（土壤学专业论文）盘锦市土地利用时空变化研究及驱动力分析.pdf

沈阳农业大学硕上学位论文 摘要 土地利用土地覆盖变化是目前人们关注的热点问题，考虑到这种变化 对其它全球环境变化和可持续发展问题的重要性，土地利用土地覆盖变化 已被列为“国际地圈和生物圈计划”的核心项目。由于自然因素与人文社会 经济的影响，土地利用以及土地资源的质量不断发生变化，从而影响区域生 态环境和全球的变化。因此，区域土地利用变化过程、规律以及驱动因素的 分析研究，也是调控人类行为的科学决策依据。人类社会经济的持续发展是 建立在资源，尤其是土地资源的可持续利用、土地利用结构的优化组合的良 性循环基础上的，否则人类社会经济是不可能持续发展的。 本文选取辽宁省盘锦市为研究区域，在g i s 技术的支持下，以县区级行 政单元为数据统计单元，从土地资源利用时空动态变化入手，依据土地利用 动态变化模型，全面分析了1 9 8 8 2 0 0 3 年间土地利用变化的数量、方式、强 度、结构和趋势等，指出本区土地利用变化规律，进而分析了引起土地利用 变化的驱动力因素，然后以土地利用类型变化规律为依据，建立了土地利用 动态预测模型g m ( 1 ，1 ) ，预测未来发展态势，探讨有利于盘锦市可持续发展 的土地利用方式，为该区域土地利用未来的发展方向和相应政策的制定提供 决策依据。主要结论如下： ( 1 ) 盘锦市综合土地利用年变化率为o 3 2 ，其中除牧草地和未利用地 面积减少外，其他土地利用类型面积都在增加。增速最快的是林地面积，年 变化率为5 8 7 ，其次是交通用地和居民点及工矿用地，分别是1 7 6 ， o 。7 5 。再次是园地和耕地，水域的年变化率最小，仅有o 。1 6 。 ( 2 ) 盘锦地区土地利用结构发生较大变化的同时，存在较明显的地域 差异。双台子区、兴隆台区土地利用结构变化大于全市平均水平，大洼县略 高于全市平均水平，盘山县低于全市平均水平。 ( 3 ) 1 9 8 8 年，土地利用程度最大的是双台子区l = 2 9 5 0 1 5 ，远高于全 中文摘要 市平均土地利用程度；土地利用程度最小的是盘山县l = 2 4 3 8 6 1 ，稍低于全 市平均水平。这一格局到2 0 0 3 年也没有改变。1 5 年来全市r ( 土地利用程度 变化率) o ，说明该市土地利用处于发展期。其中双台子区土地利用程度变 化率最大，土地利用程度有较大变化，处于较快的发展时期，其次是大洼县 和兴隆台区。变化率最小的盘山县只有0 7 3 ，远低于全市平均水平2 9 3 ， 土地利用变化程度很低。 ( 4 ) 盘锦市土地利用数量变化除林地和牧草地外，区域差异并不明显。 这也反映出各地区在土地利用方面发展相对一致性。 ( 5 ) 经济发展、人口、生产效益、政策等因素，构成盘锦市土地利用 变化驱动力主体。 ( 6 ) 根据建立的数学模型预测，盘锦市耕地、园地和未利用地面积在 今后一段时期将仍呈减少趋势，其他土地类型面积比重将不断增加。尤其是 耕地和居民点及工矿用地的减少和增加幅度将越来越大。 关键词：盘锦市：土地利用；时空变化；驱动力 沈阳农业大学硕十学位论文 刖茜 当今世界、人e l 剧增，资源匮乏，环境污染和生态破坏等问题日益突出， 因此，全球变化研究成为近来年国际上最为活跃的研究领域之一。在全球变 化问题中，土地利用变化土地覆盖变化( l a n du s e c o v e rc h a n g e 简称l u c c ) 成为全球环境变化研究的核心领域( 李秀彬，1 9 9 6 ) 。其原因有二( t u r n e r 等，1 9 9 5 ) ：首先，土地利用土地覆盖变化是引起其它全球变化问题的主要 原因，因而在全球环境变化和可持续发展研究中占有重要地位；其次，地球 系统科学、全球环境交化以及可持续发展涉及到自然和人文多方面的问题， 而在全球环境变化问题中，土地利用土地覆盖变化可以说是自然与人文过 程交叉最为密切的问题。因而隶属于“国际科学联合会( i c s u ) ”的国际地圈生 物圈计划( i g b p ) 和隶属于“国际社会科学联合会( i s s c ) ”的人文因素计划 ( i h d p ) ，希望以此为突破口，推动全球问题的综合研究。 土地是人类赖以生存和社会赖以发展的重要资源基础。土地资源的利用 及其覆盖特征不仅影响社会经济的持续发展，而且还间接影响全球环境的变 化。士地利用的动态变化，其实质是人类为满足社会经济发展需要，不断调 配各种土地利用的过程，反映了人类利用土地进行生产、生活活动的发展趋 势。我国3 0 以上的县入均耕地面积低于联合国粮农组织制定的0 0 5 3 h m 2 的 警戒线；耕地退化，人多地少的矛盾尤为突出：同时在人口不断增加的情况 下，每年城镇建设用地等非农业用地占用耕地数以百万亩计。研究土地利用 的动态变化，有助于了解土地利用变化的原因和机制，同时通过调整人类社 会的经济活动，促使土地利用更趋合理，从而达到土地资源可持续利用的目 的。 一、土地利用与土地覆盖的概念 土地利用是人类根据土地的特点，按一定的经济与社会目的，采取系 列技术手段，对土地进行长期性的经营活动。它是一个把土地的自然生态系 前言 统变为人工生态系统的过程。