基于地形起伏度的呂梁市景觀空間格局分異特征

陳學(xué)兄,徐雯亮,韓偉宏

(1.山西農(nóng)業(yè)大學(xué) 資源環(huán)境學(xué)院，山西 太谷 030801；2.山西農(nóng)業(yè)大學(xué) 農(nóng)業(yè)資源與環(huán)境國家級實驗教學(xué)示范中心，山西 太谷 030801；3.山西農(nóng)業(yè)大學(xué) 農(nóng)業(yè)經(jīng)濟(jì)管理學(xué)院/資源與經(jīng)濟(jì)研究所，山西 太原 030006)

景觀空間格局指形狀和大小不一的景觀斑塊在空間上的配置，是景觀異質(zhì)性的具體體現(xiàn)，包含干擾在內(nèi)的各種生態(tài)過程在不同尺度上作用的結(jié)果[1-3]。景觀空間格局是景觀生態(tài)學(xué)研究的核心內(nèi)容之一，又是進(jìn)行景觀功能和景觀動態(tài)研究的基礎(chǔ)和關(guān)鍵，因此對景觀的空間研究是分析景觀格局、了解景觀過程、把握景觀動態(tài)的基礎(chǔ)[4-5]。當(dāng)前我國學(xué)者已開展了大量的研究工作，但主要在景觀格局動態(tài)變化研究[6-10]、景觀格局優(yōu)化研究[11-16]、景觀格局與生態(tài)過程的耦合途徑分析[17]、景觀格局演變及驅(qū)動力分析[18-19]和景觀格局演變及生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)價值分析[20]等方面。地貌是影響景觀格局的重要因子[21]。地形起伏度又是描述地貌形態(tài)的重要參數(shù)，其空間分布為影響景觀空間格局的重要驅(qū)動因子[21]。目前，將景觀空間格局與地形起伏度結(jié)合在一起分析的研究較少，且研究區(qū)域集中在云貴高原區(qū)[21]、區(qū)域流域等[22-23]，有關(guān)黃土丘陵區(qū)的相關(guān)研究尚未見報道。本研究從地形起伏度的角度研究呂梁市的景觀空間格局，對其空間分異特征進(jìn)行分析，并揭示其隨地形起伏狀況的變化規(guī)律，旨在為研究區(qū)脆弱生態(tài)環(huán)境治理和指導(dǎo)該區(qū)景觀生態(tài)建設(shè)提供理論依據(jù)。

1 研究區(qū)概況

呂梁市(36°43′-38°43′N，110°22′-112°19′E)因呂梁山脈縱貫全境而得名，地處山西省中部西側(cè)，東部鄰接太原市、晉中市，西隔黃河與陜北相望，南部、北部分別與臨汾市、忻州市交界。呂梁屬黃土丘陵溝壑區(qū)，地勢中間高兩翼低，平均海拔1 000～2 000 m。地貌大致分為平川區(qū)、丘陵區(qū)和中山區(qū)3種類型。山地兩翼丘陵起伏，溝壑縱橫，水土流失嚴(yán)重，東部地勢平坦，是太原盆地西部邊緣，為主要農(nóng)業(yè)區(qū)。景觀類型以黃土地貌和林地為主。全市基本屬于溫帶大陸性季風(fēng)氣候區(qū)，四季分明。復(fù)雜、多變的地貌類型和人類社會活動的影響，使該市境內(nèi)地表景觀支離破碎，生態(tài)環(huán)境也十分脆弱。

2 材料與方法

2.1 數(shù)據(jù)來源與預(yù)處理

基礎(chǔ)數(shù)據(jù)為2008年5月Landsat-5 TM影像、2018年3月Landsat-8 OLI影像、30 m分辨率的ASTER GDEM數(shù)據(jù)和呂梁市矢量邊界數(shù)據(jù)。利用ArcGIS 10.0和ENVI 5.3分別對ASTER GDEM數(shù)據(jù)及影像數(shù)據(jù)進(jìn)行鑲嵌、裁剪、輻射定標(biāo)、大氣校正等預(yù)處理。

