基于地形起伏度的耕地與聚落耦合關(guān)系演變研究
——以都江堰市為例

王會(huì)豪， 任 平*, 張智波

(1. 四川師范大學(xué) 西南土地資源評(píng)價(jià)與監(jiān)測(cè)教育部重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室, 四川 成都 610066;2. 四川師范大學(xué) 地理與資源科學(xué)學(xué)院, 四川 成都 610066)

基于地形起伏度的耕地與聚落耦合關(guān)系演變研究
——以都江堰市為例

王會(huì)豪1,2， 任 平1,2*, 張智波1,2

(1. 四川師范大學(xué) 西南土地資源評(píng)價(jià)與監(jiān)測(cè)教育部重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室, 四川 成都 610066;2. 四川師范大學(xué) 地理與資源科學(xué)學(xué)院, 四川 成都 610066)

基于DEM數(shù)據(jù)提取都江堰市地形起伏度，利用都江堰市2005年與2011年耕地、聚落數(shù)據(jù)，借助ArcGIS軟件平臺(tái)，定量分析了都江堰市耕地、聚落及耕地-聚落耦合類型的時(shí)空分布特征及其分異規(guī)律.結(jié)果表明：1) 都江堰市的地形起伏度以平原為主、臺(tái)地和丘陵次之，山地面積較小；2) 耕地、聚落在平原地區(qū)分布面積最大，并且隨地形起伏度的增加不斷減少；3) 耕地偏少型主要分布在城區(qū)及建制鎮(zhèn)，耕地偏多型主要分布在臺(tái)地地區(qū)，耕地—聚落均衡類型主要分布在都江堰市城區(qū)周邊；4) 在不同地形起伏度上，以小起伏山地為界，耕地—聚落不同耦合類型在平原、臺(tái)地、丘陵地區(qū)變化較明顯，耕地偏少型都處于增加趨勢(shì)，而其它類型則都處于減少趨勢(shì)，在小起伏山地至極大起伏山地地區(qū)，各類型的變化幅度小且變化的趨勢(shì)比較復(fù)雜.

地形起伏度； 耕地； 聚落； 空間耦合； 都江堰市

耕地是人類最基本的生產(chǎn)資料，是人類賴以生存與發(fā)展的物質(zhì)基礎(chǔ)，在我國(guó)人多地少的實(shí)際國(guó)情下耕地資源顯得尤為重要[1].對(duì)耕地的研究一直是地理學(xué)研究的熱點(diǎn)之一，特別是隨著我國(guó)經(jīng)濟(jì)社會(huì)的快速發(fā)展、工業(yè)化的加速推進(jìn)，耕地資源不可避免地被大量占用，對(duì)耕地資源的研究成果不斷增多，研究?jī)?nèi)容主要集中在耕地的時(shí)空分布特征[2-3]、景觀格局變化特征[4]、耕地變化軌跡及驅(qū)動(dòng)力分析[5-8]、耕地非農(nóng)化及保護(hù)對(duì)策[9-11]等方面.聚落是人類生產(chǎn)、生活的主要場(chǎng)所，按其人口規(guī)模與用地性質(zhì)可以分為城市聚落與鄉(xiāng)村聚落[12].目前大部分研究主要集中在耕地或聚落本身，而探討耕地與聚落間耦合關(guān)系的研究則較為少見.耕地和聚落受人類活動(dòng)的影響均比較深刻且二者間關(guān)系比較密切，特別是近年來，隨著我國(guó)城鎮(zhèn)化的快速推進(jìn)，聚落面積迅速向外擴(kuò)張，大量耕地被聚落用地侵占，耕地資源在城鎮(zhèn)化過程中呈現(xiàn)銳減趨勢(shì)，雖然我國(guó)實(shí)行了世界上最嚴(yán)格的耕地保護(hù)制度，但并沒有從根本上遏制住耕地不斷減少的態(tài)勢(shì)，耕地與聚落之間的矛盾日益尖銳.

