党的十九大以来,生态环境问题已经成为建设美丽中国首要解决的问题[1]。在生态文明的建设下,土地的各项功能成为学术界的研究热点,但由于土地利用分类的局限性及其不合理利用情况,土地暴露出一些生态环境恶化的问题,不能将土地的自然本底功能全部体现出来。因此,从土地自然属性的角度出发,对土地进行自然类型的划分显得十分重要[2,3,4,5]。陆地样带研究是揭示区域生态环境问题的最有效的方式之一,而对陆地样带的研究离不开对“事物本质”的分析,即离不开对土地结构的特点与规律的综合性研究[6]。土地类型的研究可以揭示区域各自然要素的综合性分布状况,对了解地区自然地理特征的分布及组合状况有十分重要的作用[7]。

自上世纪80年代起,我国对于土地类型分类做了很多研究,主要包括针对分级分类系统单位系统的研究、分级分类的依据研究、土地类型分级调查与制图的研究以及土地类型演替的研究几个方面[8]。截至目前,我国的土地类型分类着重以地貌、土壤、植被、岩性坡度等地理因素作为土地类型分类基础,遗憾的是,不同学者提出的土地自然分类单位系统因突出地方性而相互间差异性大和缺少可比性[9]。总的来说,目前土地类型分类结合地理因素的空间研究方面不够系统,多是针对实践问题零散地展开[10,11]。

鉴于此,参考国际地圈和生物圈计划(IGBP)陆地样带选取原则[12],将从西北到东南的太行山区-山前平原区-中部平原区-滨海平原区4个生态类型区[13]选取河北省生态环境最突出的河北典型样带为研究区域,对河北省典型样带土地类型进行分类,并对其土地类型的数量结构及空间分布结构进行分析,旨在了解河北省典型样带土地自然类型及其分布规律特征,为今后的利用调整和土地整治工作提供依据。

1、研究区概况

河北省典型样带位于河北省中部,呈条带贯穿河北省张家口、保定、廊坊、沧州4个市区,涉及蔚县、涞源县、易县、定兴县、徐水县、容城县、雄县、安新县、文安县、任丘县、大城县、沧县及青县等15个县(市),位于东经114°13′～117°51′和北纬38°3′～40°10′之间,属于山地丘陵向滨海平原的过渡带。区内地貌单元复杂,土壤与植被类型丰富,其西北部蔚县、涞源县和易县被太行山环绕,东南部黄骅市紧靠渤海湾,地形起伏较大,地形梯度明显,海拔最高落差2841m,直线距离为300km,总面积为19238.82km2,区域西北处于太行山脉西北麓,东南处于滨海平原紧邻渤海湾,地理位置十分重要。

2、数据来源及研究方法

2.1数据来源

所用基础文件数据资料来源主要包括:河北省土地利用总规划(2010-2020年)、河北省行政区域图、河北省土地利用变更调查资料数据库(2012)、河北省1∶25万土壤类型图、河北省1∶25万地貌类型图、植被类型图,以上数据来源于各县国土资源局、农业局。

研究所需的高程、坡度、坡向等指标数据是通过从地理空间数据云下载的GDEMDEM30M分辨率的15个县DEM遥感影像数据资料,借助ArcGIS10.2的空间分析与处理功能,得到县域的各指标状况。河北典型样带各县年均(月均)降雨量数据来源于《中国气象数据共享服务网》。

2.2研究方法

以土地类型划分法作为主要的研究方法。土地分类方法包括景观法、参数法以及过程法等。参数法是在选取相对重要分类指标的数量化或等级化基础上进行的分类方法,具有定量的特点,但分类结果过于依赖指标值的精确性;过程法是依据土地分异过程的本质特点,在对土地自然分异过程深入定量分析的基础上进行土地分类的方法,但该方法在实际操作中困难较大,易导致划分结果的不全面。本研究的分类依据和指标的选取是土地类型划分的关键步骤[14],一般从土地的构成要素中进行选择,选取的分类指标要能够客观的反映研究区内的土地分异规律[15]。

3、结果与分析

3.1河北典型样带土地类型分类体系

3.1.1土地类型分类依据及指标选取

结合河北省典型样带实际情况,从影响土地分异的主导因素入手,最终选取地形地貌、土壤以及相应的植被作为该区域的分类依据。河北省典型样带的相对高差达2841m,地形起伏大,典型的垂直地带性分布,导致土地类型更加复杂与多变,可直接影响区域内水热条件的再分配,因此,地形地貌是划分土地类型的主要分类依据[16]。随着海拔的高低起伏、坡向走势的不断变化,表现最明显的为土壤与植被的性质与分布状况。土壤作为土地的重要组成部分,土壤质地的构成直接决定着土壤与植被的肥力与生产性能,这些肥力和生产性能又对人类利用土地的方式与程度产生深远的影响[17]。因此,针对研究区域垂直分异布显的特点,我们选取地形地貌条件作为其划分的主导因素,并考虑区域内土壤与相应植被的分布规律,对研究区域内的土地进行类型划分。

