典型农牧交错区土地利用安全格局及农业产业结构优化研究

1、博士学位论文答辩报告典型农牧交错区土地利用安全格局及农业产业结构优化研究 以内蒙古翁牛特旗为例导 师：张新时 院士 李波 副教授 博 士 生：谢花林专 业：生态学 2006/5/29汇报提纲1 绪论2 研究区概况3 基于景观结构的生态风险分析4 研究区土地利用安全格局5 研究区农业产业结构优化6 研究区生态生产范式说明7 主要结论与不足之处 1 绪论研究的背景研究目的及意义技术路线研究思路 研究的背景 1953年 赵松乔 “农牧交错带”季风气候大陆性气候湿润区 干旱区农区牧区 研究的背景新华社报道（2000）：农牧交错带57.47万km2的草地中，八成以上出现不同程度的退化 ；荒漠化土地面积已

2、占全国荒漠化土地总量的45%；已成为我国自然植被破坏最严重的区域；农牧交错带的生产、生活条件十分恶劣，农牧业生产水平低而不稳； 中段的75个旗（县）：61个为贫困县，其中国家重点扶持贫困县为16个 。 研究的背景不合理的土地利用（滥垦、滥牧、滥伐）草地的退化生态环境恶化水土流失、沙化生活水平低生产条件差生产力下降产业结构的问题恶性循环示意图 研究的背景人工草地种植一方面可以提高草地生产力，解决冬季家畜的饲草紧缺问题，减轻天然草地的承载压力，使天然草地植被得以恢复；另一方面土壤可以积累有机质，改善土地肥力，使土壤有机质提高50%以上 引草入田，既能稳产高产，又可保持水土，减轻风蚀沙化危害，同时作

3、为畜牧业的基础会成为系统耦合的机遇。 研究的背景 人工草地等替代 天然草原生产功能 生态环境改善 生活水平提高 生产条件改善经济生产力生态生产力 植被恢复产业结构调整良性循环示意图 研究的背景生态学理论问题的提出： （2）如何进行农业产业结构调整优化研究，论证在农牧交错带大力发展人工草地和饲料地在生态和经济上的优越性？ （1）如何从区域的生态不安全因素出发，构建土地利用安全格局？ 研究的目的与意义探索农牧交错带典型生态脆弱区的土地利用安全格局和农业产业结构优化的理论和方法； 提出该类型区的优化生态生产范式，为地处这一相同类型区生态环境建设和产业结构调整起指导作用。 技术路线图研究的思路 土地利

4、用生态安全评价土地利用安全格局的构建农业产业结构优化优化生态生产范式基于景观结构的生态风险分析2 研究区概况研究区位置地质地貌气候特征植被概况土壤特征土地利用特征社会经济概况主要的生态环境问题研究区位置地质地貌地质地貌多层次性内蒙古高原东北平原燕山山脉 松辽平原 浑善达克沙地 科尔沁沙地 地质地貌 2025m 286m 西部东部西部中山台地 区 中部低山丘陵 区 东部平原沙丘 区 气候属于中温带半干旱大陆性季风气候西部东部温寒半湿润区温凉半干旱 区 温和半干旱 区 温暖半干旱 区 主要气候要素空间特征植被植被类型分布区域主要建群种森林植被西部中山山地阴坡，松树山山杨、白桦、蒙古栎、油松、兴安落

5、叶松草甸草原植被中山台地及平缓台地苔草、唐松草、地榆、大针茅、萎陵菜草甸植被沿河流域草甸地、丘间洼地波菠菜、苔原、小糠草、碱蓬、稗子沙生植被东部区坨沼沙地小叶锦鸡儿、沙柳、黄柳、沙蒿、狗尾草沼泽植被草甸区低地及丘间洼地芦苇、香蒲、苔原、稗子、水沙草人工植被农作物、人工林、人工草地农作物：水稻、小麦、玉米、大豆等，人工林主要有7土类，22个亚类，44个土属；以沙土、栗钙土为主，分别占45.6%、37.5%；大部分属于全国土壤养分含量分级的4级和5级；土壤 土地利用特征天然草地和沙地是研究区主要的土地利用类型； 1985-2000年，研究区水田面积、水田斑块平均面积和斑块平均周长变化最为剧烈；景观

6、类型趋于聚集，景观稳定性在不断增加。 社会经济概况 国内生产总值构成变化图 主要的生态环境问题土地沙化强烈 沙化面积占幅员总面积的49%；水土流失严重 水土流失面积占幅员总面积的47；土壤肥力下降 有机质极缺（有机质 0.8的面积占全区面积在20%左右； 1985年的生态风险指数86-86-44-2生态极不安全区生态较安全区生态不安全区生态安全区 1985年 2000年现状面积（km2）百分比(%)面积（km2）百分比(%)生态安全区71.203.7433.541.77生态较安全区339.8217.89339.4917.87生态欠安全区805.0942.38876.8346.15生态不安全区3

