环京津贫困带土地利用变化的地形梯度效应分析

第30卷第14期农业工程学报V ol.30 No.142014年7月Transactions of the Chinese Society of Agricultural Engineering Jul. 2014 277 环京津贫困带土地利用变化的地形梯度效应分析孙丕苓，许月卿※，王数（中国农业大学资源与环境学院，北京 100193）摘 要：地形因素与土地利用变化的关系研究是土地利用/覆被变化研究的重要内容。

该文以环京津贫困带为研究区，选取1985年、1995年、2000年和2010年Landsat TM影像为数据源，运用地学图谱分析法，从地形起伏度、坡度变率、坡向和地形位角度，系统分析了环京津贫困带土地利用变化的地形梯度特征，探讨了土地利用变化的地形梯度效应及其成因。

结果表明：1）1985－2010年环京津贫困带土地利用类型分布呈现明显的层级性。

耕地、水域和建设用地的优势分布区集中于低地形梯度区，草地优势分布区集中于中高、高地形梯度区，林地和未利用地优势分布区集中于高地形梯度区。

2）研究区土地利用变化以稳定型图谱和反复变化型图谱为主，林地、耕地和草地是主要的土地利用类型，林地向耕地转换再又转换为林地是反复变化型图谱的主要类别。

1985－2000年人地矛盾突出，土地利用变化以“林地-耕地”、“草地-耕地”和“未利用地-耕地”为主，耕地向较高地形梯度区扩展；2000年后社会经济发展和退耕还林政策的实施，土地利用变化以“耕地-建设用地”、“耕地-林地”和“草地-林地”为主，耕地在原优势地形位的优势度增大、草地和未利用地的优势分布区向更高级地形位集中，林地优势分布区向较低地形位扩张。

3）土地利用变化地形梯度分布特征及分异效应是自然因素、社会经济因素和政策因素共同作用的结果，自然因素是基础，社会经济因素和政策因素是重要推动力。

该文为研究区土地利用动态优化配置和生态环境建设提供了科学依据和决策支持。

关键词：土地利用；地形；分级；土地利用变化图谱；环京津贫困带doi：10.3969/j.issn.1002-6819.2014.14.035中图分类号：S127 文献标识码：A 文章编号：1002-6819(2014)-14-0277-12孙丕苓，许月卿，王数. 环京津贫困带土地利用变化的地形梯度效应分析[J].农业工程学报，2014，30(14)：277－288.Sun Piling, Xu Yueqing, Wang Shu.Terrain gradient effect analysis of land use change in poverty area around Beijing and Tianjin[J]. Transactions of the Chinese Society of Agricultural Engineering (Transactions of the CSAE), 2014, 30(14): 277－288. (in Chinese with English abstract)0 引 言土地利用/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[1-5]，而土地利用空间格局与时空变化是LUCC研究的重要内容。

地形因素作为最基本的自然地理要素，直接影响地表物质的迁移与能量转换[6-7]，在一定程度上决定着土地利用的方向和方式选择，是土地利用格局形成的基础[8-12]，对LUCC 具有重要影响[8,13-14]。

地形因素与土地利用变化的关系研究成为LUCC研究的重要内容[6-8,15-19]。

目收稿日期：2014-01-13 修订日期：2014-06-28基金项目：国家自然科学基金（41171088）作者简介：孙丕苓（1984－），女，山东泰安人，博士，主要研究方向为土地利用/覆被变化、土地资源可持续利用。

北京中国农业大学资源与环境学院，100193。

Email：sapphire816@※通信作者：许月卿（1972－），女，河北定州人，副教授，主要从事土地利用变化与可持续利用、土地资源利用与评价等方面研究。

北京中国农业大学资源与环境学院，100193。

Email：xmoonq@ 前，不少学者就地形因素对农业区位选择的影响[20-21]、高程条件约束下的区域LUCC及其生态效应[9]，还有高程、坡度、坡向等地形因子对土地利用格局变化的影响等进行了相关研究[13-14,22-26]，但利用地形起伏度、坡度变率、坡向和地形位指数分析区域地形条件对土地利用时空变化的影响研究相对较少。

高程、坡度虽能表现土地利用的空间格局及其时空变化特征，但现实中高程、坡度等地形因素联系紧密，往往对土地利用空间格局及其演变过程产生综合影响。

因此，从综合角度系统研究地形梯度对土地利用空间分布及其格局变化的影响，更具科学性和实践意义。

环京津贫困带地处内蒙古高原到华北平原的过渡带，属干旱半干旱区。

区内地貌单元复杂，其西部、西北、北部被太行山北端、燕山山地西部环绕，地形起伏较大，地形梯度明显，自然生物分布呈垂直地带性，土地利用格局深受地形因素影响。

区内生态环境脆弱，水土流失严重，人地矛盾尖锐，是土地利用变化的敏感区，也是全球环境响应比较农业工程学报 2014年278突出的区域。

因此，本文以环京津贫困带为研究区，基于1985年、1995年、2000年和2010年Landsat TM 影像，运用地学图谱分析法，从地形起伏度、坡度变率、坡向和地形位角度，系统分析环京津贫困带土地利用变化的地形梯度特征及分异效应，探讨地形因素对土地利用格局变化的影响，以期为区域土地管理决策和土地资源可持续利用提供科学依据。

