基于兩維圖論聚類法的東北地區(qū)土地利用分區(qū)研究

路 昌 雷國平 周 浩 張 傲 張康康 楊雪昕

(東北大學(xué)土地管理研究所， 沈陽 110169)

引言

土地利用分區(qū)是依據(jù)地域分異規(guī)律，根據(jù)土地利用條件、土地利用方式和程度、未來利用方向和管理措施的相似性和差異性，將特定地區(qū)的土地劃分成不同區(qū)域的過程[1]。土地利用分區(qū)作為土地利用總體規(guī)劃的基礎(chǔ)和關(guān)鍵內(nèi)容，對于確定區(qū)域未來土地利用方向、調(diào)整土地利用結(jié)構(gòu)和空間布局，進(jìn)而實(shí)現(xiàn)區(qū)域土地差異化管理與可持續(xù)利用具有重要的意義[2]。目前，各省(市)分別制定省級土地利用總體規(guī)劃中的土地利用分區(qū)方案，在地域上未打破省級行政界線，且分區(qū)依據(jù)、分區(qū)標(biāo)準(zhǔn)、分區(qū)單元等各不相同，人為割裂土地利用的地域共性，不符合土地區(qū)域差異化管理的客觀規(guī)律。作為實(shí)現(xiàn)土地利用規(guī)劃“指標(biāo)+分區(qū)”調(diào)控模式中的關(guān)鍵因素，現(xiàn)實(shí)中土地利用分區(qū)方案的不合理一定程度上弱化了分區(qū)調(diào)控在土地利用規(guī)劃中的指導(dǎo)作用和實(shí)施效果，造成指標(biāo)控制強(qiáng)度偏大，區(qū)域協(xié)調(diào)力度偏小，影響區(qū)域經(jīng)濟(jì)發(fā)展協(xié)調(diào)性。東北地區(qū)(黑龍江省、吉林省、遼寧省)作為我國最重要的商品糧基地，近十年較好地完成了保障國家糧食安全的任務(wù)，但與此同時(shí)省際間經(jīng)濟(jì)發(fā)展程度卻存在著較大差異。區(qū)域經(jīng)濟(jì)發(fā)展不平衡。2004年以來，國家陸續(xù)批復(fù)《東北地區(qū)振興規(guī)劃》、《東北振興“十二五”規(guī)劃》、《東北振興“十三五”規(guī)劃》等方案。在我國經(jīng)濟(jì)發(fā)展進(jìn)入新常態(tài)的背景下，東北地區(qū)作為全國最重要的糧食主產(chǎn)區(qū)之一，如何實(shí)現(xiàn)保障國家糧食安全、保護(hù)地區(qū)生態(tài)環(huán)境和推動(dòng)區(qū)域經(jīng)濟(jì)快速發(fā)展的和諧統(tǒng)一就顯得尤其重要。因此，通過科學(xué)合理的土地利用分區(qū)，指導(dǎo)東北地區(qū)土地差異化、科學(xué)化利用和管理，對區(qū)域土地協(xié)調(diào)可持續(xù)發(fā)展、保護(hù)糧食安全、實(shí)現(xiàn)東北振興意義重大[3]。

針對土地利用分區(qū)，目前國內(nèi)學(xué)者依據(jù)不同的目的、尺度和方法開展了大量的研究，如土地利用用途分區(qū)[4]、地域分區(qū)[5]、功能分區(qū)[6]、主體功能區(qū)[7]、綜合分區(qū)[8]等；研究區(qū)域主要集中在京津冀地區(qū)[9]、黃土高原[8,10]、南方沿海地區(qū)[2,7,11]、南方內(nèi)陸低山丘陵地區(qū)[5-6,12]等區(qū)域，在我國糧食供應(yīng)中東北地區(qū)占有重要地位，但將東北地區(qū)作為一個(gè)特殊的糧食戰(zhàn)略整體進(jìn)行土地利用分區(qū)的研究相對較少；指標(biāo)體系主要圍繞“自然、經(jīng)濟(jì)、生態(tài)”[8]、“土地利用程度、集約程度和利用效果”[10]、“土地利用多樣性和土地利用程度”[12]、“資源環(huán)境承載力、開發(fā)程度、區(qū)域發(fā)展?jié)摿Α盵1]等角度進(jìn)行構(gòu)建，未能針對糧食主產(chǎn)區(qū)的區(qū)域整體特點(diǎn)全面反映土地利用的自然本底條件、開發(fā)現(xiàn)狀和未來發(fā)展?jié)摿μ卣鳎谎芯糠椒ㄒ辕B置法[1]、聚類分析法[2]、主成分分析法[11]、神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)[3]、綜合分析法[8]為主，其中應(yīng)用較為廣泛的是聚類分析法，主要包括K-means聚類、系統(tǒng)聚類、神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)聚類、模糊聚類和兩維圖論聚類等[2]。而與其他聚類法相比，兩維圖論聚類法能在保證各分區(qū)內(nèi)部特征一致性和分區(qū)之間特征差異性的前提下，較好地保持各分區(qū)空間的連續(xù)性和行政區(qū)劃的完整性，普通聚類方法得到的分區(qū)方案很難滿足分區(qū)原則要求[13]。鑒于此，本研究通過構(gòu)建表征糧食主產(chǎn)區(qū)土地利用“本底-現(xiàn)狀-潛力”三維狀態(tài)的指標(biāo)體系，采用兩維圖論聚類法和GIS空間分析法進(jìn)行東北地區(qū)土地利用分區(qū)研究，并提出差異化的土地利用調(diào)控措施，以期為東北地區(qū)土地差異化管理提供借鑒，為我國糧食主產(chǎn)區(qū)的土地利用規(guī)劃管理提供決策支持和實(shí)踐參考。

