土地利用理论格局论述
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引言景观是由多个生态系统构成的异质性地域［1－2］。景观格局一般指大小和形状不一的景观斑块在空间上的配置［3］。景观格局分析主要是定量研究斑块在景观中的分布规律，其目的在于发现表观上无序的景观潜在的有意义的有序或规律［4］。20世纪90年代以来，分形理论在我国地理学中的应用日益广泛，并在地貌学、城市地理学、地图学和遥感等分支学科取得了较大进展［5－9］。以分析空间结构而见长的分形理论也被越来越多地应用于景观镶嵌结构的复杂性与稳定性等景观生态研究［10－15］。本文试图应用分形理论从景观结构特征和景观空间分布特征两个层次对湖北省咸丰县的土地利用景观格局进行分析，对探索土地利用数据的景观生态定量研究方法具有一定的意义，并对各种分维数的计算方法及其表征意义进行探讨。
1材料与方法
1.1研究区概况咸丰县地处湖北省恩施土家族苗族自治州西南部，该区高峰叠起，地势西北高、东南低，海拔最低194.65m，最高2095.6m，“沟壑纵横、高差大、坎割深、坡度陡”的地貌形态特征，构成“八山一水一分田”的土地利用格局。全县小气候特征明显，冬季无严寒，夏季无酷暑，日照较少，雾日多。咸丰县下辖10个乡镇，全县总人口37.3万人，人均土地面积0.68hm2，人均耕地面积0.1hm2，土地后备资源丰富，待开发潜力大。
1.2数据来源本研究采用湖北省咸丰县2007年和2010年1:10000土地调查成果数据，依据《生态环境状况评价技术规范(试行)》，基于土地利用分类方法，结合研究区特点，通过地类归并将研究区的土地利用景观类型划分为耕地、园地、乔木林地、灌木林地、疏林地、草地、建筑用地、水域和未利用土地。
1.3分形计算
1.3.1斑块形状分维数计算曼德尔布罗特在研究动物脑褶分形结构时提出表面积S(r)与体积V(r)的分形关系［16］S(r)1/D～V(r)1/3。(1董连科［17］在此公式的基础上，用物理量纲分析方法进行推导，得出了适用于n维欧氏空间的分维公式。其中可以表达二维欧氏空间面积与周长的分维公式为式中:P(r)为斑块周长;A(r)为斑块面积;D为斑块形状分维数。
1.3.2空间结构盒维数计算空间结构盒维数反映了不同地类空间结构的复杂程度和不规则程度。用网格化方法通过对各景观类型覆盖图幅方格数和方格边长之间关系进行线性回归计算可得其计算公式［18］为lnN(r)=lnC－Dln(r)。(4)式中:N(r)为斑块空间结构中所包含的方格个数;r为方格边长;D为空间结构盒维数。
1.4其他景观格局指数选取描述格局特征的景观指数很多，且相关性较强。本文根据研究区的特征，着重选取有代表性的指标和景观指数进行计算分析(表1)。
2结果与分析运用ARCGIS及景观格局分析指数计算软件FRAGSTATS3.3分别计算出各景观类型的景观要素指数(表2)。
2.1景观结构特征分析
2.1.1斑块形状分维数分析斑块形状分维数反映了斑块边缘的复杂性，其值大小体现了所受人类活动干扰强度的差异性［19］。一般来说自然性强的地类，斑块形状比较复杂且无序，分维数D的取值就高;人为干扰强的地类，斑块形状比较规则且简单，分维数D的取值就小。它表现了不同景观类型在斑块水平的分形特征。斑块形状分维数D的理论值在1到2之间，当D为1.5时，则代表景观类型处于布朗随机运动状态，是景观类型稳定性的临界值点。分维值越接近临界值点，土地利用类型稳定性越差;反之，则稳定性较强。D越大表示土地利用类型形状复杂程度越高;反之复杂程度较低［20］。通过对斑块面积和周长建立回归方程得出研究区斑块形状分维数(表3)。由表3计算得知，研究区2010年斑块形状分维数大小依次为:水域＞未利用土地＞耕地＞园地＞乔木林地＞草地＞灌木林地＞疏林地＞建设用地，其中水域分维数最大为1.664，水域受人为干扰因素较低，所以其边缘形状极不规则，分维数最大;建设用地因人类规划改造等因素影响，形状规则，其分维数最小;未利用土地分维数最接近1.5，其状态最接近布朗随机运动，景观类型最不稳定;其他景观类型虽都受人类活动影响，但限于山区自然地貌特征，影响程度较低，分维数居中。与2007年数据相比，水域的分维数增长最多为0.044，说明水域受到人类活动影响较少，其边缘形状复杂程度加深;草地减少量最大，分维数减少0.056，由于人类对草地开发或退耕还草，草地的形状趋于更加规则。斑块形状分维数可以正确地反映斑块形状复杂程度及人类活动对景观结构的影响程度。
