基于地形起伏度的呂梁市景觀空間格局分異特征

陳學兄,徐雯亮,韓偉宏

(1.山西農業大學 資源環境學院，山西 太谷 030801；2.山西農業大學 農業資源與環境國家級實驗教學示范中心，山西 太谷 030801；3.山西農業大學 農業經濟管理學院/資源與經濟研究所，山西 太原 030006)

景觀空間格局指形狀和大小不一的景觀斑塊在空間上的配置，是景觀異質性的具體體現，包含干擾在內的各種生態過程在不同尺度上作用的結果[1-3]。景觀空間格局是景觀生態學研究的核心內容之一，又是進行景觀功能和景觀動態研究的基礎和關鍵，因此對景觀的空間研究是分析景觀格局、了解景觀過程、把握景觀動態的基礎[4-5]。當前我國學者已開展了大量的研究工作，但主要在景觀格局動態變化研究[6-10]、景觀格局優化研究[11-16]、景觀格局與生態過程的耦合途徑分析[17]、景觀格局演變及驅動力分析[18-19]和景觀格局演變及生態系統服務價值分析[20]等方面。地貌是影響景觀格局的重要因子[21]。地形起伏度又是描述地貌形態的重要參數，其空間分布為影響景觀空間格局的重要驅動因子[21]。目前，將景觀空間格局與地形起伏度結合在一起分析的研究較少，且研究區域集中在云貴高原區[21]、區域流域等[22-23]，有關黃土丘陵區的相關研究尚未見報道。本研究從地形起伏度的角度研究呂梁市的景觀空間格局，對其空間分異特征進行分析，并揭示其隨地形起伏狀況的變化規律，旨在為研究區脆弱生態環境治理和指導該區景觀生態建設提供理論依據。

1 研究區概況

呂梁市(36°43′-38°43′N，110°22′-112°19′E)因呂梁山脈縱貫全境而得名，地處山西省中部西側，東部鄰接太原市、晉中市，西隔黃河與陜北相望，南部、北部分別與臨汾市、忻州市交界。呂梁屬黃土丘陵溝壑區，地勢中間高兩翼低，平均海拔1 000～2 000 m。地貌大致分為平川區、丘陵區和中山區3種類型。山地兩翼丘陵起伏，溝壑縱橫，水土流失嚴重，東部地勢平坦，是太原盆地西部邊緣，為主要農業區。景觀類型以黃土地貌和林地為主。全市基本屬于溫帶大陸性季風氣候區，四季分明。復雜、多變的地貌類型和人類社會活動的影響，使該市境內地表景觀支離破碎，生態環境也十分脆弱。

2 材料與方法

2.1 數據來源與預處理

基礎數據為2008年5月Landsat-5 TM影像、2018年3月Landsat-8 OLI影像、30 m分辨率的ASTER GDEM數據和呂梁市矢量邊界數據。利用ArcGIS 10.0和ENVI 5.3分別對ASTER GDEM數據及影像數據進行鑲嵌、裁剪、輻射定標、大氣校正等預處理。

2.2 研究方法

2.2.1 鄰域分析法 地形起伏度指在某一確定面積內最大與最小高程之差[24-26]。利用鄰域分析法[24-26]提取呂梁市地形起伏度，鄰域分析所用矩形窗口大小為n×n像元(n=2,3,…,30)，提取步驟：1)統計不同窗口(n×n,n=2,3,…,30)內像元的最大及最小值；2)計算不同窗口內最大值和最小值的差值；3)統計n×n窗口的平均起伏度值，并對不同鄰域窗口所對應的面積進行計算，結果見表1。

利用統計軟件對表1中的鄰域面積與平均起伏度值進行對數方程擬合，得到擬合方程為y=27.875ln(x)+15.462，決定系數R2=0.969 9，擬合效果較好，通過統計學檢驗。

由表1可知，平均起伏度值起初隨著鄰域面積的增大而迅速增大，當鄰域面積達到一定閾值時，其變化幅度比較平穩，依靠目視很難確定該閾值(即最佳統計單元大小)，為避免主觀因素的影響，本研究采用統計學上的均值變點分析法進行計算。

