陈步勇 滕明塔

(1.贵州师范大学地理与环境科学学院，贵州 贵阳 550025；2.贵州省喀斯特山地生态环境国家重点实验室培育基地，贵州 贵阳 550025)

地表覆盖是岩石圈、大气圈、水圈、生物圈交织作用的结果。地表覆盖变化可以反映一定时空范围内的土地利用方式、人类活动强度及生态状况转变，同时也是生态系统评估、气候变化模拟、地理国情监测、宏观调控分析等必不可少的参考信息[1]。而地形是导致地表覆盖变化的重要原因之一，如海拔、坡度、起伏度等，可以通过改变水热组合及土壤理化条件，使地表景观呈现规律性特征[2]。此外，地形也是影响人类土地利用方式及强度的重要考量方面。因此，探究地表覆盖与地形的关系对国土空间开发及土地利用规划具有现实意义[3]。

近年来，随着生态安全问题逐渐凸显，地表覆盖变化研究已成为全球环境变化与可持续发展研究的热点[4]。目前对地表覆盖变化的研究多集中在特定区域从地表覆盖演化及驱动因素[5]，地表覆盖变化与生态环境、地形的联系等。而流域是生态环境保护的重点开展地区，也是地表覆盖变化的重要地理要素单元。当前以流域作为地表覆盖变化的相关研究已取得一定成果，其研究方位从地表覆盖变化监测，延伸到覆盖变化对水文、生态系统服务功能的影响。虽然国内学者对流域地表覆盖的地形分异进行了探究，但侧重于关注地表覆盖在地形梯度上的动态变化，对地形梯度上的地表覆盖转移的研究相对较少[2]。由此可见，基于地形梯度的地表覆盖的相关研究仍需进一步加强。

赤水河流域地形起伏较大、生态环境脆弱、水土流失相对严重，使得该地成为重要的生态保护区。该流域水土流失面积达到9520.49km2，年均土壤侵蚀总量达0.21亿t[6]；流域内土壤水源涵养量偏低，0～20cm土层有效水源涵养量平均值仅81.22mm[7]；地形对流域土壤侵蚀强度影响较大。虽然目前已对赤水河流域展开了大量研究，但研究地表覆盖在地形梯度上的转移相对较少。基于此，通过2000年、2010年和2020年3期地表覆盖数据，探究赤水河流域2000—2020年地表覆盖在海拔、坡度、起伏度上的地形分异特征，以期为该流域可持续发展提供科学参考。

1 研究方法及数据来源

1.1 研究区概况

赤水河发源于乌蒙山区东缘，干流全长约441.5km，流经云南、贵州和四川等地。气候温暖湿润，平均气温为13.1～17.6℃，降水量为749～1286mm[8]。河流中上游以喀斯特地貌为主，地形破碎、地势陡峻、土体松软、土层薄，极易发生水土流失，下游地势相对平坦[9]。

1.2 数据来源与处理

地表覆盖数据(2000年、2010年和2020年3期)来源于全国地理信息资源目录服务系统(https：//www.webmap.cn/)，分辨率为30m。海拔高程数据来源于地理空间数据云(http：//www.gscloud.cn/)，分辨率为30m。流域矢量边界为基于DEM数据，利用Arcgis 10.7水文分析指令提取而得。

研究区内共包括耕地、林地、草地、灌木地、湿地、水体、人造地表等在内的地表覆盖类型。人造地表能较好反映建设用地情况，本文以人造地表表征建设用地。此外，由于灌木地、湿地分布面积极少，同时在地形梯度上动态度变化不显著，因此本研究着重分析耕地、林地、草地、水体、建设用地的地形分异特征。本研究选取海拔、坡度、起伏度3个地形因子分析赤水河地表覆盖的地形分异特征。按照研究区实际情况并参照已有学者研究[3]，将海拔、坡度划分为10级，起伏度划分为8级，见表1。

图1 赤水河流域区位及海拔

表1 地形因子划分及属性特征

1.3 研究方法

土地利用转移矩阵能够监测研究区地表覆盖变化结构特征、变化面积及方向[10]。计算公式：

(1)

