山東省棲霞市土地利用時(shí)空格局的垂直梯度研究

曲衍波，商 冉，齊 偉，高 宇

（1. 山東財(cái)經(jīng)大學(xué)公共管理學(xué)院，山東 濟(jì)南 250014； 2. 山東農(nóng)業(yè)工程學(xué)院農(nóng)業(yè)科學(xué)與工程系，山東濟(jì)南 250100；3. 山東農(nóng)業(yè)大學(xué)資源與環(huán)境學(xué)院，山東 泰安 271018）

山東省棲霞市土地利用時(shí)空格局的垂直梯度研究

曲衍波1，商 冉2，齊 偉3，高 宇1

（1. 山東財(cái)經(jīng)大學(xué)公共管理學(xué)院，山東 濟(jì)南 250014； 2. 山東農(nóng)業(yè)工程學(xué)院農(nóng)業(yè)科學(xué)與工程系，山東濟(jì)南 250100；3. 山東農(nóng)業(yè)大學(xué)資源與環(huán)境學(xué)院，山東 泰安 271018）

研究目的：從動(dòng)態(tài)過(guò)程與垂直分異的角度，探討山區(qū)土地利用類(lèi)型和空間格局變化特征，為區(qū)域國(guó)土空間格局優(yōu)化和土地資源可持續(xù)利用提供參考。研究方法：利用RS空間識(shí)別知識(shí)和GIS空間分析功能，判讀研究區(qū)5期LANDSAT TM 5遙感數(shù)據(jù)，構(gòu)建基于DEM的地形位指數(shù)模型和表達(dá)時(shí)空分異的分布指數(shù)和空間格局指數(shù)模型，解析山區(qū)土地利用組分和空間格局隨地形垂直性變化的過(guò)程特征與原因。研究結(jié)果：棲霞市土地利用類(lèi)型的地形垂直分異顯著，耕地和建設(shè)用地在低位段的優(yōu)勢(shì)性不斷增強(qiáng)，園地、林地和草坡地分布重心逐漸向中、高位段轉(zhuǎn)移；土地利用格局具有時(shí)空兩維變化特征，在時(shí)間序列上呈良性發(fā)展和恢復(fù)狀態(tài)；在空間垂直梯度上，土地多樣性呈“U”形庫(kù)茲涅茨曲線變化，土地破碎度先增加后減少，土地聚集度則表現(xiàn)出先減少后增加的變化特征。研究結(jié)論：地形是山區(qū)土地利用類(lèi)型和格局分異的主導(dǎo)要素；研究區(qū)開(kāi)展的農(nóng)業(yè)結(jié)構(gòu)調(diào)整、退耕還林、生態(tài)治理等人為有利干擾與不利干擾相互作用，是局部區(qū)域土地利用垂直變化的主要?jiǎng)恿Γ坏匦挝恢笖?shù)1—15對(duì)應(yīng)的地帶是土地利用變化的劇烈區(qū)和頻繁區(qū)，應(yīng)對(duì)主導(dǎo)地類(lèi)采用科學(xué)的規(guī)劃引導(dǎo)與管護(hù)，減少負(fù)面人為干擾。

土地利用；時(shí)空格局；垂直梯度；棲霞市

土地利用格局是不同歷史時(shí)期的土地類(lèi)型在不同空間上相互演替的結(jié)果，影響著土地利用功能，表現(xiàn)出典型的空間異質(zhì)性[1]，并受自然環(huán)境的限制和人類(lèi)活動(dòng)的干預(yù)而發(fā)生變化[2-3]。在山區(qū)，自然資源立體分布顯著，地形是土地利用分異的重要決定因子，它通過(guò)影響區(qū)域內(nèi)物質(zhì)和能量的流動(dòng)和各種干擾的發(fā)生頻率、強(qiáng)度來(lái)影響各種土地利用類(lèi)型的空間分布和格局變化[4-6]。目前，對(duì)于土地利用變化研究多集中在格局靜態(tài)與動(dòng)態(tài)分析、類(lèi)型面積轉(zhuǎn)換等方面[7-9]，在土地利用變化過(guò)程與格局的分異研究上，經(jīng)歷了類(lèi)型分布到指數(shù)分異的過(guò)程，如胡志斌等在研究岷江上游景觀格局變化時(shí)指出土地利用類(lèi)型具有明顯的垂直分異性，并計(jì)算了各高程帶中各景觀類(lèi)型的面積[10]；張明陽(yáng)等在研究白洋淀流域景觀格局地形分異中引入了格局指數(shù)，改善了以往研究中基于土地利用類(lèi)型面積與高程之間關(guān)系特征不明顯的問(wèn)題[11]；隨后有學(xué)者利用DEM數(shù)據(jù)建立了地形位指數(shù)，分析了不同研究區(qū)土地利用變化特征[12-15]。這些內(nèi)容豐富了土地利用變化分析的技術(shù)方法，但從過(guò)程與格局相結(jié)合的角度探討區(qū)域土地利用類(lèi)型分布規(guī)律及其與地形作用關(guān)系和垂直特征的研究還不多見(jiàn)。為此，本文選取膠東半島山區(qū)縣棲霞市為研究區(qū)，在進(jìn)行高程和坡度合成的基礎(chǔ)上，采用5期遙感數(shù)據(jù)進(jìn)行較長(zhǎng)時(shí)序的土地利用類(lèi)型與空間格局變化分析，從動(dòng)態(tài)過(guò)程與垂直分異的角度探討土地利用類(lèi)型和空間觀格局變化的行為特征，旨為當(dāng)?shù)貒?guó)土空間格局優(yōu)化和土地資源可持續(xù)利用提供參考。

