大凌河流域土地利用/覆被变化及其对气候变化的响应研究

科学认识流域土地利用变化及其特征可以为流域水文变化、水环境变化、气候变化等研究提供基础。以1970—2010年伊洛河流域5期遥感影像数据为基础,利用gis信息技术与空间分析技术,得到不同时期伊洛河流域土地利用/覆被特征,选取土地利用变化率指数、土地利用综合指数和土地利用动态度模型3个指标,分析了近40a来研究区的土地利用/覆被变化特征。结果表明,伊洛河流域土地利用以耕地为主,其次为林地。研究区土地利用处于发展期且土地利用变化处于快速变化水平,随着城镇化面积的逐年增加,流域耕地面积从1990年以后逐年减少,城镇工矿居民用地不断增加,其他如林地、草地和未利用面积变化基本保持不变。从不同的发展阶段来看,1970—1990年间,土地利用/覆被变化不太显著;1990—2000年流域土地利用变化以城镇工矿居民用地增加为主要特征;2000—2005年流域土地利用变化以耕地减少为主要特征;2005—2010年土地利用变化程度较2000—2005年有减缓趋势,但仍然呈现耕地减少、城镇工矿居民用地增加的特征。从不同的高程带来看,洼地和丘陵地带土地变化较剧烈,变化的主要特征为耕地减少、城镇工矿居民用地增加,而中山和高山地带,因为人类活动影响较小,土地利用情况变化很小。

介绍了土地利用/覆被变化的主要形式,分析了土地利用/覆被变化对河流的水文情势、水质、泥沙、河流生态系统的结构、功能和生物多样性的影响,为生态保护提供技术指导。

利用遥感图像、1980年和2000年landsattm影像数据,用分类统计方法、分段比重百分比指标法分析渭河流域土地利用及覆被变化空间分布和转移情况。以清源河小流域为研究实例,用分类水文模型对其进行了模拟。结果表明,黄土高原土地利用及覆被变化对流域年径流有显著影响,即:对径流的影响表现为季节性特征明显;对暴雨形成的洪水过程有延时效应。

以黄河三角洲为研究区,基于1986年6月5日和2009年6月4日的landsattm影像进行土地利用/覆被分类及变化特征研究,同时,基于sebal模型估算区域蒸发蒸腾量,进而分析湿地蒸发蒸腾的数量特征、空间格局特征及其对土地利用/覆被变化的响应特征。结果表明:23年间,58.74%的区域土地利用/覆盖类型发生了变化,未利用地大幅减少,水体和建设用地大幅增加,显著的土地垦殖与耕地荒废则同时存在;蒸发蒸腾强度大小按土地利用/覆被类型排序依次为水体>滩涂>苇地>林草地>耕地>建设用地>未利用地,研究区未利用土地变为水体和耕地是导致区域蒸发蒸腾整体提高的主导原因,而耕地流失则是导致区域蒸发蒸腾整体下降的主要原因,但23年间实际变化以前一种情形占优势,因而区域蒸发蒸腾总体呈现为增加趋势。研究结果对区域土地利用规划和水资源管理有重要的理论和实践指导意义。

为定量分析内陆河干旱区流域土地利用/覆被变化过程和流域水文循环二者的响应关系,选择新疆开都河流域为研究区,设置了多种土地利用/土地覆被的变化情景,并通过swat模型对流域地表径流进行了模拟,结果表明校准期模型的相对误差、纳什效率系数、线性拟合系数分别为-20.13%、0.78、0.82,验证期分别为-18.94%、0.81、0.85,均达到了建立模型所需的标准,模拟结果可信。假定气候条件不变,设定不同土地利用/覆被变化情景进行模拟,结果表明:(1)当流域草地及林地退化为裸地或人工表面时,开都河流域月均流量变化最大,且丰水期流量增大,枯水期流量减小,其中6月流量增大39.55%,10月减小55.35%；(2)当流域林地退化为草地时,流域月均流量整体变化不大,其中4月增加最多,增加1.46%,12月流量减小最多,减小1.05%；(3)当流域裸地及人工表面逐步恢复为草地与林地时,流域月均流量大多减小,其中2月减小最多,为8.00%,10月流量增大最多,为1.01%。

