王詩琪，周振宏，智 菲，趙 銘

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

土地利用及其景觀格局分布與城市的發(fā)展有著緊密聯(lián)系。近年來，隨著我國城市化進(jìn)程的加快，城市規(guī)模不斷向外擴(kuò)張，導(dǎo)致土地資源緊缺、生態(tài)環(huán)境惡化，如何科學(xué)合理地管理和規(guī)劃土地資源成為未來社會發(fā)展和生態(tài)保護(hù)的中心問題[1-4]。為此，許多國內(nèi)學(xué)者選取部分典型城市，針對其以往土地演變規(guī)律進(jìn)行總結(jié)，抑或是通過構(gòu)建模型預(yù)測其未來用地演變方向，對于土地利用景觀的驅(qū)動因子研究也有了一定成果[5-7]。

地形對于人類生產(chǎn)生活具有限制性約束作用，而人為因素作為生態(tài)環(huán)境質(zhì)量的影響要素之一，對于用地景觀格局的分布也具有一定的干擾效應(yīng)，目前已有研究佐證了這一觀點(diǎn)[8-9]。此前，多數(shù)學(xué)者從單一地形因子（如高程、坡度等）出發(fā)，研究其與景觀格局的響應(yīng)機(jī)制，也有部分學(xué)者在前人基礎(chǔ)上選取地形位指數(shù)作為綜合性地形因子的表征，探究地形對景觀格局的影響作用[10-13]，削弱了早期研究的局限性，但其結(jié)論仍囿于具體時相內(nèi)的景觀分異特征，而對于一個連續(xù)時段內(nèi)景觀格局的動態(tài)變化過程與地形的關(guān)聯(lián)機(jī)制研究尚且不多。

六安市位于安徽省西部，地處江淮之間，東鄰省城合肥，是安徽省省會經(jīng)濟(jì)圈副中心城市[14]。六安作為安徽省的區(qū)域交通樞紐，其境內(nèi)梯度差異顯著，以此為研究區(qū)，加入地學(xué)信息圖譜將景觀格局演變路徑可視化，再疊加地形位梯度，探究地形因子對用地景觀分布及其變化過程的作用機(jī)理，對于制定六安市未來土地利用規(guī)劃策略具有一定參考價值。

一、研究區(qū)概況

六安市（31°01′～32°40′N，115°20′～117°14′E），安徽省轄地級市，下轄3區(qū)4縣，總面積15 451.2 km2，地處江淮，東銜吳越，西領(lǐng)荊楚，北接中原，屬北亞熱帶向暖溫帶轉(zhuǎn)換的過渡帶，四季分明，氣候溫和，雨量充沛。地勢上西南高峻，東北低平，呈梯形分布[15-16]。

二、材料與方法

（一）數(shù)據(jù)來源及預(yù)處理

本研究所用數(shù)據(jù)包括地理空間數(shù)據(jù)云網(wǎng)站（https://www.gscloud.cn/search）的GDEMV3 30 M數(shù)字高程數(shù)據(jù)，以及來自中國科學(xué)院資源環(huán)境科學(xué)與數(shù)據(jù)中心（https://www.resdc.cn/）的六安市2000、2010 和2020 年3 期土地利用數(shù)據(jù)，并參照該系統(tǒng)分類標(biāo)準(zhǔn)，將研究區(qū)用地類型劃分為耕地、林地、草地、水體、建設(shè)用地和未利用地6 種類型。

（二）研究方法

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)，計算公式如下[17]:

式（1）中，T為地形位指數(shù)，H、S表示研究區(qū)任一柵格的高程和坡度，、表示研究區(qū)任一柵格高程和坡度的平均值。高程和坡度越大，其地形位指數(shù)越大，反之越小[18]。

通過分布指數(shù)能夠展示出研究單元內(nèi)各景觀類型在空間上的分布差異，及其優(yōu)勢分布區(qū)間，計算公式如下[18]:

式（2）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地形區(qū)總面積，M為研究區(qū)總面積。P<1 和P>1，分布表示該類景觀在n 級地形上呈劣勢分布和優(yōu)勢分布。

2.土地利用轉(zhuǎn)移矩陣

土地利用轉(zhuǎn)移矩陣能夠直觀展示出研究區(qū)內(nèi)始末各土地類型的轉(zhuǎn)變趨勢，以及不同轉(zhuǎn)移方向的具體轉(zhuǎn)移數(shù)量[5]。其公式如下[5，19]：

式（3）中：p與q分別表示研究始末的土地利用類型；m表示土地利用類型總數(shù)；Spq為研究期內(nèi)第p類向第q類轉(zhuǎn)化的總面積。

3.土地利用動態(tài)度分析

通過構(gòu)建土地利用動態(tài)度模型，可以展示出研究時段內(nèi)各種土地利用類型變化的速度和幅度[20-21]。

第一，單一土地利用動態(tài)度

能夠反映某個時段內(nèi)研究區(qū)某用地類型在數(shù)量、空間及組合方式上的變化，計算公式為：

式（4）中：K為研究時段內(nèi)某一土地利用類型動態(tài)度；Ub和Ua分別為研究末期和初期某一土地利用類型面積,T為研究時段，本研究中T=10。

第二，綜合土地利用動態(tài)度

能夠反映在一定時段內(nèi)研究區(qū)整體土地利用類型的變化速率，可以從全域分析土地利用的空間變化過程，計算公式為：

式（5）中：?LUi-j為第i類土地利用類型轉(zhuǎn)為非i類土地利用類型面積的絕對值，?LUi為前期土地利用類型的面積，T為2 期間隔的時間。

4.地學(xué)信息圖譜

地學(xué)信息圖譜是一種地理時空分析方法，它能夠表述區(qū)域自然過程與社會經(jīng)濟(jì)發(fā)展的時態(tài)演進(jìn)和空間分異情況，將地學(xué)信息圖譜應(yīng)用于土地利用景觀格局的研究中，生成景觀格局信息圖譜，可以對研究區(qū)用地景觀的空間格局進(jìn)行系統(tǒng)性的描述[22-25]。

三、結(jié)果與分析

（一）土地利用時空變化

1.土地利用類型總體特征

通過ArcGIS10.5 軟件的掩膜提取功能，將安徽省土地利用數(shù)據(jù)與六安市行政邊界進(jìn)行疊加，得到研究區(qū)各年份土地利用類型圖（圖1）。六安市土地利用類型首先以耕地、林地和草地為主，在整個研究期內(nèi)，三者面積之和占研究區(qū)總面積的90%左右；其次為建設(shè)用地和水體，在研究期20 年間，二者的平均面積占比分別為5.96%、4.12%；未利用地占比極小，且隨年份增長面積略有增長。

圖1 六安市各年份土地利用類型圖

2000—2020 年間六安市土地利用轉(zhuǎn)移矩陣如表1 所示。從變化類型來看，2000—2010 年間耕地作為優(yōu)勢地類，其流轉(zhuǎn)面積最大，除自轉(zhuǎn)化外，主要轉(zhuǎn)出類型表現(xiàn)為耕地轉(zhuǎn)化為建設(shè)用地和林地，這兩種變化類型面積之和占耕地凈流出面積的83.53%；耕地的主要轉(zhuǎn)入來源包括林地和建設(shè)用地，二者轉(zhuǎn)入面積之和占凈流入面積的79.28%?？偟膩碚f，耕地地類的轉(zhuǎn)出大于轉(zhuǎn)入，即耕地面積在減小，這一現(xiàn)象與城鎮(zhèn)化發(fā)展和退耕還林政策的實(shí)施密不可分。2010—2020 年間耕地流轉(zhuǎn)趨勢與前一時段保持一致。

