寧鎮揚丘陵區土地利用空間結構的分形研究——以鎮江市為例

張榮天

（安徽師范大學 國土資源與旅游學院，安徽 蕪湖241003）

土地利用／覆蓋變化（LUCC）是當前地理學研究的熱點問題之一［1］，而其中土地利用空間結構研究又占據著十分重要的地位。目前關于土地利用的研究主要涉及土地利用變化時空演變、生態環境效應、驅動機制、模擬預測等多個領域［2－4］，采用土地利用變化率［5］、轉移矩陣［6］、景觀格局指數［7］等多種方法對土地利用／覆蓋變化（LUCC）進行了探討，這些研究方法大部分都基于RS與GIS、數學模型以及數理統計等方面。分形理論最早由美國數學家Mandelbrot于1967年提出，主要用于描述不規則的以及破碎圖像的幾何特征［8］，它的出現為描述復雜幾何形體指明了方向，也為科學地研究空間結構提供了有力的工具。20世紀90年代以來，分形理論在我國地理學中的應用日益增多，在地貌［9］、城鎮體系［10］、旅游空間結構［11］等方面得到了發展。近年來，分形理論在土地利用變化領域也得到了廣泛應用，研究尺度呈現出不斷深化的趨勢，不僅對大尺度地區，如黃土高原區、珠江三角洲、松嫩平原區等的土地利用分形特征進行了實證研究［12－14］，同時也有些學者對中小尺度地區（市域、縣域）的土地利用分形進行了探討［15－16］。通過分形理論，可以進一步研究土地利用類型演變的內在復雜性及穩定性，揭示土地利用的空間結構分形特征，可以彌補面積—周長數理統計、景觀格局指數等傳統方法描述土地利用空間結構的不足與缺陷，為土地利用／覆被變化（LUCC）研究提供了新的理論支撐與機遇。

本文以江蘇省鎮江市為研究區域，采用2009年第二次全國土地利用調查現狀數據，以ArcGIS 9.3，SPSS 16，Excel等軟件平臺為支撐，運用分形理論，通過分維數D和穩定性指數Ssk，對鎮江市土地利用空間結構的分形特征進行定量描述，從而探討鎮江市土地利用類型的復雜性和穩定性及其與分形維數之間的內在關系，科學地揭示丘陵區土地利用空間結構特征，以期為丘陵區土地利用規劃與土地資源的可持續利用提供理論依據與實踐參考。

1 研究區域、數據來源及研究方法

1.1 研究區域概況

鎮江市地處江蘇省中南部，位于北緯31°37′—32°19′，東經118°58′—119°58′，北面瀕臨長江，東南與常州市接壤，西面毗鄰南京市，下轄京口、潤州、丹徒3個區和鎮江新區經濟開發區，丹陽、揚中和句容3個縣級市，屬北亞熱帶季風氣候，氣候溫暖，雨量充沛，光、熱、水資源較豐富。鎮江市位于江南平原與丘陵山地之間的過渡地帶，屬于寧鎮揚丘陵區，市域范圍內地勢西高東低，南高北低，呈波狀起伏，土地利用類型復雜多樣，土地開發利用程度較高，其中丘陵崗地面積占63.4%，圩區、洲地占19.5%，平原占17.1%，地貌特征以丘陵崗地為主，是江蘇省丘陵面積比重最大的地級市之一，也是寧鎮揚丘陵區頗具代表性的地區之一。

1.2 數據來源與處理

本文的研究數據來源于江蘇省鎮江市2009年度全國第二次土地利用調查數據，數據格式為shp矢量文件。采用我國土地利用二級分類標準方法（GB／T21010—2007），結合研究區土地利用現狀的具體特征，將鎮江市土地利用類型劃分為6大類，分別為耕地、園地、林地、其它農用地、建設用地及水域用地?；贏rcGIS 9.3空間分析軟件，繪制出2009年鎮江市土地利用現狀空間分布圖（附圖10）。

1.3 研究方法

分形（fractal）是指部分以某種形式與整體相似的形狀，自相似性和標度不變性是它的兩個最為重要的特征［17］。分形維數 D（fractal dimension）是表征自相似系統或結構的指標之一，是定量化刻畫分形特征的重要參數。研究土地利用空間結構的分形特征，主要是定量描述其面積的大小及其邊界線的曲折程度。對于任何一種土地利用斑塊的形態來說，如果以r為尺度去測量其周長和面積，則可得到具體的分形維數模型如下［18］：

