基于地形梯度的純喀斯特和非喀斯特及亞喀斯特區土地利用格局分析

陸清平, 趙翠薇, 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)

土地利用/覆被與地球大氣、土壤、水文和生物及物質循環等息息相關[1-2]，對人類的生存環境和發展影響深刻持久[3-4]，已成為全球生態環境變化的熱點研究[5-7]。地形是土地利用格局形成的基礎，在一定程度上決定了土地利用的結構和方向[8-9]，使得土地利用在地形上呈現明顯梯度特征[10]。

近年來，土地利用結合地形的研究較為豐富，Liyew Birhanu等探究了埃塞俄比亞土地利用與海拔和坡度的關系[11]，李京京等運用綜合高程和坡度的地形位指數分析了汾河流域土地利用的地形梯度演變規律[12]。從研究內容看，主要包括地形的土地利用圖譜變化[13-14]和景觀生態空間風險及效應分析等[15-17]；研究區域主要集中在生態脆弱區、流域及高原山地等[18-21]，且國外更加偏重對人為因素的探究。對喀斯特山區研究有林地的地形梯度變化[22]，城市建設用地擴展梯度特征[23]和流域的土地利用地形梯度演化規律等[24]，然都是將研究區整體作為純喀斯特或非喀斯特地貌分析其地類梯度特征，而Cvijic[25]、安裕倫[26]、賀中華[27]等發現，純喀斯特與非喀斯特間還存在與兩者景觀差異較大的“半喀斯特”或“過渡喀斯特”地貌，即亞喀斯特地貌[28]。

當前，對純喀區、非喀區及亞喀地貌區的土地利用地形梯度格局研究較匱乏，3種地貌區土地利用地形梯度特征是否存在差異，若有差異，差異體現在哪些方面尚不清楚。基于此，以貴州黔中地區為研究區，根據巖性劃分喀斯特區、非喀區和亞喀區，運用地形位指數和優勢分布指數，揭示土地利用類型在不同地貌區的地形梯度規律，從而為統籌國土資源的合理空間配置提供基礎數據支撐，也為區域因地制宜開展資源精細和差異化管理及可持續發展提供參考。

1 研究區概況

研究區位于貴州中偏西和南部，包括安順市全境，外加六枝特區、織金縣、清鎮市和花溪區，共1個縣級市、4個區和7個縣，總面積為20 283.80 km2。地勢為西北高東南低，海拔范圍314～2 225 m，地形高差較大，其中西北部織金縣和西部六枝特區海拔最高，處于貴州西部第一階梯向中部第二階梯的過渡帶(貴州地勢自西向東分為三級階梯[29])，河流縱橫且河谷深切；中部西秀區、東部花溪區和北部清鎮市為貴州高原面，東南部和南部區域海拔最低，地處第三階梯地勢帶范圍。巖性以連續型石灰巖為主，還伴隨著大量的非碳酸鹽巖等；地質成分以灰巖碎屑巖互層和灰巖夾碎屑巖組合為主。地處亞熱帶季風區，年均溫、年均降雨量分別在14～16℃和1 300～1 400 mm，雨熱同季利于農業生產。土地利用以林地、耕地和草地為主，其中林地面積最大，占研究區的38.67%，耕地次之，占36.52%，草地占10.32%，建設用地達4.47%。2017年GDP總量2 098.58億元，占全省的14.17%，常住人口達480.60萬人，城鎮化率53.32%略高于貴州省(46%)，是貴州城鎮化及經濟發展水平較高的區域。

2 材料與方法

2.1 數據來源與處理

研究基礎數據包括土地利用和DEM(數字高程模型)及巖性數據。土地利用數據由貴州省2017年土地調查年度變更成果數據庫裁剪獲得；巖性數據由1∶20萬圖件掃描、精校正、矢量化等處理后得到；坡度和高程數據由日本地球觀測衛星ALOS(分辨率為12.5 m，重采樣為30 m)網站(https:∥search.asf.alaska.edu/)下載DEM，在ArcGIS空間分析工具中提取得到。

