蒲羅曼，張樹(shù)文，李　飛，王讓虎，王　晴，常麗萍，楊久春

(1.吉林大學(xué)地球科學(xué)學(xué)院，吉林 長(zhǎng)春 130061；2.中國(guó)科學(xué)院東北地理與農(nóng)業(yè)生態(tài)研究所，吉林 長(zhǎng)春 130102)

基于地形因子的吉林西部地區(qū)土地利用變化研究

蒲羅曼1，2，張樹(shù)文2，李飛1，2，王讓虎1，2，王晴1，2，常麗萍2，楊久春2

(1.吉林大學(xué)地球科學(xué)學(xué)院，吉林 長(zhǎng)春 130061；2.中國(guó)科學(xué)院東北地理與農(nóng)業(yè)生態(tài)研究所，吉林 長(zhǎng)春 130102)

[摘要]選取吉林省西部地區(qū)為研究對(duì)象，基于DEM及三期遙感影像，通過(guò)目視解譯獲取研究區(qū)土地利用數(shù)據(jù)，并從高程、坡度、坡向、坡形4個(gè)地形因子的角度對(duì)土地利用結(jié)構(gòu)的變化特征進(jìn)行了全面分析.結(jié)果表明：(1)1975—2013年間，吉林西部地區(qū)土地利用結(jié)構(gòu)的變化主要表現(xiàn)為耕地、鹽堿地面積的顯著增加和草地面積的顯著減少.(2)高程和坡度因子對(duì)吉林西部地區(qū)土地利用變化有著重要的影響，而坡向和坡形因子對(duì)土地利用變化影響不明顯.(3)各土地利用類(lèi)型多分布在100～200 m海拔范圍和0°～6°坡度范圍內(nèi)，但200～250 m范圍內(nèi)土地利用變化量最大，主要表現(xiàn)為耕地、林地的增加和草地的減少.(4)1975—2000年間坡度在0°～6°范圍內(nèi)的土地表現(xiàn)為耕地、鹽堿地面積的大幅增加和草地面積的大幅減少；2000—2013年間表現(xiàn)為耕地面積的小幅增加和草地、鹽堿地面積的小幅減少.

[關(guān)鍵詞]土地利用；地形因子；DEM；吉林西部

自20世紀(jì)90年代以來(lái)，土地利用/覆被變化研究已成為全球環(huán)境變化與可持續(xù)發(fā)展的熱點(diǎn)問(wèn)題.目前，針對(duì)土地利用變化的研究已經(jīng)有很多，但多側(cè)重于土地利用時(shí)空格局變化、土地利用類(lèi)型轉(zhuǎn)移情況及土地利用變化驅(qū)動(dòng)力方面[1-4]，從自然環(huán)境背景方面，尤其是以數(shù)字高程模型(digital elevation model，DEM)為基礎(chǔ)，研究土地利用結(jié)構(gòu)隨地形因子的分布格局變化的研究還相對(duì)較少[5-6]，而研究地形因子對(duì)區(qū)域土地利用方式和變化的影響，對(duì)于土地資源的可持續(xù)利用和區(qū)域的可持續(xù)發(fā)展具有重要意義.

本文以吉林省西部地區(qū)為研究對(duì)象，基于DEM數(shù)據(jù)，通過(guò)對(duì)1975—2000年以及2000—2013年兩個(gè)時(shí)段內(nèi)不同高程、坡度、坡向、坡形級(jí)別上的土地利用變化情況進(jìn)行分析，探討了土地利用結(jié)構(gòu)變化與地形因子分布格局的關(guān)系，以實(shí)現(xiàn)研究區(qū)土地利用結(jié)構(gòu)的優(yōu)化，促進(jìn)區(qū)域土地資源的可持續(xù)發(fā)展，為合理利用土地資源、協(xié)調(diào)社會(huì)經(jīng)濟(jì)發(fā)展提供科學(xué)依據(jù).

