佛山市地形與土地利用空間關(guān)系研究

佛山市地形與土地利用空間關(guān)系研究［摘要］以廣東省佛山市為例，利用佛山市的數(shù)字高程模型(DigitalElevationModel,DEM)數(shù)據(jù)和佛山市統(tǒng)計年鑒相關(guān)數(shù)據(jù),運用ArcGIS對空間數(shù)據(jù)和屬性數(shù)據(jù)的分析和統(tǒng)計功能,應(yīng)用地形位指數(shù)和地形位分布指數(shù)，用高程、坡向、坡度3個地形因子及地形位指數(shù)分析佛山市的土地利用特征，以及不同土地利用類型的空間分布規(guī)律及與地形位因子之間的關(guān)系。研究結(jié)果表明，高程、坡度、坡向在很大程度上影響著佛山市土地利用類型，地形位梯度更能綜合反映該區(qū)域土地利用變化趨勢，該趨勢比較符合佛山市土地利用類型空間分布規(guī)律和社會經(jīng)濟發(fā)展規(guī)律。［關(guān)鍵詞］地形；土地利用；佛山市，?，?45°、?135°、T=lg0引言地形因子中的高程、坡向、坡度是土地利用的重要影響因素，同時地形因子構(gòu)成了土地利用結(jié)構(gòu)的重要框架，所以，土地利用(LandUse)/土地覆蓋變化(LandCoverChange)(簡稱LUCC)研究的重要內(nèi)容之一就是土地利用的時空變化與地形因子的關(guān)系。地形因子決定著區(qū)域的光照情況、土壤質(zhì)地和水源涵養(yǎng)能力等，進而影響人們利用土地的方式和程度⑴。因此，地形是土地利用的重要影響因素，并且地形差異是土地利用結(jié)構(gòu)和空間分布格局分異的重要影響因素⑵。綜上所述，分析地形對土地利用時空分布變化的影響，可以了解不同級別地形因子下各區(qū)域土地利用類型的空間分布變化［3-4］o我國學(xué)者對土地利用時空變化與地形因子的關(guān)系研究主要集中于高程、坡度、坡向與土地利用的關(guān)系,如分析地形因子對土地利用類型、產(chǎn)值及其經(jīng)濟發(fā)展的影響，分析土地利用變化規(guī)律和驅(qū)動力，分析土地利用的適宜性等［5-7］，較少綜合研究土地利用類型分布特征與高程、坡度、坡向、地形位指數(shù)和分布指數(shù)的關(guān)系。鑒于此，筆者分析廣東省佛山市土地利用類型分布特征，將其與高程、坡度、坡向、地形位指數(shù)和分布指數(shù)之間的關(guān)系進行空間連接，旨在梳理土地利用的空間變化與地形因子的關(guān)系,為區(qū)域土地資源的科學(xué)、可持續(xù)利用提供可靠的理論依據(jù)。1數(shù)據(jù)來源與研究方法1.1數(shù)據(jù)來源與處理利用佛山市2011年的統(tǒng)計數(shù)據(jù)和佛山市的數(shù)字高程模型(DigitalElevationModel，DEM)數(shù)據(jù),結(jié)合研究區(qū)域的土地利用現(xiàn)狀，將土地類型劃分為耕地、園地、林地、建設(shè)用地、水域和水利設(shè)施用地(簡稱水域)及其他用地6類。佛山市海拔為0~740m。為便于研究土地利用與各個地形因子之間的關(guān)系，筆者依據(jù)一定的社會經(jīng)濟規(guī)律和自然規(guī)律，將佛山市的高程按照其在各個級別的分布密度分為7級,分別是0~20m、20-60m、60?120m、120?200m、200?300m、300?400m和400?740m。坡度劃分依據(jù)《土地利用更新調(diào)查技術(shù)規(guī)定》,根據(jù)研究區(qū)域的土地利用類型和地形特征，將坡度分為平坡(0°-5°)、緩坡(5°-15°)、斜坡(15° -25°)、陡坡(25° -35°)和險坡(35°-90°)。坡向共劃分為4個等級，以正北方向為0。，順時針方向度量，依次是陰坡(0°315° -360。)