1 研究區(qū)概況

棲霞市地處膠東半島內(nèi)陸中部山區(qū)，是煙臺(tái)市轄縣之一。地理坐標(biāo)為E 120°33′—121°15′、N 37°05′—37°32′，總面積2017.65 km2。境內(nèi)海拔30—815 m，群山起伏，丘嶺連綿，地形復(fù)雜，是膠東半島水系發(fā)源地，素有“六山一水三分田”之說(shuō)和“膠東屋脊”之稱(chēng)；棲霞境內(nèi)地質(zhì)復(fù)雜，自太古界至新生界的巖類(lèi)均有存在，土壤類(lèi)型主要為棕壤、潮棕壤和河潮土；氣候?qū)倥瘻貛Ъ撅L(fēng)型半濕潤(rùn)氣候，四季分明，光照充足，年平均氣溫11.3℃，年均降水量743.14 mm，無(wú)霜期207 d，年日照總時(shí)數(shù)2690 h。棲霞市是膠東半島為數(shù)極少?zèng)]有海岸線的縣級(jí)市，20世紀(jì)80年代以來(lái)，棲霞市大力推進(jìn)農(nóng)業(yè)結(jié)構(gòu)調(diào)整和退耕還林等活動(dòng)，快速發(fā)展蘋(píng)果產(chǎn)業(yè)，園地規(guī)模不斷增加，是膠東半島的糧食生產(chǎn)基地和優(yōu)質(zhì)蘋(píng)果主產(chǎn)區(qū)，農(nóng)業(yè)發(fā)展獨(dú)具特色。此外，在社會(huì)經(jīng)濟(jì)發(fā)展的同時(shí)，棲霞市加強(qiáng)生態(tài)水系治理，植被覆蓋率逐年增加，水土流失得到控制，生態(tài)環(huán)境和土地利用空間格局發(fā)生了較大變化。綜合來(lái)看，地理?xiàng)l件的相似性、農(nóng)業(yè)發(fā)展的典型性以及生態(tài)環(huán)境的特殊性決定了棲霞市在膠東半島山區(qū)具有一定的代表性。

2 研究方法

2.1 數(shù)據(jù)來(lái)源與處理

本文數(shù)據(jù)包括1∶2.5萬(wàn)地形圖（等高線間距5 m）和1987年11月14日、1992年10月18日、1997年11月2日、2003年10月19日和2010年10月23日的5個(gè)時(shí)期LANDSAT TM 5遙感圖像①獲取的2012年10月份的影像數(shù)據(jù)受天氣影響，判讀結(jié)果與實(shí)際情況偏離較大，并考慮時(shí)段間隔比較短，土地利用結(jié)構(gòu)變化不大，所以最近一年數(shù)據(jù)采用了2010年的數(shù)據(jù)。。首先在ERDAS 8.6下對(duì)遙感圖像進(jìn)行幾何精校正和圖像配準(zhǔn)，選擇對(duì)綠色植被反映敏感的TM 4、3、2波段進(jìn)行RGB假彩色合成與監(jiān)督分類(lèi)，參照土地利用現(xiàn)狀圖進(jìn)行錯(cuò)誤糾正后得到研究區(qū)土地利用類(lèi)型圖，從中提取耕地、林地、園地、草地、建設(shè)用地、未利用地和水域7種土地利用類(lèi)型，由于研究區(qū)內(nèi)水體面積比重較小，且在地形梯度上的分布和變化規(guī)律不明顯，在分析過(guò)程中沒(méi)有對(duì)其考慮。然后在MapGIS 7.6下對(duì)等高線進(jìn)行屏幕跟蹤矢量化，生成拓?fù)潢P(guān)系完整的矢量圖，通過(guò)文件轉(zhuǎn)化，在ArcView下建立不規(guī)則三角網(wǎng)（TIN）模型，考慮數(shù)據(jù)源精度與遙感影像相匹配，經(jīng)過(guò)網(wǎng)格化處理得到25 m×25 m柵格的DEM模型。最后基于ArcGIS 10.0操作平臺(tái)，提取高程和坡度，將二者組合形成地形位指數(shù)模型，與土地利用類(lèi)型圖疊加分析，通過(guò)屬性查詢(xún)得到不同地形位上土地利用類(lèi)型的柵格數(shù)，并核算各地類(lèi)面積。棲霞市劃分為2259行、3210列，共3228320個(gè)柵格。