根據2017年全國土地利用現狀分類標準，結合研究區實際需要，分為草地、旱地、有林地、灌木林地、水域(水庫和坑塘及河流等水面)、未利用地(沼澤地、沙地、內陸灘涂和裸地)、農村居民點、其他林地、水田、園地(果園和其他園地)、道路、基礎設施用地(港口碼頭、溝渠、管道運輸、設施農用地、機場和水工建筑用地)、工礦用地、城鎮建設用地和水澆地共15種地類。利用ArcGIS柵格計算器計算研究區地形位指數并采用自然斷點法進行分級；最后將土地利用與地形位指數和地貌圖疊加，獲得不同地貌區各地類的地形位指數。

2.2 地貌類型劃分

安裕倫等認為巖性是區分純喀斯特、非喀斯特和亞喀斯特地貌的主要因素[28]，蘇琪嬌等總結出3種類型分布特征，即純喀斯特在純碳酸鹽巖間發育強烈，亞喀斯特在不純碳酸鹽巖區集中，非喀斯特與非碳酸鹽巖密切相關[30]。因此本次研究以1∶20萬巖性數據為基礎，將巖性進行合并歸類(表1)，最終獲得研究區3種喀斯特地貌類型分布范圍(圖1)。

表1 地貌類型劃分標準及面積

圖1 地貌類型分布

2.3 研究方法

2.3.1 地形位指數 單一因子難以全面表征地形特征[31]。土地利用類型分布與高程和坡度有關，故采用坡度和高程組成的地形位指數綜合表征地形特征。計算公式如下：

T=lg[(E/E0+1)×(S/S0+1)]

(1)

式中:E,E0分別表示高程及平均高程值；S及S0表示坡度和坡度均值，坡度和高程增加時,T隨之增大,相反則會減小,而當坡度增大高程減小,或者高程增加坡度減小時,T則處于前兩者的中間。

2.3.2 分布指數 地形對地類分布產生的影響，實質可認為是各梯度上地類的分布頻率，故用分布指數來表達景觀分布特征，還可消除地形梯度下各個土地利用類型面積比例差異而造成的量綱差異。公式如下：

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

(2)

式中:P為分布指數,分布優勢和p值兩者具有正相關性;Sie表示i地類在e地形內的面積;Si為i地類的總面積,Se表示e地形的總面積;當p=1時,表明e地形內i地類的面積占比與研究區內i的面積比例相等;p<1時,該地類在e梯度內呈劣勢分布,反之為優勢分布,且P越大,分布優勢越明顯。

3 結果與分析

3.1 地形位指數梯度分區

根據公式(1)獲得研究區地形位指數分布圖，采用自然斷點法分為10個等級，并歸為低地形梯度、一般地形梯度、較高地形梯度和高地形梯度4個類型，統計出各地形位等級的面積(表2)。統計結果顯示，研究區以3～7地形梯度為主，3～7級各地形梯度面積比例均大于10%，合計面積占比達68.26%。低地形梯度面積占15.22%，一般地形梯度區占44.58%，較高地形梯度區占27.70%，高地形位面積比例最小，僅2.50%。高地形位分布在西北和西部及南部區域，以織金、六枝和紫云最顯著，織金縣、六枝特區海拔高、坡度大，紫云縣處于貴州高原向廣西丘陵過渡地帶，地形破碎，坡度較大，地形位指數大；平壩、花溪、西秀區和普定縣南部及惠水縣一帶，為貴州高原面，地勢較為平坦，為喀斯特溶蝕盆地、谷地，雖然海拔較高但坡度小，成為低地形位集中區域(圖2)。

圖2 研究區地形位指數

表2 地形梯度區間及面積統計

3.2 不同地貌區土地利用的地形分布

3.2.1 純喀斯特區 純喀斯特地貌類型在研究區域內分布范圍較廣，占研究區總面積的55.57%。根據公式(2)和Origin 2017軟件獲得研究區不同地形梯度的分布指數(圖3)。

