吉林西部開墾初期的LUCC類型空間分布重建——基于GEOMOD模型

呂 妍，張樹文，楊久春

(1．國家測(cè)繪地理信息局第二地形測(cè)量隊(duì)，陜西西安710054;

2．中國科學(xué)院東北地理與農(nóng)業(yè)生態(tài)研究所，吉林長春130012;3．吉林大學(xué)地球科學(xué)學(xué)院，吉林長春130061)

土地變化科學(xué)是全球環(huán)境變化和可持續(xù)發(fā)展研究的基本組成部分，而土地利用/土地覆被變化(LUCC)和人與環(huán)境系統(tǒng)的動(dòng)態(tài)耦合關(guān)系，作為土地變化科學(xué)的主要研究內(nèi)容，是目前全球變化研究的核心內(nèi)容之一。歷史時(shí)期的土地利用/覆被變化作為LUCC和GLP的重要組成部分，是許多科學(xué)計(jì)劃的研究對(duì)象。目前在全球變化研究全面開展的階段，基于遙感等技術(shù)手段的當(dāng)代土地利用與土地覆被變化監(jiān)測(cè)及研究已經(jīng)取得了巨大進(jìn)展，但是開墾初期的研究很少，主要是因?yàn)閿?shù)據(jù)來源較少，獲取困難。開墾初期的人類活動(dòng)受當(dāng)時(shí)的生產(chǎn)技術(shù)和政策制約，其土地利用/覆被變化有著自身的規(guī)律和空間變化特點(diǎn)。而且，土地利用/覆被變化對(duì)全球變化的影響有著其累積作用，對(duì)各個(gè)時(shí)期的研究都是必須且非常重要的。而由于技術(shù)方法的限制，開墾初期的LUCC研究目前還是比較少的，所以探討開墾初期的研究方法不僅能夠解釋區(qū)域內(nèi)的土地利用/覆被變化，對(duì)于其他區(qū)域的研究也有著重要的借鑒意義。

東北地區(qū)是我國重要糧食生產(chǎn)基地、重要畜牧業(yè)基地、重要工業(yè)生產(chǎn)基地、重要資源基地，也是對(duì)東北亞開放的窗口，吉林省作為重要的組成部分，其糧食生產(chǎn)與生態(tài)安全之間的權(quán)衡關(guān)系關(guān)系到東北地區(qū)乃至全國的糧食安全與生態(tài)安全。吉林省西部是中國北方農(nóng)牧交錯(cuò)帶的典型區(qū)域，屬于半干旱溫帶大陸性季風(fēng)氣候，具有高度的環(huán)境敏感性和生態(tài)脆弱性［1］。由于植被、地貌、土壤、氣侯、水文等自然條件和土地利用方面帶有明顯的過渡特征，因此，該區(qū)生態(tài)系統(tǒng)對(duì)人類的生產(chǎn)活動(dòng)異常敏感。筆者主要利用GEOMOD模型來研究吉林西部開墾初期的土地利用/覆被類型的重建，重建了開墾進(jìn)程中耕地與非耕地兩種土地覆被類型的空間分布，對(duì)于識(shí)別土地利用類型變化帶來的生態(tài)環(huán)境影響有重要作用，對(duì)于合理指導(dǎo)和安排土地生態(tài)恢復(fù)和建設(shè)工作具有重大的現(xiàn)實(shí)意義。

1 研究區(qū)概況

研究區(qū)為吉林省西部的白城市和松原市，包括白城市區(qū)、鎮(zhèn)賚縣、扶余縣、前郭爾羅斯蒙古族自治縣、洮安縣、大安縣、長嶺縣、乾安縣及通榆縣，而20世紀(jì)80年代時(shí)這2個(gè)市所轄范圍統(tǒng)稱為白城地區(qū)，研究區(qū)位置示意見圖1。

