大凌河流域土地利用/覆被變化及其對氣候變化的響應(yīng)研究

科學(xué)認識流域土地利用變化及其特征可以為流域水文變化、水環(huán)境變化、氣候變化等研究提供基礎(chǔ)。以1970—2010年伊洛河流域5期遙感影像數(shù)據(jù)為基礎(chǔ),利用gis信息技術(shù)與空間分析技術(shù),得到不同時期伊洛河流域土地利用/覆被特征,選取土地利用變化率指數(shù)、土地利用綜合指數(shù)和土地利用動態(tài)度模型3個指標,分析了近40a來研究區(qū)的土地利用/覆被變化特征。結(jié)果表明,伊洛河流域土地利用以耕地為主,其次為林地。研究區(qū)土地利用處于發(fā)展期且土地利用變化處于快速變化水平,隨著城鎮(zhèn)化面積的逐年增加,流域耕地面積從1990年以后逐年減少,城鎮(zhèn)工礦居民用地不斷增加,其他如林地、草地和未利用面積變化基本保持不變。從不同的發(fā)展階段來看,1970—1990年間,土地利用/覆被變化不太顯著;1990—2000年流域土地利用變化以城鎮(zhèn)工礦居民用地增加為主要特征;2000—2005年流域土地利用變化以耕地減少為主要特征;2005—2010年土地利用變化程度較2000—2005年有減緩趨勢,但仍然呈現(xiàn)耕地減少、城鎮(zhèn)工礦居民用地增加的特征。從不同的高程帶來看,洼地和丘陵地帶土地變化較劇烈,變化的主要特征為耕地減少、城鎮(zhèn)工礦居民用地增加,而中山和高山地帶,因為人類活動影響較小,土地利用情況變化很小。

介紹了土地利用/覆被變化的主要形式,分析了土地利用/覆被變化對河流的水文情勢、水質(zhì)、泥沙、河流生態(tài)系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)、功能和生物多樣性的影響,為生態(tài)保護提供技術(shù)指導(dǎo)。

利用遙感圖像、1980年和2000年landsattm影像數(shù)據(jù),用分類統(tǒng)計方法、分段比重百分比指標法分析渭河流域土地利用及覆被變化空間分布和轉(zhuǎn)移情況。以清源河小流域為研究實例,用分類水文模型對其進行了模擬。結(jié)果表明,黃土高原土地利用及覆被變化對流域年徑流有顯著影響,即:對徑流的影響表現(xiàn)為季節(jié)性特征明顯;對暴雨形成的洪水過程有延時效應(yīng)。

以黃河三角洲為研究區(qū),基于1986年6月5日和2009年6月4日的landsattm影像進行土地利用/覆被分類及變化特征研究,同時,基于sebal模型估算區(qū)域蒸發(fā)蒸騰量,進而分析濕地蒸發(fā)蒸騰的數(shù)量特征、空間格局特征及其對土地利用/覆被變化的響應(yīng)特征。結(jié)果表明:23年間,58.74%的區(qū)域土地利用/覆蓋類型發(fā)生了變化,未利用地大幅減少,水體和建設(shè)用地大幅增加,顯著的土地墾殖與耕地荒廢則同時存在;蒸發(fā)蒸騰強度大小按土地利用/覆被類型排序依次為水體>灘涂>葦?shù)?gt;林草地>耕地>建設(shè)用地>未利用地,研究區(qū)未利用土地變?yōu)樗w和耕地是導(dǎo)致區(qū)域蒸發(fā)蒸騰整體提高的主導(dǎo)原因,而耕地流失則是導(dǎo)致區(qū)域蒸發(fā)蒸騰整體下降的主要原因,但23年間實際變化以前一種情形占優(yōu)勢,因而區(qū)域蒸發(fā)蒸騰總體呈現(xiàn)為增加趨勢。研究結(jié)果對區(qū)域土地利用規(guī)劃和水資源管理有重要的理論和實踐指導(dǎo)意義。

