基于地形起伏度的耕地与聚落耦合关系演变研究-以都江堰市为例

基于地形起伏度的耕地与聚落耦合关系演变研究以都江堰市为例

王会豪，任平*,张智波(1.四川师范大学西南土地资源评价与监测教育部重点实验室,四川成都610066;2.四川师范大学地理与资源科学学院,四川成都610066)基于地形起伏度的耕地与聚落耦合关系演变研究

——以都江堰市为例王会豪1,2，任平1,2*,张智波1,2(1.四川师范大学西南土地资源评价与监测教育部重点实验室,四川成都610066;2.四川师范大学地理与资源科学学院,四川成都610066)基于DEM数据提取都江堰市地形起伏度，利用都江堰市2005年与2011年耕地、聚落数据，借助ArcGIS软件平台，定量分析了都江堰市耕地、聚落及耕地-聚落耦合类型的时空分布特征及其分异规律.结果表明：1)都江堰市的地形起伏度以平原为主、台地和丘陵次之，山地面积较小；2)耕地、聚落在平原地区分布面积最大，并且随地形起伏度的增加不断减少；3)耕地偏少型主要分布在城区及建制镇，耕地偏多型主要分布在台地地区，耕地—聚落均衡类型主要分布在都江堰市城区周边；4)在不同地形起伏度上，以小起伏山地为界，耕地—聚落不同耦合类型在平原、台地、丘陵地区变化较明显，耕地偏少型都处于增加趋势，而其它类型则都处于减少趋势，在小起伏山地至极大起伏山地地区，各类型的变化幅度小且变化的趋势比较复杂.地形起伏度；耕地；聚落；空间耦合；都江堰市耕地是人类最基本的生产资料，是人类赖以生存与发展的物质基础，在我国人多地少的实际国情下耕地资源显得尤为重要[1].对耕地的研究一直是地理学研究的热点之一，特别是随着我国经济社会的快速发展、工业化的加速推进，耕地资源不可避免地被大量占用，对耕地资源的研究成果不断增多，研究内容主要集中在耕地的时空分布特征[2-3]、景观格局变化特征[4]、耕地变化轨迹及驱动力分析[5-8]、耕地非农化及保护对策[9-11]等方面.聚落是人类生产、生活的主要场所，按其人口规模与用地性质可以分为城市聚落与乡村聚落[12].目前大部分研究主要集中在耕地或聚落本身，而探讨耕地与聚落间耦合关系的研究则较为少见.耕地和聚落受人类活动的影响均比较深刻且二者间关系比较密切，特别是近年来，随着我国城镇化的快速推进，聚落面积迅速向外扩张，大量耕地被聚落用地侵占，耕地资源在城镇化过程中呈现锐减趋势，虽然我国实行了世界上最严格的耕地保护制度，但并没有从根本上遏制住耕地不断减少的态势，耕地与聚落之间的矛盾日益尖锐.都江堰市位于成都市西北部，地跨龙门山和成都平原岷江冲积扇扇顶部位，境内地形地貌复杂多样，耕地、聚落空间分布差异明显，对其进行研究具有重要的现实指导意义.本文以都江堰市为例，基于地形起伏度，运用GIS空间分析方法，探究了都江堰市耕地、聚落的时空演变特征，并揭示了耕地与聚落耦合关系的时空分异规律，试图为都江堰市耕地与聚落的协调发展提供科学参考.1研究区概况都江堰市位于北纬31°44′54″～31°02′9″，东经103°25′42″～103°47′0″之间，辖区总面积1208km2，下辖19个乡镇与一个街道办事处.地势西北高，东南低，山地、丘陵、台地和平原呈阶梯分布，受地貌类型影响，耕地与聚落主要集中分布在东南部地区的丘陵、台地、平原区，山地地区分布较少.近年来都江堰市经济社会发展迅速，2014年全市实现地区生产总值251.58亿元，同比增长8%，城镇化率超50%，但人均耕地面积仅0.042hm2，低于联合国粮农组织(FAO)划定的0.0533hm2人均耕地警戒线，人地矛盾比较突出.2数据来源与研究方法2.1数据来源及处理本文使用的数据包括都江堰市DEM数据(30m×30m)、都江堰市2005年、2011年土地利用现状数据以及都江堰市乡镇级行政区划矢量图.