1 研究區(qū)概況

本研究中的東北地區(qū)包括黑龍江省、吉林省、遼寧省(不包括加格達(dá)奇區(qū)和松嶺區(qū))，土地總面積為7.885×105km2，占全國土地總面積的8.25%。該地區(qū)(38°41′～53°33′N，118°05′～135°06′E)屬溫帶大陸性季風(fēng)氣候，四季分明，年均氣溫-7.8～11.1℃，年均日照時(shí)數(shù)2 411 h，年均降水量585 mm，降水季節(jié)分布不均，7—10月降水占全年60%以上。境內(nèi)河流密布、土壤肥沃，擁有遼河、嫩江、黑龍江、松花江等眾多水系，分布著9.55×104km2的黑土(此處黑土面積僅包括1992年《中國土壤分類系統(tǒng)》中的黑土和黑鈣土，不包括草甸土[14])。地形整體呈東高西低的態(tài)勢，地貌類型主要由山地、平原、臺地和丘陵組成，其中山地和平原各占三分之一。2014年末總?cè)丝?.08億，糧食總產(chǎn)量11 529萬噸，占全國19%；三次產(chǎn)業(yè)GDP比重11.2∶47.3∶41.5，以第二產(chǎn)業(yè)為主。東北地區(qū)以其豐富的自然資源、獨(dú)特的地理?xiàng)l件、雄厚的工業(yè)基礎(chǔ)，成為我國重要的糧食主產(chǎn)區(qū)以及林業(yè)、牧業(yè)和重工業(yè)基地。

2 研究方法與指標(biāo)體系構(gòu)建

2.1 研究方法及技術(shù)路線

土地利用分區(qū)要求分區(qū)內(nèi)部各基本單元的土地利用綜合特點(diǎn)相對一致，同時(shí)又要保持空間的連續(xù)性及區(qū)劃的完整性，與其他聚類法相比，兩維圖論聚類法可以較好地實(shí)現(xiàn)跨行政區(qū)域土地利用分區(qū)方案的空間連續(xù)性和完整性[15]，因此采用兩維圖論樹算法進(jìn)行分區(qū)劃定。

設(shè)U為整個(gè)分區(qū)區(qū)域，有n個(gè)分區(qū)單元Vi(Vi?U；i=1,2,…,n)，本文中U為東北地區(qū)，Vi為各縣級行政單元，n=184，對U進(jìn)行分區(qū)即是求出U的一個(gè)合理割集{Uj；j=1,2,…,m}，m即為分區(qū)個(gè)數(shù)，該割集需同時(shí)滿足空間連續(xù)性與內(nèi)部一致性兩個(gè)條件。運(yùn)用各分區(qū)單元間的鄰接關(guān)系構(gòu)造鄰接矩陣，將分區(qū)轉(zhuǎn)變?yōu)榍蠹訖?quán)邊通圖的合理割集，利用兩維圖論聚類法得到最小生成樹，依據(jù)分區(qū)內(nèi)相似性、分區(qū)間差異性的原則，選擇合理的分割變量A，將最小生成樹切分成m個(gè)子樹，得到的每個(gè)子樹便是一個(gè)分區(qū)[15]。

技術(shù)路線如圖1所示，首先構(gòu)建“本底-現(xiàn)狀-潛力”三維土地利用分區(qū)評價(jià)指標(biāo)體系，采用Min-max標(biāo)準(zhǔn)化方法將全部指標(biāo)進(jìn)行標(biāo)準(zhǔn)化處理；其次利用熵權(quán)法+層次分析法綜合分析模型確定各指標(biāo)權(quán)重，得到東北地區(qū)土地利用條件、土地開發(fā)程度、土地發(fā)展?jié)摿顩r圖；然后提取東北地區(qū)184個(gè)行政單元的中心經(jīng)緯度作為分區(qū)單元的坐標(biāo)，進(jìn)行GIS空間相關(guān)性分析；將土地利用條件、開發(fā)程度、發(fā)展?jié)摿ψ鳛樵u價(jià)因子，利用兩維圖論聚類法得到最小生成樹，對其進(jìn)行合理切分得到兩維圖論樹圖，最終確定東北地區(qū)土地利用分區(qū)方案，并分別制定各分區(qū)未來不同的發(fā)展方向和差別化的土地利用調(diào)控措施。

圖1 兩維圖論聚類法分區(qū)技術(shù)路線圖Fig.1 Technology roadmap of two-dimensional graph clustering method

