福建省土地利用格局的地形梯度效应分析

张 莹，叶宝鉴，朱志鹏，姚 雄

（福建工程学院建筑与城乡规划学院，福州 350118）

0 引言

土地是地球表面特定地段包括植被、气候、土壤、水文、地质、地貌以及人类活动和结果在内的自然和社会经济综合体[1]，而土地利用/覆被变化(Land use/cover change，LUCC)是人类活动和自然环境叠加作用的直接产物，与陆表生物化学循环、气候模式以及生态系统服务价值密切相关[2-4]。自20世纪90年代起，LUCC先后被国际地圈-生物圈计划(International geosphere-biosphere programme，IGBP)、国际全球环境变化人文因素计划(International human dimensions programme on global environmental change，IHDP)和全球土地计划(Global land project，GLP)列为全球环境变化、气候变化和可持续发展等科学研究的核心项目之一，已成为地理学、生态学、经济学及交叉学科研究的热点问题[5-7]，而土地利用格局演变是LUCC研究的重要内容。地形因子作为自然地理要素的最基本因素，直接影响地面物质流动和能量转换[8-9]，其空间分布特征在一定程度上决定土地利用的方式和方向[10]，对景观格局的演变过程具有重要影响。因此，研究土地利用格局演变的地形梯度特征可为区域景观格局的模拟和优化提供基础和数据支撑，对于促进乡村振兴和山水林田湖草系统工程建设具有重要的理论价值和现实意义。

目前，不少学者就景观格局地形梯度分异特征展开了深入的研究，并取得了丰硕的成果，但早期研究大多数侧重于分析单个地形因子（如海拔、坡度）对景观格局的影响[11-13]，缺少多地形综合因子系统分析景观格局基于地形梯度的分布及规律。由于海拔和坡度直接影响景观格局演变过程，因此近期的研究中，多数将两者结合在一起综合构建地形位指数和分布指数来研究土地利用格局的地形梯度效应[14-15]。地学信息图谱是一种可以在特定时空尺度下将“时间演变过程”和“空间格局差异”结合起来的地理时空分析方法论[16]，已广泛应用于土地利用动态变化、生态系统服务价值、城市规模扩张以及景观格局变化等领域[17-20]。但这些研究较少将景观图谱和地形梯度结合起来，并且研究尺度以县域、市级为主[9,17,21]，对省域尺度的研究相对较少，尤其是利用景观生态学定量方法分析省域尺度土地利用格局时空演变过程的地形梯度效应特征及规律的研究显得更加稀少。

福建省作为海峡西岸经济区的主体，是工业化和城镇化进程较快的沿海省份，境内地形地貌起伏差异大，地形对景观格局的影响比较明显。同时，福建省森林覆盖率虽然很高，但林下水土流失现象依然存在，人地矛盾突出，存在景观生态脆弱区。目前，关于福建省长时间序列、大尺度的土地利用图谱的地形梯度效应方面的研究尚未见报道。因此，本研究以福建省为研究区，以2000、2010、2018年的福建省土地利用类型数据和数字高程模型(Digital Elevation Model，DEM)数据为基础，通过地学信息图谱、地形位指数、分布指数和景观格局指数等方法，系统分析福建省不同地形梯度下的土地利用格局，探讨地形梯度对景观格局演变过程的影响，以期为该区域土地利用类型的合理布局及优化、土地资源的可持续开发利用和生态环境建设提供理论和决策依据。

1 研究区概况、数据来源与研究方法

1.1 研究区概况

福建省位于中国东南部，东隔台湾海峡与台湾省隔海相望，东北邻浙江省，西北接江西省，西南连广东省（23°33′—28°20′N、115°50′—120°40′E，图1），是海峡西岸经济区的主体。全省陆域面积12.4万km2，海域面积13.6万km2，辖9个地级市，共有12个县级市、44个县和29个市辖区。境内河流众多，水系发达，属亚热带海洋性季风气候，光照充足，年平均气温17～21℃；全年雨量充沛，年平均降雨量1400～2000 mm，降雨集中在夏季，呈西北向东南递增趋势。研究区地形地貌以山地和丘陵为主，素有“八山一水一分田”之称。福建省的森林覆盖率达66.8%[22]，连续40年居全国首位。

