基于層次聚類法的四川省“長(zhǎng)治”工程土地利用分區(qū)研究

吳驍博，尹忠東，高廣磊，李耀明，陳 倩，康 璇

（北京林業(yè)大學(xué)水土保持學(xué)院，北京 100083）

國(guó)外土地利用分區(qū)的研究，起步比較早，經(jīng)歷了從制定土地開發(fā)利用方向、解決土地合理分配與布局到現(xiàn)代化分區(qū)的3個(gè)階段[1]。GIS技術(shù)和一些數(shù)學(xué)方法在土地利用分區(qū)上得到了廣泛的應(yīng)用。國(guó)內(nèi)的土地利用分區(qū)研究起步相對(duì)較晚，從20世紀(jì)60年代開始，科學(xué)家先后采用計(jì)量地理學(xué)的方法，提出改進(jìn)聚類分析法、空間疊加分析法、星座圖法、模比系數(shù)法等4種對(duì)土地利用分區(qū)數(shù)據(jù)進(jìn)行處理的方法，對(duì)全國(guó)土地利用進(jìn)行分區(qū)[2]。

土地利用分區(qū)是按照土地治理改造模式的不同劃分的特定區(qū)域，并針對(duì)其經(jīng)濟(jì)、社會(huì)目的，制定經(jīng)營(yíng)管理策略。其目的是探討土地利用的組成及綜合特性，了解土地利用中存在的問題，為土地可持續(xù)利用提供基礎(chǔ)。

四川省川中地區(qū)位于長(zhǎng)江上游，面積48.5 km2，是一個(gè)農(nóng)業(yè)發(fā)達(dá)地區(qū)。新中國(guó)成立初期，全省水土流失面積僅占幅員面積的16.68%。由于人類活動(dòng)的加劇，到1988年全省水土流失面積占幅員面積的比例達(dá)41.2%。自1989年以來，隨著“長(zhǎng)治”、“天保”、退耕還林等生態(tài)環(huán)境建設(shè)工程的實(shí)施，水土流失面積逐年減少。四川省“長(zhǎng)治”工程以大流域?yàn)橐劳校孕×饔驗(yàn)閱卧云赂貫橹卫碇攸c(diǎn)，實(shí)行工程措施、生物措施和保土耕作措施并舉，對(duì)山、水、林、田、路進(jìn)行綜合治理[3]。治理措施包括改造坡耕地、植被覆蓋、營(yíng)造水土保持林等，土地利用結(jié)構(gòu)發(fā)生改變。不同區(qū)域的土地利用結(jié)構(gòu)具有相似性和差異性，并與各個(gè)地區(qū)的自然條件和社會(huì)經(jīng)濟(jì)發(fā)展因素相關(guān)。因此，土地利用分區(qū)對(duì)研究區(qū)農(nóng)業(yè)區(qū)劃、資源利用、土地利用類型規(guī)劃具有可持續(xù)發(fā)展意義。土地利用分區(qū)有利于因地制宜地開發(fā)利用區(qū)域土地資源，充分發(fā)揮各區(qū)比較優(yōu)勢(shì)，增進(jìn)土地利用效益，促進(jìn)區(qū)域生態(tài)環(huán)境良性發(fā)展，提高四川省“長(zhǎng)治”工程的生態(tài)效益[4-10]。

1 研究區(qū)概況

四川省“長(zhǎng)治”工程第五期小流域綜合治理涉及金沙江中下游和嘉陵江流域的9個(gè)市（州）所轄的37個(gè)縣（市、區(qū)），共竣工212條小流域，總土地面積6 971.55 km2。嘉陵江流域?qū)賮啛釒駶?rùn)季風(fēng)氣候，年均溫一般在16～18℃左右，全區(qū)年降雨量在800～1 200 mm之間；地貌以丘陵地貌為主，坡度平緩，地表崎嶇，巖性松散，巖層以紫砂頁(yè)巖、灰?guī)r為主；土壤以紫色土、黃壤和水稻土為主；降雨量大，人類活動(dòng)較頻繁，墾殖指數(shù)高，水土流失嚴(yán)重。金沙江中下游地區(qū)屬于熱河谷氣候，年降雨量在500 mm左右，降雨集中在5～10月份，約占全年降雨量的70%～90%；地貌以中山、低山地貌為主，地形破碎，河谷深切，泥石流活動(dòng)頻繁，巖層以灰?guī)r、紫色砂頁(yè)巖、紫色巖為主，土壤以黃土壤、紅壤為主。研究區(qū)氣候溫和，雨量充沛，四季分明，光熱資源適宜，利于農(nóng)作物生長(zhǎng)和植被繁衍。

