川中丘陵區(qū)土地利用空間格局分形特征及影響因素

鄧青春

(西華師范大學國土資源學院，四川南充637009)

土地利用與景觀格局之間的相互作用機制是土地科學的核心問題之一．在自然和人類活動的雙重影響下，土地利用空間格局表現(xiàn)出不規(guī)則性、相對不穩(wěn)定性、多維性、復雜性和綜合性的特點［1］，其研究范疇主要針對土地利用結(jié)構(gòu)組成和空間配置關(guān)系，具有典型的空間異質(zhì)性和尺度依賴性．已有基于行政區(qū)劃尺度的研究，分別覆蓋了全國［2］、省域(如新疆［3］、北京［4］、河南［5］等)、市域(如山東威海市［6］等)、縣域(如重慶開縣［7］、黑龍江巴彥縣［8］等)、鄉(xiāng)(鎮(zhèn))域(如江蘇省揚中縣豐裕鎮(zhèn)［9］)等各種尺度;而對不同尺度地理單元的研究則更為廣泛，如西北干旱區(qū)［10］、松嫩平原西南部［11］、農(nóng)牧交錯帶［12］等，這些不同尺度或不同地域的土地利用空間格局的研究深刻地反映了其空間形態(tài)特征的地域差異性與尺度依賴性．土地利用空間格局研究的方法，大多基于GIS 或遙感影像提取土地利用現(xiàn)狀，除了運用景觀格局指數(shù)法外，遺傳算法［13］、信息熵［12］、粒度法［8］、分形［2］等方法逐漸被引入．分維值能夠表征各種土地利用類型的分布特征，因其以空間結(jié)構(gòu)分析見長而被越來越多的應用于景觀鑲嵌結(jié)構(gòu)的復雜性與穩(wěn)定性等特性［4］，計算方法或模型包括組合分形模型［14］、多重分形［15］、半徑維數(shù)［16］等，其中運用最多和最成熟的是景觀斑塊的面積-周長模型［10］．應用分形理論研究土地利用空間格局變化和景觀鑲嵌結(jié)構(gòu)，對于揭示土地利用空間格局的變化特征，以及景觀評價、管理和區(qū)域可持續(xù)發(fā)展，不失為一種有效工具．

土地結(jié)構(gòu)分形所表達的信息受到土地利用類型本身幾何屬性的影響［2］，而自然條件與人類活動雙重干擾對土地利用空間格局具有根本性的影響．地貌條件是影響局地土地利用最直接、最關(guān)鍵的基礎性因素之一［17］，由此形成的土地利用空間格局不僅在景觀尺度上反映了人類對自然生態(tài)系統(tǒng)的影響程度，也是對自然、社會經(jīng)濟條件及政策在一定程度上的響應［17］．不同景觀類型在同一地貌單元內(nèi)的格局特征不同，同一景觀要素在不同地貌區(qū)的空間格局也有差異［17］．在平原地區(qū)，廣布的農(nóng)田往往被人為地分割成棋盤狀，土地利用類型的邊界往往較為規(guī)則，因而相對于山區(qū)或丘陵地區(qū)，平原地區(qū)土地利用格局的復雜程度要簡單得多．在生態(tài)環(huán)境較為脆弱的山地-平原過渡帶，因疊加了高強度的人類活動，致使這些地帶景觀破碎化程度較高［5］．人為干擾，比如植樹造林、退耕還林、封山育林等都會顯著的改變林地的邊界，使其邊界較為規(guī)則且簡單，分維值較低［18］．

