基于地形起伏度的貴州省景觀空間格局分異特征*

趙衛權,蘇維詞,2,袁俊

(1.貴州省喀斯特資源環境與發展研究中心,貴陽550001;2.重慶師范大學地理科學學院,重慶400047)

景觀空間格局主要指各種景觀板塊在空間上的配置,是景觀異質性的具體表現,同時又是包括干擾在內的各種生態過程在不同尺度上作用的結果[1]。有學者從景觀格局變化角度對其進行了較為深入的研究[2-5],也有對景觀結構和破碎程度進行分析的[6-9],還有的是從景觀生態學角度出發進行了探討[10-12]。除此之外,從景觀格局的客觀條件來講,地貌是影響景觀格局的重要驅動因子[13-15],它通過影響立地條件,物質和能量的流動及各種干擾發生的頻率和強度來影響景觀格局[16-18],地形起伏度又是地貌學中描述地貌形態的重要參數[19],所以地形起伏的空間分布是景觀空間格局的重要驅動因子。

筆者從地形起伏度角度對貴州省的景觀空間格局的進行研究,試圖探求其空間分異特征,揭示其隨地形起伏狀況變化規律,從整體上把握貴州省景觀空間格局的現狀,預測其變化趨勢,為貴州喀斯特脆弱生態環境綜合治理和社會經濟可持續發展提供科學依據。

1 研究區概況與研究方法

1.1 研究區概況

貴州地貌屬于中國西部高原山地,境內地勢西高東低,自中部向北、東、南三面傾斜,平均海拔在1 100m左右。貴州高原山地居多,素有“八山一水一分田”之說。按照常規,全省地貌可概括分為高原山地、丘陵和盆地3種基本類型,其中92.5%的面積為山地和丘陵。境內山脈眾多,重巒疊峰,綿延縱橫,山高谷深[20]。貴州巖溶地貌發育非常典型,喀斯特(出露)面積109 084 km2,占全省國土總面積的61.9%,境內巖溶分布范圍廣泛,水土流失已達43.5%,石漠化面積也在不斷的擴大,礦產資源的日益擴大又使得礦業荒漠化土地逐年增加,全省人均耕地已從建國初期的0.12 hm2,下降到目前的0.05 hm2,這些不可逆的變更,加上土地資源的有限性和不可再生性,使得全省的用地緊張[21]。客觀復雜的地貌類型和人類社會活動的影響,使得貴州地表景觀支離破碎,生態環境脆弱易損。

1.2 研究方法

應用GIS的空間分析功能將地形起伏度和景觀類型進行疊加,然后再利用景觀分析工具Fragstats3.3從兩個層面對貴州省的景觀格局進行分析:(1)不同地形起伏帶上景觀格局分析;(2)各種景觀類型在不同地形起伏帶上的空間格局分析。

1.2.1 地形起伏度提取 采用貴州省1∶50萬DEM數據作為基礎數據源,利用A rcMap 9.2中的空間分析模塊和3D分析模塊提取地形起伏度。參考徐漢明等通過在全國范圍內普遍采樣的基礎上分析出,中國存在2,10,16,20,22 km2五種不同規模的地勢起伏度最佳統計單元,并各具有實用范圍,2 km2適用于在比例尺大于1∶25萬的地形圖上操作,6,16,20,22 km2分別適用于在比例尺大于1∶55萬、1∶90萬、1︰100萬和1︰105萬地形圖上操作計算[22],研究采用5.76 km2作為統計單元。因為所應用DEM數據的柵格單元大小為100m×100m,所以,在A rc-Map9.2中進行領域正方形分析的時候選取的網格單元為24×24象元模板。具體公式如式(1)。

式中:hij——鄰域內每一個像元的高程值;hij,max——鄰域內所有像元的高程值的最大值;hij,min——鄰域內所有象元的高程值的最小值;ΔH——該鄰域范圍內的高差。