、半陽坡(45°225°-315°)、陽坡(135°-225°)、平緩坡(平坦無坡向地區(qū))。1.2研究方法在結(jié)果分析中，為方便分析土地利用空間分布與地形梯度之間的關(guān)系,筆者引入地形位指數(shù)來度量地形梯度，其計算公式如下：E+1H￡+1式(1)中：T表示地形位指數(shù);E、E分別表示區(qū)域中任意地點的高程值及該點所在區(qū)域的平均高程值;s、S分別表示區(qū)域中任意地點的坡度值及該點所在區(qū)域的平均坡度值。根據(jù)式(1)推導(dǎo)可知，海拔越高、坡度越陡的地點，地形位指數(shù)越大；海拔越低、坡度越緩的地點，地形位指數(shù)越?。缓０屋^高但坡度較緩或海拔較低但坡度較陡的地點，地形位指數(shù)適中。利用地形位指數(shù)分析土地利用空間分布與地形梯度之間的關(guān)系，受到坡度分級的客觀合理性、土地利用面積比例差異的影響，需要使用地形位分布指數(shù)消除這些影響，進而科學(xué)地描述不同土地利用類型在地形梯度上的分布特征。地形位分布指數(shù)計算公式如下：式(2)中:七代表第，種土地利用類型在地形位e上的分布指數(shù)，e代表地形因子;S*為第e種地形位下第，種土地利用類型的面積,單位為km2；S為整個研究區(qū)域第，種土地利用類型的總面積，單位為km2；Se為整個研究區(qū)域第e種地形位的總面積，單位為km2；S為研究區(qū)域總面積,單位為km2。地形位分布指數(shù)是一個標(biāo)準(zhǔn)化、無量綱的指數(shù)。如果Pe大于1,表示第i種地類在第e級地形位上的分布屬于優(yōu)勢分布，Pie值越大，優(yōu)勢度越高,該級別地形適宜該類土地發(fā)育和分布的程度較高；反之，如果Pie小于1，表示第i種地類在第e級地形位上的分布屬于劣勢分布，Pie值越小，優(yōu)勢度越低，該級別地形適宜該類土地發(fā)育和分布的程度較低；如果Pe值等于1,則表示第i種地類在第e級地形位上的比重與研究區(qū)內(nèi)該地類的比重相等。2結(jié)果與分析土地利用類型分布特征隨高程梯度的變化由圖1可知，隨著海拔的升高，除了林地外的其他各種土地利用類型的分布指數(shù)逐漸減小。海拔60m以下耕地分布指數(shù)最大，其中海拔20m以下其分布指數(shù)均大于1.00；隨著海拔的升高，各高程梯度上的分布指

數(shù)逐漸減小,海拔300m處其分布指數(shù)基本趨近于0。這表明在海拔0-60m區(qū)域耕地出現(xiàn)頻率最大，是耕地的優(yōu)勢分布區(qū),且低海拔區(qū)域較適宜耕作。海拔60m以下園地分布指數(shù)比較穩(wěn)定，均在1.00以上,而后隨海拔升高迅速降低，海拔大于300m時其分布指數(shù)趨向于0,表明高程梯度對園地的限制作用顯著。海拔20m以下林地分布指數(shù)都不超過0.50,海拔20-60m區(qū)域林地分布指數(shù)呈現(xiàn)顯著增大趨勢，海拔大于60m的區(qū)域林地分布指數(shù)緩慢增大。建設(shè)用地和水域分布指數(shù)類似，海拔小于20m的區(qū)域其分布指數(shù)均大于1.00,海拔20-60m區(qū)域其分布指數(shù)迅速下降至0.30左右，海拔200m以上區(qū)域其分布指數(shù)基本接近于0,說明建設(shè)用地和水域的分布指數(shù)有緊密的聯(lián)系，有高度的空間自相關(guān)性。隨著海拔的升高，建設(shè)用地分布指數(shù)下降迅速，說明其分布指數(shù)與高程存在極大的關(guān)聯(lián)性，同時表明建設(shè)用地的選址應(yīng)盡可能在低海拔區(qū)。海拔60m以下其他用地分布指數(shù)均大于1.00,海拔120m以上其分布指數(shù)迅速減小，并趨向于0。這說明佛山市未利用土地在海拔60m以下分布密集,便于開發(fā)利用，可開發(fā)利用的土地資源有沙地、裸地、草地、設(shè)施農(nóng)用地。