山地平原过渡区土地生态安全预警
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摘要
随着人类活动特别是土地资源利用规模和强度不断加大，土地生态环境的破坏日益严重，这已成为我国土地资源可持续利用的主要瓶颈。源于生态安全研究的土地生态安全预警研究以土地生态系统环境安全为主体，作为对土地生态系统平衡状态的基本评判，日趋成为解决区域土地资源可持续利用问题的重要突破口。具有自然地域界面的山地原过渡带（区）属于我国生态环境十分脆弱的一种地质交界带，在发挥生态屏障功能的同时表现出自然环境的脆弱性特征，是近年来土地生态安全预警研究领域一类颇具代表性和实际意义的研究对象。
岷山成都平原是中国陆地最为典型的山地平原生态环境脆弱带，四川省都江堰市所处的横断山干旱河谷区正是岷山成都平原生态脆弱带内最典型的生态脆弱区。因此，本文选择四川省都江堰市为实例，以土地生态安全预警为研究对象，将研究对象的时空分布特征与演化模拟作为贯穿全文研究的主线。首先，基于人地关系理论、土地可持续发展理论、土地利用规划理论、生态地质环境承载力和土地生态安全理论等相关理论和方法，构建山地平原过渡区土地生态安全预警体系，并在RS与GIS技术支持下，提取各预警指标的动态信息；然后结合地理统计分析、时空变换与情景模拟，透过长时间序列土地生态安全警度评价，全面揭示山地平原过渡区地震前后土地生态安全警度时空演化规律；接着搭建零方案情景、生态环境保护型方案情景、经济发展型方案情景等多种情景模式，模拟预测了未来区域土地生态安全警情的变化趋势，针对性提出了以土地规划方案优化为主导的山地平原过渡区土地生态安全排警调控的基本模式和优化途径；最后以GIS为主要信息载体与数据库发生交互，结合Matlab混合编程，基于COM组件技术实现山地平原过渡区土地生态安全预警系统（GLSW）的开发。主要取得以下研究成果与认识：
（1）揭示了地震前后近20年研究区土地生态安全警度时空演化规律。面积变化方面：从研究区整体来看，处于巨警状态土地面积增加幅度最大，处于轻警状态土地面积增加次之；震前各土地生态安全警度类型的年变化率由大到小依次为轻警、中警、无警、巨警、重警；震后各土地生态安全警度类型的年变化率由大到小依次为轻警、无警、巨警、中警、重警。空间格局方面：山地平原过渡区土地生态安全警度为巨警与重警的区域主要集中在断裂构造发育、地质灾害点密集、地形起伏较大的中低山及中高山区域，土地生态安全警度为无警与轻警的区域集中在平原地区；平原地区无警、轻警以及中警类型的相对变化率大于其他三个地区，主要受社会经济快速发展、城乡建设规模不断扩展的影响，丘陵与中低山地区重警与巨警类型的土地相对变化率大于平原与高山区，主要受地震及次生地质灾害频发的影响。
（2）实现了不同发展情景模式下的土地生态安全预警模拟。结果表明：零方案情景下都江堰市土地生态安全警度变化总体上将有一定程度加重，需采取适当的规划措施加以调整；生态环境保护型方案情景下虽然都江堰市土地生态安全警度总体上有逐渐减轻的趋势，特别是山地丘陵区生态环境得到一定程度的改善，但耕地面积的较大幅度减少，区域农业生产生活受到了较大的负面影响，且社会经济的发展速度较缓慢，一味的追求生态环境保护是不可行的；经济发展型方案情景下都江堰市土地生态安全综合指数总体上将有一定幅度的增大，虽然社会经济得到全面的发展，但原本生态脆弱的山地及丘陵地区，土地生态环境未得到改善反而还加剧了对其的破坏，单纯的追求经济发展也是不可行的。
（3）将零方案情景、生态环境保护型方案情景与经济发展型方案情景等三种情景模式下的土地规划方案相结合，参照生态环境保护型情景中山地丘陵地区的土地规划方案，提出山地丘陵地区土地生态安全排警调控方案；参照经济发展型情景中针对平原地区的土地规划方案,提出平原地区土地生态安全排警调控方案，从而建立山地平原过渡区土地生态安全排警调控的基本模式和优化途径。
（4）结合地理信息系统（GIS）的空间计算资源及Matlab的矩阵计算优势，研发了整合警情动态监测、警度综合评估、预警情景模拟和排警调控等多功能的山地平原过渡区土地生态安全预警系统（GLSW），为山地平原过渡地貌带上土地生态环境的保护、治理、恢复奠定工作基础及技术支持。
本文的研究成果不仅为土地生态安全格局演替及预警调控提供新的判据，而且为山地平原过渡区上的土地规划及生态保护、修复奠定了宏观及大时间尺度的方法与技术基础，进而为我国生态脆弱区域土地可持续利用提供了新的解决方案，在地震灾区恢复重建以及改进我国县级土地利用和土地管理决策方面，都具有十分重要的实践意义。
With the frequent human activity, especially for the land use in increasing sizeand strength, a series of land ecological environmental damage has increased,becoming the main bottlenecks of sustainable utilization of land resources in China.Stemmed from the "ecological safety", research study on ecological security of landincreasingly has been a breakthrough in the regional problems of sustainableutilization of land resources. Mountain-Plains transition zones with a naturalgeographical interface are a geological border zone, which is a fragile ecologicalenvironment in China. When these zones exert the function of ecological barrier, atthe same time, these zones demonstrate the vulnerability of the natural environmentcharacteristics, which is a representative and practical significance of the objects ofthe area of land ecological security research in recent years.
