全 文 ：第26卷第 7期
2006年 7月
生 态 学 报
ACTA ECOLOGICA SINICA
Vo1．26．No．7
Ju1．，2006
基于物元分析的小流域土地利用
结构调整及景观格局变化
陈俊华 ，慕长龙 ，，陈秀明 ，向成华 ，罗成荣 ，韩华柏 ，陈国先 ，杜亚军
(1．成都理工大学地球科学学院，四川 成都 610059；2．I~t)JI省林业科学研究院，四川 成都 610081；
3．西华大学，四川 成都 611744)
摘要 ：将土地利用的适宜度、适宜度评价指标及其特征值作为物元，由实测资料和专家系统综合得到模型的经典域 、节域、权重
及关联度 ，建立起土地利用适宜性评价的物元分析模型，将模型应用于四川省阆中市岳家沟小流域土地利用结构调整中。结果
表明，经调整后，该区的农林牧 比例趋于合理，土地的经济效益指数、生态效益指数分别 由原来 的 1529．80、1460．94提升到
1719．99、1758．21。此外，调整后，景观格局发生变化：景观多样性指数(日)和景观均匀度指数 (E)分别 由调整前的 1．3028和
0．6108增加到调整后的 2．0920和0．8463，分别增加了60．58％和 38．56％，最大多样性指数上升了 18．33％。而景观优势度和蔓
延度指数则由调整前的0．6431和0．7467减少到调整后的0．2106和0．7125。说明景观斑块的空间分布趋于均匀，斑块的聚集状
况分散化。实例证明，在小流域土地利用结构调整中，物元分析方法能克服土地适宜性评价过程中人为因素的影响，提高评价
的精度，而且能落实到山头、地块 ，具有较强的可操作性。
关键词：物元分析；土地利用 ；结构调整；景观格局；地理信息系统 ；小流域
文章编号：1000．0933(2006)07．2093．08 中图分类号：Q149 文献标识码：A
Structure regulation on land uses and landscape pattern changes based on matter
element analysis in small watershed
CHEN Jun．Hua。 ，MU Chang．Long2 ，CHEN Xiu．Ming ，XIANG Cheng-Hua ，LUO Cheng-Rong ，HAN Hua-Bai ，
CHEN Guo．Xian3
，
DU Yan．Jun。 (1
． ck， “ ∞^ ，ck u 610059，China；2．Sichuan Academy ofForestry，Chengdu 610081，
China；3．Xihua University，Chengdu 61174 ，China)．Acta Ecologica Sinica，2006，26(7)：7,093—2100．
Abstract：The agricultural land suitability assessment based on natural characteristics of land blocks is traditionaly the basis of
agricultural and／or land use planning．However the assessment is static and can not incorporate potential land use changes-A
dynamic approach emerging recently，i．e．，mater element based analysis，has provided an effective way for land use planning-
Taking the suitability grade of land use，assessment indicators and their characteristic values as matter elements， this paper
established a mater element analysis model for land use suitability assessment，using of sutra field，controled field，weight value
and relating degree from field survey and expert system．This model was then applied in Yuejiagou small watershed of Langzhong
Municipality in Sichuan Province，the results show that the proportion among agriculture，forestry and animal husbandry is tending
to appropriateness；the economic and ecological indices of the lands has been increased from 1529．80 and 1460．94 to 1719．99
