滨海盐碱土区土地生态化整治与土地利用格局优化研究

摘要

土地是人类赖以生存发展的基本要素，生态环境是社会发展的基本条件，景观面貌是经济水平提高与国家发展的判断标准。按照国家生态文明的新要求，如何在解决人地矛盾的同时，提升区域景观效果与生态系统服务价值，已成为亟需解决的关键问题。但目前学术界对土地、景观、生态系统的统筹研究尚处于起步阶段，如何在土地整治与土地利用格局优化领域融入景观与生态要素，如何准确评价土地整治和格局优化效果，还未形成一致的研究思路和方法体系。鉴于此，本文在构建土地景观生态系统概念模型的基础上，提出了土地整治与土地利用格局优化的研究思路与方法，实现了土地数量质量、景观视觉效果和生态系统服务价值的统一，旨在为黄骅市推进生态文明建设、实现文明转型提供决策依据和技术支撑。主要方法及结论如下:
　　1、厘清了土地、景观、生态的内涵并构建了概念模型。从科学发展观视角审视土地景观生态系统，将其分为土地、景观、生态系统三个层面，依照系统论基本原理，阐明了三者关系，构建了解译要素之间关系的概念模型。概念模型提出土地是景观和生态系统的基底，景观和生态系统存在交集，太阳辐射、地球内能、时间和人类活动是土地景观生态系统的演变外部动力，该系统在气候物理过程与生物地球化学循环过程中不断发展演化。
　　2、辨析了轻、中、重度盐碱化土壤与土地利用类型的逻辑关系及动态演化过程。从土地利用/覆被变化(LUCC)角度，以RS和GIS为技术平台，利用专家知识的决策树方法和监督分类法，解译了黄骅市1990、2000、2011年不同时期遥感影像数据，分别得到了黄骅市土壤盐碱化分布图和土地利用类型图，评述了土壤盐碱化和土地利用格局动态演化特征，辨析了轻、中、重度盐碱化土壤与地类之间的逻辑关系。黄骅市1990-2011年中度、重度盐碱化土壤面积减少，轻度盐碱化土壤面积增加;耕地、盐碱地和湿地面积明显减少，建设用地、盐田、其他土地、园地、草地和水域面积持续增加。重度盐碱化土壤主要集中于盐碱地，中度盐碱化土壤主要分布在耕地、园地和草地，轻度盐碱化土壤主要集中于耕地。
　　3、辨析了景观格局及其梯度动态演化过程。依据景观格局指数特点，遴选了10项格局指数，选取恰当研究尺度，选用景观格局指数分析和移动窗口分析法，分析了黄骅市景观格局及其梯度变化。21年来，从类型水平看，耕地形状趋向规则，草地形状变异较大，建设用地破碎度增加，湿地形状趋向不规则，盐碱地和盐田破碎度增加，水域变化较小;从景观水平看，黄骅市景观整体破碎化程度增加，异质性增高;从景观梯度水平样带看，距离中心城区越远，土地景观类型趋向复杂多样，但距海岸线30km范围内，景观多样性降低，聚合度上升;垂直样带上，由南到北，景观多样性上升，聚合度下降。
　　4、核算了盐碱土区生态系统服务价值，填补了盐碱土等地类这一领域的空白。针对滨海盐碱土区特点，测量了黄骅市303个样点，搜集了3市20县气象数据，获得了准确的盐碱土等地类相关参数，依据光能利用率原理，选择植被净初级生产力等方法核算生态系统服务价值，提出了准确的核算参数及核算结果，填补了盐碱土等地类生态系统服务价值核算的空白。2011年，黄骅市单位面积生态系统服务价值大小依次为:湿地＞水域＞园地＞耕地＞草地＞其他土地＞盐田＞盐碱地＞建设用地;1990至2011年生态系统服务总价值持续减少，21年间共减少了12.32亿元。
　　5、提出了基于景观生态效应的土地整治工程设计方法。利用累积阻力模型，以生态系统服务价值为阻力，构建了生态网络工程，确定了黄骅市生态安全格局;在生态安全格局的基础上选取两个项目区，针对土地平整工程、农田水利工程、道路工程和农田防护工程，分别从传统角度和景观生态学角度提出了土地生态整治设计方法。经验证，整治后两个项目区土地利用结构更加合理，景观格局得到优化，生态系统服务价值得到提高。
　　6、提出了基于生态系统服务价值和生态安全格局的土地利用格局模拟与优化方法。创建了生态系统服务价值、生态安全格局和土地利用格局的结合点，结合CA-Markov模型，提出了以生态源地和中高等基本农田为限制因素，以生态安全格局等为影响因素的不同情景土地利用格局模拟方法及优化格局。经验证，生态安全格局保护情景下，生态系统服务价值高的地类得到保护，景观破碎化程度降低，异质性升高，生态系统服务价值上升到95.70亿元，区域生态环境得到了有效保护，尤其是生态核心保护区得到了完全保护，新增建设用地为0。
　　综上，本文以土地景观生态系统概念模型为理论指导，创建了辨析土地利用类型及盐碱化土壤动态演化、厘清景观格局及其梯度动态演化、核算滨海盐碱土区生态系统服务价值、土地生态化整治工程设计及土地利用格局模拟与优化的方法体系。经验证，该理论依据和方法体系具有科学性和实用性，能为推进生态文明建设提供决策依据和技术支撑。