式中：A（r）——斑塊面積；P（r）——斑塊周長；C——常數；D——分維數。根據該公式，如果研究區內的土地利用空間分布具有顯著的分形結構，則lnA（r）—lnP（r）散點在一定標度內的一條直線上，可以通過求取直線的斜率k從而確定各土地利用類型分維數D值，取D＝2／k。分維數D值表征某種土地利用類型邊界的曲折性，它的大小反映了該土地利用類型的復雜性及其穩定性。分維數D值取值在1～2之間，D值越大，表明該土地利用類型的結構越復雜，空間邊界越不規則，反之亦然。與此同時，Mandelbrot認為布朗運動的分維數是1.50，D值越接近1.50，表示該土地利用類型越不穩定。根據此原理，徐建華等［19］定義了土地利用的穩定性指數Ssk，具體計算公式如下：

式中：Ssk——土地利用類型的穩定性指數，Ssk取值范圍為0～0.5。Ssk值越大，表明該土地利用類型越穩定，反之亦然。

2 土地利用空間結構分形特征

2.1 土地利用類型的總體特征

基于GIS空間分析軟件，對鎮江市2009年的土地利用現狀數據中的各類土地利用類型進行相關統計處理分析，得到各土地利用類型的基本景觀格局指數（表1）。由表1可知，鎮江市的農用地（耕地、園地、林地以及其他農用地）面積達到2 597.84km2，占全市土地總面積的67.58%，其中，耕地斑塊面積為1 956.72km2，占土地總面積的50.91%；園地面積為187.50km2，占土地總面積的4.87%；林地面積為288.02km2，占土地總面積的7.49%；其他農用地（設施農用地、農村道路、坑塘水面以及農田水利用地等）面積為165.92km2，占土地總面積的4.31%；建設用地（居民點及工礦用地、交通水利設施用地以及其他建設用地）面積為907.99km2，占土地總面積的23.62%；水域用地面積為338.08km2，占土地總面積的8.79%。因此，從景觀尺度上來說，鎮江市的土地利用類型是以耕地為基質，以園地、林地及建設用地為斑塊鑲嵌結構，以水域用地為線狀廊道的景觀結構模式。隨著人類開發活動強度的不斷加大，僅僅從土地利用類型占總土地面積的比例關系中衡量土地利用強度已經不能客觀地反映區域土地利用的實際情況，也不能反映區域土地利用空間結構的復雜性及穩定性。所以，需要運用分形理論對區域土地利用結構特征進行深入研究。

表1 鎮江市土地利用類型的總體特征

2.2 土地利用空間結構分形特征

基于ArcGIS 9.3的空間分析功能，統計出鎮江市域內的各土地利用類型斑塊的周長P和面積A的相關數據，同時運用Excel軟件，分別計算出耕地、林地、園地、其他農用地、建設用地及水域6種地類圖斑的周長—面積的雙對數散點圖（圖1），并建立一元的線性回歸方程。根據公式（1）—（2），計算出鎮江市域不同土地利用類型的分維數D及其穩定性指數Ssk（表2）。由表2可知：鎮江市各個土地利用類型都存在較為顯著的分形特征，按照分維數D從大到小的順序依次為：水域＞林地＞建設用地＞園地＞其他農用地＞耕地，其中，水域用地的分維數D最大，耕地的分維數D最小，二者之間相差0.159，這充分表明水體的空間分布結構最為復雜，而耕地的空間結構較水體簡單，呈現出較為規則的空間形狀；建設用地的分維數達到了1.136，表明隨著城市建設的步伐不斷加大，建設用地缺乏長遠規劃的意識和理念，其擴展后的空間形態不規則，空間布局不合理。從穩定性指數Ssk來看，鎮江市域土地利用的穩定性指數Ssk范圍大致為0.266～0.425，按照穩定性指數Ssk從大到小的順序依次為：耕地＞其他農用地＞園地＞建設用地＞林地＞水域。其中，耕地的穩定性指數Ssk最大，為0.425；水域最小，僅僅為0.266，表明鎮江市域范圍內耕地的空間分布結構最為穩定，而水域的空間結構最不穩定；其中穩定性指數Ssk介于0.2～0.4之間的土地利用類型面積占研究區土地總面積的40%左右，表明鎮江市域土地利用空間結構的穩定性總體不高。耕地、林地、建設用地及其水域用地是鎮江市最為重要的四類用地類型，因此，本文就這四類土地利用類型的分形特征進行重點分析。

