阆中市土地利用的地形梯度效应及空间分形特征分析

蒋良群，舒成强,2*，刘 辉,2，冯建平

(1.西华师范大学地理科学学院， 四川 南充 637009;2.四川省干旱河谷土壤侵蚀监测与控制工程实验室， 四川 南充 637009)

土地利用/覆被变化(Land Use and Land Cover Change，LUCC)体现了人对地表作用过程及地表系统的响应，是全球变化的重要环节，影响着人类社会可持续发展[1]。而地形在一定程度上制约着人类社会经济活动，间接影响着土地利用结构及其空间格局分布[2-4]。相关研究显示，土地利用类型分布与地形梯度有着显著关系[5]，在某个区域范围内，某种土地利用类型在地形梯度上的空间格局有着一定的规律，分布相对稳定[6]。土地利用结构是某个区域在一定时间范围内的土地利用状况的反映，与地方社会经济活跃程度、经济发展水平有着直接联系。通过研究区域土地利用类型的空间分布和分形特征，可以分析土地利用结构的自相关性、复杂性及其稳定性[7]。分形理论最早由法国数学家Mandelbrot提出，是局部结构以某种方式和整体相似的形，可以对具有标度不变性的特征进行统计计算，是对空间特征的定量分析[8-9]。通过对土地利用的地形梯度效应结合其空间分形特征综合分析能够较好反映一个区域土地利用空间分布规律及其利用类型的复杂性和稳定性。本研究以阆中市为研究区，在2019年土地利用变更调查数据的基础上，应用DEM数据和GIS的空间分析功能进行土地利用的地形梯度效应分析；同时，对其土地利用结构进行分形特征研究，以期为阆中市的土地利用规划及土地资源的合理配置提供参考依据。

1 材料与方法

1.1 研究区概况

阆中市隶属四川省南充市，位于四川盆地北部，嘉陵江中游，属于川中丘陵区向川北低山区过渡地带，处于东经105°41′～106°24′，北纬31°22′～31°51′，总面积1 876.27 km2。阆中市东靠巴中市、仪陇市，南连南部市，西邻剑阁市，北接苍溪市，地形上呈现为东西北部高、中南部低，海拔介于328～889 m。地貌上以低山、高丘、中丘为主，低丘、平坝只占幅员面积的6.31%。阆中市位于亚热带季风气候区，气候温和，光照适宜，年平均气温17℃，年平均降水量为1 033.9 mm。

1.2 数据来源与研究方法

1.2.1数据来源 2019年土地利用变更调查矢量数据由阆中市自然资源与规划局提供。根据丘陵和山区过渡地带的土地利用类型特点，结合全国土地调查分类体系及阆中市实际情况，将阆中市土地利用类型分为八大类：耕地、林地、园地、草地、水域(含水利设施用地)、居民点及工矿用地、交通用地(含农村道路)、其他用地。遥感数据下载于地理空间数据云网站空间分辨率为30 m的ASTER GDEM V2数据。

1.2.2地形梯度分析法 各土地利用类型的地形梯度效应采用高程、坡度和地形位指数进行综合叠加计算，再利用ArcGIS的reclassify功能模块对高程图、坡度图和地形位指数进行分级。根据实地调查结果发现，阆中市高程>650 m的区域，土地利用类型以林地和草地为主，类型较为单一；在400～600 m的土地利用方式差异较大，但总体以耕地和林地为主。根据这一实际情况，将高程328～400 m 分为一类，650 m以上的分为另一类；由于高程在400～650 m 的土地利用类型较为复杂，且土地利用类型随高程变化显著，因此在该区间内以50 m为间隔，用内插法划分为5级。坡度划分是在第三次全国国土调查中的耕地坡度分级标准[10]和水土保持坡度分级[11]基础上，充分考虑阆中市山地-丘陵过渡地形特征，将其划分为7个等级：0°～2°、2°～6°、6°～10°、10°～15°、15°～20°、20°～25°、>25°。根据高程和坡度等级划分，通过叠加分析计算地形位指数，依次划分为7个等级(表1)。

表1 阆中市高程、坡度和地形位指数分级

(1)地形位指数。地形对一个区域经济发展和土地利用规划有着较大的影响[12]，而单一的高程或坡度无法全面反映地形的特征，地形位指数则综合了高程变化和坡度信息的特点，其计算公式为[13]：

