1975—2016年济南市南部山区土地利用及其地形控制特征

崔晓庆，于泉洲，汤庆新，刘煜杰，吕建树，李彩虹

(1.聊城大学 环境与规划学院，山东 聊城 252059； 2.西南石油大学 地球科学与技术学院，四川 成都 610500；3.中国环境科学研究院 生态文明研究中心，北京 100012； 4.山东师范大学 地理与环境学院，山东 济南 250014)

土地利用/覆被变化(LUCC)研究是全球变化科学的热点研究领域[1-2]。随着遥感技术的出现，LUCC研究表现出大区域、短周期和愈加细致的特征[3]。从20世纪70年代美国的地球资源技术卫星计划到80年代开始利用气象卫星进行洲际尺度土地覆被的研究，再到90年代后众多商业遥感卫星的应用，土地覆被的遥感监测在频率和精度方面都日益提升[4]。改革开放以来，随着经济社会的发展，土地利用强度不断加大，LUCC研究已成为我国全球变化研究的热点领域[5]。如：刘纪远和布和敖斯尔[6]对中国土地利用变化的时空特征进行了研究，提出了土地利用动态度模型，该模型得到了广泛的应用；近期刘纪远等[5]又提出了土地利用动态区划法，以研究土地利用的格局特征。

济南市南部山区位于泰山山脉北翼，地理位置独特，是济南市若干泉群的集水区和饮用水源地，被称为“省城后花园”。当前，武红智等[7-8]已对该区域进行了一定的研究。然而，对于该区长时间序列的LUCC研究比较缺乏，并且已有研究所选的研究区也有差异。同时，由于近20年来经济的快速发展，南部山区作为重点旅游资源进行了大面积的国土开发[9]，因此相比20世纪70、80年代，区域土地覆被和景观特征都发生了深刻变化。为此，本研究利用1975—2016年的5期Landsat系列卫星遥感数据，分析济南南部山区LUCC特征，并着重揭示南部山区地形因素对LUCC特征的控制作用，以期为济南市南部山区及类似山区的土地资源可持续利用提供一定的指导。

1 研究区概况

济南市南部山区是指位于泰山山脉背斜济南市境内的山地丘陵区。济南市南部山区没有明确的区域边界，但一般认为包括市中区的党家街道与十六里河街道部分区域，历城区的仲宫街道、柳埠街道、西营镇，以及港沟街道和彩石街道的部分区域，总面积约为837 km2(图1)。该区属于暖温带大陆性季风气候区，四季分明，雨热同期，山区多为石灰岩和泰山变质岩低山丘陵地貌，植被丰富[9]。近年来，区域经济社会的发展使土地利用结构发生了显著变化，对生态环境也造成了一定影响。

图1 济南市南部山区位置

2 数据来源与研究方法

2.1 数据来源

本研究采用美国地质勘探局提供的Landsat系列卫星数据为主要数据源(见表1)。此外，还使用了30 m分辨率的DEM数据及济南市行政区划图(2009年版本)。

表1 遥感影像数据信息

注：DOY指Day of years,一年中的第几天。

2.2 研究方法

2.2.1 土地利用/覆被分类系统

结合济南市南部山区的土地利用现状及研究目的，将济南市南部山区的土地利用/覆被类型划分为耕地、林地、草地、水域、建设用地和未利用地6类，具体类型说明见表2。

表2 济南市南部山区土地利用类型

2.2.2 遥感影像解译及精度评价

在ENVI软件中对遥感影像进行多波段融合、辐射校正、大气校正等预处理，并基于2016年的Landsat8影像对其他年份影像进行相对几何校正，然后进行统一裁剪。根据目标地物在影像上的颜色、形状、空间位置三方面特征，结合已有资料并基于不同卫星影像建立不同土地利用类型的解译标志。采用监督分类与目视解译相结合的方法对影像进行人机交互解译。

