閬中市土地利用的地形梯度效應(yīng)及空間分形特征分析

蔣良群，舒成強,2*，劉 輝,2，馮建平

(1.西華師范大學地理科學學院， 四川 南充 637009;2.四川省干旱河谷土壤侵蝕監(jiān)測與控制工程實驗室， 四川 南充 637009)

土地利用/覆被變化(Land Use and Land Cover Change，LUCC)體現(xiàn)了人對地表作用過程及地表系統(tǒng)的響應(yīng)，是全球變化的重要環(huán)節(jié)，影響著人類社會可持續(xù)發(fā)展[1]。而地形在一定程度上制約著人類社會經(jīng)濟活動，間接影響著土地利用結(jié)構(gòu)及其空間格局分布[2-4]。相關(guān)研究顯示，土地利用類型分布與地形梯度有著顯著關(guān)系[5]，在某個區(qū)域范圍內(nèi)，某種土地利用類型在地形梯度上的空間格局有著一定的規(guī)律，分布相對穩(wěn)定[6]。土地利用結(jié)構(gòu)是某個區(qū)域在一定時間范圍內(nèi)的土地利用狀況的反映，與地方社會經(jīng)濟活躍程度、經(jīng)濟發(fā)展水平有著直接聯(lián)系。通過研究區(qū)域土地利用類型的空間分布和分形特征，可以分析土地利用結(jié)構(gòu)的自相關(guān)性、復(fù)雜性及其穩(wěn)定性[7]。分形理論最早由法國數(shù)學家Mandelbrot提出，是局部結(jié)構(gòu)以某種方式和整體相似的形，可以對具有標度不變性的特征進行統(tǒng)計計算，是對空間特征的定量分析[8-9]。通過對土地利用的地形梯度效應(yīng)結(jié)合其空間分形特征綜合分析能夠較好反映一個區(qū)域土地利用空間分布規(guī)律及其利用類型的復(fù)雜性和穩(wěn)定性。本研究以閬中市為研究區(qū)，在2019年土地利用變更調(diào)查數(shù)據(jù)的基礎(chǔ)上，應(yīng)用DEM數(shù)據(jù)和GIS的空間分析功能進行土地利用的地形梯度效應(yīng)分析；同時，對其土地利用結(jié)構(gòu)進行分形特征研究，以期為閬中市的土地利用規(guī)劃及土地資源的合理配置提供參考依據(jù)。

1 材料與方法

1.1 研究區(qū)概況

閬中市隸屬四川省南充市，位于四川盆地北部，嘉陵江中游，屬于川中丘陵區(qū)向川北低山區(qū)過渡地帶，處于東經(jīng)105°41′～106°24′，北緯31°22′～31°51′，總面積1 876.27 km2。閬中市東靠巴中市、儀隴市，南連南部市，西鄰劍閣市，北接蒼溪市，地形上呈現(xiàn)為東西北部高、中南部低，海拔介于328～889 m。地貌上以低山、高丘、中丘為主，低丘、平壩只占幅員面積的6.31%。閬中市位于亞熱帶季風氣候區(qū)，氣候溫和，光照適宜，年平均氣溫17℃，年平均降水量為1 033.9 mm。

1.2 數(shù)據(jù)來源與研究方法

1.2.1數(shù)據(jù)來源 2019年土地利用變更調(diào)查矢量數(shù)據(jù)由閬中市自然資源與規(guī)劃局提供。根據(jù)丘陵和山區(qū)過渡地帶的土地利用類型特點，結(jié)合全國土地調(diào)查分類體系及閬中市實際情況，將閬中市土地利用類型分為八大類：耕地、林地、園地、草地、水域(含水利設(shè)施用地)、居民點及工礦用地、交通用地(含農(nóng)村道路)、其他用地。遙感數(shù)據(jù)下載于地理空間數(shù)據(jù)云網(wǎng)站空間分辨率為30 m的ASTER GDEM V2數(shù)據(jù)。

