基于地形梯度的喀斯特山区景观综合破碎化演变——以贵阳市为例

陆清平, 赵翠薇,2, 王 杰

(1.贵州师范大学 地理与环境科学学院, 贵阳 550025;2.喀斯特山地生态环境保护与资源利用协同创新中心, 贵阳 550025)

土地景观破碎是由于自然或人文因素导致单一、均质连续的土地景观分割为许多互不相连斑块镶嵌的过程现象[1-2]，其表现为图斑数量不断增加，土地利用方式和功能逐渐变化。导致了诸多问题的出现，如耕地破碎阻碍农业规模化和降低农业生产率[3]；林草等生态用地破碎造成生物多样性减少[4]，使得生态系统结构和功能及农业生产安全受到胁迫[5]，不利于地方经济[6]、社会[7]和城市可持续健康发展及土地保护[8]。因此，土地景观破碎研究受到国内外学者的关注。

近年来，破碎化研究实现了从专题探讨向综合研究[9-10]、单一向多方法集成[11]、数理模型向“3S”时空定量研究分析的转变[12]，同时景观破碎关注重心逐渐聚焦于经济欠发达地区，并着重对其诱因的挖掘[13]，研究认为影响因素有家族世袭继承[14]、生产商战略风险分散[15]、土地改革制度[16]、坡度高程和气温降水等[17-18]。坡度和高程在现实中联系密切，两者所特有空间规律，对景观破碎演化有着深远影响[19]，特别是在山高坡陡的生态脆弱喀斯特山区更为突出，具有鲜明的梯度特征[20]。因此研究景观破碎化的地形梯度效应，具有一定科学性与实践意义。

当前地形梯度研究，一般利用DEM(数字高程模型，下同)提取坡度、高程和坡向等地形因子，采用地形位指数来度量地形效应[21]，并结合景观和分布指数实现破碎化的地形梯度效应分析。然而，在喀斯特地区开展景观破碎化方面的研究还较有限，进行综合破碎化的地形梯度分析研究几近空白，尤其是在石漠化恶化趋势好转和区域森林转型的背景下[22-23]，喀斯特山区景观综合破碎呈现什么样的地形变化规律和演变态势是急需摸清的家底。基于此，选取贵阳市为研究区域，尝试在GIS和景观分析软件支持下，运用均方差权数法构建景观综合破碎化指数。旨在揭示喀斯特山区地形和破碎化间的关系，丰富不同地形景观破碎化的时空演变研究，对客观全面认识喀斯特景观本底破碎具有重要现实意义，可为生态环境保护和土地优化提供基础数据支持，为优化地方空间资源和环境保护提供理论参考。

1 研究区概况与研究方法

1.1 研究区概况

贵阳市位于云贵高原东部和贵州省中部，地处长江与珠江分水岭地带，属全国东部向西部高原过渡带[24]，坐标为106°07′—107°17′E和26°11′—27°22′N。现有直辖区6个，分别是观山湖、云岩、南明、花溪、乌当和白云区；下辖3个县，即开阳、息烽及修文县，并代管1个县级市——清镇市，全市国土总面积7 976.21 km2。海拔范围511～1 738 m，落差较大，西南部和中部海拔高，东北部地势较低，见图1，且坡度起伏较小。伴随着独特复杂的地表地下径流二元结构，境内峰丛、漏斗、洼地等发育强烈，同时低中山、中山等丘陵和山地面积分布较广，还存在少许平地坝区及峡谷，是我国典型的喀斯特地貌分布和生态环境脆弱区[25-26]。2015年耕地面积2 247.93 km2，占贵阳市总面积的28.18%，林地最大达50.33%，建设用地为3.71%，比1990年高1.72%。贵阳市多年平均温度和平均降水量分别是15.3℃和1 095.70 mm，适宜人类居住活动，2015年常住人口462.18万人，建成区面积为235 km2，城镇化率达73.25%，是贵州省城镇化水平最高的区域。