通过监督分类的样本区建立混淆矩阵进行分类精度评价。1975、1985、1996、2006、2016分类精度分别为81.46%、94.68%、88.04%、92.50%、86.59%，相应kappa系数分别为0.738 4、0.912 8、0.841 0、0.891 0、0.805 3。总体解译精度满足要求。

2.2.3 地形因素及其分级

根据原国土资源部2004年颁布的《土地利用更新调查技术规定(试行)》中关于耕地坡度的分级标准，结合南部山区地形特点及相关文献[8]，将研究区内地形因素分为高程、坡度和坡向，其中高程和坡度分为5级，坡向分为4级，详见表3。

表3 地形因子分级

注：无坡向地没有朝向，被赋值为-1°。

LUCC特征的地形因素影响分析采用ArcGIS中的3D分析和叠置分析功能。将DEM数据统一到Beijing_1954_3_Degree_GK_CM_102E坐标系；基于南部山区DEM提取其坡向和坡度信息；根据表3分级标准对高程、坡度、坡向进行重分类并与土地利用分类图进行叠加运算，统计出不同地形条件下的土地利用信息。

3 南部山区LUCC特征分析

3.1 南部山区LUCC总体特征

由济南市南部山区LUCC图谱(图2)可见，济南市南部山区土地利用/覆被类型呈现明显的空间异质性。其中，林地和草地主要分布在研究区的中东部，耕地和建设用地主要位于西部，而水域在41年间未发生明显变化，主要分布在中西部的锦绣川和卧虎山两大水库区域。建设用地面积增加明显，且具有随着交通干道不断扩张蔓延的趋势，尤其在研究区西部及公路沿线增加最为显著。另外，水域和未利用地占比很小，且未利用地呈显著减少趋势。

对41年间5个时期的土地利用/覆被类型面积进行统计，结果见表4和图3。分析可知，济南市南部山区的主要土地覆被类型为草地和林地，41年间两类面积之和均超过区域面积的70%，说明林草覆被为主的土地利用结构相对稳定。林地呈现先下降后上升的特征，而草地呈现动态趋稳的特征。同时，41年间耕地和建设用地发生了明显的结构性变化。建设用地面积持续增加，由1975年的3 222.72 hm2增加到2016年的10 508.40 hm2，尤其在1996—2006年的10年间南部山区建设用地面积增加最快，平均每年新增建设用地约467.75 hm2。耕地面积则在短暂增加后，从1985年开始持续下降，到2016年南部山区耕地面积已经少于建设用地面积，土地利用结构发生了明显变化。

土地利用类型1975年面积/hm2比例/%1985年面积/hm2比例/%1996年面积/hm2比例/%2006年面积/hm2比例/%2016年面积/hm2比例/%耕地8 950.5010.6917 925.5721.4213 923.6316.6313 142.6115.709 404.3711.24林地31 237.6537.3230 121.2035.9926 480.8831.6220 874.2424.9425 119.2730.02草地38 032.0245.4430 192.2136.0737 576.2644.8738 859.1246.4337 329.3944.61水域1 685.702.011 239.481.48927.181.111 295.911.551 301.941.56建设用地3 222.723.853 995.554.774 658.945.569 336.4211.1610 508.4012.56未利用地575.010.69222.390.27175.230.21180.540.2216.830.02

图3 1975—2016年济南市南部山区土地利用/覆被变化

3.2 地形因素对LUCC特征的影响

将分级的地形因素与不同时期的土地利用类型图进行叠加分析，统计得到不同地形条件下的土地利用信息，然后从高程、坡度、坡向三个方面对研究区土地利用结构类型及其变化特点进行分析。

3.2.1 不同高程区域的LUCC特征

基于高程分级的5个时期土地利用类型面积占比统计见表5。

高程200 m以下低海拔区域主要是平坡和缓坡地，水资源丰富，是人类活动集中的区域。由表5可知，该区域土地利用结构较简单，以耕地为主。41年间，该高程区域耕地面积占比先增后减，在1985年达到最高的61.71%，2016年减少为40.97%；建设用地面积持续增加，由1975年的不足10%增加到30%以上；草地、林地都处于减少状态，水域面积占比相对稳定，未利用地呈减少趋势。

