黑龍江省耕地資源安全預警研究

黑龍江省耕地資源安全預警研究

0主要采用模型方法,主要集中在經(jīng)濟發(fā)達地區(qū)土地恢復是國家乃至國家生存和發(fā)展的動力。這也是一個戰(zhàn)略儲備，與一個國家的最高利益密切相關。報告是防止減少耕地數(shù)量、耕地質量和環(huán)境變化的有效手段。國外與耕地預警相關的研究主要以監(jiān)測為主,通過建立模型手段,側重于土地利用/覆蓋變化和耕地土壤質量變化等方面的研究。中國在這一領域的研究滯后于國外,國內(nèi)學者主要從預警內(nèi)容和思路、耕地數(shù)量或質量變化、可持續(xù)發(fā)展與土地利用變化等方面進行探討。研究方法上,主要采用建立耕地預警模型的方法,從研究尺度和區(qū)域來看,主要集中在經(jīng)濟較發(fā)達地區(qū)。目前關于耕地資源安全預警的研究集中于對某一方面進行研究,如只側重于耕地質量或數(shù)量預警,對綜合性的預警研究較少,研究區(qū)多集中在經(jīng)濟發(fā)達地區(qū),其技術與方法還有待于進一步完善,對耕地資源預警系統(tǒng)缺少完整的闡述。耕地是一個復雜綜合作用的系統(tǒng),因此應該側重綜合性指標預警,而且太小的區(qū)域對耕地資源安全研究意義不。黑龍江省是中國最大的商品糧基地,雖然具有豐富和寶貴的黑土資源,但也存在水土流失加重、土壤污染擴大和肥力下降等問題,耕地面積減少的現(xiàn)象依然存在,本文嘗試選擇綜合性預警指標、結合灰色模型GM(1.1)和BP人工神經(jīng)網(wǎng)絡技術對黑龍江省耕地資源安全狀況進行預警研究,并以此為原型,結合氣象技術構建出較完善的耕地資源安全警系統(tǒng)理論框架,為以后相關預警研究提供借鑒作用。1土地現(xiàn)狀和糧食生產(chǎn)情況黑龍江省位于中國的最東北部,位于東經(jīng)121°11′~135°05′,北緯43°26′~53°33′之間,氣候為溫帶大陸性季風氣候,冬季長而寒冷極端最低氣溫達-32℃,夏季氣溫高,降水多,光照時間長,適宜農(nóng)作物生長。太陽輻射資源豐富,年日照時數(shù)一般在2300~2800h。2009年黑龍江省土地面積45.4×104萬hm2,占全國總面積的4.7%,耕地面積為1183.01萬hm2,占全國耕地面積的9.1%,78.3%的耕地分布在松嫩平原和三江平原,黑土是全省耕地主要土壤,土層較厚,土質肥沃,黑土類耕地約占全省耕地面積的31%左右,耕種條件優(yōu)越,糧食綜合生產(chǎn)能力近年來保持在300億kg以上,年末總人口3826萬人,其中農(nóng)村人口1702.6萬,占全省人口總數(shù)的44.5%,農(nóng)業(yè)總產(chǎn)值2251.1億元,糧食單位面積產(chǎn)量為3821.25kg/hm2。黑龍江省耕地生產(chǎn)力總趨勢是逐步提高,但由于農(nóng)田基本建設薄弱、抗御自然災害能力低和中低產(chǎn)田面積比重大,嚴重制約著耕地生產(chǎn)潛力的提高,極大限制了商品糧供應數(shù)量,切實保持耕地是十分重要而緊迫的問題。2黑龍江省土壤資源管理安全風險評估和報警2.1數(shù)據(jù)統(tǒng)計方法研究數(shù)據(jù)資料采用統(tǒng)計數(shù)據(jù)和部門收集的方法。中低產(chǎn)田面積數(shù)據(jù)來自黑龍江省農(nóng)委統(tǒng)計資料;其他數(shù)據(jù)來自于1997-2009年的《中國統(tǒng)計年鑒》、《中國農(nóng)業(yè)統(tǒng)計年鑒》、《中國環(huán)境統(tǒng)計年鑒》及《黑龍江省統(tǒng)計年鑒》。采用極差標準化法對數(shù)據(jù)進行無量綱化處理,使指標間容易比較和運算,計算公式如下正向指標負向指標式中,Mbij為標準化后的結果;Mij為第i個子系統(tǒng)第j個指標實際值;Mmax和Mmin分別為第j個指標中最大值和最小值。