基于地形梯度的高山峡谷区土地利用时空格局及功能分区

李益敏, 王东驰, 袁 静, 刘心知

(1.云南大学 地球科学学院, 云南 昆明 650500; 2.云南省高校国产高分卫星遥感地质工程研究中心， 云南 昆明 650500)

地形作为制约人类对土地资源的利用和改造的一个关键环境因子，深度参与着区域土地利用时空格局的形成和变化过程。在高程、坡度等地形因子的综合作用下，光、温、水、养分被再次分配[1]，调整着区域内的经济建设和农业生产活动，并最终印刻在土地利用格局的基因之中。近年来，不少学者选择洼地[2]、平原[3]、丘陵[4]、山区等[5]具有不同地形特征的地区，分析对应的土地利用格局时空变化情况，但是对高山峡谷这一特殊山地形态区域的研究仍然少见。中国是一个多山国家，接近70%的陆域国土被山区覆盖，在云南省，山高谷深，山区面积占比达94%以上。云南省北部位于横断山脉南延段，多有高山峡谷地形分布，复杂的地形既造就了丰富的山地景观和自然资源，也形成了独特的土地利用分布格局。相较于平原和低山地区，高山峡谷区受地形条件约束，面临生态环境脆弱、耕地匮乏、基建难度大、交通成本高等多方面困扰[5]，易形成贫困聚集区。在我国全面建成小康社会、打赢脱贫攻坚战的关键节点，针对高山峡谷区进行基于地形梯度的土地利用时空格局分析，有利于了解其土地利用在地形因子作用下的分布变化规律[6]，揭示土地利用格局内在形成与地形环境因子外部作用间的相互关系，促进生态环境、粮食安全和经济社会协同发展。

云南省泸水市是典型的高山峡谷区，自然资源丰富，承担着维护滇西北区域生态安全的战略任务。但这里山高坡陡的自然环境导致人地矛盾突出，地质及生态环境脆弱，滑坡、泥石流灾害频繁，面临着生态保护和资源开发利用的冲突。本文基于RS和GIS技术，选择2000，2010，2018年Landsat TM/OLI遥感影像，提取泸水市三期土地利用数据，从高程和坡度切入，采用地形位、分布指数等方法，分析泸水市土地利用时空格局的地形梯度分布特征，揭示地形因素与土地利用的互动关系。同时，针对当前有关土地利用功能分区的研究大多是选择自然、经济、生态等因素作为指标，建立评价模型进行分区[7-8]，而基于土地利用格局的地形梯度分布规律进行分区的研究较为缺乏的情况。本研究也将根据土地利用地形分异规律对泸水市进行土地利用功能分区，确定各分区的生态和土地利用功能。通过在地形层面合理布局泸水市土地资源，在保证生态安全的基础上，促进高山峡谷区土地资源的合理利用和经济社会跨越式可持续发展，最终摆脱贫困落后面貌。

1 研究区概况

泸水市位于云南省西北部“三江并流”世界自然遗产地，隶属怒江州，国土面积3 203.04 km2，辖6镇3乡，2018年末总人口18.9万人。全市地处横断山脉南端，碧罗雪山与高黎贡山夹怒江由北向南纵贯全境，呈“两山夹一江”的格局。主要地貌类型包括河谷、中山和高山地貌，又以中高山为主，是典型的“V”字形高山峡谷地貌。整体地势北高南低，地形起伏较大，境内最高海拔4 162.1 m，最低海拔728.5 m，具有“山高谷深，平地少”的特点。受特殊的地貌和印度洋热带季风的综合作用，泸水市从河谷至山巅的立体气候明显，纵跨亚热带、温带和寒带3种气候带，整体具有年温差小，日温差大，干湿季分明，四季不明显的气候特征。泸水市特殊的地理环境，多样的气候类型，孕育了境内独特而丰富的自然资源，成为生态战略地位特殊、生态重要性突出的关键区域。但高山峡谷的地貌也深入影响着当地对土地资源的利用，形成了以林地、未利用地为主；耕地、草地少量分布；建设用地和水域稀少；“山多地少”的土地利用格局，可利用土地资源的稀缺极大制约了当地的经济社会发展，至2020年5月泸水市仍为云南省仅剩的9个贫困县(市)之一。

