山东省栖霞市土地利用时空格局的垂直梯度研究

曲衍波，商 冉，齐 伟，高 宇

（1. 山东财经大学公共管理学院，山东 济南 250014； 2. 山东农业工程学院农业科学与工程系，山东济南 250100；3. 山东农业大学资源与环境学院，山东 泰安 271018）

山东省栖霞市土地利用时空格局的垂直梯度研究

曲衍波1，商 冉2，齐 伟3，高 宇1

（1. 山东财经大学公共管理学院，山东 济南 250014； 2. 山东农业工程学院农业科学与工程系，山东济南 250100；3. 山东农业大学资源与环境学院，山东 泰安 271018）

研究目的：从动态过程与垂直分异的角度，探讨山区土地利用类型和空间格局变化特征，为区域国土空间格局优化和土地资源可持续利用提供参考。研究方法：利用RS空间识别知识和GIS空间分析功能，判读研究区5期LANDSAT TM 5遥感数据，构建基于DEM的地形位指数模型和表达时空分异的分布指数和空间格局指数模型，解析山区土地利用组分和空间格局随地形垂直性变化的过程特征与原因。研究结果：栖霞市土地利用类型的地形垂直分异显著，耕地和建设用地在低位段的优势性不断增强，园地、林地和草坡地分布重心逐渐向中、高位段转移；土地利用格局具有时空两维变化特征，在时间序列上呈良性发展和恢复状态；在空间垂直梯度上，土地多样性呈“U”形库兹涅茨曲线变化，土地破碎度先增加后减少，土地聚集度则表现出先减少后增加的变化特征。研究结论：地形是山区土地利用类型和格局分异的主导要素；研究区开展的农业结构调整、退耕还林、生态治理等人为有利干扰与不利干扰相互作用，是局部区域土地利用垂直变化的主要动力；地形位指数1—15对应的地带是土地利用变化的剧烈区和频繁区，应对主导地类采用科学的规划引导与管护，减少负面人为干扰。

土地利用；时空格局；垂直梯度；栖霞市

土地利用格局是不同历史时期的土地类型在不同空间上相互演替的结果，影响着土地利用功能，表现出典型的空间异质性[1]，并受自然环境的限制和人类活动的干预而发生变化[2-3]。在山区，自然资源立体分布显著，地形是土地利用分异的重要决定因子，它通过影响区域内物质和能量的流动和各种干扰的发生频率、强度来影响各种土地利用类型的空间分布和格局变化[4-6]。目前，对于土地利用变化研究多集中在格局静态与动态分析、类型面积转换等方面[7-9]，在土地利用变化过程与格局的分异研究上，经历了类型分布到指数分异的过程，如胡志斌等在研究岷江上游景观格局变化时指出土地利用类型具有明显的垂直分异性，并计算了各高程带中各景观类型的面积[10]；张明阳等在研究白洋淀流域景观格局地形分异中引入了格局指数，改善了以往研究中基于土地利用类型面积与高程之间关系特征不明显的问题[11]；随后有学者利用DEM数据建立了地形位指数，分析了不同研究区土地利用变化特征[12-15]。这些内容丰富了土地利用变化分析的技术方法，但从过程与格局相结合的角度探讨区域土地利用类型分布规律及其与地形作用关系和垂直特征的研究还不多见。为此，本文选取胶东半岛山区县栖霞市为研究区，在进行高程和坡度合成的基础上，采用5期遥感数据进行较长时序的土地利用类型与空间格局变化分析，从动态过程与垂直分异的角度探讨土地利用类型和空间观格局变化的行为特征，旨为当地国土空间格局优化和土地资源可持续利用提供参考。

