姜 坤，戴文遠(yuǎn)，2，3①，胡秋鳳，黃 康，歐 惠（.福建師范大學(xué)地理科學(xué)學(xué)院，福建 福州 350007；2.福建師范大學(xué)濕潤亞熱帶生態(tài)地理過程教育部重點實驗室，福建 福州 350007；3.福建師范大學(xué)地理研究所，福建 福州 350007）

地形因子是地形信息的直接表達(dá)，它通過立地條件、水文過程、生物分布、物質(zhì)能量轉(zhuǎn)化來影響土地利用格局，其空間特征一直是人們用來研究復(fù)雜地表過程的重要指標(biāo)[1-3]。山地丘陵是以地形為主導(dǎo)的復(fù)雜生態(tài)系統(tǒng)，其景觀格局的垂直變化梯度大約是水平變化梯度的1 000倍[4-5]，不僅蘊含著豐富的景觀生態(tài)學(xué)信息，而且對各類景觀結(jié)構(gòu)的空間演變具有顯著影響[6-7]。此外，山地丘陵區(qū)多分布于貧困和生態(tài)脆弱地區(qū)，土地資源貧乏，空間結(jié)構(gòu)復(fù)雜，自然災(zāi)害頻發(fā)，對人類活動的限制性和對不同景觀類型的選擇性都產(chǎn)生了巨大影響，如何在不同的地形條件下實現(xiàn)人口、土地資源、經(jīng)濟(jì)建設(shè)和生態(tài)環(huán)境的協(xié)調(diào)發(fā)展，已成為當(dāng)前山地丘陵區(qū)土地利用格局研究的重點[8-10]。早期利用數(shù)字高程模型（DEM）對土地利用格局的分析多是基于單一地形因子展開，存在一定局限性。綜合選取高程、坡度、地形起伏度等多個地形因子結(jié)合景觀格局指數(shù)開展分析，有助于深入研究地形因子對土地利用格局的影響，對區(qū)域生態(tài)環(huán)境把控、土地資源可持續(xù)利用具有一定借鑒意義。

永泰縣位于浙閩丘陵區(qū)腹地，境內(nèi)地形復(fù)雜，山地丘陵廣布，地形因子對土地利用影響深刻。近年來隨著區(qū)域內(nèi)社會經(jīng)濟(jì)發(fā)展，土地負(fù)載沉重，地表貧瘠的紅壤使水土流失加劇，生態(tài)環(huán)境迅速退化。選取該縣作為研究區(qū)，深入分析地形因子對土地利用的影響機(jī)理與規(guī)律，可為浙閩山地丘陵區(qū)其他區(qū)域的土地結(jié)構(gòu)優(yōu)化配置和生態(tài)保育建設(shè)提供參考。該研究根據(jù)永泰縣地形地貌特點劃分相應(yīng)等級，分析不同地形等級上土地類型的分布特征，運用移動窗口法從空間形態(tài)上對土地利用格局進(jìn)行定性分析，并在此基礎(chǔ)上通過Pearson系數(shù)定量分析土地利用格局與地形因子的相關(guān)性。

1 研究區(qū)概況

永泰縣位于福建省東部，東鄰福清、閩侯、西界德化、尤溪，南連莆田、仙游，北接閩清，面積2 243.4 km2。境內(nèi)海拔大多為500～1 000 m，高差大多為300～500 m，個別達(dá)千米左右，山勢高亢，且由西南向東北呈層狀下降，全縣山地丘陵占土地總面積的80.33%，其中山地占44.26%，丘陵占36.07%，地貌特征可以稱為“八山一水一分田”。永泰縣屬于典型的亞熱帶季風(fēng)氣候區(qū)，年均降水量1 400～2 000 mm，年均氣溫14.6～20.1℃，森林覆蓋率高，綠化程度達(dá)72.2%，素有“天然氧吧”的美譽。2008年被評為“中國優(yōu)秀旅游縣”，良好的生態(tài)環(huán)境成為永泰對外交往的燙金名牌。

