基于层次聚类法的四川省“长治”工程土地利用分区研究

吴骁博，尹忠东，高广磊，李耀明，陈 倩，康 璇

（北京林业大学水土保持学院，北京 100083）

国外土地利用分区的研究，起步比较早，经历了从制定土地开发利用方向、解决土地合理分配与布局到现代化分区的3个阶段[1]。GIS技术和一些数学方法在土地利用分区上得到了广泛的应用。国内的土地利用分区研究起步相对较晚，从20世纪60年代开始，科学家先后采用计量地理学的方法，提出改进聚类分析法、空间叠加分析法、星座图法、模比系数法等4种对土地利用分区数据进行处理的方法，对全国土地利用进行分区[2]。

土地利用分区是按照土地治理改造模式的不同划分的特定区域，并针对其经济、社会目的，制定经营管理策略。其目的是探讨土地利用的组成及综合特性，了解土地利用中存在的问题，为土地可持续利用提供基础。

四川省川中地区位于长江上游，面积48.5 km2，是一个农业发达地区。新中国成立初期，全省水土流失面积仅占幅员面积的16.68%。由于人类活动的加剧，到1988年全省水土流失面积占幅员面积的比例达41.2%。自1989年以来，随着“长治”、“天保”、退耕还林等生态环境建设工程的实施，水土流失面积逐年减少。四川省“长治”工程以大流域为依托，以小流域为单元，以坡耕地为治理重点，实行工程措施、生物措施和保土耕作措施并举，对山、水、林、田、路进行综合治理[3]。治理措施包括改造坡耕地、植被覆盖、营造水土保持林等，土地利用结构发生改变。不同区域的土地利用结构具有相似性和差异性，并与各个地区的自然条件和社会经济发展因素相关。因此，土地利用分区对研究区农业区划、资源利用、土地利用类型规划具有可持续发展意义。土地利用分区有利于因地制宜地开发利用区域土地资源，充分发挥各区比较优势，增进土地利用效益，促进区域生态环境良性发展，提高四川省“长治”工程的生态效益[4-10]。

1 研究区概况

四川省“长治”工程第五期小流域综合治理涉及金沙江中下游和嘉陵江流域的9个市（州）所辖的37个县（市、区），共竣工212条小流域，总土地面积6 971.55 km2。嘉陵江流域属亚热带湿润季风气候，年均温一般在16～18℃左右，全区年降雨量在800～1 200 mm之间；地貌以丘陵地貌为主，坡度平缓，地表崎岖，岩性松散，岩层以紫砂页岩、灰岩为主；土壤以紫色土、黄壤和水稻土为主；降雨量大，人类活动较频繁，垦殖指数高，水土流失严重。金沙江中下游地区属于热河谷气候，年降雨量在500 mm左右，降雨集中在5～10月份，约占全年降雨量的70%～90%；地貌以中山、低山地貌为主，地形破碎，河谷深切，泥石流活动频繁，岩层以灰岩、紫色砂页岩、紫色岩为主，土壤以黄土壤、红壤为主。研究区气候温和，雨量充沛，四季分明，光热资源适宜，利于农作物生长和植被繁衍。

研究区土壤侵蚀类型以水力侵蚀为主，尤其以面蚀最为严重，金沙江下游地区泥石流灾害比较突出。水土流失导致的土壤生产力下降、灾害频发、生态环境恶化等问题成为阻碍该区社会经济发展的重要因素。

2 研究方法

2.1 样本数据采集

通过调查和收集数据、资料和图件，了解研究区的土地利用状况。本研究选用二级地类的农地、林地、草地、荒地以及其他用地5个地类作为分区依据（见表1），其原因在于它们在土地总面积中所占比重较大，能体现研究区的用地特点，确保分区的准确性。依据上述原因，求出各土地利用类型占总土地面积的百分比，其计算公式见式（1）。

