A Methodology Framework for Regional Land-use Change Studies based on Landsat TM images: A Case Study in Northeast China

Abstract

Land-use change is an important aspect of global environment change. It is, in a sense, the direct result of human activities influencing our physical environment. This paper analyzed the land- use change in Northeast China during 1985–2000 based on Landsat TM images. It divides Northeast China into five land-use zones based on the dynamic degree model of land-use: woodland/grassland-arable land conversion zone, dry land-paddy field conversion zone; urban expansion zone, interlocked zone of farming and pasturing and reclamation and abandon zone. The findings include the obvious increase of cropland area, paddy field and dry land increased by 75 and 276 thousand hm² respectively; urban areas expanded rapidly, areas of town and rural residence increased by 76.8 thousand hm²; areas of forests and grassland decreased sharply with the amounts of 1399 and 1521 thousand hm² respectively; areas of water body and unused land increased by 148 and 514 thousand hm² respectively. This paper also discusses the driving forces in each land-use dynamic zone and finds that some key biophysical factors affect conspicuously the conversion of different land-use types. The relation between land-use conversion and DEM, accumulated temperature (≤10°C) and precipitation was analyzed and represented. The land-use changes In Northeast China resulted from the changing macro social and economic factors and local physical elements. Rapid population growth and management changes can explain the shaping of woodland/grassland-cropland conversion zone. The conversion from dry land to paddy field in the dry land-paddy field conversion zone, apart from the change of physical elements promoting the expansion of paddy field, results from two reasons: one is that the implementation of market economy in China has given farmers the right to decide what and how they plant their crops, the other factor is originated partially from the change of the dietary habit along with the social and economic development. The conversion from paddy field to dry land is caused primarily by the shortfall of irrigation water, which in turn is caused by poor water allocation managed by local governments. The shaping of the reclamation and abandon zone is partially due to the lack of environment protection consciousness among pioneer settlers. The reason for the conversion from grassland to cropland is the relatively higher profits of farming than that of pasturing in the interlocked zone of farming and pasturing. In Northeast China, the rapid expansion of built-up areas results from two factors: the existence of a small number of towns and the huge potential for expansion of the existing towns and cities. The urban land expanded mainly in areas with a gentle topographic relief and low population density.     

汉江流域土地利用变化及空间格局分析

土地利用变化是人类活动对自然环境施加影响的显著表现形式,已成为全球环境变化研究的重要内容。基于遥感和地理信息系统技术,利用三期Landsat TM图像的解译成果,分析了安康市1985～2000年土地利用变化的结构特征及其空间差异格局。研究表明,近15年来,安康市土地利用转移量主要发生在耕地、林地、草地和水域之间．建设用地和未利用土地的转移趋势不明显。三个时段内各土地利用类型的净变化量差异比较明显。1985～1995年．耕地变化以转入为主,其中由草地转入的比重最大,占耕地总转入量的96．02％。1995～2000年,耕地以大量转出为主,共有1503．21hm2的耕地转为其它用地,其中转向林地和草地的量占耕地总转移量的比例分别是15．46％和78．77％。在行政区尺度上各种用地类型的净变化量分布比较均衡,而在垂直带空间尺度上耕地、林地和草地的净变化随海拔高度的分异较为明显。大致以1600m为界,耕地随海拔高度升高而递减,林地、草地随海拔高度升高而递增．     

洞庭湖区不同利用方式下农田土壤有机碳含量特征

土地利用方式是影响土壤有机碳含量和动态的重要因子之一。其利用方式的改变必将引起土壤有机碳含量发生相应的变化。在洞庭湖腹地选取典型样区，通过调查走访和密集取样，分析了不同土地利用方式（旱地、水旱轮作地、一季稻水田和双季稻水田）下623个农田耕层土样有机碳含量。结果表明，研究区内土壤有机碳含量高低顺序为双季稻水田（28.12 g/kg） > 一季稻水田（27.03 g/kg） > 水旱轮作地（24.79 g/kg） > 旱地（17.96 g/kg），其差异均达到极显著水平（P < 0.01）。土地生产力、秸秆还田量和土壤水文状态是导致不同利用方式下耕层土壤有机碳含量差异的主要原因。进一步分析表明：加强作物秸秆还田（土）、提高土地复种指数、增加地表覆盖是维持和提高洞庭湖区耕作土壤有机碳含量的可行措施，尤其是旱作土壤。     

