【摘要】：土地系統(tǒng)作為陸地表層最核心的部分,是人類社會與自然環(huán)境相耦合的復雜系統(tǒng),其變化深刻影響著物質、能量的循環(huán)過程,改變生態(tài)系統(tǒng)服務流動及人類福祉,威脅生態(tài)安全。隨著人類活動的日益增強,土地利用類型、方式都發(fā)生了極大的變化,如何構建科學合理的土地系統(tǒng)研究范式已成為土地科學、景觀生態(tài)學、地理學等多學科領域關注的焦點。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”人類命運共體思想為指導,以山東省東部典型的低山丘陵地區(qū)棲霞市為例,以內在演變邏輯為主線、時空尺度為標尺,研究了土地系統(tǒng)的數量和空間結構變化、人為擾動時空分異、土地系統(tǒng)驅動分析、水文生態(tài)效應、生態(tài)系統(tǒng)服務、生態(tài)安全格局及未來氣候情景下土地系統(tǒng)模擬和生態(tài)風險預警七大塊內容。以期為土地科學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、科學化研究思路。(1)基于多源遙感影像解譯、實地采樣、數據共享等多途徑構建了研究區(qū)土地、生態(tài)環(huán)境大數據庫,空間化了糧食產量及化肥施用量,評估了滑坡、泥石流等山地災害。研究表明:棲霞市土地利用在2000-2010年變化劇烈,主要為耕地到建設用地的轉移,2010-2015年變化減緩;15年間耕地共減少5485.70hm~2,建設用地共減少5232.15hm~2;土壤侵蝕得到有效控制;糧食產量急劇減少,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構在數量、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模塊為區(qū)域生態(tài)系統(tǒng)服務價值評估、生態(tài)安全格局構建及未來土地系統(tǒng)空間模擬等土地系統(tǒng)研究的子模塊提供了基礎數據支持。(2)利用分布指數研究研究區(qū)高程、地形起伏度、坡向、坡度變率、地形位指數等地形梯度下2000-2015年土地利用類型分布特征變化情況。研究發(fā)現: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)域土地開發(fā)強度增加,土地利用類型的轉移有向高地形梯度區(qū)域蔓延的趨勢。該部分研究做為土地系統(tǒng)化研究的格局探測模塊的子模塊,是對典型區(qū)域土地系統(tǒng)研究的有效補充,可以反映區(qū)域土地變化特征,同時為區(qū)域在低地形梯度下合理化、集約化利用,保護山區(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,以景觀指數曲線擬合拐點確定研究區(qū)景觀格局最佳分析粒度尺度為30m,同時,利用移動窗口法及半變異函數分析確定研究區(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。以網格采樣構建研究區(qū)人為干擾度指數,從全局自相關及局部自相關兩個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)緩沖半徑內人為干擾景觀的破碎化、型狀結構、聚集性以及多樣性四個方面的景觀格局時空演變過程,結果顯示隨著城鎮(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系耦合在研究區(qū)具有自身特點,該部分研究作為土地系統(tǒng)格局探測模塊的另一個子模塊,基本摸清了研究區(qū)人類活動對土地系統(tǒng)的影響程度及范圍。(4)以國民生成總值、人口密度、化肥使用量變化等作為經濟社會驅動,以高程差、降水、溫度、植被凈第一性生產力、土壤侵蝕等作為自然驅動因素,以研究區(qū)土地綜變化動態(tài)度、耕地變化動態(tài)度、建設用地動態(tài)度為因變量,在小流域尺度下對比了“社會-自然”二元驅動下普通最小二乘法和地理加權回歸兩種驅動分析方法發(fā)現:地理加權回歸模型優(yōu)于普通最小二乘法模型,驅動因素中:地形、國民生產總值、人口密度、植被凈第一生產力與土地利用綜合動態(tài)變化相關,耕地、建設用地動態(tài)變化與地形、國民生產總值、人口密度密切相關,研究區(qū)土地利用綜合動態(tài)度及耕地變化動態(tài)度的驅動因素存在顯著的空間分異規(guī)律。根據區(qū)域特點重點研究變化劇烈土地利用類型的驅動因素,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。(5)通過分布式水文模型SWAT模型對棲霞市不同時期不同尺度的徑流量、進入主河道的泥沙含量、有機氮、有機磷、硝酸鹽含量等水文物質循環(huán)狀況進行了模擬,使用SWAT-CUP工具利用決定系數及納什系數將實地監(jiān)測數據與模擬數據擬合結果進行校驗,對模型參數合理率定,率定結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模型自動劃分的不同小流域景觀格局及水文物質分布特征,利用Pearson相關研究了全流域尺度下,降水與徑流量、進入主河道的泥沙及營養(yǎng)物的相關性、土地利用變化與徑流量、泥沙含量以及營養(yǎng)物的相關性,發(fā)現林地為水質污染的“匯”類型,耕地及建設用地為水質污染的“源”類型。