鄱阳湖区土地利用变化及其生态环境效应研究
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摘要
鄱阳湖区位于江西省北部,其范围包括南昌县、新建县、进贤县、九江市区、湖口县、永修县、星子县、都昌县、德安县、鄱阳县和余干县等11个县(区),土地资源总面积19761.5km2。近50年来,由于区域人口、经济经济的快速发展,人地矛盾日趋突出,区域土地资源压力倍增,鄱阳湖区面临着水土流失、土壤退化、水质污染、水旱灾害频发和生物多样性锐减等一系列生态环境问题。
人类活动与自然条件变化直接引起土地利用/土地覆被的变化,进而影响到生态环境的变化。因此,研究鄱阳湖区近50年土地利用变化的时空过程、辨析其驱动因素并进行土地利用变化模拟、定量评价土地利用变化对区域生态环境变化的影响强度,对促进区域土地资源可持续利用与社会经济的可持续发展具有重要的理论和现实意义。
本文以土地利用时空变化过程及其对生态环境的影响为主线,采用文献调查、“3S”技术、模型模拟方法、数理统计方法及实践调查方法,通过研究取得了以下主要成果：
1.鄱阳湖区近50年各类土地利用变化以耕地、水域和建设用地为主线,6种地类呈现出不同空间形态的变化规律。
①数量变化：近50年变化最为剧烈的是建设用地,仅1971～2008年,建设用地面积变化幅度达6.3倍之多；耕地和水域总量基本保持平衡,耕地呈现出先增后减再平衡的变化曲线,而水域呈现为先减后增再缓慢微降的变化趋势；草地和林地减少幅度较大,在1971～2008年间,总量减少约20%。
②空间变化：运用空间洛伦茨曲线和基尼系数分析了鄱阳湖区主要土地利用类型空间分布的变化过程,耕地、林地和水域在鄱阳湖区空间分布均衡且年际波动小；草地、建设用地和未利用地空间分布较不均衡且土地利用有聚集的趋势,如未利用地集中分布于星子县、余干县、新建县和鄱阳县等县(区)。
③土地利用景观格局的变化：总体上呈现出用地聚集度上升、多样性减少的趋势,如1985-2005年,土地利用景观的斑块数(NP)从18040减少到17571、最大斑块指数(LPI)从13.3985增加到15.8938、香农多样性指数(SHDI)从1.6143减少到1.6091、聚集度指数(AI)从94.7527略增到94.6168。
2.鄱阳湖区土地利用变化以政策驱动为主、社会经济驱动为辅。通过选取1954-2008年间的经济、人口、投入和收入4类11个代表性指标,经主成分分析降维后形成主成分F1、F2,然后与标准化处理后的1954～2008年鄱阳湖区主要地类数据(耕地、建设用地和水域)进行曲线拟合,并结合期内土地利用政策变化综合分析,结果显示：耕地、水域变化和F1、F2的相关度不高,其主要驱动力是土地利用政策；而建设用地的变化与F1呈正相关、F2呈负相关,表明其主要驱动力为社会经济因子。
3.鄱阳湖区土地利用变化用CLUE-S模拟的精度好,但缺乏土地利用变化的机理支持,需要进一步完善。基于鄱阳湖区100m×100m土地利用格网,选用地均GDP、人口密度、海拔高度、平均坡度、到最近城市距离、到最近河流距离、到最近主要公路距离、年平均降水量、年平均气温和土地有机质含量等10个指标,建立了基于1995～2005年土地利用变化数据的CLUE-S模型并模拟2020年土地利用格局,模拟结果的KAPPA指数达0.879,总体模拟精度高,但建设用地分布的模拟精度较差。通过扩展土地利用生态位理论弥补了CLUE-S模型在机理上的不足,并在微观尺度用生态位宽度模型解释土地利用变化的原理、在全局尺度用经济生态位模型实证分析了鄱阳湖区建设用地的空间变化。
4.鄱阳湖区生态环境质量呈下降趋势,而水域是维系区域生态环境质量稳定的关键因素。以鄱阳湖区1985～2008年为例,根据生态丰度指数、NDVI、NDSI和NDMI数据,建立基于格网(30m×30m)的鄱阳湖区生态环境质量综合评价模型,结果显示鄱阳湖区生态环境状况较好,但生态环境质量指数均值从1985年的50.03降到了2008年的48.73；通过基于格网的区域土地利用变化与生态环境质量变化耦合分析,结果显示：水域变化是维系区域生态环境质量的关键,如“围湖造田”使区域生态环境质量显著变差,而“退田还湖”使得区域水域扩大、生态环境质量显著变好；新增建设用地对区域生态环境质量的负向效应大于正向效应；林地变化对区域生态环境质量变化有重要影响。
5.鄱阳湖区土地资源可持续利用应结合区域资源特点,创新观念、多管齐下。鄱阳湖区土地资源地域分异明显,应通过鄱阳湖区土地利用分区,划分土地利用功能区,合理布局农业用地区、生态林用地区、城镇及工业用地区和湿地保护区,创新流域管理理念,发展生态旅游,结合新型城镇化、保护生态环境,促进区域社会经济的可持续发展。
本文在前人对鄱阳湖区相关研究的基础上,通过扩展研究时限、更新研究手段、丰富研究理论,对鄱阳湖区的土地利用变化进行深度研究。本研究的主要创新有：
1.构建了1954-2008年鄱阳湖区长时间序列土地利用数据库；以此为基础,基于洛伦茨曲线和基尼系数分析土地利用空间差异,尝试用土地利用生态位模型对鄱阳湖区1954-2008年的土地利用变化进行解释。
2.应用“3S”技术、精细格网与CLUE-S模型模拟技术综合集成,为土地利用变化时空模拟搭建了新的技术平台,特别是100m×100m格网能够在CLUE-S模型中更准确分析土地利用变化的驱动因子。基于30m×30m格网的土地利用变化生态环境效应研究,精确地分析了各种土地利用变化方式对区域生态环境质量变化的贡献。
3.在土地利用变化模拟及预测,生态环境效应分析的基础上对鄱阳湖区土地利用进行分区并提出差异化的可持续利用对策。