2 數(shù)據(jù)來源與研究方法

2.1 數(shù)據(jù)來源與處理

土地利用數(shù)據(jù)以2015年的Landsat 8_OLI影像為數(shù)據(jù)源，經(jīng)幾何校正處理后，利用eCognition軟件，采用監(jiān)督分類和目視修正相結(jié)合的方法進(jìn)行遙感解譯。結(jié)合Google Earth和實地調(diào)查，在ArcGIS 10.2軟件中隨機(jī)選取500個點，經(jīng)Kappa系數(shù)檢驗，解譯精度均大于90%，符合研究需求。參照土地分類標(biāo)準(zhǔn)，將永泰縣土地類型劃分為耕地、園地、林地、草地、水域、工礦交通用地、居住地7類。

DEM數(shù)據(jù)主要來自地理國情監(jiān)測平臺（http：//www.dsac.cn/），分辨率為30 m×30 m。選取高程、坡度、地形起伏度作為地形因子，然后對各地形因子進(jìn)行等級劃分。高程分級基本原則是分級的間隔數(shù)相等，由于研究區(qū)最高海拔1 684 m，最低海拔10 m，選取250 m高程差為1級，將高程分為5級：＜250、250～500、＞500～750、＞750～1 000、＞1 000 m。坡度分級參考水利部提出的坡度分級標(biāo)準(zhǔn)，將坡度分為6級：0°～5°、＞5°～8°、＞8°～15°、＞15°～25°、＞25°～35°以及＞35°。利用ArcGIS 10.2軟件中的空間分析模塊和3D分析模塊提取地形起伏度，由于研究區(qū)的地形起伏度在0～300 m之間，根據(jù)我國1：100萬數(shù)字地貌圖的更新與制圖過程，采用自然斷點法將研究區(qū)地形起伏度分為5級：0～49、＞49～81、＞81～113、＞113～153以及＞153 m。各地形數(shù)據(jù)空間分辨率為30 m，坐標(biāo)為WGS-1984坐標(biāo)系，地形等級從小到大排序（圖1）。

2.2 研究方法

2.2.1 分布指數(shù)

為消除面積差異帶來的量綱影響，構(gòu)建分布指數(shù)來描述不同土地類型在地形梯度上的分布情況[11-12]，公式為

式（1）中，P為分布指數(shù)；e代表地形因子，分別為高程（m）、坡度（°）、地形起伏度（m）；Sie為e地形因子特定等級下第i類土地面積，hm2；Si為整個研究區(qū)第i類土地總面積，hm2；Se為整個研究區(qū)e地形因子特定等級下的土地類型總面積，hm2；S為整個研究區(qū)面積，hm2。P=1，表示某土地類型在某種地形上的占比與研究區(qū)內(nèi)該土地類型的占比相等；P＞1，表示某土地類型在該地形上的占比大于研究區(qū)內(nèi)該土地類型的占比，屬于優(yōu)勢分布；P＜1，表示某土地類型在該地形上的占比小于研究區(qū)內(nèi)該土地類型的占比，屬于劣勢分布。

圖1 永泰縣高程、坡度、地形起伏度、土地類型示意圖Fig.1 The map of elevation，slope，terrain relief and land type in Yongtai County

2.2.2 景觀格局指數(shù)

景觀格局指數(shù)是景觀格局不同側(cè)面特征的概括提煉和定量反映，能夠高度濃縮景觀格局信息[13-14]。根據(jù)研究實際，選取景觀水平上能夠反映景觀異質(zhì)性的景觀形狀指數(shù)（LSI）、斑塊密度（PD）、分維數(shù)（FRACT）、優(yōu)勢度（LPI）、蔓延度（CONTAG）、聚集度（AI）、香農(nóng)多樣性指數(shù)（SHDI）、香農(nóng)均勻度指數(shù)（SHEI），運用Fragstat軟件和移動窗口法研究土地利用格局的空間分布特征。由于景觀格局指數(shù)受空間尺度的影響較大，經(jīng)200、400、600和800 m邊長的窗口調(diào)試，最終確定最佳分析尺度為邊長600 m的矩形移動窗口。

