基于地形梯度的皖南地區土地利用分布特征①

張 平，陸龍妹，王世航，趙明松

?

基于地形梯度的皖南地區土地利用分布特征①

張 平，陸龍妹，王世航，趙明松*

(安徽理工大學測繪學院，安徽淮南 232001)

以安徽省皖南地區為例，利用GIS空間分析技術，通過計算高程、坡度和地形位指數等地形梯度上的土地利用分布指數，分析了3種地形梯度上不同土地利用類型的分布特征，探討了該區土地利用分布特點與地形間的關系。結果表明：①研究區在高程0 ~ 600 m、坡度0 ~ 21°和地形位指數0 ~ 1.575 0區域內的面積占皖南地區總面積的93.10%、83.11% 和93.89%，影響著該區的土地利用類型分布；②土地利用類型分布分層明顯，耕地、水域和建設用地主要分布在海拔較低、坡度平緩和地形位指數較小的區域，相應的土地利用分布指數隨地形梯度的增大而減少直至趨于0；林地、草地分布則與之相反；③依據土地利用和地形的關系，皖南地區土地利用格局趨于合理，但不合理的土地利用方式仍然存在，需要加強其土地利用的規劃管理。

土地利用類型分布；地形位指數；地形因子；皖南地區

地形是主導區域土地利用類型分布的重要因素之一[1-4]。研究不同地形梯度上土地利用類型的分布特征，有助于區域土地利用的合理布局和規劃。地形位指數是利用地理信息系統建模，將高程和坡度通過一定方式組合而成的一個數據指標，它可以綜合全面地反映某個區域的地形差異[5]。高程、坡度、地形位指數、分布指數等是地形梯度分析的主要指標。目前，國內學者主要利用GIS技術通過數字高程模型(DEM)提取坡度、地形位指數等地形因子，計算不同高程、坡度和地形位指數等梯度上各土地利用類型的分布指數，進而揭示區域土地利用分布模式與地形的定量關系[6-9]。在省級或流域尺度上，郜紅娟等[10]分析了貴州省1990—2010年不同地形梯度上土地利用的變化特征；高彥凈等[11]通過計算土地坡度和地形位指數圖，對白龍江流域1977—2010年不同梯度上土地利用特征進行定量分析。在市級尺度上，梁發超等[12]研究了湖南省瀏陽市的土地利用類型分布模式及其與地形因素之間的對應關系；曲衍波等[13]研究了山東省棲霞市在垂直梯度上的土地利用時空格局。

皖南地區為安徽省長江以南地區，地形環境復雜，資源豐富，是安徽省糧食、棉花、木材、茶葉的重要產地，農業產值是全省農業總產值的16%。對皖南地區土地利用類型的分布特征進行研究，對該地區土地利用、農業和林業的發展具有重要意義。本文在GIS空間分析技術的基礎上，根據海拔、坡度、地形梯度和土地利用類型分布指數，研究了安徽省皖南地區土地利用類型分布與地形要素之間的關系，探討了地形因素對土地利用的影響，對該區土地利用形式的優化具有重要的參考價值。

1 材料與方法

1.1 研究區概況

皖南地區地理位置為29°31′ ~ 31°45′ N與116°31′ ~ 119°45′ E，總面積約3.65×104km2，人口約1 000萬，行政上包括黃山、蕪湖、馬鞍山、銅陵、宣城、池州6市及轄縣。研究區內年均溫15~ 16℃，年均降水量1 200 ~ 2 600 mm，高程1 ~ 1 600 m。皖南有3條海拔均在1 300 m以上的山系，在3條山系間盆地和谷地分布較多，而且海拔均在200 m左右。由2010年數據可知，土地利用類型分布主要是林地、耕地，分別占皖南地區總面積的52.84%、30.27%(圖1)。

圖1 皖南地區地理位置及2010年土地利用類型圖(左)與DEM圖(右)

1.2 數據來源

研究數據來源：①90 m空間分辨率的數字高程模型SRTM DEM (http://srtm.csi.cgiar.Org/SELEC TION/input Coord.asp)；②研究區2010年土地利用類型數據：從長江三角洲科學數據共享平臺(http:// nnu.geodata.cn)下載獲得，利用研究區邊界裁剪得到皖南地區土地利用圖。