為定量分析內(nèi)陸河干旱區(qū)流域土地利用/覆被變化過程和流域水文循環(huán)二者的響應(yīng)關(guān)系,選擇新疆開都河流域為研究區(qū),設(shè)置了多種土地利用/土地覆被的變化情景,并通過swat模型對流域地表徑流進行了模擬,結(jié)果表明校準期模型的相對誤差、納什效率系數(shù)、線性擬合系數(shù)分別為-20.13%、0.78、0.82,驗證期分別為-18.94%、0.81、0.85,均達到了建立模型所需的標準,模擬結(jié)果可信。假定氣候條件不變,設(shè)定不同土地利用/覆被變化情景進行模擬,結(jié)果表明:(1)當(dāng)流域草地及林地退化為裸地或人工表面時,開都河流域月均流量變化最大,且豐水期流量增大,枯水期流量減小,其中6月流量增大39.55%,10月減小55.35%；(2)當(dāng)流域林地退化為草地時,流域月均流量整體變化不大,其中4月增加最多,增加1.46%,12月流量減小最多,減小1.05%；(3)當(dāng)流域裸地及人工表面逐步恢復(fù)為草地與林地時,流域月均流量大多減小,其中2月減小最多,為8.00%,10月流量增大最多,為1.01%。

綜述土地利用/覆被變化(lucc)對區(qū)域氣候影響研究進展,并對其研究熱點進行分析。lucc對區(qū)域氣候各因素影響的研究仍然存在較多分歧,如lucc對溫度的作用是增是減,影響程度有多大,對降水有無影響以及降水的增減,今后需要更加深入的研究。

以1991年、1998年和2006年3期遙感影像數(shù)據(jù)為基礎(chǔ),采用土地利用轉(zhuǎn)移矩陣、動態(tài)度、利用度和生態(tài)環(huán)境效益指數(shù)模型,研究了漓江流域1991年以來的土地利用變化及其對生態(tài)環(huán)境效益的影響。結(jié)果表明,漓江流域土地利用/覆被于1991～2006年間發(fā)生了較大變化,變化的總體趨勢為林地、耕地、草地和水域面積減少,并轉(zhuǎn)化為園地、未利用地和建設(shè)用地;1991年以來,漓江流域未利用地、建設(shè)用地和園地的正向變化速度較大,而林地和草地的負向變化速度較大。漓江流域土地利用綜合變化速率呈現(xiàn)增加趨勢;土地利用度變化呈現(xiàn)波動特征;漓江流域土地利用/覆被變化的主要人文驅(qū)動力為經(jīng)濟因素、政策因素等方面;1991～2006年間土地利用變化降低了漓江流域的生態(tài)環(huán)境效益,林地向園地的轉(zhuǎn)化及耕地向建設(shè)用地的轉(zhuǎn)化是區(qū)域生態(tài)環(huán)境效益下降的主要原因。

土地利用/土地覆被變化改變了地表生態(tài)系統(tǒng)組成結(jié)構(gòu),影響著生態(tài)系統(tǒng)功能,威脅著區(qū)域生態(tài)安全。本文以遼河流域的渾河-太子河流域為研究區(qū),探討了流域空間尺度上的lucc特征及其所帶來的生態(tài)效應(yīng)。研究表明,不同的生態(tài)指標對lucc的響應(yīng)程度略有不同:(1)從景觀生態(tài)格局角度看,反映生態(tài)系統(tǒng)斑塊形狀特征的景觀指數(shù)對lucc的響應(yīng)較弱,而對生態(tài)系統(tǒng)斑塊之間關(guān)系的景觀指數(shù)對lucc的響應(yīng)較強。2007年與1992年相比,shdi呈現(xiàn)出變大的趨勢,分別反映出各生態(tài)類斑塊呈均衡化狀態(tài)變好。contag呈現(xiàn)出變小的趨勢,反映出優(yōu)勢生態(tài)景觀類型的破碎化程度有所增加。(2)從生態(tài)功能效應(yīng)角度看,2007年與1992年相比,lucc使得植被覆蓋度、水土保持能力等單因子生態(tài)功能效應(yīng)指標呈現(xiàn)出變好的特征;綜合考慮生態(tài)系統(tǒng)供給、調(diào)節(jié)、文化與支持功能的綜合生態(tài)功能效應(yīng)呈現(xiàn)出持平的特征。

以洮河流域為研究區(qū)，基于swat模型模擬，從多年平均徑流、典型年徑流和徑流波動性等3方面探討土地利用變化對河川徑流過程的影響．結(jié)果表明：1980s-2000s洮河流域土地利用變化背景下，上游甘南片區(qū)徑流量減少、下游黃土片區(qū)徑流量增加；土地利用變化對上游枯水年徑流和下游豐、平水年影響較大；對洮河上游甘南片區(qū)徑流波動有微弱抑制，使洮河下游黃土片區(qū)的徑流波動有一定的增強．

