平天湖流域土地利用空间异质性特征分析

张姣姣，胡和兵，姜志豪

（1.池州学院 地理与规划学院，安徽 池州 247000；2.阜阳师范大学 历史文化与旅游学院，安徽 阜阳 236037）

土地资源是人类生产和生活必不可少的自然资源，土地利用/覆被变化（LUCC）一直是相关研究的热点[1]。早期主要对土地利用的数量变化进行研究[2]。随着3S技术的快速发展，在更大时间和空间尺度上获取土地利用数据成为可能，土地利用空间分异研究也日益受到关注，许多学者针对县域、市域、省域、全国等不同尺度，以及不同流域等开展了大量研究[3-7]，成果丰硕。但针对水源地流域进行土地利用空间异质性的关注较少。

流域土地利用空间异质性是指流域土地利用类型组成特征及其在空间分布上的不均匀性和复杂性。相比于区域，流域是地球表层相对独立的自然综合体。以流域为单元进行综合研究与管理是实现资源开发与环境保护相协调的最佳途径[8]。许多研究表明，在点源得到较好控制后，人类活动影响下的土地利用结构与空间格局变化是导致流域地表水体水质恶化的主要原因[9]。其中空间格局决定了流域内的能量流动和营养物质循环过程，进而影响着流域环境的变化[10]。

鉴于此，以平天湖流域为研究区，借助遥感以及GIS空间分析方法，依据流域DEM，在将整个流域划分为石马河流域、白沙河流域、碧山河流域以及其他部分等4个子流域的基础上，对平天湖流域土地利用结构、多样性、有序性以及强度进行了空间异质性分析，可为平天湖流域的土地利用优化以及水源地水质保护提供科学依据。

1 研究方法及数据来源

1.1 研究区域概况

平天湖流域位于安徽省池州市主城区东南部（图1），其主体部分位于齐山-平天湖国家AAAA级旅游景区内，流域面积约74 km2。属亚热带季风性湿润气候区，年平均温度16.1℃，平均年降雨量在1400-1700mm，流域整个地势南高北低，最高海拔在714 m。流域南部为中低山区，土地利用类型以林地为主，中北部为丘陵区，农用地及居民建设用地是其优势土地利用类型。平天湖现为池州城市备用饮用水水源地，水域面积12 km2，西临清溪河，北接秋浦河故道后汇入长江，石马河、白沙河、碧山河为其3条入湖支流。

图1 平天湖流域地理位置及子流域划分

1.2 研究方法

1.2.1 吉布斯—马丁多样化指数 研究土地利用空间差异性可以通过对各研究区土地利用类型的多样化程度进行比较和分析，主要分析的目的在于确定研究区内土地利用类型的齐全程度和多样化水平等[11]，其结果可基于吉布斯—马丁多样化指数来分析[6]。

1.2.2 信息熵 信息熵最早从热力学中引用过来，信息熵越大，系统就越复杂，信息熵越小，系统就越简单[12]。目前，许多对土地利用的研究中都运用到信息熵，土地利用信息熵的大小反映了某一地区土地利用系统的有序程度[8]。

1.2.3 土地利用程度综合指数 土地利用程度综合指数大小反映了某地区土地利用的程度，按土地利用程度分析的方法，将土地利用分为4级。第1级为未利用地；第2级为草地、林地、水域；第3级为耕地；第4级为居民建设用地[13]。

1.3 数据预处理

基于2017年遥感影像，利用ENVI5.3进行辐射校正、大气校正、影像融合、镶嵌与裁剪等一系列处理后，在ArcGIS10.3平台上进行目视解译。参考中国科学院土地分类体系，结合研究区土地利用特点，将研究区域地表类型分为6类：林地、耕地、草地、建筑用地、未利用地和水体，并采用GPS进行野外定点核查，解译精度达87.56%，满足研究要求。基于流域DEM（30 m，来源于ASTER GDEM），利用ArcGIS10.3的水文分析功能，进行平天湖流域边界提取，并划分为白沙河流域、石马河流域、碧山河流域以及其他4个子流域。

2 结果与分析

2.1 平天湖流域土地利用结构分析

平天湖流域及其4个子流域均呈现以林地为主的土地利用结构（图2）。在整个流域中，林地面积占比达57%，其次是耕地，占18%。各子流域占优势的土地利用类型仍是林地。其中石马河流域林地占比最大，达69%，其他3个子流域林地占比差别不大。其次是耕地，耕地的占比在石马河流域、白沙河流域以及碧山河流域间差别不大，均约占各自流域的20%左右。在各子流域中，建设用地的占比均较小。建设用地占比最高的石马河流域也仅为16.22%。平天湖流域水域的占比最小，在水域分布最多的碧山和流域也仅达2.4%。