1.3 數據指標

1) 地形位指數。本研究利用地理信息建模，將高程和坡度以某種方式組合成為地形位指數[5]，可以定量分析土地利用變化與地形梯度的關系，重新對皖南地區的地形特征進行描述和梯度分類。公式為

式中：是地形分布指數；代表海拔、坡度、地形位等地形因素；、S分別是該區域和地形因子總面積；S是地類的面積；S是在某個等級下的地形因子所占地類的面積。由此可得到海拔、坡度和地形位相應的分布指數。

1.4 研究方法

本文通過計算皖南地區2010年在高程、坡度和地形位指數梯度上的分布指數，來研究土地利用類型在3種地形梯度上的分布特征。利用ENVI和ArcGIS生成坡度圖、高程圖，將坡度圖和高程圖疊加得到地形位指數圖[16](圖2)。依據皖南地圖地形特點對坡度、高程和地形位指數圖進行分級。高程圖分級時，將高程>1 200 m和高程<100 m單獨分級，其余高程區域按照每100 m分一級，總共分為13個等級；坡度圖分級時，考慮到坡度梯度>36°以上的是陡坡，對土地利用的限制性比較強，從而將它單獨作為一級，在0 ~36°間與高程分級相對應，坡度也劃分為13個等級，每3°為一級；與高程、坡度對應，地形位指數梯度也分成13個等級。

圖2 研究區地形位指數圖

2 結果與分析

2.1 皖南地區土地利用概況

皖南地區2010年土地利用類型以林地、耕地為主，林地面積為19 106.92 km2，林地所占面積是該區域總面積的52.84%，耕地面積為10 945.10 km2，耕地所占面積是該區域總面積的30.27%。且耕地多分布在低海拔和地形平坦區域，林地在中高梯度上分布具有明顯優勢。皖南地區紅壤區水熱條件豐富[17]，氣候、自然條件良好，適合各種茶葉、果樹和其他農作物生長。

2.2 基于高程梯度的土地利用類型分布特征

從圖3可知，在較低高程梯度(0 ~ 200 m)上，林地、水域、建設用地分布指數均大于1，區位優勢顯著。其中，在1級梯度(0 ~ 100 m)上，水域、建設用地分布指數大于2，水域分布指數高達2.308，是該高程梯度上的主導土地利用方式。在中高海拔區域(300 ~ 1 200 m)內，林地、草地具有明顯的區位優勢，隨著海拔的增加，林地、草地分布指數持續增加，且均大于1。這種趨勢主要由于：一是皖南地區有3條海拔較高的山系，適合林地、草地的生長；二是皖南地區分布在高程400 ~ 800 m的黃紅壤土地類型適宜林地、草地的發展。而耕地、水域、建設用地分布指數逐漸趨向于0，是因為隨著海拔高度的升高，人們生產生活的難度加大，不利于人們從事各項生產活動。在2、3級高程梯度(100 ~ 300 m)上，未利用地的分布指數大于1，主要是在該梯度上水域所占面積較多造成的；在10 ~ 12級梯度(900 ~ 1200 m )上，未利用地分布指數增長陡快，分布具有明顯的優勢，主要是隨著海拔高度增高，土地利用強度降低，未利用地面積增大。

圖3 高程梯度上土地利用類型分布指數

2.3 基于坡度梯度的土地利用類型分布特征

從圖4可知，在1 ~ 13級坡度梯度(0 ~ 36°)上，林地、草地分布指數與坡度呈正比，耕地、建設用地、未利用地分布指數變化趨勢相反，未利用地在坡度梯度上先急速上升后緩慢下降。在1級坡度梯度上，耕地、水域、建設用地分布指數均大于2，水域的分布指數高達2.630，是該梯度上的主導土地利用方式。在3 ~ 13級坡度梯度(6° ~ 36°)上，林地、草地的分布指數均大于1，區位優勢明顯。一方面是由于坡度因素對林地、草地的限制性較小；另一方面，是由于皖南地區山地日照較少，適宜于茶葉和其他喜散射光的林木生長。在3 ~ 13級坡度梯度(6° ~ 36°)上，耕地、水域、建設用地分布指數逐漸減小，最終趨向0。在高坡度梯度上，未利用地分布指數逐漸減小，說明坡度的增加對于土地利用并沒有起到決定性的作用，人們可以充分利用現有技術和智慧在坡地上進行生產生活。