2.2 地形位與分布指數(shù)模型

山區(qū)地形具有垂直性和方向性特征，前者用高程和坡度進(jìn)行表征，后者則多與坡向和坡型等有關(guān)。為表達(dá)區(qū)域土地利用格局的垂直性影響與特征，本文將高程和坡度合成為地形位指數(shù)模型[16]（式1），沒(méi)有與坡向共同耦合的原因有二：一是區(qū)域高程和坡度屬于空間連續(xù)性分布數(shù)據(jù)，兩者分布特征和對(duì)土地利用格局的影響效果比較相似，將其進(jìn)行組合可以避免重復(fù)性分析和單一的高程或坡度無(wú)法體現(xiàn)的綜合效應(yīng)；二是坡向和坡型需要通過(guò)概念化識(shí)別與分類(lèi)后分析其對(duì)土地利用格局的影響，且這種方向性影響在空間上多是不連續(xù)性和突變的。

分布指數(shù)主要是為了消除不同地形區(qū)段的面積差異帶來(lái)的量綱影響，分布指數(shù)曲線反映了不同土地利用類(lèi)型在地形位梯度上的分布情況和地形對(duì)土地利用類(lèi)型的適宜程度。計(jì)算公式如下：

式2中，Sie為e地形位下第i種土地利用類(lèi)型的面積，Si為研究區(qū)內(nèi)第i種土地利用類(lèi)型的總面積，Se為研究區(qū)內(nèi)第e種地形位的總面積，S為研究區(qū)的總面積。指數(shù)曲線越平緩，表明土地利用類(lèi)型分布與標(biāo)準(zhǔn)分布的偏離不大，對(duì)地形差異的適宜性較大；反之，曲線起伏較大，表明土地利用類(lèi)型對(duì)地形具有較強(qiáng)的選擇性，在其優(yōu)勢(shì)地形位上該組分發(fā)育較多。

2.3 土地利用類(lèi)型優(yōu)勢(shì)區(qū)間劃分

將研究區(qū)的地形位指數(shù)（0.15—3.64）均分成50級(jí)，分別計(jì)算6種土地利用類(lèi)型在各地形位上不同年份的分布指數(shù)。同時(shí)，為便于5個(gè)時(shí)期的動(dòng)態(tài)比較，根據(jù)分布指數(shù)的閾值，確定各土地利用類(lèi)型分布指數(shù)大于1的地形位為優(yōu)勢(shì)地形位，即分布指數(shù)處于x軸上方的地形位區(qū)間。

2.4 土地利用時(shí)空格局分析指數(shù)選取

參照《FRAGSTATS 3.3操作手冊(cè)》，因FRAGSTATS可以計(jì)算60多種景觀指標(biāo)，且許多指標(biāo)之間具有高度的相關(guān)性，為綜合反映區(qū)域景觀格局特征，通過(guò)最優(yōu)化景觀格局指數(shù)篩選[17-18]，選取香濃多樣性指數(shù)（SHDI）、斑塊密度（PD）、分維數(shù)（FRAC）和聚集度指數(shù)（CONT）4項(xiàng)景觀指數(shù)進(jìn)行土地利用空間格局分析。多樣性指數(shù)描述了土地利用類(lèi)型的豐富程度和空間分布的均勻程度，土地利用多樣性指數(shù)越高，均勻度越高，表明各土地利用類(lèi)型所占比例越趨均衡。斑塊密度反映了土地利用破碎化程度，斑塊密度越大，則斑塊面積越小，土地破碎化程度越高，表明人類(lèi)活動(dòng)越強(qiáng)。分維數(shù)描述土地利用中斑塊形狀的復(fù)雜程度，其值越大，土地斑塊邊界形狀越復(fù)雜，表明受干擾的強(qiáng)度越大。聚集度指數(shù)主要反映土地利用類(lèi)型的空間分布關(guān)系和各土地利用類(lèi)型斑塊的連通程度，聚集度指數(shù)越高，則斑塊的結(jié)合度越大，連通性越高，土地利用類(lèi)型空間分布越密集。