土地利用反映了土地的使用状况和土地的社会 经济属性。 土地覆盖是指地球陆地表层的自然属性和物理特性，表现在地表以植被 为主的覆盖物的自然类型和状态( 王秀兰等，1 9 9 9 ) 。土地覆盖变化牵涉到大 量其他的陆地表层物质循环与生命过程( 刘纪远，1 9 9 7 1 。 土地利用变化包括土地资源的数量、质量与土地利用结构随时间的变 化，也包括土地利用的空间结构变化及土地利用类型组合方式的变化( 王秀 兰，包玉海，1 9 9 9 ) 。土地利用变化可引起许多自然现象和生态过程的变化。 与土地覆盖相比，土地利用更多的指人类对土地的使用状况、使用方式 及土地的社会、经济属性。土地覆盖和土地利用构成了土地的两种属性( 双 重属性) 。土地覆盖变化包括生物多样性、现实和潜在的生产力、土壤质量 以及径流和沉积速度中的种种变化。由于当代的土地覆盖变化主要是人类对 土地的利用造成的，所以认识土地利用变化是了解土地覆盖变化的首要条 件。土地利用既包括土地生物物理特点的利用方式，也包括隐藏在控制土地 生物物理特点之下的意图，即利用土地的目的( 王秀兰等，1 9 9 9 ) 。 二、土地利用变化研究的内容 ( ) 五个框架问题和三个研究焦点 自1 9 9 0 年起，隶属于“国际科学联合会( i c s u ) ”的i g b p 和隶属于“国际社 会科学联合会( i s s c ) ”的i h d p 积极筹划全球性综合研究计划，于1 9 9 5 年共 同拟定并发表了土地利用土地覆盖变化科学研究计划，将其列为核心 研究计划( 李秀彬1 9 9 6 ) ，并于1 9 9 6 年1 月2 8 日至2 月2 日在荷兰举行了 有关土地利用土地覆盖变化的国际会议。在这次会议上提出了五个关于土 地利用土地覆盖的五个框架问题( 王秀兰等，1 9 9 9 ) 及三个焦点( 陈佑启等， 2 0 0 1 ) 。 五个框架问题为： 沈阳农业大学碗上学位论文 ( 1 ) 过去的3 0 0 年中人类的活动是如何改变土地覆盖的? ( 2 ) 在不同历史阶段、不同地理单元，土地利用变化的主要人文因素是 什么? ( 3 ) 在今后5 0 年l o o 年中土地利用变化将如何影响土地覆盖? ( 4 ) 直接的人文和生物物理过程是如何影响特定土地利用类型的承载力 的? ( 5 ) 气候和全球生物地球化学作用怎样影响土地利用和土地覆盖? 反之 又如何? 三个焦点分别为： 焦点1 ：土地利用动态变化典型对比分析研究 焦点2 ：土地覆盖动态变化直接观察和诊断模型 焦点3 ：区域的与全球的模式综合评价的框架 ( 二) 土地利用变化研究的关键性领域 一是土地利用变化的过程与动力机制研究，主要是对城乡作用机制、区 域土地利用变化过程中水资源约束机制以及全球粮食生产与粮食安全的研 究；二是土地利用类型与区域问题的研究，特别是对热点地区、脆弱区的研 究；三是区域或全球性空间统计模型研究，以便能更准确地模拟土地利用变 化的速率、空间类型、过程、未来的发展趋势和变化的主要动因；四是遥感 技术和地理信息系统等先进技术在土地利用变化研究中的应用；五是土地利 用变化的可持续性研究，主要包括土地利用类型与结构的持续性、土地利用 方式的可持续性、土地利用变化过程的板结性以及实现可持续土地利用的对 策与途径( 陈佑启，2 0 0 1 ) 。 ( 三) 研究重点 土地利用土地覆盖变化的机制对解释土地覆盖的时空变化和建立土地 覆盖变化的预测模型起关键，是整个全球环境变化研究计划对土地利用土 前吾 地覆盖变化项目的要求，也是l u c c 研究的重点。进行土地利用土地覆盖变 化机制研究，现在主要是通过遥感图像分析和监测资料，通过区域性案例的 研究，了解过去不同时段城市土地覆盖的空间变化过程，并将其与改变土地 利用方式的自然和经济主要驱动因子联系起来，建立解释土地覆盖时空变化 的经验模型。再结合土地利用的地面调查，建立区域性的驱动因子一土地利 用土地覆盖变化的诊断模型( 史培军，2 0 0 0 ) 。 综合以上五个框架问题以及三个研究焦点，土地利用变化的人文驱动 力、土地利用动态变化过程、发展趋势及环境影响评价的研究占有重要的地 位，也构成了土地利用变化研究的主要内容。 三、土地利用变化研究的国内外相关进展 ( 一) 国外研究相关进展 自2 0 世纪6 0 年代起，人类开始有能力获取对地观测的遥感数据，特别是 8 0 年代以来，美国、日本和欧洲空间局相继提出了对地观测计划( e o s ) ，使 人类对地球表层的理解推进到一个崭新的阶段( 布和敖斯尔，刘纪远，1 9 9 7 ) 。 在遥感技术的支持下，全球变化研究中的陆地表层空间特征和地表演化现代 过程研究，由于得到了时空序列完整的数据支持而进入了参数化、定量化研 究阶段，过去的点源数据和路线调查数据在空间仿真模型的支持下得以空间 化，可构成完整的人文、经济、气候、水文和陆地景观的空间信息系统，并 可在时间上恢复和重建有数据以来的现代过程。i g b p ，i h d p 等全球变化研究 国际组织以l k m 网格全球数据库为背景，相继提出了数据信息系统( d i s ) 计 划，使全球规模的土地利用土地覆盖变化研究进一步推进到土地利用土地 覆盖变化动力学、机理以及全球和区域模型的研究。 