綜上所述，對于不同地域土地利用空間結(jié)構(gòu)特征的研究表明，不同尺度、不同地域的土地利用因受到不同的自然條件與人類活動耦合作用的影響，其空間結(jié)構(gòu)特征往往具有顯著的地域差異性．已有的研究對象已經(jīng)覆蓋了多種類型地域，然而對于占我國陸地總面積約10%的丘陵區(qū)，其土地利用空間結(jié)構(gòu)特征及其形成機制卻還鮮有報道．川中丘陵是我國典型的丘陵區(qū)，面積約7 ×104Km2，主要由侏羅-白堊系的紫色砂、泥巖構(gòu)成，以“川中紅盆丘陵”著稱，其土地利用具有地塊破碎、人地關(guān)系矛盾突出的特征，分形方法可以較好的用于分析本區(qū)域土地利用的空間結(jié)構(gòu)和破碎程度．本文以地處川中丘陵區(qū)的南充市順慶區(qū)為例，試圖揭示本類區(qū)域的土地利用類型空間分形特征及其主要影響因素，其結(jié)果不僅可以彌補此類型區(qū)土地利用格局研究的不足，也能為研究區(qū)的土地整治和集約化利用提供決策依據(jù)，對促進區(qū)域生態(tài)環(huán)境保護與社會經(jīng)濟可持續(xù)發(fā)展具有重要參考價值．

1 研究區(qū)概況

順慶區(qū)地處四川盆地丘陵地區(qū)腹心地帶，嘉陵江中游西岸，地理位置介于30°45' -31°07'N，105°57' -106°17'E 之間，面積約550km2．受構(gòu)造運動、巖性、河流侵蝕的影響，海拔在270 -530m 之間，地勢西北高東南低，分布著河谷平壩、淺丘寬谷、中丘中谷和深丘窄谷四種地貌類型;丘陵占67．3%，其余為平壩，海拔多在300m 左右．本區(qū)屬中亞熱帶濕潤季風氣候，四季分明，冬暖夏熱，雨量充沛，年平均氣溫17．4 ゜C，年降水量1 020．8mm．境內(nèi)河流屬嘉陵江水系，主要河流有嘉陵江及其支流西河、荊溪河、泥溪河等，流向多由北而南．受遂寧組與蓬萊鎮(zhèn)組棕紫泥巖母質(zhì)的控制，土壤類型以紫色土為主，在嘉陵江沿岸分布有灰棕沖積土．順慶區(qū)是南充市人民政府駐地，建成區(qū)面積達55km2，轄18 個鄉(xiāng)鎮(zhèn)和10 個街道辦事處．

2 數(shù)據(jù)來源與研究方法

2．1 數(shù)據(jù)來源

對研究區(qū)2010年第二次土地調(diào)整的QuickBird 影像進行地類解譯，得到1∶1 萬土地利用現(xiàn)狀圖． 根據(jù)《土地利用現(xiàn)狀分類》(GB/T 21010 -2007)，結(jié)合丘陵地區(qū)土地利用景觀類型結(jié)構(gòu)的具體特征，將順慶區(qū)的土地利用類型劃分為15 個二級類(表1)．在ArcGIS 中，對這15 類土地利用的Polygon 類型，分別計算每個圖斑的周長與面積．并對每一個圖斑，賦坡度等級值．坡度分級的標準是:0° -2°為1 級、2° -6°為2 級、6° -15°為3 級、15° -25°為4 級、25°以上為5 級．

表1 順慶區(qū)主要地類圖斑統(tǒng)計Tab．1 Statistics of land uses in Shunqing District

續(xù)表1

2．2 分析方法

二維空間中分形幾何體的分維值可以根據(jù)面積與周長的關(guān)系進行計算．對于特定區(qū)域的某類土地利用類型，如果以特定標尺r 去測量每個圖斑的周長和面積，可以得到如下關(guān)系［19］:

式中D 為該土地利用類型的分維值，P(r)為圖斑的周長，A(r)為圖斑的面積，C 為常數(shù)．對該土地利用類型，用其各個圖斑的面積和周長數(shù)據(jù)進行回歸分析，就可以求出2/D，從而得到分維值D．D 值的大小代表了該土地利用類型的復雜性與穩(wěn)定性，其取值范圍為1 到2 之間，D 值越大表明該類型的景觀結(jié)構(gòu)與鑲嵌結(jié)構(gòu)越復雜．當D =1．50 時，該類型處于一種最不穩(wěn)定狀態(tài);D 值越接近1．50，就表示該類型越不穩(wěn)定［10，19］．據(jù)此定義結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性指數(shù)S［10］:

S 值越大，表示空間結(jié)構(gòu)越穩(wěn)定，反之空間結(jié)構(gòu)越不穩(wěn)定．

圖1 各類土地利用圖斑的面積-周長關(guān)系Fig．1 The relationship of different land use between area and perimeter

3 結(jié)果與分析

3．1 土地利用圖斑的基本特征

2010年底順慶區(qū)耕地25 108．96hm2，園地964．76 hm2，林地12 115．37 hm2，草地242．26 hm2，城鎮(zhèn)村及工礦用地7 407．11 hm2，交通運輸用地846．85 hm2，水域及水利設施用地2 752．61 hm2，其它土地4 974．57 hm2．從表1 可知，順慶區(qū)2010年具有統(tǒng)計學意義的土地利用類型共15 類，共有30 515 塊圖斑，以村莊、旱地、有林地、水田圖斑數(shù)量最多，其圖斑數(shù)分別占總數(shù)的34．40%、22．13%、14．21%和12．17%，而果園、其它園地、水庫水面、建制鎮(zhèn)、采礦用地等圖斑數(shù)量較少．地類圖斑的規(guī)模差異極大，如水田地類最大圖斑的面積為83．29hm2，周長16．52km;水田最小圖斑面積為220．62m2，周長68m，圖斑的極差分別達3775 倍與243倍;其它地類圖斑的規(guī)模差異也與此類似，這表明本區(qū)域的土地利用狀況極為復雜，內(nèi)部差異性極大，區(qū)內(nèi)不平衡性較為明顯．從各類圖斑的面積與周長的關(guān)系來看，圖斑面積總體上是隨著周長的增加而增大，二者之間具有較好的線性擬合關(guān)系，相關(guān)系數(shù)為正，R2檢驗大于0．95(圖1)．

3．2 土地利用圖斑的分形特征

對順慶區(qū)各地類的全部圖斑在雙對數(shù)坐標軸下進行線性擬合，總體上具有較滿意的檢驗效果，除了水庫水面、河流水面、其他草地的R2值不足0．90 外，其他類型的R2值均大于0．90(表2)．順慶區(qū)各地類圖斑的面積-周長分維值在1．12 -1．69 之間，以河流水面的分維值最高(1．69)，坑塘水面的分維值最低(1．12)．在農(nóng)用地中，以林地的分維值最大，有林地的分維值為1．52，其他林地的分維值為1．41;耕地次之，水田與旱地的分維值為1．40;園地與草地的分維值最低，果園與其它園地的分維值分別為1．40 與1．34．其它草地分維值為1．39;在川中丘陵區(qū)，并沒有真正意義上的草地，多為拋荒較久的耕地，因無人耕作與管理，雜草叢生從而演變成“其它草地”，因而其分維值(1．39)與耕地的分維值(1．40)較為接近．在水域中，河流水面的分維值最大(1．69)，水庫水面次之(1．56)，坑塘水面最小(1．12)，其分維值的大小反映了自然與人文因素的耦合作用;在建設用地中，各地類的分維值總體上均較低，以城市地類的分維值最高(1．32)，設施農(nóng)用地最低(1．17)．這表明河流水面、林地、耕地、建設用地圖斑的復雜程度有較大的差異，以河流水面的形態(tài)最為復雜，而建設用地的復雜程度相對較低．因而基于生態(tài)景觀學的角度，順慶區(qū)可以看成是由水域斑塊、自然植被斑塊、農(nóng)田斑塊、建筑斑塊構(gòu)成的復合型鑲嵌生態(tài)景觀系統(tǒng)．

