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南水北调中线水源区土地的利用生态安全时空分析.rar

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    南水北调 中线 水源 土地 利用 生态 安全 时空 分析
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    编号:08009110218南阳师范学院 20 届毕业生毕业论文(设计)题 目: 南水北调中线水源区土地的利用生态安全时空分 析 ——以陕西省为例 完 成 人: 刘 秋 班 级: 2008-2 学 制: 4 年 专 业: 地理科学 指导教师: 白景峰 完成日期: 2012-03-30 目 录摘要 ∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙ (1)0 前言 ∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙ (1)1 研究区域概况 ∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙ (3)2 土地利用生态安全评价指标体系的建立 ∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙ (3)2.1 土地利用生态安全评价指标选取原则 ∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙ (3)3 评价模型及方法 ∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙ (4)3.1 数据处理∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙ (4)3.2 土地利用生态安全评价模型建立及安全等级的确定 ∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙ (6)4 土地利用生态安全定量分析与动态评估 ∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙ (8)4.1 从时间上土地利用生态安全的变化趋势 ∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙ (8)4.2 从土地利用生态安全值的空间分布来看 ∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙ (10)5 结果与讨论 ∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙ (11)参考文献 ∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙ (11)Abstract ∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙ (12)第 1 页 (共 13 页)南水北调中线水源区土地的利用生态安全时空分析——以陕西省为例作 者:刘 秋指导老师:白景峰摘要:土地利用变化对流域水资源动态具有深刻的影响,这对于我国大规模跨流域的南水北调工程规划尤为重要。通过对南水北调中线水源区(陕西省)1999-2009 的土地利用生态安全状况进行计算,本文分析了南水北调工程建立前后水源区土地利用变化的时空分异规律,从而为科学地组织人类有序活动、调整和优化土地利用格局,以确保流域生态安全提供了理论基础。研究结果显示:1999-2009 年研究区域土地利用生态安全状况呈先下降后逐渐回升好转最后又下降的趋势,2005 年和 2008 年是两个转折点。土地利用的生态安全状态处于风险型和恶化类型之间。各县市土地利用的生态安全值在时间与空间上存在着差异。关键词: 南水北调中线工程;水源区;土地利用;生态安全状况0 前言人类社会发展离不开土地,没有土地也就没有人类,土地不仅为人类提供生存所必须的粮食,而且为生产提供原材料,同时对环境的净化也有一定的作用。随着经济和工业的快速发展,土地的利用生态环境遭受了严重的破坏,对人类的生存和发展构成了严重的威胁。因此,如何更好的对土地的利用生态安全进行评价,关系到粮食安全、社会稳定等问题。土地利用/土地覆被(简称 LULC)是人类根据土地的自然特点,按一定的经济、社会目的,采取一系列生物、技术手段,对土地进行长期性或周期性的经营管理和治理改造。南水北调中线工程是一项复杂的系统工程,它南起湖北丹江口水库,第 2 页 (共 13 页)横跨长江、淮河、黄河、海河四大流域,从南到北途经湖北、河南、河北、天津、北京 5 省区,为沿线城市自流供水。