and 1758．21 respectively after regulation．The regulation also results in changes in the landscape paterns．Th e indices of diversity
基金项目：国家“九五”科学技术攻关资助项目(96．007．02．01．04)；国家“十五”科学技术攻关资助项目(2001BA510B-01-05)
收稿 日期：2005．11-11；修订 日期：2006．01．16
作者简介：陈俊华(1972 )，男，四川仁寿人，工程师，主要从事计算机及 GIS在森林生态方面的应用．E-mail：chenjh-2005@yahoo．c0m．cn
*通讯作者 Corresponding author．E-mail：mucl2006@yaho．COn1．cn
Foundation item：The proiect WaS supported by the Key Project of“9 Five—year’Program(No 96-OO7-02-01-04)and the Key Project of“10 Five。year’Program
(No．2001BA510B．O1．05)
Received date：2005-11-11：Accepted date：2006-01-16
Biography：CHEN Jun—Hua，Engineer，mainly engaged in the application of computer and GIS in forest ecology．E-mail：chenjh_2005@yaho·COrn·cn
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and evenness of landscape patterns have increased from 1．3028 and 0．6108 to 2．0920 and 0．8463 respectively．or by 60．58％
and 38．56％ respectively．However，the indices of dominance and contagion have decreased from 0．6431 and 0．7467 to 0．2106
and O．7 125 respectively．It is indicated that the land use in the smal watershed tends to be reasonable：the spatial distribution of
patches trends to be uniformed；patch congregation is gradually dispersed．This example has proven that the ma tter element
analysis approach can not only overcome the man-made influences and improve the precision，but also can implement the exact
regulation to the sp(cifc patches in the structure regulation of land use in small watershed．
Key words：huma n-land interaction；agro-pastoral interweaving belt；desertifcation；vicious circle；ecological pitfal1．
利用地块或地域的自然特征进行农业的适宜性评价，已经是农业区划与土地利用总体规划中的重要内
容。但这种评价是静态的，结论也是凝固的。而土地利用调整的核心是以地块、地域的现在用途转变为其他
的目标用途，重点是要揭示用途调整的可能性与条件⋯。针对传统农地适宜性评价的如上缺陷，提出利用“物
元分析”技术来进行土地的多用途适宜性评价。物元分析是我国学者蔡文于2O世纪 8O年代提出来的全新的
处理系统状态转换的一种数学哲学方法，备受诺贝尔经济奖得主西录的称赞。近年来，我国学者利用物元分
析在气象、土地质量综合评价口川等方面做了研究，取得了一定的成果，但在土地利用及农林结构调整上的应
用，尚未进行探索。
本文以极具代表性的川中丘陵县四川省阆中市岳家沟小流域为例，探讨了“物元分析”法在小流域土地利
用适宜性评价以及农林结构调整上的应用，并对调整前后土地利用的生态效益、经济效益值以及景观格局的
变化情况进行了对比分析，具有一定的指导意义。
1 研究区概况 表1 岳家沟土地利用现状(1996)
四川省阆中市垭口乡岳家沟小流域，是川中丘陵
县具代表性的小流域，东经 105。52 30”～105。54 23”，北
纬 3l。35 00 ～3l。36 40”，总面积约 3．0k ，整个流 域