1 研究区概况

栖霞市地处胶东半岛内陆中部山区，是烟台市辖县之一。地理坐标为E 120°33′—121°15′、N 37°05′—37°32′，总面积2017.65 km2。境内海拔30—815 m，群山起伏，丘岭连绵，地形复杂，是胶东半岛水系发源地，素有“六山一水三分田”之说和“胶东屋脊”之称；栖霞境内地质复杂，自太古界至新生界的岩类均有存在，土壤类型主要为棕壤、潮棕壤和河潮土；气候属暖温带季风型半湿润气候，四季分明，光照充足，年平均气温11.3℃，年均降水量743.14 mm，无霜期207 d，年日照总时数2690 h。栖霞市是胶东半岛为数极少没有海岸线的县级市，20世纪80年代以来，栖霞市大力推进农业结构调整和退耕还林等活动，快速发展苹果产业，园地规模不断增加，是胶东半岛的粮食生产基地和优质苹果主产区，农业发展独具特色。此外，在社会经济发展的同时，栖霞市加强生态水系治理，植被覆盖率逐年增加，水土流失得到控制，生态环境和土地利用空间格局发生了较大变化。综合来看，地理条件的相似性、农业发展的典型性以及生态环境的特殊性决定了栖霞市在胶东半岛山区具有一定的代表性。

2 研究方法

2.1 数据来源与处理

本文数据包括1∶2.5万地形图（等高线间距5 m）和1987年11月14日、1992年10月18日、1997年11月2日、2003年10月19日和2010年10月23日的5个时期LANDSAT TM 5遥感图像①获取的2012年10月份的影像数据受天气影响，判读结果与实际情况偏离较大，并考虑时段间隔比较短，土地利用结构变化不大，所以最近一年数据采用了2010年的数据。。首先在ERDAS 8.6下对遥感图像进行几何精校正和图像配准，选择对绿色植被反映敏感的TM 4、3、2波段进行RGB假彩色合成与监督分类，参照土地利用现状图进行错误纠正后得到研究区土地利用类型图，从中提取耕地、林地、园地、草地、建设用地、未利用地和水域7种土地利用类型，由于研究区内水体面积比重较小，且在地形梯度上的分布和变化规律不明显，在分析过程中没有对其考虑。然后在MapGIS 7.6下对等高线进行屏幕跟踪矢量化，生成拓扑关系完整的矢量图，通过文件转化，在ArcView下建立不规则三角网（TIN）模型，考虑数据源精度与遥感影像相匹配，经过网格化处理得到25 m×25 m栅格的DEM模型。最后基于ArcGIS 10.0操作平台，提取高程和坡度，将二者组合形成地形位指数模型，与土地利用类型图叠加分析，通过属性查询得到不同地形位上土地利用类型的栅格数，并核算各地类面积。栖霞市划分为2259行、3210列，共3228320个栅格。

2.2 地形位与分布指数模型

山区地形具有垂直性和方向性特征，前者用高程和坡度进行表征，后者则多与坡向和坡型等有关。为表达区域土地利用格局的垂直性影响与特征，本文将高程和坡度合成为地形位指数模型[16]（式1），没有与坡向共同耦合的原因有二：一是区域高程和坡度属于空间连续性分布数据，两者分布特征和对土地利用格局的影响效果比较相似，将其进行组合可以避免重复性分析和单一的高程或坡度无法体现的综合效应；二是坡向和坡型需要通过概念化识别与分类后分析其对土地利用格局的影响，且这种方向性影响在空间上多是不连续性和突变的。

分布指数主要是为了消除不同地形区段的面积差异带来的量纲影响，分布指数曲线反映了不同土地利用类型在地形位梯度上的分布情况和地形对土地利用类型的适宜程度。计算公式如下：

式2中，Sie为e地形位下第i种土地利用类型的面积，Si为研究区内第i种土地利用类型的总面积，Se为研究区内第e种地形位的总面积，S为研究区的总面积。指数曲线越平缓，表明土地利用类型分布与标准分布的偏离不大，对地形差异的适宜性较大；反之，曲线起伏较大，表明土地利用类型对地形具有较强的选择性，在其优势地形位上该组分发育较多。

2.3 土地利用类型优势区间划分

将研究区的地形位指数（0.15—3.64）均分成50级，分别计算6种土地利用类型在各地形位上不同年份的分布指数。同时，为便于5个时期的动态比较，根据分布指数的阈值，确定各土地利用类型分布指数大于1的地形位为优势地形位，即分布指数处于x轴上方的地形位区间。