圖1 鎮江市各土地利用類型斑塊周長－面積雙對數散點圖

2.2.1 耕地的分形特征 耕地的分維數D值為1.075，在市域所有土地利用類型中為最低，表明耕地斑塊形狀的復雜性程度最低，空間形態較為簡單；而耕地的穩定性指數Ssk為0.425，在所有土地利用類型中為最大，表明耕地的空間結構穩定性最好，這主要是由于鎮江市域的耕地在長期的人類開發活動的影響下，空間結構趨于簡單化，形成較為規則的形狀，耕地的空間結構不斷趨于穩定化。與此同時，隨著鎮江市域經濟社會的快速發展，工業化與城鎮化進程也在不斷加快，城鎮及交通用地空間也在不斷擴張，導致城鎮周圍近郊的耕地不斷流轉為建設用地，加上廣大農民生活條件的改善，鄉村聚落用地不斷向村莊周圍擴建，使得耕地的空間形態也在一定程度上遭到破壞，但是耕地作為整個鎮江市最為重要的景觀基底，自21世紀以來，政府開展了一系列生態保護、土地整理以及退耕還林還草等工程與措施，使得撂荒現象得以遏制，耕地的空間規則性、穩定性得以恢復和提高，使得鎮江市整體上耕地空間結構的穩定性保持在較好的狀態。

2.2.2 林地的分形特征 林地的分維數為1.205，為鎮江市土地利用類型值第二高，表明林地在所有土地類型中的復雜性程度也較高，鎮江市的林地主要分布在西部地區句容市的低山丘陵的溝坡上以及溝壑地帶，多為人工林和次生林，受到人類的開發破壞程度較大，因此林地類型的空間結構較為復雜，且林地的邊界形狀較為不規則；而林地的穩定性指數Ssk為0.295，表明鎮江市域林地的空間結構的穩定性較差，主要原因是隨著市域經濟社會的發展、城鎮人口增長，迫于經濟和人口的雙重壓力，城鎮用地空間不斷向近郊地區增加，從而不斷地侵占林地，破壞植被資源，導致市域林地面積大量減少；另一方面，受農業發展和農業結構調整的影響，毀林開荒的現象依然存在，同時木材作為一種重要的經濟資源，存在一些不合理的采伐行為，這都造成了市域林地破碎化程度增加，林地的斑塊密度下降，市域林地空間結構呈現較低的穩定性。

2.2.3 建設用地的分形特征 建設用地的分維數D為1.136，也處于較高水平，表明鎮江市域的建設用地空間分布形態也較為復雜，建設用地空間邊界規則程度不高；同時，建設用地穩定性指數Ssk為0.364，說明建設用地空間結構的穩定性也處于較低的態勢。鎮江市域建設用地呈現出空間結構較為復雜和穩定較低的分形特征，其主要是因為市域工業化和城鎮化的速度不斷加快，強度不斷加大，城鄉建設用地的需求量不斷增加，但是目前城鄉用地的空間布局規劃未得到人們的重視，建設用地缺乏長遠規劃的意識與理念，致使市域建設用地擴展后的空間形態不規則，用地空間布局不合理，所以建設用地的穩定性指數呈現出不斷下降的趨勢，建設用地的破碎化程度也呈現出不斷加重的趨勢，從而使得市域建設用地的空間分布也趨于分散，空間結構的穩定性不高。

表2 不同土地類型分維數和穩定性指數

2.2.4 水域的分形特征 水域用地的分維數D為1.234，在鎮江市域的土地利用類型中為最大，這表明水域的土地利用結構最為復雜，水域用地的空間形態不規則；而穩定性指數Ssk卻最小，僅僅為0.266，表明鎮江市水域的空間結構穩定性最低，水域用地的空間邊界處于不斷變化之中。水域空間結構呈現出強復雜性和低穩定性的分形特征，主要是由于鎮江市的地理區位十分特殊，具有沿江分布的區位優勢，鎮江市積極利用這種區位優勢，一方面是圍湖造田、填洼等工程造成了市域水域用地面積銳減；另一方面，農業的發展要求水利設施合理均勻分布，以實現最優的利用效率，兩方面的綜合作用造成鎮江市域水域用地空間結構的穩定性下降，破碎程度加重。