2.2耕地資源可持續(xù)利用原則耕地資源安全是指一個國家或地區(qū)在一定時期內(nèi)能夠持續(xù)、足量、經(jīng)濟地獲取食物,滿足國民經(jīng)濟和社會健康發(fā)展對耕地需求的狀態(tài),即至少滿足3個條件耕地資源才是安全的狀態(tài):持續(xù)提供國家或地區(qū)獲取食物的耕地生產(chǎn)能力,適宜社會生存的生態(tài)環(huán)境及滿足社會和經(jīng)濟發(fā)展的耕地面積。本文從耕地保護角度出發(fā),從耕地數(shù)量、耕地質量和生態(tài)環(huán)境3個方面,選取直接影響耕地資源安全的因子作為指標,遵循科學性、可操作性和動態(tài)性等原則,建立黑龍江省耕地資源安全預警指標體系(如表1),只有當三者都安全時,耕地資源才屬于安全狀態(tài)。2.3確定指標權重層次分析法是根據(jù)問題的性質和要達到的目標,將問題分解為不同的組成因素,排定各因素相對于總目標的相對優(yōu)劣次序或重要程度,從而得到指標權重,最后通過一致性檢驗確定指標權重。黑龍江省耕地資源安全主要預警指標權重計算結果(如表2)。耕地質量作為耕地資源安全隱形因素,量化難度和對耕地資源影響程度都高于耕地數(shù)量和生態(tài)環(huán)境;城市化水平加快;城市化過程中,城市規(guī)模不可避免擴張性及控制困難性,是影響耕地數(shù)量最主要因素;黑龍江省為全國商品糧基地,糧食安全不容忽視,從糧食安全角度考慮,中低產(chǎn)田面積、和糧食單產(chǎn),旱澇保收率和水土流失比率是兩對反映耕地質量變化的重要指標。因此在表2中上述指標權重較大。2.4研究區(qū)品質分析式中,f為耕地資源安全綜合評價值;P(Xi)為某年第i個指標的安全值;Wi為某年第i個指標的權重?？傻贸龊邶埥?996-2008年耕地資源安全值變化趨勢(圖1)。研究區(qū)2003年受自然災害影響嚴重,該年秋霜來的早、雪量大寒冷期長,受災指數(shù)為43.56,是1996年的1.17倍,耕地質量大幅度下降,糧食單產(chǎn)為3195kg/hm2,比1996年下降了18.24%,導致耕地資源安全值最低;2005年,自然狀況良好,受災指數(shù)僅為7.71,基本農(nóng)田保護工作、土地開發(fā)整理工作和提升耕地抗災能力初見成效,耕地數(shù)量、耕地質量和生態(tài)環(huán)境都有所提高,該年耕地面積為1151.6萬hm2,比1996年上漲25.51%,抗逆指數(shù)為74.957,比1996年上漲8.63%。2.5耕地資源安全標準警度的確定閾值的確定是建立在綜合評價值的基礎上,是耕地資源安全預警中十分關鍵的問題,但沒有一個普適的評價標準。一般認為耕地資源安全度指數(shù)在間非均勻分布,基于已選定研究區(qū)評價模型,可通過對比判斷法確定警度,對比判斷有橫比和縱比兩種方式,橫比是指通過區(qū)域內(nèi)或區(qū)域間的比較中確定警度的閾值,縱比是指通過預警指標歷史數(shù)據(jù)的比較來確定。本文選擇縱比方法,即在1996-2008年研究區(qū)耕地資源安全值的基礎上,根據(jù)多數(shù)原則、中數(shù)原則和均數(shù)原則來確定其閾值(表3)。多數(shù)原則,把研究期耕地資源安全警情評價綜合值由大到小排列,從最大值開始,向下選占總數(shù)三分之二的數(shù)據(jù)作為無警區(qū)間下限,在剩下的數(shù)據(jù)間按等距劃分為輕警、中警、重警和巨警;中數(shù)原則,假設研究期耕地資源安全警情指標綜合值至少一半處于無警狀態(tài),綜合值由大到小排序,中位數(shù)為無警區(qū)間下限,在剩下的數(shù)據(jù)間按等距劃分為輕警、中警、重警和巨警;中數(shù)原則,把研究期安全指標評價綜合值的平均數(shù)取作無警區(qū)間的下限,在剩下的數(shù)據(jù)間按等距劃分為輕警、中警、重警和巨警。