基于GIS的红壤丘陵小流域土地利用空间格局分析

代冬梅 田锋

摘 要 借助GIS的空间分析功能，结合地形因子及人为干扰因素对红壤丘陵区生态脆弱型小流域的土地利用情况进行了分析。研究结果表明，地形因子和人为干扰因素对土地利用空间格局的影响较大，该地区形成了以林地为主，农田、园地等为辅的土地利用空间格局，土地利用结构随着地形因子的变化而变化。对土地利用空间格局进行分析，有助于该地区的土地利用结构优化，促进区域土地资源的可持续利用。

关键词 GIS;红壤丘陵;小流域;土地利用格局

中图分类号：Q149;F301.24 文献标志码：B DOI：10.19415/j.cnki.1673-890x.2020.27.083

南方红壤丘陵区是我国农业生产发展潜力最大的地区，也是生态脆弱带。由于长期对土地资源的不合理利用，整个地区生态环境遭到严重破坏，土地退化不断加剧[1-2]。土地利用空间格局对景观结构和生态过程有着重大的影响，对土地利用空间格局进行分析是实现土地资源可持续利用的基础[3-5]。基于此，运用GIS空间分析功能，对红壤丘陵区典型小流域的土地利用空间格局进行分析，拟通过分析地形因子和人为干扰因素对土地利用空间格局的影响，对该区域土地利用结构调整和生态环境建设进行科学引领和指导。

1 材料与方法

1.1 研究区概况

研究区域为赣江一级支流桃江流域崇墩沟，位于江西省信丰县，地形属低山丘陵地貌类型，河流沿岸地势开阔。气候属亚热带湿润季风气候，年降雨量1 517.3 mm。土壤类型主要为红壤，其次是黄红壤。地带性森林植被属常绿阔叶林，原生植被少。

1.2 数据处理与研究方法

1.2.1 数据处理

获取信丰县土地利用现状数据（2017年），利用ARCGIS 10.2的空间分析功能，通过叠加分析、面积重算等，获取研究区域的土地利用现状数据。根据土地利用分类标准并结合研究区域土地利用特点，将研究区域土地利用类型划分为：农田、难利用地、有林地、低效林地、疏林地、未利用地、园地、采矿用地（稀土矿、采石场）、居民点和水域。

获取研究区域1∶500现状地形图，利用ARCGIS10.2进行数据格式转换、建模及掩膜分析，获取研究区域数字高程模型（DEM）。利用DEM提取研究区域高程、坡度、坡向，并根据其与土地利用的关系进行分级。依据高程，将研究区域分为184～295 m的低丘、295～395 m的中丘，395～495 m的高丘;依据坡度，分为小于3°的平地、3°～5°的缓平地、5°～8°的缓坡地、8°～15°的斜坡地、15°～25°的缓陡坡和大于25°的陡坡地;依据坡向，分为无坡地、阴坡和阳坡。

1.2.2 研究指标

从景观类型的结构与变化、景观稳定性、景观异质性几个方面对研究区域景观格局特征进行分析。结构和变化特征选择土地利用类型斑块的数量（N）、面积（A）、周长（L）以及所占百分比（P）进行描述;景观稳定度特征数据为分形维数（F）;景观异质性特征数据为景观破碎度（I）、景观多样性指数（H）、景观优势度指数（D）[6-9]。

2 结果与分析

2.1 流域土地利用空间分布特征分析

山区小流域中，高程、坡度、坡向等地形因子对农业小气候和土地利用方式、方向有着重要的影响，所以分析坡度、坡向和高程对于小流域土地利用结构调整及农业生态环境建设具有比较重要的意义[10-11]。将研究区域土地利用现状图与提取的地形因子进行叠加分析，获取基于不同地形因子的土地利用分布。

2.1.1 基于高程分级的土地利用分析

高程通过改变降雨、气温等农业生产气候因子来影响山区土地资源的投入产出及利用效率。将土地利用现状图和DEM进行叠加发现，各土地利用类型随着海拔高度的增加具有非常明显的层次：小于295 m的低丘土地占流域面积的64.77%，有林地、农田和低效林地在该区域分布的相对比例较大;295～395 m的中丘土地占流域面积的32.74%，有林地、未利用地在该区域分布的相对比例较大;大于395 m的高丘土地占流域面积的2.49%，全部为有林地。从各地类看，除有林地外，其余地类均大部分分布于小于295 m的低丘土地。

2.1.2 基于坡度分级的土地利用分析

坡度的大小制约着土壤侵蚀量的强弱，决定着水土保持措施的布设方式等，并影响着农机具的使用功力[12]。将土地利用现状图和DEM进行叠加得到：坡度小于3°的平地面积占流域的3.47%，主要分布农田、有林地和居民点;3°～5°的缓平地面积占流域1.47%，主要分布农田、有林地和未利用地;5°～8°的缓坡地面积占流域6.73%，主要分布农田、有林地和未利用地;8°～15°的斜坡地面积占流域21.55%，主要分布有林地、农田和低效林地;15°～25°的缓陡坡地面积占流域38.05%，主要分布有林地、农田和未利用地;大于25°的陡坡地面积占流域28.73%，主要分布有林地、未利用地和低效林地。从各地类看，农田、难利用地、水域和居民的点主要分布于15°以下;未利用地、园地、有林地、低效林地、疏林地、采矿用地主要位于15°以上。