东北农牧交错生态脆弱区可持续发展研究

生态脆弱区是经济落后、人民生活较为贫困的地区．是可持续发展领域重点研究地区之一。实现生态脆弱区可持续发展管理的重要基础之一是对其发展现状进行综合测度。以我国典型生态脆弱区-东北农牧交错区为例．运用所建立的指标体系对阜新、通辽、赤峰等典型样点地区的可持续发展现状进行评估．对引致区域可持续发展现状的主要原因进行剖析；对1990年和2002年两个不同时段的可持续发展状态进行对比分析。结果表明资源与环境状况是影响区域可持续发展的关键因子．经济发展是提高可持续发展能力的根本保证．社会、人口、科技子系统对区域可持续发展具有重要作用。基于对上述问题的分析．提出东北农牧交错区可持续发展能力建设的几点对策。     

稻虾共作快速发展背景下潜江耕地时空变化特征分析

虾稻共作综合种养模式近年来在长江中下游地区快速发展，探索虾稻共作对农业土地利用的影响，对于科学调控虾稻田发展、确保粮食和生态双安全具有重要意义。该研究以虾稻共作模式发源地——湖北潜江市为研究区域，利用空间分析和破碎度指数方法，分析虾稻共作模式快速推广下潜江市农业土地利用时空格局变化。结果表明：（1）近20年来，耕地时空格局变化过程是以园林办事处（主城区）为中心的建设用地向西至广华镇、南至杨市镇不断扩张，耕地转为新增建设用地达28.64 km2，约18.59 km2耕地转换为水域；（2）耕地格局呈现破碎化，主要由城市发展过程中建设用地扩张占用耕地，以及虾稻田快速发展后造成；（3）虾稻田主要由水田转换而来，部分旱地及水域也转换为虾稻田。虾稻田的不断扩张，特别是旱地和水域转换为虾稻田，一定程度上带来耕地破碎化。因此，在我国农业劳动力不足、农民收入不高和种地积极性不强等因素下，未来虾稻田种植模式对耕地利用具有较好的潜力和空间，但也需要重点关注虾稻共作模式的可持续发展，重点基于水田发展虾稻田种养模式。     

流域土地利用变化的长周期水文效应及管理策略

长周期水文效应作为不同强度暴雨事件的综合反映，对流域规划和管理决策非常重要。以太湖地区蠡河流域为研究区，通过解译1984年、1995年和2000年3个时段TM/ETM获得土地利用分布地图，分析其土地利用变化的模式，并基于研究区30年的降水序列，应用长周期水文分析模型L-THIA（Long-Term Hydrologic Impact Assessment），计算3个时段土地利用特征对暴雨地表径流的影响，分析不同土地利用类型水文效应的敏感性，在此基础上总结了减少流域水文效应的土地利用管理策略。分析结果显示，该区土地利用有明显变化，主要表现为水田、旱田向建筑用地的转化，从1984年到2002年，城镇及居民地扩展占流域总面积的4.199 4 ％，地表径流量增加了6.170 ％，不同土地利用方式的水文效应有较大差别，林地、湖滩湿地的敏感性最大，其次是水田和旱田。     

Development of a land-use forecast tool for future water resources assessment: case study for the Mekong River 3S Sub-basins

