基于引黄灌区土地变化的可持续性评价研究——以开封市黑、枊灌区四乡为例

摘要

本文对基于引黄灌区土地变化的可持续性评价进行了研究。主要研究内容包括：
　　⑴20多年来研究区土地变化明显,农用地面积减少,城镇建设用地面积增加。本研究区1988、2001和2011年三期遥感影像获取了土地利用变化信息,经过解译、计算和分析得出,研究区边缘区城镇化过程明显、人为影响显著。城镇建设用地通过占用农用地而扩展,非城镇建设用地间结构变化明显。农用地、滩涂、水域面积减少,城镇建设用地、工矿用地面积增加的态势。总量面积变化较大的土地利用类型有农用地、农村居民点;其次是城镇建设用地、水域和滩涂;工矿用地变化量相对较小。各土地类型间转入、转出频繁。城镇建设用地面积总量相对变化幅度较大,动态度最大,变化量和速度都是很大的,区域土地利用综合程度指数有一定增长,这表明23年间研究区内城市化过程明显,尤其是研究区南部靠近城市边缘区域,非农化程度很高,城镇建设用地的增长速度明显高于距其较远的地区。对比农用地和城镇建设用地的动态度可以发现,农用地流失快的地方基本上为建设用地增长快的地方,而农用地流失慢的地方建设用地增加速度也慢,二者空间上存在明显的相关性,体现了建设用地的扩展的主要是对农用地的占用。并运用马尔柯夫模型对研究区未来土地利用变化进行预测,结果发现研究区未来40年里,农用地面积将持续减少,滩涂面积也将小幅度减少;城镇建设用地的面积将持续增加,继续向研究区北部和西部扩展,水域和工矿用地有小幅度增加,总体趋势以建设用地的空间扩张、农用地的流失为特征。
　　⑵交通是造成研究区重金属污染的主要原因,Hg、Cd是整个研究区主要的重金属污染元素,存在较强的生态风险。土壤重金属污染程度反映出土地变化过程中所引起的区域土地质量变化,对研究区土壤重金属Cr、Cu、Ni、Pb、Zn、As和Hg进行分析与评价,得出Cr、Cu、Ni、Pb、Zn、As保持清洁,Hg、Cd是整个研究区主要的重金属污染元素,为评价土地变化的可持续性提供科学依据。在研究区内共采集土壤样品107个,经过化学实验分析和数理统计分析得出,研究区土壤重金属元素变异系数排序为:Hg>Cr>Cd>Cu>Ni>As>Pb>Zn。利用K-S进行土壤重金属含量正态分布检验,各元素均符合正态分布。发现Cd存在极大值和离群值,Cr、Cu、Ni、Pb、Zn存在离群值, As和Hg没有存在。在ArcGIS9.3平台上分析了研究区土壤重金属含量空间分布趋势,研究区西南区域和南部重金属含量较高。研究区域内8种重金属的理论变异函数拟合效果均较好,其中Cr、Zn、As符合球状模型,Ni、Cu、Cd、Pb、Hg符合高斯模型。研究区土壤重金属受人为活动与区域因素的共同影响,其中人为活动对Hg、Cd的空间分布结构的影响较为突出。通过内梅罗指数、地累积指数、污染负荷指数评价,得到Hg、Cd是整个研究区主要的重金属污染元素。单因子污染指数法得出了Hg和Cd有一定程度超过河南省潮土背景值;地累积指数法得出研究区土壤8种重金属均有一定程度的累积污染;污染负荷指数评价得出研究区土壤中重金属的污染状况整体上属于中等污染。而潜在生态风险评价得出研究区 Cr、Ni、Cu、Zn、Pb、As均存在潜在生态风险,Hg和Cd存在强生态风险。同时GIS软件提供了强大的分析功能,能够对污染区域的面积进行精确统计。单因子污染指数、地累积指数和潜在生态危害指数污染评价结果显示出不尽相同的污染分布,单因子污染指数面积所显示的污染的区域明显要大于地累积指数和潜在生态危害指数的结果。在土壤重金属人为污染的评价结果基础上,进行了污染的影响因素分析。认为交通是造成污染的主要原因,水域作为污染传播的一个载体也是造成大面积连续污染的原因之一。
　　⑶运用情景预测模型,比照2011年土壤重金属含量平均值和污染面积分别预测了2021年研究区土壤中Cr、Ni、Cu、Zn、Cd、Pb、Hg、As等8种重金属含量、污染面积及分布趋势。结果表明研究区内各土壤重金属含量及污染面积在乐观、无突变和悲观三种情景下所预测的结果存在差别显著,不同情景背景下土壤重金属含量和分布有较大差异。其中在8种重金属在乐观情景下含量明显下降,土壤污染面积减少;而在无突变情景和悲观情景下8种重金属含量表现为不断增加,土壤污染面积也不断扩大,其中这两项在悲观情景下又明显比在无突变情景下要高。
　　⑷研究区1988、2001、2011年三个时期的可持续水平较高,在评价体系分级----不可持续、初步可持续、基本可持续和全面可持续,处于基本可持续与全面可持续水平。根据土地变化的可持续性评价模型,建立灌区土地变化的可持续性评价指标体系,选取能全面、系统的反映出评价对象的指标,运用层次分析法和加权综合分析法,在ArcGIS9.3环境下,通过图层叠加、栅格计算,运用综合评价模型进行图像空间运算,得出1988、2001、2011年三个时期的可持续等级发展水平,生成土地变化的可持续性综合指数分布图。从区域可持续水平等级结构来看,研究区可持续状况以基本可持续和全面可持续为主,基本可持续和全面可持续水平面积渐增长;不可持续面积逐步减少。从空间分布上看,三个时期的可持续水平等级分布趋势大致相同,由北向南逐级递减。全面可持续区域的主要分布在农用地、滩涂和水域,在研究区的北部地区;靠近城市的研究区南部三个时期的可持续发展水平比较低,这个区域主要分布在城镇建设用地范围内。从时间动态上看,研究区可持续水平趋向好的方向发展。

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1 引言

1.1研究背景及意义

1.2研究综述

1.3研究思路和组织结构

1.4研究方法和技术路线

2 研究区选择与概况

2.1开封引黄灌区概况

2.2研究区概况

3 数据收集与研究内容

3.1数据采集与处理

3.2研究内容

4 土地利用的时空变化特征及预测

4.1土地利用变化转移矩阵分析

4.2动态变化模型分析

4.3基于马尔柯夫模型的土地利用变化预测

4.4 小结

5 土地变化对土壤质量空间分布特征研究

5.1地统计分析介绍

5.2克里格法介绍

5.3重金属含量与空间分布特征研究

5.4土壤重金属含量空间插值

5.5 小 结

6 土壤重金属污染评价与来源分析

6.1评价标准

6.2土壤重金属污染指数评价

6.3研究区土壤重金属污染指数评价结果

6.4土壤重金属生态风险评估

6.5土壤重金属污染来源分析

6.6小结

7 土壤重金属含量和分布预测

7.1土壤重金属含量预测方法与模型

7.2研究区2021年土壤重金属含量预测结果

7.3小结

8 土地变化的可持续性评价

8.1评价原理与指标选取

8.2研究方法和评价标准

8.3权重的确定

8.4计算与结果分析

8.5本章小结

9 结论与展望

9.1主要结论

9.2创新点

9.3研究展望

参考文献

致谢