佛山市地形与土地利用空间关系研究

佛山市地形与土地利用空间关系研究［摘要］以广东省佛山市为例，利用佛山市的数字高程模型(DigitalElevationModel,DEM)数据和佛山市统计年鉴相关数据,运用ArcGIS对空间数据和属性数据的分析和统计功能,应用地形位指数和地形位分布指数，用高程、坡向、坡度3个地形因子及地形位指数分析佛山市的土地利用特征，以及不同土地利用类型的空间分布规律及与地形位因子之间的关系。研究结果表明，高程、坡度、坡向在很大程度上影响着佛山市土地利用类型，地形位梯度更能综合反映该区域土地利用变化趋势，该趋势比较符合佛山市土地利用类型空间分布规律和社会经济发展规律。［关键词］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响因素，同时地形因子构成了土地利用结构的重要框架，所以，土地利用(LandUse)/土地覆盖变化(LandCoverChange)(简称LUCC)研究的重要内容之一就是土地利用的时空变化与地形因子的关系。地形因子决定着区域的光照情况、土壤质地和水源涵养能力等，进而影响人们利用土地的方式和程度⑴。因此，地形是土地利用的重要影响因素，并且地形差异是土地利用结构和空间分布格局分异的重要影响因素⑵。综上所述，分析地形对土地利用时空分布变化的影响，可以了解不同级别地形因子下各区域土地利用类型的空间分布变化［3-4］o我国学者对土地利用时空变化与地形因子的关系研究主要集中于高程、坡度、坡向与土地利用的关系,如分析地形因子对土地利用类型、产值及其经济发展的影响，分析土地利用变化规律和驱动力，分析土地利用的适宜性等［5-7］，较少综合研究土地利用类型分布特征与高程、坡度、坡向、地形位指数和分布指数的关系。鉴于此，笔者分析广东省佛山市土地利用类型分布特征，将其与高程、坡度、坡向、地形位指数和分布指数之间的关系进行空间连接，旨在梳理土地利用的空间变化与地形因子的关系,为区域土地资源的科学、可持续利用提供可靠的理论依据。1数据来源与研究方法1.1数据来源与处理利用佛山市2011年的统计数据和佛山市的数字高程模型(DigitalElevationModel，DEM)数据,结合研究区域的土地利用现状，将土地类型划分为耕地、园地、林地、建设用地、水域和水利设施用地(简称水域)及其他用地6类。佛山市海拔为0~740m。为便于研究土地利用与各个地形因子之间的关系，笔者依据一定的社会经济规律和自然规律，将佛山市的高程按照其在各个级别的分布密度分为7级,分别是0~20m、20-60m、60〜120m、120〜200m、200〜300m、300〜400m和400〜740m。坡度划分依据《土地利用更新调查技术规定》,根据研究区域的土地利用类型和地形特征，将坡度分为平坡(0°-5°)、缓坡(5°-15°)、斜坡(15° -25°)、陡坡(25° -35°)和险坡(35°-90°)。坡向共划分为4个等级，以正北方向为0。，顺时针方向度量，依次是阴坡(0°315° -360。)、半阳坡(45°225°-315°)、阳坡(135°-225°)、平缓坡(平坦无坡向地区)。1.2研究方法在结果分析中，为方便分析土地利用空间分布与地形梯度之间的关系,笔者引入地形位指数来度量地形梯度，其计算公式如下：E+1H£+1式(1)中：T表示地形位指数;E、E分别表示区域中任意地点的高程值及该点所在区域的平均高程值;s、S分别表示区域中任意地点的坡度值及该点所在区域的平均坡度值。根据式(1)推导可知，海拔越高、坡度越陡的地点，地形位指数越大；海拔越低、坡度越缓的地点，地形位指数越小；海拔较高但坡度较缓或海拔较低但坡度较陡的地点，地形位指数适中。利用地形位指数分析土地利用空间分布与地形梯度之间的关系，受到坡度分级的客观合理性、土地利用面积比例差异的影响，需要使用地形位分布指数消除这些影响，进而科学地描述不同土地利用类型在地形梯度上的分布特征。