3 土地利用類(lèi)型的地形垂直分異

3.1 土地利用類(lèi)型的整體分異特征

從圖1可以看出，1987—2010年棲霞市土地利用類(lèi)型在地形位梯度上的分布格局發(fā)生了顯著變化，整體上呈現(xiàn)“高—低”二段位向“高—中—低”三段位格局演進(jìn)。

圖1 不同時(shí)期各土地利用類(lèi)型的地形位分布Fig.1 Distribution of different landscape types on the topographic gradient

從各時(shí)期具體來(lái)看，1987年6種土地利用類(lèi)型表現(xiàn)出高—低二段式空間分布格局，低地形位區(qū)段（下稱(chēng)“低位段”）為建設(shè)用地、園地、耕地和林地的優(yōu)勢(shì)地形位，而高地形位區(qū)段（下稱(chēng)“高位段”）為草坡地和未利用地的優(yōu)勢(shì)地形位。1992年6種土地利用類(lèi)型在地形位梯度上的分布開(kāi)始向高—中—低三段式格局演變：林地從低位段分化出來(lái)，與草坡地共同占據(jù)中地形位區(qū)段（下稱(chēng)“中位段”），建設(shè)用地、園地和耕地仍然占據(jù)低位段優(yōu)勢(shì)。1997年基本維持了1992年的分布格局：耕地的優(yōu)勢(shì)地形位有所回升，園地逐漸從低位段分化出來(lái)向中位段轉(zhuǎn)移，建設(shè)用地和耕地繼續(xù)保持其低位段優(yōu)勢(shì)。2003年，園地的優(yōu)勢(shì)地形位向中位段集中，林地的優(yōu)勢(shì)地位進(jìn)一步向高位段收縮，以低位段建設(shè)用地與耕地、中位段園地與林地、高位段林地、草坡地與未利用地為分布特征的高—中—低三段式格局基本形成。2010年土地利用類(lèi)型空間分布延續(xù)了2003年的格局特征，耕地和建設(shè)用地的優(yōu)勢(shì)地形位有所擴(kuò)充，園地的優(yōu)勢(shì)地形位向中位段收縮，林地、草坡地和未利用分布的高位段特征更加凸顯。這種特征是由于在20世紀(jì)80年代中期的傳統(tǒng)農(nóng)業(yè)經(jīng)營(yíng)階段，土地利用類(lèi)型的空間分布比較簡(jiǎn)單，土地資源供給相對(duì)寬松，人為活動(dòng)占優(yōu)勢(shì)的土地利用類(lèi)型通常不向高位段擴(kuò)張，而隨著社會(huì)經(jīng)濟(jì)的發(fā)展，受低位段建設(shè)用地規(guī)模不斷膨脹的驅(qū)動(dòng)，農(nóng)業(yè)用地只能向中位段集中，而林地則進(jìn)一步向高位段轉(zhuǎn)移。

3.2 不同地類(lèi)的時(shí)空分異特征

（1）耕地。耕地的優(yōu)勢(shì)地形位主要分布于1—23區(qū)間，在1—10區(qū)間分布指數(shù)逐年增大，10—23區(qū)間分布指數(shù)逐漸變小，說(shuō)明耕地的優(yōu)勢(shì)地形位逐漸向低地形位回升。主要是因?yàn)闂际械纳降厥呛恿鞯脑磪^(qū)，且易于排水，所以山地中下部的丘陵區(qū)優(yōu)先被開(kāi)發(fā)為農(nóng)田，而匯水區(qū)大部分為林地的自然狀態(tài)，隨著棲霞市退耕還林和耕地保護(hù)的不斷深入，低地形位的林地逐漸向中高位段轉(zhuǎn)移，耕地逐漸占據(jù)優(yōu)勢(shì)。

