基于GIS的黄土高原县域农业生态系统可持续发展研究——以山西省水文县为例

摘要

黄土高原是我国种植业、林果业、畜牧业分布的重要区域，农业发展的质量不仅关系到人民生活水平的提高，而且与黄土高原的生态环境质量的整体改善密不可分。农业生态系统是人类与自然沟通的桥梁，农业的可持续发展是人类社会赖以生存的基础。黄土高原县域农业生态系统是整个黄土高原农业生态系统的基本单元和经济基础。因此，建立县域农业生态系统可持续发展模式是黄土高原农业可持续发展的必然选择，对于实现黄土高原农业可持续发展具有重要的战略意义。
　　文水县西部为黄土高原典型山区，中偏西段为黄土丘陵区，东部及南部为洪积平原区，整体为黄土高原典型山区-洪击平原的过渡区域，各个区域对应的农业生态系统的发展模式各不相同，可以比较完整的反映出黄土高原农业生态系统的整体情况。因此，选择位于黄土高原东部区域的山西省吕梁市文水县县域农业生态系统为研究对象。
　　选用山西省文水县1976年MSS数据，1990年、2000年、2005年、2009年陆地卫星TM影像等5期数据，利用GIS空间分析功能，分析了1976～2009年文水县土地利用变化和景观格局动态;利用2005～2010年陆地卫星TM影像的5期数据，运用马尔柯夫链和灰色系统分别预测文水县未来20a土地利用的变化趋势，并进行了对比。在此基础上，利用中巴HR高分辨率影像数据，采用ARCGIS、TWINSPAN和DCA等方法，叠加吕梁市、文水县生态功能区划，进行文水县农业生态系统功能区划。采用理论分析法、频度统计法、专家咨询法、AHP等构建文水县农业生态系统可持续发展的指标体系。对文水县农业生态系统1990～2009年农业生态系统可持续发展能力进行了评价。采用资源—发展综合指数(R-D)和环境—发展综合指数(E-D)表征资源子系统和环境子系统对整个农业生态系统的发展水平的支持程度，应用主成分分析确定各个子系统对整个生态系统的贡献大小。通过评价农业生态系统可持续发展水平，分析制约生态系统可持续发展的限制因子;在此基础上，构建文水县农业生态系统可持续发展模式，并提出相应对策。
　　土地利用时空变化分析表明:1976～2009年建设用地、水域增加，耕地、林地、草地和未利用地整体减少，耕地主要转变为建设用地;各地类变化速度由快到慢分别是建设用地、水域、耕地、未利用地、草地和林地;耕地数量的持续减少，使农业用地压力增大。
　　土地利用动态演变模拟和预测研究表明:在未来20a，文水县土地利用变化预测结果为耕地和草地面积大量减少，林地和建设用地面积显著增加，未利用地略有减少和水域面积稍微增加。土地利用格局的变化，尤其是耕地面积的大幅度减少将会对文水县农业生态系统产生深远影响并且带来显著压力。
　　景观格局变化分析表明:1976～2009年文水县景观格局表现为景观多样性水平升高，景观破碎化逐渐加强，人为干扰对景观格局的影响越来越大。地形地貌、气候等自然因素的变化一定程度上改变了文水县的景观格局，但社会经济、人口等人文因素对景观格局变化的影响要远大于自然因素。耕地景观的复杂化、不规则化与破碎化加剧，降低了农业生态景观的连通性，使农业生态系统破碎化加剧，集聚性减弱，系统的自我修复、自我维持、自我发展能力降低。