Poyang Lake Region is located at the north of Jiangxi Province, which includes11counties/cities/districts around Poyang Lake such as Nanchang county, Xinjian county, Jinxian county, Hukou county, Yongxiu county, De'an county, Poyang county, Xingzi county, Douchang county, Yugan county and Jiujiang city and so on, covers an area of19761.5km2. Over the last50years, Poyang Lake Rigion suffered high pressure from regional population, economic and resource, facing a series of eco-environment problems such as water and soil erosion, soil degradation, water pollution, flood and drought disasters which occurred frequently, biological diversity decreasing and some other problems.
The regional land use/land cover changed obviously because of the changes of natural conditions and increasing intensity of human activity. So, researches were necessary to be implemented including spatial-temporal process of land use change in Poyang Lake Rigion over the past50years, analyzing the driving force and simulating land use change, quantitative evaluating the intensity which land use changes influence on eco-environment and so on. There were great theoretical and realistic significances on how to promote regional land resource sustainable utilization and social sustainable development as well as economic.
Document survey,3S technology, model simulation, mathematical statistics method and practice investigation were used in the thesis based on the mainline of spatial-temporal changes of land use and eco-environmental influences. Some main results had been got as following:
1. The most changes in Poyang Lake Region over the past50years were cultivated land, water land and construction land. Six kinds of land utilization had different spatial rules.
①Quantitative changes:Construction land changed mostly in latest50years especially the area in2008was6.3times more than in1971.Cultivated land almost kept same total area as before though increased some first then decreased some later. Water land area decreased some first then increased some later then decreased a little while, but its total area almost did not have much changes. Both grass land and forestry land area lost about20%from1971to2008.
②Spatial changes:Spatial Lorenz curve and Gini coefficient were adopted to analyze the spatial change processes of main land utilization in Poyang Lake Region. Cultivated land, forestry land and water land area were distributed balanced and did not have much annual fluctuating. Grass land, construction land and unused land were distributed unbalanced and had a trend of gathering, especially unused land converging in Xinjian county, Poyang county, Xingzi county and Yugan county.
