Scientia Geographica Sinica  2017 , 37 (6): 920-928 https://doi.org/10.13249/j.cnki.sgs.2017.06.014

研究论文

黑河中游地区耕地景观演变及社会经济驱动力分析

赵锐锋1, 王福红1, 张丽华2, 李鸿伟1

1.西北师范大学地理与环境科学学院, 甘肃 兰州 730070
2.中国科学院西北生态环境资源研究院, 甘肃 兰州 730000

Dynamic of Farmland Landscape and Its Socioeconomic Driving Forces in the Middle Reaches of the Heihe River

Zhao Ruifeng1, Wang Fuhong1, Zhang Lihua2, Li Hongwei1

1. Geography and Environmental College, Northwest Normal University, Lanzhou 730070, Gansu, China
2. Northwest Institute of Eco-environment and Resources, Chinese Academy of Sciences, Lanzhou 730000, Gansu, China

中图分类号:  K902

文献标识码:  A

文章编号:  1000-0690(2017)06-0920-09

收稿日期: 2016-07-20

修回日期:  2016-11-15

网络出版日期:  2017-06-20

版权声明:  2017 《地理科学》编辑部 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.

基金资助:  国家自然科学基金项目(41261047,41201196)、西北师范大学青年教师科研能力提升计划骨干项目(NWNU-LKQN-11-11)资助

作者简介:

作者简介:赵锐锋(1976-),男,甘肃漳县人,博士,副教授,主要从事土地利用与景观生态方面的研究。E-mail:zhaorf@nwnu.edu.com;zhaoruifeng@126.com

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摘要

选取1987~2010年的土地利用数据,运用变化轨迹分析方法以及景观指数表征黑河中游地区耕地景观的演变过程,采用偏最小二乘回归模型分析耕地景观演变的驱动力。结果表明:从耕地的变化轨迹来看,研究期间耕地的扩张是黑河中游地区耕地景观演变的主要趋势;从空间上来看,扩张型耕地和缩减型耕地分布趋向集中,主要集中在稳定型耕地边缘,同时耕地扩张的方向趋向河流;从驱动因素分析来看,总人口、城市化、产业发展、机电井数等是促使耕地景观演变的主要社会经济驱动因素,但是各个驱动因素的驱动作用均有差异。

关键词: 耕地景观 ; 变化轨迹分析 ; 偏最小二乘回归 ; 黑河中游

Abstract

It is a complex procedure to identify, record and monitor land cover change on the earth’s surface. Most of the existing Spatio-temporal methods are based on multi-temporal land cover maps or temporal trend analysis of spatial pattern indices. Change trajectory analysis explores the dynamic of landscape pattern in the temporal scale, will not separate the landscape change process, and is an effective method of spatio-temporal modelling. The rapid expansion, abandonment and mis-management of farmland would result in soil salinization and desertification in the inland river basin in the arid region, northwest China. In the countrywide context of continuous decrease of farmland, the evident increase intensifies the imbalance between supply and demand of water resources in the arid region. In order to better understand the Spatio-temporal pattern of farmland change in the middle reaches of Heihe River, this paper used change trajectory analysis and landscape metrics to explore the evolution process of farmland landscape and analyzed its socio-economic driving forces by partial least squares regression (PLSR) models. Spatial patterns of farmland change were quantified by employing distribution-related landscape metrics, such as indices of interspersion(IJI), connectivity (COHESION) and area-weighted patch fractal dimension index isolation (FRAC-AM), percentage of landscape (PLAND), Euclidean Nearest Neighbor Index (ENN-AM) to analyze characteristics of farmland change based on the remote-sensing images of 1987, 1992, 2001 and 2010. Results showed that the expansion of farmland was one of the main trends of land use change in the middle reaches of the Heihe River. The area of farmland expansion was significantly larger than that of abandonment. The proportion of farmland occupied in study area increased from 15.67% in 1987 to 19.74% in 2010, with a net increase of 43 758.9 hm2 for arable land and converted mainly from wetland and unused land. The expanded and reduced farmland exhibited a concentrated pattern, tending to distribute at the edge of the stable farmland, and farmland expanded towards the river. The total population, urbanization rate, industry development and number of electromechanical well were the primary social and economic driving factors prompting the farmland landscape evolution, but the effects of driving factors differed for different types of farmland. The interaction among driving factors influenced the dynamic of farmland landscape. The water resources exploitation directly influenced the change of social-economic factors such as total population, urbanization rate, industry development. The study showed that the proposed research method effectively visualized and quantified the spatio-temporal dynamics of farmland change and its driving forces.

Keywords: farmland landscape ; change trajectory analysis ; partial least squares regression ; the middle reaches of the Heihe River

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赵锐锋, 王福红, 张丽华, 李鸿伟. 黑河中游地区耕地景观演变及社会经济驱动力分析[J]. , 2017, 37(6): 920-928 https://doi.org/10.13249/j.cnki.sgs.2017.06.014

Zhao Ruifeng, Wang Fuhong, Zhang Lihua, Li Hongwei. Dynamic of Farmland Landscape and Its Socioeconomic Driving Forces in the Middle Reaches of the Heihe River[J]. Scientia Geographica Sinica, 2017, 37(6): 920-928 https://doi.org/10.13249/j.cnki.sgs.2017.06.014

土地利用/土地覆被变化是人类活动作用于生态环境所呈现出的最显著形式,也是全球环境变化研究的热点领域[1,2]。耕地是土地利用变化研究的重要内容,在维护国家粮食安全、生态安全以及满足经济发展具有不可替代的功能[3]。随着新型城镇化和工业化的推进以及生态退耕、灾害损毁和农业结构调整等原因导致耕地面积不断减少。据国土资源部发布的《2015中国国土资源公报》统计显示,2014年全国因建设占用、灾毁、生态退耕、农业结构调整等原因减少耕地面积38.80万hm2[4]。在中国耕地面积持续减少的背景下,西北干旱区的耕地面积却明显增加,不仅促使中国耕地格局发生了变化,也加剧了西北干旱区水资源的供需矛盾[5]。因此解析西北干旱区耕地的动态演变及其驱动机制的研究,对于保障中国粮食安全和促进社会经济可持续发展具有重要的意义。

近年来,有学者针对土地利用动态变化及预测构建了元细胞自动机模型、马尔可夫链模型、CLUE-S模型、Logistic回归模型等[6]。国内利用遥感监测研究土地利用时空变化特征的较多[7],部分学者从全国或者区域尺度对耕地集约利用[8]、耕地流转[9]、耕地后备资源与开发[10]、耕地面积变化及驱动机制[11]等方面开展了较多研究,但主要集中在经济发达地区和沿海各省区。在黑河流域,众多学者从生态环境、土地利用及流域综合管理等方面进行了系统研究,取得了丰硕的成果[12,13]。但是针对耕地景观演变及驱动力的研究还有一些不足,主要体现在刻画耕地景观时空演变时的时序性和完整性不强,对处理社会经济驱动因素数据时产生的异方差和多重共线性问题关注不够。

黑河流域是中国典型的内陆河流域,是遏制巴丹吉林沙漠南下的重要屏障,也是西部地区重要的商品粮基地,对于维护河西走廊地区的生态安全和粮食安全稳定具有重要的作用。耕地是干旱区主要的生态系统类型,是区域社会经济可持续发展的重要影响因子,耕地生态系统的变化也必然引起区域其他生态系统的变化。因此,如何科学有效的刻画干旱区耕地景观的演变以及识别耕地演变的社会经济驱动因素,是急需要解决的关键科学问题。本研究选取黑河中游地区耕地为研究对象,应用GIS等空间处理技术以及变化轨迹分析、景观格局指数和偏最小二乘回归模型等方法进行综合研究,以期为西北干旱区内陆河流域协调城镇化以及社会经济发展和耕地保护之间的关系提供理论依据和决策参考。

1 研究区概况

黑河为中国的第二大内陆水系,流域面积约13×104km2。黑河中游地区(98°57′~100°52′E,38°29′~39°59′N)是指从莺落峡至正义峡之间的河段,长约185 km,行政区划上包括张掖市所属的甘州区、高台县、临泽县,南临祁连山,北依合黎山,黑河贯穿全境,自西南流向东北(图1)。年均降水量50~250 mm,年均蒸发量2 000~3 500 mm,属于温带荒漠气候,地带性植被为温带小灌木、半灌木荒漠植被。流域内的土地利用类型主要是以耕地、草地和荒漠为主,是中国重要的商品粮基地,截止2010年,区域内第一产业产值达44.8×104万元。

图1   研究区在黑河流域的位置

Fig.1   Location of the study area in the Heihe River Basin

2 研究方法

2.1 数据来源

本研究选择1987年的TM、1995年TM、2000年TM、2010年ETM影像作为基础数据源,利用ERDAS IMAGINE9.2对遥感图像进行波段选择、图像校正、图像拼接、图像增强和图像裁剪等处理,借鉴国内外现有分类研究成果的基础上,结合实际研究需要,将黑河中游土地利用类型划分为:耕地、草地、林地、湿地、城乡居民工矿建设用地(城乡居工地)和未利用地6个一级地类,以及耕地、有林地、高覆盖度草地、城镇用地和裸岩石砾地等21个二级地类。在ArcGIS9.3软件支持下,参考研究区1∶50 000地形图进行人机交互式判读,目视解译得到1987、1992、2001和2010年的土地利用数据,然后结合2011年7~8月野外GPS验证点和Google earth验证点(图1),采用位置精度评价,通过计算得出1987、1992、2001、2010年的遥感影像整体解译精度分别为80.74%,77.92%,80.57%,81.18%,分类效果比较好,能够满足大尺度研究的需要[14]。驱动力分析所需的社会经济数据来源于1990~2010年高台县、临泽县以及甘州区的统计年鉴(数据来源于国家自然科学基金委员会“黑河计划数据管理中心”(http://www.heihedata.org).)和《甘肃农村年鉴》[15]