2.4 土地利用时空格局分析指数选取

参照《FRAGSTATS 3.3操作手册》，因FRAGSTATS可以计算60多种景观指标，且许多指标之间具有高度的相关性，为综合反映区域景观格局特征，通过最优化景观格局指数筛选[17-18]，选取香浓多样性指数（SHDI）、斑块密度（PD）、分维数（FRAC）和聚集度指数（CONT）4项景观指数进行土地利用空间格局分析。多样性指数描述了土地利用类型的丰富程度和空间分布的均匀程度，土地利用多样性指数越高，均匀度越高，表明各土地利用类型所占比例越趋均衡。斑块密度反映了土地利用破碎化程度，斑块密度越大，则斑块面积越小，土地破碎化程度越高，表明人类活动越强。分维数描述土地利用中斑块形状的复杂程度，其值越大，土地斑块边界形状越复杂，表明受干扰的强度越大。聚集度指数主要反映土地利用类型的空间分布关系和各土地利用类型斑块的连通程度，聚集度指数越高，则斑块的结合度越大，连通性越高，土地利用类型空间分布越密集。

3 土地利用类型的地形垂直分异

3.1 土地利用类型的整体分异特征

从图1可以看出，1987—2010年栖霞市土地利用类型在地形位梯度上的分布格局发生了显著变化，整体上呈现“高—低”二段位向“高—中—低”三段位格局演进。

图1 不同时期各土地利用类型的地形位分布Fig.1 Distribution of different landscape types on the topographic gradient

从各时期具体来看，1987年6种土地利用类型表现出高—低二段式空间分布格局，低地形位区段（下称“低位段”）为建设用地、园地、耕地和林地的优势地形位，而高地形位区段（下称“高位段”）为草坡地和未利用地的优势地形位。1992年6种土地利用类型在地形位梯度上的分布开始向高—中—低三段式格局演变：林地从低位段分化出来，与草坡地共同占据中地形位区段（下称“中位段”），建设用地、园地和耕地仍然占据低位段优势。1997年基本维持了1992年的分布格局：耕地的优势地形位有所回升，园地逐渐从低位段分化出来向中位段转移，建设用地和耕地继续保持其低位段优势。2003年，园地的优势地形位向中位段集中，林地的优势地位进一步向高位段收缩，以低位段建设用地与耕地、中位段园地与林地、高位段林地、草坡地与未利用地为分布特征的高—中—低三段式格局基本形成。2010年土地利用类型空间分布延续了2003年的格局特征，耕地和建设用地的优势地形位有所扩充，园地的优势地形位向中位段收缩，林地、草坡地和未利用分布的高位段特征更加凸显。这种特征是由于在20世纪80年代中期的传统农业经营阶段，土地利用类型的空间分布比较简单，土地资源供给相对宽松，人为活动占优势的土地利用类型通常不向高位段扩张，而随着社会经济的发展，受低位段建设用地规模不断膨胀的驱动，农业用地只能向中位段集中，而林地则进一步向高位段转移。

3.2 不同地类的时空分异特征

（1）耕地。耕地的优势地形位主要分布于1—23区间，在1—10区间分布指数逐年增大，10—23区间分布指数逐渐变小，说明耕地的优势地形位逐渐向低地形位回升。主要是因为栖霞市的山地是河流的源区，且易于排水，所以山地中下部的丘陵区优先被开发为农田，而汇水区大部分为林地的自然状态，随着栖霞市退耕还林和耕地保护的不断深入，低地形位的林地逐渐向中高位段转移，耕地逐渐占据优势。

（2）林地。林地优势区间范围逐渐扩大，向高位段收缩，在地形位3—14区间的分布指数不断减少，在20—50区间的分布指数呈上升趋势，这表明林地在不同地形位上具有较强的适宜性。由于低位段林地向其他组分转化规模较大，逐渐失去了该位段的优势分布，而在中、高位段退耕还林政策使林地重新占据了优势。

（3）园地。与林地相似，具有较强的地形适宜性，在低地形位区段出现分割和转移时可以向丘陵区扩展而有效的弥补损失。随着时间的推移，其分布曲线逐渐趋于缓和，表明园地的分布由“聚集”转变为“均匀”分布于整个地形位上。

