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基于景观空间格局的土地可持续利用评价

常胜  
【摘要】: 土地作为人类生存与发展最重要的资源之一,是人类生存的载体,是人类一切生产和生活的场所。协调人地关系,可持续利用土地资源是经济、社会可持续发展的基础。土地可持续利用评价是土地可持续利用研究的关键问题,是土地可持续利用研究由理论到实践的必经环节,也是实施土地可持续利用的重要手段,是开展区域国土整治、土地利用规划和土地利用制度制定的重要依据。“结构决定功能”,土地空间镶嵌的稳定性是土地功能稳定的基础,是土地可持续利用的前提。就目前的土地可持续利用评价来看,在内容上,多注重区域土地功能在时间上的变化,对土地利用的空间格局关注较少;在评价方法上,多以线性加权方法为主,而一些新的综合评价方法,如神经网络方法、投影寻踪综合评价方法等,还没有在土地可持续利用评价中得到很好的应用。 恩施土家族苗族自治州是湖北省唯一被划入西部大开发的地区,是鄂西生态文化旅游圈的重要组成部分。随着宜万铁路、沪蓉高速公路西段的开通,加上西部大开发的推进和鄂西生态文化旅游圈的建设,必将会极大地促进区域的社会经济发展,也给区域土地利用带来前所未有的压力。区内目前生态环境良好,但属于典型的生态脆弱区,生态环境一旦遭到破坏,将很难恢复。因此,在该区域开展土地可持续利用评价,了解目前土地利用所处的状况,找出土地可持续利用的限制因子,提出可持续利用对策,对实现区域土地可持续利用、实现区域可持续发展具有重要意义。 本文首先对景观空间格局变化与土地可持续利用评价的关系进行理论探讨。 人们的土地利用行为形成特定的景观空间格局,景观空间格局是土地利用的结果。首先,景观与土地在空间实体上具有相似性。人类的经济开发活动主要是在景观层次上进行的,景观为人类经济活动提供各种资源及场所,是人类的开发利用对象。而从土地的角度,土地是人类的基本生产资料,为人类的生产和生活提供场所和空间,人类所有的生产和生活都要落实到土地上,表现为土地利用行为及土地利用方式的时空变化。因此,景观是土地利用的结果。景观类型和土地利用类型、景观结构与土地利用结构、景观功能与土地功能、景观变化与土地利用/覆被的变化间具有极大的相似性。其次,从空间格局的演变上看,短时间尺度下,人类的土地利用行为是空间格局演变的主要驱动因子。 土地是一个自然地理综合体,是一个由不同土地利用类型组成的空间镶嵌体,具有明显的空间异质性。一般认为,一定范围内异质性的增强有助于提高景观稳定性,而空间镶嵌稳定性是功能稳定性的基础。根据生态整体性与空间异质性理论,区域土地可持续利用的实质就是构建合理的空间异质性,维持土地利用的生态整体性。土地可持续利用评价不能局限于分析其构成要素的状况,而是要把握系统整体特征,综合考虑影响土地利用的社会因素、经济因素和生态因素等各种因素进行评价。景观结构与功能理论指出:“格局反衍过程,过程反衍机理,机理揭示规律”,景观结构决定着景观的功能。对区域土地利用来说,土地可持续利用即土地功能的延续和维持,就是要追求土地功能的稳定,而功能稳定又以景观空间镶嵌稳定性为基础。因此,土地可持续利用评价不仅对土地功能强弱进行评价,还必须评价其景观空间格局(土地利用空间结构),尤其是要对景观空间格局的稳定性进行评价。在景观空间格局稳定性定量评价方面,因空间异质性是空间格局稳定性的基础,般选择描述空间异质性的相关指标来对景观格局的稳定性进行评价。 在此基础上提出基于景观空间格局的土地可持续利用评价思路: 土地可持续利用就是区域土地在面临特定压力的情况下,能够稳定的、持续的获得较高综合效益以满足人类社会经济系统的需求,而这种土地功能的稳定性以土地空间镶嵌的稳定性为基础。因此,基于景观空间格局的土地可持续利用评价就是对区域土地面临的压力、土地的景观空间结构和综合效益的综合评价。