2.2 研究方法

2.2.1 鄰域分析法 地形起伏度指在某一確定面積內(nèi)最大與最小高程之差[24-26]。利用鄰域分析法[24-26]提取呂梁市地形起伏度，鄰域分析所用矩形窗口大小為n×n像元(n=2,3,…,30)，提取步驟：1)統(tǒng)計不同窗口(n×n,n=2,3,…,30)內(nèi)像元的最大及最小值；2)計算不同窗口內(nèi)最大值和最小值的差值；3)統(tǒng)計n×n窗口的平均起伏度值，并對不同鄰域窗口所對應(yīng)的面積進(jìn)行計算，結(jié)果見表1。

利用統(tǒng)計軟件對表1中的鄰域面積與平均起伏度值進(jìn)行對數(shù)方程擬合，得到擬合方程為y=27.875ln(x)+15.462，決定系數(shù)R2=0.969 9，擬合效果較好，通過統(tǒng)計學(xué)檢驗。

由表1可知，平均起伏度值起初隨著鄰域面積的增大而迅速增大，當(dāng)鄰域面積達(dá)到一定閾值時，其變化幅度比較平穩(wěn)，依靠目視很難確定該閾值(即最佳統(tǒng)計單元大小)，為避免主觀因素的影響，本研究采用統(tǒng)計學(xué)上的均值變點分析法進(jìn)行計算。

2.2.2 均值變點分析法 提取地形起伏度的關(guān)鍵步驟是確定最佳統(tǒng)計單元大小，而均值變點分析法是目前應(yīng)用最多的一種定量方法。根據(jù)均值變點分析法的原理構(gòu)建樣本序列，步驟為：1)計算各統(tǒng)計單元下的單位地勢度T，Ti=平均起伏度(ti)/鄰域面積(si)(i=2,3,...,30)；2)對T取對數(shù)，得到序列X{xk,k=1,2,3,...,29}；3)利用公式(1)(2)(3)和表1數(shù)據(jù)計算S和Si的值[24-26]。

表1 鄰域面積與平均起伏度值對照Table 1 Comparison of neighborhood area and average amplitude value

(1)

(2)

(3)

表2 均值變點分析法統(tǒng)計Table 2 Statistical results of mean change-point analysis method

由表2得知，在i=12時，S與Si的差值達(dá)到了最大，即利用該方法計算得到的最佳統(tǒng)計單元大小為13×13(15.21×104m2)，根據(jù)《中國1∶100萬地貌制圖規(guī)范(試行)中的地貌基本形態(tài)劃分體系》[27]及相關(guān)研究，并結(jié)合呂梁市實際情況，將呂梁市地形起伏度分為4級，分別為平原(<30 m)、臺地(30～70 m)、丘陵(70～200 m)、小起伏山地(200～500 m)，得到呂梁市地形起伏度分級圖(圖1)。統(tǒng)計各級地形起伏度所占面積比例(表3)。

由表3和圖1分析可得，呂梁市的地形起伏度以丘陵為主，臺地此之，兩者面積占全市總面積的90.83%。平原面積較小，占比8.56%，分布于東南部，與晉中盆地接壤，主要集中于孝義市、文水縣、汾陽市、交城縣境內(nèi)以及黃河流經(jīng)之處，這里人口聚集，平原的地形特點有利于人們在此開展社會經(jīng)濟(jì)活動；小起伏山僅占全市總面積的0.61%，集中分布于呂梁市中東部地區(qū)。

表3 呂梁市各級地形起伏度所占面積及面積百分比Table 3 Area and area percentage of relief amplitude at all levels in Lüliang city

2.2.3 景觀指數(shù)提取

2.2.3.1 景觀格局 依據(jù)呂梁市2008年Landsat-5 TM影像和2018年Landsat-8 OLI影像判讀結(jié)果，結(jié)合研究區(qū)土地利用和覆蓋特征，將景觀類型劃分為8類：黃土地貌、居民點、水域、林地、水澆地、旱地、未利用地和工礦用地。2008年及2018年呂梁市景觀類型空間分布情況見圖2。