自东北向西南方向倾斜，海拔最高为665．6m，最低为
373．2m，相对高差294．4m。流域的气候属典型的亚热
带湿润气候，四季分明，热量丰富，年均温度 16．6℃，
年均降水量 955．8mm。由于降水的时空分布不均，风
多、蒸发量大，加之水利设施较差，对降水的调蓄能力
弱，历年都有不同程度的干旱威胁。土壤为紫色沙
土，土层瘠薄。植被主要以人工柏木林和桤柏混交林
为主。
从岳家沟小流域土地利用调整前(1996)的现状
(表 1)可以看出，该区土地利用结构不合理。农业用
地占较大比重(57．56％)，农业用地中又以旱地为主
(36．18％)，水田所占比例偏小(14．86％)。林业用地
Table 1 Current situation of land Ise in Yuejiagou
项 目 Ilem c
n
土地
t situ
稠
ation
现状
oflan A ) R )
尽管占比例较大(41．27％)，但林种结构不合理，主要以薪炭林为主 (38．26％)，商品林与防护用材林面积偏小
(分别占全区总面积的0．O1％、2．99％)。水域面积只有 3．31hm ，仅占全区总面积的 1．18％。由此可见，该区
农林牧比例失调，加上水源缺乏，导致了该区经济落后、人民生活水平低下、水土流失严重、灾害频率高。
本区要改变以粮食为中心的传统种养农业模式，告别农村恶化生态环境的越垦越穷模式 ，必须真正把发
展林业与改善生态环境放到首位来切切实实抓好水源与高产水田建设，抓好土地利用与林种结构调整，抓好
中心林业建设。而进行土地利用与林种结构调整，应根据“地尽其利”的原则，具体落实到一个地块的用途与
林种调整上，因此，选定地块(小斑)为调整单元(岳家沟小流域共有 254个)。
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2 研究方法
2．1 物元分析法 。
2．1．1 物元分析的基本概念 给定事物的名称 Ⅳ，它关于特征 C的量值为 ，以有序三元 R=(N，c， )组作
为描述事物的基本元，简称物元。事物名称 Ⅳ，特征 C和量值 称为物元的三要素。如果事物 Ⅳ有多个特
征，它以 n个特征c ，c ，⋯，c 和相应的量值 ， ，⋯， 描述 ，则表示为：
R =
N 1
C2
K
Cn
R1
R2
K
R
式中，R为n维物元，简记为 R=(N，C，V)。
2．1．2 经典域与节域物元矩阵 当 Ⅳ。为标准事物，关于特征 c 量值范围 。 (o。 ，b。 )时，经典域的物元矩
阵可表示为：
R。= (No，C，Vo)=
N0 c】 (00l，b01)
c2 (002，b02)
K K
c (00 ，b0 )
若由标准事物 Ⅳ0加上可转化为标准的事物所组成的物元 称为节域物元。而 =( ，b )为节域物
元关于特征 c 的比相应标准扩大了的量值范围。节域物元矩阵表示为：
Rp= ( ，C， )=
c ( ，b )
c2 (0p2，bp2)
K K
c (o ，b )
(2)
显然，这里有(0。 ，b。 )C(0 b )(i=1，2，A，n)。
2．1．3 关联函数及关联度的计算 关联函数表示物元的量值取值为实轴上一点时，物元符合要求的范围程
度。由于可拓集合的关联函数可用代数式来表达，就使得解决不相容问题能够定量化。令有界区间 Xo=[o，
b]的模定义为：
I 0 I=I b一0 I (3)
某一点 到区间X。=[o，b]的距离为：
P(X，X。)=
则关联函数 k( )的定义为：
K( )=
(4)
⋯ 。
㈥
等
式中，P( ， 。)表示点 与有限区间X。=[o，b]的距离；l0( ， )表示点 与有限区间 =[o ，b ]的距
离， ，凰， 。分别表示待评物元的量值、经典域物元的量值范围和节域物元的量值范围。
2．1．4 评价标准 关联函数 K( )的数值表示评价单元符合某标准范围的隶属程度。当 K( )≥1．0时，表
示被评价对象超过标准对象上限，数值愈大，开发潜力愈大；当 0≤K( )≤1．0时，表示被评价对象符合标准
对象要求的程度，数值愈大，愈接近标准上限；当一1．0≤K( )≤0时，表示被评价对象不符合标准对象要求，
但具备转化为标准对象的条件，且值愈大，愈易转化；当 K( )≤一1．0时，表示被评价对象不符合标准对象要
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生 态 学 报 26卷
求，且又不具备转化为标准对象的条件。
2．1．5 事物的综合关联度和质量等级评定 待评事物 关于等级 的综合关联度K( )为：
Jv
( )=>：ai ( ) (6)
酉
式中， ( )为待评事物关于各等级_『的综合关联度； (X )为待评事物关于各等级的关系度( =1，2，
⋯
，rl,)；a 为各评价指标的权系数。若
=max( ，( )) ( = 1，2，A，n) (7)
则评定事物 属于等级 。。
2．2 景观评价基础数据的获取及景观格局评价指标
2．2．1 景观评价基础数据的获取 采用 1996年(调整前)、2002年(调整后)1：5000土地利用现状图，以地形
