土地利用空间格局与功能特征关联分析_以天水市为例_郑凤娟
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组合类型分析是为了确定土地利用结构的类型 特征和主要类型，这里采用威弗 － 托马斯( WeaverTomas) 组合系数法来度量〔10〕。该方法是把土地的 实际分布( 实际相对面积百分比) 与假设分布( 假设 相对面积百分比) 相比较，然后逐步逼近实际分布， 得到一个最接近实际分布的近似分布，这种分布的 组合类型即为所求的组合类型。其步骤为: ① 把各 种土地类型按面积相对比例由大到小的顺序排列。 ② 假设土地只分配给一种类型，这种类型的假设分 布为 100% ，其他类型的假设分布为 0; 若仅分配给 前两种类型，这两种类型的假设分布为 50% ，其他 类型的假设分布为 0; 依此类推，如果土地均匀分配 给 9 种类型，则假设分布为 11． 11% 。③ 计算和比 较每一种假设分布与实际分布之差的平方和( 即组 合系数) 。④ 选择假设分布与实际分布之差的平方 和最小的假设分布组合类型( 最小组合系数所对应
组合类型
秦州区 － 0． 078 491． 443 3 耕地—林地—其他农用地
麦积区 0． 016 1 151． 453 2
林地—耕地
清水县 0． 082 483． 733 3
耕地—林地—牧草地
秦安县 0． 026 1 527． 786 2
耕地—其他农用地
甘谷县 － 0． 051 1 145． 770 4
* 收稿日期: 2009 － 11 － 11; 修订日期: 2010 － 09 － 07 基金项目: 甘肃省自然科学基金项目( 0710RJZA104) ; 西北师范大学知识与科技创新工程项目( NWNU － KJCXGC － 03 － 60) ; 国家自 然科学基金项目( 40599424 和 40473006) 作者简介: 郑凤娟( 1984 － ) ，女，河北邢台人，硕士研究生，研究方向为区域资源、环境变迁与全球变化． E － mail: zhengfengjuan1987@ 163． com 通讯作者: 杨东． E － mail: yangdong@ ustc． edu． cn
( 1． 西北师范大学 地理与环境科学学院，甘肃 兰州 730070; 2． 兰州大学 资源环境学院，甘肃 兰州 730000)
摘 要: 区域土地利用结构与功能特征之间的关系一直是土地利用研究的核心问题。基于天水市 2005 年土地变 更调查数据，从土地利用数量结构与景观格局两方面，选取土地利用结构集中化指数、总体组合类型、区位指数、景 观多样性指数、均匀度指数和优势度指数等，对各县区及不同地类的空间格局与功能特征进行定量分析。结果表 明: 天水市 2005 年土地组合类型以耕地—林地—牧草地—其他农用地的组合为主; 土地利用集中化程度最高的是 清水县，为 0． 082; 耕地、城乡建设用地和交通水利用地大部分具有区位意义; 多样性最高的是张家川县，为 2． 352， 优势度最高的是麦积区，为 1． 604，均匀度最高的是张家川县，为 0． 742; 多样性、均匀度指数与组合类型数呈同向关 联，与优势度呈反向关联; 人口密度与土地利用程度呈同向关联，经济密度与土地利用程度、区位指数的关联度不大。 关键词: 土地利用; 空间格局; 优势度; 人口密度; 景观指数; 天水; 甘肃 中图分类号: F301． 24 文献标识码: A
高层次区域内的各种土地利用类型的面积之和。如 果 Qi ＞ 1，则该种土地类型具有区位意义，反之则不 具有区位意义。由此计算出天水市各县区用地的区 位指数( 表 3) 。
县区 秦州区 麦积区 清水县 秦安县 甘谷县 武山县 张家川县
耕地 0． 957 0． 548 1． 206 1． 395 1． 339 1． 078 0． 951
区位指数分析是反映某一地区各种土地相对于
