大山包地區土地利用的地形梯度效應與空間結構特征

張 麗, 王 平, 段 霄, 趙子蛟

(1.云南師范大學 地理學部, 云南 昆明 650500; 2.云南大山包黑頸鶴國家級自然保護區管護局， 云南 昭通 657000)

土地利用空間格局作為土地利用/土地覆被變化(LUCC)研究的重要內容之一，不僅受當地自然地理環境(如水文、生物、氣候等)及人類社會經濟等多重因素的影響，而且陸地自然表體特征對其影響也十分顯著[1]。土地利用格局發生變化的同時必然會伴隨著周圍的自然環境發生一系列改變，其與之密切相關的生物植被的平衡和自然資源的持續利用等問題也會隨之而來[2]。

地形作為自然地理環境的一個重要組成部分，使區域內水、熱條件發生再分配，進而深刻影響著人類利用土地的方式和程度，對區域土地利用空間格局產生重要影響[3-6]。梁發超等[7]引入地形位指數和分布指數分別在海拔、坡度、地形位3個地形因子不同等級上分析土地利用類型分布特征，斯鈞浪等[8]、董順周等[9]、徐州等[10]則在此基礎上引入土地利用綜合強度指數，探究在不同地形梯度上土地利用程度特征，簡萍等[11]、王權等[12]又引入土地利用多樣性指數，探究了不同地形梯度上的土地利用均勻程度。以上學者的研究表明，對土地利用分布與地形梯度的聯系進行探討，能夠合理有效地分析土地利用受地形因子影響而表現出來的分布特點。區域社會經濟的優化程度和速率在一定意義上取決于對土地資源的高效利用。

大山包地區地形為典型極大起伏亞高山，各類生產活動受地形的限制較大，土地利用的變化對當地經濟可持續發展產生直接影響。大山包地區(大山包黑頸鶴國家級自然保護區及附近地區)社會經濟發展深受海拔和坡度等地形因子的影響。大山包地區生態環境抵御風險能力較低，政策法規對土地利用和生態環境產生較大影響，如退耕還林還草、退耕還濕、濕地保護、封山育林、育草等，也影響著區域經濟發展模式[13]。該地區生態環境脆弱，水土流失嚴重，森林資源基礎脆弱，地質災害易發。另外，該地區還是金沙江下游―小江流域水土流失控制生態保護紅線[14]的重要組成部分，分布有大山包黑頸鶴國家級自然保護區和大山包國際重要濕地。本文基于DEM和GIS空間分析功能，結合地形梯度分析法和分形理論就大山包地區土地利用類型、土地利用程度與地形因子關系，通過其空間分布格局的差異性，來揭示土地利用的地形梯度效應，并在此基礎上來探討土地利用的空間結構特征，以期為該地區土地開發利用的規劃和決策提供科學參考。

1 研究區概況

大山包地區位于金沙江下游滇東北昭通市境內，由昭陽區大山包鎮、大寨子鄉、炎山鎮、田壩鄉和魯甸縣梭山鎮、新街鎮和龍樹鎮龍樹河以西區域構成，總面積688.87 km2。境內海拔490～3 364 m，地勢高低起伏大，地形為典型極大起伏亞高山，土地利用以草地、耕地和林地為主。高聳地勢使該區域成為多條河流的發源地，是金沙江下游和滇東北地區重要的水源涵養區之一，水塔效應顯著。氣候類型屬于暖濕性高原季風氣候，冬寒夏涼。大山包黑頸鶴自然保護區主要位于大山包鎮境內，小面積分布在新街鎮西部，面積192 km2，占大山包地區總面積的27.9%，2005年被列入“國際重要濕地名錄”，是我國現有64個國際重要濕地之一，該濕地是世界唯一一種在高原上繁殖和越冬的珍稀瀕危鶴類——黑頸鶴的重要越冬地之一[15]。

2 數據處理與研究方法

2.1 數據來源與數據處理

土地利用數據來源于地理空間數據云2020年Landsat 8遙感影像，遙感數據分辨率為30 m，解譯精度為88.76%。參照劉紀遠等學者[16-17]的中國土地利用分類系統，將大山包地區土地利用類型分為林地、草地、耕地、建設用地、水域及未利用地共6類，最后將分類結果疊加到Google影像上進行校正，得到土地利用類型空間分布圖(附圖9)。地形數據包括數字高程模型(DEM)、坡度和地形位指數(附圖9)。DEM數據來自ALOS，其空間分辨率為12.5 m。運用ArcGIS 10.2軟件，借助Spatial Analyst Tool工具分析功能，基于DEM提取出坡度，地形位指數由海拔和坡度進行柵格計算得到。