南水北调中线工程的水源区土地的利用生态安全情况直接关系着南水北调中线水源区水源的安全情况,对南水北调中线水质情况起着重要作用,对整个南水北调工程及水源地周边地区的经济发展也具有重要意义。由于土地利用生态安全评价的理论和方法的不成熟,缺乏一个对土地生态安全评价的标准和体系,因此,研究该区域土地的利用生态安全情况是十分重要的。对土地利用生态安全的研究一直是学术界研究的热点之一,研究成果相当丰富。例如李玉平、蔡运龙对生态安全和土地生态安全做出了详尽的阐述:生态安全一般指一个国家或地区的生态环境和自然资源状况能维持满足社会经济发展需要,社会经济发展不受或少受来自于自然资源和生态环境的制约与威胁的状态。土地生态安全,是指陆地表层由各种有机物和无机物构成的土地生态系统的结构不受破坏,同时,土地生态系统为人类提供服务的质量和数量能够持续满足人类生存和发展需要。并针对河北省的土地生态安全进行评价,得出河北省土地生态安全具有不断恶化的趋势 [1]。刘庆,陈利根等基于客观的状态评价和趋势分析模型相结合的区域土地生态安全动态评价方法,得出了长株潭城市群的土地生态安全呈现逐渐恶化趋势 [2]。再如田克明,王国强利用多元素综合评定法和系统聚类法相结合,借助 MapGIS 和 SPSS 软件对河南省进行生态安全评价 [3]。上述分析基本上大多数是针对大范围宏观尺度的研究,研究的时间跨度较小。而且,目前开展南水北调中线工程对环境影响方面的研究主要集中在水资源与水源区生态环境 [4、5] 、水质 [6]、受水区生态环境 [7、8] 、对生物的影响 [9、10] 以及对调水区地方经济和疾病传播的影响等方面 [11],对水源区土地利用生态安全缺乏深入研究。基于此,本研究针对南水北调中线水源区(以陕西省为例),采用“压力——状态——反映”模型,结合定量分析法,评价了1999 年到 2009 年十年间南水北调中线水源区(陕西省)县域土地生态安全的变化状况,以及空间的差异分析。分别从时间和空间两第 3 页 (共 13 页)个方面对研究区域的土地的利用生态安全进行研究分析,研究时间跨度大,属于小范围微观尺度的研究。1 研究区域概况南水北调中线工程陕西水源区包括秦岭以南的 陕西南部地区,大部分处在丹江口水库的上游水源区,涉及宝鸡、汉中、安康、商洛和西安 5 个市的 31 个县(区) ,区内总面积 6. 27 ×104 平方千米,占丹江口水库控制面积 9. 52 × 4 平方千米的 65. 9 %,其中水土流失面积 3. 39 × 4 平方千米,总耕地面积 103. 78 平方千米,其中 25°以上的坡耕地占 28 %,人均耕地面积为 0.08 公顷/人。该区人均 GDP为 21688 元。陕西境内南部地区丹江和汉江年均入丹江口水库水量2. 847 × 10 立方米,占丹江口水库多年平均入库水量 4. 085 × 10 立方米的 70 %。陕西属于大陆性季风气候,年平均气温 10.0-16.6℃,年降水量 283—731mm,南北差异明显。丹江口水库水面 750 平方公里,为全国最大的人工“高峡平湖” 。研究区域地处鄂、豫、渝、陕交界地带,旅游资源丰富;土地广阔,地形复杂,生物资源南北兼有,共有动植物 3000 多种。2 土地利用生态安全评价指标体系的建立目前土地利用生态安全评价研究主要体现在评价指标体系和评价方法两个方面。建立科学的指标体系和评价标准是土地利用生态安全评价的关键环节。2.1 土地利用生态安全评价指标选取原则建立完善的土地利用生态安全评价指标体系是进行土地利用生态安全评价的基础,本研究针对研究区域的特点,遵循指标体系建立的科学性、针对性、可操作性、完整性、层次性、多样性原则,第 4 页 (共 13 页)以研究区客观事实为基础,按照系统的层次和指标的特点,选择能够明确代表研究区特点的指标,使所选指标尽可能全面的反应研究区评价的特征,从多方面反应农用土地生态安全情况。借鉴国内相关研究,结合本研究区实际,注重研究的动态性,选取了三级指标 9 个,其中压力指标 4 个,状态指标 1 个,响应指标 4个。分别是人口密度、人均耕地面积、单位耕地化肥使用量、单位耕地农业机械总动力、耕地面积比重、第一产业比重、人均 GDP、农民人均纯收入、人均粮食产量(见表 1)。表 1 水源区(陕西省)土地利用的生态安全评价指标体系目标层 准则层 指标层 安全趋向人口密度 负向人均耕地面积 正向单位耕地化肥使用量 负向压力单位耕地机械总动力 正向状态 耕地面积比重 正向第一产业比重 正向人均 GDP 正向农民人均纯收入 正向土地利用生态安全响应人均粮食产量 正向3 评价模型及方法第 5 页 (共 13 页)3.1 数据处理文中相关研究数据来源于陕西省统计年鉴(1999--2009 年),中国县市社会经济统计年鉴(2001—2009 年)。3.1.1 数据标准化不同评价指标的数据性质不同,具有不同的量纲,不能进行比较,为了使不同指标的数据具有可比性,需要对数据进行无量纲化处理。采用归一法对各评价指标进行标准化处理,转化到[0,1]之间。