联合国粮农组织( f a o ) 、联合国环境署亚太地区环境评价计划( u n e p e a p a p ) 、气候变化政府间工作委员会( i p c c ) 等都确立了与“土地利用土地覆 盖变化”的科学研究计划相应的研究项目；一些国家和地区，如美国、日本、 4 沈用农业大学硕士学位论文 欧洲共同体( 荷兰、奥地利等国) 等也都分别建立了不同层次的土地利用土 地覆盖变化研究项目。如国际应用系统研究所( i i a s a ) 于1 9 9 5 年启动了“欧 洲和北亚土地利用土地覆盖变化模拟”的3 年期项目，旨在分析1 9 0 0 一1 9 9 0 年欧洲和北亚地区土地利用土地覆盖变化的空间特征、时间动态和环境效 应，并预测在全球、人口、经济、技术、社会及政治等因素变化的背景下、 该区域未来5 0 年土地利用土地覆盖的变化趋势，为制定相关对策服务。此 外，国际地理联合会( i c u ) 也开展了土地利用与土地覆盖变化研究项目。美 国的l u c c 研究主要集中在对全球与区域性土地覆盖变化的监测、土地覆盖 ( 主要是森林) 变化与温室气体释放及减少温室气体的研究。日本在曰本环 境署支持下开展了“为全球环境保护的土地利用研究”( l u g e c ) ，主要研 究亚太地区土地资源的可持续利用，日本还与噩太网络组织( a s i ap a c i f i c n e t w o r k ) 合作开展了亚洲温带地区的土地利用与土地覆盖变化的研究计划。 此外，南美等地都有着各自的区域性研究计划( 李秀彬，1 9 9 6 ) 。 ( 二) 国内研究相关进展 我国有关土地利用内容的研究由来已久，最初的研究主要集中于分类、 分区以及开发、管理等方面，如1 ：1 0 0 万中国土地利用图集和中国土 地利用的相继出版。近年，随着国际l u c c 研究大量开展以及各种研究 计划的出台，我国才将土地利用与全球变化联系起来，并将土地利用与土地 覆盖变化列为全球变化研究项目的主要研究内容。该研究主要包括：利用遥 感影像对土地利用变化监测分析、土地利用变化研究数据库的构建、土地利 用变化对农业生态系统及全球变化的影响、土地利用变化驱动力研究以及土 地利用变化建模等方面。例如为了满足国家和各级政府对于土地资源时空信 息的迫切需求，“八五”期间，中国科学院启动并完成了“国家资源环境遥 感宏观调查与动态研究”项目，实现了全国范围的资源环境遥感调查并建立 了相应的技术体系。此后，国家科技部在“九五”期间设立了题为“国家级 前言 基本资源与环境遥感动态信息服务体系的建立”的科技攻关课题，由中国科 学院资源环境科学与技术局主持，农业部、林业局、气象局、测绘局等下属 科研单位参加。依靠遥感和地理信息系统技术，在全国范围内建成了2 0 世 纪9 0 年代中期1 ：1 0 万比例尺土地利用数据库，并于2 0 0 0 年实现了全面更 新。中国科学院在国家“九五”攻关成果的基础上又先后于1 9 9 9 年和2 0 0 0 年启动了知识创新工程重大项目“遥感时空信息分析与数字地球相关理论技 术预研究”和知识创新重大方向性项目“国家资源环境数据库集成与数据共 享”，由中科院资源环境研究领域的主要研究所参加，投入1 0 0 余名科研人 员，成功地利用遥感和地理信息系统技术建成了我国2 0 世纪8 0 年代末至9 0 年代末期的土地利用动态信息系统，并开展了相应的研究。 目前，国内从事土地利用变化研究的单位并不多，研究开展的时间也不 长，但在借鉴国外相关研究的基础上，提出了许多能反映我国实际情况的研 究方法与模型，取得了多项研究成果。我国进行土地利用变化研究的主要单 位及工作主要有：中国科学院系统承担的国家自然科学基金重大项目“中国 陆地生态系统对全球变化响应的模式研究”和中国科学院重大项目“东北季 风变迁和全球变化研究”等相关项目，李秀彬研究员、赵士洞研究员、傅伯 杰研究员、刘纪远研究员、严晓东副研究员等人利用不同方法了了相关的研 究。北京师范大学资源科学研究所承担了“土地利用，土地覆盖变化及其对农 业生态系统影响机理的研究”与“n t e c 样带土地利用土地覆盖变化研究” 两项国家重大基础研究项目。南京大学顾朝林教授结合对城市地理的研究， 探讨城市边缘土地利用变化的动力学机制。而且中国科学院生态环境研究中 心、遥感应用研究所和土地管理部门也越来越重视l u c c 研究( 史培军等， 2 0 0 0 ) 。 2 0 0 2 年8 月4 7 日南非德斑举行的“2 0 0 2 年区域地理大会”上，有关 l u c c 研究的论文多达3 0 余篇，所涉及的内容非常广泛，大致可分为应用r s 、 g i s 技术开展土地利用土地覆被变化监测、评价与制图；农村与农业土地利 沈r i 农业大学顿士学位论文 用土地覆被变化分析；城市土地利用土地覆被变化分析；土地利用土地 覆被变化动力学；土地利用土地覆被变化与生态环境等方面。从中反映出 l u c c 研究范围在进一步拓展，研究内容在进一步深化。可以认为这些研究成 果集中体现了该领域的最新进展。可以简单概括为： 1 g i s 技术的日益成熟，明显加快了土地利用土地覆被的分类、监测 与评价工作。然而，很多地理学家指出仍然需要重视传统技术方法，如国土 勘测、传统航空像片、地形图。