白城地區(qū)位于吉林省西北部，松嫩平原西部，科爾沁草原東部。東、東南與長春市的榆樹、德惠、農(nóng)安3縣接壤;南與四平市的雙遼、懷德兩縣毗鄰;西、西北與內(nèi)蒙古自治區(qū)的科爾沁左翼中旗、科爾沁右翼中旗、突泉縣、科爾沁右、翼前旗相連;北、東北與黑龍江省泰來縣、杜爾伯特旗、肇源縣、雙城縣隔江相望。幅員面積47 011 km2。轄1市、8縣(其中有1個(gè)蒙古族自治縣)，213個(gè)鄉(xiāng)(鎮(zhèn))，9個(gè)街道辦事處，2 026個(gè)村民委員會(huì)，6 177個(gè)自然屯。據(jù)《白城地區(qū)志》記載，至1985年末，白城地區(qū)有909 431戶，4 002 547人，其中，農(nóng)業(yè)人口3 009 742人，非農(nóng)業(yè)人口992 805人，分別占全區(qū)人口的75．2%和 24．8%。

全區(qū)地勢(shì)走向?yàn)槲鞅备?，中間低，東南略有起伏。全區(qū)屬中溫帶大陸性季風(fēng)氣候，春季干燥多風(fēng)，夏季溫?zé)岫嘤?，秋季涼爽，冬季寒冷而少雪。溫差大，光、熱較充足。白城地區(qū)素以幅員廣闊著稱，全區(qū)人均占有土地1．175 hm2，是吉林省人均占有土地的1．37倍，是全國人均占有土地的1．3倍。白城地區(qū)是以糧豆生產(chǎn)為主的農(nóng)業(yè)地區(qū)，農(nóng)作物主要有旱種玉米、葵花、谷子、蓖麻、高粱、小麥、甜菜等。全區(qū)草場(chǎng)位于科爾沁大草原的東部，是全國天然羊草草場(chǎng)分布的中心。境內(nèi)水域?qū)拸V，有發(fā)展?jié)O業(yè)生產(chǎn)的自然優(yōu)勢(shì)。松花江、第二松花江、嫩江、洮兒河、拉林河等江河流經(jīng)境內(nèi)，水庫、塘壩、泡沼星羅棋布。

2 模型介紹

2．1 GOEMOD模型原理 GEOMOD是一種模擬土地利用類型由一種向另一種轉(zhuǎn)變的模型(如耕地轉(zhuǎn)化為非耕地)。為了實(shí)現(xiàn)這一目標(biāo)，GEOMOD模型需要的初始數(shù)據(jù)包括模擬開始和結(jié)束的時(shí)間點(diǎn)的相關(guān)信息、2種類別的初始狀態(tài)圖層、發(fā)生土地利用變化的地表區(qū)域、土地利用變化的驅(qū)動(dòng)因素以及一幅成層的地圖。成層的地圖可以允許將研究區(qū)劃分為多個(gè)區(qū)域。每一個(gè)區(qū)域只允許一種轉(zhuǎn)換方向。GEOMOD包含了表層覆被的可能的轉(zhuǎn)換的機(jī)會(huì)，通過一種簡單的深入，從而介入在開始時(shí)間發(fā)生土地利用變化的臨近區(qū)域。GEOMOD的設(shè)計(jì)是用來預(yù)測(cè)土地覆被變化的位置，而并不是變化的區(qū)域的數(shù)量。

2．2 GOEMOD模型所需數(shù)據(jù) 該研究運(yùn)用IDRISI軟件中的GEOMOD模型，因?yàn)樵撃Ｐ椭饕M2種類型之間的轉(zhuǎn)換，根據(jù)需要，主要研究耕地以及非耕地之間的轉(zhuǎn)換。這是因?yàn)?0世紀(jì)30年代在研究區(qū)內(nèi)所發(fā)生的主要人類活動(dòng)是開墾，主要土地利用覆被類型變化是人類將荒地、草地等類型開墾為可用于種植農(nóng)作物的耕地。

