域；与1990年相比,2015年林地在高程900～1300 m区间的分布优势有了明显提高,草地在高程900～1300 m区间的分布指数出现了大幅度下降,由优势分布变为劣势分布,而湿地在半阳坡和阳坡的分布有了显著提高。