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SCIENTIA GEOGRAPHICA SINICA >

2013 , Vol. 33 >Issue 9: 1111 - 1116

DOI: https://doi.org/10.13249/j.cnki.sgs.2013.09.1111

Orginal Article

Land Use Structure Optimization Research Based on Nitrogenand Phosphorus Output Risky Control in Small Watershed

  • YU Xing-xiu , 1 ,
  • LI Jian-hua 1, 2 ,
  • LIU Qian-jin 1 ,
  • WU Yuan-zhi 1 ,
  • SUN Qi-qi 1, 2 ,
  • GAO Yan 1, 2
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  • 1. Shandong Provincial Key laboratory of Water and Soil Conservation & Environmental Protection, Institute of Water and Soil Conservation & Environmental Protection, Linyi University, Linyi, Shandong 276005, China
  • 2. College of Population, Resources and Environment, Shandong Normal University, Jinan, Shandong 250014, China

Received date: 2012-12-18

  Request revised date: 2013-02-11

  Online published: 2013-09-30

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本文是开放获取期刊文献，在以下情况下可以自由使用：学术研究、学术交流、科研教学等，但不允许用于商业目的.
Fold

Abstract

Taking Shuangheyu small watershed, the typical small watershed of the Yimeng mountainous area, as the object of study, the optimal allocation of land use structure in the study area was carried out based on the unit of land patches. Taking the control of the output of agricultural non-point source pollution (Nitrogen and Phosphorus, etc) into consideration, the optimal allocation of land use recognized the increase of economical and environmental benefit as the primary goal. The data was obtained using field in-situ observations district and Real-Time Kinematics（RTK）field measurement device. Land suitability evaluation was carried out through combination of the single-factor evaluation and the comprehensive evaluation method. The optimal allocation of land use structure was carried out through the method of effective coupling of linear programming model with dominant optimization analysis capabilities and GIS equipped with powerful spatial configuration function. The results showed that: the very combining of linear programming model and GIS not only provided the optimal allocation of land use with sound constraint effect in terms of area, but also matched the configuration information with specific spatial location at the same time, which enhanced the scientificalness and visuality of the optimal results. As taking account of the output of N, P non-point source pollutant into the factors considered by the optimal allocation of land use, the configuration results realized the goal of unifying the economic and environmental benefits through establishing multi-objective linear programming model of minimizing output of the non-point source pollution and maximizing the economic effectiveness. The optimization scheme of the Shuangheyu small watershed increased the area of orchard and forest land by 52.3% and 820%, respectively; and reduced the proportion of the area of farmland (cultivated land) by 38.3% and wasteland by 89.3%. The total N and P annual output was reduced by 15.3% and the annual economic efficiency was improved by 41%, among which the orchard, with its overwhelmingly superior area, made the most significant contribution to the increase of economic benefits in the optimization scheme. Land suitability evaluation was conducted through combination of the single-factor evaluation and the comprehensive evaluation method, which was applied in meso and micro-scale systems and made up for the deficiency of a linear programming model. It was turned out that the method was easy to operate and had good availability of data, which guaranteed the reliability of the configuration result. The orchard, with high economic effectiveness, comparatively lower N、P output risk and good flexibility in spatial configuration, was main factor influencing the land use optimal allocation, which should be put priority in optimization scheme. This study could provide scientific evidence for the rational utilization of land resources and lay the foundation for ecological construction of the Yimeng mountainous area.

Key words： the Yimeng mountainous areas; output N and P; landuse; linear programming model; GIS

Cite this article

YU Xing-xiu , LI Jian-hua , LIU Qian-jin , WU Yuan-zhi , SUN Qi-qi , GAO Yan . Land Use Structure Optimization Research Based on Nitrogenand Phosphorus Output Risky Control in Small Watershed[J]. SCIENTIA GEOGRAPHICA SINICA, 2013 , 33(9) : 1111 -1116 . DOI: 10.13249/j.cnki.sgs.2013.09.1111