表5 基于高程分级的5个时期土地利用类型面积占比统计

高程200～300 m的区域主要是缓坡地和斜坡地，水源较少，土地利用结构相对复杂，以草地和耕地为主。41年间，该高程区域草地稳中略减，耕地减少明显，建设用地则明显增加。

高程300 m以上的区域多为山腰以上的斜坡和陡坡地，水源稀少，土地利用类型以林地和草地为主，土地利用结构较稳定。但41年间，林地和草地面积占比有明显变化，林地持续增加，草地则稳中有降。另外，区域建设用地和耕地虽然占比较少，但是表现出耕地减少、建设用地增加的特征，尤其在2006—2016年间最为明显。

3.2.2 不同坡度区域的LUCC特征

基于坡度分级的5个时期土地利用类型面积占比统计见表6。

表6 基于坡度分级的5个时期土地利用类型面积占比统计

坡度≤2°的区域地势平坦，水土资源丰富，适宜耕种，对建设用地扩张的限制也较小，因此该坡度区域土地利用结构以耕地、建设用地为主。由表6可知，41年间建设用地的快速增加使其在该区域内所占比例明显上升，耕地面积总体上则呈现减少的趋势，存在较明显的耕地转变为建设用地的特征。

坡度在2°～6°之间的缓坡区域，41年间土地利用结构发生了较为明显的变化，由早期草地为主、耕地为辅的结构类型，发展成为当前耕地、建设用地和草地三足鼎立的利用结构。1975年草地占比大于耕地，到1985年耕地占比大幅度增加。近年来，土地利用结构变化趋势为草地稳中略升、耕地明显减少、建设用地持续上升，到2016年草地、耕地、建设用地所占比例基本持平。这可能是因为该区域坡度不大，土层较厚，适合耕地和建设用地的开发利用，也表现出草地和耕地转变为建设用地的特征。

坡度大于6°的斜坡和陡坡区形成了以林草地为主的土地利用结构，水域所占比例极少。41年间的土地利用变化趋势为耕地和林地处于减少状态，草地稳中有增，建设用地稳中略增。这可能是与该区域地势陡峭，土层较薄，水源稀少，不适合作为建设用地，也不利于农业开垦有关。从表6数据看出，随着坡度的增加，林地和草地增加，而建设用地和耕地减少。

3.2.3 不同坡向区域的LUCC特征

基于坡向分级的5个时期土地利用类型面积占比统计见表7。

表7 基于坡向分级的5个时期土地利用类型面积占比统计

由表7可看出，坡向小于0°的无坡向地，近年来林草地占比有较为明显的下降，耕地稳中有降，而建设用地则持续增加，到2016年耕地和建设用地所占比例基本持平，形成了以耕地和建设用地为主的土地利用结构。

坡向大于0°的不同坡向地形成了以林草地为主、耕地为辅的土地利用结构。该区域土层较薄，水源较少，因此耕地和建设用地所占比例较小。

阴坡和阳坡由于水热条件和光照的不同，其土地利用结构具有明显差异。首先，林地和草地在阴坡和阳坡的分布比例呈显著差异，阴坡以林地占主导，阳坡以草地占主导。其次，耕地和建设用地呈现出在阳坡分布面积显著高于阴坡的特点。此外，从时间变化看，阴坡、阳坡和半阴坡三种坡向的土地利用变化趋势具有相似性，说明了坡向对土地利用结构变化的影响较小。从同一时期的空间变化看，由于阳坡日照充足，太阳辐射量较多，热量丰富，有利于农作物的生长，而阴坡日照较少，太阳辐射量偏少，湿度大，有利于中生性植物生长，因此从阳坡、半阴坡到阴坡地，草地和耕地面积逐渐减少，林地有较明显的增加。这说明受自然条件的影响，不同坡向对土地利用结构的分布具有一定的控制作用。