1研究區(qū)概況

吉林省西部地區(qū)位于松嫩平原的西南部，其北、西分別與黑龍江省、內(nèi)蒙古自治區(qū)接壤，包括白城和松原兩個(gè)地級(jí)市以及長(zhǎng)春市的農(nóng)安縣和四平市的雙遼市.地理位置為121°38′～126°12′E，43°21′～46°19′N(xiāo).該區(qū)地域遼闊，土地面積為5.53萬(wàn)km2，東、南、西三面地勢(shì)較高，北部和中部地勢(shì)較低，地形似簸箕狀，海拔95～638 m.全區(qū)總?cè)丝跒?46萬(wàn)人.吉林西部屬于北溫帶大陸性季風(fēng)氣候，年均氣溫4℃ ～6℃，降水量400～500 mm，蒸發(fā)量為1 600 mm，年太陽(yáng)總輻射量為5 000～5 400 MJ/m2.

2數(shù)據(jù)來(lái)源與研究方法

2.1數(shù)據(jù)來(lái)源

本文采用的遙感數(shù)據(jù)主要為美國(guó)陸地衛(wèi)星Landsat MSS獲取的1975年的遙感影像(空間分辨率為80 m)，以及Landsat 5獲取的2000年的TM影像和Landsat 8獲取的2013年的ETM影像(空間分辨率均為30 m).研究區(qū)1975年土地利用數(shù)據(jù)來(lái)自于中國(guó)科學(xué)院資源環(huán)境數(shù)據(jù)中心的土地利用數(shù)據(jù)庫(kù)，并通過(guò)目視解譯方法獲取2000年和2013年的土地利用數(shù)據(jù)庫(kù)和屬性數(shù)據(jù)庫(kù)；DEM數(shù)據(jù)為覆蓋全研究區(qū)的SRTM DEM數(shù)據(jù)，空間分辨率為90 m.

在目視解譯的過(guò)程中，依據(jù)全國(guó)土地分類(lèi)體系，考慮到農(nóng)田和草地的嚴(yán)重堿化和濕地的大面積消失，把鹽堿地和沼澤地在未利用地中分離出來(lái)作為單獨(dú)的土地利用類(lèi)型，因此土地利用類(lèi)型分為以下8類(lèi)：耕地、林地、草地、建設(shè)用地、水域、鹽堿地、沼澤地、未利用地[7].

2.2研究方法

本文應(yīng)用土地利用轉(zhuǎn)移矩陣來(lái)分析土地利用變化的總體特征.土地利用轉(zhuǎn)移矩陣反映了某區(qū)域某時(shí)間段研究初期和末期各土地利用類(lèi)型相互轉(zhuǎn)化的動(dòng)態(tài)信息[8].它不僅可以反映出一定區(qū)域某時(shí)間點(diǎn)的各地類(lèi)的面積信息，還可以很豐富地表示出一段時(shí)間內(nèi)各土地利用類(lèi)型期初轉(zhuǎn)出和期末轉(zhuǎn)入的信息.

為了便于對(duì)研究區(qū)在不同地形因子上的土地利用變化進(jìn)行分析，本文依據(jù)研究區(qū)的實(shí)際情況，將高程劃分成6個(gè)級(jí)別(見(jiàn)表1)；坡度分為5個(gè)級(jí)別(見(jiàn)表2)[9-10]；坡向以正北方向?yàn)?°，按順時(shí)針?lè)较蚍謩e分為平地、北坡(0°～22.5°)、東北坡、東坡、東南坡、南坡、西南坡、西坡、西北坡、北坡(337.5°～360°)(見(jiàn)表3)[11-13]；按照坡面的形狀，將坡形分為凹形坡、直線型坡和凸形坡3類(lèi)[14-15].