2 数据来源和研究方法

2.1 数据来源与处理

研究选用地理空间数据云(http:∥www.gscloud.cn/)提供的Landsat影像作为主要数据源，具体数据信息详见表1，数据质量较好。在ENVI 5.3平台下对各时期的遥感影像进行几何校正、大气校正、边界裁剪等预处理后，采用支持向量机法，参照全国土地利用现状分类[9]并结合泸水市实际情况，按照林地、未利用地、水域、建设用地、耕地、草地的土地利用分类对研究区遥感影像进行监督分类，得到泸水市2000，2010，2018年的土地利用数据(附图15)。结合野外调查和Google Earth高分辨率影像，对分类结果进行精度评价，2000，2010，2018年分类精度分别为95.50%，94.94%和92.68%，kappa系数分别为0.83，0.85和0.79，满足研究精度要求。DEM数据则采用获取于地理空间数据云的30 m分辨率GDEM V2数字高程数据，利用ArcGIS 10.5平台提取出高程、坡度等地形因子信息。

表1 Landsat遥感影像数据信息

2.2 研究方法

2.2.1 地形位指数 地形位模型可以将高程与坡度组合成一个综合指数来描述，可更清晰准确地反映土地利用空间格局和地形梯度的关联性[10]，体现高程与坡度变化对土地利用空间格局的综合影响。其计算公式为：

(1)

2.2.2 地形分布优势指数 地形分布指数可以描述区域不同土地利用类型在各地形梯度上的概率分布情况，能够有效消除地形梯度区段和土地利用面积差异带来的影响，反映不同土地类型的分布优势状况[11]。其计算公式为：

P=(Sie/Si)×(S/Se)

(2)

式中：P为地形分布指数;e代表某一地形因子,本研究中为高程、坡度、地形位,分别进行计算;Sie代表e地形因子某一等级下的i地类的面积;Si代表i地类的面积;Se代表研究区e地形因子在某一等级下的面积;S代表研究区总面积。分布指数是一个标准化、无量纲的指数[12]。某种地类分布指数变化越小,表明该地类对地形差异的适宜性越好;反之,则对地形具有较强的选择性[13-14]。当P=1时,表示某地类在某级地形上的比重与该地类占整个研究区的比重相等;当P>1时,表明某地类在某级地形上的比重大于该地类占整个研究区的比重,则将P>1的地形区段确定为该地类的优势位。

2.2.3 地形因子分级 泸水市高程和坡度分布范围分别为728.5～4 162.1 m和0°～78.6°(图1)，根据本文的研究内容，对泸水市高程、坡度、地形位指数进行分级。考虑到泸水市高山峡谷地貌具有高差大、坡度陡，低海拔和低坡度地区面积较小的特征，为避免低等级区域面积过小，不能很好的体现梯度性，参考泸水市相关研究[15]，适当提高高程、坡度因子各等级间隔和初始等级范围。研究区高程因子分为5级：1级(≤1 600 m)，2级(1 600～2100 m)，3级(2 100～2600 m)，4级(2 600～3 100 m)，5级(>3 100 m)；坡度因子分为5级：1级(0°～8°)，2级(8°～15°)，3级(15°～25°)，4级(25°～35°)，5级(>35°)；地形位指数由公式(1)计算后，范围为0.12～0.90(图1)，按照等数量分类法等分为10个级别，分别用数字1—10表示。

3 结果与分析

3.1 土地利用变化分析

由表2可知，泸水市土地利用结构表现出明显的优势分布倾向，林地是泸水市最主要的土地利用类型，具有统治地位，占比达到全市总面积的75%以上，且持续增加，体现了泸水市生态战略地位的重要性；未利用地、耕地和草地在土地利用结构中也占据重要地位，在2000—2018年均呈持续减少趋势，占比分别从2000年的11.26%，6.95%和3.09%减少到2018年的6.61%，5.28%和1.77%，表明退耕还林、封山育林等生态保护治理工程推动了未利用土地、陡坡耕地、草地向林地的转变，有效改善了当地的生态环境；建设用地和水域占比最小。水域主要由怒江干流构成，常年水量稳定，面积一直稳定在900 hm2左右。受高山峡谷地貌限制，建设用地面积和占比一直不高，2000年占比仅为0.91%，但随着当地经济的快速发展和对土地的开发平整，建设用地有明显增加，2018年增加到1.55%，但仍低于2%[16]的全国平均水平。

