全 文 ：中国生态农业学报 2010年 9月 第 18卷 第 5期
Chinese Journal of Eco-Agriculture, Sept. 2010, 18(5): 1071−1075


* 山西省软科学研究项目(2008041034-02)和山西省留学人员管理委员会办公室 2008年 120号项目资助
** 通讯作者: 贾宁凤(1966~), 女, 汉, 博士, 副教授, 主要研究方向为土地资源评价与规划。E-mail: jianf@sxu.edu.cn
韩建平(1964~), 男, 汉, 高级工程师, 主要研究方向为林业资源评价与规划、3S技术在林业调查规划设计中的应用。E-mail: sxly0@163.com
收稿日期: 2010-03-29 接受日期: 2010-06-17
DOI: 10.3724/SP.J.1011.2010.01071
土地利用与地形因子关系研究*
——以砖窑沟流域为例
韩建平 1 贾宁凤 2**
(1. 山西省林业调查规划院 太原 030012; 2. 山西大学经济与工商管理学院 太原 030006)
摘 要 以黄土丘陵沟壑区的砖窑沟流域为例, 依据 2003年和 2008年两期土地利用现状图, 采用地理信息系
统(GIS)软件和统计分析(SPSS)软件, 进行了基于 10 m×10 m栅格单元的土地利用与地形因子关系的研究, 探
讨了土地利用格局的演变及其驱动力。结果表明: 基于栅格的土地利用类型与坡度、坡向和海拔关系的综合
分析是从数量上准确剖析土地利用空间分布特征及其演化规律的有效方法; 砖窑沟流域的海拔、坡度、坡向
的平均值分别为 1 069 m、19.24°和 279°(西坡); 采用各种土地利用类型的 sin(坡向)和 cos(坡向)平均值绘制坡
向分布图, 可直观地显示各种土地利用类型坡向分布特征。分析表明, 农田和宜林荒山共占流域总面积的 80%
左右, 二者的分布和变化控制着整个流域土地利用的地形分布格局。农田主要以坡地和梯田的形式分布于坡
上、峁顶和梁顶, 坡度较低, 而海拔较高, 与坡度呈显著负相关, 与海拔呈显著正相关; 而宜林荒山往往分布
于坡度较大而海拔较低的位置, 与坡度呈显著正相关, 而与海拔呈显著负相关。研究结果反映了黄土丘陵沟壑
区土地利用的地形地貌特征。生态建设项目的实施可在短时间使土地利用的空间分布发生较大变化。
关键词 黄土丘陵沟壑区 土地利用 空间分布 地形因子 砖窑沟流域
中图分类号: S126 文献标识码: A 文章编号: 1671-3990(2010)05-1071-05
Relationship between topographic factor and land use
—A case study of Zhuanyaogou watershed
HAN Jian-Ping1, JIA Ning-Feng2
(1. Shanxi Forestry Survey and Design Institute, Taiyuan 030012, China; 2. College of Economics and Management,
Shanxi University, Taiyuan 030006, China)
Abstract GIS and SPSS were used to quantitatively analyze the relationships between land use type and topographic factors for
2003 and 2008. The succession pattern and driving factors of land use were also explored on 10 m×10 m grid-base for Zhuanyaogou
watershed in the hilly region of the Loess Plateau of China. The study shows that land elevation, slope gradient and aspect signifi-
cantly influence the spatial distribution of land use. The average elevation, slope gradient and aspect of the watershed are respectively
1 069 m, 19.24° and 279° (west). Aspect-distribution map from average sin(aspect) and cos(aspect) of different land use types clearly
shows the distribution characteristics of land use. Farmlands and barren-hills form about 80% of the study area, and their distribution
change controls the topographic pattern of land use distribution in the watershed. Farmlands are mainly located in the upper slope and