研究區(qū)土壤侵蝕類型以水力侵蝕為主，尤其以面蝕最為嚴(yán)重，金沙江下游地區(qū)泥石流災(zāi)害比較突出。水土流失導(dǎo)致的土壤生產(chǎn)力下降、災(zāi)害頻發(fā)、生態(tài)環(huán)境惡化等問題成為阻礙該區(qū)社會(huì)經(jīng)濟(jì)發(fā)展的重要因素。

2 研究方法

2.1 樣本數(shù)據(jù)采集

通過調(diào)查和收集數(shù)據(jù)、資料和圖件，了解研究區(qū)的土地利用狀況。本研究選用二級(jí)地類的農(nóng)地、林地、草地、荒地以及其他用地5個(gè)地類作為分區(qū)依據(jù)（見表1），其原因在于它們?cè)谕恋乜偯娣e中所占比重較大，能體現(xiàn)研究區(qū)的用地特點(diǎn)，確保分區(qū)的準(zhǔn)確性。依據(jù)上述原因，求出各土地利用類型占總土地面積的百分比，其計(jì)算公式見式（1）。

2.2 數(shù)據(jù)處理

采用層次聚類法（Hierarchical cluster）進(jìn)行土地利用類型區(qū)的劃分。層次聚類法是通過逐漸凝聚，將所有個(gè)體變成小集體，最終達(dá)到目的性的多個(gè)大類。為了能將樣本劃分成不同的類別，必須定義一種距離測(cè)量方法和距離指標(biāo)來度量同一類樣本間的類似性[11]。本文采用歐氏平方距離來描述任意兩個(gè)個(gè)體之間的離散程度，即距離。那么，對(duì)任意2個(gè)個(gè)體X=（x1，x2，…，xn）T，Z=（z1，z2，…，zn）T，其距離計(jì)算公式見式（2）。

表1 “長(zhǎng)治”工程所在的9個(gè)市的5項(xiàng)土地利用比例的指標(biāo)統(tǒng)計(jì) （%）

式中：D表示兩個(gè)體之間的距離；xi，zi，i＝1,2，…，n分別表示個(gè)體X和Z的第i個(gè)屬性值。

3 土地利用分區(qū)確定

從土地利用結(jié)構(gòu)中選農(nóng)地、林地、草地、荒地以及其他用地占地百分比等5個(gè)指標(biāo)，構(gòu)建土地利用分區(qū)體系，利用層次聚類法，對(duì)四川省東北部9個(gè)市州各區(qū)域范圍內(nèi)的5項(xiàng)指標(biāo)進(jìn)行了統(tǒng)計(jì)，將研究區(qū)分為兩類，其聚類過程如圖1所示。

圖1 “類平均法”聚類分析樹狀圖

通過聚類計(jì)算，將項(xiàng)目區(qū)9個(gè)市州劃分為兩個(gè)土地利用管理區(qū)域，其中遂寧市、廣元市、綿陽(yáng)市、南充市、宜賓市、廣安市、達(dá)州市為第一區(qū)，因這7個(gè)市大部分布在研究區(qū)的中間部位，又稱為中部區(qū)，其它市（州）為第二區(qū)，又稱為周邊區(qū)。