图2 平天湖流域及子流域土地利用结构

各子流域土地利用类型的空间分布存在较大差异。石马河流域建筑物主要分布在北部站前区，南部村落建筑物成离散分布、小型聚集，建设用地面积相对较广。耕地主要分布在南部，围绕着村落分布，耕地周围以山地为主，其土地利用类型以林地和草地为主。白沙河流域建筑物主要分布在流域的中部，耕地分布在北部和中部，其占比比建筑用地多，流域的南部以山地为主。碧山河流域建筑物主要分布在流域北部教育园区一带。流域内耕地围绕着建筑用地分布，集中在流域的北部和南部，其林地和草地主要分布在北部和东部，部分位于南部的山区。其他部分建筑物主要分布在东北部和南部，占地面积相对较多，耕地主要分布在北部，围绕平天湖分布，主要是平天湖提供了充足的水资源，有利于农作物的生长。

2.2 平天湖流域土地利用多样化分析

石马河流域、白沙河流域、碧山河流域和其他部分土地利用多样化指数分别为0.70、0.48、0.65和0.68，其中石马河流域土地利用多样化指数最高，为0.70，其主要原因是石马河流域包含了池州站前区、包家山、区域内居民地、鱼塘和田地等，土地利用类型多且占比相对较为均衡。白沙河流域土地利用多样指数最低，为0.48，主要是由于白沙河流域林地的优势过于明显，占流域面积达68.74%，而其他土地利用类型分布过少导致。

通过创建平天湖流域采样格网，计算每个格网的土地利用多样化指数，将其作为格网中心点的土地利用多样化指数，以每个格网中心点为基础运用克里金插值法对平天湖流域进行插值分析，裁剪后得到平天湖各流域土地利用多样化等级图（图3）。

图3 子流域土地利用多样化空间差异等级图

平天湖各流域每个格网的土地利用多样化指数都在0和0.85之间，以0.17为间隔，将平天湖流域土地利用多样化分为5个等级。为更加清楚地分析和比较平天湖各流域土地利用多样化，在克里金插值分析的基础上统计了平天湖各流域土地利用多样化每一级别的面积（表1）。

表1 子流域土地利用多样化等级面积统计

各子流域土地利用多样化程度总体表现为：石马河流域、碧山河流域较高，而白沙河流域与其他部分较低。石马河流域中等土地利用多样化面积占比较大，为48.91%，较高土地利用多样化面积占20.25%，二者共计达69.16%，在4个子流域中最高。高土地利用多样化和较高土地利用多样化集中分布在石马河流域的北部，这主要是由于北部以池州站前区为主。随着齐山花园、徽商江南世家等众多楼盘的开发，致使这一区域土地利用多样化提高。碧山河流域中等土地利用多样化面积占比为46.43%，较高土地利用面积占比也较高，为20.58%。教育园区高和较高土地利用多样化集中分布在碧山河流域中部的碎岭一带，G318国道跨牧之路（碎岭）互通立交桥的修建以及周边农林养殖业等，使得该地段的土地利用多样化程度提升。

白沙河流域低土地利用多样化面积占比最大，占比40.18%，这是由于石马河流域南部土地类型以山地为主，土地利用类型以单一的林地为主。与石马流域相同，高土地利用多样化和较高土地利用多样化集中分布在流域的北部，主要由站前区的发展、G318国道的修建所致。其他部分的中等土地利用多样化面积占比最大，占比54.04%，但较高等级的面积仅占13.30%，土地利用多样化较高集中分布在平天湖风景区内村庄一带，农户生计直接影响土地利用的类型及其变化。

2.3 平天湖流域土地利用有序性分析

石马河、白沙河、碧山河和其他部分土地利用信息熵值分别为1.43、0.97、1.33和1.37，石马河土地利用信息熵最高，土地利用有序性相对较低，白沙河流域信息熵最低，土地利用有序性相对较高，稳定性较强。

