贛江上游章江流域地形因子特征及其對景觀格局的影響

邊曉輝，劉友存，陳 明，焦克勤，劉 燕，丁倩倩

(1.江西理工大學，a.建筑與測繪工程學院，b.資源與環境工程學院，江西 贛州 341000；2.中國科學院西北生態環境資源研究院，甘肅 蘭州 730000)

【研究意義】流域是一個以河流為中心，集結了各種元素于一體的地理單元，也是一個完整的生態系統[1-2]。而其景觀格局分布多受地形因素影響，地形因子的變化直接或間接的改變著地表物質能量的相互轉化，進而影響人類活動，從而致使不同等級下的地形因子上都表現出一定的規律性特征[3-5]。同時，由于流域內部景觀格局存在著相互制約、連續變化和復雜性等特征，使得對于景觀格局的分析難度較大[6-8]。因此，利用流域內景觀格局的分布狀況，并結合地形因子，研究景觀格局在不同等級的地形變化特征是一個景觀生態研究的新方向。【前人研究進展】已有學者在地形因子對景觀格局的影響方面進行了大量的研究工作，并取得了較好的成果。然而，現有研究大多從某一個地形因素方面進行景觀格局分布狀況的研究[9-12]，例如，趙衛權等[13]基于地形起伏度的不同等級，運用景觀格局指數探討了貴州省景觀格局異質性特征；李丹等[14]利用轉移矩陣和地形位指數法，分析了地形因子梯度對松嫩平原北部土地利用的變化影響；李慧婷等[15]主要從時間序列上研究了新疆瑪納斯河流域高程、坡度和坡向3種地形因素的景觀類型的分布；孫全風等[16]利用分布指數和空間變化從高程、坡度和坡向方面對伏牛山脈區域的景觀類型與地形因子進行了耦合研究。作為贛江的一級支流，章江地處山地丘陵，流域包含了豐富的生態資源與地理信息。已有學者對贛江上游植被變化及地形地貌等從單一方面進行了研究[17-18]，并取得了較好的研究成果。然而，對于流域復雜的景觀格局與地理單元，從單一地形因子進行分析尚存不足。因此，以贛江上游典型流域章江為例，選取高程、坡度和地形起伏度3種常用于直觀的反應地形地貌特征的因子，并從地形因子的不同等級上入手分析景觀格局的分布與變化特征，對于深入研究景觀格局內部形成與外部環境相互作用的關系，以及對不同地形狀況下景觀格局類型中人與自然因素間的作用具有重要的科學意義。【本研究切入點】本文使用3種地形因子，采用空間分析法、分布指數法和景觀格局指數法分別探討不同地形因子等級的景觀類型與景觀格局的變化特征，并結合移動窗口法對地形因子與景觀格局之間的影響進行了分析。【擬解決的關鍵問題】為進一步了解景觀格局的空間分布規律及其空間優化等方面提供基礎數據和科學參考。

1 材料與方法

1.1 研究區域概況

章江流域位于贛粵湘三省交界處(圖1)，主要位于江西省內，介于113°48′～115°05′E和25°20′～26°15′N之間。作為贛江的一級支流，章江全長約178 km，流域面積7691 km2。章江流域不僅是贛江上游最重要的生態屏障，也是我國重要的稀土礦區[19]。流域內海拔自東向西逐漸升高，高差相對較大，地貌類型為山地丘陵為主；且地處亞熱帶季風區，年均氣溫19.8 ℃，年均降水量1318.3 mm，水系密布，森林覆蓋率高，礦產資源豐富。

1.2 數據來源與研究方法

1.2.1 數據來源 DEM數據來源于地理數據空間云(http://www.gscloud.cn/)的ASTER GDEM30m分辨率影像，經鑲嵌、投影和裁剪得到章江流域的DEM。景觀格局數據是基于2017年的Landsat 8遙感影像，并參考2015年中國科學院資源環境科學數據中心1︰10萬土地利用類型圖，使用監督分類下的最大似然值法與人工目視解譯相結合進行分類，并根據中國土地資源分類系統，將章江流域分為六大類：林地、草地、耕地、建設用地、水域和其它用地(圖2)。總體分類精度98.94 %，kappa系數為0.9865，其精度可滿足景觀格局分析的要求。使用預處理后的景觀類型在ARCGIS中進行地理空間單元的統計和格式轉換等步驟，最后將轉換為grid格式的數據導入Fragstats3.3軟件中計算景觀水平指數，再選擇其中的移動窗口法，并以半徑為300 m的圓形區域進行景觀格局指數的空間獲取。