表1　吉林西部地區(qū)海拔分級(jí)　m

表2　吉林西部地區(qū)坡度分級(jí)　(°)

表3　吉林西部地區(qū)坡向分級(jí) 　(°)

3結(jié)果與分析

3.1土地利用變化的總體特征

圖1　吉林西部地區(qū)各土地利用類(lèi)型面積

從圖1可以看出，近40年吉林西部地區(qū)土地利用結(jié)構(gòu)發(fā)生了比較明顯的變化：耕地一直是整個(gè)研究區(qū)土地利用格局的主體，占據(jù)研究區(qū)總面積的53%以上，且在整個(gè)研究期內(nèi)其面積一直持續(xù)增長(zhǎng)；林地的面積在1975—2000年間增長(zhǎng)較快，但在2000—2013年間有小幅下降；草地的面積在1975—2000年間有大幅度的減少，由84.67萬(wàn)hm2減少到50.68萬(wàn)hm2，年均減少1.36萬(wàn)hm2，但后13年減幅縮小，只減少了1.16萬(wàn)hm2；水域和沼澤地的面積總體呈減少趨勢(shì)，但變化不明顯；建設(shè)用地的面積在整個(gè)研究區(qū)內(nèi)持續(xù)增長(zhǎng)，但總體面積變化不大；鹽堿地的面積變化模式為先增長(zhǎng)后減少，且在前25年間減少比例高達(dá)22%，但在2000—2013年間只減少約2萬(wàn)hm2；未利用地的面積最少，僅占總面積的0.4%左右，且在整個(gè)研究期內(nèi)變化不明顯.

分別將研究區(qū)1975年與2000年、2000年與2013年的土地利用數(shù)據(jù)在Arcgis中進(jìn)行空間疊加分析，得到研究區(qū)1975—2000年、2000—2013年不同土地利用類(lèi)型面積變化的轉(zhuǎn)移矩陣[16]，見(jiàn)表4、表5.

表4　吉林西部地區(qū)1975—2000年土地利用類(lèi)型轉(zhuǎn)移矩陣　萬(wàn)hm2

由表4可知，1975—2000年間，吉林西部地區(qū)土地利用類(lèi)型的相互轉(zhuǎn)化規(guī)律可以概括為：草地和林地大量轉(zhuǎn)化為耕地；減少的草地面積作為耕地與林地的補(bǔ)充，同時(shí)鹽堿地的面積大量增加，主要來(lái)源于草地.由此看來(lái)，1975—2000年間，吉林西部地區(qū)土地利用方式十分不合理，由于過(guò)分追求糧食產(chǎn)量，大量破壞林地和草地來(lái)開(kāi)墾耕地，使得草場(chǎng)被大量破壞，部分草地在開(kāi)墾時(shí)利用不合理，導(dǎo)致土地鹽堿化[17].林地的小幅增加說(shuō)明防護(hù)林工程得到了有效實(shí)施.

表5　吉林西部地區(qū)2000—2013年土地利用類(lèi)型轉(zhuǎn)移矩陣　萬(wàn)hm2

由表5可以看出，2000—2013年間，吉林西部地區(qū)耕地面積小幅增長(zhǎng)，主要來(lái)自于沼澤地和草地的補(bǔ)充；草地面積的減少速度得到了有效地控制，小部分草地退化為鹽堿地；土地鹽堿化的情況得到治理，部分鹽堿地恢復(fù)為耕地和草地；建設(shè)用地的面積有小幅增長(zhǎng)，主要來(lái)自耕地的補(bǔ)充.由此可見(jiàn)，2000年以來(lái)，吉林西部地區(qū)不合理的土地利用方式得到了改善，各土地利用類(lèi)型的面積變化均不十分明顯，草地面積略有減少，土地鹽堿化的局面也得到有效控制，環(huán)境治理效果顯著[18].

3.2基于高程分級(jí)的土地利用變化分析

由于可以默認(rèn)為地形因子在短期內(nèi)保持不變，因此選取2000年為代表年份，在Arcgis中將吉林西部地區(qū)高程數(shù)據(jù)與2000年土地利用數(shù)據(jù)進(jìn)行空間疊加分析，得到2000年吉林西部地區(qū)各土地利用類(lèi)型在各海拔級(jí)別下的分布特征[18]，結(jié)果見(jiàn)圖2.

