平天湖流域土地利用空間異質(zhì)性特征分析

張姣姣，胡和兵，姜志豪

（1.池州學(xué)院 地理與規(guī)劃學(xué)院，安徽 池州 247000；2.阜陽(yáng)師范大學(xué) 歷史文化與旅游學(xué)院，安徽 阜陽(yáng) 236037）

土地資源是人類(lèi)生產(chǎn)和生活必不可少的自然資源，土地利用/覆被變化（LUCC）一直是相關(guān)研究的熱點(diǎn)[1]。早期主要對(duì)土地利用的數(shù)量變化進(jìn)行研究[2]。隨著3S技術(shù)的快速發(fā)展，在更大時(shí)間和空間尺度上獲取土地利用數(shù)據(jù)成為可能，土地利用空間分異研究也日益受到關(guān)注，許多學(xué)者針對(duì)縣域、市域、省域、全國(guó)等不同尺度，以及不同流域等開(kāi)展了大量研究[3-7]，成果豐碩。但針對(duì)水源地流域進(jìn)行土地利用空間異質(zhì)性的關(guān)注較少。

流域土地利用空間異質(zhì)性是指流域土地利用類(lèi)型組成特征及其在空間分布上的不均勻性和復(fù)雜性。相比于區(qū)域，流域是地球表層相對(duì)獨(dú)立的自然綜合體。以流域?yàn)閱卧M(jìn)行綜合研究與管理是實(shí)現(xiàn)資源開(kāi)發(fā)與環(huán)境保護(hù)相協(xié)調(diào)的最佳途徑[8]。許多研究表明，在點(diǎn)源得到較好控制后，人類(lèi)活動(dòng)影響下的土地利用結(jié)構(gòu)與空間格局變化是導(dǎo)致流域地表水體水質(zhì)惡化的主要原因[9]。其中空間格局決定了流域內(nèi)的能量流動(dòng)和營(yíng)養(yǎng)物質(zhì)循環(huán)過(guò)程，進(jìn)而影響著流域環(huán)境的變化[10]。

鑒于此，以平天湖流域?yàn)檠芯繀^(qū)，借助遙感以及GIS空間分析方法，依據(jù)流域DEM，在將整個(gè)流域劃分為石馬河流域、白沙河流域、碧山河流域以及其他部分等4個(gè)子流域的基礎(chǔ)上，對(duì)平天湖流域土地利用結(jié)構(gòu)、多樣性、有序性以及強(qiáng)度進(jìn)行了空間異質(zhì)性分析，可為平天湖流域的土地利用優(yōu)化以及水源地水質(zhì)保護(hù)提供科學(xué)依據(jù)。

1 研究方法及數(shù)據(jù)來(lái)源

1.1 研究區(qū)域概況

平天湖流域位于安徽省池州市主城區(qū)東南部（圖1），其主體部分位于齊山-平天湖國(guó)家AAAA級(jí)旅游景區(qū)內(nèi)，流域面積約74 km2。屬亞熱帶季風(fēng)性濕潤(rùn)氣候區(qū)，年平均溫度16.1℃，平均年降雨量在1400-1700mm，流域整個(gè)地勢(shì)南高北低，最高海拔在714 m。流域南部為中低山區(qū)，土地利用類(lèi)型以林地為主，中北部為丘陵區(qū)，農(nóng)用地及居民建設(shè)用地是其優(yōu)勢(shì)土地利用類(lèi)型。平天湖現(xiàn)為池州城市備用飲用水水源地，水域面積12 km2，西臨清溪河，北接秋浦河故道后匯入長(zhǎng)江，石馬河、白沙河、碧山河為其3條入湖支流。

圖1 平天湖流域地理位置及子流域劃分

1.2 研究方法

1.2.1 吉布斯—馬丁多樣化指數(shù) 研究土地利用空間差異性可以通過(guò)對(duì)各研究區(qū)土地利用類(lèi)型的多樣化程度進(jìn)行比較和分析，主要分析的目的在于確定研究區(qū)內(nèi)土地利用類(lèi)型的齊全程度和多樣化水平等[11]，其結(jié)果可基于吉布斯—馬丁多樣化指數(shù)來(lái)分析[6]。

1.2.2 信息熵 信息熵最早從熱力學(xué)中引用過(guò)來(lái)，信息熵越大，系統(tǒng)就越復(fù)雜，信息熵越小，系統(tǒng)就越簡(jiǎn)單[12]。目前，許多對(duì)土地利用的研究中都運(yùn)用到信息熵，土地利用信息熵的大小反映了某一地區(qū)土地利用系統(tǒng)的有序程度[8]。

