王詩琪, 周振宏, 劉東義, 胡琦, 湯偉宏, 周敏

(安徽農(nóng)業(yè)大學(xué) 林學(xué)與園林學(xué)院,安徽 合肥 230036)

地形因子作為決定區(qū)域土地利用的重要環(huán)境因素,以及決定區(qū)域生態(tài)安全的關(guān)鍵成分,對于區(qū)域土地利用時空格局的演變影響深刻[1-3]。通過以往研究可知,地形地貌是決定研究區(qū)土地利用與景觀格局的關(guān)鍵性因素,也是控制人類活動范圍的限制性因素。對于以自然生態(tài)系統(tǒng)為主的研究區(qū)而言,土地利用格局變化常常導(dǎo)致周邊的自然環(huán)境發(fā)生變動,并由此引發(fā)部分學(xué)者關(guān)于生態(tài)均衡和景觀可持續(xù)問題的思考與討論。

目前,有關(guān)土地利用景觀類型關(guān)系方面研究多側(cè)重于探究其時空演變規(guī)律與驅(qū)動機制[4-6],或是對于研究區(qū)域未來格局進行模擬預(yù)測[7-8],且驅(qū)動因素考量多集中于分析社會經(jīng)濟與人類活動的影響效應(yīng),而對于多方面自然因素的研究不夠深入。從景觀層面上對其布局分異進行探討也受到部分學(xué)者重視[9-11],但多集中于研究高程、坡度和坡向等單因子對土地利用景觀空間分布的影響,綜合海拔和坡度雙因子探索地形梯度對不同景觀類型的影響作用,正是此類研究的短板。

本研究以國家重點旅游城市黃山市為研究區(qū)[12],采用綜合高程與坡度雙因子信息的地形位指數(shù),來全面刻畫研究區(qū)域的地貌特征,引用分布指數(shù)來描述研究區(qū)內(nèi)不同景觀類型在梯度空間上的分異情況,繼而明確優(yōu)勢區(qū)間[13],疊加地形位指數(shù)與景觀信息圖譜,利用Fragstats 4.2測算景觀格局指數(shù),進一步揭示黃山市景觀格局在不同地形梯度上的時空演變規(guī)律,以期為該市乃至于杭州西部未來土地改革、旅游資源整合及生態(tài)保護規(guī)劃提供重要借鑒。

1 研究區(qū)概況

黃山市為安徽省轄地級市,位于中國華東長江三角洲,為皖浙贛三省交界處,土地總面積9 807 km2,下轄3個區(qū)、4個縣(圖1),是杭州都市圈成員城市、皖南國際旅游文化示范區(qū)核心城市、國家級文化生態(tài)保護區(qū)[14-16],其境內(nèi)的黃山為世界自然與文化雙遺產(chǎn),皖南古村落西遞、宏村也是世界文化遺產(chǎn)[17]。

圖1 研究區(qū)地理位置示意圖Figure 1 Geographical location of the study area

黃山市地形復(fù)雜,有深山、山谷,也有盆地、平原,屬中亞熱帶北緣,是典型的常綠闊葉林地帶。境內(nèi)山高谷深、丘嶺屏列,屬亞熱帶季風(fēng)濕潤氣候[18],熱量豐富,雨水充沛,四季分明,適宜多種林木、茶葉、果樹及農(nóng)作物的生長。

2 材料與方法

2.1 數(shù)據(jù)來源及預(yù)處理

本研究所用數(shù)據(jù)包含GDEMV2 30M分辨率的數(shù)字高程數(shù)據(jù),以及2000、2010、2020年3期Landsat TM遙感影像,以上數(shù)據(jù)均來源于地理空間數(shù)據(jù)云網(wǎng)站(https://www.gscloud.cn/search)。根據(jù)黃山市行政區(qū)劃矢量圖,利用ArcGIS 10.5的掩膜提取功能提取出研究區(qū)土地利用圖,結(jié)合黃山市土地利用實際情況和研究目的,通過監(jiān)督分類和目視解譯,將其用地類型分為耕地、林地、草地、水體、建設(shè)用地和未利用地6類[19]。