图作为底图，根据二类调查小班调汇资料，将图件扫描后，在 Mapinfo 6．5中进行图像的配准及矢量化，形成各
斑块类型的矢量数据库，测定各斑块的面积信息和周长信息，然后在 Excel 2002中进行统计分析和景观评价
指标的计算。
2．2．2 景观格局评价指标 选用景观多样性指数、景观优势度、景观均匀度、景观破碎度、蔓延度等 5个
景观格局评价指标来进行分析研究。
3 结果与分析
3．1 岳家沟小流域土地利用适宜性评价物元分析
3．1．1 小斑特征值的选取和度量 根据岳家沟土地利用特征以及现有资料，并征求各有关部门专家和技术
人员的意见，在土地利用结构调整中，共考虑了7项特征。其中，定量特征有坡度(0～5。、5～15。、15～25。、26～
35。、>35。)、台土宽(0～5m、6～10m、11～20m、>21m)、土层厚(0～30m、31～80m、>80m)、土 A层厚度(0～5m、
5～10m、>10m)；定性特征有坡位(山脊、上坡、中坡、下坡、山麓)、水源(无灌溉、蓄水灌、提灌、自流灌)、交通
(无路、人行小道、机耕道、乡公路、县道)。
3．1．2 土地利用适宜性评价的物元模型 提取现有土地空间信息，通过 Mapinfo 6．5软件平台，建立岳家沟小
流域土地利用矢量化专题地图。根据 2001年5月在岳家沟小流域进行的实地调查资料，参照(1)式，给出岳
家沟内254个小斑的物元表达式。如第 10号小斑的物元表达式为：
Rl0号小斑
10 坡度
坡位
台土宽
土厚
土 A层厚
水源
交通
3．1．3 各特征值的节域与经典域 当土地 Ⅳ关于特征 c的量值在某个范围 内变换时，土地的根本性质无
改变；而 c的量值超过 后，土地的性质已发生质的改变。这个范围就是土地的节域 ．，。从土地结构调整角
度看，适宜性可分为三级，即最适宜、较适宜、不适宜。例如，对拟作耕地的地块而言，坡度特征的节域就是
<5。，5～15。，15～25。三级。为了计算方便和统一，采用标准化评分法(规定各特征的节域均为 1～100，各属性
值为整数)，以消除不同特征量纲与尺度的不一致，使各特征之间具有一定的可比性。经咨询专家和查询资料
后，确定每一特征在节域(1～100)内的经典域(表 2)。
3．1．4 各特征值的权重设计 关于评价因子的权重计算方法很多，如主成分法、层次分析法(AHP)等。本研
究采用特尔菲(Delphi)法结合层次分析法(AHP)n ，由7位专家参与综合得出7项特征值的权重(表 3)。
3．1．5 土地利用适宜性物元评判结果 运用．包含上述 7项特征值、经典域和权重等属性参数在内的土地利
支 溉 道 ∞ 8 灌 耕一 无 机
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I．水田Paddy field，Ⅱ．早地 Dry land，Il1．农林间作地 c tree intercroppingfield，Ⅳ．林地 Woodland，V．草地 Grassland，Ⅵ．水域Streams，Ⅶ．建
设用地 Construction land．A．最适宜 Optimum，B．较适宜 Preferable，C．不适宜 Unsuitable
表3 各特征值的权重
Table 3 Weight value of various factors
用属性数据库，以小斑号为关键字段，将特征值表和岳家沟土地利用空间数据库相关联。以土地利用类型为
关键字段，将经典域表和权重表相关联(为了方便计算林地的经济效益指数和生态效益指数，将林地细分为公
益林地、商品林地、防护薪炭林地、防护用材林地等4类)。根据(5)式计算各特征值关联度，根据(7)式计算地
块适宜性，根据计算得到的 ( )值确定地块的最终适宜度，计算结果见表4。
3．1．6 岳家沟小流域土地利用结构调整 上述物元评判对每个地块(小斑)最适宜用途与次适宜用途的结
论，为编制岳家沟小流域土地利用及林种结构调整规划提供了“地尽其利”的确切依据。对其评判结果，由7
名专家组成的专家组在地块图上以地块最适宜、次适宜用途为基础，对每一地块(小斑)变更的用途进行可能
性现场经验诊断。然后按照可能的物元变更组合(旱地一商品林；旱地一防护用材林；旱地一农林间作地；防
护林一商品林；防护林一防护用材林；防护林一防护薪炭林；防护林一公益林)，结合本区土地利用结构调整规
划目标 ，即：在保证粮食 自足的基础上，使本区土地利用的生态效益及经济效益充分提高，采用 目标逐次逼
近法⋯进行优化调整，调整结果见表5。从表5可以看出，调整后该区的农林牧比例趋于合理。防护薪炭林和
旱地面积显著减少，分别减少了68．04％和 68．01％。而商品林、水域、水田面积明显增加，增加率最多的是商
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品林。商品林的增加有助于该区的经济发展，水域面
积的增加，能够大大缓解该区的干旱程度 ，对该区的
经济发展、生态环境的改善也能起到一定的作用。
3．1．7 岳家沟小流域土地利用结构调整效益分析
根据各类土地利用的生态效益和经济效益的计算