2.2 研究方法

2.2.1 土地利用地形梯度效應分析 選取海拔、坡度、分布指數、地形位指數、土地利用綜合強度指數、土地利用多樣性指數和分形理論等來分析大山包地區土地利用的地形梯度效應。依據該地區土地利用類型及地形分布情況，結合ArcGIS 10.2軟件，對生成的海拔、坡度和地形位指數數據進行分級，進而定量分析土地利用特征。以500 m為間隔，將研究區海拔分為6個級別。參照《第三次全國國土調查技術規程》[18]中的坡度分級標準和水土保持坡度分級[19]，并結合該區域實際的地表形態特征，將坡度劃分為6個級別。同時，用自然間斷法將地形位指數劃分為6級(表1)。

表1 大山包地區海拔、坡度和地形位指數分級

(1) 分布指數。分布指數能夠通過土地利用出現的頻率，定量地反映其在空間上的分布情況，該指數具有消除地貌分級和土地利用面積差異影響的優勢，是一個標準化、無量綱指數[20]，計算公式為：

(1)

式中：P為分布指數;Sie為e地貌分級上i種地類面積;Si為i種地類的總面積;Se為e地貌因子的總面積;S為研究區的面積。P值代表某地類出現的頻率,P值大于或等于1,表明某地類處于優勢分布,值越大，優勢度越大；P值小于1,其分布處于劣勢。

(2) 地形位指數(T)。地形位指數將高程和坡度兩者相結合，來綜合反映地形對土地利用空間格局的影響[21]。計算公式為：

(2)

(3) 土地利用綜合強度指數(La)。土地利用綜合強度指數可以揭示人類對土地開發利用程度在不同地形等級下的分布規律，計算公式[22]為：

(3)

式中：Ai表示研究區域內第i種地類所占的比重；Ci表示研究區域內第i種地類的分級指數,具體參照莊大方等[23]提出的土地利用程度的分級指數進行確定。

(4) 土地利用多樣性指數(Yh)。土地利用多樣性指數可定量表示研究區內各土地利用類型組成在不同地形梯度上的均勻程度，其表達式為[24]：

(4)

式中：Yh為土地利用多樣性指數；Pi為第i種土地利用類型所占面積的比例;n為土地利用類型的數量。多樣性指數介于0～1,越接近于1則說明研究區內所有土地利用類型處于相對均勻分布狀態,反之,分布均勻度較差。

2.2.2 土地利用空間結構分析 引入分形理論，分形維數計算公式[25]為：

(5)

式中：D為分形維數;A(i)為某一地類圖斑的面積;P(i)為某一地類圖斑的周長;C為常數項。采用Fragstats軟件計算不同土地利用類型的面積和周長,再運用SPSS 26.0軟件分別計算面積和周長的自然對數lnA和lnP，然后建立面積—周長的線性回歸模型,可求得各土地利用類型的分維數D。同時,基于分形維數D,可以求得各地類空間結構穩定性指數SK，其計算公式[25]為:

SK=|1.5-D|

(6)

式中：SK為地類空間結構穩定性指數。

3 結果與分析

3.1 土地利用地形梯度效應分析

3.1.1 不同海拔各地類分布格局 大山包地區各地類在海拔梯度上呈現出較明顯的分布差異(圖1)。隨著海拔的增加，水域和未利用地的分布指數呈現先迅速減小后又平穩上升的趨勢，水域分布優勢區間為490～1 000 m和3 000～3 364 m。低海拔區域其匯水面積相對較大，符合水域受重力影響的自然分布，而在3 000～3 364 m海拔段，因地勢高聳，降水較多，徑流深度大，單位面積產水量高，部分盆地、洼地和海子發育有河流和沼澤，有泉水補給，河川徑流量較豐富，具備筑壩修建水庫的有利地形和水文條件，以致該海拔段水域分布指數有所回升。林地和耕地分布指數隨著海拔的升高呈現先增加后減少趨勢。表明隨著海拔的升高熱量條件難以滿足林木的生長；耕地與人類活動分布相一致。草地分布指數隨海拔升高，有逐漸增加趨勢，其優勢區間為2 500～3 364 m，該海拔段內冷濕的氣候有利于大面積亞高山草甸的生長。建設用地分布指數隨海拔升高波動較明顯，呈先增加后減少再增加的趨勢，其分布優勢區間為2 000～2 500 m，人類居住生活多分布在該海拔段的剝夷面上。

