基于地形起伏度的貴州省景觀空間格局分異特征*

趙衛(wèi)權(quán),蘇維詞,2,袁俊

(1.貴州省喀斯特資源環(huán)境與發(fā)展研究中心,貴陽550001;2.重慶師范大學(xué)地理科學(xué)學(xué)院,重慶400047)

景觀空間格局主要指各種景觀板塊在空間上的配置,是景觀異質(zhì)性的具體表現(xiàn),同時又是包括干擾在內(nèi)的各種生態(tài)過程在不同尺度上作用的結(jié)果[1]。有學(xué)者從景觀格局變化角度對其進(jìn)行了較為深入的研究[2-5],也有對景觀結(jié)構(gòu)和破碎程度進(jìn)行分析的[6-9],還有的是從景觀生態(tài)學(xué)角度出發(fā)進(jìn)行了探討[10-12]。除此之外,從景觀格局的客觀條件來講,地貌是影響景觀格局的重要驅(qū)動因子[13-15],它通過影響立地條件,物質(zhì)和能量的流動及各種干擾發(fā)生的頻率和強(qiáng)度來影響景觀格局[16-18],地形起伏度又是地貌學(xué)中描述地貌形態(tài)的重要參數(shù)[19],所以地形起伏的空間分布是景觀空間格局的重要驅(qū)動因子。

筆者從地形起伏度角度對貴州省的景觀空間格局的進(jìn)行研究,試圖探求其空間分異特征,揭示其隨地形起伏狀況變化規(guī)律,從整體上把握貴州省景觀空間格局的現(xiàn)狀,預(yù)測其變化趨勢,為貴州喀斯特脆弱生態(tài)環(huán)境綜合治理和社會經(jīng)濟(jì)可持續(xù)發(fā)展提供科學(xué)依據(jù)。

1 研究區(qū)概況與研究方法

1.1 研究區(qū)概況

貴州地貌屬于中國西部高原山地,境內(nèi)地勢西高東低,自中部向北、東、南三面傾斜,平均海拔在1 100m左右。貴州高原山地居多,素有“八山一水一分田”之說。按照常規(guī),全省地貌可概括分為高原山地、丘陵和盆地3種基本類型,其中92.5%的面積為山地和丘陵。境內(nèi)山脈眾多,重巒疊峰,綿延縱橫,山高谷深[20]。貴州巖溶地貌發(fā)育非常典型,喀斯特(出露)面積109 084 km2,占全省國土總面積的61.9%,境內(nèi)巖溶分布范圍廣泛,水土流失已達(dá)43.5%,石漠化面積也在不斷的擴(kuò)大,礦產(chǎn)資源的日益擴(kuò)大又使得礦業(yè)荒漠化土地逐年增加,全省人均耕地已從建國初期的0.12 hm2,下降到目前的0.05 hm2,這些不可逆的變更,加上土地資源的有限性和不可再生性,使得全省的用地緊張[21]?？陀^復(fù)雜的地貌類型和人類社會活動的影響,使得貴州地表景觀支離破碎,生態(tài)環(huán)境脆弱易損。

1.2 研究方法

應(yīng)用GIS的空間分析功能將地形起伏度和景觀類型進(jìn)行疊加,然后再利用景觀分析工具Fragstats3.3從兩個層面對貴州省的景觀格局進(jìn)行分析:(1)不同地形起伏帶上景觀格局分析;(2)各種景觀類型在不同地形起伏帶上的空間格局分析。

1.2.1 地形起伏度提取 采用貴州省1∶50萬DEM數(shù)據(jù)作為基礎(chǔ)數(shù)據(jù)源,利用A rcMap 9.2中的空間分析模塊和3D分析模塊提取地形起伏度。參考徐漢明等通過在全國范圍內(nèi)普遍采樣的基礎(chǔ)上分析出,中國存在2,10,16,20,22 km2五種不同規(guī)模的地勢起伏度最佳統(tǒng)計單元,并各具有實用范圍,2 km2適用于在比例尺大于1∶25萬的地形圖上操作,6,16,20,22 km2分別適用于在比例尺大于1∶55萬、1∶90萬、1︰100萬和1︰105萬地形圖上操作計算[22],研究采用5.76 km2作為統(tǒng)計單元。因為所應(yīng)用DEM數(shù)據(jù)的柵格單元大小為100m×100m,所以,在A rc-Map9.2中進(jìn)行領(lǐng)域正方形分析的時候選取的網(wǎng)格單元為24×24象元模板。具體公式如式(1)。

