閬中市土地利用的地形梯度效應及空間分形特征分析

蔣良群，舒成強,2*，劉 輝,2，馮建平

(1.西華師范大學地理科學學院， 四川 南充 637009;2.四川省干旱河谷土壤侵蝕監測與控制工程實驗室， 四川 南充 637009)

土地利用/覆被變化(Land Use and Land Cover Change，LUCC)體現了人對地表作用過程及地表系統的響應，是全球變化的重要環節，影響著人類社會可持續發展[1]。而地形在一定程度上制約著人類社會經濟活動，間接影響著土地利用結構及其空間格局分布[2-4]。相關研究顯示，土地利用類型分布與地形梯度有著顯著關系[5]，在某個區域范圍內，某種土地利用類型在地形梯度上的空間格局有著一定的規律，分布相對穩定[6]。土地利用結構是某個區域在一定時間范圍內的土地利用狀況的反映，與地方社會經濟活躍程度、經濟發展水平有著直接聯系。通過研究區域土地利用類型的空間分布和分形特征，可以分析土地利用結構的自相關性、復雜性及其穩定性[7]。分形理論最早由法國數學家Mandelbrot提出，是局部結構以某種方式和整體相似的形，可以對具有標度不變性的特征進行統計計算，是對空間特征的定量分析[8-9]。通過對土地利用的地形梯度效應結合其空間分形特征綜合分析能夠較好反映一個區域土地利用空間分布規律及其利用類型的復雜性和穩定性。本研究以閬中市為研究區，在2019年土地利用變更調查數據的基礎上，應用DEM數據和GIS的空間分析功能進行土地利用的地形梯度效應分析；同時，對其土地利用結構進行分形特征研究，以期為閬中市的土地利用規劃及土地資源的合理配置提供參考依據。

1 材料與方法

1.1 研究區概況

閬中市隸屬四川省南充市，位于四川盆地北部，嘉陵江中游，屬于川中丘陵區向川北低山區過渡地帶，處于東經105°41′～106°24′，北緯31°22′～31°51′，總面積1 876.27 km2。閬中市東靠巴中市、儀隴市，南連南部市，西鄰劍閣市，北接蒼溪市，地形上呈現為東西北部高、中南部低，海拔介于328～889 m。地貌上以低山、高丘、中丘為主，低丘、平壩只占幅員面積的6.31%。閬中市位于亞熱帶季風氣候區，氣候溫和，光照適宜，年平均氣溫17℃，年平均降水量為1 033.9 mm。

1.2 數據來源與研究方法

1.2.1數據來源 2019年土地利用變更調查矢量數據由閬中市自然資源與規劃局提供。根據丘陵和山區過渡地帶的土地利用類型特點，結合全國土地調查分類體系及閬中市實際情況，將閬中市土地利用類型分為八大類：耕地、林地、園地、草地、水域(含水利設施用地)、居民點及工礦用地、交通用地(含農村道路)、其他用地。遙感數據下載于地理空間數據云網站空間分辨率為30 m的ASTER GDEM V2數據。

1.2.2地形梯度分析法 各土地利用類型的地形梯度效應采用高程、坡度和地形位指數進行綜合疊加計算，再利用ArcGIS的reclassify功能模塊對高程圖、坡度圖和地形位指數進行分級。根據實地調查結果發現，閬中市高程>650 m的區域，土地利用類型以林地和草地為主，類型較為單一；在400～600 m的土地利用方式差異較大，但總體以耕地和林地為主。根據這一實際情況，將高程328～400 m 分為一類，650 m以上的分為另一類；由于高程在400～650 m 的土地利用類型較為復雜，且土地利用類型隨高程變化顯著，因此在該區間內以50 m為間隔，用內插法劃分為5級。坡度劃分是在第三次全國國土調查中的耕地坡度分級標準[10]和水土保持坡度分級[11]基礎上，充分考慮閬中市山地-丘陵過渡地形特征，將其劃分為7個等級：0°～2°、2°～6°、6°～10°、10°～15°、15°～20°、20°～25°、>25°。根據高程和坡度等級劃分，通過疊加分析計算地形位指數，依次劃分為7個等級(表1)。

表1 閬中市高程、坡度和地形位指數分級

(1)地形位指數。地形對一個區域經濟發展和土地利用規劃有著較大的影響[12]，而單一的高程或坡度無法全面反映地形的特征，地形位指數則綜合了高程變化和坡度信息的特點，其計算公式為[13]：

