基于GIS的紅壤丘陵小流域土地利用空間格局分析

代冬梅 田鋒

摘 要 借助GIS的空間分析功能，結(jié)合地形因子及人為干擾因素對紅壤丘陵區(qū)生態(tài)脆弱型小流域的土地利用情況進(jìn)行了分析。研究結(jié)果表明，地形因子和人為干擾因素對土地利用空間格局的影響較大，該地區(qū)形成了以林地為主，農(nóng)田、園地等為輔的土地利用空間格局，土地利用結(jié)構(gòu)隨著地形因子的變化而變化。對土地利用空間格局進(jìn)行分析，有助于該地區(qū)的土地利用結(jié)構(gòu)優(yōu)化，促進(jìn)區(qū)域土地資源的可持續(xù)利用。

關(guān)鍵詞 GIS;紅壤丘陵;小流域;土地利用格局

中圖分類號：Q149;F301.24 文獻(xiàn)標(biāo)志碼：B DOI：10.19415/j.cnki.1673-890x.2020.27.083

南方紅壤丘陵區(qū)是我國農(nóng)業(yè)生產(chǎn)發(fā)展?jié)摿ψ畲蟮牡貐^(qū)，也是生態(tài)脆弱帶。由于長期對土地資源的不合理利用，整個地區(qū)生態(tài)環(huán)境遭到嚴(yán)重破壞，土地退化不斷加劇[1-2]。土地利用空間格局對景觀結(jié)構(gòu)和生態(tài)過程有著重大的影響，對土地利用空間格局進(jìn)行分析是實現(xiàn)土地資源可持續(xù)利用的基礎(chǔ)[3-5]。基于此，運用GIS空間分析功能，對紅壤丘陵區(qū)典型小流域的土地利用空間格局進(jìn)行分析，擬通過分析地形因子和人為干擾因素對土地利用空間格局的影響，對該區(qū)域土地利用結(jié)構(gòu)調(diào)整和生態(tài)環(huán)境建設(shè)進(jìn)行科學(xué)引領(lǐng)和指導(dǎo)。

1 材料與方法

1.1 研究區(qū)概況

研究區(qū)域為贛江一級支流桃江流域崇墩溝，位于江西省信豐縣，地形屬低山丘陵地貌類型，河流沿岸地勢開闊。氣候?qū)賮啛釒駶櫦撅L(fēng)氣候，年降雨量1 517.3 mm。土壤類型主要為紅壤，其次是黃紅壤。地帶性森林植被屬常綠闊葉林，原生植被少。

1.2 數(shù)據(jù)處理與研究方法

1.2.1 數(shù)據(jù)處理

獲取信豐縣土地利用現(xiàn)狀數(shù)據(jù)（2017年），利用ARCGIS 10.2的空間分析功能，通過疊加分析、面積重算等，獲取研究區(qū)域的土地利用現(xiàn)狀數(shù)據(jù)。根據(jù)土地利用分類標(biāo)準(zhǔn)并結(jié)合研究區(qū)域土地利用特點，將研究區(qū)域土地利用類型劃分為：農(nóng)田、難利用地、有林地、低效林地、疏林地、未利用地、園地、采礦用地（稀土礦、采石場）、居民點和水域。

獲取研究區(qū)域1∶500現(xiàn)狀地形圖，利用ARCGIS10.2進(jìn)行數(shù)據(jù)格式轉(zhuǎn)換、建模及掩膜分析，獲取研究區(qū)域數(shù)字高程模型（DEM）。利用DEM提取研究區(qū)域高程、坡度、坡向，并根據(jù)其與土地利用的關(guān)系進(jìn)行分級。依據(jù)高程，將研究區(qū)域分為184～295 m的低丘、295～395 m的中丘，395～495 m的高丘;依據(jù)坡度，分為小于3°的平地、3°～5°的緩平地、5°～8°的緩坡地、8°～15°的斜坡地、15°～25°的緩陡坡和大于25°的陡坡地;依據(jù)坡向，分為無坡地、陰坡和陽坡。

