辽宁省土地利用变化生态安全评价及预警研究
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摘要
辽宁省是我国21世纪开发建设的重点区域,也是振兴东北老工业基地战略实施的主要地区。十一五规划后,“五点一线”战略的实施,更使得辽宁省沿海经济跃上了一个更快、更强、更和谐的的新高度。但脆弱的土地生态环境已经成为制约辽宁省经济和社会发展的首要问题。建立区域经济社会可持续发展的生态安全保障体系已成为实施振兴东北老工业基地必须考虑和解决的问题。
因此,在辽宁省开展土地生态安全评价与预警研究,对准确地、科学地选择辽宁省生态保护与建设的策略,对政府部门把握生态安全的变化并及时做出控制和治理措施,进行生态环境的保护和建设,确保生态安全和可持续发展,有效的实施国家振兴东北老工业基地战略,都具有十分重要的意义。
本文利用生态效益服务功能评价模型、层次分析法、模糊综合评价模型、综合指数评价法和改进BP神经网络模型,首次对辽宁省的土地生态安全进行了评价、预警与预测研究工作,并主要取得了以下研究成果：
1.分析辽宁省开展土地生态系统安全评价与预警的研究背景、研究目的及意义,对生态安全工作的现状进行了系统研究,给出本文的研究方法和技术路线,为今后开展土地系统安全评价和预警工作提供了理论和实际指导作用。
2.从生态安全、生态安全评价和生态安全预警三个方面系统阐述生态安全评价与预警研究的基本理论。针对生态安全评价的概念、内涵、特征、研究内容和研究意义,生态安全评价的定义、评价指标体系、评价方法和评价标准,生态安全预警概念、方法和研究内容进行系统、详细论述。
3.从土地利用时空变化、驱动力分析和存在的问题及原因分析了辽宁省土地利用变化的趋势,利用Constanza提出的生态系统服务功能评价模型进行了1980年、1990年、2000年和2007年辽宁省生态服务功能的价值估算研究。1980年、1990年、2000年和2007年辽宁省的生态服务功能价值分别为89198.82*105元、99422.82*105元、113012.4*105元和117746*105元。
4.建立了辽宁省土地生态安全评价指标体系,运用层次分析法确定指标体系的权重,构建生态安全评价模型,进行辽宁省土地生态系统安全评价研究,得出辽宁省土地生态系统1980年、1990年、2000年和2007年的生态安全度分别为：0.53、0.50、0.57和0.48,表明研究期辽宁省土地生态系统的生态安全状态为敏感级。另外,对辽宁省14个县市级行政区进行分区生态安全度计算,并根据生态安全度计算结果将各行政区按生态安全度从大到小排序,排序结果为：
1980年依次为：大连、沈阳、本溪、葫芦岛、盘锦、鞍山、锦州、营口、辽阳、抚顺、阜新、丹东、朝阳、铁岭；
1990年依次为：大连、本溪、沈阳、锦州、盘锦、葫芦岛、鞍山、营口、抚顺、丹东、阜新、朝阳、辽阳、铁岭；
2000年依次为：大连、沈阳、营口、葫芦岛、本溪、鞍山、阜新、盘锦、丹东、锦州、辽阳、抚顺、朝阳、铁岭；
2007年依次为：大连、沈阳、葫芦岛、盘锦、鞍山、本溪、营口、朝阳、抚顺、锦州、辽阳、阜新、丹东、铁岭。
5.对辽宁省土地生态系统安全预警研究,进行了生态安全预警指标体系构建和预警度划分,建立模糊综合评判模型和综合指数模型分别进行辽宁省土地生态系统安全预警度计算,得出1980年、1990年、2000年和2007年生态安全预警度。基于模糊综合评价模型的研究期预警值分别为0.59204、0.58991、0.59341和0.58923；基于综合指数法的研究期预警值分别为0.44664、0.43104、0.62369和0.43474。两种模型的研究结果均表明研究期辽宁省土地生态系统安全预警级别为中警状态。
6.针对标准BP神经网络进行改进,利用本文研究获得的辽宁省1980年、1990年、2000年和2007年土地生态系统生态安全度和预警度的计算结果,首次运用改进BP神经网络对辽宁省2008-2020年土地生态系统的生态安全度和预警度进行中短期预测,得出辽宁省土地生态系统的生态安全度和预警度在2008-2020年呈现上升趋势,到2014年生态安全水平将达到轻安全级和轻警状态。最后针对辽宁省土地生态安全提出调控政策：(1)落实科学发展观,统筹经济与土地资源协调发展；(2)控制人口增长,提高人口素质,减轻土地资源压力；(3)强化土地利用总体规划的控制作用。
Liaoning Province is a focused and major region of Revival Northeastern China strategy implementation in the 21st centry. But the fragile ecosystem has become the primary problem restricting the economic and societal development of Liaoning Province. Therefore, a system of regional economic and societal sustainable development must be built.