Minshan-Chengdu Plain is located in the typical Mountain-Plain ecologicalfragile zone in China, and the arid Valley of the Hengduan Mountains in Dujiangyanis exactly the typical ecologically fragile areas in Minshan-Chengdu Plain. So thisthesis selects the study case of Dujiangyan, Sichuan province, and put the earlywarning of land ecological safety as the research object, at the same time, it puts thestructural layout characteristics and evolutional trend simulation of the research objectas the main line running through the whole thesis. Based on man-land relationshiptheories, theories for land sustainable development, theories of land-use planning,eco-geological environment carrying capacity and land ecological security theory, andrelated theories and methods, it sets land ecological safety early warning system.Under the support of RS and GIS technology, it extracts early warning index dynamicinformation, and combines with the geographical statistical analysis, spatial-temporaltransform, and scenario simulation. In the meantime, through long time sequenced theevaluation of land ecological security warning, the thesis completely reveals landecological security spatial and temporal evolution law of warning before and after theearthquake in the Mountain Plain transition zone. It build zero scenarios,eco-environmental protection scenarios, economic development scenarios, and otherprofiles, with simulation and prediction the future development trend of regional land ecological security warning information. In addition, orienting the land planningoptimization, it puts forward basic model and optimization approaches of eliminatingwarnings regulation in Mountain-Plain of transition zone. At last, taking GIS as theprimary carrier of information and interaction with the database, it mixes Matlabprogramming, integration of fuzzy c-means clustering, Markov-cellular automata(Markov-CA), and probabilistic neural network model and algorithms. Based onCOM component technology, it achieves the development of " land ecological safetywarning system of Mountain-Plains transition zones (GLSW)", so as to establishmacro and large scales criteria and technical support for the land planning andecological protection, repair of Mountain-Plains transition landforms.
Through the study of this thesis, it reveals land ecological security spatial andtemporal evolution law of warning of the research area for20years before and afterthe earthquake:
When the research area is as a whole, from the aspect of size change, the hugewarning state land area has increased the most, and the light of warning state land areahas increased second. The annual rates of change of land ecological security warningtype before the earthquake from big to small are followed by light warning, nowarning, huge warning, middle warning, and heavy warning.