1.2.2 研究指標(biāo)

從景觀類型的結(jié)構(gòu)與變化、景觀穩(wěn)定性、景觀異質(zhì)性幾個方面對研究區(qū)域景觀格局特征進(jìn)行分析。結(jié)構(gòu)和變化特征選擇土地利用類型斑塊的數(shù)量（N）、面積（A）、周長（L）以及所占百分比（P）進(jìn)行描述;景觀穩(wěn)定度特征數(shù)據(jù)為分形維數(shù)（F）;景觀異質(zhì)性特征數(shù)據(jù)為景觀破碎度（I）、景觀多樣性指數(shù)（H）、景觀優(yōu)勢度指數(shù)（D）[6-9]。

2 結(jié)果與分析

2.1 流域土地利用空間分布特征分析

山區(qū)小流域中，高程、坡度、坡向等地形因子對農(nóng)業(yè)小氣候和土地利用方式、方向有著重要的影響，所以分析坡度、坡向和高程對于小流域土地利用結(jié)構(gòu)調(diào)整及農(nóng)業(yè)生態(tài)環(huán)境建設(shè)具有比較重要的意義[10-11]。將研究區(qū)域土地利用現(xiàn)狀圖與提取的地形因子進(jìn)行疊加分析，獲取基于不同地形因子的土地利用分布。

2.1.1 基于高程分級的土地利用分析

高程通過改變降雨、氣溫等農(nóng)業(yè)生產(chǎn)氣候因子來影響山區(qū)土地資源的投入產(chǎn)出及利用效率。將土地利用現(xiàn)狀圖和DEM進(jìn)行疊加發(fā)現(xiàn)，各土地利用類型隨著海拔高度的增加具有非常明顯的層次：小于295 m的低丘土地占流域面積的64.77%，有林地、農(nóng)田和低效林地在該區(qū)域分布的相對比例較大;295～395 m的中丘土地占流域面積的32.74%，有林地、未利用地在該區(qū)域分布的相對比例較大;大于395 m的高丘土地占流域面積的2.49%，全部為有林地。從各地類看，除有林地外，其余地類均大部分分布于小于295 m的低丘土地。

2.1.2 基于坡度分級的土地利用分析

坡度的大小制約著土壤侵蝕量的強(qiáng)弱，決定著水土保持措施的布設(shè)方式等，并影響著農(nóng)機(jī)具的使用功力[12]。將土地利用現(xiàn)狀圖和DEM進(jìn)行疊加得到：坡度小于3°的平地面積占流域的3.47%，主要分布農(nóng)田、有林地和居民點;3°～5°的緩平地面積占流域1.47%，主要分布農(nóng)田、有林地和未利用地;5°～8°的緩坡地面積占流域6.73%，主要分布農(nóng)田、有林地和未利用地;8°～15°的斜坡地面積占流域21.55%，主要分布有林地、農(nóng)田和低效林地;15°～25°的緩陡坡地面積占流域38.05%，主要分布有林地、農(nóng)田和未利用地;大于25°的陡坡地面積占流域28.73%，主要分布有林地、未利用地和低效林地。從各地類看，農(nóng)田、難利用地、水域和居民的點主要分布于15°以下;未利用地、園地、有林地、低效林地、疏林地、采礦用地主要位于15°以上。

2.1.3 基于坡向分級的土地利用分析

坡向通過影響地面水熱狀況和植被的分布，從而影響土地利用類型和侵蝕強(qiáng)度[13]。將土地利用現(xiàn)狀圖和DEM進(jìn)行疊加得到：無坡地上主要分布農(nóng)田和居民點;陽坡地主要分布農(nóng)田、園地、未利用地，這主要與水熱狀況導(dǎo)致的人類利用有關(guān);有林地分布比較平均，但陰坡略大于陽坡;疏林地與低效林地方向性較明顯，以陰坡為主。一般而言，南向坡地所獲得的太陽輻射量大于平地，平地大于北向坡地。由此看出，研究區(qū)域土地利用的坡向性比較符合自然規(guī)律。