计算公式为 式中,Pij 表示标准化处理后的值,即归一化值,Xi 表示评价指标的实际值,Xmax 和 Xmin 分别表示评价指标的实际最大值和实际最小值。正向型指标采用公式(1)进行计算,表示的意义是归一化值越大,安全程度越高,即越大越安全型;负向型指标采用公式(2)进行计算,表示的是归一化值越小,安全程度越高,即越小越安全型。3.1.2 利用均方差赋权法确定指标的权重在确定指标权重时多采用层次分析发、专家打分法等主观确定权重的方法,这样会造成评价结果会带有人的主观因素造成的偏差。均方差赋权法是一种客观赋值法,其权重是由各指标在评价指标体系中的实际数据形成的,它消除了人的主观因素造成的偏差,客观性比较强,且该方法已在研究中得到应用 [12]。因此,采用均方差赋权法对南水北调中线水源区(陕西省)各县(市)土地利用生态安全进行评价,使得评价结果更符合实际。设 Ai(i=1,2…9)为指数集,Gj(j=1、2、3、4、5),(1、2、3、4、5 分别代表 1999、2000、2005、2008、2009 年)为方案集,Pij 为方案集对指标集的属性值,及归一化值。首先,利用公式(1)(2) 对各项评价指标数据进行标准化处理,得到标准化值第 6 页 (共 13 页)Pij, 其次,利用公式(3)(4)分别计算标准化后的各项指标 Ai 的均值 E(Ai)和方案集 Gj 的均方差 ,见公式(3)和(4),最后根据 得出的结果算出各指标的权重 Wi,见公式(5),计算结果见表 2.表 2 1999—2009 年水源区(陕西省)土地利用的生态安全评价指标权重Ai1999 2000 2005 2008 2009E(Ai) WiA1 1 0.875 0.375 0.125 0 0.475 0.891 0.109A2 1 1 0 0.500 0.500 0.600 0.837 0.102A3 1 0.942 0.473 0.230 0 0.529 0.874 0.107A4 0 0.077 0.619 0.926 1 0.524 0.934 0.114A5 1 0.727 0 0.136 0.182 0.409 0.862 0.105A6 1 0.735 0.224 0.100 0 0.412 0.867 0.106A7 0 0.032 0.358 0.872 1 0.452 0.931 0.114A8 0 0.007 0.300 0.848 1 0.431 0.938 0.115A9 0.014 0 1 0.943 0.057 0.403 1.040 0.1273.2 农用土地生态安全评价模型建立及安全等级的确定第 7 页 (共 13 页)3.2.1 农用土地生态安全评价模型根据公式(6),计算得出南水北调中线水源区(陕西省)各县(市)农用土地生态安全值。式中,U 为生态安全度,Wi 为各指标权重,Pij 同前。将每年各县市的安全值取均值,得出研究区域农用土地生态安全的总体值。综合评价结果见表 3。表 3 1999—2009 年水源区(陕西省)土地利用的生态安全综合评价结果指标 1999 2000 2005 2008 2009生态安 全度 0.531 0.466 0.388 0.536 0.4203.2.2 农用土地生态安全等级的确定由于生态安全是一个相对概念,仅通过所计算出的生态安全值,很难对生态安全有一个直观的判断。因此,需要对生态安全值进行合理的等级划分,本研究在参考相关文献 [13、14] 的基础上,根据南水北调中线水源区(陕西省)各县(市)的实际情况,将农用土地生态安全水平划分为五个等级,见表 4。表 4 水源区(陕西省)土地利用生态安全分级和系统标准U 等级 特征土地生态环境基本未受到干扰破坏,土地生态系统结构完整、功能较强,土地肥沃,第 8 页 (共 13 页)≥0.9 安全 无农业污染,植被覆盖率高,无沙化、碱化现象,生态问题不显著0.7≤U<0.9 较安全土地生态环境受到干扰,土地生态系统结构尚完整、功能尚好,土壤肥力高,农业污染程度低,农业与畜牧业产量高,土地利用程度高,水土协调性好,生态问题不显著0.6≤U<0.7 敏感土地生态环境受到较少破坏,土地生态系统有恶化趋势,但尚能维持基本功能,受干扰后易恶化,盐碱化程度较高,土地肥力降低,生态问题显现0.4≤U<0.6 风险土地生态环境受到较大破坏,土地生态系统结构恶化较大,功能不全,受外界干扰后恢复困难,盐碱化程度高,治理困难,一般为低产田,生态问题较大,生态灾害较多<0.4 恶化土地生态环境受到较大破坏,土地生态系统结构残缺不全,功能低下,发生退化性变化,恢复与重建很困难,土地表现为无法耕作的光板地,生态灾害严重,农民背井离乡4 土地利用生态安全定量分析与动态评估4.1 从时间上土地利用生态安全的变化趋势根据生态安全评价模型公式,对水源区(陕西省)1999、2000、2005、2008、2009 年十年间的 5 个时间段的数据进行了土地利用生态安全评价,评价结果见图 1 。
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