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生态安全条件下的土地利用格局优化模拟研究 "
( ( ( 以中国北方农牧交错带为例
苏 ! 伟 ! 陈云浩 "" ! 武永峰 ! 李 ! 京 ! 张锦水
北京师范大学资源学院 ! 国家遥感中心全球变化与可持续发展研究部 ! 北京 ! " " # ’ %
摘要 !! 在综合使用 ) 自上而下 * 的灰色线性规划 " 方法 和 ) 自 下 而 上* 的 元 胞 自 动 机" D B R# , M# 方法的基础上 ! 建立了土地利用格局优化模拟 B XI +" 3 1 6 ZG V 54 1 \ \ 5 H 69 \ 2 0 2 : 2 6 2 0 G 3 1 \ 2 9 60 9 Z & 4 7V 模型 ! 进行了中国北方农牧交错带生态安全条件下的土地利用格局优化模拟研究 ; 通 过 D # 5 3 B R方 法 # 个方面共 ! ! 个生态安全约束条件的限定与单纯形法求解 ! 得 出 ) 种 情景 下的总 量控制 优化 方 案 % 以宏观用地总量需求和微观土地供给相平衡 为原 则 ! 利 用具 有复杂 空间 演变能 力的 , M 模 型! 完成土地空间分配 ; 模拟结果表明 ! 与当前土地利用格 局相 比 ! 在 $ " ! " 年 林地 和草地 增加 & 耕地 减少 & 城镇用地增加的优化情景下 ! 研究区可同时获得满意的生态效益 & 经济效益和社会效益 ; 关键词 !! 生态安全 ! 土地利用格局 ! 灰色线性规划 ! 元胞自动机 !! 生态 安全是指 人类生 存和 发展所 需 的 生态 环 境 处于不受或少受破 坏 与 威 胁 的 状 态 ! 亦 即 生 态 环 境 能满足人类的持 续 生 存 与 发 展 需 求 ! 而 不 损 害 生 态 环境的潜力 ! 是任何 一 个 区 域 进 行 资 源 开 发 必 须 遵 循的可持续发展 准 则 ; 土 地 利 用 格 局 优 化! 实 质 是土地资源合理配 置 和 景 观 生 态 合 理 规 划 ! 可 以 协
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土地利用变化空 间 模 拟 分 析 ! 难 以 检 测 小 区 域 上 发
’ ’ 生突变的 , 热点 - 像元 & ; 虽然 人们在 , B X / 模型
的基础上发展了适于 小 尺 度 的 , B X / & + 模 型! 解 决 了适用尺度问题 ! 但 是 难 以 检 测 没 有 变 化 历 史 的 土 地利用变化情况 " 如 对 原 始 森 林 的 砍 伐$ ;又比如新 近发 展 的 中 国 土 地 利 用 变 化 的 情 景 模 拟 + B XO 模 型 ! 不足之处是仅仅 考 虑 了 社 会 系 统 对 土 地 利 用 的 驱动作用 ! 对自然和 社 会 因 素 综 合 影 响 下 的 土 地 利
#’ 用时空情景变化 进 行 模 拟 的 能 力 显 得 薄 弱 & ;本文
调生态效 益 % 经 济 效 益 和 社 会 效 益 三 者 之 间 的 关 系 ! 其模拟 研 究 已 成 为 土 地 利 用(覆 盖 变 化 研 究 的 热点内容之一 ; 有不 少 类 似 的 研 究 着 力 于 通 过 建 立 模型来探讨 土 地 利 用 格 局 优 化 模 拟 的 理 论 与 方 法 ! 并进行了 有 益 的 探 索 ; 目 前 国 际 上 很 有 代 表 性 的 , B X / 模型是一种基于 经 验 统 计 原 理 的 多 尺 度 表 达 模型 ! 可从人口 统 计 % 土 壤 % 地 貌 % 气 候 等 各 方 面 进行统计 分 析 ! 该 模 型 已 经 分 别 成 功 应 用 于 中 美 洲
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借鉴 + B XO 模型框架 ! 综合考虑自 然因素 和 社 会 因 素对土地利用格 局 的 影 响 ! 改 进 模 型 结 构 ! 建 立 了 土地利用格局优化模拟 B XI + 模型 ! 对研究 区生态 安全条件下的土地利用格局优化模拟进行了探索 ; 中国北方农牧交 错 带 地 区 是 指 年 平 均 降 水 量 在 $ % "*% " "00 的干旱 % 半 干 旱 地 区 ! 是 我 国 农 业 生 产条件比较严酷 % 农 业 生 产 力 比 较 低 的 部 分 ! 是 将 我国的东北 % 华北农 区 与 天 然 草 地 牧 区 分 割 的 生 态
P’ ! 其核心范围 是 温 带 风 沙 草 原 与 暖 温 带 黄 过渡带 &