利用GEOMOD模型重建20世紀(jì)30年代土地利用覆被類型即重建當(dāng)時(shí)的耕地與非耕地分布。需要準(zhǔn)備的數(shù)據(jù)有:①20世紀(jì)50年代的土地利用覆被類型圖，將其合并為只有耕地和非耕地2種類型的分布圖;②20世紀(jì)30年代的耕地面積，從歷史統(tǒng)計(jì)資料中可以提取;③影響耕地和非耕地之間轉(zhuǎn)換的驅(qū)動(dòng)因素——選擇幾個(gè)主要的影響因子，并對(duì)每個(gè)影響因子進(jìn)行量化并分級(jí)，依據(jù)每個(gè)因子的影響權(quán)重，將所有圖形進(jìn)行加權(quán)可以生成適宜性圖。

GEOMOD模型中輸入的數(shù)據(jù)需要是柵格格式，由于該研究所用的DEM數(shù)據(jù)精度最高，柵格大小為90 m×90 m，所以將其他數(shù)據(jù)也都轉(zhuǎn)換成90 m×90 m大小的柵格數(shù)據(jù)，統(tǒng)一大小以便于模型計(jì)算。

2．3 適宜性圖的生成原理 GEOMOD模型中最重要的步驟是通過利用幾個(gè)屬性地圖和一個(gè)土地利用地圖創(chuàng)建了“適宜性”經(jīng)驗(yàn)地圖。而適宜性圖的準(zhǔn)確與否則取決于這幾個(gè)屬性地圖，這就需要選擇合適的驅(qū)動(dòng)力并將其定量化，生成驅(qū)動(dòng)力圖。選取的驅(qū)動(dòng)力則對(duì)要模擬的土地利用類型影響明顯，并且易被量化，一般都包含自然因素和社會(huì)經(jīng)濟(jì)因素。將每個(gè)驅(qū)動(dòng)力量化生成驅(qū)動(dòng)力圖后，再根據(jù)其對(duì)模擬的土地利用類型的影響大小，進(jìn)行加權(quán)匯總，生成該種土地利用類型的適宜性圖。

3 數(shù)據(jù)處理

3．1 GEOMOD重建模型中驅(qū)動(dòng)因素的選取 土地系統(tǒng)是自然—人文綜合體。土地利用不僅受到自然因素的影響，而且受社會(huì)經(jīng)濟(jì)因素的綜合作用。自然因素在大環(huán)境背景上控制著土地利用/覆被變化，而社會(huì)經(jīng)濟(jì)因素則是在較短時(shí)間尺度上影響土地利用/覆被變化的主要外部驅(qū)動(dòng)力［2］。歷史時(shí)期的土地利用/覆被變化大都是人類通過土地利用活動(dòng)造成的。因此，分析社會(huì)經(jīng)濟(jì)因素對(duì)土地利用/覆被變化的作用應(yīng)放在重要位置。所以該研究選取的驅(qū)動(dòng)因素前兩者為自然因素，后兩者為社會(huì)經(jīng)濟(jì)因素。

3．1．1 土壤類型。耕地分布及其變化受氣候、地形、土壤等各種自然因素和社會(huì)經(jīng)濟(jì)因素的影響，短期的耕地變化是驅(qū)動(dòng)因素中的社會(huì)經(jīng)濟(jì)因素起決定性作用［3］，但長期的耕地分布及其變化受自然環(huán)境背景因素制約，土壤(包括地表特征)是對(duì)耕地質(zhì)量的影響最為顯著的驅(qū)動(dòng)因素之一。在許多特定情況下，如在區(qū)城范圍內(nèi)，氣候條件變化微小，農(nóng)田基礎(chǔ)設(shè)施條件一樣的條件下，土壤會(huì)成為影響耕地分布的唯一因素［4］。因此，研究耕地分布及其變化與土壤類型的空間相關(guān)關(guān)系，有利于掌握耕地開發(fā)及其變化規(guī)律。所以，該研究將土壤類型作為耕地的轉(zhuǎn)變的一個(gè)主要驅(qū)動(dòng)力。

上述分析表明，耕地的開墾與土壤類型有著重要的關(guān)系。一般在正常情況下，適宜耕種的質(zhì)量好的土地首先被開墾，肥沃土地開墾完后再進(jìn)一步開墾質(zhì)量差不適宜耕種的土地。事實(shí)上，并非是首先將一等地完全開發(fā)完后，再開發(fā)次一類的土地，其原因主要是，有些土質(zhì)較好的地區(qū)，人類進(jìn)入較晚，還有一部分是公有制土地，限制個(gè)人開發(fā)。

