研究生知识库

赤水河地跨云南、贵州、四川3省，是长江上游唯一一条干流没有修建水坝、水库的一级支流，是重要的生物多样性优先保护区域。该地区既是长江上游、三峡库区重要的生态屏障，也是我国重要的水源涵养地区，对长江流域社会经济发展有着至关重要的作用。但是近年来随着赤水河流域工业和城市化进程的加快，赤水河流域植被破坏、水土流失日益加剧，土地石漠化面积不断扩大，生态严重退化，流域的生态系统安全和生态系统服务能力受到严重的影响，并且潜在着巨大的生态危机。土地利用和土地覆被的破坏所引起的生态水文效应问题，显著的改变了流域的生态环境以及流域生态系统的服务功能和生态系统的稳定性，严重的制约了西南喀斯特地区社会经济的可持续以及快速发展。本文在对赤水河流域研究区范围界定的基础上，以划定的赤水河流域及其典型区为研究对象，在土地资源学、生态系统生态学、景观生态学、生态经济学、气象学与气候学以及生态水文学等理论的指导下，利用赤水河流域1980年、1990年、2000年、2010年以及2015年35年时间跨度的TM、ETM、OLI卫星遥感影像解译结果，在不同的时空尺度上分析了赤水河流域及其典型区土地利用的时空差异性特征，并将Logistic回归方法与CLUE-S模型方法进行结合模拟了典型区土地利用与驱动力因子之间的定量关系；同时采用生态系统固碳释氧、水土保持以及水源涵养三项生态系统服务类型对赤水河流域生态系统生态效应进行了评估，并采用市场代替法、防护费用法、恢复费用法、影子工程法等方法将这些服务进行货币化，在此基础上建立了流域的生态系统补偿标准。最后以研究区植被、气象、水文以及土壤类型等多源数据为支撑，采用遥感与地理信息系统集成方法、空间统计分析方法揭示了气候变化和人类活动对陆表植被和水文过程的贡献率，并探讨了的生态水文耦合模型在喀斯特地区的应用，取得的主要研究结果如下：（1）土地利用结构时空变化特征赤水河流域各种土地利用类型在1980到2015年间以耕地、灌木林地和草地的面积变化相对较大，其中灌木林地减少的面积最大，从1980年到2015年减少了4081.81km2，对土地利用结构的变化贡献率高达46.40%，变化强度指数也达到了24.77。耕地和草地的变化呈现出增加趋势，研究期内分别增加了3033.37km2和1142.94km2，对土地利用结构的变化贡献率分别达到34.48%和12.99%，变化强度指数分别为18.41和6.94。研究时段内，有林地表现出减少趋势，35年间有林地减少了316.99km2，对土地利用结构的变化贡献率为3.6%，变化强度指数为1.92。建设用地表现出增加趋势，35年间建设用地了175.39km2，对土地利用结构的变化贡献率为1.99%，变化强度指数为1.06。总体来说，赤水河流域不同土地利用类型中变化最大的是灌木林地，其次为耕地和草地。而有林地、建设用地和水体变化较少，三者变化贡献率不超过7%。以上结果反映出在赤水河流域35年土地利用结构变化中，灌木林地的变化起到主导的作用，耕地和草地变化次之。（2）土地利用影响因子定量分析与土地利用多尺度模拟在喀斯特地区林地和灌木林地的出现概率并不是与降水量的大小有着直接的关系，降水量越高的区域的林地和灌木林地的分布概率也不一定越高；而在喀斯特地区林地、灌木林地的分布概率与气温有着显著的正相关关系，说明温度相对较高的地区则林地和灌木林地出现的概率也就越大，由以上两点结论可以得出在喀斯特地区气温因子是地表林灌植被的限制性因子。通过对土地利用多尺度模拟分析发现不同空间尺度上ROC曲线在不同地类之间表现出的特征呈现出一定的规律性，即随着尺度的增加ROC曲线的曲线值表现出了先增加后减少的趋势，而不同的研究区ROC曲线所表现出的尺度效应也不一致。（3）植被覆盖时空变化特征及其对气候的响应研究区地表覆盖NDVI的Sen值介于-0.0244~0.0239之间，整体上呈现出改善趋势（改善的区域的面积＞退化的区域的面积），其中NDVI改善的区域所占的比例为76.07%，退化区域的面积占23.93%。