借鑒生態(tài)學中對應典范分析(CCA)及路徑分析研究了小流域尺度下景觀格局指數與水質相關性,景觀水平下斑塊密度和斑塊形狀在兩個尺度下均對各類水質污染具有截留作用,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。本部分研究通過模型加定量的方法深入探討研究區(qū)“格局與過程”的關系,為從土地視角下為魯東低山丘陵地區(qū)的生態(tài)環(huán)境保護提供了有效解決路徑。(6)在土地系統(tǒng)格局變化探測及生態(tài)效應研究基礎上,借鑒謝高地提出的生態(tài)系統(tǒng)服務評估價值法及修正方法,利用植被凈第一生產力、降水量以及土壤保持量對生態(tài)系統(tǒng)服務價值當量因子進行修正,同時考慮通貨膨脹等因素加入貼現率修正系數,對研究區(qū)格網尺度下生態(tài)系統(tǒng)服務價值進行了定量化和空間化的評估,對生態(tài)系統(tǒng)服務價值敏感分析,單項服務中,氣候調節(jié)、水文調節(jié)及土壤保持三類生態(tài)系統(tǒng)價值在2000年和2015年分別占到了總價值的60.70%和61.54%,是棲霞市關鍵生態(tài)系統(tǒng)服務類型。15年間生態(tài)系統(tǒng)服務總價值上升1.74%,但其中糧食供給價值下降最大,達到4.51%,水資源供給價值上升最大,達7.54%�；谌挚臻g自相關、局部空間自相關以及利用簡單克里金插值等探索性空間分析方法對2000-2015年棲霞市15年間生態(tài)系統(tǒng)價值時空分異特征進行研究,發(fā)現生態(tài)系統(tǒng)服務價值的空間尺度依賴性減弱,冷點區(qū)域增加。該部分研究是對土地系統(tǒng)研究中生態(tài)效應模塊的延申,同時也是區(qū)域生態(tài)安全格局,再到基于生態(tài)安全格局的未來土地系統(tǒng)空間模擬研究的基礎。(7)基于不同生態(tài)系統(tǒng)服務價值空間分布特征,根據各服務功能的聚集性劃分不同等級生態(tài)系統(tǒng)服務重要度區(qū)域,構建研究區(qū)綜合生態(tài)安全格局。利用人工神經網絡算法,以自然和社會驅動因子數據為訓練數據,獲取研究區(qū)土地利用變化適應性概率。以生態(tài)安全格局最低等級區(qū)域設定為限制發(fā)展區(qū)域,構建多智能體決策單元。基于輪盤賭選擇機制的元胞自動機模型模擬2010年土地利用空間分布,對模擬結果進行驗證,驗證結果表明該模型對水域及建設用地模擬精度較高,Kappa系數均達到90%以上。使用該模型對研究區(qū)2030、2050、2070、2100四年土地利用空間變化進行模擬,在生態(tài)安全格局約束下未來80年水域及建設用地變化不大,耕地面積顯著增加,園地等其他用地顯著減少。以模擬的未來土地系統(tǒng)空間變化為基礎,分析未來水文生態(tài)環(huán)境風險,結果顯示研究區(qū)水質明顯改善,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)保護角度的土地優(yōu)化布局,也是檢驗“格局—過程”優(yōu)化效應的有效途徑,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)利用與保護理論方法與技術體系,有效解決了低山丘陵地區(qū)經濟發(fā)展與生態(tài)保護瓶頸問題,突破了區(qū)域歷史數據缺失所帶來的難題,土地空間配置及生態(tài)環(huán)境風險科學合理的預測為研究區(qū)“天-地-人”和諧發(fā)展提供了可靠的技術支持。
【圖文】：

景和意義源是人類賴以生存和發(fā)展的物質基礎。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)奏在最近十年來達到了前所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、經濟領域的可持續(xù)發(fā)展問題，因此成為全斌，2010）。在我國，隨著工業(yè)化和城市化進程的快速推進，現象加劇，，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致土壤和環(huán)境質量的下降，威脅著糧食安全、食品安全以康。越來越多的研究開始聚焦“土地變化科學”(蔡運龍，2015)、（傅伯杰，2016）、“生態(tài)安全格局”（俞孔堅，2012），地表各圈解更加深入，“復雜的人地系統(tǒng)變化研究及模擬”正逐漸演變成跨學、生態(tài)學家所重視（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”最后到現地科學”逐漸向系統(tǒng)化、整體化發(fā)展（彭建等，2017）。應生態(tài)學對典型區(qū)域土地系統(tǒng)的多尺度時空分異研究，了解以及種變化對人類社會帶來影響的關系，從而為制定科學最終達到既能滿足人類社會發(fā)展的需求，又能維護生態(tài)安
【學位授予單位】：山東農業(yè)大學
【學位級別】：博士
【學位授予年份】：2019
【分類號】：F301.2


本文編號：2664329