图1 泸水市高程、坡度、地形位指数

表2 泸水市2000-2018年土地利用类型面积及其变化

3.2 基于高程梯度的土地利用类型分布特征分析

将泸水市高程分级结果与土地利用数据叠加处理，统计2000，2010，2018年各地类在5个高程等级的分布情况，并计算对应的高程分布指数，得到表3。可以看出，各高程等级的面积相近，1—5级分别占泸水市总面积的17.36%，18.89%，23.00%，21.66%，19.09%。

其中，林地在所有高程等级中均为占比最大的地类，第1级占比已达58%以上，且面积和占比随高程升高逐渐增加，至第5级有所减少，体现了林地在垂直方向具有普遍的统治地位。2000—2018年各等级林地面积持续增加，分布指数变化则表明2 600 m以下的林地增速明显快于以上的林地；未利用地总体随高程的升高而增加，在第5级具有主导优势，表明海拔越高，气候越恶略，不适宜植物生长的区域就越大。2000年之后，随着生态环境的普遍改善，未利用地不断向林地转变，第1—4级未利用地显著减少，但第5级分布指数却呈增加趋势，结合林地的变化趋势，说明泸水市高海拔生态脆弱区生态环境的改善程度有限；水域高度集中在第1级，占水域总面积的97%，之后随着高程的增加面积迅速下降，这主要是因为作为泸水市主要水域的怒江干流全部流经1 600 m以下区域，其他支流水系也随着高程升高而逐渐减少的缘故；耕地和建设用地随高程的增加逐渐减少，优势位均处在第1，2级，这与的人类活动的聚集分布规律呈正相关性，说明了两种地类分布受到人为因素的直接影响。2000—2018年，因泸水市退耕还林的实施和经济发展的需要，各等级耕地持续减少，尤以第1，2级的减少面积最多，占耕地总减少面积的86.76%。建设用地也在经济发展的推动下不断扩张，以第1级扩张最为突出，占建设用地总增长面积的90.38%；草地面积随高程等级增加呈倒U字形分布，优势位在第1—3级，2000—2018年面积总体呈现减少趋势，也与退耕还林等生态保护工程的实施有密切关系。以上分析体现了泸水市作为高山峡谷区，土地利用结构在高程梯度上的明显的层级差异。

3.3 基于坡度梯度的土地利用类型分布特征分析

将泸水市坡度分级结果与土地利用数据叠加处理，统计2000，2010和2018年各地类在5个坡度等级的分布情况，并计算对应的坡度分布指数，得到表4。可以看出，各等级面积差异巨大，坡度等级越高，面积占比就越大，1—5级分别占泸水市总面积的1.89%，4.18%，16.10%，34.29%和43.53%，体现了高山峡谷地貌“山高谷深，平地少”的特点。

其中，林地在坡度梯度上同样占有统治地位，在各坡度等级均为占比最大的地类，又以第4，5级为优势位，在2000—2018年除1—2级有所下降外，3—5级占比均持续增加，反映了泸水全市生态环境的改善趋势；未利用地面积随坡度的增加也呈上升趋势，优势位在第2—4级，2000年各级分布指数均在1上下浮动，表明未利用地分布对坡度的敏感性较低。但2000年后，未利用地前4级分布指数不断增大，第5级明显变小，这可能是因为泸水市未利用地多分布在>35°的山腰陡坡地带，是生态保护工程干预的重点地区，而山顶缓坡地带的未利用地则受干扰较小；建设用地和耕地主要分布于第1—3级，但在25°以上地区也有一定分布，这是由于泸水市优质缓坡土地的稀缺，使得人们不得不向陡坡区域进行开垦和建设。建设用地和耕地的分布指数也随坡度的升高而降低，优势位均处在第2—4级，表明这两种地类更偏向坡度较低的地区，同时也挤占了林地、草地在低坡地区的分布空间；水域坡度梯度分布规律与高程相似，在第1级高度集中，面积和分布也较为稳定。泸水市坡度为0°～8°的区域主要包括怒江干流及两岸的河滩和冲击区，在V字形地貌和重力的作用下，将水域汇流于此；草地虽然在各坡度等级的比重较小，但在坡度梯度上的分布具有较强的规律性，随着坡度的升高占比逐渐增加，优势位在第5级，体现了草地对陡坡环境较强的适应性。总体来看，泸水市土地利用结构在第1—3级变化剧烈，人类活动及与之相关的地类随着坡度的增加迅速衰减，进入第4，5级后，土地利用结构逐渐由林地和未利用地主导。