综述土地利用/覆被变化(lucc)对区域气候影响研究进展,并对其研究热点进行分析。lucc对区域气候各因素影响的研究仍然存在较多分歧,如lucc对温度的作用是增是减,影响程度有多大,对降水有无影响以及降水的增减,今后需要更加深入的研究。

以1991年、1998年和2006年3期遥感影像数据为基础,采用土地利用转移矩阵、动态度、利用度和生态环境效益指数模型,研究了漓江流域1991年以来的土地利用变化及其对生态环境效益的影响。结果表明,漓江流域土地利用/覆被于1991～2006年间发生了较大变化,变化的总体趋势为林地、耕地、草地和水域面积减少,并转化为园地、未利用地和建设用地;1991年以来,漓江流域未利用地、建设用地和园地的正向变化速度较大,而林地和草地的负向变化速度较大。漓江流域土地利用综合变化速率呈现增加趋势;土地利用度变化呈现波动特征;漓江流域土地利用/覆被变化的主要人文驱动力为经济因素、政策因素等方面;1991～2006年间土地利用变化降低了漓江流域的生态环境效益,林地向园地的转化及耕地向建设用地的转化是区域生态环境效益下降的主要原因。

土地利用/土地覆被变化改变了地表生态系统组成结构,影响着生态系统功能,威胁着区域生态安全。本文以辽河流域的浑河-太子河流域为研究区,探讨了流域空间尺度上的lucc特征及其所带来的生态效应。研究表明,不同的生态指标对lucc的响应程度略有不同:(1)从景观生态格局角度看,反映生态系统斑块形状特征的景观指数对lucc的响应较弱,而对生态系统斑块之间关系的景观指数对lucc的响应较强。2007年与1992年相比,shdi呈现出变大的趋势,分别反映出各生态类斑块呈均衡化状态变好。contag呈现出变小的趋势,反映出优势生态景观类型的破碎化程度有所增加。(2)从生态功能效应角度看,2007年与1992年相比,lucc使得植被覆盖度、水土保持能力等单因子生态功能效应指标呈现出变好的特征;综合考虑生态系统供给、调节、文化与支持功能的综合生态功能效应呈现出持平的特征。

以洮河流域为研究区，基于swat模型模拟，从多年平均径流、典型年径流和径流波动性等3方面探讨土地利用变化对河川径流过程的影响．结果表明：1980s-2000s洮河流域土地利用变化背景下，上游甘南片区径流量减少、下游黄土片区径流量增加；土地利用变化对上游枯水年径流和下游丰、平水年影响较大；对洮河上游甘南片区径流波动有微弱抑制，使洮河下游黄土片区的径流波动有一定的增强．

以洮河流域为研究区，基于swat模型模拟，从多年平均径流、典型年径流和径流波动性等3方面探讨土地利用变化对河川径流过程的影响．结果表明：1980s-2000s洮河流域土地利用变化背景下，上游甘南片区径流量减少、下游黄土片区径流量增加；土地利用变化对上游枯水年径流和下游丰、平水年影响较大；对洮河上游甘南片区径流波动有微弱抑制，使洮河下游黄土片区的径流波动有一定的增强．

土地利用/土地覆被变化及其环境效应研究成为当前土地变化科学研究的热点领域。我国西南喀斯特山区山高坡陡,地形破碎,土壤侵蚀严重,不合理的土地利用方式是造成喀斯特山区土壤侵蚀的主要人文因素。本文采用\"3s\"技术和rusle模型,分析了近30年来贵州省猫跳河流域土地利用/覆被变化的时空特征,模拟了不同土地利用空间格局下的土壤侵蚀状况,探讨了土地利用变化对土壤侵蚀的影响。结果表明:近30年来流域内土地利用/覆被发生了显著变化,1973年~1990年,水田、灌木林、其他林地、灌草地均在减少,旱地、有林地、水域、建设用地、裸岩地均在增加;1990年~2002年,水田、有林地、灌木林、灌草地、水域、城镇农村居民点建设用地均明显增加,旱地和裸岩地均大幅度减少。流域土壤侵蚀模数由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发生土壤侵蚀的主要土地利用类型。封山育林、植树造林和退耕还林,减少陡坡旱地,是流域进行水土流失治理的有效措施。

