湖北省土地利用格局影響因素研究

張 毅, 謝 圣

(1.中國地質(zhì)大學(武漢) 地球科學學院， 武漢 430074; 2.華中師范大學 城市與環(huán)境科學學院， 武漢 430079)

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湖北省土地利用格局影響因素研究

張 毅1，2*, 謝 圣2

(1.中國地質(zhì)大學(武漢) 地球科學學院， 武漢 430074; 2.華中師范大學 城市與環(huán)境科學學院， 武漢 430079)

將湖北省2009年土地利用圖與DEM、氣象、水文數(shù)據(jù)、社會經(jīng)濟數(shù)據(jù)等數(shù)據(jù)結(jié)合，采用地理信息系統(tǒng)空間及景觀生態(tài)分析方法，在揭示湖北省土地利用格局基礎(chǔ)上分析影響湖北省土地利用格局的主要因素.結(jié)果表明：耕地的斑塊數(shù)量與高程關(guān)聯(lián)最高，再依次為坡向、GDP、坡度、人口密度、降水、氣溫、路網(wǎng)密度、距水源距離，皆為顯著相關(guān).與林地斑塊數(shù)量關(guān)聯(lián)強弱順序是坡度、高程、人口密度、GDP、緯度、坡向、經(jīng)度、氣溫、降水、路網(wǎng)密度、距河距離.與水域斑塊數(shù)量關(guān)聯(lián)強弱順序是路網(wǎng)密度、坡度、高程、GDP、緯度、降水、人口密度、經(jīng)度、坡向、氣溫.與建設(shè)用地斑塊數(shù)量關(guān)聯(lián)強弱順序為氣溫、路網(wǎng)密度、高程、距河距離、坡度、緯度、經(jīng)度、GDP、人口密度、坡向、降水.

土地利用格局； 影響因素; 湖北省

土地利用具有顯著的空間格局[1-2]，這種格局受到多種因素影響和制約，是自然與人類各種響應(yīng)在不同尺度上作用的體現(xiàn)[3-5]，是自然與人類社會要素相互作用的結(jié)果.土地利用格局變化研究為許多研究者所關(guān)注[6-10]，他們從不同角度對不同尺度區(qū)域土地利用格局及其變化進行了研究，王思遠(2002)等人研究了20世紀90年代中后期中國土地利用格局及其演變，楊俊(2014)、王根緒(2006)、卞正富(2006)、饒勝(2002)等分別研究了南四湖濕地、黑河流域典型區(qū)、徐州煤礦區(qū)、鄱陽湖區(qū)土地利用變化規(guī)律；也有的研究者探討了不同的研究方法及其在土地利用格局研究中的運用[11-13]，胡雪麗(2013)、吳桂平(2008)、楊國清(2007)等分別運用CA-Markov模型、AutoLogistic方法研究了相關(guān)區(qū)域的土地利用問題；還有的學者不僅關(guān)注格局的變化更關(guān)注影響因素及驅(qū)動力[11-18]，龔文峰(2013)等分析了地形梯度對土地利用格局的影響，胡建(2011)等分析了太湖流域水質(zhì)狀況與土地利用格局的相關(guān)性，王思遠(2003)、龍花樓(2001)等分別研究了中國土地利用格局及其影響因子、長江沿線樣帶土地利用格局及其影響因子.研究土地利用格局變化的影響因素有助于從本質(zhì)上把握土地利用變化的機理，從而通過變量變化的調(diào)控達到優(yōu)化土地利用的目的.湖北省位于29°05′～33°20′N、108°21′～116°07′E之間，處于季風性濕潤亞熱帶，地跨全國地勢第二、第三兩級階梯，境內(nèi)地貌類型復雜多樣，山地、丘陵、崗地、平崗和平原兼具，山地占56%、丘陵崗地占24%、平原湖區(qū)占20%，主要用地類型有耕地、林地、草地、水域、建設(shè)用地、未利用地，研究湖北省土地利用格局影響因素意義重大.

1 數(shù)據(jù)來源與研究方法

1.1 數(shù)據(jù)來源

土地利用現(xiàn)狀數(shù)據(jù)采用歐空局300 m空間分辨率的全球土地覆蓋數(shù)據(jù)；數(shù)字高程數(shù)據(jù)(DEM)來源于中國科學院國際科學數(shù)據(jù)平臺，坡度與坡向由數(shù)字高程圖在ArcGIS平臺分析獲得.降水、氣溫等氣象數(shù)據(jù)來源于國際科學數(shù)據(jù)服務(wù)平臺.社會經(jīng)濟數(shù)據(jù)來源于湖北省及各縣市統(tǒng)計年鑒.