2.2.2 均值變點分析法 提取地形起伏度的關鍵步驟是確定最佳統計單元大小，而均值變點分析法是目前應用最多的一種定量方法。根據均值變點分析法的原理構建樣本序列，步驟為：1)計算各統計單元下的單位地勢度T，Ti=平均起伏度(ti)/鄰域面積(si)(i=2,3,...,30)；2)對T取對數，得到序列X{xk,k=1,2,3,...,29}；3)利用公式(1)(2)(3)和表1數據計算S和Si的值[24-26]。

表1 鄰域面積與平均起伏度值對照Table 1 Comparison of neighborhood area and average amplitude value

(1)

(2)

(3)

表2 均值變點分析法統計Table 2 Statistical results of mean change-point analysis method

由表2得知，在i=12時，S與Si的差值達到了最大，即利用該方法計算得到的最佳統計單元大小為13×13(15.21×104m2)，根據《中國1∶100萬地貌制圖規范(試行)中的地貌基本形態劃分體系》[27]及相關研究，并結合呂梁市實際情況，將呂梁市地形起伏度分為4級，分別為平原(<30 m)、臺地(30～70 m)、丘陵(70～200 m)、小起伏山地(200～500 m)，得到呂梁市地形起伏度分級圖(圖1)。統計各級地形起伏度所占面積比例(表3)。

由表3和圖1分析可得，呂梁市的地形起伏度以丘陵為主，臺地此之，兩者面積占全市總面積的90.83%。平原面積較小，占比8.56%，分布于東南部，與晉中盆地接壤，主要集中于孝義市、文水縣、汾陽市、交城縣境內以及黃河流經之處，這里人口聚集，平原的地形特點有利于人們在此開展社會經濟活動；小起伏山僅占全市總面積的0.61%，集中分布于呂梁市中東部地區。

表3 呂梁市各級地形起伏度所占面積及面積百分比Table 3 Area and area percentage of relief amplitude at all levels in Lüliang city

2.2.3 景觀指數提取

2.2.3.1 景觀格局 依據呂梁市2008年Landsat-5 TM影像和2018年Landsat-8 OLI影像判讀結果，結合研究區土地利用和覆蓋特征，將景觀類型劃分為8類：黃土地貌、居民點、水域、林地、水澆地、旱地、未利用地和工礦用地。2008年及2018年呂梁市景觀類型空間分布情況見圖2。

由圖2可以看出，2008年及2018年呂梁市景觀類型均以黃土地貌和林地為主。10 a間景觀類型的變化以未利用地最為明顯。由于呂梁市地處山西省西部，受黃河以及西北風沙影響，境內黃土地貌溝壑縱橫，塬梁峁川地貌類型清晰可見。林地位于呂梁市東部，分布集中成片。水澆地、旱地分布于東北和東南地區的居民點周圍以及黃河各分支周圍。未利用地主要分布于西部黃河河道周圍。居民點和工礦用地分布在東南和東北，呈塊狀成片或點狀分布。水域大部分呈條狀分布于呂梁市最西側，少數零星分布于各居民點周圍。居民點沿河道呈成片分布。結合圖1，從地形起伏度角度可以看出黃土地貌主要存在于丘陵、臺地這種低起伏地帶；居民點分布于平原、臺地、丘陵這些低起伏帶，由于這些地區便于人類對自然界的改造，并且居民點的分布與水域、水澆地、旱地的分布范圍大體相同，這也表明人類聚居地的選擇很大程度上與水和土地的分布有關，盡可能選擇適合農作物生長的水源豐富的低起伏地帶；林地分布在丘陵、小起伏山地；未利用地分布于黃河河道周邊的丘陵和臺地，受黃河影響不利于種植作物。

圖1 呂梁市地形起伏度分級Fig.1 Classification map of relief amplitude in Lüliang city

圖2 呂梁市景觀類型空間分布Fig.2 Spatial distribution map of landscape types in Lüliang city

2.2.3.2 景觀指數計算方法 景觀指數有斑塊類型水平指數(class-level index)、斑塊水平指數(patch-level index)和景觀水平指數(landscape-level index)3種[28]。本研究利用Fragstats 4.2計算呂梁市斑塊類型水平指數。斑塊類型水平指數選取面積-邊緣類型指數及聚集度指數2種，指數的計算方法見Fragstats 4.2說明書或使用幫助。