圖4 坡度梯度上土地利用類型分布指數

2.4 基于地形位指數梯度的土地利用類型分布特征

從圖5可知，在整個地形位指數梯度上，耕地、林地、水域、建設用地的分布格局與這4種土地利用類型在高程、坡度梯度上的變化保持一致，草地、未利用地在地形位指數較高梯度上變化與海拔較高梯度上變化規律基本相同，這主要是由于在高地形位指數梯度上，坡度地形對草地、未利用地的限制性作用比較小，而海拔的限制性較大。

圖5 地形位梯度上土地利用類型分布指數

在1 ~ 10級地形位指數梯度(0 ~ 1.840 9)上，草地分布指數呈穩步上升的趨勢，最高分布指數達到2.431；在11 ~ 13級地形位指數梯度(1.840 9 ~ 1.981 6)上，草地分布指數逐漸下降，但指數仍大于1，草地在皖南地區土地利用占有較大的優勢。在1 ~ 9級地形位指數梯度(0 ~ 1.761 0)上，未利用地的變化趨勢與對應的高程梯度、坡度梯度變化基本相同，在10 ~ 13級(1.761 0 ~ 1.981 6)上，未利用地分布指數與在高程坡度上分布規律基本相同，但分布指數明顯偏小，這是綜合考慮地形位指數是海拔和坡度的結果，導致未利用地受到了在高坡度上分布較少的影響。

通過3種梯度分布指數的對比，發現采用地形位指數梯度來研究土地利用類型的分布指數與采用高程、坡度梯度變化規律基本一致。但草地和未利用地在高程梯度和坡度梯度存在較大的差異。在同一個等級梯度上，只用單個的地形因子來評價土地利用類型分布特征存在一定的不足，所以，地形位指數避免了在分析土地利用類型時需要考慮多個地形因子，能更快速有效地反映研究區土地利用類型的分布格局。

3 結論

1) 皖南地區土地利用類型的地形分布分層明顯。耕地、水域和建設用地主要分布于海拔低、坡度平緩和地形位指數梯度較低的區域，主要是因為該地區地形與環境有利于人類的生產和生活活動；林地、草地主要集中在海拔較高、坡度較陡和地形位指數較高的區域，是由于林地、草地對土地的限制性要求比較小。

2) 在分布指數的變化方面：隨著各地形梯度的增加，耕地、水域和建設用地的分布指數不斷下降，其主導性逐漸降低；林地和草地分布指數逐漸增加，其在相應的梯度帶內優勢地位逐漸增強；未利用地的分布指數在低梯度上，即海拔低、坡度平緩和地形位指數梯度較低的區域內下降，在中高級梯度帶上(海拔較高、坡度較陡和地形位指數較高)增加。耕地、水域、建設用地的變化主要集中在低梯度帶，林地、草地的變化則與之相反，在中高梯度帶內變化較大。