都江堰市位于成都市西北部，地跨龍門山和成都平原岷江沖積扇扇頂部位，境內(nèi)地形地貌復(fù)雜多樣，耕地、聚落空間分布差異明顯，對(duì)其進(jìn)行研究具有重要的現(xiàn)實(shí)指導(dǎo)意義.本文以都江堰市為例，基于地形起伏度，運(yùn)用GIS空間分析方法，探究了都江堰市耕地、聚落的時(shí)空演變特征，并揭示了耕地與聚落耦合關(guān)系的時(shí)空分異規(guī)律，試圖為都江堰市耕地與聚落的協(xié)調(diào)發(fā)展提供科學(xué)參考.

1 研究區(qū)概況

都江堰市位于北緯31°44′54″～31°02′9″，東經(jīng)103°25′42″～103°47′0″之間，轄區(qū)總面積1 208 km2，下轄19個(gè)鄉(xiāng)鎮(zhèn)與一個(gè)街道辦事處.地勢(shì)西北高，東南低，山地、丘陵、臺(tái)地和平原呈階梯分布，受地貌類型影響，耕地與聚落主要集中分布在東南部地區(qū)的丘陵、臺(tái)地、平原區(qū)，山地地區(qū)分布較少.近年來都江堰市經(jīng)濟(jì)社會(huì)發(fā)展迅速，2014年全市實(shí)現(xiàn)地區(qū)生產(chǎn)總值251.58億元，同比增長(zhǎng)8%，城鎮(zhèn)化率超50%，但人均耕地面積僅0.042 hm2，低于聯(lián)合國(guó)糧農(nóng)組織(FAO)劃定的0.053 3 hm2人均耕地警戒線，人地矛盾比較突出.

2 數(shù)據(jù)來源與研究方法

2.1 數(shù)據(jù)來源及處理 本文使用的數(shù)據(jù)包括都江堰市DEM數(shù)據(jù)(30 m×30 m)、都江堰市2005年、2011年土地利用現(xiàn)狀數(shù)據(jù)以及都江堰市鄉(xiāng)鎮(zhèn)級(jí)行政區(qū)劃矢量圖.首先利用ArcGIS 10.1參照國(guó)土資源部頒布的《第二次全國(guó)土地利用現(xiàn)狀調(diào)查技術(shù)規(guī)程》(TD/T1014—2007)，將都江堰市土地利用類型分為耕地、園地、林地、草地、聚落用地、采礦風(fēng)景名勝及特殊用地、交通運(yùn)輸用地、水域及水利設(shè)施用地、其它用地，并從中提取都江堰市耕地、聚落圖斑，最終得到本研究所需基礎(chǔ)數(shù)據(jù).

2.2 研究方法

2.2.1 地形起伏度的提取 地形起伏度是描述一個(gè)區(qū)域地形特征的指標(biāo)之一，是指在這個(gè)區(qū)域內(nèi)海拔高差與地表切割程度的綜合特征[13]，其計(jì)算公式為

Hij=hij,max-hij,min,

i=1，2，3…n, j=1，2，3…n,

其中，Hij為該鄰域內(nèi)的高差，hij為鄰域內(nèi)每一個(gè)像元的高程值，hij,max為鄰域內(nèi)最高像元的高程值，hij,min為鄰域內(nèi)最低像元的高程值，由此得到網(wǎng)格單元n×n(2×2,3×3，…，15×15)與地形起伏度間的關(guān)系.

2.2.2 最佳統(tǒng)計(jì)單元的計(jì)算 關(guān)于最佳統(tǒng)計(jì)單元的確定，部分學(xué)者將像元網(wǎng)格面積與對(duì)應(yīng)分析窗口中的平均起伏度數(shù)值生成曲線，采用目視判斷法[14]確定最佳統(tǒng)計(jì)單元，但其缺陷在于受主觀影響大;本文采用均值變點(diǎn)法[15-16]確定都江堰市的最佳統(tǒng)計(jì)單元，利用ArcGIS10.1中的焦點(diǎn)統(tǒng)計(jì)工具對(duì)DEM數(shù)據(jù)進(jìn)行矩形窗口分析，以n×n像元作為模板算子，從2×2開始，首先計(jì)算像元內(nèi)的最大值并記為專題層Max，接著計(jì)算最小值并記為專題層Min，然后利用柵格計(jì)算器計(jì)算最大值與最小值的差值，得到2×2像元地勢(shì)起伏度專題層，在計(jì)算過程中記錄網(wǎng)格面積的大小與平均起伏度數(shù)值，如此循環(huán)一直計(jì)算到15×15，經(jīng)過計(jì)算最終確定都江堰市最統(tǒng)計(jì)窗口為4×4，由此得到都江堰市的地形起伏度.