tops of the loess mountain ridges with low slope gradients and high elevations. While farmland area is significantly negative corre-
lated with slope gradient, it is significantly positive correlated with elevation. Barren hills exhibit the opposite trend. The results fully
reflect the topographic characteristics of land use in the study area. Implementation of eco-construction projects could induce signifi-
cant changes in the spatial distribution of land use in the short-run.
Key words Hilly Loess Plateau, Land use, Spatial distribution, Topographic factor, Zhuanyaogou watershed
(Received March 29, 2010; accepted June 17, 2010)
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土地利用的空间分布可用土地利用特征与空间
数据的关系来表达[1]。地形是影响土地利用的重要
因素, 不仅为土地利用格局的形成提供基础, 其空
间分布特征也影响着土地利用的演变过程。研究土
地利用空间分布与地形因子间的相互关系, 对探讨
土地利用变化过程及驱动力具有重要意义。描述地
形特征的基本因素包括海拔、坡度和坡向, 当前的
研究多从海拔和坡度方面探讨地形因子与土地利用
的关系[2−4], 也有进行海拔、坡度和坡向与土地利用
关系的探讨和分析[5−8]。然而在地形复杂多样的黄土
丘陵沟壑区的相关研究很少。本研究以位于黄土丘
陵沟壑区的砖窑沟流域为例 , 利用数字高程模型
(Digital elevation model, DEM)和两期土地利用现状
图, 基于 10 m×10 m 的栅格单元, 进行土地利用类
型与地形因子(海拔、坡度和坡向)关系的研究, 探讨
土地利用格局的演变及其驱动力, 为区域土地利用
规划与管理提供依据。
1 研究区自然概况
砖窑沟流域位于晋西北河曲县中西部 , 介于
东 经 111°12′03″~111°19′28″ 和 北 纬 39°11′06″~
39°13′47″之间, 面积为 29.16 km2 , 是直接入黄河的
一级支流。该流域属暖温带半干旱气候, 年平均降
水量 447.5 mm, 年平均气温 8.8 ℃, 地带性土壤为
栗褐土, 地貌类型属于典型的黄土丘陵沟壑区, 海
拔在 845~1 244 m之间, 地势东高西低。主沟为东西
向, 长约 14.2 km, 支沟从南北两面汇入, 南北剖面
呈凹形, 分水岭与沟底高差达 150~200 m, 起伏剧
烈。流域冲沟发育, 沟道总长度为 179.1 km, 沟道密
度为 6.14 km·km−2[9]。
2 数据和方法
2.1 影像配准与解译
本研究依据森林资源规划设计调查成果, 以常
用的林业土地利用分类, 通过遥感影像解译和实地
调查, 采用 ArcGIS 平台, 对影像进行机助解译, 并
结合实地调绘, 建立空间拓扑关系, 生成砖窑沟流
域 2003 年和 2008 年土地利用图形数据库和相应的
属性数据库, 比例尺为 1︰10 000。2003年有 6种类
型, 即混交林地、疏林地、灌木林地、宜林荒山、
农田和居民点, 由于退耕还林、世行项目等生态建
设工程的实施, 2008 年出现了经济林地和未成林造
林地(表 1)。总体来看, 2003年, 农田和宜林荒山比
例非常高 , 尤其是农田 , 占一半以上 , 二者合计达
93.90%; 到 2008 年, 农田和宜林荒山的面积大幅度
减少 , 二者合计为 67.53%, 大部分转变为未利用
地、经济林地和灌木林地; 流域中居民点、疏林地
和混交林地比例很低, 2003年和 2008年三者合计均
为 3%左右, 变化很小。
通过 GIS 将矢量化土地利用图转化为栅格图,
栅格大小为 10 m×10 m, 共划分了 291 852个栅格;
同时, 导出为 ASCII数据文件(.asc)。
2.2 地形参数提取
依据流域 1︰10 000 比例尺的数字高程模型
(DEM), 按照已生成的土地利用栅格图的范围和栅
格分布, 得到地形因子的栅格(10 m×10 m)图层, 包
括坡向、坡度和海拔, 分别导出为 ASCII 数据文件
(.asc)。
2.3 数据统计分析
将以上导出的所有土地利用和地形因子的
ASCII 数据文件(.asc)转化为记事本(.txt)文件格式[10],
并导入 SPSS15.0 统计软件 , 建立了基于栅格 (10
m×10 m)采样的土地利用类型、海拔、坡度和坡向数
据矩阵, 并对每个栅格的土地利用类型和坡向进行
如下处理:
(1) 土地利用类型属于定性变量, 为便于统计分
析, 采用 0/1 赋值, 转化为多个定量化的亚变量[11]。