2.1.2其他景观格局指数分析通过计算，得出研究区各景观类型斑块面积及斑块个数(表4)。由表4得知，从斑块面积上看，2010年研究区内林地覆盖率达71%，在研究区景观类型中占主导地位，主要原因是研究区地处山区，其景观格局受人类活动影响较小，自然状态保持良好。2007年至2010年，研究区耕地增加量最大，为2388.41hm2，乔木林地减少最多，为2633.40hm2，但林地在总量上依然占有主导地位。从斑块数量上看，研究区斑块总数量从2007年至2010年减少了128个，破碎化程度降低。耕地斑块数量最多，建设用地斑块数量也处于较高层次，说明山区自然地貌特征决定了景观类型的分布，耕地及建设用地斑块比较细碎，分布较广。由表2得知，景观优势度指数和Shannon多样性指数没有变化，说明研究区林地优势度较大，另因林地受人为干扰较小，延续了研究区的景观多样性及林地的优势性。
2.2景观空间分布特征分析
2.2.1空间结构盒维数分析空间结构盒维数是研究景观格局的定量指标，其值大小反映了某种地类空间结构的复杂程度和不规则程度。某一土地利用类型的空间结构越复杂，越不规则，其盒维数就越大;反之其空间结构越简单，越有规律，其盒维数就越小。通过建立线性回归方程得到研究区空间结构盒分维数(表5)。从表5得知，2010年研究区内各景观类型的空间结构盒维数按照大小次序依次为:草地＞疏林地＞灌木林地＞耕地＞乔木林地＞园地＞水域＞建设用地＞未利用土地。草地，林地，耕地的盒维数处于最高层次，限于山区自然地貌特征，研究区内草地，林地，耕地相互交错、分布散乱、其空间结构杂乱无序。水域、建设用地和未利用土地的盒维数处于最低层次，水域虽然斑块形状复杂，但其分布较集中，空间结构简单;建设用地受人为规划影响，空间结构较为规则，盒维数较低;未利用土地因其面积少，分布较为集中，所以盒维数最低。与2007年相比，耕地和建设用地盒维数减少最大，分别为0.008和0.006。分析其主要原因是随着咸丰县经济发展，人类对用地需求量增大，城市化水平提高，导致建设用地进一步扩张，空间结构也随之变化;另一方面，国家对基本农田保护力度的加大使耕地受人类活动影响程度降低，空间结构复杂程度也随之降低。
2.2.2其他景观格局指数分析由表2得知，2007—2010年间研究区内Shannon平均度指数略微升高，表明优势景观类型份额略微降低，景观平均程度提高。这主要是乔木林地面积减少、耕地和园地面积增加，主导景观对景观的控制作用降低所导致，而蔓延度指数升高也同时证明耕地和园地的连通性提高。分离度指数由3.27升高到3.59，表明随着人类对区域土地资源开发力度的加大，景观的分离程度也随之加大，研究区自然生态环境受人类改造影响程度进一步加深。
3讨论
湖北省咸丰县系贫困山区县，境内山峦起伏，重岩迭嶂，其自然资源和社会经济条件具有典型湖北山区特征，其景观格局特征具有典型性和代表性。本文将分形理论应用于对景观格局特征的分析，在分析典型景观指数如Shannon多样性指数、Shannon平均度指数、优势度指数、分离度指数、蔓延度指数的基础上，对斑块形状分维数及空间结构盒维数进行了着重分析，研究结果表明分形理论可以广泛应用于景观格局分析以及动态模拟等方面，对完善景观生态学理论和对空间格局的定量分析方面具有非常重要的意义。研究结果表明，咸丰县2007—2010年土地利用景观格局总体变化趋势为斑块面积增大、斑块个数减少、Shannon多样性和优势度几乎无变化、Shannnon平均度、分离度和蔓延度加大，其主要原因为受到山区自然地貌特征限制，人类对自然改造范围有限，导致研究区破碎化程度总体降低，自然生态状况保持良好。对斑块形状分维数进行比较，水域最大、建设用地最小;草地的空间结构盒维数最高、未利用土地最低。分维数从量化的角度正确地反映出景观类型的复杂性、稳定性以及人类活动干扰强度对土地利用景观格局的影响程度。限于篇幅，本文没有对一些其他常见的分形维数诸如信息维数、相似维数等进行分析，如何将这些分形维数与景观格局的分析及其模拟研究相结合将是本研究深入探讨的一个方向。