From the aspect of spatial patterns, in the Mountain-Plains transition zones, thearea of huge warning and heavy warning of land ecological security, focus onbreakage structure of dense development, geological disaster and topographic relief inLow Mountain and High Mountain area. The area of light warning and no warninglarger of land ecological security concentrate on the Plains areas. In the Plain area, therelative rate of changes of no warning, light warning and middle warning are clearerthan other types, which are mainly affected by rapid social and economicdevelopment, scale expanding of urban-rural construction. The relative rate ofchanges of heavy warning and huge warning in the Hills and Low Mountains area isgreater than in the Plain area and High Mountain area, which primarily affected fromthe impact of earthquakes and frequent secondary geological hazards.
Implementation land ecological safety simulation of early warning of differentdevelopment scenarios, the result shows that under zero scenarios, generally speaking,of Dujiangyan land ecological safety aggravated to some extent, and it needed to beadjusted with suitable plan methods; under eco-environmental protection scenarios,although there were decrease trends on the changes of warning of Dujiangyan landecological safety, especially the environment of hilly area had some improvement, thegreat decrease of cultivated land area had bad influence on production and life ofthose area, and the slow development of economy, it is impossible to pursueecological protection; under economic development scenarios, there were someincrease, although economy had all-round development, ecology haven’t hadimprovement in hilly area, so only pursuing economic development is also impossible.
Combining with that three land planning of zero scenarios, eco-environmentalprotection scenarios, economic development scenarios, reference to land planning inMountainous and Hilly areas of the ecological environmental protection scenarios, thethesis puts forward land ecological security eliminating warning regulation ofMountainous and Hilly areas. At the same time, reference to land planning in Plainarea of the economic development scenarios, it also puts forward land ecologicalsecurity eliminating warning regulation of Plain areas. Therefore, it establishes basicmode and optimization approaches of land ecological security eliminating warningregulation in Mountain-Plains transition zones.
Through study, it provided new criterion for succession of land ecologicalsecurity and warning control, enriched research theory and methods system, but alsoprovided new solving plan for the sustainable land use of Mountain-Plains transitionzones. It also had important practical significance on post-earthquake recovery andreconstruction and in the aspect of improving county land use and land managementdecision-making.