2.6耕地資源安全預測值從圖1可以看出,黑龍江省耕地資源安全綜合值呈非線性波動,且振幅較大,因此選擇灰色預測模型GM(1.1),得出黑龍江省耕地資源安全值時間響應方程為式中,Y為耕地資源安全度;t為時間序列。檢驗過程:后驗差比值C=0.1284,小誤差概率P=1,根據(jù)P≥0.95,C=0.1284≤0.35,可知預測精度等級為“好”,因此可用此方程進行外推預測,2012-2015年耕地資源安全預測值分別為0.4845,0.4793,0.4741和0.4690。耕地數(shù)量(B1)、耕地質量(B2)和生態(tài)環(huán)境(B3)與時間序列有較強的非線性關系(圖1),BP人工神經(jīng)網(wǎng)絡是自適性很高的非線性動力系統(tǒng),基于MATLAB平臺建立BP網(wǎng)絡可以知道預測年B1、B2和B3的數(shù)量關系:以1996-2008年數(shù)據(jù)為基礎,預測值為輸入向量,B1、B2和B3為目標向量,網(wǎng)絡隱層神經(jīng)元個數(shù)為25,最大迭代次數(shù)5000次,允許誤差為0.0000001,最小速率取0.1,網(wǎng)絡在迭代9次后達到收斂效果,黑龍江省耕地資源安全警情預測結果(表4)。3構建耕地資源預警系統(tǒng)指標預警是耕地資源安全預警系統(tǒng)中篩選至警因子、選擇預警模型和數(shù)據(jù)整合的過程,是預警系統(tǒng)中核心部分,但耕地是一個復雜的綜合作用的系統(tǒng),不能僅以指標預警為手段來進行預警,還需要構建完整的、綜合的耕地資源預警系統(tǒng)。本文在構建黑龍江省耕地資源預警指標體系時(表1),只選擇直接影響耕地資源安全的因子作為指標,沒有選擇光照、溫度和降水等間接性因子作為指標,在構建耕地資源預警系統(tǒng)時,要將這些間接性影響指標補充進去。3.1實現(xiàn)生態(tài)措施與氣象設施的耦合和信息警測技術在國內(nèi)氣象監(jiān)測技術主要應用在因氣候變化引起的自然災害預警和農(nóng)業(yè)氣象監(jiān)測。土地系統(tǒng)是大氣、土壤和水文相互作用綜合體,使氣象技術在耕地資源安全預警中使用存在可能性,例土壤有機質變化可以通過氣象監(jiān)測來實現(xiàn),土壤中磷、鉀等微量元素經(jīng)過水循環(huán)進入大氣中,可通過氣象技術觀測大氣中磷、鉀等微量元素含量變化,來掌握耕地資源安全狀況,因此氣象技術監(jiān)測內(nèi)容與耕地質量相關數(shù)據(jù)有一定耦合性,此外氣象技術可以模擬危害因子,實現(xiàn)氣象預警(圖2),氣象預警技術代替了人工數(shù)據(jù)收集、整理等繁瑣步驟,利用網(wǎng)絡數(shù)字化、神經(jīng)網(wǎng)絡和遙感影像等技術,實現(xiàn)智能化監(jiān)測和預警,極大減少了傳統(tǒng)預警過程中數(shù)據(jù)多層次傳遞與計算產(chǎn)生的誤差,使預警結果更準確。3.2中警、重警、巨警耕地資源安全預警和其他預警一樣,是一個明確警情-尋找警源-分析警兆-預報警度-排警的過程警情是指耕地資源動態(tài)變化過程中出現(xiàn)的極不正?，F(xiàn)象;警源是指產(chǎn)生耕地安全系統(tǒng)警情的根源或源頭;警兆是指警情發(fā)生之前的一種預兆;警度是對警情大小定量描述,一般分為無警、輕警、中警、重警和巨警。以此為預警思路、黑龍江省耕地資源安全預警為原理,結合氣象技術構建耕地資源安全預警系統(tǒng)框架體系(圖3)。1)輸入層。輸入層主要承擔基礎資料收集、提取與監(jiān)管工作,為排警對策提供參考,根據(jù)行政區(qū)劃,劃分監(jiān)測單元,形成以省級部門機構為核心,地級城市為依托的監(jiān)測單元網(wǎng),空間上利用氣象技術與遙感技術(RS)和地理信息系統(tǒng)(GIS)技術結合,獲得生態(tài)環(huán)境監(jiān)測數(shù)據(jù)及專項氣象圖。