基于地形坡面的土地覆被变化强度分析——以伊洛河流域为例

张永民

（河南财经政法大学资源与环境学院，河南郑州 450046）

近百年来，随着人类土地利用活动的日益扩大，地表的土地覆被发生了规模空间的巨大变化，并成为影响气候变化、土地退化和生物多样性锐减等环境问题的重要因素，因此土地利用/覆被变化（简称“土地覆被变化”）被列为环境变化和可持续发展领域研究的核心问题［1－3］。随着遥感和地理信息系统技术的迅速发展，学术界对众许多典型地区的土地覆被变化开展了大量研究，并取得了丰硕成果，如快速城镇化地区的建设用地扩张［4－6］、热带雨林地区的毁林［7，8］、生态脆弱区的土地开发等［9－11］。但以往研究多是关注土地覆被变化的数量、位置和驱动因素，对土地覆被变化的内在过程研究较少。显然，每种土地覆被变化都是一种土地覆被类型的转出（缩减）与另一种土地覆被类型的转入（扩增）过程。但不同地区不同土地覆被类型的转出与转入过程可能存在巨大差异。从转出看，某一土地覆被类型缩减的空间可能是被其他地类随机占用，也可能是被某特定地类“超比例”占用；从转入看，某地类的扩增可能是系统的“指向”或“避让”某特定地类，也可能是随机的“捕获”其他地类［12］。详细深入分析转入与转出过程对于识别土地覆被变化系统中的行为特征，进而评估变化的驱动机制至关重要。以往案例多是选择国家、经济区和省份等行政单元作为研究地区，基于坡面等自然地理单元的土地覆被变化研究相对较少。实际上，不同坡面的水、热、土资源组合状况各不相同，土地覆被变化的强度和方向存在明显差异。同时，不同坡面土地覆被变化的环境效应差别较大，如陡坡相对于平地更易发生水土流失，因此基于坡面的土地覆被变化研究更有助于评估变化的环境效应［13－15］。鉴于以上原因，本文选择伊洛河流域作为研究地区，探索基于坡面尺度详细深入分析土地覆被变化过程的途径与方法，以期为今后的土地覆被变化研究提供新的视角，同时为研究地区的生态保护与可持续发展决策提供科学依据。

1 研究地区概况

伊洛河是黄河中下游重要的一级支流，由伊河与洛河汇聚而成。伊河发源于熊耳山南麓河南省栾川县，河长264.8km；洛河起源于陕西省洛南县，向东流入河南境内，河长446.9km。两河于偃师市东部汇合，汇流后东流至巩义市北入黄河，流域面积为18881km2（图1）。伊洛河流域海拔57—2655m，地处我国地形二、三阶梯的交界处，属于黄土边缘地带，生态与环境过渡性特征明显，多年平均水资源总量32.31 × 108m3，对黄河下游的洪淤具有重要的影响［16，17］。伊洛河流域中上游的丘陵山区主要以森林和草地为主，部分地区地下埋藏有煤炭等矿产资源，下游的冲积平原土壤肥沃，是重要的粮食基地。伊洛河流域具有悠久的开发历史，经济发展水平呈阶梯状分布，中上游的洛宁、卢氏和洛南等地区较落后，下游的洛阳、义马、偃师和巩义等中小城市经济较发达［18］。据水文资料分析，20 世纪50 年代以来，由于土地覆被变化等人类活动的影响，伊洛河流域径流量呈显著减少趋势，水土流失和洪水灾害等环境问题比较突出［19］。目前，我国正处于实施黄河流域生态保护和高质量发展战略的关键时期，伊洛河流域作为黄河流域的重要组成部分，其生态保护与发展倍受关注，因此开展伊洛河流域土地覆被变化研究具有重要意义。

图1 伊洛河流域示意图

2 数据资料

本文使用的数据主要是数字高程模型（DEM）数据和2010 年、2020 年两期土地覆被数据。DEM 数据源自于日本经济产业省（METI）和美国航空航天局（NASA）联合研制并免费面向公众分发的全球数字高程数据产品ASTER GDEM V2 版，数据为栅格格式，栅格大小为30m。土地覆被数据源自中国研制的30m空间分辨率全球地表覆被数据GlobeLand30，伊洛河流域的GlobeLand30 数据包括耕地、林地、草地、湿地、水体和人造地表6 种土地覆被类型［20］。根据研究需要，本文对伊洛河流域的原始数据进行了预处理：首先，将DEM 和土地覆被数据重采样为90m，主要是因为研究地区面积较大，划分坡面的软件难以运行其30m 分辨率的DEM 数据；其次，把GlobeLand30 数据中的湿地和水体合并在一起统称为湿地，人造地表改称建设用地，从而将研究地区的土地覆被划分为耕地、林地、草地、湿地和建设用地5 种类型（图2）。