2.2 研究方法

1) 变化轨迹分析。变化轨迹分析方法是表征景观格局在时间尺度上的动态变化,不会割裂景观基本的变化过程,可以从最高的过程完整性探讨演变规律[16]。应用变化轨迹分析方法的前提是研究对象的前后变化存在时序性,土地利用/土地覆被变化的时间轨迹可以由各时相所属土地利用/土地覆被类型按时间顺序构成的排列来辨识[17]。轨迹类型的数量取决于土地利用类型数目(n)和时间节点的个数(m),记作: nm。本研究只考虑耕地变化状况,因此共有耕地和非耕地两种变化类型,时间序列有4个时间点,因此轨迹变化类型共有24=16种。为有效地表征土地利用变化过程中耕地景观的变化特征,借鉴相关的研究成果[18],将耕地变化的轨迹归纳为以下几类(表1)。

表1   耕地变化轨迹类型

Table 1   Trajectories type of farmland change

轨迹类型特征
恒定耕地研究时间段土地利用属性一直保持为耕地
恒定非耕地研究时间段土地利用属性一直保持为非耕地
1992年来扩张1992年土地利用属性转变为耕地并保持到研究期末
1992年来缩减1992年土地利用属性转变为非耕地并保持到研究期末
2001年来扩张2001年土地利用属性转变为耕地并保持到研究期末
2001年来缩减2001年土地利用属性转变为非耕地并保持到研究期末
临时耕地研究期末土地属性为耕地,前一期时间点土地利用属性为非耕地
临时弃耕研究期末土地属性为非耕地,前一期时间点土地利用属性为耕地

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景观格局指数被认为是研究土地利用空间格局变化的有效定量工具。因此,基于FRAGSTAT3.3景观指标分析软件,选取斑块类型水平上斑块占景观面积的比例(PLAND)、面积加权欧几里得最邻近距离(ENN-AM)、斑块结合度指数(COHESION)、散步与并列指数(IJI)、面积加权的平均斑块分维数(FRAC-AM)5个景观指数来分析耕地景观演变的特征。

2) 偏最小二乘回归模型。偏最小二乘回归分析在建模过程中集中了主成分分析、典型相关分析和线性回归分析方法的特点[19]。偏最小二乘回归分析提供了一种多对多的线性回归模型方法,尤其是当自变量系统和因变量系统两组变量的个数很多且存在多重相关性,观测数据的样本量较少时,可以排除系统存在的噪声干扰和变量之间的多重共线性,适合土地利用变化的驱动力分析[20],具体的计算过程可参考文献[19]。

3 结果与分析

3.1 耕地景观格局时空分析

耕地面积扩张是黑河中游地区最主要的土地利用变化形式之一。研究期间,黑河中游地区的耕地占区域面积比例从1987年的15.67%增加到2010年的19.74%,净增加耕地面积43 758.9 hm2,该增加主要源于湿地和未利用地的转化[14]。结合耕地变化轨迹的分类结果(表1),研究期间恒定非耕地和恒定耕地的斑块类型所占比例最大(表2),反映了恒定非耕地和恒定耕地是研究区最主要的景观类型。从每种耕地变化轨迹所占流域面积比例来看,1992~2010年耕地扩张的幅度明显大于缩减的幅度,不稳定耕地(包括临时耕地和临时弃耕)面积占流域面积达3.82%,相对较大,表明研究期间黑河中游地区的耕地处于扩张和缩减交错的过程。

表2   耕地轨迹类型景观指数

Table 2   Landscape metrics of farmland change trajectories

轨迹类型PLAND (%)IJI FRAC_AM
恒定耕地13.658990.81641.254
恒定非耕地78.623484.19091.2075
临时耕地3.124370.15811.1428
临时弃耕0.698276.31221.107
1992年来扩张1.236279.12731.1187
1992年来缩减0.306481.20071.1041
2001年来扩张1.722179.5731.1129
2001年来缩减0.630468.98651.0924

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IJI指数反映了各耕地轨迹斑块类型的空间关联程度。由表2可知,各轨迹类型中恒定耕地的IJI最大,这主要体现了在干旱区耕地对水资源的依赖较大,耕地的空间分布与河流关系密切;同时也反映了恒定耕地的周边耕地变化景观类型较为复杂,相邻的景观类型较多。其他耕地变化轨迹类型的IJI值相对较小,反映了这些耕地变化轨迹类型主要分布在恒定耕地边缘,空间邻接分布程度较为简单(图2)。FRAC_AM指数用来描述各类耕地变化轨迹的复杂性和稳定性。总体来看,各类耕地变化轨迹类型的FRAC_AM较小,分形特征不太明显;恒定耕地FRAC_AM最大,表明由于人类活动和自然因素的长期作用导致其变化轨迹最为复杂;2001年来缩减的耕地变化轨迹FRAC_AM最小,而且主要零星分布在恒定耕地边缘,分形特征较为简单、稳定。

图2   1987~2010年黑河中游地区耕地变化轨迹

Fig.2   Farmland change trajectories in the middle reaches of the Heihe River in 1987-2010

同时,按照耕地转化关系将耕地景观归纳为稳定型耕地、扩张型耕地、缩减型耕地和稳定型非耕地4种类型。稳定型耕地指相邻两期数据均保持耕地属性;扩张型耕地指观察时间点的耕地由前一观察时间点的非耕地转变而来;缩减型耕地是指观察时间点的非耕地由前一观察时间点的耕地转变而来;稳定型非耕地指相邻两期数据均保持非耕地属性。研究期间,稳定型耕地面积显著增加,与1987~1995年时段相比,2001~2010年时段的稳定型耕地面积增长了17.21%,面积净增加26 252.37 hm2表3)。从空间上看,稳定型耕地主要沿黑河分布,面积沿河流自上而下减少,而扩张型耕地和缩减型耕地主要分布在稳定型耕地边缘(图3),可见,灌溉条件限制及城镇化推进占地可能导致这两类耕地变化轨迹未大片集中分布。

表3   不同时段不同耕地类型的面积变化统计(hm2

Table 3   Area of different types of farmland in different periods (hm2)

年代稳定型耕地扩张型耕地缩减型耕地稳定型非耕地
1987~1992152512.5422728.8316039.88884058.03
1992~2001164816.9321455.0210424.53878643.04
2001~2010178764.9133546.577507.07855521.59

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图3   不同时期耕地的空间变化

Fig.3   Spatial distribution of farmland in different periods

图4可知,研究期间,扩张型耕地的IJI持续下降,与1987~1992年相比,2001~2010年时段下降幅度达5.33%;同时,扩张型耕地的ENN-AM指数呈下降趋势,COHESION指数呈上升态势,表明扩张型耕地的聚集程度提升,尤其自2000年以后该趋势较为明显。究其原因,可能是2000年黑河分水后中游地区的来水量减少,农田灌溉亩均用水量由2000年的666.7~718 m3下降到2005年的655~666.7 m3[21],导致耕地相对分水前缺乏充足的水源,耕地扩张对河流的依赖程度增加,主要向河流方向靠近,空间分布趋于集中。相比扩张型耕地,缩减型耕地IJI也在不断下降,ENN-AM和COHESION呈先降后增的态势,表明城镇建设占用大片耕地,促使缩减型耕地的空间分布也相对趋于集中,连通性提高,但是因为丝绸之路经济带的城市体系集聚程度较低[22],从而导致整体上缩减型耕地的ENN-AM增加。综上所述,通过景观格局指数判断,研究区扩张型、缩减型耕地在空间分布上趋于集中,未来土地开发利用过程中,应科学考虑城市发展和商品粮基地建设的生态效益和经济效益。

图4   耕地转化类型空间景观指数

Fig.4   Spatial landscape index of farmland conversion type

3.2 耕地演变的驱动力分析

1) 偏最小二乘回归模型构建。短期内土地利用变化主要是人为因素造成[23],因此本文主要探讨耕地演变的社会经济驱动因素。根据相关研究成果[3,24]以及结合本研究需要,分别从人口、城市、经济、产业、科技、水源开发等5个方面选取了与耕地演变密切相关的12个指标组成自变量数据 X,包括总人口( X1)、农村人口( X2)、城市化率( X3)、建设用地面积( X4)、国内生产总值( X5)、固定资产投资额( X6)、社会销售品零售总额( X7)、二、三产业比例( X8)、粮食总产量( X9)、农村人口人均种植业产值( X10)、农业机械总动力( X11)、机电井数( X12)。由3个研究时间段的稳定型耕地面积( Y1)、扩张型耕地面积( Y2)、缩减型耕地面积( Y3)、稳定型非耕地面积( Y4)组成因变量数据Y。为更好的反映土地利用数据和社会经济统计数据之间的协调性,降低受数据不全等客观因素的影响,首先对每一时间段的指标变量求取平均数来代表该阶段每年的变化量,从而得到模型分析应用的数据。同时,由于社会经济驱动因素之间普遍存在较高的相关性,容易产生多重共线性而影响多元回归建模的精度,因而采用偏最小二乘回归模型以解决该问题。