3 研究結(jié)果

3.1 都江堰市地形起伏度規(guī)律分析 在ArcGIS10.1支持下，首先對(duì)4×4窗口下提取的都江堰市地形起伏度進(jìn)行校準(zhǔn)，然后依據(jù)我國(guó)1∶10×105地貌圖制圖規(guī)范[17]將都江堰市地形起伏度劃分為7個(gè)等級(jí)：平原(≤30m)、臺(tái)地(31～70m)、丘陵(71～200 m)、小起伏山地(201～500 m)、中起伏山地(501～1 000 m)、大起伏山地(1 000～2 500 m)、極大起伏山地(≥2 500 m)，如圖1和表1所示.

圖 1 都江堰市高程和地形起伏度分級(jí)

由圖1和表1可知,都江堰市地形起伏度空間分布差異明顯：極大、大、中、小起伏度山地主要分布在北部及西部地區(qū)，丘陵、臺(tái)地集中分布在中部地區(qū)，平原主要分布在東南部以及地勢(shì)較低的山麓與溝谷地區(qū).整體而言，都江堰市地形起伏度主要以平原為主，臺(tái)地和丘陵次之.其中，平原所占比例最大為43.27%，臺(tái)地占30.85%，丘陵占22.04%，小、中、大起伏山地分別占1.89%、1.17%、0.76%，極大起伏山地所占比例最小為0.02%.說明都江堰市地形起伏度較大，地形地貌復(fù)雜多樣，山地、丘陵、平原等均有分布，其原因在于都江堰市北部及西部處于龍門山區(qū)，而東南部地區(qū)處于成都平原沖積扇.

3.2 都江堰市耕地時(shí)空分異特征 在ArcGIS技術(shù)支持下，將都江堰市地形起伏度圖層與2005年、2011年耕地斑塊圖層疊加(圖2)，并統(tǒng)計(jì)出各地形起伏度上耕地的分布情況，如表2所示.

圖 2 都江堰市2005年和2011年不同地形起伏度下耕地分布

從圖2和表2可知，以小起伏山地為界，隨著海拔不斷升高，都江堰市的耕地面積在不同地形起伏度上的變化大致呈先減少后增加的趨勢(shì);超過99%的耕地分布在平原、臺(tái)地和丘陵3大地形起伏度單元，其中，全市近90%的耕地都分布在平原地區(qū)，分布在臺(tái)地、丘陵的耕地面積依次減少；小起伏山地及以上地形起伏度單元內(nèi)盡管也有耕地分布，但面積很小，不足全市耕地面積的0.2%.2011年與2005年相比，耕地的變化也主要發(fā)生在平原、臺(tái)地和丘陵地區(qū)，其中，平原地區(qū)的耕地凈減少最多，達(dá)2 474.50 hm2；臺(tái)地和丘陵的耕地變化則表現(xiàn)為凈增加，分別為24.85 hm2和33.20 hm2，其耕地變化的絕對(duì)值遠(yuǎn)遠(yuǎn)小于平原地區(qū)；其它地形起伏度單元下的耕地則變化不大.

3.3 都江堰市聚落時(shí)空分異特征 在ArcGIS技術(shù)支持下，將都江堰市地形起伏度圖層與2005年、2011年聚落斑塊圖層疊加(圖3)，并統(tǒng)計(jì)出各地形起伏度上聚落的分布情況，如表3所示.

圖 3 都江堰市2005年和2011年不同地形起伏度下聚落分布

由圖3和表3可知，隨著海拔不斷升高，都江堰市聚落在各地形起伏度上的分布面積不斷減少，超過99%的聚落分布在平原、臺(tái)地與丘陵地區(qū)，其中全市近85%的聚落都分布在平原地區(qū)，10%左右的聚落分布在臺(tái)地地區(qū)，2%左右的聚落分布在丘陵地區(qū).在小、中、大、極大起伏山地上雖有聚落分布，但面積很小，總和不足全市聚落總面積的0.2%.2011年與2005年相比，都江堰市的聚落面積在各地形起伏度上都有所增加，增加量主要發(fā)生在平原地區(qū)，達(dá)2 986.29 hm2;臺(tái)地、丘陵地區(qū)的增加量次之，分別為554.70、174.51 hm2;小、中、大起伏山地地區(qū)的增加量較小,分別為6.70、4.93、12.35 hm2;極大起伏度山地增加量最小,僅為0.12 hm2.