表1 六安市土地利用轉(zhuǎn)移矩陣 單位：km2

林地、草地和水體在2000—2020 年間的用地面積基本維持穩(wěn)定，說明其流入和轉(zhuǎn)出基本保持平衡。建設(shè)用地和未利用地在研究期內(nèi)用地面積均出現(xiàn)增長，前者以耕地流入為絕對主導(dǎo)，其次由林地轉(zhuǎn)化而來，與城鎮(zhèn)化建設(shè)的無序擴(kuò)張有關(guān)；后者在2000—2010 年間流向林地的面積大于自林地流轉(zhuǎn)而來的面積，2010 年的未利用地面積主要由草地的流入得以維持，2010—2020 年間以林地—未利用地為主，輔以耕地、水體和建設(shè)用地的少量轉(zhuǎn)入，使得2020 年的土地利用面積較之前期有所增長。

2.土地利用類型動態(tài)變化

將整個研究期分為2000—2010 年和2010—2020 年2 個等量時段，分別計算六安市2 個時段的土地利用動態(tài)度（表2）。由表2 可知，從綜合土地利用動態(tài)度來看，后一時段近乎為前一時段的2 倍，說明后十年土地利用類型的變化幅度翻倍增長，比之前期有較大改變。從單一土地利用動態(tài)度來看，未利用地由于用地的流入和轉(zhuǎn)出達(dá)到平衡，在2000—2010 年間面積無變動；2010—2020 年間其面積增加2.570 4 km2，僅占研究區(qū)總面積的0.02%，但因其初始基數(shù)過小，從增長幅度上來說變化巨大。此外，2 個時段內(nèi)均以建設(shè)用地的單一動態(tài)度為高值，且呈現(xiàn)出上升趨勢，說明20 年間六安市境內(nèi)的建設(shè)用地表現(xiàn)為顯著擴(kuò)張趨勢。其次為水體，同樣表現(xiàn)為擴(kuò)張趨勢，但幅度小于建設(shè)用地。2000—2010 年間，耕地和林地的面積分別減少83.82 km2和9.27 km2，單一土地利用動態(tài)度分別為-0.12%和-0.02%，2010—2020 年間二者面積持續(xù)下降且降幅增大，單一動態(tài)度變?yōu)?0.20%和-0.06%。研究期內(nèi)，草地面積先增大后減小，故其單一動態(tài)度在2 個時段內(nèi)分別為0.01%和-0.01%。

表2 六安市土地利用動態(tài)度統(tǒng)計 單位：%

（二）基于地形梯度效應(yīng)的景觀格局時空變化

1.各景觀類型在地形梯度上的分布特征

通過ArcGIS10.5 的區(qū)域分析工具得到六安市地形位指數(shù)，用自然段點(diǎn)法分為10 級，并界定為低（1～3 級）、中低（4～6 級）、中高（7～9 級）和高等級（10 級）4 種地形位梯度，得到六安市地形梯度分布如圖2。六安市以低等級地形為主，其分布范圍超過了全境總面積的一半，并以2 級地形區(qū)為甚，主要分布在研究區(qū)的東北部區(qū)域；4～10 級地形區(qū)主要分布在西南區(qū)域，以金寨縣、霍山縣和舒城縣西南角為主。

圖2 六安市地形梯度分布圖

計算六安市各種景觀類型在不同地形梯度上的分布指數(shù)，其各地類分布指數(shù)值變化情況如圖3。從研究時序來看，除未利用地外，其余地類在各年份于不同梯度上的分布情況變化不大。研究期間，未利用地的分布區(qū)域由前期的2～6 級地形區(qū)拓展覆蓋到1 級區(qū)域，隨者年份推進(jìn)，其優(yōu)勢分布區(qū)間也向著低等級地形位演變。由用地類型轉(zhuǎn)換可知，2010 年的未利用地由林地和草地轉(zhuǎn)化而來，2020 年由林地、耕地、水體和建設(shè)用地的轉(zhuǎn)入，林地和草地多分布于中低級地形位，其他地類的轉(zhuǎn)入拓寬了未利用地分布的梯度區(qū)間。