式中，i与j分别为始末的土地利用类型；n为土地利用类型总数；Sij为研究期内第i类向第j类转化的总面积[11]。

2 地表覆盖的时空变化特征

2.1 地表覆盖空间分布及变化

从地表覆盖格局特征上来看，耕地、林地、草地为流域主要地表覆盖类型，分布范围最广并多呈条带状分布；灌木地、湿地、水体、建设用地分布范围较小且多呈点块状分布，见图2。耕地除习水与赤水之间分布较少外，其余各地均分布较广泛；林地集中分布于赤水与习水之间的广大区域，在流域边缘也有零星分布；草地多集中在流域中、东部地区；湿地集中分布于云南与四川交界处的河谷地带；水体主要分布于河流、水库，无明显聚集特征；建设用地集中于城市附近。从时空演化特征来看，2000—2020年林地、建设用地空间扩张迅速。林地在流域北部、东部及南部边缘大量增加，尤其是习水与赤水一带增加较显著，主要是由于该区地形起伏较大适宜林地分布，再加之受生态保护影响，因此林地分布范围广并促进了林地扩张。建设用地能够反映人口、社会经济活动状况，城市人口密集、社会经济活动活跃，因此是建设用地集中分布区域。

图2 2000—2020年地表覆盖空间分布

2.2 地表覆盖面积变化幅度

2000—2020年赤水河流域地表覆盖变化显著，总体以林地、湿地、水体、建设用地扩张，耕地、草地收缩，灌木地保持稳定为主要特征，见表2。林地、湿地为先扩张后收缩，水体、建设用地为连续扩张，面积分别增长702.15km2、25.93km2、15.82km2、175.81km2；耕地为先扩张后收缩，草地为连续收缩，面积分别减少130.76km2、789.09km2；其中林地增加面积最多，草地减少面积最多。研究区耕地、草地呈减少趋势，林地、建设用地呈增加趋势，主要是该地受退耕还林以及城镇化、工业化影响，促进了耕地、草地向林地、建设用地流出。2000—2020年建设用地虽呈连续增长趋势但表现出先慢后快的阶段特征，原因为人口增长及城镇化进程不同。2000—2010年流域内人口增长且城镇化进程较慢，建设用地增长较慢；2010—2020年人口快速增长，城镇化进程逐步加速，建设用地增长较快。湿地、水体呈增加趋势，原因与流域近20年来生态环境改善有关。

表2 2000—2020年地表覆盖面积变化

2.3 地表覆盖转移特征

基于表2的数据，绘制了2000—2020年地表覆盖转移桑基图，见图3。

图3 2000—2020年地表覆盖转移桑基图

由图3可知，20年间赤水河流域土地流转方向主要表现为草地流向林地、耕地、建设用地，耕地流向建设用地、林地、湿地，林地流向建设用地。从图3可知，林地增加的面积主要从草地、耕地流出而来，说明受封山育林、退耕还林等生态保护政策影响，促进了草地、耕地流向林地。建设用地增加的面积多数从耕地流入，这是因为耕地相对平坦开发利用难度较低，且耕地多分布于人口密集地区附近便于开发。新建、扩建居民点及道路交通设施也促进了流域林地、草地向建设用地流出。

3 地表覆盖的地形分异特征

3.1 地表覆盖的海拔分异特征

随海拔上升，耕地、林地、草地面积呈“先增后减”变化，水体面积呈减少趋势，建设用地面积呈“先减后增再减”的变化特征，见图4。耕地面积随海拔上升呈先增后减的倒“V”型特征，以海拔1000～1200m为转折区间，海拔800～1400m为耕地分布集中区域，20年间耕地面积在各海拔均有一定减少。林地面积变化折点在海拔1200～1400m，海拔800～1600m为面积集中区域；期间林地面积在各海拔均有增加，在海拔600～1600m增加较多。草地面积变化节点在海拔1000～1400m，海拔600～1400m为草地分布集中区域；期间草地面积在各海拔均有减少，在海拔400～1800m减少最多。水体面积随海拔上升呈减少趋势，面积集中于海拔<600m的区域；期间水体面积在海拔<400m显著减少，在海拔400～1400m明显增加。随海拔上升，建设用地面积呈“先减后增再减”的特点，建设用地面积在海拔<800m时随海拔升高面积稍有减少，在海拔800～1000m面积迅速增加，在海拔1000～1400m变化相对稳定，在海拔>1400m随海拔升高面积逐渐减少；期间建设用地面积在海拔800～1400m分布最集中且增长最快。从转移方向来看，耕地多在海拔<1600m时与其它地类转换，主要趋势为从草地流入并向建设用地、林地流出，见图5。林地在各海拔从草地、耕地流入，在海拔600～1600m从草地、耕地流入面积较多。水体主要在海拔<1200m从草地、耕地、林地流入。建设用地在各海拔从耕地、林地、草地、水体流入，向其它地类流出面积极少，在各海拔流出面积均不足1km2。