圖2　2000年吉林西部地區(qū)各土地利用類(lèi)型在不同海拔級(jí)別下的分布

從圖2可以看出，吉林西部地區(qū)土地利用格局在不同海拔級(jí)別下分布不同：耕地、林地、草地和鹽堿地在100～200 m海拔范圍內(nèi)分布較多，這是由于吉林西部地區(qū)海拔低于100 m的區(qū)域較少，而100～200 m海拔范圍內(nèi)地勢(shì)十分平坦，適宜開(kāi)墾耕地與植樹(shù)造林，也適于草類(lèi)植物的生長(zhǎng)與鹽堿地的生成；水域和沼澤地也在第二級(jí)海拔級(jí)別下分布較多，在其他級(jí)別下鮮有分布；建設(shè)用地在150～200 m海拔范圍內(nèi)分布較多；海拔高于250 m的區(qū)域耕地有少許分布，其他地類(lèi)鮮有分布.

將高程數(shù)據(jù)分別與1975—2000年、2000—2013年土地利用圖進(jìn)行疊加，得到吉林西部地區(qū)近40年土地利用變化與不同海拔級(jí)別的關(guān)系，結(jié)果見(jiàn)圖3、圖4.

圖3　吉林西部地區(qū)1975—2000年土地利用格局隨海拔級(jí)別變化圖

圖4　吉林西部地區(qū)2000—2013年土地利用格局隨海拔級(jí)別變化圖

從圖3可以看出，1975—2000年，吉林西部地區(qū)土地利用格局隨海拔級(jí)別變化明顯.各土地利用類(lèi)型變化量在-80%～100%之間.其中，土地利用變化量最大的海拔范圍是200～250 m，此海拔內(nèi)耕地面積增長(zhǎng)比例高達(dá)100%，遠(yuǎn)遠(yuǎn)超過(guò)其他土地利用類(lèi)型，而沼澤地的面積減少比例也近80%；0～100 m與>250 m這兩個(gè)海拔范圍內(nèi)土地利用變化量幾乎為0；100～150 m海拔內(nèi)林地增加顯著，約增加40%，而草地在此范圍內(nèi)減少約40%；150～200 m海拔范圍內(nèi)土地利用變化量適中，主要表現(xiàn)為鹽堿地的增加與草地的減少；150～200 m高程范圍內(nèi)土地利用變化量較小，這一區(qū)間主要是草地大量減少的區(qū)域.

如圖4所示，2000—2013年間，吉林西部地區(qū)土地利用變化遠(yuǎn)遠(yuǎn)未及2000年以前劇烈，總體變化范圍在-25%～20%之間.200～250 m依然是土地利用變化量最大的海拔范圍，主要表現(xiàn)為草地和林地的迅速增加；100～150 m海拔內(nèi)主要表現(xiàn)為建設(shè)用地的小幅增加和未利用地的小幅減少；100～150 m與150～200 m這兩個(gè)區(qū)間均為草地、水域和鹽堿地大量減少的區(qū)域.

由此看來(lái)，高程因子對(duì)于土地利用變化的影響較大，二級(jí)、三級(jí)與五級(jí)高程范圍內(nèi)是土地利用變化劇烈的區(qū)間，而四級(jí)海拔范圍內(nèi)土地利用變化量適中，一級(jí)與六級(jí)海拔范圍內(nèi)土地利用幾乎未發(fā)生變化.

3.3基于坡度分級(jí)的土地利用變化分析

將坡度分級(jí)圖與三期土地利用分類(lèi)圖分別進(jìn)行疊加與計(jì)算，可以得到研究區(qū)不同坡度級(jí)別內(nèi)各土地利用類(lèi)型面積分布比例，結(jié)果見(jiàn)表6.

表6　不同坡度級(jí)別下土地利用類(lèi)型的分布面積　萬(wàn)hm2

總體看來(lái)，吉林西部地區(qū)各地類(lèi)均集中分布于0°～2°的土地上，且隨著坡度的增大，分布面積逐漸減小.耕地在坡度大于15°的范圍內(nèi)未見(jiàn)分布，可見(jiàn)高坡度的區(qū)域不適于開(kāi)墾耕種；林地和草地在各坡度范圍內(nèi)均有分布；未利用地和鹽堿地只分布在坡度小于6°的區(qū)域上；水域幾乎均分布于0°～2°的區(qū)域上；建設(shè)用地和沼澤地在坡度大于10°的區(qū)域幾乎未見(jiàn)分布.

