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关中地区土地利用动态模拟与优化配置研究
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摘要
土地资源是一种非常基础性的资源,作为各业生产和人类生活的基础,在人类社会生存和发展中起着非常重要的基础性、战略性作用,土地资源优化配置是缓解人地矛盾、实现土地资源可持续利用的重要手段。
     本文以陕西省关中地区为研究区域,根据站点观测数据、线划数据、数字化专题地图、遥感影像以及社会经济数据,以遥感影像解译和GIS空间分析作为技术支撑,对关中地区土地利用/覆盖时空动态和景观格局进行分析,运用回归分析方法对土地利用格局的形成因素进行定量的分析,在此基础上,运用灰色线性规划(GLP)模型提出了6种土资源优化配置方案,借助CA-MARKOV模型对土地利用变化进行了预测,以土地适宜性评价结果为依据,构建土地利用优化格局模拟模型,将优化配置方案落实到相应的地理空间单元,并基于县域单元对关中地区的土地利用进行了分区研究,从而构建了多层次的土地优化配置方案。研究表明:
     (1)1985年以来,关中地区的土地利用发生了较大的变化,在研究时段内,关中地区土地利用呈现出建设用地、林地和水域面积增多,未利用地、草地和耕地面积减少。面积增加最多的是建设用地,20年间增加了1391.106km2,其次为林地,增加了233.378km2,面积减少最多的是耕地,在整个研究时段内减少了1560.779km2。耕地的主要流向是建设用地、林地和草地。关中平原区建设用地的扩张、生态脆弱区退耕还林还草政策实施、农业产业结构调整是导致耕地面积减少的主要原因。根据土地利用变化的多度和重要度指数,1985-2000年,耕地转变为建设用地、草地转变为耕地、草地转变为林地和耕地转变为草地等几种土地利用转变类型分布广泛,并且是该时期土地利用的重要变化方向;2000-2005年,耕地转变为林地、耕地转变为草地、林地转变为草地和草地转变为林地等几种土地利用转变类型分布广泛,是该时期土地利用的重要变化方向。从选取的两个典型地区的土地利用/覆盖变化情况分析可以看出,黄土高原丘陵沟壑区和关中平原地区的土地利用变化都是呈现耕地减少、建设用地增加的趋势,但是两个典型地区土地利用变化的主要驱动力存在着差异,长武县的耕地面积减少主要是在生态环境建设的政策主导下的结果,其次是由于建设用地的扩展,而位于城市扩展的热点地区的长安区,其耕地面积的减少主要是由于建设用地的增长速度较快的原因造成的。
     (2)类型景观水平的指数显示,随着建设用地面积的不断增加,并且由于其分布比较分散的特点,斑块数量较多,建设用地的斑块密度最大;其次,由于耕地被其他土地利用类型侵占,原有的分布格局被破坏,斑块破碎程度增加,斑块密度也呈现增加的趋势。根据最大斑块指数和景观分割度指数的计算结果表明,耕地、林地和草地是关中地区的优势景观类型,但是随着土地利用景观多样化程度的增加,其优势度有所减少。根据平均斑块分维度的计算结果,景观类型的边界形状趋向于简单,这一过程可以被理解为国家政策和社会经济因素对土地利用景观变化过程的影响程度。关中地区土地利用景观格局的总体变化趋势是:破碎化程度增加,平均分维数总体上呈减少的趋势,表明斑块总体形状趋向于简单。关中地区土地利用景观多样性指数有所降低,表明土地利用趋向于多元化。林地和草地的破碎度降低,特别是连片分布、斑块面积很大的林地和草地所起的生态作用强于破碎的林地和草地,对生态环境的维护作用也趋于增强。
     (3)利用基于矢量格网的数据处理方法,较好地实现了多源数据的融合,从而为研究提供了数据支持;从土地相关性研究中可以得知,关中地区各种土地利用类型表现出较强的正空间自相关现象,其中草地和耕地的空间自相关性要强于其他土地利用类型,未利用地的空间自相关性最弱,在不同的距离范围内,其自相关性都表现出了较大的差异性,随着距离范围的增加,空间自相关指数呈现出先增加、后减少的趋势;通过采用经典回归和空间滞后回归模型进行的土地利用空间格局相关性分析结果表明,在考虑了空间自相关基础上建立的空间滞后回归模型对土地利用格局的解释程度上要高于经典回归模型,一些影响作用不甚明显的因子在空间滞后回归模型中将被剔除,而对于各种土地利用类型的空间分布的主导因子也不尽相同。
     (4)关中地区耕地、林地、草地和建设用地的最适宜面积分别为15219.81 km2、16281.48km2、44909.66km2和8348.34km2,分别占关中地区土地面积的27.6%、29.62%、15.08%和81.13%。土地适宜性评价的栅格数据的基本单元为100m×100m,因而其最小的评价地块为1HM2,对于土地的宏观规划和实施管理具有较好的指导意义。
     (5)根据灰色线性规划的数量配置和CA-MARKOV模型的空间模拟结果,关中地区的耕地面积将继续减少,而林地、草地和建设用地的面积则会增加,优化过程中耕地向林地的调整主要位于秦岭北麓和渭北黄土高原丘陵沟壑区,从行政单元上主要位于陇县、宜君、旬邑、韩城、太白、周至、蓝田和潼关等县(市)。运用探索性空间数据分析方法对关中地区土地利用的社会经济和自然生态重要性格局进行了定量分区研究,其中南部秦岭山区和北部黄土高原部分地区的自然生态综合指数要高于渭河平原区,社会经济综合指数空间分布为以中心城区为中心的渭河平原区要高于秦岭山区和黄土高原区。基于社会经济综合指数和自然生态综合指数格局的耦合状况,采用了矩阵分类方法把关中地区的土地利用综合分区为五个类型的区域:优先开发区、适宜开发区、适度开发区、优先保护区和灰色区。通过对土地利用优化配置的空间模拟和县域尺度的土地利用分区,可以为关中地区土地利用提供指导价值。
     本研究在以下方面有所创新和改进:
     ①以关中地区为研究对象,系统、全面地分析了过去20年的土地利用变化过程,并采取对典型地区的土地利用变化的对比分析的方法,剖析了研究区域内不同的自然环境和社会经济发展水平下的,不同区域的土地利用变化特点及影响因素的差异性;②研究采用了地理信息系统的空间分析方法对土地利用格局进行了分析,并采用经典回归和空间滞后回归相比较的方法进行了定量研究,对模型的效用进行了实证检验,并较好地从空间上揭示了土地利用空间格局的形成因素;③在GIS对基于行政单元统计的社会经济数据的处理能力相对较弱的情形下,为了能使研究中所探讨的因素能得到全面理解,本研究使用了基于土地利用类型、县域的多层次的土地利用空间优化方案;④本研究在对基于县域单元的土地利用分区中,尝试性地将探索性数据分析方法引入到土地利用分区的格局分析中,并取得了较好的研究效果。
As a foundation for production and life, land resources are the basic materials for human living, optimal allocation of land use is an important way to alleviate the conflict between man-land system, also a vital measure to achieve the sustainable utilization of land resources.