③landscape pattern changes of land use:General land utilizations were converging, and diversity were decreasing, e.g. from1985to2005, the Number of Patches (NP) decreased from18040to17571, the Largest Patch Index (LPI) increased from13.3985to15.8938, the Shannon's Diversity Index (SHDI) decreased from1.6143to1.6091, and the Aggregation Index (AI) increased from94.7527to94.9168.
2. The main driving force of land use changes in Poyang Lake Region was policy; secondary driving force was social economical factors.11indexes were chosen to be on behalf of4kinds of factors including economic, population, input and income from1954to2008. F1and F2were left after dimension reduction by principal components analysis. Main land utilization data which includes cultivated land, construction land and water land from1954to2008were standard transacted first, and then analyzed by multi-variation linear regression model as well as land use policies' changes. The results showed:Both cultivated land and water land did not have obvious correlation with principal component F1and F2and main driving force were land use policy. The changes of construction land had positive correlation with principal component F1and negative correlation with principal component F2. So that its main driving force was social economical factors.
3. Simulation of land use changes in Poyang Lake Region got an accuracy result, but mechanism of land use change was required to consummate in next step.100m×100m grid net technology were used in the research. Ten factors, which included gross domestic product at current price (GDP, million Yuan), population density (persons/km2), mean elevation (m), mean slope (based on90m DEM), direct distance to nearest city (m), direct distance to nearest major river (m), direct distance to nearest main road (m), average yearly precipitation (mm), average yearly temperature (℃) and soil fertility class (1to6class) were selected to simulate the land use pattern in2020in CLUE-S model on the basis of land use changes from1995to2005.The KAPPA index was0.879, which showed general accuracy was believable. But simulating accuracy of construction land distribution was not exact. The shortages of CLUE-S model mechanism were covered by extending the theory of ecology niche.
Land use niche expansion-reduction model in global scale and Land use niche breadth model in micro scale were used to interpret construction land spatial changes in Poyang Lake Region.
4. The quality of eco-environment in Poyang Lake Region had a trend of decreasing, and the key factor of which was water land area. As a case study of Poyang Lake Region from1985to2008, synthesis evaluation model of quality in Poyang Lake Region was build based on grid net30m X30m. The results showed:Eco-environment in Poyang Lake Region was still good, but average quality index of eco-environment decreased from50.03in1985to48.73in2008. Coupling analysis had been done for the spatial-temporal process of land use changes combined with Sensitivity assessment of eco-environment in Poyang Lake Region. The results showed:The dominant factors of eco-environment sensitivity in surrounding areas of Poyang Lake were water land area changes. On one hand, policy of "reclaiming the lake from farmland" was carried out well, meanwhile the water area enlarged, so the quality of regional eco-environment became well. On the other hand, policy of "make cultivated land from lake area" was the reason, that regional eco-environment became better than before. The negative effects of new construction land were more than the positive effect to regional eco-environment. The changes of forestry land area had obvious influences to regional eco-environment.
5. Measures on land resources sustainable utilization in Poyang Lake Region must implement with multi-way with the basis of the regional resource character and innovating concepts. Land resources in Poyang Lake Region were different with each other obviously. In order to protect the eco-environment and to enhance the sustainable development of regional social and economic, function zoning should be implemented by dividing function zone, rational distributing Agricultural land area, eco-forestry land area, city and industry land area, wetland reserve land area. Innovating drainage basin management conception and implementing new urbanization style as well as developing eco-tourism were all put forward too.
On the basis of relating researches on Poyang Lake Region by many scholars, deeper researches had been done on the land use changes of Poyang Lake Region by enlarging time limit, refreshing research methods, enriching theories of research and so on. The main innovations of the thesis are as following:
1. Land use database were constructed from1954to2008which extended a longer time series in Poyang Lake Region. Spatial Lorenz curve and Gini coefficient were adopted to analyze the spatial change processes of main land utilization in Poyang Lake Region. Theory of ecology niche was expanded. Land use niche model was adopted to explain land use spatial changes.
2. Basement were build for simulating the spatial-temporal land use changes by integrating3S technology, fine grid net and CLUE-S model simulating technology together. Most important was100m×100m grid which could analyze driving forces of land use changes in CLUE-S model more accurate. Researches on effects of land use changes on eco-environment based on grid30m X30m analyzed how different kinds of land utilization contributed to the quality changes of regional eco-environment.