2.2 流域景觀格局特征分析

流域景觀格局是流域范圍內(nèi)自然與人類社會活動相互作用、相互影響的陸地生態(tài)系統(tǒng)的基本單元，是流域內(nèi)的各土地利用類型斑塊以一定規(guī)律鑲嵌組合而成的具有一定結(jié)構(gòu)和功能的有機(jī)體，是景觀異質(zhì)性的重要表現(xiàn)[14]。對流域景觀格局的研究將有利于了解景觀格局與自然、生態(tài)過程和社會經(jīng)濟(jì)活動之間的關(guān)系，對流域土地資源合理利用，景觀生態(tài)設(shè)計、土地利用規(guī)劃和控制水土流失方面具有重要意義[15]。

2.2.1 分形維數(shù)

通過計算，研究區(qū)各土地類型的分維數(shù)均在1.5左右，表明區(qū)域內(nèi)土地斑塊自相似性弱，形狀無規(guī)律，景觀要素不穩(wěn)定。園地的值最接近臨界值是因為近年來臍橙種植成為當(dāng)?shù)刂饕a(chǎn)業(yè)，果園數(shù)量逐漸增加，其受人為因素干擾最強(qiáng);有林地由人工營造的針葉林和封育的天然次生林構(gòu)成，受人為因素的干預(yù)較大，其值也比較大。

2.2.2 斑塊密度

研究區(qū)內(nèi)各土地類型的斑塊密度差異較大，在0.000 6～0.039 8個/hm2，表明了該區(qū)土地利用景觀被分割變化的程度較大，空間異質(zhì)性較復(fù)雜。其中，有林地、園地、農(nóng)田的斑塊密度值較大，表明其破碎度較高、空間異質(zhì)性大。

2.2.3 景觀多樣性

研究區(qū)各土地類型的景觀多樣性指數(shù)排序為：有林地>農(nóng)田>未利用地>低效林地>園地>采礦用地>居民點>疏林地>難利用地>水域。有林地和農(nóng)田因受地形因子和人為因素較強(qiáng)的影響，景觀多樣性指數(shù)較高;園地、采礦用地和居民點雖然受地形因子影響較小但人為因素影響較強(qiáng)，景觀多樣性指數(shù)較高;疏林地、難利用地、水域受人為因素和地形因子的影響較小，景觀多樣性指數(shù)較低。

2.2.4 景觀優(yōu)勢度指數(shù)

研究區(qū)各土地類型的相對重要性指數(shù)排序為：有林地>農(nóng)田>未利用地>低效林地>采礦用地>園地>疏林地>居民點>難利用地>水域。有林地和農(nóng)田在研究區(qū)的重要性較高，反映了該流域是以農(nóng)林生態(tài)系統(tǒng)為主的小流域;低效林地、采礦用地和園地的值也較大，說明人為干擾因素對區(qū)域土地利用變化影響較大。

3 結(jié)論

研究結(jié)果表明，區(qū)域土地利用空間格局與地形因子和人為干擾因素關(guān)系密切。各地類分布隨地形因子的變化而變化，隨人為干擾因素強(qiáng)度變化而變化。對不同地形地貌，應(yīng)采取針對性措施，調(diào)整土地利用空間格局，促進(jìn)土地資源可持續(xù)利用。高程低于295 m的低丘，坡度小于15°的，應(yīng)改善基礎(chǔ)設(shè)施，建設(shè)基本農(nóng)田;坡度15°～25°的，應(yīng)大力實施坡改梯工程;坡度大于25°的，堅決退耕還林還草。高程大于295 m的中高丘，對林地應(yīng)采取封育、撫育等保護(hù)措施;對農(nóng)用地采取坡改梯、水平溝建設(shè)等;對陡坡地進(jìn)行退耕還林還草措施。

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（責(zé)任編輯：趙中正）