圖3 六安市不同景觀類型在地形梯度上的分布指數(shù)變化圖

從優(yōu)勢區(qū)間來看，耕地和建設(shè)用地在低等級地形區(qū)呈優(yōu)勢分布，表明人類的生產(chǎn)生活空間多集聚于此；1～2 級地形區(qū)為水體的優(yōu)勢分布區(qū)間，與六安市境內(nèi)水資源分布實(shí)況相吻合；林地和草地的優(yōu)勢區(qū)間覆蓋最廣，前者包括中低和中高等級地形位，后者覆蓋5～10 級地形區(qū)，說明林地和草地對地形變化的適應(yīng)性最強(qiáng)。

2.景觀類型變化圖譜的地形梯度

借助ArcGIS10.5 軟件獲取研究區(qū)的景觀類型變化圖譜（圖4），即將研究期間六安市景觀類型的演化過程可視化。將圖譜變化類型分為如下5 種：穩(wěn)定型（研究區(qū)景觀類型無變化）、前期變化型（研究區(qū)景觀類型在2000—2010 年間發(fā)生變化，2010—2020 年間無變化）、后期變化型（研究區(qū)景觀類型在2000—2010 年間無變化，2010—2020 年間發(fā)生變化）、波動變化型（研究區(qū)景觀類型在2000—2010 年和2010—2020 年間均發(fā)生變化，且2000 年和2020 年景觀類型相同）、持續(xù)變化型（研究區(qū)3 個時期景觀類型均不相同）。

圖4 六安市景觀類型變化圖譜

提取六安市景觀信息圖譜的各變化類型，并對其面積占比和主要變化類型情況進(jìn)行統(tǒng)計（表3），再通過與地形位梯度疊加獲得研究區(qū)各類型圖譜在地形梯度上的分布情況（圖5）。穩(wěn)定型作為六安市景觀變化中的主導(dǎo)類型，占總面積的95.28%，其優(yōu)勢區(qū)間為5～10 級地形區(qū)，對于地形變化的適應(yīng)性更強(qiáng)；前期和后期變化型圖譜分布分別占總面積的0.91% 和1.49%，二者的優(yōu)勢區(qū)間均為低等級地形位，且主導(dǎo)變化類型分別為耕地—建設(shè)用地—建設(shè)用地和耕地—耕地—建設(shè)用地，這主要是由于六安市城鎮(zhèn)化建設(shè)以及土地開發(fā)復(fù)墾政策的實(shí)施所導(dǎo)致。波動型在3～5 級地形區(qū)呈優(yōu)勢分布，主要變化類型以林地—耕地—林地和耕地—建設(shè)用地—耕地為主，與前期研究得出的耕地和建設(shè)用地主要分布在低等級地形區(qū)，人類生產(chǎn)生活空間也多集聚于此的結(jié)論相對應(yīng)。持續(xù)型圖譜分布面積占比極小，其優(yōu)勢區(qū)間為1 級和6～9 級，主要以耕地、林地和建設(shè)用地之間的相互轉(zhuǎn)化為主。

表3 六安市景觀類型變化圖譜統(tǒng)計

圖5 各類型圖譜在地形梯度上的分布指數(shù)

（三）景觀格局的地形梯度效應(yīng)

基于景觀斑塊的密度、形狀、多樣性和聚散性等角度，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、蔓延度CONTAG、豐富度PR、香濃均勻度指數(shù)SHEI 和香濃多樣性指數(shù)SHDI 共8 個指標(biāo)，對六安市不同地形位等級上景觀格局指數(shù)的變化情況進(jìn)行表達(dá)（圖6）。