為了更好地反映中部區(qū)及周邊區(qū)各縣區(qū)的土地利用方向和結(jié)構(gòu)的差異性，可進(jìn)一步基于市級(jí)分區(qū)結(jié)果劃分二級(jí)分區(qū)。限于篇幅，縣區(qū)的指標(biāo)統(tǒng)計(jì)數(shù)據(jù)文中不再列舉，二級(jí)分區(qū)的劃分仍以上述聚類方法為途徑進(jìn)行歸類，最終得到四川省“長(zhǎng)治”工程第五期小流域9市（州）37縣（市、區(qū)）的分類結(jié)果，如表2所示。

表2 “長(zhǎng)治”工程所在的9個(gè)市（州）37個(gè)縣（市、區(qū)）土地利用類型聚類分析結(jié)果

4 土地利用分區(qū)分析

4.1 土地利用一級(jí)分區(qū)

4.1.1 中部區(qū)土地利用分析 遂寧市、廣元市、綿陽(yáng)市、南充市、宜賓市、廣安市、達(dá)州市7市位于四川盆地的盆中，人口密度大，達(dá)600人/km2左右，勞動(dòng)力充足，道路建設(shè)與房屋面積廣而大。該區(qū)地勢(shì)起伏，年平均降雨量為800～1 200 mm，且多為大到暴雨，土地利用密集，墾殖指數(shù)高，農(nóng)地面積占地率大于60%，自然植被較少，林地及草地比重小。巖土松散，水土流失嚴(yán)重，且大部分為水蝕。該區(qū)為“長(zhǎng)治”工程的長(zhǎng)江上游水土保持重點(diǎn)防治區(qū)，通過“長(zhǎng)治”工程小流域綜合治理，取得了顯著的生態(tài)效益、經(jīng)濟(jì)效益和社會(huì)效益。該區(qū)經(jīng)濟(jì)較發(fā)達(dá)，GDP增長(zhǎng)迅速，均居四川省前列，能源資源豐富，礦藏品種多，儲(chǔ)藏量大，也是四川地區(qū)主要的天然氣富集地。野生動(dòng)植物蘊(yùn)藏量大，杜仲、天麻等植物蘊(yùn)藏量上萬(wàn)噸。境內(nèi)水能蘊(yùn)藏量達(dá)百萬(wàn)千瓦，建有水電站、火電站，總裝機(jī)容量達(dá)百萬(wàn)千瓦。

4.1.2 周邊區(qū)土地利用分析 巴中市、涼山州兩市在研究區(qū)的周邊，在四川盆地邊緣，地勢(shì)起伏較大，高差大，大部分地面海拔1 400～2 500 m，土谷坡陡峭，氣候總體特征為：冬暖、春早、夏熱、秋涼，四季分明。兩市（州）資源豐富，光熱資源充足，光照較多，氣候溫和，降雨量集中、強(qiáng)度大。該區(qū)森林覆蓋率超30%，生態(tài)優(yōu)美，物產(chǎn)豐富，有利于農(nóng)業(yè)生產(chǎn)的發(fā)展。該區(qū)水土流失、土壤侵蝕嚴(yán)重，特別是泥石流、滑坡等重力侵蝕的發(fā)育。部分地區(qū)地表巖石出露廣泛，人口密度相對(duì)較小，在山地緩坡以及河谷地帶以種植業(yè)為主，墾殖率不及中部區(qū)，在四川省“長(zhǎng)治”工程第五期的治理下，大多以林地分布，主要種植楠竹、板栗、核桃、廣玉蘭、油桐、烏桕、枇杷等。由于土壤侵蝕嚴(yán)重，泥石流等重力侵蝕多發(fā)，坡度陡，導(dǎo)致荒地面積增大。

4.2 土地利用二級(jí)分區(qū)

