【摘要】：生態(tài)系統(tǒng)服務價值評估是生態(tài)系統(tǒng)可持續(xù)性研究的基礎,根據(jù)歷史時期的生態(tài)系統(tǒng)類型和地表覆蓋狀況,以生態(tài)服務價值最大化為目標,以空間適宜性為原則對生態(tài)系統(tǒng)類型數(shù)量和空間分布預測與優(yōu)化具有十分重要的意義。北京地區(qū)地形地貌較復雜,生態(tài)景觀類型豐富多樣,城市密集、人口稠密、產(chǎn)業(yè)集聚,不合理的生態(tài)系統(tǒng)類型組合方式使生態(tài)系統(tǒng)面臨較大壓力,城市化進程過快使得生態(tài)環(huán)境資源利用不夠集約、還存在犧牲生態(tài)環(huán)境效益獲取經(jīng)濟效益的情況,使得研究區(qū)內(nèi)社會經(jīng)濟發(fā)展與生態(tài)環(huán)境保護之間的矛盾較為突出。進行生態(tài)系統(tǒng)景觀格局預測及優(yōu)化研究,對于改變現(xiàn)行的不健全價值體系、增強人們的環(huán)境保護意識、生態(tài)環(huán)境資源集約合理利用,并實現(xiàn)可持續(xù)發(fā)展具有一定的意義。 遙感技術具有空間宏觀性、多分辨率(光譜和空間)、多時相、周期性、信息量豐富等特點,具有其他觀測手段無可比擬的優(yōu)勢,即可以提供生態(tài)系統(tǒng)的宏觀空間分布信息,又能提供局部的詳細信息及隨時間、空間變化的動態(tài)信息等,使其成為生態(tài)系統(tǒng)研究的有力工具。本研究選取北京市為研究區(qū),以遙感技術為分析手段,在動態(tài)估算1978-2010年間生態(tài)系統(tǒng)類型的空間分布信息以及生態(tài)環(huán)境質量參數(shù)的基礎上評估了研究區(qū)的生態(tài)系統(tǒng)服務價值,并以其最大化為目標,對研究區(qū)未來生態(tài)系統(tǒng)景觀格局進行了預測及優(yōu)化研究。研究內(nèi)容及相關結論如下： (1)生態(tài)系統(tǒng)景觀格局變化分析 分析北京地區(qū)的地域特征,結合國家二級分類體系,得出適用于北京地區(qū)生態(tài)系統(tǒng)服務價值評估的分類體系為農(nóng)田、森林、草地、水域、城市、荒漠六類；以16景Landsat系列中分辨率遙感影像為數(shù)據(jù)源,結合2010年166個野外調(diào)查數(shù)據(jù),采用基于特征向量組合的神經(jīng)網(wǎng)絡算法提取1978年-2010年32年4個時期的生態(tài)系統(tǒng)類型空間分信息;利用轉移矩陣與景觀指數(shù)分析北京地區(qū)近32年來各生態(tài)系統(tǒng)類型面積內(nèi)部結構變化規(guī)律與景觀格局的時空變化規(guī)律：從1978-2010年間農(nóng)田面積、荒漠大量減少,減少幅度分別為42.00%,58.15%,森林面積、城市面積大幅增加,增加幅度分別為35.87%,39.43%,草地變動幅度較大、水域基本保持穩(wěn)定,農(nóng)田與荒漠多轉為森林和城市。北京地區(qū)從類型水平景觀指數(shù)分析結果顯示：森林、農(nóng)田和城市三種生態(tài)系統(tǒng)類型景觀面積百分比最高,景觀破碎度與景觀分維數(shù)低于草地、水域和荒漠,凝聚度則高于其他他三種生態(tài)系統(tǒng)類型,屬于研究區(qū)的優(yōu)勢觀類型；從景觀水平看：斑塊密度指數(shù)、平均分維數(shù)以及多樣性指數(shù)的下降以及凝聚度指數(shù)的上升都說明研究區(qū)受到人類影響的程度在不斷加大,使得景觀破碎度越來越小,景觀形狀越來越規(guī)則,而各生態(tài)系統(tǒng)類型景觀斑塊在景觀中趨于均衡。 (2)生態(tài)環(huán)境質量參數(shù)估算與變化分析 土壤侵蝕量和NPP是估算生態(tài)系統(tǒng)服務價值的物質量基礎和必要前提,因此也是表征生態(tài)環(huán)境質量的重要參數(shù)。以前兩章研究基礎(空間化的氣象、土壤、地形數(shù)據(jù)與歷史各時期生態(tài)系統(tǒng)類型空間分布)為數(shù)據(jù)源,分別采用通用土壤流失方程(USLE)和光能利用率模型計算北京地區(qū)32年士壤侵蝕量以及NPP的時空分布,然后對這兩個表征生態(tài)環(huán)境質量的重要參數(shù)的時空格局變化及影響因子進行分析,結果表明：32年來北京地區(qū)發(fā)生輕度、微度侵蝕的比例占總面積的70%-80%,其中輕度、微度侵蝕的區(qū)域面積占總侵蝕面積的90%,西部及東北部有少部分地區(qū)發(fā)生中度以上侵蝕。不同生態(tài)系統(tǒng)類型土壤侵蝕強度順序為荒漠森林草地農(nóng)田。侵蝕量從1978年到2010年一直呈上升勢態(tài),2000年達到最高,然后開始回落。不同坡度下土壤侵蝕變化規(guī)律表現(xiàn)為坡度越高侵蝕強度越強,侵蝕總量表現(xiàn)為隨坡度升高侵蝕總量先升高后降低；NPP均值和總量都是連年遞減的,均值從1978年的1703.46gC/m2·a減少到2010年的1348.09gC/m2·a,總量從1978年的37.66TgC·a減少到2010年的22.25TgC-a。不同生態(tài)系統(tǒng)類型產(chǎn)生NPP的量為森林農(nóng)田荒漠草地城市水域。降水、太陽總輻射、溫度都是影響NPP生產(chǎn)的重要因子,NPP與降水量、太陽輻射正相關,與溫度負相關。 (3)生態(tài)系統(tǒng)服務價值定量估算與變化分析 結合北京地區(qū)生態(tài)環(huán)境特點,考慮數(shù)據(jù)的可取性和可靠性,確定了北京地區(qū)適用于遙感的生態(tài)系統(tǒng)服務價值評估指標體系,包括生產(chǎn)有機物、營養(yǎng)物質循環(huán)、涵養(yǎng)水、土壤保持、吸收和分解污染物質、氣體調(diào)節(jié)6項服務功能；以木研究第四章研究基礎(北京地區(qū)歷史各時期土壤侵蝕量和NPP)為生態(tài)系統(tǒng)服務價值物質量,針對每項服務功能,計算北京地區(qū)1978-2010年32年4個時間期的單項單位面積服務價值的年際變化并分析不同生態(tài)系統(tǒng)類型下該項生態(tài)系統(tǒng)服務價值的變化特點;對北京地區(qū)生態(tài)系統(tǒng)服務價值的組成及其時空格局進行了深入的分析：在總價值中,生態(tài)系統(tǒng)涵養(yǎng)水的服務功能所產(chǎn)生的價值貢獻最大,其次依次為營養(yǎng)物質循環(huán)服務價值、生產(chǎn)有機物價值、土壤保持價值、氣體調(diào)節(jié)價值、吸收和分解污染物的價仇。32年間北京地區(qū)生態(tài)系統(tǒng)服務總價值一直呈現(xiàn)逐漸下降的趨勢,1978年最高為1425.48x 108元/a,2010年最少為919.82×108元/a,降幅為35.47%,下降幅度較大。1978年-2010年單位面積服務價值變化趨勢與服務總價值致,1978年最高,2010年最低,價值區(qū)間在8.70元/m2-5.61元／m2,變化幅度為35.45%。生態(tài)系統(tǒng)服務總值的空間分布呈現(xiàn)出北高南低、西北高東南低、山區(qū)高平原低的特點；不同土地利用／覆蓋類型的生態(tài)系統(tǒng)服務價值大小順序為森林農(nóng)田城市荒漠水域草地,而單位面積服務價值的大小順序為農(nóng)田森林水域草地荒漠城市。 (4)生態(tài)系統(tǒng)景觀格局變化預測與灰色優(yōu)化研究 根據(jù)各歷史時期生態(tài)系統(tǒng)類型景觀格局空間分布,采用CA-Markov模型進行2020年景觀格局預測,利用Markov預測各生態(tài)系統(tǒng)類型之間轉移概率,利用CA實現(xiàn)空間轉移模擬。CA-Markov模型可以較好地模擬北京地區(qū)生態(tài)系統(tǒng)景觀格局變化趨勢,但這種趨勢從生態(tài)效益的角度來看是不合理的。為了使北京地區(qū)生態(tài)系統(tǒng)服務價值實現(xiàn)最大化,各生態(tài)系統(tǒng)類型之間結構布局合理,采用灰色系統(tǒng)與元胞自動機相結合,利用灰色理論實現(xiàn)空間模擬的優(yōu)化。采用灰色線性規(guī)劃算法,以生態(tài)系統(tǒng)服務價值最大化為目標函數(shù),優(yōu)化各生態(tài)系統(tǒng)類型的數(shù)量面積組合,利用灰色關聯(lián)度篩選各生態(tài)類型空間適應性評價指標并確定其權重,然后采用灰色聚類進行空間適宜性評價,生成各生態(tài)類型空間適應性規(guī)則。最后,將數(shù)量優(yōu)化方案與空間優(yōu)化方案共同輸入CA模型中,實現(xiàn)了2020年北京地區(qū)生態(tài)系統(tǒng)景觀格局優(yōu)化。本優(yōu)化模型基本實現(xiàn)使生態(tài)系統(tǒng)景觀格局既能在數(shù)量結構上達到優(yōu)化的目的,又能在空間布局上達到優(yōu)化,使各生態(tài)系統(tǒng)的空間布局優(yōu)化和生態(tài)服務價值數(shù)量結構優(yōu)化,最終實現(xiàn)了生態(tài)系統(tǒng)景觀格局優(yōu)化的既定目標。 本研究的主要特色與創(chuàng)新之處： 1.將以往利用單位面積價值當量對生態(tài)系統(tǒng)服務價值總量進行靜態(tài)評估改為基于時間序列時空數(shù)據(jù)的動態(tài)評估。論文以時間序列的遙感、土壤、氣象、社會經(jīng)濟為數(shù)據(jù)源,利用遙感技術、GIS空間分析技術、計算機技術,選取十壤侵蝕量與NPP為生態(tài)環(huán)境質量評價參數(shù),動態(tài)估算了北京地區(qū)32年間(1978-2010)的單位面積單項生態(tài)系統(tǒng)服務價值,并分析了生態(tài)環(huán)境質量變化與生態(tài)服務價值構成及變化規(guī)律。 2.耦合灰色理論與元胞自動機CA,對北京地區(qū)生態(tài)系統(tǒng)景觀格局進行預測及數(shù)量與空間優(yōu)化。首先,利用灰色線性規(guī)劃算法,以生態(tài)系統(tǒng)服務價值最大化為目標函數(shù),以生態(tài)環(huán)境、社會經(jīng)濟數(shù)據(jù)為約束條件,優(yōu)化各類型生態(tài)系統(tǒng)的數(shù)量面積組合；然后,利用灰色關聯(lián)度篩選各生態(tài)類型空間適應性評價指標并確定其權重,采用灰色聚類進行空間適宜性評價,估算各生態(tài)類型空間適應性規(guī)則；最后,在模型CA中將數(shù)量與空間優(yōu)化方案作為演化規(guī)則,預測并優(yōu)化了2020年北京地區(qū)的生態(tài)系統(tǒng)景觀格局。
【學位授予單位】：北京林業(yè)大學
【學位級別】：博士
【學位授予年份】：2012
【分類號】：X171;P901

【參考文獻】

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10 何丹;金鳳君;周t，

本文編號：2687196