引言

山地占中国国土面积的2/3,承载着全国1/5的人口[1],而山区是易于发生农业面源污染、农田生产力降低的脆弱地区[2],土地退化风险比平原高10%~30%[3],山地的开发利用直接关系着山区环境与经济的健康发展。因此,在遵循自然规律及现状土地格局的基础上,促进山地土地利用的优化配置,是山区可持续发展的必然选择[4]。
在土地利用优化配置中,线性规划模型应用较为成熟[5~7],但多以经济效益作为线性规划模型的目标,缺乏对环境效益,如面源污染物输出风险等的考虑,且线性规划模型只能对不同土地利用类型在面积上进行优化,并不能解决土地利用的空间配置问题。随着20世纪90年代黄杏元等将拥有土地利用空间配置功能的GIS应用引入到土地评价当中[8],弥补单一规划模型的不足[9~11]。因此将线性规划模型与GIS有效耦合,是解决土地利用优化配置的有效途径[12,13]。
沂蒙山区是北方土石山区的典型代表,山区土壤表层疏松、土层浅薄且夹杂砾石、人口密度大,生态问题已成为制约山区可持续发展的瓶颈[14,15]。本研究利用典型小流域野外原位观测小区监测自然降雨条件下不同土地利用N、P等面源污染物年输出风险,同时运用GIS与线性规划模型技术,以小流域N、P等面源污染物年输出风险最小和经济效益最大为目标,对其土地利用结构进行空间优化,以期为沂蒙山区土地资源利用与生态建设提供科学依据。

1 材料与方法

1.1 研究区概况

双河峪小流域位于沂蒙山区重要水源地——云蒙湖库区（117°45′~118°23′E,35°27′~36°20′N）,年平均气温13.7℃,海拔高度170~500 m。降水主要集中在7月下旬至9月中旬,多年平均降水量733.4 mm,属暖温带大陆性季风气候（图1）。土壤以棕壤为主,耕地土层≤50 cm,坡耕地面积广大,集中降雨条件易造成严重的水土流失。双河峪小流域是该区典型农业小流域,总面积为2.497 hm2,其中以花生种植为主的耕地0.689 hm2,以桃园为主的园地0.999 hm2,以白杨为主的林地0.037 hm2,未利用地0.569 hm2。
Fig.1 Location of Shuangheyu small watershed

图1 双河峪小流域位置

1.2 研究方法

1） 不同土地利用N、P年输出量的测定。采用自然降雨条件下野外原位观测小区试验。试验共设4种处理小区,分别布设在耕地、果园、林地以及荒坡,每种处理小区设置3次重复。其中,布设在园地、林地、未利用地试验小区面积2 m2（长2 m×宽1 m）,耕地以分布最广的花生地布设小区,选取花生地垄间宽（0.8 m）与垄长（15 m）围成。小区边界用30 cm高PVC板围成,将PVC板插入土中20 cm,外露10 cm,防止小区内外水分渗透及降雨溅出,小区出口处埋设自带刻度100升PVC桶设为地表径流观测样点,承接地表径流与泥沙。雨后将小区PVC桶内泥沙与水样混匀,用500 mLPVC瓶采样,样品经酸化后测定项目包括Total Phosphorus（TP）、Total Nitrogen（TN）及泥沙。
2） 土地适应性评价方法。采用野外调查与Real-Time Kinematics（RTK）实地测量获取双河峪小流域土地利用类型属性数据与空间数据,将地形地貌、土壤质地、灌溉条件等相近的地块测量为同一土地利用评价单元。采用单因子评价[5,16]与综合评价相结合的方法对双河峪小流域的土地适宜性进行评价。
单因子评价按照因子作用的显著区间进行等级划分,然后根据每个等级影响评价项目的程度赋分,分值越大,则其适应程度越高。
单因子评价只能说明不同土地利用对单一因子的适宜程度,而要说明评价单元整体对不同土地利用的适宜状况,则需要综合考虑各评价因子的作用,本研究采用限制因子法[17,18]与平均值法对各因子进行综合评价[19]。具体方法为,在所有考虑的评价因子中,如果所有单因子赋分≥50,即表示没有严重限制性因子,则选取平均值作为该评价单元综合评价最终分值;如果有一个或多个单因子赋分<50,而平均值≥80,则给与评价单元标准值75,若平均值<80,则取最大限制性因子作为评价单元的最终分值。限制性因子评价模型为：
Qi=min(Aij) (i=1,2,3…n,j=1,2,3…m) （1）
式中,Qi为第i个评价单元的最终分值,Aij为第i单元,第j个参评因子最终分值。综合评价逻辑模型为（图2）。
Fig. 2 The logical model of comprehensive evaluation

