微地貌制约下江汉平原土地利用分异特征及变化方向

微地貌制约下江汉平原土地利用分异特征及变化方向
潘方杰;王宏志;李仁东
【摘要】江汉平原大平小不平,具有平原湖区、平缓岗地区和起伏丘陵区3种微地貌单元.以江汉平原为研究区,研究分析微地貌格局下土地利用的特征.将江汉平原土地利用图层(1990,2010年)与微地貌单元图进行叠置,提取不同地貌单元下两期土地利用类型图斑的周长、面积等信息;分析验证了江汉平原微地貌单元下各土地利用类型存在分形关系,采用分维数等指标定量分析了不同微地貌单元下各土地利用类型的特征和变化方向.结果表明:(1)各微地貌单元土地利用类型结构差异明显,平原湖区和起伏丘陵区耕地占绝对主导地位,而平缓岗地区林地占绝对主导地位.(2)各土地利用类型斑块的连片性在不同微地貌单元呈现出很大差异.1990-2010年平原湖区耕地、水域、建设用地和未利用地的连片性均很好,而起伏丘陵区仅有林地和草地表现出最好的连片性.(3) 1990-2010年平原湖区各地类分维数呈下降趋势,稳定性增加;各微地貌区土地利用类型的分维数和稳定性指数值及其变化在一定程度上反映了地形地貌、自然环境及人类干扰对土地利用变化的影响.%Taking Jianghan Plain as the study area,the paper has studied the influence of micro-landform pattern on land use characteristic and change direction.The Jianghan Plain had the character of overall fiat but ups and downs in the middle forming three micro-landform units that is plain lakes area,gently gradated mounds area and rolling hills area.The overlay analysis of land use layers and micro-landform maps were done to extract the information of their perimeters and areas,etc,describing the land use patches;then,on the basis of validation the fractal relation of area-perimeter of various land-use types were objective existence under different micro-landform
units of the Jianghan Plain,some indices such as the fractal dimension and the stability index were calculated to quantitatively analyze the characteristic and change direction of the different land use types in the micro-landform units of the Jianghan Plain.The results are as following:(1) The structure differentiation of land use types under different micro-landform units is obvious.The cultivated land occupied an absolutely dominant position in plain lakes area and rolling hills area,while the woodland played a dominant role in gently gradient mounds area.(2) The connectivity of different land use types show great differentiation under different micro-landform units.The cultivated land,waters,construction and unutilized land all showed better connectivity in plain lakes area from 1990 to 2010;while only the woodland and grassland showed the best connectivity in rolling hills area because of the restricted space.(3) The fractal dimension of land use types is on the decline in plain lakes area from 1990 to 2010,while the stability index is increasing;the value of fractal dimension and stability index and its changes of land use types under different micro-landform reflect the effects of topography,natural environment and human interference on land use change in some degree.This research improves our understanding of the differentiation of land use types under different micro-landform units,and facilitates the rational layout and the structure optimization of land use.
【期刊名称】《地域研究与开发》
【年(卷),期】2018(037)001
【总页数】6页(P138-142,164)
【关键词】微地貌单元;土地利用;连片度;分维数;江汉平原
【作者】潘方杰;王宏志;李仁东
【作者单位】华中师范大学地理过程分析与模拟湖北省重点实验室,武汉430079;华中师范大学城市与环境科学学院,武汉430079;华中师范大学地理过程分析与模拟湖北省重点实验室,武汉430079;华中师范大学城市与环境科学学院,武汉430079;中国科学院测量与地球物理研究所,武汉430077
【正文语种】中文
【中图分类】F301.24
0 引言
区域自然地理环境是土地利用的基础，很大程度地限制了人类利用土地资源的方式是否具有经济性和持续性。

土地利用具有动态性、变化性、相对不稳定性和复杂性等特征[1]，不同土地利用类型斑块镶嵌结构在自然和人类协同作用下，在空间上表现为不断扩张与收缩[2]以及边界的形态特征变化。

分形理论由B.B.Mandelbrot 于20世纪70年代提出，在描述复杂不规则几何形状嵌套的自然空间现象方面具有独特的优势[3]，为研究空间分异规律提供了新的定量分析方法。

