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《兰州大学》 2018年
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基于CLUE-S和MCR模型的石羊河流域土地利用空间优化配置研究

魏伟  
【摘要】:随着土地利用空间分布特征、格局和变化过程研究的深入,土地景观利用及空间优化配置越来越重视,土地利用优化不仅从数量、空间分布来进行布局,还要基于生态过程对土地利用单元进行配置。近年来随着国家对祁连山生态问题的关注,生态治理和恢复工作成为各级政府最为重要的任务之一。石羊河流域作为河西走廊三大内陆河之一,且作为祁连山国家级自然保护区的核心区块,对我国西北乃至全国的生态屏障建设具有十分重要的战略意义。因此对其土地利用结构进行调整优化,不仅对提高土地资源利用效率具有十分重要的意义,而且对集约节约用地、充分开发利用土地后备资源也具有现实意义。论文就如何调整、优化现有土地利用空间结构,如何在生态安全格局背景下对土地利用空间布局进行调整等问题做了探索研究。首先在综合分析评价石羊河流域自然环境和社会经济条件的基础上,以Landsat TM/ETM/OLI影像为主要数据源,采用人机交互和现场验证相结合的方法,提取得到1986、2000、2007和2015年土地利用数据,每期影像获得研究区14类土地景观要素,并结合现场验证在室内进行图斑综合、修正、拓扑检查等过程,使其精度达到本次研究的需要;然后利用该数据分析评价了石羊河流域不同时期土地利用空间分布格局、时空演变特征及主要驱动因素,在此基础上采用CLUE-S模型,结合多目标动态规划模型(MODP)和土地利用变化驱动因子Binary Logistic回归方法,预测和模拟了2020、2025和2030三个不同时期生态安全情景、耕地保护情景和社会经济快速发展情景下的土地利用空间布局和优化配置结果;最后,针对干旱内陆河流域生态脆弱性的特点及国家推进生态文明建设的远景目标,将最小累积阻力模型(MCR)引入到土地利用空间优化配置中,并与CLUE-S模型模拟的生态安全情景相结合,最终生成了基于生态安全格局的石羊河流域土地利用优化配置结果,并与耕地保护、社会经济快速发展共同构成了石羊河流域未来土地利用空间优化配置的三种方案。研究结果可为石羊河流域未来土地利用规划、土地资源科学高效利用提供参考依据。论文得到以下几点结论:(1)石羊河流域各土地利用数量分布以未利用地、草地和耕地为主,各土地利用类型空间分布具有较为明显的垂直地带性规律。从四个研究时段数量占比来看,未利用地均占全流域总面积的47%左右,草地约占27%左右,其它土地利用类型依面积从多到少依次为耕地、林地、城乡建设用地和水域。从土地利用变化来看,耕地整体上呈增加趋势,从1986年的6507.42 km~2(16.03%)增加到2007年的7032.62 km~2(17.33%),增加的耕地主要集中在中下游地区,以武威绿洲和民勤绿洲外围,靠近河流和地势较为平坦的地区,耕地在1986至2015年间面积共增加了7.83%;而林地和草地呈缓慢减少趋势,面积分别从1986年的2676.49 km~2(6.59%)和11280.10 km~2(27.80%)减少至2015年的2482.84 km~2(6.11%)和11023.89 km~2(27.17%),年均减少面积分别为6.46 km~2和8.54 km~2;而城乡建设用地增加较为明显,30年间增加面积176.7 km~2,与1986年相比增加了48.57%,水域从2007年开始有所增加,主要是水库建设和城市人工景观水面等为主,未利用地减少的区域主要集中在凉州区北部和民勤县北部和东部。