For this reason, it is very significative to procee a land ecosystem security assessment and early warning research for an accurate and scientifical implementation of the strategy of Liaoning Province, and a management measure from government, an improvement of the ecological environment, and a guarantee of ecological security and sustainable development, and an effectual strategy of Revival Northeastern China.
In this article, an ecological benefit of the service function assessment model, an analytic hierarchy process, a fuzzy comprehensive evaluation model, an index evaluation method and a modified BP neural network model are used in assessment of Liaoning land ecological security and early warning research. Obtaining the following achievements:
1. The backgrounds purpose and significance of Liaoning Provice land ecosystem security assessment and early warning reaearch are analyzed, the current situations of ecological security are systematically studied; a research method and a technology roadmap are given.
2. Basic theories of ecological security assessment and early warning research are elaborated. The definition, meaning, property, content, significance, index system, assessment method and evaluation criteria of ecological security and early warning assessment are systematically studied in detail.
3. With the temporal and spatial variation of land utilization and driving influence analysis and the causes of the problems, Liaoning Province land use variation trend are analyzed. With Constanza's Ecosystem service assessment model, the ecosystem service values of Liaoning Province in 1980,1990,2000 and 2007 are calculated. The values from 1980 to 2007 are 89198.82*105 yuan、99422.82*105 yuan、113012.4*105yuan and 117746*105yuan.
4. The index system of Liaoning Province land ecological security assessment is established. Analytic hierarchy process is used in determining of the weights of indexes. An assessment of Liaoning Province land ecological security proceeded. The degrees of security of the year 1980,1990,2000 and 2007 are 0.53,0.50,0.57 and 0.48, show that the security status during the study period are in the sensitive level. Furthermore separated assessments are proceeded for the 14 counties of Liaoning Province. The descending sorts of the years are:
The year 1980:Dalian, Shenyang, Benxi, Huludao, Panjin, Anshan, Jinzhou, Yingkou, Liaoyang, Fushun, Fuxin, Dandong, Chaoyang, Tieling.
The year 1990:Dalian, Benxi, Shenyang, Jinzhou, Panjin, Huludao, Anshan, Yingkou, Fushun, Dandong, Fuxin, Chaoyang, Liaoyang, Tieling.
The year 2000:Dalian, Shenyang, Yingkou, Huludao, Benxi, Anshan, Fuxin, Panjin, Dandong, Jinzhou, Liaoyang, Fushun, Chaoyang, Tieling.
The year 2007:Dalian, Shenyang, Huludao, Panjin, Anshan, Benxi, Yingkou, Chaoyang, Fushun, Jinzhou, Liaoyang, Fuxin, Dandong, Tieling.
5. Liaoning Province land ecosystem security early warning assessment is studied. With the establishment of land ecosystem security and the degree system of early warning assessment and creation of fuzzy comprehensive evoluation model and the synthetical index method the degrees of land ecosystem security of Liaoning Province in the year 1980,1990, 2000 and 2007 are calculated. The results from the fuzzy comprehensive evoluation model are 0.59204,0.58991,0.59341 and 0.58923. Results from the synthetical index method are 0.44664,0.43104,0.62369 and 0.43474. Both of the results showed that the early warning statuses of land ecosystem security of Liaoning Province during the study period are in moderate level.
6. To aim at the gradient descent method in standard BP neural network, improving the shortcoming of standard BP neural network method, with the results above, the degrees of land ecosystem security and early warning assessments of Liaoning province during the year of 2008-2020 are forecasted. It shows the degrees of land ecosystem security are increased but the early warning degrees of land ecosystem security are decreased. By the year of 2014 the degree of land ecosystem security of Liaoning province will reach slight safe level and the degree of early warning will be slight warning level. At the end of the article some controle policys are advised:(1)To practice the scientific concept of development, coordinating the development of the economy and the land utility; (2)Control growth and improve the quality of the population, and lighten the press of land; (3)Strengthen the control functions of land use planning.