岷山成都平原是中国陆地最为典型的山地平原生态环境脆弱带，四川省都江堰市所处的横断山干旱河谷区正是岷山成都平原生态脆弱带内最典型的生态脆弱区。因此，本文选择四川省都江堰市为实例，以土地生态安全预警为研究对象，将研究对象的时空分布特征与演化模拟作为贯穿全文研究的主线。首先，基于人地关系理论、土地可持续发展理论、土地利用规划理论、生态地质环境承载力和土地生态安全理论等相关理论和方法，构建山地平原过渡区土地生态安全预警体系，并在RS与GIS技术支持下，提取各预警指标的动态信息；然后结合地理统计分析、时空变换与情景模拟，透过长时间序列土地生态安全警度评价，全面揭示山地平原过渡区地震前后土地生态安全警度时空演化规律；接着搭建零方案情景、生态环境保护型方案情景、经济发展型方案情景等多种情景模式，模拟预测了未来区域土地生态安全警情的变化趋势，针对性提出了以土地规划方案优化为主导的山地平原过渡区土地生态安全排警调控的基本模式和优化途径；最后以GIS为主要信息载体与数据库发生交互，结合Matlab混合编程，基于COM组件技术实现山地平原过渡区土地生态安全预警系统（GLSW）的开发。主要取得以下研究成果与认识：
（1）揭示了地震前后近20年研究区土地生态安全警度时空演化规律。面积变化方面：从研究区整体来看，处于巨警状态土地面积增加幅度最大，处于轻警状态土地面积增加次之；震前各土地生态安全警度类型的年变化率由大到小依次为轻警、中警、无警、巨警、重警；震后各土地生态安全警度类型的年变化率由大到小依次为轻警、无警、巨警、中警、重警。空间格局方面：山地平原过渡区土地生态安全警度为巨警与重警的区域主要集中在断裂构造发育、地质灾害点密集、地形起伏较大的中低山及中高山区域，土地生态安全警度为无警与轻警的区域集中在平原地区；平原地区无警、轻警以及中警类型的相对变化率大于其他三个地区，主要受社会经济快速发展、城乡建设规模不断扩展的影响，丘陵与中低山地区重警与巨警类型的土地相对变化率大于平原与高山区，主要受地震及次生地质灾害频发的影响。
（2）实现了不同发展情景模式下的土地生态安全预警模拟。结果表明：零方案情景下都江堰市土地生态安全警度变化总体上将有一定程度加重，需采取适当的规划措施加以调整；生态环境保护型方案情景下虽然都江堰市土地生态安全警度总体上有逐渐减轻的趋势，特别是山地丘陵区生态环境得到一定程度的改善，但耕地面积的较大幅度减少，区域农业生产生活受到了较大的负面影响，且社会经济的发展速度较缓慢，一味的追求生态环境保护是不可行的；经济发展型方案情景下都江堰市土地生态安全综合指数总体上将有一定幅度的增大，虽然社会经济得到全面的发展，但原本生态脆弱的山地及丘陵地区，土地生态环境未得到改善反而还加剧了对其的破坏，单纯的追求经济发展也是不可行的。
（3）将零方案情景、生态环境保护型方案情景与经济发展型方案情景等三种情景模式下的土地规划方案相结合，参照生态环境保护型情景中山地丘陵地区的土地规划方案，提出山地丘陵地区土地生态安全排警调控方案；参照经济发展型情景中针对平原地区的土地规划方案,提出平原地区土地生态安全排警调控方案，从而建立山地平原过渡区土地生态安全排警调控的基本模式和优化途径。
（4）结合地理信息系统（GIS）的空间计算资源及Matlab的矩阵计算优势，研发了整合警情动态监测、警度综合评估、预警情景模拟和排警调控等多功能的山地平原过渡区土地生态安全预警系统（GLSW），为山地平原过渡地貌带上土地生态环境的保护、治理、恢复奠定工作基础及技术支持。
本文的研究成果不仅为土地生态安全格局演替及预警调控提供新的判据，而且为山地平原过渡区上的土地规划及生态保护、修复奠定了宏观及大时间尺度的方法与技术基础，进而为我国生态脆弱区域土地可持续利用提供了新的解决方案，在地震灾区恢复重建以及改进我国县级土地利用和土地管理决策方面，都具有十分重要的实践意义。
With the frequent human activity, especially for the land use in increasing sizeand strength, a series of land ecological environmental damage has increased,becoming the main bottlenecks of sustainable utilization of land resources in China.Stemmed from the "ecological safety", research study on ecological security of landincreasingly has been a breakthrough in the regional problems of sustainableutilization of land resources. Mountain-Plains transition zones with a naturalgeographical interface are a geological border zone, which is a fragile ecologicalenvironment in China. When these zones exert the function of ecological barrier, atthe same time, these zones demonstrate the vulnerability of the natural environmentcharacteristics, which is a representative and practical significance of the objects ofthe area of land ecological security research in recent years.