首先利用ArcGIS10.1参照国土资源部颁布的《第二次全国土地利用现状调查技术规程》(TD/T1014—2007)，将都江堰市土地利用类型分为耕地、园地、林地、草地、聚落用地、采矿风景名胜及特殊用地、交通运输用地、水域及水利设施用地、其它用地，并从中提取都江堰市耕地、聚落图斑，最终得到本研究所需基础数据.2.2研究方法2.2.1地形起伏度的提取地形起伏度是描述一个区域地形特征的指标之一，是指在这个区域内海拔高差与地表切割程度的综合特征[13]，其计算公式为Hij=hij,max-hij,min,i=1，2，3…n,j=1，2，3…n,其中，Hij为该邻域内的高差，hij为邻域内每一个像元的高程值，hij,max为邻域内最高像元的高程值，hij,min为邻域内最低像元的高程值，由此得到网格单元n×n(2×2,3×3，…，15×15)与地形起伏度间的关系.2.2.2最佳统计单元的计算关于最佳统计单元的确定，部分学者将像元网格面积与对应分析窗口中的平均起伏度数值生成曲线，采用目视判断法[14]确定最佳统计单元，但其缺陷在于受主观影响大;本文采用均值变点法[15-16]确定都江堰市的最佳统计单元，利用ArcGIS10.1中的焦点统计工具对DEM数据进行矩形窗口分析，以n×n像元作为模板算子，从2×2开始，首先计算像元内的最大值并记为专题层Max，接着计算最小值并记为专题层Min，然后利用栅格计算器计算最大值与最小值的差值，得到2×2像元地势起伏度专题层，在计算过程中记录网格面积的大小与平均起伏度数值，如此循环一直计算到15×15，经过计算最终确定都江堰市最统计窗口为4×4，由此得到都江堰市的地形起伏度.3研究结果3.1都江堰市地形起伏度规律分析在ArcGIS10.1支持下，首先对4×4窗口下提取的都江堰市地形起伏度进行校准，然后依据我国1∶10×105地貌图制图规范[17]将都江堰市地形起伏度划分为7个等级：平原(≤30m)、台地(31～70m)、丘陵(71～200m)、小起伏山地(201～500m)、中起伏山地(501～1000m)、大起伏山地(1000～2500m)、极大起伏山地(≥2500m)，如图1和表1所示.图1都江堰市高程和地形起伏度分级由图1和表1可知,都江堰市地形起伏度空间分布差异明显：极大、大、中、小起伏度山地主要分布在北部及西部地区，丘陵、台地集中分布在中部地区，平原主要分布在东南部以及地势较低的山麓与沟谷地区.整体而言，都江堰市地形起伏度主要以平原为主，台地和丘陵次之.其中，平原所占比例最大为43.27%，台地占30.85%，丘陵占22.04%，小、中、大起伏山地分别占1.89%、1.17%、0.76%，极大起伏山地所占比例最小为0.02%.说明都江堰市地形起伏度较大，地形地貌复杂多样，山地、丘陵、平原等均有分布，其原因在于都江堰市北部及西部处于龙门山区，而东南部地区处于成都平原冲积扇.3.2都江堰市耕地时空分异特征在ArcGIS技术支持下，将都江堰市地形起伏度图层与2005年、2011年耕地斑块图层叠加(图2)，并统计出各地形起伏度上耕地的分布情况，如表2所示.图2都江堰市2005年和2011年不同地形起伏度下耕地分布从图2和表2可知，以小起伏山地为界，随着海拔不断升高，都江堰市的耕地面积在不同地形起伏度上的变化大致呈先减少后增加的趋势;超过99%的耕地分布在平原、台地和丘陵3大地形起伏度单元，其中，全市近90%的耕地都分布在平原地区，分布在台地、丘陵的耕地面积依次减少；小起伏山地及以上地形起伏度单元内尽管也有耕地分布，但面积很小，不足全市耕地面积的0.2%.2011年与2005年相比，耕地的变化也主要发生在平原、台地和丘陵地区，其中，平原地区的耕地净减少最多，达2474.50hm2；台地和丘陵的耕地变化则表现为净增加，分别为24.85hm2和33.20hm2，其耕地变化的绝对值远远小于平原地区；其它地形起伏度单元下的耕地则变化不大.3.3都江堰市聚落时空分异特征在ArcGIS技术支持下，将都江堰市地形起伏度图层与2005年、2011年聚落斑块图层叠加(图3)，并统计出各地形起伏度上聚落的分布情况，如表3所示.图3都江堰市2005年和2011年不同地形起伏度下聚落分布由图3和表3可知，随着海拔不断升高，都江堰市聚落在各地形起伏度上的分布面积不断减少，超过99%的聚落分布在平原、台地与丘陵地区，其中全市近85%的聚落都分布在平原地区，10%左右的聚落分布在台地地区，2%左右的聚落分布在丘陵地区.