以洮河流域為研究區(qū)，基于swat模型模擬，從多年平均徑流、典型年徑流和徑流波動性等3方面探討土地利用變化對河川徑流過程的影響．結(jié)果表明：1980s-2000s洮河流域土地利用變化背景下，上游甘南片區(qū)徑流量減少、下游黃土片區(qū)徑流量增加；土地利用變化對上游枯水年徑流和下游豐、平水年影響較大；對洮河上游甘南片區(qū)徑流波動有微弱抑制，使洮河下游黃土片區(qū)的徑流波動有一定的增強．

土地利用/土地覆被變化及其環(huán)境效應(yīng)研究成為當(dāng)前土地變化科學(xué)研究的熱點領(lǐng)域。我國西南喀斯特山區(qū)山高坡陡,地形破碎,土壤侵蝕嚴重,不合理的土地利用方式是造成喀斯特山區(qū)土壤侵蝕的主要人文因素。本文采用\"3s\"技術(shù)和rusle模型,分析了近30年來貴州省貓?zhí)恿饔蛲恋乩?覆被變化的時空特征,模擬了不同土地利用空間格局下的土壤侵蝕狀況,探討了土地利用變化對土壤侵蝕的影響。結(jié)果表明:近30年來流域內(nèi)土地利用/覆被發(fā)生了顯著變化,1973年~1990年,水田、灌木林、其他林地、灌草地均在減少,旱地、有林地、水域、建設(shè)用地、裸巖地均在增加;1990年~2002年,水田、有林地、灌木林、灌草地、水域、城鎮(zhèn)農(nóng)村居民點建設(shè)用地均明顯增加,旱地和裸巖地均大幅度減少。流域土壤侵蝕模數(shù)由1973年的30.88t/(hm2.年)上升到1990年的35.08t/(hm2.年),2002年下降到28.16t/(hm2.年)。旱地和灌草地是流域發(fā)生土壤侵蝕的主要土地利用類型。封山育林、植樹造林和退耕還林,減少陡坡旱地,是流域進行水土流失治理的有效措施。

基于土地利用空間分析指標和圖譜方法,利用五期土地利用數(shù)據(jù),結(jié)合gis和rs技術(shù),得出南四湖流域1990?2010年土地利用/覆被變化的時空特征:(1)1990?2010年南四湖流域土地利用方式以耕地、城鄉(xiāng)建設(shè)用地和水域為主,流域土地利用類型的分布與流域內(nèi)地形密切相關(guān)。(2)近20年流域綜合土地利用動態(tài)度為0.39%,總體變化速度較緩慢。其中,南四湖流域未利用地的減少速度最快,是該流域土地利用變化最獨特的特征。(3)流域內(nèi)各土地類型存在著不同程度的相互轉(zhuǎn)換,城鄉(xiāng)建設(shè)用地占用耕地是各階段土地利用類型轉(zhuǎn)換的主要特點,集中分布在流域內(nèi)的各個縣域；82.39%的未利用地在1990?1995年轉(zhuǎn)化為人工水域,主要分布在南四湖濕地自然保護區(qū)；耕地與林地和草地之間的相互轉(zhuǎn)換主要發(fā)生在流域東部的多山地丘陵地帶。

為了實現(xiàn)土地的可持續(xù)利用和生態(tài)的可持續(xù)維護,以藉河流域5期土地利用數(shù)據(jù)和構(gòu)建生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)評價模型為基礎(chǔ),運用馬爾科夫模型對藉河流域的土地利用及生態(tài)服務(wù)價值變化進行評估,結(jié)果表明:研究時段內(nèi)坡耕地、梯田、林地和草地的總面積占流域面積的90%以上,坡耕地面積逐期減少,梯田和林地面積增加;1975—2030年流域總的生態(tài)服務(wù)價值呈增加趨勢,草地和林地占總價值比例達到70%以上;預(yù)測2020年和2030年流域的生態(tài)服務(wù)價值分別增加到5.499億元和5.633億元,1975—2030年間單項生態(tài)服務(wù)價值中土壤形成與保持、維持生物多樣性、氣候調(diào)節(jié)和氣體調(diào)節(jié)4項占總價值的60%左右。

以沂河流域為例,在arcgis10.2中解譯沂河流域2005年和2015年遙感影像,得到兩期土地利用數(shù)據(jù).并分析了2005-2015年沂河流域土地利用及其變化情況,以costanza生態(tài)服務(wù)價值計算方法為參考,分析了沂河流域生態(tài)服務(wù)價值變化情況.結(jié)果表明:研究區(qū)耕地面積顯著減少,但生態(tài)服務(wù)總價值卻從2005年的2338964萬元上升到2015年的2427039萬元,上升了約3.77％,這主要是由于林地面積的增加帶來的較高的生態(tài)服務(wù)價值.