压力是土地利用可持续性变化的驱动因子,综合效益最优是土地可持续利用的最终目标,景观空间镶嵌的稳定性是实现土地可持续利用的基础。基于景观空间格局来进行土地可持续利用评价,不仅可以实现结构和功能的结合,还可以将时间和空间耦合起来。 在探讨景观空间格局演变与土地可持续利用评价之间关系的基础上,以ETM+和TM遥感影像、SRTM DEM遥感数据为数据源,综合运用“3S”技术及景观生态学方法研究恩施土家族苗族自治州1990年年以来的土地变化及空间格局演变,对其产生的生态环境影响(包括净第一性生物生产力、生态系统服务价值、生态足迹及水土保持效益)进行定量评估,建立起基于景观空间格局的“压力—功能—结构”土地可持续利用评价指标体系,对研究区1990年以来土地利用的持续性进行评价和障碍因子诊断。 研究表明: 1)自1990年以来,区域土地利用发生了较为剧烈的变化,其最主要的变化为草地和耕地的急剧减少,林地的持续增加,空间格局聚集性持续增强,多样性下降,空间格局的稳定性持续降低。 从数量变化上看,1990年~2000年,变化幅度从大到小排序依次为:林地(7.92%)草地(-6.20%)耕地(-2.19%)水域(0.23%)建设用地(0.23%),水域与建设用地变化的比例相同,但水域变化的面积更大。2000年~2007年,变化幅度从大到小排序依次为:耕地(-8.41%)林地(8.17%)草地(-0.14%)建设用地(0.11%)水域(0.06%)。 从变化强度上看,两个研究时段相比,2000年~2007年土地变化强度更大。1990年~2000年,土地利用的综合动态度为6.06%,各土地利用类型的变化强度按从大到小排序为:水域(11.51%)草地(-9.42%)建设用地(2.11%)林地(1.51%)耕地(-0.55%)。2000年~2007年,区域土地利用综合动态度为9.83%,各土地利用类型的变化强度按从大到小排序为:草地(-5.23%)耕地(-3.19%)水域(1.95%)林地(1.94%)建设用地(1.09%)。 从土地利用类型的空间分布上看,从1990年以来,土地利用类型空间分布的基本变化趋势是:草地持续向高山收缩,林地持续往低海拔地区蔓延,耕地进一步向低海拔沟谷地回缩。从1990年到2000年,耕地分布的平均高程下降25.92米,平均坡度下降1.24度;草地分布的平均高程增加了474.73米,平均坡度上升了1度左右。2000年~2007年,林地分布的平均高程下降5.23米,平均坡度下降0.98度;耕地分布的平均高程下降96.99米,平均坡度下降0.97度。草地分布进一步往高山收缩,平均分布高程增加124.73米。 从区域土地利用的空间格局上看,自1990年以来,空间格局的聚集度持续增大,多样性指数持续下降,空间格局的稳定性不断降低。从1990年到2000年,区域土地的利用的斑块数量从244128变为383276个,平均斑块面积从9.91公顷变小为6.31公顷,平均形状指数、分维数和分形指标趋大,土地利用空间格局趋于复杂化,破碎化;优势度和均匀度分别从1990年的0.7561、0.5302变化2000年的0.8522和0.4705,反应区域土地利用格局受林地和耕地两种用地类型的支配作用加强。景观聚集度增大,空间格局的多样性指数降低。从2000年到2007年,区域土地的利用的斑块数量从383276个变为185722个,平均斑块面积从6.31公顷变变为13.03为公顷;优势度和均匀度分别从2000年的0.8522、0.4705变化2007年的0.9867和0.3869,聚集度进一步提高,反应区域土地利用格局受林地和耕地两种用地类型的支配作用进一步得到加强,空间格局的多样性指数进一步降低。 2)由于人口的增加和土地利用结构的调整,土地的生态承载能力有所降低,但总体上区域土地利用的生态环境效益持续提高。 