圖1 大山包地區海拔梯度上土地利用類型分布指數

3.1.2 不同坡度各地類分布格局 大山包地區各土地利用類型坡度變率梯度差異顯著(圖2)。除林地和未利用地外，其他各地類的分布指數隨著坡度的增加均呈現出減小態勢。在緩坡和斜坡范圍內，草地、耕地、水域和建設用地分布占主導地位，且分布指數隨坡度增加有逐漸降低的趨勢，表明這4種用地類型的分布對坡度具有較強的選擇性。林地分布指數隨坡度增加有逐漸升高的趨勢，其分布優勢區間為緩陡坡、急坡、險坡。坡度越大，限制了其他地類的分布，導致林地分布面積相對較高。未利用地分布指數隨坡度增加先降低后增加，其分布優勢區間為平坡、緩坡、險坡，在山頂平坡、緩坡部分為沼澤，而險坡區域土體較薄，植被覆蓋度較差，甚至為裸巖，不適宜生產生活，開發利用難度大。

圖2 大山包地區坡度梯度上土地利用類型分布指數

3.1.3 不同地形位指數各地類分布格局 大山包地區土地利用類型地形梯度差異明顯(圖3)。隨著地形位指數的增加，林地和草地的分布指數呈現出緩慢上升趨勢，當地形位指數大于0.53時處于優勢分布，表明林地和草地主要分布在地形位較大的區域。耕地、建設用地和未利用地的分布指數在地形位梯度上呈現先下降再上升趨勢。地形位指數為0.26～0.57的區間是耕地、建設用地和未利用地的優勢分布區域，表明這3類用地的分布受地形條件的影響大，對地形條件的選擇性強。水域分布指數隨海拔和坡度地形位指數增加先劇烈下降后趨于平穩再緩慢上升，其分布優勢區間為0.26～0.53。

圖3 大山包地區地形位梯度上土地利用類型分布指數

3.1.4 不同地形梯度下土地利用強度及多樣性特征 由圖4可知，大山包地區土地利用強度綜合指數隨著海拔和坡度增加而呈逐漸降低趨勢，但在第0.65～0.71區間之后有緩慢上升趨勢，其變化范圍為218.49～234.75，隨著海拔和坡度增大，土地開發利用難度逐漸增大，土地利用強度逐漸降低，而在第0.71～0.21區間范圍內由于水域面積有增多趨勢，人類利用水資源強度有所提高，從而導致土地利用強度增大。由圖4可知，大山包地區土地利用多樣性指數隨著海拔和坡度增加與土地利用綜合強度指數變化趨勢相一致，其變化范圍為0.63～0.82，這主要是原因是低地形位指數的區域，海拔低、坡度小，有利于人類充分、合理地對土地資源進行開發和利用，使得土地利用多樣性增加且分布均勻。

3.2 土地利用空間結構特征分析

3.2.1 各地類分形維數 分形維數值的大小可以反映各地類空間結構形態的復雜程度，其值越大，表明該地類的空間結構形態越復雜；相反，則越簡單。采用Fragstats軟件計算出大山包地區不同土地利用類型的面積和周長，再運用SPSS.26.0軟件分別計算出面積和周長的自然對數lnA和lnP，然后建立面積—周長的線性回歸模型(圖5)，各參數值統計詳見(表2)。由計算結果可知，各地類相關系數均大于0.85，表明不同地類的周長與面積相關性顯著，同時表明運用分形理論來探討大山包地區土地利用的空間結構特征是切實可行的。由表2可知，大山包地區各地類的分維值由大到小依次為：水域(1.668 8)>草地(1.364 9)>未利用地(1.300 3)>耕地(1.235 9)>建設用地(1.217 2)>林地(1.191 1)。由此可知，水域(1.668 8)的分維值最大，表明水域用地的空間形態結構最為復雜，這是因為水域的邊界主要受自然因素影響而呈現出不規整的形態，且受人類活動等因素的干擾小。草地、未利用地和耕地這3類用地是在各種自然環境條件共同作用下形成的，而人為影響較小，且地塊形態各異，結構復雜多樣。建設用地受人為規劃因素的影響較大，該地類地塊形狀規整，空間結構形態簡單。分維值最小的是林地，從實際情況來看，林地大多分布于海拔較高的山地，人類對林地開發利用程度較低，使其較好地保持著原始形態。

圖4 大山包地區基于地形位指數分級的土地利用綜合強度及多樣性指數

注：A為面積； P為周長

3.2.2 各地類穩定性指數 土地利用穩定性指數作為土地利用穩定性的檢測指標，可反映出各地類的利用狀況穩定程度。其值越大，表明該地類穩定性越好；反之，表明其穩定性越差。

由表2可知，大山包地區各地類的穩定性指數由大到小依次為林地(0.308 9)>建設用地(0.282 8)>耕地(0.264 1)>未利用地(0.199 7)>水域(0.168 8)>草地(0.135 1)。