(1)

(2)地形分布指數。地形分布指數用來描述區域不同土地利用類型在地形區間上的概率分布[13-14]，它能減小不同土地利用類型之間面積差異過大帶來的量綱影響，公式[15]為：

(2)

式中：P表示分布指數;Sij表示第i土地利用類型在j地形下的分布面積;Si表示研究區域內第i土地利用類型的總面積;Sj表示j地形區間在研究區域內的總分布面積;ST表示研究區域的總面積。當P>1時，即表示該土地利用類型屬于優勢分布[16]。

1.2.3分形計算 分形維數能夠表征斑塊邊界的曲折性和大小，分形維數值越大，則該土地斑塊形狀越復雜;反之則相對簡單[17-18]。

土地利用的分形維數計算公式[19-22]為：

(3)

式中A(r)為某一圖斑面積，P(r)為該圖斑周長，D為分維，C為常數。通過(3)式可計算土地利用類型的分形維數D。D值在1～2，當D=1.0，表示土地斑塊的形狀為正方形，D=2.0，表示空間上的鑲嵌結構最復雜，而當D=1.5時，表示空間結構最不穩定，若D值越接近1.5，表示空間結構越不穩定，越偏離1.5則穩定性越強[17]。

為了進一步表征土地利用類型穩定性，引入地類空間結構穩定性指數(SK)，公式[23]為：

SK=│1.5-D│

(4)

由于D值介于1～2，因此值介于0～0.5。當SK值越趨近于0.5，那么地類空間結構越穩定；SK值越趨近于0，則地類空間結構穩定性越差。

2 結果與分析

2.1 土地利用結構分析

根據2019年土地變更調查數據結果，按照三大類進行統計，農用地面積為1 682.64 km2，占全市土地總面積89.53%；建設用地157.81 km2，占全市土地總面積8.30%；未利用地為42.75 km2，占全市總面積的2.17%。在軟件ArcGIS 10.3的支持下，根據2019年閬中市土地利用變更調查數據提取各土地利用類型斑塊的面積與周長，統計各土地利用類型的面積，并分析其總體占比情況(表2)。研究結果顯示，林地面積最大，為742.79 km2，占全市土地總面積比例為39.59%；其次是耕地面積，為689.78 km2，占全市土地總面積比例為36.76%；居民地及工礦用地為138.26 km2，占全市土地總面積比例為7.37%；面積最小的是草地，為2.38 km2，僅占全市土地總面積的0.13%。

表2 閬中市各土地利用類型面積周長統計

2.2 土地利用空間格局分析

2.2.1不同高程影響下的各土地類型空間分布格局 研究結果顯示，在高程梯度上，閬中市各土地利用類型在高程梯度上分布差異較大(圖1)。耕地的分布指數一直呈緩慢減少的趨勢;水域在高程梯度上呈顯著減少趨勢，在3級以后(高程>450 m)趨于平緩，在6～7級(高程>600 m)反而有所增加(林地隨著高程的增加隨之增加，主要是在退耕還林的背景下很多坡耕地退耕為林地)；居民點及工礦用地和草地在高程等級3級以下(高程<450 m)同步顯著減少，當高程等級在3級以上(高程>450 m)逐漸增加的情況下，草地又逐漸增加，當高程等級為6～7級(高程>600 m)時，草地的分布指數明顯增大且>1，說明草地優勢分布區間多處于海拔較高的區域。

圖1 高程梯度上土地利用類型分布指數

2.2.2不同坡度影響下的各土地類型空間分布格局 閬中市的土地利用類型在不同梯度下也呈現出明顯的差異性(圖2)。耕地在坡度10°以下(1～3級)呈現緩慢增加趨勢，之后隨著坡度增加，分布指數明顯減小;園地、草地、交通用地、居民點及工礦用地以及水域在坡度10°以下(1～3級)為優勢分布類型，其分布指數均>1，在第3級(坡度>10°)之后，分布指數<1，其中水域分布指數減少到最小，僅為0.12;林地隨著坡度級別的升高，其分布指數呈現明顯的增加趨勢，且在級別5以上(坡度>15°)分布指數就>1，說明其在坡度>15°時為明顯的優勢分布類型。