     This paper focus on the study of Guangzhong in the Central Shaanxi Province based on the site observation data, DLG data, digital thematic map, remote sensing data and socio-economic data. Supported by the technologies of RS processing and interpretation and GIS system, the paper analyzes Landscape Pattern and the temporal dynamics of land use/cover in Guanzhong region, and uses regression analysis to study the formation of land use pattern. Based on that, six types of land resource optimal allocation programs have been proposed by employing the gray linear programming (GLP) model. Then the paper uses CA-Markov model to predict the land-use change, takes the land suitability assessment as basis, builds the simulation model of land use optimal allocation, and implement the optimal allocation plan in the relevant special unit. It also makes a land use regionalization based on county unit and finally composes a multi-level plan of land use optimal allocation.
     It is indicated in the research as following:
     (1) Land use in Guanzhong region has been greatly changed since 1985. During the study period, the areas of woodland, water, and construction land, have increased, while the unused land, grassland and cultivated land have decreased. What has increased greatest is the land for construction, which has increased 1391.106km2 during the past twenty years. The area of woodland has increased 233.378km2, and the area which has decreased most is cultivated land, which decreased 1560.779km. Most of the decreased cultivated land was changed to the woodland, grassland, and the area for construction. The decrease of cultivated land mostly occurs for the reasons of construction projects expansion, ecological returning to forest or grassland, and agricultural structural adjustment.
     According to the frequency degree and importance degree of land-use change, the following types commonly occurred from 1985 to 2000: the cultivated land changed to land for construction; grassland changed to cultivated land; grassland changed to woodland; and cultivated land changed to grassland. The types mentioned above embodied the direction of the land-use change in that period. From 2000 to 2005, the following types commonly occurred and embodied the direction of the land-use change: cultivated land changed to woodland; cultivated land changed to grassland; woodland changed to grassland; and grassland changed to woodland. According to the analysis about the land using/covering change of the two selected typical area (the Loess Plateau and the Guanzhong Plain), the cultivated land has decreased and the land for construction has increased. However, there are some differences for the driving force of cultivated land decreasing that returning farmland to woodland or grassland is the main reason for cultivated land decreasing in Changwu, followed by the expansion of the land for construction; the decreasing of cultivated land in Chang'an district which is a hot spot of urban expanding is mainly due to the rapid expansion of the land for construction.