2.2 指標(biāo)體系構(gòu)建

構(gòu)建評價(jià)指標(biāo)體系是決定最終得到的土地利用分區(qū)方案是否科學(xué)合理的關(guān)鍵，因此，本文依據(jù)指標(biāo)的綜合性、代表性、科學(xué)性和數(shù)據(jù)的可獲得性等原則，借鑒國家主體功能區(qū)的分區(qū)評價(jià)指標(biāo)體系，并充分考慮東北地區(qū)的糧食主產(chǎn)區(qū)特征和土地利用特點(diǎn)，選取18個(gè)決策指標(biāo)構(gòu)建“本底-現(xiàn)狀-潛力”三維土地利用分區(qū)評價(jià)指標(biāo)體系(表1)。評價(jià)指標(biāo)的選取主要遵循以下思路和原則：

(1)本底指的是土地利用條件，反映土地資源的自然本底情況，從地形地貌、氣候條件、土壤質(zhì)量、水資源、森林資源等方面選取6個(gè)指標(biāo)。其中，地形位指數(shù)綜合反映地形起伏情況，雖然高程和坡度均能在一定程度上反映土地利用格局，但實(shí)際中地形因素往往共同作用于土地利用變化過程，綜合二者的地形位指數(shù)可以更準(zhǔn)確的反映區(qū)域地形地貌條件[16]；選取影響東北糧食主產(chǎn)區(qū)農(nóng)業(yè)生產(chǎn)的關(guān)鍵因素——平均年降水量和年平均氣溫綜合反映區(qū)域水熱條件；土壤侵蝕綜合指數(shù)反映土壤受侵蝕的嚴(yán)重程度，土壤侵蝕已成為影響東北地區(qū)土壤質(zhì)量的重要因素，東北地區(qū)最主要的侵蝕類型是水力侵蝕，占比為87.25%，風(fēng)力侵蝕和凍融侵蝕占比較小，將土壤侵蝕按照侵蝕程度劃分成微度、輕度、中度、強(qiáng)度、極強(qiáng)和劇烈6個(gè)級別，分級值分別劃定為0、2、4、6、8、10。土壤侵蝕綜合指數(shù)變化區(qū)間為[0,10]，土壤侵蝕綜合指數(shù)越高表明土壤受水力、風(fēng)力和凍融侵蝕影響程度越高[17]；河網(wǎng)密度反映區(qū)域水資源的豐缺程度，是表征土地利用條件的一個(gè)重要因子；森林覆蓋率反映區(qū)域森林資源豐缺程度，東北地區(qū)作為重要的林業(yè)基地，擁有全國最大的天然林區(qū)，森林資源的豐缺程度深刻影響著當(dāng)?shù)赝恋乩媒Y(jié)構(gòu)、生態(tài)環(huán)境質(zhì)量和林業(yè)經(jīng)濟(jì)發(fā)展水平。

表1 東北地區(qū)土地利用分區(qū)評價(jià)指標(biāo)體系及權(quán)重Tab.1 Evaluation index system of land use zoning in Northeast China

注：表中未說明具體年份的指標(biāo)均為2014年數(shù)據(jù)。

(2)現(xiàn)狀指的是土地開發(fā)程度，反映土地資源的開發(fā)利用現(xiàn)狀，從人口分布和結(jié)構(gòu)、經(jīng)濟(jì)發(fā)展、土地利用方面選取6個(gè)指標(biāo)。其中，選取人口密度反映人類生產(chǎn)活動(dòng)分布情況；城鎮(zhèn)化率反映城市化進(jìn)程情況；復(fù)種指數(shù)反映耕地利用程度，耕地作為糧食主產(chǎn)區(qū)最重要的地類之一，其利用程度的高低直接影響著糧食產(chǎn)量，是反映東北地區(qū)土地開發(fā)程度的重要指標(biāo)；地均GDP反映現(xiàn)階段土地使用效率；土地利用率指已利用土地總面積占土地總面積的比例；土地開發(fā)強(qiáng)度指建設(shè)用地占土地總面積的比重，二者綜合反映土地開發(fā)利用情況。

