龔熊波, 楊波, 劉雨先, 王守梅

湘西州山區(qū)土地利用類型的地形梯度效應(yīng)與景觀格局分析

龔熊波, 楊波*, 劉雨先, 王守梅

湖南師范大學(xué)資源與環(huán)境科學(xué)學(xué)院, 地理空間大數(shù)據(jù)挖掘與應(yīng)用湖南省重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室, 長(zhǎng)沙 410006

為進(jìn)一步定量探究地形因子在土地利用中的影響程度大小, 以湘西州山區(qū)為研究對(duì)象, 借助ArcGIS空間分析功能從DEM數(shù)據(jù)中提取了湘西州高程、坡度和地形位指數(shù)信息, 并利用地形位指數(shù)、分布指數(shù)以及土地利用綜合強(qiáng)度指數(shù)系統(tǒng)探究了該州土地利用地形梯度效應(yīng), 同時(shí)結(jié)合景觀格局指數(shù)對(duì)其進(jìn)行了景觀格局分析。結(jié)果表明: 1)湘西州土地利用類型空間分布格局具有明顯地形梯度效應(yīng), 高程、坡度與地形位指數(shù)對(duì)空間格局形成具有重要影響; 2)耕地、建設(shè)用地和水域一般分布于低地形位區(qū)間, 其中水域在坡度地形位中同時(shí)處于低地形位和高地形位區(qū)間。林地大多分布于高地形位區(qū)間。土地利用綜合強(qiáng)度指數(shù)呈現(xiàn)隨地形位指數(shù)增大而減小的趨勢(shì)。3)湘西州景觀中的耕地破碎度最大且空間結(jié)構(gòu)最為復(fù)雜, 林地占主體且集聚性最高, 景觀類型分布不均, 景觀結(jié)構(gòu)有待優(yōu)化。該結(jié)果可以為湘西州山區(qū)土地利用模式優(yōu)化與水土保持綜合治理提供參考依據(jù)與建議, 助力其減貧發(fā)展與鄉(xiāng)村振興。

土地利用與覆被變化; 地形梯度效應(yīng); 景觀格局指數(shù); 貧困山區(qū); 湘西自治州

0 前言

隨著城鎮(zhèn)化進(jìn)程日益加快, 土地的合理利用則顯得更加尤為必要。土地利用類型是人類活動(dòng)作用于自然界的直接產(chǎn)物, 與人類的生產(chǎn)和生活息息相關(guān), 自從20世紀(jì)90年代以來, 如何對(duì)土地進(jìn)行合理利用一直備受各國(guó)普遍關(guān)注, 其中, 土地利用空間格局是土地利用/土地覆蓋變化(LUCC)研究的核心內(nèi)容[1]。土地利用類型的形成不僅與氣候、土壤、生物與社會(huì)經(jīng)濟(jì)等因素有關(guān), 而且與地形因子具有重要聯(lián)系。其中, 地形通過作用于物質(zhì)的遷移和能量交換[2]在土地利用類型的形成與演化過程中扮演著舉足輕重的作用。研究湘西州土地利用格局與山區(qū)地形之間的關(guān)系對(duì)于實(shí)現(xiàn)區(qū)域土地可持續(xù)利用與減貧發(fā)展均具有重要現(xiàn)實(shí)意義。為了更好地探究土地利用類型空間分布特征與地形梯度效應(yīng)之間的關(guān)系, 地形位指數(shù)的相關(guān)研究正受到學(xué)術(shù)界廣泛關(guān)注并逐漸成為土地利用研究的重要方向[3-6]。

景觀格局作為景觀異質(zhì)性的具體表現(xiàn), 最早是由20世紀(jì)50年代的歐洲學(xué)者所提出, 直到20世紀(jì)70年代, 景觀格局研究開始由定性向定量轉(zhuǎn)變[7]。后來, 其逐漸在生態(tài)學(xué)、地理學(xué)與旅游學(xué)等領(lǐng)域得到了廣泛應(yīng)用[8-10]。其中, 景觀格局指數(shù)[11]對(duì)于土地利用類型的定量化研究與空間結(jié)構(gòu)特征的揭示具有一定參考價(jià)值。貧困山區(qū)地形起伏度大、生態(tài)環(huán)境脆弱, 是土地利用開發(fā)與水土保持綜合治理的重點(diǎn)區(qū)域[12]。同時(shí), 其區(qū)域經(jīng)濟(jì)社會(huì)發(fā)展方式受土地可利用資源限制大, 而地形因素則是限制區(qū)域經(jīng)濟(jì)發(fā)展的重要影響因子, 也是導(dǎo)致山區(qū)貧困化[13]的主要自然因素之一。