本研究使用DPS数据处理系统对因变量和自变量数据进行处理,完成偏最小二乘回归模型的构建。根据交叉验证法 Qh2≥0.097,选取在自变量和因变量中提取第一成分 T1U1构建偏最小二乘回归模型。

T1=1.6591.0267-2.6858U1=2.0402-0.1177-1.9225

模型效应和因变量权数反映了自变量对因变量影响程度的强弱,由表4可知,影响耕地演变的解释变量系统中,各自变量对耕地演变的驱动程度强弱不同,由强到弱依次是建设用地面积>机电井数>粮食总产量>城市化率>总人口>农村人口>社会销售品零售总额>国内生产总值>农村人口人均种植业产值>固定资产投资额>农业机械总动力>二三产业比例。

表4   模型效应和因变量权数及模型效应负荷量

Table 4   Dependent variable weights and model effect loadings

X1X2X3X4X5X6X7X8X9X10X11X12
模型效应和因变量权数0.33140.27260.370.45310.08970.02660.2276-0.27280.40640.08370.01730.4077
模型效应负荷量0.40020.37110.41510.42030.25160.20290.3451-0.07550.24110.24710.19540.4245

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2) 不同耕地演变类型驱动力分析。通过偏最小二乘回归分析,得到自变量和因变量的标准回归系数表(表5),来反映社会经济因子影响各类型耕地景观演变的强弱程度。

表5   自变量和因变量标准回归系数

Table 5   Standard regression coefficients of independent variable and dependent variable

X1X2X3X4X5X6X7X8X9X10X11X12
Y10.19150.26450.17750.17080.0504-0.0242-0.0424-0.31190.25610.0357-0.03270.2632
Y20.32930.1946-0.13010.3887-0.0845-0.0259-0.0900-0.40140.20700.1383-0.04570.2218
Y3-0.1478-1.32120.85380.2197-0.2799-0.3047-0.1139-0.17160.1809-0.15270.1368-0.3875
Y4-0.2992-1.06580.44680.0169-0.56270.00190.78710.31660.0491-0.17240.08050.0282

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(1) 稳定型耕地。稳定型耕地是流域内耕地转化过程中最基本的景观类型,也是张掖市建设商品粮基地的重要支撑。由表5可知,稳定型耕地与人口因素、城市建设、水源开发关系最为密切,均呈正相关;与固定资产投资额、社会销售品零售总额以及农业机械总动力等驱动因子均呈负相关。历史上黑河流域的人口变化呈“U”型趋势,尤其是建国以后研究区人口快速增加导致了粮食的供给需求加大。面对日益增加的人口需求,必然加大开垦力度,向山区扩展耕地[24],因此,对稳定型耕地的需求也随着人口数量的增加而上升。水源的开发利用是黑河流域内耕地进行开发利用的根本保障,水源开发利用加大对于保障流域内稳定型耕地增加具有显著的作用。目前,黑河中游地区张掖市已经建成了以中小型水库为骨干,井灌、提灌等为补充,渠道条田相配套的水利建设格局,水利建设的不断升级对保障区域稳定型耕地农业生产发挥了重要作用。城镇化建设对于稳定型耕地的变化具有正向的导向作用,主要体现在中国严格实行的耕地“占一补一”政策,而稳定型耕地主要分布在城镇建设用地边缘,所以城镇建设用地的扩张带动稳定型耕地的变化。产业经济的不断升级以及农业科学技术水平的不断提高,提高了土地利用的集约程度。因此,随着二三产业尤其是第三产业在区域经济发展中所占比重的不断增加,对于建设用地扩张和稳定型耕地的变化具有一定的抑制作用。

(2) 扩张型耕地。研究期间,耕地面积的扩张幅度较大,尤其是2001~2010年时段,耕地扩张的面积较1987~1992年增加了47.59 %。由表5可知,人口因素、建设用地、机电井数、粮食总产量和农村人口人均种植业产值是影响扩张型耕地的重要因素,均呈正相关。具有比较效益的农产品生产规模扩大是农业经营主体追求规模效益的结果,因此随着农村人口人均种植业产值的提高,这种具有比较效益的农业生产类型将导致区域耕地扩张[25]。黑河流域属于明显的农村经济特征,尤其是中游地区第一产业比重大[12],是中国河西走廊地区重要的商品粮生产基地和瓜果、蔬菜生产基地,农业生产条件优越,因而,种植业在张掖市农业内部具有明显的比较效益优势。其次,建设用地面积对扩张型耕地增加影响显著,在河西走廊地区绿洲尤其是耕地支撑着城镇建设用地扩张的进程,为保障耕地数量的稳定,在占用耕地的同时也导致非耕地向耕地的转换。黑河流域是典型的内陆河流域,耕地对水资源具有很强的依赖性,同时,中游地区在整个流域中用水比例最大,水资源开发利用程度直接影响着扩张型耕地的变化。

(3) 缩减型耕地和稳定型非耕地。由表5可知,缩减型耕地和稳定型非耕地与人口因素呈负相关,尤其是与农村人口关系密切。研究期间,耕地缩减幅度不断下降,降幅达53.2 %,同时农村人口在2001~2010年间减少了5.09 %。农村人口数减少是黑河中游地区发展节水型现代农业的必然趋势。同时,农业科技的投入在一定程度上减弱了干旱区耕地对水资源的依赖程度,特别是灌溉技术进步、良种技术进步、农业机械推广等减缓了耕地缩减的幅度。城市化水平的提高以及建设用地的扩张对于缩减型耕地和稳定型非耕地的变化也具有显著影响,均呈正相关。西部大开发、黑河流域综合治理以及撤地建市为中游地区的城镇化建设提供了难得的发展机遇,各行政区城镇化水平不断提高(图5)。城镇化的推进意味着更多农村人口向城镇转移,增加的城市人口对城镇住房、公共设施等一系列基础设施需求也相应增加,从而导致建设用地等非耕地面积的增加[26]。伴随着流域内产业结构优化、整合、升级,促使黑河中游地区的工农业生产向集约型转变,城市发展策略转向内部挖潜的方向,有效减少建设用地对农用耕地的占用,减缓了缩减型耕地和稳定型非耕地的变化。

图5   黑河中游各地区城镇化率

Fig.5   Urbanization rate in the middle reaches of the Heihe River

4 结论与讨论

4.1 讨论

景观动态变化是景观生态学研究的重点内容之一,是影响景观格局、过程、尺度特征的重要因素[27]。从已有的干旱区内陆河流域耕地研究结果来看,西北内陆河流域耕地增加是普遍的现象[23]。在干旱区环境条件下,耕地的扩张必然消耗大量的水资源,进一步加剧该区域生态用水的短缺状况。20世纪80年代中后期,由于耕地扩张促使区域用水量增加,导致对地下水资源的开发利用强度加大,这也引发了黑河中游地区的土地盐碱化、水土流失等一系列生态环境问题的出现[12]。由于受灌溉条件的限制,新增耕地在空间更接近原先耕地邻接分布[18];耕地的缩减主要以建设用地占用为主,而且新增建设用地在空间分布上与原有的斑块具有聚合趋势[28],导致缩减的耕地在空间分布上相对趋于集中。影响耕地景观演变的因素具有一定的复杂性,各个因子之间不是简单的一对一关系,而是相互交织,相互作用,共同影响景观演变[29]。耕地的开发与流失不仅与区域可利用的农业水资源有关,而且与区域的农业节水技术、人口因素、城镇化和农业政策等有密切的关系[23]。水资源的开发利用水平直接影响着区域承载的人口数量、城镇发展规模以及产业发展水平等其他社会经济驱动因子的变化。同时在城市化过程中,随着人口的增加以及农村人口不断向城市聚集,促进产业的不断升级来吸纳更多的就业人口。因此,在未来黑河中游的农业发展和商品粮基地建设过程中,应更加注重人口、水资源、城市发展等各个因素之间的协调。同时根据《甘肃省生态保护与建设规划(2014~2020年)》的布局定位,研究区属于三北风沙综合防治区,是河西走廊重要的生态屏障[30],所以在耕地开发利用过程中应注重空间的科学分布和农田防护林网的建设,优化农业生产的生态条件。

实践中,对于土地利用时空变化的刻画和驱动因素的辨识是一个复杂的过程。本研究主要侧重短期内影响耕地景观演变的社会经济因素,对于自然因素以及国家宏观政策调控的影响考虑较少,因此以后的研究中应重点综合性考虑选取因子对区域土地利用变化的影响。

4.2 结论

1) 1987~2010年,黑河中游地区的耕地变化轨迹处于一个不断扩张和缩减交错的过程,其中耕地扩张是耕地景观演变的主要趋势。相比1987年,2010年的耕地面积净增加43 758.9 hm2

2) 研究期间,稳定型耕地和扩张型耕地面积呈增加趋势,缩减型耕地面积呈减少趋势,耕地缩减的幅度亦不断下降,较1987~1992年,2001~2010年缩减幅度下降了53.2 %,耕地稳定性程度提高。扩张型耕地和缩减型耕地主要分布在稳定型耕地边缘,空间分布上趋向集中,耕地扩张呈向河流靠近的趋势。

3) 人口增加导致区域耕地压力逐渐增大,是影响耕地景观演变的主要驱动因素。城市化规模扩大带动建设用地扩张促进了耕地景观演变,而耕地占补平衡政策对流域内耕地景观的稳定性具有重要影响。产业经济发展尤其是农产品比较效益的提高也会推动耕地景观的扩张。表征水资源开发利用的机电井数增加为黑河中游地区耕地景观的扩张提供了重要保障。

The authors have declared that no competing interests exist.