土壤類型作為GEOMOD模型中所要利用的主要驅(qū)動(dòng)力，首先要將土壤類型分布圖轉(zhuǎn)換成模型可用的圖像，即用數(shù)字類型代替土壤類型生成新的土壤類型圖，例如，用1代替黑鈣土，2代替草甸土，以此類推，用1～16表示每種土壤類型，生成的新土壤分類圖可以直接輸入模型中，用于生成適宜性圖及模擬耕地的變化(表1)。

由圖2和表1可以看出，研究區(qū)內(nèi)的主要土壤類型為黑鈣土、草甸土、風(fēng)沙土、堿土、暗栗鈣土、沖積土等。

表1 研究區(qū)內(nèi)的土壤類型面積匯總 hm2

3．1．2 坡度。理論上來說，人們開墾土地應(yīng)該遵循先開墾土壤肥力好的土地，而一般不完全符合這個(gè)結(jié)論。這是因?yàn)樵缙谌藗冮_墾土地主觀選擇性較大，并且受技術(shù)水平影響，是以開墾難易程度來選擇的，所以，多是以地勢(shì)平坦與否作為決定因素。

現(xiàn)實(shí)中，耕地在低平原區(qū)分布面積最多，其次為平原和臺(tái)地區(qū)。海拔高度500 m以下，耕地隨海拔高度的升高而呈增長趨勢(shì)。人類活動(dòng)受海拔高程的影響明顯，人類對(duì)土地資源的開發(fā)利用主要集中在平原和低平原上。該研究區(qū)地勢(shì)較平坦，海拔最高為649 m，其中90%以上地區(qū)的海拔在500 m以下，所以該研究區(qū)內(nèi)耕地被開墾的幾率極大。

不同的地面坡度直接影響農(nóng)林牧用地的分布、水土流失狀況、農(nóng)田基本建設(shè)的難易。一般情況下，坡度小于3°時(shí)，最適宜作為耕地;坡度3～7°時(shí)，可作為農(nóng)耕地，但要注意水土保持;坡度7～15°屬于尚可耕種的坡度;坡度15°以上水土流失比較普遍，農(nóng)耕地必須采取水土保持措施，一般認(rèn)為是坡地開墾的限制坡度，更適于林業(yè)和草業(yè)的發(fā)展。從圖3可以看出，研究區(qū)內(nèi)地面坡度大多數(shù)小于3°，而多數(shù)更是小于0．5°，均為適宜耕作的地區(qū)，只有極少數(shù)臺(tái)地地區(qū)的坡度較大，不適宜耕種。由于研究區(qū)內(nèi)地面坡度較小，所以分級(jí)較細(xì)，參考上述原則，坡度分類如下所示:類型 1=(0°，0．5°)，類型2=(0．5°，1°)，類型 3=(1°，3°)，類型 4=(3°，7°)，類型5=(7°，15°)，類型 6 為大于15°。

3．1．3 距居民點(diǎn)距離。由于20世紀(jì)30年代的技術(shù)水平有限，人們采用較原始的方法進(jìn)行耕作，所以，人們對(duì)荒地的開墾利用都以就近為原則，而居民點(diǎn)是人們生活的最主要場(chǎng)所，為了方便生活及勞作，一般都會(huì)選擇距離居民點(diǎn)較近的地方開墾耕地，所以距居民點(diǎn)距離對(duì)耕地的變化有著重要的作用。依據(jù)20世紀(jì)30年代地形圖提取出的土地利用/覆被類型圖中也包含了城鎮(zhèn)居民點(diǎn)及農(nóng)村居民點(diǎn)，將所有居民點(diǎn)都選擇出來，利用ArcGIS中的“Euclidean Distance”工具生成圖表示距居民點(diǎn)距離，如圖4所示。

