基于gr模型的长江沿线样带土地利用变化模拟

基于gr模型的长江沿线样带土地利用变化模拟

三峡的建设和移民安置、重庆的建立、长江流域的大洪水和中国（特别是东亚地区）工业化和城市化进程逐步加快，长江沿线地区的土地利用发生了重大变化。客观地把握这些地区土地利用变化的时空过程,弄清驱动这一过程的关键因素及其作用方式,掌握通过土地利用调整人地关系的有效途径,是进一步保护性开发利用土地资源、改善区域生态环境、促进我国可持续发展战略顺利实施的重要决策基础。土地利用/覆被变化(LUCC)是全球环境变化研究的一个重要方面,而IGBP陆地样带是一套综合的全球变化研究,它强调以梯度方法来阐释全球变化问题。LUCC可以利用样带作为一系列连贯的研究点来测定土地利用和相关的土地覆被,在社会和环境因素影响下是如何发生全球性变化的。长江沿线样带,无论是在自然环境要素变化还是社会经济发展程度等方面都存在明显梯度,其范围的确定主要考虑对10年尺度土地利用变化影响最大的社会经济发展程度,因此要照顾行政区的边界,以沿江地级行政单位为主,河源区主要照顾县级行政单位边界,涉及沪、苏、皖、赣、鄂、湘、渝、川、滇、藏、青11个省、直辖市、自治区,共310个县、市,面积为1119146km2(图1)。1建设用地扩张的影响短时期(几年或几十年)的LUCC,主要是受社会经济因素的驱动,当然也受自然因素的约束。各类土地利用变化基本上都能从与人类生产活动密切相关的耕地和城乡建设用地的变化上得到反映。对90年代中期和2000年间长江沿线样带LUCC研究的结果表明,建设用地的扩张与耕地(包括水田和旱地)和其他地类(如林地、草地、水体等)的减少相对应。因此,结合建设用地、耕地和其他地这三大土地利用类型来建立一个综合的系统的土地利用变化模型,有望预测样带内耕地和建设用地的未来变化趋势。1.1城市城市化研究的两大要素模型最初将自然因素和人文因素相结合的土地利用模型是以Ricardian和VonThunen的地租理论为基础的,研究对象主要是城市土地。这类模型的出发点是以获得最大的经济效益回报为土地利用的最高目标,偏重于经典的经济分析,而对LUCC的内在机制研究不够,具有一定的局限性。GTR(GeneralizedThunen-Ricardian)模型是传统杜能模型的扩展,它将城市化作为土地利用变化的主要驱动因子。当地的自然条件也被考虑到了模型中,并与城市化一起并列为模型的两大解释成分。其中的Thunen成分包括城市中心人口和农村与城市间的距离,代表着来自区域城市中心的影响方面的两个状态变量。Ricardian成分包括代表当地自然条件的海拔和坡度这两个自然条件变量。在Konagaya等的研究中,这两大成分被综合在GTR模型中用以预测中国的三大土地利用类型:城市用地、农业用地和其他地。1.2土地利用模型本研究中进一步扩展了GTR模型,增加了土地利用变化的另一驱动因子:农村发展。因此,模型中涉及有三个变量组:1)城市状态变量:以距离为权重的中心城市人口和当地城市化水平;2)自然条件变量:平均海拔和坡度低于25%的面积比例;3)农村状态变量:人均农业总产值。模型中涉及三种土地利用类型:建设用地(包括城市建设和农村建设用地)、耕地(包括水田和旱地)和其他地。另一与原始GTR模型不同的地方是,根据研究区的实际情况及数据掌握程度,以县级行政单元为观测单元。因此,多边形成为空间分析单元,有别于原始模型中栅格形式的空间分析单元。由于代表各县市的空间分析单元的多边形尺寸大小不一,原始GTR模型中不同利用类型面积的绝对值无法用来预测。因此,各县市每一土地利用类型面积占总面积的比例替代了面积的绝对值被应用到模型中。三大类型面积所占百分比的总和等于1。此外,模型中Thunen成分也需要修订。在Konagaya等的GTR模型中,城市人口的影响与每个栅格距城市中心的距离由远及近呈线性递增。在本研究中,中心城市人口影响系数与各县市距最近经济区中心城市(地级行政单元首府)的距离成反比。模型假设每一县市只受距其最近的中心城市的影响,距离越短,则受其影响越大。计算公式如下:Yi=1/diΣi=1n(1/di)×p(1)式中,Yi为县市i的中心城市人口影响系数;i为某一中心城市所影响的县市数目(i=1,2,3,……n);p为中心城市人口;di为县市i与中心城市间的距离。