2.2 研究方法

2.2.1 地形位指數(shù)和分布指數(shù)

本研究中選用地形位指數(shù)作為評價地形的指標(biāo)。將研究區(qū)地形位定量表征為高程、坡度及其平均值的表達式,綜合高程與坡度雙因子來強化對地貌特征的描述[16],首先利用ArcGIS 10.5建立數(shù)字高程模型,從中提取高程、坡度,通過其區(qū)域分析功能獲取二者平均值,然后按照公式(1)進行化合,得出地形位指數(shù)分布[20-21],具體計算公式如下:

公式(1)

分布指數(shù)是一個標(biāo)準(zhǔn)化、無量綱的指數(shù)[23],能抵消研究區(qū)各景觀類型面積差異在不同梯度下的量綱影響。通過計算分布指數(shù)可以比較得出研究單元內(nèi)各景觀類型在空間上的分布差異,并確定其優(yōu)勢分布區(qū)間,計算公式如下:

P=(Mtn/Mt)/(Mn/M)

公式(2)

式中,P為分布指數(shù),Mtn指代t類景觀在n級地形所占面積,Mt為t類景觀總面積,Mn為n級地形區(qū)總面積,M為研究區(qū)總面積。P<1和P>1,分別表示該類景觀在n級地形上呈劣勢分布和優(yōu)勢分布,且P值越大,該景觀的分布優(yōu)勢越明顯[24-25]。

2.2.2 土地利用圖譜分析法

圖譜分析法將景觀變化過程譜系化、動態(tài)化,能夠直觀展示土地利用的時空演化過程,深入發(fā)掘土地資源變化的內(nèi)在規(guī)律,實現(xiàn)土地資源的多維表達。景觀格局變化圖譜可以借助ArcGIS 10.5軟件疊加處理研究期內(nèi)土地利用數(shù)據(jù)得到,其計算公式如下[26]:

公式(3)

式中,Y為變化圖譜,n指土地利用變化間隔的時期數(shù)目,Gn表示第n期數(shù)據(jù)中的景觀類型。根據(jù)過往研究經(jīng)驗[16,26],本研究中將圖譜模式劃分為如下5類情況:(1)穩(wěn)定型:研究區(qū)域3個時期內(nèi)景觀類型均未發(fā)生變化;(2)前期變化型:研究區(qū)域3個時期內(nèi),前期到中期景觀類型發(fā)生變化,中期至后期景觀類型保持不變;(3)后期變化型:研究區(qū)域3個時期內(nèi),前期到中期景觀類型未變動,中期至后期景觀類型發(fā)生變化;(4)反復(fù)變化型:研究區(qū)域3個時期內(nèi),中期景觀類型發(fā)生變化,且前期和后期景觀類型一致;(5)持續(xù)變化型:研究區(qū)域3個時期內(nèi)景觀類型均不相同。

2.2.3 景觀指數(shù)法

景觀格局變化是一定區(qū)域內(nèi)由于自然和人為等多因素交互影響,所引發(fā)的生態(tài)環(huán)境系統(tǒng)狀況的綜合反映[27]。景觀格局指數(shù),可以對研究區(qū)域景觀的類型、結(jié)構(gòu)及空間分布等多個層面上的信息特點進行量化表達,通常用于對比和評估某一或多個景觀在不同時期的變化情況。本研究從密度、形狀、多樣性和聚散性等角度出發(fā),選取斑塊密度(PD)、最大斑塊指數(shù)(LPI)、邊緣密度(ED)、景觀形狀指數(shù)(LSI)、周長面積分維數(shù)(PAFRAC)、蔓延度(CONTAG)、斑塊豐富度(PR)、香農(nóng)多樣性指數(shù)(SHDI)、香農(nóng)均勻度指數(shù)(SHEI)9個指標(biāo)對黃山市的景觀格局變化情況進行反映表達。