(3)潛力指的是土地發(fā)展?jié)摿?，本文將土地發(fā)展?jié)摿缍橥恋刭Y源在實(shí)現(xiàn)經(jīng)濟(jì)效益、社會效益和生態(tài)效益等方面潛在的發(fā)展能力，反映土地資源的可提升潛力[18]。作為我國傳統(tǒng)的老工業(yè)基地和最重要的糧食生產(chǎn)基地，目前影響東北地區(qū)經(jīng)濟(jì)發(fā)展的主要問題在于產(chǎn)業(yè)結(jié)構(gòu)單一且轉(zhuǎn)型困難、投資吸引力下降、經(jīng)濟(jì)缺乏活力、人才流失嚴(yán)重、生態(tài)環(huán)境惡化、基礎(chǔ)設(shè)施投資建設(shè)進(jìn)展相對落后等。因此，綜合考慮東北地區(qū)經(jīng)濟(jì)發(fā)展的特點(diǎn)，從經(jīng)濟(jì)、生態(tài)、產(chǎn)業(yè)結(jié)構(gòu)、交通、糧食生產(chǎn)方面選取6個(gè)動(dòng)態(tài)、靜態(tài)指標(biāo)，多層次綜合評價(jià)東北地區(qū)區(qū)域土地發(fā)展?jié)摿?。其中，第二、三產(chǎn)業(yè)占GDP比例反映地區(qū)產(chǎn)業(yè)結(jié)構(gòu)；公路密度反映交通便捷程度；2009—2014年固定資產(chǎn)投資增長率反映經(jīng)濟(jì)發(fā)展?jié)摿Γ豢平涛男l(wèi)支出增長率反映2009—2014年當(dāng)?shù)刎?cái)政對科學(xué)、教育、文化和醫(yī)療衛(wèi)生的投入增長情況；生態(tài)環(huán)境作為影響經(jīng)濟(jì)發(fā)展的重要條件，是影響區(qū)域土地發(fā)展?jié)摿Φ闹匾蛩?，利用生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)價(jià)值將土地利用生態(tài)效益轉(zhuǎn)化成貨幣形式，清晰明確地反映區(qū)域生態(tài)環(huán)境質(zhì)量；選取人均糧食產(chǎn)量反映糧食生產(chǎn)能力，耕地既是推動(dòng)?xùn)|北地區(qū)經(jīng)濟(jì)發(fā)展的重要地類，同時(shí)又是實(shí)現(xiàn)全國糧食安全的保障，將人均糧食產(chǎn)量列入土地發(fā)展?jié)摿χ笜?biāo)體系當(dāng)中，以重點(diǎn)突出耕地資源在東北糧食主產(chǎn)區(qū)經(jīng)濟(jì)發(fā)展中的重要性。

3 數(shù)據(jù)處理與權(quán)重確定

3.1 數(shù)據(jù)來源與處理

采用的數(shù)據(jù)包括地形、土壤、氣象、水文、土地利用結(jié)構(gòu)以及社會經(jīng)濟(jì)統(tǒng)計(jì)數(shù)據(jù)6大類共23個(gè)基礎(chǔ)數(shù)據(jù)(表2)，其中：①高程數(shù)據(jù)是對11幅DEM數(shù)據(jù)(精度90 m)進(jìn)行拼接和裁剪得到，坡度數(shù)據(jù)則通過ArcGIS 10.2對DEM進(jìn)行坡度計(jì)算獲得。②土壤侵蝕數(shù)據(jù)分類標(biāo)準(zhǔn)為SL190—96《土壤侵蝕分類分級標(biāo)準(zhǔn)》。③氣象數(shù)據(jù)基于各氣象站點(diǎn)的原始?xì)庀髷?shù)據(jù)利用反向距離加權(quán)平均法內(nèi)插得到，為減少地形因素造成的影響，原始?xì)鉁財(cái)?shù)據(jù)均經(jīng)過DEM校正。④河流數(shù)據(jù)基于獲得的DEM數(shù)據(jù)通過ArcGIS 10.2的水文模塊計(jì)算得到。⑤土地利用結(jié)構(gòu)數(shù)據(jù)來自黑龍江省、遼寧省和吉林省土地利用變更調(diào)查數(shù)據(jù)，土地利用類型分為耕地、林地、草地、水域、建設(shè)用地、未利用地6類。⑥生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)價(jià)值的計(jì)算采用單位面積土地利用生態(tài)系統(tǒng)價(jià)值當(dāng)量方法，其中耕地、草地和水域以謝高地等[19]確定的中國不同陸地生態(tài)系統(tǒng)的單位面積生態(tài)服務(wù)價(jià)值為依據(jù)，利用謝高地等[20]提出的全國各省份生物量因子進(jìn)行修正；林地借鑒王兵等[21]的研究成果；建設(shè)用地參考COSTANZA等[22]的研究成果，不計(jì)算其生態(tài)服務(wù)價(jià)值。⑦部分行政單元的“公路里程”和“科教文衛(wèi)支出”數(shù)據(jù)，來自各地市2010年、2015年的統(tǒng)計(jì)年鑒。⑧為便于數(shù)據(jù)統(tǒng)計(jì)和分析，將各地級市的市轄區(qū)分別進(jìn)行合并，各視作一個(gè)行政單元；其中哈爾濱市阿城區(qū)、雙城區(qū)、呼蘭區(qū)單獨(dú)視作一個(gè)行政單元。⑨采用Min-max標(biāo)準(zhǔn)化法對各指標(biāo)的原始數(shù)值進(jìn)行無量綱化處理[8]，使結(jié)果落在[0,1]區(qū)間，以消除由于各種類型指標(biāo)具有不同的單位和數(shù)量級而無法相互比較帶來的影響。