Land-use change is one of the major factors that alter local and regional hydrology. For areas experiencing fast expansion of urban and agriculture areas, land-use changes often adversely affect stream flow and water resources at the local and watershed scale. The Sekong, Sesan, and Srepok (3S) Sub-basins are a part of the Lower Mekong River Basin and include land in Cambodia, Lao People’s Democratic Republic (Laos), and Viet Nam. The region is experiencing a dynamic land-use transition because of rapid changes in its economy, society, and environment. Major land-use changes include deforestation of native rain forest, expansion of agricultural and urban areas, and expansion of commercial plantation such as rubber trees. These land-use alterations have affected local and regional hydrologic processes, resulting in stream flow shortages during the dry season and flash flooding due to deforestation. In this research, deforestation in the 3S Sub-basins over the period 1993–1997 was analyzed using multi-logistic regression. The regression analysis indicated that density of agricultural cells within a 5-km radius from each forest cell and slope strongly affected the deforestation process. A land-use forecast model to simulate deforestation and urbanization sites was developed in GIS based on local land-use change trends. The model was applied to 2003 land use to forecast 2033 land use and future water demand, which was further compared with present stream flow measurements during the dry season at various places in the region. The entire approach from the land-use forecast to its impact assessment on stream flow could help local stakeholders understand watershed-wide future water resources risks and develop future water resources plans. With the 3S Sub-basins being used as a case study area, this article presents a land-use forecast tool; simulated 2033 land-use and water demand; and the estimation of the impact of the forecasted future water demand on the local stream flow.     

升金湖湿地时空演变对越冬鹤类种群动态的影响

升金湖湿地是我国主要的鹤类越冬栖息地之一。研究升金湖湿地时空变化对越冬鹤类种群动态的影响在湿地生态环境改善、鹤类种群恢复等方面具有重要参考价值。对1986～2015年升金湖湿地白头鹤（Grus monacha）、白鹤（Grus leucogeranus）、灰鹤（Grus grus）及白枕鹤（Grus vipio）种群数量的变化趋势分别进行了曲线拟合；结合升金湖湿地1986~2015年间8期遥感影像分析了研究区土地利用/覆盖的时空变化；并探讨了湿地时空变化与越冬鹤类种群数量变化之间的相关性。结果表明：1986~2015年间，研究区的景观格局发生了较大变化，草地、水田、滩涂及其他用地的面积总体呈增加态势，而林地、旱地、水域及芦苇沼泽地面积总体呈减少的态势；4种鹤类的数量总体呈下降趋势，曲线拟合中白鹤和白枕鹤种群数量变化的趋势方程拟合度较高；芦苇沼泽地及水域面积变化与越冬鹤类种群数量呈显著的正相关关系，而草地、滩涂及水田的面积与鹤类种群数量呈较强的负相关关系；其他景观面积变化间接对鹤类种群数量产生影响。 关键词： 时空变化；鹤类；遥感影像；土地利用/覆盖；升金湖     

基于生态足迹的生态经济评价方法研究——以江苏省阜宁县为例

一个国家或地区的作物生产是通过轮作进行的，某些地区存在耕地的弃耕现象。Wackernagel生态足迹方法没有考虑复种的影响，耕地类生态足迹核算结果实际是播种面积，而生态承载力核算得到的是耕地面积，因此，二者不具有可比性，生态足迹盈余核算存在逻辑性错误。从理论角度采用复种指数修正耕地类生态足迹，使核算结果为耕地面积，增强了生态足迹和生态承载力的可比性。用改进的生态足迹核算方法，分析了阜宁县区域生态经济系统1995~2003年的生态供需状况及发展能力变动趋势，采用生态足迹盈余强度评价区域可持续发展能力。1995~2003年，阜宁县人均生态足迹从1.120 7 hm2增加到2.434 0 hm2，人均生态承载力变化较小，人均生态赤字从0.815 3 hm2增加为2.017 2 hm2，发展能力由1.226 5增加为3.140 7，生态足迹盈余强度由-1.226 5增强为-0.495 7 hm2。基于改进的生态足迹核算方法得到的发展能力和人均GDP之间的相关系数大于Wackernagel方法所得结果，表明改进的生态足迹方法能更好地反映区域社会经济状况。     

An integrative approach to modeling land-use changes: multiple facets of agriculture in the Upper Yangtze basin