据此,修订后的GTR模型表述如下:{Ki(c)=Koi(c)[exp(a1(c)⋅Yi+a2(c)⋅Xi)][exp(a3(c)⋅Ei+a4(c)⋅Si)][exp(a5(c)⋅Ri)]Σc=13Ki(c)≡1(2)式中,i为某一中心城市所影响的县市数目(i=1,2,3,……n);c为土地利用类型(1-耕地;2-建设用地;3-其他地类);Ki为土地利用类型面积百分比;K0i为常数;Yi为县市i的中心城市人口影响系数;Xi为县市i非农人口比例;Ei为县市i的平均海拔;Si为县市i坡度低于25%的面积百分比;Ri为县市i的人均农业总产值。图2展示了各变量数据的来源及如何组织,也提供了该土地利用模型的主要成分及其计算步骤。本研究中运用1994年的土地利用数据及相应的与驱动因子相关的变量来估算模型的参数,然后运用1994年和2000年的数据于模型中,比较分析模型预测结果与实际观测结果以检验模型的预测能力。最后,运用此模型来预测2015年和2030年长江沿线样带的土地利用变化。1.3中心城市为耕地、建设用地和其他地的土地利用类型按图2中步骤,建立模型如下:⎧⎩⎨⎪⎪1.Ki(1)=0.3191[exp(−0.3341⋅Yi−0.5846⋅Xi)][exp(−0.0361⋅Ei+0.8780⋅Si)][exp(0.0033⋅Ri)]2.Ki(2)=0.0931[exp(1.3940⋅Yi+2.5373⋅Xi)][exp(−2.6512⋅Ei−0.2337⋅Si)][exp(0.2515⋅Ri)](3)3.Ki(3)=0.7023[exp(−0.0402⋅Yi−0.0219⋅Xi)][exp(0.0120⋅Ei−0.5494⋅Si)][exp(−0.5583⋅Ri)]模型解释310个县市的耕地、建设用地和其他地三大土地利用类型,其R2判定系数分别为0.668、0.611和0.639。上述三个子模型的参数表明,来自中心城市的影响和当地的城市人口比例与耕地和其他地的变化呈负相关,而与建设用地的变化呈正相关。耕地的变化主要与坡度低于25%呈正相关,表明耕地的变化主要受坡度影响。建设用地的变化与坡度和海拔均呈负相关,而与人均农业总产值呈正相关,后者可能主要体现在农村建设用地的变化上。此外,其他地类的变化与坡度和人均农业总产值均呈负相关。比较分析1994和2000年耕地和建设用地模型预测值和实际观测值,表明模型能很好地反映耕地和建设用地的分布格局(图3)。1.4不同地区的耕地数量将继续增加假设城市人口和农业产值均按目前的趋势变化,运用趋势外推得出解释变量在2015和2030年的值。运行模型得出2015和2030年耕地和建设用地的变化情况(图4和5)。模型预测结果表明,至2015年长江沿线样带的耕地面积将有所增加,将增加3993km2,至2030年将增加到222421km2,15年间将增加2758km2。建设用地至2015和2030年分别将增至18988km2和22456km2,在两个15年时间间隔内将分别增加2648km2和3468km2(图5)。从图4可以看出,东部地区的耕地数量呈减少趋势,而在中西部地区的耕地数量却呈增加之势,且后者的增加量要大于前者的减少量,故整个样带内的耕地面积依然呈增加趋势。整个样带内的建设用地呈增加趋势,从其面积百分比可以看出,建设用地增加较快的地方主要是上海和江苏省的一些县市、武汉市及其周边地区、三峡库区、昆明市及其周边地区,此外,源头地区的建设用地也将迅速增加(图4)。2边际土地利用问题长江沿线样带的土地利用变化,将会引发一系列的问题:下游地区主要是快速工业化和城市化导致耕地面积的迅速减少;上游地区主要是生存型经济福利驱动导致边际土地开垦加剧,致使当地生态环境更趋脆弱;中游地区则这两方面的问题兼而有之。模型预测表明,未来长江沿线样带下游地区的耕地还将进一步减少,中上游地区的边际开垦仍将增加。这些土地利用问题将直接威胁着区域的社会经济可持续发展并影响西部大开发战略的顺利实施。如何解决这些问题,实现土地的可持续利用,需要从以下几个方面着手。2.1改善环境发展前景在城市规划过程中,要处理好城市发展与区域发展的关系。城市规划的编制工作,必须以本身及其功能辐射区域经济、社会、环境发展前景的科学预测为前提,以区域发展规划为依据。城市建设用地,应在《土地利用总体规划》中统筹安排,城市规划应当服从《土地利用总体规划》。