图2 2010—2020 年伊洛河流域土地覆被

3 研究方法

3.1 坡面的划分

坡面是构成地貌形态的基本单元，陆地表面就是由一系列形状、大小、坡度和坡向等属性不同的坡面镶嵌而成的。目前坡面的界定尚没有统一标准，但一般认为同一坡面各处的坡度和坡向等属性应相对一致，而相邻的不同坡面应有较大差异。如，每个流域一般可由中间的流水线划分为左右两个半流域，这两个半流域面就是构成流域的两个坡面。坡面的划分主要有自上而下逐步分割法和自下而上逐步合并法［21，22］，本文根据Alvioli 等设计的基于流域自上而下逐步分割法［23，24］，运用软件R.slopeunits 对伊洛河流域进行坡面划分。

需要说明的是，软件R.slopeunits 划分出的坡面是由河流（河谷）流水线和分水岭山脊线包围而成的半流域面，对坡面的判定主要有两个条件：一是最小面积，如果某半流域面的面积小于设定值（本文为15万m2），就将其视为一个坡面。二是圆方差（Circular variance），表征半流域面各组成栅格坡向变异程度的指标，取值范围是0 至1。值越小，表示组成半流域面的栅格坡向变异越小；反之，表示坡向变异越大。本研究设置的临界值为0.3，即对于面积大于15 万m2的半流域面来说，其圆方差必须小于0.3才被判定为坡面。

3.2 土地覆被转变矩阵

土地覆被转变矩阵是开展强度分析的基础数据。运用GIS技术对两个时点的土地覆被图进行叠加，统计各土地覆被类型之间转变的面积即可得到该时段的土地覆被转变矩阵。本文涉及5 种土地覆被类型，土地覆被转变矩阵的数学表达式如下：

式中，Cij表示某时段土地覆被类型i 转变为类型j的面积；i和j的取值为1，2，3，4，5，分别表示耕地、林地、草地、湿地和建设用地。

3.3 土地覆被变化的强度分析

土地覆被变化强度分析是美国Clark大学Pontius教授研究组提出的分析方法，它是从变化时段、土地覆被类型和土地覆被转变类型3 个层次逐层深入的分析土地覆被变化过程，根据土地覆被转变矩阵，从转入和转出两个视角全面系统地揭示土地覆被变化过程与格局的内在联系［25－27］。

时段层次的变化强度：任何一个地点（栅格）的土地覆被变化既是某种地类的转出，同时也是另一种地类的转入，因此研究地区所有地类的转出之和等于转入之和，时段层次的总变化强度就是全部地类的转出（或者转入）之和占全部地类总面积的百分比。总变化强度（T）包括数量变化强度（Q）和空间变化强度（S）两部分，数量变化强度是指数量增加（或者减少）的土地覆被类型增加（或者减少）的数量之和占全部地类总面积的百分比；空间变化是指各地类之间空间配置方面的变化，包括位置对换（比如一个栅格上的耕地转变为草地，另一个栅格上的草地转变为耕地）和迁移（比如一个栅格上的耕地转变为草地，另一个栅格上的草地转变为林地）两种形式［28］，其强度等于总变化强度与数量变化强度之差。计算公式分别为：

本文所有公式中的J ＝5，表示土地覆被类型的数量。

土地覆被类型层次的变化强度：每种土地覆被类型的变化都包含转出（缩减）与转入（扩增）两个方面，且同一地类的转出与转入面积一般互不相等，因此覆被类型层次的变化强度分为转入强度与转出强度两部分。某土地覆被类型的转入强度是指其他地类对其转入面积之和占变化终点该地类面积的百分比，转出强度是其对其他地类的转出面积之和占变化起点该土地覆被类型面积的百分比。计算公式分别为：