圖2 坡度梯度上土地利用類型分布指數

2.2.3不同地形位指數影響下的各土地利用類型空間分布格局 從圖3可知，隨著地形位指數的增加，閬中市各土地利用類型分布指數表現出明顯的差異性。其中，水域隨地形位指數增加，其分布指數明顯減少，在地形梯度等級3以后，趨于平緩；林地隨著分布指數的增加而逐漸增加，在地形位梯度等級3以后逐漸趨于平緩；草地的分布指數先呈減少趨勢，在地形梯度等級4以后，又呈現明顯的增加趨勢，在地形梯度等級6以后分布指數>1，說明其在此區間為優勢分布地類；耕地、園地、居民點及工礦用地優勢分布處于地形位指數為0.676～1.039(等級1)的區域。

圖3 地形位梯度上土地利用類型分布指數

3.3 土地利用特征分析

土地利用類型的分形特征能夠反映各土地利用類型的復雜性和穩定性[24]。從圖4可知，在閬中市各土地利用類型空間結構中，水域和交通用地的分維值最大，分別為1.9 855和1.9 706，說明水域和交通的復雜差異性最大，其中水域邊界較復雜，大多是自然形成的邊界，受其他因素影響較小，而交通用地的邊界受其類型不同，邊界現狀差異也較大，一般公路是狹窄的邊界，交通場地又是規則的長方形或正方形邊界；其次分維值由大到小依次是林地、耕地、草地和園地；居民點及工礦用地和其他用地的分維值最小，分別為1.2 872和1.2 452，表明這兩種土地利用類型整體穩定程度較好。

圖4 各土地利用類型面積-周長散點關系

穩定性指數SK值由小到大代表了土地利用類型越趨于穩定，也是土地利用空間行為的間接反映。研究結果(表3)顯示，在各土地利用類型空間結構中，耕地和林地的穩定性最低，分別為0.0 692和0.0 593，主要原因是受閬中市產業結構調整及規模化經營的影響，一部分耕地調整為種植園用地，耕地明顯減少；一部分耕地長期撂荒，長滿雜樹或雜草，按調查分類規程歸為林地類型，使得林地面積相應增加；另一部分則是退耕還林政策的影響，耕地減少，相應林地面積增加。近年來，閬中市經果林種植規模十分活躍，受規范化經營影響，園地平整程度較以往有較大提高，降低了復雜度，穩定性有一定程度提高。草地繼承了原土地利用類型部分形態特征，因此復雜度相對較低，穩定性較好。交通用地和水域受人為影響較小，穩定性最高，SK值分別為0.470 6和0.485 5。各土地利用類型的分維值及穩定性指數體現了研究區域各土地利用類型的空間分布差異性結構，可為區域的土地利用研究提供新的思路。

表3 閬中市各土地利用類型分維計算回歸方程及相關參數

3 結論與討論

利用閬中市2019年土地利用變更矢量數據和DEM數據，通過分析閬中市地形及各土地利用類型分形特征，得出如下結論：(1)閬中市各土地利用類型中，林地面積最大，為742.79 km2，占全市土地總面積比例為39.59%；其次是耕地面積，為689.78 km2，占全市土地總面積比例為36.76%；居民地及工礦用地為138.26 km2，占全市土地總面積比例為7.37%；面積最小的是草地，為2.38 km2，僅占全市土地總面積的0.13%。(2)閬中市土地利用類型在高程、坡度和地形位指數上表現出明顯的空間差異性。耕地、園地、居民點及工礦用地、水域主要分布于坡度10°以下，高程<400 m區域(林地主要分布于坡度15°以上，高程>450 m的區域)草地優勢分布主要集中于高程600 m以上區域。(3)分形維數和穩定性指數分析結果顯示，閬中市各土地利用類型均具有明顯的分形特征。耕地、林地的穩定性較低，主要是由于閬中市的產業結構調整及優勢產業發展的需要，尤其是閬中市藥材、茶園、桑園等的大力發展及集約規模化經營等原因影響；工礦住宅用地受地形、交通條件及區域經濟發展水平影響較大，總體分布于地形平坦、交通可達性強的區域，因而空間鑲嵌結構較為穩定。但是隨著閬中市社會經濟結構發展變化，特別是鄉村振興戰略的進一步發展，工礦住宅用地逐漸出現聚集趨勢，其原有穩定性必然會被打破；交通用地和水域則因其特殊性，較少受外部條件干擾，從而表現為空間結構簡單、穩定性好的特征。