針對干旱區(qū)跨境河流域土地利用/覆被變化(lucc)研究薄弱、無法滿足環(huán)境變化評價的問題,選擇西天山跨越吉爾吉斯斯坦國和中國的阿克蘇河流域為研究區(qū),在遙感和gis的支持下,獲取了近50a阿克蘇河流域土地利用/覆被數(shù)據(jù),并利用數(shù)理統(tǒng)計模型,對該流域lucc的過程、趨勢及土地利用程度變化進行系統(tǒng)分析.結(jié)果表明:阿克蘇河流域土地變化從前期(1960-1990年)的準平衡狀態(tài)轉(zhuǎn)變?yōu)楹笃?1990-2008年)的不平衡狀態(tài),土地類型也呈現(xiàn)出從雙向轉(zhuǎn)換向單向轉(zhuǎn)換過渡,且不同類型差異較大;流域后期lucc的速度是前期的2.1倍,其中耕地和建設(shè)用地增加最快而沼澤地和鹽堿地減少最快,草地變化速度最小.流域土地利用處于發(fā)展時期,且流域下游綠洲區(qū)域土地利用程度綜合指數(shù)及其變化較大.政策調(diào)整、人類活動增強、氣候變化以及徑流變化是lucc的主要驅(qū)動因子.

以永定河流域為研究對象,對1978～2009年間6期遙感圖像的土地利用情況進行解譯,運用景觀格局指標,分析永定河流域景觀格局動態(tài)變化.結(jié)果表明:32年來永定河流域以農(nóng)、林、草業(yè)景觀為主,耕地面積有下降趨勢,林地面積2000年最低,后緩慢上升,水域面積近10年下降明顯.景觀破碎化程度呈不斷上升的趨勢,多樣性指數(shù)逐步升高,景觀類型均勻度總體有下降趨勢,景觀類型轉(zhuǎn)移概率矩陣表明,林地最為穩(wěn)定,干旱河道的變化最大.

為了研究坡度因素對土地利用/覆被分布及其動態(tài)變化的影響,以陜西省西安市長安區(qū)為研究區(qū),采用數(shù)字高程模型、遙感影像及相關(guān)輔助數(shù)據(jù),應(yīng)用gis手段提供的空間分析方法,將長安區(qū)地形進行坡度分級,把兩個不同時期的遙感影像解譯結(jié)果與坡度分級圖進行了空間疊加分析。研究結(jié)果表明,耕地、建筑用地、水域等分布在坡度較小范圍,林地、草地的坡度分布范圍近似于正態(tài)分布。不同年份各土地利用類型在相同坡度所占面積比例基本不變;不同坡度范圍內(nèi)的土地利用變化不盡相同。其它土地類型向耕地和建筑用地的轉(zhuǎn)化主要集中在低坡度范圍內(nèi),而其它土地類型向林地和草地的轉(zhuǎn)化在整個坡度范圍上大體呈正態(tài)分布。因此,坡度因素是土地利用/土地覆被的重要影響因素,坡度因素對土地利用格局具有明顯的控制作用。

以欽江流域為研究對象,在gis軟件的支持下,構(gòu)建研究區(qū)swat分布式水文模型,以徑流和泥沙實測數(shù)據(jù)對模型進行校準和驗證,結(jié)果顯示相關(guān)系數(shù)r2高于0.9,nash-sutcliffe系數(shù)高于0.8,模型模擬精度較高。在固定天氣因子等不變的情況下,基于1990、2008年兩期土地利用數(shù)據(jù),模擬研究區(qū)1968—2008年徑流產(chǎn)沙過程,并分析土地利用/覆被變化對水文效應(yīng)的影響,結(jié)果表明:1990—2008年土地利用變化主要表現(xiàn)為林地、水田面積減少,旱地、草地、水域和建設(shè)用地面積增加;與1990年土地利用情景相比,2008年土地利用情景下徑流和輸沙總量均增加,土地利用變化對產(chǎn)流影響較小,對產(chǎn)沙影響較顯著;由土地利用變化引起的月均徑流產(chǎn)沙變化量為汛期增幅大于非汛期;土地利用變化對枯水年徑流產(chǎn)沙過程影響最大,平水年次之,豐水年影響最小。

