基于土地利用變化圖譜的地形梯度效應(yīng)分析
——以洞庭湖區(qū)為例

金秋悅，譚潔，譚雪蘭

（1.湖南農(nóng)業(yè)大學(xué)風(fēng)景園林與藝術(shù)設(shè)計(jì)學(xué)院；2.湖南農(nóng)業(yè)大學(xué)資源環(huán)境學(xué)院）

1 引言

地形對(duì)區(qū)域水熱組合和能量收支平衡起著重要作用，并通過(guò)生態(tài)選擇性及人類活動(dòng)制約性，在一定程度上決定了土地利用結(jié)構(gòu)與空間分異[1]。近年來(lái)，學(xué)者們圍繞山區(qū)、流域、快速城市化區(qū)域和生態(tài)脆弱區(qū)開(kāi)展了大量土地利用的地形梯度效應(yīng)分析[2-5]，認(rèn)為地形因素在一定程度上對(duì)區(qū)域土地利用格局與空間結(jié)構(gòu)特征有重要影響。應(yīng)用地學(xué)信息圖譜可有效刻畫(huà)地形復(fù)雜區(qū)域的土地利用時(shí)空屬性與演變特征，實(shí)現(xiàn)土地利用類型分布與變化的時(shí)空屬性有機(jī)結(jié)合[6-7]。然而，利用地形位指數(shù)、分布指數(shù)等地形梯度因子分析土地利用空間結(jié)構(gòu)的研究還較少。

洞庭湖區(qū)具有較高的墾殖指數(shù)，是長(zhǎng)江中下游地區(qū)的重要生態(tài)屏障[8]。本文通過(guò)1996年～2016年洞庭湖區(qū)土地利用變化圖譜時(shí)空演變特征和變化規(guī)律，分析了不同地形梯度的土地利用類型分布和轉(zhuǎn)移特征。

2 研究區(qū)概況

洞 庭 湖 區(qū)（28°30′～30°20′N(xiāo)，110°40′～113°10′E）橫跨湖南和湖北兩省，以平原、丘陵地貌為主，湖區(qū)氣溫年變化大而晝夜變化小，年均氣溫約16.5℃～17.0℃，年平均降水量1200～1400mm[9]。

3 數(shù)據(jù)來(lái)源與研究方法

3.1 數(shù)據(jù)來(lái)源與處理

洞庭湖區(qū)1996年、2007年和2016年TM/ETM影像來(lái)自USGS網(wǎng)站，空間分辨率為30m，影像軌道號(hào)/行號(hào)分別為123/39、123/40、124/39、124/40，DEM數(shù)據(jù)來(lái)源于地理空間數(shù)據(jù)云。本文參考土地利用現(xiàn)狀分類國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)（GB/T21010-2007）及研究區(qū)實(shí)際情況，將研究區(qū)土地利用類型分為耕地、林地、草地、水域、建設(shè)用地、未利用地6類。經(jīng)精度檢驗(yàn)，Kappa系數(shù)分別為0.85、0.80、0.84，滿足研究需求。

3.2 地學(xué)信息圖譜分析法

在ArcGIS支持下，賦予三期土地利用類型000、00和0的數(shù)字代碼代碼，并將三期景觀類型的字段長(zhǎng)度規(guī)定為3、2、1。

式（1）中：T為圖譜，由三期景觀類型復(fù)合而成；T1、T2、T3分別表示各年度的景觀類型代碼。

利用ArcGIS，對(duì)土地利用圖譜單元類型進(jìn)行重組得到土地利用演變圖譜。參考相關(guān)研究[7]，將其分為穩(wěn)定型、前期變型、后期變化型、過(guò)渡型、持續(xù)變化型（見(jiàn)表1）。

表1 土地利用演變圖譜類型

3.3 土地利用動(dòng)態(tài)度

利用單一土地利用動(dòng)態(tài)度和綜合土地利用動(dòng)態(tài)度表征研究區(qū)域在一定時(shí)間段內(nèi)某一種和全部土地利用類型的變化速率[10]。