(1)

(2)地形分布指数。地形分布指数用来描述区域不同土地利用类型在地形区间上的概率分布[13-14]，它能减小不同土地利用类型之间面积差异过大带来的量纲影响，公式[15]为：

(2)

式中：P表示分布指数;Sij表示第i土地利用类型在j地形下的分布面积;Si表示研究区域内第i土地利用类型的总面积;Sj表示j地形区间在研究区域内的总分布面积;ST表示研究区域的总面积。当P>1时，即表示该土地利用类型属于优势分布[16]。

1.2.3分形计算 分形维数能够表征斑块边界的曲折性和大小，分形维数值越大，则该土地斑块形状越复杂;反之则相对简单[17-18]。

土地利用的分形维数计算公式[19-22]为：

(3)

式中A(r)为某一图斑面积，P(r)为该图斑周长，D为分维，C为常数。通过(3)式可计算土地利用类型的分形维数D。D值在1～2，当D=1.0，表示土地斑块的形状为正方形，D=2.0，表示空间上的镶嵌结构最复杂，而当D=1.5时，表示空间结构最不稳定，若D值越接近1.5，表示空间结构越不稳定，越偏离1.5则稳定性越强[17]。

为了进一步表征土地利用类型稳定性，引入地类空间结构稳定性指数(SK)，公式[23]为：

SK=│1.5-D│

(4)

由于D值介于1～2，因此值介于0～0.5。当SK值越趋近于0.5，那么地类空间结构越稳定；SK值越趋近于0，则地类空间结构稳定性越差。

2 结果与分析

2.1 土地利用结构分析

根据2019年土地变更调查数据结果，按照三大类进行统计，农用地面积为1 682.64 km2，占全市土地总面积89.53%；建设用地157.81 km2，占全市土地总面积8.30%；未利用地为42.75 km2，占全市总面积的2.17%。在软件ArcGIS 10.3的支持下，根据2019年阆中市土地利用变更调查数据提取各土地利用类型斑块的面积与周长，统计各土地利用类型的面积，并分析其总体占比情况(表2)。研究结果显示，林地面积最大，为742.79 km2，占全市土地总面积比例为39.59%；其次是耕地面积，为689.78 km2，占全市土地总面积比例为36.76%；居民地及工矿用地为138.26 km2，占全市土地总面积比例为7.37%；面积最小的是草地，为2.38 km2，仅占全市土地总面积的0.13%。

表2 阆中市各土地利用类型面积周长统计

2.2 土地利用空间格局分析

2.2.1不同高程影响下的各土地类型空间分布格局 研究结果显示，在高程梯度上，阆中市各土地利用类型在高程梯度上分布差异较大(图1)。耕地的分布指数一直呈缓慢减少的趋势;水域在高程梯度上呈显著减少趋势，在3级以后(高程>450 m)趋于平缓，在6～7级(高程>600 m)反而有所增加(林地随着高程的增加随之增加，主要是在退耕还林的背景下很多坡耕地退耕为林地)；居民点及工矿用地和草地在高程等级3级以下(高程<450 m)同步显著减少，当高程等级在3级以上(高程>450 m)逐渐增加的情况下，草地又逐渐增加，当高程等级为6～7级(高程>600 m)时，草地的分布指数明显增大且>1，说明草地优势分布区间多处于海拔较高的区域。

图1 高程梯度上土地利用类型分布指数

2.2.2不同坡度影响下的各土地类型空间分布格局 阆中市的土地利用类型在不同梯度下也呈现出明显的差异性(图2)。耕地在坡度10°以下(1～3级)呈现缓慢增加趋势，之后随着坡度增加，分布指数明显减小;园地、草地、交通用地、居民点及工矿用地以及水域在坡度10°以下(1～3级)为优势分布类型，其分布指数均>1，在第3级(坡度>10°)之后，分布指数<1，其中水域分布指数减少到最小，仅为0.12;林地随着坡度级别的升高，其分布指数呈现明显的增加趋势，且在级别5以上(坡度>15°)分布指数就>1，说明其在坡度>15°时为明显的优势分布类型。