3 結(jié)果與分析

3.1 黃山市景觀類型空間分布的地形梯度效應(yīng)

3.1.1 不同等級地形位指數(shù)的分布

為反映黃山市的地勢特征,本研究借助ArcGIS 10.5提取該區(qū)域的高程及坡度,進行區(qū)域分析和空間疊置,最終得到黃山市地形位指數(shù)圖(圖2)。參考前人的成果總結(jié),結(jié)合黃山市實際地勢,將地形位指數(shù)等間隔重分類為10個等級,并界定為低、中低、中高和高等級4種地形梯度[28-29],分類標(biāo)準(zhǔn)如表1所示。

表1 黃山市地形分級及其面積占比Table 1 Topographic classification and its area proportion in Huangshan City

圖2 黃山市地形梯度分布圖Figure 2 Topographic gradient distribution map of Huangshan City

由表1可知,黃山市的主要地形為中低等級地形區(qū),面積占比45.72%;中高等級和低等級面積占比相近,分別為27.34%和24.39%;高等級地形占比最少。黃山市地形位指數(shù)等級主要分布在3—7級地形區(qū),其中5級地形區(qū)面積占比最大,為16.08%,4級地形區(qū)占比以15.81%次之,再次為3級地形區(qū),占比14.67%。

3.1.2 各景觀類型在地形梯度上的分布特征

通過分布指數(shù)反映黃山市各種景觀類型在不同地形位梯度帶上的空間分布情況,如圖3所示。通過比較2000、2010和2020年3個時期的景觀分布特征,發(fā)現(xiàn)在整個研究時序中,各年份總體變化曲線形態(tài)相似,即各類景觀的分布區(qū)間大致不變。

圖3 黃山市不同景觀類型在地形梯度上的分布指數(shù)變化圖Figure 3 Distribution index of landscape types on terrain gradient in Huangshan City

耕地的優(yōu)勢區(qū)間分布在2—3級地形區(qū),分布指數(shù)范圍為0—3.5。耕地在1—2級地形區(qū)分布指數(shù)值顯著上升,且在2級地形區(qū)達到峰值,但隨著年份增長,在此區(qū)間的分布指數(shù)逐漸減小,這說明隨著時代發(fā)展,耕地逐漸被其他用地侵占;2級地形區(qū)以后,分布指數(shù)隨著地形位梯度的升高逐漸降低,這是由于黃山市內(nèi)耕地主要分布于山麓盆地與平原谷地,部分位于溪河兩岸。此區(qū)域土壤多為砂壤土或沖積土,更適用于農(nóng)業(yè)耕作。

林地在5—9級地形區(qū)內(nèi)均呈優(yōu)勢分布,黃山市全境林木覆蓋率較高,故該類地對于地形變化的適應(yīng)性較強。林地在1—7級地形區(qū)內(nèi)分布指數(shù)持續(xù)上升,且增幅逐漸減小;在7—10級地形區(qū)內(nèi)分布指數(shù)值隨梯度增大逐步降低,這是由于黃山市的中低山區(qū)以黃壤為主,土壤肥力高,適合林木、茶樹和桑樹等作物的生長,而中高地形區(qū)由于光熱條件好,適宜櫟、松和油茶等生長。

草地的優(yōu)勢區(qū)間為7—10級地形區(qū),分布指數(shù)范圍為0—4.2,其分布指數(shù)隨地形位梯度的升高逐漸增大。

水體的分布指數(shù)范圍跨度大,其優(yōu)勢區(qū)間分布于1—2級地形區(qū),并且在1級梯度位時優(yōu)勢突出,說明地形位對其分布有明顯限制作用,黃山市內(nèi)的最大集中水域太平湖位于市內(nèi)黃山區(qū)西北部,為低等級地形梯度區(qū)域,與本研究分析結(jié)果吻合。