（2）林地。林地優(yōu)勢(shì)區(qū)間范圍逐漸擴(kuò)大，向高位段收縮，在地形位3—14區(qū)間的分布指數(shù)不斷減少，在20—50區(qū)間的分布指數(shù)呈上升趨勢(shì)，這表明林地在不同地形位上具有較強(qiáng)的適宜性。由于低位段林地向其他組分轉(zhuǎn)化規(guī)模較大，逐漸失去了該位段的優(yōu)勢(shì)分布，而在中、高位段退耕還林政策使林地重新占據(jù)了優(yōu)勢(shì)。

（3）園地。與林地相似，具有較強(qiáng)的地形適宜性，在低地形位區(qū)段出現(xiàn)分割和轉(zhuǎn)移時(shí)可以向丘陵區(qū)擴(kuò)展而有效的彌補(bǔ)損失。隨著時(shí)間的推移，其分布曲線逐漸趨于緩和，表明園地的分布由“聚集”轉(zhuǎn)變?yōu)椤熬鶆颉狈植加谡麄€(gè)地形位上。

（4）草坡地。草坡地的優(yōu)勢(shì)分布區(qū)間變化不大，整體向高位段收縮，在28—32區(qū)間形成明顯的波峰，但隨時(shí)間的推移，分布曲線逐漸趨于緩和，表明草坡地的整體分布由“聚集”轉(zhuǎn)變?yōu)椤熬鶆颉薄Ｅc園地分布不同的是，草坡地這一變化特征體現(xiàn)在中、高位段，而園地則體現(xiàn)在低位段。

（5）建設(shè)用地。建設(shè)用地分布指數(shù)隨著地形位的升高而降低，優(yōu)勢(shì)分布區(qū)間沒(méi)有發(fā)生顯著的變化，說(shuō)明地形條件對(duì)建設(shè)用地的約束作用較大，地形位超過(guò)一定限度后，開(kāi)發(fā)活動(dòng)因?yàn)橥恋剡m應(yīng)性的急劇下降而難以進(jìn)行。從分布曲線來(lái)看，建設(shè)用地在低段位的分布趨于突變，最大分布指數(shù)逐漸向低位段移動(dòng)，表明棲霞市在低位段建設(shè)用地尚有開(kāi)發(fā)余地，新增建設(shè)用地在一定時(shí)期內(nèi)仍然可以占據(jù)低位段的優(yōu)勢(shì)。

（6）未利用地。與草坡地基本相似，優(yōu)勢(shì)分布區(qū)間逐漸向高位段收縮，而中位段的優(yōu)勢(shì)區(qū)間逐漸被園地和林地占據(jù)。從分布曲線來(lái)看，1987—1997年未利用地優(yōu)勢(shì)分布趨向高地形位，到2003年和2010年高位段未利用地面積又有所降低，這與高位段林地面積增加有關(guān)。

4 土地利用格局的地形垂直分異

4.1 土地利用格局的整體變化特征

由圖2可知，棲霞市1987—2010年景觀整體特征主要表現(xiàn)在：（1）從多樣性指數(shù)來(lái)看，1987—2003年，多樣性指數(shù)逐年增加，表明單一組分對(duì)景觀的控制作用降低。這是因?yàn)閳@地和建設(shè)用地所占比例不斷提高，耕地面積逐漸減少，各地類(lèi)所占比例差距不斷縮短。（2）土地破碎度整體向良性發(fā)展和恢復(fù)。1987—1997年，斑塊密度增加，反映了土地破碎度加重；分維數(shù)增大，說(shuō)明由于人類(lèi)作用加大而使景觀形狀變得較為復(fù)雜；斑塊間離散程度增大，進(jìn)一步反映了破碎程度增大。1997—2010年，分?jǐn)?shù)維的降低和集聚度的增加，說(shuō)明這期間人類(lèi)的有利干擾加大了對(duì)優(yōu)勢(shì)斑塊的保護(hù)，使得土地斑塊破碎度降低。

圖2 不同時(shí)期各景觀格局指數(shù)變化情況Fig.2 The change of four landscape indexes in different date

圖3 不同時(shí)期各地形位香濃多樣性指數(shù)分布Fig.3 Distribution of SHDI on the topographic gradient

4.2 土地利用格局的最優(yōu)化指數(shù)分異

4.2.1 香濃多樣性指數(shù)（SHDI） 由圖3可見(jiàn)，SHDI在地形梯度上表現(xiàn)出類(lèi)似“U”形庫(kù)茲涅茨曲線的變化特征，但在5個(gè)時(shí)期的分布有所差異，1987年和1992年在1—25地形位上SHDI表現(xiàn)出比較顯著的“U”形特征，而1997年、2003年和2010年主要體現(xiàn)在1—10地形位上，且“U”形特征弱化。