在小、中、大、极大起伏山地上虽有聚落分布，但面积很小，总和不足全市聚落总面积的0.2%.2011年与2005年相比，都江堰市的聚落面积在各地形起伏度上都有所增加，增加量主要发生在平原地区，达2986.29hm2;台地、丘陵地区的增加量次之，分别为554.70、174.51hm2;小、中、大起伏山地地区的增加量较小,分别为6.70、4.93、12.35hm2;极大起伏度山地增加量最小,仅为0.12hm2.3.4耕地聚落耦合类型时空分异特征为定量表征都江堰市耕地与聚落的空间组合关系，本文运用耕地与聚落面积比指数(K)[18]分析二者间的耦合关系.计算方法为研究单元内耕地面积与聚落面积之比.该指数可以反映研究区域内耕地资源的丰缺程度与人地矛盾问题:比值越大说明研究区内的耕地资源比较丰富，人地矛盾比较缓和;反之,则说明耕地资源比较紧缺，人地矛盾比较尖锐.由于耕地与聚落空间分布的差异形成了不同耕地聚落耦合类型，为合理确定耕地—聚落耦合类型的划定标准.本文将世界粮农组织划定的人均耕地警戒线533m2作为耕地紧缺阀值,现有世界人均耕地面积1920m2作为耕地盈余阀值,将《国家新型城镇化规划(2014—2020)》规定人均建设用地范围[19](城市人均100m2、农村人均150m2，城市化率为60%，折算后人均约130m2)作为紧缺阀值,现有世界人均建设用地面积83m2作为盈余阀值[12]，根据耕地与聚落面积比指数计算得到K的盈余值为23.1、紧缺值为4.1.据此将都江堰市耕地—聚落耦合类型划分为耕地偏多型、耕地偏少型，介于二者之间则为耕地—聚落均衡型.由于都江堰市的行政区划面积差异较大，以此研究都江堰市耕地聚落耦合类型的空间差异，无法准确揭示其分布规律[20]，本文依据都江堰市面积的大小，采用1km×1km的格网做为研究单元[21]，意义在于其空间粒度大大小于行政单元，所揭示的地理事物的详尽程度比基于行政单元分析的结果详尽的多[22].在ArcGIS技术支持下，得到覆盖都江堰市的格网，最后将格网图层与耕地、聚落图层叠加，分别计算每个格网内的耕地面积与聚落面积的比值，并依据上述标准划分为不同的类型，如图4所示，最后将都江堰市耕地—聚落耦合类型图层与都江堰市起伏度图层叠加得到不同地形起伏度上耕地—聚落耦合类型分布状况，如表4所示.图4都江堰市2005年和2011年耕地—聚落耦合类型分布Fig.4Couplingtypeofsettlementsandcultivatedlandsdistributionin2005and2011inDujiangyanCity由图4可知，都江堰市耕地—聚落耦合类型空间分布差异明显，且随着时间的推移发生着显著的变化.耕地偏少类型区集中分布在都江堰市主城区及各建制乡镇且面积显著增加，主要以中心城区向周边扩张，尤以向东南部及南部地区扩张最为明显；耕地—聚落均衡类型区主要分布在都江堰城区周边且分布面积明显减少；耕地偏多类型区主要分布在都江堰市主城区的东北、西北及西南部地区，即台地地区较多，且数量有所减少；无耕地或聚落分布类型区主要分布在都江堰市北部地区，西部地区分布较少，整体处于减少趋势.表4都江堰市2005年和2011年不同地形起伏度下耕地—聚落耦合类型由表4可知，都江堰市耕地—聚落耦合类型在不同地形起伏度上分布差异明显，并随着时间的推移也发生着较显著的变化：1)2005年，从整体上来看，耕地偏少型、耕地—聚落均衡型、耕地偏多型以及无耕地或聚落分布的面积分别占全区总面积的30.37%、33.35%、5.17%和31.09%，耕地偏多型明显处于劣势地位，说明都江堰市的人地矛盾较为突出，其他3种类型的面积比例基本相当.从不同地形起伏度下的耦合类型来看，平原地区耕地—聚落均衡型占主导地位，面积比例占到了全区总面积的近1/4；其次是平原地区的耕地偏少型和丘陵地区无耕地或聚落的分布情况，其面积占比均在15%左右；台地也存在相当数量的耕地偏少型与无耕地或聚落分布的情况，其面积占比也大致相当，分别为10.15%和11.02%.另外，随着海拔的不断升高，耕地偏少型与耕地—聚落均衡型在平原至丘陵这一地形起伏度变化范围内，其面积占比出现了明显的下降趋势，进入山地以后，在小、中、大起伏山地范围内，保持低位稳定，而至极大起伏山地则几乎没有分布.