1.2 研究思路與方法

將湖北省2009年土地利用圖與DEM、氣象、水文數(shù)據(jù)、社會經(jīng)濟數(shù)據(jù)等數(shù)據(jù)結(jié)合，采用地理信息系統(tǒng)空間及景觀生態(tài)分析方法，在揭示湖北省土地利用格局基礎(chǔ)上分析影響湖北省土地利用格局的主要因素.采用ArcGIS中的魚網(wǎng)劃分方法，將湖北省劃分為10 km×10 km大小相同的正方形網(wǎng)格，以格網(wǎng)為區(qū)域單元來計算、統(tǒng)計與分析各土地類型的景觀指數(shù)、空間組合特征、空間自相關(guān)與環(huán)境因子的灰色關(guān)聯(lián)度.

為進一步探討影響湖北省土地利用格局的主要因素，本研究選取高程、坡度、坡向、水系、年均降水量、年均溫度6個自然環(huán)境指標與人口密度、GDP總量和路網(wǎng)密度3個人文環(huán)境指標，運用灰色關(guān)聯(lián)度(Grey System Theory Modeling Software)及SPSS軟件分析與各類土地斑塊個數(shù)、最大斑塊指數(shù)間的定量的關(guān)系.各指標樣點數(shù)據(jù)采用Kriging法插值，以格網(wǎng)為單元來計算、統(tǒng)計與分析.

灰色關(guān)聯(lián)度分析法是根據(jù)因素之間發(fā)展趨勢的相似或相異程度作為衡量因素間關(guān)聯(lián)程度的一種方法.灰色系統(tǒng)關(guān)聯(lián)分析的步驟首先是確定反映系統(tǒng)行為特征的參考數(shù)列和影響系統(tǒng)行為的比較數(shù)列，然后對參考數(shù)列和比較數(shù)列進行無量綱化處理，再求參考數(shù)列與比較數(shù)列的灰色關(guān)聯(lián)系數(shù)，再求關(guān)聯(lián)度，最后排關(guān)聯(lián)序.其本質(zhì)是在系統(tǒng)發(fā)展過程中，如果兩個因素變化的態(tài)勢是一致的，則可以認為兩者關(guān)聯(lián)較大；反之，則兩者關(guān)聯(lián)度較小.

2 研究結(jié)果

2.1 影響耕地利用格局的主要因素

按照研究方案，得到表1結(jié)果.根據(jù)灰色關(guān)聯(lián)度分析，影響耕地斑塊數(shù)量NP大小(每10 km2)即破碎化程度的環(huán)境因素由強到弱依次為高程、坡向、GDP、坡度、人口密度、降水、經(jīng)度、緯度、氣溫、路網(wǎng)密度、距河距離.這表明地形因素、太陽輻射強弱和社會經(jīng)濟水平對NP的分布具有較大影響與控制作用.相關(guān)性分析表明，由于SPSS與灰色關(guān)聯(lián)分析計算方式不同，經(jīng)度、GDP呈現(xiàn)顯著負相關(guān)，這說明經(jīng)度、GDP與NP呈背向的負相關(guān)關(guān)系，這與湖北境內(nèi)從東南到西北依次分布平原、崗地、低山丘陵、山地的層狀地勢起伏地貌有關(guān)，NP與高程、坡度、坡向的正相關(guān)關(guān)系，加強了這一結(jié)論.影響力排在前5位的因素依次為經(jīng)度、高程、坡度、坡向和GDP.灰色關(guān)聯(lián)度分析顯示，影響耕地最大斑塊(PLI)大小(耕地連片分布的程度)的因素由強到弱依次為：高程、GDP、坡度、坡向，表明地形因素、社會經(jīng)濟水平和太陽輻射強弱對耕地連片分布控制作用.相關(guān)分析顯示PLI與高程、坡向、坡度、距河距離、路網(wǎng)密度、降水都呈顯著負相關(guān)，表明由東向西地形越高，坡度越大，坡向越陰，耕地連片分布越差；GDP、經(jīng)度、人口密度、路網(wǎng)密度與耕地連片呈正相關(guān).

