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长春市黑土区耕地景观特征动态变化与安全评价

时间:2018-01-31 20:40来源:www.e-lunwen.com 作者:lgg 点击:
本文是园林景观工程论文,本文通过构建符合研究区特征的耕地景观生态安全评价模型,借助 GIS 空间分析和 Fragstats4.2景观指数计算软件,测度 2009 年至 2014 年长春市主城区黑土耕地景
第 1 章 绪论
 
1.1 研究背景
土地是人类生存和发展的根基,也是立国安邦的基本要素之一,直接关系到经济的稳定增长、社会的和谐发展和人民的根本利益[1]。土地资源一方面为解决全国人民的吃饭问题提供资源保障,另一方面又为推进工业化、城镇化、农村现代化和信息化提供建设用地保障,发挥了资源、资产、资本职能,保障和促进了社会经济的平稳持续、健康和快速发展[2]。耕地资源是土地资源中最为宝贵的一部分,对人类的生存和发展起着关键性的作用。近年来,随着人口剧烈增长及经济迅猛发展,粮食需求一直呈现刚性增长的态势。耕地逐渐变得脆弱敏感,主要体现在三个方面上:一是耕地面积锐减,二是耕地质量下降,三是耕地生态环境不断恶化[3]。近年来,由于对土地生态安全文明建设的诉求逐渐增长,耕地形态变化与景观安全逐渐受到学者重视,并被广泛应用于基本农田布局优化、优质农田建设与耕地保护区划等土地利用和管理的相关研究[4-6]。长春市主城区是吉林省省会所在,近年来经济迅速增长,人口快速增加,城镇化进程逐步加快,“三废”排放量也随之越来越多,致使耕地破碎化日益加大,耕地景观生态安全面临巨大压力。与此同时,长春市位于东北典型黑土区,由于黑土性能优越,适合作物生长,长春市黑土区的粮食生产量一直在全国范围内处于领先水平,是国家粮食安全的重要保障之地[7]。由此可见,长春市具备社会经济发展要素集中与黑土耕地资源保护迫切的双重属性,是东北黑土区耕地资源景观安全受人为因素影响的典型区域。目前黑土地在过度开发利用、不合理耕作制度与城市蔓延侵占等多重因素胁迫的情况下,土壤理化属性恶化、土壤侵蚀严重与耕地资源流失现象愈发明显。同时由于交通运输网的范围与密度不断增大、景观廊道的增多,逐渐破坏了原有耕地景观,耕地破碎化明显,耕地的景观安全面临挑战,这无疑对黑土区耕地资源的高效集约利用造成阻碍[8]。因此,保障耕地景观生态安全,提升耕地的可持续利用水平,舒缓人地矛盾成为重要课题。构建市域尺度的耕地景观生态安全评价模型,对典型黑土耕地景观变化区进行时空分布的动态测度,探索地类转换背景下景观安全格局的变化模式与空间变异规律,对于保障黑土区耕地景观生态安全具有十分重要的理论意义。
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1.2 研究目的与意义
长春市由于其自身优越的自然地理条件,承担着国家非常重要商品粮生产基地的重任。其生态安全对于粮食生产和黑土资源保护至关重要。但是随着长春市城镇化快速推进,土地资源利用强度加大,城镇建设不断侵占市区周边农用地,出现环境污染加剧、黑土退化等诸多生态环境问题,同时由于土地利用的不合理导致长春市隐藏着诸多耕地景观生态问题,包括市区耕地面积大幅减少、耕地质量逐渐下降,景观破碎化程度显著增加、景观结构趋于单一化等,导致耕地资源稀缺性增强,耕地所受的干扰压力及其脆弱性日益增强。耕地景观的生态安全直接关系到地区耕地保护和社会经济的发展,并且已成为学术界和政府关注的热点。因此,本文通过构建符合研究区特征的耕地景观生态安全评价模型,借助 GIS 空间分析和 Fragstats4.2景观指数计算软件,测度 2009 年至 2014 年长春市主城区黑土耕地景观格局特征及生态安全情况的动态变化,解析变化规律与变化原因。在时间序列尺度上,针对研究区快速城镇化带来的土地利用不合理、环境污染、人口密集化、城市快速扩张挤占市郊区耕地等问题,通过景观生态安全理论及方法,以及耕地景观格局指数和生态安全评价模型,分析研究区六年间黑土耕地景观格局特征及生态安全格局动态变化,这对区域黑土耕地资源进行多维立体保护具有重要的现实意义。景观格局决定着资源和环境的分布形式,耕地作为高度耦合的自然经济综合体,其景观生态特征显著,因此,对研究区耕地景观格局动态变化及生态安全的研究,可以为耕地景观生态安全格局研究奠定理论基础。
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第 2 章 研究方法和理论基础
 
