浙閩山地丘陵區地形因子對土地利用格局的影響分析:以福建省永泰縣為例

姜 坤，戴文遠，2，3①，胡秋鳳，黃 康，歐 惠（.福建師范大學地理科學學院，福建 福州 350007；2.福建師范大學濕潤亞熱帶生態地理過程教育部重點實驗室，福建 福州 350007；3.福建師范大學地理研究所，福建 福州 350007）

地形因子是地形信息的直接表達，它通過立地條件、水文過程、生物分布、物質能量轉化來影響土地利用格局，其空間特征一直是人們用來研究復雜地表過程的重要指標[1-3]。山地丘陵是以地形為主導的復雜生態系統，其景觀格局的垂直變化梯度大約是水平變化梯度的1 000倍[4-5]，不僅蘊含著豐富的景觀生態學信息，而且對各類景觀結構的空間演變具有顯著影響[6-7]。此外，山地丘陵區多分布于貧困和生態脆弱地區，土地資源貧乏，空間結構復雜，自然災害頻發，對人類活動的限制性和對不同景觀類型的選擇性都產生了巨大影響，如何在不同的地形條件下實現人口、土地資源、經濟建設和生態環境的協調發展，已成為當前山地丘陵區土地利用格局研究的重點[8-10]。早期利用數字高程模型（DEM）對土地利用格局的分析多是基于單一地形因子展開，存在一定局限性。綜合選取高程、坡度、地形起伏度等多個地形因子結合景觀格局指數開展分析，有助于深入研究地形因子對土地利用格局的影響，對區域生態環境把控、土地資源可持續利用具有一定借鑒意義。

永泰縣位于浙閩丘陵區腹地，境內地形復雜，山地丘陵廣布，地形因子對土地利用影響深刻。近年來隨著區域內社會經濟發展，土地負載沉重，地表貧瘠的紅壤使水土流失加劇，生態環境迅速退化。選取該縣作為研究區，深入分析地形因子對土地利用的影響機理與規律，可為浙閩山地丘陵區其他區域的土地結構優化配置和生態保育建設提供參考。該研究根據永泰縣地形地貌特點劃分相應等級，分析不同地形等級上土地類型的分布特征，運用移動窗口法從空間形態上對土地利用格局進行定性分析，并在此基礎上通過Pearson系數定量分析土地利用格局與地形因子的相關性。

1 研究區概況

永泰縣位于福建省東部，東鄰福清、閩侯、西界德化、尤溪，南連莆田、仙游，北接閩清，面積2 243.4 km2。境內海拔大多為500～1 000 m，高差大多為300～500 m，個別達千米左右，山勢高亢，且由西南向東北呈層狀下降，全縣山地丘陵占土地總面積的80.33%，其中山地占44.26%，丘陵占36.07%，地貌特征可以稱為“八山一水一分田”。永泰縣屬于典型的亞熱帶季風氣候區，年均降水量1 400～2 000 mm，年均氣溫14.6～20.1℃，森林覆蓋率高，綠化程度達72.2%，素有“天然氧吧”的美譽。2008年被評為“中國優秀旅游縣”，良好的生態環境成為永泰對外交往的燙金名牌。

2 數據來源與研究方法

2.1 數據來源與處理

土地利用數據以2015年的Landsat 8_OLI影像為數據源，經幾何校正處理后，利用eCognition軟件，采用監督分類和目視修正相結合的方法進行遙感解譯。結合Google Earth和實地調查，在ArcGIS 10.2軟件中隨機選取500個點，經Kappa系數檢驗，解譯精度均大于90%，符合研究需求。參照土地分類標準，將永泰縣土地類型劃分為耕地、園地、林地、草地、水域、工礦交通用地、居住地7類。

DEM數據主要來自地理國情監測平臺（http：//www.dsac.cn/），分辨率為30 m×30 m。選取高程、坡度、地形起伏度作為地形因子，然后對各地形因子進行等級劃分。高程分級基本原則是分級的間隔數相等，由于研究區最高海拔1 684 m，最低海拔10 m，選取250 m高程差為1級，將高程分為5級：＜250、250～500、＞500～750、＞750～1 000、＞1 000 m。坡度分級參考水利部提出的坡度分級標準，將坡度分為6級：0°～5°、＞5°～8°、＞8°～15°、＞15°～25°、＞25°～35°以及＞35°。利用ArcGIS 10.2軟件中的空間分析模塊和3D分析模塊提取地形起伏度，由于研究區的地形起伏度在0～300 m之間，根據我國1：100萬數字地貌圖的更新與制圖過程，采用自然斷點法將研究區地形起伏度分為5級：0～49、＞49～81、＞81～113、＞113～153以及＞153 m。各地形數據空間分辨率為30 m，坐標為WGS-1984坐標系，地形等級從小到大排序（圖1）。

