【摘要】：土地系統(tǒng)作為陸地表層最核心的部分,是人類社會(huì)與自然環(huán)境相耦合的復(fù)雜系統(tǒng),其變化深刻影響著物質(zhì)、能量的循環(huán)過(guò)程,改變生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)流動(dòng)及人類福祉,威脅生態(tài)安全。隨著人類活動(dòng)的日益增強(qiáng),土地利用類型、方式都發(fā)生了極大的變化,如何構(gòu)建科學(xué)合理的土地系統(tǒng)研究范式已成為土地科學(xué)、景觀生態(tài)學(xué)、地理學(xué)等多學(xué)科領(lǐng)域關(guān)注的焦點(diǎn)。本文提出了土地系統(tǒng)研究的“三棱錐”模型,以系統(tǒng)觀下的“山、水、林、田、湖、草”人類命運(yùn)共體思想為指導(dǎo),以山東省東部典型的低山丘陵地區(qū)棲霞市為例,以內(nèi)在演變邏輯為主線、時(shí)空尺度為標(biāo)尺,研究了土地系統(tǒng)的數(shù)量和空間結(jié)構(gòu)變化、人為擾動(dòng)時(shí)空分異、土地系統(tǒng)驅(qū)動(dòng)分析、水文生態(tài)效應(yīng)、生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)、生態(tài)安全格局及未來(lái)氣候情景下土地系統(tǒng)模擬和生態(tài)風(fēng)險(xiǎn)預(yù)警七大塊內(nèi)容。以期為土地科學(xué)研究者以及自然資源規(guī)劃與管理部門提供一種系統(tǒng)化、科學(xué)化研究思路。(1)基于多源遙感影像解譯、實(shí)地采樣、數(shù)據(jù)共享等多途徑構(gòu)建了研究區(qū)土地、生態(tài)環(huán)境大數(shù)據(jù)庫(kù),空間化了糧食產(chǎn)量及化肥施用量,評(píng)估了滑坡、泥石流等山地災(zāi)害。研究表明:棲霞市土地利用在2000-2010年變化劇烈,主要為耕地到建設(shè)用地的轉(zhuǎn)移,2010-2015年變化減緩;15年間耕地共減少5485.70hm~2,建設(shè)用地共減少5232.15hm~2;土壤侵蝕得到有效控制;糧食產(chǎn)量急劇減少,化肥施用量顯著增加。基本摸清了棲霞市2000-2015年土地利用類型及結(jié)構(gòu)在數(shù)量、空間分布上的變化特征以及氣候、土壤、植被等自然生態(tài)變化情況,作為土地系統(tǒng)研究體系中的格局探測(cè)模塊為區(qū)域生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)價(jià)值評(píng)估、生態(tài)安全格局構(gòu)建及未來(lái)土地系統(tǒng)空間模擬等土地系統(tǒng)研究的子模塊提供了基礎(chǔ)數(shù)據(jù)支持。(2)利用分布指數(shù)研究研究區(qū)高程、地形起伏度、坡向、坡度變率、地形位指數(shù)等地形梯度下2000-2015年土地利用類型分布特征變化情況。研究發(fā)現(xiàn):低地形梯度是棲霞市土地利用類型的分布及變化的主要梯度區(qū)域,高地形梯度自然狀態(tài)保持度較高,但隨著低地形梯度區(qū)域土地開(kāi)發(fā)強(qiáng)度增加,土地利用類型的轉(zhuǎn)移有向高地形梯度區(qū)域蔓延的趨勢(shì)。該部分研究做為土地系統(tǒng)化研究的格局探測(cè)模塊的子模塊,是對(duì)典型區(qū)域土地系統(tǒng)研究的有效補(bǔ)充,可以反映區(qū)域土地變化特征,同時(shí)為區(qū)域在低地形梯度下合理化、集約化利用,保護(hù)山區(qū)脆弱的生態(tài)環(huán)境提供決策支持。