式中:hij——鄰域內(nèi)每一個像元的高程值;hij,max——鄰域內(nèi)所有像元的高程值的最大值;hij,min——鄰域內(nèi)所有象元的高程值的最小值;ΔH——該鄰域范圍內(nèi)的高差。

表1 貴州省各級地形起伏度面積比例

根據(jù)我國1∶100萬數(shù)字地貌圖的更新與制作過程中,在國內(nèi)外傳統(tǒng)分類的基礎(chǔ)上,采用相對高度,即地勢起伏度作為第一分級指標(biāo),將我國的地勢起伏度劃分為七個等級即:平原(≤30 m)、臺地(31～70 m)、丘陵(71～200 m)、小起伏山地(201～500 m)、中起伏山地(501～1 000 m)、大起伏山地(1 001～2 500m)和極大起伏山地(＞2 501 m)[22]。采用此分類標(biāo)準(zhǔn),結(jié)果表明貴州省只有前面的6類地形起伏度。本文所用的是相對高差值,所以與相關(guān)文獻(xiàn)和資料[23-24]中的山地、丘陵等地貌概念不盡相同,此處只針對一定面積范圍內(nèi)地形起伏而言。結(jié)果表明:貴州省的地形起伏度主要以丘陵、小起伏山和中起伏山為主,占全省總面積的99.03%,這就支撐了“貴州省是全國唯一沒有平原支撐的省份”的說法。地形起伏度小的區(qū)域主要集中在黔中地區(qū),而高起伏度則主要分布在黔西南、黔東南和貴州北部和重慶、四川交界的地區(qū)。各級地形起伏度所占面積比例參見表1,空間分布參見附圖7。

1.2.2 景觀指數(shù)提取

(1)景觀格局。根據(jù)2004年貴州省TM遙感影像判讀結(jié)果,結(jié)合貴州省土地資源經(jīng)營特點、利用方式和覆蓋特征,將景觀類型劃分為以下7類:旱地景觀、水田景觀、林地景觀、草地景觀、水域景觀、聚落景觀和石漠化景觀,其空間分布情況如附圖8所示。

利用A rcGIS9.2的空間分析功能將地形起伏度數(shù)據(jù)和景觀分布數(shù)據(jù)進(jìn)行疊加,然后根據(jù)不同地形起伏度進(jìn)行統(tǒng)計,得出貴州省景觀空間格局隨地形起伏度變化規(guī)律,具體參見表2。

(2)景觀格局的指標(biāo)及其計算方法。景觀格局指標(biāo)計算使用景觀空間格局分析軟件色Fragstats 3.3。通過對貴州省景觀格局的整體特點,選取以下10種指標(biāo):板塊密度(PD)、最大板塊指數(shù)(LPI)、邊緣密度(ED)、景觀形狀指數(shù)(LSI)、周長面積分位(PAFRAC)、板塊結(jié)合度(COHESION)、散步與并列指數(shù)(IJI)、聚集度(A I)、Shannon多樣性指數(shù)(SHDI)和Shannon均勻度指數(shù)(SHEI)。指標(biāo)的具體計算方法見 Fragstats 3.3說明書或者使用幫助。

表2 貴州省景觀類型隨地形起伏度空間分布 km2

2 景觀格局分析

2.1 不同地形起伏帶水平的景觀類型分布

從附圖7-8和表2中可以看出,貴州省主要以丘陵、小起伏山地和中起伏山為主,占總面的99.03%,尤其是小起伏山地最為突出,其面積遠(yuǎn)遠(yuǎn)大于其他起伏度類型。景觀主要以林地(含灌木林地)、草地和旱地為主,分別占54.52%、21.51%和14.66,為各個起伏帶的優(yōu)勢景觀類型,且主要分布在丘陵和小起伏山地。平原和臺地面積很小,主要是旱地、水田占據(jù)該起伏帶;丘陵面積較大,主要以受人類社會活動影響的聚落景觀分布為主,這樣以來,由于貴州省是典型的喀斯特山地,所以城市和居民點的分布主要集中在丘陵地區(qū);小起伏山是貴州省的主要起伏度類型,各種景觀類型也主要分布于該起伏帶;中起伏山面積略低于小起伏山地,受人類活動干擾較小的林地和草地占據(jù)該起伏帶的大部分面積,另外裸露于地表的石漠化景觀也在該起伏帶分布面積較大;貴州省的大起伏山地面積較小,主要是林地和草地分布于此。