表1 耕地利用格局影響因素分析表

2.2 影響林地利用格局的主要因素

按照研究方案，得到表2結(jié)果.灰色關(guān)聯(lián)度分析顯示，因子影響林地斑塊數(shù)量NP大小的順序是坡度、高程、人口密度、GDP、緯度、經(jīng)度、坡向、氣溫、降水、路網(wǎng)密度、距河距離.說明地形因素、社會經(jīng)濟水平對林地的破碎化程度都具有較大影響.相關(guān)性分析顯示坡向、高程地形因素與林地破碎化程度呈強的負相關(guān)，經(jīng)度與林地破碎化程度呈強的正相關(guān)，表明地形條件是林地破碎化程度首位控制因子，呈負向控制，人文因素GDP、人口密度、路網(wǎng)密度卻呈顯著正相關(guān).在高海拔區(qū)，人跡罕至，人為干擾弱，林地破碎化程度差，林地連片分布.影響力排在前5位的因素依次為坡向、高程、經(jīng)度(與地形空間分布方式有關(guān))、坡度、和GDP、氣溫.灰色關(guān)聯(lián)分析顯示，因子影響林地最大斑塊PLI大小因子順序為坡度、高程、經(jīng)度、GDP、坡向、緯度、人口密度、降水、氣溫、距河距離、路網(wǎng)密度.相關(guān)性分析表明，高程、坡度、坡向林地連片分布呈很強的正相關(guān)，GDP、經(jīng)度、氣溫、人口密度、路網(wǎng)密度卻呈較強的負相關(guān)，進一步說明地形條件對林地連片分布具有很強的引導作用，社會經(jīng)濟發(fā)展水平與林地連片分布具互斥性，影響力排在最前5的因素依次為坡度、高程、經(jīng)度、GDP、緯度.

表2 林地利用格局影響因素分析表

2.3 影響水域利用格局的主要因素

按照研究方案，得到表3結(jié)果.灰色關(guān)聯(lián)度分析顯示，影響水域斑塊數(shù)量NP大小由強到弱因子依次為路網(wǎng)密度、坡度、高程、GDP、緯度、降水、人口密度、經(jīng)度、坡向、氣溫.表明社會經(jīng)濟水平與地形因素共同左右水體的破碎化.相關(guān)性分析顯示，路網(wǎng)密度、人口密度、經(jīng)度、GDP、氣溫、降水與水域的破碎化程度呈正相關(guān)關(guān)系，坡度、高程、緯度與水域的破碎化程度呈負相關(guān)關(guān)系.表明依水體而居的人類對水資源具有較強的依賴，而地形條件是控制水體分布的首位因素，決定了水體的有無與面積大小，間接影響人類的空間分布，人類分布與活動又反饋作用水體，增加其破碎化程度.影響力排在前5位的因素依次為路網(wǎng)密度、坡度、坡向、GDP和緯度.灰色關(guān)聯(lián)分析顯示，因子影響水域最大斑塊PLI大小因子順序為高程、坡度、經(jīng)度、GDP、人口密度、緯度、氣溫、坡向、降水、路網(wǎng)密度.相關(guān)性分析表明，高程、人口密度、坡度、路網(wǎng)密度、坡向、緯度與水域連片分布呈較強的負相關(guān)，GDP、經(jīng)度、降水、氣溫與之呈較強的正相關(guān)，表明地形高程對水體連片分布具有很強的控制作用，人口密度越大的地區(qū)的水體連片分布越差，水體連片分布的水資源豐富地區(qū)經(jīng)濟發(fā)達，GDP較高.影響力排在最前5的因素依次為高程、坡度、經(jīng)度、GDP、人口密度.

表3 水域利用格局影響因素分析表

2.4 影響建設(shè)用地利用格局的主要因素

按照研究方案，得到表4結(jié)果.灰色關(guān)聯(lián)度分析顯示，影響建設(shè)用地斑塊數(shù)量NP大小由強到弱因子依次為高程、GDP、坡度、路網(wǎng)密度、人口密度、距水距離、經(jīng)度、緯度、氣溫、降水、坡向.表明社會經(jīng)濟發(fā)展水平與地形、水資源因素共同影響建設(shè)用地破碎化程度.相關(guān)性分析顯示，高程、坡度、緯度與建設(shè)用地破碎化程度呈較強的負相關(guān)關(guān)系，GDP、路網(wǎng)密度、人口密度、距水距離、經(jīng)度、氣溫與建設(shè)用地的破碎化程度呈正相關(guān)關(guān)系.表明地形條件是建設(shè)用地實現(xiàn)規(guī)?；钣欣臈l件，在社會經(jīng)濟較發(fā)達地區(qū)建設(shè)用地多且分布相對分散，破碎化程度高，城市化區(qū)域水體豐富，湖北省的地貌條件決定了由東到西城市化水平變低，城市規(guī)模變小.影響力排在前5位的因素依次為高程、GDP、坡度、路網(wǎng)密度、人口密度.灰色關(guān)聯(lián)分析顯示，影響建設(shè)用地最大斑塊PLI大小因子的序列為高程、路網(wǎng)密度、GDP、經(jīng)度、人口密度、距水距離、緯度、氣溫、坡度、坡向、降水.相關(guān)性分析顯示，高程、緯度、坡度、坡向與建設(shè)用地規(guī)模呈較強的負相關(guān)，路網(wǎng)密度、GDP、經(jīng)度、人口密度、距水距離與之呈較強的正相關(guān)，表明地形高程對建設(shè)用地規(guī)模具有很強的限制作用，城市規(guī)模越大，路網(wǎng)密度越發(fā)達，人口分布相對越密度，距水體越近，湖北省建設(shè)用地規(guī)模東北部比西南大.影響力排在前5的因素依次為高程、坡度、經(jīng)度、GDP、人口密度.

