基于灰色模型的土地生态安全预警研究乐山市土地生态安全预警研究

基于灰色模型的土地生态安全预警研究乐山市土地生态安全预警研究

安全是人类永恒的主题。土地生态安全是对土地资源的合理利用和管理，使土地生态系统在生产、生活和健康方面不受或少受环境破坏和污染的影响，实现经济利益最大化、最具生态效益和社会稳定的目标。1国家生态安全和基本目标1.1建立土地生态安全预警系统土地生态安全预警系统是随着土地利用问题、生态安全的产生和信息技术的发展而出现的.土地生态安全预警是指在土地利用过程中,依据土地生态安全的各项指标,通过有关的信息采集、分析、预测与评价,确定土地利用活动变化及其对外界影响的趋势、速度以及达到某一变化阀值的时间等,并按需要适时地提出恶化或危害变化的各种警戒信息及相应的调控措施.近年来,建立土地生态安全预警系统,防止其利用向无序化发展,已逐渐成为土地利用与管理领域的研究热点.1.2分析警情、预警土地生态安全预警的研究内容主要分为五部分,即明确警义、寻找警源、分析警情、预报警度和排除警患.明确警义是前提,是预警研究的基础,明确预警研究对象的主要内容要素;寻找警源是对警情产生原因的分析,是排除警患的基础;分析警情是研究区警情的多方位具体分析,是预报警度的基础;预报警度是在维持现状的情况下,对未来土地生态安全的状态预测,而排除警患是预警的最终目标.2乐清生态环境现状2.1气候状况条件乐山市位于四川省中南部、四川盆地西南部、成都平原至川西南山地过渡带.北连眉山市,东邻自贡市,南接宜宾市和凉山彝族自治州,西接雅安市.介于东经102°55′～104°00′、北纬28°29′～29°55′之间,幅员面积12827平方公里.该地区气候气候温和,雨量丰沛,水热同季,无霜期长.年平均霜日只有5～10d,年平均气温在16.5～18℃之间.大于等于0℃积温6100～6500℃;大于等于10℃积温5269～5662℃;大于等于15℃积温4459～4787℃;大于等于20℃积温2939～3376℃.市境地域内,湿度大,云雾多,日照处于全国低值区,一般为1000～1200h,日照百分率只有25%左右,年总辐射量80～90Kcal/cm2.2.2音乐水土流失概况根据研究区的遥感调查资料,乐山市水土流失面积约6.2×105hm2,占全市幅员面积的48.47%.全市土壤侵蚀强度以轻度、中度、强度为主,平均侵蚀总量为2.26×107t,平均侵蚀模数0.36t/hm2·a,按SLl90-96标准乐山市属水土流失中度侵蚀区.乐山市水土流失的空间分布特征:剧烈侵蚀强度面积7507hm2,主要分布于沐川县东南部和峨边区西南部山区;极强度侵蚀面积18585hm2,主要分布于峨边区西北部和犍为县东北部山区;强度侵蚀面积109254hm2,主要分布于沐川—金口、五通—井研丘陵区;中度侵蚀面积306657hm2,主要分布于马边—峨边,沙湾—夹江丘陵区;轻度侵蚀面积178710hm2,市中区东部,沙湾区北部,峨边区北部等地均有分布.2.3耕地占用严重2005全市耕地面积228463.51hm2.占土地总面积17.81%.近十年来,由于生态退耕、农业结构调整、建设占用耕地、自然灾毁等,使耕地减少了41769.29hm2,耕地占用严重,人多耕地少的矛盾日愈突出.2.4污染2.4.1城市酸雨行为普遍2005年,在进行监测的6个城市中,除夹江县属较强酸性,市中区为弱酸性外,其余区县皆为中性.但也不容忽视,犍为县和峨眉山市已非常接近弱酸性标准,且6个监测城市中仅五通桥区未出现酸雨,其余城市均有酸雨产生,酸雨覆盖的城市达83.3%,酸雨频率范围0.0-72.6%(资料来源:乐山市2005年环境评价报告).2.4.2废水对环境的影响近年来乐山市的乡镇企业迅速发展,工业用水缺乏环境保护机制.2005年全市废水排放量为9.67×107t,COD排放量为1.17×105t,氨氮排放量为1.42×104t.除此之外,近年来农田化肥的大量施用、农村畜禽养殖的迅速发展,在丘陵、低山农区蓄积了大量的养分物质,居高不下的侵蚀泥沙不断将大量富营养物质带入江河、塘库,同时水库、池塘肥水养鱼加剧了人工水域的营养负荷,导致池塘、水库、河道富营养化问题日益突出.