[1] 陳利頂, 張淑榮, 傅伯杰, 等. 流域尺度土地利用與土壤類型空間分布的相關性研究[J]. 生態學報, 2003, 23(12): 2497-2505

[2] 任圓圓, 張學雷. 河南省地形、土壤和地表水體多樣性格局特征[J]. 土壤學報, 2017, 54(3): 590-600

[3] 全斌, 宋慧, 李朝奎, 等. 土地利用變化與區域比較[J]. 土壤, 2015, 47(6): 1199-1208

[4] 張煜, 張琳, 吳文良, 等. 內蒙農牧交錯帶地區土地利用方式和施肥對土壤碳庫的影響[J]. 土壤學報, 2016(4): 930-941

[5] 喻紅, 曾輝, 江子瀛. 快速城市化地區景觀組分在地形梯度上的分布特征研究[J]. 地理科學, 2001, 21(1): 64-69

[6] 趙明松, 李德成, 張甘霖, 等. 淮丘陵地區土壤養分空間變異特征——以安徽省定遠縣為例[J]. 土壤, 2016, 48(4): 762-768

[7] 許寧, 張廣錄, 劉紫玉. 基于地形梯度的河北省太行山區土地利用時空變異研究[J]. 中國生態農業學報, 2013, 21(10): 1284-1292

[8] 王鵬, 張磊, 吳炳方, 等. 三峽水庫建設期秭歸縣土地利用變化與地形因素的關系[J]. 長江流域資源與環境, 2011, 20(3): 371-376

[9] 王宗明, 宋開山, 劉殿偉, 等. 地形因子對三江平原土地利用／覆被變化的影響研究[J]. 水土保持通報, 2008, 28(6): 10-15

[10] 郜紅娟, 張朝瓊, 張鳳太. 基于地形梯度的貴州省土地利用時空變化分析[J]. 四川農業大學學報, 2015, 33(1): 62-70

[11] 高彥凈, 鞏杰, 賈珍珍, 等. 甘肅白龍江流域土地利用在地形梯度上的空間分布[J]. 蘭州大學學報(自然科學版), 2014, 50(5): 681-686

[12] 梁發超, 劉黎明. 基于地形梯度的土地利用類型分布特征分析[J]. 資源科學, 2010, 32(11): 2138-2144

[13] 曲衍波, 商冉, 齊偉, 等. 山東省棲霞市土地利用時空格局的垂直梯度研究[J]. 中國土地科學, 2014, 28(8): 24-32

[14] 孫麗, 陳煥偉, 潘家文. 運用DEM剖析土地利用類型的分布及時空變化[J]. 山地學報, 2004, 22(6): 762-766

[15] 鄒敏, 吳泉源, 逢杰武. 基于DEM的龍口市土地利用空間格局與時空變化研究[J]. 測繪科學, 2007, 32(6): 173-175

[16] 馮險峰, 汪閩, 孟雪蓮. ARCGIS空間分析實用指南[M]. 北京: Arcinfo中國技術咨詢與培訓中心, 2002

[17] 郭熙盛. 皖南黃紅壤改良的對策與措施[J]. 安徽農業科學, 1999, 27(1): 28-30

Distribution Characteristics of Land Use Types Under Different Terrain Index Gradients in Southern Anhui Province

ZHANG Ping, LU Longmei, WANG Shihang, ZHAO Mingsong*

(School of Geomatics, Anhui University of Science and Technology, Huainan, Anhui 232001, China)

The spatial distribution characteristics of land use types under different terrain index gradients as well as the relationship between land use distribution pattern and topographic factors were studied in southern Anhui through calculating land use distribution indexes corresponding to different elevation, slopes and terrain indexes based on GIS technique. The results showed that: 1) The areas at altitude of 0-600 m, slope 0-21°and terrain index 0-1.575 0 occupy 93.10%, 83.11% and 93.89% of the total study area, respectively, dominating the distribution of land use types. 2) The study area is mainly composed of cultivated land, forest land and grassland. The terrain distribution of land use types has obvious hierarchical characteristics, cultivated land, water and construction land are mainly distributed in low terrain gradient, while forest land and grassland are mainly distributed on higher terrain gradient. 3) According to the relationship between land use and terrain features, land use pattern in southern Anhui tends to be more reasonable, but unreasonable land use is still existed, thus planning and management of land use need to be strengthened.

Land use type distribution; Terrain index; Topographic factor; Southern Anhui Province

國家自然科學基金項目(41501226)，安徽省高校自然科學研究項目(KJ2015A034)，土壤與農業可持續發展國家重點實驗室開放基金項目(Y412201431)和安徽理工大學人才引進項目(ZY020)資助。

(zhaomingsonggis@163.com)

張平(1993—)，女，安徽桐城人，碩士研究生，研究方向為土壤資源遙感。E-mail: 997233033@qq.com

10.13758/j.cnki.tr.2018.05.025

F3101.24

A