武愛彬,龐 磊

(1.河北省科學(xué)院 地理科學(xué)研究所/河北省地理信息開發(fā)應(yīng)用工程技術(shù)研究中心,河北 石家莊 050011;2.河北省新樂市農(nóng)機(jī)監(jiān)理站,河北 新樂 050700)

土地是人類社會(huì)生存和發(fā)展最根本的物質(zhì)基礎(chǔ),是各種人類活動(dòng)的載體。土地利用/覆被變化(Land use/cover change, LUCC)是全球環(huán)境變化和可持續(xù)發(fā)展研究領(lǐng)域的核心問題[1],其中土地利用空間格局與時(shí)空變化是LUCC研究的重要內(nèi)容[2]。地形因子作為自然環(huán)境中的重要因素,其變化影響著地球表面的生物、水文及能量等過程,在一定程度上決定著土地利用方向和方式的選擇[3],是土地利用空間格局形成的基礎(chǔ)[4]。近年來,有關(guān)學(xué)者圍繞地形因子與土地利用關(guān)系這一問題進(jìn)行了大量的研究,這些研究涵蓋了山地丘陵[5-8]、河流流域[9-11]、平原[3]、巖溶區(qū)[12]、喀斯特[13]等各種地貌單元,省[14-15]、市[16-17]、縣[18-19]、鄉(xiāng)鎮(zhèn)[20]等各級(jí)行政區(qū)域,以及環(huán)京津[2]、三峽庫區(qū)[21]、鄱陽湖區(qū)[22]、農(nóng)牧交錯(cuò)區(qū)[23]等典型生態(tài)敏感區(qū)域,研究結(jié)果普遍表明地形是土地利用空間格局及時(shí)空變化的重要影響因子,土地利用結(jié)構(gòu)和轉(zhuǎn)變在地形梯度上呈明顯的規(guī)律性。但少有以壩上高原地區(qū)作為對象進(jìn)行研究。

壩上高原地區(qū)位于京津冀區(qū)域西北部,內(nèi)蒙古高原與華北平原的過渡帶,為河北省建設(shè)京津冀生態(tài)環(huán)境支撐區(qū)中5個(gè)生態(tài)區(qū)之一。生態(tài)用地是以保護(hù)和穩(wěn)定區(qū)域生態(tài)系統(tǒng)為目標(biāo),能夠直接或間接發(fā)揮生態(tài)環(huán)境調(diào)節(jié)和生物支持等生態(tài)服務(wù)功能且其自身具有一定的自我調(diào)節(jié)、修復(fù)、維持和發(fā)展能力的土地[24]。在壩上高原地區(qū),生態(tài)用地主要分為草地、林地、濕地和其他生態(tài)用地4個(gè)一級(jí)類[25],為京津冀區(qū)域提供了涵養(yǎng)水源、防風(fēng)護(hù)沙、氣候調(diào)節(jié)、水土保持、美學(xué)景觀等多方面重要的生態(tài)服務(wù),因此壩上生態(tài)用地的數(shù)量、結(jié)構(gòu)及布局變化對京津冀區(qū)域的生態(tài)平衡和生態(tài)安全具有重要影響。

1 研究區(qū)域和研究方法

1.1 研究區(qū)概況

壩上高原位于河北省北部、內(nèi)蒙古高原的東南緣,地處我國北方干旱與半干旱、農(nóng)區(qū)與牧區(qū)接壤的過渡地帶,是京津境內(nèi)眾多河流的發(fā)源地及上游所在地,也是京津等地的重要沙源地。位于東經(jīng)114°35′～116°45′、北緯41°00′～42°20′；海拔1100～2200 m；受蒙古高壓的長期控制,氣候特征為低溫、少雨、多風(fēng)、高蒸發(fā),年平均氣溫為2～5 ℃,年均降水量為330～460 mm。