圖2 章江流域景觀類型分布

1.2.2 地形等級劃分 地形因子主要選取高程、坡度和地形起伏度，應用ARCGIS軟件中的空間分析功能，由DEM數據生成坡度、地形起伏度，參考中國數字地貌制圖規范的分級標準，并結合章江流域地形的實際情況對高程、坡度和地形起伏度三者進行等級劃分[20]。高程劃分為4個等級：79～500，500～900，900～1100 m，>1100 m。坡度劃分為：0°～6°，6°～15°，15°～25°，>25°。地形起伏度也劃分為四個等級，分別為：0～30，30～70，70～200 m，>200 m。

本文采用移動窗口法計算了不同尺度的地形起伏度，通過平均值隨窗口大小的變化呈現對數曲線特征(圖3a)，擬合度為0.9609。然后采用均值變點法獲得突變點，以求得最佳統計單元[21-22]。由圖3b可知，當點數為12，對應窗口為13×13時，差值達到最大值14.85。由此得出，采用30 m分辨率的DEM數據計算章江流域地形起伏度時用13×13的窗口形式為最佳，最佳統計單元大小為15.21 km2，地形起伏度為0～515 m，平均為106.7 m。

圖3 地形起伏度均值與窗口大小的關系

1.2.3 研究方法 景觀格局分布指數。景觀格局分布指數是消除景觀類型面積間的差異，利用分布指數可以清晰展示出不同地形要素等級上的分布情況[23]。它既是一個標準化的指數，也是一個無量綱的指數，公式如下。

(1)

式中：P表示景觀類型分布指數；e表示地形因子(高程、坡度和地形起伏度)；i表示景觀類型；Sie表示在特定等級下地形因子e的第i類景觀類型的面積；Si表示i類景觀類型的面積；S表示整個區域的面積；Se表示整個區域在特定等級下地形因子e的景觀類型總面積。其中分布指數P=1時，代表某種景觀類型在該種地形上的比重與研究區內該景觀的比重相等。P>1時，某地類在該地形上的比重大于該地類總面積在研究區域的比重。因此，將P>1設定為該景觀類型的優勢位。當分布指數的曲線越接近平緩，表明某種地類分布與標準分布之間的偏離度越小，其對地形差異的適宜性增大。反之，某種地類對地形存在著較強的選擇性。

景觀格局指數。景觀格局指數是濃縮了景觀格局的全部信息，能夠定量化的表達出景觀結構的組成和空間配置特征[24-25]。景觀指數可以從斑塊水平、類型水平和景觀水平3個層面進行分析。本文選取了6種景觀水平指數對章江流域的景觀異致性進行分析，景觀水平指數分別為斑塊密度(PD)、景觀形狀指數(LSI)、蔓延度(CONTAG)和聚集度(AI)反映景觀的破碎程度和連通性。Shannon多樣性指數(SHDI)和均勻度指數(SHEI)反映景觀結構的多樣化與分布的均勻程度。

2 結果與分析

2.1 高程對景觀格局的影響

2.1.1 景觀類型在高程上的變化 如圖4所示，章江流域在高程等級上的面積比最大值位于79～500 m，其占地面積達42.63 %，幾乎出現在地勢低于500 m內的南康區和贛州市區，而大余、崇義和上猶縣低于500 m的區域均是沿河流的緩沖區，其面積相對較小。500～900 m區域的面積比為37.23 %，主要位于南部的大余縣和中部的崇義縣，并且大余縣的地勢大部分低于900 m。900～1100 m的面積比為14.2 %，主要位于章江流域上游的崇義縣。大于1100 m的面積比相對較小，主要位于研究區的西南部與西北部。景觀類型在高程上的分布如圖4-b，林地相對分布均勻，在4個等級上都占有一定的比例，但在500～900 m上所占比例最大，為55.22 %。耕地主要分布于79～500和500～900 m的兩個等級上，其中79～500 m等級上為45.52 %，其主要原因是沿河地區地勢平坦且水資源條件優越。水域和建設用地主要分布于海拔相對較低的區域(79～500 m)內，所占比例相對較小。其它用地在4個等級上均有占比，但在79～500和500～900 m等級上占比相對較大。