由表2可見,小起伏山地是貴州省的主要起伏度類型,各類景觀在該起伏帶上的面積絕對數(shù)量很大。除此之外,水域景觀主要分布在該起伏帶,就為其他景觀尤其是旱地水田等耕地景觀提供了水源,也就是說旱地、水田受地形和水分的影響較大;聚落景觀也是受水域影響較大的景觀類型,它和水域景觀的分布有相似,但是聚落景觀是人類改造自然環(huán)境的結(jié)構(gòu),所以它和人口的分布有直接關(guān)系,所以,貴州省居民主要居住在丘陵地區(qū);石漠化景觀是貴州典型的景觀,它是自然和人類活動共同作用的結(jié)果,所以它的分布除了在小起伏山地之外,在丘陵地區(qū)也有相當(dāng)數(shù)量的分布,就相對面積而言,石漠化景觀分布受地形景觀的影響較大,從而土地退化也是受地形起伏影響。

2.2 景觀格局隨地形起伏的空間分異

由表3可知,板塊密度(PD)隨地形起伏度先減小后增加,說明景觀破碎化程度是先減小后增大,這是因為平原、臺地和丘陵是人類活動頻繁的區(qū)域,人類活動對地表利用覆蓋的影響很大。而小起伏山地和中起伏山地都是人類活動不方便的區(qū)域,在起伏帶內(nèi)主要是自然因素形成地表覆蓋。最大斑塊指數(shù)(LPI)在平原和小起伏山地較大,這主要是因為平原面積很小,而在小起伏山地林地是優(yōu)勢景觀類型;而臺地、丘陵和中起伏山地分別只占4.06%、1.41%和4.49%,說明景觀類型分布相對比較均衡,想多種景觀類型擴(kuò)展,景觀結(jié)構(gòu)比較復(fù)雜。邊緣密度(ED)隨起伏度的增減依次先增加后減小,說明隨地形起伏度的增加,人類活動的影響也依次先增加后減少,原因是個貴州的平地面積極少,人類活動主要集中在丘陵地帶,而起伏度過高的區(qū)域又不利于人類活動。景觀形狀指數(shù)(LSI)先增加后減小,而且其值相差很,最大達(dá)284.31,最小只有12.39,這說明貴州省的景觀結(jié)構(gòu)及其復(fù)雜,形狀也非常不規(guī)整。周長面積分位數(shù)(PAFRAC)也是先增大后減小,隨地形起伏度的增加,地表景觀結(jié)構(gòu)的復(fù)雜程度也是先高后低,主要還是和人類活動的變化區(qū)域相一致的。散布與并列指數(shù)(IJI)在臺地和大起伏山地較大,而在小起伏山地和中起伏山地則較小,說明起伏度較高的區(qū)域?qū)λ囊蕾囆暂^大。聚集度(A I)隨地形起伏度的變化,基本上是依次增加,總的來說就是地形起伏度大的區(qū)域則聚集度較大,否則相反,這就是說地形起伏度較大的區(qū)域是由少量的大板塊聚集而成,而地形起伏較小的區(qū)域是由大量的小版塊構(gòu)成,所以小起伏度地區(qū)景觀較為破碎。斑塊結(jié)合度(COHESION)除了在大起伏山地外,基本上是起伏度小的區(qū)域較小,起伏度大的區(qū)域較大,就是說在起伏度大的區(qū)域,斑塊之間的連接性較好,至于大起伏山地區(qū)結(jié)合度低,是由于貴州喀斯特地貌的影響使其斑塊之間的連通性降低。Shannon多樣性指數(shù)(SHDI)在低起伏度地區(qū)較大,而在高起伏度地區(qū)較小,這是由于在地起伏度地區(qū)林地、旱地、水田、聚落等交錯分布,景觀類型比較豐富,而且分布相對較為均勻,土地利用多樣化指數(shù)較高,而在地形起伏度高的區(qū)域,景觀類型相對比較單一,而且斑塊面積較大。Shannon均勻度指數(shù)(SHEI)和Shannon多樣性指數(shù)的變化趨勢較為相似,在地形起伏度地的區(qū)域景觀的類型多樣,相互之間的分布較為均勻,但是在高起伏度地區(qū),景觀類型較少,優(yōu)勢景觀明顯,景觀類型的均勻性較差。

表3 不同地形起伏帶上的景觀格局變化

從地形起伏度角度來看,貴州省景觀空間格局顯著分異,在地形起伏度較低的區(qū)域由于人類活動頻繁,改變自然景觀的力度較大,景觀形狀差異性大,斑塊比較破碎,景觀類型復(fù)雜多樣,連通性較好,尤其是丘陵地區(qū),各種景觀類型相互交錯,其多樣性非常明顯,各景觀類型之間的連通性顯著;而在地形起伏度較高的地區(qū),景觀類型較為單一,優(yōu)勢景觀明顯,景觀形狀相對簡單,各類景觀之間的連通性較差。