對各地類的結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性分析表明(表2)，坑塘水面的結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性指數(shù)最大(0．38)，而有林地的結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性指數(shù)最小(0．02)．各地類的結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性指數(shù)從大到小排序:坑塘水面、設施農(nóng)用地、采礦用地、建制鎮(zhèn)、村莊、河流水面、城市、其它園地、其他草地、水田、旱地、果園、其他林地、水庫水面、有林地．因而受人類活動影響強烈的地類其結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性較強，自然屬性更強的地類其結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性較差．

3．3 土地利用格局的控制性因素

順慶區(qū)土地利用格局的形成因素中，地貌條件與人類活動起到了關(guān)鍵性作用．

由于丘陵地區(qū)地勢起伏較大，平地較少，土地利用被深刻地烙上了地理環(huán)境特征的印記，這至少表現(xiàn)在兩個方面:一是隨著坡度的增加，人類利用自然的限制性增強，只能因勢利導，因地制宜，例如水田、旱地、果園等成為較強自然屬性的地類，隨著坡度級的增加，其分維值增大;有林地、草地等地類圖斑受地形的限制較弱，因而分維值與坡度之間沒有顯著的相關(guān)性(表3)．二是地形條件的復雜程度決定了地類圖斑的分維值大小，以水域最為典型． 本區(qū)的河流較長，受地質(zhì)構(gòu)造、巖性、河流比降等因素的影響，本區(qū)域的河曲極為發(fā)育［20］，河流形態(tài)復雜，其分維值很大;坑塘面積較小，受地形的限制也較小，平面形態(tài)較為簡單(多近圓形或多邊形)，所以分維值很小;而水庫水面的規(guī)模介于河流與坑塘之間，其所在區(qū)域的地形復雜程度也介于二者之間，故其分維值居中． 水田、旱地等地類，坡度為4 級時其分維值反而變小，這是因為坡度較大時，土地利用極為受限，土地破碎程度高，難以連片規(guī)模化利用，使圖斑面積變小，圖斑所跨地形條件也相對簡單些，其形態(tài)復雜程度降低，所以分維值較小．

從人類活動的影響來看，設施農(nóng)用地、城市、建制鎮(zhèn)、村莊、采礦用地等建設用地以及坑塘水面是受人類活動高度干擾的地類．其它地類如水田、旱地、林地、河流水面等則受地形條件的影響較大，人類活動對其改造并不能從總體上改變其形狀或邊界條件，因而具有更強的自然性．人類活動趨向于使土地利用圖斑形態(tài)規(guī)則化，因而建設用地及坑塘水面的空間格局復雜性程度較自然性地類復雜程度要低的多，除了城市地類外，其它地類的分維值分布在1．12 -1．27 之間，坑塘水面、設施農(nóng)用地以及采礦用地的分維值低于1．20(表2)．表2 與表3 進一步表明，對于規(guī)模較小的地類圖斑，因更易于受到人類活動的控制，其格局受地形條件的影響較小，形態(tài)的復雜性較低，故分維值也較小．

表2 不同地類的分維值與結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性指數(shù)Tab．2 The fractal dimension and structural stability index in different land use

表3 不同坡度級的地類分維值Tab． 3 Comparisons of fractal dimensions in different slope classes

4 結(jié)論與討論

應用面積-周長的分形關(guān)系不僅可以較好地刻畫土地利用圖斑的復雜程度，而且能夠在一定程度上揭示人類活動對土地利用類型的干擾程度，從而使土地利用格局的分維值成為聯(lián)接景觀形態(tài)與形成機理的有效參數(shù)．因而，土地利用圖斑的分維值在評價人類對土地利用與保護方面具有一定的價值，例如通過比較不同時期的土地利用分維值，可以評價本區(qū)域土地開發(fā)、土地整治的強度與效果，如果分維值顯著減少，則表明本區(qū)域土地開發(fā)利用的強度在增加，或者土地整治成效顯著．但要建立分維值變化量與土地開發(fā)利用強度、土地整治效果之間的定量關(guān)系，還需要從理論與實踐兩方面深入研究．