2.1 研究方法
对区域耕地利用流转状况的分析,可以从总体上把握区域黑土耕地利用动态演变的趋势与特点。但耕地利用中最显著的特点是其空间区位的固定性与独特性,因而只有对区域耕地利用变化进行定位化、定量化的空间分析,才能更为深入和准确地认识区域耕地利用的动态演变过程[56]。如图 2.1 所示,耕地从研究初期 t1(S(i,t1))到研究末期 t2(S(i,t2))的空间格局变化,可以划分出 3 种空间类型 :1)未变化的部分 ULA,其耕地数量在研究期初和期末是一样的,没有发生变化;2)转移部分 S(i,t1)- ULA,耕地流转为其它土地利用类型;3)新增耕地 S(i,t2)- ULA,其它土地利用类型转为耕地。本文借鉴裴欢对秦皇岛市地山丘陵地区耕地景观生态安全评价模型[53],选取能够全面的表征研究区耕地结构和形状的景观格局指数,结合研究区的基本特征,改进符合研究区耕地景观生态安全特点的评价模型。该模型的改进设计主要以耕地景观破碎度、边界破碎度、脆弱度、邻近度和优势度为变量,同时为了使所得评价结果更具有可比性,将结果位于 0~1 之间。
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2.2 景观格局理论基础研究
景观格局一词是在景观生态学文献及著作中使用频率最高的术语之一[59-61]。通过景观格局分析,希望能确定景观格局在时空尺度上的演变趋势,进一步剖析产生和控制空间格局的驱动因子及其作用机制,比较各景观镶嵌体的特征和它们的时空变化特征,以此来探讨景观空间格局的尺度性质,从而为景观的合理化管理提供有价值的资料。只有认识了景观空间结构的基本特征,才有可能进一步设想和规划更合理的景观格局[62-64]。通常情况下,景观格局的理论分析主要从以下四个方面进行:在“斑块-廊道-基质”的景观空间结构模式下,景观中任意的一点或是落在某一斑块内,或是落在某一廊道内,亦或是落在作为背景的基质内。普遍认为景观中斑块大小对物质与能量的交流和生物多样性等均有很大的影响力,斑块受一定程度的干扰后,斑块的几何形体将变的更为复杂,这将会影响到斑块几何形状的复杂性生物迁移规律和内外物种的数量。廊道作为第二大景观要素,其自身的宽度和密度、形状以及通达度也将影响到各种景观功能。因此,针对景观要素的各种具体属性在空间上的表现形态研究成为景观空间格局研究的重点,当前这方面的相关研究相对较丰富[65,66]。
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第 3 章 研究区概况与数据处理 ....19
3.1 区域概况..........19
3.1.1 地理位置 ..........19
3.1.2 自然地理特征 ............19
3.1.3 经济状况 ..........20
3.2 土地利用状况 ...........22
3.3 城镇化情况 .....22
3.4 数据来源与处理 .......23
3.4.1 数据来源 ..........23
3.4.2 数据处理 ..........24
第 4 章 长春市黑土区耕地时空变化 ......26
4.1 黑土区耕地变化分析 .........26
4.1.1 耕地利用数量变化 ....26
4.1.2 耕地利用空间分布变化 ......29
4.1.3 耕地利用速率变化 ....30
4.2 黑土区耕地利用转移情况分析 .............33
4.2.1 耕地流出 ..........33
4.2.2 耕地流入 ..........33
4.2.3 耕地利用转换及其指示意义分析 ..........34
第 5 章 研究区黑土耕地景观格局演变研究....36
5.1 耕地景观格局指数变化分析 .......36
5.2 指示意义..........41
 
第 6 章 结果与分析
 
6.1 耕地景观生态安全特征
6.1.1 景观脆弱度
景观脆弱度是指黑土耕地景观类型受到自然及人为等外界因素的干扰程度超出耕地景观自身的调节能力而表现出对干扰的敏感性及适应程度的大小。以可以反映耕地利用率、耕地在时间序列上的稳定度及恢复程度的景观格局指数(面积加权平均形状指数、分维数和分离度)为基础指标测算耕地景观脆弱度(见公式 2.5),从而实现景观脆弱度的定量化表示[64]。由图 6.1 可知,2009 年到 2014 年长春市主城区黑土耕地景观脆弱度波动增长,由 2009 年的 0.426 上升到 2014 年的 0.470,说明研究区耕地景观受外界的干扰程度越来越大,敏感性也随之增高,耕地景观抵御外界风险的能力逐步变弱,耕地景观变的越加不安全。研究区耕地景观脆弱度分区统计可见(表 6.1),各辖区耕地景观脆弱度表现出差异性,而且各区都在一定程度的波动增长,尤其二道区、宽城区、南关区和绿园区等四个辖区的景观脆弱度较大,说明整个研究区的耕地景观基本都在受到不同程度的外界干扰,干扰来源主要是城镇建设和交通设施的推进。纵观长春市主城区城市建设基本以放射状向外辐射,尤其近年来,各种经济开发区及工业园区的新建,作为吉林省省会城市,与其他城镇之间的联系越来越密切,从而道路修建更加密集,因此,耕地逐渐被占用,造成耕地内部和边界越加零碎,耕地景观也越加脆弱。保护优质的黑土耕地,保障粮食安全,应合理规划城市布局。
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结论
 
