基于層次聚類法的四川省“長治”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。國內(nèi)的土地利用分區(qū)研究起步相對較晚，從20世紀60年代開始，科學(xué)家先后采用計量地理學(xué)的方法，提出改進聚類分析法、空間疊加分析法、星座圖法、模比系數(shù)法等4種對土地利用分區(qū)數(shù)據(jù)進行處理的方法，對全國土地利用進行分區(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，并針對其經(jīng)濟、社會目的，制定經(jīng)營管理策略。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)位于長江上游，面積48.5 km2，是一個農(nóng)業(yè)發(fā)達地區(qū)。新中國成立初期，全省水土流失面積僅占幅員面積的16.68%。由于人類活動的加劇，到1988年全省水土流失面積占幅員面積的比例達41.2%。自1989年以來，隨著“長治”、“天保”、退耕還林等生態(tài)環(huán)境建設(shè)工程的實施，水土流失面積逐年減少。四川省“長治”工程以大流域為依托，以小流域為單元，以坡耕地為治理重點，實行工程措施、生物措施和保土耕作措施并舉，對山、水、林、田、路進行綜合治理[3]。治理措施包括改造坡耕地、植被覆蓋、營造水土保持林等，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，并與各個地區(qū)的自然條件和社會經(jīng)濟發(fā)展因素相關(guān)。因此，土地利用分區(qū)對研究區(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，增進土地利用效益，促進區(qū)域生態(tài)環(huán)境良性發(fā)展，提高四川省“長治”工程的生態(tài)效益[4-10]。

1 研究區(qū)概況

四川省“長治”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個市（州）所轄的37個縣（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駶櫦撅L(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，人類活動較頻繁，墾殖指數(shù)高，水土流失嚴重。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，泥石流活動頻繁，巖層以灰?guī)r、紫色砂頁巖、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)社會經(jīng)濟發(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。本研究選用二級地類的農(nóng)地、林地、草地、荒地以及其他用地5個地類作為分區(qū)依據(jù)（見表1），其原因在于它們在土地總面積中所占比重較大，能體現(xiàn)研究區(qū)的用地特點，確保分區(qū)的準確性。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，其計算公式見式（1）。

2.2 數(shù)據(jù)處理

采用層次聚類法（Hierarchical cluster）進行土地利用類型區(qū)的劃分。層次聚類法是通過逐漸凝聚，將所有個體變成小集體，最終達到目的性的多個大類。為了能將樣本劃分成不同的類別，必須定義一種距離測量方法和距離指標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個體之間的離散程度，即距離。那么，對任意2個個體X=（x1，x2，…，xn）T，Z=（z1，z2，…，zn）T，其距離計算公式見式（2）。

表1 “長治”工程所在的9個市的5項土地利用比例的指標統(tǒng)計 （%）

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

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個指標，構(gòu)建土地利用分區(qū)體系，利用層次聚類法，對四川省東北部9個市州各區(qū)域范圍內(nèi)的5項指標進行了統(tǒng)計，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

通過聚類計算，將項目區(qū)9個市州劃分為兩個土地利用管理區(qū)域，其中遂寧市、廣元市、綿陽市、南充市、宜賓市、廣安市、達州市為第一區(qū)，因這7個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，可進一步基于市級分區(qū)結(jié)果劃分二級分區(qū)。限于篇幅，縣區(qū)的指標統(tǒng)計數(shù)據(jù)文中不再列舉，二級分區(qū)的劃分仍以上述聚類方法為途徑進行歸類，最終得到四川省“長治”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 “長治”工程所在的9個市（州）37個縣（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 土地利用一級分區(qū)

4.1.1 中部區(qū)土地利用分析 遂寧市、廣元市、綿陽市、南充市、宜賓市、廣安市、達州市7市位于四川盆地的盆中，人口密度大，達600人/km2左右，勞動力充足，道路建設(shè)與房屋面積廣而大。該區(qū)地勢起伏，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，水土流失嚴重，且大部分為水蝕。該區(qū)為“長治”工程的長江上游水土保持重點防治區(qū)，通過“長治”工程小流域綜合治理，取得了顯著的生態(tài)效益、經(jīng)濟效益和社會效益。該區(qū)經(jīng)濟較發(fā)達，GDP增長迅速，均居四川省前列，能源資源豐富，礦藏品種多，儲藏量大，也是四川地區(qū)主要的天然氣富集地。野生動植物蘊藏量大，杜仲、天麻等植物蘊藏量上萬噸。境內(nèi)水能蘊藏量達百萬千瓦，建有水電站、火電站，總裝機容量達百萬千瓦。

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 土地利用二級分區(qū)

4.2.1 中部區(qū) 中部區(qū)可分為兩個二級區(qū)，按照土地利用類型百分比，平均兩個二級區(qū)的各項指標，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，林業(yè)用地面積較多，荒地面積相對較廣。該區(qū)區(qū)位優(yōu)勢明顯，氣候適宜，日照時間長，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)資源儲量大，農(nóng)業(yè)、經(jīng)濟均具有發(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個縣分成兩大類型，即將周邊區(qū)劃分為兩個土地利用管理區(qū)域，其中平昌縣為第一區(qū)，通江縣、會理縣等7縣為第二區(qū)，取兩個分區(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747 km，水力蘊藏量13.51萬kw，可開發(fā)量6.3萬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“長治”工程的實施，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。周邊區(qū)第二分區(qū)的雨量、光照、氣溫均適合多種動植物生息繁殖，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項土地利用比例的比較 （%）

5 土地利用分區(qū)驗證

將研究區(qū)的一級分區(qū)與長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，地勢起伏，海拔高，河流橫穿區(qū)域，以強度侵蝕為主，泥石流、滑坡等重力侵蝕發(fā)育，頻率高，強度大。

6 結(jié) 語

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，巖層以紫砂頁巖、灰?guī)r為主，土壤以紫色土為主，降雨量大，人類活動頻繁，墾殖指數(shù)高，水土流失嚴重。本文以“長治”工程第五期小流域綜合治理竣工驗收表為基本數(shù)據(jù)源。研究區(qū)的合理分區(qū)，對政府制定相關(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，對四川省“長治”工程第五期小流域治理區(qū)進行了土地利用分區(qū)研究，將研究區(qū)分為周邊區(qū)和中部區(qū)兩個大區(qū)，并根據(jù)城鎮(zhèn)的土地利用類型指標，兩個大區(qū)分別可分成兩個小區(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“長治”工程對土地利用類型的改變與各地區(qū)水土流失的特點和程度有關(guān)。以林地和荒地為主的地區(qū)侵蝕程度最輕，強度及強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，無明顯大面積流失現(xiàn)象，防治水土流失效果好。

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