青藏高原河谷地区历史时期耕地格局重建方法探讨——以河湟谷地为例

青藏高原受其特殊自然地理环境条件的限制,耕地主要分布在自然环境条件相对优越的河谷地区,人为因素对耕地分布范围的作用和影响极其微弱,尤其是在历史时期生产力水平较低的前提下,耕地的空间分布主要取决于土地的宜垦程度。本文将影响青藏高原河谷地区耕地分布的因子按其性质分为限制性因子和非限制性因子,并以此为基础排除了高原河谷地区不适宜耕作的地区,在适宜耕作的地区根据土地的宜垦程度,按"先优后劣"的原则将历史时期的耕地数据分配到空间上。选取青藏高原农业发展历史悠久的河谷地区之一河湟谷地作为实例,重建该区1726年耕地空间格局。将重建结果与已有的M模型重建结果进行对比分析,两者重建的耕地在空间分布上呈现出一致性,但重建结果在垦殖范围与垦殖强度上存在一定的差异;M模型的重建主要是以现代耕地分布格局为基础重建,忽略了现代耕地空间分布受现代农业技术的影响;而本文模型则是从低生产力水平前提下影响历史时期耕地分布的因子出发,重建结果更具合理性。     

中国历史时期森林空间格局网格化重建方法研究——以东北地区为例

具有空间信息的历史土地覆被数据集是研究土地覆被变化气候与生态效应的基础数据。本文在潜在植被数据和现代遥感土地利用数据的基础上,确定了土地垦殖前森林植被可能的分布范围;遴选并量化了影响我国土地宜垦性的主导因子,评估了省域尺度上土地的宜垦性;构建了以土地宜垦性为权重的历史森林覆被网格化重建模型（网格大小为10 km×10km）;重建了我国东北三省1780 年和1940 年网格化的森林覆被。结果表明：基于省域森林面积数据,该方法较好地再现了历史时期森林空间格局;与2000 年遥感有林地空间数据对比分析显示,模型重建结果与遥感数据绝对误差的单样本t 检验相伴概率（双尾）为0.12,大于显著性水平0.05,表明模型重建结果与遥感数据不存在显著性差异,网格化重建方法具有较好的可行性;同时,重建结果准确性评估也表明：1780 年重建结果在县域尺度上的相对误差在-30%~30%之间的县级政区有99个,占县级政区总数（不含无值区）的74.44%,总体误差相对较小。     

中国传统农区历史耕地数据网格化方法

建立具有空间属性的历史时期土地覆被数据集有助于更好地模拟土地覆被变化的气候 与生态效应。根据我国历史时期土地开发利用的特点, 深入分析了影响我国历史时期土地开 发利用的主导因子, 量化了海拔高度、坡度、人口分布等自然及人文要素与耕地分布的关系, 并以此为依据设计了一套将我国传统农区历史耕地数据网格化的方法与算法模型, 计算各网 格(分辨率为60 km×60 km) 耕地面积占整个农区耕地总面积的比重、以及各网格的耕地面 积与垦殖率; 同时利用基于《嘉庆重修一统志》重建的中国传统农区历史耕地资料, 采用上 述方法与算法建立了研究区内1820 年(清嘉庆二十五年) 60 km×60 km 空间尺度的耕地数据 集, 并绘制了分布图。重建结果与册载府级田亩数据的比较分析表明: 该方法与算法可以有 效地将以行政区域为统计单元的中国历史耕地数据量化为具有统一且更高空间分辨率的网格 化数据集。     

清代西南地区森林空间格局网格化重建简

基于遥感土地利用数据和全球潜在植被数据,确定了中国西南地区土地垦殖前森林植被可能的分布范围,并通过量化地形（海拔、坡度）和气候生产潜力（光照、温度、水分）与农林地分布间的关系,构建了土地宜垦性评估模型和历史森林面积网格化分配模型,重建了清代西南地区5个时点、分辨率为10 km×10 km的森林空间格局。结果表明：①本文设计的森林空间格局网格化重建方法具有一定的可行性,其结果能较好地反映森林变迁历史过程的基本特征;②西南地区森林覆被率从雍正二年（1724年）的54.7%下降至宣统三年（1911年）的27.8%,其减少地区主要分布在四川盆地、云南中南部以及贵州大部;③从网格占比的变化趋势看,1724-1911年,西南地区森林覆被率小于10%的网格占比上升了约31个百分点,而覆被率大于80%的网格占比则下降了约13个百分点。     

