砒砂巖區(qū)小流域土地利用格局變化與優(yōu)化研究

盛 艷，秦富倉，張艷杰

（內(nèi)蒙古農(nóng)業(yè)大學 生態(tài)環(huán)境學院，呼和浩特010019）

土地利用格局優(yōu)化實質(zhì)是土地資源合理配置和土地生態(tài)合理規(guī)劃，同時協(xié)調(diào)生態(tài)效益、經(jīng)濟效益和社會效益之間的關系，其研究已成為土地利用／覆蓋變化研究的主要內(nèi)容之一［1－2］。砒砂巖區(qū)地處鄂爾多斯高原，廣泛分布于黃河流域以晉陜蒙接壤區(qū)為中心的區(qū)域，由于氣候干旱，降雨量較少，植被覆蓋度低，地形支離破碎，風沙較多，暴雨集中及其特殊的地形和地表組成物質(zhì)，不合理的土地開發(fā)利用，使得這一區(qū)域水土流失、土壤鹽漬化、自然災害頻繁，通過以侵蝕防控和土地利用綜合效益最大化為目的的土地利用格局優(yōu)化，實現(xiàn)該區(qū)域內(nèi)土地資源的合理高效利用。地理信息系統(tǒng)（GIS）技術的空間分析功能和元胞自動機模型的發(fā)展和完善為土地利用空間格局的生態(tài)優(yōu)化提供了一個全新的視角［3－4］，使土地利用格局演變規(guī)律能夠定量并精確描述成為可能。GIS作為一種空間分析的手段和工具，在CA模型的實現(xiàn)和顯示方面發(fā)揮巨大作用，現(xiàn)有的GIS軟件空間分析功能不足，而CA模型具有模擬二維空間演化過程的強大能力，它和GIS的結合可以有效地克服GIS在模型功能方面的局限性［5］。因此，將CA模型和GIS的結合來研究土地利用格局優(yōu)化是切實可行的。

本文以內(nèi)蒙古準格爾旗西黑岱流域為研究區(qū)，該區(qū)地處砒砂巖區(qū)，在該流域，土壤侵蝕是破壞生態(tài)環(huán)境的主要因素之一。研究區(qū)土地利用結構比較單一，由于受特殊的地形地貌條件的影響，研究區(qū)內(nèi)溝壑縱橫，耕地主要分布于壩地上，西黑岱流域土壤母質(zhì)主要為砒砂巖，極易導致土壤侵蝕，通過對西黑岱小流域的土地利用結構和空間格局變化和優(yōu)化進行研究，使生態(tài)環(huán)境狀況良性發(fā)展，可以為西黑岱流域壩地農(nóng)業(yè)持續(xù)高產(chǎn)提供科學依據(jù)，為研究區(qū)生態(tài)環(huán)境治理具有重要的參考和借鑒意義，同時可以在不同程度上提高當?shù)氐慕?jīng)濟、社會、生態(tài)等效益［6－7］，為當?shù)赝恋乩玫目沙掷m(xù)發(fā)展提供有力依據(jù)。

1 研究區(qū)概況

西黑岱小流域位于黃土高原北部內(nèi)蒙古自治區(qū)西南部和鄂爾多斯高原東端，屬黃土丘陵溝壑區(qū)第一副區(qū)的砒砂巖區(qū)，是皇甫川支流十里長川上游右岸的一條支流，流域總面積32km2。西黑岱流域?qū)侔敫珊荡箨懶詺夂?，流域年平均氣?～8℃，無霜期130～180d，平均日照時數(shù)約3 000h，流域平均降水量約400mm，降雨集中在6—9月，占全年降雨量的78.40%。冬春季節(jié)干旱且多大風，年平均風速2.60 m／s。該流域日照充足，有效積溫高，水熱同期，有利于作物生長。該區(qū)土壤主要由黃土、砒砂巖和風沙土組成，土層厚度5～20cm。該區(qū)土質(zhì)松脆貧瘠，有機質(zhì)含量低，整個區(qū)域植被稀疏，喬灌木種類主要有楊、柳、油松、沙棘等。該區(qū)土壤侵蝕方式有水力侵蝕、風力侵蝕和重力侵蝕，其中水力侵蝕占主導地位，水力侵蝕中面蝕的面積約占65%，溝蝕占35%，多年平均侵蝕模數(shù)為1.40萬t／（km2·a），是國家重點治理的小流域。西黑岱溝流域?qū)傺覟虫?zhèn)管轄，涉及兩個行政村，現(xiàn)有農(nóng)戶230戶，人口886人，勞力376個，人口密度27.70人／km2。