值 ¨]，分别计算了该区的土地利用在调整前后的效
益值(表 6)。由表 6可以看出，调整后，该区土地利用
效益明显提高，生态效益指数由调整前的 1460．94上
升到调整后的 1758．21，净增了20．35％；经济效益指
数则从调整前的 1529．8上升到调整后的 1719．99，净
增了 12．43％。
3．2 岳家沟小流域土地利用景观格局变化分析
3．2．1 景观格局空间分布 该区景观格局空间分布
见表7。从表7可以看出，景观多样性指数(H)和景
观均匀度指数(E)分别由调整前的 1．3028和 0．6108
增加到调 整后 的 2．0920和 0．8463，分 别增 加 了
表4 岳家沟小流域不同适宜性地块面积
Table 4 The a嗽 ofland ta砌 tyinYu~lagoulhm2)
I．公益林 Non．commercial forest，lI．商品林 Com ercial forest，．1i．
防护薪炭林 Protection forest and fuelwood，fv．防护用材林 Protection and
timber forest，V．旱地 Dry land，vI．农林间作 Crop-tree intercropping field，
vl1．水田Paddy field，vii．草坡 Grass land，ix．水域 Streams，×．建设用地
Construction land
60．58％和38．56％，调整后的多样性指数与最大多样性指数的偏差(9．15％)明显比调整前(33．05％)减小。这
有利不同景观组合形成一种互利合作的关系，使生态系统有可能最大限度地利用能量和物质。景观优势度和
蔓延度指数由调整前的0．6431和0．7467减少到调整后的 0．2106和0．7125。说明景观斑块的空间分布趋于
均匀，斑块的聚集状况分散化。
表 5 岳家沟小流域土地利用结构调整规划结果
Table 5 The resultof structure regulation ofland useinYuejlagou
表6 土地利用调整前后的效益值
Table 6 The value of land lse before and a er regulation{0—100era)
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3．2．2 景观破碎化分析 景观破碎度指数见表 8。
由表 8可以看出，除了旱地的破碎度指数上升外，其
他斑块的破碎度指数都下降了。其中，下降最多的是
商品林，下降了 92％。这是因为，商品林面积增加了
673％，而斑块数只增加了270％。旱地破碎度指数从
0．58上升到 0．62，上升了 6．9％，说明人们对耕地的
利用趋于复杂化。
4 结语
(1)土地的适宜性评价是农业开发和土地利用规
划中的一项重要的工作。以往对土地的适宜性评价
多采用 Fuzzy综合评判法、经验指数和法、灰色聚类法
以及极限条件法n 等，这些方法都或多或少存在不理
想的地方。比如 Fuzzy综合评判法隶属函数范围仅
为。’ ，使得指标间的一些分异信息遗漏，限制了它的
运用范围，而且这些方法大部分都掺人人为因素，使
其评价结果的准确性、精确性大大降低。而物元分析
法的关联函数属于(一∞，+∞)，极大地拓展了它的
研究范围，能揭示更多的分异信息。物元分析法将土
地利用适宜性等级、评价指标及其特征值作为物元，
结合实测资料与专家系统得到模型的经典域、节域、
裹7 景观格局空间分布
Table 7 Spatial distributing of landscape imttern
H ：Diversity indices，Hmax：Maximal diversity indices。D：Dominance
indeces，E：Evenness indices，RC：Contagion
裹 S 景观破碎度
Table 8 Fragmentation of landscape
权重、关联度，从而建立起土地利用适宜性评价的物元评判模型，不仅克服了评价过程中人为因素的影响，而
且对参评因子进行量化处理，提高了土地利用适宜性评价的精度。此外，物元分析法能将小流域土地利用结
构调整落实到山头、地块(小斑)，做到“地尽其利”，有较强的可操作性，这也是其它规划(目标规划、线性规划
等) 。不能比拟的。
(2)经调整后，岳家沟小流域的土地利用趋于合理，农林牧比例趋于协调，土地利用效率明显提高。生态
效益指数由调整前的 1460．94上升到调整后的 1758．21，净增了20．35％；经济效益指数从调整前的 1529．8上
升到调整后的 1719．99，净增了 l2．43％。
(3)经调整后，该区的农林景观格局发生了较大改变，商品林地、水域面积明显增加，新增斑块类型公益林
地、草坡、建设用地，景观多样性指数、均匀度分别提高了60．58％、38．56％，而优势度、蔓延度指数则下降了。
说明土地利用空间分布趋于均匀，斑块聚集分布状况分散化。
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