% 厄瓜多尔
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%中国
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和印度尼西亚
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的土地
利用变化模拟工 作 中 ; 但 是 其 反 映 土 地 利 用 微 观 格
)’ !适用于大尺度 局演化复杂性特 征 的 能 力 比 较 弱 &
" 像元大小介于 ’ ^ 0N’^ 0 到( $^ 0N( $^ 0 之 间$
" " % & " ) & ! ( 收稿 !$ " " % & " ’ & $ P 收修改稿 !$ $ % 国家新技术研究发展计划 " 和高等学校博士点基金 " 资助项目 $ $ D $ " " " " ! # ) " " $ " " $ M M ! ( " " $ " $ " " ( " " $ ’ " ! K ! " 国家重点基础研究发展规划 " # / & 0 1 2 3 2 H 5 V ; < 6 < U !" " 通讯作者 ! ! ‘
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! "’ ! 具 体 地 理 范 围 见 图 !; 自 $ 土高原区 & "世纪以
来 ! 人们过度开垦草 原 与 不 合 理 的 毁 林 开 荒 使 本 来 就不连贯的贺兰山 阴山生态屏障更加脆弱 ! 以 致 风 & 沙长驱直入鄂尔 多 斯 西 北 部 ! , 农 牧 业 两 败 俱 伤) 水土流失 % 土地退 化 等 情 况 十 分 严 重 ! 成 为 一 条 可 与非洲撒哈 拉 人 口 饥 饿 地 带 相 比 较 的 生 态 脆 弱 带 ; 更令人担忧的是 # 不 仅 农 牧 交 错 带 本 身 的 生 态 环 境 受到破坏 ! 其 负 面 影 响 还 波 及 华 北 尤 其 是 京 津 地 区 ; 因此 ! 合理配置土地资源利 用 方式 % 优 化 土 地利用格局意义重大 ;
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(! 模型
() (! 模型结构 该模型可以分为 两 部 分 # 非 空 间 模 拟 和 空 间 模 拟部分 " 如图 $$ ;非空间模拟部分主要是计算各土 地利用类型的需 求 量 ! 选 择 了 灰 色 线 性 规 划 " D B R$
! $’ 优化资源配置方法 & ; 该方法中约束 条件的 约束值
可以 是 变 动 的 ! 有 的 可 以 用 时 间 序 列 来 描 述 ! 用
! (*! %’ 模 型& 进 行 预 测 得 到! 是 个 区 间 数! !!!$ D=" 在土地利用格局 优 化 中 既 可 以 按 下 限 配 置 ! 也 可 以
按上限配置 ! 还可以 根 据 实 际 的 自 然 状 况 和 社 会 经 济发展状况使用区 间 中 的 任 意 白 化 值 进 行 配 置 ; 在 区间内 ! 只要得到 一 组 白 化 值 ! 便 可 得 到 一 组 优 化 方案 ! 从而使资源配 置 能 够 获 得 最 优 结 构 及 其 发 展 变化情况 ; 空间模拟部分是 通 过 具 有 模 拟 复 杂 系 统 时 空 动 态演化能力的元胞自动机 " 来 实 现 的 ;, , M$ M 是定 义在一个由具有离 散 % 有 限 状 态 的 元 胞 组 成 的 元 胞 空间上 ! 并按照一 定 局 部 规 则 ! 在 离 散 的 时 间 维 上
图 (! 中国北方农牧交错带区域示意图
演化的动力学系 统 ; 换 言 之 ! 元 胞 自 动 机 就 是 一 个 元胞空间 和 定 义 于 该 空 间 的 变 换 函 数 ! 由 组 成 元
! )’ 胞 % 元胞空间 % 邻居及规则四部分所组成 & ; 各土
图 *! 模型结构
地利用类型的分 布 具 有 分 布 式 特 征 ! 元 胞 是 , 自下 而上 - 研究其离 散 分 布 微 观 特 征 的 载 体 ! 两 者 具 有 相互结合的相似 % 相通之处 ; () *! 模型框图 利用 B XI + 模型进行生态安全 条件 下 的 土地 利
用格局优 化 的 具 体 思 路 为 # 在 宏 观 D B R方法生态 安全约束 条 件 的 控 制 下 ! 利 用 元 胞 及 邻 居 的 状 态 ! 通过规则 (变换函数完成中国北方农牧交错带土地利 用优化格局的空间配置 ! 实现宏观与微观结合 % 空间 模型与社会经济模型结合 ! 模型组成如图 ( ;