3.2 指標(biāo)權(quán)重確定

指標(biāo)權(quán)重的確定應(yīng)避免片面性和主觀性，因此，采用兼顧主客觀的熵權(quán)法+層次分析法綜合分析模型確定指標(biāo)權(quán)重[23]，即首先用層次分析法和熵權(quán)法分別確定各指標(biāo)的主觀權(quán)重、客觀權(quán)重，然后用得到的客觀權(quán)重對主觀權(quán)重進(jìn)行修正，最終得到各指標(biāo)權(quán)重(表1)?？梢钥闯觯鳛槿珖匾募Z食主產(chǎn)區(qū)，土地利用條件中地形位指數(shù)的權(quán)重最大，其次是平均年降水量和年平均氣溫，表明地形和氣候是影響東北地區(qū)土地利用條件高低的關(guān)鍵因素；土地開發(fā)程度中土地開發(fā)強(qiáng)度和地均GDP比重最大；土地發(fā)展?jié)摿χ泄访芏茸畲?，其次為第二、三產(chǎn)業(yè)占GDP比例，表明區(qū)域交通通達(dá)程度和產(chǎn)業(yè)結(jié)構(gòu)對東北地區(qū)社會經(jīng)濟(jì)發(fā)展影響深遠(yuǎn)。

表2 東北地區(qū)土地利用分區(qū)數(shù)據(jù)來源Tab.2 Data sources of land use zoning in Northeast China

4 結(jié)果與分析

4.1 分項(xiàng)評價(jià)結(jié)果

圖2 東北地區(qū)土地利用分項(xiàng)狀況圖Fig.2 Situation maps of land use in Northeast China

在ArcGIS 10.2中，利用自然斷點(diǎn)法將土地利用條件、開發(fā)程度和發(fā)展?jié)摿Φ脑u價(jià)結(jié)果劃分為高、中高、中、中低和低5個(gè)等級，進(jìn)而得到2014年東北地區(qū)土地利用條件、土地開發(fā)程度、土地發(fā)展?jié)摿Φ臓顩r圖(圖2)。

4.1.1土地利用條件

2014年，東北地區(qū)土地利用條件為0.24～0.68，均值為0.46，整體處于中等水平；空間格局基本表現(xiàn)出南高北低的分布特點(diǎn)，南部土地利用的自然本底條件明顯高于北部(圖2a)。遼寧省土地利用條件明顯高于吉林省和黑龍江省，整體屬于中高水平；吉林省為中等水平，黑龍江省僅為中低水平。土地利用條件的高值地區(qū)(X1>0.58)僅有16個(gè)縣(區(qū))，主要分布于遼河平原，該地區(qū)地形平緩、氣候適宜、降雨充足、河網(wǎng)密布。大興安嶺、小興安嶺、張廣才嶺-老爺嶺、長白山、努魯爾虎山等地區(qū)73個(gè)縣(區(qū))的土地利用條件處于中低和低水平(X1≤0.44)，該地區(qū)分布著大量的山地和丘陵，土地利用難度較大。184個(gè)基本行政單元中，土地利用條件最好的是遼寧省東港市，最差的是黑龍江省漠河縣。

4.1.2土地開發(fā)程度

2014年，東北地區(qū)土地開發(fā)程度為0.11～0.81，平均土地開發(fā)程度僅為0.21，整體處于較低水平(圖2b)。三省之中，遼寧省土地開發(fā)程度最高，均值為0.26；黑龍江省開發(fā)程度最低，均值僅為0.18。土地開發(fā)程度的高值區(qū)(X2>0.42)僅包括10個(gè)縣(區(qū))，分布較為分散，主要為遼河平原8個(gè)市轄區(qū)，以及松嫩平原的遼源市轄區(qū)和哈爾濱市轄區(qū)。大中型城市的市轄區(qū)由于地處市中心，土地開發(fā)強(qiáng)度高，產(chǎn)業(yè)和人口較為集中，經(jīng)濟(jì)發(fā)達(dá)，土地開發(fā)程度普遍較高。135個(gè)縣(區(qū))的土地開發(fā)程度處于中低和低水平(X2≤0.21)，占東北地區(qū)土地總面積的88.18%，表明東北地區(qū)大部分土地仍處于低效粗放利用階段。東北地區(qū)各縣(區(qū))中，遼寧省鞍山市轄區(qū)土地開發(fā)程度最高，遼寧省撫順縣最低。

圖3 東北地區(qū)土地利用分區(qū)兩維圖論樹圖Fig.3 Two-dimension optimal tree cluster of land use zoning in Northeast China

4.1.3土地發(fā)展?jié)摿?/p>

2014年，東北地區(qū)土地發(fā)展?jié)摿?.13～0.57，均值為0.32，整體處于中等水平，空間格局基本表現(xiàn)出西低東高、北低南高的分布特點(diǎn)(圖2c)。三省之中，遼寧省土地發(fā)展?jié)摿ψ罡?，黑龍江省發(fā)展?jié)摿ψ畹?。土地發(fā)展?jié)摿Φ母咧祬^(qū)(X3>0.42)包括14個(gè)縣(區(qū))，主要分布在遼河平原和松嫩平原南部，該地區(qū)交通便利，二三產(chǎn)業(yè)發(fā)達(dá)，投資吸引力和糧食生產(chǎn)能力比較突出，土地發(fā)展?jié)摿ζ毡檩^高。三江平原、松嫩平原北部、大興安嶺、小興安嶺、吉林哈達(dá)嶺、長白山、努魯爾虎山等地區(qū)50個(gè)縣(區(qū))的土地發(fā)展?jié)摿μ幱谥械秃偷退?X3≤0.29)，占土地總面積的37.25%。184個(gè)基本單元中，土地發(fā)展?jié)摿ψ罡叩氖沁|寧省遼源市轄區(qū)，最低的是遼寧省彰武縣。