2.2 研究方法

2.2.1 分布指數

為消除面積差異帶來的量綱影響，構建分布指數來描述不同土地類型在地形梯度上的分布情況[11-12]，公式為

式（1）中，P為分布指數；e代表地形因子，分別為高程（m）、坡度（°）、地形起伏度（m）；Sie為e地形因子特定等級下第i類土地面積，hm2；Si為整個研究區第i類土地總面積，hm2；Se為整個研究區e地形因子特定等級下的土地類型總面積，hm2；S為整個研究區面積，hm2。P=1，表示某土地類型在某種地形上的占比與研究區內該土地類型的占比相等；P＞1，表示某土地類型在該地形上的占比大于研究區內該土地類型的占比，屬于優勢分布；P＜1，表示某土地類型在該地形上的占比小于研究區內該土地類型的占比，屬于劣勢分布。

圖1 永泰縣高程、坡度、地形起伏度、土地類型示意圖Fig.1 The map of elevation，slope，terrain relief and land type in Yongtai County

2.2.2 景觀格局指數

景觀格局指數是景觀格局不同側面特征的概括提煉和定量反映，能夠高度濃縮景觀格局信息[13-14]。根據研究實際，選取景觀水平上能夠反映景觀異質性的景觀形狀指數（LSI）、斑塊密度（PD）、分維數（FRACT）、優勢度（LPI）、蔓延度（CONTAG）、聚集度（AI）、香農多樣性指數（SHDI）、香農均勻度指數（SHEI），運用Fragstat軟件和移動窗口法研究土地利用格局的空間分布特征。由于景觀格局指數受空間尺度的影響較大，經200、400、600和800 m邊長的窗口調試，最終確定最佳分析尺度為邊長600 m的矩形移動窗口。

3 結果與分析

3.1 不同高程區土地利用格局特征

由表1可知，隨著高程等級抬升，永泰縣景觀格局指數的分布變化大致呈現4種特征：（1）先減后增再減型，主要指LSI，說明隨著高程等級上升，景觀形狀趨于規則。其中在第3高程等級區（＞500～700 m）出現峰值，主要是因為該區域耕地分布廣，面積達6 817.5 hm2，在不同高程區中面積占比最高，修筑梯田導致該區域斑塊形狀復雜，破碎化程度明顯；（2）先增后減型，主要指LPI，轉折點主要出現在第2高程等級區（＞250～500 m），該區域林地面積最大，其次是園地和耕地，呈現出林地-耕地-園地的優勢組合，土地類型相對單一，受外界因素的支配力度較小；（3）持續減少型，包括PD、FRACT、SHDI和SHEI，主要是因為居住地、園地、耕地、工礦交通用地等人工生態系統多分布在高程等級較低區域，土地利用類型豐富，景觀結構復雜，在該區域土地開發利用時應有效改善農業生態環境，提高建設用地集約利用率，避免出現城鎮擴張侵占耕地的現象；（4）持續增加型，包括AI和CONTAG，主要是因為在高程等級較高區域，林地、草地等自然生態系統中的優勢斑塊連通性逐漸變好，整體性增強，但該區域生態環境脆弱，在生態保護時應以生物措施為主，工程措施為輔，封、種、管相結合，迅速恢復植被。

從分布指數（圖2）看，在第1高程等級區，水域、園地、居住地、耕地、工礦交通用地處于優勢位（分布指數P＞1），隨著高程上升，林地優勢位逐漸增強；第2、3高程等級區是水域、居住地、耕地、工礦交通用地優勢位的轉折點，只有園地和耕地處于優勢位（P＞1），表明農業開發在＞250～750 m高程區域強度最大，此外地表貧瘠的紅壤加上大而集中的降水使水土流失相當嚴重；第4高程等級區僅有草地處于優勢位；第5高程等級區草地和林地處于優勢位，但該區域土層淺薄，多為裸露的荒山，應在退耕還林、封造并舉的基礎上維護生態系統穩定性。

3.2 不同坡度土地利用格局分布特征

由表2可知，隨著坡度等級抬升，永泰縣景觀格局指數的分布變化大致呈現4種特征：（1）先減再增型，包括PD和LSI，主要是因為隨著坡度上升，居住地、園地、耕地和工礦交通用的分布逐漸減少，景觀類型趨向單一，轉折點主要出現在第4坡度等級區，說明坡度在25°范圍內時景觀類型豐富，斑塊趨于復雜，適宜農業耕作和城鎮建設，應在生態保育的前提下，整合土地資源，發展高效生產；（2）先增后減型，主要指LPI、LSI和AI，表明隨著坡度上升，斑塊形狀趨于規則，整體性變強，但在＞20°～35°的坡度區，由于受永泰縣以“山水”為主題的觀光、休閑、娛樂、度假等綜合旅游開發的影響，斑塊較為復雜；（3）持續減少型，主要指SHDI和SHEI，說明隨著坡度抬升，受林地-草地優勢組合支配，景觀多樣性降低，異質性減弱；（4）持續增加型，主要指CONTAG，說明坡度等級高的區域景觀之間的連通性較強，但這些地區植被稀疏，水土流失嚴重，應大力營造水保林和耐瘠品種林木，有效綠化荒山，做好丘陵和坡地的水土保持工作。

