張 平，陸龍妹，王世航，趙明松

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基于地形梯度的皖南地區(qū)土地利用分布特征①

張 平，陸龍妹，王世航，趙明松*

(安徽理工大學(xué)測(cè)繪學(xué)院，安徽淮南 232001)

以安徽省皖南地區(qū)為例，利用GIS空間分析技術(shù)，通過(guò)計(jì)算高程、坡度和地形位指數(shù)等地形梯度上的土地利用分布指數(shù)，分析了3種地形梯度上不同土地利用類型的分布特征，探討了該區(qū)土地利用分布特點(diǎn)與地形間的關(guān)系。結(jié)果表明：①研究區(qū)在高程0 ~ 600 m、坡度0 ~ 21°和地形位指數(shù)0 ~ 1.575 0區(qū)域內(nèi)的面積占皖南地區(qū)總面積的93.10%、83.11% 和93.89%，影響著該區(qū)的土地利用類型分布；②土地利用類型分布分層明顯，耕地、水域和建設(shè)用地主要分布在海拔較低、坡度平緩和地形位指數(shù)較小的區(qū)域，相應(yīng)的土地利用分布指數(shù)隨地形梯度的增大而減少直至趨于0；林地、草地分布則與之相反；③依據(jù)土地利用和地形的關(guān)系，皖南地區(qū)土地利用格局趨于合理，但不合理的土地利用方式仍然存在，需要加強(qiáng)其土地利用的規(guī)劃管理。

土地利用類型分布；地形位指數(shù)；地形因子；皖南地區(qū)

地形是主導(dǎo)區(qū)域土地利用類型分布的重要因素之一[1-4]。研究不同地形梯度上土地利用類型的分布特征，有助于區(qū)域土地利用的合理布局和規(guī)劃。地形位指數(shù)是利用地理信息系統(tǒng)建模，將高程和坡度通過(guò)一定方式組合而成的一個(gè)數(shù)據(jù)指標(biāo)，它可以綜合全面地反映某個(gè)區(qū)域的地形差異[5]。高程、坡度、地形位指數(shù)、分布指數(shù)等是地形梯度分析的主要指標(biāo)。目前，國(guó)內(nèi)學(xué)者主要利用GIS技術(shù)通過(guò)數(shù)字高程模型(DEM)提取坡度、地形位指數(shù)等地形因子，計(jì)算不同高程、坡度和地形位指數(shù)等梯度上各土地利用類型的分布指數(shù)，進(jìn)而揭示區(qū)域土地利用分布模式與地形的定量關(guān)系[6-9]。在省級(jí)或流域尺度上，郜紅娟等[10]分析了貴州省1990—2010年不同地形梯度上土地利用的變化特征；高彥凈等[11]通過(guò)計(jì)算土地坡度和地形位指數(shù)圖，對(duì)白龍江流域1977—2010年不同梯度上土地利用特征進(jìn)行定量分析。在市級(jí)尺度上，梁發(fā)超等[12]研究了湖南省瀏陽(yáng)市的土地利用類型分布模式及其與地形因素之間的對(duì)應(yīng)關(guān)系；曲衍波等[13]研究了山東省棲霞市在垂直梯度上的土地利用時(shí)空格局。

皖南地區(qū)為安徽省長(zhǎng)江以南地區(qū)，地形環(huán)境復(fù)雜，資源豐富，是安徽省糧食、棉花、木材、茶葉的重要產(chǎn)地，農(nóng)業(yè)產(chǎn)值是全省農(nóng)業(yè)總產(chǎn)值的16%。對(duì)皖南地區(qū)土地利用類型的分布特征進(jìn)行研究，對(duì)該地區(qū)土地利用、農(nóng)業(yè)和林業(yè)的發(fā)展具有重要意義。本文在GIS空間分析技術(shù)的基礎(chǔ)上，根據(jù)海拔、坡度、地形梯度和土地利用類型分布指數(shù)，研究了安徽省皖南地區(qū)土地利用類型分布與地形要素之間的關(guān)系，探討了地形因素對(duì)土地利用的影響，對(duì)該區(qū)土地利用形式的優(yōu)化具有重要的參考價(jià)值。