2 數(shù)據(jù)來源與研究方法

2.1 數(shù)據(jù)來源

研究數(shù)據(jù)來源于1990年、2000年和2010年研究區(qū)的TM遙感影像和等高距為10m的1∶50 000的地形圖。利用ERDAS 9.2軟件對TM影像進行4，3，2波段的假彩色合成，使影像中的地物特征顯示更加清晰，通過目視解譯對5種典型地類進行訓練樣區(qū)選取，最后運用最大似然法對TM影像進行監(jiān)督分類［8－9］。通過實地抽樣調(diào)查對分類結果進行精度驗證，總體精度達到91%，Kappa系數(shù)為0.90。運用ArcGIS 9.2軟件對分類結果中的5種土地利用類型進行面積提取。在土地利用分類中參照的是2001年全國土地利用分類體系（征求意見稿）［10］，根據(jù)研究區(qū)土地類型特征，將土地利用劃分為耕地、林地、牧草地、建設用地、水域共5個地類，同時收集了1990—2010年西黑岱流域的歷史統(tǒng)計社會經(jīng)濟數(shù)據(jù)及相關文獻資料等。

2.2 研究方法

2.2.1 土地利用變化動態(tài)度 土地利用的變化包括數(shù)量變化、變化速度、類型轉(zhuǎn)化等幾個方面。數(shù)量變化為研究期始、末的面積數(shù)量差值。變化速度可以利用動態(tài)度進行定量描述，包括單一和綜合土地利用動態(tài)度［11－12］，計算公式如下：

式中：i，j——土地利用類型；n——土地利用類型的數(shù)量；T——研究時段長度；K，LC——T時段內(nèi)的單一和綜合土地利用動態(tài)度；Ub，Ua——研究期末和期初某種土地利用類型的面積；LUi——研究期初i類土地的面積；ΔLUi－j——T時段內(nèi)i類土地變?yōu)閖類（i≠j）土地的面積。

2.2.2 土地利用類型轉(zhuǎn)化概率 土地利用類型轉(zhuǎn)移矩陣主要用于分析一定時期內(nèi)各種土地利用類型的轉(zhuǎn)移面積；還可作為土地利用的狀態(tài)轉(zhuǎn)移概率指數(shù)預測未來時刻的土地利用變化，土地利用類型轉(zhuǎn)移矩陣可以具體地描述區(qū)域土地利用變化的結構特征與各用地類型變化的方向［13－14］，其一般數(shù)學形式為：

如果某種地類某一時刻處于狀態(tài)Ai，則在下一時刻，它可能由狀態(tài)Ai轉(zhuǎn)換為A1，A2，…，An中的任何一個狀態(tài)，故Pij滿足下述條件：

通過計算地類轉(zhuǎn)移概率矩陣，可求得每個狀態(tài)轉(zhuǎn)移到其他任何一個狀態(tài)的狀態(tài)轉(zhuǎn)移概率Pij，其計算方程為［10］：

2.2.3 線性規(guī)劃法 采用線性規(guī)劃法及結合流域土地利用的實際情況［15－16］，以侵蝕防控為目的，利用此方法合理調(diào)整土地利用方式，以期獲得最大的效益。線性規(guī)劃法模型的構建如下：

（1）決策變量設置。為了土地利用優(yōu)化更好地服務于當?shù)赝恋毓芾碚撸鶕?jù)西黑岱流域土地利用特點，共設耕地、林地、草地、水域和建設用地5個變量，分別用x1，x2，x3，x4，x5來表示。

（2）目標函數(shù)。西黑岱流域土地利用優(yōu)化以侵蝕防控為目的，在資源與生態(tài)容量內(nèi)和國家區(qū)域政策引導下，滿足人口社會經(jīng)濟需求，追求經(jīng)濟效益最大。

式中：f（x）——西黑岱流域在目標年（2025年）的土壤侵蝕量（t）；cj——第j種土地利用類型的土壤侵蝕模數(shù)，它的其中一組解｛xj｝稱為最優(yōu)解［17］，即為目標年該流域最優(yōu)土地利用格局。