图2 综合评价逻辑模型

3） 土地利用结构优化配置。在土地适宜性评价的基础上构建线性规划模型,其任务是在满足多个优化目标的情况下,计算不同土地利用的最优面积值,然后借助GIS对每种土地利用进行空间配置。线性规划目标模型为：
max Z 1 ( x ) = ∑ i = 1 n a i x i ( 2 min Z 2 ( x ) = ∑ i = 1 n c i x i ( 3
式中, max Z 1 ( x ) 表示流域最大经济效益（元/a）, min Z 2 ( x ) 表示流域N、P污染物最小输出量（mg/a）, x i 表示i类土地利用面积,ai与ci分别为i类土地利用单位面积经济效益[元/(a·m2)]与N、P输出量[mg/（a·m2）]。线性规划约束模型为：
∑ i = 1 n x i = S 4 x i = ( ≤ , ≥ ) b i 5 x i ≥ 0 ( 6 ) 式中,xi表示第i种土地利用面积,S表示流域总面积,bi表示第i种土地利用适宜性评价常数。
在Matlab7.01软件中利用多目标求解算法解算模型,得到土地利用初步规划方案,利用ArcGIS9.3完成土地利用的空间配置。

2 结果与分析

2.1 双河峪小流域不同土地利用N、P年输出量

本研究对2011年雨季（7~10月）的自然降雨进行了监测,共监测到8场有效降雨,利用各小区监测的8场降雨下N、P流失总量估算研究区不同土地利用类型的N、P年输出量。8场降雨特征及不同土地利用8场降雨条件下氮磷输出总量见表1与表2。
Table 1 Rainfall characteristics

表1 降雨特征

日 期 降雨量
（mm）		 降雨历时
（h）		 最大雨强
( mm/min)		 平均雨强
( mm/min)		 降雨型
2011-8-6 24.7 2.2 0.96 0.21 中雨
2011-8-11 46.2 1.7 1.27 0.46 大雨
2011-8-15 6.3 0.7 0.20 0.16 小雨
2011-8-20 74.0 20.5 0.14 0.06 暴雨
2011-8-29 57.0 13.5 0.67 0.07 暴雨
2011-9-14 34.1 1.8 0.97 0.31 大雨
2011-9-18 24.5 13.0 0.06 0.03 中雨
2011-9-29 25.5 10.0 0.47 0.04 大雨
Table 2 N and P annual output loads of different land use types

表2 不同土地利用N、P年输出总量

土地利用 面积
（m2）		 N素负荷
（mg/m2）		 P素负荷
（mg/m2）		 N、P总负荷
（mg/m2）		 N、P输出
总量（g）
耕地 6890 25.63 6.13 31.76 218.83
园地 9991 22.82 5.52 28.34 283.15
林地 372 17.38 4.82 22.20 8.26
未利用地 5691 32.51 17.52 50.03 284.72

2.2 双河峪小流域土地适宜性评价

土地适宜性评价因子的选取遵循主导性、差异性、稳定性原则。根据双河峪小流域特征,其地形要素中的坡度因素、水文要素中的灌溉距离及土壤要素中的土层厚度在空间上具有较大差异性,是影响土地利用规划的主导因素,且具有一定程度的稳定性与数据获取的可行性,因此将坡度、土层厚度、灌溉距离作为双河峪小流域土地适宜性评价因子,分别对其进行单因子评价（表3~5）。本研究中4种土地利用类型单因子评价分级的临界值,征求了当地农业专家及农户的意见,充分考虑了不同土地利用对各因子的要求。
采用限制性因子法与平均值法对单因子评价结果进行综合评价,并按照土地适宜性评价常规做法,将流域内土地针对不同土地利用划分为高度适宜、中等适宜、临界适宜与不适宜4个等级,并赋予不同的分值区间（表6）。
Table 3 Slope levels score

