土地利用格局是分析和解释区域土地利用空间现象、过程和机制的重要因素,它能够影响区域生态环境,是诊断区域土地利用合理与否的重要依据。鉴于已有研究对土地利用格局的内涵理解,目前研究大多局限于短期土地利用某种社会经济属性的数量变化分布以及对空间格局的静态宏观解释,关于各种自然因素和社会经济因素对土地利用格局变化影响作用机理的研究停留在驱动力分析和选取指标评价层面,成果的指导意义不强,区域粮食生产、生态安全和社会经济发展受到威胁,区域土地利用格局变化特征和变化机理亟待深入解决。鉴于此,以粮食生产、生态安全和社会经济发展为区域土地利用格局优化目标,明确各种土地利用主体的决策行为,优化区域土地利用格局,设计并建构区域土地利用格局优化模式,提出区域土地利用格局优化模式调控对策,以期为实现区域土地可持续利用及社会经济可持续发展提供科学依据,为土地利用规划编制提供重要参考。本研究以松嫩高平原国家产粮大县巴彦县为研究区,探寻研究区土地利用格局变化研究的最优时空尺度;建立研究区不同时点(1979年、1991年、2003年和2015年)的土地利用类型数量特征数据库,计算研究区不同时段(1979-1991年、1991-2003年、2003-2015年)土地利用类型的转移矩阵,在此基础上,测算和分析不同土地利用类型自然、社会经济属性的数量变化特征,即单一土地利用动态度、综合土地利用动态度、土地利用相对变化频率、土地利用强度、土地利用多样性程度和土地利用类型区位指数,从土地利用格局的空间关联关系和邻接关系两个方面,分析和阐释研究区不同土地利用类型变化空间组合及相互关系分布特征;运用小波变换和交叉小波模型,筛选和甄别不同时期影响研究区土地利用格局时空分异的关键性影响因子,阐明在各因子综合影响下研究区土地利用格局时空变化的作用机理;确定研究区土地利用格局安全阈值,并将其作为土地利用格局优化的基础,运用多智能体粒子群算法,提出土地利用格局优化方案,设计并建构土地利用格局优化模式,提出保障该优化模式运行的调控对策。得出以下主要结论:(1)确定了研究区土地利用格局变化的最优时空尺度。其一,土地利用格局变化的空间尺度可以作为独立的地理单元分析土地利用格局变化的最小样本单位,研究区土地利用格局在900m×900m尺度上具有明显的分形特征,说明900m×900m是研究区土地利用格局最优空间尺度。其二,在1979-2015年研究区土地利用格局变化的时间域上,土地利用格局变化研究的最优时间分析尺度为36年,研究区土地利用格局在12.33年左右具有明显的波动性变化特征,将研究区时间域划分为3个发展阶段:发展初期1979-1991年、发展中期1991-2003年、发展近期2003-2015年,研究区土地利用格局变化的全局化时间尺度和土地利用格局变化的局部化时间尺度具有较高的一致性。(2)测算了研究区土地利用类型自然、社会经济属性的数量变化特征,阐释了研究区不同土地利用类型变化空间组合及相互关系分布特征。其一,经测算研究区不同时点的土地利用转移矩阵,旱地、林地和建设用地等主要土地利用类型在1979年、1991年、2003年和2015年4个重要时间节点上的变化发生了明显的趋势性转换,同时验证了建立的土地利用格局变化时空尺度识别方法可行并具有准确性。其二,1979-2015年,研究区单一土地利用动态度、综合土地利用动态度、土地利用相对变化频率、土地利用强度、土地利用多样性程度和土地利用类型区位指数等自然、社会经济要素的空间异质性由结构性因素、随机性因素或由二者共同作用引起,其土地利用格局受自然因素和人类活动干扰的影响程度不同;在不同时段和不同时点各种自然、社会经济要素的所呈现的时空差异和变化趋势各不相同。其三,研究区不同时点土地利用格局空间关联关系表现为各土地利用类型之间空间作用力、分布均匀程度和内部联结性的大小不同,呈现出明显的复杂性变化特征,表现为土地利用格局中竞争强度强弱的差异。