Minshan-Chengdu Plain is located in the typical Mountain-Plain ecologicalfragile zone in China, and the arid Valley of the Hengduan Mountains in Dujiangyanis exactly the typical ecologically fragile areas in Minshan-Chengdu Plain. So thisthesis selects the study case of Dujiangyan, Sichuan province, and put the earlywarning of land ecological safety as the research object, at the same time, it puts thestructural layout characteristics and evolutional trend simulation of the research objectas the main line running through the whole thesis. Based on man-land relationshiptheories, theories for land sustainable development, theories of land-use planning,eco-geological environment carrying capacity and land ecological security theory, andrelated theories and methods, it sets land ecological safety early warning system.Under the support of RS and GIS technology, it extracts early warning index dynamicinformation, and combines with the geographical statistical analysis, spatial-temporaltransform, and scenario simulation. In the meantime, through long time sequenced theevaluation of land ecological security warning, the thesis completely reveals landecological security spatial and temporal evolution law of warning before and after theearthquake in the Mountain Plain transition zone. It build zero scenarios,eco-environmental protection scenarios, economic development scenarios, and otherprofiles, with simulation and prediction the future development trend of regional land ecological security warning information. In addition, orienting the land planningoptimization, it puts forward basic model and optimization approaches of eliminatingwarnings regulation in Mountain-Plain of transition zone. At last, taking GIS as theprimary carrier of information and interaction with the database, it mixes Matlabprogramming, integration of fuzzy c-means clustering, Markov-cellular automata(Markov-CA), and probabilistic neural network model and algorithms. Based onCOM component technology, it achieves the development of " land ecological safetywarning system of Mountain-Plains transition zones (GLSW)", so as to establishmacro and large scales criteria and technical support for the land planning andecological protection, repair of Mountain-Plains transition landforms.
Through the study of this thesis, it reveals land ecological security spatial andtemporal evolution law of warning of the research area for20years before and afterthe earthquake:
When the research area is as a whole, from the aspect of size change, the hugewarning state land area has increased the most, and the light of warning state land areahas increased second. The annual rates of change of land ecological security warningtype before the earthquake from big to small are followed by light warning, nowarning, huge warning, middle warning, and heavy warning.
From the aspect of spatial patterns, in the Mountain-Plains transition zones, thearea of huge warning and heavy warning of land ecological security, focus onbreakage structure of dense development, geological disaster and topographic relief inLow Mountain and High Mountain area. The area of light warning and no warninglarger of land ecological security concentrate on the Plains areas. In the Plain area, therelative rate of changes of no warning, light warning and middle warning are clearerthan other types, which are mainly affected by rapid social and economicdevelopment, scale expanding of urban-rural construction. The relative rate ofchanges of heavy warning and huge warning in the Hills and Low Mountains area isgreater than in the Plain area and High Mountain area, which primarily affected fromthe impact of earthquakes and frequent secondary geological hazards.
Implementation land ecological safety simulation of early warning of differentdevelopment scenarios, the result shows that under zero scenarios, generally speaking,of Dujiangyan land ecological safety aggravated to some extent, and it needed to beadjusted with suitable plan methods; under eco-environmental protection scenarios,although there were decrease trends on the changes of warning of Dujiangyan landecological safety, especially the environment of hilly area had some improvement, thegreat decrease of cultivated land area had bad influence on production and life ofthose area, and the slow development of economy, it is impossible to pursueecological protection; under economic development scenarios, there were someincrease, although economy had all-round development, ecology haven’t hadimprovement in hilly area, so only pursuing economic development is also impossible.
Combining with that three land planning of zero scenarios, eco-environmentalprotection scenarios, economic development scenarios, reference to land planning inMountainous and Hilly areas of the ecological environmental protection scenarios, thethesis puts forward land ecological security eliminating warning regulation ofMountainous and Hilly areas. At the same time, reference to land planning in Plainarea of the economic development scenarios, it also puts forward land ecologicalsecurity eliminating warning regulation of Plain areas. Therefore, it establishes basicmode and optimization approaches of land ecological security eliminating warningregulation in Mountain-Plains transition zones.
Through study, it provided new criterion for succession of land ecologicalsecurity and warning control, enriched research theory and methods system, but alsoprovided new solving plan for the sustainable land use of Mountain-Plains transitionzones. It also had important practical significance on post-earthquake recovery andreconstruction and in the aspect of improving county land use and land managementdecision-making.
引文
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