（3）約束方程：

式中：Xi——各類土地面積，應為非負值；ai——變量約束系數(shù)；bi——資源限制量約束常數(shù)。

2.2.4 元胞自動機（CA）模型 元胞自動機（簡稱CA）是按照一定局部規(guī)則，在一個由具有離散、有限狀態(tài)的元胞組成的元胞空間上，具有時空計算特征的動力學模型，具有模擬復雜系統(tǒng)時空動態(tài)演化能力［18］。通過定義局部的細胞鄰近關系以及使用比較簡單的作用于細胞領域上局部的轉(zhuǎn)換規(guī)則，可以模擬和表示整個系統(tǒng)中復雜現(xiàn)象的時空動態(tài)變化，它適用于模擬和顯示具有自組織特征系統(tǒng)的時空動態(tài)行為和過程。CA 系統(tǒng)是一個由細胞（cells），狀態(tài)（states），鄰域（neighbors）和規(guī)則（rules）構成的四元組，CA模型可以表示為：

式中：s——元胞有限、離散的狀態(tài)集合；t，t＋1——不同時刻；N——元胞的臨域；f——局部空間的元胞轉(zhuǎn)化規(guī)則。

3 結果與分析

3.1 土地利用變化分析

3.1.1 土地利用變化的數(shù)量分析 研究區(qū)1990—2010年20a間土地利用類型的面積變化見表1，耕地的面積明顯增加，耕地由1990年的160.3hm2增加到2010年的196.74hm2，20a內(nèi)耕地面積增加了36.41hm2；林地面積增加最快，增加面積為628.41 hm2，林地所占比重由1990年的23.03%增加到2010年的42.67%，呈穩(wěn)定增加趨勢；牧草地的面積有明顯減少的趨勢，牧草地由1990年的2 190.92 hm2減少到2010年的1 548.23hm2，20a間減少了20.09%；水域面積在研究期內(nèi)不同程度的減少，由1990年的81.19hm2減少到2010年的55.31hm2，20a間減少了25.88hm2；建設用地在研究期內(nèi)變化不明顯，略有增加。

表1 西黑岱流域不同時期的土地利用現(xiàn)狀分類

3.1.2 土地利用變化速度分析 土地利用的變化速度能夠反映某一區(qū)域土地利用類型的變化程度，區(qū)域內(nèi)各種土地利用類型的數(shù)量在不同研究時段變化幅度和速度有所不同，對土地利用類型變化速度分析，能夠了解研究區(qū)土地利用變化的劇烈程度?；谘芯繀^(qū)三期的土地利用現(xiàn)狀數(shù)據(jù)，用公式（1），（2）計算出研究區(qū)的耕地、林地、牧草地、建設用地、水域的單一和綜合土地利用類型動態(tài)度（見表2—3）。

表2 西黑岱流域土地利用變化單一動態(tài)度 %

表3 西黑岱流域土地利用變化綜合動態(tài)度

從研究區(qū)單一土地利用動態(tài)度看，耕地在1990—2010年20a期間耕地年均變化率為1.14%；林地4.26%；牧草地－1.47%；水域－1.59%；建設用地為0.61%，其中各類土地單一動態(tài)度變化最大的是林地，其次是水域、牧草地和耕地，變化最小的為建設用地。

從研究期不同階段的動態(tài)度分析，耕地在1990—2000年的動態(tài)度高出2000—2010年的動態(tài)度1.45%，說明1990—2000年的變化幅度較大，主要源于在1990—2000年期間加強了對淤地壩的建設，期間西黑岱流域共建設淤地壩11座，其中骨干壩6座，中型淤地壩5座，均勻布設于各溝道中，主要為減輕洪水危害，緩洪攔泥淤地，穩(wěn)定溝床，因此，在壩系可淤積年限內(nèi)，西黑岱流域壩系淤積面積將不斷增加，從而增加當?shù)氐目衫梅饰滞恋氐臄?shù)量，所以壩地內(nèi)耕地面積隨之增加。林地面積增加主要在2000—2010年，主要是由于退耕還林政策的實施和近些年對西黑岱流域水土保持的綜合治理，加大了造林植樹面積，同時牧草地在這一階段減少幅度較大，由于對該流域?qū)嵤┥鷳B(tài)建設，部分草地轉(zhuǎn)化為林地，不僅增加了植被覆蓋度，還起到了很好的水土保持作用。由表3可知，整個流域2000—2010年土地利用變化速度比1990—2000年的變化速度大，主要是由于該流域列入了國家重點治理的小流域。

3.1.3 土地利用類型轉(zhuǎn)化概率分析 基于ArcGIS軟件的空間分析功能，將1990年和2010年兩期土地利用類型圖進行空間疊加分析，得到土地利用類型相互轉(zhuǎn)化定量關系的轉(zhuǎn)移矩陣（見表4），再通過公式（5），（6）計算出土地利用類型轉(zhuǎn)化概率（見表5），提取土地利用動態(tài)變化信息。