具体分类如下:

(1)以引起土地分异主导因素的大、中地貌类型作为一级指标。它是认识区域土地类型特点的骨架,在平原反映了土地的基本成因和基本形态,在山地则反映了垂直自然地带的特征。根据地貌指标,划分出河北省典型样带一级土地类型。

(2)以土地生态特性的土壤亚类为主,并参考植被系组,以及小地貌类型来确定二级指标。依据这些二级指标对一级土地类型进行划分,划分出河北省典型样带的二级土地类型。

3.1.2土地类型分类结果及命名

根据选取的分类指标及分类方法,并依据各要素之间的差异性对河北典型样带进行土地类型的划分。分类结果见表1。

表1河北省典型样带土地类型划分体系表

由表1可知,河北省典型样带土地类型较丰富,且分布较复杂,一级地类主要有冲积洪积倾斜平原地、冲积平原地、低山地、低湿河湖洼地、海积平原地海滩地、海涂地、河川沟谷地亚高山地、中山地、丘陵地和盆地等12个一级土地类型,潮土冲积洪积倾斜平原地、潮褐土冲积洪积倾斜平原地、褐土冲积洪积倾斜平原地、石灰性褐土冲积洪积倾斜平原地、潮土低冲积洪积平原地、潮土冲积平原地等60种二级类型。

3.2土地类型数量特征

3.2.1一级土地类型数量特征

河北典型样带总面积为19238.82km2,其中水域面积为108.63km2,土地面积为19130.19km2,共有土地类型斑块688个,各土地类型的斑块数和面积分布十分不均。12个一级土地类型分类见图1。

图1一级土地类型图

由图1所示,河北典型样带西北部紧邻太行山脉,由于地势较高、坡度较大等特点分布山地类型较多,在山间出现蔚县盆地和涞源盆地两大山间盆地,主要有亚高山地、中山地、低山地、丘陵地和盆地等土地类型,其中,中山地分布最多,面积为2528.39km2,占整个研究区面积的13.14%。其次为低山地,面积为2491.96km2,占河北典型样带总面积的12.95%。研究区中部地区为山地丘陵向滨海平原的过渡地区,主要土地类型有洪积冲积倾斜平原地、冲积平原地和低湿河湖洼地等,其中,面积最大的为冲积平原地,为5039.37km2,占河北典型样带土地类型总面积的26.19%,面积最小的为洪积冲积倾斜平原地,面积为1263.90km2,占总面积的6.57%。研究区东南部属地势低平向海缓倾的沿海地带,属于滨海平原,由波浪、沿岸流直接堆积而成,主要土地类型有海积平原地、海滩和海涂等土地类型,其中,面积最大的为海积平原地,为1229.45km2,占河北典型样带土地类型总面积的6.39%;海滩地与海涂地紧邻渤海,面积分布较少。