1.2.2地形梯度分析法 各土地利用類型的地形梯度效應(yīng)采用高程、坡度和地形位指數(shù)進行綜合疊加計算，再利用ArcGIS的reclassify功能模塊對高程圖、坡度圖和地形位指數(shù)進行分級。根據(jù)實地調(diào)查結(jié)果發(fā)現(xiàn)，閬中市高程>650 m的區(qū)域，土地利用類型以林地和草地為主，類型較為單一；在400～600 m的土地利用方式差異較大，但總體以耕地和林地為主。根據(jù)這一實際情況，將高程328～400 m 分為一類，650 m以上的分為另一類；由于高程在400～650 m 的土地利用類型較為復(fù)雜，且土地利用類型隨高程變化顯著，因此在該區(qū)間內(nèi)以50 m為間隔，用內(nèi)插法劃分為5級。坡度劃分是在第三次全國國土調(diào)查中的耕地坡度分級標準[10]和水土保持坡度分級[11]基礎(chǔ)上，充分考慮閬中市山地-丘陵過渡地形特征，將其劃分為7個等級：0°～2°、2°～6°、6°～10°、10°～15°、15°～20°、20°～25°、>25°。根據(jù)高程和坡度等級劃分，通過疊加分析計算地形位指數(shù)，依次劃分為7個等級(表1)。

表1 閬中市高程、坡度和地形位指數(shù)分級

(1)地形位指數(shù)。地形對一個區(qū)域經(jīng)濟發(fā)展和土地利用規(guī)劃有著較大的影響[12]，而單一的高程或坡度無法全面反映地形的特征，地形位指數(shù)則綜合了高程變化和坡度信息的特點，其計算公式為[13]：

(1)

(2)地形分布指數(shù)。地形分布指數(shù)用來描述區(qū)域不同土地利用類型在地形區(qū)間上的概率分布[13-14]，它能減小不同土地利用類型之間面積差異過大帶來的量綱影響，公式[15]為：

(2)

式中：P表示分布指數(shù);Sij表示第i土地利用類型在j地形下的分布面積;Si表示研究區(qū)域內(nèi)第i土地利用類型的總面積;Sj表示j地形區(qū)間在研究區(qū)域內(nèi)的總分布面積;ST表示研究區(qū)域的總面積。當P>1時，即表示該土地利用類型屬于優(yōu)勢分布[16]。

1.2.3分形計算 分形維數(shù)能夠表征斑塊邊界的曲折性和大小，分形維數(shù)值越大，則該土地斑塊形狀越復(fù)雜;反之則相對簡單[17-18]。

土地利用的分形維數(shù)計算公式[19-22]為：

(3)

式中A(r)為某一圖斑面積，P(r)為該圖斑周長，D為分維，C為常數(shù)。通過(3)式可計算土地利用類型的分形維數(shù)D。D值在1～2，當D=1.0，表示土地斑塊的形狀為正方形，D=2.0，表示空間上的鑲嵌結(jié)構(gòu)最復(fù)雜，而當D=1.5時，表示空間結(jié)構(gòu)最不穩(wěn)定，若D值越接近1.5，表示空間結(jié)構(gòu)越不穩(wěn)定，越偏離1.5則穩(wěn)定性越強[17]。

為了進一步表征土地利用類型穩(wěn)定性，引入地類空間結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性指數(shù)(SK)，公式[23]為：

SK=│1.5-D│

(4)

由于D值介于1～2，因此值介于0～0.5。當SK值越趨近于0.5，那么地類空間結(jié)構(gòu)越穩(wěn)定；SK值越趨近于0，則地類空間結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性越差。

2 結(jié)果與分析

2.1 土地利用結(jié)構(gòu)分析

根據(jù)2019年土地變更調(diào)查數(shù)據(jù)結(jié)果，按照三大類進行統(tǒng)計，農(nóng)用地面積為1 682.64 km2，占全市土地總面積89.53%；建設(shè)用地157.81 km2，占全市土地總面積8.30%；未利用地為42.75 km2，占全市總面積的2.17%。在軟件ArcGIS 10.3的支持下，根據(jù)2019年閬中市土地利用變更調(diào)查數(shù)據(jù)提取各土地利用類型斑塊的面積與周長，統(tǒng)計各土地利用類型的面積，并分析其總體占比情況(表2)。研究結(jié)果顯示，林地面積最大，為742.79 km2，占全市土地總面積比例為39.59%；其次是耕地面積，為689.78 km2，占全市土地總面積比例為36.76%；居民地及工礦用地為138.26 km2，占全市土地總面積比例為7.37%；面積最小的是草地，為2.38 km2，僅占全市土地總面積的0.13%。