基于遙感和GIS技術(shù), 本研究通過以湖南省湘西州山區(qū)為例, 利用地形位指數(shù)和分布指數(shù)系統(tǒng)分析了湘西州地形梯度效應(yīng), 并在此基礎(chǔ)上結(jié)合景觀格局指數(shù)進(jìn)一步揭示了其土地利用空間結(jié)構(gòu)特征, 以便為該區(qū)域土地利用模式優(yōu)化與水土保持綜合治理提供參考依據(jù)與建議, 促進(jìn)該州減貧發(fā)展與鄉(xiāng)村振興。

1 研究區(qū)概述與數(shù)據(jù)來源

1.1 研究區(qū)概述

湘西土家族苗族自治州簡(jiǎn)稱湘西州, 全國(guó)典型貧困地區(qū)和“精準(zhǔn)扶貧”重點(diǎn)攻堅(jiān)地區(qū), 109°10′—110°22.5′E、27°44.5′—29°38′N, 湖南省少數(shù)民族主要聚集地之一, 位于湖南省西北部, 毗鄰湖北、重慶、貴州。湘西州由一市(吉首市)七縣(鳳凰縣、永順縣、龍山縣、花垣縣、古丈縣、瀘溪縣、保靖縣)所構(gòu)成。亞熱帶季風(fēng)濕潤(rùn)性氣候, 雨熱同期, 整體地勢(shì)呈現(xiàn)“西北-東南”走向, 西北高、東南低, 屬于中國(guó)由西向東逐步降低的第二階梯東緣。湘西州西鄰云貴高原, 北接鄂西山地, 境內(nèi)的武陵山脈斜貫其東北-西南全境, 該州地貌形態(tài)總體輪廓以山地為主, 兼具丘陵和小平原, 呈現(xiàn)為向西北突出的弧形典型山區(qū)地貌。土地利用類型以林地為主體, 建設(shè)用地和水域相對(duì)較少。其中, 2018年該州林地總面積約為953801.64 km2, 占該州總面積比重最大, 高達(dá)61.70%, 其次分別為草地、耕地、建設(shè)用地以及水域, 比重依次為23.44%、10.55%、3.72%和0.59%。

1.2 數(shù)據(jù)來源

本研究采用數(shù)據(jù)為湘西州Landsat8 OLI遙感影像、30 m空間分辨率ASTER GDEM地形數(shù)據(jù)以及全球、中國(guó)、湖南省和湘西州矢量行政邊界數(shù)據(jù)。其中, 2018年湘西州Landsat8 OLI秋季遙感影像來源于美國(guó)地質(zhì)調(diào)查局(United States Geological Survey,USGS), 30 m空間分辨率ASTER GDEM地形數(shù)據(jù)來源于地理空間數(shù)據(jù)云(http://www.gscloud.cn), 矢量行政邊界數(shù)據(jù)來源于中國(guó)科學(xué)院資源環(huán)境科學(xué)數(shù)據(jù)中心。研究中的坡度以及地形位指數(shù)數(shù)據(jù)通過DEM數(shù)據(jù)可以進(jìn)一步分析處理得到。在參考《土地利用現(xiàn)狀分類(GB/T21010-2017)》的基礎(chǔ)上運(yùn)用最大似然法對(duì)OLI遙感影像進(jìn)行監(jiān)督分類, 并借助谷歌地球影像對(duì)比和實(shí)地抽象調(diào)查進(jìn)行輔助判讀, 可以把土地利用類型劃分為林地、草地、建設(shè)用地、耕地和水域五類, 總體精度可達(dá)99%, Kappa系數(shù)則為0.959。

圖1 湘西州地理位置及2018年土地利用現(xiàn)狀分布

Figure 1 Geographical location of Xiangxi and distribution of land use status in 2018a

圖2 湘西州高程、坡度以及地形位指數(shù)

Figure 2 Elevation, slope and topographic index of Xiangxi

2 研究方法

2.1 地形梯度分析法

本研究利用高程、坡度與地形位指數(shù)等地形因子來探究湘西州土地利用地形梯度效應(yīng)。根據(jù)湘西州實(shí)際地形特征與土地分布現(xiàn)狀, 本研究可以對(duì)高程、坡度和地形位指數(shù)進(jìn)行分級(jí), 并分別得到不同等級(jí)。湘西州高程范圍在64—1735 m, 用內(nèi)插法以200 m為間隔可以把高程劃分為九個(gè)等級(jí); 通過參考國(guó)際地理學(xué)會(huì)地貌調(diào)查與制圖委員會(huì)分級(jí)標(biāo)準(zhǔn)[14]與湖南省耕地坡度分級(jí)[15], 并在結(jié)合湘西州實(shí)際地形特征的基礎(chǔ)上, 可以將坡度劃分為九個(gè)等級(jí); 地形位指數(shù)等級(jí)的分隔點(diǎn)則可以按照高程和坡度等級(jí)分隔點(diǎn)進(jìn)行對(duì)應(yīng)計(jì)算, 同樣可將地形位指數(shù)劃分為九個(gè)等級(jí), 具體劃分情況如表1所示。