3.2.2二级土地类型数量特征

河北典型样带二级土地类型共涉及60种,其数量特征见图2。

图2二级土地类型图

如图2所示,在研究区西北部地区,主要被山地丘陵覆盖,该地区地形坡度较大,土体偏薄缺少腐殖质,土壤有机质含量少,因此,在该地区分布着栗褐土、褐土和棕壤等土壤类型较多。其中,面积分布最大的为疏林灌丛棕壤中山地,为1004.75km2,占整个研究区总面积的5.22%;其次为疏林灌丛淋溶褐土低山地,其面积为787.16km2,占整个研究区总面积的4.09%;分布面积最小的土地类型为阔叶林淋溶褐土低山地,面积仅为14.50km2,占研究区总面积的0.08%。在研究区中部地区,由太行山一系列洪积扇不断扩大伸展组合而成的洪积冲积倾斜平原,地面倾斜,组成物质较粗,因此,该土壤类型与相邻山地丘陵类型相似,多为褐土类;紧邻洪积冲积倾斜平原的为冲积平原,它是由河流沉积作用形成的平原地貌,沉积物主要是冲积物,常夹有湖积物、风积物等,坡度较缓,受地下水运动和耕作活动影响而形成大面积的潮土分布。在中部地区,土地类型分布最大的为潮土冲积平原地,面积为2904.19km2,占整个研究区总面积的15.10%,也是河北典型样带面积最大的二级土地类型;其次为潮土低湿河湖洼地,面积为1349.25km2,占总面积的7.01%;在中部地区面积最小的二级土地类型为脱潮土低湿河湖洼地,也是整个研究区面积最小的二级土地类型。在研究区东南部地区,为地势低平向海缓倾的沿海地带,紧靠中部的地区,土壤为河流沉积作用形成的潮土,紧邻沿海地区,土壤盐渍化程度较高,因此,在东南部地区分布的土地类型,会出现许多盐化土地类型。其中,面积分布最大的土地类型为盐化潮土海积平原地,为656.14km2,占研究区总面积的3.41%;面积最小的为潮土海积平原地,为17.30km2,占研究区总面积的0.09%。总体来看,由地形地貌引起的土壤空间异质性是影响二级土地类型空间分布的主要因素,其中潮土冲积平原地、潮土低湿河湖洼地、盐化潮土海积平原地、疏林灌丛棕壤中山地和潮土低冲积平原地等形成河北典型样带二级土地类型的主要分布格局。

3.3土地类型空间特征

3.3.1土地类型空间组合形式

河北省典型样带由于其土地类型的繁多,出现较多的复杂的土地空间组合,根据其内部土地类型的组合形式,可归纳为5类。

(1)阶梯式组合结构

随着地势增高,研究区西北部土地类型由西北向东南依次变化,呈现有规律的更替现象。由于受区域高差显著的地形条件影响,该区域空间结构非常明显。如易县区域内,呈冲积洪积倾斜平原地-河川沟谷地-丘陵地-低山地-中山地分布规律,二级土地类型依次为褐土冲积洪积倾斜平原地-石灰性褐土冲积洪积倾斜平原地-潮土河川沟谷地-褐土河川沟谷地-灌草丛褐土丘陵地-灌草丛褐土性土丘陵地-灌丛草地褐土低山地-灌草丛褐土性土低山地-疏林灌丛淋溶褐土低山地-针阔叶混交林淋溶褐土低山地-灌草丛酸性粗骨土中山地-疏林灌丛棕壤中山地-针阔叶混交林淋溶褐土中山地-针阔叶混交林棕壤中山地。

(2)镶嵌式组合结构

指一种类型为基础,另外几种类型以斑块形式分布其中。研究区土地类型呈镶嵌式组合结构的分布十分广泛,几乎在每个县域都有分布,这最主要与洼地的分布以及植被类型的组合复杂性有关。如沧县和沧州市,以潮土冲积平原地为基础,另外主要为潮土低冲积平原地、潮土低湿河湖洼地和盐化潮土海积平原地贯穿其中,形成相互镶嵌式结构。

(3)重复式组合结构

指土地类型的空间分布不按照顺序排列,而是呈现几种类型交替出现的形态,中部地区较为普遍。如雄县域内,主要以潮土河川沟谷地、潮土低湿河湖洼地和潮土冲积平原地这3种土地类型交替出现,呈现重复式组合结构的形态;任丘市以潮土低湿河湖洼地、潮土冲积平原地、潮土河川沟谷地、盐化潮土海积平原地、潮土低冲积平原地这5种土地类型交替出现。

(4)对称式组合结构

指一种土地类型为对称轴向两旁呈现土地类型的更替,如涞源县境内,以盆地为中心向两旁山体过渡的形态特征,依次为盆地-河川沟谷地-低山地-中山地-亚高山地,主要呈现为低山地与中山地2种土地类型。

(5)树枝状结构

树枝状结构主要是因沟谷和河川的穿插而成树枝状的形状结构,在河北典型样带西北部地区,受河川沟谷地的影响,形成大量的树枝状结构形式。如蔚县,在盆地与低山地之间形成的栗褐土河川沟谷地、棕壤河川沟谷地、潮土河川沟谷地、褐土性土河川沟谷地和褐土河川沟谷地,使境内的土地类型呈现出树枝状结构。

3.3.2土地类型沿高程梯度空间分布

利用ArcGIS空间分析工具,把河北省典型样带划分为14个高程带。再利用统计分析工具,统计各高程带面积,结果见表2及图3。

图3河北省典型样带高程面积统计图

如表2及图3所示,研究区的地势总体上呈西北部较高,然后向东南部逐渐降低的趋势。总的起伏较大,最高点海拔约为2841m,最低海拔约为0m,相对高差最大约为2841m。其中,0～200m之间的面积最多,约占研究区总面积的62.23%。其次为800～1000m和1000～1200m之间的面积分别占研究区总面积的9.59%和6.64%,3个高程带的面积占总面积70%以上,其余高程带的面积占比不足30%。