3 結(jié)果與分析

3.1 不同高程區(qū)土地利用格局特征

由表1可知，隨著高程等級抬升，永泰縣景觀格局指數(shù)的分布變化大致呈現(xiàn)4種特征：（1）先減后增再減型，主要指LSI，說明隨著高程等級上升，景觀形狀趨于規(guī)則。其中在第3高程等級區(qū)（＞500～700 m）出現(xiàn)峰值，主要是因為該區(qū)域耕地分布廣，面積達(dá)6 817.5 hm2，在不同高程區(qū)中面積占比最高，修筑梯田導(dǎo)致該區(qū)域斑塊形狀復(fù)雜，破碎化程度明顯；（2）先增后減型，主要指LPI，轉(zhuǎn)折點主要出現(xiàn)在第2高程等級區(qū)（＞250～500 m），該區(qū)域林地面積最大，其次是園地和耕地，呈現(xiàn)出林地-耕地-園地的優(yōu)勢組合，土地類型相對單一，受外界因素的支配力度較??；（3）持續(xù)減少型，包括PD、FRACT、SHDI和SHEI，主要是因為居住地、園地、耕地、工礦交通用地等人工生態(tài)系統(tǒng)多分布在高程等級較低區(qū)域，土地利用類型豐富，景觀結(jié)構(gòu)復(fù)雜，在該區(qū)域土地開發(fā)利用時應(yīng)有效改善農(nóng)業(yè)生態(tài)環(huán)境，提高建設(shè)用地集約利用率，避免出現(xiàn)城鎮(zhèn)擴(kuò)張侵占耕地的現(xiàn)象；（4）持續(xù)增加型，包括AI和CONTAG，主要是因為在高程等級較高區(qū)域，林地、草地等自然生態(tài)系統(tǒng)中的優(yōu)勢斑塊連通性逐漸變好，整體性增強(qiáng)，但該區(qū)域生態(tài)環(huán)境脆弱，在生態(tài)保護(hù)時應(yīng)以生物措施為主，工程措施為輔，封、種、管相結(jié)合，迅速恢復(fù)植被。

從分布指數(shù)（圖2）看，在第1高程等級區(qū)，水域、園地、居住地、耕地、工礦交通用地處于優(yōu)勢位（分布指數(shù)P＞1），隨著高程上升，林地優(yōu)勢位逐漸增強(qiáng)；第2、3高程等級區(qū)是水域、居住地、耕地、工礦交通用地優(yōu)勢位的轉(zhuǎn)折點，只有園地和耕地處于優(yōu)勢位（P＞1），表明農(nóng)業(yè)開發(fā)在＞250～750 m高程區(qū)域強(qiáng)度最大，此外地表貧瘠的紅壤加上大而集中的降水使水土流失相當(dāng)嚴(yán)重；第4高程等級區(qū)僅有草地處于優(yōu)勢位；第5高程等級區(qū)草地和林地處于優(yōu)勢位，但該區(qū)域土層淺薄，多為裸露的荒山，應(yīng)在退耕還林、封造并舉的基礎(chǔ)上維護(hù)生態(tài)系統(tǒng)穩(wěn)定性。

3.2 不同坡度土地利用格局分布特征

由表2可知，隨著坡度等級抬升，永泰縣景觀格局指數(shù)的分布變化大致呈現(xiàn)4種特征：（1）先減再增型，包括PD和LSI，主要是因為隨著坡度上升，居住地、園地、耕地和工礦交通用的分布逐漸減少，景觀類型趨向單一，轉(zhuǎn)折點主要出現(xiàn)在第4坡度等級區(qū)，說明坡度在25°范圍內(nèi)時景觀類型豐富，斑塊趨于復(fù)雜，適宜農(nóng)業(yè)耕作和城鎮(zhèn)建設(shè)，應(yīng)在生態(tài)保育的前提下，整合土地資源，發(fā)展高效生產(chǎn)；（2）先增后減型，主要指LPI、LSI和AI，表明隨著坡度上升，斑塊形狀趨于規(guī)則，整體性變強(qiáng)，但在＞20°～35°的坡度區(qū)，由于受永泰縣以“山水”為主題的觀光、休閑、娛樂、度假等綜合旅游開發(fā)的影響，斑塊較為復(fù)雜；（3）持續(xù)減少型，主要指SHDI和SHEI，說明隨著坡度抬升，受林地-草地優(yōu)勢組合支配，景觀多樣性降低，異質(zhì)性減弱；（4）持續(xù)增加型，主要指CONTAG，說明坡度等級高的區(qū)域景觀之間的連通性較強(qiáng)，但這些地區(qū)植被稀疏，水土流失嚴(yán)重，應(yīng)大力營造水保林和耐瘠品種林木，有效綠化荒山，做好丘陵和坡地的水土保持工作。