基于土地利用空间分析指标和图谱方法,利用五期土地利用数据,结合gis和rs技术,得出南四湖流域1990?2010年土地利用/覆被变化的时空特征:(1)1990?2010年南四湖流域土地利用方式以耕地、城乡建设用地和水域为主,流域土地利用类型的分布与流域内地形密切相关。(2)近20年流域综合土地利用动态度为0.39%,总体变化速度较缓慢。其中,南四湖流域未利用地的减少速度最快,是该流域土地利用变化最独特的特征。(3)流域内各土地类型存在着不同程度的相互转换,城乡建设用地占用耕地是各阶段土地利用类型转换的主要特点,集中分布在流域内的各个县域；82.39%的未利用地在1990?1995年转化为人工水域,主要分布在南四湖湿地自然保护区；耕地与林地和草地之间的相互转换主要发生在流域东部的多山地丘陵地带。

为了实现土地的可持续利用和生态的可持续维护,以藉河流域5期土地利用数据和构建生态系统服务评价模型为基础,运用马尔科夫模型对藉河流域的土地利用及生态服务价值变化进行评估,结果表明:研究时段内坡耕地、梯田、林地和草地的总面积占流域面积的90%以上,坡耕地面积逐期减少,梯田和林地面积增加;1975—2030年流域总的生态服务价值呈增加趋势,草地和林地占总价值比例达到70%以上;预测2020年和2030年流域的生态服务价值分别增加到5.499亿元和5.633亿元,1975—2030年间单项生态服务价值中土壤形成与保持、维持生物多样性、气候调节和气体调节4项占总价值的60%左右。

以沂河流域为例,在arcgis10.2中解译沂河流域2005年和2015年遥感影像,得到两期土地利用数据.并分析了2005-2015年沂河流域土地利用及其变化情况,以costanza生态服务价值计算方法为参考,分析了沂河流域生态服务价值变化情况.结果表明:研究区耕地面积显著减少,但生态服务总价值却从2005年的2338964万元上升到2015年的2427039万元,上升了约3.77％,这主要是由于林地面积的增加带来的较高的生态服务价值.

针对干旱区跨境河流域土地利用/覆被变化(lucc)研究薄弱、无法满足环境变化评价的问题,选择西天山跨越吉尔吉斯斯坦国和中国的阿克苏河流域为研究区,在遥感和gis的支持下,获取了近50a阿克苏河流域土地利用/覆被数据,并利用数理统计模型,对该流域lucc的过程、趋势及土地利用程度变化进行系统分析.结果表明:阿克苏河流域土地变化从前期(1960-1990年)的准平衡状态转变为后期(1990-2008年)的不平衡状态,土地类型也呈现出从双向转换向单向转换过渡,且不同类型差异较大;流域后期lucc的速度是前期的2.1倍,其中耕地和建设用地增加最快而沼泽地和盐碱地减少最快,草地变化速度最小.流域土地利用处于发展时期,且流域下游绿洲区域土地利用程度综合指数及其变化较大.政策调整、人类活动增强、气候变化以及径流变化是lucc的主要驱动因子.

以永定河流域为研究对象,对1978～2009年间6期遥感图像的土地利用情况进行解译,运用景观格局指标,分析永定河流域景观格局动态变化.结果表明:32年来永定河流域以农、林、草业景观为主,耕地面积有下降趋势,林地面积2000年最低,后缓慢上升,水域面积近10年下降明显.景观破碎化程度呈不断上升的趋势,多样性指数逐步升高,景观类型均匀度总体有下降趋势,景观类型转移概率矩阵表明,林地最为稳定,干旱河道的变化最大.