参考文献

[1] Johnson B G, Zuleta G A.

Land-use land-cover change and ecosystem loss in the Espinal ecoregion, Argentina

[J]. Agriculture Ecosystems & Environment, 2013, 181(4):31-40.

https://doi.org/10.1016/j.agee.2013.09.002      URL      [本文引用: 1]      摘要

Land-use land-cover (LULC) changes are one of the major threats to biodiversity worldwide, since their principal consequences are the loss, fragmentation or degradation of the habitat available for most species. Therefore, in order to provide guidelines for environmental management at the regional scale and thus reverse the trend in degradation, transformations of natural remnants into anthropogenic land uses must be identified and quantified. This study examines LULC transitions from 1987 to 2001 and from 2001 to 2009 in two adjacent watersheds located in the Espinal, one of the least protected ecoregions of Argentina. We detected a 20% loss in ecosystems for the period analyzed and, in particular, 60% of native forests were lost. Changes were mainly driven by the expansion of croplands, which directly transformed wetlands and also acted as an underlying cause of the displacement of ranching activities, which in turn replaced Espinal forests. We developed a conceptual model of observed LULC changes for the study area, which we then complemented by proposing an alternative scenario that reconciles agriculture and biodiversity conservation. These results have implications for provincial land use planning and could contribute to the participatory processes demanded by the recent national legislation sanctioned for the protection of native forests.
[2] Sun L, Wei J, Duan D H et al.

Impact of Land-Use and Land-Cover Change on urban air quality in representative cities of China

[J]. Journal of Atmospheric and Solar-Terrestrial Physics, 2016, 142:43-54.

https://doi.org/10.1016/j.jastp.2016.02.022      URL      [本文引用: 1]      摘要

The atmospheric particulate pollution in China is getting worse. Land-Use and Land-Cover Change (LUCC) is a key factor that affects atmospheric particulate pollution. Understanding the response of particulate pollution to LUCC is necessary for environmental protection. Eight representative cities in China, Qingdao, Jinan, Zhengzhou, Xi n, Lanzhou, Zhangye, Jiuquan, and Urumqi were selected to analyze the relationship between particulate pollution and LUCC. The MODIS (MODerate-resolution Imaging Spectroradiometer) aerosol product (MOD04) was used to estimate atmospheric particulate pollution for nearly 10 years, from 2001 to 2010. Six land-use types, water, woodland, grassland, cultivated land, urban, and unused land, were obtained from the MODIS land cover product (MOD12), where the LUCC of each category was estimated. The response of particulate pollution to LUCC was analyzed from the above mentioned two types of data. Moreover, the impacts of time-lag and urban type changes on particulate pollution were also considered. Analysis results showed that due to natural factors, or human activities such as urban sprawl or deforestation, etc., the response of particulate pollution to LUCC shows obvious differences in different areas. The correlation between particulate pollution and LUCC is lower in coastal areas but higher in inland areas. The dominant factor affecting urban air quality in LUCC changes from ocean, to woodland, to urban land, and eventually into grassland or unused land when moving from the coast to inland China.
[3] 王国刚, 刘彦随, 陈秧分.

中国省域耕地集约利用态势与驱动力分析

[J]. 地理学报, 2014, 69(7):907-915.

https://doi.org/10.11821/dlxb201407003      URL      [本文引用: 2]      摘要

基于“理性小农”、超边际经济学等理论,建立了农户耕地集约利用解释的理论框架。构建了集约利用度指数(CII)和驱动力模型,分析了1996.2008年中国省域的耕地集约利用程度及其影响因素。研究结果表明:我国耕地利用集约度总体大幅度提高,但地域差异明显,初步形成了第一阶梯较高集约度、第二三阶梯较低集约度的空间格局;耕地集约利用的首要贡献来自于化肥、机械、农药等省工性劳动的大量使用,其次是资本投入和劳动力;耕地自然本底条件、耕地经济收益和劳动力生产率,与耕地集约度呈正相关,而耕地非农化效益与耕地利用集约度呈负相关。基于研究结论的政策引申:加强政策引导,科学合理使用非可再生能源等省工性劳动;切实改善农业生产条件,适度规模经营,提升劳动生产率和耕地综合生产力;提高耕地经营性经济补贴标准,激励农户稳定从事农业生产的积极性。

[Wang Guogang, Liu Yansui, Chen Yangfen.

Dynamic trends and driving forces of land-use intensification in the cultivated land of China

. Acta Geographica Sinica, 2014, 69(7):907-915.]

https://doi.org/10.11821/dlxb201407003      URL      [本文引用: 2]      摘要

基于“理性小农”、超边际经济学等理论,建立了农户耕地集约利用解释的理论框架。构建了集约利用度指数(CII)和驱动力模型,分析了1996.2008年中国省域的耕地集约利用程度及其影响因素。研究结果表明:我国耕地利用集约度总体大幅度提高,但地域差异明显,初步形成了第一阶梯较高集约度、第二三阶梯较低集约度的空间格局;耕地集约利用的首要贡献来自于化肥、机械、农药等省工性劳动的大量使用,其次是资本投入和劳动力;耕地自然本底条件、耕地经济收益和劳动力生产率,与耕地集约度呈正相关,而耕地非农化效益与耕地利用集约度呈负相关。基于研究结论的政策引申:加强政策引导,科学合理使用非可再生能源等省工性劳动;切实改善农业生产条件,适度规模经营,提升劳动生产率和耕地综合生产力;提高耕地经营性经济补贴标准,激励农户稳定从事农业生产的积极性。
[4] 国土资源部. 2015中国国土资源公报[R/OL]. 2016-04-22.

URL      [本文引用: 1]     

URL      [本文引用: 1]     

[Ministry of Land and Resources. Land and resources bulletin of china in 2015. .]

URL      [本文引用: 1]     

[5] 关兴良, 方创琳, 鲁莎莎.

中国耕地变化的空间格局与重心曲线动态分析

[J]. 自然资源学报, 2010, 25(12):1997-2007.

[本文引用: 1]     

[Guan Xingliang, Fang Chuanglin, Lu Shasha.

Analysis of Spatial Distribution and Gravity Centers Curve Dynamic Cultivated Land Changes in China

. Journal of Natural Resources,2010, 25(12):1997-2007.]

[本文引用: 1]     

[6] Zheng H W, Shen G Q, Wang H et al.

Simulating land use change in urban renewal areas: A case study in Hong Kong

[J]. Habitat International, 2015, 46:23-34.

https://doi.org/10.1016/j.habitatint.2014.10.008      URL      [本文引用: 1]      摘要

A considerable amount of research has been conducted on land use change, as it is extremely helpful when it comes to decision-making and policy formulation. Although land use change in urban renewal areas differs from that in new towns, very little research has focused on urban renewal and even less at the local or district level where most decisions need to be made. This study therefore developed a model for simulating land use change in urban renewal districts by combining the conversion of land use and its effects at small regional extent (CLUE-S) model and the Markov chain prediction model. The Yau Tsim Mong district of Kowloon in Hong Kong was the study area for the simulation, and historical land utilization data from 2000 to 2009 was used to validate the proposed model. By applying the validated model, four future land use scenarios were simulated for 2018 (the baseline scenario, the open space scenario, the residential scenario and the balanced scenario). The results not only indicate the effectiveness of the proposed model but also provide alternatives for future urban renewal based on different policy directions taken in the land use planning process.
[7] 陈永林,谢炳庚,李晓青.

长沙市土地利用格局变化的空间粒度效应

[J].地理科学,2016,36(4):564-570.

URL      [本文引用: 1]      摘要

基于2003年、2006年、2009年及2013年的遥感图像对长沙市土地利用进行分类,在Arc GIS 10.0、ENVI4.8、Fragstats 4.0和Excel 2007软件的支持下,通过上推尺度像元的比例占优法改变空间粒度,从类型水平和景观水平上分析了土地利用格局变化的粒度效应。得出以下结论:1类型水平上,随着粒度的增大,各土地类型的指数呈现出3种变化趋势:增大、减小及无明显规律;随着时间的变化,空间粒度越小,对斑块密度及斑块形状指数变化的影响越明显。空间粒度越大,对斑块结合度和斑块集聚度变化的影响越明显。2景观水平上,随着粒度的增大,蔓延度指数先减小后基本不变;香农多样性指数和香农均匀度指数缓慢减小;随着时间的变化,蔓延度指数呈减小的趋势,香农多样性指数和均匀度指数呈增大的趋势。90 m是本研究中分析空间粒度的最佳值。

[Chen Yonglin, Xie Binggeng, Li Xiaoqing.