2.2 数据处理

采用层次聚类法（Hierarchical cluster）进行土地利用类型区的划分。层次聚类法是通过逐渐凝聚，将所有个体变成小集体，最终达到目的性的多个大类。为了能将样本划分成不同的类别，必须定义一种距离测量方法和距离指标来度量同一类样本间的类似性[11]。本文采用欧氏平方距离来描述任意两个个体之间的离散程度，即距离。那么，对任意2个个体X=（x1，x2，…，xn）T，Z=（z1，z2，…，zn）T，其距离计算公式见式（2）。

表1 “长治”工程所在的9个市的5项土地利用比例的指标统计 （%）

式中：D表示两个体之间的距离；xi，zi，i＝1,2，…，n分别表示个体X和Z的第i个属性值。

3 土地利用分区确定

从土地利用结构中选农地、林地、草地、荒地以及其他用地占地百分比等5个指标，构建土地利用分区体系，利用层次聚类法，对四川省东北部9个市州各区域范围内的5项指标进行了统计，将研究区分为两类，其聚类过程如图1所示。

图1 “类平均法”聚类分析树状图

通过聚类计算，将项目区9个市州划分为两个土地利用管理区域，其中遂宁市、广元市、绵阳市、南充市、宜宾市、广安市、达州市为第一区，因这7个市大部分布在研究区的中间部位，又称为中部区，其它市（州）为第二区，又称为周边区。

为了更好地反映中部区及周边区各县区的土地利用方向和结构的差异性，可进一步基于市级分区结果划分二级分区。限于篇幅，县区的指标统计数据文中不再列举，二级分区的划分仍以上述聚类方法为途径进行归类，最终得到四川省“长治”工程第五期小流域9市（州）37县（市、区）的分类结果，如表2所示。

表2 “长治”工程所在的9个市（州）37个县（市、区）土地利用类型聚类分析结果

4 土地利用分区分析

4.1 土地利用一级分区

4.1.1 中部区土地利用分析 遂宁市、广元市、绵阳市、南充市、宜宾市、广安市、达州市7市位于四川盆地的盆中，人口密度大，达600人/km2左右，劳动力充足，道路建设与房屋面积广而大。该区地势起伏，年平均降雨量为800～1 200 mm，且多为大到暴雨，土地利用密集，垦殖指数高，农地面积占地率大于60%，自然植被较少，林地及草地比重小。岩土松散，水土流失严重，且大部分为水蚀。该区为“长治”工程的长江上游水土保持重点防治区，通过“长治”工程小流域综合治理，取得了显著的生态效益、经济效益和社会效益。该区经济较发达，GDP增长迅速，均居四川省前列，能源资源丰富，矿藏品种多，储藏量大，也是四川地区主要的天然气富集地。野生动植物蕴藏量大，杜仲、天麻等植物蕴藏量上万吨。境内水能蕴藏量达百万千瓦，建有水电站、火电站，总装机容量达百万千瓦。

4.1.2 周边区土地利用分析 巴中市、凉山州两市在研究区的周边，在四川盆地边缘，地势起伏较大，高差大，大部分地面海拔1 400～2 500 m，土谷坡陡峭，气候总体特征为：冬暖、春早、夏热、秋凉，四季分明。两市（州）资源丰富，光热资源充足，光照较多，气候温和，降雨量集中、强度大。该区森林覆盖率超30%，生态优美，物产丰富，有利于农业生产的发展。该区水土流失、土壤侵蚀严重，特别是泥石流、滑坡等重力侵蚀的发育。部分地区地表岩石出露广泛，人口密度相对较小，在山地缓坡以及河谷地带以种植业为主，垦殖率不及中部区，在四川省“长治”工程第五期的治理下，大多以林地分布，主要种植楠竹、板栗、核桃、广玉兰、油桐、乌桕、枇杷等。由于土壤侵蚀严重，泥石流等重力侵蚀多发，坡度陡，导致荒地面积增大。