在不同的岩性背景下，喀斯特地区的植被改善的面积大于非喀斯特植被改善的面积，其中喀斯特地区植被改善的区域所占的比重为81.38%，而非喀斯特地区植被改善的面积为68.44%。研究区多年植被旬NDVI与多年旬降水的时滞效应显著大于旬NDVI与多年旬气温的时滞效应，且植被与气温的时滞偏相关系数显著大于植被与降水的相关系数，说明在赤水河流域气温对植被的敏感程度大于降水对植被的敏感程度。赤水河流域植被对降水和气温的响应存在144.80 mm和23.33 ℃的明显阈值，当降水和气温达到这一阈值时，降水和气温的增加或降低均使NDVI呈现减少趋势。通过残差分析发现在赤水河流域气候变化和人类活动对植被的贡献率分别为43.70%和56.30% 。（4）流域生态补偿标准时空动态基于生态系统生态效应的喀斯特地区生态补偿标准研究结果表明，2000年到2010年赤水河流域单位面积生态补偿价值量的平均值呈现出上升趋势，由2000年的4278.44 元/hm2 a上升到2010年的5934.55元/hm2 a，折合成生态补偿的价值总量是由2000年的70.40亿元增加到2010年的97.66亿元；2010年以后流域单位面积生态补偿价值量的平均值则呈现出微弱下降趋势，由2010年的5934.55元/hm2 a下降到2015年的3686.76元/hm2 a，折合成生态补偿价值总量是由2010年的97.66亿元减少到2015年的60.67亿元。（5）不同时空尺度揭示喀斯特流域气候与水文要素的变异性赤水河流域多年径流量呈现减少趋势，减少的速率为0.18亿m3/a，没有达到显著性水平为0.1的水平。用R/S分析法计算得出Hurst指数的H值为0.6983，说明赤水河流域未来年份的径流量呈现出持续性递减的特征。年径流量时间序列具有较强的多时间尺度特征，主周期为28年，主要表现为5~10年和18~40年的震荡周期，其中18~40年的震荡周期信号能量相对较强，周期性最为明显，而5~10年时间尺度能量信号相对偏弱，周期性存在局部显著的特征。从降水和径流的交叉小波功率谱和凝聚谱可以看出，降水和径流之间存在着正相位关系，1960年代到1970年代两者之间呈现出同步变化过程，1990到2005年之间降水量P和径流量Q之间的相位大体为60度左右，约为2年左右，表明降水对径流的变化具有超前作用，径流主要受到约2年的降水变化影响。如果不考虑蒸发量，降水量和人类活动对赤水河流域径流量的贡献分别达到26.4976%和73.5033%；如果考虑蒸发量对赤水河流域径流量的影响，则人类活动对赤水河流域径流量变化的贡献率将会增加到88.1289%。（6）喀斯特典型流域生态水文过程模型模拟将桐梓河流域1997-2010年实测的径流资料分为三部分，第一部分用于模型预热（1990-1995），第二部分用于模型率定（1996-2005），而第三部分用于模型的验证（2006-2015）。模型根据径流参数的相对敏感性，不断调整参数的取值范围，得到一组合适的参数，以达到较好的模拟效果。1996-2005年率定期逐月的实测径流量跟模拟值分布接近，相关性较好，相关性系数R2为0.88，NS=0.74；说明模拟值与实测值接近，且相关程度高，结果可信。2005-2010年验证期的径流量模拟效果良好，与实测值的相关性和误差都在接受范围之内，相关性系数R2为0.69，NS=0.94。本文在以下方面有所创新：（1）基于改进的时滞偏相关分析方法揭示气候变化和人类活动对植被的贡献率，并揭示气候变化和人类活动对地表植被的贡献率；运用累积量斜率变化率比较法（SCRCQ）定量评估了气候变化和人类活动对水文过程的贡献率；（2）以生态系统生态效应评估结果为基础，运用生态经济学方法建立喀斯特流域生态系统生态补偿标准，同时采用SOFM神经网络建立喀斯特地区生态安全评估模型。