（4）草坡地。草坡地的优势分布区间变化不大，整体向高位段收缩，在28—32区间形成明显的波峰，但随时间的推移，分布曲线逐渐趋于缓和，表明草坡地的整体分布由“聚集”转变为“均匀”。与园地分布不同的是，草坡地这一变化特征体现在中、高位段，而园地则体现在低位段。

（5）建设用地。建设用地分布指数随着地形位的升高而降低，优势分布区间没有发生显著的变化，说明地形条件对建设用地的约束作用较大，地形位超过一定限度后，开发活动因为土地适应性的急剧下降而难以进行。从分布曲线来看，建设用地在低段位的分布趋于突变，最大分布指数逐渐向低位段移动，表明栖霞市在低位段建设用地尚有开发余地，新增建设用地在一定时期内仍然可以占据低位段的优势。

（6）未利用地。与草坡地基本相似，优势分布区间逐渐向高位段收缩，而中位段的优势区间逐渐被园地和林地占据。从分布曲线来看，1987—1997年未利用地优势分布趋向高地形位，到2003年和2010年高位段未利用地面积又有所降低，这与高位段林地面积增加有关。

4 土地利用格局的地形垂直分异

4.1 土地利用格局的整体变化特征

由图2可知，栖霞市1987—2010年景观整体特征主要表现在：（1）从多样性指数来看，1987—2003年，多样性指数逐年增加，表明单一组分对景观的控制作用降低。这是因为园地和建设用地所占比例不断提高，耕地面积逐渐减少，各地类所占比例差距不断缩短。（2）土地破碎度整体向良性发展和恢复。1987—1997年，斑块密度增加，反映了土地破碎度加重；分维数增大，说明由于人类作用加大而使景观形状变得较为复杂；斑块间离散程度增大，进一步反映了破碎程度增大。1997—2010年，分数维的降低和集聚度的增加，说明这期间人类的有利干扰加大了对优势斑块的保护，使得土地斑块破碎度降低。

图2 不同时期各景观格局指数变化情况Fig.2 The change of four landscape indexes in different date

图3 不同时期各地形位香浓多样性指数分布Fig.3 Distribution of SHDI on the topographic gradient

4.2 土地利用格局的最优化指数分异

4.2.1 香浓多样性指数（SHDI） 由图3可见，SHDI在地形梯度上表现出类似“U”形库兹涅茨曲线的变化特征，但在5个时期的分布有所差异，1987年和1992年在1—25地形位上SHDI表现出比较显著的“U”形特征，而1997年、2003年和2010年主要体现在1—10地形位上，且“U”形特征弱化。

（1）1987—1997年，栖霞市处于农业结构调整起步阶段，耕地分布的地形变化是影响这一时期SHDI变化的主要原因。在0—5地形位区间，人类活动比较集中，耕地、林地、园地和建设用地等交错均匀分布，SHDI保持在较高水平；在5—15区间，耕地占绝对优势，其他地类比重较低，景观分布的均匀程度低，SHDI降低；在15—25区间，耕地比重开始降低，林地和草坡地比重增加，景观的均匀程度上升，SHDI逐渐升高；在25—50区间，草坡地和未利用地占据优势，耕地、建设用地和园地减少，SHDI降低。

（2）1997—2010年，栖霞市处于农业调整快速推进阶段，人类活动范围逐渐扩大，建设用地、耕地和园地的变化是影响这一时期SHDI变化的主因。在0—5区间，建设用地迅速增加，同时大量园地和林地转化为耕地，导致建设用地和耕地比重增加，景观分布的均匀程度降低，SHDI减少；在5—10区间，耕地基本保持稳定，而园地比重开始增加，各类用地的均匀程度达到最大，SHDI达到最高；在10—25区间，随着园地和林地的彼此消长和耕地的稳定分布，其他地类变化较少，SHDI处于比较稳定的水平；在25—50区间，建设用地分布急剧降低，林地和草坡地快速上升，导致景观均匀程度降低，SHDI下降。从整体上来看，随着地形位的升高，SHDI呈降低趋势，人类活动对土地的干扰受地形因素影响，活动程度从低位段逐渐向高位段递减。