表4 建設(shè)用地利用格局影響因素分析表

3 基本結(jié)論

根據(jù)以上分析，得出影響湖北省土地利用格局的主要因素，有以下結(jié)論.

(1)耕地的斑塊數(shù)量與高程關(guān)聯(lián)最高，再依次為坡向、GDP、坡度、人口密度、降水、氣溫、路網(wǎng)密度、距水源距離，皆為顯著相關(guān).與高程、坡向、GDP、人口密度關(guān)聯(lián)度分別為0.817、0.787 7、0.688 8、0.673，相關(guān)系數(shù)分別為0.505、0.453、-0.348、0.460.與耕地最大斑塊指數(shù)關(guān)聯(lián)強弱順序為高程、GDP、坡度、坡向、人口密度、降水、氣溫、路網(wǎng)密度、距水源距離，皆為顯著相關(guān).與高程、GDP、坡度、坡向關(guān)聯(lián)度分別為0.812 8、0.751 5、0.751 5、0.716 0，相關(guān)系數(shù)分別為-0.649、0.509、-0.553、-0.636.

(2)與林地斑塊數(shù)量關(guān)聯(lián)強弱順序是坡度、高程、人口密度、GDP、緯度、坡向、經(jīng)度、氣溫、降水、路網(wǎng)密度、距河距離，與坡度、與高程關(guān)聯(lián)度分別為0.955 1、0.825 6.與林地最大斑塊指數(shù)關(guān)聯(lián)強弱順序是坡向、高程、經(jīng)度、GDP、坡度、緯度、人口密度、降水、氣溫、路網(wǎng)密度、距河距離，與坡向關(guān)聯(lián)度達0.936 4，與高程關(guān)聯(lián)度為0.851 8，與人口密度、GDP間呈負相關(guān).充分宣示林地在海拔高、地勢陡峭山區(qū)連通性好，聚集程度高，受人類活動影響較少.表明林地與山地的具有很好依存關(guān)系，與人類活動互斥.

(3)與水域斑塊數(shù)量關(guān)聯(lián)強弱順序是路網(wǎng)密度、坡度、高程、GDP、緯度、降水、人口密度、經(jīng)度、坡向、氣溫，與路網(wǎng)密度關(guān)聯(lián)度達0.867 9，坡度關(guān)聯(lián)度為0.832 4，相關(guān)系數(shù)分別為0.721，-0.710；與水域最大斑塊指數(shù)關(guān)聯(lián)強弱順序是高程、坡度、經(jīng)度、GDP、人口密度、緯度、坡向、氣溫、降水、路網(wǎng)密度.與高程關(guān)聯(lián)程度達0.862 9，與坡度關(guān)聯(lián)度為0.825 3，與兩者的相關(guān)系數(shù)分別為-0.753，-0.533，說明高程與坡度對水域具有很強的限制作用.

(4)與建設(shè)用地斑塊數(shù)量關(guān)聯(lián)強弱順序為氣溫、路網(wǎng)密度、高程、距河距離、坡度、緯度、經(jīng)度、GDP、人口密度、坡向、降水，與氣溫關(guān)聯(lián)度達0.7725，與路網(wǎng)密度關(guān)聯(lián)度為0.7547，相關(guān)系數(shù)分別為0.412，0.721.與建設(shè)用地最大斑塊指數(shù)關(guān)聯(lián)強弱順序是經(jīng)度、坡度、高程、路網(wǎng)密度、氣溫、緯度、GDP、人口密度、距河距離、坡向、降水，與經(jīng)度關(guān)聯(lián)度達0.7813，與坡度關(guān)聯(lián)度為0.7485，與兩者的相關(guān)系數(shù)分別為0.654，-0.327.