表 1 2003年和 2008年砖窑沟流域土地利用类型特征
Tab. 1 Types of land use in Zhuanyaogou watershed in 2003 and 2008
2003 2008
类型 Type
面积 Area (hm2) 比例 Proportion (%) 面积 Area (hm2) 比例 Proportion (%)
混交林地 Mixed forest land 8.56 0.29 8.26 0.28
经济林地 Cash forest land 0 0 62.28 2.14
疏林地 Sparse forest land 27.03 0.93 32.23 1.10
灌木林地 Shrub land 90.45 3.10 250.84 8.60
未成林地 Immature forest land 0 0 541.40 18.55
宜林荒山 Barren hills 1 136.52 38.94 702.29 24.06
农田 Farmland 1 603.79 54.96 1 268.73 43.47
居民点 Resident site 52.07 1.78 52.39 1.80
合计 Total 2 918.41 100.00 2 918.41 100.00
第 5期 韩建平等: 土地利用与地形因子关系研究 1073


由此, 将 2003 年和 2008 年土地利用类型分别分解
为相应的 6个和 8个亚变量, 均表示为 0(不存在)和
1(存在)。
(2) 坡向是方位角, 按照 45°夹角, 由北开始顺
时针方向旋转分为 8个坡向: 北(N, 0~22.5°, 337.5°~
360°)、东北(NE, 22.5°~67.5°)、东(E, 67.5°~112.5°)、
东南(SE, 112.5°~157.5°)、南(S, 157.5°~202.5°)、西
南(SW, 202.5°~247.5°)、西(W, 247.5°~292.5°)、西北
(NW, 292.5°~337.5°)。分别进行坡向的正弦和余弦计
算, 即转化为 sin(坡向)、cos(坡向)两个变量。sin(坡
向)表示朝东的程度, 即 sin(坡向)值越大, 坡向朝东
的程度越大, 反之则朝西的程度越大; cos(坡向)表
示朝北的程度, cos(坡向)值越大, 坡向朝北的程度
越大, 反之则朝南的程度越大。因此, 对一个已知
坡向进行正弦和余弦计算 , 可直观显示所处的方
向[12−13]。
3 结果与分析
利用 SPSS15.0软件, 进行数据的基本描述和相
关分析。表 2 为 2003 年和 2008 年各种土地利用类
型与地形指数的相关系数。土地利用类型与海拔的
相关系数为正, 表示该种土地利用类型的分布面积
随海拔升高而增加 , 反之 , 则随海拔升高而减少 ;
土地利用类型与坡度的相关系数为正, 表明该土地
利用类型的分布面积随坡度的增加而增加 , 反之 ,
则随坡度增加而减少; 土地利用类型与 sin(坡向)和
cos(坡向)的相关系数为正值, 表示随着坡向的偏东
和偏北程度的增加 , 该土地利用类型的面积增加 ,
相关系数为负值, 表示随着坡向的偏西和偏南程度
的增加, 该土地利用类型的面积增加。

表 2 砖窑沟流域各土地利用类型分布面积与地形因子的相关性
Tab. 2 Correlation between areas of different land use types and topographic factors in Zhuanyaogou watershed
地形因子
Topographic
factor
年份
Year
混交林
Mixed forest
land
经济林
Cash forest
land
疏林地
Sparse forest
land
灌木林地
Shrub
land
未成林地
Immature
forest land
宜林荒山
Barren
hills
农田
Farmland
居民点
Resident
site
2003 −0.043** — 0.049** 0.062** — 0.386** −0.389** −0.061**坡度
Slope 2008 −0.041** 0.015** 0.042** 0.173** 0.126** 0.246** −0.402** −0.058**
2003 −0.022** — 0.013** −0.005* — 0.004* 0.006** −0.030**sin(坡向)
sin(aspect) 2008 −0.021** 0.008** 0.016** −0.057** 0.068** −0.068** 0.042** −0.029**
2003 0.001 — 0.017** 0.009** — 0.041** −0.024** −0.084**cos(坡向)
cos(aspect) 2008 0.006** −0.004* 0.019** −0.010** 0.046** −0.016** 0.000 −0.078**
2003 0.095** — 0.083** 0.091** — −0.201** 0.141** −0.008**海拔
Elevation 2008 0.094** −0.121** 0.099** 0.163** −0.025** −0.283** 0.177** −0.006**
**和*分别表示相关性在 0.01和 0.05水平显著(2-tailed)。—表示无数据。** and * mean significant correlation at 0.01 and 0.05 levels, re-
spectively (2-tailed). — shows no data.