2.1.1 地形位指數(shù)

為了精細(xì)定量地形因子對(duì)于土地利用的作用程度, 本研究采用結(jié)合高程和坡度兩者的地形位指數(shù)來綜合反映地形對(duì)于土地利用空間格局的影響。地形位指數(shù)[16]的具體計(jì)算公式如下所示:

2.1.2 分布指數(shù)

分布指數(shù)可以消除不同地形梯度區(qū)域的面積差異和土地利用類別的面積比重差異所帶來的量綱影響, 更加科學(xué)、準(zhǔn)確地反映湘西州各個(gè)區(qū)域的地形空間結(jié)構(gòu)特征。分布指數(shù)[17]的具體計(jì)算原理如下所示;

式中, P為地形分布指數(shù);為土地利用類型,為地形因子的等級(jí); S表示某一地形因子的第種地類在第等級(jí)下的總面積; S表示研究區(qū)域內(nèi)第種地類的總面積; S表示研究區(qū)域內(nèi)第等級(jí)的總面積; S表示整個(gè)研究區(qū)域的總面積。一般值越大, 表示其優(yōu)勢(shì)度越高; 反之, 則表示其優(yōu)勢(shì)度越低。通常當(dāng)值大于1時(shí), 則認(rèn)為其屬于優(yōu)勢(shì)分布狀態(tài)。

表1 湘西州高程、坡度與地形位指數(shù)分級(jí)表

2.1.3 土地利用綜合強(qiáng)度指數(shù)

該指數(shù)可以對(duì)土地利用強(qiáng)度在不同地形等級(jí)下的分布規(guī)律進(jìn)行量化呈現(xiàn), 其具體計(jì)算原理[18]如下:

式中,為土地利用綜合強(qiáng)度指數(shù);r表示研究區(qū)域內(nèi)第種地類所占的比重;c表示研究區(qū)域內(nèi)第種地類的分級(jí)指數(shù)。參考楊斌等的研究成果并結(jié)合研究區(qū)實(shí)際用地利用情況, 將建筑用地定義分級(jí)指數(shù)為4, 耕地定義為3, 林地、草地和水域定義為2。

2.2 景觀格局指數(shù)

本研究選取可以分別刻畫其面積、密度、形狀、聚集性和多樣性的5個(gè)核心景觀格局指標(biāo)[19-20], 其分別為斑塊面積比重(PLAND)、斑塊密度(PD)、周長(zhǎng)-面積分形維數(shù)(PAFRAC)、聚類指數(shù)(CLUMPY)、香農(nóng)多樣性指數(shù)(SHDI), 來進(jìn)一步對(duì)湘西州景觀空間格局特征進(jìn)行量化分析(如表2所示)。

3 結(jié)果與分析

3.1 土地利用空間格局分析

3.1.1 基于高程梯度的土地利用空間結(jié)構(gòu)特征分析

通過對(duì)圖3的高程梯度分布指數(shù)分析, 可知水域、建設(shè)用地和耕地呈現(xiàn)為隨著梯度增大而不斷減小的趨勢(shì), 其中水域、建設(shè)用地和耕地均在第一等級(jí)(0—200 m)時(shí), 其分布指數(shù)達(dá)到最大值。在第1—2等級(jí)(0—400 m)時(shí), 其分布指數(shù)大于1, 屬于優(yōu)勢(shì)分布狀態(tài)。隨著高程增加, 三者的分布指數(shù)不斷減小。當(dāng)大于第6等級(jí)(1000—1200 m)時(shí), 其分布指數(shù)接近于0。從土地適用性來看, 高海拔地區(qū)的氣候等條件不合適農(nóng)業(yè)生產(chǎn), 所以耕地一般分布于低海拔地區(qū)。從人類生產(chǎn)生活偏好角度出發(fā), 低海拔地區(qū)的水熱資源豐富, 更加適合人類生活和進(jìn)行生產(chǎn)活動(dòng), 所以人類也更加偏好低海拔平坦地區(qū); 水流在低海拔地區(qū)的匯水量也一般多于高海拔地區(qū), 符合水域受重力影響的自然分布; 草地呈現(xiàn)逐漸增加的趨勢(shì); 林地則表現(xiàn)為先增大后減小的趨勢(shì), 林地在第1等級(jí)(0—200 m)時(shí)分布指數(shù)小于1, 這與低海拔地區(qū)的人類活動(dòng)密集有關(guān), 在第2等級(jí)—6等級(jí)(200—1200 m)時(shí), 分布指數(shù)逐漸接近1, 這與湘西州退耕還林政策的實(shí)施有關(guān), 高海拔地區(qū)不適合耕作的土地逐漸轉(zhuǎn)變?yōu)榱值? 當(dāng)大于第7等級(jí)(1200—1400 m)時(shí), 其分布指數(shù)小于1, 優(yōu)勢(shì)地位逐漸減弱, 這與草地比重的突然上升有關(guān)。