假设全部地类的转入之和是根据变化终点各地类的面积随机均匀（按比例）地“分配”给各地类的话，那么各地类的转入强度将相等，且等于整体的转入强度（即时段层次的总变化强度），表示随机均匀扩增。如果某地类的转入强度大于整体的总变化强度，那么它就是高强度转入地类，表示“超比例”快速扩增；否则，它就是低强度转入地类，表示“降比例”缓慢扩增。同理，假设全部地类的转出之和是根据变化起点各地类的面积随机均匀（按比例）“分摊”自各地类的话，那么各地类的转出强度将相等，且都等于整体的转出强度（即时段层次的总变化强度），表示随机均匀缩减。如果某地类的转出强度大于整体的总变化强度，那么它就是高强度转出地类，表示快速缩减；否则，它就是低强度转出地类，表示缓慢缩减。

转变类型层次的变化强度：和土地覆被类型层次相似，转变类型层次的变化强度也包含转出强度和转入强度两个方面。对于地类i 转变为地类j 这一转变类型（Cij）来说，从转入看，地类i 对地类j 的转入强度是指地类i 转变为地类j 的面积占变化起点地类i 的面积的百分比。对于地类j 的转入（扩增）来说，假设其总转入面积是根据其他地类在变化起点的面积随机均匀（按比例）的“捕获”其他地类的话，那么其他地类对地类j 的转入强度将相等，且都等于地类j的总转入面积占变化起点其他地类面积之和的百分比（简称地类j 的随机转入强度），表示地类j 的扩增是以随机均匀的方式“占用”其他地类。如果地类i对地类j 的转入强度大于地类j 的随机转入强度，那么它就是高强度转入，表示地类j的扩增“指向”（超比例占用）地类i；否则，它就是低强度转入，表示地类j 的扩增“避让”（降比例占用）地类i。计算公式分别为：

从转出看，地类i对地类j的转出强度是指地类i转变为地类j的面积占变化终点地类j的面积的百分比。对于地类i 的转出（缩减）来说，假设其总转出面积是根据其他地类在变化终点的面积随机均匀（按比例）地“分配”给其他地类的话，那么地类i 对其他地类的转出强度将相等，且都等于地类i 的总转出面积占变化终点其他地类面积之和的百分比（简称地类i的随机转出强度），表示地类i缩减的面积被其他地类以随机均匀的方式占用。如果地类i对地类j的转出强度大于地类i的随机转出强度，那么它就是高强度转出，表示地类i 的缩减“吸引”地类j，被其“超比例”占用；否则，它就是低强度转出，表示地类i 的缩减“抵制”地类j，被其“降比例”占用。计算公式分别为：

式（8）与式（10）中，n 取值为1 至5 的整数。需强调的是，对地类i 转变为地类j 这一转变类型来说，如果Rij＞Wj，且Qij＞Vi，那么它是系统性的高强度转变，表示地类i的缩减“吸引”地类j，且地类j的扩增“指向”地类i，土地经营者具有把地类i 转变为地类j的较强意愿和行为特征；相反，如果Rij＜Wj，且Qij＜Vi，那么它就是低强度转变，表示地类i的缩减“抵制”地类j，且地类j的扩增“避让”地类i，地类i向地类j的转变属于偶然性的转变类型。

4 结果及分析

4.1 坡面的划分与土地覆被转变矩阵

伊洛河流域共划分为65021 个坡面，根据每个坡面（组成栅格）的平均坡度，将它们归为平地（平均坡度小于5°）、缓坡（平均坡度5—20°）和陡坡（平均坡度大于20°）3 种类型（图3）。这3 类坡面的面积分别占流域总面积的23.17%、61.79%和15.04%，主要受地形因素和开发利用难易程度影响，其土地覆被及变化具有明显差异（表1）。

图3 伊洛河流域坡面分布

表1 2010—2020 年伊洛河流域土地覆被转变矩阵（单位：km2）

整个伊洛河流域的土地覆被主要是林地、耕地和建设用地，三者之和约占土地总面积的93%，而草地和湿地之和仅占7%左右。但不同坡面的土地覆被差别巨大，平地以耕地和建设用地为主，二者之和占土地总面积的92%以上，缓坡以耕地、林地和草地为主，三者之和占土地总面积的97%以上，而陡坡以林地和草地为主，二者之和约占土地总面积的97%。需要说明的是，湿地面积虽然较少（不足土地总面积的1%），但是它是整个流域的主要水源，其变化对社会经济和自然生态皆有重要影响。