因此,在辽宁省开展土地生态安全评价与预警研究,对准确地、科学地选择辽宁省生态保护与建设的策略,对政府部门把握生态安全的变化并及时做出控制和治理措施,进行生态环境的保护和建设,确保生态安全和可持续发展,有效的实施国家振兴东北老工业基地战略,都具有十分重要的意义。
本文利用生态效益服务功能评价模型、层次分析法、模糊综合评价模型、综合指数评价法和改进BP神经网络模型,首次对辽宁省的土地生态安全进行了评价、预警与预测研究工作,并主要取得了以下研究成果：
1.分析辽宁省开展土地生态系统安全评价与预警的研究背景、研究目的及意义,对生态安全工作的现状进行了系统研究,给出本文的研究方法和技术路线,为今后开展土地系统安全评价和预警工作提供了理论和实际指导作用。
2.从生态安全、生态安全评价和生态安全预警三个方面系统阐述生态安全评价与预警研究的基本理论。针对生态安全评价的概念、内涵、特征、研究内容和研究意义,生态安全评价的定义、评价指标体系、评价方法和评价标准,生态安全预警概念、方法和研究内容进行系统、详细论述。
3.从土地利用时空变化、驱动力分析和存在的问题及原因分析了辽宁省土地利用变化的趋势,利用Constanza提出的生态系统服务功能评价模型进行了1980年、1990年、2000年和2007年辽宁省生态服务功能的价值估算研究。1980年、1990年、2000年和2007年辽宁省的生态服务功能价值分别为89198.82*105元、99422.82*105元、113012.4*105元和117746*105元。
4.建立了辽宁省土地生态安全评价指标体系,运用层次分析法确定指标体系的权重,构建生态安全评价模型,进行辽宁省土地生态系统安全评价研究,得出辽宁省土地生态系统1980年、1990年、2000年和2007年的生态安全度分别为：0.53、0.50、0.57和0.48,表明研究期辽宁省土地生态系统的生态安全状态为敏感级。另外,对辽宁省14个县市级行政区进行分区生态安全度计算,并根据生态安全度计算结果将各行政区按生态安全度从大到小排序,排序结果为：
1980年依次为：大连、沈阳、本溪、葫芦岛、盘锦、鞍山、锦州、营口、辽阳、抚顺、阜新、丹东、朝阳、铁岭；
1990年依次为：大连、本溪、沈阳、锦州、盘锦、葫芦岛、鞍山、营口、抚顺、丹东、阜新、朝阳、辽阳、铁岭；
2000年依次为：大连、沈阳、营口、葫芦岛、本溪、鞍山、阜新、盘锦、丹东、锦州、辽阳、抚顺、朝阳、铁岭；
2007年依次为：大连、沈阳、葫芦岛、盘锦、鞍山、本溪、营口、朝阳、抚顺、锦州、辽阳、阜新、丹东、铁岭。
5.对辽宁省土地生态系统安全预警研究,进行了生态安全预警指标体系构建和预警度划分,建立模糊综合评判模型和综合指数模型分别进行辽宁省土地生态系统安全预警度计算,得出1980年、1990年、2000年和2007年生态安全预警度。基于模糊综合评价模型的研究期预警值分别为0.59204、0.58991、0.59341和0.58923；基于综合指数法的研究期预警值分别为0.44664、0.43104、0.62369和0.43474。两种模型的研究结果均表明研究期辽宁省土地生态系统安全预警级别为中警状态。
6.针对标准BP神经网络进行改进,利用本文研究获得的辽宁省1980年、1990年、2000年和2007年土地生态系统生态安全度和预警度的计算结果,首次运用改进BP神经网络对辽宁省2008-2020年土地生态系统的生态安全度和预警度进行中短期预测,得出辽宁省土地生态系统的生态安全度和预警度在2008-2020年呈现上升趋势,到2014年生态安全水平将达到轻安全级和轻警状态。最后针对辽宁省土地生态安全提出调控政策：(1)落实科学发展观,统筹经济与土地资源协调发展；(2)控制人口增长,提高人口素质,减轻土地资源压力；(3)强化土地利用总体规划的控制作用。
Liaoning Province is a focused and major region of Revival Northeastern China strategy implementation in the 21st centry. But the fragile ecosystem has become the primary problem restricting the economic and societal development of Liaoning Province. Therefore, a system of regional economic and societal sustainable development must be built.