建設(shè)用地的優(yōu)勢區(qū)間為2—3級地形區(qū),2級地形區(qū)分布指數(shù)為最大值,在此地形區(qū)內(nèi),2000年分布指數(shù)值最小,2010年和2020年相差不大。由于較高梯度不易開發(fā),未利用地分布于9—10級地形區(qū),且10級地形區(qū)優(yōu)勢顯著。

3.2 景觀格局時空變化的地形梯度效應(yīng)

3.2.1 景觀格局變化圖譜

通過ArcGIS 10.5疊置處理,生成黃山市連續(xù)2個等量時段內(nèi)用地景觀格局分布的演化路徑(圖4)。在黃山市景觀類型變化圖譜中,穩(wěn)定型為絕對主導(dǎo)分布,面積占比高達98.4%。從變化圖譜類型來看,穩(wěn)定型中林地-林地-林地分布最廣,其次為耕地-耕地-耕地,分別占穩(wěn)定型圖譜面積的79.1%和12.7%,說明黃山市的主導(dǎo)景觀類型為林地。前期變化型的最大變化圖譜類型為耕地-建設(shè)用地-建設(shè)用地和耕地-林地-林地,占該類型比重分別為56.5%和19.9%,說明受到城市擴張和退耕還林政策的影響,耕地不斷被其他用地侵占,較多轉(zhuǎn)化為建設(shè)用地和林地。后期變化型主要以耕地-耕地-建設(shè)用地和林地-林地-耕地為代表,分別占比此類型的35.5%和19.8%,體現(xiàn)了城市擴張和人口增長對生態(tài)環(huán)境的導(dǎo)向作用。反復(fù)變化型中則以林地-耕地-林地、耕地-林地-耕地為最大變化圖譜類型,這是由于退耕還林和毀林開荒兩項政策同時作用所導(dǎo)致的林地和耕地的相互轉(zhuǎn)換。持續(xù)變化型占比最小,以耕地-建設(shè)用地-草地和耕地-建設(shè)用地-林地為主,主要分布于屯溪區(qū)。

圖4 黃山市景觀類型變化圖譜Figure 4 Landscape type change map of Huangshan City

3.2.2 景觀格局信息圖譜的地形梯度

疊加計算地形位指數(shù)與景觀類型變化圖譜,獲取各類型圖譜在不同梯度上的分布指數(shù)值,其變化趨勢由圖5可知,等級分布上1級和4—10級為穩(wěn)定型變化圖譜的優(yōu)勢區(qū)間,總的來說穩(wěn)定型變化圖譜對于高等級梯度區(qū)域具有更好的適應(yīng)性,其分布指數(shù)始終維持在0.93—1.01,整體數(shù)值相對穩(wěn)定。前期、后期和反復(fù)型變化圖譜優(yōu)勢區(qū)間均分布于低地形梯度2—3級地形區(qū)內(nèi),各類型圖譜的分布指數(shù)于2級地形區(qū)達到峰值,并且在2—3級地形梯度間急劇下降。持續(xù)型變化圖譜在1—2級地形區(qū)間急劇下降,于2級地形區(qū)間分布指數(shù)達到最小值,2—7級地形區(qū)間內(nèi)持續(xù)上升,此后隨地形位指數(shù)增加逐漸降低,在等級分布上1級和4—9級均為其優(yōu)勢區(qū)間。

圖5 各類型圖譜在地形梯度上的分布指數(shù)Figure 5 Distribution index of various types of maps on topographic gradient

3.3 景觀格局的地形梯度效應(yīng)

借助Fragstats 4.2軟件,獲取不同梯度下景觀格局指數(shù)的變化曲線。由圖6可知:

圖6 景觀格局指數(shù)隨梯度變化圖Figure 6 Landscape pattern index changes with gradient

(1)斑塊密度(PD)呈現(xiàn)持續(xù)降低的趨勢,在1—2級地形位區(qū)段內(nèi)急速下降,2—10級地形位區(qū)段降幅減緩,時間序列上,2—5級地形位區(qū)域的景觀格局指數(shù)隨著年份上升略有增長,這說明城市擴張和人類活動因素影響,導(dǎo)致該研究區(qū)內(nèi)景觀被分割,景觀破碎化程度上升,且這種現(xiàn)象在低、中低地形區(qū)域更為明顯。

(2)最大斑塊指數(shù)(LPI)表明優(yōu)勢景觀的分布情況,本研究中LPI在1—2級地形位區(qū)段迅速降低,在8—10級地形位區(qū)段急速增長,期間發(fā)生小幅度波動變化,這代表黃山市境內(nèi)的優(yōu)勢景觀更多分布于地勢較為平坦的低等級地形區(qū)域或者是受開發(fā)較少、自然風(fēng)貌保存完整的高等級地形區(qū)域。

(3)邊緣密度(ED)在1—2級地形位區(qū)間由最小值迅速上升至峰值,2—7級地形位區(qū)段內(nèi)以幅度漸小的趨勢持續(xù)降低,此后又緩慢升高。景觀形狀指數(shù)(LSI)在3—4級地形位基本維持穩(wěn)定,3級地形位之前呈現(xiàn)大幅上升趨勢,4級地形位之后持續(xù)小幅下降,這說明研究區(qū)的中低地形區(qū)域形狀最為復(fù)雜,在低地形區(qū)內(nèi),由于人為及自然因素干擾,隨著地形梯度增大景觀的不規(guī)則程度逐漸加深,形狀趨于復(fù)雜,并且隨著地形梯度增高,開發(fā)難度增大。周長面積分維數(shù)(PAFRAC)用于衡量景觀形狀復(fù)雜性,其變化趨勢與LSI相似,大致為先增后降的趨勢,在3級地形位達到最大值。

(4)蔓延度(CONTAG)在地形位等級1—2級的區(qū)段內(nèi)由峰值降至最低值,2—6級區(qū)段持續(xù)上漲,增幅漸小,6—10級區(qū)段緩慢下跌,表明在低等級地形位梯度下,人類活動頻繁,景觀最大程度破碎化,隨著地形梯度增加,景觀格局的完整性更高。

(5)斑塊豐富度(PR)在7—8級地形位區(qū)段內(nèi)跌至最小值,其他梯度穩(wěn)定不變,這說明黃山市內(nèi)的景觀豐度與物種豐度在7—8級梯度區(qū)間最小。

(6)香農(nóng)多樣性指數(shù)(SHDI)和香農(nóng)均勻度指數(shù)(SHEI)變化趨勢基本一致,在1—2級地形位驟增達到峰值,且數(shù)值逐年上升,2級地形位之后快速降低,自中高等級地形梯度區(qū)域開始有小幅回升。這是因為黃山市2級地形位區(qū)域為人類常居、活動頻繁地區(qū),故此區(qū)域內(nèi)土地利用更豐富,景觀類型表現(xiàn)更多樣,分布更均勻。

4 討論與結(jié)論

4.1 討論

黃山市境內(nèi)以山地、丘陵為主,地勢較高,地形起伏較大,其間有高聳的黃山山脈,主峰蓮花峰一帶更是安徽省地勢最高的區(qū)域。作為旅游文化示范區(qū)核心城市,黃山的旅游資源極為豐富,也因此吸引大批游客前來,其景觀格局也受到人為干擾、天然環(huán)境和國家政策等多重影響。地形因子作為天然環(huán)境因素,能夠約束人類活動,由此決定各梯度景觀所受人類干擾強度差異。由已有研究可知,高度和坡度均為地形的表征因子,并且對景觀格局的分布演化有直接影響作用,故而通過二者及其平均值綜合構(gòu)建的地形位指數(shù)可以強化對地形地貌特征的描述。近年來,由于黃山作為旅游城市的知名度逐漸提升,其所受外部干擾增大,生態(tài)敏感性增強,以此作為研究區(qū)探討景觀格局在地形梯度上的分布差異,對于旅游城市的后期規(guī)劃導(dǎo)向具有重大參考價值。本文利用地形位指數(shù)結(jié)合分布指數(shù)計算,可以更為完善、科學(xué)地展示地形驅(qū)動因子與景觀格局的響應(yīng)機制,并確定優(yōu)勢區(qū)間。