整个伊洛河流域的土地覆被变化主要表现为耕地和草地减少，湿地和建设用地大幅增加。但是，各坡面除了湿地和建设用地皆大幅增加之外，其他地类的变化差别较大。平地上，耕地、林地和草地皆大幅减少，尤其是草地的减幅最大（38.86%）；缓坡上，耕地、林地和草地是小幅减少，耕地的减幅最大（1.59%）；陡坡上，耕地和草地均明显增加，耕地的增幅最大（6.64%），林地略有减少。

4.2 时段层次的变化强度

2010—2020 年，伊洛河流域土地覆被的总变化强度为6.89%。其中，空间变化（5.01%）大于数量变化（1.88%），表明各种土地覆被类型之间竞争剧烈，频繁发生空间位置对换。3 类坡面的变化强度依次为平地＞缓坡＞陡坡，说明平地是整个流域人类活动强度最大的国土空间，各种土地覆被类型之间竞争最为激烈，数量变化和空间变化强度相当；而缓坡和陡坡受地形因素影响，生态环境脆弱，适宜开发利用的土地资源有限，土地覆被变化强度较小，但各地类之间竞争依然强烈，空间变化远大于数量变化（表2）。

表2 时段层次的土地覆被变化强度（单位：%）

4.3 土地覆被类型层次的变化强度

由表3 可知，平地上的耕地属于低强度转出与低强度转入地类，相对比较稳定，但是转出强度大于转入强度，数量减少了6.08%；林地和草地属于高强度转出与高强度转入地类，变化非常剧烈，且转出强度远远大于转入强度，数量分别减少了16.15%和38.86%；湿地和建设用地属于低强度转出与高强度转入地类，而且转入强度远大于转出强度，数量分别增加33.72%和27.92%。

表3 土地覆被类型层次的变化强度

缓坡上，耕地和林地属于低强度转出与低强度转入地类，转出强度稍大于转入强度，数量分别减少了1.59%和0.48%；草地、湿地和建设用地属于高强度转入与高强度转出地类，草地的转出强度稍大于转入强度，数量减少了0.44%；湿地和建设用地的转入强度大于转出强度，数量分别增加了28.25%和43.60%。

陡坡上，耕地、草地、湿地和建设用地都属于高强度转出与高强度转入地类，且转入强度皆大于转出强度，数量皆有不同幅度的增加，尤其是湿地和建设用地增幅较大，分别为75.09%和16.23%；林地属于低强度转出与低强度转入地类，转出强度稍大于转入强度，数量减少了0.37%。

4.4 土地覆被转变类型层次的变化强度

由表4 和表5 可知：①平地上，平地是流域范围内耕地（尤其是基本农田）和建设用地的集中分布区，开发建设和保护耕地的矛盾十分尖锐。关于耕地的缩减，耕地对建设用地的转出属于高强度转出，对其他地类属于低强度转出，说明缩减的耕地主要是被建设用地占用，开发建设是导致耕地减少的主要原因。关于建设用地的扩增，草地对建设用地是高强度转入，耕地和林地的转入略低于随机转入强度，说明开发建设倾向于占用草地，对耕地和林地的占用近似于随机过程，表明耕地保护政策实施效果不甚明显。湿地向建设用地的转变是低强度转变类型，属于偶然性的转变，说明开发建设具有避让湿地的特征。由于建设用地大幅扩张，草地未能满足建设需要，进而导致被占用的耕地高达266km2（约占2010年平地耕地总面积的8.25%），严重影响了粮食生产。因此，控制建设用地扩张以保护耕地应是今后国土空间用途管制的重点。关于湿地的扩增，林地和草地对湿地是高强度转入，耕地的转入等同于随机过程，建设用地是低强度转入，说明湿地扩增倾向于占用林地和草地。但由于林地和草地面积较小而耕地面积较大，耕地转入湿地的面积（12.82km2）远大于林地和草地的转入之和（2.39km2），所以保育湿地也是造成耕地减少的另一主要原因。此外，林地对耕地的转入属于高强度转入，说明耕地扩增倾向于占用林地，存在为补充耕地而毁林的现象。②缓坡上，耕地向湿地和建设用地的转变，湿地和建设用地向耕地的转变都属于系统性高强度转变类型，说明有些地方为了开发建设和保育湿地而占用耕地，另一些地方则开垦湿地和复垦废弃建设用地以补充耕地，导致它们之间频繁发生位置对换和数量消长变化。林地向草地的转变，草地向林地的转变皆属于系统性高强度转变类型，说明有些地方营林，另一些地方毁林，导致林地和草地的位置对换及数量消长关系较明显。草地向湿地和建设用地的转出属于高强度转出，说明缩减的草地倾向于用作湿地和建设用地。此外，湿地向建设用地的转出也属于高强度转出，说明不同于平地，缓坡上开发建设没有避让河滩湿地。③陡坡上，草地和建设用地向耕地的转变、耕地向草地和建设用地的转变皆属于系统性高强度转变类型，说明某些地方开垦草地和复垦废弃建设用地以增加耕地。有些地方因开发建设占用耕地，有些地方耕地撂荒现象较突出。林地对建设用地、湿地和草地的转出皆属于高强度转出类型，说明为了开发建设和保育湿地而毁林的现象较严重。草地向建设用地的转变、湿地向耕地和建设用地的转变也都属于系统性高强度转变类型，说明为了开发建设和开垦耕地而占用草地和湿地的现象比较普遍。