For this reason, it is very significative to procee a land ecosystem security assessment and early warning research for an accurate and scientifical implementation of the strategy of Liaoning Province, and a management measure from government, an improvement of the ecological environment, and a guarantee of ecological security and sustainable development, and an effectual strategy of Revival Northeastern China.
In this article, an ecological benefit of the service function assessment model, an analytic hierarchy process, a fuzzy comprehensive evaluation model, an index evaluation method and a modified BP neural network model are used in assessment of Liaoning land ecological security and early warning research. Obtaining the following achievements:
1. The backgrounds purpose and significance of Liaoning Provice land ecosystem security assessment and early warning reaearch are analyzed, the current situations of ecological security are systematically studied; a research method and a technology roadmap are given.
2. Basic theories of ecological security assessment and early warning research are elaborated. The definition, meaning, property, content, significance, index system, assessment method and evaluation criteria of ecological security and early warning assessment are systematically studied in detail.
3. With the temporal and spatial variation of land utilization and driving influence analysis and the causes of the problems, Liaoning Province land use variation trend are analyzed. With Constanza's Ecosystem service assessment model, the ecosystem service values of Liaoning Province in 1980,1990,2000 and 2007 are calculated. The values from 1980 to 2007 are 89198.82*105 yuan、99422.82*105 yuan、113012.4*105yuan and 117746*105yuan.
4. The index system of Liaoning Province land ecological security assessment is established. Analytic hierarchy process is used in determining of the weights of indexes. An assessment of Liaoning Province land ecological security proceeded. The degrees of security of the year 1980,1990,2000 and 2007 are 0.53,0.50,0.57 and 0.48, show that the security status during the study period are in the sensitive level. Furthermore separated assessments are proceeded for the 14 counties of Liaoning Province. The descending sorts of the years are:
The year 1980:Dalian, Shenyang, Benxi, Huludao, Panjin, Anshan, Jinzhou, Yingkou, Liaoyang, Fushun, Fuxin, Dandong, Chaoyang, Tieling.
The year 1990:Dalian, Benxi, Shenyang, Jinzhou, Panjin, Huludao, Anshan, Yingkou, Fushun, Dandong, Fuxin, Chaoyang, Liaoyang, Tieling.
The year 2000:Dalian, Shenyang, Yingkou, Huludao, Benxi, Anshan, Fuxin, Panjin, Dandong, Jinzhou, Liaoyang, Fushun, Chaoyang, Tieling.
The year 2007:Dalian, Shenyang, Huludao, Panjin, Anshan, Benxi, Yingkou, Chaoyang, Fushun, Jinzhou, Liaoyang, Fuxin, Dandong, Tieling.
5. Liaoning Province land ecosystem security early warning assessment is studied. With the establishment of land ecosystem security and the degree system of early warning assessment and creation of fuzzy comprehensive evoluation model and the synthetical index method the degrees of land ecosystem security of Liaoning Province in the year 1980,1990, 2000 and 2007 are calculated. The results from the fuzzy comprehensive evoluation model are 0.59204,0.58991,0.59341 and 0.58923. Results from the synthetical index method are 0.44664,0.43104,0.62369 and 0.43474. Both of the results showed that the early warning statuses of land ecosystem security of Liaoning Province during the study period are in moderate level.
6. To aim at the gradient descent method in standard BP neural network, improving the shortcoming of standard BP neural network method, with the results above, the degrees of land ecosystem security and early warning assessments of Liaoning province during the year of 2008-2020 are forecasted. It shows the degrees of land ecosystem security are increased but the early warning degrees of land ecosystem security are decreased. By the year of 2014 the degree of land ecosystem security of Liaoning province will reach slight safe level and the degree of early warning will be slight warning level. At the end of the article some controle policys are advised:(1)To practice the scientific concept of development, coordinating the development of the economy and the land utility; (2)Control growth and improve the quality of the population, and lighten the press of land; (3)Strengthen the control functions of land use planning.
引文
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