表2 景觀格局指數(shù)描述

3.1.2 基于坡度梯度的土地利用空間結(jié)構(gòu)特征分析

通過對(duì)圖4的坡度梯度分布指數(shù)分析, 可知隨著坡度增加, 建設(shè)用地、耕地和草地的分布指數(shù)整體呈現(xiàn)遞減趨勢(shì), 林地整體呈現(xiàn)遞增趨勢(shì), 水域整體呈現(xiàn)“U型”分布趨勢(shì)。其中, 水域、建設(shè)用地、耕地和草地分布指數(shù)在第4等級(jí)以下(0°—15°)時(shí), 其分布指數(shù)均大于1, 說明在該坡度區(qū)域具有優(yōu)勢(shì)地位, 且這四種用地類型對(duì)坡度的選擇性較強(qiáng), 符合湘西州湖泊與水庫在低坡度地區(qū)分布的特點(diǎn)以及耕地為避免水土流失而在低坡度地區(qū)分布的水土保持的內(nèi)在要求特征; 當(dāng)在第4—7等級(jí)(10°—45°)時(shí), 除了林地之外的其它用地類型分布指數(shù)都小于1, 且均處于非優(yōu)勢(shì)地位, 這與林地的增加有關(guān), 而當(dāng)?shù)卣畬?shí)施的退耕還林還草政策則也在其中起到了巨大作用; 當(dāng)在第7等級(jí)(35°—45°)之后時(shí), 建設(shè)用地、耕地和草地仍處于非優(yōu)勢(shì)地位, 且其林地仍保持優(yōu)勢(shì)地位, 其中建設(shè)用地和耕地呈現(xiàn)不斷下降的趨勢(shì), 草地在第8等級(jí)(45°—55°)之后略有上升趨勢(shì), 這與水域的突然快速增加有關(guān), 呈現(xiàn)出湘西北山區(qū)廣袤的林地山水風(fēng)光, 其中湘西北多高山峽谷和相關(guān)水土保持政策的實(shí)施也在其中發(fā)揮了一定作用。

圖3 基于高程梯度的土地利用類型分布指數(shù)

Figure 3 Distribution index of land use type based on elevation gradient

3.1.3 基于地形位梯度的土地利用空間結(jié)構(gòu)特征分析

通過對(duì)圖5的地形位梯度分布指數(shù)分析, 可知水域、建設(shè)用地和耕地的分布指數(shù)整體呈現(xiàn)不斷遞減趨勢(shì), 林地呈現(xiàn)不斷遞增趨勢(shì), 草地則呈現(xiàn)先減后增趨勢(shì)。水域、建設(shè)用地和耕地在第1—3等級(jí)(0—0.4)區(qū)間時(shí), 其分布指數(shù)大于1, 優(yōu)勢(shì)度明顯, 之后則逐漸趨近于0, 這表明這三者具有較強(qiáng)的地形分選性, 主要分布于低海拔-低坡度的地形位較小地區(qū)。同時(shí), 其中的第三等級(jí)(0.2—0.4)在各類用地中起到了重要過渡作用, 因此相關(guān)部門對(duì)于存在較大開發(fā)利用空間與潛力的第三等級(jí)(0.2—0.4)和第四等級(jí)(0.4—0.5)用地需要高度重視, 以便進(jìn)行科學(xué)合理的開發(fā)利用, 實(shí)現(xiàn)人與自然和諧共生的目標(biāo); 林地在第4等級(jí)(0.4—0.5)之后, 其分布指數(shù)逐漸大于1, 處于優(yōu)勢(shì)地位, 這說明林地主要分布于地形位大的地區(qū), 受地形因子影響較小, 并在水土保持工作中扮演著重要角色。我們一方面應(yīng)該充分發(fā)揮林地、草地對(duì)于保持水土、涵養(yǎng)水源所起到的關(guān)鍵作用, 另外一方面應(yīng)該結(jié)合湘西州的廣袤林地, 發(fā)展林業(yè)經(jīng)濟(jì)如種植中草藥、發(fā)展康養(yǎng)旅游等。

圖4 基于坡度梯度的土地利用類型分布指數(shù)