耕地偏多型以及无耕地或聚落分布的情形则表现出与前两者不同的变化趋势：(a)以台地为界，耕地偏多型的面积占比呈现出先上升后下降，然后趋于稳定，并最终消失的缓波峰变化形态；(b)而无耕地或聚落分布的情形，则是以丘陵为界，先后经历了急剧上升、平缓上升、急剧下降、平缓下降直至消失的陡波峰变化趋势.2)2011年，耕地偏少型、耕地—聚落均衡型、耕地偏多型以及无耕地或聚落分布的面积分别占全区总面积的41.05%、24.95%、3.72%、30.28%，其中，耕地偏少型所占比例最大，耕地偏多型比例最小.从不同地形起伏度下的耦合类型来看，平原地区耕地偏少型所占比例最大为23.08%，耕地—聚落均衡型、无耕地或聚落分布分别为17.72%、1.17%，耕地偏多型所占比例最小为0.99%.台地、丘陵地区无耕地或聚落分布、耕地偏少型所占比例较大，其它类型所占比例则相对较小.在山地地区4种类型均有分布，但所占比例较小且相差不大.3)2011年与2005年相比，总体而言，耕地—聚落不同耦合类型在不同地形起伏度上均有变化，但变化幅度又不尽相同.耕地偏少型与耕地—聚落均衡型变化幅度比较大，分别由2005年的30.37%、33.35%变为2011年的41.05%、24.95%，而耕地偏多型与无耕地或聚落分布型的变化则相对比较小.从不同的地形起伏度下的耦合类型看，以小起伏山地为界，平原地区耕地偏少型增加幅度最大为7.33%，耕地—聚落均衡型减小幅度最大为6.63%，其它两种类型变化幅度较小.台地与丘陵地区耕地偏少型都处于增加趋势，而其它3种类型都处于减少趋势.进入山地后，随着地形起伏度的增大，耕地—聚落耦合各类型的变化趋势虽不尽相同但变化的幅度都不大，耕地偏少型在不同起伏度山地地区都处于增加趋势，而无耕地或聚落分布类型则都处于减少趋势，耕地偏多型与耕地—聚落均衡型的变化趋势则不具规律性.4结论本文利用都江堰市2005年与2011年的耕地、聚落数据，基于地形起伏度，分析了都江堰市耕地、聚落的时空分异特征，并在此基础上探究了耕地—聚落耦合类型的时空演变特征，结论如下：1)都江堰市的地形起伏度空间分布差异明显，平原、台地和丘陵面积占全市面积的96%以上且主要分布在都江堰市的东南部地区，而山地面积不足全市面积的4%，主要分布在都江堰市的北部及西部地区.2)都江堰市的耕地主要分布在东南部的平原地区，占全市耕地总面积的89%以上，台地、丘陵地区次之，随着海拔的不断升高，耕地的分布面积不断减少，2011年与2005年相比，耕地的变化也主要发生在平原、台地和丘陵地区，其它地形起伏度单元下的耕地则变化不大，表明地形对耕地资源的分布具有显著影响.3)都江堰市超过99%的聚落分布在平原、台地与丘陵地区，在山地地区虽有聚落分布，但面积很小，且随着时间的推移，在各地形起伏度地形区，聚落的面积都处于增加趋势.4)从空间分布看，2005年与2011年都江堰市耕地—聚落耦合类型发生了显著的变化，耕地偏少类型区主要分布在城区及建制镇且不断向外扩张，耕地—聚落均衡类型区主要分布在都江堰城区周边且分布面积明显减少，耕地偏多类型区主要分布在都江堰市城区的东北、西北及西南部地区，无耕地或聚落分布类型区主要分布在都江堰市北部地区，且面积都有所减少；从耕地—聚落不同耦合类型在不同地形区上的变化结果及趋势看，耕地—聚落不同耦合类型在平原、台地、丘陵地区变化较明显，耕地偏少型都处于增加趋势，而其它类型则都处于减少趋势，在小起伏山地至极大起伏山地地区，各类型的变化幅度较小且增加或减少的趋势比较复杂.[1]王华,甘昉.基于洛伦茨曲线及景观格局指数的江汉平原地区耕地利用分区研究[J].国土与自然资源研究,2013(3):39-42.[2]田光进,庄大方,刘明亮.近10年中国耕地资源时空变化特征[J].地球科学进展,2003,18(1):30-36.[3]梁海鸥.巴彦县耕地资源利用变化时空特征研究[D].哈尔滨:东北农业大学,2012.[4]刘淼,胡远满,常禹,等.崛江上游汶川县耕地景观变化及空间驱动力[J].应用生态学报,2007,18(3):569-574.[5]关兴良,方创琳,鲁莎莎.中国耕地变化的空间格局与重心曲线动态分析[J].自然资源学报,2010,25(12):1997-2006.[6]张孝宇,谢新朋,张安录.武汉市耕地非农化的空间非均衡发展与空间扩散路径分析[J].自然资源学报,2014,29(10):1649-1659.[7]刘桂林,张落成,张倩.1985—2010年南京市耕地变化轨迹及驱动力分析[J].