3.4 耕地聚落耦合類型時(shí)空分異特征 為定量表征都江堰市耕地與聚落的空間組合關(guān)系，本文運(yùn)用耕地與聚落面積比指數(shù)(K)[18]分析二者間的耦合關(guān)系.計(jì)算方法為研究單元內(nèi)耕地面積與聚落面積之比.該指數(shù)可以反映研究區(qū)域內(nèi)耕地資源的豐缺程度與人地矛盾問題:比值越大說明研究區(qū)內(nèi)的耕地資源比較豐富，人地矛盾比較緩和;反之,則說明耕地資源比較緊缺，人地矛盾比較尖銳.由于耕地與聚落空間分布的差異形成了不同耕地聚落耦合類型，為合理確定耕地—聚落耦合類型的劃定標(biāo)準(zhǔn).本文將世界糧農(nóng)組織劃定的人均耕地警戒線533 m2作為耕地緊缺閥值,現(xiàn)有世界人均耕地面積1 920 m2作為耕地盈余閥值,將《國(guó)家新型城鎮(zhèn)化規(guī)劃(2014—2020)》規(guī)定人均建設(shè)用地范圍[19](城市人均100 m2、農(nóng)村人均150 m2，城市化率為60%，折算后人均約130 m2)作為緊缺閥值,現(xiàn)有世界人均建設(shè)用地面積83 m2作為盈余閥值[12]，根據(jù)耕地與聚落面積比指數(shù)計(jì)算得到K的盈余值為23.1、緊缺值為4.1.據(jù)此將都江堰市耕地—聚落耦合類型劃分為耕地偏多型、耕地偏少型，介于二者之間則為耕地—聚落均衡型.

由于都江堰市的行政區(qū)劃面積差異較大，以此研究都江堰市耕地聚落耦合類型的空間差異，無法準(zhǔn)確揭示其分布規(guī)律[20]，本文依據(jù)都江堰市面積的大小，采用1 km×1 km的格網(wǎng)做為研究單元[21]，意義在于其空間粒度大大小于行政單元，所揭示的地理事物的詳盡程度比基于行政單元分析的結(jié)果詳盡的多[22].在ArcGIS技術(shù)支持下，得到覆蓋都江堰市的格網(wǎng)，最后將格網(wǎng)圖層與耕地、聚落圖層疊加，分別計(jì)算每個(gè)格網(wǎng)內(nèi)的耕地面積與聚落面積的比值，并依據(jù)上述標(biāo)準(zhǔn)劃分為不同的類型，如圖4所示，最后將都江堰市耕地—聚落耦合類型圖層與都江堰市起伏度圖層疊加得到不同地形起伏度上耕地—聚落耦合類型分布狀況，如表4所示.

圖 4 都江堰市2005年和2011年耕地—聚落耦合類型分布

Fig. 4 Coupling type of settlements and cultivated lands distribution in 2005 and 2011 in Dujiangyan City

由圖4可知，都江堰市耕地—聚落耦合類型空間分布差異明顯，且隨著時(shí)間的推移發(fā)生著顯著的變化.耕地偏少類型區(qū)集中分布在都江堰市主城區(qū)及各建制鄉(xiāng)鎮(zhèn)且面積顯著增加，主要以中心城區(qū)向周邊擴(kuò)張，尤以向東南部及南部地區(qū)擴(kuò)張最為明顯；耕地—聚落均衡類型區(qū)主要分布在都江堰城區(qū)周邊且分布面積明顯減少；耕地偏多類型區(qū)主要分布在都江堰市主城區(qū)的東北、西北及西南部地區(qū)，即臺(tái)地地區(qū)較多，且數(shù)量有所減少；無耕地或聚落分布類型區(qū)主要分布在都江堰市北部地區(qū)，西部地區(qū)分布較少，整體處于減少趨勢(shì).

