南水北调中线水源区土地利用／覆被空间格局特征分析

2013-08-17申怀飞魏庆伟李丽慧

水土保持研究 2013年6期

申怀飞，侯刚，魏庆伟，李丽慧

（许昌学院城市与环境学院，河南许昌461000）

当前全球环境变化和可持续发展已成为世界各国政府和学术界所关注的问题，土地利用／覆被变化（以下简称“LUCC”）所带来的生态环境影响也自然成为人们关心的热点。全球环境变化影响局部和区域尺度的人居环境，而人类又通过土地利用活动，改变局部土地覆被及土地利用变化过程，进一步促进全球环境变化。因此，对LUCC的研究有助于研究全球尺度环境变化。土地利用是自然基础上人类活动的直接反映，是人类有目的地开发利用土地资源的一切活动。土地利用／覆被是由不同土地类型的斑块组成的，具有显著的空间特点和时间特点。通过对其空间格局进行分析可以把土地利用／土地覆盖的空间特征与时间过程紧密联系起来，从而更好地分析土地利用／土地覆被的时空演变规律，同时也有助于了解各土地类型要素的形状、大小、数量和空间组合；分析影响物种分布、动物迁徙、河流径流和土壤侵蚀等生态过程和边缘效应，探讨土地利用覆被空间格局与地理生态过程的关系［1－9］。土地利用覆被空间格局受自然环境的限制与人类活动的干预而发生变化，开展土地利用覆被空间格局研究，了解其成因机制，是理解人类社会与自然环境相互关系的重要途径，对于大尺度区域生态环境现状评价及发展趋势分析也是十分有效的手段［10－13］。

南水北调工程由于其规模巨大，将产生巨大的社会、经济和环境效益。其对区域环境和生态的潜在影响非常复杂。对其水源区，一方面，流域LUCC决定了流域未来生态环境的变化以及流域未来可供水量、水质及其动态；另一方面，因调水带来的水位变化也将对水源区的土地利用格局产生一定的冲击，并对区域生态系统功能产生深远的影响。因此，研究南水北调中线水源区土地利用空间格局，对水源区生态环境的保护治理以及受水区（华北平原）的用水安全有着极为重要的意义，可为南水北调中线水源区生态系统调控，水资源保护与管理，区域生态安全和可持续发展以及南水北调中线工程调水安全提供科学依据。

1 实验材料与方法

1．1 研究区概况

南水北调中线工程水源区，具体范围包括丹江口水库大坝以上的整个集水区即汉江中上游流域，包括汇入丹江口水库的汉江、丹江两大流域（31°20′—34°10′N，106°—112°E）。研究区内行政单元包括陕、鄂、豫、川、渝、甘6省（市）15个地级市、48个县（市、区）（图1），土地总面积9．54×104km2。人口以农业人口为主，83．3%的县农村人口占总人口的比例超过80%；总体上山大人稀，除汉中和十堰两市，其余县市的人口密度均小于300人／km2。其高程范围从13m到3 566m，主要地貌单元包括流域西北方向的秦岭南坡、东北方向的伏牛山南坡、西南方向的米仓山北坡、南部的大巴山北坡、神农架北坡及东部的南阳盆地，以及其间的盆地、低山丘陵、周边山地。水源区的气候属于北亚热带季风气候，年平均气温为15～16℃，年平均降水量为800～1 000mm。该区域山地植被垂直分异性显著，具有明显的亚热带与暖温带过渡性特征［14］。水源区内土地利用类型主要有林地、草地、耕地、建设用地、水域和未利用地。

图1 南水北调中线水源区范围示意图

1．2 研究数据

论文以研究区2010年前后的Landsat TM影像和1∶10万土地利用数据、野外实测调查数据和DEM数据为主要基础数据，其中遥感影像因区域范围大，无法完全统一时相。考虑到研究区域的地域特点，尽量选择植被外貌差别较大的春、秋时相，以便于影像的识别和解译。影像数据轨道号和获取时间见表1。

表1 遥感影像数据信息

以ArcGIS 9．3作为数据处理分析平台，参考1∶10万土地利用数据的中国土地资源分类系统，根据研究区土地利用特征，将土地利用类型划分6类：耕地、林地、草地、水域、建设用地和未利用地。

1．3 研究方法

地形是土地利用空间分异的重要影响因子之一，因此土地利用／覆被空间格局及其变化往往在地形梯度上表现出一定的分布规律［8］。为了定量分析土地覆被空间格局与地形梯度之间的关系，对研究区2010年土地利用空间格局特征进行分析，利用ArcGIS软件对研究区土地利用类型图按照高程和坡度这两个地形因素梯度进行叠加分析，并统计各土地利用类型随地形因子的梯度变化特征。

2 结果与分析

土地利用空间格局是指某一区域内不同土地利用类型在该区域不同地形、地貌上的分布状况。探究土地利用空间格局特征是掌握研究区域土地利用类型分布合理与否的有效途径，也是土地利用时空变化特征分析的基础。

2．1 土地利用空间分布特征分析

利用Erdas 9．2进行图像解译并进行精度分析，然后利用ArcGIS 9．3软件进行空间分析处理，得到南水北调中线水源区2010年土地利用现状分布图（附图5）。

