浙闽山地丘陵区地形因子对土地利用格局的影响分析:以福建省永泰县为例

姜 坤，戴文远，2，3①，胡秋凤，黄 康，欧 惠（.福建师范大学地理科学学院，福建 福州 350007；2.福建师范大学湿润亚热带生态地理过程教育部重点实验室，福建 福州 350007；3.福建师范大学地理研究所，福建 福州 350007）

地形因子是地形信息的直接表达，它通过立地条件、水文过程、生物分布、物质能量转化来影响土地利用格局，其空间特征一直是人们用来研究复杂地表过程的重要指标[1-3]。山地丘陵是以地形为主导的复杂生态系统，其景观格局的垂直变化梯度大约是水平变化梯度的1 000倍[4-5]，不仅蕴含着丰富的景观生态学信息，而且对各类景观结构的空间演变具有显著影响[6-7]。此外，山地丘陵区多分布于贫困和生态脆弱地区，土地资源贫乏，空间结构复杂，自然灾害频发，对人类活动的限制性和对不同景观类型的选择性都产生了巨大影响，如何在不同的地形条件下实现人口、土地资源、经济建设和生态环境的协调发展，已成为当前山地丘陵区土地利用格局研究的重点[8-10]。早期利用数字高程模型（DEM）对土地利用格局的分析多是基于单一地形因子展开，存在一定局限性。综合选取高程、坡度、地形起伏度等多个地形因子结合景观格局指数开展分析，有助于深入研究地形因子对土地利用格局的影响，对区域生态环境把控、土地资源可持续利用具有一定借鉴意义。

永泰县位于浙闽丘陵区腹地，境内地形复杂，山地丘陵广布，地形因子对土地利用影响深刻。近年来随着区域内社会经济发展，土地负载沉重，地表贫瘠的红壤使水土流失加剧，生态环境迅速退化。选取该县作为研究区，深入分析地形因子对土地利用的影响机理与规律，可为浙闽山地丘陵区其他区域的土地结构优化配置和生态保育建设提供参考。该研究根据永泰县地形地貌特点划分相应等级，分析不同地形等级上土地类型的分布特征，运用移动窗口法从空间形态上对土地利用格局进行定性分析，并在此基础上通过Pearson系数定量分析土地利用格局与地形因子的相关性。

1 研究区概况

永泰县位于福建省东部，东邻福清、闽侯、西界德化、尤溪，南连莆田、仙游，北接闽清，面积2 243.4 km2。境内海拔大多为500～1 000 m，高差大多为300～500 m，个别达千米左右，山势高亢，且由西南向东北呈层状下降，全县山地丘陵占土地总面积的80.33%，其中山地占44.26%，丘陵占36.07%，地貌特征可以称为“八山一水一分田”。永泰县属于典型的亚热带季风气候区，年均降水量1 400～2 000 mm，年均气温14.6～20.1℃，森林覆盖率高，绿化程度达72.2%，素有“天然氧吧”的美誉。2008年被评为“中国优秀旅游县”，良好的生态环境成为永泰对外交往的烫金名牌。

2 数据来源与研究方法

2.1 数据来源与处理

土地利用数据以2015年的Landsat 8_OLI影像为数据源，经几何校正处理后，利用eCognition软件，采用监督分类和目视修正相结合的方法进行遥感解译。结合Google Earth和实地调查，在ArcGIS 10.2软件中随机选取500个点，经Kappa系数检验，解译精度均大于90%，符合研究需求。参照土地分类标准，将永泰县土地类型划分为耕地、园地、林地、草地、水域、工矿交通用地、居住地7类。

DEM数据主要来自地理国情监测平台（http：//www.dsac.cn/），分辨率为30 m×30 m。选取高程、坡度、地形起伏度作为地形因子，然后对各地形因子进行等级划分。高程分级基本原则是分级的间隔数相等，由于研究区最高海拔1 684 m，最低海拔10 m，选取250 m高程差为1级，将高程分为5级：＜250、250～500、＞500～750、＞750～1 000、＞1 000 m。坡度分级参考水利部提出的坡度分级标准，将坡度分为6级：0°～5°、＞5°～8°、＞8°～15°、＞15°～25°、＞25°～35°以及＞35°。利用ArcGIS 10.2软件中的空间分析模块和3D分析模块提取地形起伏度，由于研究区的地形起伏度在0～300 m之间，根据我国1：100万数字地貌图的更新与制图过程，采用自然断点法将研究区地形起伏度分为5级：0～49、＞49～81、＞81～113、＞113～153以及＞153 m。各地形数据空间分辨率为30 m，坐标为WGS-1984坐标系，地形等级从小到大排序（图1）。

