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《西南大学》 2007年
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局地土地利用变化及景观格局研究

王成  
【摘要】: 土地利用变化作为全球变化的主要动因,目前已受到全球变化研究的广泛关注。自1995“国际地圈与生物圈计划(IGBP)”和“全球环境变化人文因素计划(IHDP)”联合提出“土地利用、土地覆盖变化计划(LUCC)”后,该项研究步入了系统有序的研究阶段,并取得了大量的科研成果。但随着研究的日益深入,科学家们愈来愈多的认识到,要全面、深入地了解地球系统的过去、现在和未来,就必须更好地理解区域或者兼具全球意义和区域特色的局地,开展区域或者局地土地利用变化研究已逐渐成为该研究领域的新热点。局地作为响应区域和全球变化的主要场所,人类土地利用活动对其生态系统的干扰不仅影响到区域陆地生态系统的种群动态等诸多方面,而且还影响到区域大气中温室气体的含量。可见,在人类活动所导致的生态环境问题中,人类土地利用活动对局地陆地生态系统的干扰已不是一般的干扰因子,而是起着决定性作用的关键因子。目前正陆续开展一些有关区域土地利用变化的研究项目,这些研究主要集中在热带雨林区、黄土丘壑区、喀斯特地区、经济发达区,但选择兼具全球意义和区域特色的局地进行土地利用变化的研究更少,其主要集中于集约化农区、珠江三角洲和苏锡常经济发达区,很少涉及我国西部生态脆弱区。重庆市作为西部经济建设与发展的中心,快速工业化与城市化一方面加快了农用地与建设用地间交换的频率与广度,另一方面也促使了劳动力在各产业间的流动,特别是农村劳动力向第二、第三产业的流动,土地利用方式与管理实践的改变也将大大加快土地利用类型间的转换。本研究以重庆市沙坪坝区这一局地为研究区,采用土地利用现状数据库(图形库,比例尺:1:10000、属性库、变更库)并结合调查资料与实测数据,运用GIS手段,结合景观格局指数、景观特定组分转移贡献率、生态服务价值和土地经济系数等方法,对沙坪坝区土地利用变化特征、景观格局特征及其生态响应过程进行剖析,并对研究区未来生态服务功能状态进行预测。结果表明: (1)浅丘地貌区是重庆市沙坪坝区人类土地利用干扰最主要的活动区。研究区由浅丘、中丘和低山三种地貌类型构成,浅丘地貌占绝对优势,占整个研究区面积的56.63%。浅丘地貌区以耕地景观为本底,其他景观镶嵌于这一本底中。耕地面积(耕地中以早地和水田为主)占本地貌区面积的97.00%和占研究区面积的44.59%,受人类土地利用影响与干扰大,景观破碎化程度高,自身生态系统的稳定性和抗胁迫能力较差,是未来土地利用类型间的转换与生态环境变化的敏感区;中丘地貌区内土地利用类型多样,景观类型的本底不明显,各景观要素斑块相互镶嵌,斑块间形状差异明显、相似性差,斑块核心面积较小,斑块边界具有较大的曲折性,景观要素间相互影响明显,物质、能量和信息三者间的交换较复杂;低山地貌区以林地分布为主,林地占本地貌区的51.47%,其景观要素斑块几何形状较复杂、规律性差,斑块间的相似程度低,斑块边界曲折化。由于受人类土地利用活动干扰逐渐减弱,正逐步向原生态状态过渡;廊道对景观生态系统中生态流的作用至关重要,它不仅影响着土地利用类型的分布,而且还是分割景观,造成景观破碎化程度加深的动因。研究区的廊道类型主要有水系、公路与农村道路。廊道密度指数计算结果显示,浅丘(22.5423)>中丘(19.3281)>低山(8.2354),表明浅丘地貌区破碎化程度最高,远远超过其他2种地貌类型,中丘地貌区间于浅丘地貌区和低山地貌区之间,低山地貌区最低。 (2)耕地景观是重庆市沙坪坝区人类土地利用活动最主要的干扰景观类型,人类对其干扰活动受坡度影响明显,各景观要素在各坡度级内分布不同,受人类土地利用干扰程度各异。