表4 1990－2010年西黑岱流域土地利用轉(zhuǎn)移矩陣

表5 1990－2010年西黑岱流域土地利用轉(zhuǎn)移概率矩陣

由表4—5可知，在研究期內(nèi)轉(zhuǎn)入轉(zhuǎn)出過程主要發(fā)生在耕地、林地和草地之間，有60.86hm2的耕地轉(zhuǎn)化為林地，有1.26hm2的耕地轉(zhuǎn)化為建設用地，有0.84hm2的林地轉(zhuǎn)化為耕地；有14.95hm2的林地轉(zhuǎn)化為草地，有78.24hm2的草地轉(zhuǎn)化為耕地，有578.23hm2的草地轉(zhuǎn)化為林地；有19.45hm2的水域用地轉(zhuǎn)化為耕地，有5.11hm2的水域用地轉(zhuǎn)化為林地，20a間建設用地均未向其他土地進行轉(zhuǎn)化。同時可以看出不同土地利用類型之間轉(zhuǎn)化的可能性大小，草地向林地轉(zhuǎn)化的概率最大，其次是草地轉(zhuǎn)化為耕地，建設用地轉(zhuǎn)化為其他類型的概率最小。

3.2 土地利用數(shù)量結構優(yōu)化

3.2.1 約束條件 以侵蝕防控為目標，根據(jù)綜合效益最大原則，提出6個約束條件來進行其土地利用數(shù)量結構優(yōu)化模擬，具體論述如下：

（1）土地總面積約束。各類土地利用類型面積之和等于土地總面積，即x1＋x2＋x3＋x4＋x5＝3 200hm2

（2）耕地約束。根據(jù)國家耕地保護政策和西黑岱流域壩系淤積情況，結合當?shù)赝恋乩靡?guī)劃，耕地總量在規(guī)劃年將增加。即：x1≥196.74hm2

（3）生態(tài)保護約束。許多研究表明，森林覆蓋度的增加將會減少土壤侵蝕，以保證生態(tài)安全，即：x2≥1 365.47hm2

（4）草地約束。根據(jù)生態(tài)效益、經(jīng)濟效益增大的要求，草地在規(guī)劃年將減少，即：x3≤1 548.23hm2

（5）水域用地及建設用地約束。西黑岱流域水源不充足，主要靠降雨補給和壩系攔蓄，同時其由于地理位置較為偏僻，研究中假設水域和建設用地面積將保持不變，即：x4＝56.31hm2；x5＝34.27hm2

（6）數(shù)學模型要求約束：滿足xj＞0，j＝1，2，3，4，5，6，7，8，9，10。

3.2.2 確定目標函數(shù) 依照行業(yè)標準《土壤侵蝕分類分級標準》（SL190－96），結合流域?qū)嶋H情況，對西黑岱流域土壤侵蝕中的水力侵蝕強度進行分級［19－20］。

微度侵蝕：平均侵蝕模數(shù)小于1 000t／（km2·a）；輕度侵蝕：平均侵蝕模數(shù)為1 000～2 500t／（km2·a）；中度侵蝕：平均侵蝕模數(shù)為2 500～5 000t／（km2·a）；強度侵蝕：平均侵蝕模數(shù)為5 000～8 000t／（km2·a）；極強度侵蝕：平均侵蝕模數(shù)為8 000～15 000t／（km2·a）；劇烈侵蝕：平均侵蝕模數(shù)大于15 000t／（km2·a）。

在規(guī)劃年優(yōu)化目標將耕地侵蝕控制在微度侵蝕范圍，林地控制在輕度及微度侵蝕范圍，草地控制在強度侵蝕以下。確定西黑岱流域防控侵蝕在（x1，x2，x3，x4，x5）的目標函數(shù)系數(shù)分別為（700，1400，2500，70，300）。

因此可以得出如下目標函數(shù)：Fmin（x）＝700x1＋1400x2＋2500x3＋70x4＋300x5

3.2.3 模型求解 運用DPS數(shù)據(jù)處理軟件，運用單純性法求解，得出同時滿足約束方程和目標函數(shù)的最大值，從而對土地利用數(shù)量結構進行優(yōu)化，結果見表6。