3. With the basis of land use changes simulating and eco-environment status,4kinds of function zones were divided, and measures on land resources sustainable utilization in Poyang Lake Region were put forward.
人类活动与自然条件变化直接引起土地利用/土地覆被的变化,进而影响到生态环境的变化。因此,研究鄱阳湖区近50年土地利用变化的时空过程、辨析其驱动因素并进行土地利用变化模拟、定量评价土地利用变化对区域生态环境变化的影响强度,对促进区域土地资源可持续利用与社会经济的可持续发展具有重要的理论和现实意义。
本文以土地利用时空变化过程及其对生态环境的影响为主线,采用文献调查、“3S”技术、模型模拟方法、数理统计方法及实践调查方法,通过研究取得了以下主要成果：
1.鄱阳湖区近50年各类土地利用变化以耕地、水域和建设用地为主线,6种地类呈现出不同空间形态的变化规律。
①数量变化：近50年变化最为剧烈的是建设用地,仅1971～2008年,建设用地面积变化幅度达6.3倍之多；耕地和水域总量基本保持平衡,耕地呈现出先增后减再平衡的变化曲线,而水域呈现为先减后增再缓慢微降的变化趋势；草地和林地减少幅度较大,在1971～2008年间,总量减少约20%。
②空间变化：运用空间洛伦茨曲线和基尼系数分析了鄱阳湖区主要土地利用类型空间分布的变化过程,耕地、林地和水域在鄱阳湖区空间分布均衡且年际波动小；草地、建设用地和未利用地空间分布较不均衡且土地利用有聚集的趋势,如未利用地集中分布于星子县、余干县、新建县和鄱阳县等县(区)。
③土地利用景观格局的变化：总体上呈现出用地聚集度上升、多样性减少的趋势,如1985-2005年,土地利用景观的斑块数(NP)从18040减少到17571、最大斑块指数(LPI)从13.3985增加到15.8938、香农多样性指数(SHDI)从1.6143减少到1.6091、聚集度指数(AI)从94.7527略增到94.6168。
2.鄱阳湖区土地利用变化以政策驱动为主、社会经济驱动为辅。通过选取1954-2008年间的经济、人口、投入和收入4类11个代表性指标,经主成分分析降维后形成主成分F1、F2,然后与标准化处理后的1954～2008年鄱阳湖区主要地类数据(耕地、建设用地和水域)进行曲线拟合,并结合期内土地利用政策变化综合分析,结果显示：耕地、水域变化和F1、F2的相关度不高,其主要驱动力是土地利用政策；而建设用地的变化与F1呈正相关、F2呈负相关,表明其主要驱动力为社会经济因子。
3.鄱阳湖区土地利用变化用CLUE-S模拟的精度好,但缺乏土地利用变化的机理支持,需要进一步完善。基于鄱阳湖区100m×100m土地利用格网,选用地均GDP、人口密度、海拔高度、平均坡度、到最近城市距离、到最近河流距离、到最近主要公路距离、年平均降水量、年平均气温和土地有机质含量等10个指标,建立了基于1995～2005年土地利用变化数据的CLUE-S模型并模拟2020年土地利用格局,模拟结果的KAPPA指数达0.879,总体模拟精度高,但建设用地分布的模拟精度较差。通过扩展土地利用生态位理论弥补了CLUE-S模型在机理上的不足,并在微观尺度用生态位宽度模型解释土地利用变化的原理、在全局尺度用经济生态位模型实证分析了鄱阳湖区建设用地的空间变化。
4.鄱阳湖区生态环境质量呈下降趋势,而水域是维系区域生态环境质量稳定的关键因素。以鄱阳湖区1985～2008年为例,根据生态丰度指数、NDVI、NDSI和NDMI数据,建立基于格网(30m×30m)的鄱阳湖区生态环境质量综合评价模型,结果显示鄱阳湖区生态环境状况较好,但生态环境质量指数均值从1985年的50.03降到了2008年的48.73；通过基于格网的区域土地利用变化与生态环境质量变化耦合分析,结果显示：水域变化是维系区域生态环境质量的关键,如“围湖造田”使区域生态环境质量显著变差,而“退田还湖”使得区域水域扩大、生态环境质量显著变好；新增建设用地对区域生态环境质量的负向效应大于正向效应；林地变化对区域生态环境质量变化有重要影响。
5.鄱阳湖区土地资源可持续利用应结合区域资源特点,创新观念、多管齐下。鄱阳湖区土地资源地域分异明显,应通过鄱阳湖区土地利用分区,划分土地利用功能区,合理布局农业用地区、生态林用地区、城镇及工业用地区和湿地保护区,创新流域管理理念,发展生态旅游,结合新型城镇化、保护生态环境,促进区域社会经济的可持续发展。
本文在前人对鄱阳湖区相关研究的基础上,通过扩展研究时限、更新研究手段、丰富研究理论,对鄱阳湖区的土地利用变化进行深度研究。本研究的主要创新有：
1.构建了1954-2008年鄱阳湖区长时间序列土地利用数据库；以此为基础,基于洛伦茨曲线和基尼系数分析土地利用空间差异,尝试用土地利用生态位模型对鄱阳湖区1954-2008年的土地利用变化进行解释。
2.应用“3S”技术、精细格网与CLUE-S模型模拟技术综合集成,为土地利用变化时空模拟搭建了新的技术平台,特别是100m×100m格网能够在CLUE-S模型中更准确分析土地利用变化的驱动因子。基于30m×30m格网的土地利用变化生态环境效应研究,精确地分析了各种土地利用变化方式对区域生态环境质量变化的贡献。
3.在土地利用变化模拟及预测,生态环境效应分析的基础上对鄱阳湖区土地利用进行分区并提出差异化的可持续利用对策。
Poyang Lake Region is located at the north of Jiangxi Province, which includes11counties/cities/districts around Poyang Lake such as Nanchang county, Xinjian county, Jinxian county, Hukou county, Yongxiu county, De'an county, Poyang county, Xingzi county, Douchang county, Yugan county and Jiujiang city and so on, covers an area of19761.5km2. Over the last50years, Poyang Lake Rigion suffered high pressure from regional population, economic and resource, facing a series of eco-environment problems such as water and soil erosion, soil degradation, water pollution, flood and drought disasters which occurred frequently, biological diversity decreasing and some other problems.