他们强调要评估不同制图技术差异的地理学 意义与不同信息源的优缺点。 2 农村与农业的土地利用土地覆被变化仍然是l u c c 研究的主要组成 部分。 3 城市土地利用土地覆被变化研究仍然较为薄弱。在研究方法上，工 业区位论仍然是其理论基础，区位因素通常被认为是决定了土地利用土地 覆被变化的关键。所以不少专家学者认为在城市土地利用土地覆被变化研 究中，应该更加重视土地利用变化强度，并且在分析评价政府提出的城镇规 划时应成为主要指标。 4 阐明土地利用土地覆被变化发生与发展的动力学机制，是土地利用 土地覆被变化研究不断深化的方向之一。 5 土地利用土地覆被变化与生态环境相互关系研究始终是l u c c 研究 的重点领域，目前在这方面的发展趋势是继续深入揭示两者之间的关系，在 此基础上，从生态环境响应的角度发现生态环境的反馈机制，以及探索由于 土地利用土地覆被变化导致的退化土地的恢复和重建机理，在这方面俄罗 斯地理学家开展了卓有成效的工作。 四、土地利用变化研究的理论和方法 ( - - ) 土地利用覆盖变化研究的理论 前言 土地利用覆盖变化理论是一系列用来解释是否发生土地利用覆盖变 化，如何发生土地利用覆盖变化及变化原因的描述。土地利用覆盖变化理 论大致可以分为三大理论体系： 1 土地利用覆盖变化区域与经济理论体系。在这一理论体系中，包括 土地利用覆盖变化区位理论、土地利用覆盖变化微观经济理论和土地利用 覆盖变化宏观经济理论。 土地利用覆盖变化区位理论是研究土地利用覆盖变化的重要理论。杜 能农业区位论、克里斯塔勒和廖什的居民点区位论是比较有代表性的土地利 用覆盖变化区位理论。 土地利用覆盖变化微观经济理论和宏观经济理论就是运用经济学的思 考和研究模式来分析、解决土地利用覆盖变化的问题。用经济学理论搭建 土地利用覆盖变化理论曾一度是土地利用覆盖变化研究理论建设的潮流， 倍受青睐。土地利用覆盖变化微观经济理论中，城镇土地市场理论、城镇 和区域空间结构和行为理论是比较有代表性的区位理论；空间经济平衡理 论、区域不均衡理论和克尼斯亚的发展理念是土地利用覆盖变化宏观经济 理论的代表理论( k r u g m a n ，1 9 9 5 ) 。 2 土地利用覆盖变化社会学理论体系。行为理论是土地利用覆盖变化 社会学理论体系家庭中一个主要成员。它涉及到城镇和区域空间结构变化的 动力机制，分析了内容宽泛且导致土地利用覆盖变化的空间过程，也就是 由行为者的行为所导致的土地利用覆盖变化，这种理论为注重于个人决策 的行为导向模型的建立打下了的基础。在行为理论中，人类生态学理论、规 划理论和人类学理论是其主要框架理论。 社会科学理论是土地利用覆盖变化社会学理论体系中又一个重要分 支，结构一制度化理论、结构一边缘理论、不均衡交换与人性理论和不均衡 发展理论等理论是社会科学理论的核心内容( c o o k e ，1 9 8 3 ) 。 望堕查些奎兰堡主兰堡笙兰 3 土地利用覆盖变化自然学科理论体系。土地利用覆盖变化自然学科 理论体系是土地利用覆盖变化研究中使用较为广泛的理论体系，它是各个 自然学科研究思想应用于土地利用覆盖变化研究的具体体现。在土地利用 覆盖变化研究中，土地利用覆盖变化自然学科理论体系占有举足轻重的地 位，自然科学理论等是其代表理论。 ( 二) 土地利用覆盖变化研究方法 日前在土地利用变化研究过程中，已经成熟的地学研究方法主要包括数 理统计方法、遥感方法、地理信息系统方法和模型方法等。 1 遥感技术和方法 利用卫星遥感技术在土地资源调查中的应用始于2 0 世纪7 0 年代，获取 土地利用土地覆盖变化信息的主要手段。目前，高空间分辨率的卫星遥感技 术的发展为在大范围内进行高空间精度的土地利用土地覆盖变化的测量与 制图、在区域规模尺度上进行准确的土地利用土地覆盖变化的追踪研究提供 了方便。在土地利用变化研究中，遥感技术主要完成两方面的工作。其一， 土地利用及其变化的遥感分类。由于遥感图像自动分类识别方法并不完善， 它必须常规的案例研究和社会经济方法相结合才能完全解决分类问题。目 前，遥感分类方法已在大多数l u c c 研究中得到广泛应用。其二，土地利用 变化的动态监测，这包括对影响土地利用变化的各种自然、社会与经济条件 的变化和土地利用本身变化的监测。在这一方面，目前较为经典的方法是通 过对同一地区不同时段的图件或者是土地利用的遥感分类进行比较，来发现 该地区在不同时间的差异f 陈佑启等2 0 0 1 ) 。 2 地理信息系统技术和方法 作为地理学第三代语言，地理信息系统因其具有强大的图像分析、空间 叠加分析、空间统计与制图等功能，被广泛的应用于土地利用变化研究中， 早在1 9 9 3 年k i e n a s t 总结的土地利用变化探测方法中，就包括地理信息系统 前言 的空间叠加分析和空间统计方法。此外，i v e r s o n t ( 1 9 9 8 ) 运用g i s 对美国伊里 诺州土地利用现状和此前1 6 0 年的土地利用了比较，分析该地区土地利用变 化的类型。b o e m e r 等( 1 9 9 6 ) 对美国俄亥俄州中部地区4 6 年间土地利用土地 覆盖的研究、s k i n n e r ( 1 9 9 5 ) 对流域林地空间变化的研究，以及刘盛和( 2 0 0 0 1 对北京市城市土地利用变化的研究等都应用了g i s 的技术方法。