圖2 不同高程等級區(qū)各土地利用類型的分布指數(shù)Fig.2 Distribution index of land type at different elevation levels

表2 不同坡度等級區(qū)景觀格局指數(shù)Table 2 Landscape pattern index of different slope levels

不同坡度等級區(qū)各地類的分布指數(shù)見圖3。

圖3 不同坡度等級區(qū)各土地利用類型的分布指數(shù)Fig.3 Distribution index of land type at different slope levels

由圖3可知，在第1～2坡度等級區(qū)，水域、園地、居住地、耕地、工礦交通用地處于優(yōu)勢位（P＞1），表明這5種地類在該區(qū)域存在激烈競爭關(guān)系，在城鎮(zhèn)建設(shè)過程中應(yīng)優(yōu)化布局5種地類關(guān)系；在第3坡度等級區(qū)，園地、居住地、耕地、工礦交通用地處于優(yōu)勢位（P＞1），但其分布指數(shù)隨坡度增加呈線性遞減趨勢，在第4坡度等級區(qū)僅有林地處于優(yōu)勢位，說明人工生態(tài)系統(tǒng)在＞15°～25°坡度區(qū)最敏感，應(yīng)加強(qiáng)生態(tài)修復(fù)，堅持造林、水保、農(nóng)業(yè)、建設(shè)的協(xié)調(diào)發(fā)展；第5～6坡度等級區(qū)林地和草地處于優(yōu)勢位，表明隨著坡度上升，自然生態(tài)系統(tǒng)的優(yōu)勢在逐漸增強(qiáng)，在進(jìn)行土地利用規(guī)劃時應(yīng)宜林則林，以牧則牧，提高植被覆蓋率。

3.3 不同地形起伏度土地利用格局分布特征

由表3可知，隨著地形起伏度抬升，永泰縣景觀格局指數(shù)的分布變化大致呈現(xiàn)4種特征。

表3 不同地形起伏度等級區(qū)景觀格局指數(shù)Table 3 Landscape pattern index of different terrain relief levels

（1）先減后增型，主要指PD，說明隨著地形起伏度上升，人類活動的干擾力度逐漸減小，斑塊類型趨于單一化；（2）先增后減型，主要指LPI、LSI和AI，表明隨著地形起伏度增加，各斑塊類型之間競爭變小，形狀趨于規(guī)則，連通性變強(qiáng)，其中在第3地形起伏度等級區(qū)耕地、園地、居住地、工礦交通用地面積不斷下降，林地、草地面積不斷上升，是人工生態(tài)系統(tǒng)向自然生態(tài)系統(tǒng)的轉(zhuǎn)折點，該區(qū)域生態(tài)環(huán)境脆弱，應(yīng)積極開展造林、補植、種草、種竹活動，限制開發(fā)建設(shè)；（3）持續(xù)減少型，主要指 AI、SHDI、SHEI，說明地形起伏度越大，斑塊之間連通性、穩(wěn)定性越強(qiáng)；（4）持續(xù)增加型，主要指FRACT，由于在較高地形起伏度等級區(qū)林地和草地的面積比例達(dá)90%以上，導(dǎo)致斑塊類型趨于簡單，同時也極易受到外界威脅，應(yīng)采取全封山育林育草和半封山育林相結(jié)合措施，禁止一切人為破壞。