4.2.1 中部區(qū) 中部區(qū)可分為兩個(gè)二級(jí)區(qū)，按照土地利用類型百分比，平均兩個(gè)二級(jí)區(qū)的各項(xiàng)指標(biāo)，得到表3。從表3得知，中部第一分區(qū)的林地、草地、荒地和其他面積占地率均高于中部第二分區(qū)，但農(nóng)地不及第二分區(qū)。該區(qū)丘陵廣布，平地狹小，土地肥沃，農(nóng)耕地開發(fā)利用廣泛；同時(shí)，林業(yè)用地面積較多，荒地面積相對(duì)較廣。該區(qū)區(qū)位優(yōu)勢(shì)明顯，氣候適宜，日照時(shí)間長(zhǎng)，土質(zhì)優(yōu)良，年平均降雨量較大，物產(chǎn)豐富，糧食、油料作物產(chǎn)量高，水路交通便利，電力資源豐富，工農(nóng)業(yè)發(fā)展較快。第二分區(qū)的各縣（市、區(qū)）土地利用類型以農(nóng)地為主，山巒起伏，溝壑縱橫，地勢(shì)復(fù)雜。該區(qū)水資源豐富，耕地面積廣，墾殖系數(shù)大，農(nóng)業(yè)生態(tài)環(huán)境多樣，糧食、油料等主要農(nóng)產(chǎn)品的產(chǎn)量高，礦產(chǎn)資源儲(chǔ)量大，農(nóng)業(yè)、經(jīng)濟(jì)均具有發(fā)展?jié)摿Α?/p>

表3 中部區(qū)第一分區(qū)和第二分區(qū)的5項(xiàng)土地利用比例的比較 （%）

4.2.2 周邊區(qū) 將周邊區(qū)所包括的8個(gè)縣分成兩大類型，即將周邊區(qū)劃分為兩個(gè)土地利用管理區(qū)域，其中平昌縣為第一區(qū)，通江縣、會(huì)理縣等7縣為第二區(qū)，取兩個(gè)分區(qū)各土地利用類型的平均值，得表4。第一分區(qū)僅包括平昌縣。平昌縣屬四川盆地中亞熱帶濕潤(rùn)季風(fēng)氣候區(qū)，四季分明，氣候溫和，多年日平均氣溫為16.8℃；平昌縣境內(nèi)河道總長(zhǎng)747 km，水力蘊(yùn)藏量13.51萬(wàn)kw，可開發(fā)量6.3萬(wàn)kw；降雨豐富，夏季偏澇；地形以山原、低中山為主，農(nóng)耕地一般在海拔700 m左右，坡耕地利用范圍廣。由于“長(zhǎng)治”工程的實(shí)施，平昌縣水利建設(shè)速度逐步提高，梯田等農(nóng)田水利措施得到落實(shí)。周邊區(qū)第二分區(qū)的雨量、光照、氣溫均適合多種動(dòng)植物生息繁殖，因而資源十分豐富，且地下礦產(chǎn)資源容量大，具有一定儲(chǔ)量的有煤、鐵、石灰?guī)r、白云巖、鋁土、石英、鉀、石膏、大理石、天然氣等。第二分區(qū)林地比重大于農(nóng)地比重，兩者數(shù)量大致呈3∶1的比例。該區(qū)森林覆蓋率高，以常綠喬木樹種居多。

表4 周邊區(qū)第一分區(qū)和第二分區(qū)5項(xiàng)土地利用比例的比較 （%）

5 土地利用分區(qū)驗(yàn)證

將研究區(qū)的一級(jí)分區(qū)與長(zhǎng)江上游及西南諸河水土流失分區(qū)相比，土地利用分區(qū)的中部區(qū)均在盆中丘陵中度水蝕亞區(qū)范圍之內(nèi)，氣候條件與土地利用類型相似，地表崎嶇，自然植被較少，巖性松散，坡耕地面積大，人口密度大，降雨量大而集中，水土流失嚴(yán)重，以中度坡面侵蝕為主。而周邊區(qū)均在該范圍之外，分布在四周，該區(qū)氣候溫和，雨量充沛，雨季降水多，地勢(shì)起伏，海拔高，河流橫穿區(qū)域，以強(qiáng)度侵蝕為主，泥石流、滑坡等重力侵蝕發(fā)育，頻率高，強(qiáng)度大。

6 結(jié) 語(yǔ)

