1980—2020年河南沿黄粮食主产区土地利用时序过程分异特征.pdf
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1、西南农业学报1594Southwest China Journal of Agricultural Sciences引用格式:杨崇科,马泉来,曹艳杰,周浩:198 0 2 0 2 0 年河南沿黄粮食主产区土地利用时序过程分异特征J.西南农业学报,2 0 2 3,36(8):159416 0 2.Yang C K,Ma Q L,Cao YJ,Zhou H.Differentiation characteristics of land use temporal processes in main grain producing areas along the Yellow Riverin Hena
2、n province from 1980 to 2020J.Southwest China Journal of Agricultural Sciences,2023,36(8):1594-1602.D0I:10.16213/ki.scjas.2023.8.003.2023年36 卷8 期Vol.36No.81980一2 0 2 0 年河南沿黄粮食主产区土地利用时序过程分异特征杨崇科,马泉来”,曹艳杰,周浩”(1.河南省资源环境调查一院,郑州450 0 0 7;2.河南省自然资源科技创新中心(资源环境承载能力评价与监测预警研究),郑州450007;3.湖南师范大学地理科学学院,长沙410 0
3、8 1)摘要:【目的】从时序过程视角定量揭示河南沿黄典型粮食主产区的土地利用动态演化规律,深化土地利用变化内在规律挖掘和多维表达研究,为土地科学开发与利用提供理论支持。【方法】在多期土地利用数据支持下,基于时空栅格建模手段构建累积动态度模型(CDDLU)以提取土地利用变化时序过程信息,继而采用空间自相关分析、形态分析等研究手段,揭示长时间序列土地利用变化过程分异特征,挖掘土地利用变化内在规律。【结果】40 年来,河南沿黄6 县土地利用变化的异质性特征显著,研究时段内的前期土地利用变化强度偏低,后期县域建成区周边变化加剧,土地利用变化趋于发生在东北偏东一西南偏西方向;CDDLU指数类型I所对应的
4、土地分布规律性特征弱,而类型的土地极化特征突出;土地利用变化集聚性以高一高型和低一低型为主,其中高一高型主要分布在黄河沿岸临近区以及主要城镇中心,应重点关注其土地利用生态及发展问题,低一低型需持续保障农民粮食种植效益,不显著区的面积占比近1/2,需进一步加大对该类型区的耕地保护力度。【结论】构建的土地利用累积动态度模型(CDDLU)能较好揭示长时间序列土地利用变化的过程性规律,可为加强对土地利用变化认知、促进土地资源优化配置提供理论支撑。关键词:土地利用变化;格局;动态度;时序过程;河南中图分类号:S17Differentiation characteristics of land use t
5、emporal processes in main grainproducing areas along the Yellow River in Henan province from 1980 to 2020(1.The First Institute of Resources and Environment Investigation of Henan Province,Zhengzhou 450007,China;2.Science and Technolo-gy Innovation Centre of Nature Resources of Henan Provinces(Evalu
6、ation Monitoring and Early Wamning of Resource Environmental Bearing Capac-ity),Zhengzhou 450007,China;3.Department of Resources and Environment,Hunan Normal University,Changsha 410081,China)Abstract:Objective The study attempted to quantitatively reveal the dynamic evolution law of land use in typi
7、cal major grain producing ar-eas,so as to deepen the mining of the internal law of land use change and multi-dimensional expression research,and provide theoreticalsupport for scientific land development and utilization.MethodBased on data from multiple periods of land use,the study employed spatio-
8、temporal grid modeling techniques to develop a cumulative dynamic degree of land use(CDDLU)model.The model was then utilized to ex-tract information about the temporal and spatial processes involved in land use changes,Subsequently,spatial autocorrelation analysis,spa-tial morphology analysis,and ot