由圖4可知，在第1～2地形起伏度等級區(qū)耕地、居住地、園地、水域、工礦交通用地處于優(yōu)勢位（P＞1），其中居住地處于絕對優(yōu)勢位，這與人口、水源的分布直接相關(guān)，應(yīng)重點開發(fā)利用；在第3地形起伏度等級區(qū)僅有林地和草地處于優(yōu)勢位（P＞1），土地類型基本全部屬于自然生態(tài)型，說明第2～3地形起伏度等級區(qū)人地矛盾突出，在土地利用規(guī)劃時應(yīng)協(xié)調(diào)好金山銀山與綠水青山的關(guān)系；在第4～5地形起伏度等級區(qū)林地、草地的分布指數(shù)明顯高于其他土地利用類型，但該區(qū)域荒山、裸地較多，自然災(zāi)害頻發(fā)，應(yīng)在修復(fù)治理的基礎(chǔ)上充分發(fā)揮生態(tài)服務(wù)價值。

圖4 不同地形起伏度等級區(qū)各土地利用類型的分布指數(shù)Fig.4 Distribution index of land type at different terrain relief levels

3.4 土地利用格局與地形因子相關(guān)性分析

3.4.1 基于移動窗口法的景觀格局指數(shù)與地形因子相關(guān)性分析

移動窗口法可以更直觀地了解研究區(qū)土地利用格局的空間分布規(guī)律[15-16]，結(jié)合永泰縣的地形特征分析可知，其景觀格局指數(shù)呈現(xiàn)明顯的梯度變化規(guī)律（圖5）。PD和LSI高的區(qū)域多為居住地、園地、耕地和工礦交通用地，一般分布在海拔低、坡度和地形起伏度小的低山丘陵和河谷平原地帶；PD和LSI低的區(qū)域多為林地和草地，一般分布在海拔高、坡度和地形起伏度大的地區(qū)；LPI、AI和CONTAG高的區(qū)域多為林地和草地，主要分布在南部和中部地形較為復(fù)雜的地區(qū)，說明該地區(qū)景觀形狀規(guī)則，連通性強(qiáng)；FRACT低的區(qū)域主要分布在西南和東南部海拔高、坡度大的地區(qū)，表明這些地區(qū)景觀類型相對簡單，整體性較強(qiáng)；SHDI和SHEI的分布呈現(xiàn)河谷平原和低丘緩坡地區(qū)較高、山地丘陵和邊緣山區(qū)較低的特征，也具有明顯的梯度變化規(guī)律。

圖5 永泰縣景觀格局指數(shù)的空間分布Fig.5 Spatial distribution of landscape pattern index in Yongtai County

3.4.2 不同地形因子對景觀格局指數(shù)的影響

從圖 6可以看出，PD、LSI、FRACT、SHDI和SHEI隨高程、坡度和地形起伏度等級的升高而減小，LPI、CONTAG和AI隨高程、坡度和地形起伏度等級的升高而增大，變化趨勢都較為一致。

利用Pearson相關(guān)性分析計算不同地形因子與景觀格局指數(shù)的關(guān)系（表4）可知，PD與高程、坡度呈顯著負(fù)相關(guān)；LSI與坡度、地形起伏度呈顯著負(fù)相關(guān)；SHEI與坡度呈顯著負(fù)相關(guān)；AI、SHDI與高程顯著相關(guān)；FRACT、CONTAG與高程、坡度、地形起伏度均顯著相關(guān)，表明地形因子與景觀格局指數(shù)之間具有顯著相關(guān)性。

圖6 景觀格局指數(shù)在不同地形等級上的分布Fig.6 Distribution of landscape pattern index at different terrain levels

表4 不同地形因子與景觀格局指數(shù)的相關(guān)系數(shù)Table 4 Correlation coefficient between different terrain factors and landscape pattern index