The regional land use/land cover changed obviously because of the changes of natural conditions and increasing intensity of human activity. So, researches were necessary to be implemented including spatial-temporal process of land use change in Poyang Lake Rigion over the past50years, analyzing the driving force and simulating land use change, quantitative evaluating the intensity which land use changes influence on eco-environment and so on. There were great theoretical and realistic significances on how to promote regional land resource sustainable utilization and social sustainable development as well as economic.
Document survey,3S technology, model simulation, mathematical statistics method and practice investigation were used in the thesis based on the mainline of spatial-temporal changes of land use and eco-environmental influences. Some main results had been got as following:
1. The most changes in Poyang Lake Region over the past50years were cultivated land, water land and construction land. Six kinds of land utilization had different spatial rules.
①Quantitative changes:Construction land changed mostly in latest50years especially the area in2008was6.3times more than in1971.Cultivated land almost kept same total area as before though increased some first then decreased some later. Water land area decreased some first then increased some later then decreased a little while, but its total area almost did not have much changes. Both grass land and forestry land area lost about20%from1971to2008.
②Spatial changes:Spatial Lorenz curve and Gini coefficient were adopted to analyze the spatial change processes of main land utilization in Poyang Lake Region. Cultivated land, forestry land and water land area were distributed balanced and did not have much annual fluctuating. Grass land, construction land and unused land were distributed unbalanced and had a trend of gathering, especially unused land converging in Xinjian county, Poyang county, Xingzi county and Yugan county.
③landscape pattern changes of land use:General land utilizations were converging, and diversity were decreasing, e.g. from1985to2005, the Number of Patches (NP) decreased from18040to17571, the Largest Patch Index (LPI) increased from13.3985to15.8938, the Shannon's Diversity Index (SHDI) decreased from1.6143to1.6091, and the Aggregation Index (AI) increased from94.7527to94.9168.