表3 坡度等级赋分

土地利用 坡度等级
耕地
（花生）		 指标（°） 0~2 2~6 6~15 15~25 >25
等级 Ⅰ Ⅱ Ⅲ Ⅳ Ⅴ
赋分 100 95 85 60 25
园地
（桃树）		 指标（°） 0~10 10~15 15~25 25~35 >35
等级 Ⅰ Ⅱ Ⅲ Ⅳ Ⅴ
赋分 100 95 85 65 40
林地
（杨树）		 指标（°） 0~10 10~15 15~20 20~35 >35
等级 Ⅰ Ⅱ Ⅲ Ⅳ Ⅴ
赋分 100 95 85 60 40
未利
用地		 指标（°） 0~5 5~15 15~25 25~40 >40
等级 Ⅰ Ⅱ Ⅲ Ⅳ Ⅴ
赋分 100 95 85 60 40
Table 4 Irrigation distance levels score

表4 灌溉距离等级赋分

土地利用 灌溉距离等级
耕地
（花生）		 指标（m） 0~100 100~150 150~250 >250 -
等级 Ⅰ Ⅱ Ⅲ Ⅳ -
赋分 100 85 60 40 -
园地
（桃树）		 指标（m） 0~50 50~100 100~150 150~200 >200
等级 Ⅰ Ⅱ Ⅲ Ⅳ Ⅴ
赋分 100 85 60 40 25
林地
（杨树）		 指标（m） 0~50 50~100 100~150 150~200 >200
等级 Ⅰ Ⅱ Ⅲ Ⅳ Ⅴ
赋分 100 85 60 40 25
未利
用地		 指标（m） - - - - -
等级 - - - - -
赋分 - - - - -
注：未利用地灌溉量为0,赋分值为100。
Table 5 Soil depth levels score

表5 土壤深度等级赋分

土地利用 土壤深度等级
耕地
（花生）		 指标（cm） 0~10 10~15 15~25 25~35 >35
等级 Ⅰ Ⅱ Ⅲ Ⅳ Ⅴ
赋分 0 40 60 85 100
园地
（桃树）		 指标（cm） 0~30 30~50 50~70 70~90 >90
等级 Ⅰ Ⅱ Ⅲ Ⅳ Ⅴ
赋分 0 40 60 85 100
林地
（杨树）		 指标（cm） 0~25 25~50 50~75 75~100 >100
等级 Ⅰ Ⅱ Ⅲ Ⅳ Ⅴ
赋分 25 40 60 85 100
未利用地 指标（cm） 0~5 5~10 >10 - -
等级 Ⅰ Ⅱ Ⅲ - -
赋分 40 60 100 - -
Table 6 Suitability area of different land use types

表6 不同土地利用适宜性面积

适宜性
等级		 综合评价
分值		 耕地
（m2）		 园地
（m2）		 林地
（m2）		 未利用地
（m2）
高度适宜 81~100 2046 3640 3425 21803
中等适宜 61~80 1744 1503 2309 534
临界适宜 41~60 6171 15231 15164 433
不适宜 0~40 12983 2570 2046 174

2.3 双河峪小流域土地利用结构优化

1） 线性规划模型参数。土地利用结构的优化过程是利用不同土地利用适宜性评价结果,构建线性规划模型约束条件,面向面源污染输出最小与经济效益最大两个目标,计算流域内不同土地利用最优组合面积的过程。线性规划模型约束条件：
① 总面积约X1+X2+X3+X4=22 944;② 耕地面积约束：1 488≤X1≤9 961;③ 果园面积约束：6 750≤X2≤20 374;④ 林地面积约束：372≤X3≤20 898; ⑤ 未利用地面积=607;⑥ 非零约束：0≤X1,0≤X2,0≤X3,0≤X4。其中,耕地、果园、林地约束面积下限由现有最佳利用地块面积决定,上限由高度适宜、中等适宜及临界适宜面积之和确定,未利用地为不适宜与临界适宜面积之和。模型主要参数见表7。
Table 7 Model parameters