4 討論

地形因子作為山地丘陵區(qū)土地利用格局形成和變化的重要影響因子，對區(qū)域內(nèi)景觀結(jié)構(gòu)的演變具有顯著影響[17-18]。在研究過程中，筆者發(fā)現(xiàn)通過引入定量分析方法，從高程、坡度和地形起伏度3個維度切入，可以直觀揭示研究區(qū)土地利用格局的空間分布規(guī)律。此外，通過對不同地形等級區(qū)土地類型分布指數(shù)的分析和主控因子的識別，可以發(fā)現(xiàn)不同地形因子條件下土地利用格局具有顯著差別，受高程因子制約，居住地、工礦交通用地主要分布在海拔小于250 m的河谷平原地帶；受坡度因子制約，耕地、園地集中分布在＞8°～25°的坡度范圍內(nèi)；在山地丘陵區(qū)林地、草地由于對生態(tài)條件要求較低，分布相當(dāng)廣泛，但與地形起伏度有著緊密聯(lián)系，一般分布在＞49～113 m的地形起伏度等級區(qū)，呈現(xiàn)出上下簡單、中間復(fù)雜的格局。但是研究結(jié)果并非是普適應(yīng)性的，局部地區(qū)由于受傳統(tǒng)習(xí)俗、經(jīng)濟(jì)開發(fā)、復(fù)雜巖性、土層厚薄的影響，具有獨特的地方性土地利用格局，比如居住地在海拔＞500～750 m的地區(qū)呈現(xiàn)出小波峰值，主要是因為農(nóng)村聚落景觀所致；園地在坡度大于35°的地區(qū)仍有一定數(shù)量的存在，主要是因為當(dāng)?shù)赝翆訙\薄，土壤貧瘠，為穩(wěn)定糧食安全，在坡度大的地區(qū)存在毀林開荒，修筑梯田，種植水稻、茶樹、青梅等情況。而上述地區(qū)生活條件不便，自然環(huán)境惡劣，一旦遭到破壞很難再恢復(fù)，因此可適當(dāng)采取生態(tài)移民、退耕還林和封禁措施，以實現(xiàn)人與自然的和諧發(fā)展。

同時，針對現(xiàn)有同類研究中評價結(jié)果偏主觀，缺少定性與定量相結(jié)合的分析過程等問題，該研究制定了一套特定的研究方案，即在對研究區(qū)不同地形因子條件下的土地利用格局分析后，運用移動窗口法和Pearson系數(shù)進(jìn)一步分析高程、坡度、地形起伏度與景觀格局指數(shù)的潛在關(guān)系，深入探究現(xiàn)有空間分布規(guī)律的內(nèi)在機(jī)理。在下一步的研究中，將會獲取更豐富的研究區(qū)近年土地數(shù)據(jù)，探究地形因子作用下土地利用格局的連續(xù)多年演變規(guī)律，并基于此規(guī)律對未來山地丘陵區(qū)土地利用格局的演變給予科學(xué)預(yù)測，為永泰縣乃至整個浙閩山地丘陵區(qū)土地結(jié)構(gòu)優(yōu)化配置、相關(guān)環(huán)境規(guī)劃提供合理的決策依據(jù)。

5 結(jié)論

（1）不同地形因子條件下的土地利用格局具有一定規(guī)律性。居住地、工礦交通用地、耕地、園地、水域在地形等級較低區(qū)域呈優(yōu)勢分布，地類間競爭激烈，應(yīng)合理布局5種地類關(guān)系；林地和草地主要分布在土地貧瘠、生態(tài)脆弱的較高地形等級區(qū)，在開發(fā)利用時，應(yīng)重點考慮生態(tài)保護(hù)，有效發(fā)揮生態(tài)服務(wù)功能。

（2）景觀格局指數(shù)在不同地形因子上的分布具有明顯規(guī)律性。在地形等級較低的低山丘陵和河谷平原地帶，受人類生產(chǎn)生活影響，斑塊類型復(fù)雜，異質(zhì)性較高；在地形等級較高的山地丘陵和邊緣山區(qū)地帶，由于林地和草地占據(jù)優(yōu)勢位，斑塊形狀規(guī)則，連通性較強(qiáng)。Pearson相關(guān)性分析表明地形因子與景觀格局指數(shù)之間存在顯著相關(guān)性。

（3）地形因子作為重要的空間限制因子，對人類開發(fā)利用土地資源、土地結(jié)構(gòu)優(yōu)化配置等活動有一定的空間限制性。永泰縣作為典型的南方山區(qū)縣，開發(fā)山地丘陵，大力發(fā)展農(nóng)、林、牧、茶、果等生產(chǎn)是一項長久之計，在對其進(jìn)行開發(fā)利用時，需要根據(jù)各地類在不同地形條件下的分布規(guī)律進(jìn)行合理安排和協(xié)調(diào)，宜農(nóng)則農(nóng)、宜林則林、宜牧則牧，才能實現(xiàn)土地資源的可持續(xù)利用。