基于地形梯度的喀斯特山區景觀綜合破碎化演變
——以貴陽市為例

陸清平, 趙翠薇,2, 王 杰

(1.貴州師范大學 地理與環境科學學院, 貴陽 550025;2.喀斯特山地生態環境保護與資源利用協同創新中心, 貴陽 550025)

土地景觀破碎是由于自然或人文因素導致單一、均質連續的土地景觀分割為許多互不相連斑塊鑲嵌的過程現象[1-2]，其表現為圖斑數量不斷增加，土地利用方式和功能逐漸變化。導致了諸多問題的出現，如耕地破碎阻礙農業規模化和降低農業生產率[3]；林草等生態用地破碎造成生物多樣性減少[4]，使得生態系統結構和功能及農業生產安全受到脅迫[5]，不利于地方經濟[6]、社會[7]和城市可持續健康發展及土地保護[8]。因此，土地景觀破碎研究受到國內外學者的關注。

近年來，破碎化研究實現了從專題探討向綜合研究[9-10]、單一向多方法集成[11]、數理模型向“3S”時空定量研究分析的轉變[12]，同時景觀破碎關注重心逐漸聚焦于經濟欠發達地區，并著重對其誘因的挖掘[13]，研究認為影響因素有家族世襲繼承[14]、生產商戰略風險分散[15]、土地改革制度[16]、坡度高程和氣溫降水等[17-18]。坡度和高程在現實中聯系密切，兩者所特有空間規律，對景觀破碎演化有著深遠影響[19]，特別是在山高坡陡的生態脆弱喀斯特山區更為突出，具有鮮明的梯度特征[20]。因此研究景觀破碎化的地形梯度效應，具有一定科學性與實踐意義。

當前地形梯度研究，一般利用DEM(數字高程模型，下同)提取坡度、高程和坡向等地形因子，采用地形位指數來度量地形效應[21]，并結合景觀和分布指數實現破碎化的地形梯度效應分析。然而，在喀斯特地區開展景觀破碎化方面的研究還較有限，進行綜合破碎化的地形梯度分析研究幾近空白，尤其是在石漠化惡化趨勢好轉和區域森林轉型的背景下[22-23]，喀斯特山區景觀綜合破碎呈現什么樣的地形變化規律和演變態勢是急需摸清的家底。基于此，選取貴陽市為研究區域，嘗試在GIS和景觀分析軟件支持下，運用均方差權數法構建景觀綜合破碎化指數。旨在揭示喀斯特山區地形和破碎化間的關系，豐富不同地形景觀破碎化的時空演變研究，對客觀全面認識喀斯特景觀本底破碎具有重要現實意義，可為生態環境保護和土地優化提供基礎數據支持，為優化地方空間資源和環境保護提供理論參考。

1 研究區概況與研究方法

1.1 研究區概況

貴陽市位于云貴高原東部和貴州省中部，地處長江與珠江分水嶺地帶，屬全國東部向西部高原過渡帶[24]，坐標為106°07′—107°17′E和26°11′—27°22′N。現有直轄區6個，分別是觀山湖、云巖、南明、花溪、烏當和白云區；下轄3個縣，即開陽、息烽及修文縣，并代管1個縣級市——清鎮市，全市國土總面積7 976.21 km2。海拔范圍511～1 738 m，落差較大，西南部和中部海拔高，東北部地勢較低，見圖1，且坡度起伏較小。伴隨著獨特復雜的地表地下徑流二元結構，境內峰叢、漏斗、洼地等發育強烈，同時低中山、中山等丘陵和山地面積分布較廣，還存在少許平地壩區及峽谷，是我國典型的喀斯特地貌分布和生態環境脆弱區[25-26]。2015年耕地面積2 247.93 km2，占貴陽市總面積的28.18%，林地最大達50.33%，建設用地為3.71%，比1990年高1.72%。貴陽市多年平均溫度和平均降水量分別是15.3℃和1 095.70 mm，適宜人類居住活動，2015年常住人口462.18萬人，建成區面積為235 km2，城鎮化率達73.25%，是貴州省城鎮化水平最高的區域。