以南水北调中线水源区2010年土地利用现状图为基础，对各种土地利用类型进行统计分析，得到水源区2010年各土地利用类型的面积及其所占的比例（表2）。

表2 研究区2010年土地利用类型统计

由表2和图2可以看出，水源区土地利用类型以林地、耕地、草地为主。其中林地面积占水源区土地总面积的76%左右，在水源区中占有绝对优势，这表明研究区内植被覆盖良好，有利于水源区的水土涵养与保持。耕地面积占水源区总面积的20%以上，在水源区中仅次于林地，是人类活动对水源区影响最主要的土地利用类型，农田主要沿汉水水系两岸分布，集中分布在南阳盆地西部、郧县盆地、汉阴—安康走廊、汉中盆地4大片。其余4种类型合计占水源区面积的2%左右，其中建设用地仅占0．28%，由于山地面积比例大，人口规模较小，工业和城市发展滞后。除十堰、汉中、丹江口、安康等少数城市外，区内县、乡级城镇规模普遍较小。耕地和建筑用地主要分布在汉江、丹江水系两岸，草地分布比较分散，未利用土地主要分布于水源区与其他流域分界处的高山地区。

2．2 土地利用程度综合指数分析

土地利用程度综合指数反映了一个地区的土地利用的深度和广度，它可以很好地体现自然和人为因素对土地利用类型的影响。本文采用刘纪元等［15］提出的土地利用程度分级标准对研究区土地利用程度进行评价分析。

土地利用程度指数计算公式为：

式中：L——研究区土地利用综合程度指数；Ai——研究区内第i级土地利用程度分级数；Ci——研究区域内第i类土地利用类型面积所占研究区总面积百分比；n——土地利用类别数，L的取值为［100，400］上的连续函数。利用公式计算得到各市土地利用程度综合指数（表3）。

表3 研究区2010年土地利用程度综合指数

2010年水源区整体土地利用程度综合指数为221．19，与该指数的最高值400相比，水源区整体土地利用程度是比较低的。之所以出现这种情况因为该区域大部分地区属于山区丘陵地形，林地面积达到了76%，地广人稀，因此，人类活动对水源区的土地利用影响总体上较小。2010年水源区各市土地利用综合指数从高到低依次为南阳市、汉中市、十堰市、襄阳市、达州市、洛阳市、三门峡市、安康市、商洛市、宝鸡市、神农架、广元市、重庆市、陇南市和西安市。其中最高值为南阳市的247．07，最低值为西安市的195．21，二者相差51．86。水源区中的南阳市、汉中市分别位于南阳盆地、汉中盆地，耕地面积所占比重较大，因此这两个市的土地利用程度较高。而水源区中的西安市位于秦岭的分水岭附近，该区域以林地、草地和未利用地为主，耕地稀少，因此土地利用程度最低。

2．3 土地利用垂直梯度分析

高程是影响土地利用分布的一个重要因素，不同的土地利用类型在不同的高程等级分布上具有明显的规律性［8］。根据水源区的实际情况将南水北调中线水源区高程分为0～500，500～1 000，1 000～1 500，1 500～2 000m 和大于2 000m 共5个等级。按照以上分级类型对水源区DEM数据进行分类并分析，得到2010年不同高程等级上的土地利用类型空间分布图（附图6a）。

从附图6a可以看出，南水北调中线水源区各土地利用类型在不同的高程等级上呈现出显著的特征：高程在500m以下的耕地面积占耕地总面积的43．3%，高程在1 500m以下的耕地面积则占耕地总面积的96%左右，而高程大于1 500m的耕地面积仅占4%；同样可以看出林地在每个高程等级均有较多分布，在1 500～2 500m的高程梯度上，林地面积占该梯度总面积的比例更是高达90%以上；草地面积在水源区的总面积中所占比重很小，在各高程梯度上均有小面积分布；而水源区的水域分布范围则集中在高程500m以下，约占总水域面积的87%；建筑用地主要分布在高程1 000m以下的区域，约占98%；未利用地98%分布在高程2 500m以上的区域。

2．4 土地利用的坡度影响分析

根据实际情况将南水北调中线水源区坡度按0～10°，10°～20°，20°～30°，30°～40°以及大于40°分为5个等级。同时与2010年土地利用类型分布图进行叠加得到2010年不同坡度等级上的土地利用类型空间分布图（附图6b）。

从附图6b上可以看出，坡度小于10°的区域以耕地、林地、水域和建筑用地为主；坡度位于20°～30°的区域则以林地为首且占绝对优势，耕地、草地次之；在坡度大于30°的区域主要以林地、草地和未利用土地为主。从不同土地利用类型的分布上看，耕地主要分布在坡度小于30°的区域，且随坡度的增大而逐步减少；建筑用地几乎全分布在坡度小于10°的区域内，约占建筑总面积的98%；水域也大部分分布在坡度小于10°的范围内；林地、草地则主要分布在坡度大于10°的区域；未利用地主要分布在坡度大于30°的区域。