利用约束性CA重建历史时期耕地空间格局——以江苏省为例

历史时期耕地空间格局重建是土地利用/土地覆被变化研究(LUCC)的重要组成部分,受到了国内外学术界的广泛关注。已有研究多采用基于总量进行空间分配的方法。考虑到耕地连续性分布及相关空间约束特点,基于约束性元胞自动机提出重建历史时期空间格局的方法,给出了模型建立、参数识别和结果验证的方法,结合数据可获得性,以江苏省为例进行了模型应用。通过与空间分配方法进行对比,结果表明该方法能较为客观地反映历史时期耕地空间格局的演变过程,可为历史耕地研究提供新的方法借鉴。     

清代西南地区森林空间格局网格化重建

基于遥感土地利用数据和全球潜在植被数据,确定了中国西南地区土地垦殖前森林植被可能的分布范围,并通过量化地形（海拔、坡度）和气候生产潜力（光照、温度、水分）与农林地分布间的关系,构建了土地宜垦性评估模型和历史森林面积网格化分配模型,重建了清代西南地区5个时点、分辨率为10 km×10 km的森林空间格局。结果表明：①本文设计的森林空间格局网格化重建方法具有一定的可行性,其结果能较好地反映森林变迁历史过程的基本特征;②西南地区森林覆被率从雍正二年（1724年）的54.7%下降至宣统三年（1911年）的27.8%,其减少地区主要分布在四川盆地、云南中南部以及贵州大部;③从网格占比的变化趋势看,1724-1911年,西南地区森林覆被率小于10%的网格占比上升了约31个百分点,而覆被率大于80%的网格占比则下降了约13个百分点。     

干旱区典型流域近30年土地利用/土地覆被变化的分形特征分析——以玛纳斯河流域为例

利用1976、1989、2005年三期遥感影像,运用GIS和分形理论研究干旱区典型流域——玛纳斯河流域近30年的土地利用/土地覆被变化的复杂性和稳定性。结果表明:玛纳斯河流域各时段的土地利用/土地覆被类型分布具有分形结构,土地利用/土地覆被类型形状复杂性和斑块的稳定性波动变化,1976、1989、2005年三时期的各种土地利用/土地覆被类型总平均分维值分别为1.394 0、1.363 4和1.389 9。总平均稳定性指数分别为0.606 0、0.636 6、0.610 1。三期土地利用/覆被类型平均稳定性排序为:沙地>未利用土地>居民点工矿用地>水域>林地>草地>耕地>盐碱地。耕地、林地、草地、盐碱地稳定性相对较差。通过对流域土地利用/土地覆被类型变化复杂性和稳定性的研究,可以为政府协调水土开发和调整土地利用结构提供支持。     

基于多期数据集的中亚五国土地利用/覆盖变化分析

针对目前中亚地区土地利用变化和分布格局方面的信息相对匮乏,现有资料较为陈旧且零散,无法满足中亚生态与环境变化研究需求的现状,利用全球的UMD, DISCover,GLC2000,GlobCover2005和GlobCover2009的5期土地覆被遥感数据集,提取中亚地区长时间序列土地覆被信息。并针对上述4个土地覆被分类系统无法进行直接对比和变化分析的问题,分别将其综合为4类土地覆被类型：耕地、自然植被、水体和其他,以分析近30 a中亚土地利用/土地覆被变化趋势。中亚土地利用类型多样,草地、裸地、农田、灌丛占绝对优势。自前苏联解体以后,20世纪90年代初至2000年期间,耕地面积大幅度减少,至2010年尽管有所恢复,但仍无法达到20世纪90年代初水平。而自然植被表现出了相反的趋势,这说明在此时间段内,由于社会政治制度的变化和市场经济的建立,耕地发生了较大规模的弃耕,弃耕地通常转换为草地、灌丛等自然植被。近10 a由于社会经济条件的变化,前苏联解体后所弃耕的土地又被收复和重新开发为耕地。90年代初至2000年期间,水体呈现先减少后增加的趋势。利用全球基于多期不同信息源获得的中亚土地覆被数据,尽管分类体系不统一,但均可较好地表征当时地表覆被状况。这在一定程度上弥补了中亚地区土地覆被数据不足的现状。通过对耕地、自然植被、水体及其他土地覆被类型进行大类合并,可基本体现中亚土地覆被的宏观特征和变化趋势。     