利用ArcGIS把研究区土地类型图和高程图进行叠加,统计出各土地类型在不同高程带上的面积,分析各土地类型沿海拔高度变化的分布特征,结果见图4。

图4河北省典型样带土地类型不同高程上面积占比

如图4所示,冲积洪积倾斜平原地分布在0～200m高程之间最多,有1259.10km2,占冲积洪积倾斜平原地总面积的99.62%;冲积平原地、海积平原地、低湿河湖洼地、海滩和海涂等地类全部分布于0～200m高程之间;低山地分布在600～800m高程之间最多,面积为463.92km2,占低山地总面积的18.62%;河川沟谷地在0～200m高程带内分布最多,有831.71km2,占河川沟谷地总面积的46.41%;其次为800～1000m和1000～1200m高程带,面积分别为332.30km2和168.26km2,占河川沟谷地总面积比例为18.54%和9.39%,其他高程带分布较少;盆地分布主要集中在800～1000m和1000～1200m高程带,面积分别为815.40km2和231.91km2,分别占盆地总面积的75.15%、21.37%;丘陵地主要分布有0～200m和200～400m高程带,面积分别为482.50km2和144.71km2,占丘陵地总面积的比例分别75.45%和22.63%,除此之外,在400～600m和600～800m高程带有零星分布;亚高山地主要分布在1400m以上的高程带内,分布最广的为2400～2600m高程带内,面积为9.67km2,占亚高山地总面积的20.96%;中山地在河北典型样带中涉及高程带最多,除0～200m高程带外均有分布,其中,分布最多的为1200～1400m高程带内,面积为511.42km2,占中山地总面积的20.23%;其次为1400～1600m和1000～1200m高程内,有466.83km2和435.92km2,占中山地总面积的18.46%和17.24%。

不同高程上各土地类型的分布状况见图5。

图5河北省典型样带不同高程土地类型面积占比

如图5所示,0～200m海拔高度上,冲积平原地面积最多,约占43.12%,低山地、海滩、海涂等占比均不到10%。在200～400m海拔高度上,低山地面积最大,约占56.21%,冲积洪积倾斜平原地面积最小,约占1.30%。在400～600m海拔高度上,低山地面积最大,占高程带总面积的74.23%,冲积洪积倾斜平原地占比最小,约占0.20%。在600～800m海拔高度上,低山地在该高程带上占比最大,为66.99%,丘陵地占比最小,为0.04%。在800～1000m海拔高度上,面积分布最大的为盆地,约占45.23%,中山地占比最小,约占13.17%。在1000～1200m海拔高度上,约占34.60%,河川沟谷地占比最小为13.35%。在1200～1400m海拔高度上,中山地的面积分布最大,约占59.49%,盆地在该高程带内分布面积最小,占1.80%。在1400～1600m海拔高度上,面积占比最大的为中山地,约占71.85%,面积最小的为亚高山地,占比约为0.26%。在1600～1800m海拔高度上,面积最大土地类型为中山地,占比为83.82%,面积占比最小的土地类型为盆地,占比为0.05%。在1800～2000m海拔高度上,面积最大的为中山地,约占87.78%,面积最小的土地类型为低山地,占比约为2.56%。在2000～2200m海拔高度上,面积分布最大的土地类型为中山地,占比为82.28%,面积最小的为河川沟谷地,占比为3.64%。在2200～2400m海拔高度上,面积分布最大的为中山地,占比约为61.15%,面积占比最小的为河川沟谷地,为2.04%。在2400～2600m海拔高度上,面积最大的为亚高山地,占比约为71.84%,面积占比最小的为河川沟谷地,为0.37%。在2600～2841m海拔高度上,亚高山地分布最大,占比约为92.36%,中山地占比为7.64%。