圖4 (a)高程等級分布;(b)不同高程等級上的景觀類型分布

2.1.2 不同景觀類型在高程上的分布特征 由圖5所示，建設用地、水域和耕地的分布指數其變化趨勢相似，先急劇下降后處于平緩狀態。林地為先增后減再增，草地為先增后減，其它用地緩緩上升。在79～500 m區域內，建設用地、耕地和水域處于優勢位(P>1)，而水域和建設用地的分布指數大于2，具有絕對的優勢。其它用地和林地的分布指數小于1，草地接近于0。在500～900 m區域內，林地、草地和其它用地的分布指數都大于1，而林地相對較大，其余景觀類型的分布指數均小于1。在900～1100 m和大于1100 m區域內，建設用地、水域和耕地的分布指數都未發生明顯變化，而草地先增后減，與林地變化相反，其它用地稍有增加，但其分布指數都大于1。這表明隨著高程的增加，人類活動影響減小，自然生態系統的優勢變顯現，因此，高程越大越有利于實施生態環境保護。

圖5 不同景觀類型在高程等級上的分布指數

2.1.3 景觀格局指數在高程上的變化 由表1可知，高程等級79～500 m的區域中SHEI為最小值0.57，PD、LSI和SHDI相對較小，CONTAG和AI偏大，說明該區域景觀類型的斑塊密度大，形狀相對規則，多樣性和均勻度偏低，蔓延度和聚集度相對較大。在500～900 m的區域中，PD、LSI、SHDI和SHEI都比較大，CONTAG和AI比較小，說明該區域景觀類型分布均勻，且比較豐富。在900～1100 m區域中，PD、LSI、SHDI和SHEI相比前一等級略有減小，而CONTAG和AI有所增加,說明景觀類型的多樣化在減弱,景觀的連通性在上升。在大于1100 m的區域中，由于自然景觀類型單一，PD、LSI和SHDI值最小，CONTAG(56.88)和AI(92.26)值最大，說明斑塊密度減少，形狀規則，蔓延度和聚集度都達到最大化。由此可見，500～900 m區域中景觀的異質性最強，多樣性與均勻度最大，景觀的破碎化最為嚴重，連通性和聚集度最差。900～1100 m景觀的多樣性有所下降，但破碎化程度和連通性有明顯的回升，干擾程度也有一定的減少，生物多樣性水平高，可作為后期生態環境保護的主要區域。

表1 不同高程上的景觀指數

2.2 坡度對景觀格局的影響

2.2.1 景觀類型在坡度上的變化 從圖6可以看出，在章江流域的坡度等級上，前3個等級區域的面積相差不大，但90 %的面積卻分布在前3個坡度等級上，0～6°區域占總面積的26.35 %，主要位于章江流域西部和南部的部分區域。6～15°區域為34.33 %，其分布相對比較分散。15～25°為28.47 %，主要分布是從東北向西南逐漸增長。坡度大于25°僅為10.85 %，面積顯著減少，其分布由南向西南遞增。由圖6-b可看出，林地和草地在四個等級上都占有一定比例，林地在6～15°內的面積最大，并占到該區間面積的54.57 %，但隨著坡度增加面積減少。草地在0～6°內的面積最小，而在15～25°內的比例最大，占到28.16 %。耕地面積隨著坡度增加呈直線下降，在0～6°區間內占到58.16 %。建設用地主要在0～6°區間內，并占到13.89 %。水域僅在0～6°區間內，所占比例較小。其它用地在四個等級中都占有一定比例，但所占比例相對較小，只有在6～15°區間內所占比例相對較大。由此可看出，0～6°區間內所占比例相對較少，但景觀類型卻具有多樣化。

圖6 (a)坡度等級分布；(b)不同坡度等級上的景觀類型分布

2.2.2 不同景觀類型在坡度上的分布特征 從圖7中可看出，坡度的不斷增加，耕地和水域的分布指數呈線性下降，從P>2的優勢位降至接近于0，表明這兩類景觀類型隨坡度變化的敏感性較強。建設用地在0～6°的等級上的分布指數最大，P接近3.5，但在6°之后其分布指數減至1以下，說明該流域內建設用地只在0～6°區間內有較強的優勢度。林地和草地的分布指數隨坡度增加而增加，但林地在6°之后P值均大于1，變化相對平緩，而草地增至15°之后P值大于在坡度相對較大的情況下才處于優勢位。其它用地的趨勢線相對比較平緩，表明對坡度的敏感性相對較弱。綜上可知，坡度的增加使得與人類活動相關的景觀類型分布指數降低，而未受到人為因素的景觀類型分布優勢度呈現上升趨勢。