耕地景观类型主要分布于0°-2°和2°-6°坡度级内,以冬水田景观要素与一般旱地景观要素为主,其他景观要素以镶嵌体形式镶嵌于这两景观要素中,具有高度的异质性。冬水田景观要素接近于水田景观本底,其形状较规整,其斑块面积的离散程度较高。通过梁滩河50 m、100 m、250 m和500 m的缓冲区分析发现,冬水田景观要素斑块的分布与河流缓冲区的距离关系紧密,其斑块个数、要素面积随缓冲区距离的增大而增加,且绝大部分斑块分布在500 m的缓冲区内:一般旱地景观要素斑块大小分布不均匀、边界曲线较平滑。2°-6°坡度级内耕地景观要素是人类土地利用干扰耕地景观要素(特别是菜地)主要活动区,而15°-25°与>25°两坡度内的耕地景观要素人类土地利用干扰强度却相对较低。由此可见,2°-6°坡度级内的耕地景观要素是研究区实现耕地可持续利用关键区,150°-25°和>25°坡度级内耕地景观要素由于受人类土地利用活动干扰减弱,正逐步向自然生态过渡,有利于研究区的生态环境的改善。冬水田景观要素斑块主要集中于2°-6°坡度级,人类土地利用干扰最为强烈;两季田景观要素斑块主要分布于2°-6°坡度级内,但0°-2°坡度级内斑块分布最均匀,人类对两季田景观要素的土地利用干扰主要集中于2°-6°坡度级:望天冬水田景观要素斑块在各坡度级内分布差异不明显,斑块形状较复杂,斑块边缘趋于平滑化,人类土地利用干扰相对较低;一般旱地景观要素在各坡度级内均有分布,主要集中于2°-6°、6°-15°和15°-25°坡度级内,总体而言,各坡度级内的一般旱地要素斑块其形状较复杂、边缘曲线较平滑,人类土地利用干扰程度较低,土地利用程度不高;间作果木旱地景观要素斑块主要分布于15°-25°、>25°两坡度级内,斑块有效面积相当小,人类土地利用干扰强度最低,正逐步向其间作或者套作的果木所属的园地过渡。 (3)土地利用模式对紫色土肥力影响差异大,其土地经济系数响应明显,土壤的保肥供肥能力越强,土地经济系数越大。土地利用模式对紫色土壤肥力变化影响不同,合理土地利用模式不会导致土壤肥力退化,造成耕地质量下降。粮、经、菜间、套土地利用模式(FEV)>菜、经、菜间、套土地利用模式(VEV)>果、粮、菜间、套土地利用模式(FFV)>粮、豆、粮间、套土地利用模式(FLF)>单一土地利用模式(MONO);土壤有机质含量变化表现为,粮、经、菜间、套土地利用模式(FEV)>菜、经、菜间、套土地利用模式(PEV)>果、粮、菜间、套土地利用模式(FFV)>粮、豆、粮间、套土地利用模式(FLF);菜、经、菜间、套土地利用模式下土壤全氮含量增幅最大,达55.55%;粮、经、菜间、套土地利用模式下土壤碱解氮含量增幅最大,达124.02%;果、粮、菜间、套作土地利用模式下速效磷的含量增幅最大,达140.74%;钾含量在不同利用模式下其增加幅度相一致,间于20%-35%间;粮、豆、粮间、套作(FLF)、粮、经、菜间、套作(FEV)、菜、经、菜间、套作(VEV)、果、粮、菜间、套作(FFV)四种土地利用模式下土壤中有效锌含量均接近土壤有效缺锌临界值(≤1.00 mg.kg~(-1));有效铜、有效硼、有效钼的含量均低于我国土壤缺铜、缺硼、缺钼的临界值,缺铜临界值≤2.00 mg.kg~(-1),缺硼临界值<0.25 mg.kg~(-1)和缺钼临界值<0.15 mg.kg~(-1);通过土地经济系数的计算发现,菜、经、菜间、套土地利用模式(PEV)>果、粮、菜间、套作(FFV)>果、粮、菜间、套作(FFV)>粮、经、菜间、套作(FEV)>粮、豆、粮间、套作(FLF)>单一土地利用模式(MONO);菜、经、菜间、套土地利用模式(VEV)下的土地经济系数最高,达0.791,而单一土地利用模式(MONO)下的土地经济最低,为0.429。