由圖2可以看出，2008年及2018年呂梁市景觀類型均以黃土地貌和林地為主。10 a間景觀類型的變化以未利用地最為明顯。由于呂梁市地處山西省西部，受黃河以及西北風(fēng)沙影響，境內(nèi)黃土地貌溝壑縱橫，塬梁峁川地貌類型清晰可見。林地位于呂梁市東部，分布集中成片。水澆地、旱地分布于東北和東南地區(qū)的居民點周圍以及黃河各分支周圍。未利用地主要分布于西部黃河河道周圍。居民點和工礦用地分布在東南和東北，呈塊狀成片或點狀分布。水域大部分呈條狀分布于呂梁市最西側(cè)，少數(shù)零星分布于各居民點周圍。居民點沿河道呈成片分布。結(jié)合圖1，從地形起伏度角度可以看出黃土地貌主要存在于丘陵、臺地這種低起伏地帶；居民點分布于平原、臺地、丘陵這些低起伏帶，由于這些地區(qū)便于人類對自然界的改造，并且居民點的分布與水域、水澆地、旱地的分布范圍大體相同，這也表明人類聚居地的選擇很大程度上與水和土地的分布有關(guān)，盡可能選擇適合農(nóng)作物生長的水源豐富的低起伏地帶；林地分布在丘陵、小起伏山地；未利用地分布于黃河河道周邊的丘陵和臺地，受黃河影響不利于種植作物。

圖1 呂梁市地形起伏度分級Fig.1 Classification map of relief amplitude in Lüliang city

圖2 呂梁市景觀類型空間分布Fig.2 Spatial distribution map of landscape types in Lüliang city

2.2.3.2 景觀指數(shù)計算方法 景觀指數(shù)有斑塊類型水平指數(shù)(class-level index)、斑塊水平指數(shù)(patch-level index)和景觀水平指數(shù)(landscape-level index)3種[28]。本研究利用Fragstats 4.2計算呂梁市斑塊類型水平指數(shù)。斑塊類型水平指數(shù)選取面積-邊緣類型指數(shù)及聚集度指數(shù)2種，指數(shù)的計算方法見Fragstats 4.2說明書或使用幫助。

3 結(jié)果與分析

利用ArcGIS的空間分析功能，將呂梁市地形起伏度分級圖分別與2008年及2018年呂梁市景觀類型圖疊加，然后將其轉(zhuǎn)為柵格數(shù)據(jù)，最后利用Fragstats4.2在斑塊類型水平上研究2008-2018年呂梁市不同地形起伏帶水平的景觀類型分布，分析景觀格局變化情況。

3.1 面積-邊緣類型指數(shù)變化分析

面積-邊緣類型指數(shù)選擇斑塊面積(class area，CA)和最大斑塊指數(shù)(largest patch index，LPI)，以表征斑塊大小和優(yōu)勢度。通過景觀指數(shù)分析模塊計算2008年及2018年不同地形起伏帶水平各景觀類型的面積-邊緣類型景觀指數(shù)，結(jié)果見表4。