(5)對比分析4種景觀板塊數(shù)量的關(guān)聯(lián)度和相關(guān)系數(shù)，路網(wǎng)密度的灰色關(guān)聯(lián)度由大到小排序依次為水域、建設(shè)用地、林地、耕地，水域和建設(shè)用地具有相當高的關(guān)聯(lián)度，耕地和林地處于中間水平；而對應(yīng)相關(guān)系數(shù)排序，水域和建設(shè)用地均為0.01水平上0.721高度相關(guān)，這與灰色關(guān)聯(lián)度十分吻合，耕地和林地的相關(guān)系數(shù)則差異較大，耕地相關(guān)系數(shù)偏低，呈負相關(guān).距河距離的灰色關(guān)聯(lián)度較為均勻，建設(shè)用地略高于耕地和林地；而相關(guān)系數(shù)差距巨大，建設(shè)用地為0.662遠高于耕地和林地.人口密度的灰色關(guān)聯(lián)度十分均勻，說明人口密度因素對四種景觀NP的影響力度差不多；而相關(guān)系數(shù)除了水域和建設(shè)用地均為0.05水平上的0.675，耕地和林地差異較大，其中耕地呈負相關(guān).GDP的灰色關(guān)聯(lián)度也很均勻；相關(guān)系數(shù)差異巨大，建設(shè)用地高達0.792，遠高于耕地和林地，而水域則處于中間值.坡向的關(guān)聯(lián)度耕地要略高于其他3種景觀類型，說明坡向?qū)Ω豊P的影響較大；相關(guān)系數(shù)上只有耕地是正相關(guān)，其他3種景觀類型呈現(xiàn)負相關(guān)，且數(shù)值差異不大.坡度的灰色關(guān)聯(lián)度林地最大，其次為水域，耕地和建設(shè)用地相當，體現(xiàn)為坡度對林地和水域的NP具有較大的影響力；水域和建設(shè)用地的相關(guān)系數(shù)呈現(xiàn)高度的負相關(guān).氣溫的關(guān)聯(lián)度耕地、林地、水域較均勻，建設(shè)用地高于其他3種景觀類型；氣溫與四種景觀類型的相關(guān)系數(shù)差異也不大，只有耕地是負相關(guān).降水因素耕地與水域的關(guān)聯(lián)度要略高于林地和建設(shè)用地，但差異不大；而與四種景觀的相關(guān)系數(shù)水域與建設(shè)用地要高于耕地和林地，且林地呈負相關(guān).高程的灰色關(guān)聯(lián)度均勻且關(guān)聯(lián)度高，耕地、林地和水域高達0.82，建設(shè)用地略低為0.75；而相關(guān)系數(shù)只有水域和建設(shè)用地具有較高的負相關(guān)，分別達到-0.7和-0.84，耕地和林地數(shù)值處于中等水平，林地也為負相關(guān).經(jīng)度與4種景觀類型的灰色關(guān)聯(lián)度和相關(guān)系數(shù)分布十分均勻，數(shù)值差異非常小，處于中等相關(guān).緯度與4種景觀類型的灰色關(guān)聯(lián)度十分均勻，中等相關(guān)，但是相關(guān)系數(shù)差異較大，水域和建設(shè)用地為負向中等相關(guān)，耕地和林地系數(shù)偏小，相關(guān)不明顯.

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Study on influence factors of land use patterns in Hubei Province

ZHANG Yi1，2, XIE Sheng2

(1.School of Earth Science， China University of Geosciences， Wuhan 430074；2.School of Urban and Environmental Science， Central China Normal University， Wuhan 430079)

The characters of land use patterns in Huber Province were revealed using spatial and landscape ecology analysis of geographic information systems. The land use map of Hubei Province in 2009 was combined with DEM， meteorological， hydrological and socio-economic data. Based on this， the main factors influencing the land use patterns were analyzed. The results show that the main influence factors varied with the type of land. For farmland， the most relevant factor with the plaque numbers is elevation， followed sequentially by GDP， slope， population density， precipitation， temperature， road network density， distance to water， which are all significantly correlated. For woodland， the significance of different factors correlated with the plaque numbers are ranked in descending order as elevation， population density， GDP， latitude， aspect， longitude， temperature， precipitation， road density， and the distance from the river. With respect to the water area， the order changed into: road network density， slope， elevation， GDP， latitude， rainfall， population density， latitude， slope and temperature. Besides， the descending order for construction land presents as temperatures， road density， elevation， distance from the river， slope， latitude， longitude， GDP， population density， slope and rainfall．

land use patterns; influence factors; Hubei Province

2015-03-23.

國家社會科學基金項目(13BGL155).

1000-1190(2015)05-0792-05

U412.1+4

A

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