1 研究区概况 环京津贫困带位于河北省北部与京津接壤地区（113°42′31″～119°26′02″E ，39°02′16″～42°30′51″N ），包括张家口市和承德市，保定市的易县、涞水县和涞源县，共24个县（区），面积为82 483 km 2（图1）。

该区域与京津两大城市存在较强的资源环境和发展关系且在空间上集中连片。

全区有6个县分布在坝上高寒区，15个县（区）分布在太行山、燕山、恒山深山区。

这些地区自然条件恶劣，干旱缺水，灾害频繁。

坝上高寒区地处内蒙古高原南缘，海拔1 100～1 500 m ，年均气温仅为1.4℃，无霜期90～100 d ，年均降水量仅350 mm ，年均大风日多达 65 d ，草原沙化现象严重。

燕山和太行山区呈现“八山一水一分田”的地貌特征，水土流失严重，生态环境脆弱，农业生产效益低下。

全区年均降水量从东南向西北递减，即从承德市的兴隆、宽城等县到西北张家口市的康保、尚义等县，年均降水量从600～800 mm 减少到不足400 mm 。

a .位置a. Locationb .高程 b. Altitudec .坡度c. Slope图1 研究区位置、高程及地形坡度示意图Fig.1 Location, altitude and slope map of study area 2 数据来源与研究方法2.1 数据获取与处理本文的地形因子选取ASTER GDEM 高程数据，空间分辨率为30 m 。

土地利用数据以1985年、1995年、2000年和2010年的Landsat TM 影像为数据源，运用Erdas Imagine 9.2进行预处理，根据研究区的行政边界裁剪遥感影像，运用监督分类与人机交互式解译的方法进行信息提取。

借助GoogleEarth 对解译后的数据进行检查修正，得到4个年份的土地利用矢量图。

经分类精度检验得到4期影像总解译精度分别为86.18%、86.82%、88.92%和89.46%，Kappa 系数分别为0.79、0.80、0.83和0.80，表明解译结果能满足研究需要。

参照国家基本资源与环境本底动态遥感调查数据库的分类体系，将土地利用类型划分为耕地、林地、草地、水域、建设用地和未利用地6大类。

为了保持数据的统一性，将解译所得的矢量数据转成栅格数据，Cell size 统一设定为30 m ，得到91 648 482个栅格单元。

2.2 研究方法基于地形梯度等级划分，选取表征土地利用格局演变过程的地学信息图谱，结合分布指数和土地利用变化强度，分析土地利用变化的地形梯度特征，借鉴地理学垂直地带性分异规律解释土地利用变化的地形梯度效应。

2.2.1 土地利用变化图谱分析运用ArcGIS 9.3的空间分析模块进行地图代数运算，得到1985－2010年研究区土地利用变化信息图谱，实现土地利用格局与演变过程的有效集 成[26-28]。

根据研究区土地利用图谱单元的变化特征，将其概括为6种类型的图谱变化模式[14]： 稳定型图谱，土地利用类型始终未发生变化；前期变化型图谱，土地利用类型只在1985－1995年 发生转变；后期变化型图谱，土地利用类型只在2000－2010年发生转变；中间过渡型图谱，土地利用类型转变只发生在1995－2000年；反复变化型图谱，土地利用类型在1995－2000年发生转变后出现回归；持续变化型图谱，土地利用类型持续发生变化。

2.2.2 地形梯度等级划分综合考虑地形因子的可定量性和对土地覆被变化的影响程度，选取地形起伏度（landform relief ）、坡度变率（slope change rate ）、坡向（aspect ）和地形位（terrain niche ）分析地形对土地利用变化的影响[29]。

地形起伏度是描述区域地形特征的宏观指标，第14期 孙丕苓等：环京津贫困带土地利用变化的地形梯度效应分析 279 能够直观反映地形起伏特征，是一定区域内海拔高度最大值与最小值的差值，可运用栅格邻域计算工具进行计算。

地面坡度变率是地面坡度在微分空间的变化率，可依据坡度的求算原理在所提取的坡度值基础上对地面每一点再求一次坡度，即坡度的坡度，表征了地面高程相对于水平面变化的2阶导数，在一定程度上很好地反映了地形剖面曲率信息。

坡向是影响局部地面接受阳光和重新分配太阳辐射量的重要地形因子之一，直接影响局部地区的气候特征差异、土壤水分、作物生长适宜程度，对山地生态具有重要作用。

地形位属复合地形因子，可反映高程和坡度的综合影响，公式为[13-14]： T =ln[(E /E 0+1)×(S /S 0+1)] （1） 式中：T 为地形位；E 和S 分别为某点的高程（m ）和坡度（°）；E 0和S 0分别为该点所在区域的平均高程（m ）和坡度（°）。

高程越高、坡度越大的区域地形位数值越大，反之则越小。

基于研究区实际情况，对地形起伏度、坡度变率、坡向因子进行分级（表1）。