1.2 材料與方法

1.2.1 數據來源及處理 研究數據包括1990年、2015年2期TM/OLI遙感影像數據、DEM高程模型數據、貴陽市縣域單元矢量邊界和1∶5萬地形圖數據。其中行政邊界和地形圖由貴陽市自然資源局提供；由地理空間數據云(http:∥www.gscloud.cn/)獲取DEM和遙感影像數據，影像云量小于10%，兩者分辨率為30 m。首先采用ArcGIS 10.3及ENVI5.1軟件實現影像融合和鑲嵌，基于地形圖進行影像配準和幾何精校正，隨后進行輻射校正和色彩增強及裁剪等預處理。人機交互式解譯獲得初始土地利用類型；根據研究區實際情況、研究需要和LUCC土地分類標準，將土地類型歸并為耕地、林地、水域、草地、建設用地和未利用地共6個地類，并實地抽樣驗證和圖斑合并修正，最終獲得精度85%以上的土地利用現狀圖(1∶10萬)。接著運用ArcGIS 10.3實現土地利用數據矢量向柵格的轉化(為與DEM分辨率保持一致，柵格大小設置為30 m，共計8 861 418個柵格)；然后選取半徑為1 000 m移動窗口，在Fragstats 4.2軟件中計算各景觀指數，利用柵格計算器進行均方差運算，求取各指數權重值，獲得各期綜合破碎圖層；最后采用自然斷點法實現綜合破碎化分等定級，與地形位和分布指數疊加制圖，分析其地形梯度特征。

圖1 貴陽市高程分布

1.2.2 地形位指數 景觀破碎是受高程和坡度綜合作用的結果[27]，因此采用坡度與高程組成的地形位指數定量描述景觀破碎與地形梯度間的關聯性[21]。計算公式如下：

T=Lg[(E/E0+1)×(S/S0+1)]

(1)

式中：T表示地形位指數；E，E0分別表示高程及平均高程值;S，S0表示坡度和坡度均值。其中，T與高程和坡度呈正相關，當坡度和高程增加時，T隨之增大，相反則會減小，而當坡度增加高程減小，或者高程增加坡度減小等組合時，T則處于前兩者的中間。

1.2.3 分布指數 地形對景觀分布的影響實質可理解為各梯度上景觀破碎度分布頻率，因此以分布指數來表達景觀破碎的分布特征，同時可消除地形梯度下各個景觀破碎度面積比例差異而造成的量綱差異。其表達公式如下：

P=(Sie/Si)/(Se/S)

(2)

式中：P表示分布指數，值越大分布優勢越明顯;Sie表示第i種景觀破碎度在e地形梯度內的面積;Si和Se分別表示第i種景觀破碎度類型和e地形的總面積;S為研究區總面積。當p=1時則認為e地形內i破碎類型的占比與研究區內該破碎類型占比一樣；當p<1時，該類型破碎等級在e梯度里呈劣勢分布；反之則為優勢分布。

1.2.4 綜合破碎化指數和均方差權數法 景觀指數是表征破碎化常用方法[28]，在已有研究基礎上結合貴陽市自身特點[11,17]，選取景觀形狀、聚集度、邊界密度、斑塊分維數、斑塊密度、平均斑塊面積和景觀分割度等7個景觀指數。首先在Fragstats 4.2軟件中進行景觀指數的運算，然后對7個指數進行無量綱化處理，并求出各自的均方差值，接著歸一化處理即可計算出各指標的權重，最后利用加權求和獲得綜合破碎化指數權重值。計算步驟參考文獻[29]。各指標權重見表1。

表1 貴陽市景觀綜合破碎化評價指標權重

2 結果與分析

2.1 梯度分區的地形位指數面積

根據公式(1)，基于高程和坡度計算出貴陽市地形位指數，參考湯國安等研究[30]，采用自然斷點法(可使各變異總和最小，更加突出地形特征)和分區統計獲得貴陽市地形位區間面積及占比。由表2可知，貴陽市梯度以2～6等級為主，面積占比達75.49%，其中中等地形占44.78%，而低地形位中2,3等級占20.71%；其次分別是1,7等級共占16.95%，高地形位中8,9等級面積比例最小，僅7.57%。從圖2看出，貴陽市高地形位指數分布在西北及中偏北部區域，白云、觀山湖、修文東部和花溪中北部則是低地形位指數集中區域，低海拔和緩坡主要分布在貴陽市中偏南和東北少部分地區。