1.2.3 土地利用程度綜合指數(shù) 土地利用程度綜合指數(shù)大小反映了某地區(qū)土地利用的程度，按土地利用程度分析的方法，將土地利用分為4級(jí)。第1級(jí)為未利用地；第2級(jí)為草地、林地、水域；第3級(jí)為耕地；第4級(jí)為居民建設(shè)用地[13]。

1.3 數(shù)據(jù)預(yù)處理

基于2017年遙感影像，利用ENVI5.3進(jìn)行輻射校正、大氣校正、影像融合、鑲嵌與裁剪等一系列處理后，在ArcGIS10.3平臺(tái)上進(jìn)行目視解譯。參考中國(guó)科學(xué)院土地分類(lèi)體系，結(jié)合研究區(qū)土地利用特點(diǎn)，將研究區(qū)域地表類(lèi)型分為6類(lèi)：林地、耕地、草地、建筑用地、未利用地和水體，并采用GPS進(jìn)行野外定點(diǎn)核查，解譯精度達(dá)87.56%，滿(mǎn)足研究要求。基于流域DEM（30 m，來(lái)源于ASTER GDEM），利用ArcGIS10.3的水文分析功能，進(jìn)行平天湖流域邊界提取，并劃分為白沙河流域、石馬河流域、碧山河流域以及其他4個(gè)子流域。

2 結(jié)果與分析

2.1 平天湖流域土地利用結(jié)構(gòu)分析

平天湖流域及其4個(gè)子流域均呈現(xiàn)以林地為主的土地利用結(jié)構(gòu)（圖2）。在整個(gè)流域中，林地面積占比達(dá)57%，其次是耕地，占18%。各子流域占優(yōu)勢(shì)的土地利用類(lèi)型仍是林地。其中石馬河流域林地占比最大，達(dá)69%，其他3個(gè)子流域林地占比差別不大。其次是耕地，耕地的占比在石馬河流域、白沙河流域以及碧山河流域間差別不大，均約占各自流域的20%左右。在各子流域中，建設(shè)用地的占比均較小。建設(shè)用地占比最高的石馬河流域也僅為16.22%。平天湖流域水域的占比最小，在水域分布最多的碧山和流域也僅達(dá)2.4%。

圖2 平天湖流域及子流域土地利用結(jié)構(gòu)

各子流域土地利用類(lèi)型的空間分布存在較大差異。石馬河流域建筑物主要分布在北部站前區(qū)，南部村落建筑物成離散分布、小型聚集，建設(shè)用地面積相對(duì)較廣。耕地主要分布在南部，圍繞著村落分布，耕地周?chē)陨降貫橹?，其土地利用?lèi)型以林地和草地為主。白沙河流域建筑物主要分布在流域的中部，耕地分布在北部和中部，其占比比建筑用地多，流域的南部以山地為主。碧山河流域建筑物主要分布在流域北部教育園區(qū)一帶。流域內(nèi)耕地圍繞著建筑用地分布，集中在流域的北部和南部，其林地和草地主要分布在北部和東部，部分位于南部的山區(qū)。其他部分建筑物主要分布在東北部和南部，占地面積相對(duì)較多，耕地主要分布在北部，圍繞平天湖分布，主要是平天湖提供了充足的水資源，有利于農(nóng)作物的生長(zhǎng)。

2.2 平天湖流域土地利用多樣化分析

石馬河流域、白沙河流域、碧山河流域和其他部分土地利用多樣化指數(shù)分別為0.70、0.48、0.65和0.68，其中石馬河流域土地利用多樣化指數(shù)最高，為0.70，其主要原因是石馬河流域包含了池州站前區(qū)、包家山、區(qū)域內(nèi)居民地、魚(yú)塘和田地等，土地利用類(lèi)型多且占比相對(duì)較為均衡。白沙河流域土地利用多樣指數(shù)最低，為0.48，主要是由于白沙河流域林地的優(yōu)勢(shì)過(guò)于明顯，占流域面積達(dá)68.74%，而其他土地利用類(lèi)型分布過(guò)少導(dǎo)致。

通過(guò)創(chuàng)建平天湖流域采樣格網(wǎng)，計(jì)算每個(gè)格網(wǎng)的土地利用多樣化指數(shù)，將其作為格網(wǎng)中心點(diǎn)的土地利用多樣化指數(shù)，以每個(gè)格網(wǎng)中心點(diǎn)為基礎(chǔ)運(yùn)用克里金插值法對(duì)平天湖流域進(jìn)行插值分析，裁剪后得到平天湖各流域土地利用多樣化等級(jí)圖（圖3）。