圖6 景觀格局指數(shù)隨梯度變化圖

從時序上看，各景觀指數(shù)隨梯度的變化趨勢大致相同。在2～5 級地形區(qū)，CONTAG、SHEI和SHDI 的景觀指數(shù)值出現(xiàn)較明顯的隨年份演變差異，蔓延度指數(shù)呈現(xiàn)逐年下降趨勢，香濃均勻度和香濃多樣性指數(shù)逐年上升，這是由于近年來人類活動愈加頻繁導(dǎo)致景觀斑塊的連通性下降，破碎化程度高，景觀優(yōu)勢度降低，異質(zhì)性增強(qiáng)。2020 年，豐富度指數(shù)的峰值覆蓋范圍由原本的2～6 級地形區(qū)拓展到整個低—中低等級地形位，表明景觀豐度有所增加。

3～5 級地形區(qū)的斑塊密度明顯高于其他地形位，表明此區(qū)域破碎化程度最高。最大斑塊指數(shù)的顯著高值分布在1、2 級地形區(qū)，耕地作為六安市境內(nèi)的優(yōu)勢景觀多分布于此。邊緣密度指數(shù)值隨梯度呈波動式起伏，其低值主要分布在9、10 級地形區(qū)上，表明高梯度地形區(qū)由于開發(fā)難度大，景觀更加完整。景觀形狀指數(shù)在1～2 級地形區(qū)內(nèi)驟升，此后小起伏持續(xù)下降至最小值，說明2 級地形區(qū)的景觀形狀最復(fù)雜，梯度越高人類活動干擾越小、開發(fā)難度越大，景觀形狀越完整。

四、結(jié)論與討論

本文采用六安市2000、2010 和2020 年3 期土地利用數(shù)據(jù)和DEM 高程數(shù)據(jù)，利用ArcGIS10.5和Fragstats4.2 軟件探究研究區(qū)境內(nèi)土地利用的變化規(guī)律和景觀格局的空間分異特征，得出結(jié)論如下。

（1）六安市用地類型以耕地、林地和草地為主。研究期間，耕地的流轉(zhuǎn)面積最大，其中以耕地與林地和建設(shè)用地的相互轉(zhuǎn)化為主，耕地地類的轉(zhuǎn)出大于轉(zhuǎn)入，即耕地面積持續(xù)減小。

（2）耕地、建設(shè)用地和水體在低等級地形區(qū)呈優(yōu)勢分布，未利用地的優(yōu)勢分布區(qū)間向著低等級地形位演變，林地和草地的優(yōu)勢區(qū)間覆蓋最廣，對地形變化的適應(yīng)性最強(qiáng)。

（3）穩(wěn)定型作為六安市景觀變化中的主導(dǎo)類型，其優(yōu)勢區(qū)間為5～10 級地形區(qū)，前期和后期變化型圖譜優(yōu)勢區(qū)間均為低等級地形位，波動型在3～5 級地形區(qū)呈優(yōu)勢分布，持續(xù)型優(yōu)勢區(qū)間為1 級和6～9 級。

（4）在2～5 級地形區(qū)，CONTAG、SHEI和SHDI 的景觀指數(shù)值出現(xiàn)較明顯的隨年份演變差異，蔓延度指數(shù)逐年下降，香濃均勻度和香濃多樣性指數(shù)持續(xù)上升，2020 年，景觀豐度有所增加。

由研究可知，六安市的景觀格局分布明顯受到地形因子驅(qū)動，因此針對研究區(qū)未來土地規(guī)劃提出如下建議[26-29]：合理優(yōu)化六安市土地資源配置，應(yīng)結(jié)合地形分布特征科學(xué)構(gòu)建節(jié)約集約用地格局，協(xié)調(diào)布局各類功能用地，保障城市發(fā)展；以生態(tài)網(wǎng)絡(luò)為本，向西拓展綠色產(chǎn)業(yè)；自城市中心向四周延展核心區(qū)功能覆蓋范圍，防止人口過度聚集導(dǎo)致區(qū)域生態(tài)環(huán)境持續(xù)惡化。