黑龙江省耕地资源安全预警分析及预警系统的构建_宋戈.pdf
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1、第 28 卷 第 6 期 农 业 工 程 学 报 Vol.28 No.6 2012 年 3 月 Transactions of the Chinese Society of Agricultural Engineering Mar.2012 247 黑龙江省耕地资源安全预警分析及预警系统的构建 宋 戈,连 臣(东北农业大学资源与环境学院,哈尔滨 150030)摘 要:耕地资源安全预警是保护耕地和实现耕地资源可持续利用的有效手段。该文以黑龙江省为研究区,从耕地保护角度,结合研究区的耕地数量、质量和生态环境 3 个方面,构建耕地资源安全预警指标体系,利用纵比判断法,以研究区 19962008 年耕
2、地资源安全定量评价值为基础数据,确定研究区耕地资源安全度的阈值。应用灰色模型 GM(1.1)与 BP人工神经网络技术,对黑龙江省 20122015 年耕地资源安全度及变化趋势进行了预测和分析,并构建了耕地资源预警系统框架体系。结果表明,19962008 年黑龙江省耕地资源安全值呈不规则下降趋势。2012 年黑龙江省耕地资源警度为轻警、20132015 年为中警,警度有上升趋势;2012 年耕地质量略有升高,但耕地数量减少幅度较大,20132015 年,随着耕地数量的增加,耕地质量不断下降,20122015 年生态环境呈平缓上升趋势。耕地数量与耕地质量不协调发展是黑龙江省耕地资源在预测期主要致警
3、原因,城市化水平、水土流失比率和抗逆指数等是影响黑龙江省耕地资源安全状况的敏感因子。该文为相关预警研究提供参考。关键词:土地利用,数量控制,预警,耕地资源安全,预警系统,黑龙江省 doi:10.3969/j.issn.1002-6819.2012.06.040 中图分类号:F301.21 文献标志码:A 文章编号:1002-6819(2012)-06-0247-06 宋 戈,连 臣.黑龙江省耕地资源安全预警分析及预警系统的构建J.农业工程学报,2012,28(6):247252.Song Ge,Lian Chen.Analysis and system construction of safe
4、ty early warning for cultivated land resources in Heilongjiang provinceJ.Transactions of the Chinese Society of Agricultural Engineering(Transactions of the CSAE),2012,28(6):247252.(in Chinese with English abstract)0 引 言 耕地资源是国家乃至民族得以生存和发展的原动力,也是一种战略储备,关系到一个国家的最高利益,对其进行预警是防止耕地数量减少、耕地质量和生态环境下降等问题的有效途
5、径1。国外与耕地预警相关的研究主要以监测为主,通过建立模型手段,侧重于土地利用/覆盖变化和耕地土壤质量变化等方面的研究2-3。中国在这一领域的研究滞后于国外,国内学者主要从预警内容和思路4-6、耕地数量或质量变化7-9、可持续发展与土地利用变化10-11等方面进行探讨。研究方法上,主要采用建立耕地预警模型的方法12-14,从研究尺度和区域来看,主要集中在经济较发达地区15-16。目前关于耕地资源安全预警的研究集中于对某一方面进行研究,如只侧重于耕地质量或数量预警,对综合性的预警研究较少,研究区多集中在经济发达地区,其技术与方法还有待于进一步完善,对耕地资源预警系统缺少完整的阐述。耕地是一个复杂
6、综合作用的系统,因此应该侧重综合性指标预警,而且太小的区域对耕地资源安全研究意义不。黑龙江省是中国最大的商品粮基地,虽然具有丰富和宝贵的黑土资源,投稿日期:2011-07-20 修订日期:2012-01-20 基金项目:国家自然科学基金(编号为 41071346);黑龙江省青年学术骨干项目(编号为 1154G45)。作者简介:宋 戈(1969),女,黑龙江庆安人,博士,教授,博士生导师,主要研究方向为土地利用。哈尔滨 东北农业大学资源与环境学院,150030。Email: 但也存在水土流失加重、土壤污染扩大和肥力下降等问题,耕地面积减少的现象依然存在,本文尝试选择综合性预警指标、结合灰色模型
7、GM(1.1)和 BP 人工神经网络技术对黑龙江省耕地资源安全状况进行预警研究,并以此为原型,结合气象技术构建出较完善的耕地资源安全警系统理论框架,为以后相关预警研究提供借鉴作用。1 研究区概况 黑龙江省位于中国的最东北部,位于东经 1211113505,北纬 43265333之间,气候为温带大陆性季风气候,冬季长而寒冷极端最低气温达-32,夏季气温高,降水多,光照时间长,适宜农作物生长。太阳辐射资源丰富,年日照时数一般在 2 3002 800 h。2009 年黑龙江省土地面积 45.4104万 hm2,占全国总面积的 4.7%,耕地面积为 1 183.01 万 hm2,占全国耕地面积的 9.