由圖3可知，水域分布指數變化最大，在第1梯度內指數達4.57，在1～3梯度內為優勢分布，隨著地形梯度的增加分布指數逐漸降低，說明水域集中分布在低地形梯度區，在地形位高的區域水域面積較少。水田在1～3梯度為優勢分布，水澆地和園地是1～4梯度，最大分布指數分別是3.60，2.66及1.99，表明3種地類對坡度海拔低的區域選擇性較強，主要分布在西秀、平壩、普定和惠水等地。旱地在第5梯度有最大值1.16，優勢區間為2～6，說明其對地形選擇性較小，能在較高梯度有較好的適應性[19]。有林地和其他林地在4～8梯度為優勢分布區，與地形呈現先增后減趨勢，多分布在地形位一般區域(4～6梯度)，有林地在第8梯度時分布指數為1，表明第8梯度內的有林地與在研究區內的比例相同，是其優勢向劣勢的分界點，而其他林地分界點在8～9地形梯度間。灌木林地在1～5為劣勢分布，6～10梯度為優勢分布，與梯度變化呈正相關關系，在較高地形位適宜性較好[32]。草地地形梯度特征呈倒“U”型變化，第4梯度前為劣勢而5～10呈優勢分布，第7梯度達到優勢分布峰值1.64，后又逐漸降低。農村居民點和城鎮建設用地在1～3梯度為優勢分布，在第1梯度有最大指數2.37，4.05，均隨著梯度增加而減小，農村居民點由優勢向劣勢轉變發生在4～5地形位，而城鎮建設用地過渡區間為3～4，說明城鎮用地對地形的選擇性比農村居民點強。未利用地分布指數與梯度表現為正相關性，6～10梯度為優勢分布，第10梯度有最大分布值2.06，主要集中在紫云西北部、東部和關嶺中部。

圖3 純喀斯特區域土地利用類型在各地形梯度上的分布指數

3.2.2 非喀斯特區 非喀斯特地貌類型在研究區分布范圍較小，主要集中在鎮寧和紫云，在織金、清鎮和六枝及花溪有少許分布(圖4)，占研究區總面積的21.48%。

由圖4可知，有林地優勢分布為5～9地形梯度階段，草地為5～10，灌木林地和其他林地為6～10，除有林地外，其余均與地形梯度呈正相關，在第10梯度有最大分布值，分別是1.35，1.67，2.12，有林地在第7梯度時就達到最大分布值1.15，但幾類生態用地均分布在較高地形位區域。農村居民點、水田、園地、道路、基礎設施用地、城鎮建設用地、水澆地及水域均隨著地形梯度增加而減小，在第1梯度均有最大分布值，城鎮建設用地和水域高達7.36，6.18，其他幾類均在2～2.5之間。旱地在3～6梯度為優勢分布，最大分布值1.05位于第4梯度，在地形梯度上表現為先增后減特征。未利用地與地形位具有正相關性，7～10地形位為優勢分布，其余階段為劣勢分別，第10梯度有最大值3.24。

圖4 非喀斯特區域土地利用類型在各地形梯度上的分布指數

3.2.3 亞喀斯特區 亞喀斯特地貌類型在研究區內分布范圍較小，主要集中在惠水、長順、花溪、西秀、普定和織金等地方，其他區域也有少許分布(圖5)，占研究區總面積的22.95%。

