1. 引言
随着区域发展战略、城乡、产业以及生态建设的转型，其对区域土地利用产生了巨大的影响，土地利用动态变化越来越激烈，因此，土地利用/覆被变化(LUCC)是当今地理学、生态学、资源科学领域的主要问题，其中生态用地更是成为当前生态文明建设关注的热词之一。国内外LUCC研究者们试图通过对生态用地“类型识别—空间格局—时空变化—环境效应”及其相互作用机制的认识，深入理解地表过程与人为干扰活动对生态用地的影响，从而更多地从自然–人文维度预测生态用地景观演变，进而评估土地生态环境变化并寻求积极的人为干预 [1] [2] [3] [4] [5]。生态用地作为地球的“肾”和“肺”，具有多种生态功能，具有重要的生态系统服务功能(供给服务、调节服务、支持服务和文化服务)，是衡量一个地区国土生态环境质量好坏的“晴雨表” [6]，其概念内涵在区域尺度上主要形成3种观点：生态要素决定论 [7]、生态功能决定论 [8] 和主体功能决定论 [9]。
本文结合地理国情普查技术规范，采纳“凡是具有生态服务功能(提供生态产品、环境调节)、对生态系统和生物生境保护保育具有重要作用的土地单元视为生态用地，包括种植用地(耕地、园地)、林草覆盖地(林地、草地)、水域(河渠、库塘)、荒漠与裸地(沙地、泥质裸地、石质裸地)”的涵义。选取川西北丘陵山地区——绵阳市作为研究对象，以全国地理国情调查成果为基础，基于景观生态学原理和GIS的空间分析方法，从“平坝–丘陵–山地”、“城市–郊区–乡村”地理纬向和经向等多个角度综合研究生态用地的空间梯度差异及其生态环境效应，以剖析其空间格局的差异性，对绵阳市生态文明及大熊猫国家公园建设具有重要的实践意义，并为新一轮的区域国土空间总体规划的编制提供依据。
2. 研究区概况与数据源
2.1. 研究区概况
绵阳市位于四川省东北部，介于东经103˚45'~105˚43'，北纬30˚42'~33˚03'之间。东邻广元市的青川县、剑阁县和南充市的南部县、西充县；南接遂宁市的射洪县、大英县；西邻德阳市的罗江县、中江县、绵竹县；西北与阿坝藏族羌族自治州九寨沟县、松潘县、茂县和甘肃省文县接壤。该市位于四川盆地西北部，涪江中上游地带，地势北高南低，山地区占68.15%，丘陵区占22.71%，平原区占9.14%。气候属中亚热带湿润季风气候，四季分明，终年湿润，南北差异明显。绵阳区位优势明显，交通枢纽地位突出，属长江上游生态屏障与大熊猫国家公园重点建设区域之一。
2.2. 数据源及预处理
本文使用主要数据源为四川省第一次全国地理国情普查成果数据库和地图集，基础底图来源于天地图•四川省基础地理信息共享平台(http://www.scgis.net/index.aspx)，社会经济数据来源于绵阳市2016年统计年检。
利用MAPGIS平台，以地理国情普查成果数据集为基础，按种植土地、林草覆盖、房屋建筑区、道路、构筑物、人工堆掘地、荒漠与裸地和水域8个一级地表覆盖景观图层，提取生态用地一级分类面积及结构数据(表1)，并缩编1/30万地理国情–地表覆盖现状图，生态用地包括种植用地、林草覆盖、水域、荒漠与裸地4个一级生态用地景观。
Table 1. The surface cover type structure of Mianyang city in 2015
表1. 绵阳市2015年各县区地表覆盖类型结构情况(单位：%)
利用MAPGIS平台，以“国情普查”行政区划图为地理基础，对1:30万地貌类型图和地势图进行几何校正，通过图层叠加分析，形成绵阳市地貌类型与地形因子图。
3. 研究方法
3.1. 生态用地景观结构指数
生态用地景观结构指数分析是对研究区域内各种生态用地景观的数量组合关系的分析。其景观生态学定量化指标有多样化指数、集中性指数和区位熵 [10]，其指标含义与表达式详见表2指标1~3。计算方法通常是通过GIS软件将区域生态用地景观图形图转为Grid栅格数据，运用Fragstats3.3景观指数分析软件完成。
3.2. 生态用地景观格局指数
生态用地景观格局指数的景观生态学定量化指标有破碎度指数、优势度指数和均匀度指数等 [11] [12]，其指标含义与表达式详见表2指标4~7。计算方法同样采用Fragstats3.3景观指数分析软件实现。