表7 模型输入参数

模型参数 X1
（耕地）		 X2
（园地）		 X3
（林地）		 X4
（未利用地）
价值系数[元/(a.m2)] 4 13.50 2.30 0
N、P输出系数（mg/m2） 31.76 28.34 22.20 50.03
注：农产品价格根据2011年实际价格计算。
2） 双河峪小流域土地利用优化方案及空间配置。考虑到流域内近些年荒地的不合理开发,尤其是河流源头大量荒地开垦为耕地,加重了流域水土流失,因此,在尊重现有土地利用格局与线性规划模型所计算最优面积的基础上,根据流域水土流失现状,将优化顺序定为未利用地、果园、林地、耕地。双河峪小流域土地利用优化方案及空间配置结果与现状对比见表8,空间配置结果见图3。
Fig. 3 Comparison between space optimization allocation program and current situation of land use in Shuangheyu small watershed

图3 双河峪小流域土地利用优化空间配置方案与现状对比

Table 8 Comparison between optimization program and current land use structure

表8 优化方案与现状土地利用结构对比

土地
利用		 利用现状 优化方案
面积（m2） 经济效益（元） N、P输出（g） 面积（m2） 经济效益（元） N、P输出（g）
耕地 6890 27560.0 218.83 4254 17016.0 135.71
园地 9991 134878.5 2831.45 15212 205362.0 431.11
林地 372 855.6 8.26 3418 7861.4 758.80
未利用地 5691 0 284.72 607 0 30.37
总计 22944 163294.1 794.95 22944 230239.4 673.06
3） 双河峪小流域土地利用优化结果分析。双河峪小流域优化方案中,园地及林地面积较利用现状分别增加52.3%,8.2倍,而耕地及荒地面积分别减少38.3%,89.3%。
从环境效益上来看,土地利用现状中严重的水土流失发生在河流周边及其源头,优化方案将河流周边及其源头耕地与未利用地规划为林地,降低了水土流失风险。土地利用现状中园地及其耕地包裹着片状分布的众多荒地,一方面不利于同一土地利用集中管理;另一方面未利用地N、P年输出量高达284.72 g,养分流失明显,优化方案将耕地及园地集中规划,既达到同一土地利用集中管理的目的,又压缩荒地面积,使N、P年输出量减少89.3%,从而使优化方案较之现状N、P年输出量减少15.3%。
从经济效益上来看,不同土地利用集中成片,既便于管理又降低经营成本,其中园地经济效益最优,规划面积增加后,其效益增加52.3%,林地效益提高了8.2倍,耕地效益相对降低38.3%。总体上看,流域年经济效益提高41%,其中面积占优的果园对优化方案经济效益增加值贡献最为明显。

3 结 论

1） 采用单因子评价与综合评价相结合的方法进行中小尺度土地适宜性评价,评价方法更加简便、易于操作,各种参数获取的可行性高,与研究区特征更为一致。
2） 将优化分析能力占优的线性规划模型与具有强大空间配置功能的GIS有效耦合,充分弥补了线性规划模型与GIS的不足,使得土地利用优化配置结果既具有面积上的约束,同时又与具体的空间位置相匹配,增强了优化结果的科学性与可视性。
3） 将N、P等面源污染物输出风险纳入土地利用优化配置所考虑的因素当中,建立面源污染物输出最小与经济效益最大两个线性规划目标模型,使得土地利用优化配置结果兼顾了经济效益与环境效益的统一。
4） 对沂蒙山区典型小流域——双河峪小流域进行的土地利用优化配置及野外监测试验表明,园地具有较高的经济效益与相对较低的N、P输出风险,且在空间配置上具有较强的灵活性,因此,园地是影响该流域土地利用优化配置的重要因素,在优化配置中应对园地给予重视。

The authors have declared that no competing interests exist.

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