2.3 土地利用分形特征的分異規律

地形地貌是自然地理環境的重要要素，對人類的生產、生活具有深刻的影響，同時地形地貌條件也是影響人類土地利用意識形成最為關鍵的因素，由此形成的土地利用空間格局不僅在景觀尺度上反映了人類對自然生態環境的影響程度，也是對自然、社會經濟條件及政策的響應。鎮江市位于我國寧鎮揚丘陵地帶，市域內地形東低西高，結合鎮江市區域的實際情況，將鎮江市劃分為鎮東平原區、鎮西丘陵區以及鎮中過渡區。對鎮江市三大地區典型土地利用類型的分維數D和穩定性指數Ssk進行對比分析（表3）可以看出：鎮東平原區、鎮西丘陵區及鎮中過渡區三大地區各土地利用類型的分維數和穩定性指數存在很大的差異，即便是同一土地利用類型在不同的區域也會呈現出不同的分異規律。因此，本文從三大區域的基本視角來探討鎮江市域土地利用分形特征。

表3 不同區域土地利用類型的分維數和穩定性指數

通過表3可知，耕地的分維數D值及穩定性指數Ssk在鎮東平原區、鎮西丘陵區這個兩地區呈現出相反的趨勢，在鎮東平原區所有的土地利用類型中耕地的分維數D值最小、穩定性指數Ssk最大，也就是說鎮東平原區的耕地的空間分布形態較為規則，空間結構最為穩定；而在鎮西丘陵區所有的土地利用類型中耕地的分維數D值最大、穩定性指數Ssk最小，也就是說鎮西丘陵區的耕地的空間形態較為復雜，空間結構較為不穩定，形成這種反差的最為根本的原因在于這兩個地區的地形地貌特征；林地分維數D和穩定性指數Ssk在鎮東平原區分別達到1.527和0.027，而在鎮西丘陵區僅僅為0.741和0.759，表明林地在鎮東平原區的空間結構較為復雜，穩定性較差，而在鎮中西丘陵區呈現相反的趨勢，空間結構較為簡單、穩定性較好，這是由于鎮西丘陵區地表起伏較大、海拔高，因此鎮西丘陵區林地的空間分布較為簡單且結構較穩定，林地分維數D值呈現出較低的態勢；建設用地在鎮東平原區和鎮中過渡區的面積占建設用地總面積的69.87%，在鎮西丘陵區僅僅占到30.13%，建設用地的分維數D值及穩定性指數Ssk在鎮東平原區分別為1.342和0.158，而在鎮西丘陵區卻分別為0.803和0.691，表明建設用地空間結構在鎮東平原區最為復雜，穩定性最低；而在鎮西丘陵區則較為簡單與穩定，這是因為鎮東平原區是市域經濟發展最快、工業化與城鎮化最為迅速的地區，建設用地的需求量最大，城鎮空間快速向外蔓延，空間布局缺乏合理的規劃，導致建設用地空間呈現不出不穩定性和復雜性的特征；水域在鎮東平原的面積占市域水域用地總面積的76.98%，且水域用地的分維數D值與穩定性指數Ssk在鎮東平原區分別達到1.325和0.175，而在鎮西丘陵區水域用地的分維數D值與穩定性指數Ssk分別為0.837和0.663，表明水域用地的空間結構在鎮東平原區處于最不穩定和最為復雜的狀態，而在鎮西丘陵區處于較為簡單和穩定狀態，因為鎮東平原區沿江分布，擁有水域開發的先天優勢，人類長期對水域開發與利用造成空間結構不穩定性及復雜性不斷加重。

3 結論與討論

本文基于鎮江市丘陵區的土地利用現狀數據，將土地利用類型劃分為6類：耕地、園地、林地、其他農用地、建設用地及水域用地，利用分形理論和GIS空間分析方法，選取分維數D和穩定性指數Ssk兩個指標，對鎮江市丘陵區土地利用空間結構的分形特征及其分異規律進行了探討與研究，通過分析得出以下結論：（1）鎮江市丘陵區的土地利用空間結構總體上呈分形特征，各土地利用類型分維數D值為1.075～1.234；（2）鎮江市各種土地利用類型的分維數從大到小的順序依次為：水域＞林地＞建設用地＞其他農用地＞園地＞耕地，而穩定性指數Ssk從大到小的順序為：耕地＞園地＞其他農用地＞建設用地＞林地＞水域，其中Ssk介于0.2～0.4之間的土地利用類型面積占研究區土地總面積的40%左右，表明鎮江市域土地利用空間結構的穩定性總體不高；（3）劃分出鎮東平原區、鎮西丘陵區及鎮中過渡區三大區域，通過對比分析三大區域各土地利用類型及同一類型在不同區域的分形特征，得出三大區域的各土地利用的分維數D和穩定性指數Ssk存在較大差異，耕地和林地的分形特征在鎮西丘陵區和鎮東平原區呈現出相異的規律，建設用地在鎮東平原區的空間穩定性較低、復雜性最高，水域的空間結構在鎮東平原區也處于最不穩定和最為復雜的狀態。總體上，鎮東平原區的各類用地的空間結構復雜性較高、穩定性較低，這與鎮東平原區經濟發展較快和人類開發強度較大直接相關。