蔡运龙还将 g i s 的空间分析功能与m a r k o v 随机过程分析方法相结合，分析台湾林县沿 海地区土地利用变化状况。近年来，g i s 更成为土地利用变化研究的必各手 段。目前已出现土地利用变化模型与g i s 集成的发展趋势，用于土地利用变 化分析的软件系统也开始出现，如m i c h a e lw 。b e r r y 等建立的土地利用变化 分析系统。 3 模型方法 构建土地利用变化模型是深入了解土地利用变化成因、过程、预测未来 发展变化趋势及环境影响的重要途径，也是土地利用变化研究的主要方法。 根据土地利用变化的涵义和研究内容，土地利用变化研究中的模型大致概括 为以下三种。 ( 1 ) 系统诊断模型 系统诊断模型是深入了解土地利用变化机制的主要手段，可分为基于经 验的概念化逻辑诊断模型和统计模型两种。前者是种定性分析模型，是建 立定量分析模型的基础，如土地利用变化驱动力概念诊断模型；后者通过综 合的方法来认识土地利用变化，为地理相关性预测、土地利用环境影响评价 以及政策的制定提供了依据，如土地利用变化机制统计诊断模型。 ( 2 ) 土地利用动态变化模型 土地利用动态变化模型的建立是研究土地利用变化过程、土地利用变化 程度及未来发展变化趋势的主要手段。土地利用动态变化包括土地资源的数 量变化、质量变化、空间变化、土地利用类型纵使方式的变化以及未来土地 资源需求量的变化。因此，土地利用动态变化模型包括土地资源数量变化模 鲨塑查些查兰堡主兰焦堡苎 型、土地资源生态背景质量变化模型、土地利用空间变化模型、土地利用变 化区域差异模型、土地利用程度变化模型、土地需求量预测模型和土地利用 变化驱动力模型。 ( 3 ) 土地利用变化综合评价模型 土地利用变化综合评价模型是综合评价土地利用变化环境效应的主要 手段。这类模型主要包括土地利用变化对环境影响评价模型，如温室效应综 合评价模型、对区域特征发展影响评价模型等。 五、土地利用变化研究的发展趋势 自l u c c 项目开展以来，国内外学术界对土地利用已经有了显著发展。 由于土地利用变化的表现极其复杂，其动因与广泛的人类活动及其自然变化 相关，其结果将影响全部人类的生存和发展，其研究涉及从自然科学到社会 科学的众多学科，因此我们不能简单沿袭传统土地利用研究的思路和方法， 必须运用多学科的知识、多尺度的数据，创造一致性的理论和方法来指导未 来的土地利用覆盖变化研究，并应用于实践，使土地利用覆盖变化研究朝 着可持续发展的方向发展下去是土地利用覆盖变化研究的主要方向。无论是 理论、方法或是具体实践内容，这种综合都是必要的。可以说，综合研究将 是土地利用变化研究的发展趋势。 ( 一) 驱动力的综合 土地利用变化受自然条件和人类活动的影响，且人类活动在短期内起着 决定性作用。同时，土地利用变化的各种驱动力在不同时间和空间尺度上都 不大一样。如从较大空间和较长时段来看，土地利用变化与人口增长、人均 消费提高、经济结构变化乃至政治结构的变化都具有显著的联系；但在较小 ( 时间和空间) 尺度上的土地转换并不一定能显示同样的联系。因此，对土 地利用变化驱动力必须有一种普遍的、综合的认识。 ( 二) 尺度的综合 前百 土地利用变化具有很强的规模相关性，即在不同的规模层次上往往会发 现土地利用不同的类型与结构，土地利用与其自然生态、社会经济等因子之 间不同的相互作用关系，以及不同的土地利用演变过程。因此，我们需要将 多个案例研究连接为一个可代表区域空间异质性的网络，作多空间尺度的研 究，从而将地方尺度和区域尺度的土地利用动态联系起来。所以，土地利用 变化研究必须重视不同尺度的综合研究。 ( 三) 方法的综合 在方法论方面，地理学苦于无过硬的独特性，长期以来用数学模型研究 土地利用变化成为一种时尚。l u c c 模型是深入了解土地利用变化复杂性的 重要手段，其作用和目的是对土地利用变化情况进行描述、解释、预测和制 定对策。在l u c c 模型中，植被模型和引入社会驱动力的l u c c 模型比较成 熟，但是仍难以满足对全球变化中土地利用问题研究的需要，同时，由于土 地利用变化的原因一驱动力逻辑联系有着显著的区域差异和时间差异，要生 成土地利用变化的“普适”模型以及控制其变化的“普适对策都还是不现实 的。现在复杂系统的机理探讨正成为综合的突破点，国际上已见端倪的复杂 科学也显示了这种前景。其创新之处在于，以不同于现在学科的全新思路， 不仅建立贴切“物理”( 事物之原理) 模型，而且找出相应的算法，借助计 算机求解，它不仅在形态和过程研究中不断深入，而且重视机理研究。因此， 土地利用变化研究需要发展新的研究方法，如建立更完善的数学模型和借鉴 复杂科学的方法。 ( 四) 学科的综合 土地利用覆盖变化变化涉及到自然、社会等多个学科领域，如何协调各 学科的研究工作，合理地、综合地应用各学科的研究成果，加强各学科对土 地利用覆盖变化研究的协作是未来土地利用覆盖变化研究的一个重要发展 方向。虽然在这一方面，前人作过一些有益的工作，但还无法满足现今土地 1 2 些婴查些查兰堡圭兰垡笙茎 利用覆盖变化研究的需要。因此，解决好多学科参与问题将是未来土地利用 ，覆盖变化研究工作的一个重任。 