圖2 不同高程等級區各土地利用類型的分布指數Fig.2 Distribution index of land type at different elevation levels

表2 不同坡度等級區景觀格局指數Table 2 Landscape pattern index of different slope levels

不同坡度等級區各地類的分布指數見圖3。

圖3 不同坡度等級區各土地利用類型的分布指數Fig.3 Distribution index of land type at different slope levels

由圖3可知，在第1～2坡度等級區，水域、園地、居住地、耕地、工礦交通用地處于優勢位（P＞1），表明這5種地類在該區域存在激烈競爭關系，在城鎮建設過程中應優化布局5種地類關系；在第3坡度等級區，園地、居住地、耕地、工礦交通用地處于優勢位（P＞1），但其分布指數隨坡度增加呈線性遞減趨勢，在第4坡度等級區僅有林地處于優勢位，說明人工生態系統在＞15°～25°坡度區最敏感，應加強生態修復，堅持造林、水保、農業、建設的協調發展；第5～6坡度等級區林地和草地處于優勢位，表明隨著坡度上升，自然生態系統的優勢在逐漸增強，在進行土地利用規劃時應宜林則林，以牧則牧，提高植被覆蓋率。

3.3 不同地形起伏度土地利用格局分布特征

由表3可知，隨著地形起伏度抬升，永泰縣景觀格局指數的分布變化大致呈現4種特征。

表3 不同地形起伏度等級區景觀格局指數Table 3 Landscape pattern index of different terrain relief levels

（1）先減后增型，主要指PD，說明隨著地形起伏度上升，人類活動的干擾力度逐漸減小，斑塊類型趨于單一化；（2）先增后減型，主要指LPI、LSI和AI，表明隨著地形起伏度增加，各斑塊類型之間競爭變小，形狀趨于規則，連通性變強，其中在第3地形起伏度等級區耕地、園地、居住地、工礦交通用地面積不斷下降，林地、草地面積不斷上升，是人工生態系統向自然生態系統的轉折點，該區域生態環境脆弱，應積極開展造林、補植、種草、種竹活動，限制開發建設；（3）持續減少型，主要指 AI、SHDI、SHEI，說明地形起伏度越大，斑塊之間連通性、穩定性越強；（4）持續增加型，主要指FRACT，由于在較高地形起伏度等級區林地和草地的面積比例達90%以上，導致斑塊類型趨于簡單，同時也極易受到外界威脅，應采取全封山育林育草和半封山育林相結合措施，禁止一切人為破壞。

由圖4可知，在第1～2地形起伏度等級區耕地、居住地、園地、水域、工礦交通用地處于優勢位（P＞1），其中居住地處于絕對優勢位，這與人口、水源的分布直接相關，應重點開發利用；在第3地形起伏度等級區僅有林地和草地處于優勢位（P＞1），土地類型基本全部屬于自然生態型，說明第2～3地形起伏度等級區人地矛盾突出，在土地利用規劃時應協調好金山銀山與綠水青山的關系；在第4～5地形起伏度等級區林地、草地的分布指數明顯高于其他土地利用類型，但該區域荒山、裸地較多，自然災害頻發，應在修復治理的基礎上充分發揮生態服務價值。

圖4 不同地形起伏度等級區各土地利用類型的分布指數Fig.4 Distribution index of land type at different terrain relief levels

3.4 土地利用格局與地形因子相關性分析

3.4.1 基于移動窗口法的景觀格局指數與地形因子相關性分析

移動窗口法可以更直觀地了解研究區土地利用格局的空間分布規律[15-16]，結合永泰縣的地形特征分析可知，其景觀格局指數呈現明顯的梯度變化規律（圖5）。PD和LSI高的區域多為居住地、園地、耕地和工礦交通用地，一般分布在海拔低、坡度和地形起伏度小的低山丘陵和河谷平原地帶；PD和LSI低的區域多為林地和草地，一般分布在海拔高、坡度和地形起伏度大的地區；LPI、AI和CONTAG高的區域多為林地和草地，主要分布在南部和中部地形較為復雜的地區，說明該地區景觀形狀規則，連通性強；FRACT低的區域主要分布在西南和東南部海拔高、坡度大的地區，表明這些地區景觀類型相對簡單，整體性較強；SHDI和SHEI的分布呈現河谷平原和低丘緩坡地區較高、山地丘陵和邊緣山區較低的特征，也具有明顯的梯度變化規律。