海拔对塑造地区气候具有重要作用。受海拔影响，研究区耕地在海拔<1200m的地区为优势地表覆盖类型，林地在海拔>1200m的地区为优势地表覆盖类型。2000年后随人口增长及城镇化、工业化推进，促进了耕地在海拔<1600m向建设用地流出；同时生态保护政策的实施也促进了耕地、草地在各海拔向林地流出。

图4 2000—2020年地表覆盖海拔分布特征

图5 2000—2020年地表覆盖在海拔上转移特征

3.2 地表覆盖的坡度分异特征

随坡度上升，耕地、林地、草地面积为先增后减变化，水体、建设用地面积呈减少趋势，见图6。耕地面积为先增后减变化，耕地面积分布峰值位于坡度10°～15°，面积集中于坡度5°～20°，20年间耕地面积在各坡度均有一定收缩。林地面积分布峰值位于坡度15°～20°，面积集中于坡度10°～25°；期间林地面积在各个坡度均有增加，在坡度10°～35°增加最多。草地面积分布峰值位于坡度10°～20°，面积集中于坡度5°～30°；期间草地面积在各坡度均有减少，在坡度10°～35°减少最多。水体面积呈减少趋势，水体面积集中分布于坡度0°～15°；期间水体面积在各个坡度总体呈增加趋势，其中在坡度5°～20°增加最多。建设用地面积集中分布于坡度0°～15°，并且在此坡度区间增长面积最多。从转移方向来看，耕地与其它地表覆盖多在坡度<25°时进行相互转换，主要特征为从草地流入并向建设用地、林地流出，见图7。林地与草地、耕地在各坡度均有相互转移，以林地流入，草地、耕地流出为主；在坡度10°～35°林地从草地、耕地流入面积最多，在坡度<25°林地向建设用地流出面积较多。水体在各坡度均有从草地、耕地流入，坡度<20°是水体从草地、耕地流入的主要区间，水体与建设用地相互转换面积较少。建设用地流出面积较少，仅在坡度<15°稍有向耕地流出。

坡度是影响人类土地利用的又一重要地形因子，坡度越大，开发难度越大且越容易造成生态破坏。坡度15°、25°是退耕还林、石漠化治理的关键节点[3]。0°～15°坡度和缓适宜人们开发利用，因此是耕地分布的优势区，同时也是建设用地分布集中及扩张最迅速的区域。坡度>15°，坡度较大，进行开发利用容易造成水体流失，近年来在生态保护下促进了林地在坡度>15°地区快速增长。

图6 2000—2020年地表覆盖坡度分布特征

3.3 地表覆盖的起伏度分异特征

随起伏度上升，耕地、林地、草地面积为先增后减变化，水体、建设用地面积呈减少趋势，见图8。耕地面积为先增后减变化，耕地面积在起伏度10～20m达到峰值，面积集中于起伏度0～30m，期间耕地面积在各起伏度均有一定收缩。林地面积在起伏度10～20m达到峰值，起伏度10～40m为林地分布集中区域；期间林地面积在各起伏度均有增加，在起伏度10～60m增加最多。草地面积在起伏度10～20m达到峰值，面积集中于起伏度10～40m；期间草地面积在各起伏度均有明显减少，在起伏度10～50m减少最多。随起伏度上升，水体面积呈减少趋势，面积集中分布于起伏度0～20m；期间水体面积在各起伏度均有增加，在起伏度10～30m增加最多。建设用地面积集中分布于起伏度0～20m，期间建设用地面积在各起伏度均有增加，在起伏度0～30m增加最多。从转移方向来看，耕地与林地、草地、水体、建设用地多在起伏度<40m进行相互转换，特征为从草地流入并向建设用地、林地流出，起伏度<20m为耕地转建设用地集中区域，见图9。林地与草地、耕地在各起伏度均有相互转换，以林地流入，草地、耕地流出为主；林地与建设用地、水体多在起伏度<30m转换，以林地流出，建设用地、水体流入为主。水体主要在起伏度<30m与草地、耕地、林地相互转换，以水体流入为主；水体与建设用地转换面积极少，仅在起伏度<20m有些许转换。建设用地主要在起伏度<20m从耕地流入，而向其它地类流出面积极少，仅在起伏度<30m略有向耕地流出，流出面积为3.08km2。