石羊河流域从上游至下游海拔差异十分明显,因此其植被、气候和土地利用变化具有明显的垂直地带性规律,从整体上看土地利用类型的分布从南部的祁连山地至最北部的荒漠区,其分布规律大致为冰川与永久积雪→寒漠→沼泽→草地→林地→耕地→居民地→裸土地→沙地,从局部看流域内部土地利用类型间没有明显的界限,海拔2000米以下各类型重叠镶嵌分布,分布规律表现不明显。(2)通过CLUE-S模型结合多目标动态规划模型(MODP)和土地利用变化驱动因子Binary Logistic回归方法得到了三个不同情景下的土地利用空间优化分布结果。结果表明:生态安全情景、耕地保护情景和社会经济快速发展情景下的土地利用优化配置结果三者各有侧重,生态安全情景下耕地有所减少,而林地、草地明显增加,今后需要继续大力植树造林,防风固沙,保持水源涵养等措施,对现有耕地和建设用地布局进行重点优化,提高土地资源利用率;耕地保护情景则以土地开发和整治及宅基地还耕为主要目标,控制建设用地规模,大力提高未利用地开发潜力,此外要下大力气减少边远山区、交通落后区、居民点分散区的建设用地面积,部分不适宜居住的居民点应整体搬迁,适当压缩农村居民点用地规模,将腾空出的老旧宅基地复垦为耕地。另外,以土地整治项目为平台,开展农村土地综合整治,提高耕地质量,大力整治“空心村”,通过整治村庄,增加耕地面积,缓解用地矛盾,改善流域人居环境;社会经济快速发展优化配置情景则综合考虑了政府宏观政策指导情况下土地利用各类型的数量及空间结构基本情况。研究发现随着城市化加快和城乡融合发展的整体推进,城乡建设面积明显增加,各类建设用地更加趋向集约节约。尽管如此,随着经济发展未来势必需要占用部分耕地,因此如何在加快社会经济快速发展的同时兼顾粮食安全,是今后需思考的问题之一。(3)利用MCR模型构建了生态源和生活扩张源,通过阻力表面和耗费距离分析评价了石羊河流域生态流、能量流运行的阻力大小,据此将石羊河流域划分为禁止开发区、限制开发区、重点开发区、优化开发区和生态治理区五大分区。根据土地利用优化配置分区结果,发现石羊河流域各类用地空间分布差异较大,其中禁止开发区主要分布在上游祁连山地区和高海拔地区,是生态保护的核心区,限制开发区主要分布在天祝县北部、凉州区南部和中部、古浪县北部、金川区北部及民勤绿洲盆地,总面积为9473.63 km~2,占全流域总面积的23.35%,主要由灌木林、天然草地和农业绿洲组成,是绿洲和水源涵养林的生态过渡区;重点开发区主要分布在中游凉州区城镇中心及周边区域、金川区大部分地区及永昌县北部地区、民勤县城及周边地区,总面积达9864.03 km~2,占全流域总面积的24.31%,是今后作为城乡建设用地重点开发建设的区域;优化开发区分布在重点开发区和生态治理区的过度地带,这些区域主要分布在各县城、凉州区以及金川区的周边,是今后进行土地整治、土地开发的重点区域,也是今后城乡建设用地扩展和发展工业的后备用地;生态治理区主要分布在古浪县北部、凉州区东北部及民勤北部广大沙漠地带,是未来进行生态恢复、生态产业发展的重点地区,应加强治理力度,在人工参与治理的基础上,积极探索自然生态恢复,并在此基础上尝试生态产业和产业链发展。面积约6269.47 km~2,占全流域总面积的15.45%。(4)利用MCR和CLUE-S模型,将基于最小累积阻力模型的生态安全格局与土地利用优化配置相结合,提出了一种基于生态安全格局的土地利用优化配置方法。该方法能够将定性分析、定量计算、模型模拟和土地利用变化过程、生态过程与空间格局的关系等内容相结合,在此基础上综合判别对这些过程的变化与安全具有关键意义的景观元素、空间位置及空间联系。该方法从不同视角对土地利用优化配置进行了有益探索,是今后值得推广和深入研究的方法。
【学位授予单位】:兰州大学
【学位级别】:博士
【学位授予年份】:2018
【分类号】:F301.24;P901;P237

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