1.2 数据来源

本研究数据主要包括福建省2000、2010、2018年3期土地利用数据和DEM数据（图1）。土地利用数据由中国科学院资源环境科学数据中心(http://www.resdc.cn)提供，该数据将研究区划分为耕地、林地、草地、水体、建设用地和未利用地6种类型。DEM数据由地理空间数据云平台(http://www.gscloud.cn)提供。高程和坡度数据由DEM数据提取获得。以上数据空间分辨率均为30 m。

图1 研究区地理位置图

1.3 土地利用变化图谱分析

通过ArcGIS10.2.2软件中的栅格计算器功能，计算获取18年来福建省土地利用类型变化信息图谱，其数学式如式(1)所示。

式中，Y 表示图谱；C2000、C2010和 C2018分别表示 2000、2010、2018年的土地利用类型。

根据研究区土地利用类型时空变化规律，将图谱变化模式划分为5种类型：（1）稳定型，指景观类型在2000—2018年始终未发生变化；（2）前期变化型，指景观类型在2000—2010年发生变化，但在2010—2018年未发生变化；（3）后期变化型，指景观类型在2000—2010年未发生变化，但在2010—2018年发生变化（；4）反复变化型，指景观类型在2000年和2018年相同，但与2010年不同；（5）持续变化型，指景观类型在3个时期各不相同。

1.4 地形位指数

地形位指数是一个耦合高程和坡度的复合地形因子，可用来定量分析土地利用格局与地形梯度的关系。计算公式如式(2)所示[23]。

式中，T为地形位指数；E和E1分别表示空间内任意位置的高程(m)和平均高程值(m)；S和S1分别表示空间内任意位置的坡度(°)和平均坡度值(°)。高程和坡度越小的区域地形位指数越小，反之则越大。

基于高程和坡度数据，利用上式获得研究区地形位指数分布图（图2a），采用等间隔重分类法对地形位进行分级，分级间隔为0.62，共分为5个地形位梯度（图2b）。

图2 研究区地形位指数与地形位梯度

1.5 分布指数

地形因子是影响区域景观时空格局的自然因素，其对景观格局的影响可简化为景观格局在地形位梯度上的出现频率。为了消除地形位梯度和土地利用类型面积差异的影响，本研究采用分布指数来分析不同地形位梯度上的景观类型分布特征，其计算公式如式(3)所示[23]。

式中，DI为分布指数；Sij为第i类景观类型在第j级地形位梯度上的分布面积(km2)；Si为第i类景观类型总面积(km2)；Sj为第j级地形位梯度总面积(km2)；S 为研究区总面积(km2)。若DI＞1，则第i类景观类型在第j级地形位梯度的分布属于优势分布，且DI值越大，优势度越明显；若DI＜1，则第i类景观类型在第j级地形位梯度的分布属于劣势分布，且DI值越小，劣势度越明显。

1.6 景观指数

景观指数是景观生态学中常用的方法，它可以通过简单的指标定量描述景观格局的结构组成和空间配置等方面的信息特征[17,24]。本研究依据福建省土地利用格局总体特征，从景观水平上选取了边缘密度(Edge density，ED)、蔓 延 度 指 数 (Contagion index，CONTAG)、景观 形 状指 数 (Landscape shape index，LSI)、斑块丰富度(Patch richness，PR)、香农多样性指数(Shannon’s diversity index，SHDI)、香农均匀度指数(Shannon’s evenness index，SHEI)6个景观格局指数进行景观格局分析。利用Fragstats 4.2软件计算获得景观格局指数，各指数的计算公式和生态学意义详见有关文献[25]。

2 结果与分析

2.1 土地利用类型总体特征

2000—2010年，福建省建设用地景观扩张十分显著，面积增加了1965 km2，增幅最大，达到81.30%；耕地面积减少了1184 km2，减少幅度最大，达到5.30%。2010—2018年，研究区建设用地增加幅度最大但有所放缓(14.58%)，耕地面积减少幅度最大(1.94%)。2000—2018年，研究区建设用地增加了2603 km2，年均增长率为5.99%；耕地面积减少了1594 km2，年均缩减0.40%；水体面积呈现增加趋势，年均增加13 km2；其他景观类型均有不同程度的增加和减少。研究表明，福建省土地利用格局以林地、耕地和草地为主，三者面积之和占福建省陆域面积的90%以上；此外，福建省经济增长和城市化进程呈现加快态势，表现在建设用地急剧扩张而耕地资源在不断减少（图3）。