六、本研究目的和意义 ( 一) 增强对人类活动在全球变化中作用机制的认识 全球变化包括气候、土地生产力、海洋及其他水资源、大气化学以及包 括生态系统在内的支撑生命能力的全球环境变化。全球变化研究的难点在于 区分全球环境变化中的自然因素和人类活动的作用。以及二者又是如何相互 作用的。人类只有对自然界和人类自身的作用有了清醒的认识，才能比较自 由地驾驭人类赖以生存的环境朝着有益于人类的方向发展。而土地利用直接 反映了引起全球变化的主导因子一人类活动。因此，洞察土地利用变化对总 体上综合模拟和评价环境，认识人类活动在全球变化中的作用机制，减少预 测的不确定性非常重要。 ( 二) 推动跨学科综合研究的深入开展 土地利用在自然因素和社会人文因素的共同作用下发生变化，是自然与 入文过程交叉最密切的问题。因此，开展土地利用变化研究必将推动自然与 社会科学的综合研究，为当前的全球变化研究注入新的活力。此外，土地利 用变化研究还有利于地学与资源环境科学的综合研究，从而，揭示地球系统 过程中，人类活动在其中的作用机制和强度( 史培军，2 0 0 2 ) 。 2 0 0 3 年9 月2 4 日至2 6 日，第五届中国矿业资源型城市发展论坛在辽 宁省盘锦市举行，这充分体现了国家对以盘锦市为代表的矿业资源型城市的 重视。政治局委员、副总理曾培炎也给大会发了贺信。这次发展论坛正逢党 中央做出振兴老工业基地的决定，人数之多，规模之大，均突破前四届。 振兴老工业基地离不开对区域国土资源的开发利用、生态建设和持续发 展的探索和实践，并且对国土信息有着更深、更广、更高的需求。所以针对 这一需求，首先需要清楚地认识本区国土资源的基本情况。由于地理信息系 前言 统( g i s ) 具有独特的区域综合、空间分析、动态预测及提供决策支持的功 能被誉为地理学的第三代语言( 王秀兰等，1 9 9 9 ) 。本文拟在前人工作基础 上，利用g i s 强大的空间分析、动态预测能力，同时辅以地形图、文字资料 和社会经济统计资料等，获取不同时期区域土地利用的本底数据和动态变化 数据，结合数学模型，研究盘锦市1 5 年来土地资源利用的时空动态变化， 包括变化的数量、方式、强度、结构和趋势等方面，研究该区域土地利用动 态变化的社会和自然驱动力因子，预测未来发展态势，探讨有利于盘锦市可 持续发展的土地利用方式，为该区域土地利用未来的发展方向和相应政策的 制定提供决策依据。 1 4 沈阳农业大学硕士学位论文 研究区域与研究方法 一、研究区域概况 盘锦地处东北松辽平原南部，辽河下游，濒临辽东湾顶部，居辽河三角 洲中心地带，位于东经1 2 0 。2 37 1 2 2 。2 9 ，北纬4 0 。3 9 4 1 。2 77。 区域总面积4 0 7 1 平方公里。盘锦市系沉积性退海平原，土地的特点是：地 势平坦，多水无山，土质肥沃，低洼易涝。地面高程一般在2 4 米之间， 东北向西倾斜；有大小河流2 1 条，海岸线长度1 1 8 公里，四季分明，阳光 充足，气候宜人，属暖温带半湿润大陆性季风气候。 盘锦市是1 9 8 4 年6 月5 日经国务院批准设立的沿海开放城市，辖两县 两区，总人口1 2 1 万，其中市区人口5 5 万。建市以来，盘锦市依托中国第 三大油田辽河油田所在地的优势，经济发展一枝独秀，闪亮夺目。国民 生产总值自1 9 9 5 年以来一直位居辽宁省第4 位，2 0 0 0 年全国6 6 0 个城市( 含 县级市) 人均g d p 排名中，盘锦市位居第6 位，城镇居民人均可支配收入 和人均消费支出双双名列辽宁省第2 位，2 0 0 2 年全市g d p 3 0 2 亿元，是1 9 8 4 年建市初期的2 1 6 倍。2 0 0 3 年盘锦市餐饮消费超过1 0 亿元，人均消费居全 省第1 名，城市恩格尔系数多年处于3 7 以下，是全国首批5 0 个小康城市 之一。 表12 0 0 3 年主要社会经济指标人均水平比较( 元) t a b l e1c o m p a r i s o nt om a j o rp e rs o c i o e c o n o m i ci n d i c e si n2 0 0 3 地区 国窘孑莘訾登慧筹孳嚣嚣贸翟鬻 盘锦市2 7 3 3 3 3 1 7 5 2 5 55 4 4 2 58 3 8 4 0 4 0 4 4 0 辽宁省 1 4 2 5 8 05 9 6 2 92 8 5 0 37 2 4 1 02 9 3 4 0 全国9 0 3 0 2 4 1 4 8 72 2 9 7 68 4 7 2 0 2 6 2 2 0 盘锦较辽宁 9 1 7 1 1 9 3 9 19 0 9 41 5 7 9 3 7 8 3 高( ) 盘锦较全国 2 0 2 6 93 2 2 4 31 3 6 。8 81 0 4 5 4 2 3 高f ) 研究区域与研究方法 二、研究内容与技术路线 ( 一) 研究内容 本研究以盘锦市为研究样区，在g i s 技术的支持下，以县区级行政单元 为数据统计单元，从土地资源利用时空动态变化入手，依据土地利用动态变 化模型，全面分析了1 9 8 8 2 0 0 3 年间土地利用数量变化、土地结构空间变化、 土地利用程度变化、土地利用变化的区域差异等动态变化特征，指出本区土 地利用变化规律，分析引起土地利用变化的驱动力因素，指出相互影响和相 互作用关系，进而以土地利用类型变化规律为依据，以灰色建模理论为指导， 建立土地利用动态预测模型g m ( 1 ，1 ) ，最后就盘锦市土地利用变化特点，提 出该地区土地资源可持续发展的对策及措旌。 ( 二) 技术路线 收集土地利用相关文字、图件等资料，结合多时期遥感图像和野外调查 沈阳农业大学硕士学位论文 建立土地资源相关因素综合数据库，运用同i 雌p i n f 0 、e x c e l 、s p s s 、m a t l a b 等软件对资料图件分析、计算，获得相应的属性数据并生成土地利用类型专 题图；并根据相关属性数据进行数据处理和时空动态过程，建立相关分析模 型，进行动态模拟，研究驱动因素及影响过程，并建立变化趋势预测模型。 三、研究分析方法 ( 一) 分析方法与数据处理 研究采用历史资料分析和实地调查以及多时期遥感图像分析方法采集 有关数据信息，建立土地资源相关因素综合数据库，运用g i s 技术进行数据 处理和土地时空动态过程分析，建立相关分析模型，进行动态模拟，研究驱 动因素及影响过程，建立变化趋势预测模型。 ( 二) 土地利用变化分析信息系统 土地利用变化研究尤其是空间变化研究，主要利用g i s 的空间分析方 法。该方法的数据基础主要是矢量栅格数据的土地利用图件和遥感解译制图 结果，利用m a p i n f o 、e x c e l 、s p s s 等软件对图件进行分析、计算、获 得相应的属性数据。通过对地理数据的集成、存储、检索、操作和分析，生 成并输出各种地理信息，从而为土地利用、资源管理、环境监测、交通运输、 经济建设、城市规划以及政府各部门行政管理提供新的知识，为工程设计和 规划、管理决策服务。 属性数据输入：属性数据即空间实体的特征数据。通过键盘输入的方式。 将取得的土地利用详查和变更数据输入到数据库相应文件中。 空间数据输入：本研究将盘锦市行政范围图、土地利用现状图等因图件 用扫描仪自动扫描输入计算机，存储为t i f f 格式文件。 图形数据的输入过程实际上是图形数字化处理过程，要将存储为t i f f 格 式文件的栅格图转化矢量图。在格式转化之前须进行图像配准，采用经纬网 坐标来配准图形。 结果与讨论 结果与讨论 土地利用变化存在三种主要的过程，即时间变化过程、空间变化过程和 质量变化过程。这三种变化过程是土地利用变化的三个方面，相辅相成，用 以描述土地利用变化的时间、空间和质量特征。土地利用变化主要体现在土 地利用类型变化、土地利用类型数量变化、土地利用空间变化、土地利用程 度变化及土地利用变化的区域差异等方面。 一、土地利用类型的数量变化 ( 一) 土地利用变化的幅度 从面积入手，来反映区域土地利用变化。面积变化首先反映在不同类型 的总量变化上，通过分析土地利用类型的总量变化，可了解土地利用变化总 的态势和土地利用结构的变化( 表2 ) 。 表21 9 8 8 年2 0 0 3 年盘锦市土地利用类型面积变化( 单位：公顷) t a b l e2t h ea r e ac h a n g eo fl a n du s e t y p e si np a n j i nf r o m19 8 8t o2 0 0 3u n i t ：h m 2 ( 二) 土地利用类型变化的动态度 土地利用动态度可定量描述区域土地利用变化的速度，它对比较土地利 鲨里堡些查兰塑主兰垡堡茎 用变化的区域差异和预测未来土地利用变化趋势都具有积极的作用。 1 单一土地利用类型变化的动态度 单一土地利用类型动态度表达的是某研究区一定时间范围内某种土地 利用类型的数量变化情况，其表达式为： k ：- u a 1 1 9 0 “。 ，。 式中，k 为研究时段内某一土地利用类型动态度；u a 和分别为研究 期初及研究期末某一种土地利用类型的数量；r 为研究时段长，当丁的时段 设定为年时，k 的值就是该研究区某种土地利用类型年变化率。 根据上述公式计算盘锦市单一土地利用类型年变化率( 表3 ) 表3 盘锦市各土地利用类型年变化率 面积单位：公顷 t a b l e 3 t h e 越 m u a l v a r i a b l er a t i o o f e a c h l a n d u s e t y p e i n p a n j i n a r e a u n i t ：h m 2 2 综合土地利用动态度 某一研究样区的综合土地利用动态度，可表示为： 结果与讨论 三c = l u 2 l u ， 上1 0 0 式中l u i ，为监测起始时间第i 类土地利用类型面积；n a u i - j 为监测 时段内第i 类土地利用类型转为非i 类土地利用类型面积的绝对值；t 为监 测时段长度。当7 1 的时段设定为年时，l c 的值就是该研究区土地利用年变 化率。 根据上述公式计算盘锦市综合土地利用动态度。 计算结果表明，盘锦市综合土地利用变化速度不是很快，年变化率为 o 3 2 。其中：从1 9 8 8 年到2 0 0 3 年1 5 年间，耕地面积一直是稳中有升，1 9 9 5 年以后，增长速度趋缓，速度低于1 5 年的平均增长速度。