1.2 數(shù)據(jù)來源與處理

本研究中土地覆被解譯數(shù)據(jù)和DEM數(shù)據(jù)源自河北省生態(tài)本底數(shù)據(jù),分辨率為1∶100000。該解譯數(shù)據(jù)共劃分了耕地、林地、草地、建設(shè)用地、水域和未利用土地6個(gè)一級(jí)類、25個(gè)二級(jí)類。從兩期解譯數(shù)據(jù)中提取出本研究需要的生態(tài)用地類型,根據(jù)研究區(qū)域尺度,將提取的數(shù)據(jù)統(tǒng)一轉(zhuǎn)換為分辨率為100 m×100 m的柵格。研究區(qū)域1990年和2015年的生態(tài)用地分布如圖1所示。DEM采用河北省地理所提供的1∶250000 GRID格式河北省數(shù)字高程數(shù)據(jù),分辨率為100 m×100 m。利用ArcGIS軟件ArcToolbox中的slope、aspect等工具可得到研究區(qū)域的坡度分布圖和坡向分布圖。根據(jù)研究需要，利用reclassify工具進(jìn)行分級(jí),將分級(jí)后的結(jié)果與1990年和2015年生態(tài)用地分布圖疊加分析,可計(jì)算出1990年和2015年各生態(tài)用地地類在不同高程、坡度和坡向分級(jí)區(qū)間的分布指數(shù),其中由于其他生態(tài)用地地類數(shù)量占總用地的比重過小(1990年為0.44%,2015年為0.60%),本研究對此地類不予討論。

圖1 壩上高原地區(qū)1990年和2015年生態(tài)用地分布

1.3 地形分級(jí)

研究區(qū)域高程為900～2204 m,主要集中分布在高程1300～1600 m區(qū)間,此區(qū)間面積占總面積的比重為80.47%,而分布在高程900～1300 m和1600～2204 m區(qū)間的面積比重較小。為了更好地體現(xiàn)研究區(qū)域土地利用的高程梯度性,將高程900～1300 m和1600～2204 m區(qū)間單獨(dú)分級(jí),將高程1300～1600 m區(qū)間按照ArcGIS軟件中的Equal Interval方法,以100 m高程差為間距劃分等級(jí),共將研究區(qū)域高程區(qū)間劃分為5級(jí)。研究區(qū)域坡度為0°～39.75°,主要集中分布在坡度0°～5°區(qū)間,其占總面積的比重為76.88%。參考相關(guān)的分級(jí)標(biāo)準(zhǔn)[16,26-27]將研究區(qū)域的坡度劃分為5級(jí)。按照平坡、陰坡、半陽坡、陽坡和半陰坡的劃分原則和標(biāo)準(zhǔn)將坡向劃分為5級(jí)。高程、坡度和坡向的分級(jí)標(biāo)準(zhǔn)及本研究區(qū)域各級(jí)面積比重如表1所示。

1.4 地形分布指數(shù)

為了避免不同生態(tài)用地類型面積對其在不同地形梯度區(qū)間出現(xiàn)頻率的影響,本文采用標(biāo)準(zhǔn)化、無量綱的地形分布指數(shù)[24],進(jìn)行了生態(tài)用地在不同地形梯度區(qū)間或不同利用類型間的比較,計(jì)算公式如下:

P=(Sie/Si)×(S/Se)

式中:P為地形分布指數(shù);Sie為e地形區(qū)間上第i種土地利用類型的面積;Si為整個(gè)研究區(qū)內(nèi)第i種土地利用類型的總面積;Se為研究區(qū)域e地形區(qū)間的總面積;S為整個(gè)研究區(qū)域的面積。

表1 高程、坡度和坡向的分級(jí)及面積比例

2 結(jié)果與分析

研究區(qū)域生態(tài)用地?cái)?shù)量總體上呈減少趨勢,1990年生態(tài)用地?cái)?shù)量為904.5萬hm2,占總用地的47.69%;2015年生態(tài)用地?cái)?shù)量減少至881.8萬hm2,占總用地的46.49%。與1990年相比,2015年生態(tài)用地?cái)?shù)量減少了2.51%,其中:林地?cái)?shù)量由275.0萬hm2增加至324.9萬hm2,增加了18.15%;草地?cái)?shù)量由501.5萬hm2減少到437.3萬hm2,減少了12.80%;濕地?cái)?shù)量由119.7萬hm2減少到108.3萬hm2,減少了9.52%;其他生態(tài)用地?cái)?shù)量由8.3萬hm2增加至11.3萬hm2,增加了36.14%。