圖5 亞喀斯特區域土地利用類型在各地形梯度上的分布指數

由圖5可知，工礦用地、道路、城鎮建設用地和水澆地在1～3地形梯度為優勢分布，工礦和城鎮建設用地在第2梯度有最大值3.02，3.31，道路在第1梯度時有最大值2.41，3種地類優勢分布主要集中在六枝、普定、西秀等縣城中心和清鎮市東南部及花溪東北部區域；農村居民點、水田和基礎設施用地在1～4梯度為優勢分布，水田在第1梯度有最大值2.47，而農村居民點和基礎設施用地最大值在第2梯度，分別是2.03，1.85；園地優勢分布區域為1～4梯度，在第2梯度有最大值1.80；水域優勢區間為1～2梯度，最大優勢分布值在第1梯度，達9.49，兩區間分布值相差8.16；上述9地類均與地形梯度呈現負相關關系，水域變化最為明顯，表明在亞喀斯特區域，這幾種土地利用類型對低地形的選擇性最強，如水田在平壩、西秀和惠水等地分布較廣。灌木林地和未利用地在6～10梯度為優勢分布，與梯度成單調遞增關系，在第10梯度有最大值2.39，1.66，而旱地、有林地、草地和其他林地均是先增加后減小，旱地在3～7梯度為優勢分布，草地為4～9，有林地是4～7，而其他林地則為5～10，分布指數均沒有較大差異，但旱地分布指數更接近于1，說明旱地在3～7梯度的比重接近于整個亞喀斯特內旱地的比重。

3.3 研究區土地利用分布指數差異

純喀斯特與非喀斯特及亞喀斯特存在著土地利用地形的差異，主要表現在：(1) 土地利用從優勢向劣勢以及從劣勢向優勢分布過渡的地形梯度帶不同，如有林地在純喀斯特地貌過渡地形梯度為4和8，非喀斯特為5和9，亞喀斯特則是4和7，其對非喀斯特地形適應更強。(2) 土地利用類型變化趨勢和速率不同，變化趨勢上如農村居民點在純喀與非喀區是單調遞減，而亞喀區則是先增后減趨勢；在變化速率上如旱地在純喀區由0.83增加至1.16后降至0.63，非喀則是從0.64增加到1.08在降至0.94，而亞喀區則是由0.66上升至1.05再降至0.92，旱地在非喀區變化速率低于亞喀區，更遠低于純喀區。(3) 耕地的優勢分布地形位面積占比順序是：純喀區(26.26%)<亞喀區(26.61%)<非喀區(26.64%)，水田在純喀區優勢區間為1～3，亞喀和非喀區則為1～4，同時亞喀區在優勢向劣勢的過渡值(1.07)比非喀區(1.12)小，旱地在純喀區優勢分布最小梯度為第2級，亞喀和非喀區則為第3等級且由劣勢向優勢過渡值分別是1.03，1.05，非喀區優勢值大于亞喀區。綜上表明耕地在非喀區地形選擇性小于亞喀區，更低于純喀區。

4 討 論

4.1 基于地形梯度的土地利用一般規律

通過對不同梯度上地類及其分布指數進行統計分析，發現存在區域差異性的同時，也有共同的分布特征。

(1) 無論是純喀、非喀還是亞喀區，農村居民點、水域水田、園地、水澆地和基礎設施及城鎮建設用地等7類景觀，均隨梯度增加逐漸從優勢向劣勢分布過渡，都在1～2梯度內呈現優勢分布，水域在第1梯度有最大優勢分布值，其余6類在第2梯度分布范圍最廣，且水田為1～2梯度內生活生產的主要利用類型，原因是貴州省平地本底稀少[33]，水田對地形和水資源條件要求較高。旱地在3～6梯度為優勢分布，但其優勢分布指數均趨近于1，表明旱地在此區間的分布比重與整個研究區旱地的比重相近，與梯度呈現先增后減的變化，同時旱地在2～7梯度面積分布較多，與貴州1991年開始的坡改梯工程有密切關系[34]。(2) 草地、灌木林地、未利用地、有林地和其他林地優勢分布均在較高地形位，除有林地外其他景觀類型均隨梯度增加而增加，有林地表現為先增加后減小趨勢，表明有林地適宜性范圍小于這幾種地類，這與植被的垂直地帶性分異有關，隨著地形位的增加，坡度和高程逐漸增加，溫度逐漸下降，有林地生長環境受限，被灌木和草地及未利用地(裸地)等所替代，第8梯度后氣溫持續降低，草地優勢范圍逐漸縮小，發生向灌草叢和未利用地的演替。(3) 總體而言，地形位較小區域，生活條件較好，適宜人類從事生產生活，隨著地形位增加，環境逐漸變差，人類發展受限，適宜生態用地的發展，具體表現就是生產生活用地的分布指數逐漸趨近于0，而生態用地分布指數與之相反。