图2 坡度梯度上土地利用类型分布指数

2.2.3不同地形位指数影响下的各土地利用类型空间分布格局 从图3可知，随着地形位指数的增加，阆中市各土地利用类型分布指数表现出明显的差异性。其中，水域随地形位指数增加，其分布指数明显减少，在地形梯度等级3以后，趋于平缓；林地随着分布指数的增加而逐渐增加，在地形位梯度等级3以后逐渐趋于平缓；草地的分布指数先呈减少趋势，在地形梯度等级4以后，又呈现明显的增加趋势，在地形梯度等级6以后分布指数>1，说明其在此区间为优势分布地类；耕地、园地、居民点及工矿用地优势分布处于地形位指数为0.676～1.039(等级1)的区域。

图3 地形位梯度上土地利用类型分布指数

3.3 土地利用特征分析

土地利用类型的分形特征能够反映各土地利用类型的复杂性和稳定性[24]。从图4可知，在阆中市各土地利用类型空间结构中，水域和交通用地的分维值最大，分别为1.9 855和1.9 706，说明水域和交通的复杂差异性最大，其中水域边界较复杂，大多是自然形成的边界，受其他因素影响较小，而交通用地的边界受其类型不同，边界现状差异也较大，一般公路是狭窄的边界，交通场地又是规则的长方形或正方形边界；其次分维值由大到小依次是林地、耕地、草地和园地；居民点及工矿用地和其他用地的分维值最小，分别为1.2 872和1.2 452，表明这两种土地利用类型整体稳定程度较好。

图4 各土地利用类型面积-周长散点关系

稳定性指数SK值由小到大代表了土地利用类型越趋于稳定，也是土地利用空间行为的间接反映。研究结果(表3)显示，在各土地利用类型空间结构中，耕地和林地的稳定性最低，分别为0.0 692和0.0 593，主要原因是受阆中市产业结构调整及规模化经营的影响，一部分耕地调整为种植园用地，耕地明显减少；一部分耕地长期撂荒，长满杂树或杂草，按调查分类规程归为林地类型，使得林地面积相应增加；另一部分则是退耕还林政策的影响，耕地减少，相应林地面积增加。近年来，阆中市经果林种植规模十分活跃，受规范化经营影响，园地平整程度较以往有较大提高，降低了复杂度，稳定性有一定程度提高。草地继承了原土地利用类型部分形态特征，因此复杂度相对较低，稳定性较好。交通用地和水域受人为影响较小，稳定性最高，SK值分别为0.470 6和0.485 5。各土地利用类型的分维值及稳定性指数体现了研究区域各土地利用类型的空间分布差异性结构，可为区域的土地利用研究提供新的思路。

表3 阆中市各土地利用类型分维计算回归方程及相关参数

3 结论与讨论

利用阆中市2019年土地利用变更矢量数据和DEM数据，通过分析阆中市地形及各土地利用类型分形特征，得出如下结论：(1)阆中市各土地利用类型中，林地面积最大，为742.79 km2，占全市土地总面积比例为39.59%；其次是耕地面积，为689.78 km2，占全市土地总面积比例为36.76%；居民地及工矿用地为138.26 km2，占全市土地总面积比例为7.37%；面积最小的是草地，为2.38 km2，仅占全市土地总面积的0.13%。(2)阆中市土地利用类型在高程、坡度和地形位指数上表现出明显的空间差异性。耕地、园地、居民点及工矿用地、水域主要分布于坡度10°以下，高程<400 m区域(林地主要分布于坡度15°以上，高程>450 m的区域)草地优势分布主要集中于高程600 m以上区域。(3)分形维数和稳定性指数分析结果显示，阆中市各土地利用类型均具有明显的分形特征。耕地、林地的稳定性较低，主要是由于阆中市的产业结构调整及优势产业发展的需要，尤其是阆中市药材、茶园、桑园等的大力发展及集约规模化经营等原因影响；工矿住宅用地受地形、交通条件及区域经济发展水平影响较大，总体分布于地形平坦、交通可达性强的区域，因而空间镶嵌结构较为稳定。但是随着阆中市社会经济结构发展变化，特别是乡村振兴战略的进一步发展，工矿住宅用地逐渐出现聚集趋势，其原有稳定性必然会被打破；交通用地和水域则因其特殊性，较少受外部条件干扰，从而表现为空间结构简单、稳定性好的特征。