式（2）中：K為單一土地利用類型動(dòng)態(tài)度；Ux、Uy分別為研究初期和末期該種土地利用類型的面積；T為間隔的時(shí)間段。

式（3）中：LC是綜合土地利用動(dòng)態(tài)度；LUx為x類土地利用類型在初期的面積；ΔLUx-y為從第x類土地利用類型變化成為其他的土地利用類型的面積絕對(duì)值；n為土地利用類型的數(shù)量。

3.4 地形位指數(shù)法

地形位指數(shù)法可反映高程和坡度對(duì)景觀空間格局的綜合影響，是對(duì)地形差異的重新描述[7]。

式（4）中：T為地形位指數(shù)；E、S分別代表的是區(qū)域中某點(diǎn)的高程和坡度；-E、-S分別代表的是區(qū)域中高程和坡度的平均值。

通過(guò)式（4）轉(zhuǎn)換后，在區(qū)域內(nèi)空間的每一點(diǎn)上面都有一個(gè)地形位，結(jié)合研究區(qū)高程和坡度的數(shù)據(jù)，來(lái)計(jì)算得到地形位指數(shù)。本文采用重分類的自然斷點(diǎn)分析法將地形位指數(shù)劃分為4個(gè)梯度10個(gè)等級(jí)，低級(jí)（1-3級(jí)）、中低（4-6級(jí)）、中高（7-9級(jí)）、高（10級(jí)）。

3.5 分布指數(shù)法

分布指數(shù)可將地形因子對(duì)土地利用類型空間分布的影響簡(jiǎn)化為對(duì)地形位梯度上各土地利用類型出現(xiàn)的頻率的分析[11]。

式（5）中：P為分布指數(shù)；i表示第i種土地利用類型或圖譜類型；j表示第j級(jí)地形位；Si和Sij分別表示第i種土地利用類型或圖譜類型的總面積和第j級(jí)地形位的分布面積；Sj為第j級(jí)地形位的總面積；S為研究區(qū)總面積。

4 研究結(jié)果與分析

4.1 土地利用類型變化

由表2可見(jiàn)，耕地和林地是研究區(qū)主要土地利用類型，兩者在三個(gè)時(shí)期的面積之和占總面積的53.80%、56.00%、56.33%，其次為草地和水域，建設(shè)用地和未利用地的面積比例相對(duì)較少。1996年～2016年，耕地面積呈現(xiàn)持續(xù)上升趨勢(shì)；林地變化幅度相對(duì)較小，其面積隨時(shí)間推移波動(dòng)性上升；草地一直處于減少狀態(tài)。2007年～2016年變化幅度較大，下降2.59%；水域面積隨時(shí)間推移波動(dòng)性下降2.64%；建設(shè)用地增加4.80%；未利用地總體呈下降趨勢(shì)，到2016年減少至0.50%。1996年～2007年和2007年～2016年兩個(gè)時(shí)間段內(nèi)，整體土地利用動(dòng)態(tài)度分別為0.44%、0.33%，后期土地利用變化趨于緩慢。

表2 1996年～2016年土地利用變化

4.2 土地利用變化圖譜

表3表明，穩(wěn)定型是土地利用變化圖譜主要類型，集中分布在研究區(qū)中部，最大面積圖譜為耕地—耕地—耕地，占該圖譜的39.96%；其次為過(guò)渡型，主要分布在洞庭湖區(qū)沿岸，最大變化圖譜模式為耕地—草地—耕地，占該圖譜的18.59%；持續(xù)變化型面積為研究區(qū)第三大土地利用變化圖譜，主要分布在岳陽(yáng)縣西部與汨羅市北部，草地—耕地—建設(shè)用地為其主要變化圖譜模式，占此圖譜的6.84%；前期變化型和后期變化型面積分別占總面積的14.76%和14.91%，草地—耕地—耕地是前期變化型的主要變化模式，占此圖譜的20.39%，耕地—耕地—草地為后期變化型的主要變化模式，占此圖譜的15.57%。