地形位分布指数计算公式如下：式(2)中:七代表第，种土地利用类型在地形位e上的分布指数，e代表地形因子;S*为第e种地形位下第，种土地利用类型的面积,单位为km2；S为整个研究区域第，种土地利用类型的总面积，单位为km2；Se为整个研究区域第e种地形位的总面积，单位为km2；S为研究区域总面积,单位为km2。地形位分布指数是一个标准化、无量纲的指数。如果Pe大于1,表示第i种地类在第e级地形位上的分布属于优势分布，Pie值越大，优势度越高,该级别地形适宜该类土地发育和分布的程度较高；反之，如果Pie小于1，表示第i种地类在第e级地形位上的分布属于劣势分布，Pie值越小，优势度越低，该级别地形适宜该类土地发育和分布的程度较低；如果Pe值等于1,则表示第i种地类在第e级地形位上的比重与研究区内该地类的比重相等。2结果与分析土地利用类型分布特征随高程梯度的变化由图1可知，随着海拔的升高，除了林地外的其他各种土地利用类型的分布指数逐渐减小。海拔60m以下耕地分布指数最大，其中海拔20m以下其分布指数均大于1.00；随着海拔的升高，各高程梯度上的分布指

数逐渐减小,海拔300m处其分布指数基本趋近于0。这表明在海拔0-60m区域耕地出现频率最大，是耕地的优势分布区,且低海拔区域较适宜耕作。海拔60m以下园地分布指数比较稳定，均在1.00以上,而后随海拔升高迅速降低，海拔大于300m时其分布指数趋向于0,表明高程梯度对园地的限制作用显著。海拔20m以下林地分布指数都不超过0.50,海拔20-60m区域林地分布指数呈现显著增大趋势，海拔大于60m的区域林地分布指数缓慢增大。建设用地和水域分布指数类似，海拔小于20m的区域其分布指数均大于1.00,海拔20-60m区域其分布指数迅速下降至0.30左右，海拔200m以上区域其分布指数基本接近于0,说明建设用地和水域的分布指数有紧密的联系，有高度的空间自相关性。随着海拔的升高，建设用地分布指数下降迅速，说明其分布指数与高程存在极大的关联性，同时表明建设用地的选址应尽可能在低海拔区。海拔60m以下其他用地分布指数均大于1.00,海拔120m以上其分布指数迅速减小，并趋向于0。这说明佛山市未利用土地在海拔60m以下分布密集,便于开发利用，可开发利用的土地资源有沙地、裸地、草地、设施农用地。土地利用类型分布特征随坡度梯度的变化坡度是土地利用的重要影响因素,尤其对建设用地、水域、耕地的分布影响显著，陡坡和险坡对人类的各种活动都有较大的限制性。由表1可知,平坡区建设用地、水域面积最大，占该区土地利用总面积的76.60%，是该区域的主导土地利用方式。随着坡度的增大，其他用地在缓坡区所占比例达到峰值,这主要是因空闲地、设施农用地、草地增加所致。同时，缓坡区林地所占比例迅速增大，林地、建设用地和水域共同成为该区域的主导土地利用方式，占该区土地利用总面积的83.93%,其中建设用地、水域下降幅度最大，主要是由于随着坡度的增大，地形对人类活动的限制性增强。在斜坡以上坡度区间，林地所占比例在70%以上，呈绝对优势分布。由图2可知，在坡度小于5°的区域，耕地面积分布最大，是该坡度梯度上的主导土地利用方式。耕地分布指数随坡度增大而逐渐减小的原因主要是坡度越大,人类从事农业生产活动的难度越大，投入与产出比越小，所以耕地主要分布在比较平坦的区域。在坡度小于35°的区域，耕地分布指数均大于0.60；在坡度大于35°的区域，其分布指数为0.34。这说明当地耕地资源相对缺乏，人地矛盾比较突出，为了求生存，人们会在坡度大于25°的区域种植粮食作物。在坡度/(°)耕地坡度/(°)耕地面积/km2占比/%园地林地其他用地建设用地水域面积/km2占比/%面积/km2占比/%面积/km2占比/%面积/km2占比/%面积/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不同坡度分级区域土地利用类型分布特征坡度小于15°的区域，园地分布指数都大于1.00;当坡度大于15°时，随着坡度的增加，园地的分布指数逐渐减小，坡度大于35°时园地分布指数仅为0.17,说明园地对坡度的适宜性差。