处理好城市发展和耕地保护的关系,城市规划应尽量减少对农业用地和耕地的占用,尽可能避开基本农田保护区。加强旧城区改造力度,抓好旧城区土地的挖潜。在旧城区土地潜力未充分发挥前,应尽量少扩展新城区用地。2.2促进土地合理利用,减少耕地资源浪费,确保土地集约利用认真制定和实施乡村建设规划。各级地方政府根据法律、法规的要求,结合当地经济发展和基础设施的总体规划进行乡村建设规划。严格执法,制止超额用地,对于非法占用土地、建房超限额用地的处理,必须依法执行。可通过制定一些优惠政策,鼓励开发荒坡地建房,促进土地资源的合理利用,以减轻耕地承受的压力。聚落归整,即利用农民建设第四代住宅的积极性,结合农村居民点并村的规划和建设,对已经被村落划分成七零八碎的耕地实行耕地重新合并,调整农业耕地地块布局。通过将零星的农宅集中到一起,把分散的村落归并到一起,发展中心村、小城填,推广多层公寓,迁村腾田,充分利用土地和空间资源,不但能控制住村镇用地的膨胀,而且还能在调整中增加耕地。聚落归整后的中心村和独门独院形式相比,农民的信息渠道更畅通,能及时接受外部信息并根据市场信息进行单元运作的调控。2.3发展土地,减少耕地的土地利用各项建设活动所占用的耕地几乎都是优质耕地,虽然样带内的耕地呈增加趋势,但优质耕地,尤其是长江沿线样带下游地区的优质耕地却一再减少。我国正处在工业化起飞阶段,期间优质耕地的减少在今后的几十年中不可避免。因此,必须统筹考虑吃饭和建设用地。协调土地开发与耕地保护的关系,应注意以下几个方面:(1)开发建设与耕地保护同时并重,对于开发建设活动不得已占用耕地,理想的目标是,以尽可能少的占地面积,实现高度集约化的土地利用。应尽可能地利用荒地、废地,使有限的农田得以保存,以保证“一要吃饭,二要建设”;(2)建立专门机构加强土地开发的统一领导、规划和管理;(3)划定基本农田保护区,编制和制定各级各类基本农田保护规划及耕地保护条例,通过规划和立法的方式划定基本农田保护区。2.4贫困山区的经济发展对策长江沿线样带有84个贫困县,占县市总数的27%,占总面积的32.7%。贫困县的分布与样带内林地减少、草地减少和边际耕地开垦增加的分布存在一种地理空间意义上的耦合。在生态系统良性循环阈值被突破和缺乏现代生产要素投入的双重约束下,随着人口继续增长,只能靠土地利用数量扩张满足需求。其后果是使其赖以生存的土地质量下降,产出减少。此外,在通常情况下,贫困地区的农村产业结构单一,农村人口从业机会少,为了获取更多的经济收入,种地是其惟一途径。贫困地区土地利用变化的生存型和最优经济福利双重驱动作用使贫困与非持续土地利用陷入互为因果的恶性循环之中。农业是目前这些贫困山区县的支柱产业。然而,其目前的农业生产方式为传统的粗放经营方式,无法摆脱食物生产与环境保护这对固有的矛盾。要从根本上化解这对矛盾,就必须改观整体思路,同时也要进行技术探索,也就是说必须为常规农业构建理想的替代模式,即实现农业的持续性。贫困山区县经济社会可持续发展的实现有赖于转变传统农业生产模式为生态农业生产模式,这种转变则依赖于结合现代科学技术和传统农业精华的生态农业技术。长江沿线样带大多数贫困山区县有着丰富的绿色资源,具有绿色食品生产的优良自然环境以及一定的经济基础。因此,发展绿色食品,走绿色食品产业化的贸工农一体化发展之路,对处理好当地生态环境、经济发展与需求增长这三方面的关系,促进其经济社会可持续发展以及配合西部大开发的顺利实施都有着全局性的战略意义。山区县丰富且独特的旅游资源有待进一步开发,生态旅游是旅游开发的一种新战略,它可通过资源开发与保护之间的相互促进,经济效益与社会效益之间的相互协调,以实现资源的持续利用和区域的可持续发展。据此,打破长江沿线样带贫困与非持续土地利用恶性循环网,依托现有的资源优势来实现其经济社会可持续发展的具体操作措施主要有:推广生态农业技术、发展绿色食品和开展生态旅游三个方面。生态农业、绿色食品和生态旅游这三者之间是相互关联的。绿色食品是无污染、安全、优质的营养类食品,这些特性决定了在绿色食品的生产过程中推广应用生态农业技术的必要性。推广生态农业技术,进行绿色食品生产,有助于处理好生态环境、经济发展与需求增长这三方面的关系,而优美的生态环境是开展生态旅游的重要前提。生态旅游也可以通过“观光农园”与生态农业和绿色食品生产相结合,还可为其提供资金来源。生态