2.2 研究方法

2.2.1 分布指数

为消除面积差异带来的量纲影响，构建分布指数来描述不同土地类型在地形梯度上的分布情况[11-12]，公式为

式（1）中，P为分布指数；e代表地形因子，分别为高程（m）、坡度（°）、地形起伏度（m）；Sie为e地形因子特定等级下第i类土地面积，hm2；Si为整个研究区第i类土地总面积，hm2；Se为整个研究区e地形因子特定等级下的土地类型总面积，hm2；S为整个研究区面积，hm2。P=1，表示某土地类型在某种地形上的占比与研究区内该土地类型的占比相等；P＞1，表示某土地类型在该地形上的占比大于研究区内该土地类型的占比，属于优势分布；P＜1，表示某土地类型在该地形上的占比小于研究区内该土地类型的占比，属于劣势分布。

图1 永泰县高程、坡度、地形起伏度、土地类型示意图Fig.1 The map of elevation，slope，terrain relief and land type in Yongtai County

2.2.2 景观格局指数

景观格局指数是景观格局不同侧面特征的概括提炼和定量反映，能够高度浓缩景观格局信息[13-14]。根据研究实际，选取景观水平上能够反映景观异质性的景观形状指数（LSI）、斑块密度（PD）、分维数（FRACT）、优势度（LPI）、蔓延度（CONTAG）、聚集度（AI）、香农多样性指数（SHDI）、香农均匀度指数（SHEI），运用Fragstat软件和移动窗口法研究土地利用格局的空间分布特征。由于景观格局指数受空间尺度的影响较大，经200、400、600和800 m边长的窗口调试，最终确定最佳分析尺度为边长600 m的矩形移动窗口。

3 结果与分析

3.1 不同高程区土地利用格局特征

由表1可知，随着高程等级抬升，永泰县景观格局指数的分布变化大致呈现4种特征：（1）先减后增再减型，主要指LSI，说明随着高程等级上升，景观形状趋于规则。其中在第3高程等级区（＞500～700 m）出现峰值，主要是因为该区域耕地分布广，面积达6 817.5 hm2，在不同高程区中面积占比最高，修筑梯田导致该区域斑块形状复杂，破碎化程度明显；（2）先增后减型，主要指LPI，转折点主要出现在第2高程等级区（＞250～500 m），该区域林地面积最大，其次是园地和耕地，呈现出林地-耕地-园地的优势组合，土地类型相对单一，受外界因素的支配力度较小；（3）持续减少型，包括PD、FRACT、SHDI和SHEI，主要是因为居住地、园地、耕地、工矿交通用地等人工生态系统多分布在高程等级较低区域，土地利用类型丰富，景观结构复杂，在该区域土地开发利用时应有效改善农业生态环境，提高建设用地集约利用率，避免出现城镇扩张侵占耕地的现象；（4）持续增加型，包括AI和CONTAG，主要是因为在高程等级较高区域，林地、草地等自然生态系统中的优势斑块连通性逐渐变好，整体性增强，但该区域生态环境脆弱，在生态保护时应以生物措施为主，工程措施为辅，封、种、管相结合，迅速恢复植被。

从分布指数（图2）看，在第1高程等级区，水域、园地、居住地、耕地、工矿交通用地处于优势位（分布指数P＞1），随着高程上升，林地优势位逐渐增强；第2、3高程等级区是水域、居住地、耕地、工矿交通用地优势位的转折点，只有园地和耕地处于优势位（P＞1），表明农业开发在＞250～750 m高程区域强度最大，此外地表贫瘠的红壤加上大而集中的降水使水土流失相当严重；第4高程等级区仅有草地处于优势位；第5高程等级区草地和林地处于优势位，但该区域土层浅薄，多为裸露的荒山，应在退耕还林、封造并举的基础上维护生态系统稳定性。

3.2 不同坡度土地利用格局分布特征

由表2可知，随着坡度等级抬升，永泰县景观格局指数的分布变化大致呈现4种特征：（1）先减再增型，包括PD和LSI，主要是因为随着坡度上升，居住地、园地、耕地和工矿交通用的分布逐渐减少，景观类型趋向单一，转折点主要出现在第4坡度等级区，说明坡度在25°范围内时景观类型丰富，斑块趋于复杂，适宜农业耕作和城镇建设，应在生态保育的前提下，整合土地资源，发展高效生产；（2）先增后减型，主要指LPI、LSI和AI，表明随着坡度上升，斑块形状趋于规则，整体性变强，但在＞20°～35°的坡度区，由于受永泰县以“山水”为主题的观光、休闲、娱乐、度假等综合旅游开发的影响，斑块较为复杂；（3）持续减少型，主要指SHDI和SHEI，说明随着坡度抬升，受林地-草地优势组合支配，景观多样性降低，异质性减弱；（4）持续增加型，主要指CONTAG，说明坡度等级高的区域景观之间的连通性较强，但这些地区植被稀疏，水土流失严重，应大力营造水保林和耐瘠品种林木，有效绿化荒山，做好丘陵和坡地的水土保持工作。