表 4 都江堰市2005年和2011年不同地形起伏度下耕地—聚落耦合類型

由表4可知，都江堰市耕地—聚落耦合類型在不同地形起伏度上分布差異明顯，并隨著時(shí)間的推移也發(fā)生著較顯著的變化：

1) 2005年，從整體上來看，耕地偏少型、耕地—聚落均衡型、耕地偏多型以及無耕地或聚落分布的面積分別占全區(qū)總面積的30.37%、33.35%、5.17%和31.09%，耕地偏多型明顯處于劣勢(shì)地位，說明都江堰市的人地矛盾較為突出，其他3種類型的面積比例基本相當(dāng).從不同地形起伏度下的耦合類型來看，平原地區(qū)耕地—聚落均衡型占主導(dǎo)地位，面積比例占到了全區(qū)總面積的近1/4；其次是平原地區(qū)的耕地偏少型和丘陵地區(qū)無耕地或聚落的分布情況，其面積占比均在15%左右；臺(tái)地也存在相當(dāng)數(shù)量的耕地偏少型與無耕地或聚落分布的情況，其面積占比也大致相當(dāng)，分別為10.15%和11.02%.另外，隨著海拔的不斷升高，耕地偏少型與耕地—聚落均衡型在平原至丘陵這一地形起伏度變化范圍內(nèi)，其面積占比出現(xiàn)了明顯的下降趨勢(shì)，進(jìn)入山地以后，在小、中、大起伏山地范圍內(nèi)，保持低位穩(wěn)定，而至極大起伏山地則幾乎沒有分布.耕地偏多型以及無耕地或聚落分布的情形則表現(xiàn)出與前兩者不同的變化趨勢(shì)：(a) 以臺(tái)地為界，耕地偏多型的面積占比呈現(xiàn)出先上升后下降，然后趨于穩(wěn)定，并最終消失的緩波峰變化形態(tài)；(b) 而無耕地或聚落分布的情形，則是以丘陵為界，先后經(jīng)歷了急劇上升、平緩上升、急劇下降、平緩下降直至消失的陡波峰變化趨勢(shì).

2) 2011年，耕地偏少型、耕地—聚落均衡型、耕地偏多型以及無耕地或聚落分布的面積分別占全區(qū)總面積的41.05%、24.95%、3.72%、30.28%，其中，耕地偏少型所占比例最大，耕地偏多型比例最小.從不同地形起伏度下的耦合類型來看，平原地區(qū)耕地偏少型所占比例最大為23.08%，耕地—聚落均衡型、無耕地或聚落分布分別為17.72%、1.17%，耕地偏多型所占比例最小為0.99%.臺(tái)地、丘陵地區(qū)無耕地或聚落分布、耕地偏少型所占比例較大，其它類型所占比例則相對(duì)較小.在山地地區(qū)4種類型均有分布，但所占比例較小且相差不大.

3) 2011年與2005年相比，總體而言，耕地—聚落不同耦合類型在不同地形起伏度上均有變化，但變化幅度又不盡相同.耕地偏少型與耕地—聚落均衡型變化幅度比較大，分別由2005年的30.37%、33.35%變?yōu)?011年的41.05%、24.95%，而耕地偏多型與無耕地或聚落分布型的變化則相對(duì)比較小.從不同的地形起伏度下的耦合類型看，以小起伏山地為界，平原地區(qū)耕地偏少型增加幅度最大為7.33%，耕地—聚落均衡型減小幅度最大為6.63%，其它兩種類型變化幅度較小.臺(tái)地與丘陵地區(qū)耕地偏少型都處于增加趨勢(shì)，而其它3種類型都處于減少趨勢(shì).進(jìn)入山地后，隨著地形起伏度的增大，耕地—聚落耦合各類型的變化趨勢(shì)雖不盡相同但變化的幅度都不大，耕地偏少型在不同起伏度山地地區(qū)都處于增加趨勢(shì)，而無耕地或聚落分布類型則都處于減少趨勢(shì)，耕地偏多型與耕地—聚落均衡型的變化趨勢(shì)則不具規(guī)律性.