9、her research methods were employed to uncover distinct characteristics in the process of land use changes overextended time periods.The approach aimed to reveal the underlying patterns inherent in land use changes.ResultJOver the past 40 years,the heterogeneity of land use changes were significant.T
10、he intensity of land use changes were lowly in the early stage,and the changes a-round the county built-up areas were intensified in the later stage.The land use change tended to occur in the northeast east-southwest westdirection;The land distribution regularity of CDDLU index type I was weak,while
11、 the land polarization of type II was prominent;Agglomer-ation was mainly high-high types and low-low types,of which high-high types were mainly distributed in the adjacent areas along the Yellow收稿日期:2 0 2 3-0 2-0 7基金项目:河南省重点研发与推广专项项目(2 2 2 10 2 32 0 2 99);河南省财政专项(豫财环资【2 0 2 0】58 号);湖南省自然科学基金项目(2 0
12、2 1JJ40 352);湖南省教育厅创新平台科研项目(2 0 K080)第一作者:杨崇科(198 8-),男,硕士,高级工程师,主要从事资源环境效应及优化配置研究。E-mail:152 90 8 510 6 7 16 3.c o m通讯作者:周浩(1990),男,博士,讲师,主要从事耕地及国土资源综合利用研究。E-mail:z h o u h a o 7 40 4 16 3.c o m文献标识码:AYANG Chong-ke-2,MA Quan-lai-2,CAO Yan-jel-2,ZHOU Hao3文章编号:10 0 1-.48 2 9(2 0 2 3)8-0 1594-0 98期Riv
13、er and the main urban centers,and attention should be paid to its land use ecology and development issues.Low-low types needed to con-tinue to ensure farmers grain planting benefits.The area of non-significant areas accounted for nearly 1/2,and further efforts should bemade to protect the cultivated
14、 land in this type of areas.ConclusionThe cumulative dynamic degree of land use(CDDLU)constructed canreveal the process law of long-term land use change,and provide theoretical supports for strengthening the cognition of local land use changeand promoting the optimal allocation of land resources.Key
15、 words:Land use change;Pattern;Dynamic degree;Sequential process;Henan province【研究意义】自改革开放以来,我国工业化和城镇化进程不断加快,土地资源状态及利用结构快速变化,影响着区域资源承载状态、制约着社会经济可持续发展,进而倒逼人们开始重视土地如何向合理利用的路径转型1-3。对于我国粮食主产区而言,存在客观上的经济发展需求与粮食生产冲突,导致其土地利用变化表现出更为显著的时空过程差异特征4。在此背景下,揭示粮食主产区土地利用变化的过程状态,挖掘空间分异规律,,对加深土地利用认知和保障国家粮食安全具有重要意义。【前人
16、研究进展】作为全球变化研究的组成部分和重要动因,面向粮食生产需求的土地利用变化研究引起了学者高度关注5-7 。当前,相关研究主要集中在经济发达区或生态脆弱区,主要采用如结构比例、转移矩阵、土地利用动态度、热点分析、地统计学分析等模型来简化土地利用过程,分析其基本模式、数量结构和空间格局8-10 。例如,周浩等 通过空间化处理的土地利用动态度指数来揭示东北粮食主产区土地利用变化的剧烈程度;丁智强等12 运用信息图谱论揭示云南哈尼梯田长时间尺度的土地利用时空变化特征及其地形梯度效应;宋戈等13 引入空间形态学中的标准差椭圆,研究三江平原耕地利用变化的方向性特征;杨丽萍等14 基于GEE联合多源数据
17、并采用地理探测器模型研究西安市土地利用时空格1140300EN杨崇科等:198 0 2 0 2 0 年河南沿黄粮食主产区土地利用时序过程分异特征11400E115300E1595局及驱动力特征。【本研究切入点】前人研究的指标如结构比例、动态度指数等主要侧重于研究对象整体或内部结构单元状态的特征描述,难以细致度量单元内部异质性,同时在时空解析上重格局轻过程,定量分析仍显不足15。因此,有必要进一步深化典型粮食产区土地利用变化过程的内在规律挖掘,以实现土地资源优化配置和保障粮食安全。河南省为我国传统商品粮供应基地之一,在保障国家粮食安全中具有极其重要的战略地位。自2 0 世纪初以来,该省工业化、城