1 材料與方法

1.1 研究區(qū)概況

皖南地區(qū)地理位置為29°31′ ~ 31°45′ N與116°31′ ~ 119°45′ E，總面積約3.65×104km2，人口約1 000萬(wàn)，行政上包括黃山、蕪湖、馬鞍山、銅陵、宣城、池州6市及轄縣。研究區(qū)內(nèi)年均溫15~ 16℃，年均降水量1 200 ~ 2 600 mm，高程1 ~ 1 600 m。皖南有3條海拔均在1 300 m以上的山系，在3條山系間盆地和谷地分布較多，而且海拔均在200 m左右。由2010年數(shù)據(jù)可知，土地利用類型分布主要是林地、耕地，分別占皖南地區(qū)總面積的52.84%、30.27%(圖1)。

圖1 皖南地區(qū)地理位置及2010年土地利用類型圖(左)與DEM圖(右)

1.2 數(shù)據(jù)來(lái)源

研究數(shù)據(jù)來(lái)源：①90 m空間分辨率的數(shù)字高程模型SRTM DEM (http://srtm.csi.cgiar.Org/SELEC TION/input Coord.asp)；②研究區(qū)2010年土地利用類型數(shù)據(jù)：從長(zhǎng)江三角洲科學(xué)數(shù)據(jù)共享平臺(tái)(http:// nnu.geodata.cn)下載獲得，利用研究區(qū)邊界裁剪得到皖南地區(qū)土地利用圖。

1.3 數(shù)據(jù)指標(biāo)

1) 地形位指數(shù)。本研究利用地理信息建模，將高程和坡度以某種方式組合成為地形位指數(shù)[5]，可以定量分析土地利用變化與地形梯度的關(guān)系，重新對(duì)皖南地區(qū)的地形特征進(jìn)行描述和梯度分類。公式為

式中：是地形分布指數(shù)；代表海拔、坡度、地形位等地形因素；、S分別是該區(qū)域和地形因子總面積；S是地類的面積；S是在某個(gè)等級(jí)下的地形因子所占地類的面積。由此可得到海拔、坡度和地形位相應(yīng)的分布指數(shù)。

1.4 研究方法

本文通過(guò)計(jì)算皖南地區(qū)2010年在高程、坡度和地形位指數(shù)梯度上的分布指數(shù)，來(lái)研究土地利用類型在3種地形梯度上的分布特征。利用ENVI和ArcGIS生成坡度圖、高程圖，將坡度圖和高程圖疊加得到地形位指數(shù)圖[16](圖2)。依據(jù)皖南地圖地形特點(diǎn)對(duì)坡度、高程和地形位指數(shù)圖進(jìn)行分級(jí)。高程圖分級(jí)時(shí)，將高程>1 200 m和高程<100 m單獨(dú)分級(jí)，其余高程區(qū)域按照每100 m分一級(jí)，總共分為13個(gè)等級(jí)；坡度圖分級(jí)時(shí)，考慮到坡度梯度>36°以上的是陡坡，對(duì)土地利用的限制性比較強(qiáng)，從而將它單獨(dú)作為一級(jí)，在0 ~36°間與高程分級(jí)相對(duì)應(yīng)，坡度也劃分為13個(gè)等級(jí)，每3°為一級(jí)；與高程、坡度對(duì)應(yīng)，地形位指數(shù)梯度也分成13個(gè)等級(jí)。

圖2 研究區(qū)地形位指數(shù)圖

2 結(jié)果與分析

2.1 皖南地區(qū)土地利用概況

皖南地區(qū)2010年土地利用類型以林地、耕地為主，林地面積為19 106.92 km2，林地所占面積是該區(qū)域總面積的52.84%，耕地面積為10 945.10 km2，耕地所占面積是該區(qū)域總面積的30.27%。且耕地多分布在低海拔和地形平坦區(qū)域，林地在中高梯度上分布具有明顯優(yōu)勢(shì)。皖南地區(qū)紅壤區(qū)水熱條件豐富[17]，氣候、自然條件良好，適合各種茶葉、果樹(shù)和其他農(nóng)作物生長(zhǎng)。