Figure 4 Distribution index of land use type based on slope gradient

3.1.4 基于地形位梯度的土地利用綜合強(qiáng)度分析

通過對(duì)圖6分析可知, 湘西州土地利用綜合強(qiáng)度指數(shù)呈現(xiàn)隨地形位指數(shù)增加而不斷減小趨勢(shì)。這與海拔高-坡度大地區(qū)的復(fù)雜地形環(huán)境有關(guān), 高地形位指數(shù)地區(qū)一般開發(fā)利用難度大、生態(tài)環(huán)境脆弱, 土地利用程度綜合指數(shù)也一般較低。在高海拔-高坡度的第6等級(jí)(海拔>1200 m且坡度>35°)之后, 土地利用綜合指數(shù)逐漸趨于平緩, 這說明第6等級(jí)之后的土地開發(fā)利用方式較單一。結(jié)合湘西州實(shí)際情況, 第6等級(jí)之后主要以林地土地利用類型為主; 對(duì)于第6等級(jí)之前的土地利用類型, 我們則應(yīng)該因地制宜, 在生態(tài)環(huán)境保護(hù)的基礎(chǔ)上進(jìn)行合理開發(fā)利用, 豐富土地開發(fā)利用方式, 提高土地附加值。

圖5 基于地形位梯度的土地利用類型分布指數(shù)

Figure 5 Distribution index of land use type based on topographic gradient

3.2 土地利用景觀格局分析

本研究運(yùn)用景觀格局指數(shù)方法分別從景觀的面積、密度、形狀、聚集性和多樣性5個(gè)方面對(duì)湘西州進(jìn)行了景觀格局分析(如表3所示), 并探究了其景觀格局分布現(xiàn)狀, 有利于為將來當(dāng)?shù)氐泥l(xiāng)村振興提供一定參考依據(jù)。

從面積指標(biāo)來看, 湘西州五類土地利用類型的面積大小依次為林地>草地>耕地>建設(shè)用地>水域, 林地面積比重達(dá)到約61%, 屬于景觀類型中的基質(zhì), 說明湘西州是一個(gè)以林業(yè)為主體的典型山區(qū), 林業(yè)資源豐富; 從密度指標(biāo)來看, 湘西州五類土地利用類型的密度大小依次為耕地>草地>建設(shè)用地>林地>水域, 這在一定程度上反映了當(dāng)?shù)鼐坝^的破碎化水平, 耕地斑塊數(shù)量最多, 破碎化水平最高, 林地和水域則相對(duì)連續(xù)分布, 完整性較好。為了早日實(shí)現(xiàn)鄉(xiāng)村振興目標(biāo), 現(xiàn)代化農(nóng)業(yè)發(fā)展迫切需要耕地的整合, 來進(jìn)一步提升耕地的集中連片性, 以便更好地實(shí)現(xiàn)農(nóng)業(yè)機(jī)器化作業(yè), 提高農(nóng)業(yè)生產(chǎn)率, 促進(jìn)當(dāng)?shù)亟?jīng)濟(jì)發(fā)展; 從形狀指標(biāo)來看, 湘西州五類土地利用類型的分形維數(shù)大小依次為耕地>草地>水域>建設(shè)用地>林地, 根據(jù)分形維數(shù)理論[21]即分形維數(shù)指數(shù)一般越大, 表示其空間形態(tài)越復(fù)雜, 可知湘西州耕地分形維數(shù)指數(shù)最大, 約為1.512, 說明耕地受自然和人類活動(dòng)影響因素大, 空間結(jié)構(gòu)復(fù)雜, 這在一定程度上不利于現(xiàn)代化農(nóng)業(yè)發(fā)展; 草地、水域和建設(shè)用地雖然受到自然和人類活動(dòng)因素影響, 但往往以某一因素為主導(dǎo), 所以空間結(jié)構(gòu)相對(duì)較復(fù)雜; 林地的分形維數(shù)最小, 這與林地大多分布于高海拔且高坡度地區(qū)存在一定關(guān)系, 其幾乎只受到自然因素影響, 開發(fā)利用程度極低, 較好地保持了原始分布狀態(tài), 空間結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單。

圖6 基于地形位指數(shù)分級(jí)的土地利用綜合強(qiáng)度指數(shù)

Figure 6 Land use comprehensive strength index based on topographic index classification