4 結(jié)論

本文利用都江堰市2005年與2011年的耕地、聚落數(shù)據(jù)，基于地形起伏度，分析了都江堰市耕地、聚落的時(shí)空分異特征，并在此基礎(chǔ)上探究了耕地—聚落耦合類型的時(shí)空演變特征，結(jié)論如下：

1) 都江堰市的地形起伏度空間分布差異明顯，平原、臺(tái)地和丘陵面積占全市面積的96%以上且主要分布在都江堰市的東南部地區(qū)，而山地面積不足全市面積的4%，主要分布在都江堰市的北部及西部地區(qū).

2) 都江堰市的耕地主要分布在東南部的平原地區(qū)，占全市耕地總面積的89%以上，臺(tái)地、丘陵地區(qū)次之，隨著海拔的不斷升高，耕地的分布面積不斷減少，2011年與2005年相比，耕地的變化也主要發(fā)生在平原、臺(tái)地和丘陵地區(qū)，其它地形起伏度單元下的耕地則變化不大，表明地形對(duì)耕地資源的分布具有顯著影響.

3) 都江堰市超過99%的聚落分布在平原、臺(tái)地與丘陵地區(qū)，在山地地區(qū)雖有聚落分布，但面積很小，且隨著時(shí)間的推移，在各地形起伏度地形區(qū)，聚落的面積都處于增加趨勢(shì).

4) 從空間分布看，2005年與2011年都江堰市耕地—聚落耦合類型發(fā)生了顯著的變化，耕地偏少類型區(qū)主要分布在城區(qū)及建制鎮(zhèn)且不斷向外擴(kuò)張，耕地—聚落均衡類型區(qū)主要分布在都江堰城區(qū)周邊且分布面積明顯減少，耕地偏多類型區(qū)主要分布在都江堰市城區(qū)的東北、西北及西南部地區(qū)，無耕地或聚落分布類型區(qū)主要分布在都江堰市北部地區(qū)，且面積都有所減少；從耕地—聚落不同耦合類型在不同地形區(qū)上的變化結(jié)果及趨勢(shì)看，耕地—聚落不同耦合類型在平原、臺(tái)地、丘陵地區(qū)變化較明顯，耕地偏少型都處于增加趨勢(shì)，而其它類型則都處于減少趨勢(shì)，在小起伏山地至極大起伏山地地區(qū)，各類型的變化幅度較小且增加或減少的趨勢(shì)比較復(fù)雜.

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(編輯 周 俊)

Research on the Development of the Coupling Relationship between Cultivated Lands and Settlements Based on Relief Amplitude: Take the Case of Dujiangyan City

WANG Huihao1,2, REN Ping1,2, ZHANG Zhibo1,2

(1.KeyLaboratoryofLandResourcesEvaluationandMonitoringinSouthwestofMinistryofEducation,SichuanNormalUniversity,Chengdu610066,Sichuan; 2.GeographyandResourcesScienceCollege,SichuanNormalUniversity,Chengdu610066,Sichuan)

Based on the extracted relief amplitude from DEM data and the data of cultivated lands and settlements in 2005 and 2011 of Dujiangyan City, and the use of ArcGIS software, this paper gave a quantitative analysis of the spatiotemporal distribution and its difference law of cultivated lands, settlements and the coupling type of settlements and cultivated lands. The results are as follow: 1) among the relief amplitude zone in Dujiangyan City, the plain covers the largest area, and mesa and hills second, and the mountains is the smallest; 2) in the plain, the area of cultivated lands and settlements is the largest, and decreases with the increase of relief amplitude; 3) the urban and the organic town have the less cultivated lands which mainly distribute in the mesa area and the balanced type of settlements and cultivated lands are mostly located in the surroundings of Dujiangyan City; 4) in the interior of each kind of landscape in every relief zone, take the low relief amplitude mountain as a boundary, the different coupling patterns of cultivated lands and settlements in plain, mesa and hills have a significant change. The type of more cultivated lands tends to increase and other types are decreasing. From the low relief amplitude mountain to the higher, each type varies within a small range and has a complex changing trend.

relief amplitude; cultivated lands; settlement; spatial coupling; Dujiangyan City

2016-06-18

國(guó)家自然科學(xué)基金(40301196)

K901

A

1001-8395(2017)04-0536-08

10.3969/j.issn.1001-8395.2017.04.018

*通信作者簡(jiǎn)介：任 平(1978—),男,教授,主要從事國(guó)土資源管理與生態(tài)環(huán)境效應(yīng)的研究,E-mail:pren121680@126.com