为了研究坡度因素对土地利用/覆被分布及其动态变化的影响,以陕西省西安市长安区为研究区,采用数字高程模型、遥感影像及相关辅助数据,应用gis手段提供的空间分析方法,将长安区地形进行坡度分级,把两个不同时期的遥感影像解译结果与坡度分级图进行了空间叠加分析。研究结果表明,耕地、建筑用地、水域等分布在坡度较小范围,林地、草地的坡度分布范围近似于正态分布。不同年份各土地利用类型在相同坡度所占面积比例基本不变;不同坡度范围内的土地利用变化不尽相同。其它土地类型向耕地和建筑用地的转化主要集中在低坡度范围内,而其它土地类型向林地和草地的转化在整个坡度范围上大体呈正态分布。因此,坡度因素是土地利用/土地覆被的重要影响因素,坡度因素对土地利用格局具有明显的控制作用。

以钦江流域为研究对象,在gis软件的支持下,构建研究区swat分布式水文模型,以径流和泥沙实测数据对模型进行校准和验证,结果显示相关系数r2高于0.9,nash-sutcliffe系数高于0.8,模型模拟精度较高。在固定天气因子等不变的情况下,基于1990、2008年两期土地利用数据,模拟研究区1968—2008年径流产沙过程,并分析土地利用/覆被变化对水文效应的影响,结果表明:1990—2008年土地利用变化主要表现为林地、水田面积减少,旱地、草地、水域和建设用地面积增加;与1990年土地利用情景相比,2008年土地利用情景下径流和输沙总量均增加,土地利用变化对产流影响较小,对产沙影响较显著;由土地利用变化引起的月均径流产沙变化量为汛期增幅大于非汛期;土地利用变化对枯水年径流产沙过程影响最大,平水年次之,丰水年影响最小。

本文通过研究土地利用/覆盖变化和生态安全的相互关系,探讨了两者的相关性,并在此基础上对我国土地利用/覆盖情景模式下的生态安全进行了深入分析,提出了相应政策建议。

为研究海河流域径流对土地利用变化的响应,以阜平流域、匡门口流域和界河铺流域为研究区,利用1970—2011年的水文气象资料,分析了不同土地利用的时空转移特征,然后结合swat(soilandwaterassessmenttool)模型,设置4种土地利用情景,评价了土地利用变化对径流的影响。结果表明:模型能够较好地模拟全年及汛期月流量过程;多年径流量呈下降趋势,20世纪80年代到90年代中期呈波动性变化;不同的土地利用类型在时空上的转化呈现可逆性,主要是林地增加,草地减少,耕地略有增加;林地的增加和草地的减少会降低汛期径流量以及最大月径流量;汛期径流系数随着林地面积的增加而减小。合理地规划土地利用格局,对控制流域水文事件具有重要意义。

基流是干旱区最重要的枯季水文特征之一,在维持河川径流和维护流域生态安全等方面具有重要意义。基于宁夏清水河流域上游1980年、1995年、2000年、2013年四期土地利用数据及原州水文站1984—2014年日径流资料,采用枯季径流分割法进行了基流分割,分析了流域基流、基流指数与景观格局指数之间的相关关系,研究了流域景观格局变化对基流的作用。结果表明:(1)30年中,草地是清水河上游的主导性景观类型。流域景观多样性随时间的推移逐渐增加,整体向好;(2)1984—2014年,清水河上游径流量呈显著减少趋势(p<0.01),基流量呈极显著减少趋势(p<0.001);(3)景观格局指数与基流量的关系较径流量密切,基流量与面积加权平均形状指数(shapeam)、斑块结合度(cohesion)、最大斑块指数(lpi)、斑块丰富度密度(prd)、周长—面积分维数(pafrac)这5个指标的相关性较高,其中与shape_am,cohesion,lpi呈显著正相关,与prd,pafrac呈显著负相关。研究结果可为清水河上游流域生态建设提供科学依据。

以生态绿当量作为土地利用变化环境影响评价的度量指标,引用生态绿当量数学模型,以固原市上黄试区为例,利用1982年、2000年及2010年土地利用现状数据,测算上黄试区不同时期各种用地类型的绿当量和总绿当量,用以衡量生态环境状况。结果表明:1982年,上黄试区生态绿当量为0.88,说明该时段生态服务功能差,没有达到应有的生态标准;1982—2000年,这时期为治理期,经过近20a的生态综合治理,到2000年该试区生态绿当量达到1.266,说明该试区生态环境达标,生态服务功能良好;2000—2010年,在国家退耕还林还草政策条件下,坡耕地进行了深度地退耕,至2010年,该试区生态绿当量达到1.479,说明生态服务功能进一步加强。生态绿当量作为评价区域生态环境指标具有涵义明确、计算方便等优点。