（1）1987—1997年，棲霞市處于農(nóng)業(yè)結(jié)構(gòu)調(diào)整起步階段，耕地分布的地形變化是影響這一時(shí)期SHDI變化的主要原因。在0—5地形位區(qū)間，人類(lèi)活動(dòng)比較集中，耕地、林地、園地和建設(shè)用地等交錯(cuò)均勻分布，SHDI保持在較高水平；在5—15區(qū)間，耕地占絕對(duì)優(yōu)勢(shì)，其他地類(lèi)比重較低，景觀分布的均勻程度低，SHDI降低；在15—25區(qū)間，耕地比重開(kāi)始降低，林地和草坡地比重增加，景觀的均勻程度上升，SHDI逐漸升高；在25—50區(qū)間，草坡地和未利用地占據(jù)優(yōu)勢(shì)，耕地、建設(shè)用地和園地減少，SHDI降低。

（2）1997—2010年，棲霞市處于農(nóng)業(yè)調(diào)整快速推進(jìn)階段，人類(lèi)活動(dòng)范圍逐漸擴(kuò)大，建設(shè)用地、耕地和園地的變化是影響這一時(shí)期SHDI變化的主因。在0—5區(qū)間，建設(shè)用地迅速增加，同時(shí)大量園地和林地轉(zhuǎn)化為耕地，導(dǎo)致建設(shè)用地和耕地比重增加，景觀分布的均勻程度降低，SHDI減少；在5—10區(qū)間，耕地基本保持穩(wěn)定，而園地比重開(kāi)始增加，各類(lèi)用地的均勻程度達(dá)到最大，SHDI達(dá)到最高；在10—25區(qū)間，隨著園地和林地的彼此消長(zhǎng)和耕地的穩(wěn)定分布，其他地類(lèi)變化較少，SHDI處于比較穩(wěn)定的水平；在25—50區(qū)間，建設(shè)用地分布急劇降低，林地和草坡地快速上升，導(dǎo)致景觀均勻程度降低，SHDI下降。從整體上來(lái)看，隨著地形位的升高，SHDI呈降低趨勢(shì)，人類(lèi)活動(dòng)對(duì)土地的干擾受地形因素影響，活動(dòng)程度從低位段逐漸向高位段遞減。

4.2.2 斑塊密度（PD） 由圖4（a）可知，隨著地形位的升高，5個(gè)時(shí)期PD均呈現(xiàn)先增加后減少的變化趨勢(shì)。在1—25低位段PD逐漸增加，其中1—15低位段PD變化急劇，這是因?yàn)槌擎?zhèn)化、工業(yè)化的發(fā)展集中在低位段，耕地、園地等農(nóng)業(yè)用地向建設(shè)用地轉(zhuǎn)變，農(nóng)用地受到蠶食，斑塊破碎且形狀趨于復(fù)雜；在25—50區(qū)間，地形限制成為重要的影響因素，人類(lèi)活動(dòng)發(fā)揮的作用受到較大的限制，PD逐漸降低。

由圖4（b）PD變化可知，1—35地形位是各土地利用類(lèi)型PD變化的主要區(qū)段。林地、園地、建設(shè)用地和草坡地的斑塊密度隨著地形位的變化趨同，斑塊密度呈增加趨勢(shì)，而耕地的斑塊密度變化則與其相反，明顯減少。說(shuō)明該區(qū)段受人為干擾強(qiáng)度較大，土地利用類(lèi)型間的相互消長(zhǎng)與轉(zhuǎn)換導(dǎo)致土地利用類(lèi)型破碎化加劇。

4.2.3 分維數(shù)（FRAC） 由圖5（a）可知，景觀分維數(shù)隨地形位升高呈先增加后減少的變化趨勢(shì)。說(shuō)明在低位段由于人類(lèi)作用加大而使景觀形狀變得較為復(fù)雜，隨著地形位的增加，景觀斑塊形狀受人類(lèi)干擾逐漸弱化。

由圖5（b）FRAC變化可知，耕地、林地和草坡地的分維數(shù)在1—10區(qū)間呈正向顯著變化，之后基本穩(wěn)定，證明了低位段上人類(lèi)活動(dòng)強(qiáng)度較大。園地在整個(gè)地形位分布上呈現(xiàn)波動(dòng)的變化特征，說(shuō)明一部分園地被建設(shè)成“標(biāo)準(zhǔn)園地”，使斑塊形狀的高度規(guī)則化，而另一部分園地則與周邊地類(lèi)彼此進(jìn)行轉(zhuǎn)換，造成斑塊形狀不規(guī)則。建設(shè)用地在各地形位的分維數(shù)變化均為負(fù)值，說(shuō)明在相關(guān)規(guī)劃引導(dǎo)下，建設(shè)用地表現(xiàn)出規(guī)整化和穩(wěn)定性的特點(diǎn)。