研究区土地利用格局空间邻接关系复杂,邻域类型中出现频率最高的土地利用类型以旱地、林地为主;研究区土地利用格局的集聚度逐年增高,在研究区范围内面积有优势的土地利用类型,中心栅格周围出现该土地利用类型的频率越高,与土地利用类型在空间上的分布极为相近。(3)筛选和甄别了影响研究区土地利用格局变化的关键性因子。1979-2015年,研究区土地利用格局时空变化的各种关键性因子对土地利用格局时空变化的影响显著,该时段内,研究区土地利用格局时空变化的关键性影响因子有18个,分别是土壤有机质、土壤全氮、土壤速效磷、土壤速效钾、土壤质地、耕层厚度、高程、地形地貌、NDVI、DVI、年日照时数、年均气温、年均降水、重金属污染、土地利用强度、GDP、人口和政策法规;不同时点土地利用格局时空变化的关键性影响因子各不相同,且对不同土地利用类型的影响显著程度不同,特别是对旱地、水田、林地和建设用地的影响最明显,同时,关键性因子对这4种土地利用类型的影响比对区域内其他土地利用类型的影响更为显著。(4)阐明了研究区影响土地利用格局变化自然因素和人文因素的作用机理。其一,各种影响土地利用格局时空变化的关键性因子与各种土地利用类型的关联关系存在显著差异,各种关键性影响因子对土地利用格局时空变化的样线作用尺度大小分异显著。1979年,各种关键性影响因子与旱地、林地之间的关联关系较强;1991年和2003年,各种关键性影响因子与旱地、林地、建设用地之间的关联关系较强;2015年,各种关键性影响因子与旱地、水田、林地和建设用地之间的关联关系较强。其二,1979-2015年,研究区各种关键性影响因子对土地利用格局时空变化的作用机理具有明显差异,1979年研究区农业种植占据主导地位,1991年、2003年和2015年研究区农业生产和经济发展均占据主导地位。(5)优化了研究区土地利用格局。其一,1979-2015年间,研究区不同空间区域上土地利用格局安全阈值所处状态逐渐由安全状态向危险状态转变,按照当前的土地利用发展态势,若不采取适当的措施,土地利用格局的安全状态将逐渐向危险状态突变,土地利用格局调整十分迫切,并以此作为土地利用格局优化的基础。其二,本研究提出4种研究区土地利用格局优化方案,不同优化方案对土地利用格局优化的粮食生产、生态安全、社会经济发展等目标函数的决策偏好不同,对于粮食生产、土地生态承载力、土地生态相容性、土地利用经济产出和土地利用类型间转变总成本等土地利用格局优化子目标的实现利好不同,各种优化方案对土地利用类型的数量结构和空间布局有明显优化。(6)设计并建构了研究区土地利用格局优化模式。结合土地规划思想,设计研究区土地利用格局优化模式以组团式布局为主,以研究区未来的主要交通道路为发展轴,以研究区未来重点发展城镇为发展节点,形成以“4个发展节点、4条发展轴带、5个功能分区”为主的空间结构,总结归纳出以“农业种植区、高标准灌溉农田区、生态保护区、生态休闲区和社会经济发展集中区”为主的土地利用空间分区,建构研究区“宜耕则耕、宜林则林、宜牧则牧、宜建则建”的土地利用格局优化模式。(7)提出了保障研究区土地利用格局优化模式运行的调控对策。以粮食生产、生态安全和社会经济发展为土地利用格局优化模式的调控目标,从政府Agent、部门Agent和个体Agent三个层面提出土地利用格局优化模式的调控方式,从法律保障、行政保障、社会经济保障、技术保障和生态保障等五个方面提出研究区土地利用格局优化模式调控的保障措施,从前馈调控和过程调控实现研究区土地利用格局优化模式的调控,寻求粮食生产、生态安全和社会经济发展的和谐统一,以保障研究区土地利用格局优化模式的正常运行。研究成果将为保障国家粮食安全和改善区域生态环境构建科学体系,为土地利用规划编制提供依据,对促进区域土地可持续利用及社会经济可持续发展具有重要的理论意义和实践应用价值,研究区土地利用格局优化模式及其调控对策的提出可为同类地区的相关研究提供参考。