基于土地利用变化图谱的地形梯度效应分析——以洞庭湖区为例

金秋悦，谭洁，谭雪兰

（1.湖南农业大学风景园林与艺术设计学院；2.湖南农业大学资源环境学院）

1 引言

地形对区域水热组合和能量收支平衡起着重要作用，并通过生态选择性及人类活动制约性，在一定程度上决定了土地利用结构与空间分异[1]。近年来，学者们围绕山区、流域、快速城市化区域和生态脆弱区开展了大量土地利用的地形梯度效应分析[2-5]，认为地形因素在一定程度上对区域土地利用格局与空间结构特征有重要影响。应用地学信息图谱可有效刻画地形复杂区域的土地利用时空属性与演变特征，实现土地利用类型分布与变化的时空属性有机结合[6-7]。然而，利用地形位指数、分布指数等地形梯度因子分析土地利用空间结构的研究还较少。

洞庭湖区具有较高的垦殖指数，是长江中下游地区的重要生态屏障[8]。本文通过1996年～2016年洞庭湖区土地利用变化图谱时空演变特征和变化规律，分析了不同地形梯度的土地利用类型分布和转移特征。

2 研究区概况

洞 庭 湖 区（28°30′～30°20′N，110°40′～113°10′E）横跨湖南和湖北两省，以平原、丘陵地貌为主，湖区气温年变化大而昼夜变化小，年均气温约16.5℃～17.0℃，年平均降水量1200～1400mm[9]。

3 数据来源与研究方法

3.1 数据来源与处理

洞庭湖区1996年、2007年和2016年TM/ETM影像来自USGS网站，空间分辨率为30m，影像轨道号/行号分别为123/39、123/40、124/39、124/40，DEM数据来源于地理空间数据云。本文参考土地利用现状分类国家标准（GB/T21010-2007）及研究区实际情况，将研究区土地利用类型分为耕地、林地、草地、水域、建设用地、未利用地6类。经精度检验，Kappa系数分别为0.85、0.80、0.84，满足研究需求。

3.2 地学信息图谱分析法

在ArcGIS支持下，赋予三期土地利用类型000、00和0的数字代码代码，并将三期景观类型的字段长度规定为3、2、1。

式（1）中：T为图谱，由三期景观类型复合而成；T1、T2、T3分别表示各年度的景观类型代码。

利用ArcGIS，对土地利用图谱单元类型进行重组得到土地利用演变图谱。参考相关研究[7]，将其分为稳定型、前期变型、后期变化型、过渡型、持续变化型（见表1）。

表1 土地利用演变图谱类型

3.3 土地利用动态度

利用单一土地利用动态度和综合土地利用动态度表征研究区域在一定时间段内某一种和全部土地利用类型的变化速率[10]。

式（2）中：K为单一土地利用类型动态度；Ux、Uy分别为研究初期和末期该种土地利用类型的面积；T为间隔的时间段。

式（3）中：LC是综合土地利用动态度；LUx为x类土地利用类型在初期的面积；ΔLUx-y为从第x类土地利用类型变化成为其他的土地利用类型的面积绝对值；n为土地利用类型的数量。

3.4 地形位指数法

地形位指数法可反映高程和坡度对景观空间格局的综合影响，是对地形差异的重新描述[7]。

式（4）中：T为地形位指数；E、S分别代表的是区域中某点的高程和坡度；-E、-S分别代表的是区域中高程和坡度的平均值。

通过式（4）转换后，在区域内空间的每一点上面都有一个地形位，结合研究区高程和坡度的数据，来计算得到地形位指数。本文采用重分类的自然断点分析法将地形位指数划分为4个梯度10个等级，低级（1-3级）、中低（4-6级）、中高（7-9级）、高（10级）。

3.5 分布指数法

分布指数可将地形因子对土地利用类型空间分布的影响简化为对地形位梯度上各土地利用类型出现的频率的分析[11]。

式（5）中：P为分布指数；i表示第i种土地利用类型或图谱类型；j表示第j级地形位；Si和Sij分别表示第i种土地利用类型或图谱类型的总面积和第j级地形位的分布面积；Sj为第j级地形位的总面积；S为研究区总面积。