3.4 基于地形位梯度的土地利用类型分布特征分析

将地形位指数分级结果与泸水市2000，2010和2018年土地利用数据叠加，分别计算这3期各土地利用类型在地形位等级上的分布指数，分析土地利用类型在地形梯度上的分布特征，结果如图2所示。

2000—2018年林地分布指数在地形梯度上表现出先增加后减少的趋势，变化曲线平稳，优势位集中在第6—8级。表明林地主要分布在中、高地形位区域，在的经济发展建设和生态治理保护综合作用下，第1—4级地形位区间的分布指数有所下降，而4级以上的分布指数则有小幅上升。

表4 泸水市不同坡度梯度上各土地利用类型面积及分布指数

未利用地分布指数在地形梯度上表现出逐渐增大趋势，第7级以下随地形位级别的变化较小，第7级以上曲线陡然上升，在第8—10级分布指数大于1。从时间变化看，3期未利用地分布指数的地形梯度分布规律一致，第7级以下各级分布指数变化不大，第8—10级增长显著，说明未利用地优势区间越发向高地形位倾斜。

水域的优势区段在第1—4级，其中第1级分布指数最高，并随着地形位等级的升高迅速降低，从第1级的116左右降至第5级的0.3。从时间变化看，水域分布指数变化不大，表明泸水市水域大量集中在河谷处的低地形位区域且保持稳定。

建设用地分布指数随地形位级别的增加呈连续衰减趋势，衰减曲线较为平滑，优势区段集中在第1—5级，符合建设用地宜布局在低海拔平坦区域的趋向，且集中程度明显大于非高山峡谷区。2000—2018年，第2，3级分布指数增加明显，其他等级变化微小，反映出除2，3级外的其他地形位等级可建设开发的土地已十分稀缺。

耕地的优势区段在第1—6级，随地形位等级的增加呈现先上升后减少的趋势，峰值在第2—3级，表明耕地偏向分布在中、低地形位。2000年后，第1，2级分布指数逐渐减少，第3，4级显著增加，说明在低地形位建设用地占用和中高地形位退耕还林的双向作用下，耕地优势区段逐渐向中低地形位压缩。

草地分布指数在地形位梯度上呈现先增加后减少的分布，峰值在第6级。从时间变化看，草地分布指数变化较为剧烈，2010年在第3，4，5级有明显增加，而第8，9，10级则下降明显，可能与当地退耕还林在不同年份的实施侧重点不同有关。

综上，泸水市水域、建设用地、耕地主要聚集于河谷、坝区、中低山等中、低地形位地区。但受高山峡谷地貌的限制，相比于平原、丘陵地区，建设用地和耕地在中地形位的分布更为突出。林地、未利用地则广泛分布于中高地形位，草地在中地形位最为集中。在“山顶封和禁、半山移和退、河谷建和育”的生态保护建设方针指导下，泸水市城镇和耕地愈发向中低地形位集中，未利用地则向高地形位压缩，为林地在中、高地形位的扩张提供了空间。

3.5 土地利用功能分区研究

根据上文分析结果可以发现，泸水市不同土地类型呈现出不同的地形梯度分布特征，在坡度和高程上有着明显的等级差异，这为基于地形梯度的土地功能分区提供了可能性。利用表3—4中的数据，分别将2018年每种土地类型的各级高程分布指数与坡度分布指数依次相乘，提取各等级乘积大于1的地类，即为该高程和坡度级别的共同优势地类。基于不同地形级别共同优势地类的聚集差异进行区域划分(表5)，并以优势地类的优先利用和保护为各分区的发展目标，最终基于不同的高程和坡度组合划分出了研究区4大土地利用功能区：河谷集约发展区，陡坡综合治理区，中高山生态提升区，山顶生态封禁区(图3)。

图2 泸水市各土地利用类型在地形位指数梯度上的分布

表5 泸水市各高程、坡度等级的共同优势地类分布及分区情况

图3 泸水市土地利用功能分区结果

3.5.1 河谷集约发展区 位于高程小于2 600 m，坡度小于25°的区域，优势地类以水域、建设用地、耕地为主，主要包括怒江水系的河谷地带，以老窝镇、上江镇、六库镇、片马镇分布较多。这一地区地势平坦但面积狭小，是泸水市仅有的适宜人类生产生活的核心地带，承担着粮食保障、城镇建设、交通运输、工业生产等多项功能。所以，应因地制宜，严格实行土地节约集约利用，以可持续发展为目标，在保护怒江水系的前提下，平衡基本农田保护和经济社会发展的需要，带动全市摆脱贫困。