表2 貴陽市地形梯度區間及面積統計

圖2 貴陽市地形位指數分布

2.2 貴陽市破碎度分布特征

1990年破碎最小值為0.22，最大值為0.72，2015年分別是0.23，0.70。為使結果具有可比性，在自然斷點法分級基礎上[31]，參考已有研究[3]，并根據貴陽市實際情況和對其破碎化進行分級，將研究區分為4個等級，分別是：破碎度低區(≤0.39)、破碎度一般區(0.39～0.47 ]、破碎度高區(0.47～0.52]、破碎度劇烈區(>0.52)，結果見圖3。

圖3 1990-2015年貴陽市破碎度類型分布

由圖3可知，1990年和2015年破碎度劇烈區分布在研究區西部和南部，以清鎮市、修文縣、花溪區、觀山湖和烏當區最為集中，北部地區有少許分布；破碎度低區主要集中在中部和中偏北部，同時東部和西南區域也有少量分布，但整體上都是零星無規律分布，沒有形成連片區域；破碎度一般區域同低區一樣，零星分布，但其面積分布更為廣泛，有微小增加趨勢，兩者面積占比由1990年的36.75%增加到2015年的37.47%，而破碎度高區和劇烈區與這兩者相反，由63.25%減小到62.53%，呈現減小的趨勢。縣域層面對比發現，兩個時期破碎化最高均為花溪區，1990年破碎度高和劇烈類型占78.30%，2015年略微降低至76.14%，破碎化最低的分別是白云區和開陽縣，低破碎和一般破碎類型從1990年的50.72%降至2015年的46.72%。貴陽市總的變化趨勢表現為景觀破碎略有降低。

2.3 貴陽市地形梯度破碎度特征分析

有研究表明，破碎化會受制于區域社會經濟和自然條件。利用ArcGIS 10.3進行破碎度類型分區統計，根據公式(2)和Origin 2017軟件獲得貴陽市地形梯度分布指數(圖4)。

A,B,C,D分別表示景觀低、一般、高和劇烈破碎度類型，橫坐標1～9分別表示地形梯度等級。(1)圖4A表示低破碎度類型。由圖可知，2個時期的低破碎度等級在1～5均為劣勢分布，其分布指數小于1，而6～9地形梯度是優勢分布區間，分布指數大于1，兩時期分別占低破碎總面積的47.35%和47.02%。同時分布指數是隨著地形梯度的增加而上升，表明景觀低破碎化在低海拔坡度地區分布不占據優勢，在高海拔坡度大的區域景觀連貫性更強，破碎化程度更輕。(2)圖4B表示一般破碎度類型。1990年、2015年分布指數與地形梯度呈正相關關系，分布指數在地形梯度4～5間發生從劣勢向優勢的轉變，優勢分布面積分別占整個破碎度類型的47.73%和47.37%，但上升速率方面明顯低于低破碎度類型。(3)圖4C表示高破碎度類型，貴陽市土地利用類型復雜多樣，兩期破碎度均隨著地形梯度的增加而分布指數逐漸減小，且減小速率逐漸增大。在第5梯度時由優勢向劣勢過渡，1990年和2015年的優勢分布面積各占72.10%和72.48%。(4)圖4D為破碎度劇烈類型，兩期均與地形梯度呈負相關關系，在第4梯度后向劣勢發展，且變化速率相對高破碎度區更為迅速，優勢區域分別為62.39%和61.36%。

圖4 地形梯度上各破碎度類型分布指數

3 討論與結論

3.1 討 論

(1)基于地形梯度的破碎度一般規律。研究區存在著各種自然和人文的差異，通過對不同梯度上地類的破碎度及其分布指數進行統計分析，發現存在區域差異性的同時，也存在著一些共同的分布特征(圖5)。