由表4分析可知：平原地區(qū)2008-2018年，黃土地貌、水域、林地、水澆地、旱地和工礦用地的斑塊面積(CA)增大，其景觀范圍擴(kuò)大，而未利用地的斑塊面積由324.12 km2減小為133.62 km2，減小程度最大，主要轉(zhuǎn)化為了旱地、水澆地等對水分依賴程度較大的景觀類型；未利用地的減少、工礦用地面積的增加可以看出，近年來呂梁市各縣市經(jīng)濟(jì)開發(fā)力度增強(qiáng)，越來越多的閑置土地轉(zhuǎn)化為利于經(jīng)濟(jì)發(fā)展的土地類型，景觀狀況不斷轉(zhuǎn)變；居民點的斑塊面積(CA)由485.46 km2增長到575.23 km2，而其最大斑塊指數(shù)(LPI)由0.91%減小到0.31%，說明隨著呂梁市城鎮(zhèn)化的發(fā)展，居民點分布范圍擴(kuò)大，斑塊均質(zhì)性上升，居民點內(nèi)斑塊類型減少；其余景觀的最大斑塊指數(shù)(LPI)增大或不變，表明景觀異質(zhì)性增大，景觀內(nèi)部斑塊類型愈加豐富。臺地地區(qū)，居民點、水澆地和未利用地的斑塊面積(CA)減小，而黃土地貌、林地、旱地的斑塊面積(CA)增大，且面積變化顯著；未利用地的最大斑塊指數(shù)(LPI)由0.42%下降到0.02%，表明未利用地斑塊趨于均質(zhì)性。丘陵地區(qū)，由于其所占面積為呂梁市總面積的2/3，所以大多景觀類型所占面積都較大；2018年林地的最大斑塊指數(shù)(LPI)占比達(dá)14.76%，林地為丘陵地區(qū)優(yōu)勢景觀類型。小起伏山地，居民點、旱地、水澆地分布很少，主要由于隨著地形起伏度的升高，不利于居民居住，且旱地、水澆地等主要耕地類型對水分的依賴程度較大，而小起伏山地地區(qū)無法供給充足的水源；林地的斑塊面積(CA)從86.50 km2增加到103.58 km2，其最大斑塊指數(shù)(LPI)為最大，表明林地為小起伏山地地區(qū)的優(yōu)勢景觀類型；黃土地貌斑塊面積(CA)的減少，說明林地面積的增加緩解了呂梁市脆弱的生態(tài)環(huán)境，更多松散易發(fā)生水土流失的土地類型被林地所覆蓋，這對自然災(zāi)害起到了良好的抵御作用，使生態(tài)環(huán)境改善。

表4 2008、2018年不同地形起伏帶上各景觀類型的面積-邊緣類型變化Table 4 The area-edge type changes of different landscape types at different relief zones in 2008 and 2018

3.2 聚集度指數(shù)變化分析

聚集度指標(biāo)主要表征景觀中不同斑塊的數(shù)量、密度、聚集度、鑲嵌度、連通性信息[29]。研究選取斑塊總數(shù)(NP)、斑塊密度(PD)、景觀形狀指數(shù)(LSI)、散布與并列系數(shù)(IJI)4種聚集度指標(biāo)，分析呂梁市2008-2018年10 a間各景觀類型的聚集度變化，表征景觀的破碎程度、形狀變化及聚集程度見表5。

由表5可知，平原地區(qū)2008-2018年居民點的景觀斑塊數(shù)量由29 500個增加到31 686個、景觀形狀指數(shù)由189.11減少到123.06、散布與并列系數(shù)由41.00%增大到54.07%，這些指數(shù)的變化表明呂梁市近10 a間平原地區(qū)的居民點分布越來越密集，斑塊形狀愈加規(guī)整，斑塊連通性加強(qiáng)，這也與呂梁市近年來城市基礎(chǔ)設(shè)施建設(shè)力度加大、交通線路的增加、鄉(xiāng)村振興轉(zhuǎn)型發(fā)展等政策的實施密不可分，使得居民點斑塊連通性增大，城鎮(zhèn)化水平提升；水澆地的斑塊數(shù)量(NP)由12 197個增加到21 837個，可看出其破碎度增大，斑塊類型愈加豐富；未利用地的景觀形狀指數(shù)(LSI)顯著下降，由252.23減少到156.22，表明在人類改造下未利用地的斑塊結(jié)構(gòu)愈加簡化，破碎減少；水域連通性變化較小，但在2008、2018年均為最大值，分別為58.78%及60.88%，說明水域的成片分布不僅為各種景觀類型提供了豐富的資源供給，還能起到改善城市熱島效應(yīng)、促進(jìn)城鄉(xiāng)一體化發(fā)展、增加景觀類型多樣性等作用。臺地地區(qū)，水域散布與并列系數(shù)(IJI)由64.24%增加到69.56%，未利用地和黃土地貌的斑塊數(shù)量(NP)增加，說明此區(qū)域黃河支流連通分布影響到未利用地的擴(kuò)展及黃土地貌的發(fā)育；對水分依賴較大的居民點、工礦用地、水澆地、旱地也因水域的連通性較好相對分布較多，并且四者的散布與并列系數(shù)(IJI)增大，分布更加集中。丘陵地區(qū)，2008-2018年水域的景觀形狀指數(shù)(LSI)由166.54增加到224.32，而旱地由363.26增加到454.14，可看出在人類改造下水域和旱地的斑塊形狀更加復(fù)雜；水域、林地、旱地斑塊密度(PD)分別由1.42、4.31、4.96個·km-2增加至2.04、5.11、8.23個·km-2，表明三者的景觀斑塊破碎度增大，斑塊類型更加豐富；由于丘陵為呂梁市主要的地形類型，居民聚集較多，通過10 a間不斷改造，所有景觀類型的聚集度上升，連通性均有所增強(qiáng)，越來越有利于經(jīng)濟(jì)建設(shè)的發(fā)展。小起伏山，由于地形起伏度的升高，人類活動減少，各景觀類型破碎化水平小，形態(tài)規(guī)整；旱地、林地、工礦用地連通性變差，愈加散亂分布。