高层次区域空间的聚集程度〔11〕，计算公式为:
∑ ∑ Qi = ( fi
fi) ( Fi
Fi)
( 2)
式中: Qi 表示区位指数; fi 表示区域内第 i 种土地的
面积; Fi 为高层区域内第 i 种土地的面积; ∑fi 表 示该区域内各种土地类型的面积之和; ∑Fi 表示
园地 2． 28 2． 68 0． 95 7． 5 2． 4 0． 5 4． 03 2． 7
林地 32． 22 66． 23 25． 62 5． 31 11． 8 21． 11 28． 02 32． 36
牧草地 6． 97 0． 92
16 9． 31 8． 84 19． 1 15． 33 9． 68
区域土地利用结构变化作为全球变化的一个重 要组成部分，20 世纪 90 年代以后逐渐成为全球变 化研究的热点问题〔1 － 2〕，区域土地利用结构能在很 大程度上反映该地区的自然资源条件以及社会经济 发展状况和结构，且与功能特征之间的相互关系一 直是土地 利 用 研 究 的 核 心 问 题 之 一〔3〕。 土 地 利 用 结构特征及其时间变化规律是区域土地利用功能与 结构在空间地域上的反映，研究土地空间结构及其 形态变 化，对 合 理 利 用 土 地 具 有 重 要 的 指 导 意 义〔4〕。众多学 者 对 土 地 利 用 空 间 格 局 进 行 了 相 关 研究，如朱凤武等〔5〕比较分析了温州市与县 ( 市、 区) 土地利用存在的差异，运用多种数学模型对土 地利用的空间格局进行定量分析; 潘竟虎等〔6〕采用 计量地理模型和空间分析方法，对甘肃省的土地利 用数量结构和空间格局现状及其变化进行了定量分 析; 王红梅等〔7〕基于土地数量、分布规律、结构布局 以及后备土地资源状况，利用 GIS 空间分析技术以 及计量地理模型，对黑龙江省 13 个地市土地利用结 构进行数量分析; 张希彪等〔8〕采用景观生态学结构 定量分析方法，以泾河中上游流域的陇东地区为例， 对土地利用结构的地域分异进行了定量研究等。从
土地利用结构来看，主要是选取相关定量指标分析 土地利用结构特征，从土地利用功能特征来看，绝大 部分研究从三大效益出发构建功能综合评价指标体 系〔9〕，但是对土地利用结构与功能特征内在关联的 定量研究较少。本文以天水市各县区为例，基于土 地利用数量结构与功能特征内涵的理解，选取相关 定量指标，尝试探讨两者之间的内在关联性，在此基 础上，采用景观生态学的原理和方法，对各县区及不 同地类的空间格局与功能特征进行定量分析，以期 为黄土丘陵沟壑区土地利用结构优化论证分析提供 方法借鉴和案例参考。
( 表 2) 。
表 2 土地利用状况集中化指数及组合类型分析 Tab． 2 Analyzed results of the centrality index of land
use status and the combination of land use types
集中化 组合 组合 县区
指数 系数 类型数
1 研究区概况与数据来源
1． 1 研究区概况 天水市位于甘肃省东南部，地势西北低东南高，
海拔 748 ～ 3 112 m，介 于 104° 35' ～ 106° 14' E， 34°05' ～ 35°10' N 之间。市域大部分地区属陇中黄 土高原，南部和东北部有部分石质山地，渭河横贯中 部。属暖 温 带 半 湿 润、半 干 旱 气 候，年 日 照 时 数 2 114 h，年均降水量在 510 mm，蒸发量 1 294 mm， 年平均气温 7 ～ 11 ℃ 。全市可利用土地资源有限，
Ii = ( Ai － R) /( M － R)
( 1)
式中: Ii 表示第 i 个区域的土地集中化指数; Ai 表
示第 i 个区域各种土地类型累计百分比之和; M 表
示土地集中分布时累计百分比之和; R 表示高一层
次区域( 此处为天水市) 各种土地类型的累计百分
比之和。计算获得天水市土地利用状况集中化指数