表4 转变类型层次土地覆被变化的转入强度

表5 转变类型层次土地覆被变化的转出强度

综上可知，伊洛河流域开发建设、粮食生产与生态保护之间的矛盾非常突出，除了湿地得到保护之外，建设用地扩增不但导致耕地大量流失，而且造成林地与草地等生态用地相继减少。不同坡面土地覆被变化过程具有明显差异，平地上建设用地扩增“指向”草地，“避让”湿地，同时耕地向建设用地高强度转出。缓坡和陡坡上无序土地利用活动较严重，不同土地覆被类型两两（如耕地和建设用地）之间频繁发生位置对换，土地覆被变化主要表现为系统性的高强度变化类型。但缓坡和陡坡上耕地向林地的转变、林地向耕地的转变皆是低强度转变类型，都属于偶然性的转变，说明直接毁林开垦耕地的现象较少，同时退耕还林的效果也不明显。此外，平地和缓坡耕地大量减少，陡坡耕地大幅增加而且撂荒现象比较突出，说明在执行“耕地占补平衡”政策时，存在占优补劣之嫌。事实上，陡坡是重要的生态空间，生态环境脆弱，土地利用应当遵循生态优先原则，必须严格控制开发建设和开垦耕地，并加强工矿废弃地的生态修复。

5 结论与讨论

本文根据数字高程模型和伊洛河流域土地覆被数据，运用GIS 技术和强度分析等方法对2010—2020年伊洛河流域不同坡面的土地覆被变化进行了研究，主要结论如下：①伊洛河流域不同坡面土地覆被变化强度是平地＞缓坡＞陡坡。所有坡面的草地，缓坡和陡坡的建设用地和湿地，平地的林地和陡坡的耕地是高强度变化地类，其转入与转出强度皆大于随机均匀变化强度。②平地上建设用地扩增“指向”草地，“避让”湿地，同时耕地向建设用地高强度转出。缓坡和陡坡上不同土地覆被类型两两之间频繁发生位置对换，土地覆被变化主要表现为系统性的高强度变化类型，但缓坡和陡坡上耕地向林地的转变、林地向耕地的转变皆是低强度转变类型，属于偶然性的转变。

强度分析是以假设的随机均匀变化为对照，从不同层次逐层深入分析土地覆被变化的转入与转出过程，与局限于土地覆被变化自身进行分析的传统方法相比，能够更好揭示土地经营者的偏好和行为特征，解释变化过程与格局的内在联系［29，30］。但假设的随机均匀变化仅考虑了数量变化，没有考虑变化的空间分布，因此难以揭示空间邻接关系对土地覆被变化的影响。如，从转出看耕地向建设用地的高强度转出可能是因为耕地与建设用地邻接度较大的原因，而不是开发建设特意要占用耕地，所以如何纳入空间属性是今后完善土地覆被变化强度分析的关键所在。