松嫩高平原黑土区耕地利用系统安全及其调控机制研究- - 以巴彦县为例

耕地利用系统安全是保护耕地和保障粮食安全的基础。已有研究主要针对耕地资源与粮食安全关系、耕地生态安全及土地资源安全评价等方面，但并未缓解我国耕地数量减少和质量下降的现实，耕地利用安全问题仍然面临严峻挑战。资源约束和人口增长的矛盾迫切须要我们重新审视，应如何突破传统研究区域、研究角度及研究方法的局限，探索耕地利用安全问题。本项目以松嫩高平原黑土区的典型区域巴彦县为研究区，突破以往构建评价指标体系模式，对CLUE-S模型进行改进，识别研究区耕地利用系统安全驱动因子，从系统角度，探索各因子间相互作用关系和作用机理，揭示研究区耕地利用系统安全空间格局的动态变化规律，并确定其临界值范围，诊断研究区耕地利用系统安全区域，并进行格局优化，进而探索如何调控该系统安全的机制，这是实现耕地持续生产能力的重要途径。研究成果将对促进区域农业可持续发展、保护耕地、保障粮食安全及改善生态环境具有重要意义。

耕地利用系统安全是保护耕地健康和保障粮食安全的基础，它受众多不确定因素的影响。本项目对耕地利用系统进行了科学的论述，丰富了土地利用的理论，并以松嫩高平原典型区域——黑龙江省巴彦县为研究区，分析研究区耕地资源变化的时空变化特征，阐明了单一因子和复合因子对耕地利用系统安全的作用机理，确定耕地利用系统安全阈值范围，并对研究区耕地利用系统安全格局进行优化，明确了耕地利用系统安全的调控机制。以3S技术为手段，采用多因素综合评价模型和相关指数法对研究区耕地资源利用特征进行分析，研究表明， 1991~2009年，研究区耕地面积年均净增速度呈现下降趋势，耕地转入和转出数量和方向均不同；耕地质量等级呈现正态分布特征和明显的地域分异规律；耕地资源生态安全状况呈现下降的态势，部分地区耕地土地退化、水土流失状况严重；2009年，耕地重金属含量个别地区超出标准自然背景极限值，且近89%的采样点耕地污染程度处于警戒线状态；耕地景观的斑块形状趋于简单和规律性，耕地景观在空间分布上具有较高的聚集度。采用GA-BP模型和通径分析法研究因子对耕地利用系统安全的作用机理，研究表明，各因子存在复杂的制约关系，单一因子和复合因子共同作用是系统安全主要的作用机理，且单一因子和复合因子对系统安全影响的显性特征不同。自然生态因子对系统安全的单一作用、人文因子对系统安全的复合作用机制显著。运用马尔科夫模型和神经网络模式识别模型预测耕地利用系统安全格局空间变化，结果表明，2011~2021年，耕地面积和建设用地面积的变化呈现互反性即耕地面积减少和建设用地面积增长明显，其他农用地的增加以牺牲耕地为代价，对耕地利用系统安全构成了极大威胁。基于突变理论，并运用蝴蝶突变模型确定耕地利用系统安全阈值为安全状态的阈值系数范围[-1,-0.2]，临界状态的阈值系数范围[-0.2,0.2]，危险状态的阈值系数范围[0.2,1]。对耕地利用系统安全格局进行优化研究的结果表明，优化后研究区仍以耕地为主，优化后研究区增加的耕地多由草地转入，优化后减少的耕地转为建设用地和林地。就其环境效应而言，林地、草地面积应增加；通过研究，明确了禁止开发、限制开发、调整开发、优先开发及潜在开发区，进而从生态、管理、经济、政策、法律等角度提出了研究区耕地利用系统安全的调控机制。研究成果为保护区域耕地资源可持续利用提供了科学的依据。