(3)采用面積信息守恒及粒度重采樣方法,以景觀指數(shù)曲線擬合拐點(diǎn)確定研究區(qū)景觀格局最佳分析粒度尺度為30m,同時(shí),利用移動(dòng)窗口法及半變異函數(shù)分析確定研究區(qū)最佳分析幅度尺度為1500m,綜合粒度及幅度確定研究區(qū)特征尺度。以網(wǎng)格采樣構(gòu)建研究區(qū)人為干擾度指數(shù),從全局自相關(guān)及局部自相關(guān)兩個(gè)方面探討了人為干擾的空間聚集和分異特征以及2000-2015年15年間的變化狀況。以城鎮(zhèn)為中心設(shè)定不同緩沖區(qū)樣帶,在特征尺度下分析不同城鎮(zhèn)緩沖半徑內(nèi)人為干擾景觀的破碎化、型狀結(jié)構(gòu)、聚集性以及多樣性四個(gè)方面的景觀格局時(shí)空演變過(guò)程,結(jié)果顯示隨著城鎮(zhèn)中心距離增大,人為干擾逐漸減弱,棲霞市人為干擾下景觀破碎化的距離閾值為10000m,聚集性的距離閾值為6000m,多樣性的距離閾值為4000m�！叭恕亍标P(guān)系耦合在研究區(qū)具有自身特點(diǎn),該部分研究作為土地系統(tǒng)格局探測(cè)模塊的另一個(gè)子模塊,基本摸清了研究區(qū)人類活動(dòng)對(duì)土地系統(tǒng)的影響程度及范圍。(4)以國(guó)民生成總值、人口密度、化肥使用量變化等作為經(jīng)濟(jì)社會(huì)驅(qū)動(dòng),以高程差、降水、溫度、植被凈第一性生產(chǎn)力、土壤侵蝕等作為自然驅(qū)動(dòng)因素,以研究區(qū)土地綜變化動(dòng)態(tài)度、耕地變化動(dòng)態(tài)度、建設(shè)用地動(dòng)態(tài)度為因變量,在小流域尺度下對(duì)比了“社會(huì)-自然”二元驅(qū)動(dòng)下普通最小二乘法和地理加權(quán)回歸兩種驅(qū)動(dòng)分析方法發(fā)現(xiàn):地理加權(quán)回歸模型優(yōu)于普通最小二乘法模型,驅(qū)動(dòng)因素中:地形、國(guó)民生產(chǎn)總值、人口密度、植被凈第一生產(chǎn)力與土地利用綜合動(dòng)態(tài)變化相關(guān),耕地、建設(shè)用地動(dòng)態(tài)變化與地形、國(guó)民生產(chǎn)總值、人口密度密切相關(guān),研究區(qū)土地利用綜合動(dòng)態(tài)度及耕地變化動(dòng)態(tài)度的驅(qū)動(dòng)因素存在顯著的空間分異規(guī)律。根據(jù)區(qū)域特點(diǎn)重點(diǎn)研究變化劇烈土地利用類型的驅(qū)動(dòng)因素,為區(qū)域土地系統(tǒng)可持續(xù)利用的全要素合理配置提供一定的依據(jù)。(5)通過(guò)分布式水文模型SWAT模型對(duì)棲霞市不同時(shí)期不同尺度的徑流量、進(jìn)入主河道的泥沙含量、有機(jī)氮、有機(jī)磷、硝酸鹽含量等水文物質(zhì)循環(huán)狀況進(jìn)行了模擬,使用SWAT-CUP工具利用決定系數(shù)及納什系數(shù)將實(shí)地監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)與模擬數(shù)據(jù)擬合結(jié)果進(jìn)行校驗(yàn),對(duì)模型參數(shù)合理率定,率定結(jié)果顯示模擬精度基本符合研究要求。以非約束的主成分分析方法分析了SWAT模型自動(dòng)劃分的不同小流域景觀格局及水文物質(zhì)分布特征,利用Pearson相關(guān)研究了全流域尺度下,降水與徑流量、進(jìn)入主河道的泥沙及營(yíng)養(yǎng)物的相關(guān)性、土地利用變化與徑流量、泥沙含量以及營(yíng)養(yǎng)物的相關(guān)性,發(fā)現(xiàn)林地為水質(zhì)污染的“匯”類型,耕地及建設(shè)用地為水質(zhì)污染的“源”類型。