总体上,冲积洪积倾斜平原地在0～200m高程之间处于较高水平,在600m高程以上不存在冲积洪积倾斜平原地,冲积洪积倾斜平原地随高程的升高分布变少,说明冲积洪积倾斜平原地受高程的影响较大,冲积洪积倾斜平原地的适宜高程区间为0～200m;冲积平原地只分布在0～200m高程内,在200m海拔以上没有分布,说明冲积平原地受高程的影响较大,适宜高程区间为0～200m;低山地的分布面积随着海拔高度的增大,先逐渐增大后下降,在600～800m高程带上处于较高水平,在2400m以上没有分布,说明适宜低山地的高程在600～800m区间;低湿河湖洼地全部在0～200m海拔高度之间,200m海拔高度以上没有分布,说明低湿河湖洼地一般分布在高程区间0～200m内;海积平原地与海滩和海涂全部分布在0～200m高程区间内,在200m以上的高程梯度均没有分布,说明海滩和海涂的适宜高程区间为0～200m;河川沟谷地分布面积随海拔的升高先降低再升高再降低,在2600m以上没有分布,在0～200m和800～1000m高程区间内处于较高水平,因此,在0～200m和800～1000m高程之间是河川沟谷地的适宜区间;盆地主要分布于600～1800m高程区间,且在800～1200m区间处于较高水平,说明盆地适宜的高程区间为800～1200m;丘陵地分布面积随高程的增加逐渐较少,在800m以上没有分布,且在0～400m处于较高水平,说明丘陵地适宜高程区间为0～400m;亚高山地在1400m海拔高度以上才有分布,由于分布呈无规律状态,且研究区高程最大达到2841m,因此,不能确定亚高山地的适合高程区间;中山地在200m海拔高度以上随海拔高度的升高分布面积先增大后减小,在1200～1400m高程区间达到最大值,说明1200～1400m高程区间是中山地的适宜分布区。

3.3.3土地类型重心分布特征

将河北省典型样带各土地类型的矢量数据导入ArcGIS软件,依托空间统计工具中的平均中心功能计算出河北省典型样带各土地类型的重心。河北省典型样带土地类型中心分布特征见图6。

图6河北省典型样带土地类型重心空间分布图

由图6可知,盆地的重心在蔚县中部,亚高山地的重心在蔚县东部,中山地的重心在涞源县北部,低山地的重心在涞源县东北部,丘陵地的重心在易县中部偏东,河川沟谷地的重心在易县东部,冲积洪积倾斜平原地的重心在定兴县西部,低湿河湖洼地的重心在大城县北部,冲积平原地的重心在大城县中部,海积平原地重心在黄骅市中部,海涂和海滩重心在黄骅市东部。各土地类型的重心分布较为分散,说明各土地类型在空间上的聚集关系较小,这也是由于河北省典型样带特殊的自然环境所决定的。

4、结论与讨论

根据河北省地理特征,结合IGBP陆地样带的选取原则,选取河北省典型样带作为研究区,在综合区域各自然要素对其土地类型进行划分,并探究土地类型的数量分布与空间分布特征,为揭示河北地区土地自然要素的分布特征及规律提供参考,同时也为区域的土地综合整治及协调利用等工作提供依据。

在选取河北省典型样带的基础上,通过确定土地类型分类体系,对河北省典型样带土地类型进行划分,共划分出12种一级类型,60种二级类型。

数量分布中,河北省典型样带土地类型较丰富,且面积分布不均衡,各土地类型的面积相差很大,其中在一级土地类型中,冲积平原地的面积最大,亚高山地面积最小;在二级土地类型中,潮土冲积平原地面积最大,脱潮土低湿河湖洼地面积最小;且河北典型样带土地类型的分布总体呈西北部最复杂,随着地势与海拔的降低,越往东南部土地类型分布越简单。

河北省典型样带土地类型空间组合形式主要有阶梯式组合结构、镶嵌式组合、对称式组合、重复式组合和树枝状等5种空间组合结构;各土地类型在不同高程带分布较复杂,其中冲积洪积倾斜平原地、冲积平原地、低湿河湖洼地、海积平原地、海滩和海涂适宜高程区间为0～200m;低山地的适宜高程在600～800m区间;河川沟谷地的适宜高程区间为0～200m和800～1000m;盆地的适宜高程区间为800～1200m;丘陵地的适宜高程区间为0～400m;中山地的适宜高程区间是1200～1400m。土地类型重心分布中,各土地类型的重心分布较为分散,说明各土地类型在空间上的聚集关系较小。

综上所述,选取地形地貌及土壤条件对土地类型进行分类,全面分析了土地类型的数量及空间结构。河北省典型样带土地类型呈现规律性的空间分异,但同时具有数量多、地块小、组合较为复杂的特点,给土地开发整治带来一定难度。与传统的土地利用类型相比,基于土地自然属性的土地类型更加客观地表现出了形态结构及特征,可为农业生产规划和布局提供优化方案与依据。

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基金:河北省重点研发计划项目(18227511D);河北省社会科学基金项目(HB16YJ060).