图7 2000—2020年地表覆盖在坡度上转移特征

起伏度作为地形因子之一，随起伏度逐渐增加，人工生态系统逐渐向自然生态系统过渡，人为景观向自然景观转变[12]。起伏度<30m，起伏较小，是耕地分布的优势区域，同时也是建设用地分布集中及增长最快的区域；起伏度>30m，起伏较大，是林地、草地分布的优势区域，期间林地面积也增长迅速。起伏度对人类开展社会经济活动具有限制作用，从耕地及建设用地分布、增长情况来看，赤水河流域的社会经济活动集中在起伏度<30m的地区。

4 讨论

流域是“气-地-水-土-生”等多种要素集合的地理单元，由于其具有相对封闭性特征使其成为研究地球科学的最佳区域[13]。地形是导致赤水河地表景观格局分布的基础要素，生态环境状况和地表覆盖受到海拔、坡度、起伏度等地形因子的影响和塑造。海拔造就区域地理环境的垂直分异，并在垂直方向上对气温、气压、太阳辐射等方面施加影响[14]。坡度是影响地区水土保持、人类宜居选址以及开展生产建设活动的重要因素，地形起伏度对人类活动加以限制。从地表覆盖分布的地形特征来看，随海拔、坡度、起伏度增加，流域内耕地、建设用地面积占比逐渐下降，林地、草地占比逐渐上升，反映地形对赤水河流域地表景观格局及人类活动的影响。

地表覆盖变化受自然环境变化及人类活动共同影响，自然环境和资源禀赋对区域地表覆盖状况的改变起到基础性作用，人类活动是造成地表覆盖变化的主要原因。进入21世纪以来，赤水河流域在城镇化、工业化的驱动下使得建设用地迅速扩张；2002年全面推进的退耕还林工程，促进了林地面积扩张，可见研究期间内生态环境恶化与改善并存。赤水河流域生态环境脆弱，虽然近20年来生态环境以改善为主，但流域内仍然有部分区域生态退化。从林地流入面积来看，流域内林地面积的增长主要得益于从草地的流入，而从耕地流入的面积相对较少。为促进生态环境持续向好发展，建议流域实行以下措施：将退耕还林补助方式多元化、完善退耕还林补助标准的价值评估体系，深入推进退耕还林还草工程，将海拔>1600m、坡度>15°、起伏度>30m的耕地进行还林还草；划定城镇开发边界，管控城镇用地规模与用地强度，做好城镇土地发展利用规划；制定更加详细的保护条例及措施，划定生态保护区与限制开发区，为生态保驾护航；要落实保护措施，要考虑保护绩效，将保护措施落实到实际。

图8 2000—2020年地表覆盖起伏度分布特征

图9 2000—2020年地表覆盖在起伏度转移特征

5 结论

耕地、林地、草地为赤水河流域主要地表覆盖类型，期间以林地、湿地、水体、建设用地扩张，耕地、草地收缩为总体演变趋势，其中林地、湿地、水体、建设用地分别增长702.15km2、25.93km2、15.82km2、175.81km2，耕地、草地分别减少130.76km2、789.09km2。

随海拔上升，耕地、林地、草地面积为先增后减变化，水体面积呈减少趋势，建设用地面积呈“先减后增再减”特征。20年间，耕地面积在各海拔从耕地流入并向建设用地、林地流出；林地面积在各海拔从耕地、草地流入，在海拔600～1600m流入面积最多；水体面积在海拔400～1400m增加较多且主要从草地、耕地流入；建设用地面积在海拔800～1400m增长迅速且主要从耕地流入。

随坡度、起伏度上升，耕地、林地、草地面积为先增后减变化，水体、建设用地面积呈减少趋势。20年间，耕地主要在坡度<25°、起伏度<40m与其它地类进行转换，特征为从草地流入并向建设用地、林地流出；林地面积在各坡度、起伏度从草地、耕地流入，坡度10°～35°、起伏度10～60m为流入主要区间；水体面积在坡度5°～20°、起伏度10～60m增加最多且主要从草地、耕地流入；建设用地面积在坡度<15°、起伏度<20m增长最快且从耕地流入最多。