從聚集性來看, 湘西州五類土地利用類型的聚集程度大小依次為林地>水域>建設(shè)用地>草地>耕地, 這說明湘西州林地大面積集中連片分布, 而耕地則屬于嚴(yán)重分散分布狀態(tài), 這與當(dāng)?shù)囟嗌降牡乩碜匀画h(huán)境有關(guān), 說明當(dāng)?shù)剞r(nóng)業(yè)集約化發(fā)展道路離不開耕地的集聚與整合, 而將來“三權(quán)分置”土地政策的實(shí)施則會(huì)在一定程度上緩解這一局面; 從景觀多樣性來看, 湘西州整體景觀的香農(nóng)多樣性指數(shù)較低, 僅約為1.028, 這與該州林地占主體有關(guān), 說明該州內(nèi)的優(yōu)勢(shì)景觀表現(xiàn)顯著, 土地利用類型結(jié)構(gòu)仍有待進(jìn)一步優(yōu)化。

4 結(jié)論

本研究通過借助高程、坡度以及地形位指數(shù)3個(gè)地形指標(biāo)對(duì)湘西州土地利用空間格局進(jìn)行了相關(guān)地形梯度效應(yīng)分析, 同時(shí)從景觀的面積、密度、形狀、聚集性以及多樣性5個(gè)方面對(duì)湘西州進(jìn)行了景觀格局分析, 并得出了以下結(jié)論:

(1)相比高程和坡度地形因子, 地形位指數(shù)可以綜合兩者的信息, 更加科學(xué)、有效地展現(xiàn)基于地形驅(qū)動(dòng)因子的湘西州土地利用類型空間響應(yīng)。

(2)從高程梯度角度來看, 湘西州水域、建設(shè)用地和耕地分布指數(shù)整體呈現(xiàn)為隨梯度增大而不斷遞減的趨勢(shì), 說明這三者大多主要分布于低海拔地區(qū)。草地整體呈現(xiàn)逐漸增加的趨勢(shì), 說明草地受高程因子限制較小。由于退耕還林耕政策, 高海拔不適宜耕作的土地逐漸轉(zhuǎn)變?yōu)榱值? 說明林地在防治水土流失與水土保持方面起到了巨大作用。

(3)從坡度梯度角度來看, 湘西州建設(shè)用地、耕地和草地的分布指數(shù)隨著坡度的增加整體呈現(xiàn)遞減的趨勢(shì), 林地整體呈現(xiàn)遞增的趨勢(shì), 水域則整體呈現(xiàn)先減后增的趨勢(shì)。說明湘西州建設(shè)用地、耕地和草地一般分布于地勢(shì)較平坦的地區(qū), 其林地一般分布于地勢(shì)較高的地方, 而其水域則一般分布于其地勢(shì)低平或者地形起伏度大的區(qū)域。

(4)從地形位梯度角度來看, 湘西州水域、建設(shè)用地和耕地的分布指數(shù)整體呈現(xiàn)不斷遞減趨勢(shì), 其林地分布指數(shù)整體呈現(xiàn)不斷遞增的趨勢(shì), 草地分布指數(shù)則整體呈現(xiàn)“下降-遞增”趨勢(shì)。說明水域、建設(shè)用地和耕地一般分布于地形位指數(shù)較小的區(qū)域, 林地一般分布于地形位指數(shù)較大的區(qū)域, 而其草地則一般受地形位指數(shù)影響較小, 受人類活動(dòng)影響相對(duì)較大。

(5)從土地利用綜合強(qiáng)度指數(shù)角度來看, 湘西州土地利用綜合強(qiáng)度指數(shù)呈現(xiàn)隨地形位指數(shù)的增加而不斷遞減的趨勢(shì), 可見地形因子是影響該州進(jìn)行土地利用開發(fā)的重要因子。因此, 在土地開發(fā)利用過程中應(yīng)該充分考慮地形因素的作用, 促進(jìn)人與自然和諧共生。

(6)從景觀格局指數(shù)角度來看, 湘西州土地利用類型以林地和草地為主體, 森林覆蓋率較高; 在湘西州土地利用類型中, 耕地破碎度最大, 這在一定程度上反映了湘西州耕地集聚整合空間潛力巨大; 湘西州耕地空間形態(tài)最為復(fù)雜且集聚性相對(duì)欠佳, 而其林地空間形態(tài)則相對(duì)簡(jiǎn)單且集聚性相對(duì)較佳, 說明耕地比林地更加易受到人類活動(dòng)的外部條件干擾; 湘西州景觀香農(nóng)多樣性指數(shù)較低, 優(yōu)勢(shì)景觀顯著, 土地利用類型結(jié)構(gòu)仍有待進(jìn)一步完善與優(yōu)化。