Land change science has emerged as a fundamental component of global environmental change and sustainability research. Still, much remains to be learned before scientists can fully assess future roles of land-use/cover changes (LUCC) in the functioning of the Earth system and identifying conditions for sustainable land use. The objective of this paper is to gain a better understanding of the complex interactions of human and natural drivers underlying LUCC. We do so by developing and estimating a novel structural model of land use and using spatially explicit longitudinal observations from the Upper Yangtze basin of China. Our analysis focuses on the multiple dimensions of agriculture—not only cropland use itself, but also grain production, soil erosion, and related technical change—and our data cover 31 counties over four time periods from 1975 to 2000. Our results show that technical change plays an important role in supplying food on a limited cropland; limiting cropland expansion in turn reduces soil erosion, which then benefits grain production in the longer term. It is also found that policies and institutions have significant impacts on land use and the status of soil erosion. Together, these results carry some great implications to sustainable land use and ecosystem management.     

山区农户兼业程度对耕地撂荒的影响研究——以武陵山区为例

武陵山区农户兼业现象普遍,对耕地种植和撂荒等土地利用活动影响深刻.基于武陵山区的酉阳、武隆和沿河3个区县551份实地调查问卷数据,运用Tobit分析法和Logistic分析法,分析农户兼业程度对耕地撂荒的影响,并进一步按农户生计类型和非农收入占比将农户分为4种类型,探讨不同兼业类型农户的撂荒特点及其影响因素.结果表明:(1)研究区农户兼业现象普遍,兼业农户占到了总农户的75.14％;(2)山区耕地撂荒现象严重,各类农户中撂荒户占比均在40％以上,其中I兼户最高,Ⅱ兼户次之;(3)农户兼业会加剧耕地尤其是旱地的撂荒,农户兼业程度越高,耕地撂荒的可能性越大,但是农户兼业对水田撂荒的影响不显著;(4)兼业带来的非农收入的增加对农户的耕地撂荒产生了显著的正向影响,但不同兼业类型农户非农收入对耕地撂荒的影响程度不同,随着农户兼业程度的增加,耕地撂荒扩展的速度越快;(5)兼业也改变了其他因素对耕地撂荒的影响,使得不同兼业类型农户耕地撂荒的影响因素存在差异.根据研究结论,提出了对应的政策建议来引导农户合理利用耕地.     

无锡市城镇化进程中土地利用变化及其环境效应

20世纪90年代,城市用地扩展是我国区域土地利用演化的主导过程,城市土地利用所引起的地表景观格局的变化又是引起地表各种地理过程变化的主要原因。基于Landsat TM图像解译的土地利用的动态图斑,分析了20年代90年代无锡市土地利用的变化态势。研究表明,土地利用变化主要体现为耕地向林地、水域、建设用地的转移．林地向耕地、建设用地的转移,以及草地、水域向建设用地的转移;20世纪90年代中后期,国家颁布的一系列基本农田保护和“退耕还林还草”的政策法规,在一定程度上限制了大量耕地被建设占用的趋势。土地利用快速变化也导致明显环境效应．主要表现为水环境的恶化和现代“城市病”等方面。因此,加强土地规划管理、合理利用土地资源、重视能源开发与基础设施建设,应成为今后区域土地资源开发、利用与保护的重点与方向。     

Migration and reclamation in Northeast China in response to climatic disasters in North China over the past 300?years

Climatic disaster-induced migration and its effects on land exploitation of new settlements is a crucial topic that needs to be researched to better understand the impact of climate change and human adaptation. This paper focuses on the process and mechanism of migrant–reclamation in Northeast China in response to climatic disasters over the past 300 years. The research used comparative analysis of key interlinked factors in this response involving drought/flood events, population, cropland area, farmer revolts, administrations establishment, and land reclamation policies. It draws the following conclusions: (1) seven peaks of migrants–reclamation in Northeast China were evident, most likely when frequent climatic disasters happened in North China, such as the drought–flood in 1851–1859, drought in 1875–1877, and drought 1927–1929; (2) six instances of policy transformation adopted to cope with extreme climatic events, including distinctive examples like changing to a firm policy prohibiting migration in 1740 and a subsequent lifting of that prohibition in 1860; and (3) the fast expansion of the northern agricultural boundary since the middle of the nineteenth century in this area benefited from a climate change trend from a cold period into a warm period. Altogether, over the past 300 years, extreme climatic disasters in North China have deepened the contradiction between the limited land resources and the rapidly increasing population and have resulted in migration and reclamation in Northeast China. Climate, policy, and reclamation constructed an organic chain of response that dominated the land use/cover change process of Northeast China.     