4.2 土地利用二级分区

4.2.1 中部区 中部区可分为两个二级区，按照土地利用类型百分比，平均两个二级区的各项指标，得到表3。从表3得知，中部第一分区的林地、草地、荒地和其他面积占地率均高于中部第二分区，但农地不及第二分区。该区丘陵广布，平地狭小，土地肥沃，农耕地开发利用广泛；同时，林业用地面积较多，荒地面积相对较广。该区区位优势明显，气候适宜，日照时间长，土质优良，年平均降雨量较大，物产丰富，粮食、油料作物产量高，水路交通便利，电力资源丰富，工农业发展较快。第二分区的各县（市、区）土地利用类型以农地为主，山峦起伏，沟壑纵横，地势复杂。该区水资源丰富，耕地面积广，垦殖系数大，农业生态环境多样，粮食、油料等主要农产品的产量高，矿产资源储量大，农业、经济均具有发展潜力。

表3 中部区第一分区和第二分区的5项土地利用比例的比较 （%）

4.2.2 周边区 将周边区所包括的8个县分成两大类型，即将周边区划分为两个土地利用管理区域，其中平昌县为第一区，通江县、会理县等7县为第二区，取两个分区各土地利用类型的平均值，得表4。第一分区仅包括平昌县。平昌县属四川盆地中亚热带湿润季风气候区，四季分明，气候温和，多年日平均气温为16.8℃；平昌县境内河道总长747 km，水力蕴藏量13.51万kw，可开发量6.3万kw；降雨丰富，夏季偏涝；地形以山原、低中山为主，农耕地一般在海拔700 m左右，坡耕地利用范围广。由于“长治”工程的实施，平昌县水利建设速度逐步提高，梯田等农田水利措施得到落实。周边区第二分区的雨量、光照、气温均适合多种动植物生息繁殖，因而资源十分丰富，且地下矿产资源容量大，具有一定储量的有煤、铁、石灰岩、白云岩、铝土、石英、钾、石膏、大理石、天然气等。第二分区林地比重大于农地比重，两者数量大致呈3∶1的比例。该区森林覆盖率高，以常绿乔木树种居多。

表4 周边区第一分区和第二分区5项土地利用比例的比较 （%）

5 土地利用分区验证

将研究区的一级分区与长江上游及西南诸河水土流失分区相比，土地利用分区的中部区均在盆中丘陵中度水蚀亚区范围之内，气候条件与土地利用类型相似，地表崎岖，自然植被较少，岩性松散，坡耕地面积大，人口密度大，降雨量大而集中，水土流失严重，以中度坡面侵蚀为主。而周边区均在该范围之外，分布在四周，该区气候温和，雨量充沛，雨季降水多，地势起伏，海拔高，河流横穿区域，以强度侵蚀为主，泥石流、滑坡等重力侵蚀发育，频率高，强度大。

6 结 语

研究区域分布在嘉陵江中下游和金沙江下游地区，总土地面积6 971.55 km2。嘉陵江中下游地区以丘陵地貌为主，坡度平缓，岩层以紫砂页岩、灰岩为主，土壤以紫色土为主，降雨量大，人类活动频繁，垦殖指数高，水土流失严重。本文以“长治”工程第五期小流域综合治理竣工验收表为基本数据源。研究区的合理分区，对政府制定相关规定以及区县政府的合作有一定的指导意义，同时为该区土地利用规划、环境生态建设、水土流失治理提供了可靠的依据。

在spss技术支持下，利用层次聚类法，对四川省“长治”工程第五期小流域治理区进行了土地利用分区研究，将研究区分为周边区和中部区两个大区，并根据城镇的土地利用类型指标，两个大区分别可分成两个小区。按照土地利用结构的差异性和相似性来划分的周边区和中部区与西南地区水土流失分区的范围一样，表明四川省“长治”工程对土地利用类型的改变与各地区水土流失的特点和程度有关。以林地和荒地为主的地区侵蚀程度最轻，强度及强度以上的侵蚀主要发生在以农地为主的土地利用方式上；在封禁治理和保土耕作的条件下，无明显大面积流失现象，防治水土流失效果好。

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