3 結果與分析

利用ArcGIS的空間分析功能，將呂梁市地形起伏度分級圖分別與2008年及2018年呂梁市景觀類型圖疊加，然后將其轉為柵格數據，最后利用Fragstats4.2在斑塊類型水平上研究2008-2018年呂梁市不同地形起伏帶水平的景觀類型分布，分析景觀格局變化情況。

3.1 面積-邊緣類型指數變化分析

面積-邊緣類型指數選擇斑塊面積(class area，CA)和最大斑塊指數(largest patch index，LPI)，以表征斑塊大小和優勢度。通過景觀指數分析模塊計算2008年及2018年不同地形起伏帶水平各景觀類型的面積-邊緣類型景觀指數，結果見表4。

由表4分析可知：平原地區2008-2018年，黃土地貌、水域、林地、水澆地、旱地和工礦用地的斑塊面積(CA)增大，其景觀范圍擴大，而未利用地的斑塊面積由324.12 km2減小為133.62 km2，減小程度最大，主要轉化為了旱地、水澆地等對水分依賴程度較大的景觀類型；未利用地的減少、工礦用地面積的增加可以看出，近年來呂梁市各縣市經濟開發力度增強，越來越多的閑置土地轉化為利于經濟發展的土地類型，景觀狀況不斷轉變；居民點的斑塊面積(CA)由485.46 km2增長到575.23 km2，而其最大斑塊指數(LPI)由0.91%減小到0.31%，說明隨著呂梁市城鎮化的發展，居民點分布范圍擴大，斑塊均質性上升，居民點內斑塊類型減少；其余景觀的最大斑塊指數(LPI)增大或不變，表明景觀異質性增大，景觀內部斑塊類型愈加豐富。臺地地區，居民點、水澆地和未利用地的斑塊面積(CA)減小，而黃土地貌、林地、旱地的斑塊面積(CA)增大，且面積變化顯著；未利用地的最大斑塊指數(LPI)由0.42%下降到0.02%，表明未利用地斑塊趨于均質性。丘陵地區，由于其所占面積為呂梁市總面積的2/3，所以大多景觀類型所占面積都較大；2018年林地的最大斑塊指數(LPI)占比達14.76%，林地為丘陵地區優勢景觀類型。小起伏山地，居民點、旱地、水澆地分布很少，主要由于隨著地形起伏度的升高，不利于居民居住，且旱地、水澆地等主要耕地類型對水分的依賴程度較大，而小起伏山地地區無法供給充足的水源；林地的斑塊面積(CA)從86.50 km2增加到103.58 km2，其最大斑塊指數(LPI)為最大，表明林地為小起伏山地地區的優勢景觀類型；黃土地貌斑塊面積(CA)的減少，說明林地面積的增加緩解了呂梁市脆弱的生態環境，更多松散易發生水土流失的土地類型被林地所覆蓋，這對自然災害起到了良好的抵御作用，使生態環境改善。

表4 2008、2018年不同地形起伏帶上各景觀類型的面積-邊緣類型變化Table 4 The area-edge type changes of different landscape types at different relief zones in 2008 and 2018

3.2 聚集度指數變化分析

聚集度指標主要表征景觀中不同斑塊的數量、密度、聚集度、鑲嵌度、連通性信息[29]。研究選取斑塊總數(NP)、斑塊密度(PD)、景觀形狀指數(LSI)、散布與并列系數(IJI)4種聚集度指標，分析呂梁市2008-2018年10 a間各景觀類型的聚集度變化，表征景觀的破碎程度、形狀變化及聚集程度見表5。