在坡度小于5°的区域,林地分布指数小于1.00；当坡度大于5°时，其分布指数迅速增大且大于1.00，是该坡度梯度上的主导土地利用方式，且随着坡度的增加，其分布比例逐渐增大,表明林地对坡度的限制条件有较好的适宜性。在坡度小于5°的区域，水域分布指数大于1.00，而后迅速递减。在坡度小于15°的区域，建设用地分布指数大于0.83,而后递减趋势明显增强,主要是由于随着坡度的增加，人类生产建设的难度增大。其他用地主要分布在25°以下的区域，其中15°以下区域其分布指数大于1.00,表明其他用地在15°以下的区域集中比较分布。图2各坡度区土地利用类型分布指数土地利用类型分布特征随坡向梯度的变化坡向作为地形因子的重要因素，对土地利用中的光照条件影响显著。由图3可知，耕地主要分布在平缓坡、阳坡、半阳坡，分布指数大于0.55,其中平缓坡其分布指数都大于1.00。这3个坡向梯度区域为耕地的坡向优势区，占该区域土地总面积的96.5%，表明耕地对光照、热量、水分条件的要求较高。园地这与耕地相似，也主要分布在平缓坡、阳坡、半阳坡,其分布指数都大于0.70，这3个坡向梯度区域同样为园地的坡向优势区。林地和其他用地的分布几乎不受坡向限制，在各个坡向上其分布指数变化都不大,也就是说林地和其他用地的分布基本上没有方向性,说明林地和其他用地对各个坡向具有较强的适宜性,与耕地、园地的适宜条件相反，林地和其他用地受光热水的影响较小。建设用地主要分布在平缓坡，其分布指数大于1.00，在阳坡、半阳坡的分布指数大于阴坡，但差别不大，说明建设用地对坡向的适宜性较强。水域主要分布在平地，在各坡向上变化幅度不大。图3各坡向区土地利用类型分布指数2.4 土地利用类型分布特征随地形位梯度的变化由图4可知,佛山市地形位梯度在0~1.60，当地形位梯度为0~0.60时，耕地的分布指数均大于0.60，其中0~0.20区间其分布指数大于1.00，耕地分布优势明显；当地形位梯度大于0.60时,耕地分布指数迅速减小，最终其分布指数在地形位指数为1.20~1.40时趋向于0。这表明在低地形位梯度上，耕地存在分布优势，而在较高地形位梯度上,耕地对高程和坡度的适宜性差，耕地分布指数小。当地形位指数为0~0.20时，林地分布指数为0.27；地形位指数大于0.21时,林地分布指数均大于2.00。这说明林地在低地形位梯度上受耕地、建设用地、水域等分布的影响较大，而在较高地形位梯度上林地分布存在明显优势，表明林地比耕地、园地、建设用地对高程和坡度的适宜性强。当地形位梯度为0~0.40时，建设用地分布指数大于0.70，其中地形位梯度为0~0.20时建设用地和水域分布指数大于1.00。这图4各地形位梯度土地利用类型分布指数表明人类的生产建设活动对高程和坡度的依赖性强，在建设用地分配使用中需重点考虑地形位梯度和水域分布。当地形位梯度为0~0.60时,其他用地分布指数大于0.58,其中地形位梯度为0~0.40时其分布指数均大于1.00，尤其是地形位梯度为0.21~0.40时，除了林地外，其分布指数最大，表明在较低地形位梯度上其他用地优势区位明显。在以后的生产建设中，应注重科学合理开发其他用地，注重开发与生态建设并行。3结论与讨论在一定程度上，地形是土地利用空间分布差异的决定因素。土地利用类型分布特征随地形梯度的变化能反映该地域的地形条件，反映各个土地利用类型的分布优势区位,反映各级地形梯度上的土地主导利用方式，也能阐述各种土地利用类型的适宜条件、限制因素及未来的发展方向。在大尺寸地形位梯度上，佛山市土地利用类型分布特征存在明显差异：耕地、园地和其他用地主要分布在第一、二、三级地形位梯度上，表明耕地、园地、其他用地对高程和坡度具有较差的土地适应性。其原因主要是低海拔区域光、热、水资源丰富，比较适宜耕作；坡度越大，人类从事农业生产活动和生产建设的难度越大，投入与产出比越小，所以耕地、园地、其他用地主要分布在比较平坦的区域。同种土地类型在高程、坡度、坡向、地形位梯度上的分布指数具有一定的相似性。林地在较低高程梯度等级区域上分布指数较低,而在中高高程梯度等级区域上具有明显分布优势；林地在较低坡度梯度上分布指