表 3 各县区土地利用现状区位指数 Tab． 3 Location indexes of land use in the county and district levels
园地 0． 846 0． 993 0． 351 2． 782 0． 890 0． 186 1． 493
林地 0． 996 2． 047 0． 792 0． 164 0． 365 0． 652 0． 866
372
干旱区研究
28 卷
的组合类型) ，该组合类型即为区域土地组合类型。 根据上述方法，计算出天水市各县区的土地利用组 合系数，并由此确定其组合类型。
由表 2 可见，天水市的土地利用组合类型有 2 种，这反映出该市土地利用的整体功能还不够强; 从 各县区的数据来看，张家川县、甘谷县的土地利用类 型齐全，土地利用组合类型为 4; 麦积区和秦安县的 组合类型最低，仅为 2。 2． 3 土地利用区位指数分析
2期
郑凤娟等: 土地利用空间格局与功能特征关联分析———以天水市为例
wk.baidu.com
371
土地生产力 整 体 水 平 低，土 地 垦 殖 率 较 高，生 态 脆 弱，水土 流 失 严 重。 天 水 市 辖 2 区 5 县，总 面 积 143． 12 hm2 ，人口 3． 54 × 106 人( 2007 年) 。 1． 2 数据来源
其他农用地 11． 28 2． 94 2． 54 10． 94 11． 43 9． 8 10． 92 7． 77
城乡建设用地 3． 06 1． 88 2． 36 5． 03 4． 44 2． 37 3． 03 2． 95
交通水利用地 0． 37 0． 44 0． 32 0． 56 0． 64 0． 46 0． 46 0． 45
县区 秦州区 麦积区 清水县 秦安县 甘谷县 武山县 张家川县 天水市
耕地 35． 3 20． 2 44． 46 51． 45 49． 37 39． 76 35． 07 36． 88
表 1 2005 年天水市土地利用数量结构 Tab． 1 Structure of land use types in Tianshui City in 2005
其他建设用地 0． 06 0． 05 0 0 0 0． 15 0． 23 0． 06
/%
未利用地 8． 46 4． 66 7． 74 9． 88 11． 09 6． 76 2． 91 7． 15
2 土地利用数量结构
2． 1 土地数量结构集中化指数分析
集中化指数是精确度量、分析区域土地利用集
中化程度的一个指标，其公式为:
土地利用结构为标准，清水县、张家川县集中化指数 最高，为高集中化指数地区，土地利用类型集中于耕 地; 秦安县、麦积区集中化指数相对较低，为中高集 中化指数地区，秦安县集中于耕地，麦积区集中于林 地，且都为天水市最大的分布区; 秦州区、甘谷县、武 山县是集中化指数最低的地区，用地结构较为分散。 利用 Arcview GIS 软件的自然断裂点聚类法〔10〕，绘 制出土地利用集中化指数程度空间分布图( 图 1a) ， 清水县、张家川县最高，秦安县、麦积区中等，其他地 区最低，这也可以得出上述结论。 2． 2 土地数量结构组合类型分析
耕地—林地—其他农用地 —未利用地
武山县 － 0． 031 393． 286 3
耕地—林地—牧草地
张家川县 0． 050 402． 281 4
耕地—林地—牧草地 —其他农用地
天水市 0． 000 483． 304 2
耕地—林地
集中化指数越小，说明集中化程度越高( 天水 市 M = 900，R = 697． 36) 。以天水市各县区 2005 年
第 28 卷 第 2 期 2011 年 3 月
干旱区研究 ARID ZONE RESEARCH
文章编号: 1001 － 4675( 2011) 02 － 0370 － 06
Vol． 28 No． 2 Mar． 2011
土地利用空间格局与功能特征关联分析
——— 以 天 水 市 为 例 *