7、05.0816.06256.7713.52生态极不安全区378.6019.93393.1620.69全旗平均生态安全指数2.702.66与基于景观结构的生态风险分析结果相吻合4.2 农业生态经济分区环境自然本底的一致性原则；农业生产结构和发展方向的相对一致性；生态环境问题及其关键措施和主要途径的相似性原则；保证乡镇苏木行政区域的完整性和地域的连续性原则。 （1）分区原则 4.2 农业生态经济分区（2）分区指标农业自然背景特征指标农业经济社会特征指标农业生产特征指标1 年均温度（）12 农牧民人均纯收入（元/人）19 粮食单产（kg/hm2）2 年降雨量（mm）13 畜牧业产值占农业总产值比例（

8、%）20 耕地面积占幅员面积比例（%）3 年蒸发量（mm）14 林业产值占农业总产值比例（%）21 山坡耕地占耕地面积比例4 10积温（）15 种植业产值占农业总产值比例（%）22 林地面积占幅员面积比例（%）5 无霜期（d）16 人口密度（人/km2）23 草地面积占幅员面积比例（%）6 耕地平均有机质含量（%）17 农牧业人口比例（%）24 有效灌溉面积率（%）7 非耕地平均有机质含量（%）18 人均耕地面积（hm2/人）25 人均肉类总产量（kg/人）8 平原面积占幅员面积比例（%）26 人均粮食总产量（kg/人）9 低山丘陵面积占幅员面积比例（%）27 人均牲畜头数（头/人）10 中山

9、面积占幅员面积比例（%）11 水域面积占幅员面积比例（%） 4.2 农业生态经济分区 分区的过程，实质就是一个聚类的过程，即把具有较强相似性的分区单位归并为相应的类； 本研究采用能较好描述农业生态经济系统模糊性的数学方法模糊聚类法来对翁牛特旗31个乡镇苏木进行分区； 根据各乡镇苏木模糊聚类分析隶属度，将31个乡镇分别归为相应的农业生态经济区。 （3）分区方法 4.2 农业生态经济分区（4）分区结果代号生态经济类型区名称I区东部沿河平原水稻、畜禽生态经济区II区东北部坨甸牛羊饲养牧林生态经济区III区 中南部丘陵农林牧综合生态经济区区南部低山河川农林牧综合生态经济区区中部低山平川农副贸综合生态经

10、济区区 中北部丘陵农林牧生态经济区区西部漫甸水源涵养林牧农生态经济区 图5-12 翁牛特旗农业生态经济分区4.3 土地利用安全格局优化配置 生态安全原则 适宜性原则 集中与分散相结合的原则 “大面积搞生产，小面积搞生态” “大面积搞生态，小面积搞生产” 充分考虑目前现实状况的原则（1）优化原则4.3 土地利用安全格局优化配置 Xi1:乔木林地面积；Xi2:灌木林地面积；Xi3:生产型草地面积；Xi4:封育型草地面积；Xi5:耕地面积； Xi6:其他土地利用类型面积。 其中，i为不同的农业生态经济区，i=1,2,3,4,5,6,7，分别与本文中所划分的7个农业生态经济区相对应。 （2）决策变量4

11、.3 土地利用安全格局优化配置乔木林地配置原则 现状保持； 多年平均降水量450mm或地下水位5m的东部地区甸子地和河滩地； 土壤具有用作人工速生丰产林的潜在可能性，包括浅色草甸土、草甸栗钙土、典型栗钙土、草甸棕壤土； 土壤具有用作天然乔木林地的潜在可能性，包括典型灰色森林土。（3）各区耕地、草地、林地最大可能分布面积4.3 土地利用安全格局优化配置生产型草地配置原则 现状土地利用生态安全评价结果为“极不安全”和“不安全”的高覆盖度草地和中覆盖度草地，全部作为封育型草地； 坡度15，15以上的草地全部作为封育型草地。 （3）各区耕地、草地、林地最大可能分布面积4.3 土地利用安全格局优化配置

12、耕地配置原则 坡度10，10以上的耕地全部退耕还林/草； 现状土地利用生态安全评价结果为“极不安全”和“不安全”的耕地全部退耕还林/草； 土壤具有用作耕地的潜在可能性，包括草甸棕壤土、暗栗钙土、典型栗钙土、草甸栗钙土、浅色草甸土和盐化草甸土。（3）各区耕地、草地、林地最大可能分布面积4.3 土地利用安全格局优化配置 根据上述原则，基于2000年土地利用分类图、年均降水量分布图、坡度图、土壤类型图等相关地学信息图谱，通过MatLab语言编程求得结果： （3）各区耕地、草地、林地最大可能分布面积分区类型I区（km2）II区（km2）III区（km2）IV区（km2）V区（km2）VI区（km2）V