需要進一步指出的是，本文研究還存在一定的不足。文中僅僅對鎮江市丘陵區2009年的土地利用現狀數據進行了分形描述，缺乏長時間的土地利用分形演變特征的探討；同時，本文只是初步地分析了寧鎮揚丘陵區鎮江市的土地利用分形特征，在今后的研究中，可以將鎮江、南京及揚州的土地利用作為整體進行相關研究，這對于探討寧鎮揚丘陵區土地利用總體分形特征規律以及為這一地區土地利用規劃與整理、城鄉統籌發展提供更為有益的理論與實踐參考，從而使得寧鎮揚丘陵區的土地利用向著更加科學、合理的方向發展。

［1］ Turner II B L，Skole D，Sanderson S，et al.Land Use and Land Cover Change［R］.Science／research land IGBP Report No.35and HDP Report No.7.Stochkholm：IGBP，1995.

［2］ 郭旭東，陳利頂，傅伯杰.土地利用／土地覆被變化對區域生態環境的影響［J］.地理科學進展，1999，7（6）：66－75.

［3］ 李平，李秀彬，劉學軍.我國現階段土地利用變化驅動力的宏觀分析［J］.地理研究，2001，20（2）：130－138.

［4］ Rao K S，Rekha P.Land use dynamics and landscape change pattern in a typical micro watershed in the mid elevation zone of central Himalaya，India［J］.Agriculture，Ecosystems and Environment，2001，86（2）：113－124.

［5］ 蒙吉軍，李正國，吳秀芹.縣域尺度土地利用／覆被變化研究：以河西走廊肅州綠洲為例［J］.蘭州大學學報：自然科學版，2004，40（3）：89－94.

［6］ 楊永春，楊曉娟.1949—2005年中國河谷盆地型大城市空間擴展與土地利用結構轉型：以蘭州市為例［J］.自然資源學報，2009，24（1）：37－49.

［7］ 張榮天，張小林，李傳武.鎮江市土地利用景觀格局分析［J］.經濟地理，2012，32（9）：132－137.

［8］ Mandelbrot B B.How long is the coast of Britain：statistical self－similarity and fractional dimension ［J］.Science，1967，156（3775）：636－638.

［9］ 張捷，包浩生.分形理論及其在地貌學中的應用：分形地貌學研究綜述及展望［J］.地理研究，1994，13（3）：104－112.

［10］ 尚正永，白永平.丘陵山區城鎮體系的分形特征：以江西省贛州市為例［J］.山地學報，2007，25（2）：142－147.

［11］ 崔大樹，孫楊.基于分形維數的湖州旅游景區系統空間結構優化研究［J］.地理科學，2011，31（3）：337－343.

［12］ 楊洋，畢如田.黃土高原典型地貌類型的土地利用分形特征［J］.地理與地理信息科學，2011，27（1）：101－104.

［13］ 葉長盛，董玉祥.珠江三角洲土地利用分形特征及其影響機制［J］.農業工程學報，2011，27（4）：330－335.

［14］ 李昭陽，湯潔，孫平安，等.松嫩平原西南部土地利用動態變化的分形研究［J］.吉林大學學報：地球科學版，2006，32（2）：250－258.

［15］ 田義超，任志遠.基于分形理論的黃土丘陵區土地利用研究：以延安市寶塔區為例［J］.地域研究與開發，2011，30（6）：121－125.

［16］ 阿如旱，楊持，同麗嘎.基于分形理論的沙漠化土地空間結構：以內蒙古多倫縣為例［J］.地理研究，2010，29（2）：283－290.

［17］ 朱曉華，蔡運龍.中國土地利用空間分形結構及其機制［J］.地理科學，2005，25（6）：671－676.

［18］ 謝賢健，韋方強.泥石流頻發區土地利用分形特征及穩定性研究［J］.水土保持研究，2011，18（6）：167－171.

［19］ 徐建華，艾南山，金炯，等.西北干旱區景觀要素鑲嵌結構的分形研究：以黑河流域為例［J］.干旱區研究，2001，18（1）：36－39.