4.2.2 斑块密度（PD） 由图4（a）可知，随着地形位的升高，5个时期PD均呈现先增加后减少的变化趋势。在1—25低位段PD逐渐增加，其中1—15低位段PD变化急剧，这是因为城镇化、工业化的发展集中在低位段，耕地、园地等农业用地向建设用地转变，农用地受到蚕食，斑块破碎且形状趋于复杂；在25—50区间，地形限制成为重要的影响因素，人类活动发挥的作用受到较大的限制，PD逐渐降低。

由图4（b）PD变化可知，1—35地形位是各土地利用类型PD变化的主要区段。林地、园地、建设用地和草坡地的斑块密度随着地形位的变化趋同，斑块密度呈增加趋势，而耕地的斑块密度变化则与其相反，明显减少。说明该区段受人为干扰强度较大，土地利用类型间的相互消长与转换导致土地利用类型破碎化加剧。

4.2.3 分维数（FRAC） 由图5（a）可知，景观分维数随地形位升高呈先增加后减少的变化趋势。说明在低位段由于人类作用加大而使景观形状变得较为复杂，随着地形位的增加，景观斑块形状受人类干扰逐渐弱化。

由图5（b）FRAC变化可知，耕地、林地和草坡地的分维数在1—10区间呈正向显著变化，之后基本稳定，证明了低位段上人类活动强度较大。园地在整个地形位分布上呈现波动的变化特征，说明一部分园地被建设成“标准园地”，使斑块形状的高度规则化，而另一部分园地则与周边地类彼此进行转换，造成斑块形状不规则。建设用地在各地形位的分维数变化均为负值，说明在相关规划引导下，建设用地表现出规整化和稳定性的特点。

4.2.4 聚集度（CONT） 由图6（a）可知，随着地形位的不断升高，景观聚集度呈现先减少后增加的变化趋势。在1—15地形位区间，土地利用类型转化频繁，斑块分割程度增强，各地类空间分布零散，CONT急剧减少；在15—40区间，CONT减少呈平缓趋势，说明不同地类彼此消长程度降低，但斑块分割仍然存在；在40—50区间，CONT呈增加趋势，受地形约束，土地利用类型组合趋于简单，斑块结合度增大，CONT增加。

由图6（b）CONT变化可知，耕地CONT在1—10地形位区间呈正增长趋势，在10—50区间呈负增长变化；园地CONT变化特征与耕地正好相反，表明耕地和园地在整个地形位分布上相互转化更加频繁，在低地形位上大部分园地转为耕地，而在中高地形位上耕地转化为园地；林地CONT在0—25区间呈现显著的负增长变化，到25—50区间逐渐呈正增长趋势，说明林地随着地形位的升高，与其他地类的转化逐渐减弱，林地斑块之间的连通性逐渐增强；建设用地CONT在1—15区间呈正增长变化，在15—50区间呈负增长趋势，说明建设用地在低地形位上斑块分布较多，而到高地形位呈零星分布，进一步表明建设用地具有较强的地形选择性；草坡地CONT在各地形位整体上呈负增长变化，表明草坡地与其他地类相互转化和分割最为频繁，斑块结合度和连通性最弱。

图4 1987—2010年各地形位水平上不同土地利用类型的斑块密度变化Fig.4 Distribution of PD change of different landscape types on the topographic gradient in1987—2010

图5 1987—2010年各地形位水平上不同土地利用类型的分维数变化Fig.5 Distribution of FRAC change of different landscape types on the topographic gradient in1987—2010

图6 1987—2010年各地形位水平上不同土地利用类型的聚集度变化Fig.6 Distribution of CONT change of different landscape types on the topographic gradient in1987—2010

5 结论与讨论

（1）栖霞市在20世纪80年代以来的农业结构调整和城镇化过程中，土地利用类型在地形位梯度上的整体分布特征从1987年的高—低二段式空间分布格局转变成1992年以后的高—中—低三段式格局。由于退耕还林和耕地保护政策的不断深入以及经济社会快速发展需求的强烈驱动，耕地和建设用地在低位段的优势性不断增强，园地分布重心逐渐向中位段转移，而林地和草坡地的优势地形位向高位段收缩。