土地利用類型分布特征隨坡度梯度的變化坡度是土地利用的重要影響因素,尤其對建設(shè)用地、水域、耕地的分布影響顯著，陡坡和險坡對人類的各種活動都有較大的限制性。由表1可知,平坡區(qū)建設(shè)用地、水域面積最大，占該區(qū)土地利用總面積的76.60%，是該區(qū)域的主導(dǎo)土地利用方式。隨著坡度的增大，其他用地在緩坡區(qū)所占比例達到峰值,這主要是因空閑地、設(shè)施農(nóng)用地、草地增加所致。同時，緩坡區(qū)林地所占比例迅速增大，林地、建設(shè)用地和水域共同成為該區(qū)域的主導(dǎo)土地利用方式，占該區(qū)土地利用總面積的83.93%,其中建設(shè)用地、水域下降幅度最大，主要是由于隨著坡度的增大，地形對人類活動的限制性增強。在斜坡以上坡度區(qū)間，林地所占比例在70%以上，呈絕對優(yōu)勢分布。由圖2可知，在坡度小于5°的區(qū)域，耕地面積分布最大，是該坡度梯度上的主導(dǎo)土地利用方式。耕地分布指數(shù)隨坡度增大而逐漸減小的原因主要是坡度越大,人類從事農(nóng)業(yè)生產(chǎn)活動的難度越大，投入與產(chǎn)出比越小，所以耕地主要分布在比較平坦的區(qū)域。在坡度小于35°的區(qū)域，耕地分布指數(shù)均大于0.60；在坡度大于35°的區(qū)域，其分布指數(shù)為0.34。這說明當(dāng)?shù)馗刭Y源相對缺乏，人地矛盾比較突出，為了求生存，人們會在坡度大于25°的區(qū)域種植糧食作物。在坡度/(°)耕地坡度/(°)耕地面積/km2占比/%園地林地其他用地建設(shè)用地水域面積/km2占比/%面積/km2占比/%面積/km2占比/%面積/km2占比/%面積/km2占比/%0~5334.60 11.6596.05 3.35131.83 4.59109.433.811130.8639.391068.2437.215~1525.70 6.7911.21 2.97168.75 44.6723.836.31105.2027.8543.1011.4115?2516.45 6.035.61 2.06199.57 73.227.602.7925.009.1718.356.7325?359.23 6.192.53 1.69122.49 82.131.801.215.143.457.955.3335?904.55 3.540.67 0.53117.17 91.290.500.392.201.713.252.54表1不同坡度分級區(qū)域土地利用類型分布特征坡度小于15°的區(qū)域，園地分布指數(shù)都大于1.00;當(dāng)坡度大于15°時，隨著坡度的增加，園地的分布指數(shù)逐漸減小，坡度大于35°時園地分布指數(shù)僅為0.17,說明園地對坡度的適宜性差。在坡度小于5°的區(qū)域,林地分布指數(shù)小于1.00；當(dāng)坡度大于5°時，其分布指數(shù)迅速增大且大于1.00，是該坡度梯度上的主導(dǎo)土地利用方式，且隨著坡度的增加，其分布比例逐漸增大,表明林地對坡度的限制條件有較好的適宜性。在坡度小于5°的區(qū)域，水域分布指數(shù)大于1.00，而后迅速遞減。在坡度小于15°的區(qū)域，建設(shè)用地分布指數(shù)大于0.83,而后遞減趨勢明顯增強,主要是由于隨著坡度的增加，人類生產(chǎn)建設(shè)的難度增大。其他用地主要分布在25°以下的區(qū)域，其中15°以下區(qū)域其分布指數(shù)大于1.00,表明其他用地在15°以下的區(qū)域集中比較分布。圖2各坡度區(qū)土地利用類型分布指數(shù)土地利用類型分布特征隨坡向梯度的變化坡向作為地形因子的重要因素，對土地利用中的光照條件影響顯著。由圖3可知，耕地主要分布在平緩坡、陽坡、半陽坡，分布指數(shù)大于0.55,其中平緩坡其分布指數(shù)都大于1.00。