快速城市化过程中城市土地覆被的时空动态特征

1990～2005年间,是广州市经济快速发展和城市景观变化最大的时期,以同时段TM影像解译得到广州市的土地覆被类型图,从数量结构、空间信息及位置转移和景观等方面,分析了广州市土地覆被的动态特征.数量结构的研究结果显示:在快速城市化过程中广州市的耕地、林地等自然资源的利用程度在加大,自1995年起,这种变化的趋势开始减缓;土地覆被类型之间的信息与位置的转移变化频繁,并且表现出空间位置分异的特征.景观特征指数分析结果表明:广州市城市土地覆被向破碎化方向发展,城市建设用地呈扩展之势.     

快速城市化过程中城市土地覆被的时空动态特征

1990~2005年间,是广州市经济快速发展和城市景观变化最大的时期,以同时段TM影像解译得到广州市的土地覆被类型图,从数量结构、空间信息及位置转移和景观等方面,分析了广州市土地覆被的动态特征.数量结构的研究结果显示:在快速城市化过程中广州市的耕地、林地等自然资源的利用程度在加大,自1995年起,这种变化的趋势开始减缓;土地覆被类型之间的信息与位置的转移变化频繁,并且表现出空间位置分异的特征.景观特征指数分析结果表明:广州市城市土地覆被向破碎化方向发展,城市建设用地呈扩展之势.     

20世纪中国耕地格网化数据分区重建

针对中国国家尺度层面耕地历史数据集的缺乏,提出了分区建模的方案.首先,将中国定性划分为四大区域,即传统农区、东北地区、西北地区、青藏地区;在此基础上,分别量化地形、人口要素与耕地分布之间的关系,构建空间格网化模型.利用该方案,重建了中国1913、1933、1950、1970、1990 和2000 年6 个时间断面空间分辨率为10 km的格网化耕地数据.对比1990 年的重建结果与遥感解译结果,发现无论是县域尺度,还是栅格尺度,数据集的准确性都较高.对重建的耕地数据集进行分析发现,近百年来中国的耕地面积出现先增后减的趋势,拐点大体在20 世纪后期,不仅是耕地总量的先增后减,而且垦殖强度也是先增后减,但区域之间并不一致,其中变化较大的是东北和西北地区.     

Gridding cropland data reconstruction over the agricultural region of China in 1820

Recent studies have demonstrated the importance of LUCC change with climate and ecosystem simulation, but the result could only be determined precisely if a high-resolution underlying land cover map is used. While the efforts based satellites have provided a good baseline for present land cover, what the next advancement in the research about LUCC change required is the development of reconstruction of historical LUCC change, especially spatially-explicit historical dataset. Being different from other similar studies, this study is based on the analysis of historical land use patterns in the traditional cultivated region of China. Taking no account of the less important factors, altitude, slope and population patterns are selected as the major drivers of reclamation in ancient China, and used to design the HCGM (Historical Cropland Gridding Model, at a 60 km×60 km resolution), which is an empirical model for allocating the historical cropland inventory data spatially to grid cells in each political unit. Then we use this model to reconstruct cropland distribution of the study area in 1820, and verify the result by prefectural cropland data of 1820, which is from the historical documents. The statistical analyzing result shows that the model can simulate the patterns of the cropland distribution in the historical period in the traditional cultivated region efficiently.     

中国传统农区1820年耕地数据网格化方法

Recent studies have demonstrated the importance of LUCC change with climate and ecosystem simulation, but the result could only be determined precisely if a high-resolution underlying land cover map is used. While the efforts based satellites have provided a good baseline for present land cover, what the next advancement in the research about LUCC change required is the development of reconstruction of historical LUCC change, especially spatially-explicit historical dataset. Being different from other similar studies, this study is based on the analysis of historical land use patterns in the traditional cultivated region of China. Taking no account of the less important factors, altitude, slope and population patterns are selected as the major drivers of reclamation in ancient China, and used to design the HCGM (Historical Cropland Gridding Model, at a 60 km×60 km resolution), which is an empirical model for allocating the historical cropland inventory data spatially to grid cells in each political unit. Then we use this model to reconstruct cropland distribution of the study area in 1820, and verify the result by prefectural cropland data of 1820, which is from the historical documents. The statistical analyzing result shows that the model can simulate the patterns of the cropland distribution in the historical period in the traditional cultivated region efficiently. Foundation: National Natural Science Foundation of China, No.40471007; Innovation Knowledge Project of CAS, No.KZCX2-YW-315 Author: Lin Shanshan (1982–), Master, specialized in historical environmental change.     