通过土地利用模式下土壤性质变化情况及其土地经济系数分析发现,菜、经、菜间、套土地利用模式(VEV)为最优土地利用模式,在相同物化投入条件下,菜、经、菜间、套土地利用模式(VEV)土地经济效益高,或者在一定产量水平下,菜、经、菜间、套土地利用模式(VEV)的物化投入最小。 (4)工业化、城市化和劳动力流动是诱发沙坪坝区土地利用变化最主要驱动力;城市等人文景观增加,林地、园地和水域等生态用地增加以及人类对坡耕地干扰活动的减弱是研究区最主要生态响应过程。农田景观减少,城市景观等人为景观不断扩展,人为景观的生态作用将有所提高。1996-2006年10年间,建设用地总量由原来的6574.53 hm~2增加到2006年11891.08 hm~2,增长到原来的1.81倍,其中95%来源于耕地。农用地与建设用地在研究区未来土地类型转移过程中仍将持续,且这一矛盾体间的竞争还将加剧,如何协调这对矛盾体,控制建设用地外延性扩张,合理保护耕地是研究区未来土地利用的重心;大量的农村劳动力由第一产业向第二、三产业转移,农业兼业户(同时从事农业和非农业、但农业劳力投入多的农业兼业户)、非农业兼业户(投入非农业劳力多的非农兼业户)和非农业户(家庭劳力全部以非农业为主业)增加,这导致农村非农就业比例的提高以及农户对土地信赖性的减弱,农业市场成为了农户土地利用方式选择的向标,加快了农用地内部间的转移和农户土地利用方式、模式的选择。农业结构调整是研究区土地利用变化又一重要驱动因素;农用地与建设用地间的转移加快了城市等人文景观的增加与聚集,这一生态响应过程将对沙坪坝区生态环境变化造成负面影响。林地和园地等生态用地的增加和人类土地利用活动对坡耕地干扰强度的减弱这一生态响应过程有利于研究区生态环境的改善。 (5)生态服务价值总量降低,空间分布差异明显,各镇对研究区生态服务价值总量贡献程度不一。Costanza等人赋予各种土地利用类型的生态服务价值系数是在全球尺度上进行,将之应用于局地尺度发现,赋予各种土地利用类型生态服务价值系数的大小对区域总的生态服务价值变化影响不明显,但单位面积上每一类生态系统的某种生态服务功能的价值估算仍有一定差异。通过敏感度分析发现,采用Costanza等赋予耕地、林地和园地的生态服务价值系数较接近于区域真实值,其耕地、园地和林地生物量价值总和的生态服务价值系数分别为92 $·hm~(-2)·yr~(-1)、302 $·hm~(-2)·yr~(-1)和302 $·hm~(-2)·yr~(-1),但水域生物量价值总和的生态服务价值略高于沙坪坝区的真实值。通过重新赋值与敏感度分析,研究区水域的生态服务价值系数为Coataaza等人提出的赋予水域生态服务价值系数的30%,即5665 $·hm~(-2)·yr~(-1),更接近于研究区水域生态服务价值的真实值。重庆市沙坪坝区在1996-2006年间生态服务价值从$1.50×10~7降低到$1.40×10~7,净损失$1.00×10~6,平均土地净损失生态服务价值25.54 $·hm~(-2)。10年间生态服务价值总量降低的有6个镇,它们分别是虎溪镇、陈家镇、覃家岗镇、曾家镇、青木关镇和凤凰镇;生态服务价值增加的为井口镇、回龙坝镇、歌乐山镇、中梁镇、西永镇和土主镇5个镇;变化幅度在±20%-±40%有6个镇,其中增加幅度最高的是土主镇,10年间生态服务价值总量增加了36.18%,减少幅度最大的为虎溪镇,10年间生态服务价值总量减少了62.68%;井口镇和回龙坝镇10年其生态服务价值总量变化幅度相对较小,其中井口镇10年间减少了-0.03%,回龙坝镇10年间增加了4.00%。据2006年的各镇生态服务价值总量空间分布发现,歌乐山镇和中梁镇对研究区(12镇)的生态服务价值总量贡献率较高分别达到了10.00%、11.27%,而虎溪镇为最低,为1.91%。根据生态服务价值量的空间分布及变化情况,结合不同利用模式对沙坪坝区紫色土肥力的影响和导致土地利用变化主要驱动力分析可以预测,沙坪坝区自然生态系统未来可表现为四种类型:Ⅰ、生态系统稳定区。主要集中于井口镇与回龙坝镇两镇;Ⅱ、先降后升区。