　　以土地利用为基础，采用ARCGIS、TWINSPAN和DCA相结合的方法将文水县农业生态系统划分为3个区域:中部农业发展区、西部农业发展区、东部农业发展区。DCA排序图第一轴反映了文水县农业生态系统类型随海拔的变化情况，从左到右农业生态类型所处的海拔逐渐升高，农业生态系统类型变化依次为东部农业发展区→中部农业发展区→西部农业发展区;第二轴反映了文水县农业生态系统农林牧比例的关系，从下到上林业比例逐渐减少，牧业的比例逐渐增多。综合《文水县生态功能区划》、《文水县生态经济区划》的结果，最终将文水县农业生态系统划分为:苍尔会山地农业生态类型、洪击平原农业生态类型、黄土丘陵区复合农业生态类型。
　　农业生态系统可持续发展评价结果表明:1990～2009年人口子系统发展呈小幅波动式上升状态;经济子系统总体呈“上升—平稳—快速上升”的趋势;社会子系统发展总体呈快速上升的趋势，对文水县农业生态可持续发展能力的提高贡献最大;资源子系统的发展整体上呈平稳态势;环境子系统略有起伏，近年来逐步提高。社会子系统可持续发展对文水县农业生态系统可持续发展的贡献最大，而资源的贡献量最小。资源—发展综合指数和环境—发展综合指数的分析说明:文水县农业发展的资源状况对人口、经济与社会系统发展的压力或阻力越来越大;环境可持续发展能力逐步下降，在一定程度制约了农业经济与社会发展增长。
　　文水县农业生态系统可持续发展水平的PCA排序和人口、经济、社会、资源、环境等5个子系统与农业生态系统可持续发展水平的回归分析结果表明:对文水县农业生态系统可持续发展贡献率的大小依次为社会子系统＞经济子系统＞人口子系统＞环境子系统＞资源子系统。耕地面积持续减少、农业科技发展水平低、农业技术人员缺乏是文水县农业可持续发展的长期限制因子;环境污染、水土流失是文水县农业可持续发展的中期限制因子;农林牧比例失调和种植业结构单一是文水县农业可持续发展的短期限制因子。
　　从县域农业生态系统分区出发，以不同农业生态系统可持续发展水平评价为基础，以解决和突破各类区域的限制因子为出发点，制定了文水县不同类型农业生态系统可持续发展模式:(1)洪积平原农业生态系统可持续发展模式。主要包括“粮—酒—畜—肥”模式及配套技术、“粮—禽—猪—沼—肥”模式及配套技术、“林果—粮经”立体模式及配套技术、“农田林网”模式、“绿色蔬菜”模式、复合生态养殖场模式。(2)黄土丘陵区域农业生态系统可持续发展模式。主要包括“围山转”模式、生态经济沟模式、生态果园模式。(3)苍尔会山地农业生态系统可持续发展模式。主要包括山区农林复合经营模式、“观光农业”模式。(4)盐碱地-菊芋集约化种植农业生态系统可持续发展模式。
　　最后，根据文水县农业生态系统的实际情况，提出了文水县农业生态系统可持续发展的对策，包括恪守耕地红线，保障土地资源;倡导建立循环型农业示范基地;加快推进农业结构调整;加强农业科学技术的研究和推广力度;完善政府投入机制，促进农业循环经济发展等。