Table 2. Evaluation index of land use landscape structure and pattern
表2. 土地利用景观结构与格局评价指标
3.3. GIS空间叠加分析法
生态用地景观空间分异特征是生态用地景观数量结构及空间格局在土地利用的自然环境与人类活动共同作用下的时空异质性，一般采用地理信息系统空间数据叠加分析的方法，得出其异质性程度 [13]。本文及县级行政单位为基本研究单元，用西安坐标系和1:30万比例尺图幅为研究的空间基础，在MAPGIS平台的支持下实现土地利用结构空间格局异质性综合指数的叠加分析，其f函数为：
[13] (1)
式中Aj为土地景观结构与格局指数，Ci为评价单元面积百分比。
3.4. 景观格局梯度变化模型
景观格局梯度变化模型法可以理解为以生态用地景观为研究对象，对某一梯度方向(高程梯度、地貌类型梯度、坡度分级梯度、经纬度梯度等)上景观格局指数空间变化特征的模型化表达。本文采用半方差函数分析与克里金空间插值相结合的方法，从高程梯度、地貌类型梯度和经纬度梯度方向，以准确地将土地利用的空间相关性和异质性在二维平面上直观地表现出来 [14]。涉及的数学模型表达式如下：
(2)
式中P代表分布指数，e代表地形因子，Sie代表e地形因子特定等级下的i地类的面积。Si是i地类的面积，Sie是整个区域地形因子特定等级下的总面积，S是整个区域面积。
3.5. 景观生态环境效应模型
针对区域生态环境指数(EV)，借鉴戈嘉璐与谢清雅 [15] [16] [17] [18] 等研究成果制定的不同二级地类的生态环境质量值，利用面积加权法对“三生”用地分类的生态环境质量进行赋值(表3)，基于研究区土地覆被现状二级分类系统中各类景观面积的大小，以EV定量表征某一区域内生态环境质量的总体状况，EV值越大，表示生态环境质量越高。其计算公式为：
(3)
式中LUi为区域内t时期第i种景观类型的面积，Ci为生态环境指数赋值，A为区域总景观面积。
Table 3. Landscape classification of eco-land and evaluation of eco-environmental quality
表3. 生态用地景观分类及其生态环境质量赋值
4. 生态用地景观结构与格局特征分析
4.1. 生态用地景观结构特征
运用景观结构指数模型对研究区生态用地景观数量结构的多样化指数、集中化指数、组合类型和区位熵进行测算，其测算结果表明：绵阳市所辖的9个县(市、区)的生态用地在景观数量结构方面存在着较为明显的空间分异特征。具体表现如下：
1) 多样化特征明显。全市多样化指数平均值为0.4909，偏离理论最大值0.875，这说明全市生态用地类型多样化程度总体较高，而各县区的多样化指数介于0.200~0.700之间，涪城区最大，为0.6801，游仙次之，为0.6155；北川最小，为0.1851，相差三倍，其中，江油多样化指数为0.5338，接近全市平均水平。因此，绵阳市生态用地景观类型数量结构多样化特征明显，西北山地地区指数低、中部丘陵山地地区指数中等高、东南丘陵地区指数中等(图1(a))。
2) 集中化程度总体不高，但空间差异明显。在生态用地数量结构集中化指数方面，各个区域的生态用地集中化指数都较低且相差不大，值介于−0.40~0.25之间(图1(b))。
通过洛伦兹曲线分析(图2)进一步明确，北川、平武前1个地类后明显地发生转折，因为林草覆盖地
Figure 1. Diversification, centralization and combination type distribution map
图1. 多样化、集中化及组合类型分布图
Figure 2. The Lorentz curve of ecological land in each county area in Mianyang
图2. 绵阳市各县区生态用地洛伦兹曲线
景观面积百分比接近90%；涪城区、游仙区前3个地类后才发生明显转折，因为种植用地、林草用地、水域3地类累计面积百分比达90%；而安州、江油、三台、梓潼、盐亭洛伦兹曲线增长速率几乎相同，在前2个地类后明显发生了转折，且与全市趋势一致，因为种植用地、林草覆盖地2个地类累计面积百分比达到90%，这充分体现出地处川西北山地和丘陵区生态用地特点，山地区林地比例最高，集中化程度较高，丘陵区种植用地、城和林草地覆盖面积比例较大，集中化程度较低，土地利用类型受地形和城市化水平制约明显。
