土地利用空间格局刻画方法及其在中国的应用

【摘要】：土地利用空间格局研究是LUCC理论和实践的基础,土地利用空间格局刻画是土地利用空间格局理论的具体实践,其研究成果能进一步完善土地利用空间格局的理论和研究方法,提升土地利用规划和管理水平,为实现区域经济可持续发展与生态文明建设奠定基础。土地利用空间格局刻画方法研究有利于准确、全面和高效地刻画我国不同土地利用类型和土地利用整体的空间格局,厘清其变化特征,为优化我国国土资源空间格局、应对全球变化提供科学参考。目前,由于土地利用空间格局的内涵和研究范畴尚不明晰,土地利用空间格局研究未形成一个完整的理论体系,导致土地利用空间格局的刻画不全面;又由于格局指标繁多且存在较大的相关性,易造成土地利用空间格局刻画的冗余。本研究在深刻理解土地利用空间格局内涵的基础上,构建了一个符合土地利用特点的土地利用空间格局刻画概念模型和一套具有相对独立性和全面性的格局指标集,引入模糊C均值聚类(Fuzzy c-means algorithm,FCM)方法建立指标与空间格局之间的对应关系,实现了中国土地利用单一类型及整体的空间格局和格局动态的刻画。本文主要的研究结果如下:(1)基于目前国内外土地利用空间格局的理论和研究内容,深入分析了影响土地利用空间格局的要素、维度及其相互关系,定义土地利用空间格局的概念为在一定时空尺度下,某种土地利用类型或土地利用整体的斑块空间配置。重点考察土地利用的几何特征(面积、形状和斑块分布)和类型特征(结构和多样性),从时间-空间-类型三个维度,构建了“几何特征-类型特征”三维土地利用空间格局刻画概念模型,能够客观和科学地反映影响土地利用空间格局的诸要素及其间的相互作用关系。(2)利用土地利用空间格局刻画概念模型,建立了一套土地利用空间格局刻画方法。首先,依据科学性、相对独立性、时空尺度合理性、全面性与简明性等格局指标选择原则,针对类型维度进行指标选择。利用相关分析法,得到土地利用单一类型空间格局的代表性指标为:类型面积指标、面积加权平均斑块分维数和面积加权平均斑块最近距离,分别代表几何特征中的面积、形状和分布;得到土地利用整体空间格局的代表性指标为:面积加权平均斑块面积、面积加权平均斑块分维数、面积加权平均斑块最近距离,分别代表几何特征中面积、形状和分布,以及结构指标和丰富度指标,分别代表类型特征中的结构和多样性。然后,利用格网面积填充法确定土地利用单一类型和整体的特征尺度。最后,引入FCM聚类分析法,利用分割系数法确定模糊权重为2、空间格局最佳分类数为5类;根据FCM聚类划分土地利用几何特征空间格局的方式,计算得到各指标与几何特征空间格局的定量关系。最终形成以指标选择、尺度确定和聚类划分为主要步骤的土地利用空间格局刻画方法。(3)对2010年中国土地利用单一类型的几何特征空间格局进行了刻画。耕地、草地和未利用土地的空间格局划分方式相似,林地空间格局划分方式稍有不同,得到的空间格局类型分别命名为充盈型、分形型、复杂小面积型、简单小面积型和散布型;水体和建设用地的空间格局划分相似,得到的空间格局分别命名为充盈型、分形小面积型、复杂小面积型、简单小面积型和散布型。参考划分方程式,对每种土地利用类型空间格局的生产、生态特点进行了总结。耕地充盈型主要分布在东北平原、华北平原和四川盆地,分形型主要分布在丘陵区,这两种空间格局类型是我国主要的耕作农业区。中国林地的空间格局分布呈现由东南和东北向西北面积逐渐变小、形状逐渐变简单的趋势。草地空间格局类型具有明显的空间聚集性,呈现出东北-西南方向的条带状分布,充盈型格局主要分布在内蒙古牧区北部与西藏牧区西部。水体面积较小且分布零散,故其空间格局类型未呈现大面积的集聚现象。建设用地充盈型空间格局集中分布在京津冀地区、长江三角洲地区、珠江三角洲地区等城市分布密集的区域;分形小面积型则主要表现为集聚分布的农村居民点用地;建设用地空间格局类型从简单小面积型发展到分形小面积型反映了建设用地的扩展过程中形状趋于复杂的发展特征,分形型变为充盈型则为建设用地发展较为成熟的阶段。未利用土地的空间格局呈现出明显的自东南(散布型)向西北(充盈型)的渐变特征。