3．1．4 人口數(shù)據(jù)。人口作為一個(gè)獨(dú)特的因素，對(duì)土地利用/覆被變化的影響，是人類社會(huì)經(jīng)濟(jì)因素中最積極、最活躍的因素，也是土地利用/覆被變化的驅(qū)動(dòng)力之一［5］。人口增長是耕地?cái)U(kuò)大的主要因素之一，隨著人口的增長以及人們生活水平的提高，人們對(duì)農(nóng)產(chǎn)品的需求數(shù)量也日益增加，致使耕地面積不斷擴(kuò)大。從民國二十年(1932年)的《東北年鑒》中可以提取當(dāng)時(shí)東北地區(qū)各個(gè)縣的人口數(shù)據(jù)，但是從20世紀(jì)30年代到現(xiàn)在部分縣市經(jīng)歷了行政變更，根據(jù)《白城地區(qū)縣志》等歷史資料中的行政變更描述，經(jīng)過匯總，可以得出20世紀(jì)30年代白城地區(qū)各個(gè)縣市的人口數(shù)據(jù)，如表2所示。在ArcGIS9．3軟件中，對(duì)各個(gè)縣市的人口數(shù)據(jù)進(jìn)行空間化，再進(jìn)行重分類，生成研究區(qū)內(nèi)的人口空間化分類圖，從而用于重建模型。國家制定的各種政策、制度以及法規(guī)對(duì)約束人們的行為和促進(jìn)區(qū)域經(jīng)濟(jì)的增長和發(fā)展起著至關(guān)重要的作用，尤其是與土地資源開發(fā)、利用相關(guān)的各種政策、制度、法規(guī)，對(duì)區(qū)域土地利用/覆被變化產(chǎn)生了巨大的影響［6］。1906年左右，東北地區(qū)全面解禁，所以20世紀(jì)30年代白城地區(qū)最重要的政策影響就是“開禁”，但是一方面政策、制度、法規(guī)對(duì)土地利用/覆被變化的影響很難量化的表示，另一方面，開禁帶來的影響已經(jīng)由人口的增加導(dǎo)致開墾的增加表示出來了，所以該研究未選擇政策制度作為一個(gè)單獨(dú)的驅(qū)動(dòng)因素。

3．2 數(shù)據(jù)源及預(yù)處理

3．2．1 20世紀(jì)50年代的土地利用/覆被空間分布。20世紀(jì)50年代的土地利用/覆被類型空間分布數(shù)據(jù)是中國科學(xué)院東北地理與農(nóng)業(yè)生態(tài)研究所土地遙感學(xué)科組已經(jīng)研究取得的成果，在這里直接用作本文的數(shù)據(jù)源。如圖5所示為研究區(qū)內(nèi)土地利用/覆被類型空間分布，其中面積較大的類型有旱地、草地、沼澤地、鹽堿地、湖泊等(表3)。

表2 從《東北年鑒》中提取的20世紀(jì)30年代人口數(shù)據(jù) 人

在GEOMOD模型中為了重建20世紀(jì)30年代的土地利用/覆被類型空間分布，必須以已有的土地利用/覆被類型空間分布數(shù)據(jù)為依據(jù)，在各種自然和社會(huì)經(jīng)濟(jì)因素的驅(qū)動(dòng)下進(jìn)行模擬。而20世紀(jì)50年代的土地利用/覆被數(shù)據(jù)作為重建模型的輸入，必須符合模型的格式要求。所以，首先要將20世紀(jì)50年代的土地利用/覆被類型空間分布圖中的類型匯總成只有耕地和非耕地兩種類型，其中水田和旱地歸為耕地，其余類型均為非耕地;然后將其重分類結(jié)果轉(zhuǎn)換成90 m×90 m的柵格數(shù)據(jù)備用。