近年来，不少学者运用分形理论对土地利用空间格局进行了研究。

如从静态角度出发基于分形理论对特定区域土地利用类型分形特征进行分析[4-5]；从动态角度出发定量探讨了土地利用分形动态特征，揭示了该地区各土地利用类型随时间的变化过程和机制[6-8]；从大的地形地貌角度，以镇江市为例对丘陵区土地利用空间的分形特征进行研究，得出不同地貌类型对土地利用分异规律具有显著影响[9]；同
时，研究尺度出现多样化并呈现出不断深化的趋势，不仅有学者对大尺度地区，如国家尺度、流域尺度(黄土高原、珠江三角洲、滇池)等的土地利用分形特征进行了案例研究[10-13]，也有学者对中小尺度地区(市域、县域、乡域)的土地利用分形
特征进行探讨[7,14-17]。

然而现有研究多从时间维或空间维、大尺度或中小尺度
以及单一地形地貌等单方面去探究土地利用的分形特征，综合分析不同微地貌条件下土地利用空间分形特征动态变化的研究尚比较缺乏。

江汉平原湖泊密布，水网交织成串珠状排列，垸堤纵横，形成了大平小不平的典型微地貌单元[18]，这种典型微地貌格局对江汉平原土地利用方向和特征的影响极为显著。

因此，以江汉平原为研究区，拟在两期土地利用数据和DEM数据支持下，利用分形分析方法，探讨微地貌差异对土地利用类型的空间分异、斑块稳定度、连片度等特征的影响，并对时间上的演变规律进行分析,以揭示微地貌条件对土地利
用空间结构及演化方向，为研究土地利用变化机理研究提供基础。

1 研究区概况
江汉平原(29°26′～31°10′N，111°30′～114°32′E)地处长江中游、湖北省中南部，是湖北乃至全国重要的粮食产区和农产品生产基地，素有“鱼米之乡”美誉，总面积31 036 km2[19-20]。

属于亚热带季风气候，年均降水量1 100～1 400 mm，无霜期239～273 d，1月平均气温3.0～4.2 ℃，7月平均气温27.8～28.8 ℃，
农业生产条件优越。

长江、汉江及其支流的河流冲积物和湖相沉积物堆积作用旺盛，从而形成了江汉平原的主体。

江汉平原地势低平，受地质构造控制，大体由西北向东南微倾，根据海拔、地表形态和组成物质的差异[21]，将江汉平原划分为平原湖区、平缓岗地和起伏丘陵3种微地貌单元区(图1)。

其中，平原湖区占86.68%、平缓岗地占7.22%，起伏丘陵
占6.10%。

这种异质微地貌格局长期控制着江汉平原不同土地利用方式和水分条
件差异，是区内土地利用空间分异的重要影响因素。

图1 江汉平原不同微地貌区分布Fig.1 The distribution ofdifferent micro-landform in Jianghan Plain
2 研究方法
2.1 数据来源与处理
土地利用数据包含1990和2010年共两期，来源于中国科学院资源环境中心的土地利用数据库，原数据库土地利用类型为二级分类体系，本研究采用其一级类型，即包括耕地、林地、草地、水域、建设用地、未利用地等六大类型。

DEM影像来源于中科院计算机网络信息中心国际科学数据镜像网站，下载格式为.IMG，空间分辨率为30 m，投影类型为UTM/WGS84。

研究区共涉及12幅GDEM影像，通过拼接、裁剪以及坐标、投影转换、高程计算与赋值，将栅格数据转换为矢量DEM，并进行平滑处理[22]。

本研究从两期土地利用现状数据集中分别提取江汉平原不同微地貌区的土地利用数据，用于江汉平原不同微地貌单元下的土地利用分形动态研究。

2.2 周长-面积双对数分维模型
分形是一个新的几何关系，主要描述各种各样不规则的、粗糙的、支离破碎的自然结构以及具有特殊比例关系的各种尺寸对象的不规则性[23]。