圖3 子流域土地利用多樣化空間差異等級(jí)圖

平天湖各流域每個(gè)格網(wǎng)的土地利用多樣化指數(shù)都在0和0.85之間，以0.17為間隔，將平天湖流域土地利用多樣化分為5個(gè)等級(jí)。為更加清楚地分析和比較平天湖各流域土地利用多樣化，在克里金插值分析的基礎(chǔ)上統(tǒng)計(jì)了平天湖各流域土地利用多樣化每一級(jí)別的面積（表1）。

表1 子流域土地利用多樣化等級(jí)面積統(tǒng)計(jì)

各子流域土地利用多樣化程度總體表現(xiàn)為：石馬河流域、碧山河流域較高，而白沙河流域與其他部分較低。石馬河流域中等土地利用多樣化面積占比較大，為48.91%，較高土地利用多樣化面積占20.25%，二者共計(jì)達(dá)69.16%，在4個(gè)子流域中最高。高土地利用多樣化和較高土地利用多樣化集中分布在石馬河流域的北部，這主要是由于北部以池州站前區(qū)為主。隨著齊山花園、徽商江南世家等眾多樓盤(pán)的開(kāi)發(fā)，致使這一區(qū)域土地利用多樣化提高。碧山河流域中等土地利用多樣化面積占比為46.43%，較高土地利用面積占比也較高，為20.58%。教育園區(qū)高和較高土地利用多樣化集中分布在碧山河流域中部的碎嶺一帶，G318國(guó)道跨牧之路（碎嶺）互通立交橋的修建以及周邊農(nóng)林養(yǎng)殖業(yè)等，使得該地段的土地利用多樣化程度提升。

白沙河流域低土地利用多樣化面積占比最大，占比40.18%，這是由于石馬河流域南部土地類(lèi)型以山地為主，土地利用類(lèi)型以單一的林地為主。與石馬流域相同，高土地利用多樣化和較高土地利用多樣化集中分布在流域的北部，主要由站前區(qū)的發(fā)展、G318國(guó)道的修建所致。其他部分的中等土地利用多樣化面積占比最大，占比54.04%，但較高等級(jí)的面積僅占13.30%，土地利用多樣化較高集中分布在平天湖風(fēng)景區(qū)內(nèi)村莊一帶，農(nóng)戶(hù)生計(jì)直接影響土地利用的類(lèi)型及其變化。

2.3 平天湖流域土地利用有序性分析

石馬河、白沙河、碧山河和其他部分土地利用信息熵值分別為1.43、0.97、1.33和1.37，石馬河土地利用信息熵最高，土地利用有序性相對(duì)較低，白沙河流域信息熵最低，土地利用有序性相對(duì)較高，穩(wěn)定性較強(qiáng)。

利用采樣格網(wǎng)中心點(diǎn)的土地利用信息熵進(jìn)行克里金插值分析后，通過(guò)裁剪獲得平天湖各流域土地利用信息熵等級(jí)圖（圖4）。

圖4 子流域土地利用信息熵空間差異等級(jí)圖

平天湖各流域采樣格網(wǎng)的土地利用信息熵都在0和1.69之間，以0.338為間隔，將土地利用信息熵分為五個(gè)等級(jí)，再在克里金插值分析基礎(chǔ)上統(tǒng)計(jì)各等級(jí)面積（表2）。

表2 子流域土地利用信息熵等級(jí)面積統(tǒng)計(jì)

石馬河流域土地利用信息熵主要集中在較低信息熵和中等信息熵之間，中等信息熵面積占比最大，占比44.97%，高、較高信息熵主要分布在北部池州站前區(qū)齊山新村、清溪雅居安置房一帶，這與站前區(qū)建設(shè)、318國(guó)道池州至殷匯段一級(jí)公路改建工程等項(xiàng)目拆遷安置有關(guān)，促進(jìn)了站前區(qū)的面積在不斷的擴(kuò)張，人口流動(dòng)性大，區(qū)域內(nèi)土地利用結(jié)構(gòu)處于相對(duì)較高的無(wú)序化狀態(tài)。白沙河流域土地利用信息熵主要集中在低信息熵和中等信息熵之間，低信息熵面積占比最大，占比42.12%，高、較高信息熵主要分布在北部。碧山河流域土地利用信息熵主要集中在低信息熵和中等信息熵之間，中等信息熵面積占比最大，占比53.04%，高信息熵和較高信息熵主要分布在中部。白沙河流域、碧山河流域受G318國(guó)道修建的影響，調(diào)節(jié)土地利用結(jié)構(gòu)。其他部分土地利用信息熵集中分布低信息熵和中等信息熵之間，中等信息熵面積占比最大，占比55.99%。