Accuracy assessment of approaches to spatially explicit reconstruction of historical cropland in Songnen Plain,Northeast China

To understand historical human-induced land use/cover change (LUCC) and its climatic effects, it is essential to reconstruct historical land use/cover changes with explicit spatial information. In this study, based on the historically documented cropland area at county level, we reconstructed the spatially explicit cropland distribution at a cell size of 1 km × 1 km for the Songnen Plain in the late Qing Dynasty (1908 AD). The reconstructions were carried out using two methods. One method (hereafter, referred to as method I) allocated the cropland to cells ordered from a high agricultural suitability index (ASI) to a low ASI, but they were all within the domain of potential cropland area. The potential cropland area was created by excluding natural woodland, swamp, water bodies, and mountains from the study area. The other method (hereafter, method II) allocated the cropland to cells in the order from high ASI to low ASI within the domain of cropland area in 1959. This method was based on the hypothesis that the cropland area domain in 1959 resulted from enlargement of the cropland area domain in 1908. We then compared these two reconstructions. We found that the cropland distributions reconstructed by the two methods exhibit a similar spatial distribution pattern. Both reconstructions show that the cropland was mostly found in the southern and eastern parts of the Songnen Plain. The two reconstructions matched each other for about 68% of the total cropland area. By spatially comparing the unmatched cropland cells of the two reconstructions with the settlements for each county, we found that unmatched cropland cells from method I are closer to settlements than those from method II. This finding suggests that reconstruction using method I may have less bias than reconstruction with method II.     

清代耕地数据恢复重建方法与实证研究

本文尝试构建一套适用于清代耕地数据的修正校验体系,以清代官方册载田亩数据为基础,采用人口基数和垦殖趋势进行检验和订正,通过替换、引用、衔接对比等方法进行数据修正,重建清代耕地数据,以期为后续相关研究提供参考.在建立理论分析框架的基础上,本文以历史资料相对丰富的山东省为例,对清代山东省的耕地数据进行修正与校验,结果表明：① 清代山东省的册载田亩数据不实情况普遍,经要素法修正的数据虽然通过了人口检验,但未能通过垦殖趋势校验,有必要进行进一步的订正和校准;② 在修正和校验过程中应综合考虑不同省份间垦殖政策、种植制度、自然条件等的差异,从修正系数到校验重点进行因时因地调整;③ 清前期山东省耕地增长主要受限于劳动力供给,耕地面积接近于劳动力供给线,随着人口的增长,耕地面积逐渐趋向于温饱线.同治以后,耕地面积开始低于温饱线,需要依靠粮食输入才能满足人口需求,山东省由粮食输出省变为粮食输入省.     

清代中期苏皖地区耕地数据网格化处理及精度对比

格点化区域历史土地利用数据是进行历史土地利用/土地覆被变化环境效应模拟的基础。本文基于苏皖地区耕地垦殖倾向,分别采用清代中期苏皖地区省域及县域耕地数据进行网格化降尺度处理,分配至10 km×10 km的网格中,并将两种分配结果进行对比评估来定量探讨数据的空间范围大小对格点化数据的精度影响。得到以下结果:①用苏皖省域耕地数据和县域耕地数据模拟的网格化结果之间存在差异,平均差异率为16.61%。相对差异率较小(-10%~10%)的网格有24.55%,较大(>70%或<-70%)的网格有13.3%,主要存在于洪泽湖流域及苏北北部沿江平原(黄河改道前入海口处)。②苏皖地区清代中期耕地的空间分布具有一定的地域差异。耕地垦殖率较高的地区主要集中于苏南平原地区的太仓市和昆山市北部,苏皖西北部的砀山县、丰县和沛县,垦殖率均在80%以上;而苏北北部旧黄河入海口、洪泽湖流域、太湖流域及安徽南部山区丘陵地区垦殖率较低,多在10%左右。③1735 年耕地主要分布于海拔高度≤100 m,坡度≤2°的地区。到1980s 时,不同坡度下的垦殖率有较大增加。     