郑凤娟1 ， 杨 东1 ， 潘竟虎1 ，2 ， 郭盼盼1 ， 刘 强1 ， 刘洪敏1
土地利用数据来源于天水市土地利用变更调查
资料，土地利用类型采用 1984 年全国农业区划委员 会颁布的《土 地 利 用 现 状 调 查 技 术 规 程 》的 分 类 体 系，为了避免分类过于简化或者复杂，选取 9 个类型 进行计算分析。社会经济统计资料来源于《天水年鉴 2006》。天水市 2005 年土地利用数量结构见表 1。
组合类型
秦州区 － 0． 078 491． 443 3 耕地—林地—其他农用地
麦积区 0． 016 1 151． 453 2
林地—耕地
清水县 0． 082 483． 733 3
耕地—林地—牧草地
秦安县 0． 026 1 527． 786 2
耕地—其他农用地
甘谷县 － 0． 051 1 145． 770 4
* 收稿日期: 2009 － 11 － 11; 修订日期: 2010 － 09 － 07 基金项目: 甘肃省自然科学基金项目( 0710RJZA104) ; 西北师范大学知识与科技创新工程项目( NWNU － KJCXGC － 03 － 60) ; 国家自 然科学基金项目( 40599424 和 40473006) 作者简介: 郑凤娟( 1984 － ) ，女，河北邢台人，硕士研究生，研究方向为区域资源、环境变迁与全球变化． E － mail: zhengfengjuan1987@ 163． com 通讯作者: 杨东． E － mail: yangdong@ ustc． edu． cn
( 1． 西北师范大学 地理与环境科学学院，甘肃 兰州 730070; 2． 兰州大学 资源环境学院，甘肃 兰州 730000)
摘 要: 区域土地利用结构与功能特征之间的关系一直是土地利用研究的核心问题。基于天水市 2005 年土地变 更调查数据，从土地利用数量结构与景观格局两方面，选取土地利用结构集中化指数、总体组合类型、区位指数、景 观多样性指数、均匀度指数和优势度指数等，对各县区及不同地类的空间格局与功能特征进行定量分析。结果表 明: 天水市 2005 年土地组合类型以耕地—林地—牧草地—其他农用地的组合为主; 土地利用集中化程度最高的是 清水县，为 0． 082; 耕地、城乡建设用地和交通水利用地大部分具有区位意义; 多样性最高的是张家川县，为 2． 352， 优势度最高的是麦积区，为 1． 604，均匀度最高的是张家川县，为 0． 742; 多样性、均匀度指数与组合类型数呈同向关 联，与优势度呈反向关联; 人口密度与土地利用程度呈同向关联，经济密度与土地利用程度、区位指数的关联度不大。 关键词: 土地利用; 空间格局; 优势度; 人口密度; 景观指数; 天水; 甘肃 中图分类号: F301． 24 文献标识码: A
高层次区域内的各种土地利用类型的面积之和。如 果 Qi ＞ 1，则该种土地类型具有区位意义，反之则不 具有区位意义。由此计算出天水市各县区用地的区 位指数( 表 3) 。
县区 秦州区 麦积区 清水县 秦安县 甘谷县 武山县 张家川县
耕地 0． 957 0． 548 1． 206 1． 395 1． 339 1． 078 0． 951
区位指数分析是反映某一地区各种土地相对于
高层次区域空间的聚集程度〔11〕，计算公式为:
∑ ∑ Qi = ( fi
fi) ( Fi
Fi)
( 2)
式中: Qi 表示区位指数; fi 表示区域内第 i 种土地的
面积; Fi 为高层区域内第 i 种土地的面积; ∑fi 表 示该区域内各种土地类型的面积之和; ∑Fi 表示
园地 2． 28 2． 68 0． 95 7． 5 2． 4 0． 5 4． 03 2． 7
林地 32． 22 66． 23 25． 62 5． 31 11． 8 21． 11 28． 02 32． 36
牧草地 6． 97 0． 92
16 9． 31 8． 84 19． 1 15． 33 9． 68