分形维数的计算有形状维数、半径维数和计盒维数等多种方法；周长-面积法是为研究需要、结合实际情况从经典算法中演化而来的。

研究者用周长-面积分形模型研究降雨云、沙丘图斑、景观要素图斑的分形特征或镶嵌结构[24-26]及土地利用斑块的形态结构[10]等，其表达式如下：
P1/DA1/2 。

(1)
对式(1)两边分别取以10为底的对数：
lg A=2/Dlg P+lg C 。

(2)
式中：A为某地类图斑面积；P为该地类图斑周长；C为待定常数；D为分维数。

对某一土地利用类型而言，将各斑块的周长-面积数据在lg A和lg P坐标系中作
回归分析拟合，可得到该地类斑块的周长-面积拟合直线的斜率值(2/D)，进而求得各地类的分维数D。

D值介于1～2，D值越大，表示该地类斑块空间镶嵌结构越
复杂，空间边界越不规则。

理论上讲，当D=1，表示该地类斑块为正方形；当
D=2，表示该地类斑块全部被边界填满；当D=1.5，表示该地类斑块边界随机性
最高，土地利用斑块空间镶嵌结构最不稳定，可采用稳定性指数|D-1.5|表示土地
利用类型斑块空间镶嵌结构的稳定性[27-28]。

3 结果与分析
3.1 微地貌格局下土地利用结构与演变特征分析
3.1.1 江汉平原大平小不平的微地貌格局是奠定其各微地貌类型区土地利用结构差异的基础，江汉平原各微地貌类型区之间结构具有显著差异(表1)。

无论是1990年，还是2010年，各个微地貌类型区的土地利用总体结构特征都没有发生本质的变化。

平原湖区各地类面积从大到小依次为：耕地水域建设用地林地未利用地草地，其中耕地占绝对优势，水域次之，草地最小；平缓岗地区各地类面积从大到小依次为：林地耕地水域建设用地草地未利用地，其中林地占绝对优势，耕地次之，未利用地最小；而起伏丘陵区各地类面积从大到小依次为：耕地林地水域建设用地草地未利用地，其中耕地占绝对优势，林地次之，未利用地最小。

3.1.2 江汉平原20年间各微地貌类型区土地利用变化特征。

1990—2010年江汉
平原各微地貌类型区土地利用变化，无论何种微地貌条件下，建设用地、林地和水域皆呈现增加趋势，充分显示了江汉平原城市化为阶段的主要特征，以及国家绿色战略的主流影响。

但是，具体分析各个区域的土地利用变化特征发现，平原湖区土地利用变化量达到6.63%，而平缓岗地区仅1.14%，起伏丘陵区为1.88%。

平原
湖区是土地利用变化最活跃的场所。

各微地貌类型区下土地利用增加的最显著的类型也显示出明显的差异。

平原湖区以水面的增加为最显著的特色，增加量达到
4.06%，建设用地次之，为2.12%；平缓岗地区以建设用地的增加为最显著，达
到0.52%，水域次之，为0.32%；而起伏丘陵区以建设用地的增加为最显著，达
到1.49%，林地次之，为0.37%。

表1 各微地貌区土地利用类型面积及构成Tab.1 Area and proportion of land use types in different micro-landform微地貌区地类1990年2010年面积
/km2比例/%面积/km2比例/%平原湖区耕地19872．8074．4118171．3768．04林地368．301．38383．661．44草地110．710．41162．900．61水域3899．7914．604984．6318．66建设用地2242．608．402808．2410．52未利用地212．060．79195．450．73平缓
岗地耕地 541．4528．80 520．5127．69林地1222．4765．031228．0465．33草地20．751．1020．501．09水域73．123．8979．134．21建设用地21．851．1631．641．68未利用地0．240．010．060．00起伏丘陵耕地 1369．5961．61 1329．8659．82林地556．6325．04564．7825．41草地11．480．5210．450．47水域192．158．64192．468．66建设用地91．164．10124．345．59未利用地1．950．091．060．05
各微地貌类型区耕地和未利用地均呈现减少趋势，而耕地均是最主要的土地利用变化类型。