Spatial Grain Size Effect on Land Use Pattern Changes in Changsha City

. Scientia Geographica Sinica,2016,36(4):564-570.]

URL      [本文引用: 1]      摘要

基于2003年、2006年、2009年及2013年的遥感图像对长沙市土地利用进行分类,在Arc GIS 10.0、ENVI4.8、Fragstats 4.0和Excel 2007软件的支持下,通过上推尺度像元的比例占优法改变空间粒度,从类型水平和景观水平上分析了土地利用格局变化的粒度效应。得出以下结论:1类型水平上,随着粒度的增大,各土地类型的指数呈现出3种变化趋势:增大、减小及无明显规律;随着时间的变化,空间粒度越小,对斑块密度及斑块形状指数变化的影响越明显。空间粒度越大,对斑块结合度和斑块集聚度变化的影响越明显。2景观水平上,随着粒度的增大,蔓延度指数先减小后基本不变;香农多样性指数和香农均匀度指数缓慢减小;随着时间的变化,蔓延度指数呈减小的趋势,香农多样性指数和均匀度指数呈增大的趋势。90 m是本研究中分析空间粒度的最佳值。
[8] 刘玉,郝星耀,潘瑜春,.

河南省耕地集约利用时空分异及分区研究

[J].地理科学,2014, 34(10):1218-1225.

URL      [本文引用: 1]      摘要

通过构建耕地集约利用评价模型,采用Kernel密度曲线等深入分析1990年、2000年和2010年河南省126个县域的耕地集约利用程度及其时空规律,并采用双重自组织模型进行耕地集约利用分区。结果表明:1县域耕地集约利用度的Kernel密度曲线呈现典型的单峰分布模式,分布曲线由"尖峰形"向"宽峰形"发展并整体向右移动,表明河南省耕地集约利用整体水平上升,县域差异扩大。2耕地集约利用水平空间差异显著,"北高南低"、"东高西低"、"平原区高,山地丘陵区低"的特征明显;大多数县域耕地集约利用度随时间变化稳步提高,但提高水平差异较大;耕地投入强度和耕地产出效率的提升幅度较大,耕地利用强度和可持续性状况提升较慢。3采用双重自组织模型将126个县域划分为东部黄淮平原区、北部平原区、东南丘陵平原区、中南平原区、西部山地丘陵区等5个耕地集约利用区,并提出了相应的发展策略。

[Liu Yu, Hao Xingyao, Pan Yuchun et al.

Evaluating and Zoning of Cultivated Land Intensive Use in Henan Province at County Level

. Scientia Geographica Sinica, 2014, 34(10): 1218-1225.]

URL      [本文引用: 1]      摘要

通过构建耕地集约利用评价模型,采用Kernel密度曲线等深入分析1990年、2000年和2010年河南省126个县域的耕地集约利用程度及其时空规律,并采用双重自组织模型进行耕地集约利用分区。结果表明:1县域耕地集约利用度的Kernel密度曲线呈现典型的单峰分布模式,分布曲线由"尖峰形"向"宽峰形"发展并整体向右移动,表明河南省耕地集约利用整体水平上升,县域差异扩大。2耕地集约利用水平空间差异显著,"北高南低"、"东高西低"、"平原区高,山地丘陵区低"的特征明显;大多数县域耕地集约利用度随时间变化稳步提高,但提高水平差异较大;耕地投入强度和耕地产出效率的提升幅度较大,耕地利用强度和可持续性状况提升较慢。3采用双重自组织模型将126个县域划分为东部黄淮平原区、北部平原区、东南丘陵平原区、中南平原区、西部山地丘陵区等5个耕地集约利用区,并提出了相应的发展策略。
[9] Ye Jingzhong.

Land Transfer and the Pursuit of Agricultural Modernization in China

[J]. Journal of Agrarian Change, 2015, 15(3):314-337.

https://doi.org/10.1111/joac.12117      URL      [本文引用: 1]      摘要

ABSTRACT Agriculture, countryside and peasantry have been priority concerns of the Chinese government, with land and agriculture being the most crucial. With a growing population, less arable land and often relatively low-quality land, Chinese peasant agriculture has been undergoing a form of modernization. While peasants enjoy land-contract rights as a result of the Household Responsibility System (HRS), the state has been promoting transfer of land-use rights in order to promote modern agriculture. This paper seeks to understand recent developments in land and agriculture, particularly exploring the transitions of land and agricultural institutions since 1949 and land transfers since the HRS. In so doing, this paper reveals that the state has been strategically responding to various challenges in order that land institutions and policies are always geared to achieving agricultural modernization. During the state's continual drive for modernizations, particularly agricultural modernization, peasants' livelihood is impacted and needs to be protected.
[10] 关小克,张凤荣,李乐,.

北京市耕地后备资源开发适宜性评价

[J]. 农业工程学报,2010,26(12):304-310.

https://doi.org/10.3969/j.issn.1002-6819.2010.12.052      URL      Magsci      [本文引用: 1]      摘要

根据北京市自然、社会、经济资料及图件资料,在考虑各种影响耕地后备资源开发因素的基础上,结合GIS的空间分析功能,分别从自然适宜性和生态安全性角度构建了北京市耕地后备资源开发评价体系,通过对评价要素的空间叠加、计算,评价北京市耕地后备资源在不同条件下适宜性开发的面积和空间分布情况,并从经济可行性方面探讨北京市耕地后备资源开发的适宜性。结果表明:从自然适宜性评价上来看,北京市耕地后备资源能够开发的面积为 11 675.25 hm2,考虑生态安全因素后,适宜开发且不引起生态退化的耕地后备资源面积为11 221.14 hm2,如纳入经济可行性因素,北京市耕地后备资源全部不适宜开发。综合指数法与限制条件相结合的评价方法能够有效提高评价结果的合理性,评价结果可为北京市土地开发整理政策的制定提供理论参考依据。

[Guan Xiaoke, Zhang Fengrong, Li Le et al.

Suitability evaluation of reserve resources of cultivated land development in Beijing

. Transactions of the Chinese Society of Agricultural Engineering, 2010, 26(12): 304-310.]

https://doi.org/10.3969/j.issn.1002-6819.2010.12.052      URL      Magsci      [本文引用: 1]      摘要

根据北京市自然、社会、经济资料及图件资料,在考虑各种影响耕地后备资源开发因素的基础上,结合GIS的空间分析功能,分别从自然适宜性和生态安全性角度构建了北京市耕地后备资源开发评价体系,通过对评价要素的空间叠加、计算,评价北京市耕地后备资源在不同条件下适宜性开发的面积和空间分布情况,并从经济可行性方面探讨北京市耕地后备资源开发的适宜性。结果表明:从自然适宜性评价上来看,北京市耕地后备资源能够开发的面积为 11 675.25 hm2,考虑生态安全因素后,适宜开发且不引起生态退化的耕地后备资源面积为11 221.14 hm2,如纳入经济可行性因素,北京市耕地后备资源全部不适宜开发。综合指数法与限制条件相结合的评价方法能够有效提高评价结果的合理性,评价结果可为北京市土地开发整理政策的制定提供理论参考依据。
[11] 吴美琼, 陈秀贵.

基于主成分分析法的钦州市耕地面积变化及其驱动力分析

[J]. 地理科学, 2014, 34(1): 54-59.

[本文引用: 1]     

[Wu Meiqiong, Chen Xiugui.

Changes in Arable Land Area in Qinzhou City and Its Driving Force Based on the Principle Component Analysis

. Scientia Geographica Sinica, 2014, 34(1):54-59.]

[本文引用: 1]     

[12] 程国栋. 黑河流域水-生态-经济系统综合管理研究[M]. 北京:科学出版社, 2009.

[本文引用: 3]     

[Cheng Guodong.Integrated study of the water-ecosystem-economy in the Heihe River Basin.Beijing:Science Press, 2009]

[本文引用: 3]     

[13] Zhao R F, Xie Z L, Zhang L H et al.

Accessment of wetland fragmentation in the middle reaches of the Heihe River by the type change tracker model

[J]. Journal of Arid Land,2015, 7(2): 177-188.

https://doi.org/10.1007/s40333-014-0047-z      URL      Magsci      [本文引用: 1]      摘要

The quantitative research of wetland landscape fragmentation in the middle reaches of the Heihe River is important for the protection of the wetland and oasis sustainable development in the Hexi Corridor. Based on the data of remote sensing and GIS, we constructed the type change tracker model with sliding window technique and spatially morphological rule. The suitable scale and optimum scale of the fragmentation model of wetland landscape in the middle reaches of the Heihe River was determined by the area frequency statistics method, Chi-square distribution normalized scale variance, fractal dimension and diversity index. By integrating type change tracker model and the optimum scale with GIS spatial analysis, the spatial distribution characteristics of wetland landscape fragmentation in different periods and spatial-temporal change process were clarified. The results showed that (1) the type change tracker model, analyzing the spatial pattern of wetland fragmentation on the pixel level, is better than the traditional wetland fragmentation analysis on the landscape and patch level; (2) The suitable scale for the wetland fragmentation ranged from 150 m×150 m to 450 m×450 m and the optimum scale was 250 m×250 m in the middle reaches of the Heihe River; and (3) In the past 35 years, the total wetland area decreased 23.2% and the fragmentation of wetland markedly increased in the middle reaches of the Heihe River. The areas of core wetlands reduced 12.8% and the areas of perforated, edge and patch wetlands increased 0.8%, 3.1% and 8.9%, respectively. The process of wetland fragmentation in the research region showed the order of core wetland, perforated or edge wetland, patch wetland or non-wetland. The results of this study would provide a reference for the protection, utilization and restoration of limited wetland resources and for sustainable development of regional eco-environment in the Heihe River Basin.
[14] 赵锐锋, 姜朋辉, 赵海莉, .