2.3 不同景觀類型隨地形起伏的空間分異

在同一地形起伏帶上,不同景觀所表現(xiàn)出來的空間分異特征也較為顯著。根據(jù)地形起伏度和景觀類型的疊加分析,可以得到不同級別地形起伏度的不同景觀類型格局,如表2所示。平原地區(qū),林地、草地和旱地景觀格局結(jié)構(gòu)較為復(fù)雜,斑塊形狀差異較大,景觀較為破碎,對水分的依賴性較強(qiáng),水田的連通性較強(qiáng),而且聚集度高,由大面積的少量斑塊組成;臺地地區(qū),旱地和水田景觀破碎,而受人類活動嚴(yán)重影響的石漠化景觀和聚落景觀對水的依賴性較強(qiáng),聚落景觀形狀是最規(guī)整的景觀類型,各類景觀的連通性較好、聚集度較高。

丘陵地區(qū),水田景觀的斑塊形狀差異性最大,水域景觀相對較為破碎,但是各類景觀破碎程度相差不大,旱地對水分的依賴性較大,旱地、水田和水域的連通性最好,而聚落和水域的聚集度最高,這是由于該地區(qū)的河流面積較廣;小起伏山地,旱地、水田景觀的斑塊形狀差異最大,主要是在起伏度較大的地區(qū),旱地、水田都很難成片分布,旱地、水田和水域的周長面積分維數(shù)較大,說明其景觀破碎程度較高,該起伏帶的聚落景觀對水分的依賴性較強(qiáng),因為用水比較困難,而林地和石漠化景觀各自內(nèi)部的連通性較強(qiáng),而草地和林地的斑塊之間的均勻度較高;中起伏山地區(qū),林地斑塊形狀差異較大,水域的破碎程度較高,這與該起伏帶的喀斯特地貌類型相關(guān),受其影響,該地區(qū)的水域分布成零散狀,林地和石漠化景觀各自內(nèi)部連通性較好,而且斑塊分布均勻,景觀布局也較為合理;大起伏山地只有5種景觀類型,林地景觀斑塊的形狀差異大,旱地和水田的周長面積分維數(shù)較大,景觀極為破碎,只有零星分布,水為其制約因素,林地、草地和石漠化景觀類型各自內(nèi)部的連通性都比較好,分布也較為均勻,這說明在地形起伏度大的區(qū)域,此3種類型的分布相對可以成片,而且彼此時間及各自內(nèi)部的聯(lián)系緊密,過渡性較好。

表4 不同景觀格局隨地形起伏度的變化

3 結(jié)語

基于DEM數(shù)據(jù)提取的地形起伏度和利用遙感影像數(shù)據(jù)的判讀結(jié)果,運用G IS技術(shù)及景觀格局分析軟件,探討了貴州省景觀格局隨不同地形起伏度的空間結(jié)構(gòu)。結(jié)果表明:貴州省的地形起伏度主要以丘陵、小起伏山地和中起伏山地為主,景觀類型則主要以林地(包括灌木林地)和草地為主。隨著地形起伏度的變化,景觀格局特征分異顯著,人類活動影響的景觀主要分布在丘陵和小起伏山地,自然景觀主要分布在小起伏山地和中起伏山地。在臺地、丘陵等小起伏山地,由于人類活動的影響,景觀類型較為多樣,結(jié)構(gòu)復(fù)雜,破碎程度較高,景觀之間的連通性較好,景觀分布均勻;在地形起伏度較小的地區(qū),景觀類型相對單一、結(jié)構(gòu)較為簡單,連通性較差,景觀布局較為分散。除此之外,不同地形起伏帶上,各景觀類型內(nèi)部差異也較大,在地形起伏度較小的區(qū)域,林地、草地等景觀類型斑塊形狀差異較大,連通性不好,聚集度也較小,而聚落、旱地等景觀的形狀較為規(guī)整,連通性也較好,聚集度較高;地形起伏度較大的地區(qū),林地、草地、石漠化等景觀類型的斑塊形狀較為規(guī)整,破碎程度較低,連通性較好,景觀布局也較為均勻,但是水田、旱地等景觀分布零散,景觀內(nèi)部連通性較差。地形起伏度只是描述地貌特征的參數(shù),要對景觀格局的分異特征進(jìn)行更深層次的研究,還需要進(jìn)一步應(yīng)用高精度的數(shù)據(jù)和較為全面的地貌因子。

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