表1 貴州省各級地形起伏度面積比例

根據我國1∶100萬數字地貌圖的更新與制作過程中,在國內外傳統分類的基礎上,采用相對高度,即地勢起伏度作為第一分級指標,將我國的地勢起伏度劃分為七個等級即:平原(≤30 m)、臺地(31～70 m)、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(1 001～2 500m)和極大起伏山地(＞2 501 m)[22]。采用此分類標準,結果表明貴州省只有前面的6類地形起伏度。本文所用的是相對高差值,所以與相關文獻和資料[23-24]中的山地、丘陵等地貌概念不盡相同,此處只針對一定面積范圍內地形起伏而言。結果表明:貴州省的地形起伏度主要以丘陵、小起伏山和中起伏山為主,占全省總面積的99.03%,這就支撐了“貴州省是全國唯一沒有平原支撐的省份”的說法。地形起伏度小的區域主要集中在黔中地區,而高起伏度則主要分布在黔西南、黔東南和貴州北部和重慶、四川交界的地區。各級地形起伏度所占面積比例參見表1,空間分布參見附圖7。

1.2.2 景觀指數提取

(1)景觀格局。根據2004年貴州省TM遙感影像判讀結果,結合貴州省土地資源經營特點、利用方式和覆蓋特征,將景觀類型劃分為以下7類:旱地景觀、水田景觀、林地景觀、草地景觀、水域景觀、聚落景觀和石漠化景觀,其空間分布情況如附圖8所示。

利用A rcGIS9.2的空間分析功能將地形起伏度數據和景觀分布數據進行疊加,然后根據不同地形起伏度進行統計,得出貴州省景觀空間格局隨地形起伏度變化規律,具體參見表2。

(2)景觀格局的指標及其計算方法。景觀格局指標計算使用景觀空間格局分析軟件色Fragstats 3.3。通過對貴州省景觀格局的整體特點,選取以下10種指標:板塊密度(PD)、最大板塊指數(LPI)、邊緣密度(ED)、景觀形狀指數(LSI)、周長面積分位(PAFRAC)、板塊結合度(COHESION)、散步與并列指數(IJI)、聚集度(A I)、Shannon多樣性指數(SHDI)和Shannon均勻度指數(SHEI)。指標的具體計算方法見 Fragstats 3.3說明書或者使用幫助。

表2 貴州省景觀類型隨地形起伏度空間分布 km2

2 景觀格局分析

2.1 不同地形起伏帶水平的景觀類型分布

從附圖7-8和表2中可以看出,貴州省主要以丘陵、小起伏山地和中起伏山為主,占總面的99.03%,尤其是小起伏山地最為突出,其面積遠遠大于其他起伏度類型。景觀主要以林地(含灌木林地)、草地和旱地為主,分別占54.52%、21.51%和14.66,為各個起伏帶的優勢景觀類型,且主要分布在丘陵和小起伏山地。平原和臺地面積很小,主要是旱地、水田占據該起伏帶;丘陵面積較大,主要以受人類社會活動影響的聚落景觀分布為主,這樣以來,由于貴州省是典型的喀斯特山地,所以城市和居民點的分布主要集中在丘陵地區;小起伏山是貴州省的主要起伏度類型,各種景觀類型也主要分布于該起伏帶;中起伏山面積略低于小起伏山地,受人類活動干擾較小的林地和草地占據該起伏帶的大部分面積,另外裸露于地表的石漠化景觀也在該起伏帶分布面積較大;貴州省的大起伏山地面積較小,主要是林地和草地分布于此。