18、市化进程较快,导致土地利用变化显著且过程特征趋于复杂16-17 。【拟解决的关键问题】本研究以位于河南黄河沿岸的原阳、封丘等6 个主要产粮大县为研究区,在多期土地利用遥感数据支持下并基于时序过程视角,定量揭示19802020年该地区土地利用变化时空规律与空间分异特征,以期为河南沿黄粮食主产区土地资源的优化配置和粮食安全提供理论支持。1木材料与方法1.1石研究区概况研究区位于黄河干流中部北岸、河南省境内,辖原阳县、封丘县、延津县、长垣县、滑县和濮阳县等6个县级行政区(以下简称“沿黄6 县”)(图1),总面积7 6 57.15km。地势以平原为主,属温带大陆性11500E濮阳县Puyang Cou
19、ntyN.0.00SS滑县Hua CountyN.O.0SoSE延津具Yanjin County原阳县Yuanyang Cotinty113300E11400E长垣市ChangyuanCity封乒县FengqiurCounty015L114300E图1研究区地理位置Fig.1 Location of research areas图例Legend高(High):98.11低(Low):48.0530km县界Countyboundary一黄河YellowRiver11500EN.O.0.SE1596季风气候区,四季分明,但降水年际和区域分布不均,易形成季节性干旱。该地农业开发利用条件较为优越,农业
20、生产空间占国土总面积近8 0%,已成为河南省乃至我国最重要的粮食主产区之一。根据第7 次人口普查数据,2 0 2 0 年其常住人口已达到4.7410人,对应GDP完成1.7 410 元,土地利用及开发程度较高、受人类活动干扰强烈。因此,在相对较小的时空尺度,该地区富集了本研究所需的自然、经济、政策等信息,具有显著的地域特色和代表性。1.2数据来源土地利用遥感数据源来自美国陆地资源卫星Landsat多光谱遥感影像,数据获取自美国地质勘探局 USGS(h t t p:/e a r t h e x p l o r e r.u s g s.g o v/),过程中涉及选用不同的卫星数字产品,辅以中国科学
21、院资源环境科学数据中心(http:/)的中国土地利用现状遥感监测数据”(30 m)。影像数据在几何纠正、图像增强等预处理的基础上,进行EN-VI多波段标准假彩色融合,然后采用人机交互式目视解译方法,并结合后期的室内数据纠正,进行1980年、1990 年、2 0 0 0 年、2 0 10 年和2 0 2 0 年共5期土地利用信息识别,具体划分类型包括耕地(旱地和水田)、林地、草地、水域、建设用地(城镇建设用地、农村居民点和其他建设用地)和未利用地六大类。行政区划数据来自于当地自然资源管理部门。研究中各图件经投影变换统一转为Albers双标准纬线等积投影。1.3试验方法结构比例、动态度指数等指标主
22、要侧重于研究对象整体或内部结构单元状态的特征描述。本研究尝试将时序过程纳人土地利用变化分析,基于能够反映状态特征的动态度指数,将其进行空间栅格化处理,然后通过多个相邻年期的动态度指数累加,以获取整个研究期内累积动态度,该累积动态度可反映研究时段整体的土地利用变化快慢情况;继而基于该累积动态度,采用如空间自相关、空间形态等分析模型,以揭示土地利用变化时序过程所对应的空间分异特征。1.3.1动态度指数及其栅格化处理动态度指数能客观描述土地利用变化状态的总体特征。其中,单一动态度K为某地类在研究期的面积变化速率,综合动态度Lc为所有地类在研究期的整体面积变化快慢情况K=(U,-U)TU.西南农业学报
23、2ALu-n100%22Lun式中:U。为对应地类在研究期初期的面积(km);U,为该地类在研究期末期的面积(km);T 为研究时段长度(a);Lu为研究期初期i种地类的面积(k m);Lu i-,为i种地类变为j种地类的面积(km)。动态度指数仅从数量上描述了土地利用变化的状态特征,但考虑到土地利用的空间异质性特点,同一地区不同位置的变化速度存在差异,因此借鉴景观生态学中能反映景观格局特征的网格采样法,并考虑平均斑块面积大小(平均斑块面积的2 5倍能较好反映采样区周围景观格局的异质性特征18 ),确定网格采样尺寸2 km2km(共有样区2100个),进而实现土地利用动态度Lc的采样处理;将对
24、应网格的Lc 值视作该网格中心点值,并运用克里金插值法(Kriging),实现河南沿黄6 县综合动态度的栅格化处理(分辨率为30 m)。1.3.2土地利用累积动态度(CDDLU)构建为实现土地利用变化的三维时空过程向二维平面压缩,本研究对所有相邻时段动态度差值的绝对值进行求和,获得土地利用累积动态度(Cumulative dynamicdegree of land use,CDDLU),以深化土地利用变化研究。CDDLU值大小反映不同时序过程所对应的土地利用变化快慢程度,CDDLU值越大则土地利用变化时序过程越强烈19CDDLU=ZIL,-L+1 t=1式中:t为年份时点由小到大的序列数,本研
25、究中1980年、1990 年、2 0 0 0 年、2 0 10 年和2 0 2 0 年的t值依次为1、2、3、4和5;L,代表对应年份时点栅格化处理后的综合动态度值。同时,为实现研究区不同变化时序过程类型的划分,采用K-means聚类法对CDDLU值进行等级类型评价,以保证每一类型的差异最小,进而挖掘土地利用变化的时序过程分异规律。1.3.3空间自相关特征土地利用变化作为地理过程现象,通过检验其空间自相关特征,可以分析某一位置的要素观测值与相邻位置上的观测值关联程度,分全局空间自相关和局部空间自相关2 类2 0 :全局空间自相关用来描述整个研究区域的空间分布模式和度量属性值在整个区域的分布态势
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