2.4 平天湖流域土地利用程度分析

石馬河、白沙河、碧山河和其他部分土地利用綜合指數(shù)分別為245.01、227.78、237.96和225.21，其中石馬河流域的土地利用程度最高，其他部分土地利用程度最低。

利用采樣格網(wǎng)中心點(diǎn)的土地利用程度進(jìn)行克里金插值分析后，通過(guò)裁剪獲得平天湖各流域土地利用程度等級(jí)圖（圖5）。

圖5 子流域土地利用程度空間差異等級(jí)圖

通過(guò)分析計(jì)算得知平天湖各流域每塊采樣網(wǎng)格的土地利用程度指數(shù)都在100和400之間，以60為間隔，將平天湖流域土地利用程度分為5個(gè)等級(jí)。在普通克里金插值分析基礎(chǔ)上統(tǒng)計(jì)平天湖各流域等級(jí)面積（表3）。

表3 子流域土地利用程度等級(jí)面積統(tǒng)計(jì)

石馬河流域土地利用程度低、較低的區(qū)域主要分布在平天湖旁的包家山、蓮花山，土地利用程度中等等級(jí)面積占比最大，占比69.31%，較高和高土地利用程度在流域北部的站前區(qū)、中部和南部均有分布。白沙河流域土地利用程度主要集中在較低土地利用程度和較高土地利用程度之間，較低土地利用程度等級(jí)面積占比最大，占比50.93%，主要是白沙河流域南部集中分布著廣闊的林地。白沙河流域較高和高土地利用程度分布在北部。碧山河流域土地利用程度主要集中在較低土地利用程度和較高土地利用程度之間，較低等級(jí)的土地利用程度區(qū)域?yàn)榱饔蛄值匾粠?，中等土地利用程度等?jí)面積占比最大，占比60.40%，主要在教育園區(qū)、周邊村落一帶。

其他部分較低土地利用程度和中等土地利用程度之間，較低土地利用等級(jí)面積占比最大，占比66.33%，較高和高土地利用程度的區(qū)域主要分布在西部的平天湖度假區(qū)、東北部的高新技術(shù)產(chǎn)業(yè)開(kāi)發(fā)區(qū)一帶。

3 結(jié)論與建議

平天湖整個(gè)流域及其子流域均是以林地為優(yōu)勢(shì)的土地利用結(jié)構(gòu)。整個(gè)流域林地面積占比達(dá)57%，其次是耕地，占比達(dá)18%，而其他土地利用類(lèi)型相差不大；在4個(gè)子流域中，以白沙河流域林地的占比最大，達(dá)68.74%，石馬河占比最小，為46.12%。平天湖流域的土地利用多樣性及有序性在空間上存在一定差異。其中以白沙河流域土地利用多樣性及有序性最低，分別為0.48、0.97，而其他3個(gè)子流域間差異不大。平天湖流域土地利用多樣性、有序性高的區(qū)域主要分布在石馬河流域、白沙河流域、其他部分的北部、碧山河流域的中部。平天湖流域的土地利用程度整體較低。其中石馬河流域和碧山河流域土地利用程度相對(duì)較高，且以中等土地利用強(qiáng)度為主，面積占比分別為69.31%、60.40%，而高土地利用程度占比很少，均在3%以下。

土地利用程度量化了人類(lèi)活動(dòng)對(duì)于土地系統(tǒng)的影響程度，定量地描述了該地區(qū)土地利用的綜合水平和變化趨勢(shì)。隨著池州站前區(qū)、高新技術(shù)開(kāi)發(fā)區(qū)建設(shè)的不斷推進(jìn)，平天湖流域土地資源將遭受空前的壓力。要注重開(kāi)發(fā)規(guī)劃與發(fā)展規(guī)劃相協(xié)調(diào)，注重山、水、林、田、湖、草的保護(hù)。由于區(qū)域內(nèi)土地利用類(lèi)型多樣，需要針對(duì)不同類(lèi)型的土地實(shí)施區(qū)別開(kāi)發(fā)措施。對(duì)強(qiáng)土地利用程度分布區(qū)，應(yīng)嚴(yán)格控制建筑用地的密度，加強(qiáng)區(qū)域綠化和景觀建設(shè)。平天湖作為池州市備用水源地，對(duì)土地利用程度較低的待開(kāi)發(fā)區(qū)域，需要堅(jiān)持生態(tài)保護(hù)和修治并舉，實(shí)現(xiàn)人與自然和諧共生。這樣有助于更加合理的開(kāi)發(fā)和利用土地資源，促進(jìn)區(qū)域可持續(xù)發(fā)展。