图3 2000—2018年研究区土地利用类型

为了分析不同土地利用类型在地形梯度上的分布特征，构建了不同地形位梯度上景观类型的分布指数图（图4）。耕地在3个研究时期变化幅度和趋势基本一致，优势分布区间保持在1～2级地形位梯度；耕地分布指数随着地形位梯度的增加呈减少的趋势，在1级上随着年份的增加而减少，而在2～5级上随着年份的增加而增加，这种现象说明在城市化快速发展的背景下，平坦地带的耕地不断的被占用为其他景观类型，导致耕地分布范围逐步向较高地形位转移。水体的总体曲线特征基本一致，优势分布区间保持在1级，其分布指数随着地形位梯度的增加而减少；水体主要分布在地势较为平坦的地形位上，说明其分布受到地形位的限制。草地分布指数随着地形位梯度的增加总体上呈增加趋势，优势分布区间为2～5级。研究期间，林地的变化幅度和趋势基本一致，优势分布区间保持在3～5级；林地分布指数均随着地形位梯度的增加而不断增加，增加幅度随着年份的增加而增加，这种增加趋势主要是由于退耕还林等政策的影响以及城市林业的推动，使得林地分布向坡度和高程较高区域拓展。建设用地优势分布区间在1级，其分布指数随着地形位梯度的增加而减少，且2000年的分布指数在1级上高于2010年和2018年，而在2～5级上低于2010年和2018年，这种变化一方面是由于早期老城镇人民对绿色基础设施需求的增加，使得单一建设用地面积降低，另一方面在于城市规模的不断扩增，导致建设用地的分布在高地形位区域有所拓展。未利用地的分布指数随着地形位梯度的增加总体上呈先减少后增加的趋势，优势分布区间为1～2和4～5（2000年），1～2和5（2010年），1～2（2018年），这种现象说明随着时间的推移，未利用地逐步转为其他景观类型，表现在在高地形位上未利用地转为林地。

图4 不同地形位梯度上景观图谱的分布指数

总体来说，林地在高地形位上更具竞争优势而表现出分布指数随着地形位梯度的增加而增加的趋势；建设用地和耕地受到人类活动影响而表现出分布指数随着地形位梯度的增加而减少的趋势，同时受城市化进程加快的影响，导致两者在高地形位上均有所拓展；水体受自然条件的影响，导致其在自然条件较好的低地形位上分布更显著；草地和未利用地分布指数呈现出不同的趋势，草地分布指数在高地形位区域分布更显著，而未利用地分布指数在低地形位区域分布显著。

2.2 土地利用类型动态变化

表1为不同时期研究区土地利用类型转移矩阵。由表可知，2000—2010年，约有93%的耕地未转变为其他景观类型，减少的耕地主要转为建设用地(4.99%)，其次是林地(0.88%)；林地保持较为稳定的状态，仅约2%的林地转为其他景观类型；草地和水体主要转为建设用地和林地，其中约有5%的草地转为建设用地和林地，约有6%的水体转为建设用地和林地；约有5%的建设用地转为水体和耕地；未利用地的面积最小，但向其他景观类型的转变最为剧烈，约有10%的未利用地转为其他景观类型。

表1 2000—2018年研究区土地利用转移矩阵

2010—2018年，耕地仍然以向林地和建设用地的转变为主，其中耕地向林地的转换增加到约3%，而耕地向建设用地的转换减少到2.4%；林地和草地较为稳定，约有0.9%的林地和0.7%的草地转为耕地；约有5%和2.5%的水体转为建设用地和耕地；同时约有2.4%和1.9%的建设用地转为耕地和林地；未利用地向其他景观类型的转换变的更为剧烈，约有35%的未利用地转为其他景观类型，其中约15%的未利用地转为建设用地。

整体来看，研究期内（2000—2018年）约有89%的耕地未发生转换，减少的耕地主要转为建设用地，约为7%；草地和水体以转为林地和建设用地为主；未利用地向其他景观类型的转换最为剧烈，约有11%、3%、3%的未利用地转为林地、草地、建设用地。研究表明，福建省土地利用类型动态变化以耕地、草地、水体向建设用地和林地转变，未利用地向其他景观类型转变为主要特征。