13、II区（km2）乔木林地86.58337.5887.8194.0861.7886.55261.26生产型草地269.441357.24280.75617.94307.47803.15377.02耕地276.14259.14234.25565.89313.1229.6674.97各区总面积1145.264861.79684.211651.74821.461480.971213.074.3 土地利用安全格局优化配置生态安全目标 即控制土壤侵蚀和防止土地沙化；生态经济目标 土地利用的生态和经济价值获得最大，本研究中用生态系统服务功能价值最大表示。 （4）土地利用格局优化目标4.3 土地利用安全格局优

14、化配置土地总面积约束 乔木林地面积约束生产型草地面积约束耕地面积约束其它土地利用类型面积约束 （5）土地利用格局多目标优化的约束条件4.3 土地利用安全格局优化配置（6）优化结果土地利用类型百分比（%）现状百分比（%）乔木林地6.993.99灌木林地3.771.76生产型草地33.8435.08封育型草地31.7113.3耕地18.0420.27难利用地*0.0019.95其他类型*5.655.65注：表中难利用地包括沙地、盐碱地、裸土地和石砾地；其它类型包括水域、居民点及工交用地和沼泽。 土地利用优化结构特征表4.3 土地利用安全格局优化配置（6）优化结果 图5-13 翁牛特旗土地利用 生态

15、安全格局图 图5-14 翁牛特旗土地利用优化格局 的生态安全评价图4.3 土地利用安全格局优化配置（7）优化后的生态安全评价 安全格局 2000年现状面积（km2）百分比(%)面积（km2）百分比(%)生态安全区1157.179.7633.541.77生态较安全区7555.2463.71339.4917.87生态欠安全区3146.0926.53876.8346.15生态不安全区0.000.00256.7713.52生态极不安全区0.000.00393.1620.69全旗平均生态安全指数 4.13 2.664.3 土地利用安全格局优化配置（8）结论优化后的土地利用类型以生产型草地、封育型草地、耕

16、地为主，所占比例分别为33.84%、31.71%、18.04%。 优化后研究区的生态经济价值从现状的6.2亿美元/年，增加到6.3亿美元/年。 在土地利用安全格局下，平均生态安全指数为4.13，处于生态较安全等级。 5 农业产业结构优化保护生态环境，促进经济增长，以及稳定社会就业是研究区21世纪面临的三重挑战，能否成功，这不仅取决于生态环境建设的进一步深入，还取决于农业产业结构的优化与升级； 由于传统的农牧业生产经营方式、人类对资源的不合理利用对区域生态环境建设造成重要影响； 因此必须结合当前的生态环境建设, 调整农业产业结构, 培育好区域的主导产业, 增加农民收入, 从而实现生态生产的良性循

17、环。 5 农业产业结构优化（1）优化的原则生态安全原则 系统耦合原则 持续性原则因地制宜原则确定优化目标构造各种辅助模型主要生产项目投入产出数据土壤养分循环平衡模型人口增长预测模型粮食需求预测模型选定各主要参数水资源总量约束土地利用安全格局约束粮食需求满足约束农田土壤养分平衡约束 构造相关 约束条件多目标优化模型模型有效性检验优化调整方案 农业产业结构调整优化流程图 5 农业产业结构优化（2）决策变量的选择种植业粮食作物（hm2）经济作物（hm2）饲料作物（hm2）X11玉米、X12谷子X13大豆、X14荞麦X15水稻、X16小麦、X17高粱、X18薯类X19油料、X110烤烟、X111甜菜、

18、X112蔬菜X113 人工苜蓿、X114饲用玉米畜牧业节粮型（t）耗粮型（t）X21牛奶、X22牛肉、X23羊肉X24猪肉、X25蛋、X26禽肉林业生产型（hm2）生态型（hm2）X31生产型乔木林地面积、X32生产型灌木林地面积X33生态型乔木林地面积、X34生态型灌木林地面积渔业X41 水产养殖面积（hm2）注：表中Xij表示第i个产业部门中第j个决策变量 5 农业产业结构优化（3）主要参数的获取途径进行农户和相关企业投入产出的调查 根据以往的相关研究成果 有关的统计资料5 农业产业结构优化（4）农业产业结构调整的优化目标种、林、牧、渔总产值目标最大 各产业总的纯收益目标最大 5 农业产业