8、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,土层较厚,土质肥沃,黑土类耕地约占全省耕地面积的 31%左右,耕种条件优越,粮食综合生产能力近年来保持在 300 亿 kg 以上,年末总人口 3 826 万人,其中农村人口1 702.6万,占全省人口总数的44.5%,农业总产值2251.1亿元,粮食单位面积产量为 3 821.25 kg/hm2。黑龙江省耕地生产力总趋势是逐步提高,但由于农田基本建设薄弱、抗御自然灾害能力低和中低产田面积比重大,严重制约着耕地生产潜力的提高,极大限制了商品粮供应数量,切实保持耕地是十分重要而紧迫的问题。农业工程学报 2012 年 248 2
9、 黑龙江省耕地资源安全警度判定及其预警 2.1 数据的来源与处理 研究数据资料采用统计数据和部门收集的方法。中低产田面积数据来自黑龙江省农委统计资料;其他数据来自于19972009 年的中国统计年鉴、中国农业统计年鉴、中国环境统计年鉴及黑龙江省统计年鉴。采用极差标准化法对数据进行无量纲化处理,使指标间容易比较和运算,计算公式如下 正向指标 minmaxminijbijMMMMM (1)负向指标 maxmaxminijbijMMMMM (2)式中,Mbij为标准化后的结果;Mij为第 i 个子系统第 j 个指标实际值;Mmax和 Mmin分别为第 j 个指标中最大值和最小值。2.2 指标预警体系
10、的构建 耕地资源安全是指一个国家或地区在一定时期内能够持续、足量、经济地获取食物,满足国民经济和社会健康发展对耕地需求的状态16-18,即至少满足 3 个条件耕地资源才是安全的状态:持续提供国家或地区获取食物的耕地生产能力,适宜社会生存的生态环境及满足社会和经济发展的耕地面积。本文从耕地保护角度出发,从耕地数量、耕地质量和生态环境 3 个方面,选取直接影响耕地资源安全的因子作为指标,遵循科学性、可操作性和动态性等原则,建立黑龙江省耕地资源安全预警指标体系(如表 1),只有当三者都安全时,耕地资源才属于安全状态。表 1 黑龙江省耕地资源安全指标预警体系 Table 1 Security earl
11、y warning indicator system of cultivated land resources in Heilongjiang province 目标层 准则层 指标层 计算公式 指标趋向 人均耕地面积(C1)区域耕地总面积/区域总人口 正 耕地补充系数(C2)耕地补充面积/耕地减少面积 正 耕地占土地总面积比例(C3)耕地总面积/土地总面积 正 耕地数量(B1)城市化水平(C4)城市人口/总人口 负 中低产田面积比例(C5)中低产田面积/耕地面积 负 旱涝保收率(C6)旱涝保收面积/耕地面积 正 水土流失比率(C7)水土流失面积/耕地面积 负 粮食单产(C8)粮食总产量/耕地
12、面积 正 复种指数(C9)农作物播种面积/耕地面积 正 耕地质量(B2)有效灌溉面积比例(C10)有效灌溉面积/耕地面积 正 工业废水排放量(C11)-负 森林覆盖率(C12)森林面积/土地总面积 正 灾害指数(C13)成灾面积/播种面积 负 耕地环境质量指数(C14)(单位农药产量+单位化肥产量)/2 负 耕地资源安全 生态环境(B3)抗逆指数(C15)1-成灾面积/受灾面积 正 注:1.耕地补充系数(C2)反映了耕地减少与耕地补充之间的动态平衡关系;耕地占土地总面积比例(C3)反映耕地利用程度;有效灌溉面积比例(C10)反映耕地基础射射建设及其配套完善性;工业废水排放量(C11)由黑龙江省
13、统计年鉴查得;2.指标安全为正向,即指标值越大,区域耕地越安全;指标安全为负向,即指标值越小,区域耕地越安全18。2.3 预警指标权重的确定 层次分析法是根据问题的性质和要达到的目标,将问题分解为不同的组成因素,排定各因素相对于总目标的相对优劣次序或重要程度,从而得到指标权重,最后通过一致性检验确定指标权重。黑龙江省耕地资源安全主要预警指标权重计算结果(如表 2)。表 2 黑龙江省耕地资源安全预警指标权重 Table 2 Weight of early warning indicators for land resources security in Heilongjiang province