2. The main driving force of land use changes in Poyang Lake Region was policy; secondary driving force was social economical factors.11indexes were chosen to be on behalf of4kinds of factors including economic, population, input and income from1954to2008. F1and F2were left after dimension reduction by principal components analysis. Main land utilization data which includes cultivated land, construction land and water land from1954to2008were standard transacted first, and then analyzed by multi-variation linear regression model as well as land use policies' changes. The results showed:Both cultivated land and water land did not have obvious correlation with principal component F1and F2and main driving force were land use policy. The changes of construction land had positive correlation with principal component F1and negative correlation with principal component F2. So that its main driving force was social economical factors.
3. Simulation of land use changes in Poyang Lake Region got an accuracy result, but mechanism of land use change was required to consummate in next step.100m×100m grid net technology were used in the research. Ten factors, which included gross domestic product at current price (GDP, million Yuan), population density (persons/km2), mean elevation (m), mean slope (based on90m DEM), direct distance to nearest city (m), direct distance to nearest major river (m), direct distance to nearest main road (m), average yearly precipitation (mm), average yearly temperature (℃) and soil fertility class (1to6class) were selected to simulate the land use pattern in2020in CLUE-S model on the basis of land use changes from1995to2005.The KAPPA index was0.879, which showed general accuracy was believable. But simulating accuracy of construction land distribution was not exact. The shortages of CLUE-S model mechanism were covered by extending the theory of ecology niche.
Land use niche expansion-reduction model in global scale and Land use niche breadth model in micro scale were used to interpret construction land spatial changes in Poyang Lake Region.
4. The quality of eco-environment in Poyang Lake Region had a trend of decreasing, and the key factor of which was water land area. As a case study of Poyang Lake Region from1985to2008, synthesis evaluation model of quality in Poyang Lake Region was build based on grid net30m X30m. The results showed:Eco-environment in Poyang Lake Region was still good, but average quality index of eco-environment decreased from50.03in1985to48.73in2008. Coupling analysis had been done for the spatial-temporal process of land use changes combined with Sensitivity assessment of eco-environment in Poyang Lake Region. The results showed:The dominant factors of eco-environment sensitivity in surrounding areas of Poyang Lake were water land area changes. On one hand, policy of "reclaiming the lake from farmland" was carried out well, meanwhile the water area enlarged, so the quality of regional eco-environment became well. On the other hand, policy of "make cultivated land from lake area" was the reason, that regional eco-environment became better than before. The negative effects of new construction land were more than the positive effect to regional eco-environment. The changes of forestry land area had obvious influences to regional eco-environment.
5. Measures on land resources sustainable utilization in Poyang Lake Region must implement with multi-way with the basis of the regional resource character and innovating concepts. Land resources in Poyang Lake Region were different with each other obviously. In order to protect the eco-environment and to enhance the sustainable development of regional social and economic, function zoning should be implemented by dividing function zone, rational distributing Agricultural land area, eco-forestry land area, city and industry land area, wetland reserve land area. Innovating drainage basin management conception and implementing new urbanization style as well as developing eco-tourism were all put forward too.
On the basis of relating researches on Poyang Lake Region by many scholars, deeper researches had been done on the land use changes of Poyang Lake Region by enlarging time limit, refreshing research methods, enriching theories of research and so on. The main innovations of the thesis are as following:
1. Land use database were constructed from1954to2008which extended a longer time series in Poyang Lake Region. Spatial Lorenz curve and Gini coefficient were adopted to analyze the spatial change processes of main land utilization in Poyang Lake Region. Theory of ecology niche was expanded. Land use niche model was adopted to explain land use spatial changes.
2. Basement were build for simulating the spatial-temporal land use changes by integrating3S technology, fine grid net and CLUE-S model simulating technology together. Most important was100m×100m grid which could analyze driving forces of land use changes in CLUE-S model more accurate. Researches on effects of land use changes on eco-environment based on grid30m X30m analyzed how different kinds of land utilization contributed to the quality changes of regional eco-environment.
3. With the basis of land use changes simulating and eco-environment status,4kinds of function zones were divided, and measures on land resources sustainable utilization in Poyang Lake Region were put forward.
引文
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