2.2 基于高程梯度的土地利用類型分布特征

從圖3可知，在較低高程梯度(0 ~ 200 m)上，林地、水域、建設(shè)用地分布指數(shù)均大于1，區(qū)位優(yōu)勢(shì)顯著。其中，在1級(jí)梯度(0 ~ 100 m)上，水域、建設(shè)用地分布指數(shù)大于2，水域分布指數(shù)高達(dá)2.308，是該高程梯度上的主導(dǎo)土地利用方式。在中高海拔區(qū)域(300 ~ 1 200 m)內(nèi)，林地、草地具有明顯的區(qū)位優(yōu)勢(shì)，隨著海拔的增加，林地、草地分布指數(shù)持續(xù)增加，且均大于1。這種趨勢(shì)主要由于：一是皖南地區(qū)有3條海拔較高的山系，適合林地、草地的生長(zhǎng)；二是皖南地區(qū)分布在高程400 ~ 800 m的黃紅壤土地類型適宜林地、草地的發(fā)展。而耕地、水域、建設(shè)用地分布指數(shù)逐漸趨向于0，是因?yàn)殡S著海拔高度的升高，人們生產(chǎn)生活的難度加大，不利于人們從事各項(xiàng)生產(chǎn)活動(dòng)。在2、3級(jí)高程梯度(100 ~ 300 m)上，未利用地的分布指數(shù)大于1，主要是在該梯度上水域所占面積較多造成的；在10 ~ 12級(jí)梯度(900 ~ 1200 m )上，未利用地分布指數(shù)增長(zhǎng)陡快，分布具有明顯的優(yōu)勢(shì)，主要是隨著海拔高度增高，土地利用強(qiáng)度降低，未利用地面積增大。

圖3 高程梯度上土地利用類型分布指數(shù)

2.3 基于坡度梯度的土地利用類型分布特征

從圖4可知，在1 ~ 13級(jí)坡度梯度(0 ~ 36°)上，林地、草地分布指數(shù)與坡度呈正比，耕地、建設(shè)用地、未利用地分布指數(shù)變化趨勢(shì)相反，未利用地在坡度梯度上先急速上升后緩慢下降。在1級(jí)坡度梯度上，耕地、水域、建設(shè)用地分布指數(shù)均大于2，水域的分布指數(shù)高達(dá)2.630，是該梯度上的主導(dǎo)土地利用方式。在3 ~ 13級(jí)坡度梯度(6° ~ 36°)上，林地、草地的分布指數(shù)均大于1，區(qū)位優(yōu)勢(shì)明顯。一方面是由于坡度因素對(duì)林地、草地的限制性較?。涣硪环矫?，是由于皖南地區(qū)山地日照較少，適宜于茶葉和其他喜散射光的林木生長(zhǎng)。在3 ~ 13級(jí)坡度梯度(6° ~ 36°)上，耕地、水域、建設(shè)用地分布指數(shù)逐漸減小，最終趨向0。在高坡度梯度上，未利用地分布指數(shù)逐漸減小，說(shuō)明坡度的增加對(duì)于土地利用并沒(méi)有起到?jīng)Q定性的作用，人們可以充分利用現(xiàn)有技術(shù)和智慧在坡地上進(jìn)行生產(chǎn)生活。

圖4 坡度梯度上土地利用類型分布指數(shù)

2.4 基于地形位指數(shù)梯度的土地利用類型分布特征

從圖5可知，在整個(gè)地形位指數(shù)梯度上，耕地、林地、水域、建設(shè)用地的分布格局與這4種土地利用類型在高程、坡度梯度上的變化保持一致，草地、未利用地在地形位指數(shù)較高梯度上變化與海拔較高梯度上變化規(guī)律基本相同，這主要是由于在高地形位指數(shù)梯度上，坡度地形對(duì)草地、未利用地的限制性作用比較小，而海拔的限制性較大。

圖5 地形位梯度上土地利用類型分布指數(shù)

在1 ~ 10級(jí)地形位指數(shù)梯度(0 ~ 1.840 9)上，草地分布指數(shù)呈穩(wěn)步上升的趨勢(shì)，最高分布指數(shù)達(dá)到2.431；在11 ~ 13級(jí)地形位指數(shù)梯度(1.840 9 ~ 1.981 6)上，草地分布指數(shù)逐漸下降，但指數(shù)仍大于1，草地在皖南地區(qū)土地利用占有較大的優(yōu)勢(shì)。在1 ~ 9級(jí)地形位指數(shù)梯度(0 ~ 1.761 0)上，未利用地的變化趨勢(shì)與對(duì)應(yīng)的高程梯度、坡度梯度變化基本相同，在10 ~ 13級(jí)(1.761 0 ~ 1.981 6)上，未利用地分布指數(shù)與在高程坡度上分布規(guī)律基本相同，但分布指數(shù)明顯偏小，這是綜合考慮地形位指數(shù)是海拔和坡度的結(jié)果，導(dǎo)致未利用地受到了在高坡度上分布較少的影響。