图2 不同高程等级区各土地利用类型的分布指数Fig.2 Distribution index of land type at different elevation levels

表2 不同坡度等级区景观格局指数Table 2 Landscape pattern index of different slope levels

不同坡度等级区各地类的分布指数见图3。

图3 不同坡度等级区各土地利用类型的分布指数Fig.3 Distribution index of land type at different slope levels

由图3可知，在第1～2坡度等级区，水域、园地、居住地、耕地、工矿交通用地处于优势位（P＞1），表明这5种地类在该区域存在激烈竞争关系，在城镇建设过程中应优化布局5种地类关系；在第3坡度等级区，园地、居住地、耕地、工矿交通用地处于优势位（P＞1），但其分布指数随坡度增加呈线性递减趋势，在第4坡度等级区仅有林地处于优势位，说明人工生态系统在＞15°～25°坡度区最敏感，应加强生态修复，坚持造林、水保、农业、建设的协调发展；第5～6坡度等级区林地和草地处于优势位，表明随着坡度上升，自然生态系统的优势在逐渐增强，在进行土地利用规划时应宜林则林，以牧则牧，提高植被覆盖率。

3.3 不同地形起伏度土地利用格局分布特征

由表3可知，随着地形起伏度抬升，永泰县景观格局指数的分布变化大致呈现4种特征。

表3 不同地形起伏度等级区景观格局指数Table 3 Landscape pattern index of different terrain relief levels

（1）先减后增型，主要指PD，说明随着地形起伏度上升，人类活动的干扰力度逐渐减小，斑块类型趋于单一化；（2）先增后减型，主要指LPI、LSI和AI，表明随着地形起伏度增加，各斑块类型之间竞争变小，形状趋于规则，连通性变强，其中在第3地形起伏度等级区耕地、园地、居住地、工矿交通用地面积不断下降，林地、草地面积不断上升，是人工生态系统向自然生态系统的转折点，该区域生态环境脆弱，应积极开展造林、补植、种草、种竹活动，限制开发建设；（3）持续减少型，主要指 AI、SHDI、SHEI，说明地形起伏度越大，斑块之间连通性、稳定性越强；（4）持续增加型，主要指FRACT，由于在较高地形起伏度等级区林地和草地的面积比例达90%以上，导致斑块类型趋于简单，同时也极易受到外界威胁，应采取全封山育林育草和半封山育林相结合措施，禁止一切人为破坏。

由图4可知，在第1～2地形起伏度等级区耕地、居住地、园地、水域、工矿交通用地处于优势位（P＞1），其中居住地处于绝对优势位，这与人口、水源的分布直接相关，应重点开发利用；在第3地形起伏度等级区仅有林地和草地处于优势位（P＞1），土地类型基本全部属于自然生态型，说明第2～3地形起伏度等级区人地矛盾突出，在土地利用规划时应协调好金山银山与绿水青山的关系；在第4～5地形起伏度等级区林地、草地的分布指数明显高于其他土地利用类型，但该区域荒山、裸地较多，自然灾害频发，应在修复治理的基础上充分发挥生态服务价值。

图4 不同地形起伏度等级区各土地利用类型的分布指数Fig.4 Distribution index of land type at different terrain relief levels

3.4 土地利用格局与地形因子相关性分析

3.4.1 基于移动窗口法的景观格局指数与地形因子相关性分析

移动窗口法可以更直观地了解研究区土地利用格局的空间分布规律[15-16]，结合永泰县的地形特征分析可知，其景观格局指数呈现明显的梯度变化规律（图5）。PD和LSI高的区域多为居住地、园地、耕地和工矿交通用地，一般分布在海拔低、坡度和地形起伏度小的低山丘陵和河谷平原地带；PD和LSI低的区域多为林地和草地，一般分布在海拔高、坡度和地形起伏度大的地区；LPI、AI和CONTAG高的区域多为林地和草地，主要分布在南部和中部地形较为复杂的地区，说明该地区景观形状规则，连通性强；FRACT低的区域主要分布在西南和东南部海拔高、坡度大的地区，表明这些地区景观类型相对简单，整体性较强；SHDI和SHEI的分布呈现河谷平原和低丘缓坡地区较高、山地丘陵和边缘山区较低的特征，也具有明显的梯度变化规律。