4.2 土地利用類型空間分布影響因素

土地利用類型空間分布是由社會經濟和政府政策及自然因素綜合作用的結果[35]，坡度高程等決定其空間分布格局[36]。研究區土地利用具有顯著的地形梯度特征，從自然角度出發，純喀區經過千萬年形成復雜地表地下二元結構，土層淺薄、保水性差，而亞喀區則擁有較厚的土層，土壤保肥性好覆被度高，宜農耕地多，且非喀區最為理想[28]。研究表明非喀區最大持水率均值>純喀區>亞喀區，且同等條件下亞喀區土壤侵蝕量最高[37]，這就是為什么在純喀區和非喀區水域優勢地形位區為1～3，而亞喀區為1～2的原因。人類生產活動主要在地形位較小的區域，對高海拔坡度大區域的涉及較少，所以林草地及未利用地得以在地形位較大區域占據優勢。社會經濟涵蓋城鎮化、經濟、交通建設和對生活高質量追求等，是土地利用分布的內在動力[38]，由于工業和城鎮化進程的加快，經濟發展集聚效應誘使人們為增加收入遠離農村，此外，生活質量的不斷上升，土地屬性不斷變化，城市草地、林地和公園綠地面積增長，使得城鎮建設用地在低地形位不斷向外擴張，并逐漸占據優勢。政策方面受退耕還林和精準扶貧的影響，大于25°的耕地嚴格實行退耕，造成高海拔坡度大的區域出現向森林和草地及未利用地轉型現象[39]；同時，異地扶貧搬遷，人口向低地形位聚集，高地形位大量耕地撂荒，發生自然向草地、灌木和其他林地(疏林地)演替，使得林草地的分布優勢增加。

4.3 研究特色及不足

景觀類型格局研究成果豐碩，然而已有研究，只是簡單指出其空間分布，較少進行對比不同地貌的空間格局研究，尤其是不同喀斯特地貌景觀類型地形梯度的對比探究。本文特色之處在于將景觀與不同地貌類型和地形梯度三者聯系起來，指出地類在各地貌的不同地形位上的分布特征。不足之處在于，不同地貌上景觀類型的地形梯度影響因素，只是簡單從定性方面進行闡述，沒有定量探究，同時也未開展長時間序列的演化特征分析，對地形梯度上不同地貌的景觀類型演化規律和影響因素定量研究是下一步工作的重點。

5 結 論

研究區土地利用具有顯著的地形梯度特征，農村居民點、水田、園地、道路、基礎設施用地、城鎮建設用地、水澆地和水域等在1～3地形梯度有顯著分布優勢，有林地、灌木和草地及未利用地在7～10地形梯度優勢分布突出，而旱地優勢主要集中于低和一般地形位。研究區不同地貌的城鎮建設用地、基礎設施用地和灌木林地具有相同的優勢分布地形位區間，其他土地利用類型雖在整體上表現出較強相似的地形梯度特征，但不同地貌內的相同景觀類型地形梯度特征具有差異性，在優勢分布范圍變化和趨勢及速率有所不同。有林地對非喀區地形適應范圍最廣(地形位范圍5～9)、純喀區次之(4～8)，亞喀區較窄(4～7)；草地在純喀區和非喀區都集中在地形位5～10范圍，亞喀區最差(4～9)；純喀區水田對地形選擇性最強(1～3)，亞喀和非喀區選擇性較弱(1～4)；農村居民點在純喀區與非喀區均呈現單調遞減趨勢，在亞喀區則表現為先增加再單調減小；旱地和未利用地在非喀區的優勢分布變化速率低于亞喀區，更遠低于純喀區，而水域卻恰恰與之相反。