2.1 生態(tài)用地的高程特征

研究區(qū)域生態(tài)用地在不同高程區(qū)間的分布指數(shù)如圖2所示。研究區(qū)域1990年和2015年生態(tài)用地在不同高程區(qū)間的分布趨勢是一致的,在1990～2015年期間,高程Ⅰ區(qū)、Ⅳ區(qū)和Ⅴ區(qū)為生態(tài)用地的優(yōu)勢分布區(qū),高程Ⅱ區(qū)、Ⅲ區(qū)為生態(tài)用地的劣勢分布區(qū)。與1990年相比,2015年生態(tài)用地在高程Ⅰ區(qū)的分布優(yōu)勢略有下降,在高程Ⅱ區(qū)、Ⅲ區(qū)的分布劣勢基本上沒有變化,在高程Ⅳ區(qū)、Ⅴ區(qū)的分布優(yōu)勢略有提高。其中,林地的優(yōu)勢分布區(qū)為高程Ⅰ區(qū)、Ⅳ區(qū)和Ⅴ區(qū),草地的優(yōu)勢分布區(qū)為高程Ⅳ區(qū)、Ⅴ區(qū),濕地的優(yōu)勢分布區(qū)為Ⅱ區(qū)。與1990年相比,2015年林地在高程Ⅰ區(qū)的分布優(yōu)勢有了明顯提高,在Ⅳ區(qū)和Ⅴ區(qū)的分布優(yōu)勢略有下降；草地的分布變化與林地相反,在高程Ⅰ區(qū)的分布指數(shù)出現(xiàn)了大幅度下降,由優(yōu)勢分布變成了劣勢分布,而其在Ⅳ區(qū)和Ⅴ區(qū)的分布優(yōu)勢均有所提高；濕地在Ⅰ區(qū)、Ⅱ區(qū)的分布略有增加,在Ⅲ區(qū)、Ⅳ區(qū)和Ⅴ區(qū)的分布略有減少,變化幅度很小。

圖2 1990年和2015年生態(tài)用地的高程分布指數(shù)

2.2 生態(tài)用地的坡度特征

研究區(qū)域生態(tài)用地在不同坡度區(qū)間的分布指數(shù)如圖3所示。研究區(qū)域1990年和2015年生態(tài)用地在不同坡度區(qū)間的分布趨勢是一致的；在1990～2015年期間,隨坡度的增加，生態(tài)用地的分布優(yōu)勢在不斷提高,生態(tài)用地的優(yōu)勢分布區(qū)為坡度Ⅳ區(qū)和Ⅴ區(qū)；與1990年相比,2015年生態(tài)用地在各坡度區(qū)的分布變化程度很小。其中：研究區(qū)域林地的分布指數(shù)隨坡度增加而提高,優(yōu)勢分布區(qū)為坡度Ⅳ區(qū)和Ⅴ區(qū),在Ⅴ區(qū)的分布優(yōu)勢十分顯著；草地的分布指數(shù)隨坡度的增加先提高后減少,優(yōu)勢分布區(qū)為坡度Ⅳ區(qū)和Ⅴ區(qū)；濕地的分布指數(shù)隨坡度的增加而減少,優(yōu)勢分布區(qū)為坡度Ⅰ區(qū)。與1990年相比,2015年除林地在坡度Ⅴ區(qū)的分布優(yōu)勢有所下降外,不同生態(tài)用地地類在各坡度區(qū)的分布變化程度均很小。

2.3 生態(tài)用地的坡向特征

研究區(qū)域生態(tài)用地在不同坡向區(qū)的分布指數(shù)見圖4。研究區(qū)域1990年和2015年生態(tài)用地在不同坡向區(qū)的分布趨勢是一致的；在1990～2015年期間,各坡向區(qū)間生態(tài)用地的分布指數(shù)起伏程度很小,半陽坡和陽坡為生態(tài)用地的優(yōu)勢分布區(qū)。與1990年相比,2015年生態(tài)用地在半陽坡和陽坡的分布優(yōu)勢略有下降,在平坡、陰坡的分布略有增加。其中：林地和草地的分布指數(shù)隨坡向的變化趨勢相同,陰坡、半陽坡和陽坡為優(yōu)勢分布區(qū),在平坡的分布劣勢顯著；濕地的優(yōu)勢分布區(qū)為平坡,在其他坡向區(qū)均呈劣勢分布。與1990年相比,2015年林地在半陽坡的分布優(yōu)勢略有下降,草地在半陽坡和陽坡的分布優(yōu)勢有所下降,濕地在半陽坡和陽坡的分布有了顯著提高,各地類在其余坡向區(qū)的分布變化很小。

圖3 1990年和2015年生態(tài)用地的坡度分布指數(shù)

圖4 1990年和2015年生態(tài)用地的坡向分布指數(shù)