在点源污染和非点源性污污染(包括农村生活源、农田径流、城市径流、矿山径流)的共同作用下,各种废水对环境的损坏日益增大,水质污染不断加重(资料来源:乐山市2005年环境评价报告).2.5常见森林树种分布乐山市内自然植物种类繁多,植被类型较齐全.据统计,地域内共有植物约3540余种.其中,野生维管束植物2250种,常见森林树种约43科、143种、牧草159种.植物种属组成以亚热带和温带种属为主,南部地势较低地带有少量热带植物生存,在高山区有寒温带植物分布.市境内纬度地带性植被是常绿阔叶林,但水热条件不同,地貌条件差异,植被地理分布既有水平地带性变化,又有垂直地带性变化.现有森林面积44.32万公顷,森林覆盖率29.52%.3乐田市生态安全警报3.1明确警告明确警义要明确警素和警度两个方面.在以乐山市为例进行土地生态环境安全预警时,要通过明确警义这一步骤确定预警评价的指标和警戒线.3.1.1土地生态安全预警指标及标准土地生态环境安全预警指标包括警情指标、警源指标和警兆指标,三者密切相关.本文在综合参考了赵凤琴、毛子龙等在吉林西部土地生态安全预警研究中的指标体系基础上,以警情指标为对象,以警源指标为依据,以警兆指标为主体,根据准确灵敏、可靠充分、互相匹配、宏观稳定的原则,据乐山市的生态环境现状,采用如下预警指标、权重及分级标准.3.1.2确定指标权重评价指标确定后,直接用它们进行评价是困难的,因为各指标之间的量纲不统一,导致指标间没有可比性,因此必须对参评因子进行标准化处理.标准化以后,层次分析法确定权重用,将这各项指标赋权重并分级,从而得出预警的警戒线.(1)xminxmin赋值级差标准化参评因子的标准化公式:赋值=Xi−XminXmax−Xmin赋值=Xi-XminXmax-Xmin式中:Xi为实测值;Xmax为实测最大值;Xmin为实测最小值.(2)综合评价标准将每一级别的指标标准化值与相对应的指标权重相乘并求和,即可得到该级别的综合评价标准.即G=∑i=1npi×wiG=∑i=1npi×wi式中:G为综合评价标准值;Pi为指标标准化值;Wi为指标权重;i=1,2,…,10.3.2同时并存阶段从灾害学的角度和土地生态环境出现不安全状态的动力学机制来考虑,有三个过程同时并存,即内应力过程、外应力过程和人文作用过程.内应力过程即土壤自身条件及建设占用、自然灾毁耕地;外应力过程为气候因素和灾变因素;人文作用过程即人口压力下不合理的土地利用过程,间接引发土地生态环境安全问题.3.2.1土壤侵蚀敏感性分析据乐山市土地利用总体规划修编课题组调查资料显示,乐山市境内的岷江、大渡河、青衣江流域及西南山地区水水土流失十分严重.按照《生态环境功能区划暂行规程》敏感性等级标准对乐山市土壤侵蚀敏感性进行评价,得出如下结果.建设占用耕地、自然灾毁造成耕地减少是另一个重要内应力警源.资料调查显示,1997-2005年,非农建设占用耕地3243.58hm2,占耕地减少量4.7%;灾毁耕地283.89hm2,占耕地减少量0.5%.3.2.2音乐灾害的因素与全球气候变暖趋势相一致,气候偏暖时期的降水变化比较复杂,可能引起降水量及地域分布的变动,这将影响水分的收支,导致旱灾或洪灾的频繁发生.乐山市有较大幅度的变温和较频繁的自然灾害现象.据张明珠等岷江中上游及青衣江流域近50年来降水变化特征分析,乐山市在1958年之前为枯水期,1959—1965年进入丰水期,1967年开始进入枯水期,且1991—2001年降水减少趋势显著,导致乐山市成灾指数上升,旱灾频繁发生.3.2.3土地生态环境面临的环境人文因素警源包括了两个方面,一是人口密度加大,给土地生态环境直接带来巨大压力;二是人类对土地资源的不合理利用,从而导致的水土流失、土地退化等生态环境问题.1人口击穿人文因素警素警源中,人口迅速增长是土地生态环境发生风险的最基本原因.土地承载力不只是表示所能持续供养的人口数量,更重要的意义在于它揭示了区域人地关系协调状况和经济、生态的未来前景,人口超载是生态脆弱性的直接动力.