2.3 景观格局变化图谱分析

运用ArcGIS中的栅格计算器功能，统计获取2000—2018年研究区景观格局变化图谱信息（表2）。研究期间，景观图谱以稳定型为主，占研究区面积的93.66%，其余4类景观格局变化图谱面积占比均低于3%。稳定型图谱中以“林地-林地-林地”和“耕地-耕地-耕地”为主要图谱类型，两者约占稳定型图谱面积的82%，表明研究区的主导景观类型为林地和耕地；前期变化型图谱主要类型为“耕地-建设用地-建设用地”和“林地-建设用地-建设用地”，分别占前期变化型图谱面积的29.46%和17.04%，表明2000—2010年间建设用地的不断增加是以耕地和林地的缩减与侵占为代价；后期变化型图谱主要类型为“林地-林地-耕地”和“耕地-耕地-林地”，表明研究区2010—2018年受退耕还林政策以及毁林开荒问题的影响，导致林地和耕地在此期间相互转化；反复变化型图谱以“林地-草地-林地”图谱类型的面积最大，约占该图谱面积的20%；持续变化型图谱占研究区面积比例最小，仅为0.1%，说明研究区在研究期内景观格局连续变化的可能性最小。

表2 景观图谱面积统计

为了分析各景观格局变化图谱地形位梯度与分布指数的叠加效应，构建了不同地形位梯度上景观图谱的分布指数图（图5）。稳定型图谱的分布指数稳定在0.8～1.1之间，其优势分布区间在3～5级地形位梯度，且随着地形位梯度的上升而呈增加趋势，主要原因在于稳定型图谱以“林地-林地-林地”为主（表2），在单位土地面积里林地景观面积占比随着海拔、坡度的增加而增加。与稳定型图谱相反，其余4类景观图谱的分布指数随着地形位梯度的上升均呈减少趋势，其中前期变化型图谱的优势区间在1级，后期变化型、反复变化型和持续变化型图谱的优势区间在1～2级，其原因可能在于这4类图谱以建设用地或耕地的转化为主，而建设用地或耕地在较低等级地形位梯度上受人类活动的影响更具竞争优势。研究表明，稳定型图谱在高等级地形位梯度更具竞争优势，其余4类景观图谱主要分布于自然条件较好、人口密集的低等级地形位梯度上。

图5 不同地形位梯度上景观图谱的分布指数

2.4 景观格局演变分析

福建省土地利用格局在景观水平上表现出较显著的地形位梯度分异特征（图6）。边缘密度(ED)在3个时期内均随着地形位梯度的增加而逐渐降低，且研究初期不同地形位梯度上的ED均低于中期和后期的ED，说明研究区景观斑块单位面积上的边缘长度有所提高，且在低等级地形位上增加更加显著，这种现象主要由于研究区受到人类足迹的影响，低等级地形位上自然生态景观斑块不断被吞并和分割，导致更多的单体斑块衍生。3个时期的蔓延度指数(CONTAG)均随着地形位梯度的增加呈上升趋势，且CONTAG在1～3级上不断减少，说明景观斑块类型破碎化分布在低等级地形位上更加显著，加上近年来部分建成区的无序扩增，导致景观内部斑块日益分散，聚集程度显著降低，而随着地形位梯度的增加，人类影响范围逐渐减少，相应的，生物可活动范围将逐渐增加。景观形状指数(LSI)的总体分布曲线特征基本一致，均随着地形位梯度的增加呈先增加后减少的趋势，这种现象说明在较低等级地形位上受到人类活动和城市规模不断扩张的影响，景观形状趋于复杂，而在较高等级地形位上，研究区主导景观由建设用地、耕地转为林地、草地等自然生态景观（图4），导致景观形状趋于简单化。研究期内，斑块丰富度(PR)在1～4级上保持一致，而在第5级地形位梯度上研究初期的PR小于中期和后期，说明低等级地形位上的景观类型趋于饱和，导致部分高等级地形位区域的景观类型由简单、单一模式向复杂、多样模式演变。香农多样性指数(SHDI)和香农均匀度指数(SHEI)在研究期内的变化幅度和趋势基本一致，均随着地形位梯度的增加呈降低趋势，且研究初期的SHDI和SHEI均低于中期和后期，说明研究区2010年以来的景观类型往多样化演变，且景观异质性随着地形位梯度的增加而不断降低。研究表明，研究期内福建省景观格局总体上向景观多样性方向演变，此外，景观类型多样性随着地形位梯度的增加呈下降趋势，但在局部高等级地形位区域上的景观类型朝复杂、多样性演变。