2.1.3 基于坡向分级的土地利用分析

坡向通过影响地面水热状况和植被的分布，从而影响土地利用类型和侵蚀强度[13]。将土地利用现状图和DEM进行叠加得到：无坡地上主要分布农田和居民点;阳坡地主要分布农田、园地、未利用地，这主要与水热状况导致的人类利用有关;有林地分布比较平均，但阴坡略大于阳坡;疏林地与低效林地方向性较明显，以阴坡为主。一般而言，南向坡地所获得的太阳辐射量大于平地，平地大于北向坡地。由此看出，研究区域土地利用的坡向性比较符合自然规律。

2.2 流域景观格局特征分析

流域景观格局是流域范圍内自然与人类社会活动相互作用、相互影响的陆地生态系统的基本单元，是流域内的各土地利用类型斑块以一定规律镶嵌组合而成的具有一定结构和功能的有机体，是景观异质性的重要表现[14]。对流域景观格局的研究将有利于了解景观格局与自然、生态过程和社会经济活动之间的关系，对流域土地资源合理利用，景观生态设计、土地利用规划和控制水土流失方面具有重要意义[15]。

2.2.1 分形维数

通过计算，研究区各土地类型的分维数均在1.5左右，表明区域内土地斑块自相似性弱，形状无规律，景观要素不稳定。园地的值最接近临界值是因为近年来脐橙种植成为当地主要产业，果园数量逐渐增加，其受人为因素干扰最强;有林地由人工营造的针叶林和封育的天然次生林构成，受人为因素的干预较大，其值也比较大。

2.2.2 斑块密度

研究區内各土地类型的斑块密度差异较大，在0.000 6～0.039 8个/hm2，表明了该区土地利用景观被分割变化的程度较大，空间异质性较复杂。其中，有林地、园地、农田的斑块密度值较大，表明其破碎度较高、空间异质性大。

2.2.3 景观多样性

研究区各土地类型的景观多样性指数排序为：有林地>农田>未利用地>低效林地>园地>采矿用地>居民点>疏林地>难利用地>水域。有林地和农田因受地形因子和人为因素较强的影响，景观多样性指数较高;园地、采矿用地和居民点虽然受地形因子影响较小但人为因素影响较强，景观多样性指数较高;疏林地、难利用地、水域受人为因素和地形因子的影响较小，景观多样性指数较低。

2.2.4 景观优势度指数

研究区各土地类型的相对重要性指数排序为：有林地>农田>未利用地>低效林地>采矿用地>园地>疏林地>居民点>难利用地>水域。有林地和农田在研究区的重要性较高，反映了该流域是以农林生态系统为主的小流域;低效林地、采矿用地和园地的值也较大，说明人为干扰因素对区域土地利用变化影响较大。

3 结论

研究结果表明，区域土地利用空间格局与地形因子和人为干扰因素关系密切。各地类分布随地形因子的变化而变化，随人为干扰因素强度变化而变化。对不同地形地貌，应采取针对性措施，调整土地利用空间格局，促进土地资源可持续利用。高程低于295 m的低丘，坡度小于15°的，应改善基础设施，建设基本农田;坡度15°～25°的，应大力实施坡改梯工程;坡度大于25°的，坚决退耕还林还草。高程大于295 m的中高丘，对林地应采取封育、抚育等保护措施;对农用地采取坡改梯、水平沟建设等;对陡坡地进行退耕还林还草措施。

参考文献：

[1] 黄进勇，严力蛟，王兆骞.红壤小流域不同土地利用方式下的水土流失特征[J].浙江大学学报（农业与生命科学版），2002，28（1）：78-82.

[2] 陈永强，俞劲炎.不同利用方式下红壤内在性质的演化[J].土壤通报，2004，35（2）：149-151.

[3] 彭建，王仰麟，刘松，等.景观生态学与土地可持续利用研究[J].北京大学学报，2004，40（1）：154-160.

[4] 邱扬，傅伯杰.土地可持续利用评价的景观生态学基础[J].资源科学，2000，22（6）：1-8.

[5] 邱扬，傅伯杰，王军，等.黄土丘陵小流域土地利用的时空分布及其与地形因子的关系[J].自然资源学报，2003，18（1）：20-29.

[6] 陈利顶，傅伯杰，王军.黄土丘陵区典型小流域土地利用变化研究[J].地理科学，2001，21（1）：46-51.

[7] 傅伯杰，陈利顶.景观多样性的类型及其生态意义[J].地理学报，1996，51（5）：454-462.

[8] 陈文波，肖笃宁，李秀珍.景观指数分类、应用及构建研究[J].应用生态学，2002，13（1）：121-125.

[9] 傅泊杰.景观生态学原理及应用[M].北京：科学出版社，2001.

[10] 石辉，田锋，黄林，等.红壤区稀土矿开发导致河流泥沙淤积量的估算[J].水土保持通报，2005，25（1）：53-54.

[11] 江承恩.农业气象[M].北京：农业出版社，1985.

[12] 赵牡丹，汤国安，陈正江.黄土丘陵沟壑区不同坡度分级系统及地面坡谱对比[J].水土保持通报，2002，22（4）：33-36.

[13] 唐克丽.中国水土保持[M].北京：科学出版社，2004.

[14] 陈文波，肖笃宁，李秀珍.景观空间分析的特征和主要内容[J].生态学报，2002，22（7）：1135-1142.

[15] 陈东立，余新晓.黄土丘陵沟壑区流域景观格局调控与减水减沙效益[J].中国水土保持科学，2005，3（4）：77-80.

（责任编辑：赵中正）