按照世界粮农组织的一般标准,人均耕地面积小于0.08hm2者,即为土地资源出现压力的临界值.2005年乐山市人均耕地面积为0.064hm2,人口生存空间压力指数为1.2,对该区的资源与环境造成了较大压力,制约社会经济的可持续发展.2非国外用地面积、来源面积、多种因素分析20世纪中期以来,由于人口迅速增长,农业技术落后和过量地开发利用水、土、生物资源,使乐山市土地生态环境受到极大破坏.乐山市不合理的土地利用主要表现为:非农用地存在利用率低、浪费土地的现象,部分县城人均用地面积超过80m2,建制镇人均用地面积在100m2以上,农村居民点人均用地在150～200m2之间,超过规定标准;土地缺乏有效保护,水土流失严重,虽经多年治理,2005年水土流失面积仍然达620713hm2,占全市幅员面积的48.47%,水土流失造成土地生态系统抗逆能力减弱.以上对内应力警源、外应力警源和人文因素警源三方面进行了警源分析,这三方面导致了乐山市土地生态环境安全隐患的原因.3.3土地生态环境安全现状评价警兆是警情发生前的预兆,本文采用灰色预测中的GM(1,1)模型进行各指标的预测,将乐山市的10个区县作为评价单元,采用表3中的指标体系,通过乐山市土地生态环境安全现状评价分析警兆.在评价过程中将警戒线相应转化为评价标准,应用工神经网络模型,通过DPS软件计算,进行土地生态环境安全现状分析.3.4求关联度及模型拟合灰色关联分析是采用关联度来量化地研究系统内各因素的相互联系、相互影响与相互作用.本文在通过土地生态环境安全标准的确定及归一化处理后,采用如下步骤进行警度排序.第一步求差序列Δji(k)=|yj(k)−xi(k)|Δji(k)=|yj(k)-xi(k)|式中:xi(K)表示i级标准中第k项评价因子的取值,yi(K)表示第j个样本中第k项评价的实测值.第二步求两极最大差和两极最小差Δmax=maximaxk|yj(k)−xi(k)|Δmin=minimink|yj(k)−xi(k)|Δmax=maximaxk|yj(k)-xi(k)|Δmin=minimink|yj(k)-xi(k)|第三步求关联系数ξji=Δmin+0.5ΔmaxΔji(k)+0.5Δmaxξji=Δmin+0.5ΔmaxΔji(k)+0.5Δmax第四步求关联度rji=1n∑k=1nξji(k)rji=1n∑k=1nξji(k)按照该方法,求出第一个样本的序列各各级标准序列的关联度后,就在m个关联度中找到最大者,即可确定第一个样本所属的质量等级.重复同样的步骤,可求得其他单元样本所属的质量等级和各样本的质量优劣排序.本文分别以1997、2001、2005三个时段对乐山市生态安全警度进行预报计算,得出如下结果.警度预报结果表明,1997-2005年整个乐山市总体警度属Ⅱ轻警级别,但其下属区县中人口密度大,水土流失严重,生境较敏感的市中区、五通桥区和沙湾区为Ⅳ重警;警情指标较轻的犍为县、井研县和夹江县为Ⅲ中警;而警情指标轻的金口河区、沐川县、峨边区和马边区为Ⅱ轻警.4提高土地生态环境安全性的建议乐山市土地生态环境安全预警的研究结果表明,该市土地生态环境安全已经受到严重威胁,这不仅仅是土地生态环境的问题,而是能够影响到整个生态系统的严重问题,应该引起各级政府及当地人民的高度重视.4.1生态保护规划本文将预警的结果和土地生态环境风险的预防相结合,依据生态系统的类型与环境敏感问题的差异性及其主导生态服务功能的重要性特点;将乐山市生态服务功能区划分为2个二级区,7个三级区,提出明确的土地生态功能分区综合治理目标.I成都平原农业生态区I1乐东北盆地平原丘陵农业生态亚区I1-1峨乐双遗产保护区:Ⅳ重警,加强世界自然文化遗产保护、城市化建设监督,水源地保护、生物多样性保护,水源涵养、水土流失预防与监督,面源污染、矿山污染控制.I1-2夹江水源地保护区:Ⅲ中警,农田生态系统、水源保护.I1-3沙五工矿生态功能区:Ⅳ重警,建设生态工矿区,保证工矿业的可持续发展,进行污染生态重建.I1-4井犍农业生态功能区:Ⅲ中警,发展生态农业,控制水土流失.I2乐西南山地土壤侵蚀敏感生态亚区I2-1金口河工业区:Ⅱ轻警,发展可持续工业,水土保持,植被保护.I2-2沐川水土保持区:Ⅱ轻警,水土保持,水源涵养、污染物排放控制.I2-3峨边马边生境敏感区:Ⅱ轻警,水土保持,生物多样性