大凌河流域土地利用/覆被變化及其對(duì)氣候變化的響應(yīng)研究

科學(xué)認(rèn)識(shí)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(shí)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(dòng)態(tài)度模型3個(gè)指標(biāo),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?yàn)槿祟惢顒?dòng)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(duì)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(hù)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(jì)方法、分段比重百分比指標(biāo)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?yàn)檠芯繉?shí)例,用分類水文模型對(duì)其進(jìn)行了模擬。結(jié)果表明,黃土高原土地利用及覆被變化對(duì)流域年徑流有顯著影響,即:對(duì)徑流的影響表現(xiàn)為季節(jié)性特征明顯;對(duì)暴雨形成的洪水過程有延時(shí)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(jìn)行土地利用/覆被分類及變化特征研究,同時(shí),基于sebal模型估算區(qū)域蒸發(fā)蒸騰量,進(jìn)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(duì)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(shí)存在;蒸發(fā)蒸騰強(qiáng)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(shí)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(duì)區(qū)域土地利用規(guī)劃和水資源管理有重要的理論和實(shí)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?yàn)檠芯繀^(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(duì)流域地表徑流進(jìn)行了模擬,結(jié)果表明校準(zhǔn)期模型的相對(duì)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(yàn)證期分別為-18.94%、0.81、0.85,均達(dá)到了建立模型所需的標(biāo)準(zhǔn),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(jìn)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(shí),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(shí),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(shí),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(duì)區(qū)域氣候影響研究進(jìn)展,并對(duì)其研究熱點(diǎn)進(jìn)行分析。lucc對(duì)區(qū)域氣候各因素影響的研究仍然存在較多分歧,如lucc對(duì)溫度的作用是增是減,影響程度有多大,對(duì)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(dòng)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(duì)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(fù)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(dòng)特征;漓江流域土地利用/覆被變化的主要人文驅(qū)動(dòng)力為經(jīng)濟(jì)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?yàn)檠芯繀^(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(biāo)對(duì)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(duì)lucc的響應(yīng)較弱,而對(duì)生態(tài)系統(tǒng)斑塊之間關(guān)系的景觀指數(shù)對(duì)lucc的響應(yīng)較強(qiáng)。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(biāo)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?yàn)檠芯繀^(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(dòng)性等3方面探討土地利用變化對(duì)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(duì)上游枯水年徑流和下游豐、平水年影響較大；對(duì)洮河上游甘南片區(qū)徑流波動(dòng)有微弱抑制，使洮河下游黃土片區(qū)的徑流波動(dòng)有一定的增強(qiáng)．

以洮河流域?yàn)檠芯繀^(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(dòng)性等3方面探討土地利用變化對(duì)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(duì)上游枯水年徑流和下游豐、平水年影響較大；對(duì)洮河上游甘南片區(qū)徑流波動(dòng)有微弱抑制，使洮河下游黃土片區(qū)的徑流波動(dòng)有一定的增強(qiáng)．

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(diǎn)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(yán)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(shí)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(duì)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(diǎn)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(jìn)行水土流失治理的有效措施。

基于土地利用空間分析指標(biāo)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(shí)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?yàn)橹?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(dòng)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(dú)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(diǎn),集中分布在流域內(nèi)的各個(gè)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(hù)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(shí)現(xiàn)土地的可持續(xù)利用和生態(tài)的可持續(xù)維護(hù),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(píng)價(jià)模型為基礎(chǔ),運(yùn)用馬爾科夫模型對(duì)藉河流域的土地利用及生態(tài)服務(wù)價(jià)值變化進(jìn)行評(píng)估,結(jié)果表明:研究時(shí)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(jià)值呈增加趨勢,草地和林地占總價(jià)值比例達(dá)到70%以上;預(yù)測2020年和2030年流域的生態(tài)服務(wù)價(jià)值分別增加到5.499億元和5.633億元,1975—2030年間單項(xiàng)生態(tài)服務(wù)價(jià)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(xiàng)占總價(jià)值的60%左右。

以沂河流域?yàn)槔?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(jià)值計(jì)算方法為參考,分析了沂河流域生態(tài)服務(wù)價(jià)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(jià)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(jià)值.