区域土地利用结构变化作为全球变化的一个重 要组成部分，20 世纪 90 年代以后逐渐成为全球变 化研究的热点问题〔1 － 2〕，区域土地利用结构能在很 大程度上反映该地区的自然资源条件以及社会经济 发展状况和结构，且与功能特征之间的相互关系一 直是土地 利 用 研 究 的 核 心 问 题 之 一〔3〕。 土 地 利 用 结构特征及其时间变化规律是区域土地利用功能与 结构在空间地域上的反映，研究土地空间结构及其 形态变 化，对 合 理 利 用 土 地 具 有 重 要 的 指 导 意 义〔4〕。众多学 者 对 土 地 利 用 空 间 格 局 进 行 了 相 关 研究，如朱凤武等〔5〕比较分析了温州市与县 ( 市、 区) 土地利用存在的差异，运用多种数学模型对土 地利用的空间格局进行定量分析; 潘竟虎等〔6〕采用 计量地理模型和空间分析方法，对甘肃省的土地利 用数量结构和空间格局现状及其变化进行了定量分 析; 王红梅等〔7〕基于土地数量、分布规律、结构布局 以及后备土地资源状况，利用 GIS 空间分析技术以 及计量地理模型，对黑龙江省 13 个地市土地利用结 构进行数量分析; 张希彪等〔8〕采用景观生态学结构 定量分析方法，以泾河中上游流域的陇东地区为例， 对土地利用结构的地域分异进行了定量研究等。从
土地利用结构来看，主要是选取相关定量指标分析 土地利用结构特征，从土地利用功能特征来看，绝大 部分研究从三大效益出发构建功能综合评价指标体 系〔9〕，但是对土地利用结构与功能特征内在关联的 定量研究较少。本文以天水市各县区为例，基于土 地利用数量结构与功能特征内涵的理解，选取相关 定量指标，尝试探讨两者之间的内在关联性，在此基 础上，采用景观生态学的原理和方法，对各县区及不 同地类的空间格局与功能特征进行定量分析，以期 为黄土丘陵沟壑区土地利用结构优化论证分析提供 方法借鉴和案例参考。
( 表 2) 。
表 2 土地利用状况集中化指数及组合类型分析 Tab． 2 Analyzed results of the centrality index of land
use status and the combination of land use types
集中化 组合 组合 县区
指数 系数 类型数
1 研究区概况与数据来源
1． 1 研究区概况 天水市位于甘肃省东南部，地势西北低东南高，
海拔 748 ～ 3 112 m，介 于 104° 35' ～ 106° 14' E， 34°05' ～ 35°10' N 之间。市域大部分地区属陇中黄 土高原，南部和东北部有部分石质山地，渭河横贯中 部。属暖 温 带 半 湿 润、半 干 旱 气 候，年 日 照 时 数 2 114 h，年均降水量在 510 mm，蒸发量 1 294 mm， 年平均气温 7 ～ 11 ℃ 。全市可利用土地资源有限，
Ii = ( Ai － R) /( M － R)
( 1)
式中: Ii 表示第 i 个区域的土地集中化指数; Ai 表
示第 i 个区域各种土地类型累计百分比之和; M 表
示土地集中分布时累计百分比之和; R 表示高一层
次区域( 此处为天水市) 各种土地类型的累计百分
比之和。计算获得天水市土地利用状况集中化指数
表 3 各县区土地利用现状区位指数 Tab． 3 Location indexes of land use in the county and district levels
园地 0． 846 0． 993 0． 351 2． 782 0． 890 0． 186 1． 493
林地 0． 996 2． 047 0． 792 0． 164 0． 365 0． 652 0． 866
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干旱区研究
28 卷
的组合类型) ，该组合类型即为区域土地组合类型。 根据上述方法，计算出天水市各县区的土地利用组 合系数，并由此确定其组合类型。