3.5.2 陡坡综合治理区 位于高程小于3 100 m，坡度大于等于25°的区域，优势地类以耕地、草地、林地为主，主要包括怒江河谷两侧的碧罗雪山和高黎贡山，是全市分布最广的功能区。这一地区坡度较陡，但海拔适中，仍有较多人类活动，分布有大量耕地和少量建设用地。但受地形限制和对“三江并流”世界遗产地保护的要求，不适合高强度生产生活用途，应以生态环境保护为首要任务，依托高黎贡山国家自然保护区，坚持退耕还林、陡坡地生态治理等生态恢复工程，同时调整种植业结构，以生态旅游和林业经济为产业支撑，促进耕地、草地向林地转变，提升全市生态环境质量。

3.5.3 中高山生态提升区 位于高程在2 600～3 100 m区间，坡度小于25°的区域，没有特别突出的优势地类，但未利用地和林地相对有较多分布，是森林覆盖区和山顶积雪覆盖区之间的过渡地带。这一地区生态环境脆弱，植物生长难度较高，存在向森林覆盖区或裸土裸岩区转变的双面性。应禁止土地开发建设，并对竹材采伐和林下采集业进行严格控制，在保护原有森林资源规模不变的前提下，通过封山育林、荒山绿化等措施，提高森林覆盖率，预防水土流失和地质灾害，增强生态屏障功能。

3.5.4 山顶生态封禁区 位于高程大于等于3 100 m的区域，未利用地具有绝对主导优势，以碧罗雪山和高黎贡山山顶的冬季积雪覆盖区为主体，紧挨泸水市东西两侧行政边界。这一地区海拔较高，主要受气候因素主导，并不适宜植物生长，应贯彻“山顶封和禁”的方针，除环境保护和科研考察需要外，杜绝这一地区的人类活动，保持原生态面貌。

4 结 论

(1) 作为典型的高山峡谷区，泸水市土地利用结构具有明显的优势分布特征。林地在全市占统治地位，而耕地、建设用地、草地、水域的占比较小。2000—2018年建设用地增加明显，水域变化不明显，未利用地、耕地、草地持续向林地转变，导致林地面积增加。

(2) 泸水市土地利用格局受高山峡谷地貌影响，在地形梯度上的层级差异十分显著。林地在整个地形梯度上最为突出，且随着生态环境的改善占比持续增加；水域高度汇集于低地形位的河谷地带；建设用地和耕地与人类活动的分布规律一致，在中、低地形位分布广泛，并在退耕还林、经济发展的作用下逐渐向低地形位集中；未利用地对坡度敏感性较低，但在高海拔地区占主导优势，经过治理后，中、低地形位未利用地大量向林地转变；草地主要分布在高程低但坡度较高的中地形位。

(3) 基于不同的高程和坡度组合泸水市可分为4大土地利用功能区，河谷集约发展区作为全市经济增长的中心，应在保护怒江水系生态安全的基础上，促进工、农、服务业集约化发展，高效合理配置土地资源;陡坡综合治理区是全市生态安全的基本盘，应贯彻一系列必要的生态治理恢复工程，在保持良好生态质量的同时，发展生态旅游和林业经济；中高山生态提升区是全市生态环境质量提高的潜力股，应禁止土地开发建设，合理利用自然资源，争取在生态环境上保质提量；山顶生态封禁区生态环境恶略且脆弱，但有着独特的山顶自然风光，应坚持封山，保持原生态面貌。

高山峡谷区作为一种特殊的地貌区，与平原、丘陵地区相比，地形对土地利用的影响更为显著。在研究中发现，高山峡谷区地形梯度特征明显，低地形位区域面积狭小，以中、高地形位为主，限制了对土地资源的利用，也导致了在土地利用结构及其在地形梯度分布规律上的特殊性，具有明显的优势和层级分布特征。通过分区发展，可以充分挖掘高山峡谷区的发展潜力，促进这一类地区的可持续发展。