由表2可見,小起伏山地是貴州省的主要起伏度類型,各類景觀在該起伏帶上的面積絕對數量很大。除此之外,水域景觀主要分布在該起伏帶,就為其他景觀尤其是旱地水田等耕地景觀提供了水源,也就是說旱地、水田受地形和水分的影響較大;聚落景觀也是受水域影響較大的景觀類型,它和水域景觀的分布有相似,但是聚落景觀是人類改造自然環境的結構,所以它和人口的分布有直接關系,所以,貴州省居民主要居住在丘陵地區;石漠化景觀是貴州典型的景觀,它是自然和人類活動共同作用的結果,所以它的分布除了在小起伏山地之外,在丘陵地區也有相當數量的分布,就相對面積而言,石漠化景觀分布受地形景觀的影響較大,從而土地退化也是受地形起伏影響。

2.2 景觀格局隨地形起伏的空間分異

由表3可知,板塊密度(PD)隨地形起伏度先減小后增加,說明景觀破碎化程度是先減小后增大,這是因為平原、臺地和丘陵是人類活動頻繁的區域,人類活動對地表利用覆蓋的影響很大。而小起伏山地和中起伏山地都是人類活動不方便的區域,在起伏帶內主要是自然因素形成地表覆蓋。最大斑塊指數(LPI)在平原和小起伏山地較大,這主要是因為平原面積很小,而在小起伏山地林地是優勢景觀類型;而臺地、丘陵和中起伏山地分別只占4.06%、1.41%和4.49%,說明景觀類型分布相對比較均衡,想多種景觀類型擴展,景觀結構比較復雜。邊緣密度(ED)隨起伏度的增減依次先增加后減小,說明隨地形起伏度的增加,人類活動的影響也依次先增加后減少,原因是個貴州的平地面積極少,人類活動主要集中在丘陵地帶,而起伏度過高的區域又不利于人類活動。景觀形狀指數(LSI)先增加后減小,而且其值相差很,最大達284.31,最小只有12.39,這說明貴州省的景觀結構及其復雜,形狀也非常不規整。周長面積分位數(PAFRAC)也是先增大后減小,隨地形起伏度的增加,地表景觀結構的復雜程度也是先高后低,主要還是和人類活動的變化區域相一致的。散布與并列指數(IJI)在臺地和大起伏山地較大,而在小起伏山地和中起伏山地則較小,說明起伏度較高的區域對水的依賴性較大。聚集度(A I)隨地形起伏度的變化,基本上是依次增加,總的來說就是地形起伏度大的區域則聚集度較大,否則相反,這就是說地形起伏度較大的區域是由少量的大板塊聚集而成,而地形起伏較小的區域是由大量的小版塊構成,所以小起伏度地區景觀較為破碎。斑塊結合度(COHESION)除了在大起伏山地外,基本上是起伏度小的區域較小,起伏度大的區域較大,就是說在起伏度大的區域,斑塊之間的連接性較好,至于大起伏山地區結合度低,是由于貴州喀斯特地貌的影響使其斑塊之間的連通性降低。Shannon多樣性指數(SHDI)在低起伏度地區較大,而在高起伏度地區較小,這是由于在地起伏度地區林地、旱地、水田、聚落等交錯分布,景觀類型比較豐富,而且分布相對較為均勻,土地利用多樣化指數較高,而在地形起伏度高的區域,景觀類型相對比較單一,而且斑塊面積較大。Shannon均勻度指數(SHEI)和Shannon多樣性指數的變化趨勢較為相似,在地形起伏度地的區域景觀的類型多樣,相互之間的分布較為均勻,但是在高起伏度地區,景觀類型較少,優勢景觀明顯,景觀類型的均勻性較差。

表3 不同地形起伏帶上的景觀格局變化

從地形起伏度角度來看,貴州省景觀空間格局顯著分異,在地形起伏度較低的區域由于人類活動頻繁,改變自然景觀的力度較大,景觀形狀差異性大,斑塊比較破碎,景觀類型復雜多樣,連通性較好,尤其是丘陵地區,各種景觀類型相互交錯,其多樣性非常明顯,各景觀類型之間的連通性顯著;而在地形起伏度較高的地區,景觀類型較為單一,優勢景觀明顯,景觀形狀相對簡單,各類景觀之間的連通性較差。