5 討論

借助遙感、GIS與景觀格局分析技術(shù), 本研究應(yīng)用結(jié)合地形位指數(shù)的地形梯度和景觀格局分析理論對(duì)湘西北山區(qū)的湘西州2018年的土地利用空間格局和景觀格局進(jìn)行了定量化系統(tǒng)分析, 在一定程度上彌補(bǔ)了基于傳統(tǒng)高程或坡度的單一梯度效應(yīng)分析的不足, 并將地形梯度與景觀格局相結(jié)合, 可以為今后湘西州土地利用類型科學(xué)合理布局提供一定規(guī)劃參考, 同時(shí)為湘西州環(huán)境保護(hù)與經(jīng)濟(jì)發(fā)展相協(xié)調(diào)提供一定科學(xué)依據(jù)。但是, 本研究仍然存在一些不足之處, 如未對(duì)湘西州土地利用類型進(jìn)行動(dòng)態(tài)時(shí)間序列分析, 不能較好地反映湘西州土地利用類型的演化發(fā)展過程; 景觀格局指數(shù)的數(shù)量仍有待進(jìn)一步豐富與完善, 景觀格局演化機(jī)理的全面性與科學(xué)性仍具有一定提升空間。今后的研究將進(jìn)一步對(duì)湘西州土地利用格局進(jìn)行多時(shí)段和多因子驅(qū)動(dòng)力分析, 以便更好地揭示湘西州土地利用類型的動(dòng)態(tài)演化機(jī)制與發(fā)展演變規(guī)律, 助力湘西州減貧發(fā)展與鄉(xiāng)村振興。

表3 2018年湘西州景觀格局指數(shù)

[1] 匡文慧. 城市土地利用/覆蓋變化與熱環(huán)境生態(tài)調(diào)控研究進(jìn)展與展望[J]. 地理科學(xué), 2018, 38(10): 1643–1652.

[2] 管曉祥, 劉金濤. 拉薩河流域西部裸巖空間分布特征的地形因子分析[J]. 地理與地理信息科學(xué), 2019, 35(04): 98–104.

[3] 臧玉珠, 劉彥隨, 楊園園. 山區(qū)縣域土地利用格局變化及其地形梯度效應(yīng)—以井岡山市為例[J]. 自然資源學(xué)報(bào), 2019, 34(07): 1391–1404.

[4] 田雨, 周寶同, 付偉, 等. 2000～2015年山地城市土地利用景觀格局動(dòng)態(tài)演變研究—以重慶市渝北區(qū)為例[J]. 長(zhǎng)江流域資源與環(huán)境, 2019, 28(06): 1344–1353.

[5] 段小薇, 李小建. 山區(qū)縣域聚落演化的空間分異特征及其影響因素—以豫西山地嵩縣為例[J]. 地理研究, 2018, 37(12): 2459–2474.

[6] 郜紅娟, 韓會(huì)慶, 俞洪燕等. 烏江流域重要生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)地形梯度分布特征分析[J]. 生態(tài)科學(xué), 2016, 35(05): 154–159.

[7] 張金屯, 邱揚(yáng), 鄭鳳英. 景觀格局的數(shù)量研究方法[J]. 山地學(xué)報(bào), 2000, 4(11): 346–352.

[8] 齊潤(rùn)冰. 基于景觀格局指數(shù)的生態(tài)風(fēng)險(xiǎn)定量評(píng)價(jià)[J]. 測(cè)繪通報(bào), 2019, 5(24): 110–112+118.

[9] 徐允, 張培, 周寶同. 基于Shannon多樣性t檢驗(yàn)法的土地利用景觀分區(qū)研究—以重慶市永川區(qū)為例[J]. 中國(guó)農(nóng)業(yè)資源與區(qū)劃, 2019, 40(01): 134–141+151.

[10] 張皓瑋, 李欣, 殷如夢(mèng), 等. 旅游城鎮(zhèn)化地區(qū)土地利用景觀格局指數(shù)的粒度效應(yīng)—以揚(yáng)州市廣陵區(qū)為例[J]. 南京師大學(xué)報(bào)(自然科學(xué)版), 2018, 41(03): 122–130.

[11] 姜坤, 戴文遠(yuǎn), 胡秋鳳, 等. 浙閩山地丘陵區(qū)地形因子對(duì)土地利用格局的影響分析: 以福建省永泰縣為例[J]. 生態(tài)與農(nóng)村環(huán)境學(xué)報(bào), 2019, 35(06): 707–715.

[12] 王雪梅, 席瑞. 基于GIS的渭干河流域生態(tài)環(huán)境脆弱性評(píng)價(jià)[J]. 生態(tài)科學(xué), 2016, 35(04): 166–172.

[13] 王瑩瑩, 王英杰, 戈大專, 等. 典型貧困山區(qū)旅游景點(diǎn)可達(dá)性評(píng)價(jià)方法研究[J]. 地球信息科學(xué)學(xué)報(bào), 2018, 20(07): 957–966.

[14] 劉元保, 唐克麗. 國(guó)內(nèi)外坡度分級(jí)和王東溝試驗(yàn)區(qū)的坡度組成[J]. 水土保持通報(bào), 1987, 3(09): 59–65.