這3個坡向梯度區(qū)域為耕地的坡向優(yōu)勢區(qū)，占該區(qū)域土地總面積的96.5%，表明耕地對光照、熱量、水分條件的要求較高。園地這與耕地相似，也主要分布在平緩坡、陽坡、半陽坡,其分布指數(shù)都大于0.70，這3個坡向梯度區(qū)域同樣為園地的坡向優(yōu)勢區(qū)。林地和其他用地的分布幾乎不受坡向限制，在各個坡向上其分布指數(shù)變化都不大,也就是說林地和其他用地的分布基本上沒有方向性,說明林地和其他用地對各個坡向具有較強的適宜性,與耕地、園地的適宜條件相反，林地和其他用地受光熱水的影響較小。建設(shè)用地主要分布在平緩坡，其分布指數(shù)大于1.00，在陽坡、半陽坡的分布指數(shù)大于陰坡，但差別不大，說明建設(shè)用地對坡向的適宜性較強。水域主要分布在平地，在各坡向上變化幅度不大。圖3各坡向區(qū)土地利用類型分布指數(shù)2.4 土地利用類型分布特征隨地形位梯度的變化由圖4可知,佛山市地形位梯度在0~1.60，當(dāng)?shù)匦挝惶荻葹?~0.60時，耕地的分布指數(shù)均大于0.60，其中0~0.20區(qū)間其分布指數(shù)大于1.00，耕地分布優(yōu)勢明顯；當(dāng)?shù)匦挝惶荻却笥?.60時,耕地分布指數(shù)迅速減小，最終其分布指數(shù)在地形位指數(shù)為1.20~1.40時趨向于0。這表明在低地形位梯度上，耕地存在分布優(yōu)勢，而在較高地形位梯度上,耕地對高程和坡度的適宜性差，耕地分布指數(shù)小。當(dāng)?shù)匦挝恢笖?shù)為0~0.20時，林地分布指數(shù)為0.27；地形位指數(shù)大于0.21時,林地分布指數(shù)均大于2.00。這說明林地在低地形位梯度上受耕地、建設(shè)用地、水域等分布的影響較大，而在較高地形位梯度上林地分布存在明顯優(yōu)勢，表明林地比耕地、園地、建設(shè)用地對高程和坡度的適宜性強。當(dāng)?shù)匦挝惶荻葹?~0.40時，建設(shè)用地分布指數(shù)大于0.70，其中地形位梯度為0~0.20時建設(shè)用地和水域分布指數(shù)大于1.00。這圖4各地形位梯度土地利用類型分布指數(shù)表明人類的生產(chǎn)建設(shè)活動對高程和坡度的依賴性強，在建設(shè)用地分配使用中需重點考慮地形位梯度和水域分布。當(dāng)?shù)匦挝惶荻葹?~0.60時,其他用地分布指數(shù)大于0.58,其中地形位梯度為0~0.40時其分布指數(shù)均大于1.00，尤其是地形位梯度為0.21~0.40時，除了林地外，其分布指數(shù)最大，表明在較低地形位梯度上其他用地優(yōu)勢區(qū)位明顯。在以后的生產(chǎn)建設(shè)中，應(yīng)注重科學(xué)合理開發(fā)其他用地，注重開發(fā)與生態(tài)建設(shè)并行。3結(jié)論與討論在一定程度上，地形是土地利用空間分布差異的決定因素。土地利用類型分布特征隨地形梯度的變化能反映該地域的地形條件，反映各個土地利用類型的分布優(yōu)勢區(qū)位,反映各級地形梯度上的土地主導(dǎo)利用方式，也能闡述各種土地利用類型的適宜條件、限制因素及未來的發(fā)展方向。在大尺寸地形位梯度上，佛山市土地利用類型分布特征存在明顯差異：耕地、園地和其他用地主要分布在第一、二、三級地形位梯度上，表明耕地、園地、其他用地對高程和坡度具有較差的土地適應(yīng)性。其原因主要是低海拔區(qū)域光、熱、水資源豐富，比較適宜耕作；坡度越大，人類從事農(nóng)業(yè)生產(chǎn)活動和生產(chǎn)建設(shè)的難度越大，投入與產(chǎn)出比越小，所以耕地、園地、其他用地主要分布在比較平坦的區(qū)域。同種土地類型在高程、坡度、坡向、地形位梯度上的分布指數(shù)具有一定的相似性。林地在較低高程梯度等級區(qū)域上分布指數(shù)較低,而在中高高程梯度等級區(qū)域上具有明顯分布優(yōu)勢；林地在較低坡度梯度上分布指