目录

声明

摘要

1 引言

1．1 研究背景与意义

1．2 国内外研究动态及评价

1．2．1 盐碱地信息提取研究进展

1．2．2 景观格局研究进展

1．2．3 生态系统服务价值研究进展

1．2．4 土地整治研究进展

1．2．5 土地利用格局模拟研究进展

1．2．6 研究进展评述

1．3 研究目标、内容及技术路线

1．3．1 研究目标

1．3．2 研究内容

1．3．3 技术路线

2 土地、景观、生态系统的内涵及概念模型

2．1 概念界定及内涵解释

2．1．1 土地、土地整治概念及内涵

2．1．2 景观、景观格局概念及内涵

2．1．3 生态、生态系统概念及内涵

2．2 土地景观生态系统的概念模型

2．2．1 土地、景观、生态系统的关系

2．2．2 土地景观生态系统的概念模型

2．3 本章小结

3 土地生态化整治与土地利用格局优化研究的方法体系

3．1 研究方法

3．1．1 盐碱地信息解译方法

3．1．2 土地利用类型划分与解译方法

3．1．3 景观格局分析方法

3．1．4 生态系统服务价值核算方法

3．1．5 土地生态化整治工程设计方法

3．1．6 土地利用格局模拟与优化方法

3．2 数据来源

3．2．1 遥感影像数据来源与处理

3．2．2 气象数据来源与处理

3．2．3 外业调研数据来源与处理

3．3 本章小结

4 黄骅市土地生态化整治与土地利用格局优化研究

4．1 黄骅市概况

4．1．1 地理位置

4．1．2 行政区划

4．1．3 地形地貌

4．1．4 气候特征

4．1．5 水文情况

4．1．6 土壤状况

4．1．7 社会经济

4．2 黄骅市盐碱化土壤动态演化

4．2．1 土壤盐碱化信息提取

4．2．2 土壤盐碱化面积变化分析

4．2．3 土壤盐碱化速度变化分析

4．2．4 土壤盐碱化空间分布变化分析

4．3 黄骅市土地利用格局动态演化

4．3．1 土地利用类型划分

4．3．2 土地利用类型时空变化

4．3．3 土地利用类型与盐碱化土壤的关系

4．4 黄骅市土地利用格局变化的景观效应研究

4．4．1 景观格局特征变化分析

4．4．2 景观格局梯度变化分析

4．5 黄骅市土地利用格局变化的生态效应研究

4．5．1 NPP估算

4．5．2 物质生产价值估算

4．5．3 养分循环价值估算

4．5．4 气体调节价值估算

4．5．5 气候调节价值估算

4．5．6 水源涵养价值估算

4．5．7 净化环境价值估算

4．5．8 生物多样性维持价值估算

4．5．9 景观文化价值估算

4．5．10 黄骅市单位面积生态系统服务价值估算

4．5．11 黄骅市生态系统服务价值损益分析

4．6 基于景观生态效应的土地整治工程设计

4．6．1 生态网络工程设计结果与分析

4．6．2 项目区介绍

4．6．3 土地平整工程设计结果与分析

4．6．4 农田水利工程设计结果与分析

4．6．5 道路工程设计结果与分析

4．6．6 农田防护工程设计结果与分析

4．6．7 整治前后景观生态效应变化

4．7 基于ESV和ESP的土地利用格局模拟与优化

4．7．1 Markov转移概率矩阵

4．7．2 转变适宜性图像集

4．7．3 模型验证

4．7．4 情景模拟

4．7．5 优化前后景观生态效应变化

4．8 本章小结

5 结论与创新点

5．1 结论

5．2 创新点

5．3 讨论与展望

参考文献

在读期间发表的学术论文

作者简历

致谢