土地利用/覆被变化对张掖黑河湿地国家级自然保护区景观破碎化的影响

[J]. 自然资源学报, 2013,(4):583-595.

https://doi.org/10.11849/zrzyxb.2013.04.005      URL      [本文引用: 2]      摘要

在遥感和GIS技术支持下,基于1975—2010年长时间序列遥感影像,结合转移矩阵模型等方法,阐述了张掖黑河湿地国家级自然保护区及其周边区域的土地利用/覆被变化状况。选取斑块密度指数、聚合度、斑块平均面积指数、斑块形状破碎化指数等指标,系统分析了保护区内湿地景观破碎化过程,据此探讨了保护区及其周边区域土地利用/覆被变化对保护区内湿地景观破碎化过程的影响。结果表明:①保护区内及其周边地区的耕地比重分别增加了7.67%和5.5%,湿地比重分别减少了6.91%和0.4%;②保护区内湿地逐渐由研究初期大面积斑块体占主导、空间上连续分布的格局趋于景观破碎化;③区域土地利用/覆被变化直接导致了保护区内湿地平均斑块面积的缩减,间接降低了湿地斑块间的聚合度等;④保护区内湿地景观破碎化对土地利用/覆被变化的响应主要表现为各景观破碎化指数对大规模的耕地开垦等开发活动的响应上。

[Zhao Ruifeng, Jiang Penghui, Zhao Haili et al.

Effect of Land Use/Cover Change on Landscape Fragmentation of Zhangye Heihe National Wetland Nature Reserve

. Journal of Natural Resources, 2013,(4):583-595.]

https://doi.org/10.11849/zrzyxb.2013.04.005      URL      [本文引用: 2]      摘要

在遥感和GIS技术支持下,基于1975—2010年长时间序列遥感影像,结合转移矩阵模型等方法,阐述了张掖黑河湿地国家级自然保护区及其周边区域的土地利用/覆被变化状况。选取斑块密度指数、聚合度、斑块平均面积指数、斑块形状破碎化指数等指标,系统分析了保护区内湿地景观破碎化过程,据此探讨了保护区及其周边区域土地利用/覆被变化对保护区内湿地景观破碎化过程的影响。结果表明:①保护区内及其周边地区的耕地比重分别增加了7.67%和5.5%,湿地比重分别减少了6.91%和0.4%;②保护区内湿地逐渐由研究初期大面积斑块体占主导、空间上连续分布的格局趋于景观破碎化;③区域土地利用/覆被变化直接导致了保护区内湿地平均斑块面积的缩减,间接降低了湿地斑块间的聚合度等;④保护区内湿地景观破碎化对土地利用/覆被变化的响应主要表现为各景观破碎化指数对大规模的耕地开垦等开发活动的响应上。
[15] 甘肃农村年鉴编委会. 甘肃农村年鉴[M]. 北京: 中国统计出版社, 1990-2010.

[本文引用: 1]     

[Editorial Committee of Gansu Rural Yearbook. Gansu Rural Yearbook. Beijing: China Statistics Press, 1990-2010.]

[本文引用: 1]     

[16] 黄勇, 王凤友, 蔡体久, .

环渤海地区景观格局动态变化轨迹分析

[J]. 水土保持学报, 2015, 29(2):314-320.

https://doi.org/10.13870/j.cnki.stbcxb.2015.02.059      URL      [本文引用: 1]      摘要

对变化轨迹的目标、特征等进行了总结、归纳,提出变化轨迹斑块的意义,通过轨迹斑块将复杂的时空动态现象用二维图谱表示出来.同时,基于变化轨迹方法,对环渤海地区土地覆盖时空动态变化进行分析,并选取占所有发生变化面积91.25%的30种主要的变化轨迹,生成变化轨迹空间分布图谱,并结合格局指数进行分析.结果表明,(1)“耕地”属于人类干扰最为剧烈的地类,其变化主要表现在耕地的流失上;(2)“耕地”向“人工表面”的转换是研究区最大的变化类型,其中2005-2010年变化面积远大于2000-2005年,占用耕地进行开发建设现象更加严重;(3)“海域”向“人工表面”的转换主要发生在2005-2010年间,主要由人工围填海造成;(4)湿地面积总体上变化不大,但其转入、转出比例均较大,证明湿地内部变化剧烈,湿地的破坏和人工湿地的补充同时进行;(5)研究区内主要变化轨迹类型大都来源于人类的开发利用活动,人类干扰起了至关重要的作用.研究结果为研究区景观格局提供了清晰的时空动态刻画与分析,为有关部门在土地合理利用、耕地和生态用地保护等方面提供了基础数据和理论支撑.

[Huang Yong, Wang Fengyou, Cai Tijiu et al.

Landscape Pattern Dynamic Analysis Based on Change Trajectory Method in Bohai Rim Area

. Journal of Soil and Water Conservation, 2015, 29(2):314-320.]

https://doi.org/10.13870/j.cnki.stbcxb.2015.02.059      URL      [本文引用: 1]      摘要

对变化轨迹的目标、特征等进行了总结、归纳,提出变化轨迹斑块的意义,通过轨迹斑块将复杂的时空动态现象用二维图谱表示出来.同时,基于变化轨迹方法,对环渤海地区土地覆盖时空动态变化进行分析,并选取占所有发生变化面积91.25%的30种主要的变化轨迹,生成变化轨迹空间分布图谱,并结合格局指数进行分析.结果表明,(1)“耕地”属于人类干扰最为剧烈的地类,其变化主要表现在耕地的流失上;(2)“耕地”向“人工表面”的转换是研究区最大的变化类型,其中2005-2010年变化面积远大于2000-2005年,占用耕地进行开发建设现象更加严重;(3)“海域”向“人工表面”的转换主要发生在2005-2010年间,主要由人工围填海造成;(4)湿地面积总体上变化不大,但其转入、转出比例均较大,证明湿地内部变化剧烈,湿地的破坏和人工湿地的补充同时进行;(5)研究区内主要变化轨迹类型大都来源于人类的开发利用活动,人类干扰起了至关重要的作用.研究结果为研究区景观格局提供了清晰的时空动态刻画与分析,为有关部门在土地合理利用、耕地和生态用地保护等方面提供了基础数据和理论支撑.
[17] 刘桂林, 艾里西尔·库尔班,玉米提·哈力克,等.

基于变化轨迹探测的植被景观格局动态分析

[J]. 中国沙漠, 2012, 32(5):1-7.

[本文引用: 1]     

[Liu Guilin, Alishir Knrhan, Umnt Halik et al.

Analysis of Vegetation Landscape Pattern Dynamics Based on Trajectory Change Detection

. Journal of Desert Research, 2012, 32(5):1-7.]

[本文引用: 1]     

[18] Sun B, Zhou Q.

Expressing the spatio-temporal pattern of farmland change in arid lands using landscape metrics

[J]. Journal of Arid Environments, 2016, 124:118-127.

https://doi.org/10.1016/j.jaridenv.2015.08.007      URL      [本文引用: 2]      摘要

Identifying, recording and monitoring land cover change on the Earth's surface is a complex procedure. Spatio-temporal modelling is an effective approach to simplifying and simulating the process. Existing spatio-temporal modelling methods are typically based on either, an overlay of multi-temporal land cover maps, or temporal trend analysis of spatial pattern indices. Consequently, an understanding of the spatial dynamics of any changes is either fragmental in the former case, or invisible in the latter case, due to the lack of adequate geographical location information.In the arid zone of western China, a widely accepted belief is that rapid farmland expansion and the subsequent abandonment of the farms, or their mis-management, would lead to soil salinisation and desertification. In order to better understand the spatio-temporal pattern of farmland change, this paper proposes an integrated approach that combines the two methods of pixel-based trajectory analysis and class-level spatial pattern metrics. Multi-temporal remote sensing images were collected beginning in 1994, a year that captured the initial effects of the period of rapid farmland expansion. Historical change trajectories were established for each pixel and categorized according to change types (i.e. expanding or shrinking). The spatial dynamics of farmland change can then be illustrated by mapping the change trajectory classes. Spatial patterns of farmland change were quantified by employing distribution-related landscape metrics, such as indices of interspersion (IJI), connectivity (COHESION) and isolation (ENN), to analyse farmland development models of the two river basins in the study area. Shape indices, including overall shape (nLSI) and edge shape (FRAC), were applied to appraise the structural stability of the farmlands over time. Results indicate that, over the past two decades, the area subject to farmland expansion was significantly larger than that experiencing farmland abandonment. The relatively rapid expansion of farmland exhibited a concentrated pattern, and generally followed a layer-based development model. The study showed that the proposed research method effectively visualized and quantified the spatio-temporal dynamics of farmland change.
[19] 王惠文, 吴载斌, 孟洁. 偏最小二乘回归的线性与非线性方法[M]. 北京:国防工业出版社, 2006.