平原湖区耕地减少量最为显著，达到6.37%(土地利用总变化量的6.63%)，平缓岗地区耕地的减少也很显著，达到1.11%(土地利用总变化量的1.14%)；而起伏丘陵区耕地也减少了1.79%(土地利用总变化量的2.12%)。

3.2 各微地貌区土地利用连片性分析
不同微地貌下各土地利用类型的平均斑块面积可以表示该土地利用类型的连片性或破碎程度。

同一微地貌类型区不同土地利用类型间连片性或破碎度存在很大差异，不同微地貌区之间同一土地利用类型的连片性或破碎度也存在着显著差异(表2)。

表2 各微地貌区土地利用类型斑块数量及平均斑块面积Tab.2 Patch number
and averagepatch area of land use types in different micro-landform微地
貌区地类1990年2010年斑块数量/块平均面积/km2斑块数量/块平均面积/km2平原湖区耕地89542．21994891．915林地14960．24614920．257草地1580．7011740．936水域50560．77163410．786建设用地117190．191128850．218未利用地3530．6012470．791平缓岗地耕地16080．85216220．820林地15780．35316510．342草地670．171640．163水域7350．2618410．229建设用地10740．08512470．100未利用地250．078260．041起伏丘陵耕地9350．5798490．613林地13220．92514030．875草地240．865201．025水域2460．2972790．284建设用地1970．1112810．113未利用地70．03430．019
平原湖区耕地占绝对优势，20年间虽然面积锐减，但仍占绝对优势(68.04%)；其斑块数量远不及面积，仅分别占32.28%和31.78%。

耕地具有最佳的连片性，20年间耕地虽然面积锐减，斑块数量却有所增加，耕地的连片性降低、破碎度增加，平均斑块面积从2.219 km2降低到1.915 km2。

建设用地是平原湖区连片性最差、面积增加第二显著的地类，20年间不仅斑块数量有较大的增加，破碎度也得到一
定的改善，平均斑块面积从 0.191km2增加到0.218 km2，很好地反映了城市在
长大的现象。

水域是平原湖区第二大地类，其斑块数量和平均斑块面积均有所增加，平均斑块面积从0.771 km2增加到0.786 km2，在一定程度上表明近年来实施的湖泊湿地保护措施起到了显著作用。

平缓岗地区林地占绝对优势，20年间其面积虽然仅增长了0.3%，但其绝对优势更加突出(65.33%)；其斑块数量仍远不及面积，分别占31.02%，30.32%。

林地是
平缓岗地区连片性第二的地类，20年间斑块数量增加，而连片性表现出降低趋势，平均斑块面积从0.353 km2减小到0.342 km2，反映出人类对林地开发利用活动的增强。

耕地是平缓岗地区第二大地类，表现出最好的连片性，20年间耕地面积
有所减少，斑块数量却少量增加，耕地的连片性降低、破碎度增加，平均斑块面积从 0.852 km2降低到0.820 km2。

建设用地在平缓岗地区连片性也较差，是面积增加最显著的地类，20年间不仅斑块数量有较大的增加，破碎度也得到一定的改善，平均斑块面积从0.085 km2增加到0.218 km2。

起伏丘陵区耕地占绝对优势，20年间虽然耕地面积有所减少，仍占绝对优势(59.82%)。

20年间耕地面积和斑块数量均减少，耕地的连片性增加、破碎度降低，平均斑块面积从0.579 km2增加到0.613 km2。

而草地是起伏丘陵区连片性最好的地类，20年间虽然斑块数量减少，连片性却有一定提高，平均斑块面积从
0.865 km2增加到1.024 km2。

各地类连片性在不同微地貌区表现出不同的适宜性，耕地、水域和建设用地在平原湖区连片性最好，林地和草地在起伏丘陵区则表现出最好的连片性；林地在平原湖区连片性最差，而耕地在起伏丘陵区连片性最差，草地、水域和建设用地在平缓岗地区连片性最差。