表5 2008、2018年不同地形起伏帶上各景觀類型的聚集度變化Table 5 The aggregation changes of different landscape types at different relief zones in 2008 and 2018

4 結(jié)論與討論

利用ASTER GDEM數(shù)據(jù)提取呂梁市地形起伏度，結(jié)合2008年和2018年影像數(shù)據(jù)解譯結(jié)果，使用Fragstats 4.2對斑塊類型水平景觀指數(shù)進(jìn)行了計算，并分析探討呂梁市景觀格局隨不同地形起伏度的空間格局。結(jié)果表明，呂梁市地形起伏度以丘陵為主，臺地此之，兩者面積占全市總面積的90.83%，平原面積占比8.56%，而小起伏山僅占全市總面積的0.61%。2008年及2018年呂梁市景觀類型均以黃土地貌和林地為主，10 a間景觀類型變化以未利用地最為明顯。平原地區(qū)，未利用地的斑塊面積由324.12 km2減小為133.62 km2，主要轉(zhuǎn)化為了旱地、水澆地等景觀類型；居民點的最大斑塊指數(shù)(LPI)由0.91%減小到0.31%，斑塊數(shù)量(NP)由29 500個增加到31 686個、景觀形狀指數(shù)(LSI)由189.11減少到123.06、散布與并列系數(shù)(IJI)由41.00%增大到54.07%，表明其分布范圍擴(kuò)大，分布越來越密集，斑塊形狀愈加規(guī)整，斑塊連通性加強(qiáng)；未利用地的景觀形狀指數(shù)顯著下降，由252.23減少到156.22，其斑塊結(jié)構(gòu)愈加簡化。臺地地區(qū)，黃土地貌、林地、旱地的斑塊面積分別由1 895.41、414.49、259.78 km2增加至2 173.44、920.46、544.42 km2。丘陵地區(qū)，2018年林地的最大斑塊指數(shù)占比達(dá)14.76%，林地為丘陵地區(qū)優(yōu)勢景觀類型；水域的景觀形狀指數(shù)由166.54增加到224.32，而旱地由363.26增加到454.14，二者的斑塊形狀更加復(fù)雜；水域、林地、旱地斑塊密度分別由1.42、4.31、4.96個·km-2增加至2.04、5.11、8.23個·km-2，三者的景觀斑塊破碎度增大，斑塊類型更豐富。小起伏山地，林地的斑塊面積從86.50 km2增加到103.58 km2，其最大斑塊指數(shù)為最大，表明林地為小起伏山地地區(qū)的優(yōu)勢景觀類型。隨著地形起伏度的變化，呂梁市景觀空間格局分異特征明顯。地形起伏度只是描述地貌形態(tài)的重要參數(shù)，如對景觀空間格局分異特征進(jìn)行更深入研究，還需應(yīng)用較為全面的地貌因子。