圖7 不同景觀類型在坡度等級上的分布指數

2.2.3 景觀格局指數在坡度上的變化 由表2所示，在坡度最小的區域內，PD(26.70)、LSI(2.16)、SHDI(0.67)和SHEI(0.55)均為最小值，CONTAG(57.84)和AI(90.82)為最大值，表明該區域自然景觀斑塊面積大，形狀規則，景觀多樣性和均勻度較低。在6～15°區間內，CONTAG(50.65)和AI(88.15)為最小值，但其它4種景觀類型均為最大值，說明該區域內的景觀類型豐富，并且分布比較均勻。在15～25°區間內的景觀格局指數在上一級的基礎上略有變化，而斑塊密度、形狀指數和多樣化指數有所減小，蔓延度和聚集度略有增加。在大于25°區間內的景觀類型逐漸單一化，而形狀相對規則，景觀的多樣化與均勻度隨之下降。由此可知，在6～15°區間的景觀空間異質性最佳，香濃多樣性指數和均勻度指數可達到最大，景觀破碎化程度加劇，具有較差的聚集性和連通性。大于25°區間內的景觀多樣性有所降低，可能是受干擾程度相對較小，破碎化程度與聚集度趨于好轉。

表2 不同坡度上的景觀指數

2.3 地形起伏度對景觀格局的影響

2.3.1 景觀類型在地形起伏度上的變化 由圖8-a可看出，章江流域隨地形起伏度的增加，面積逐漸擴大，在0～30 m區間內占總面積的16.93 %，主要分布在下游的南康區、贛州市區和大余縣境內，但上游的汝城縣內也有分布。在30～70 m區間內占到21.54 %，主要位于上猶縣和南康區交界處，但在上游的西南部存在大量分散的斑塊。在70～200 m區間內高達56.28 %，主要位于流域上游的崇義縣。在大于200 m的區間內，面積大幅度下降，僅占5.25 %，只分布在流域的南部，而斑塊面積較小。章江流域景觀類型在地形起伏度上的分布如圖8-b所示，0～30 m區間內的主要景觀為建設用地和耕地，占到85 %以上。在30～70 m區間內面積有所增加，而林地和耕地面積高達82 %。在70～200 m區間內林地和草地有所增加，并分別占到55.89 %和26.97 %，但耕地面積開始下降，僅占11.67 %；大于200 m區間內以林地為主，并成為主要的優勢景觀。由此可知，在0～30 m區間內是人地矛盾激烈的區域，隨著地形起伏度的增加，人為因素減少的自然景觀優勢度逐漸顯著。

圖8 地形起伏度等級分布及地形起伏度等級上的景觀類型分布

2.3.2 不同景觀類型在地形起伏度上的分布特征 由圖9所示，在0～30 m等級中，建設用地具有最大的優勢位，P值接近于5，耕地和水域的P值大于2.5，其它景觀類型的P值小于1，林地和草地的P值趨于0。30～70 m的等級的P值大于1的有水域、耕地、林地和其它用地，建設用地從絕對的優勢位降至P值小于1，同時水域和耕地的優勢位也有所降低。在70～200 m和大于200 m等級，隨著地形起伏度的上升，景觀分布指數發生顯著性變化，林地和草地的優勢位逐漸顯現，其它景觀類型分布指數均略有下降趨勢。綜上可知，該流域人類活動范圍主要是在小于70 m的地形起伏度內，距離人類活動區越遠自然生態環境的優勢位越明顯。

圖9 不同景觀類型在地形起伏度等級上的分布指數

2.3.3 景觀指數在地形起伏度上的變化 由表3所示，在0～30 m的區間內CONTAG(62.56)和AI(93.08)值最大，PD、LSI、SHDI和SHEI值相對較小，蔓延度和聚集度達到章江流域的最大，其斑塊密度小，形狀規則，多樣性與均勻度較低。在30～70 m區間內PD(33.85)、LSI(2.46)和SHDI(0.85)分別為最大值，而CONTAG和AI較小，表明該區間是章江流域景觀類型最豐富，且分布均勻的區域。和上一等級相比較，在70～200 m區間內的景觀指數略有減小，聚集度和均勻度有所增加。大于200 m區間內的景觀類型減少，斑塊面積變大，聚集度和連通性逐漸增加。由此可見，人類活動最劇烈區域的景觀異質性最差，多樣性和均勻度最小。隨著地形起伏度增加，人類活動減弱，景觀多樣性略有下降，但景觀的破碎化程度和連通性在不斷的好轉。