1975—2013年間，各地類(lèi)在不同的坡度級(jí)別下變化幅度不同：在坡度小于2°的土地上，耕地與草地占主導(dǎo)地位，且耕地與鹽堿地的面積在近40年間得到大幅度增長(zhǎng)，尤其是鹽堿地在1975—2000年間增幅達(dá)到22%，而草地面積卻大幅度減少，這主要是因?yàn)槿丝谠鲩L(zhǎng)導(dǎo)致耕地開(kāi)墾活動(dòng)劇烈，草地被大量破壞，導(dǎo)致土地鹽堿化；在2°～6°的坡度范圍內(nèi)，耕地與林地占主導(dǎo)地位，此坡度范圍內(nèi)主要表現(xiàn)為林地面積的增加和草地面積的減少，且變化率均為50%左右，其他土地利用類(lèi)型面積變化不大；在坡度為6°～10°的區(qū)域上，主要表現(xiàn)為耕地面積的小幅增加和草地面積的小幅減少；坡度大于10°的范圍內(nèi)，只分布著少許林地和草地，且在1975—2013年間幾乎未發(fā)生變化.此變化規(guī)律說(shuō)明，坡度越小，各土地利用類(lèi)型的分布越廣，且變化越劇烈；坡度越大，各土地利用類(lèi)型的變化越小.

3.4基于坡向分級(jí)的土地利用變化分析

將研究區(qū)坡向分級(jí)圖分別與1975—2000年、2000—2013年土地利用變化圖進(jìn)行疊加，得到吉林西部地區(qū)近40年土地利用變化與坡向的關(guān)系[20]，結(jié)果見(jiàn)圖5、圖6.

圖6　2000—2013年吉林西部地區(qū)不同坡向級(jí)別下土地利用格局變化

對(duì)比圖5和圖6可知，2000—2013年土地利用格局隨坡向變化程度遠(yuǎn)遠(yuǎn)小于1975—2000年.1975—2000年間，未利用地和林地隨不同坡向變化較明顯，而其余地類(lèi)在不同坡向上的變化均較為穩(wěn)定，這主要是由于南坡或西南坡接收日照的時(shí)間相對(duì)比北坡或東北坡長(zhǎng)，因此相對(duì)溫暖，適宜植被的生長(zhǎng)，而其他地類(lèi)幾乎不受日照時(shí)間的影響.2000—2013年間，各地類(lèi)面積變化相對(duì)較小，在各坡向上的面積變化也很均一.由此可見(jiàn)，在吉林西部地區(qū)，坡向?qū)ν恋乩米兓绊戄^小.

3.5基于坡形分級(jí)的土地利用變化分析

為了探討不同坡形對(duì)土地利用變化的影響，在Arcgis中將坡形分級(jí)圖與1975—2000年、2000—2013年土地利用變化圖進(jìn)行疊加，得到土地利用類(lèi)型隨不同坡形的變化曲線，結(jié)果見(jiàn)圖7、圖8.

圖7　1975—2000年吉林西部地區(qū)土地利用格局隨坡形變化圖

圖8　2000—2013年吉林西部地區(qū)土地利用格局隨坡形變化圖

從圖7和圖8可以看出，1975—2000年間，林地在凸形坡的增加面積大于凹形坡和直線坡，而其他地類(lèi)在各坡形上的面積變化均較為穩(wěn)定.2000—2013年間，各土地利用類(lèi)型面積變化也受坡形影響較小.由此看來(lái)，吉林西部土地利用變化受不同坡形的影響較小.

4結(jié)論

(1)1975—2013年間，吉林西部地區(qū)土地利用結(jié)構(gòu)變化主要表現(xiàn)為耕地面積的大幅度增加和草地面積的大幅度減少，同時(shí)土地鹽堿化嚴(yán)重.1975—2013年，土地利用類(lèi)型之間的相互轉(zhuǎn)化主要為草地轉(zhuǎn)化為耕地和鹽堿地，同時(shí)部分耕地轉(zhuǎn)化為林地.2000—2013年間，吉林西部地區(qū)不合理的土地利用方式得到改善，草地面積略有減少，土地鹽堿化的局面也得到有效控制，環(huán)境治理效果顯著.