4.2.4 聚集度（CONT） 由圖6（a）可知，隨著地形位的不斷升高，景觀聚集度呈現(xiàn)先減少后增加的變化趨勢(shì)。在1—15地形位區(qū)間，土地利用類(lèi)型轉(zhuǎn)化頻繁，斑塊分割程度增強(qiáng)，各地類(lèi)空間分布零散，CONT急劇減少；在15—40區(qū)間，CONT減少呈平緩趨勢(shì)，說(shuō)明不同地類(lèi)彼此消長(zhǎng)程度降低，但斑塊分割仍然存在；在40—50區(qū)間，CONT呈增加趨勢(shì)，受地形約束，土地利用類(lèi)型組合趨于簡(jiǎn)單，斑塊結(jié)合度增大，CONT增加。

由圖6（b）CONT變化可知，耕地CONT在1—10地形位區(qū)間呈正增長(zhǎng)趨勢(shì)，在10—50區(qū)間呈負(fù)增長(zhǎng)變化；園地CONT變化特征與耕地正好相反，表明耕地和園地在整個(gè)地形位分布上相互轉(zhuǎn)化更加頻繁，在低地形位上大部分園地轉(zhuǎn)為耕地，而在中高地形位上耕地轉(zhuǎn)化為園地；林地CONT在0—25區(qū)間呈現(xiàn)顯著的負(fù)增長(zhǎng)變化，到25—50區(qū)間逐漸呈正增長(zhǎng)趨勢(shì)，說(shuō)明林地隨著地形位的升高，與其他地類(lèi)的轉(zhuǎn)化逐漸減弱，林地斑塊之間的連通性逐漸增強(qiáng)；建設(shè)用地CONT在1—15區(qū)間呈正增長(zhǎng)變化，在15—50區(qū)間呈負(fù)增長(zhǎng)趨勢(shì)，說(shuō)明建設(shè)用地在低地形位上斑塊分布較多，而到高地形位呈零星分布，進(jìn)一步表明建設(shè)用地具有較強(qiáng)的地形選擇性；草坡地CONT在各地形位整體上呈負(fù)增長(zhǎng)變化，表明草坡地與其他地類(lèi)相互轉(zhuǎn)化和分割最為頻繁，斑塊結(jié)合度和連通性最弱。

圖4 1987—2010年各地形位水平上不同土地利用類(lèi)型的斑塊密度變化Fig.4 Distribution of PD change of different landscape types on the topographic gradient in1987—2010

圖5 1987—2010年各地形位水平上不同土地利用類(lèi)型的分維數(shù)變化Fig.5 Distribution of FRAC change of different landscape types on the topographic gradient in1987—2010

圖6 1987—2010年各地形位水平上不同土地利用類(lèi)型的聚集度變化Fig.6 Distribution of CONT change of different landscape types on the topographic gradient in1987—2010

5 結(jié)論與討論

（1）棲霞市在20世紀(jì)80年代以來(lái)的農(nóng)業(yè)結(jié)構(gòu)調(diào)整和城鎮(zhèn)化過(guò)程中，土地利用類(lèi)型在地形位梯度上的整體分布特征從1987年的高—低二段式空間分布格局轉(zhuǎn)變成1992年以后的高—中—低三段式格局。由于退耕還林和耕地保護(hù)政策的不斷深入以及經(jīng)濟(jì)社會(huì)快速發(fā)展需求的強(qiáng)烈驅(qū)動(dòng)，耕地和建設(shè)用地在低位段的優(yōu)勢(shì)性不斷增強(qiáng)，園地分布重心逐漸向中位段轉(zhuǎn)移，而林地和草坡地的優(yōu)勢(shì)地形位向高位段收縮。