表3 不同地形起伏度上的景觀指數

2.4 基于移動窗口法的景觀格局指數與地形因子相關性分析

本文運用移動窗口法對章江流域景觀格局指數與地形因子間的關系進行了分析。移動窗口法的優勢在于可以直觀清晰地呈現出區域景觀的空間異質性，將景觀格局指數和地形因素二者相結合進行研究，有效地闡釋了景觀格局和自然環境等問題間的關聯，并且對于景觀格局的總趨勢變化與分布情況具有明確的了解[26-27]。選用6種景觀格局指數分別呈現出了不同的空間差異性，并與該流域的地形因素特點相結合分析，可看出景觀格局指數在一定地形分布等級上的變化特征，如圖10所示。斑塊密度較小的區域主要分布在城市和城市周邊的耕地、部分林地和草地地帶。根據前面的分析可知，城市及城市周邊耕地位于章江流域海拔、坡度和地形起伏度的最低處，而部分林地和草地帶斑塊密度較小，主要是由于海拔增高和坡度的變大使其景觀類型單一，一些沿水域分布的鄉鎮地區，斑塊密度較大。景觀形狀指數較小的區域主要是海拔位于0～500 m之間，坡度小于6°和地形起伏度小于70 m的城區，由于城市規劃等原因致使該區域景觀比較規則。另外，還有少量高海拔和大坡度區域的林地和草地受人為因素干擾較小，其分布相對規則。蔓延度較高者主要集中在章貢區建設用地、南康區耕地和部分林地，建設用地和耕地主要位于地勢平坦的區域，但這部分林地分布在地勢相對較高的位置。蔓延度低者主要分布在景觀形狀不規則的流域南部，以河流和鄉鎮為中心的緩沖區為主。聚集度高者主要集中在人類活動劇烈的范圍內，以建設用地和耕地為主，都處于地勢低、坡度小的區域。聚集度小者主要集中在西北部，位于地勢高、坡度大和地形起伏度較高的復雜地形區域。香濃多樣性高者集中在章江流域中上游，以河流為中心向外擴展300 m的緩沖區域，其中包含6種景觀類型，高程、坡度和地形起伏度均介于中間。主要是因為下游屬于城市區，地勢平坦，受外界因素的影響較大，景觀多樣性較弱。景觀均勻度指數和香濃多樣性指數的空間分布相似，高指數者主要分布在3種地形因素等級的中間位置。由此可以看出，景觀格局的特征與地形因素的分布呈現著明顯的等級變化規律，從而說明地形地貌對于景觀格局的變化起著決定性的作用。

圖10 章江流域景觀格局指數分布

3 討論與結論

以景觀格局和地形因子為主線，選用3種地形因子：高程、坡度和地形起伏度，通過對章江流域景觀類型在不同地形因子等級上分布特征的分析，呈現出景觀格局在地形因子上的特征與規律。選用6種可以較好的揭示景觀異質性的景觀格局指數，運用移動窗口法定性的分析了景觀格局指數與地形因子之間的相關性。

(1)章江流域達80 %的區域位于海拔900 m范圍內，主要的景觀類型為耕地和林地，高于900 m的區域位于流域南部與西北部的邊緣地區，景觀類型以林地和草地為主。隨著高程的增加，建設用地、水域和耕地的分布指數顯著遞減，優勢度降低，草地和林地分布指數大于1，優勢度逐漸增加。在500～900 m區間內章江流域景觀的空間異質性最強，景觀類型豐富多樣，而大于1100 m區域的景觀連通性和聚集度最佳。

(2)坡度等級中，前3個坡度區間所占面積高達90 %，而0～6°區間內的景觀連通性和聚集度最大，主要的景觀類型為耕地和建設用地，其中建設用地分布指數高達3.3，其優勢度最大。6～15°區間面積最大，景觀類型豐富，斑塊密度大，形狀不規則，景觀多樣性與均勻度達到最大，而景觀類型的優勢度相對較弱。隨著坡度增加，景觀類型逐漸單一化，林地和草地優勢度相對增加，連通性和聚集度有所回升。

(3)地形起伏度等級中，面積最大的區域位于70～200 m之間，占總流域面積的56.28 %，主要景觀類型為林地、草地和耕地，其中林地和草地具有一定的優勢位，而整體的景觀連通性較弱。最大優勢度的景觀類型為建設用地，其分布指數為5。位于0～30 m區間內，景觀的空間異質性最弱，但景觀連通性與聚集度較強。在地形起伏度30～70 m內，景觀空間異質性最佳，景觀類型豐富多樣。

(4)章江流域東部區域景觀呈現出斑塊密度小，形狀規則，破碎化程度較大的特點，主要是因為高程、坡度和地形起伏度較低，人為因素主導的結果所致。景觀空間異質性高，景觀類型豐富均勻，聚集度和連通性較好的區域位于流域中部和西南部，處在各地形因子的中間過渡帶，人為因素與自然因素共同主導。隨流域內高程、坡度和地形起伏度的遞增，人為主導因素轉為自然因素主導，景觀類型出現單一化，景觀多樣化減小，破碎化程度減弱。