4 研究结果与分析

4.1 土地利用类型变化

由表2可见，耕地和林地是研究区主要土地利用类型，两者在三个时期的面积之和占总面积的53.80%、56.00%、56.33%，其次为草地和水域，建设用地和未利用地的面积比例相对较少。1996年～2016年，耕地面积呈现持续上升趋势；林地变化幅度相对较小，其面积随时间推移波动性上升；草地一直处于减少状态。2007年～2016年变化幅度较大，下降2.59%；水域面积随时间推移波动性下降2.64%；建设用地增加4.80%；未利用地总体呈下降趋势，到2016年减少至0.50%。1996年～2007年和2007年～2016年两个时间段内，整体土地利用动态度分别为0.44%、0.33%，后期土地利用变化趋于缓慢。

表2 1996年～2016年土地利用变化

4.2 土地利用变化图谱

表3表明，稳定型是土地利用变化图谱主要类型，集中分布在研究区中部，最大面积图谱为耕地—耕地—耕地，占该图谱的39.96%；其次为过渡型，主要分布在洞庭湖区沿岸，最大变化图谱模式为耕地—草地—耕地，占该图谱的18.59%；持续变化型面积为研究区第三大土地利用变化图谱，主要分布在岳阳县西部与汨罗市北部，草地—耕地—建设用地为其主要变化图谱模式，占此图谱的6.84%；前期变化型和后期变化型面积分别占总面积的14.76%和14.91%，草地—耕地—耕地是前期变化型的主要变化模式，占此图谱的20.39%，耕地—耕地—草地为后期变化型的主要变化模式，占此图谱的15.57%。

表3 1996年～2016年土地利用类型变化图谱

4.3 地形位指数计算与分级

表4表明，研究区以低和中低地形梯度为主，分别占研究区56.87%和31.54%，集中分布在1-5级，主要分布在洞庭湖区中部地区。在低、中低地形位中，3级面积最大，占比为24.27%，其次为2级，占比21.23%，1级、4级和5级分别占11.37%、17.41%和11.22%；中高地形梯度面积占比为7.67%，分布在研究区东部、西南部；高地形梯度面积占比为0.92%，主要分布在岳阳县东部地区。

表4 1996-2016年不同地形梯度土地面积统计

4.4 土地利用变化图谱的分布指数

由图1得，稳定型图谱的分布指数在地形位1～5级呈下降趋势，6～10级呈上升趋势并且上升幅度渐小，最终趋于稳定，在地形位等级的1级和6～10级具有分布优势；前期变化型、后期变化型及连续变化类型信息图谱的变化趋势基本相似，随着地形位级别的提高，呈现出先增幅后减小的趋势，分布优势都集中在2～5级；过渡型景观图谱在1～10级地形位置分布的过渡指数变化不大，基本上分布均匀。

图1 不同地形梯度土地利用类型图谱分布

表5 1996年～2016年不同地形位梯度最大图谱类型及分布指数

4.5 最大变化图谱类型的地形梯度效应

如表5所示，稳定型图谱在低、中高和高地形位上具有明布优势，低地形位最大图谱为“水域—水域—水域”；在中高和高地形位上为“林地—林地—林地”。前期变化型图谱在各个地形位上均有分布，“草地—耕地—耕地”和“耕地—林地—林地”分别为其低、高地形位上的最大图谱。后期变化型图谱中，“耕地—耕地—草地”、“林地—林地—耕地”分别为低、中低地形位和中高、高地形位最大图谱。过渡型图谱中，“耕地—草地—耕地”是低、中低地形位上的最大图谱，“林地—草地—林地”为中高、高地形位最大图谱。持续变化型图谱中，“草地—耕地—林地”和“水域—耕地—林地”在低、中低地形位具有分布优势，“耕地—草地—林地”是高地形位最大图谱。

5 结语

①1996年～2016年，洞庭湖区主要土地利用类型为耕地、林地和水域。耕地、林地和建设用地面积不断增长，草地、水域和未利用土地面积萎缩，草地和水域主要转化为建设用地和耕地。

②“耕地—耕地—耕地”是土地利用变化面积最大的图谱，前期变化型中最大图谱为“草地—耕地—耕地”，后期变化型以“耕地—耕地—草地”为最大图谱类型，过渡型最大的图谱为“耕地—草地—耕地”，“草地—耕地—建设用地”是持续变化型最大图谱。

③研究区以低和中低地形位为主，稳定型图谱分布指数在1～5级逐级减少，6～10级呈上升趋势；前期变化型、后期变化型和持续变化型则相反，在2～5级呈上升趋势，在6～10级逐级下降；过渡型分布指数相对稳定。