利用采样格网中心点的土地利用信息熵进行克里金插值分析后，通过裁剪获得平天湖各流域土地利用信息熵等级图（图4）。

图4 子流域土地利用信息熵空间差异等级图

平天湖各流域采样格网的土地利用信息熵都在0和1.69之间，以0.338为间隔，将土地利用信息熵分为五个等级，再在克里金插值分析基础上统计各等级面积（表2）。

表2 子流域土地利用信息熵等级面积统计

石马河流域土地利用信息熵主要集中在较低信息熵和中等信息熵之间，中等信息熵面积占比最大，占比44.97%，高、较高信息熵主要分布在北部池州站前区齐山新村、清溪雅居安置房一带，这与站前区建设、318国道池州至殷汇段一级公路改建工程等项目拆迁安置有关，促进了站前区的面积在不断的扩张，人口流动性大，区域内土地利用结构处于相对较高的无序化状态。白沙河流域土地利用信息熵主要集中在低信息熵和中等信息熵之间，低信息熵面积占比最大，占比42.12%，高、较高信息熵主要分布在北部。碧山河流域土地利用信息熵主要集中在低信息熵和中等信息熵之间，中等信息熵面积占比最大，占比53.04%，高信息熵和较高信息熵主要分布在中部。白沙河流域、碧山河流域受G318国道修建的影响，调节土地利用结构。其他部分土地利用信息熵集中分布低信息熵和中等信息熵之间，中等信息熵面积占比最大，占比55.99%。

2.4 平天湖流域土地利用程度分析

石马河、白沙河、碧山河和其他部分土地利用综合指数分别为245.01、227.78、237.96和225.21，其中石马河流域的土地利用程度最高，其他部分土地利用程度最低。

利用采样格网中心点的土地利用程度进行克里金插值分析后，通过裁剪获得平天湖各流域土地利用程度等级图（图5）。

图5 子流域土地利用程度空间差异等级图

通过分析计算得知平天湖各流域每块采样网格的土地利用程度指数都在100和400之间，以60为间隔，将平天湖流域土地利用程度分为5个等级。在普通克里金插值分析基础上统计平天湖各流域等级面积（表3）。

表3 子流域土地利用程度等级面积统计

石马河流域土地利用程度低、较低的区域主要分布在平天湖旁的包家山、莲花山，土地利用程度中等等级面积占比最大，占比69.31%，较高和高土地利用程度在流域北部的站前区、中部和南部均有分布。白沙河流域土地利用程度主要集中在较低土地利用程度和较高土地利用程度之间，较低土地利用程度等级面积占比最大，占比50.93%，主要是白沙河流域南部集中分布着广阔的林地。白沙河流域较高和高土地利用程度分布在北部。碧山河流域土地利用程度主要集中在较低土地利用程度和较高土地利用程度之间，较低等级的土地利用程度区域为流域林地一带，中等土地利用程度等级面积占比最大，占比60.40%，主要在教育园区、周边村落一带。

其他部分较低土地利用程度和中等土地利用程度之间，较低土地利用等级面积占比最大，占比66.33%，较高和高土地利用程度的区域主要分布在西部的平天湖度假区、东北部的高新技术产业开发区一带。

3 结论与建议

平天湖整个流域及其子流域均是以林地为优势的土地利用结构。整个流域林地面积占比达57%，其次是耕地，占比达18%，而其他土地利用类型相差不大；在4个子流域中，以白沙河流域林地的占比最大，达68.74%，石马河占比最小，为46.12%。平天湖流域的土地利用多样性及有序性在空间上存在一定差异。其中以白沙河流域土地利用多样性及有序性最低，分别为0.48、0.97，而其他3个子流域间差异不大。平天湖流域土地利用多样性、有序性高的区域主要分布在石马河流域、白沙河流域、其他部分的北部、碧山河流域的中部。平天湖流域的土地利用程度整体较低。其中石马河流域和碧山河流域土地利用程度相对较高，且以中等土地利用强度为主，面积占比分别为69.31%、60.40%，而高土地利用程度占比很少，均在3%以下。

土地利用程度量化了人类活动对于土地系统的影响程度，定量地描述了该地区土地利用的综合水平和变化趋势。随着池州站前区、高新技术开发区建设的不断推进，平天湖流域土地资源将遭受空前的压力。要注重开发规划与发展规划相协调，注重山、水、林、田、湖、草的保护。由于区域内土地利用类型多样，需要针对不同类型的土地实施区别开发措施。对强土地利用程度分布区，应严格控制建筑用地的密度，加强区域绿化和景观建设。平天湖作为池州市备用水源地，对土地利用程度较低的待开发区域，需要坚持生态保护和修治并举，实现人与自然和谐共生。这样有助于更加合理的开发和利用土地资源，促进区域可持续发展。