19、结构优化（5）约束条件土地利用安全格局社会需求满足 农田养分平衡水资源总量5 农业产业结构优化（6）优化方案的选择粮食安全型（方案1）：在保证一定粮食产量的基础上，适当调整粮、经、饲种植面积，同时经济作物和畜禽产品产量应在现状基础上有一定增长。 畜牧业型（方案2）：重点发展畜牧业，在满足畜牧业发展需求基础上，调整种植业内部结构。 中间型（方案3）：基于方案1和方案2之间，强调各产业均衡发展。5 农业产业结构优化（7）优化结果 主要指标 方案1（粮食安全型）方案2（畜牧业型）方案3（中间型）2003年现状饲草、饲粮面积占耕地总面积的百分比(%)18.0022.3420.007.02粮食作物面积占

20、耕地总面积的百分比(%)69.5063.6662.0075.18经济作物面积占耕地总面积的百分比(%)12.5014.0018.0017.80粮、经、饲面积比例3.86：0.69：12.85：0.63：13.1：0.9：110.71：2.54：1粮食总产量(104t)29.7722.6823.1533.31农业总产值(108￥)17.78118.35718.0659.430农业总收益(108￥)9.1159.1189.117耗水量占可用水资源总量的百分比（%）72.0372.3572.14农田土壤有机质含量（%）1.111.231.155 农业产业结构优化（8）主要结论三种方案优化后的生态和经

21、济效益明显好于现状值。 三个优化方案中，在生态和经济效益方面，均是畜牧业型方案优于其它方案。 畜牧业型方案为最佳方案，其粮、经、饲面积比例为2.85：0.63：1。研究区应当优先发展畜牧业，秸秆过腹还田，提高人工草地和饲料作物在耕地中的种植面积。 6 研究区优化生态生产范式说明 优化生态-生产范式是指根据区域景观的有规律重复出现的复合体及其能流与物流的运转途径，合理地配置土地利用类型与管理方式，以发挥其最大或最佳的生态功能、生产潜力与经济效益。 范式是生态管理系统、区域性景观格局以及功能组合配置的范例。 张新时先生（2000） 6 研究区优化生态生产范式说明 西部中山台地生态圈 中山台地林灌草

22、生态保育带 中部低山丘陵生态圈 低山丘陵舍饲养畜和林灌草带 东部平原沙地生态圈 沙地坨甸林灌草生态保育带、河川平原高效农业带 翁牛特旗生态生产范式功能带配置 3“圈”4“带” 图7-1翁牛特旗生态生产范式功能带 沙地坨甸林灌草生态保育带 主要功能 防风固沙、提供一定量的畜林产品 目前存在的问题 土地沙化、草场超载过牧 发展方向 建设综合防风固沙林体系、 建设人工饲草料基地图7-4 翁牛特旗沙地坨甸功能带 优化后的土地利用格局优化后主要的土地利用类型 封育型草地，占50.3% 河川平原高效农业带 优化后主要的土地利用类型 封育型草地，占32.68%；耕地，占24.32%；生产型草地，占23.67

23、% 主要功能 提供丰富的农牧产品 目前存在的问题 农牧脱节、耕地肥力不足 发展方向 农、林、牧、加合理配置，大力发展水浇地种草业 图7-6 翁牛特旗河川平原功能带 优化后的土地利用格局 低山丘陵舍饲养畜和林灌草带 主要功能 水土保持、饲草料加工、 舍饲育肥基地 目前存在的问题 水土流失、土地贫瘠 发展方向 农林牧结合旱作生态农业、舍饲畜牧业图7-8 翁牛特旗低山丘陵功能带 优化后的土地利用格局优化后主要的土地利用类型 封育型草地，占34.16%； 生产型草地，占27.73% 中山台地林灌草生态保育带 主要功能 水源涵养、水土保持 目前存在的问题 土地贫瘠、水土流失 发展方向 植树种草、林牧结合

24、图7-10 翁牛特旗中山台地功能带 优化后的土地利用格局优化后主要的土地利用类型 生产型草地，占42.39%； 封育型草地，占16.69%范式实施的相关战略举措 （1）以畜牧业为主导产业，转变经营方式，大力发展水浇地种草 为牧而农，为养而种 引草入田，草当粮种 避免三个误区：一是品种上的误区，二是选择地块上的误区，三是耕作管理上的误区 畜当猪养，舍饲禁牧 提高了种植业的生产效益，进而实现水浇地草业和畜牧业生产以及草原保护的 “三赢”局面 范式实施的相关战略举措 政府强力推动，强化服务链 充分发挥政府及其职能部门在草业发展中的推动和宏观调控作用 大力发展草食家畜，拉长消费链 加强精深加工，连结销售链 实施集约化经营，完善产业链 走“公司+协会+农户+基地”的形式 （2）以草业为龙头，优化整合农业产业链 范式实施的相关战略举措（3）农牧耦合，突出资源优势，全面推进有机农业生产 （4）生态建设产业化，产业发展生态化