3.2.4 地形因素对土地利用/覆被类型的综合影响

地形条件在一定程度上决定了土地利用的结构和类型。从分布规律来看：耕地和建设用地主要分布在海拔低于300 m、坡度小于6°的阳坡地；草地和林地主要分布在海拔高于300 m、坡度大于6°的坡地上，且草地多分布于阳坡而林地多分布于阴坡；水域主要分布在海拔小于200 m且坡度小于2°的平地上，主要为研究区内的两大水库。随着高程和坡度的增加，林地和草地所占比例逐渐增加，其他土地利用类型面积占比则逐渐下降；坡向由阴转阳，除了林地有较为明显的减少，其他土地利用类型均逐渐增加。这揭示了林地的空间分布格局受到了地形因素引起的水热条件差异的影响。地形因素影响土地利用结构的形成及利用类型的差异，但同一地形条件下土地利用类型的变化则主要受人类活动的影响。

3.3 驱动力分析

土地利用/覆被变化的驱动力一般归因于自然和社会经济发展两方面。自然因素尤其是地质地貌特征往往对土地利用结构具有宏观的控制作用，而社会经济因素主要影响土地利用的变化趋势和速率，对土地利用结构的影响相对较小。

济南市南部山区多为低山丘陵，地势起伏不平，此地形特征决定了林地和草地为其主要的土地利用类型。南部山区的自然环境特点为土地利用类型的分布格局和演化方向设定了地理背景条件，使不同的土地利用类型在不同的地貌区域呈现规律性的分布。同时，区域人口增长、经济发展和政策规划等人为因素的影响也较明显。南部山区城镇化进程的逐渐加快，导致建设用地规模逐渐扩大、耕地面积明显减少。该区地貌旅游资源丰富，2000年以来旅游业的兴起也一定程度上改变了当地的土地利用/覆被特征[9-11]。

另外，政府做出的一系列规划对南部山区土地利用变化起到了较大的导向性作用：2001年政府批准设立南部山区生态功能保护区；2002年将南部山区纳入山东省生态功能保护区；2003年提出“东拓、西进、南控、北跨、中疏”的济南市发展战略，其中“南控”即控制济南市城镇建设向南部山区发展，把南部山区纳入济南市重点生态保护范围[11-12]；2006年提出“在保护中发展，在发展中保护”的原则，全面规划了南部山区的空间结构、资源开发、环境保护和经济持续发展策略[12]。这一系列政策措施使得南部山区生态环境在近10年得以改善，植被覆盖率有所提高，建设用地增速有所减缓。2016年济南市政府成立南部山区管理委员会，并提出了“共抓大保护，不搞大开发”的规划目标定位。可以预见未来南部山区的保护性开发必将更加科学合理。

4 结 论

(1)济南市南部山区土地利用率较高，表现出以林地和草地为主的土地利用结构特征，林地、草地和耕地一直是其主要的土地利用/覆被类型。随着社会经济的发展，济南市南部山区土地利用/覆被类型之间转化明显，总体呈现出林地、耕地和未利用地大量减少，建设用地持续增加，草地和水域面积基本保持稳定的特征。

(2)不同地形条件下(高程、坡度和坡向)形成的土地利用结构存在明显差异。从同一时期的空间差异看，随着高程和坡度的增加，建设用地和耕地面积所占比例下降，林地和草地面积呈现较大幅度的上升趋势，地形条件的控制作用较为明显。不同坡向的土地利用结构存在一定的差异，阴坡和阳坡土地利用类型差异明显，但坡向对土地利用结构变化的影响比较小。

(3)南部山区LUCC的时空格局特征主要是地形因素控制下的经济社会发展因素驱动的。地形因素控制着土地利用结构的宏观格局，而经济发展因素主导了不同土地利用类型间的流转，尤其是建设用地与耕地之间的转换。