14、 指标代码 指标权重 一致性检验 B1 0.2568 B2 0.5711 B3 0.1721 max=3.0401,CI=0.02010.10 RI=0.58,CR0.03470.10 C1 0.0445 C2 0.0256 C3 0.0599 C4 0.1268 max=4.0654,CI=0.02180.10 RI=0.90,CR0.02420.10 续表 指标代码 指标权重 一致性检验 C5 0.0912 C6 0.0882 C7 0.1662 C8 0.1316 C9 0.0501 C10 0.0438 max=6.1212,CI=0.02420.10 RI=1.24,CR0.0195
15、0.10 C11 0.0258 C12 0.0247 C13 0.0195 C14 0.0621 C15 0.0400 max=5.1544,CI=0.03860.10 RI=1.12,CR0.03450.10 注:CI 为一致性指标;RI 为查表得知平均随机一致性指标值;CR 为检验系数。耕地质量作为耕地资源安全隐形因素,量化难度和对耕地资源影响程度都高于耕地数量和生态环境;城市化水平加快;城市化过程中,城市规模不可避免扩张性第 6 期 宋 戈等:黑龙江省耕地资源安全预警分析及预警系统的构建 249 及控制困难性,是影响耕地数量最主要因素;黑龙江省为全国商品粮基地,粮食安全不容忽视,从粮食安
16、全角度考虑,中低产田面积、和粮食单产,旱涝保收率和水土流失比率是两对反映耕地质量变化的重要指标。因此在表 2 中上述指标权重较大。2.4 安全值判定模型的建立 1()niiifP XW (3)式中,f 为耕地资源安全综合评价值;P(Xi)为某年第 i 个指标的安全值;Wi为某年第 i 个指标的权重18。可得出黑龙江省 19962008 年耕地资源安全值变化趋势(图 1)。研究区 2003 年受自然灾害影响严重,该年秋霜来的早、雪量大寒冷期长,受灾指数为 43.56,是 1996 年的 1.17 倍,耕地质量大幅度下降,粮食单产为 3 195 kg/hm2,比 1996 年下降了 18.24%,
17、导致耕地资源安全值最低;2005 年,自然状况良好,受灾指数仅为 7.71,基本农田保护工作、土地开发整理工作和提升耕地抗灾能力初见成效,耕地数量、耕地质量和生态环境都有所提高,该年耕地面积为 1 151.6 万 hm2,比 1996 年上涨 25.51%,抗逆指数为 74.957,比 1996年上涨 8.63%。2.5 阈值的确定 阈值的确定是建立在综合评价值的基础上,是耕地 资源安全预警中十分关键的问题,但没有一个普适的评价标准。一般认为耕地资源安全度指数在0,1间非均匀分布,基于已选定研究区评价模型,可通过对比判断法确定警度,对比判断有横比和纵比两种方式,横比是指通过区域内或区域间的比较
18、中确定警度的阈值,纵比是指通过预警指标历史数据的比较来确定10。本文选择纵比方法,即在 19962008 年研究区耕地资源安全值的基础上,根据多数原则、中数原则和均数原则19来确定其阈值(表 3)。图 1 黑龙江省耕地资源安全值变化趋势 Fig.1 Change trend of safety value for arable land resources in Heilongjiang province 表 3 黑龙江省耕地资源安全阀值划分结果 Table 3 Division results of safety threshold for arable land resources in
19、Heilongjiang province 警度 多数原则 中数原则 均数原则 综合值 无警 X0.5182 X 0.5183 X 0.5461 X 0.5275 轻警 0.4783X0.5182 0.4784X0.5183 0.4969X0.5461 0.4845X0.5275 中警 0.4384X0.4783 0.4384X0.4784 0.4477X0.4969 0.4415X0.4845 重警 0.3985X0.4384 0.3885X0.4384 0.3985X0.4477 0.3985X0.4415 巨警 X 0.3985 X 0.3985 X 0.3985 X 0.3985 多数