不同尺度的同類土地利用圖斑的分維值具有一定的差異(表4)．以耕地的分維值為例，全國尺度耕地的分維值在1．51 -1．61 之間，省級尺度耕地的分維值在1．35 -1．50 之間，市域耕地的分維值在1．40 左右，縣域耕地的分維值在1．35 -1．47 之間，鄉(xiāng)鎮(zhèn)域耕地的分維值在1．50 左右．但無論尺度的大小，地類分維值的相對大小卻具有共性，例如在各地類中，除了全國尺度外，水域(尤其是河流水面)的分維值基本上是該區(qū)域各地類中的最大值．總體而言，全國尺度的土地利用分維值均顯著高于其他尺度．在縣級尺度上，大部分地類分維值的地域差異相對較小，順慶區(qū)的耕地、建設用地、河流水面的分維值略低于其他縣，但林地的分維值顯著高于其它縣．不同地貌類型區(qū)的土地利用格局具有差異性(表4)． 以汶川縣、保靖縣、開縣等為代表的山地，其林地的分維值相對較低，而川中丘陵區(qū)的順慶區(qū)林地分維值顯著高于這些山區(qū)縣;與松嫩平原相比較，雖然耕地的分維值略高于順慶區(qū)，但是林地、水域等都顯著的低于順慶區(qū);與其它丘陵地區(qū)相比較，威海市屬于低山丘陵區(qū)，與順慶區(qū)的地貌條件較為相似，耕地、村莊等地類的分維值較為接近，但順慶區(qū)的林地、河流水面的分維值顯著高于威海市．

數(shù)據(jù)源分辨率影響土地利用的分維值．由于小比例尺與大比例尺、TM 影像與QuickBird 影像的土地利用精度具有較大差別，造成了部分平原區(qū)的地類分維大于丘陵地區(qū)或山區(qū)的現(xiàn)象(表4)．因而利用相同比例尺的數(shù)據(jù)進行比較，更具科學性與可比性．寧鎮(zhèn)揚丘陵、順慶區(qū)、寶塔區(qū)分別處于弱土壤侵蝕的淺丘(崗丘)、中侵蝕強度的丘陵、極強烈侵蝕的丘陵溝壑區(qū)，其數(shù)據(jù)源均為全國第二次土地調(diào)查數(shù)據(jù)的高分辨率影像，土地利用現(xiàn)狀數(shù)據(jù)比例尺均為1∶1 萬，三者之間具有可比性;順慶區(qū)的地形復雜程度介于寧鎮(zhèn)揚丘陵與寶塔區(qū)之間，故其大部分地類的分維值也介于二者之間，這與地形復雜條件對地類分維值大小的影響是一致的．本結(jié)論可為其他地域地類分維值的比較提供參照，數(shù)據(jù)源的質(zhì)量將極大地影響研究結(jié)論的精確性與科學性．

土地利用格局的形成過程中，地貌、氣候、土壤、人類活動、土地利用政策等因素具有重要作用，其中人類活動與地貌條件耦合成為決定區(qū)域土地利用分維值大小的關(guān)鍵因素．在平原地區(qū)，人類活動受地形條件的限制較小，耕地規(guī)整化、田地成方，使得此類受地形制約較大的地類，其邊緣形態(tài)也較為規(guī)則，從而具有較低的分維值．在山區(qū)，不僅耕地的形態(tài)與地形一致，而且城鎮(zhèn)與村莊的建設大多沿河建設，深受地形條件的限制，人為影響在降低，因而山區(qū)的建設用地具有較高的分維值．在丘陵地區(qū)，這種耦合程度介于平原與山區(qū)之間，因而以自然性為主的地類其分維值相對較高，受人類干擾強烈的地類其分維值相對較低．相對而言，河流可以看作是受人類干擾最小的地類，其形態(tài)受自然地形的控制，因而其分維值較高．然而，自然條件與人類活動的耦合作用于土地利用格局的機制還有待未來深入研究．

表4 不同區(qū)域的地類分維值比較Tab．4 Comparisons of fractal dimensions in different regions

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