城乡交错区耕地分区管护及生态补偿模式研究——以上海市浦东新区为例

基于土地评价和立地条件评估(Land Evaluation and Site Assessment, LESA)框架构建以耕地自然质量、生态敏感性、区位条件、耕作条件和土壤环境安全风险组成的指标体系,以决策树归纳法将浦东新区耕地划分为工业污染、生态农业、轮作休耕、农业连片、休闲农业和非农转化6类管护区,根据各区管护重点提出规模经营及绿色生产、休闲观光及农田保育、非农管控及发展限制型耕地生态补偿模式。上海市浦东新区耕地自然质量优良,约50%的耕地可规模经营及连片生产,但仍有10%左右的耕地面临着工业污染和非农占用的风险。建议对以稳产高产和生态协调为目标的农业连片区和生态农业区采取规模经营及绿色生产型生态补偿模式,对发展农业生产新形态的轮作休耕区和休闲农业区采取休闲观光及农田保育型生态补偿模式,对非农化风险较高的工业污染区和非农转化区采取非农管控及发展限制型生态补偿模式。     

荆江分洪区土地利用时空动态变化研究

通过1986、1996 和 2002 年3期 Landsat TM＼ETM 遥感图像,分析得到荆江分洪区 1986～1996年 和 1996～2002 年土地利用变化情况及土地利用转移矩阵。17年来,荆江分洪区土地利用结构和强度发生了重大的变化。主要表现为：城乡居民及建设用地通过吞食大量耕地、林地而得到迅速增加,年均增幅达到9.66％;林地大规模减少,主要向农业用地和建设用地转变;由于研究区域水旱轮作,水田、旱地年际变化很大,主要根据市场行情决定作物种植。水域和滩涂也逐年减少,年均减幅分别为1.85％和3.34％。土地利用变化的主要驱动因素是人口的增长和经济的发展以及政策制度的激励和导向作用。根据荆江分洪区在整个长江防洪工程中的总体地位,根据分洪区应有别于非分洪区的政策和法规,采取国家扶持和引导,制定合理的规划和经济发展政策,调整区内土地利用结构和控制人口增长,实现分洪和经济可持续发展。     

不同地貌类型区城镇扩展对土地利用景观格局的影响

基于RS和GIS的支持，以名山县为研究案例，分析与探讨西部经济以农业为主地区城镇扩展的时空特征和不同地貌类型下土地利用景观格局，以期为城镇规划及区域城镇可持续发展提供决策支持。结果显示：1975 ~ 1999 年土地利用类型在不同地貌区的分布格局变化显著。林地面积大幅减少，分布区域向海拔较高地区收缩。居民及建设用地在低丘区增长较快，城镇用地大幅增加，成为影响研究区景观格局的重要要素。农业生产活动向地势较高的区域扩展，中丘区成为农业生产的主要场所，水田和旱地成其主要土地利用方式。高丘区旱地分布面积占首位；园地在低山区分布面积有所增加。1999~2005 年基本维持1999年景观格局，居民及建设用地继续增长，尤其在低丘区表现明显；低丘和中丘区斑块总数减少，各景观要素平均斑块面积增加，形状指数和分维数降低；高丘、低山区水田、旱地减少，园地面积增加.     

洞庭湖区土地利用变化对地表产流的影响分析

利用20世纪80年代末期和90年代末期获取的陆地资源卫星图像,通过GIS分析方法,对洞庭湖区近10年的土地利用／覆盖变化进行了统计分析。并以1996年7月日降雨资料分别计算了1989年和1999年土地利用状况下区域的产水量。结果表明：洞庭湖区10年间土地利用变化的主要趋势是耕地面积减少和建设用地、水域面积的增加。土地利用的主要转化方式有水田转化为建设用地、水田转化为水域、林地转化为建设用地以及旱地转化为建设用地。同样的降雨条件下,洞庭湖区1999年下垫面状况下的产水量比1989年多206×105 m3,建设用地面积的增加是这一时期产水量增加的主要原因。土地利用的变化影响汛期产水量和汇流速度,加强洪泛区的土地管理,合理控制调整土地利用状况是减轻洪涝灾害威胁的有效手段。     