2)技術層。技術層工作內(nèi)容主要包括:(1)耕地數(shù)量、耕地質量和生態(tài)環(huán)境預警指標體系構建,根據(jù)變化特點,選擇相符的預測模型,預測安全程度;(2)警兆模擬,氣象技術模擬危害因子判定警度;(3)結果檢驗,對不合理結果直接刪除,保證預警結果準確性。3)輸出層。技術層是檢驗后數(shù)據(jù)及圖像的最優(yōu)擬合過程,三維可視化圖像,直觀性更良好,排警對策并不都是正確的,因此把對策檢驗設計在輸出層。3.3模型測試結果及預測對策黑龍江省2012-2015年耕地資源安全度屬于輕警或中警級別,警度有上升趨勢,生態(tài)環(huán)境(B3)呈小幅度遞增趨勢,2012年耕地質量略有回升,是以耕地數(shù)量大幅度減少為代價,耕地數(shù)量銳減是出現(xiàn)輕警的主要因素;2013-2015年隨著耕地數(shù)量(B1)的增加耕地質量(B2)不斷下降,耕地質量下降是出現(xiàn)中警的主要原因(表4)。本文引用經(jīng)濟學中敏感系數(shù)概念,以2008年耕地資源警情指標數(shù)據(jù)為基礎,對預測年2015年的警情進行模擬。敏感系數(shù)是指越大越優(yōu)型指標的原始值增加10%,或越小越優(yōu)型指標的原始值減少10%的假設下,該指標對警情改善的大小,感變化度可以用以下公式表示式中,S是敏感變化度,A是基礎年耕地資源安全評價值,Aj是預測年耕地資源安評價值。各個預警指標的敏感度計算結果從表5可以看出15個預警指標敏感度大小。預測年耕地資源保護對策應針對城市化水平(C4)、水土流失比率(C7)和抗逆指數(shù)(C15)來制定,在保證耕地數(shù)量和生態(tài)環(huán)境不下降的同時提高耕地質量。城市化水平:黑龍江省耕地后備資源開發(fā)難度大,控制城鎮(zhèn)化過程中占用耕地的現(xiàn)象,嚴守耕地面積、控制人口增長和提高土地集約利用程度;水土流失治理:合理調(diào)整農(nóng)業(yè)生產(chǎn)結構和土地利用結構,大于15°的坡耕地要退耕還林,改革耕作制度,推廣以“三耙一松”為內(nèi)容的坡耕地水土保持耕作,營造水土保持林的同時加強農(nóng)業(yè)水利工程建設;提高抗逆能力:不同作物有不同的病蟲害,對惡劣氣候條件有不同的反應,應用間、套、輪作可利用不同作物的不同抗逆和適應能力,減輕自然災害,穩(wěn)產(chǎn)保收,此外,加快中低產(chǎn)農(nóng)田改造,實行改造優(yōu)惠政策,多渠道籌集資金,增加改造過程中科技含量,集中改造三江、松嫩兩大平原的中低產(chǎn)農(nóng)田。運用耕地資源預警系統(tǒng)(圖4),加強對耕地質量的監(jiān)管和對氣候災害的預測,黑龍江冬季多雪、溫度寒冷和耕作區(qū)分布廣,農(nóng)作物受自然影響大,例2003年秋霜來的早、積雪量大和寒冷期長,當年糧食總產(chǎn)量僅為2512.3萬t,同比下降17.1%,預警任務十分艱巨。4研究區(qū)耕地資源安全評估結論1)根據(jù)黑龍江省耕地資源實際利用特點,選取涵蓋耕地數(shù)量、耕地質量和生態(tài)環(huán)境3方面的15個因子作為警兆指標,構建了研究區(qū)耕地資源安全預警指標體系,選取該體系的耕地資源安全綜合指數(shù)作為警情指標,構建預警指標體系時,可根據(jù)研究區(qū)實際情況選取合適警兆、警情指標。2)以往研究對警度閾值劃分過程不夠清晰,研究區(qū)耕地利用實際不同,閾值也應該不同。該文以黑龍江省為例,使用經(jīng)濟學方法對確定警度閾值的原理做了準確的解釋;利用BP人工神經(jīng)網(wǎng)絡分析功能,了解耕地數(shù)