借鑒生態(tài)學(xué)中對(duì)應(yīng)典范分析(CCA)及路徑分析研究了小流域尺度下景觀格局指數(shù)與水質(zhì)相關(guān)性,景觀水平下斑塊密度和斑塊形狀在兩個(gè)尺度下均對(duì)各類水質(zhì)污染具有截留作用,不同尺度下斑塊蔓延度的作用不同,而景觀多樣性在小流域尺度作用不明顯。本部分研究通過(guò)模型加定量的方法深入探討研究區(qū)“格局與過(guò)程”的關(guān)系,為從土地視角下為魯東低山丘陵地區(qū)的生態(tài)環(huán)境保護(hù)提供了有效解決路徑。(6)在土地系統(tǒng)格局變化探測(cè)及生態(tài)效應(yīng)研究基礎(chǔ)上,借鑒謝高地提出的生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)評(píng)估價(jià)值法及修正方法,利用植被凈第一生產(chǎn)力、降水量以及土壤保持量對(duì)生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)價(jià)值當(dāng)量因子進(jìn)行修正,同時(shí)考慮通貨膨脹等因素加入貼現(xiàn)率修正系數(shù),對(duì)研究區(qū)格網(wǎng)尺度下生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)價(jià)值進(jìn)行了定量化和空間化的評(píng)估,對(duì)生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)價(jià)值敏感分析,單項(xiàng)服務(wù)中,氣候調(diào)節(jié)、水文調(diào)節(jié)及土壤保持三類生態(tài)系統(tǒng)價(jià)值在2000年和2015年分別占到了總價(jià)值的60.70%和61.54%,是棲霞市關(guān)鍵生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)類型。15年間生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)總價(jià)值上升1.74%,但其中糧食供給價(jià)值下降最大,達(dá)到4.51%,水資源供給價(jià)值上升最大,達(dá)7.54%�；谌挚臻g自相關(guān)、局部空間自相關(guān)以及利用簡(jiǎn)單克里金插值等探索性空間分析方法對(duì)2000-2015年棲霞市15年間生態(tài)系統(tǒng)價(jià)值時(shí)空分異特征進(jìn)行研究,發(fā)現(xiàn)生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)價(jià)值的空間尺度依賴性減弱,冷點(diǎn)區(qū)域增加。該部分研究是對(duì)土地系統(tǒng)研究中生態(tài)效應(yīng)模塊的延申,同時(shí)也是區(qū)域生態(tài)安全格局,再到基于生態(tài)安全格局的未來(lái)土地系統(tǒng)空間模擬研究的基礎(chǔ)。(7)基于不同生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)價(jià)值空間分布特征,根據(jù)各服務(wù)功能的聚集性劃分不同等級(jí)生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)重要度區(qū)域,構(gòu)建研究區(qū)綜合生態(tài)安全格局。利用人工神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)算法,以自然和社會(huì)驅(qū)動(dòng)因子數(shù)據(jù)為訓(xùn)練數(shù)據(jù),獲取研究區(qū)土地利用變化適應(yīng)性概率。