本文以长春市主城区为研究区,总结国内外相关研究理论和研究方法,把握当前对黑土区耕地数量时空变化、耕地景观格局动态变化和生态安全等研究的动态。因此,本文依据研究区 2009 年至 2014 年土地利用调查数据和土壤类型数据,应用ArcGIS 和 fragstats4.2 软件统计六年的黑土耕地数量和测算黑土耕地景观格局指数,深入分析研究期内黑土耕地时空变化和景观格局动态演变,从而揭示黑土耕地景观格局现阶段存在的问题和变化趋势,以便为研究区黑土耕地景观资源的监督保护、规划管理以及可持续发展提供科学有效的理论依据。本文的主要研究结论如下。
1)长春市主城区位于东北典型黑土区,是国家粮食安全的重要保障区,由于城市建设占地与发展之间的矛盾,近年来严重影响了黑土耕地的数量和质量。依据对长春市主城区 2009 年至 2014 年耕地利用情况进行分析发现,研究期间耕地变化幅度差异较大,区域分异明显,六年内耕地数量共减少了 57.045km2。从耕地分布的高程、坡度上来看,耕地主要分布于低海拔、低坡度上,这主要与长春市的地形地貌有关。随着时间的推移,五个辖区的耕地数量均有不同程度的减少,空间分布上,海拔低和坡度小的区域的耕地减少更为明显。通过土地利用变化率模型和土地利用动态度模型分析显示,研究区耕地利用变化率从 2009-2010 时段的-3.463,增加至2013-2014 年的-0.336。就耕地利用动态度而言,6 个时点 5 个时段内长春市主城区的耕地利用动态度是先增大后逐渐趋于减小态势,且由于各市辖区的地理位置和社会经济发展等因素不同,使得辖区的动态度变化相差较大,宽城区和二道区的动态度较大,而绿园区、南关区和朝阳区的动态度较小。研究期内长春市主城区耕地流出大于流入,耕地主要去向是城镇建占用,新增耕地很小,基本来源是生态用地和其他土地利用类型。
2) 通过从长春市主城区总体尺度和 30  30 像元尺度两个水平上对研究区范围内耕地景观类型的破碎度、边界破碎度、分维数、面积加权平均形状因子、分离度、邻近度、优势度、景观脆弱度和景观生态安全指数进行了计算和分析,发现耕地景观格局指数变化各异,面积加权平均形状因子、分维数、分离度、破碎度和边界破碎度随时间尺度上升趋势,分别由 2009 年的 0.276、1.278、0.665、0.317 和 0.286,分别上升至 2014 年的 0.295、1.283、 0.708、 0.351 和 0.305;并且六年间景观格局指数在各辖区之间差异较大,宽城区、二道区和南关区等三个辖区的景观指数相对较高,以上数据反映出区域耕地总体的连续性和均匀水平下降,耕地斑块逐渐细碎化,黑土耕地景观呈不稳定状态。
3) 在分析长春市主城区耕地景观特征的基础上,通过构建耕地景观生态安全模型,测算 2009-2014 年长春市主城区黑土耕地景观生态安全程度,在这六年间,耕地景观生态安全程度呈下降趋势,其值从 2009 年的 0.593 下降到 2014 年的 0.534,伴随着景观生态安全程度的下降,耕地景观脆弱度呈上升态势。并结合 ArcGIS 空间分析模块中的自然间断点法,把研究区黑土耕地景观生态安全程度划分为三个级别,Ⅰ级区:ES≤0.400,Ⅱ级区:0.400<ES≤0.700,Ⅲ级区 :ES>0.700。长春市主城区耕地景观生态格局变化特征显著,2009-2014 年研究区耕地景观生态安全Ⅰ级区由宽城区开始逐年向顺时针转移,到 2014 年Ⅰ级区主要为二道区和南关区。主要表现为耕地景观生态安全低的Ⅰ级区和Ⅱ级区有逐渐扩大,景观生态安全高的Ⅲ级区逐渐缩小趋势。研究区耕地景观结构变化导致景观生态安全程度在时空分布特征差异性较强,耕地景观生态安全重心逐渐向西南方向偏移,六年间共偏移 1621.795m。
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参考文献(略)
(责任编辑:gufeng)
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