3.1 土地利用的海拔分布及其变化
流域平均海拔为 1 069 m。从土地利用类型来看
(图 1), 2008年与 2003年相比, 只有宜林荒山的海拔
是降低的, 其他均有所增加; 两年平均海拔最高的
均为混交林地。从土地利用类型面积与海拔的相关
性来看(表 2), 2003年和 2008年, 各种土地利用类型
与海拔均为显著相关。2003 年, 正相关的土地利用
类型首先是农田, 其次为混交林地、灌木林地和疏
林地 ; 呈负相关的为宜林荒山和居民点 ; 2008 年 ,
农田的正相关系数仍然最大, 其次为灌木林地、疏
林地和混交林地, 负相关的为宜林荒山、经济林地、
未成林地和居民点。
3.2 土地利用的坡度空间分布及其变化
流域的平均坡度为 19.24°。从各种土地利用类
型的平均坡度来看(图 2), 2008年与 2003年相比, 除
混交林地和居民点坡度基本不变以外, 其他类型都
发生了变化。其中, 农田、宜林荒山、疏林地坡度

1混交林 Mixed forest land; 2 经济林 Cash forest land; 3疏林
地 Sparse forest land; 4 灌木林地 Shrub land; 5 未成林地 Immature
forest land; 6 宜林荒山 Barren hills; 7 农田 Farmland; 8 居民点
Resident site. 下同 The same below.
图1 2003年和2008年砖窑沟流域各种土地利用
类型的平均海拔
Fig. 1 Mean elevation of different land use types in
Zhuanyaogou watersehd in 2003 and 2008
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图 2 2003年和 2008年砖窑沟流域各种土地利用
类型的平均坡度
Fig. 2 Mean slope gradient of different land use types in
Zhuanyaogou watershed in 2003 and 2008

明显降低, 灌木林地坡度明显增加, 而且新出现的
经济林地和未成林地坡度也均在 20°以上, 充分证
明了退耕还林、世行项目等生态建设的功效。从不
同年份土地利用与坡度的相关性来看(表 2), 各种土
地利用类型与坡度均为显著相关, 宜林荒山、灌木
林地、疏林地、未成林地和经济林地与坡度均呈正
相关, 农田和居民点呈负相关。由于研究区域内混交
林地分布的海拔最高, 处于坡上部或坡顶, 一般来说
坡度变小, 甚至很平缓, 因此, 与坡度也呈负相关。
3.3 土地利用的坡向空间分布分析
坡向(θ)是一种圆周变化, 不宜直接使用算术平
均法计算平均坡向。本研究应用已有研究[14]计算平
均角度的方法得到各种土地利用类型的平均坡向。
假设有一组坡向数据以角度(θ1, θ2, …, θn)给出, 平
均坡向计算公式为:

arctan( ) ( 0)
180 arctan( ) ( 0)
S C C
S C C
θ ⎧ >⎪= ⎨ + <⎪⎩ D
(1)
式中 , θ 表示平均坡向(°), S ＝1/n(sinθ1+sinθ2+⋯
+sinθn), C＝1/n(cosθ1+cosθ2+⋯+cosθn)。由此, 计算
得出流域平均坡向为 279°, 即西坡。
根据流域各种土地利用类型的 sin(坡向 )和
cos(坡向)平均值绘制其坡向分布图, 可直观地进行
各种土地利用类型的坡向比较(图 3)。2003年, 坡向
为西坡的有混交林地和农田 , 共占土地总面积的
55.25%, 灌木林地和宜林荒山均为西北坡向, 共占
土地总面积的 42.04%, 居民点为西南坡向, 疏林地
为北坡。2008 年, 混交林地、农田、疏林地和居民
点总体坡向没有改变, 而灌木林地和宜林荒山由西
北坡向转变为西坡 , 新增加的经济林地也为西坡 ,
未成林地为北坡。可见, 从各种土地利用类型的坡
向来看, 以西坡为主, 共占土地总面积的 78.55%。
从土地利用类型与 sin(坡向)和 cos(坡向)的相关
性来看(表 2), 2003 年, 疏林地和宜林荒山与 sin(坡
向)和 cos(坡向)均为正相关, 即随着坡向偏东偏北
程度的增加而面积增加 ; 居民点与 sin(坡向 )和
cos(坡向)为负相关, 即随着坡向的偏南偏西程度的
增加而面积增加, 农田与 sin(坡向)为正相关, 而与
cos(坡向)为负相关, 即随着坡向偏东偏南程度的增
加而面积增加; 灌木林地与 sin(坡向)为负相关, 而
与 cos(坡向)为正相关, 即随着坡向偏西偏北程度的
增加而面积增加 , 混交林地与 sin(坡向)为负相关 ,
而与 cos(坡向)不相关, 说明混交林地只随着坡向偏
西程度的增加而面积增加。2008 年, 居民点和疏林
地基本不变 , 宜林荒山和灌木林地与 sin(坡向)和
cos(坡向)均为负相关, 即随着坡向偏西偏南程度的
增加而增加; 经济林地与 sin(坡向)为正相关, 而与
cos(坡向)为负相关, 而新增未成林地与 sin(坡向)和
cos(坡向)均为正相关。


图 3 2003年(a)和 2008年(b)砖窑沟流域各种土地利用的平均坡向
Fig. 3 Mean slope aspest of different land use types in Zhuanyaogou watershed in 2003 (a) and 2008 (b)
第 5期 韩建平等: 土地利用与地形因子关系研究 1075


3.4 驱动力分析
(1) 砖窑沟流域处于黄土丘陵沟壑区 , 地形异
常破碎, 沟壑纵横, 海拔最高为 1 246 m, 最低为
846 m。2003年, 农田比例最高, 超过一半, 其次为
宜林荒山, 二者合计超过 90%。由于退耕还林、世
行项目等生态建设的实施, 2008 年农田和宜林荒山
的比例明显降低, 而灌木林地增加, 又新增了未成
林地(18.55%)和经济林地(2.14%), 农田和宜林荒山
向未成林地、经济林地、灌木林地等的转变是该流
域土地利用变化的主要特征。因此, 农田和宜林荒
山的分布和变化控制着整个流域土地利用的地形分
布格局。
(2) 农田主要以坡地和梯田的形式分布于坡上、
峁顶和梁顶 , 总体上坡度较低 , 而海拔较高 , 即农
田的分布与坡度呈显著负相关, 而与海拔呈显著正
相关; 同时, 2003 年到 2008 年, 减少的农田主要
分布在坡面下部坡度较大位置, 因此, 农田的平均
坡度明显降低, 平均海拔有所增加。
(3) 砖窑沟流域农田和宜林荒山的空间分布相
互制约, 一般不适宜作为农田的土地, 就可以作为
宜林荒山。由于农田分布在坡度较小、海拔较高的
位置, 而宜林荒山往往分布于坡度较大而海拔较低
的位置。因此, 宜林荒山与坡度呈显著正相关, 与海
拔呈显著负相关, 充分反映了黄土丘陵沟壑区土地
利用的地形地貌特征。
(4) 居民点分布在沟底、半坡和平梁, 面积不到
流域总面积的 2%, 2003～2008年面积和地形分布特
征基本未变化。
4 结论与讨论
砖窑沟流域是黄土丘陵沟壑区的一条小流域 ,
在黄土高原具有很强的代表性。基于栅格单元的土
地利用与地形因子分析方法能够准确地描述各种土
地利用类型与海拔、坡度和坡向的关系。各种土地
利用类型的空间分布明显受到地形的影响和制约 ,
土地利用与地形因子具有显著的相关性, 尤其是通
过不同时期土地利用状况的对比分析, 能够较好地
反映土地利用类型分布的演化规律; 同时, 单独分
析某一种地形因子与土地利用分布的关系, 有时会
得出无法解释的结论, 需要综合分析土地利用类型
与 3 个地形因子的关系, 才能更准确地反映二者之
间的关系 ; 人类活动对土地利用空间分布的影响 ,
特别是生态建设项目的实施, 如退耕还林、世行项
目等, 可以在短时间使土地利用的空间分布发生较
大变化。
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