以生態(tài)安全格局最低等級(jí)區(qū)域設(shè)定為限制發(fā)展區(qū)域,構(gòu)建多智能體決策單元�；谳啽P賭選擇機(jī)制的元胞自動(dòng)機(jī)模型模擬2010年土地利用空間分布,對(duì)模擬結(jié)果進(jìn)行驗(yàn)證,驗(yàn)證結(jié)果表明該模型對(duì)水域及建設(shè)用地模擬精度較高,Kappa系數(shù)均達(dá)到90%以上。使用該模型對(duì)研究區(qū)2030、2050、2070、2100四年土地利用空間變化進(jìn)行模擬,在生態(tài)安全格局約束下未來(lái)80年水域及建設(shè)用地變化不大,耕地面積顯著增加,園地等其他用地顯著減少。以模擬的未來(lái)土地系統(tǒng)空間變化為基礎(chǔ),分析未來(lái)水文生態(tài)環(huán)境風(fēng)險(xiǎn),結(jié)果顯示研究區(qū)水質(zhì)明顯改善,土壤流失量顯著降低。作為土地系統(tǒng)性研究的最終模塊,既是從生態(tài)保護(hù)角度的土地優(yōu)化布局,也是檢驗(yàn)“格局—過(guò)程”優(yōu)化效應(yīng)的有效途徑,為研究區(qū)土地可持續(xù)利用決策具有一定的借鑒作用。本研究從系統(tǒng)觀、可持續(xù)發(fā)展觀出發(fā),深化和完善了典型低山丘陵地區(qū)土地系統(tǒng)利用與保護(hù)理論方法與技術(shù)體系,有效解決了低山丘陵地區(qū)經(jīng)濟(jì)發(fā)展與生態(tài)保護(hù)瓶頸問(wèn)題,突破了區(qū)域歷史數(shù)據(jù)缺失所帶來(lái)的難題,土地空間配置及生態(tài)環(huán)境風(fēng)險(xiǎn)科學(xué)合理的預(yù)測(cè)為研究區(qū)“天-地-人”和諧發(fā)展提供了可靠的技術(shù)支持。
【圖文】：

景和意義源是人類賴以生存和發(fā)展的物質(zhì)基礎(chǔ)。由于自然系統(tǒng)和人類社持續(xù)變化中，人類影響的程度和節(jié)奏在最近十年來(lái)達(dá)到了前所esearch Council,NRC,2011）。土地系統(tǒng)的這些變化影響了我們生源，繼而引環(huán)境、社會(huì)、經(jīng)濟(jì)領(lǐng)域的可持續(xù)發(fā)展問(wèn)題，因此成為全斌，2010）。在我國(guó)，隨著工業(yè)化和城市化進(jìn)程的快速推進(jìn)，現(xiàn)象加劇，，人地矛盾日益尖銳。一方面極大地提高土地利用率和面也導(dǎo)致土壤和環(huán)境質(zhì)量的下降，威脅著糧食安全、食品安全以康。越來(lái)越多的研究開(kāi)始聚焦“土地變化科學(xué)”(蔡運(yùn)龍，2015)、（傅伯杰，2016）、“生態(tài)安全格局”（俞孔堅(jiān)，2012），地表各圈解更加深入，“復(fù)雜的人地系統(tǒng)變化研究及模擬”正逐漸演變成跨學(xué)、生態(tài)學(xué)家所重視（圖 1-1，傅伯杰，2017）。

魯東低山丘陵地區(qū)土地系統(tǒng)時(shí)空演變及其模擬研究”再到“土地資源優(yōu)化配置及可持續(xù)性研究”最后到現(xiàn)地科學(xué)”逐漸向系統(tǒng)化、整體化發(fā)展（彭建等，2017）。應(yīng)生態(tài)學(xué)對(duì)典型區(qū)域土地系統(tǒng)的多尺度時(shí)空分異研究，了解以及種變化對(duì)人類社會(huì)帶來(lái)影響的關(guān)系，從而為制定科學(xué)最終達(dá)到既能滿足人類社會(huì)發(fā)展的需求，又能維護(hù)生態(tài)安
【學(xué)位授予單位】：山東農(nóng)業(yè)大學(xué)
【學(xué)位級(jí)別】：博士
【學(xué)位授予年份】：2019
【分類號(hào)】：F301.2


本文編號(hào)：2664329