表3 1996年～2016年土地利用類型變化圖譜

4.3 地形位指數(shù)計(jì)算與分級(jí)

表4表明，研究區(qū)以低和中低地形梯度為主，分別占研究區(qū)56.87%和31.54%，集中分布在1-5級(jí)，主要分布在洞庭湖區(qū)中部地區(qū)。在低、中低地形位中，3級(jí)面積最大，占比為24.27%，其次為2級(jí)，占比21.23%，1級(jí)、4級(jí)和5級(jí)分別占11.37%、17.41%和11.22%；中高地形梯度面積占比為7.67%，分布在研究區(qū)東部、西南部；高地形梯度面積占比為0.92%，主要分布在岳陽(yáng)縣東部地區(qū)。

表4 1996-2016年不同地形梯度土地面積統(tǒng)計(jì)

4.4 土地利用變化圖譜的分布指數(shù)

由圖1得，穩(wěn)定型圖譜的分布指數(shù)在地形位1～5級(jí)呈下降趨勢(shì)，6～10級(jí)呈上升趨勢(shì)并且上升幅度漸小，最終趨于穩(wěn)定，在地形位等級(jí)的1級(jí)和6～10級(jí)具有分布優(yōu)勢(shì)；前期變化型、后期變化型及連續(xù)變化類型信息圖譜的變化趨勢(shì)基本相似，隨著地形位級(jí)別的提高，呈現(xiàn)出先增幅后減小的趨勢(shì)，分布優(yōu)勢(shì)都集中在2～5級(jí)；過(guò)渡型景觀圖譜在1～10級(jí)地形位置分布的過(guò)渡指數(shù)變化不大，基本上分布均勻。

圖1 不同地形梯度土地利用類型圖譜分布

表5 1996年～2016年不同地形位梯度最大圖譜類型及分布指數(shù)

4.5 最大變化圖譜類型的地形梯度效應(yīng)

如表5所示，穩(wěn)定型圖譜在低、中高和高地形位上具有明布優(yōu)勢(shì)，低地形位最大圖譜為“水域—水域—水域”；在中高和高地形位上為“林地—林地—林地”。前期變化型圖譜在各個(gè)地形位上均有分布，“草地—耕地—耕地”和“耕地—林地—林地”分別為其低、高地形位上的最大圖譜。后期變化型圖譜中，“耕地—耕地—草地”、“林地—林地—耕地”分別為低、中低地形位和中高、高地形位最大圖譜。過(guò)渡型圖譜中，“耕地—草地—耕地”是低、中低地形位上的最大圖譜，“林地—草地—林地”為中高、高地形位最大圖譜。持續(xù)變化型圖譜中，“草地—耕地—林地”和“水域—耕地—林地”在低、中低地形位具有分布優(yōu)勢(shì)，“耕地—草地—林地”是高地形位最大圖譜。

5 結(jié)語(yǔ)

①1996年～2016年，洞庭湖區(qū)主要土地利用類型為耕地、林地和水域。耕地、林地和建設(shè)用地面積不斷增長(zhǎng)，草地、水域和未利用土地面積萎縮，草地和水域主要轉(zhuǎn)化為建設(shè)用地和耕地。

②“耕地—耕地—耕地”是土地利用變化面積最大的圖譜，前期變化型中最大圖譜為“草地—耕地—耕地”，后期變化型以“耕地—耕地—草地”為最大圖譜類型，過(guò)渡型最大的圖譜為“耕地—草地—耕地”，“草地—耕地—建設(shè)用地”是持續(xù)變化型最大圖譜。

③研究區(qū)以低和中低地形位為主，穩(wěn)定型圖譜分布指數(shù)在1～5級(jí)逐級(jí)減少，6～10級(jí)呈上升趨勢(shì)；前期變化型、后期變化型和持續(xù)變化型則相反，在2～5級(jí)呈上升趨勢(shì)，在6～10級(jí)逐級(jí)下降；過(guò)渡型分布指數(shù)相對(duì)穩(wěn)定。