3.3 各微地貌区不同土地利用类型空间特性分析
3.3.1 各微地貌区不同土地利用类型空间分形结构验证分析。

分形分析为描述土地利用空间分布的复杂性提供了新的定量方法。

分别提取各微地貌区不同土地利用类型的周长和面积数据，根据公式(2)和Eviews 7.0软件得出各土地利用类型的周长-面积双对数散点分布图，并进行线性回归分析，求出回归方程及相关系数的平方(R2 )。

其中，起伏丘陵区未利用地斑块数量很少，不能建立土地利用类型斑块的
周长-面积关系函数，在表3中以“—”表示。

各微地貌区不同土地利用类型斑块的周长-面积关系均可以通过R2 显著性检验(表3中限于篇幅省略R2 值)，除起伏丘陵地貌区下的未利用地无法建立回归关系外，其他各微地貌区土地利用类型斑块的周长-面积双对数关系显著，结果显示江汉平原各微地貌区不同土地利用类型空间分形结构特征均客观存在(表3)。

3.3.2 各微地貌区不同土地利用类型空间结构复杂性及稳定性特征。

各微地貌区不同土地利用类型的分维数D表示该土地利用类型斑块镶嵌结构的复杂程度；稳定性指数(|D-1.5|)值表示土地利用斑块镶嵌结构的稳定程度，反映某种土地利用类型在自然状态下抵御外界干扰、维持自身形态的能力 (表4)。

表3 各微地貌区土地利用类型斑块的周长-面积关系Tab.3 Relation between area and perimeter of land use patches in different micro-landform
微地貌区地类1990年2010年平原湖区耕地
lgA=1．333lgP+0．739lgA=1．336lgP+0．727林地
lgA=1．434lgP+0．308lgA=1．450lgP+0．253草地
lgA=1．361lgP+0．594lgA=1．378lgP+0．516水域
lgA=1．362lgP+0．587lgA=1．414lgP+0．430建设用地
lgA=1．342lgP+0．656lgA=1．349lgP+0．631未利用地
lgA=1．506lgP+0．151lgA=1．587lgP-0．124平缓岗地耕地
lgA=1．462lgP+0．075lgA=1．482lgP+0．009林地
lgA=1．458lgP+0．145lgA=1．453lgP+0．165草地
lgA=1．444lgP+0．117lgA=1．421lgP+0．179水域
lgA=1．444lgP+0．127lgA=1．431lgP+0．168建设用地lgA=1．752lgP-0．735lgA=1．713lgP-0．633未利用地lgA=1．577lgP-
0．363lgA=1．445lgP-0．004起伏丘陵耕地
lgA=1．401lgP+0．347lgA=1．406lgP+0．327林地
lgA=1．474lgP+0．186lgA=1．452lgP+0．266草地lgA=1．606lgP-0．261lgA=1．588lgP-0．197水域
lgA=1．477lgP+0．087lgA=1．480lgP+0．071建设用地lgA=1．775lgP-0．755lgA=1．722lgP-0．601未利用地——
表4 各微地貌区土地利用类型分维数与稳定性指数Tab.4 Fractal dimension and stabilityindexes of land use types in different micro-landform
微地貌区地类 1990年 2010年D|D-1．5|D|D-1．5|平原湖区耕地1．50070．00071．49690．0031林地1．39450．10551．37950．1205草地1．46920．03081．45170．0483水域1．46880．03121．41480．0852建设用地1．49030．00971．48230．0177未利用地1．32850．17151．25990．2401平缓岗地耕地1．36770．13231．34970．1503林地1．37150．12851．37690．1231草地1．38490．11511．40790．0921水域1．38510．11491．39770．1023建设用地1．14160．35841．16760．3324未利用地1．26820．23181．38400．1160起伏丘陵耕地1．42730．07271．42250．0775林地1．35710．14291．37780．1222草地1．24550．25451．25910．2409水域1．35390．14611．35120．1488建设用地1．12680．37321．16120．3388未利用地————
平原湖区耕地分维数最大，稳定性指数最小，耕地斑块空间镶嵌结构最复杂而稳定性最差，1990—2010年间耕地分维数减少、稳定性指数增大，表现出复杂性降低稳定性增强的趋势。