通過(guò)3種梯度分布指數(shù)的對(duì)比，發(fā)現(xiàn)采用地形位指數(shù)梯度來(lái)研究土地利用類型的分布指數(shù)與采用高程、坡度梯度變化規(guī)律基本一致。但草地和未利用地在高程梯度和坡度梯度存在較大的差異。在同一個(gè)等級(jí)梯度上，只用單個(gè)的地形因子來(lái)評(píng)價(jià)土地利用類型分布特征存在一定的不足，所以，地形位指數(shù)避免了在分析土地利用類型時(shí)需要考慮多個(gè)地形因子，能更快速有效地反映研究區(qū)土地利用類型的分布格局。

3 結(jié)論

1) 皖南地區(qū)土地利用類型的地形分布分層明顯。耕地、水域和建設(shè)用地主要分布于海拔低、坡度平緩和地形位指數(shù)梯度較低的區(qū)域，主要是因?yàn)樵摰貐^(qū)地形與環(huán)境有利于人類的生產(chǎn)和生活活動(dòng)；林地、草地主要集中在海拔較高、坡度較陡和地形位指數(shù)較高的區(qū)域，是由于林地、草地對(duì)土地的限制性要求比較小。

2) 在分布指數(shù)的變化方面：隨著各地形梯度的增加，耕地、水域和建設(shè)用地的分布指數(shù)不斷下降，其主導(dǎo)性逐漸降低；林地和草地分布指數(shù)逐漸增加，其在相應(yīng)的梯度帶內(nèi)優(yōu)勢(shì)地位逐漸增強(qiáng)；未利用地的分布指數(shù)在低梯度上，即海拔低、坡度平緩和地形位指數(shù)梯度較低的區(qū)域內(nèi)下降，在中高級(jí)梯度帶上(海拔較高、坡度較陡和地形位指數(shù)較高)增加。耕地、水域、建設(shè)用地的變化主要集中在低梯度帶，林地、草地的變化則與之相反，在中高梯度帶內(nèi)變化較大。

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Distribution Characteristics of Land Use Types Under Different Terrain Index Gradients in Southern Anhui Province

ZHANG Ping, LU Longmei, WANG Shihang, ZHAO Mingsong*

(School of Geomatics, Anhui University of Science and Technology, Huainan, Anhui 232001, China)

The spatial distribution characteristics of land use types under different terrain index gradients as well as the relationship between land use distribution pattern and topographic factors were studied in southern Anhui through calculating land use distribution indexes corresponding to different elevation, slopes and terrain indexes based on GIS technique. The results showed that: 1) The areas at altitude of 0-600 m, slope 0-21°and terrain index 0-1.575 0 occupy 93.10%, 83.11% and 93.89% of the total study area, respectively, dominating the distribution of land use types. 2) The study area is mainly composed of cultivated land, forest land and grassland. The terrain distribution of land use types has obvious hierarchical characteristics, cultivated land, water and construction land are mainly distributed in low terrain gradient, while forest land and grassland are mainly distributed on higher terrain gradient. 3) According to the relationship between land use and terrain features, land use pattern in southern Anhui tends to be more reasonable, but unreasonable land use is still existed, thus planning and management of land use need to be strengthened.

Land use type distribution; Terrain index; Topographic factor; Southern Anhui Province

國(guó)家自然科學(xué)基金項(xiàng)目(41501226)，安徽省高校自然科學(xué)研究項(xiàng)目(KJ2015A034)，土壤與農(nóng)業(yè)可持續(xù)發(fā)展國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室開(kāi)放基金項(xiàng)目(Y412201431)和安徽理工大學(xué)人才引進(jìn)項(xiàng)目(ZY020)資助。

(zhaomingsonggis@163.com)

張平(1993—)，女，安徽桐城人，碩士研究生，研究方向?yàn)橥寥蕾Y源遙感。E-mail: 997233033@qq.com

10.13758/j.cnki.tr.2018.05.025

F3101.24

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