3 討論

土地利用格局的變化主要受到自然因素、人類活動(dòng)和政策的共同影響[2]。在山地丘陵區(qū),由于人類活動(dòng)受高程影響顯著,因此與人類活動(dòng)密切相關(guān)的耕地、建設(shè)用地和水域往往集中分布在低高程、低坡度、坡向?yàn)槠降氐膮^(qū)域,林地和草地往往集中分布在中高高程、中高坡度區(qū)域[5-8]。本研究發(fā)現(xiàn)高原地區(qū)生態(tài)用地在高程梯度上的分布與山地丘陵區(qū)有所不同,林地和草地的分布指數(shù)隨高程的增加呈“U”形變化,高程900～1300 m和1500～2206 m區(qū)間是林地和草地的優(yōu)勢分布區(qū),而高程1300～1400 m是濕地的優(yōu)勢分布區(qū)。由于壩上地區(qū)東部在高程900～1300 m區(qū)間分布有大量的國有林場、森林公園和天然草場,因此林地和草地在低高程區(qū)間呈優(yōu)勢分布。由于壩上閃電河流域、太子湖、安固里淖等湖盆沼澤地集中分布在高程1300～1400 m區(qū)間,因此濕地在此區(qū)間呈優(yōu)勢分布。隨著高程增加,灌木林、疏林地和低覆蓋度草地的分布比例擴(kuò)大,因此林地和草地在高程1500～2206 m區(qū)間呈優(yōu)勢分布。高原地區(qū)生態(tài)用地在坡度梯度上的分布規(guī)律與山地丘陵區(qū)保持一致,林地的分布指數(shù)隨坡度增加而迅速提高,草地的分布指數(shù)隨坡度的增加先提高后減少,濕地的分布指數(shù)隨坡度的增加而減少,總體上生態(tài)用地的分布集中在中高坡度區(qū)域,主要是因?yàn)殡S著坡度增加,地形地貌、水熱條件、氣候條件等因素不利于人類農(nóng)耕、工程建設(shè)等活動(dòng),非生態(tài)用地的分布比例逐漸減少。高原地區(qū)生態(tài)用地在各坡向的分布差異表現(xiàn)不太明顯,與山地丘陵區(qū)的分布規(guī)律相同,說明坡向?qū)ι鷳B(tài)用地分布的影響較小。

與1990年相比,2015年壩上高原地區(qū)各生態(tài)用地地類分布變化明顯的有:林地在900～1300 m區(qū)間的分布優(yōu)勢有了明顯提高；草地在高程900～1300 m區(qū)間的分布指數(shù)出現(xiàn)了大幅度下降,由優(yōu)勢分布變?yōu)榱觿莘植?；濕地在半陽坡和陽坡的分布比例有了顯著提高。究其原因，主要是近年來國家在壩上地區(qū)連續(xù)實(shí)施了多項(xiàng)重大生態(tài)工程,進(jìn)行了大量的生態(tài)建設(shè)投資,直接導(dǎo)致了林地?cái)?shù)量的快速增長。同時(shí),由于受到氣候?yàn)?zāi)害、地下水位持續(xù)下降、蟲鼠害頻發(fā)等自然因素，以及非法開墾、過度放牧、盲目建設(shè)、無序開發(fā)等人為因素的影響,草地呈現(xiàn)退化趨勢?；诒狙芯拷Y(jié)果,生態(tài)工程建設(shè)應(yīng)優(yōu)先考慮林地、草地的優(yōu)勢分布區(qū),即高程1500 m以上、坡度5°以上區(qū)域；當(dāng)退耕還林還草建設(shè)區(qū)域的坡度在15°以上時(shí),應(yīng)優(yōu)先考慮還林；平坡(坡向?yàn)?1°)區(qū)域?yàn)榱值亍⒉莸氐牧觿莘植紖^(qū),應(yīng)適當(dāng)減少生態(tài)工程建設(shè)的強(qiáng)度。

4 結(jié)論

本研究結(jié)果表明：壩上高原地區(qū)生態(tài)用地的分布受地形因子影響顯著,生態(tài)用地分布指數(shù)隨高程的增加先減小后增大,隨坡度的增加而增大,在不同坡向間起伏程度很??；生態(tài)用地的優(yōu)勢分布區(qū)為高程900～1300 m和1500～2206 m的區(qū)域、坡度>5°的區(qū)域,以及坡向?yàn)榘腙柶潞完柶碌膮^(qū)域；與1990年相比,2015年林地在高程900～1300 m區(qū)間的分布優(yōu)勢有了明顯提高,草地在高程900～1300 m區(qū)間的分布指數(shù)出現(xiàn)了大幅度下降,由優(yōu)勢分布變?yōu)榱觿莘植?而濕地在半陽坡和陽坡的分布有了顯著提高。