4個破碎度等級中，1990年和2015年建設用地均在1～3梯度內表現為優勢分布，且均隨著梯度增加而分布指數減小。1990年耕地從低破碎度到劇烈破碎度等級時，均在1～3梯度表現為優勢分布，2015年除低破碎度外，耕地的其他破碎類型優勢分布擴大到了第4梯度，說明貴陽市耕地分布有向中高地形位變化的趨勢，與魏小芳等[32]研究結論相同。總體而言，貴陽市耕地和建設用地及水域的4種破碎度，在1～3地形梯度內均為優勢分布，且隨著地形位的升高，分布指數逐漸趨近于0。草地和林地在中高地形位分布面積最廣。未利用地在高地形位具有優勢。

(2)喀斯特山區景觀破碎影響因素。山區景觀破碎是社會經濟和政府政策及自然因素綜合作用的結果[33]。坡度高程等自然因素決定土地利用類型的空間分布格局，也是景觀破碎的基底[34]，貴陽市破碎度具有顯著的地形梯度特征。受地形影響，人類經濟活動主要集中在坡度和海拔較小的區域，而高海拔高坡度大地區活動不頻繁，形成建設用地、水域和耕地破碎主要集中于人類活動密切的地形位較低區域；林地和草地破碎則分布在地形位較大位置，且林地表現出地形位越大，其破碎化越向低破碎度靠攏的趨勢。社會經濟涵蓋城鎮化、經濟、交通建設和生活高質量追求等，是景觀破碎的內在動力[24]。貴陽市經濟和城市化發展的集聚效應，誘使人們為增加經濟收入而遠離農村，推動城市不斷擴張，使得建設用地和耕地破碎度低和一般等級的分布范圍逐漸向中地形位區間拓展[35]。同時貴陽市是西南地區鐵路和公路交通樞紐中心，近年來縣縣通高速和村村通公路的建設，耕地、林地和草地等被切割分化，圖斑面積減小。此外，人們對生活質量的追求不斷上升，城市草地、林地和公園綠地面積攀升，迫使低地形位草地和林地的高破碎和劇烈破碎分布指數逐漸擴大。政策方面受退耕還林和精準扶貧等影響，大于25度耕地實行嚴格退耕，貴陽市地處高海拔、坡度大的區域，在人為政策活動干預下已經出現了向森林和草地及未利用地轉型的現象[23]。

圖5 貴陽市1990年、2015年各地類破碎度在地形梯度上的分布指數

(3)研究特色及不足。研究景觀破碎化的成果頗豐，但已有對景觀破碎的研究，只是簡單指出其空間分布，沒有對破碎進行分級研究，更缺乏對景觀破碎地形梯度方面的探究。本文特色之處在于將景觀破碎與地形梯度聯系起來，指出了各景觀破碎度在各地形位上的分布特征。不足之處在于對景觀破碎演化因素只是簡單的從定性方面進行闡述，而沒有進行定量的探究，對地形梯度上景觀破碎度演化因素定量研究是下一步研究的重點。

3.2 結 論

貴陽市1990—2015年以高破碎和一般破碎度為主。1990年占比達42.51%和30.36%，2015年為41.33%和30.56%，且高破碎面積減少94.01 km2，其余3種破碎度類型略有增加。25 a間，高破碎度有所減少，其余3種類型略有增加。高和劇烈破碎度類型主要集中于研究區的西部和南部地域，而北部則相對較少；低破碎度和一般景觀破碎度在貴陽市中部、北部和東部區域較為密集。

貴陽市各景觀破碎有顯著的地形梯度分異效應。1990—2015年耕地和水域及建設用地與地形位呈負相關關系，在1～2梯度內均為優勢分布，且在劇烈破碎度時，耕地的地形梯度特征沒有建設用地和水域明顯；兩期低破碎林草地與地形梯度成正相關，在5～9梯度為優勢分布，而劇烈破碎的林草地隨地形位增加而減小，地形位高的區域以林草地為主。未利用地與地形梯度均呈現先增加后減小的趨勢，且在7～8梯度時優勢分布達到最大值。