生态与农村环境学报,2013,29(6):688-694.[8]赵晓丽,张增祥,汪潇.中国近30a耕地变化时空特征及其主要原因分析[J].农业工程学报,2014,30(3):1-11.[9]任平,吴涛,周介铭.基于耕地保护价值空间特征的非农化区域补偿方法[J].农业工程学报,2014,30(20):277-287.[10]王雨濛.土地用途管制与耕地保护及补偿机制研究[D].武汉:华中农业大学,2010.[11]柯新利,杨柏寒,丁璐,等.基于目标责任区际优化的耕地保护补偿[J].中国人口·资源与环境,2015,25(1):142-151.[12]陈永林,谢炳庚,李晓青,等.长株潭地区聚落空间演化及其与耕地的空间关系研究[J].人文地理,2015(6):106-112.[13]杨雪婷,苏维词.云南省县域地形起伏度与人口分布的耦合关系研究[J].重庆师范大学学报(自然科学版),2016,33(1):123-129.[14]唐飞,陈曦,程维明,等.基于DEM的准噶尔盆地及其西北山区地势起伏度研究[J].干旱区地理,2006,29(3):388-392.[15]陈学兄,常庆瑞,郭碧云,等.基于SRTMDEM数据的中国地形起伏度分析研究[J].应用基础与工程科学学报,2013,21(4):670-678.[16]张军,李晓东,陈春艳,等.新疆地势起伏度的分析研究[J].兰州大学学报(自然科学版),2008,44(S1):10-13,19.[17]中国科学院地理研究所.中国1:1000000地貌图制图规范(试行)[M].北京:科学出版社,1987:33-34.[18]甘彩红.基于拼地与泉落女问拓合的本区度地人地关系研究[D].重庆:重庆师范大学,2015.[19]新华网.国家新型城镇化规划[EB/OL]./n/2014/0317/c1001-24649809.html.[20]黄莹,包安明,陈曦,等.基于绿洲土地利用的区域GDP公里格网化研究[J].冰川冻土,2009,31(1):58-65.[21]熊俊楠,韦方强,苏鹏程,等.基于多源数据的四川省GDP公里格网化研究[J].应用基础与工程科学学报,2013,21(2):317-327.[22]王黎明,张少辉,张大泉.基于公里格网的中国人地关系紧张度定量模拟[J].地理研究,2007,26(3):425-432.(编辑周俊)ResearchontheDevelopmentoftheCouplingRelationshipbetweenCultivatedLandsandSettlementsBasedonReliefAmplitude:TaketheCaseofDujiangyanCityWANGHuihao1,2,RENPing1,2,ZHANGZhibo1,2(1.KeyLaboratoryofLandResourcesEvaluationandMonitoringinSouthwestofMinistryofEducation,SichuanNormalUniversity,Chengdu610066,Sichuan;2.GeographyandResourcesScienceCollege,SichuanNormalUniversity,Chengdu610066,Sichuan)BasedontheextractedreliefamplitudefromDEMdataandthedataofcultivatedlandsandsettlementsin2005and2011ofDujiangyanCity,andtheuseofArcGISsoftware,thispapergaveaquantitativeanalysisofthespatiotemporaldistributionanditsdifferencelawofcultivatedlands,settlementsandthecouplingtypeofsettlementsandcultivatedlands.Theresultsareasfollow:1)amongthereliefamplitudezoneinDujiangyanCity,theplaincoversthelargestarea,andmesaandhillsseco