园地经历了先增 加后减少的变化过程。林地面积始终保持着增长趋势，尤其是1 9 9 5 年至2 0 0 3 年期间的年增长率是1 9 9 5 年以前的年增长率几十倍。牧草地面积一直处于 减少状态，但1 9 9 5 年以后的减少速率小于1 9 9 5 年以前的减少速率。居民点 及工矿用地和交通用地面积一直在增加，两者在1 9 9 5 年后增长速度都高于 1 9 9 5 年以前的，但两者相比，交通用地面积的平均增长速度高于居民点及工 矿用地的面积。水域面积先增加后减少，总体面积是在增加，虽年均速率仅 为o 1 6 ，但由于其基数较大，所以增加的面积还是较大的。未利用地面积 在1 5 年内一直以相对较大幅度减少。 总体来看，从1 9 8 8 年- - 2 0 0 3 年1 5 年内，盘锦市土地利用类型中，除牧 草地和未利用地面积减少外，其余土地利用类型面积都在增加，增速最快的 林地面积，年变化率为5 8 7 ，其次是交通用地和居民点及工矿用地，分别 是1 7 6 3 10 7 5 ，再次是园地和耕地。水域的年变化率最小，仅有o 1 6 。 尽管耕地和未利用地的年变化率不是最快的，但是由于基数大，所以是所土 地利用类型中面积增加最多和减少最多用地类型。 沈m 农业大学硕士学位论文 2 5 0 0 0 0 2 0 0 0 0 0 “目1 5 0 0 0 0 莲1 0 0 0 0 0 5 0 0 0 0 d 舞簧孽簧簧舞埒嗣 藕 回 嚣 糌 h旺崔旺 餐哩鼎幕 制伥 土地利用类型 l a n dd s o 帅e s 图1 盘锦市土地利用数量变化 f i g 1t h eq u a n t i t yc h a n g eo f l a n du s ei np a n j i n 二、土地利用结构的时空变化 ( 一) 土地利用结构的时间变化 根据1 9 8 8 年到2 0 0 3 年土地详查资料可以看出，盘锦地区土地利用结构 有较大变化。总体看，牧草地和未利用地所占比例有所降低。其他土地利用 类型所占比例都有所增加，其中林地、交通用地、居民点及工矿用地变化最 大( 图2 ) 。 图2 盘锦市土地利用结构变化图 f i g 2t h ec h a n g eo f l a n du s es t r u c t u r ei nv a n j i nc i t y 结果与讨论 ( 二) 土地利用结构的空间变化 从1 9 8 8 年到2 0 0 3 年1 5 年期间，盘锦地区土地利用结构发生较大变化 的同时，存在较明显的地域差异。两个城区一兴隆台区和双台子区的土地利 用结构变化指数高于全市平均水平，尤其是双台子区高出全市平均水平一倍 以上。这也反映了城市化的进程深深的打上了土地变化的烙印，相比之下两 个县城土地利用结构空间变化较小。这也反映旧城区在改阔建过程中的问题 和困难较多。双台子区土地利用结构的变化主要表现在耕地、未利用地的减 少和居民点及工矿用地、交通用地的增加。兴隆台区土地利用结构的表现与 双台子区相似，只是表现的较为“温和”，这也反映了兴隆台区作为比双台 子区更新的城区在土地利用方面表现更为均衡。大洼县主要表现在耕地的增 加和未利用地的减少，说明开发利用未利用地与该县区的耕地增加有着直接 的关系。盘山县各土地利用类型在结构空间变化的方面都不甚明显。也是唯 一低于全市平均水平的地区，是四个县( 区) 在城市化过程中最为缓慢的。 就全市整体来讲，双台子区、兴隆台区土地利用结构变化大于全市平均 水平，大洼县略高于全市平均水平，盘山县低于全市平均水平( 表4 ) 。 表41 9 8 8 2 0 0 3 年盘锦市土地利用结构空间变化 t a b l e4t h es p a e i a lc h a n g eo f l a n du s es t r u c t u r ei np a n j i nf r o m1 9 8 8t o2 0 0 3 沈阳农业大学硕十学位论文 2 5 2 0 1 5 1 0 5 0 盘山县大洼县兴隆台区双台子区 图3 盘锦市土地利用结构空间变化 o ，或r 0 ，则该区域土地利用处于发展时期，否则处于调整 或衰退期。 选用1 9 8 8 年和2 0 0 3 年的数据资料，根据上述公式计算出盘锦市1 9 8 8 年和2 0 0 3 年土地利用程度综合指数以及1 5 年来土地利用程度变化量和变化 率( 表6 ) 。 2 4 沈m 农业大学硕上学位论文 表6 盘锦市土地利用程度变化量和变化率 t a b l e6t h ev a r i a n c ea n dv a r i a b l er a t eo f l a n du s ed e g r e e 由表6 可以看出，1 9 8 8 年，全市土地利用程度l = 2 4 8 7 1 2 ，其中最大 的是双台子区l = 2 9 5 0 1 5 ，远高于全市平均土地利用程度；土地利用程度最 小的是盘山县l = 2 4 3 8 6 1 ，稍低于全市平均水平。这一格局到2 0 0 3 年没有 改变，依然是双台子区土地利用程度最大，盘山县土地利用程度最小。这也 反映了城区和县城建设在没有特殊优惠政策和好的契机情况下，是有它的连 续性和惯性的。在两县两区中，双台子区土地利用程度变化率最大，土地利 用程度有较大变