图6 景观水平上不同地形位梯度景观指数变化图

3 结论与讨论

以福建省2000—2018年土地利用类型数据集和DEM数据为数据源，通过土地利用变化图谱分析、地形位指数、分布指数和景观格局指数等方法，研究了福建省土地利用格局在不同地形梯度下的演变特征及规律。结果表明：

2000—2018年福建省土地利用类型以林地、耕地和草地为主；林地和草地在高等级地形位梯度的区域具有明显的竞争优势，而建设用地、耕地和水体优势分布区域为低等级地形位梯度，主要原因在于人类的工程建设、耕作等活动受制于自然地形条件，决定了与人类生活密切的景观类型（建设用地、耕地和水体）均分布于低海拔、低坡度的地形位区域，林地和草地属于自然生态景观，在人为干扰程度较弱的高等级地形位梯度分布更为集中。研究期内，福建省耕地面积减少了1594 km2，建设用地面积增加了2603 km2，增幅达到107.7%。一方面，自2003年《退耕还林条例》在国内全面实施以来，福建省各地区（特别是山区地带）积极开展退耕造林活动，导致耕地面积不断减少；另一方面，福建省常住人口从2000年的3410万人增加到2010年的3693万人，人口密度的增加与原有住房面积的不平衡性导致居民对住房需求的增加，从而引起居住用地对耕地的不断侵占和吞并。2010年之后随着社会经济的发展，东南沿海低地形位区域第二、第三产业的发展，吸引了大量农村剩余劳动力，导致对工业、居住等建设用地需求的增加，建设用地面积不断扩张；同时，农村人口减少且以妇女和老人居多，导致农村人口对耕地压力减少且耕作半径大幅减少，大量坡耕地被废弃，耕地面积不断缩减。

福建省土地利用格局图谱以稳定型为主，主要分布于高海拔、高坡度的地形位区域，主要图谱模式为“林地-林地-林地”和“耕地-耕地-耕地”，前期变化型、后期变化型、反复变化型、持续变化型图谱主要分布于自然条件较好、人口密集的低等级地形位区域。建设用地规模以耕地的占用和缩减为代价进行不断扩张，导致建设用地的PLAND、LPI、AI、COHESION指数均不断增加，而耕地的PLAND、LPI、AI、COHESION指数在逐渐减少，两者呈现此消彼长的分布态势。从时间尺度看，福建省景观类型日益从、简单、单一性向复杂、多样性演变，景观异质性整体升高，优势景观的主导作用逐渐减弱；从空间尺度看，景观类型多样性和景观异质性随着地形位梯度的增加呈下降趋势，单一景观的主导作用相对增强，景观形状从复杂向简单化演变，景观破碎化程度有所缓解，但在局部高等级地形位区域上的景观类型趋于复杂、多样化。

本研究表明地形因素对土地利用格局的演变特征和规律可产生一定的影响，该结果与前人的研究结果基本一致[10,17,26-27]。福建省是海峡西岸经济区的主体，也是全国森林覆盖率最高的省份，具有较高的生境质量[28]，而随着城市规模的不断扩张，人类通过道路扩张、居住用地建设等活动不断侵占耕地、林地和草地，造成区域生态环境完整性和连通性的破坏，尤其在高海拔、高坡度的生态脆弱区，可能引起河流污染、森林火灾、水土流失等一系列环境问题[29-31]。为此，综合考虑福建省土地利用格局演变的地形梯度特征，对福建省不同地形位梯度的景观结构进行因地制宜的调整与优化：对于耕地、水体、建设用地占优势的低等级地形位梯度区，该区是城镇化发展的重点区域，在《福建省城镇体系规划(2010—2030)》政策基础上，应合理引导城镇化进程，加强其与自然环境的协调关系，减少耕地流失，缓解景观格局破碎化现象；对于毁林开荒、草地复垦的中低、中等级地形位梯度区，应合理调整农业产业结构，选择性限制农业生产活动，积极推行合理的资源可持续开发利用措施，保证景观类型的稳定与平衡性；对于山体滑坡、森林火灾多发的中高、高等级地形位梯度区，应建立生态保护红线，严令禁止毁林开荒和开垦草地等不合理行为，严格实施退耕还林、还草政策，维护林地和草地生态系统完整性，实现区域的可持续发展。