表2 閬中市各土地利用類型面積周長統(tǒng)計

2.2 土地利用空間格局分析

2.2.1不同高程影響下的各土地類型空間分布格局 研究結(jié)果顯示，在高程梯度上，閬中市各土地利用類型在高程梯度上分布差異較大(圖1)。耕地的分布指數(shù)一直呈緩慢減少的趨勢;水域在高程梯度上呈顯著減少趨勢，在3級以后(高程>450 m)趨于平緩，在6～7級(高程>600 m)反而有所增加(林地隨著高程的增加隨之增加，主要是在退耕還林的背景下很多坡耕地退耕為林地)；居民點及工礦用地和草地在高程等級3級以下(高程<450 m)同步顯著減少，當高程等級在3級以上(高程>450 m)逐漸增加的情況下，草地又逐漸增加，當高程等級為6～7級(高程>600 m)時，草地的分布指數(shù)明顯增大且>1，說明草地優(yōu)勢分布區(qū)間多處于海拔較高的區(qū)域。

圖1 高程梯度上土地利用類型分布指數(shù)

2.2.2不同坡度影響下的各土地類型空間分布格局 閬中市的土地利用類型在不同梯度下也呈現(xiàn)出明顯的差異性(圖2)。耕地在坡度10°以下(1～3級)呈現(xiàn)緩慢增加趨勢，之后隨著坡度增加，分布指數(shù)明顯減小;園地、草地、交通用地、居民點及工礦用地以及水域在坡度10°以下(1～3級)為優(yōu)勢分布類型，其分布指數(shù)均>1，在第3級(坡度>10°)之后，分布指數(shù)<1，其中水域分布指數(shù)減少到最小，僅為0.12;林地隨著坡度級別的升高，其分布指數(shù)呈現(xiàn)明顯的增加趨勢，且在級別5以上(坡度>15°)分布指數(shù)就>1，說明其在坡度>15°時為明顯的優(yōu)勢分布類型。

圖2 坡度梯度上土地利用類型分布指數(shù)

2.2.3不同地形位指數(shù)影響下的各土地利用類型空間分布格局 從圖3可知，隨著地形位指數(shù)的增加，閬中市各土地利用類型分布指數(shù)表現(xiàn)出明顯的差異性。其中，水域隨地形位指數(shù)增加，其分布指數(shù)明顯減少，在地形梯度等級3以后，趨于平緩；林地隨著分布指數(shù)的增加而逐漸增加，在地形位梯度等級3以后逐漸趨于平緩；草地的分布指數(shù)先呈減少趨勢，在地形梯度等級4以后，又呈現(xiàn)明顯的增加趨勢，在地形梯度等級6以后分布指數(shù)>1，說明其在此區(qū)間為優(yōu)勢分布地類；耕地、園地、居民點及工礦用地優(yōu)勢分布處于地形位指數(shù)為0.676～1.039(等級1)的區(qū)域。

圖3 地形位梯度上土地利用類型分布指數(shù)

3.3 土地利用特征分析

土地利用類型的分形特征能夠反映各土地利用類型的復(fù)雜性和穩(wěn)定性[24]。從圖4可知，在閬中市各土地利用類型空間結(jié)構(gòu)中，水域和交通用地的分維值最大，分別為1.9 855和1.9 706，說明水域和交通的復(fù)雜差異性最大，其中水域邊界較復(fù)雜，大多是自然形成的邊界，受其他因素影響較小，而交通用地的邊界受其類型不同，邊界現(xiàn)狀差異也較大，一般公路是狹窄的邊界，交通場地又是規(guī)則的長方形或正方形邊界；其次分維值由大到小依次是林地、耕地、草地和園地；居民點及工礦用地和其他用地的分維值最小，分別為1.2 872和1.2 452，表明這兩種土地利用類型整體穩(wěn)定程度較好。