1.2 材料与方法

1.2.1 数据来源及处理 研究数据包括1990年、2015年2期TM/OLI遥感影像数据、DEM高程模型数据、贵阳市县域单元矢量边界和1∶5万地形图数据。其中行政边界和地形图由贵阳市自然资源局提供；由地理空间数据云(http:∥www.gscloud.cn/)获取DEM和遥感影像数据，影像云量小于10%，两者分辨率为30 m。首先采用ArcGIS 10.3及ENVI5.1软件实现影像融合和镶嵌，基于地形图进行影像配准和几何精校正，随后进行辐射校正和色彩增强及裁剪等预处理。人机交互式解译获得初始土地利用类型；根据研究区实际情况、研究需要和LUCC土地分类标准，将土地类型归并为耕地、林地、水域、草地、建设用地和未利用地共6个地类，并实地抽样验证和图斑合并修正，最终获得精度85%以上的土地利用现状图(1∶10万)。接着运用ArcGIS 10.3实现土地利用数据矢量向栅格的转化(为与DEM分辨率保持一致，栅格大小设置为30 m，共计8 861 418个栅格)；然后选取半径为1 000 m移动窗口，在Fragstats 4.2软件中计算各景观指数，利用栅格计算器进行均方差运算，求取各指数权重值，获得各期综合破碎图层；最后采用自然断点法实现综合破碎化分等定级，与地形位和分布指数叠加制图，分析其地形梯度特征。

图1 贵阳市高程分布

1.2.2 地形位指数 景观破碎是受高程和坡度综合作用的结果[27]，因此采用坡度与高程组成的地形位指数定量描述景观破碎与地形梯度间的关联性[21]。计算公式如下：

T=Lg[(E/E0+1)×(S/S0+1)]

(1)

式中：T表示地形位指数；E，E0分别表示高程及平均高程值;S，S0表示坡度和坡度均值。其中，T与高程和坡度呈正相关，当坡度和高程增加时，T随之增大，相反则会减小，而当坡度增加高程减小，或者高程增加坡度减小等组合时，T则处于前两者的中间。

1.2.3 分布指数 地形对景观分布的影响实质可理解为各梯度上景观破碎度分布频率，因此以分布指数来表达景观破碎的分布特征，同时可消除地形梯度下各个景观破碎度面积比例差异而造成的量纲差异。其表达公式如下：

P=(Sie/Si)/(Se/S)

(2)

式中：P表示分布指数，值越大分布优势越明显;Sie表示第i种景观破碎度在e地形梯度内的面积;Si和Se分别表示第i种景观破碎度类型和e地形的总面积;S为研究区总面积。当p=1时则认为e地形内i破碎类型的占比与研究区内该破碎类型占比一样；当p<1时，该类型破碎等级在e梯度里呈劣势分布；反之则为优势分布。

1.2.4 综合破碎化指数和均方差权数法 景观指数是表征破碎化常用方法[28]，在已有研究基础上结合贵阳市自身特点[11,17]，选取景观形状、聚集度、边界密度、斑块分维数、斑块密度、平均斑块面积和景观分割度等7个景观指数。首先在Fragstats 4.2软件中进行景观指数的运算，然后对7个指数进行无量纲化处理，并求出各自的均方差值，接着归一化处理即可计算出各指标的权重，最后利用加权求和获得综合破碎化指数权重值。计算步骤参考文献[29]。各指标权重见表1。

表1 贵阳市景观综合破碎化评价指标权重

2 结果与分析

2.1 梯度分区的地形位指数面积

根据公式(1)，基于高程和坡度计算出贵阳市地形位指数，参考汤国安等研究[30]，采用自然断点法(可使各变异总和最小，更加突出地形特征)和分区统计获得贵阳市地形位区间面积及占比。由表2可知，贵阳市梯度以2～6等级为主，面积占比达75.49%，其中中等地形占44.78%，而低地形位中2,3等级占20.71%；其次分别是1,7等级共占16.95%，高地形位中8,9等级面积比例最小，仅7.57%。从图2看出，贵阳市高地形位指数分布在西北及中偏北部区域，白云、观山湖、修文东部和花溪中北部则是低地形位指数集中区域，低海拔和缓坡主要分布在贵阳市中偏南和东北少部分地区。