[本文引用: 1]     

[Wang Huiwen, Wu Zaibin, Meng Jie.Prtial Last Suares Rgression-Linear and Nnlinear Mthods. Beijing:National Defence Industry Press, 2006.]

[本文引用: 1]     

[20] Zhang Y, Li C H, Wang T W et al.

County-level patterns of cropland and their relationships with socio-economic factors in northwestern China

[J]. Agriculture, Ecosystems and Environment, 2014, 203(1):11-18.

https://doi.org/10.1016/j.agee.2014.11.016      URL      [本文引用: 1]      摘要

Over the last several decades, the distribution of cropland in China changed as a result of nationwide urbanization, continuous economic development and rapid population growth. Patterns of cropland and the driving factors that have caused changes in those patterns differ substantially among regions. Therefore, landscape classification should be combined with an analysis of the factors that cause land-use change, especially in large areas with complex natural and socio-economic conditions. The study described here was performed in Xinjiang, a typical arid region in northwestern China. After considering the percentage of cropland, the population density and the proportion of the population that practice animal husbandry in 2008, six types of cropland patterns and attributes (TCPAs) were identified using hierarchical clustering analysis. Partial least squares regression (PLSR) models were then developed to determine the main socio-economic indicators for cropland change from 1988 to 2008 within each TCPA. The results indicated that all selected factors were significantly strong drivers of cropland change in the study area. The total power of agricultural machinery, the gross output value of agricultural products and the consumption of chemical fertilizer occurred most frequently in the six PLSR models. However, the population density of minority nationalities, the agricultural population density, the gross output value of forestry and animal husbandry products, and the oil-bearing crops yield were each identified as strong factors only once in the six models. Each variable also had different effects in each of the six groups, and significant differences existed in the composition of the main factors between the groups. The PLSR model partially eliminated co-dependency between variables and facilitated a more unbiased view of the relationships between socio-economic factors and changes in cropland. The approach used here, which combined landscape classification based on related attributes with PLSR models, has important applications in sustainable land-use management, biodiversity conservation, and agricultural land protection.
[21] 李传哲, 于福亮, 刘佳.

分水后黑河干流中游地区景观动态变化及驱动力

[J]. 生态学报, 2009, 29(11):5832-5842.

https://doi.org/10.3321/j.issn:1000-0933.2009.11.011      URL      [本文引用: 1]      摘要

综合利用GIS、RS技术和景观生态学方法,分析了黑河干流中游地区1985—2005年,尤其是黑河干流水量统一调度实施后(即2000年以后)的景观动态变化及驱动机制。结果表明:(1)研究区景观发生了较大变化,1985~2000年,耕地、林地、城乡工矿居民用地逐渐增加,而草地、水域、未利用土地不断减少;2000—2005年耕地、城乡工矿居民用地逐渐增加,而草地、林地、水域、未利用土地不断减少。(2)在类型水平上,分水后,耕地和城乡工矿居民用地呈连片趋势发展,破碎度降低,形状更为规则,空间连接性增强;林地、草地、水域和未利用土地破碎度增加,分布更为分散,连通性和优势度降低。(3)在景观水平上,分水后,研究区景观多样性水平提高,异质性在增加,破碎化程度越来越大,景观中斑块空间连接性下降,优势度在减少,斑块类型在景观中趋于均匀分布,土地利用向着多样化和均匀化方向发展。(4)研究区景观变化的驱动力主要包括人口增长、经济社会发展,2000年以后,可利用水量的约束直接影响着研究区的景观变化。

[Li Chuanzhe, Yu Fuliang, Liu Jia.

Dynamic change of land scape and its driving forces in mid stream of Heihe main stream basin after water redistribution

. Acta Ecologica Sinica. 2009, 29(11):5832-5842.]

https://doi.org/10.3321/j.issn:1000-0933.2009.11.011      URL      [本文引用: 1]      摘要

综合利用GIS、RS技术和景观生态学方法,分析了黑河干流中游地区1985—2005年,尤其是黑河干流水量统一调度实施后(即2000年以后)的景观动态变化及驱动机制。结果表明:(1)研究区景观发生了较大变化,1985~2000年,耕地、林地、城乡工矿居民用地逐渐增加,而草地、水域、未利用土地不断减少;2000—2005年耕地、城乡工矿居民用地逐渐增加,而草地、林地、水域、未利用土地不断减少。(2)在类型水平上,分水后,耕地和城乡工矿居民用地呈连片趋势发展,破碎度降低,形状更为规则,空间连接性增强;林地、草地、水域和未利用土地破碎度增加,分布更为分散,连通性和优势度降低。(3)在景观水平上,分水后,研究区景观多样性水平提高,异质性在增加,破碎化程度越来越大,景观中斑块空间连接性下降,优势度在减少,斑块类型在景观中趋于均匀分布,土地利用向着多样化和均匀化方向发展。(4)研究区景观变化的驱动力主要包括人口增长、经济社会发展,2000年以后,可利用水量的约束直接影响着研究区的景观变化。
[22] 卫玲, 戴江伟.

丝绸之路经济带中国段集聚现象透视——基于城市位序-规模分布的研究

[J]. 兰州大学学报:社会科学版, 2015, 43(2):1-7.

[本文引用: 1]     

[Wei Ling, Dai Jiangwei.

Agglomeration Effect of the Silk Road Economic Belt in China—Based on the Research of Urban Order-Size Distributions

. Journal of Lanzhou University (Social sciences), 2015, 43(2):1-8.]

[本文引用: 1]     

[23] 马晴, 李丁, 廖杰, .

疏勒河中下游绿洲土地利用变化及其驱动力分析

[J].经济地理, 2014, 34(1):148-156.

[本文引用: 3]     

[Ma Qing, Li Ding, Liao Jie et al.

Analysis of Land Use Change and Its Driving Forces in the Oasis of Shule River Middle and Lower Reaches

. Economic Geography, 2014, 34(1):148-156.]

[本文引用: 3]     

[24] 汪桂生.

黑河流域历史时期垦殖绿洲时空变化与驱动机制研究

[D]. 兰州:兰州大学. 2014.

[本文引用: 2]     

[Wang Guisheng.

Spatial-temporal Change and Driving Mechanism of the Cultivated Oasis in the Heihe River Basin during Historical Periods

. Lanzhou:Lanzhou University.2014.]

[本文引用: 2]     

[25] 朱会义, 李义.

西北干旱区耕地扩张原因的实证分析

[J]. 地理科学进展, 2011, 30(5):615-620.

https://doi.org/10.11820/dlkxjz.2011.05.014      URL      Magsci      [本文引用: 1]      摘要

近10 余年来,在全国耕地面积持续减少的背景下,西北干旱区的耕地面积却明显增加。区域耕地的这一逆向变化,不仅改变了中国的耕地分布格局,同时也加剧了西北干旱区的水资源冲突和荒漠化进程。现有研究中,西北干旱区的耕地扩张往往被理解为区域人口增长、技术进步、政策激励的结果,但这些认识主要来自于统计相关分析和经验判断,还缺乏必要的实证研究。本文以西北干旱区的核心区——新疆维吾尔族自治区为典型区,利用统计资料和调查数据,对现有认识进行实证分析。结果表明,农业技术进步和政策激励确实对区域耕地扩张产生了明显的影响,而区域人口增长导致食物需求上升则并非区耕地扩张的主要原因。区域耕地扩张的主要原因在于棉花等具有比较效益的农产品生产规模的扩大,而具有比较效益的农产品生产规模扩大则是农业经营主体追求规模效益的结果。

[Zhu Huiyi, Li Yi.

An Empirical Analysis of the Causes of Farmland Expansion in Northwest China

. Progress in Geography, 2011, 30(5):615-620.]

https://doi.org/10.11820/dlkxjz.2011.05.014      URL      Magsci      [本文引用: 1]      摘要

近10 余年来,在全国耕地面积持续减少的背景下,西北干旱区的耕地面积却明显增加。区域耕地的这一逆向变化,不仅改变了中国的耕地分布格局,同时也加剧了西北干旱区的水资源冲突和荒漠化进程。现有研究中,西北干旱区的耕地扩张往往被理解为区域人口增长、技术进步、政策激励的结果,但这些认识主要来自于统计相关分析和经验判断,还缺乏必要的实证研究。本文以西北干旱区的核心区——新疆维吾尔族自治区为典型区,利用统计资料和调查数据,对现有认识进行实证分析。结果表明,农业技术进步和政策激励确实对区域耕地扩张产生了明显的影响,而区域人口增长导致食物需求上升则并非区耕地扩张的主要原因。区域耕地扩张的主要原因在于棉花等具有比较效益的农产品生产规模的扩大,而具有比较效益的农产品生产规模扩大则是农业经营主体追求规模效益的结果。
[26] 张乐勤, 陈发奎.