本文通過研究土地利用/覆蓋變化和生態(tài)安全的相互關(guān)系,探討了兩者的相關(guān)性,并在此基礎(chǔ)上對我國土地利用/覆蓋情景模式下的生態(tài)安全進行了深入分析,提出了相應(yīng)政策建議。

為研究海河流域徑流對土地利用變化的響應(yīng),以阜平流域、匡門口流域和界河鋪流域為研究區(qū),利用1970—2011年的水文氣象資料,分析了不同土地利用的時空轉(zhuǎn)移特征,然后結(jié)合swat(soilandwaterassessmenttool)模型,設(shè)置4種土地利用情景,評價了土地利用變化對徑流的影響。結(jié)果表明:模型能夠較好地模擬全年及汛期月流量過程;多年徑流量呈下降趨勢,20世紀80年代到90年代中期呈波動性變化;不同的土地利用類型在時空上的轉(zhuǎn)化呈現(xiàn)可逆性,主要是林地增加,草地減少,耕地略有增加;林地的增加和草地的減少會降低汛期徑流量以及最大月徑流量;汛期徑流系數(shù)隨著林地面積的增加而減小。合理地規(guī)劃土地利用格局,對控制流域水文事件具有重要意義。

基流是干旱區(qū)最重要的枯季水文特征之一,在維持河川徑流和維護流域生態(tài)安全等方面具有重要意義?；趯幭那逅恿饔蛏嫌?980年、1995年、2000年、2013年四期土地利用數(shù)據(jù)及原州水文站1984—2014年日徑流資料,采用枯季徑流分割法進行了基流分割,分析了流域基流、基流指數(shù)與景觀格局指數(shù)之間的相關(guān)關(guān)系,研究了流域景觀格局變化對基流的作用。結(jié)果表明:(1)30年中,草地是清水河上游的主導(dǎo)性景觀類型。流域景觀多樣性隨時間的推移逐漸增加,整體向好;(2)1984—2014年,清水河上游徑流量呈顯著減少趨勢(p<0.01),基流量呈極顯著減少趨勢(p<0.001);(3)景觀格局指數(shù)與基流量的關(guān)系較徑流量密切,基流量與面積加權(quán)平均形狀指數(shù)(shapeam)、斑塊結(jié)合度(cohesion)、最大斑塊指數(shù)(lpi)、斑塊豐富度密度(prd)、周長—面積分維數(shù)(pafrac)這5個指標的相關(guān)性較高,其中與shape_am,cohesion,lpi呈顯著正相關(guān),與prd,pafrac呈顯著負相關(guān)。研究結(jié)果可為清水河上游流域生態(tài)建設(shè)提供科學(xué)依據(jù)。

以生態(tài)綠當(dāng)量作為土地利用變化環(huán)境影響評價的度量指標,引用生態(tài)綠當(dāng)量數(shù)學(xué)模型,以固原市上黃試區(qū)為例,利用1982年、2000年及2010年土地利用現(xiàn)狀數(shù)據(jù),測算上黃試區(qū)不同時期各種用地類型的綠當(dāng)量和總綠當(dāng)量,用以衡量生態(tài)環(huán)境狀況。結(jié)果表明:1982年,上黃試區(qū)生態(tài)綠當(dāng)量為0.88,說明該時段生態(tài)服務(wù)功能差,沒有達到應(yīng)有的生態(tài)標準;1982—2000年,這時期為治理期,經(jīng)過近20a的生態(tài)綜合治理,到2000年該試區(qū)生態(tài)綠當(dāng)量達到1.266,說明該試區(qū)生態(tài)環(huán)境達標,生態(tài)服務(wù)功能良好;2000—2010年,在國家退耕還林還草政策條件下,坡耕地進行了深度地退耕,至2010年,該試區(qū)生態(tài)綠當(dāng)量達到1.479,說明生態(tài)服務(wù)功能進一步加強。生態(tài)綠當(dāng)量作為評價區(qū)域生態(tài)環(huán)境指標具有涵義明確、計算方便等優(yōu)點。