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土地利用管理政策实施可以影响土地系统结构,并对“人类—环境耦合系统”产生巨大影响.土地利用空间格局能够影响区域生态环境,不合理的土地利用格局会带来一系列的负作用。土地利用格局优化是一个时空动态复杂系统,在认识土地利用格局优化需求、目标以及复杂的优化过程与模式的基础上,建立优化模拟模型是土地利用格局优化研究的有效手段,对制定合理的土地利用决策具有重要的指导意义。本文在综述土地利用格局优化模型研究的理论基础、技术方法和发展趋势的基础上,选择黄土丘陵沟壑区典型研究区——陕西省安塞县作为研究对象,综合运用灰色线性规划模型、“生态位”元胞自动机模型、GIS空间分析等进行土地可持续利用的集成分析和模拟,构建了区域土地利用格局优化模型,并在分析研究区土地利用格局时空演变特征、识别土地利用格局重点优化区域以及土地利用生态位适宜性研究的基础上,应用该模型在安塞县开展实例研究.主要研究结论如下:
将“自上而下”的灰色线性规划模型、“自下而上”元胞自动机模型与GIS有效集成,引入“生态位”概念,充分利用元胞自动机模型的时空动态特性,发展了具有时空动态变化特点的土地利用格局优化模型。基于“生态位”理论扩展后的约束性元胞自动机模型,综合考虑生态位适宜性、继承性、邻域作用以及面积控制指标等约束条件,用转换概率指数代替确定性的转换规则。可以充分反映政府宏观政策及规划约束、生态位、建设用地的继承性等限制性因素的影响,具有非常明显的生态学意义和规划意义,与标准的CA相比,在土地利用格局优化方面具有更大的优势。
在安塞县的实例应用中,根据区域农业产业结构及土地利用特征,考虑社会经济的长远发展,设计了粮食安全型、草畜主导型、林果主导型三种优化方案,并模拟了不同优化方案下的土地利用空间布局(2007～2015年)情景。将目标年的三种优化方案与基期年现状进行对比分析可以看出:(1)粮食安全型格局下,占原耕地72.88％的面积保持为耕地,占原草地面积15.81％的面积优化为耕地,林地优化为耕地的面积较小,仅为3.44％,占原面积25.78％的耕地优化为草地;(2)草畜主导型格局下,占原草地面积83.92％的面积仍然为草地,占原面积19.81％的耕地、占原面积21.47％的林地优化为草地；(3)林果主导型格局下,原林地面积的94.70％保持为林地,占原面积20.31％的耕地、7.46％的草地优化为林地。(4)建设用地主要由耕地、草地转化而来,且由耕地转化未来的比例大于由草地转化未来的比例。(5)不同优化目标下的土地利用的空间布局以及分乡镇的土地利用优化结果分析,可以为新一轮土地利用规划中发展战略确定、土地利用控制指标分配等提供强有力的决策支持。
由于经济发展需要和生态退耕等政策实施,在较长的时间尺度上(1987～2007年),安塞县的土地利用格局表现为以下特征:(1)耕地总数在减少,主要表现为距居民点、道路较近的区域内的耕地转化为建设用地、草地;耕地对地形的要求相对较高,主要集中分布在较低的坡度范围内,生态退耕政策的实施使得这种特征更加显著;对光温水条件要求相对较高,主要分布在条件相对较好的东南、西南、南坡向；其分布重心有向高海拔区间转移的趋势；在距居民点较近的区域集聚度较高,之后随距居民点距离增加集聚程度迅速降低。(2)林地面积在增加,增加的林地主要由草地转化而来,增加的林地在距居民点、道路、河流相对较近和较远的区域内均有较高的分布频率；林地对地形的要求相对较低,主要集中分布在较高的坡度范围内;从坡向上来看,林地主要集中在光温水条件相对较差的北、西北、西坡向；林地对区位要求也相对较低,在距居民点、道路、水系越远的距离集聚程度越高。(3)草地面积先减少后增加,之前减少是因为转化为耕地,后来受生态退耕政策的影响,大量耕地又转化为草地,草地面积增加；草地对地形的要求介于耕地和林地之间,具有较广泛的适宜性分布；其在距居民点、道路较近的范围内集聚度较高,之后随距离增大集聚程度降低。(4)建设用地面积明显增加,主要表现为距居民点、道路、河流较近的区位条件相对较好区域内的耕地、草地转化为建设用地。(5)该区域边治理边破坏现象依然存在,但退耕还林(草)生态治理的顺利实施,使得土地利用系统存在无序度降低的趋向,系统向有序发展。
基于RUSLE和土壤侵蚀评价指数(SL指数)的理论模型,调用ArcObjects组件开发了土壤侵蚀评价模型,并应用该模型对土壤侵蚀动态变化进行分析,识别出了需要重点进行土地利用格局优化的区域。研究结果表明:(1)安塞县土壤侵蚀有减轻的趋势,尤其是2007年土壤侵蚀较1987年、1996年明显减轻。(2)县域内的土壤侵蚀主要来源于侵蚀模数超过5000 t·km-2·a-1的区域,该类区域应该是未来水土保持治理及土地利用格局优化的重点。(3)各土地利用类型土壤侵蚀模数的大小顺序为:耕地>林地>草地>未利用地>建设用地。县域内超过80％的土壤流失来源于耕地、草地,因此加强耕地的水土保持措施以及草地的改良与生态封育是仍然是控制土壤侵蚀的主要途径和方向。(4)县域内60％以上的土壤流失来源于大于25°的陡坡、极陡坡区域,且随着坡度增大,各坡度等级的平均土壤侵蚀模数有明显增大的趋势。但受水土流失综合治理影响,2007年各坡度等级的平均侵蚀模数较1987年、1996年均普遍降低。(5)目前王家湾乡、镰刀湾乡土壤侵蚀评价指数较高,应制定切实有效的措施,重点进行土地利用格局优化。
选用生态意义明确的生态位适宜度模型,对安塞县农(耕)地、林地、草地的单项以及林-草、农—林—草综合生态位适宜性进行分析,结果表明:(1)最适宜、中等适宜、勉强适宜农(耕)地的土地面积分别占县域总面积的5.92％、29.58％、13.83％；暂不适宜农(耕)的土地面积较大,达到1143.52km2,占县域总面积的48.93％。(2)最适宜、中等适宜、勉强适宜林地的土地面积分别占县域总面积的27.89％、53.12％、14.09％,即适宜林地的面积比例达95.10％,暂不适宜林地面积仅有93.15km2。(3)暂不宜草的土地主要分布在水系上游土壤侵蚀模数较大的区域,其面积为611.80 km2,占县域总面积的20.74％；最适宜、中等适宜、勉强适宜草地的面积分别占县域总面积的20.00％、43.38％、14.14％。(4)县域内林-草综合适宜性程度相当高,占县域总面积97.63％的土地宜林或宜草。(5)农—林-草综合适宜性的分析结果显示,占全县97.62％的面积宜农或宜林或宜草,其中宜农、宜林、宜草面积分别为901.65 km2、1919.61 km2、59.08 km2。