圖5 永泰縣景觀格局指數的空間分布Fig.5 Spatial distribution of landscape pattern index in Yongtai County

3.4.2 不同地形因子對景觀格局指數的影響

從圖 6可以看出，PD、LSI、FRACT、SHDI和SHEI隨高程、坡度和地形起伏度等級的升高而減小，LPI、CONTAG和AI隨高程、坡度和地形起伏度等級的升高而增大，變化趨勢都較為一致。

利用Pearson相關性分析計算不同地形因子與景觀格局指數的關系（表4）可知，PD與高程、坡度呈顯著負相關；LSI與坡度、地形起伏度呈顯著負相關；SHEI與坡度呈顯著負相關；AI、SHDI與高程顯著相關；FRACT、CONTAG與高程、坡度、地形起伏度均顯著相關，表明地形因子與景觀格局指數之間具有顯著相關性。

圖6 景觀格局指數在不同地形等級上的分布Fig.6 Distribution of landscape pattern index at different terrain levels

表4 不同地形因子與景觀格局指數的相關系數Table 4 Correlation coefficient between different terrain factors and landscape pattern index

4 討論

地形因子作為山地丘陵區土地利用格局形成和變化的重要影響因子，對區域內景觀結構的演變具有顯著影響[17-18]。在研究過程中，筆者發現通過引入定量分析方法，從高程、坡度和地形起伏度3個維度切入，可以直觀揭示研究區土地利用格局的空間分布規律。此外，通過對不同地形等級區土地類型分布指數的分析和主控因子的識別，可以發現不同地形因子條件下土地利用格局具有顯著差別，受高程因子制約，居住地、工礦交通用地主要分布在海拔小于250 m的河谷平原地帶；受坡度因子制約，耕地、園地集中分布在＞8°～25°的坡度范圍內；在山地丘陵區林地、草地由于對生態條件要求較低，分布相當廣泛，但與地形起伏度有著緊密聯系，一般分布在＞49～113 m的地形起伏度等級區，呈現出上下簡單、中間復雜的格局。但是研究結果并非是普適應性的，局部地區由于受傳統習俗、經濟開發、復雜巖性、土層厚薄的影響，具有獨特的地方性土地利用格局，比如居住地在海拔＞500～750 m的地區呈現出小波峰值，主要是因為農村聚落景觀所致；園地在坡度大于35°的地區仍有一定數量的存在，主要是因為當地土層淺薄，土壤貧瘠，為穩定糧食安全，在坡度大的地區存在毀林開荒，修筑梯田，種植水稻、茶樹、青梅等情況。而上述地區生活條件不便，自然環境惡劣，一旦遭到破壞很難再恢復，因此可適當采取生態移民、退耕還林和封禁措施，以實現人與自然的和諧發展。

同時，針對現有同類研究中評價結果偏主觀，缺少定性與定量相結合的分析過程等問題，該研究制定了一套特定的研究方案，即在對研究區不同地形因子條件下的土地利用格局分析后，運用移動窗口法和Pearson系數進一步分析高程、坡度、地形起伏度與景觀格局指數的潛在關系，深入探究現有空間分布規律的內在機理。在下一步的研究中，將會獲取更豐富的研究區近年土地數據，探究地形因子作用下土地利用格局的連續多年演變規律，并基于此規律對未來山地丘陵區土地利用格局的演變給予科學預測，為永泰縣乃至整個浙閩山地丘陵區土地結構優化配置、相關環境規劃提供合理的決策依據。

5 結論

（1）不同地形因子條件下的土地利用格局具有一定規律性。居住地、工礦交通用地、耕地、園地、水域在地形等級較低區域呈優勢分布，地類間競爭激烈，應合理布局5種地類關系；林地和草地主要分布在土地貧瘠、生態脆弱的較高地形等級區，在開發利用時，應重點考慮生態保護，有效發揮生態服務功能。

（2）景觀格局指數在不同地形因子上的分布具有明顯規律性。在地形等級較低的低山丘陵和河谷平原地帶，受人類生產生活影響，斑塊類型復雜，異質性較高；在地形等級較高的山地丘陵和邊緣山區地帶，由于林地和草地占據優勢位，斑塊形狀規則，連通性較強。Pearson相關性分析表明地形因子與景觀格局指數之間存在顯著相關性。

（3）地形因子作為重要的空間限制因子，對人類開發利用土地資源、土地結構優化配置等活動有一定的空間限制性。永泰縣作為典型的南方山區縣，開發山地丘陵，大力發展農、林、牧、茶、果等生產是一項長久之計，在對其進行開發利用時，需要根據各地類在不同地形條件下的分布規律進行合理安排和協調，宜農則農、宜林則林、宜牧則牧，才能實現土地資源的可持續利用。