4.2 綜合分區(qū)結(jié)果

運(yùn)用兩維圖論聚類法將土地利用條件X1、土地開發(fā)程度X2、土地發(fā)展?jié)摿33個(gè)指標(biāo)進(jìn)行聚類分析，生成東北地區(qū)土地利用分區(qū)兩維圖論樹圖，圖中以分析線直接相連的2個(gè)行政單元在各指標(biāo)綜合性方面具有一定的相似性(圖3)。兩維圖論樹圖的主干線為塔河縣—漠河縣—呼瑪縣—黑河市轄區(qū)—孫吳縣—北安市—綏棱縣—慶安縣—巴彥縣—賓縣—阿城市—榆樹市—德惠市—農(nóng)安縣—公主嶺市—梨樹縣—昌圖縣—康平縣—法庫縣—新民市—黑山縣—北鎮(zhèn)市—凌海市—義縣—北票市—朝陽市轄區(qū)—葫蘆島市轄區(qū)—興城市—朝陽縣—喀喇沁左翼蒙古族自治縣—建昌縣—凌源市，根據(jù)分區(qū)內(nèi)部一致性、各分區(qū)間差異性的原則進(jìn)行分割，在主干線兩側(cè)同一分支線上的行政單元即視為同一分區(qū)，得到兩維圖論樹分區(qū)結(jié)果(圖3)。根據(jù)各分區(qū)的實(shí)際情況、地形地貌特點(diǎn)、土地利用結(jié)構(gòu)特征進(jìn)行命名，最終確定東北地區(qū)土地利用分區(qū)方案(表3和圖4)。

4.3 土地利用各分區(qū)特征分析

東北地區(qū)可分為3種類型共12個(gè)分區(qū)，包括3個(gè)城市綜合發(fā)展區(qū)(Ⅲ區(qū)、Ⅷ區(qū)、Ⅻ區(qū))、4個(gè)土地利用區(qū)(Ⅱ區(qū)、Ⅴ區(qū)、Ⅶ區(qū)、Ⅸ區(qū))、5個(gè)林農(nóng)生態(tài)區(qū)(Ⅰ區(qū)、Ⅳ區(qū)、Ⅵ區(qū)、Ⅹ區(qū)、Ⅺ區(qū))(表3)。

表3 東北地區(qū)土地利用各分區(qū)屬性Tab.3 Properties of land use zoning in Northeast China

圖4 東北地區(qū)土地利用分區(qū)圖Fig.4 Land use zoning map in Northeast China

城市綜合發(fā)展區(qū)是東北地區(qū)社會經(jīng)濟(jì)發(fā)展的中心地區(qū)，土地總面積僅占東北地區(qū)21%，但分布著44%的建設(shè)用地，集聚49%的人口，貢獻(xiàn)66%的GDP。54個(gè)行政單元主要分布在松嫩平原中部、遼河平原中部和遼東半島，該區(qū)域地勢較為平坦、降雨充沛、氣候適宜，土地利用條件處于中高水平；哈爾濱、大慶、吉林、長春、沈陽、大連、營口等大中型經(jīng)濟(jì)發(fā)達(dá)城市的市轄區(qū)均分布在此，人口集中、經(jīng)濟(jì)發(fā)達(dá)、城市化水平高，土地開發(fā)程度處于中等水平；交通便利、工業(yè)和服務(wù)業(yè)比較發(fā)達(dá)、二三產(chǎn)業(yè)GDP比例均值為83%，土地發(fā)展?jié)摿μ幱谥懈咚?，是東北地區(qū)的重點(diǎn)發(fā)展?jié)摿^(qū)。城市綜合發(fā)展區(qū)的土地利用條件、開發(fā)程度和發(fā)展?jié)摿?0.52，0.26，0.36)均高于農(nóng)牧、農(nóng)林、農(nóng)林牧土地利用區(qū)和林農(nóng)生態(tài)區(qū)，土地利用綜合水平整體較高。

農(nóng)牧、農(nóng)林、農(nóng)林牧土地利用區(qū)是東北地區(qū)農(nóng)業(yè)生產(chǎn)集中區(qū)域，以第一產(chǎn)業(yè)為主，包括73個(gè)行政單元，土地總面積2.693×105km2。作為糧食主產(chǎn)區(qū)，集中了東北地區(qū)50%的耕地和45%的糧食產(chǎn)量，該類型區(qū)主要分布在松嫩平原南北部、遼河平原西部和三江平原，地形位指數(shù)均值0.74，地勢平坦、水資源豐富、土壤肥沃，但土壤侵蝕問題突出(土壤侵蝕指數(shù)0.95)，耕地和草地“三化”、水土流失現(xiàn)象較為嚴(yán)重，生態(tài)環(huán)境惡劣，土地利用條件處于中等水平。區(qū)域土地開發(fā)程度和土地發(fā)展?jié)摿稻陀诔鞘芯C合發(fā)展區(qū)和林農(nóng)生態(tài)區(qū)，擁有數(shù)量眾多的未利用地和水域，土地利用綜合水平整體處于中低水平。