表2 各地類分布形態的分形結構模型及相關量統計結果

由此可知，林地的穩定性最好，表明林地的空間分布狀況更加趨近穩定狀態。這與近年來該地區對退耕還林、荒山綠化和育林護林工作的重視，以及生態建設戰略具有重要關系。隨著灌木林地轉變為喬木林地，喬木林地的增加多為人工種植長大形成。林地增加使得該區域林木的郁閉度及密度得到不斷提高，進而使得穩定性指數也高。其次是建設用地、耕地和未利用地，建設用地和耕地受人為規劃干預，在建成后其形態與規模在短期內變化不明顯，地塊形狀較為規整，穩定性較好；未利用地隨著近年來生態修復技術的發展，可能會被改造為濕地、林地和草地等其他生態用地，其開發利用方式受人為因素的影響較大，空間結構形態也趨于規整和相似，穩定性也相對較好。水域用地穩定性較差，由于該地河流、水庫等季節性變動較大，影響了水域的空間結構形態，在地理空間上零散分布，穩定性相對較差。草地穩定性最差，草地受氣候等環境因素的影響，季節性變化大，其結構和功能難以保持原狀，抵抗外界干擾的能力弱。此外，草地受人類生產生活干擾較大，如放牧、退耕還草等對其空間分布形態影響顯著，故穩定性最差。

4 討論與結論

(1) 基于地形梯度分析法和分形理論與方法，選取海拔、坡度和地形位指數指標對大山包地區土地利用結構特征和空間格局進行分析，研究結果表明各地類在海拔、坡度和地形位梯度這3個指標上的空間分布具有顯著差異性。從海拔梯度來看，水域在第1級分布占絕對優勢，低海拔區匯水面積較大；林地、耕地和未利用地優勢分布于海拔低于3 000 m的區域，草地優勢分布則集中于高海拔和坡度較緩的區域，表明各地類間競爭較為激烈，是未來土地利用規劃的重點區域。從坡度梯度來看，草地和耕地優勢分布的坡度區間均為平坡、緩坡和斜坡，林地為緩陡坡、急坡、險坡，建設用地為平坡和緩坡，水域僅為平坡，未利用地為平坡、緩坡和險坡。除林地和未利用地外，其他各地類的分布指數隨著坡度的增加均呈現出減小態勢。從地形位梯度來看，林地和草地的分布指數呈現出緩慢上升趨勢，林地和草地優勢分布在地形位較大的區域，該地區在進行土地開發規劃時可充分考慮各地類的優勢分布區間；耕地、建設用地和未利用地的分布指數在地形位梯度上呈現先下降再上升趨勢；水域分布指數隨海拔和坡度地形位指數增加先劇烈下降后趨于平穩再緩慢上升，水域對地形的選擇性也較強，主要分布在海拔較低的區域。

(2) 總體上各土地利用類型在不同海拔、坡度和地形位指數上的分布具有一致性，但在同級區間上，各土地利用類型在不同海拔、坡度和地形位指數的空間分布格局存在顯著差異。地形位是海拔和坡度兩者信息的綜合，與單個的地形因子相比，用地形位來研究土地利用的空間格局能更有效地分析土地利用類型隨地形變化的分布特征。

(3) 土地利用綜合強度指數和多樣性指數隨著海拔和坡度增加呈現出先降低后升高的趨勢。符合云貴高原山原的實際情況，可見，該區域土地利用的主要限制性因素是地形。因此，在未來進行土地開發規劃時可充分考慮地形因子的影響，做到因地制宜，合理規劃，使區域的土地開發利用更加科學合理。

(4) 各地類的分形特征明顯，水域分維值最大，林地最小。林地穩定性指數最高，草地最低。水域用地的空間形態結構最為復雜，這是因為水域的邊界主要受自然因素影響而呈現出不規整的形態，且受人類活動等因素的干擾?。粡膶嶋H情況來看，林地大多分布于海拔較高的山地，人類對林地開發利用程度較低，使其較好地保持著原始形態。各地類的分形特征與云貴高原山原的實際情況相一致，對認識云貴高原山原土地利用的空間分布特征具有一定的參考價值。

(5) 運用地形梯度法和分形理論來探討了大山包地區土地利用類型、土地利用程度、土地多樣性與地形因子的關系，通過其空間分布特征的差異性，來揭示地形的土地利用效應，可為該地區土地開發利用的規劃和決策提供科學依據。但由于數據的局限性，本文只針對2020年的土地利用格局和空間結構特征進行了分析，而對其不同時間尺度上的動態研究有待深入探討。