表2 贵阳市地形梯度区间及面积统计

图2 贵阳市地形位指数分布

2.2 贵阳市破碎度分布特征

1990年破碎最小值为0.22，最大值为0.72，2015年分别是0.23，0.70。为使结果具有可比性，在自然断点法分级基础上[31]，参考已有研究[3]，并根据贵阳市实际情况和对其破碎化进行分级，将研究区分为4个等级，分别是：破碎度低区(≤0.39)、破碎度一般区(0.39～0.47 ]、破碎度高区(0.47～0.52]、破碎度剧烈区(>0.52)，结果见图3。

图3 1990-2015年贵阳市破碎度类型分布

由图3可知，1990年和2015年破碎度剧烈区分布在研究区西部和南部，以清镇市、修文县、花溪区、观山湖和乌当区最为集中，北部地区有少许分布；破碎度低区主要集中在中部和中偏北部，同时东部和西南区域也有少量分布，但整体上都是零星无规律分布，没有形成连片区域；破碎度一般区域同低区一样，零星分布，但其面积分布更为广泛，有微小增加趋势，两者面积占比由1990年的36.75%增加到2015年的37.47%，而破碎度高区和剧烈区与这两者相反，由63.25%减小到62.53%，呈现减小的趋势。县域层面对比发现，两个时期破碎化最高均为花溪区，1990年破碎度高和剧烈类型占78.30%，2015年略微降低至76.14%，破碎化最低的分别是白云区和开阳县，低破碎和一般破碎类型从1990年的50.72%降至2015年的46.72%。贵阳市总的变化趋势表现为景观破碎略有降低。

2.3 贵阳市地形梯度破碎度特征分析

有研究表明，破碎化会受制于区域社会经济和自然条件。利用ArcGIS 10.3进行破碎度类型分区统计，根据公式(2)和Origin 2017软件获得贵阳市地形梯度分布指数(图4)。

A,B,C,D分别表示景观低、一般、高和剧烈破碎度类型，横坐标1～9分别表示地形梯度等级。(1)图4A表示低破碎度类型。由图可知，2个时期的低破碎度等级在1～5均为劣势分布，其分布指数小于1，而6～9地形梯度是优势分布区间，分布指数大于1，两时期分别占低破碎总面积的47.35%和47.02%。同时分布指数是随着地形梯度的增加而上升，表明景观低破碎化在低海拔坡度地区分布不占据优势，在高海拔坡度大的区域景观连贯性更强，破碎化程度更轻。(2)图4B表示一般破碎度类型。1990年、2015年分布指数与地形梯度呈正相关关系，分布指数在地形梯度4～5间发生从劣势向优势的转变，优势分布面积分别占整个破碎度类型的47.73%和47.37%，但上升速率方面明显低于低破碎度类型。(3)图4C表示高破碎度类型，贵阳市土地利用类型复杂多样，两期破碎度均随着地形梯度的增加而分布指数逐渐减小，且减小速率逐渐增大。在第5梯度时由优势向劣势过渡，1990年和2015年的优势分布面积各占72.10%和72.48%。(4)图4D为破碎度剧烈类型，两期均与地形梯度呈负相关关系，在第4梯度后向劣势发展，且变化速率相对高破碎度区更为迅速，优势区域分别为62.39%和61.36%。

图4 地形梯度上各破碎度类型分布指数

3 讨论与结论

3.1 讨 论

(1)基于地形梯度的破碎度一般规律。研究区存在着各种自然和人文的差异，通过对不同梯度上地类的破碎度及其分布指数进行统计分析，发现存在区域差异性的同时，也存在着一些共同的分布特征(图5)。