     (2) It is indicated by the index of landscape level that: firstly, for the reasons of the increasing of the land for construction and its dispersive characteristics, the number of patches is larger and patch density (PD) of the land for construction is the largest; Secondly, because of the cultivated land occupied by the other land-use types, the original pattern has been damaged, which leads to the increasing of the fragile patches and the increasing trend of the patch density. According to the calculated results of largest patch index (LPI) and landscape division index (LDI), the cultivated land, woodland and grassland are the three predominant landscape types in Guanzhong region, however, with the improvement of landscape diversity, the degree of predominant decreases. According to the calculated result of mean patch fractal dimension (MPFD), the shape of landscape type tends to be simple, which can be understood as the effect of national policy and social-economic factors on the change of landscape. The landscape of Guanzhong region tends to be that landscape fragmentation process increases, fractal dimension generally decreased, and shape of patches tends to be simple. The decreasing of landscape diversity index of Guanzhong indicates that land use tends to diversified. Fragmentation of woodland and grassland decreased, especially a very large area of woodland and grassland patches play an important role on the preservation of ecological environment.
     (3)Based on grid data processing method, this study can be achieved the multi-source data fusion, which can supply data supporting for study. Several of land use types in Guanzhong region showed a strong positive spatial autocorrelation phenomenon. The spatial autocorrelation of the cultivated land and grassland was superior to other land use types, which of the unused land was the weakest. Within the scope of different distance, the differences of correlation were all obvious. With the increasing of distance, spatial autocorrelation index increased firstly and then decreased. By using classical regression and the space lagging regression models, the correlation analysis resulting of land use spatial pattern showed that the space lagging regression model based on the spatial autocorrelation of land use structure was better than classical regression model when it was used for explaining land use spatial pattern. Because some of the unobvious factors would be eliminated in space lagging regression model, and the main factors affecting the spatial distribution of various land use types were not the same.
     (4) The most suitable area of cultivated land, forest land, grassland and built-up land in Guanzhong region were 15219.81 km2,16281.48 km2,44909.66 km2 and 8348.34 km2 respectively, which accounted for 15.08%,29.62%,27.6% and 81.13% of all Guanzhong region of land. In this study, the basic scale of raster data in land suitability assessment was 100m×100m. Therefor, the minimum land plot for assessment was lhm2, which can be provided a basis for land planning and land management.
     (5) According to quantity allocation of grey linear programming and the spatial simulation results of CA -Markov model, the area of cultivated land in Guanzhong would continue to decrease, while the area of forest, grassland and built-up land would increase. In the process of optimization, the farmland adjusted to forest was mainly located in Qinling mountain and hilly-gully region of the loess plateau, which were, from the administrative units, located mainly in Longxian, Yijun, Xunyi, Hancheng, Taibai, Zhouzhi, Lantian and Tongguan, etc. Exploratory analysis method of spatial data (ESDA) was used for quantitative partition analyzing the importance patterns of social-economy and natural ecology in Guanzhong region of land use. The result was showed that the composite index of natural ecology in the southern mountains of Qinling and some parts of the northern loess plateau was higher than that of Weihe plain. The composite index of social economy in urban center as the center of Weihe plain was higher than Qinling Mountains and the loess plateau. Considering the coupling between the social economy composite index and natural ecology composite index, pattern of land use was divided Guanzhong region into five types:preferential development area, feasible development area, moderate development area, preferential conservation area and gray area. It can provide a basis for land utilization in Guanzhong region by the space simulation of land use optimal allocation and land use regionalization based on county scale.
     There are some progression and innovation in the article as follows:
     ①The paper selected Guanzhong region as a study area, analysized the dynamic change of land use during the past 20 years systematically and comprehensively, and took a comparative study between Plain and Mountain on LUCC to discuss the differences of LUCC and driving force under different natural and socio-economic condition;②Spatial analysis of geographical information system was used for analyzing the pattern of land use. Comparison between the classical regressions and spatial lag regression was used for quantitative study, and then we tested the model's effectiveness by case study. The results showed that the model can be used to explain the formulation of land use pattern successfully;③Processing social-economic data based on administrative unit was weakly in GIS technology. In order to understand the affecting factors comprehensively, we used a multi-level land use optimal allocation program;④In the study about the land use regionalization based on county unit, we tried to adapt exploratory data analysis to analyze the pattern of land use and got a good results.
引文
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