表6 西黑岱流域土地利用數(shù)量結構優(yōu)化結果

3.3 基于CA的土地利用格局空間優(yōu)化

結合研究區(qū)域的實際情況和土地利用優(yōu)化目標，制定了CA元胞狀態(tài)為30m×30m，共有耕地、林地、草地、水域、建設用地5種元胞類型，采用Moore型鄰域結構［21］，以任一柵格為中心，周圍分布8個代表特定土地覆被類型的相鄰柵格，鄰域是細胞周圍按一定形狀劃定的細胞集合，它們影響中心細胞下一個時刻的狀態(tài)；

CA模型的局域轉(zhuǎn)化規(guī)則：（1）建設用地不能轉(zhuǎn)化的規(guī)則，如果是建設用地，那么維持原用途不變。（2）土地利用類型的轉(zhuǎn)化概率和侵蝕最小原則，如果Ni＞Nj，那么St＋1＝Ui；（3）CA模型自有的轉(zhuǎn)化規(guī)則。以上規(guī)則中，St＋1為t＋1時刻土地利用類型；St為t時刻土地利用類型；Ui為土地利用類型i。然后以2010年的土地利用格局為初始狀態(tài)，模擬目標年2025年的土地利用格局。

由表6可知，對西黑岱流域土地利用格局空間優(yōu)化配置后，耕地總面積增加了20.67hm2，所占比重由優(yōu)化前的6.15%提高至優(yōu)化后的6.79%，確保在壩系淤積的過程中，充分利用已淤土地作為農(nóng)業(yè)生產(chǎn)；林地面積明顯增加至1 501.89hm2，所占比重超過了草地；而草地面積減少了157.68hm2，比重降至43.45%；此次優(yōu)化使得該流域土地利用結構變化明顯，其中林地面積有大幅度的提高，耕地和草地向優(yōu)質(zhì)、高效方向發(fā)展，通過土地優(yōu)化將減少土壤侵蝕，保護當?shù)卮嗳醯纳鷳B(tài)環(huán)境，提高綜合生產(chǎn)力，同時為砒砂巖區(qū)進行土地利用格局優(yōu)化調(diào)控提供依據(jù)。因此，在未來發(fā)展過程中，應對土地利用方式和規(guī)模進行適當調(diào)整，并進行土地整理、分區(qū)利用等政策或措施，使土地利用配置朝著最優(yōu)化結構發(fā)展［22］，從而提高土地利用的可持續(xù)能力。

4 結論

（1）研究期內(nèi)，西黑岱流域土地利用類型發(fā)生明顯變化，研究期內(nèi)耕地、林地在不斷地增加，其中林地面積增加最多，草地面積的減少幅度很大，水域面積有所減少，建設用地略有所增加。在研究期內(nèi)土地利用類型的轉(zhuǎn)化主要發(fā)生在耕地、林地和草地之間，草地向林地轉(zhuǎn)化的概率最大，其次是草地轉(zhuǎn)化為耕地，建設用地轉(zhuǎn)化為其他類型的概率最小，主要是由于退耕還林政策的實施和近些年對西黑岱流域水土保持的綜合治理。

（2）通過對研究區(qū)進行土地利用結構和空間優(yōu)化，耕地面積有所增加，林地面積有大幅度的提高，同時耕地和草地向優(yōu)質(zhì)、高效方向發(fā)展，該結果符合生態(tài)安全、因地制宜和科學規(guī)劃的原則，達到小流域土地利用格局優(yōu)化的目的，使生態(tài)環(huán)境狀況良性發(fā)展，可以為西黑岱流域壩地農(nóng)業(yè)持續(xù)高產(chǎn)提供科學依據(jù)，為研究區(qū)生態(tài)環(huán)境治理具有重要的參考和借鑒意義。

（3）土地利用格局優(yōu)化包括時間尺度上的數(shù)量結構優(yōu)化和空間尺度上的空間布局優(yōu)化兩部分內(nèi)容，本文借助線性規(guī)劃法的長期預測優(yōu)勢和CA模型與GIS技術相結合模擬復雜系統(tǒng)空間動態(tài)演化能力，有效地解決了上述問題，同時對于揭示土地利用格局演變機制具有一定意義，并且能夠結合GIS技術完成和實現(xiàn)，為地理信息系統(tǒng)的發(fā)展開辟了新方向，為砒砂巖區(qū)土地利用格局的優(yōu)化調(diào)控提供了一種可行的科學研究方法。

（4）由于土地利用格局變化是十分復雜的，受到多種因素的影響，在制定CA模型轉(zhuǎn)化規(guī)則和參數(shù)設定的時候，雖然盡可能多地考慮土地利用類型轉(zhuǎn)化的可能性，但是仍然是比較主觀性的，可能會使模型預測精度方面受到一定的影響。

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