研究區(qū)域分布在嘉陵江中下游和金沙江下游地區(qū)，總土地面積6 971.55 km2。嘉陵江中下游地區(qū)以丘陵地貌為主，坡度平緩，巖層以紫砂頁(yè)巖、灰?guī)r為主，土壤以紫色土為主，降雨量大，人類活動(dòng)頻繁，墾殖指數(shù)高，水土流失嚴(yán)重。本文以“長(zhǎng)治”工程第五期小流域綜合治理竣工驗(yàn)收表為基本數(shù)據(jù)源。研究區(qū)的合理分區(qū)，對(duì)政府制定相關(guān)規(guī)定以及區(qū)縣政府的合作有一定的指導(dǎo)意義，同時(shí)為該區(qū)土地利用規(guī)劃、環(huán)境生態(tài)建設(shè)、水土流失治理提供了可靠的依據(jù)。

在spss技術(shù)支持下，利用層次聚類法，對(duì)四川省“長(zhǎng)治”工程第五期小流域治理區(qū)進(jìn)行了土地利用分區(qū)研究，將研究區(qū)分為周邊區(qū)和中部區(qū)兩個(gè)大區(qū)，并根據(jù)城鎮(zhèn)的土地利用類型指標(biāo)，兩個(gè)大區(qū)分別可分成兩個(gè)小區(qū)。按照土地利用結(jié)構(gòu)的差異性和相似性來劃分的周邊區(qū)和中部區(qū)與西南地區(qū)水土流失分區(qū)的范圍一樣，表明四川省“長(zhǎng)治”工程對(duì)土地利用類型的改變與各地區(qū)水土流失的特點(diǎn)和程度有關(guān)。以林地和荒地為主的地區(qū)侵蝕程度最輕，強(qiáng)度及強(qiáng)度以上的侵蝕主要發(fā)生在以農(nóng)地為主的土地利用方式上；在封禁治理和保土耕作的條件下，無(wú)明顯大面積流失現(xiàn)象，防治水土流失效果好。

[1] Klingebiel A A，Montgomery P H.Land Capability Classification[J].USDepartment of Agriculture Handbook，1961，210.

[2]張占錄，張正峰.土地利用規(guī)劃學(xué)[M].北京：中國(guó)人民大學(xué)出版社，2006.

[3] 肖玉保，齊 實(shí)，馮明漢，等.“長(zhǎng)治”工程對(duì)三峽庫(kù)區(qū)環(huán)境人口容量的影響[J].水土保持通報(bào)，2006，26（2）：49-53.

[4]張彤吉，趙言文，朱閃閃.基于SPSS的長(zhǎng)三角土地利用分區(qū)研究[J].江西農(nóng)業(yè)學(xué)報(bào)，2007，19（11）：77-80.

[5] 李 默，李曉東，馬愛慧.基于SPSS的新疆土地利用分區(qū)[J].資源與產(chǎn)業(yè)，2006，8（4）：59-62.

[6]凌 娟，史勝南.基于RS的棗莊市近20年土地利用動(dòng)態(tài)變化研究[J].安徽農(nóng)業(yè)科學(xué)，2010，（26）：14680-14682，14687.

[7] 文 博，夏 敏.基于土地利用變化的生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)價(jià)值評(píng)估——以贛州市全南縣為例[J].江西農(nóng)業(yè)學(xué)報(bào)，2010，22（6）：154-156，159.

[8] 楊艷超，周榮福，林 箏.基于遙感和GIS的臺(tái)兒莊區(qū)土地利用變化研究[J].安徽農(nóng)業(yè)科學(xué)，2010，（25）：14031-14033.

[9] 嚴(yán)海濤，劉學(xué)錄.基于生態(tài)效益的蘭州市土地利用結(jié)構(gòu)優(yōu)化研究[J].湖南農(nóng)業(yè)科學(xué)，2009，（4）：126-129.

[10]陳 旭，何 寬，常 強(qiáng).GIS和RS支持下的城市土地利用空間演變研究——以武漢市為例[J].安徽農(nóng)業(yè)科學(xué)，2011，（2）：973-975.

[11]吳彥山，廖和平，王生等.土地利用分區(qū)研究——以重慶市開縣為例[J].西南大學(xué)學(xué)報(bào)（自然科學(xué)版），2007，29（12）：151-155.