基于Logistic模型的中国城镇化演进对耕地影响前景预测及分析

[J]. 农业工程学报, 2014, 30(4):1-12.

https://doi.org/10.3969/j.issn.1002-6819.2014.04.001      URL      Magsci      [本文引用: 1]      摘要

为揭示中国城镇化演进对耕地影响,该文基于Logistic模型对此进行了探索。运用SPSS软件及1978-2011年中国城镇化水平数据,采用曲线回归的拟合优度最大估算方法,对中国城镇化水平饱和值进行了估算,并构建了刻画中国城镇化演进的Logistic模型,据此模型对中国城镇化未来发展水平进行了预测;运用STRIPAT(stochastic impacts by regression on population, affluence and technology)模型及1996-2011年中国经济社会发展相关数据,借助SPSS软件,采用偏最小二乘回归方法,揭示了城镇化进程及人口、经济发展水平、技术因素对耕地变化的边际贡献;依据中国未来城镇化演进趋势及城镇化对耕地边际影响,测算了中国未来城镇化演进对耕地影响,结果表明:中国城镇化水平饱和值为83%;2020年、2030年中国城镇化水平将分别达到57.68%、65.73%,2020年前,城镇化年平均增速为0.97个百分点,2020-2030年,年平均增速为0.81个百分点;城镇化对耕地变化的边际弹性系数为?0.007391,人口、经济发展水平、技术因素对耕地变化的边际弹性系数分别为?0.007133、?0.009343、?0.002952;2012-2020年,城镇化演进将导致耕地面积净减少13.81万hm2,年均减少1.53万hm2,2020-2030年,净减少10.87万hm2,年均减少1.09万hm2。基于研究结果,适度把握城镇化发展速度,注重城镇化发展质量;科学编制分年度土地供应计划,采取差别化土地供应策略;摒弃土地财政错误理念,严格执行国家耕地保护的各项政策,严控房地产及低水平或重复生产项目用地;严肃查处土地利用违规行为,强化土地监管等方面提出了政策建议。研究结果可为管理层把握城镇化适度发展速度、节奏,科学编制土地供应计划及制定耕地保护政策提供参考,也可为省域尺度的同类研究提供方法借鉴。

[Zhang Leqin, Chen Fakui.

Analysis and forecast on prospect about influence of urbanization gradual progress on cultivated land in China based on Logistic mode

. Transactions of the Chinese Society of Agricultural Engineering, 2014, 30(4):1-12.]

https://doi.org/10.3969/j.issn.1002-6819.2014.04.001      URL      Magsci      [本文引用: 1]      摘要

为揭示中国城镇化演进对耕地影响,该文基于Logistic模型对此进行了探索。运用SPSS软件及1978-2011年中国城镇化水平数据,采用曲线回归的拟合优度最大估算方法,对中国城镇化水平饱和值进行了估算,并构建了刻画中国城镇化演进的Logistic模型,据此模型对中国城镇化未来发展水平进行了预测;运用STRIPAT(stochastic impacts by regression on population, affluence and technology)模型及1996-2011年中国经济社会发展相关数据,借助SPSS软件,采用偏最小二乘回归方法,揭示了城镇化进程及人口、经济发展水平、技术因素对耕地变化的边际贡献;依据中国未来城镇化演进趋势及城镇化对耕地边际影响,测算了中国未来城镇化演进对耕地影响,结果表明:中国城镇化水平饱和值为83%;2020年、2030年中国城镇化水平将分别达到57.68%、65.73%,2020年前,城镇化年平均增速为0.97个百分点,2020-2030年,年平均增速为0.81个百分点;城镇化对耕地变化的边际弹性系数为?0.007391,人口、经济发展水平、技术因素对耕地变化的边际弹性系数分别为?0.007133、?0.009343、?0.002952;2012-2020年,城镇化演进将导致耕地面积净减少13.81万hm2,年均减少1.53万hm2,2020-2030年,净减少10.87万hm2,年均减少1.09万hm2。基于研究结果,适度把握城镇化发展速度,注重城镇化发展质量;科学编制分年度土地供应计划,采取差别化土地供应策略;摒弃土地财政错误理念,严格执行国家耕地保护的各项政策,严控房地产及低水平或重复生产项目用地;严肃查处土地利用违规行为,强化土地监管等方面提出了政策建议。研究结果可为管理层把握城镇化适度发展速度、节奏,科学编制土地供应计划及制定耕地保护政策提供参考,也可为省域尺度的同类研究提供方法借鉴。
[27] 邬建国. 景观生态学——格局、过程、尺度与等级[M]. 北京:高等教育出版社, 2007.

[本文引用: 1]     

[Wu Jianguo. Landscape Ecology Pattern, Process, Scand, Hierarchy. Beijing: Higher Education Press, 2007.]

[本文引用: 1]     

[28] 李均力, 姜亮亮, 包安明, .

1962~2010年玛纳斯流域耕地景观的时空变化分析

[J]. 农业工程学报, 2015, 31(4):277-285.

URL      Magsci      [本文引用: 1]      摘要

为分析近几十年来玛纳斯流域水资源开发密集开发条件下耕地景观的时空变化,采用1962年、1977年、1989年、2000年和2010年5期遥感影像进行土地利用制图,并针对耕地信息,分别从时间变化过程、类型转化关系、空间格局等方面分析了近50 a来面积变化的时空特征,从气候变化与灌区建设的角度探讨了水资源空间配置与耕地扩张的关系。结果表明:1)近50 a来耕地和建设用地面积持续增加,未利用地、湿地和冰川雪地持续减少,草地在前20年增加、后30年减少;土地利用的变化程度总体上由剧烈逐渐趋于缓和;2)整体上耕地的变化由双向转化期逐渐过渡到单向转入期,草地和未利用地为各期主要转入类型,建设用地和草地为主要转出类型,各期的转入面积远大于转出面积,耕地总面积持续、快速增长。3)耕地扩张的重心由城市周边转向荒漠地区、由上游地区逐渐转移到下游,先后在昌吉、呼图壁、沙湾县、主要河流两岸及北部荒漠地区扩张,耕地景观也由杂乱破碎转的斑块转为成片连续的耕地带,耕地在景观中的优势进一步加强。4)耕地面积的扩张与降水和河川径流量的增加有关,耕地的扩张速度与方向与水库的空间分布及建成时间有明显的相关性,水库及灌渠建成的后一个时段往往会伴随一轮耕地的快速扩张。流域内水资源开发的潜力不足,已不能满足耕地的大规模扩张。适当控制耕地规模、优化用水结构、提高水资源利用效率,是集约化农业发展、生态环境保护的关键。

[Li Junli, Jiang Liangliang, Bao Anming et al.

Spatio-temporal change analysis of cultivated land in Manas drainage basin during 1962-2010

. Transactions of the Chinese Society of Agricultural Engineering, 2015, 31(4):277-285.]

URL      Magsci      [本文引用: 1]      摘要

为分析近几十年来玛纳斯流域水资源开发密集开发条件下耕地景观的时空变化,采用1962年、1977年、1989年、2000年和2010年5期遥感影像进行土地利用制图,并针对耕地信息,分别从时间变化过程、类型转化关系、空间格局等方面分析了近50 a来面积变化的时空特征,从气候变化与灌区建设的角度探讨了水资源空间配置与耕地扩张的关系。结果表明:1)近50 a来耕地和建设用地面积持续增加,未利用地、湿地和冰川雪地持续减少,草地在前20年增加、后30年减少;土地利用的变化程度总体上由剧烈逐渐趋于缓和;2)整体上耕地的变化由双向转化期逐渐过渡到单向转入期,草地和未利用地为各期主要转入类型,建设用地和草地为主要转出类型,各期的转入面积远大于转出面积,耕地总面积持续、快速增长。3)耕地扩张的重心由城市周边转向荒漠地区、由上游地区逐渐转移到下游,先后在昌吉、呼图壁、沙湾县、主要河流两岸及北部荒漠地区扩张,耕地景观也由杂乱破碎转的斑块转为成片连续的耕地带,耕地在景观中的优势进一步加强。4)耕地面积的扩张与降水和河川径流量的增加有关,耕地的扩张速度与方向与水库的空间分布及建成时间有明显的相关性,水库及灌渠建成的后一个时段往往会伴随一轮耕地的快速扩张。流域内水资源开发的潜力不足,已不能满足耕地的大规模扩张。适当控制耕地规模、优化用水结构、提高水资源利用效率,是集约化农业发展、生态环境保护的关键。
[29] 谢余初,张影,钱大文,.

基于参与式调查与主成分分析的金塔绿洲变化驱动力分析

[J].地理科学,2016,36(2):312-320.

[本文引用: 1]     

[Xie Yuchu, Zhang Ying, Qian Dawen et al.

Driving Forces of Jinta Oasis Changes Based on Participatory Rural Appraisal and Principal Component Analysis

. Scientia Geographica Sinica,2016,36(2):312-320.]

[本文引用: 1]     

[30] 甘肃省人民政府.

甘肃省生态保护与建设规划(2014~2020年)

[S]. 2015-4-14..

URL      [本文引用: 1]     

[People’s Government of Gansu Province.

Ecological protection and construction planning in Gansu Province(2014-2020)

. 2015-4-14..]

URL      [本文引用: 1]     

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