2.3 不同景觀類型隨地形起伏的空間分異

在同一地形起伏帶上,不同景觀所表現出來的空間分異特征也較為顯著。根據地形起伏度和景觀類型的疊加分析,可以得到不同級別地形起伏度的不同景觀類型格局,如表2所示。平原地區,林地、草地和旱地景觀格局結構較為復雜,斑塊形狀差異較大,景觀較為破碎,對水分的依賴性較強,水田的連通性較強,而且聚集度高,由大面積的少量斑塊組成;臺地地區,旱地和水田景觀破碎,而受人類活動嚴重影響的石漠化景觀和聚落景觀對水的依賴性較強,聚落景觀形狀是最規整的景觀類型,各類景觀的連通性較好、聚集度較高。

丘陵地區,水田景觀的斑塊形狀差異性最大,水域景觀相對較為破碎,但是各類景觀破碎程度相差不大,旱地對水分的依賴性較大,旱地、水田和水域的連通性最好,而聚落和水域的聚集度最高,這是由于該地區的河流面積較廣;小起伏山地,旱地、水田景觀的斑塊形狀差異最大,主要是在起伏度較大的地區,旱地、水田都很難成片分布,旱地、水田和水域的周長面積分維數較大,說明其景觀破碎程度較高,該起伏帶的聚落景觀對水分的依賴性較強,因為用水比較困難,而林地和石漠化景觀各自內部的連通性較強,而草地和林地的斑塊之間的均勻度較高;中起伏山地區,林地斑塊形狀差異較大,水域的破碎程度較高,這與該起伏帶的喀斯特地貌類型相關,受其影響,該地區的水域分布成零散狀,林地和石漠化景觀各自內部連通性較好,而且斑塊分布均勻,景觀布局也較為合理;大起伏山地只有5種景觀類型,林地景觀斑塊的形狀差異大,旱地和水田的周長面積分維數較大,景觀極為破碎,只有零星分布,水為其制約因素,林地、草地和石漠化景觀類型各自內部的連通性都比較好,分布也較為均勻,這說明在地形起伏度大的區域,此3種類型的分布相對可以成片,而且彼此時間及各自內部的聯系緊密,過渡性較好。

表4 不同景觀格局隨地形起伏度的變化

3 結語

基于DEM數據提取的地形起伏度和利用遙感影像數據的判讀結果,運用G IS技術及景觀格局分析軟件,探討了貴州省景觀格局隨不同地形起伏度的空間結構。結果表明:貴州省的地形起伏度主要以丘陵、小起伏山地和中起伏山地為主,景觀類型則主要以林地(包括灌木林地)和草地為主。隨著地形起伏度的變化,景觀格局特征分異顯著,人類活動影響的景觀主要分布在丘陵和小起伏山地,自然景觀主要分布在小起伏山地和中起伏山地。在臺地、丘陵等小起伏山地,由于人類活動的影響,景觀類型較為多樣,結構復雜,破碎程度較高,景觀之間的連通性較好,景觀分布均勻;在地形起伏度較小的地區,景觀類型相對單一、結構較為簡單,連通性較差,景觀布局較為分散。除此之外,不同地形起伏帶上,各景觀類型內部差異也較大,在地形起伏度較小的區域,林地、草地等景觀類型斑塊形狀差異較大,連通性不好,聚集度也較小,而聚落、旱地等景觀的形狀較為規整,連通性也較好,聚集度較高;地形起伏度較大的地區,林地、草地、石漠化等景觀類型的斑塊形狀較為規整,破碎程度較低,連通性較好,景觀布局也較為均勻,但是水田、旱地等景觀分布零散,景觀內部連通性較差。地形起伏度只是描述地貌特征的參數,要對景觀格局的分異特征進行更深層次的研究,還需要進一步應用高精度的數據和較為全面的地貌因子。

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