當(dāng)前,有關(guān)景觀格局與地形梯度研究多停留在靜態(tài)分析上,缺乏對動態(tài)過程的深入探索。已知,在地學(xué)研究中常通過土地利用信息圖譜,綜合展示年份進程趨勢和土地利用類型演變情況。本文借助此方法,意在將黃山市景觀格局類型的變化情況可視化,并將其與地形梯度進行疊加,深層次探究地形因子對于黃山市景觀格局時空演變過程的影響效應(yīng)。

通過研究可知,黃山市的景觀格局分布呈現(xiàn)出較強的分異特征,地形因子對于其景觀類型的分布及演化具有顯著影響。結(jié)合相關(guān)結(jié)論,對黃山市未來土地規(guī)劃提出如下建議[30-32]:

(1)黃山市作為國家級文化生態(tài)保護區(qū),應(yīng)當(dāng)堅持景觀生態(tài)學(xué)原理和可持續(xù)發(fā)展原則,在此基礎(chǔ)上分類施策,合理調(diào)整土地利用景觀在不同地形區(qū)的分布情況;

(2)力求保留人文景觀、生態(tài)資源的完整性,著重徽派文化遺產(chǎn)留存及區(qū)域生態(tài)安全保障;

(3)耕地和建設(shè)用地在低地形區(qū)呈優(yōu)勢分布,該區(qū)域為人類活動頻繁區(qū),要注意此梯度區(qū)間生態(tài)環(huán)境和城市化建設(shè)的協(xié)調(diào),預(yù)防城市無序擴張,減少耕地流失。

4.2 結(jié)論

本研究基于黃山市2000、2010和2020年3期遙感影像和DEM高程數(shù)據(jù),采用地形位指數(shù)、分布指數(shù)、信息圖譜分析等方法;同時選取典型的景觀格局指數(shù),探究研究區(qū)內(nèi)景觀格局在不同梯度上的分布情況和演變特征,得出如下結(jié)論:

(1)黃山市境內(nèi)的景觀格局分布呈現(xiàn)出較強的空間分異特征。

(2)黃山市地形主要以中低等級梯度為主,高等級地形面積占比最小。耕地和建設(shè)用地的優(yōu)勢區(qū)間分布在2—3級地形區(qū),為人類生存居住和生產(chǎn)活動提供空間。受該區(qū)域土壤類型及其分布影響,林地和草地的優(yōu)勢分布區(qū)間分別為5—9級和7—10級地形區(qū)。水體在1—2級地形區(qū)為優(yōu)勢分布,未利用地在高等級地形區(qū)優(yōu)勢顯著。

(3)黃山市景觀類型變化圖譜中,穩(wěn)定型為主導(dǎo)分布,林地-林地-林地為其主要變化圖譜類型,表明黃山市主導(dǎo)景觀類型為林地。穩(wěn)定型變化圖譜的分布指數(shù)始終維持在0.93—1.01,對于高梯度地形區(qū)具有更好的適應(yīng)性。

(4)黃山市境內(nèi)的優(yōu)勢景觀更多分布于地勢較為平坦的低等級地形區(qū)或受開發(fā)少、自然風(fēng)貌完整的高等級地形區(qū)。并且,由于人為因素干擾,在低、中低地形區(qū)域景觀破碎化現(xiàn)象更為顯著,景觀形狀復(fù)雜。