对多样化指数与集中化指数进一步相关分析表明，两者呈高度负相关，相关系数为−0.8769，表明土地利用多样化程度高的县区，集中化程度较低。反之，亦然。
3) 丘陵区到山地区生态用地组合类型简单各异。研究区区域生态用地组合类型为2种，北川、平武2个县为林草覆盖组合类型；安州、江油、梓潼、盐亭、三台4县区组合类型构成中以林草覆盖地、种植用地为主体；涪城区和游仙区组合类型为种植用地–林草覆盖组合类型。因此，组合类型数进一步表明，丘陵区到山地区生态用地一级分类构成呈现由复杂变简单的分异规律，且绵阳市辖区最复杂(图1(c))。
4) 区位熵空间分异较为显著。从图3可知，研究区域生态用地的区位熵空间分异有明显的不同，其中种植用地的区位熵大于1的县(市、区)是三台、游仙、盐亭、梓潼、涪城、安州、江油，与全区的平均水平相比较而言较高，种植用地聚集度较高，属农田生态系统布局主要的区域。而林草用地区位熵大于1的有平武、北川2个县，对规划林业发展用地具有实际的指导作用。水域用地区位熵除平武、北川、盐亭3县小于1外，其余6个县(市、区)均大于1，农业水利条件较好。而裸地区位熵就只有平武一个县大于1，具有进一步开发利用的潜力，用以补充平武县耕地与园地的不足。
Figure 3. Ecological area entropy distribution map of Mianyang county area
图3. 绵阳县区生态用地区位熵分布图
4.2. 生态用地景观格局特征
运用景观格局指数模型对绵阳市生态空间格局的破碎度指数、多样性指数、优势度指数、均匀度指数进行测算，其结果见表4。对比分析空间格局指数测算结果，研究区土地利用空间格局区域分异明显。具体表现为：
1) 破碎度从丘陵区到山地区由强变弱。平均水平为0.54，北部平武、北川山地地区远低于平均水平，景观格局简单，而中南部涪城区、游仙区、三台县远高于平均水平，景观格局复杂。
2) 多样性从城市到郊区是由简单到复杂。平均水平为1.29，则表明研究区大多数区域的多样性水平较高，空间格局受地形、水系及人类活动的影响而变得复杂多变。这与土地利用景观数量结构多样化指数表现趋势基本一致。
3) 优势度整体不明显，但是地区差异较为显著。从优势度指数看，全市平均水平为0.79，表明整体优势度不明显；平武、北川优势度指数远高于平均水平，表明土地利用类型集中化程度高；城市辖区涪城、游仙优势度指数远低于平均水平，表明生态用地类型集中化程度很低；而其他区域优势度指数与平均水平相差不大，表明生态用地景观类型集中性较低。
Table 4. Spatial pattern index of land use in Mianyang City and its regions
表4. 绵阳市及各区域土地利用空间格局指数值
4) 均匀度整体水平较低，地区差异明显。从生态用地结构均匀度指数看，全市平均水平为0.45，城市辖区浅丘区为高水平、中丘及深丘区为中等水平、山地区为低水平，呈现从丘陵区到山地区，土地利用类型均匀度逐渐减弱，区域空间分异特征与多样性指数基本一致。
4.3. 生态用地景观格局地形梯度分异
1) 地貌类型梯度分异明显。从表5可知，研究区生态用地景观的地貌类型梯度分异特征为：种植用地、水域随高程的增加而减少，地貌类型变化主要从平坝–台地–低丘–高丘过渡，耕地和水域用地在平坝比例最大。园地的地貌类型变化主要从台地–低丘–高丘–低山–地中山过渡，其中在台地的面积比例最大。平坝区域种植用地是该市主要的生态用地。林地，在平坝–台地–低丘–高丘–低山–地中山–高山过渡，其中在中山的比例最大。草地在各地貌类型中均有分布，从平坝–台地–低丘–高丘–低山–低中山–高山–极高山–山原–高山原过渡，在中山的比例达到最大。
2) 坡度级梯度分异显著。根据国情普查技术规范和绵阳地形特征将地形坡度划分为五级：平地(≤2˚)，平缓坡(2˚~6˚)，缓坡(6˚~15˚)、斜坡(15˚~25˚)、陡坡(>25˚)，各地类的坡度分级面积比例状况如表6所示。种植用地中，坡度为6˚~15˚的耕地面积分布最广，占比38.84%；其次为2˚~6˚的坡耕地，占比22.21%；坡度为15˚~25˚的耕地占比20.12%；>25˚的陡坡耕地面积相对最少，仅占6.16%。