（2）棲霞市土地利用空間格局變化呈現(xiàn)明顯的垂直分異特征。地形條件是格局形成的先決條件，而人類(lèi)活動(dòng)的干擾是驅(qū)使格局變化的動(dòng)力因素。在土地利用整體水平上，隨著時(shí)間的推移，空間格局趨于破碎化和復(fù)雜化趨勢(shì)；隨著地形位的升高，SHDI呈降低趨勢(shì)，PD呈現(xiàn)先增加后減少的變化趨勢(shì)，F(xiàn)RAC呈增加趨勢(shì)，CONT呈先減少后增加的變化趨勢(shì)。在土地利用類(lèi)型水平上，各土地利用類(lèi)型景觀指數(shù)在低位段變化較大，隨著地形位的升高，其變化趨于和緩；耕地與林地、園地、草坡度和建設(shè)用地的斑塊密度指數(shù)、聚集度指數(shù)變化值隨地形位的分布趨勢(shì)具有互為消長(zhǎng)的特征，而人工景觀分維數(shù)變化隨地形位的增加波動(dòng)較小，具有分維數(shù)低且穩(wěn)定的特點(diǎn)。

（3）本文在構(gòu)建地形位模型的基礎(chǔ)上，利用景觀格局指數(shù)對(duì)研究區(qū)進(jìn)行了多時(shí)段土地利用垂直變化研究，但有幾點(diǎn)問(wèn)題值得深入探討。其一，山區(qū)土地利用格局的方向性變化特征如何量化測(cè)度，構(gòu)建垂直性和方向性耦合的綜合分析模型有待研究；其二，研究區(qū)屬于典型的傳統(tǒng)農(nóng)業(yè)縣，土地利用具有其特點(diǎn)，但對(duì)于現(xiàn)代農(nóng)業(yè)或旅游業(yè)更加發(fā)達(dá)的山區(qū)可能會(huì)存在不同的土地利用格局和演變過(guò)程；其三，本文主要分析了不同地類(lèi)空間格局的變化情況，對(duì)于不同地類(lèi)之間相互轉(zhuǎn)換及其發(fā)生的段位和產(chǎn)生的格局響應(yīng)等問(wèn)題尚待進(jìn)一步研究。

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（本文責(zé)編：仲濟(jì)香）

Study on Vertical Gradient of Land Use Spatio-Temporal Pattern in Qixia County in Shandong Province

QU Yan-bo1, SHANG Ran2, QI Wei3, GAO Yu1
（1. School of Public Management, Shandong University of Finance and Economic, Ji'nan 250014, China; 2. Agriculture Science and Engineering Department，Shandong Agriculture and Engineering College, Ji'nan 250100, China; 3. College of Resource and Environment, Shandong Agricultural University, Tai'an 271018, China）

In this paper, differentiation characteristics and changing causes of land use composition and landscape patterns affected by topography were studied by using terrain niche index, distribution index and optimization landscape indexes of landscape pattern in mountainous areas at county level. Based on topographic map (scale 1︰25000) and Landsat TM 5 satellite images in Autumn of 1987, 1992, 1997, 2003 and 2010 in Qixia City of Shandong Province, spatialanalysis module in ArcGIS and spatial identification knowledge in RS were used to establish digital elevation model (DEM) and land use database combining with other materials from field surveys in study area. The results indicated that 1) the distribution of land use types changed significantly on terrain gradient in Qixia City, the advantage of arable land and construction land increased continuously on lower terrain niche, whereas distribution core of orchard, woodland and grassland diverted to middle and higher terrain niche gradually. 2) The landscape pattern had changing characteristics of space-time two dimensions. In time sequence, the development and recovery of general landscape pattern was becoming better and better. On different terrain gradients, landscape diversity showed “U-shaped” Kuznets Curve, landscape fragmentation firstly increased and then declined, the fractal dimension increased, landscape contagion index firstly decreased then increased. 3) Terrain is the important factor that affected differentiation of land use types and landscape pattern in Qixia City. On different terrain gradients, the main driving force that caused land use change significantly in local area have resulted from interactions of human favorable disturbance (e.g., agricultural structure adjustment, grain for green, ecological renovation) and human adverse disturbance since the 80th of 20 century. 4) Frequent area of land use change is mainly distributed in the areas with terrain niche index 1-15. The leading land types should be planned, protected and managed scientifically in order to reduce human negative disturbance as much as possible.

land use; spatio-temporal pattern; vertical gradient; Qixia City

F301.24

A

1001-8158（2014）08-0024-09

2013-07-04

2014-01-08

國(guó)家自然科學(xué)基金（41301616）；山東省自然科學(xué)基金（ZR2013DQ003）。

曲衍波（1982-），男，山東龍口人，博士，講師。主要研究方向?yàn)橥恋乩谩⒃u(píng)價(jià)與規(guī)劃。E-mail: yanboqu2009@126.com

齊偉（1970-），男，山東泰安人，博士，教授。主要研究方向?yàn)橥恋乩门c信息技術(shù)。E-mail: qiwei@sdau.edu.cn