图5 永泰县景观格局指数的空间分布Fig.5 Spatial distribution of landscape pattern index in Yongtai County

3.4.2 不同地形因子对景观格局指数的影响

从图 6可以看出，PD、LSI、FRACT、SHDI和SHEI随高程、坡度和地形起伏度等级的升高而减小，LPI、CONTAG和AI随高程、坡度和地形起伏度等级的升高而增大，变化趋势都较为一致。

利用Pearson相关性分析计算不同地形因子与景观格局指数的关系（表4）可知，PD与高程、坡度呈显著负相关；LSI与坡度、地形起伏度呈显著负相关；SHEI与坡度呈显著负相关；AI、SHDI与高程显著相关；FRACT、CONTAG与高程、坡度、地形起伏度均显著相关，表明地形因子与景观格局指数之间具有显著相关性。

图6 景观格局指数在不同地形等级上的分布Fig.6 Distribution of landscape pattern index at different terrain levels

表4 不同地形因子与景观格局指数的相关系数Table 4 Correlation coefficient between different terrain factors and landscape pattern index

4 讨论

地形因子作为山地丘陵区土地利用格局形成和变化的重要影响因子，对区域内景观结构的演变具有显著影响[17-18]。在研究过程中，笔者发现通过引入定量分析方法，从高程、坡度和地形起伏度3个维度切入，可以直观揭示研究区土地利用格局的空间分布规律。此外，通过对不同地形等级区土地类型分布指数的分析和主控因子的识别，可以发现不同地形因子条件下土地利用格局具有显著差别，受高程因子制约，居住地、工矿交通用地主要分布在海拔小于250 m的河谷平原地带；受坡度因子制约，耕地、园地集中分布在＞8°～25°的坡度范围内；在山地丘陵区林地、草地由于对生态条件要求较低，分布相当广泛，但与地形起伏度有着紧密联系，一般分布在＞49～113 m的地形起伏度等级区，呈现出上下简单、中间复杂的格局。但是研究结果并非是普适应性的，局部地区由于受传统习俗、经济开发、复杂岩性、土层厚薄的影响，具有独特的地方性土地利用格局，比如居住地在海拔＞500～750 m的地区呈现出小波峰值，主要是因为农村聚落景观所致；园地在坡度大于35°的地区仍有一定数量的存在，主要是因为当地土层浅薄，土壤贫瘠，为稳定粮食安全，在坡度大的地区存在毁林开荒，修筑梯田，种植水稻、茶树、青梅等情况。而上述地区生活条件不便，自然环境恶劣，一旦遭到破坏很难再恢复，因此可适当采取生态移民、退耕还林和封禁措施，以实现人与自然的和谐发展。

同时，针对现有同类研究中评价结果偏主观，缺少定性与定量相结合的分析过程等问题，该研究制定了一套特定的研究方案，即在对研究区不同地形因子条件下的土地利用格局分析后，运用移动窗口法和Pearson系数进一步分析高程、坡度、地形起伏度与景观格局指数的潜在关系，深入探究现有空间分布规律的内在机理。在下一步的研究中，将会获取更丰富的研究区近年土地数据，探究地形因子作用下土地利用格局的连续多年演变规律，并基于此规律对未来山地丘陵区土地利用格局的演变给予科学预测，为永泰县乃至整个浙闽山地丘陵区土地结构优化配置、相关环境规划提供合理的决策依据。

5 结论

（1）不同地形因子条件下的土地利用格局具有一定规律性。居住地、工矿交通用地、耕地、园地、水域在地形等级较低区域呈优势分布，地类间竞争激烈，应合理布局5种地类关系；林地和草地主要分布在土地贫瘠、生态脆弱的较高地形等级区，在开发利用时，应重点考虑生态保护，有效发挥生态服务功能。

（2）景观格局指数在不同地形因子上的分布具有明显规律性。在地形等级较低的低山丘陵和河谷平原地带，受人类生产生活影响，斑块类型复杂，异质性较高；在地形等级较高的山地丘陵和边缘山区地带，由于林地和草地占据优势位，斑块形状规则，连通性较强。Pearson相关性分析表明地形因子与景观格局指数之间存在显著相关性。

（3）地形因子作为重要的空间限制因子，对人类开发利用土地资源、土地结构优化配置等活动有一定的空间限制性。永泰县作为典型的南方山区县，开发山地丘陵，大力发展农、林、牧、茶、果等生产是一项长久之计，在对其进行开发利用时，需要根据各地类在不同地形条件下的分布规律进行合理安排和协调，宜农则农、宜林则林、宜牧则牧，才能实现土地资源的可持续利用。