对比不同土地利用类型的空间格局,发现耕地和林地的空间格局具有一定的空间互补性,草地和未利用土地空间格局具有一定的空间相关性。(4)对2010年中国土地利用整体的空间格局从几何特征、结构和多样性三个方面进行了刻画。第一,中国土地利用整体空间格局的几何特征可划分为五类,分别为简单大斑块型、复杂大斑块型、复杂小斑块型、简单小斑块型和散布型。简单大斑块型在西北地区主要为草地和未利用土地,在藏南地区和东北长白山和小兴安岭主要为林地;复杂大斑块型空间格局则反映了以某土地利用类型为主的土地利用类型间的组合关系;复杂小斑块型是几何特征空间格局中最主要的类型,反映了多种土地利用类型较为均衡的组合关系,复杂形状的成因主要为地形因素,在丘陵山地区出现明显的聚集效应;简单小斑块型的土地利用组成多样,土地利用斑块由于被山脉和流水等切割斑块面积偏小,且形状简单;散布型中存在某种土地利用类型的生态系统被其他土地利用类型隔离的现象。第二,2010年中国土地利用共存在61种不同的结构,但累积占比达到90%的主要结构类型仅有14种。其中,草地-未利用土地结构的格网数量最多,其次是未利用土地结构、耕地-林地结构和草地结构。结构特征的空间分布具有明显的空间聚集性,受地形等自然因素影响显著。第三,中国土地利用多样性特征总体上呈现“东北、东南高,西北低”的态势,东北和东南地区由于气候、地形、人类活动等使得土地利用类型丰富,西北部由于地形、气候限制,土地利用类型以草地和未利用土地为主,土地利用多样性较低。(5)对1980s末至2010年中国土地利用空间格局的动态变化进行了分析,包括耕地、林地、草地、水体、建设用地和未利用土地及土地利用整体的空间格局变化的主要动态类型、数量特征与空间分布。结果表明,建设用地的动态度最大,且呈快速上升趋势,其次为水体,而耕地、草地和未利用土地的动态度均在20%左右,林地的动态度最小,仅为11.69%,土地利用整体动态度约为20%。研究期间,耕地、水体和建设用地发生了 30种空间格局动态转换,而林地的格局动态仅有10种,未利用土地的格局动态类型仅有14种。几何特征动态中,平均斑块面积变大的格局动态主要分布在新疆地区,平均斑块面积变小的格局动态主要分布在大兴安岭北部、长江三角洲、华北平原等地;形状变复杂的格局动态主要分布在大兴安岭北部、小兴安岭、云南高原和新疆地区;形状变简单的格局动态主要分布在大兴安岭南部、东北平原南部、珠江三角洲。结构动态中最主要的为草地-未利用土地结构与草地或未利用土地之间的相互转换,主要发生在西北地区。结构中增加的主要类型是未利用土地,集中分布在大兴安岭中北部和新疆;其次是建设用地,主要分布在华北平原、山东丘陵、长江中下游平原和东南沿海地区。结构中减少的主要类型是草地,主要分布在大兴安岭北部、山东丘陵和新疆地区。多样性动态幅度不大,以增加为主,多分布在东北地区、新疆、河北平原、东南丘陵北部和台湾中央山地;多样性减少的动态变化主要分布在鲁西北平原、山东丘陵、珠江三角洲、阿拉善高原和新疆。上述结果表明,我国土地利用空间格局演变过程中存在的问题包括中国东部和南部耕地的减少与破碎化、西北部新开垦耕地的质量有待评估,西北地区的草地退化,以及建设用地蔓延式扩张所引起的耕地流失与环境影响等问题。应进行相应的优化调整,坚持基本农田保护政策,加大草原建设和保护力度、调整建设用地发展模式。本研究的主要创新点如下:(1)构建了基于“几何特征”和“类型特征”的时间-空间-类型三维土地利用空间格局刻画概念模型,明确了土地利用空间格局的研究范畴及维度,既适用于刻画土地利用单一类型的几何特征,也能够刻画土地利用整体的几何特征和类型特征,具有较高的普适性和可推广性。(2)在概念模型的理论框架下,从指标选择、特征尺度确定和聚类分析等方面建立了一套适用于不同土地利用类型及整体的土地利用空间格局刻画方法,能够较好地定量划分不同的空间格局类型并确定其特征。(3)全方位、多角度地对中国六种土地利用单一类型及整体空间格局进行刻画,并分析其空间格局的演化。中国土地利用空间格局的刻画结果进一步印证了土地利用空间格局几何特征与类型特征各格局要素的独立性与相关性、单一类型与整体的联系与区别、时空维度相互作用的辩证统一关系。