東北地區(qū)其它57個(gè)行政單元?jiǎng)澐譃榱洲r(nóng)生態(tài)區(qū)，作為天然林重點(diǎn)保護(hù)區(qū)、生態(tài)環(huán)境保護(hù)區(qū)、木材生產(chǎn)基地，該區(qū)域生態(tài)環(huán)境優(yōu)異，森林資源豐富，分布著東北地區(qū)72%的林地、40%的草地。大興安嶺、小興安嶺、長白山脈共同構(gòu)成了該區(qū)域基本的地形地貌，較高的地勢、相對偏遠(yuǎn)的區(qū)位、較低的氣溫均不利于土地資源的大規(guī)模開發(fā)利用(地形位指數(shù)均值1.63)，交通不便、人口稀少、二三產(chǎn)業(yè)比例偏低，地均GDP僅為213.18萬元/km2，土地利用效率較低，區(qū)域經(jīng)濟(jì)發(fā)展較為滯后；與此同時(shí)，高達(dá)11 293.32億元的生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)價(jià)值總額使得該區(qū)域在東北地區(qū)以及全國生態(tài)系統(tǒng)中均占有至關(guān)重要的地位。區(qū)域土地利用條件、開發(fā)程度、發(fā)展?jié)摿ζ骄鶖?shù)值為(0.41，0.20，0.31)，分別處于中低、中低、中水平，土地利用綜合水平整體處于中低水平。

在空間分布方面，各分區(qū)土地利用條件、開發(fā)程度、發(fā)展?jié)摿途C合水平等方面均存在明顯地域差異，由北向南基本上呈現(xiàn)逐漸遞增的趨勢，各分區(qū)內(nèi)部行政單元之間特征較為一致，各分區(qū)之間特征差異性較為顯著。省級第三輪土地利用總體規(guī)劃(2006—2020年)將東北地區(qū)劃分成12個(gè)土地利用分區(qū)(黑龍江省劃分為大興安嶺、小興安嶺、松嫩平原、三江平原和張廣才嶺、老爺嶺5個(gè)分區(qū)；吉林省劃分為東部、中部和西部3個(gè)分區(qū)；遼寧省劃分為沿海、中部、東部、西北4個(gè)分區(qū))，與之相比，本研究的分區(qū)方案在遵循各地區(qū)土地利用綜合要素基本一致的前提下，打破了省級行政區(qū)劃界線，統(tǒng)一了分區(qū)單元、分區(qū)依據(jù)、分區(qū)方法和命名原則，更為突出體現(xiàn)各分區(qū)之間土地利用條件、開發(fā)程度和發(fā)展?jié)摿Φ膮^(qū)域差異，擁有更好的區(qū)域協(xié)調(diào)性和可實(shí)施性。通過以上分析可以發(fā)現(xiàn)，結(jié)合兩維圖論聚類法和GIS空間分析法得到的東北地區(qū)土地利用分區(qū)方案較為科學(xué)合理。

4.4 土地利用各分區(qū)調(diào)控措施建議

4.4.1城市綜合發(fā)展區(qū)

該區(qū)土地利用方式應(yīng)以耕地為主，部分坡耕地實(shí)施退耕還林還草，改善生態(tài)環(huán)境，促進(jìn)工業(yè)轉(zhuǎn)型升級，大力發(fā)展服務(wù)業(yè)，推動(dòng)區(qū)域經(jīng)濟(jì)發(fā)展振興。土地利用指標(biāo)調(diào)整應(yīng)為適度增加建設(shè)用地面積，減少耕地面積，增加林地面積。其中松嫩平原中部城市綜合發(fā)展區(qū)應(yīng)側(cè)重耕地保護(hù)，建設(shè)用地方面應(yīng)優(yōu)先保障工業(yè)用地；遼河平原中部城市綜合發(fā)展區(qū)應(yīng)側(cè)重基本農(nóng)田建設(shè)，加大礦區(qū)土地復(fù)墾力度；遼東半島城市綜合發(fā)展區(qū)應(yīng)側(cè)重旅游、交通、物流等體系建設(shè)，加快沿海港口群、工業(yè)區(qū)建設(shè)，適度開發(fā)沿海灘涂資源，構(gòu)建沿海防護(hù)林體系。

4.4.2農(nóng)牧土地利用區(qū)

該區(qū)地處松嫩平原北部、南部，土地利用方式應(yīng)以耕地和草地為主，農(nóng)牧結(jié)合，通過土地開發(fā)整理和退耕還林還草實(shí)現(xiàn)耕地面積動(dòng)態(tài)平衡，治理土地“三化”，建設(shè)防護(hù)林體系。土地利用指標(biāo)調(diào)整應(yīng)為保持耕地面積穩(wěn)定，適度增加草地、林地等生態(tài)用地面積，少量分配新增建設(shè)用地指標(biāo)，保障交通、水利、能源等基礎(chǔ)設(shè)施建設(shè)需要。其中松嫩平原北部農(nóng)牧土地利用區(qū)應(yīng)側(cè)重耕地保護(hù)和基本農(nóng)田建設(shè)，松嫩平原南部農(nóng)牧土地利用區(qū)應(yīng)側(cè)重生態(tài)恢復(fù)。