从面积加权平均的NPP来看,研究区域的净第一性生产力持续增加,1990年区域平均NPP为15.78t/(hm2·a),2000年上升到15.86 t/(hm2·a),2007年上升到16.63 t/(hm2·a)。各用地类型的NPP按大小基本排序为林地耕地草地建设用地水域。从单位面积NPP极值上看,1990的NPP极值为83.43 t/(hm2·a),2000年和2007的NPP极值均为98.87t/(hm2·a),说明研究期内生态环境的改善不仅仅表现在森林覆盖率的持续提高上,森林的生长情况也变得更好,其生物生产功能变得更强。 生态系统服务价值评估的结果显示:研究区域自1990年以来,生态系统服务价值持续增长,表明区域生态环境质量得到持续改善,生态系统服务功能得到增强。从土地利用类型上看,林地和耕地构成区域生态系统服务价值来源的主体,其中又以林地的生态系统服务价值最大,并随时间推移得到加强。恩施州土地利用的生态系统服务价值1990年为3140522.2万元,2000年增长为3402427.2万元,2007年进一步增加到3662663.9万元。在生态系统服务价值的构成中,林地的生态系统服务价值最高,所占比例最大并逐渐增大;其次是耕地,但所占比例逐年下降。林地生态系统服务价值占区域总生态系统服务价值的比例1990年为77.85%,2000年味82.73%,2007年进一步增加到87.28%;耕地生态系统服务价值占区域总生态系统服务价值的比例1990年为18.72%,2000年将为16.33%,2007年进一步下降至11.78%。 从生态足迹上看,自1990年以来,区域人均生态足迹持续增加,而人均生态承载持续下降,1990年略有生态盈余,随后转为生态赤字。1990年人均生态足迹为1.23hm2,2000年为1.44 hm2,2000年上升为2.2 hm2。两个时段相比较,2000以后人均生态足迹上升速度更快。其中,能源消费的生态足迹占据较大比重,并迅速上升。人均生态承载能力持续降低,1990年人均生态承载为1.447 hm2,200年降为1.3846 hm2,2007年进一步下降为1.2203 hm2。 区域水土流失评价的结果表明,由于区域极高的森林覆盖率,研究区内水土流失轻微,水土保持效益良好。土壤侵蚀模数最大值1990年为694.947 t/km2·a,2000年为693.507t/km2·a,2007年为670.764 t/km2·a。根据土壤侵蚀分类分级标准,1990年以来研究区域土壤流失状况总体上为微度侵蚀,土壤轻度流失的面积1990年为558.9公顷,2000年为243.81公顷,2007年为230.04公顷。以轻度土壤流失面积最大的1990来看,其面积占区域土地总面积的比例仅万分之二。 3)分别采用均方差决策赋权法、熵权法确定土地可持续利用评价指标权重,用线性加权方法进行区域土地可持续利用综合评价,并与投影寻踪综合评价方法评价结果进行比较印证,得到区域土地利用可持续性变化为:自1990年以来,研究区域土地利用的可持续性持续下降。土地可持续利用评价的障碍诊断表明:1990年,土地可持续利用的主要障碍因子是粮食单产水平较低,区域生态环境相对较差。1990年以后,随着区域内封山育林措施和国家退耕还林政策的实施,生态环境得到持续改善,土地可持续利用的主要限制因素为建设用地面积的增长、人口综合消费水平的提高和景观多样性的下降。其深层次的原因则是因为退耕还林使耕地、草地大量转变为林地,一方面使得区域生态环境进一步改善;另一方面直接导致区域土地的生态承载能力降低和空间格局的稳定性下降。 最后,本文提出了区域土地可持续利用的对策:加强基本农田的建设,保护耕地,推行土地整理,提高耕地的产出能力;节约集约利用建设用地,控制建设对耕地的占用;抓住机遇进行产业结构调整;根据景观生态学集中于分散原理,构建生态安全格局:建立区域生态补偿机制,维持退耕还林政策的连续性。


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