（2）栖霞市土地利用空间格局变化呈现明显的垂直分异特征。地形条件是格局形成的先决条件，而人类活动的干扰是驱使格局变化的动力因素。在土地利用整体水平上，随着时间的推移，空间格局趋于破碎化和复杂化趋势；随着地形位的升高，SHDI呈降低趋势，PD呈现先增加后减少的变化趋势，FRAC呈增加趋势，CONT呈先减少后增加的变化趋势。在土地利用类型水平上，各土地利用类型景观指数在低位段变化较大，随着地形位的升高，其变化趋于和缓；耕地与林地、园地、草坡度和建设用地的斑块密度指数、聚集度指数变化值随地形位的分布趋势具有互为消长的特征，而人工景观分维数变化随地形位的增加波动较小，具有分维数低且稳定的特点。

（3）本文在构建地形位模型的基础上，利用景观格局指数对研究区进行了多时段土地利用垂直变化研究，但有几点问题值得深入探讨。其一，山区土地利用格局的方向性变化特征如何量化测度，构建垂直性和方向性耦合的综合分析模型有待研究；其二，研究区属于典型的传统农业县，土地利用具有其特点，但对于现代农业或旅游业更加发达的山区可能会存在不同的土地利用格局和演变过程；其三，本文主要分析了不同地类空间格局的变化情况，对于不同地类之间相互转换及其发生的段位和产生的格局响应等问题尚待进一步研究。

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（本文责编：仲济香）

Study on Vertical Gradient of Land Use Spatio-Temporal Pattern in Qixia County in Shandong Province

QU Yan-bo1, SHANG Ran2, QI Wei3, GAO Yu1
（1. School of Public Management, Shandong University of Finance and Economic, Ji'nan 250014, China; 2. Agriculture Science and Engineering Department，Shandong Agriculture and Engineering College, Ji'nan 250100, China; 3. College of Resource and Environment, Shandong Agricultural University, Tai'an 271018, China）

In this paper, differentiation characteristics and changing causes of land use composition and landscape patterns affected by topography were studied by using terrain niche index, distribution index and optimization landscape indexes of landscape pattern in mountainous areas at county level. Based on topographic map (scale 1︰25000) and Landsat TM 5 satellite images in Autumn of 1987, 1992, 1997, 2003 and 2010 in Qixia City of Shandong Province, spatialanalysis module in ArcGIS and spatial identification knowledge in RS were used to establish digital elevation model (DEM) and land use database combining with other materials from field surveys in study area. The results indicated that 1) the distribution of land use types changed significantly on terrain gradient in Qixia City, the advantage of arable land and construction land increased continuously on lower terrain niche, whereas distribution core of orchard, woodland and grassland diverted to middle and higher terrain niche gradually. 2) The landscape pattern had changing characteristics of space-time two dimensions. In time sequence, the development and recovery of general landscape pattern was becoming better and better. On different terrain gradients, landscape diversity showed “U-shaped” Kuznets Curve, landscape fragmentation firstly increased and then declined, the fractal dimension increased, landscape contagion index firstly decreased then increased. 3) Terrain is the important factor that affected differentiation of land use types and landscape pattern in Qixia City. On different terrain gradients, the main driving force that caused land use change significantly in local area have resulted from interactions of human favorable disturbance (e.g., agricultural structure adjustment, grain for green, ecological renovation) and human adverse disturbance since the 80th of 20 century. 4) Frequent area of land use change is mainly distributed in the areas with terrain niche index 1-15. The leading land types should be planned, protected and managed scientifically in order to reduce human negative disturbance as much as possible.

land use; spatio-temporal pattern; vertical gradient; Qixia City

F301.24

A

1001-8158（2014）08-0024-09

2013-07-04

2014-01-08

国家自然科学基金（41301616）；山东省自然科学基金（ZR2013DQ003）。

曲衍波（1982-），男，山东龙口人，博士，讲师。主要研究方向为土地利用、评价与规划。E-mail: yanboqu2009@126.com

齐伟（1970-），男，山东泰安人，博士，教授。主要研究方向为土地利用与信息技术。E-mail: qiwei@sdau.edu.cn