4个破碎度等级中，1990年和2015年建设用地均在1～3梯度内表现为优势分布，且均随着梯度增加而分布指数减小。1990年耕地从低破碎度到剧烈破碎度等级时，均在1～3梯度表现为优势分布，2015年除低破碎度外，耕地的其他破碎类型优势分布扩大到了第4梯度，说明贵阳市耕地分布有向中高地形位变化的趋势，与魏小芳等[32]研究结论相同。总体而言，贵阳市耕地和建设用地及水域的4种破碎度，在1～3地形梯度内均为优势分布，且随着地形位的升高，分布指数逐渐趋近于0。草地和林地在中高地形位分布面积最广。未利用地在高地形位具有优势。

(2)喀斯特山区景观破碎影响因素。山区景观破碎是社会经济和政府政策及自然因素综合作用的结果[33]。坡度高程等自然因素决定土地利用类型的空间分布格局，也是景观破碎的基底[34]，贵阳市破碎度具有显著的地形梯度特征。受地形影响，人类经济活动主要集中在坡度和海拔较小的区域，而高海拔高坡度大地区活动不频繁，形成建设用地、水域和耕地破碎主要集中于人类活动密切的地形位较低区域；林地和草地破碎则分布在地形位较大位置，且林地表现出地形位越大，其破碎化越向低破碎度靠拢的趋势。社会经济涵盖城镇化、经济、交通建设和生活高质量追求等，是景观破碎的内在动力[24]。贵阳市经济和城市化发展的集聚效应，诱使人们为增加经济收入而远离农村，推动城市不断扩张，使得建设用地和耕地破碎度低和一般等级的分布范围逐渐向中地形位区间拓展[35]。同时贵阳市是西南地区铁路和公路交通枢纽中心，近年来县县通高速和村村通公路的建设，耕地、林地和草地等被切割分化，图斑面积减小。此外，人们对生活质量的追求不断上升，城市草地、林地和公园绿地面积攀升，迫使低地形位草地和林地的高破碎和剧烈破碎分布指数逐渐扩大。政策方面受退耕还林和精准扶贫等影响，大于25度耕地实行严格退耕，贵阳市地处高海拔、坡度大的区域，在人为政策活动干预下已经出现了向森林和草地及未利用地转型的现象[23]。

图5 贵阳市1990年、2015年各地类破碎度在地形梯度上的分布指数

(3)研究特色及不足。研究景观破碎化的成果颇丰，但已有对景观破碎的研究，只是简单指出其空间分布，没有对破碎进行分级研究，更缺乏对景观破碎地形梯度方面的探究。本文特色之处在于将景观破碎与地形梯度联系起来，指出了各景观破碎度在各地形位上的分布特征。不足之处在于对景观破碎演化因素只是简单的从定性方面进行阐述，而没有进行定量的探究，对地形梯度上景观破碎度演化因素定量研究是下一步研究的重点。

3.2 结 论

贵阳市1990—2015年以高破碎和一般破碎度为主。1990年占比达42.51%和30.36%，2015年为41.33%和30.56%，且高破碎面积减少94.01 km2，其余3种破碎度类型略有增加。25 a间，高破碎度有所减少，其余3种类型略有增加。高和剧烈破碎度类型主要集中于研究区的西部和南部地域，而北部则相对较少；低破碎度和一般景观破碎度在贵阳市中部、北部和东部区域较为密集。

贵阳市各景观破碎有显著的地形梯度分异效应。1990—2015年耕地和水域及建设用地与地形位呈负相关关系，在1～2梯度内均为优势分布，且在剧烈破碎度时，耕地的地形梯度特征没有建设用地和水域明显；两期低破碎林草地与地形梯度成正相关，在5～9梯度为优势分布，而剧烈破碎的林草地随地形位增加而减小，地形位高的区域以林草地为主。未利用地与地形梯度均呈现先增加后减小的趋势，且在7～8梯度时优势分布达到最大值。