建设用地分维数仅次于耕地，稳定性指数大于耕地，也表现出复杂性降低稳定性增加的趋势，很好地反映出城市扩张受规划控制的增强。

其余各土地利用类型的分维数均小于1.50，20年间该地类均呈现出分维数减小、稳定
性指数增大趋势，表明区域内该地类复杂性降低、稳定性逐渐升高。

一般来说，分维数减少、稳定性指数增加是一种更好的趋势，说明平原湖区土地开发利用活动受到规划控制增强，更加注重土地资源合理利用和生态环境保护，土地利用逐渐趋于成熟，利用模式逐渐趋于稳定。

平缓岗地区草地和水域分维数相对较大，稳定性指数相对较小，两种地类斑块空间镶嵌结构较复杂，稳定性较差；建设用地分维数最小，稳定性指数最大外，表示建设用地斑块空间镶嵌结构复杂性最低，稳定性最高。

20年间，除耕地分维数减小、稳定性指数增大，其余各地类均呈现出分维数增大、稳定性指数减小趋势，表示斑块空间镶嵌结构复杂性增加而稳定性降低。

起伏丘陵区耕地分维数最大，稳定性指数最小，其斑块空间镶嵌结构最复杂，稳定性最低；20年间耕地分维数有所减小，稳定性指数增加，斑块空间镶嵌结构复杂
性降低，稳定性增强。

建设用地分维数最小，稳定性指数最大，斑块空间镶嵌结构最简单，稳定性最高，20年间建设用地分维数增加，稳定性指数减小，斑块空间
镶嵌结构复杂性增强，稳定性降低。

对比不同地貌区下1990—2010年间各地类值发现，耕地分维数均为平原区最大，丘陵区次之，岗地区最小；水域和草地分维数均为平原区最大，岗地区次之，丘陵区最小，稳定性指数则与之相反。

表明耕地、水域和草地在平原区复杂性最强，稳定程度最低，受人类活动干扰程度最为剧烈。

1990—2010年间各地貌区耕地分
维数均不同程度减小，斑块空间镶嵌结构复杂程度降低，稳定性增强，反映了受到耕地保护政策压力的影响，人们更加注重保护耕地，稳定性增强；平缓岗地区和起伏丘陵区除耕地外，各地类分维数均不同程度增加，稳定性降低，表明受到土地资源稀缺性的影响，对平缓岗地和起伏丘陵区开发利用活动增强，干扰程度加剧。

不同地类在同一微地貌区下的分维数和稳定性指数存在差异，相同地类的分维数和稳定性指数在不同微地貌类型区也存在着显著的分异规律，很好地反映了微地貌类
型对土地利用时空分异的影响。

1990—2010年平原湖区各地类均呈分维数下降、稳定性增加趋势；平缓岗地区耕地、建设用地分维数下降，稳定性增加，其他地类则相反；起伏丘陵区耕地、水域分维数下降，稳定性增加，林地、草地、建设用地分维数上升，稳定性降低。

4 结论
1990,2010年江汉平原不同微地貌区下各土地利用类型斑块的周长-面积双对数关系显著，即土地利用类型空间分形结构特征客观存在。

各微地貌类型区不同土地利用类型时空分异明显，平原湖区微地貌区和起伏丘陵微地貌区耕地均占绝对主导地位，而平缓岗地微地貌区林地占绝对主导地位；20年
间各微地貌区之间相同土地利用类型面积、斑块数量变化的剧烈程度存在显著差异。

各地类连片性在不同地貌区表现出不同的适宜性,1990，2010年耕地、水域、建
设用地和未利用地在平原湖区连片性均最好，林地和草地在丘陵区则表现出最好的连片性。

各地类在同一微地貌类型下的分维数和稳定性指数存在差异，相同地类分维数和稳定性指数在不同微地貌类型区也存在着显著的分异规律。

1990—2010年平原湖
区各地类分维数均下降，稳定性增加；平缓岗地区耕地、建设用地分维数下降，稳定性增加；起伏丘陵区耕地、水域分维数下降，稳定性增加。

参考文献：
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