20、原则,把研究期耕地资源安全警情评价综合值由大到小排列,从最大值开始,向下选占总数三分之二的数据作为无警区间下限,在剩下的数据间按等距划分为轻警、中警、重警和巨警;中数原则,假设研究期耕地资源安全警情指标综合值至少一半处于无警状态,综合值由大到小排序,中位数为无警区间下限,在剩下的数据间按等距划分为轻警、中警、重警和巨警;中数原则,把研究期安全指标评价综合值的平均数取作无警区间的下限,在剩下的数据间按等距划分为轻警、中警、重警和巨警。2.6 耕地资源安全值预测 从图 1 可以看出,黑龙江省耕地资源安全综合值呈非线性波动,且振幅较大,因此选择灰色预测模型 GM(1.1),得出黑龙江省耕地资源安全值
21、时间响应方程为(0.010841)52.867521exp53.516321tY (4)式中,Y为耕地资源安全度;t为时间序列。检验过程:后验差比值C=0.1284,小误差概率P=1,根据P0.95,C=0.12840.35,可知预测精度等级为“好”,因此可用此方程进行外推预测,20122015年耕地资源安全预测值分别为0.4845,0.4793,0.4741和0.4690。耕地数量(B1)、耕地质量(B2)和生态环境(B3)与时间序列有较强的非线性关系(图1),BP人工神经网络是自适性很高的非线性动力系统,基于MATLAB平台建立BP网络21可以知道预测年B1、B2和B3的数量关系:以199
22、62008年数据为基础,预测值为输入向量,B1、B2和B3为目标向量,网络隐层神经元个数为25,最大迭代次数5 000次,允许误差为0.0000001,最小速率取0.1,网络在迭代9次后达到收敛效果,黑龙江省耕地资源安全警情预测结果(表4)。表 4 黑龙江省耕地资源安全警情预测结果 Table 4 Predicted results of safety warning for cultivated land resource in Heilongjiang province 年份 耕地数量耕地质量 生态环境 预测值 警度 2012 0.1091 0.2571 0.1183 0.4845 轻警
23、2013 0.0845 0.2739 0.1209 0.4793 中警 2014 0.0911 0.2594 0.1236 0.4741 中警 2015 0.1064 0.2363 0.1263 0.4690 中警 3 黑龙江省耕地资源预警系统框架及排警对策 指标预警是耕地资源安全预警系统中筛选至警因农业工程学报 2012 年 250 子、选择预警模型和数据整合的过程,是预警系统中核心部分,但耕地是一个复杂的综合作用的系统,不能仅以指标预警为手段来进行预警,还需要构建完整的、综合的耕地资源预警系统。本文在构建黑龙江省耕地资源预警指标体系时(表1),只选择直接影响耕地资源安全的因子作为指标,没有
24、选择光照、温度和降水等间接性因子作为指标,在构建耕地资源预警系统时,要将这些间接性影响指标补充进去。3.1 气象技术在耕地资源安全预警中的应用 在国内气象监测技术主要应用在因气候变化引起的自然灾害预警和农业气象监测。土地系统是大气、土壤和水文相互作用综合体,使气象技术在耕地资源安全预警中使用存在可能性,例土壤有机质变化可以通过气象监测来实现,土壤中磷、钾等微量元素经过水循环进入大气中,可通过气象技术观测大气中磷、钾等微量元素含量变化,来掌握耕地资源安全状况,因此气象技术监测内容与耕地质量相关数据有一定耦合性,此外气象技术可以模拟危害因子,实现气象预警(图2),气象预警技术代替了人工数据收集、整
25、理等繁琐步骤,利用网络数字化、神经网络和遥感影像等技术,实现智能化监测和预警,极大减少了传统预警过程中数据多层次传递与计算产生的误差,使预警结果更准确。图 2 气象技术循环原理 Fig.2 Cycle theory of weather technology 3.2 耕地资源安全系统构建 耕地资源安全预警和其他预警一样,是一个明确警情寻找警源分析警兆预报警度排警的过程21警情是指耕地资源动态变化过程中出现的极不正常现象;警源是指产生耕地安全系统警情的根源或源头;警兆是指警情发生之前的一种预兆;警度是对警情大小定量描述,一般分为无警、轻警、中警、重警和巨警。以此为预警思路、黑龙江省耕地资源安全预
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