[15] 劉正敏. 淺析湖南省第二次土地調(diào)查省級(jí)掛圖編制方法[J]. 國(guó)土資源導(dǎo)刊, 2016, 13(03): 42–45+80.

[16] 張平, 陸龍妹, 王世航, 等. 基于地形梯度的皖南地區(qū)土地利用分布特征[J]. 土壤, 2018, 50(05): 1041–1045.

[17] 陳鑄, 黃雅冰, 朱志鵬, 等. 基于地形梯度特征的福州市景觀格局演變[J]. 應(yīng)用生態(tài)學(xué)報(bào), 2018, 29(12): 4135– 4144.

[18] 楊斌, 王占岐, 姚小薇, 等. 鄂西北山區(qū)土地利用的地形梯度效應(yīng)與空間結(jié)構(gòu)特征[J]. 長(zhǎng)江流域資源與環(huán)境, 2019, 28(02): 313–321.

[19] 廖凱濤, 胡建民, 宋月君, 等. 南方紅壤丘陵區(qū)流域植被景觀格局變化及水沙響應(yīng)關(guān)系[J]. 水土保持學(xué)報(bào), 2019, 33(03): 36–42+50.

[20] 劉源鑫, 焦峰. 黃土高原丘陵區(qū)景觀特征與景觀指數(shù)粒度效應(yīng)研究[J]. 水土保持研究, 2013, 20(03): 23–27+31.

[21] 羅雅曦, 劉任濤, 張靜, 等. 騰格里沙漠草方格固沙林土壤顆粒組成、分形維數(shù)及其對(duì)土壤性質(zhì)的影響[J]. 應(yīng)用生態(tài)學(xué)報(bào), 2019, 30(02): 525–535.

Topographic gradient effect and landscape pattern analysis of land use types in mountainous areas of Xiangxi Autonomous Prefecture

GONG Xiongbo, YANG Bo*, LIU Yuxian, WANG Shoumei

College of Resources and Environmental Sciences, Hunan Normal University, Key Laboratory of Geospatial Big Data Mining and Application, Changsha 410006, China

In order to quantitatively study the influence of topographical factors in land-use of mountainous area, Xiangxi Autonomous Prefecture was taken as the research area. Information of elevation, slope and topographical index was extracted out from DEM data by use of spatial analysis modules in ArcGIS software. Topographic index, distribution index and comprehensive intensity index of land-use were used to systematically study the terrain gradient effect of land-use, and combination with the landscape pattern index for landscape pattern analysis. The result shows that: 1) The spatial distribution pattern of land-use types has obvious topographic gradient effect, and elevation, slope and topographic index have important influence on the formation of spatial pattern in Xiangxi. 2) Cultivated land, construction land and water area are generally distributed in low topographical intervals. Water area distributes in low and high topographical intervals, forest mostly in high topographical interval. The comprehensive intensity index of land-use tends to decrease as the topographic index rises. 3) Cultivated land has the largest fragmentation degree and most complicated spatial structure; forest land with the highest accumulation is the main body. The landscape types are unevenly distributed and the landscape structure is to be optimized. The results can provide references for the optimization of land-use patterns, as well as comprehensive management of soil and water conservation, and also can contribute to poverty reduction and rural revitalization in mountainous areas such as Xiangxi.

land use and cover change; topographic gradient effect; landscape pattern index; poor mountainous area; Xiangxi Autonomous Prefecture

10.14108/j.cnki.1008-8873.2020.04.018

龔熊波, 楊波, 劉雨先,等. 湘西州山區(qū)土地利用類型的地形梯度效應(yīng)與景觀格局分析[J]. 生態(tài)科學(xué), 2020, 39(4): 137–144.

GONG Xiongbo, YANG Bo, LIU Yuxian, et al. Topographic gradient effect and landscape pattern analysis of land use types in mountainous areas of Xiangxi Prefecture[J]. Ecological Science, 2020, 39(4): 137–144.

K909

A

1008-8873(2020)04-137-08

2019-11-11;

2019-12-23

國(guó)家自然科學(xué)基金(41171342); 湖南省教育廳重點(diǎn)項(xiàng)目(17A127)

龔熊波(1994—), 男, 湖北松滋人, 碩士研究生。主要研究方向?yàn)橘Y源環(huán)境遙感。E-mail: gongxiongbo@gmail.com

楊波(1974—), 男, 湖南張家界人, 博士, 湖南師范大學(xué)教授, 碩士研究生導(dǎo)師。主要從事資源環(huán)境遙感和旅游大數(shù)據(jù)方面的教學(xué)與研究, E-mail:yb@hunnu.edu.cn