目录

摘要

第一章 引言

1．1 研究的目的意义

1．2 研究进展

1．2．1 土地利用变化研究进展

1．2．2 景观生态学研究进展

1．2．3 农业生态系统可持续发展评价指标体系研究进展

1．2．4 农业生态系统可持续发展模式研究进展

1．2．5 黄土高原农业生态系统研究进展

第二章 研究方法

2．1 研究的基本思路

2．2 研究方法

2．2．1 土地利用时空变化分析

2．2．2 土地利用动态模拟和预测研究

2．2．3 农业生态系统景观格局变化分析

2．2．4 农业生态系统功能分区

2．2．5 农业生态系统可持续发展评价

2．2．6 农业生态系统可持续发展模式与对策

2．3 论文特色

第三章 研究区概况

3．1 自然地理条件

3．1．1 地理位置

3．1．2 地形地貌

3．1．3 气候特征

3．1．4 水文

3．1．5 土地与土壤

3．1．6 生物资源

3．1．7 矿产资源

3．1．8 水土流失现状

3．2 社会经济概况

3．2．1 行政区划

3．2．2 人口

3．2．3 经济发展

3．2．4 文化教育

3．2．5 体育与卫生

3．2．6 旅游资源

第四章 文水县土地利用时空变化分析

4．1 数据源与数据预处理

4．1．1 Landsat MSS／TM

4．1．2 研究区数据源

4．1．3 数据预处理

4．2 土地利用遥感信息提取

4．2．1 遥感技术在土地利用调查中的应用

4．2．2 土地利用分类系统

4．2．3 遥感数据和地学数据分析

4．2．4 分层分类提取土地利用信息

4．2．5 精度分析

4．3 土地利用变化动态分析

4．3．1 研究目的

4．3．2 研究方法

4．3．3 动态分析

4．3．4 驱动力分析

4．4 土地利用变化对文水县农业生态系统可持续发展的影响

4．5 小结

第五章 文水县土地利用动态模拟和预测研究

5．1 数据来源和处理

5．2 马尔柯夫链的建模和预测

5．2．1 马尔柯夫链的建模过程

5．2．2 基于马尔柯夫链的文水县土地利用变化预测

5．3 灰色系统的建模和预测

5．3．1 灰色系统的建模过程

5．3．2 基于灰色系统的文水县土地利用演变预测

5．4 预测结果对比和分析

5．5 土地利用变化对农业生态系统的影响

5．5．1 林地变化对农业生态系统的影响

5．5．2 耕地变化对农业生态系统的影响

5．5．3 建设用地变化对农业生态系统的影响

5．5．4 草地变化对农业生态系统的影响

5．5．5 水域变化对农业生态系统的影响

5．6 小结

第六章 文水县农业生态系统景观格局变化分析

6．1 景观类型的选择与提取

6．1．1 资料的获取及预处理

6．1．2 景观指数的计算及分析

6．2 文水县景观格局分析

6．2．1 景观级别的指数分析

6．2．2 几种主要斑块类型级别的指数分析

6．3 景观格局变化的驱动因素分析

6．3．1 自然驱动因素

6．3．2 人文驱动因素

6．4 景观格局变化对文水县农业生态系统的影响

6．5 小结

第七章 文水县农业生态系统功能分区

7．1 研究方法

7．2 文水县农业生态系统功能分区结果

7．2．1 基于GIS的TWINSPAN分类

7．2．2 DCA排序结果

7．2．3 文水县生态功能区划

7．2．4 文水县农业生态系统功能分区

7．3 小结

第八章 文水县农业生态系统可持续发展评价

8．1 评价指标体系构建

8．1．1 指导思想

8．1．2 基本原则

8．1．3 指标筛选及确定

8．1．4 指标计算方法

8．2 数据的获取及处理

8．2．1 数据获取

8．2．2 指标权重的赋予

8．2．3 指标的正向化处理

8．2．4 各子系统及综合得分值的计算

8．2．5 资源子系统和环境子系统对人口、经济、社会子系统的支持分析

8．2．6 主成分分析

8．3 农业生态系统的可持续发展评价结果

8．3．1 各因素及指标权重值确定

8．3．2 农业生态系统可持续能力现状评价

8．3．3 资源环境系统对农业生态系统支持性评价

8．3．4 主成分分析

8．4 农业生态系统存在的问题及可持续发展的限制因子分析

8．4．1 长期限制因子

8．4．2 中期限制因子

8．4．3 短期限制因子

8．5 小结

第九章 文水县农业生态系统可持续发展模式与对策

9．1 农业生态系统可持续发展模式的构建

9．1．1 农业生态系统可持续发展模式的构建原则

9．1．2 农业生态系统可持续发展模式框架

9．2 洪击平原农业生态系统可持续发展模式

9．2．1 “粮—酒—畜—肥”模式及配套技术

9．2．2 “粮—禽—猪(牛)—沼—肥”模式及配套技术

9．2．3 “林果—粮经”立体模式及配套技术

9．2．4 “农田林网”模式

9．2．5 “绿色蔬菜”模式

9．2．6 复合生态养殖场模式

9．3 黄土丘陵区农业生态系统可持续发展模式

9．3．1 “围山转”模式

9．3．2 生态经济沟模式

9．4 苍尔会山地农业生态系统可持续发展模式

9．4．1 山区农林复合经营模式

9．4．2 “观光农业”模式

9．5 盐碱地—菊芋集约化种植农业可持续发展模式

9．5．1 盐碱地成因及分布

9．5．2 抗盐植物菊芋

9．5．3 盐碱地—菊芋集约化种植模式

9．6 县域普遍适用的农业生态系统可持续发展模式

9．6．1 “四位一体”模式

9．6．2 废弃物再利用型模式

9．7 农业生态系统可持续发展对策

9．7．1 恪守耕地红线，保障土地资源

9．7．2 建立循环型农业示范基地

9．7．3 加强农业科学技术的研究和推广力度

9．7．4 加快推进农业结构调整

9．7．5 完善政府投入机制，促进农业循环经济发展

9．8 小结

第十章 结论

10．1 土地利用时空变化规律

10．2 土地利用动态演变模拟和预测

10．3 农业生态系统景观格局变化

10．4 农业生态系统功能分区

10．5 农业生态系统可持续发展评价

10．6 文水县农业生态系统可持续发展模式及对策

参考文献

攻读博士学位期间发表的论文

致谢

个人简介及联系方式

声明