圖4 各土地利用類型面積-周長散點關(guān)系

穩(wěn)定性指數(shù)SK值由小到大代表了土地利用類型越趨于穩(wěn)定，也是土地利用空間行為的間接反映。研究結(jié)果(表3)顯示，在各土地利用類型空間結(jié)構(gòu)中，耕地和林地的穩(wěn)定性最低，分別為0.0 692和0.0 593，主要原因是受閬中市產(chǎn)業(yè)結(jié)構(gòu)調(diào)整及規(guī)?；?jīng)營的影響，一部分耕地調(diào)整為種植園用地，耕地明顯減少；一部分耕地長期撂荒，長滿雜樹或雜草，按調(diào)查分類規(guī)程歸為林地類型，使得林地面積相應(yīng)增加；另一部分則是退耕還林政策的影響，耕地減少，相應(yīng)林地面積增加。近年來，閬中市經(jīng)果林種植規(guī)模十分活躍，受規(guī)范化經(jīng)營影響，園地平整程度較以往有較大提高，降低了復(fù)雜度，穩(wěn)定性有一定程度提高。草地繼承了原土地利用類型部分形態(tài)特征，因此復(fù)雜度相對較低，穩(wěn)定性較好。交通用地和水域受人為影響較小，穩(wěn)定性最高，SK值分別為0.470 6和0.485 5。各土地利用類型的分維值及穩(wěn)定性指數(shù)體現(xiàn)了研究區(qū)域各土地利用類型的空間分布差異性結(jié)構(gòu)，可為區(qū)域的土地利用研究提供新的思路。

表3 閬中市各土地利用類型分維計算回歸方程及相關(guān)參數(shù)

3 結(jié)論與討論

利用閬中市2019年土地利用變更矢量數(shù)據(jù)和DEM數(shù)據(jù)，通過分析閬中市地形及各土地利用類型分形特征，得出如下結(jié)論：(1)閬中市各土地利用類型中，林地面積最大，為742.79 km2，占全市土地總面積比例為39.59%；其次是耕地面積，為689.78 km2，占全市土地總面積比例為36.76%；居民地及工礦用地為138.26 km2，占全市土地總面積比例為7.37%；面積最小的是草地，為2.38 km2，僅占全市土地總面積的0.13%。(2)閬中市土地利用類型在高程、坡度和地形位指數(shù)上表現(xiàn)出明顯的空間差異性。耕地、園地、居民點及工礦用地、水域主要分布于坡度10°以下，高程<400 m區(qū)域(林地主要分布于坡度15°以上，高程>450 m的區(qū)域)草地優(yōu)勢分布主要集中于高程600 m以上區(qū)域。(3)分形維數(shù)和穩(wěn)定性指數(shù)分析結(jié)果顯示，閬中市各土地利用類型均具有明顯的分形特征。耕地、林地的穩(wěn)定性較低，主要是由于閬中市的產(chǎn)業(yè)結(jié)構(gòu)調(diào)整及優(yōu)勢產(chǎn)業(yè)發(fā)展的需要，尤其是閬中市藥材、茶園、桑園等的大力發(fā)展及集約規(guī)?；?jīng)營等原因影響；工礦住宅用地受地形、交通條件及區(qū)域經(jīng)濟發(fā)展水平影響較大，總體分布于地形平坦、交通可達性強的區(qū)域，因而空間鑲嵌結(jié)構(gòu)較為穩(wěn)定。但是隨著閬中市社會經(jīng)濟結(jié)構(gòu)發(fā)展變化，特別是鄉(xiāng)村振興戰(zhàn)略的進一步發(fā)展，工礦住宅用地逐漸出現(xiàn)聚集趨勢，其原有穩(wěn)定性必然會被打破；交通用地和水域則因其特殊性，較少受外部條件干擾，從而表現(xiàn)為空間結(jié)構(gòu)簡單、穩(wěn)定性好的特征。