由表 2 可见，天水市的土地利用组合类型有 2 种，这反映出该市土地利用的整体功能还不够强; 从 各县区的数据来看，张家川县、甘谷县的土地利用类 型齐全，土地利用组合类型为 4; 麦积区和秦安县的 组合类型最低，仅为 2。 2． 3 土地利用区位指数分析
2期
郑凤娟等: 土地利用空间格局与功能特征关联分析———以天水市为例
wk.baidu.com
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土地生产力 整 体 水 平 低，土 地 垦 殖 率 较 高，生 态 脆 弱，水土 流 失 严 重。 天 水 市 辖 2 区 5 县，总 面 积 143． 12 hm2 ，人口 3． 54 × 106 人( 2007 年) 。 1． 2 数据来源
其他农用地 11． 28 2． 94 2． 54 10． 94 11． 43 9． 8 10． 92 7． 77
城乡建设用地 3． 06 1． 88 2． 36 5． 03 4． 44 2． 37 3． 03 2． 95
交通水利用地 0． 37 0． 44 0． 32 0． 56 0． 64 0． 46 0． 46 0． 45
县区 秦州区 麦积区 清水县 秦安县 甘谷县 武山县 张家川县 天水市
耕地 35． 3 20． 2 44． 46 51． 45 49． 37 39． 76 35． 07 36． 88
表 1 2005 年天水市土地利用数量结构 Tab． 1 Structure of land use types in Tianshui City in 2005
其他建设用地 0． 06 0． 05 0 0 0 0． 15 0． 23 0． 06
/%
未利用地 8． 46 4． 66 7． 74 9． 88 11． 09 6． 76 2． 91 7． 15
2 土地利用数量结构
2． 1 土地数量结构集中化指数分析
集中化指数是精确度量、分析区域土地利用集
中化程度的一个指标，其公式为:
土地利用结构为标准，清水县、张家川县集中化指数 最高，为高集中化指数地区，土地利用类型集中于耕 地; 秦安县、麦积区集中化指数相对较低，为中高集 中化指数地区，秦安县集中于耕地，麦积区集中于林 地，且都为天水市最大的分布区; 秦州区、甘谷县、武 山县是集中化指数最低的地区，用地结构较为分散。 利用 Arcview GIS 软件的自然断裂点聚类法〔10〕，绘 制出土地利用集中化指数程度空间分布图( 图 1a) ， 清水县、张家川县最高，秦安县、麦积区中等，其他地 区最低，这也可以得出上述结论。 2． 2 土地数量结构组合类型分析
耕地—林地—其他农用地 —未利用地
武山县 － 0． 031 393． 286 3
耕地—林地—牧草地
张家川县 0． 050 402． 281 4
耕地—林地—牧草地 —其他农用地
天水市 0． 000 483． 304 2
耕地—林地
集中化指数越小，说明集中化程度越高( 天水 市 M = 900，R = 697． 36) 。以天水市各县区 2005 年
第 28 卷 第 2 期 2011 年 3 月
干旱区研究 ARID ZONE RESEARCH
文章编号: 1001 － 4675( 2011) 02 － 0370 － 06
Vol． 28 No． 2 Mar． 2011
土地利用空间格局与功能特征关联分析
——— 以 天 水 市 为 例 *
郑凤娟1 ， 杨 东1 ， 潘竟虎1 ，2 ， 郭盼盼1 ， 刘 强1 ， 刘洪敏1
土地利用数据来源于天水市土地利用变更调查
资料，土地利用类型采用 1984 年全国农业区划委员 会颁布的《土 地 利 用 现 状 调 查 技 术 规 程 》的 分 类 体 系，为了避免分类过于简化或者复杂，选取 9 个类型 进行计算分析。社会经济统计资料来源于《天水年鉴 2006》。天水市 2005 年土地利用数量结构见表 1。