由表5可知，平原地區2008-2018年居民點的景觀斑塊數量由29 500個增加到31 686個、景觀形狀指數由189.11減少到123.06、散布與并列系數由41.00%增大到54.07%，這些指數的變化表明呂梁市近10 a間平原地區的居民點分布越來越密集，斑塊形狀愈加規整，斑塊連通性加強，這也與呂梁市近年來城市基礎設施建設力度加大、交通線路的增加、鄉村振興轉型發展等政策的實施密不可分，使得居民點斑塊連通性增大，城鎮化水平提升；水澆地的斑塊數量(NP)由12 197個增加到21 837個，可看出其破碎度增大，斑塊類型愈加豐富；未利用地的景觀形狀指數(LSI)顯著下降，由252.23減少到156.22，表明在人類改造下未利用地的斑塊結構愈加簡化，破碎減少；水域連通性變化較小，但在2008、2018年均為最大值，分別為58.78%及60.88%，說明水域的成片分布不僅為各種景觀類型提供了豐富的資源供給，還能起到改善城市熱島效應、促進城鄉一體化發展、增加景觀類型多樣性等作用。臺地地區，水域散布與并列系數(IJI)由64.24%增加到69.56%，未利用地和黃土地貌的斑塊數量(NP)增加，說明此區域黃河支流連通分布影響到未利用地的擴展及黃土地貌的發育；對水分依賴較大的居民點、工礦用地、水澆地、旱地也因水域的連通性較好相對分布較多，并且四者的散布與并列系數(IJI)增大，分布更加集中。丘陵地區，2008-2018年水域的景觀形狀指數(LSI)由166.54增加到224.32，而旱地由363.26增加到454.14，可看出在人類改造下水域和旱地的斑塊形狀更加復雜；水域、林地、旱地斑塊密度(PD)分別由1.42、4.31、4.96個·km-2增加至2.04、5.11、8.23個·km-2，表明三者的景觀斑塊破碎度增大，斑塊類型更加豐富；由于丘陵為呂梁市主要的地形類型，居民聚集較多，通過10 a間不斷改造，所有景觀類型的聚集度上升，連通性均有所增強，越來越有利于經濟建設的發展。小起伏山，由于地形起伏度的升高，人類活動減少，各景觀類型破碎化水平小，形態規整；旱地、林地、工礦用地連通性變差，愈加散亂分布。

表5 2008、2018年不同地形起伏帶上各景觀類型的聚集度變化Table 5 The aggregation changes of different landscape types at different relief zones in 2008 and 2018

4 結論與討論

利用ASTER GDEM數據提取呂梁市地形起伏度，結合2008年和2018年影像數據解譯結果，使用Fragstats 4.2對斑塊類型水平景觀指數進行了計算，并分析探討呂梁市景觀格局隨不同地形起伏度的空間格局。結果表明，呂梁市地形起伏度以丘陵為主，臺地此之，兩者面積占全市總面積的90.83%，平原面積占比8.56%，而小起伏山僅占全市總面積的0.61%。2008年及2018年呂梁市景觀類型均以黃土地貌和林地為主，10 a間景觀類型變化以未利用地最為明顯。平原地區，未利用地的斑塊面積由324.12 km2減小為133.62 km2，主要轉化為了旱地、水澆地等景觀類型；居民點的最大斑塊指數(LPI)由0.91%減小到0.31%，斑塊數量(NP)由29 500個增加到31 686個、景觀形狀指數(LSI)由189.11減少到123.06、散布與并列系數(IJI)由41.00%增大到54.07%，表明其分布范圍擴大，分布越來越密集，斑塊形狀愈加規整，斑塊連通性加強；未利用地的景觀形狀指數顯著下降，由252.23減少到156.22，其斑塊結構愈加簡化。臺地地區，黃土地貌、林地、旱地的斑塊面積分別由1 895.41、414.49、259.78 km2增加至2 173.44、920.46、544.42 km2。丘陵地區，2018年林地的最大斑塊指數占比達14.76%，林地為丘陵地區優勢景觀類型；水域的景觀形狀指數由166.54增加到224.32，而旱地由363.26增加到454.14，二者的斑塊形狀更加復雜；水域、林地、旱地斑塊密度分別由1.42、4.31、4.96個·km-2增加至2.04、5.11、8.23個·km-2，三者的景觀斑塊破碎度增大，斑塊類型更豐富。小起伏山地，林地的斑塊面積從86.50 km2增加到103.58 km2，其最大斑塊指數為最大，表明林地為小起伏山地地區的優勢景觀類型。隨著地形起伏度的變化，呂梁市景觀空間格局分異特征明顯。地形起伏度只是描述地貌形態的重要參數，如對景觀空間格局分異特征進行更深入研究，還需應用較為全面的地貌因子。