針對(duì)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(píng)價(jià)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?yàn)檠芯繀^(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(jì)模型,對(duì)該流域lucc的過程、趨勢及土地利用程度變化進(jìn)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(zhǔn)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(shí)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(dòng)增強(qiáng)、氣候變化以及徑流變化是lucc的主要驅(qū)動(dòng)因子.

以永定河流域?yàn)檠芯繉?duì)象,對(duì)1978～2009年間6期遙感圖像的土地利用情況進(jìn)行解譯,運(yùn)用景觀格局指標(biāo),分析永定河流域景觀格局動(dòng)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(duì)土地利用/覆被分布及其動(dòng)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(jìn)行坡度分級(jí),把兩個(gè)不同時(shí)期的遙感影像解譯結(jié)果與坡度分級(jí)圖進(jìn)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(gè)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(duì)土地利用格局具有明顯的控制作用。

以欽江流域?yàn)檠芯繉?duì)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(shí)測數(shù)據(jù)對(duì)模型進(jìn)行校準(zhǔn)和驗(yàn)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(duì)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(duì)產(chǎn)流影響較小,對(duì)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(duì)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。

應(yīng)用l-thia（long-termhydrologicimpactassessment）模型，模擬吉林省石頭口門水庫流域1986年至2000年的非點(diǎn)源污染負(fù)荷，定量評(píng)價(jià)土地利用／覆被變化對(duì)非點(diǎn)源污染負(fù)荷的影響。研究結(jié)果表明：1）1986-2000年期間，研究區(qū)土地利用／覆被變化的主要特點(diǎn)為：水田和旱田增加，草地和裸地減少；土地利用／覆被變化對(duì)非點(diǎn)源污染負(fù)荷的影響非常顯著；2）1986年、1995年、2000年三個(gè)時(shí)段內(nèi)研究區(qū)各非點(diǎn)源污染負(fù)荷呈現(xiàn)先增加后減少的趨勢，泥沙和總氮的變化幅度較大，總磷的變化幅度相對(duì)較??；整個(gè)研究時(shí)段內(nèi)表現(xiàn)為總磷的變化幅度大于泥沙和總氮；3）農(nóng)田、林地、居民地的變化對(duì)非點(diǎn)源污染負(fù)荷影響明顯，屬于非點(diǎn)源污染的敏感區(qū)，其面積的較小變化均可引起污染負(fù)荷的較大變動(dòng)；4）林地和草地轉(zhuǎn)化為農(nóng)田導(dǎo)致各非點(diǎn)源污染物負(fù)荷均增加，其中草地轉(zhuǎn)化為農(nóng)田的區(qū)域較?。?km^2），但導(dǎo)致總磷污染增加了255．52kg；農(nóng)田變?yōu)榫用竦睾土值貙?dǎo)致污染負(fù)荷減少，林地轉(zhuǎn)化為草地使得泥沙、總磷污染增加，總氮污染減少。

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(duì)我國土地利用/覆蓋情景模式下的生態(tài)安全進(jìn)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(duì)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?yàn)檠芯繀^(qū),利用1970—2011年的水文氣象資料,分析了不同土地利用的時(shí)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(píng)價(jià)了土地利用變化對(duì)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(jì)80年代到90年代中期呈波動(dòng)性變化;不同的土地利用類型在時(shí)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(huì)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(duì)控制流域水文事件具有重要意義。

土地利用及其覆被變化與區(qū)域生態(tài)環(huán)境息息相關(guān),分析研究lucc對(duì)區(qū)域水環(huán)境的影響,對(duì)調(diào)整和改善當(dāng)前土地利用現(xiàn)狀具有重要指導(dǎo)意義。本文通過闡述lucc對(duì)區(qū)域水環(huán)境的影響機(jī)理,分析不同土地利用現(xiàn)狀對(duì)水環(huán)境的影響,并對(duì)現(xiàn)階段區(qū)域水環(huán)境的研究方法,水文模型和研究成果等方面進(jìn)行總結(jié),論述lucc對(duì)區(qū)域水文水資源影響的研究進(jìn)展。