主要集中于覃家岗镇和虎溪镇;Ⅲ、生态系统敏感区。该区主要集中于陈家桥镇、曾家镇和土主镇。Ⅳ、持续增长区。该区主要集中于歌乐山镇和中梁镇。 综上所述,本研究为局地土地利用变化及生态效应研究提供了一新的视角:土壤-土地利用类型-人为土地利用干扰活动区.局地配置。这一视觉为厘定基于生态可持续性局地土地利用空间格局提供了理论框架。同时,“三效益”的统一是土地利用最终目的,定量化土地利用所诱发的生态效益,不仅为编制局地土地利用总体规划优化土地利用结构提供理论基础,而且还为制定土地政策规范土地利用行为实现土地可持续利用提供了实践参考。当然,土地利用变化所波及的生态效应是多方面的,而这一过程对影响环境过程和属性的土地利用动态起决定性作用。长期定位、定量研究土地利用变化所诱发的诸如水文效应、物种种群动态变化、土地利用类型生物量间的转换以及自然生态系统与城市等人文生态系统的生态盈亏平衡将是实现未来局地生态系统的稳定与持续发展研究的新途径。
【学位授予单位】:西南大学
【学位级别】:博士
【学位授予年份】:2007
【分类号】:X171.1;F301

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6 本报记者 王全香;全区土地利用总体规划修编进程加快[N];铜仁日报;2007年
7 边峰;陕西加快建设关中一小时经济圈[N];中华工商时报;2008年
8 本报记者 罗勇安;用心做好土地利用规划修编[N];闽北日报;2007年
9 记者 孙晓梅;海盐未来五年工业发展架构框定[N];嘉兴日报;2005年
10 张华发 李康;让存量土地动起来[N];中国国土资源报;2005年
中国博士学位论文全文数据库 前10条
1 王成;局地土地利用变化及景观格局研究[D];西南大学;2007年
2 张国坤;新开河流域景观格局动态变化及图谱分析[D];东北师范大学;2008年
3 何东进;武夷山风景名胜区景观格局动态及其环境分析[D];东北林业大学;2004年
4 张华;地下水平衡与生态演替耦合模型研究[D];华中科技大学;2010年
5 万利;城乡交错带土地利用变化的生态环境影响研究[D];中国农业科学院;2009年
6 王斌;火地塘林区景观格局动态及其生态效益研究[D];西北农林科技大学;2006年
7 赵军;平原河网地区景观格局变化与多尺度环境响应研究[D];华东师范大学;2008年
8 李淑娟;帽儿山地区森林景观动态过程及景观生态评价[D];东北林业大学;2004年
9 米金套;澳门城市景观格局变化与热岛效应研究[D];北京林业大学;2010年
10 肖红生;基于“3S”技术村级景观长期动态变化研究[D];北京林业大学;2005年
中国硕士学位论文全文数据库 前10条
1 杨翠林;农牧交错带小流域景观格局与土壤侵蚀耦合关系研究[D];内蒙古农业大学;2008年
2 张秋琴;区域土地可持续利用景观生态评价[D];西南大学;2007年
3 李秀伟;基于景观生态学的合肥市土地利用格局动态变化研究[D];安徽农业大学;2008年
4 卢艳梅;唐山市土地利用变化及其生态服务价值研究[D];上海师范大学;2011年
5 夏菁;北京山区土地利用变化及其生态服务价值评价[D];北京林业大学;2010年
6 苏海霞;沽源县土地利用变化及其土地利用结构调整研究[D];首都师范大学;2008年
7 黄小芳;浦东新区土地利用变化及生态适宜性研究[D];华东师范大学;2009年
8 汪小平;北碚区土地利用变化及其生态服务价值响应[D];西南大学;2010年
9 张为;民勤绿洲土地利用变化及生态服务价值时空格局研究[D];兰州大学;2011年
10 姜宁宁;基于GIS的渭北旱塬LUCC分析及其驱动力研究[D];西北大学;2011年
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