表3 研究區(qū)1950年代土地利用/覆被類型面積匯總

3．2．2 20世紀(jì)30年代的耕地?cái)?shù)據(jù)。從民國二十年(1932年)的《東北年鑒》中可以提取當(dāng)時(shí)東北地區(qū)各個(gè)縣的耕地面積，但是從20世紀(jì)30年代到現(xiàn)在部分縣市經(jīng)歷了行政變更，根據(jù)《白城地區(qū)縣志》等歷史資料中的行政變更描述，經(jīng)過匯總，可以得出20世紀(jì)30年代白城地區(qū)各個(gè)縣市的耕地面積數(shù)據(jù)，如表4所示。因?yàn)镚EOMOD模型中使用的數(shù)據(jù)均為柵格格式，所以輸入模型的耕地面積也要表示為柵格的個(gè)數(shù)，所以按照每個(gè)柵格為90m×90m的大小，計(jì)算出每個(gè)縣市的耕地柵格個(gè)數(shù)，然后將該數(shù)字輸入模型中進(jìn)行模擬。

表4 從《東北年鑒》中提取的20世紀(jì)30年代耕地面積數(shù)據(jù)

4 模型應(yīng)用

4．1 利用GEOMOD模型重建 該研究選取的驅(qū)動(dòng)力主要有土壤類型、坡度、距居民點(diǎn)距離和人口數(shù)據(jù)。每種驅(qū)動(dòng)力因素都對(duì)耕地的分布有著重要的影響，通過對(duì)各因素和耕地的相關(guān)性分析，最終對(duì)各因素的權(quán)重賦值分別為:土壤類型為0．3、坡度為 0．2、距居民點(diǎn)距離為 0．3，人口數(shù)據(jù)為 0．2。

在GEOMOD模型中輸入20世紀(jì)50年代的耕地與非耕地分布圖、耕地分布的驅(qū)動(dòng)力影響因素及其權(quán)重、20世紀(jì)30年代的耕地?cái)?shù)據(jù)進(jìn)行模擬，最終的結(jié)果不僅生成了20世紀(jì)30年代的耕地與非耕地分布圖，還生成了一個(gè)中間數(shù)據(jù)——即根據(jù)各因素及其權(quán)重形成的耕地分布適宜性結(jié)果(圖6)。

4．2 GEOMOD模型重建結(jié)果分析 依據(jù)各種驅(qū)動(dòng)力因素的影響，GEOMOD模型重建的研究區(qū)內(nèi)20世紀(jì)30年代的耕地與非耕地空間分布如圖7所示。該圖是將從《東北年鑒》上獲取的20世紀(jì)30年代各縣市耕地?cái)?shù)據(jù)空間化的結(jié)果。所以該研究不僅依據(jù)歷史資料獲取了20世紀(jì)30年代的耕地?cái)?shù)量，還利用模型重建了當(dāng)時(shí)的耕地空間分布。性較多地增加為20世紀(jì)50年代的耕地，數(shù)值較大的地方其由非耕地增加為耕地的概率較小。

5 結(jié)論

依據(jù)土壤類型、坡度、20世紀(jì)30年代的人口數(shù)量以及距居民點(diǎn)距離對(duì)耕地分布的驅(qū)動(dòng)影響，在GEOMOD模型中輸入20世紀(jì)30年代的耕地?cái)?shù)量、20世紀(jì)50年代的耕地與非耕地空間分布圖，可以模擬出20世紀(jì)30年代的耕地與非耕地空間分布圖，同時(shí)也生成了一個(gè)耕地分布的適宜性圖。適宜性圖表示了這幾種影響因素對(duì)耕地分布的綜合影響效果，數(shù)值小的地方表示20世紀(jì)30年代的非耕地可能性較多地增加為20世紀(jì)50年代的耕地，數(shù)值較大的地方其由非耕地增加為耕地的概率較小。該重建方法不僅重建了20世紀(jì)30年代的耕地?cái)?shù)量，還重建了當(dāng)時(shí)的耕地空間分布，其重建結(jié)果比較理想，具有一定的參考意義。

適宜性圖表示了這幾種影響因素對(duì)耕地分布的綜合影響效果。其中數(shù)字大的地方表示耕地和非耕地之間的轉(zhuǎn)換較少，數(shù)字小的地方表示的耕地和非耕地之間的轉(zhuǎn)換較多，意思就是數(shù)字小的地方表示20世紀(jì)30年代的非耕地可能

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