清代中期江苏省土地利用格局网格化重建

针对当前历史土地利用空间重建研究多基于单一地类且空间分辨率较低的特征,提出较高分辨率全地类土地利用空间重建方法。以1820年为时间断面,以现代江苏省域为研究区,以历史文献记载、历史地理学研究成果、现代统计数据、自然环境数据等为支撑,将土地利用类型划分为耕地、聚落用地（含城镇用地、农村居民点用地）、水域和其他用地（含林草地及未利用地）,考虑区域自然资源和社会经济特征,提出理论假设,对府级耕地、城镇用地、农村居民点用地数量进行修正;沿用以现代土地利用格局为基础反演历史土地利用格局的基本思路,从人地关系角度出发,采用治所邻近度分析、综合评价等方法重建了1820年100 m×100 m空间格网下的江苏省土地利用格局,同时,通过不同地理分区统计及降尺度对比间接验证等分析了重建结果。结果表明：① 1820年江苏省耕地、城镇用地、农村居民点用地、水域用地及其他用地面积分别占区域总面积的48.49%、4.46%、0.16%、15.03%和31.86%;② 1820年研究区内土地垦殖率较高,但建设用地比率较低,受人口分布、地形及河网密度等影响,不同地理分区土地利用差异较为显著;③ 农村居民点用地及耕地的降尺度分析结果均呈显著线性正相关,在一定程度上表明研究结果具有合理性。     

近两百年江苏省城乡建设用地数量估算与空间重建

以典型历史断面下的建设用地为研究对象,以数量估算控制下的空间格局重建为基本思路,在200 m×200 m网格下,估算并重建了近200年5个时间断面下的江苏省建设用地（城镇用地和农村聚落用地）的空间格局。在数量估算方面,历史时期（1820年）的城镇用地主要采用城垣、市镇四栅等作为代用指标;近现代时期（1911年、1936年、1952年）,主要通过人口、社会经济等数据,结合一定假设确定人均用地数量进行推导;各时期的农村聚落用地均以人口数量为基础,根据人均住房面积和社会经济数据修正确定。在空间重建方面,结合遥感数据解译获得的现代（1985年）土地利用数据,借助基础地理数据,在一定假设条件下,通过数量控制、边界控制、适宜性控制,兼顾用地连片性等予以确定。结果表明：① 各时间断面下的江苏省建设用地数量分别为963.46 km²（1820年）、1041.94 km²（1911年）、1672.40 km²（1936年）、1980.34 km²（1952年）和10687.18 km²（1985年）;② 建设用地在空间分布上具有亲水网、路网等特征,并随居民点极化与扩散效应而不断扩张;③ 通过变化过程与演化趋势检验、建设用地与生产协调性分析、居民点空间数量与格局分析等方法,间接证明了重建结果的合理性。     

1700—1978年云南山地掌鸠河流域耕地时空演变的网格化重建

基于多源数据资料重建小尺度区域历史时期土地利用/覆盖变化,对深入理解土地利用变化的驱动力机制及其环境和气候效应具有重要意义。本文利用从流域尺度聚落格局演变重建到聚落尺度耕地数量和空间分布重建,再到流域尺度耕地格局重建的思路,以云南山地典型的中小流域为研究区,以历史文献资料、田野考察资料、历史地理学研究成果、档案资料、现代统计资料、地理基础数据为支撑,综合考虑区域自然因素（坡度、海拔高度）、人文因素（人口、政策、农业技术、耕地与居民点距离）,设计了历史时期山地小尺度区域耕地网格化重建模型,重建了1700—1978年具有明确时间和空间属性的网格化耕地格局。结果表明：① 掌鸠河流域的耕地面积近300 a增长6.3倍,垦殖率从1700年的2.1%上升到1978年的15.6%。② 不同地形区的耕地面积差异较为显著,其中山区和半山区的耕地面积最大,且增长速度最快;平坝区和中下游河谷区的耕地面积增长相对平缓,是自然环境、人口、政策和农业技术等因素综合作用的结果。③ 通过总耕地面积和人均耕地面积等对结果进行验证,证明了重建结果的合理性。本文设计的网格化重建模型可以为模拟具有明确时间和空间属性的小尺度区域历史耕地网格化数据集提供参考。