(2)各土地利用類(lèi)型多分布在100～200 m海拔范圍和0°～6°坡度范圍內(nèi)，但200～250 m是土地利用變化量最大的海拔范圍，1975—2000年主要表現(xiàn)為耕地的大幅增加和草地的大幅減少，2000—2013年表現(xiàn)為草地和林地的迅速增加，而海拔小于100 m與大于300 m的區(qū)域土地利用變化不明顯；1975—2000年間坡度在0°～6°范圍內(nèi)表現(xiàn)為耕地、鹽堿地面積的大幅增加和草地面積的大幅減少，2000—2013年間表現(xiàn)為耕地面積的小幅增加和草地、鹽堿地面積的小幅減少，坡度大于6°的范圍內(nèi)各地類(lèi)變化不明顯.坡向和坡形因子對(duì)土地利用變化影響不明顯.

(3)吉林西部地區(qū)未來(lái)的土地利用方式應(yīng)該根據(jù)當(dāng)?shù)氐牡匦翁攸c(diǎn)，并結(jié)合當(dāng)?shù)氐纳鐣?huì)經(jīng)濟(jì)狀況，因地制宜地制定合理有效的土地利用政策，從而保證土地資源的合理利用和生態(tài)環(huán)境的良好改善.

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(責(zé)任編輯：方林)

Study on land use change in Western Jilin Province based on topographic factors

PU Luo-man1，2，ZHANG Shu-wen2，LI Fei1，2，WANG Rang-hu1，2，WANG Qing1，2，CHANG Li-ping2，YANG Jiu-chun2

(1.College of Earth Sciences，Jilin University，Changchun 130061，China；2.Northeast Institute of Geography and Agroecolopy，Chinese Academy of Science，Changchun 130102，China)

Abstract:The study on the impact of land use mode and change by topographical factors，is important for the sustainable utilization of land resources and regional sustainable development.Based on DEM and three remote sensing images，choose Western Jilin Province as the study area and get the land use data by vital interpretation.At the same time， totally analyze the change characters of land use structure from topographic factors such as elevation，slope gradient，slope aspect and slope shape.The conclusions can be drawn as follows.(1)From 1975 to 2013，the change of land use structure in Western Jilin Province is mainly expressed for the increase of farmland and saline-alkali land area and the decrease of grassland area；(2)Elevation and slope gradient have high importance on land use change in Western Jilin Province，and the effects on land use change by slope aspect and slope shape are not obvious；(3)Various land use types are mainly distributed in 100～200 altitude range and 0° ～6° slope gradient range，but the amount of land use change is large within 200～250 m，which is expressed as the increase of farmland and woodland and the decrease of grassland.(4)From 1975 to 2000，farmland and saline-alkali land increase seriously and grassland decrease within 0° ～6°，and from 2000 to 2013，farmland increase tinily and grassland and saline-alkali decrease fractionally.

Keywords:land use； topographic factors； DEM； Western Jilin Province

[文章編號(hào)]1000-1832(2016)02-0133-08

[收稿日期]2015-06-06

[基金項(xiàng)目]國(guó)家科技基礎(chǔ)性工作專(zhuān)項(xiàng)基金資助項(xiàng)目(2013FY112800)；國(guó)家自然科學(xué)基金資助項(xiàng)目(41271416).

[作者簡(jiǎn)介]蒲羅曼(1993—)，女，碩士研究生，主要從事土地資源管理研究；通訊作者：張樹(shù)文(1955—)，男，研究員，博士研究生導(dǎo)師，主要從事土地系統(tǒng)變化、資源環(huán)境遙感和地理信息系統(tǒng)應(yīng)用研究.

[中圖分類(lèi)號(hào)]F 301.24[學(xué)科代碼]790·5930

[文獻(xiàn)標(biāo)志碼]A

[DOI]10.16163/j.cnki.22-1123/n.2016.02.028