4.4.3農(nóng)林土地利用區(qū)

三江平原農(nóng)林土地利用區(qū)作為糧食主產(chǎn)區(qū)，土地利用方式應(yīng)以耕地和林地為主，將部分不穩(wěn)定耕地進(jìn)行退耕還林還濕，改善生態(tài)環(huán)境，同時(shí)加大礦區(qū)土地復(fù)墾力度。土地利用指標(biāo)調(diào)整應(yīng)適度增加林地面積、減少耕地面積，少量分配新增建設(shè)用地指標(biāo)。

4.4.4農(nóng)林牧土地利用區(qū)

遼河平原西部農(nóng)林牧土地利用區(qū)位于干旱半干旱地區(qū)，生態(tài)環(huán)境破壞較為嚴(yán)重。土地利用方式應(yīng)以耕地、林地和草地為主，推動(dòng)資源型城市經(jīng)濟(jì)轉(zhuǎn)型，加強(qiáng)“三化”土地治理和“三北”防護(hù)林建設(shè)，促進(jìn)生態(tài)系統(tǒng)恢復(fù)和重建。土地利用指標(biāo)調(diào)整應(yīng)為適度增加林地、草地面積，減少耕地面積，小幅增加建設(shè)用地面積，保障水利、交通等基礎(chǔ)設(shè)施建設(shè)需要。

4.4.5林農(nóng)生態(tài)區(qū)

該區(qū)是松嫩平原、三江平原、遼河平原重要的天然屏障，東北地區(qū)重要的生態(tài)保護(hù)區(qū)，高程和坡度較高，不宜進(jìn)行大規(guī)模的開發(fā)建設(shè)活動(dòng)。土地利用方式應(yīng)以林地和耕地為主，林農(nóng)結(jié)合，保護(hù)天然林、建設(shè)人工林，將部分坡耕地退耕還林還草，提高土地利用綜合效益。土地利用指標(biāo)調(diào)整應(yīng)為適度增加林地面積，保持耕地面積穩(wěn)定，少量分配新增建設(shè)用地指標(biāo)，嚴(yán)格控制建設(shè)用地規(guī)模。

5 結(jié)論

(1)基于多源數(shù)據(jù)，借鑒相關(guān)研究成果，從土地利用“本底-現(xiàn)狀-潛力”三維結(jié)構(gòu)出發(fā)選取相關(guān)指標(biāo)，構(gòu)建東北糧食主產(chǎn)區(qū)土地利用分區(qū)的綜合評價(jià)指標(biāo)體系，將土地利用條件、開發(fā)程度和發(fā)展?jié)摿ψ鳛榉謪^(qū)因子，采用兩維圖論聚類法和GIS空間分析法對東北地區(qū)(184個(gè)行政單元)進(jìn)行土地利用分區(qū)研究。

(2)構(gòu)建的土地利用“本底-現(xiàn)狀-潛力”三維分區(qū)評價(jià)指標(biāo)體系可以清晰地反映糧食主產(chǎn)區(qū)土地利用的自然本底條件、開發(fā)現(xiàn)狀和未來發(fā)展?jié)摿μ卣?，其中土地發(fā)展?jié)摿ο嚓P(guān)指標(biāo)的選取不應(yīng)只單純反映經(jīng)濟(jì)效益，應(yīng)將社會效益、生態(tài)效益也考慮在內(nèi)，綜合反映土地資源在實(shí)現(xiàn)經(jīng)濟(jì)、社會和生態(tài)效益等方面潛在的發(fā)展?jié)摿Α?/p>

(3)兩維圖論聚類法在保證各分區(qū)內(nèi)部特征一致性和分區(qū)之間特征差異性前提下，可以較好地兼顧分區(qū)空間的連續(xù)性和行政區(qū)劃的完整性，提高了土地利用分區(qū)的可實(shí)施性和科學(xué)性。

(4)東北地區(qū)可劃分成3種類型共12個(gè)分區(qū)，各分區(qū)之間土地利用條件、開發(fā)程度、發(fā)展?jié)摿嬖诿黠@地域差異，由北向南基本上呈現(xiàn)逐漸遞增的趨勢；城市綜合發(fā)展區(qū)是東北地區(qū)社會經(jīng)濟(jì)發(fā)展的中心地區(qū)，土地利用條件、開發(fā)程度和發(fā)展?jié)摿哂谄渌愋蛥^(qū)，土地利用綜合水平整體較高；農(nóng)牧、農(nóng)林、農(nóng)林牧土地利用區(qū)是農(nóng)業(yè)生產(chǎn)集中區(qū)域，林農(nóng)生態(tài)區(qū)是生態(tài)環(huán)境保護(hù)重點(diǎn)地區(qū)，土地利用綜合水平整體較低；針對不同類型區(qū)的區(qū)域特點(diǎn)制定了差異化的土地利用方式和土地利用指標(biāo)調(diào)控措施，以指導(dǎo)區(qū)域未來發(fā)展。

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