近30年来江苏省农村居民点时空格局演变及集约利用变化

基于江苏省6个时点的土地利用动态监测数据，分别从土地利用动态度、核密度估计、景观格局指数等空间探索性分析以及集约利用评价出发，对江苏省1987～2015年农村居民点时空格局动态演变进行分析。结果显示：(1）江苏省各市农村居民点用地从1987～2015年处于不断的扩张中，并呈波动增长态势，而居民点用地规模变化速度以苏中和苏南地区最快。(2）从农村居民点用地变动的转入和转出来看，1987～2015年农村居民点用地转入58.63万hm2，其中84.79%来源于耕地，占用耕地的比例表现为苏北>苏南>苏中；农村居民点用地转出28.36万hm ²，其中54.26%转变为城镇用地和40.88%复垦为耕地，苏北以复垦为耕地为主，苏中和苏南以转为城镇用地为主。(3）从农村居民点空间分布来看，核密度空间分异明显，呈“多核心”集聚分布，整体呈现“西密东疏”的空间格局特征，另外近30年江苏省农村居民点平均斑块面积呈增长趋势，且斑块形状越发规则，居民点聚集指数呈上升趋势。(4）从集约利用评价结果来看，农村居民点集约利用级别表现为：苏南>苏中>苏北，呈“由高到低”的集约利用梯度。总体来看，近30年来江苏省农村居民点空间格局演变趋于规则和集聚，集约利用程度区域差异明显。应根据居民点布局区域特点及集约利用差异，在推进宅基地“三权分置”和村庄空间规划的基础上，优化土地资源空间配置，提高宅基地利用效率，促进城乡融合发展和乡村振兴。     

干旱地区土地利用结构变化与生态服务价值的关系研究——以酒泉市为例

利用酒泉市1997-2006年土地利用变更调查数据和相关统计资料,计算土地利用结构异质性指数和生态服务价值,分析土地利用结构与生态服务价值的变化及其相互关系.结果表明:1997-2006年酒泉市耕地、林地、园地面积在增加,其中耕地增加最多,增加了9 803.15hm2,牧草地、水域和未利用地面积不断减小,其中牧草地减少最多,减少了207 470.56 hm2;酒泉市土地利用结构多样性指数和均匀度增加而优势度降低,土地利用趋于多样化和均匀化;各类土地的生态服务价值都有不同程度的增加,土地利用生态服务价值总体呈增加趋势;土地利用生态服务价值与土地利用结构线性相关,通过增加牧草地、水域和耕地等生态用地面积,提高土地利用集约度,调整土地利用结构促进土地利用的多样化、均匀化,可以增加生态系统稳定性和提高生态系统服务功能的经济价值.     

论水稻土肥力进化与土壤质量——以太湖地区为例

太湖地区是我国古老农业区之一。在六七千年之前先民已开始种植水稻 ,随着耕作培肥措施不断加强 ,与土壤肥力进化同步伴随着耕作轮作制的不断演进 ,由轮荒———沤田———水旱轮作———三熟制的变化 ,土壤基础肥力稳步提高 ,稻麦单位面积产量逐年上升。该区水稻土历经数千年的耕肥与平田整地等人为活动 ,在起源土壤背景上发育成五类水稻土 ,这五类水稻土经过培肥改良均达到水旱轮作高产稳产阶段 ,尽管地力上还存在不同程度的差异 ,这不能不说是人为定向培育的成果。在一般情况下 ,土壤质量是由土壤肥力决定的 ,基础肥力高低是农业生产优质高产低耗的关键 ,在评价土壤质量时必需首先予以关注。当然 ,随着工业的发展 ,土壤污染所波及的农产品超标问题 ,也应在评价土壤质量时予以关注 ,并作为评价因素在综合评价体系中占有应有的份量