3) 高程带梯度分异突出。依据地形地貌的分类标准并结合研究区的地势图等高线分布范围，把高程分为6级样带(高程带)，统计不同高程样带的土地利用景观斑块面积与构成(表7)。其高程带分异特征如下：耕地、园地、水域随高程的增加而减少；这几种生态用地景观类型在<800 m的高程上占该级土地面积比例均超过了80%，耕地，园地的分布和水域有关，其分布范围大体相同，该区800 m是适合人类生产生活的条件。林地主要分布在主要分布2500 m以下，其中林地在低中山带(1000~2500 m)之间比例较重，占该级土地面积比例49.60%，说明海拔2500 m是林地分布的上线；草地和其他土地主要分布在主要分布4000 m以下，在中山带(2500~4000 m)之间比例较重，分别占该级土地面积比例为56.30%和62.46%。说明海拔4000 m是草地和其他土地分布的上线。由此可见绵阳生态用地的立体分布明显，生态用地景观随高程变化呈条带状分布特征。
Table 5. Table of landscape area structure of ecological land area in different geomorphological types
表5. 不同地貌类型区域生态用地景观面积结构表(单位：%)
Table 6. Area structure table of landscape types of ecological land at different gradients
表6. 不同坡度分级生态用地景观类型面积结构表(单位：%)
Table 7. Composition of landscape types of ecological land at different elevation levels
表7. 不同高程分级生态用地景观类型面积构成状况(单位：%)
5. 生态用地生态环境效应分析
运用前述方法对研究区生态用地生态环境效应指数测算，其结果见表8。其空间分异特征为：全市平均水平为0.5785，表明整体生态用地生态环境效应不高；区域差异明显，城市辖区浅丘区为低水平、中丘及深丘区为中等水平、山地区为高水平，呈现从丘陵区到山地区，生态用地生态环境质量逐渐增强。
Table 8. Eco-environmental quality index of ecological land in Mianyang city and its regions
表8. 绵阳市及各区域生态用地生态环境质量指数值
6. 结论
1) 以全国地理国情普查数据为基础，运用GIS技术和景观格局指数结合的方法进行绵阳市生态用地空间格局及其生态环境效应分析，直观的得出绵阳市及各县区生态用地景观格局分异特征。能够很好地揭示区域生态用地景观的空间分异特征，且该空间分异特征是研究区地貌格局、水系特征和人类活动等共同作用的结果。
2) 研究区生态用地景观数量结构县区差异明显：生态用地多样化和组合类型整体水平较高，且平坝区、丘陵区、山地区差异明显；生态用地景观的集中程度则刚好相反，与多样化呈显著负相关；种植用地(耕地、园地)区位熵优势在丘陵平坝区，而林草用地区位熵优势位于山地区。
3) 研究区生态用地景观格局县区分异显著：空间格局分异总体水平较高，但从城市近郊丘陵区到远郊山地差异明显，生态用地景观格局破碎度从山地区到丘陵区表现为由弱变强；生态用地景观多样性从山地区到丘陵区表现为由简单到复杂；生态用地景观优势度从山地区到丘陵区表现为由高降低；生态用地景观均匀度从山地区到丘陵区表现为由低变高。
4) 研究区生态用地景观格局的梯度分异明显：在浅丘平坝带、深丘带、低山带、低中山带上，生态用地的景观多样化由复杂到简单；生态用地景观的区位熵集聚程度明显，种植用地景观区位熵优势体现平坝丘陵带上；生态用地景观类型破碎度在浅丘平坝带、深丘带上变化特征明显，破碎程度由强变弱。
5) 研究区生态用地生态环境效应水平不高，县区差异明显：平坝浅丘区为低水平、中丘及深丘区为中等水平、山地区为高水平，呈现从丘陵区到山地区，生态用地生态环境质量逐渐增强。
基金项目
校级自然科学基金项目(MYSY2018T003)；绵阳市国土资源学会应用研究项目(MY201803)。
NOTES
*通讯作者。