本文關(guān)鍵詞：淡水供給生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)量化及變化環(huán)境響應(yīng)　出處：《西北農(nóng)林科技大學(xué)》2017年博士論文　論文類型：學(xué)位論文

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【摘要】：生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)已成為制定流域綜合管理策略的重要組成部分。淡水供給服務(wù)(FWP)作為生態(tài)系統(tǒng)的重要服務(wù)類型之一,對其他各項服務(wù)具有較強的支撐作用。隨著全球人口數(shù)量的增加,人類對淡水供給服務(wù)的需求量日益增加,氣候變化及變異、集約化農(nóng)業(yè)措施等環(huán)境因素的變化,直接改變著流域水文循環(huán)條件,影響其水量和水質(zhì)的變化,進而對淡水供給服務(wù)產(chǎn)生級聯(lián)影響。因此,研究淡水供給服務(wù)量化及變化環(huán)境響應(yīng),對流域水土資源的高效利用及生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)效率的提升具有科學(xué)意義。本文以美國密西西比河流域上游區(qū)(UMRB)為研究區(qū),基于實測徑流及水質(zhì)資料,采用生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)綜合指數(shù)法對UMRB淡水供給服務(wù)進行了量化評價。根據(jù)流域水文氣象、DEM、土地利用/覆被和土壤等資料,構(gòu)建了UMRB流域的SWAT模型,通過對模型參數(shù)的校準以及水文、水質(zhì)及作物產(chǎn)量模擬結(jié)果的驗證,分析探討了模型的適用性�；赟WAT模型的水文、水質(zhì)及作物產(chǎn)量模擬結(jié)果,對UMRB 14個HUC4子流域的淡水和糧食供給服務(wù)進行了量化,并結(jié)合標準化降水指數(shù)(SPI)、標準化土壤含水量指數(shù)(SSWI)和標準化徑流指數(shù)(SSI),探究了不同干旱類型對淡水及糧食供給服務(wù)的影響。運用SWAT模型及兩種區(qū)域氣候模型RCP4.5和RCP8.5排放情景下的氣候預(yù)測數(shù)據(jù),分析評價了FWP效率提升對氣候變化及不同最優(yōu)化管理實踐(BMPs)情景措施的響應(yīng)。主要研究結(jié)論如下:(1)UMRB 13個HUC8子流域近20年的淡水供給服務(wù)指數(shù)(FWPI)整體小于1,FWP明顯低于年總徑流量,表明各子流域淡水供給服務(wù)呈減少態(tài)勢;敏感性分析結(jié)果表明,FWP對各水質(zhì)成分濃度的敏感性最強,對徑流的敏感性次之,而對長期環(huán)境需水量的敏感性最弱,說明水質(zhì)成分濃度對FWP的影響最為明顯;年降水量與FWPI之間呈顯著負相關(guān)關(guān)系,當(dāng)降水量增加時,FWP和FWPI有所減少,究其原因是由于降水量增加的同時,也增大了水體污染物的負荷及濃度,在一定程度上降低了流域水質(zhì)條件,從而減少了FWP,表明對于集約化管理農(nóng)業(yè)流域,若以增加FWP為管理目標,改善流域水質(zhì)條件顯得非常必要。(2)構(gòu)建的UMRB流域SWAT模型校準期和驗證期13個水文站的確定性系數(shù)(R2)、Nash-Sutcliff效率系數(shù)(NSE)和百分比偏差(PBIAS)均滿足模型評價標準(R20.6,NSE0.5,PBIAS25%),月徑流模擬序列與實測序列的變化趨勢基本一致;總氮(TN)、總磷(TP)及泥沙(TSS)月負荷模擬序列與實測序列之間具有顯著的線性相關(guān)性,實測值與模擬值之間的偏差較小(R20.6、PBIAS70%),TN和TP日實測濃度與模擬濃度基本吻合;多數(shù)子流域玉米產(chǎn)量模擬序列與實測序列的PBIAS低于10%,大豆產(chǎn)量實測序列與模擬序列的PBIAS變化位于-18.5%~14.8%。表明所構(gòu)建的SWAT模型具有較高的模擬精度,能夠比較準確地模擬UMRB水文、水質(zhì)及泥沙變化過程,模型具有良好的適用性。(3)UMRB多數(shù)子流域年FWP與12個月時間尺度SSI(SSI12)的相關(guān)性整體高于與12個月時間尺度SPI(SPI12)的相關(guān)性,說明水文干旱較氣象干旱對年FWP的影響更加顯著;季節(jié)性FWP受夏季和秋季降水盈虧條件的影響較顯著,而部分以農(nóng)耕為主的子流域,春季和夏季FWP與3個月時間尺度SPI(SPI3)呈顯著負相關(guān)關(guān)系,r最小值為-0.61~-0.51,表明這一時期FWP主要受SPI3的影響,這也反映了河流水質(zhì)條件與其徑流豐枯程度的內(nèi)在關(guān)系。(4)多數(shù)子流域年FP與3個月時間尺度SSWI(SSWI3)的相關(guān)性整體高于與SPI3的相關(guān)性,說明FP受作物生育期農(nóng)業(yè)干旱的影響較氣象干旱顯著;夏季和早秋時期年FP與SPI3和SSWI3具有顯著相關(guān)性(p0.05),而冬季年FP與SPI3、SSWI3的r值為-0.3~0.3,p0.05,表明FP受夏季和早秋降水量和土壤水分盈虧條件的影響較顯著,而受冬季降水及土壤水分盈虧狀況的影響較小;位于UMRB干流且以農(nóng)耕為主的多數(shù)子流域,春季年FP與SPI3、SSWI3呈顯著負相關(guān)(p0.05),說明FP受春季干旱影響相對較小,過剩的水壓力反而會抑制作物生長,進而減少糧食供給服務(wù)。(5)基準氣候期和兩種氣候模型未來氣候期,免耕(NT)、作物覆蓋(CC)、植被過濾帶(FS)、草皮水道(GW)和各BMPS綜合措施(CM)5種BMPs情景措施下的年FWP均有所提高;CM情景下的年FWP提升效率高于單個BMPs情景,主要原因是各BMPs措施的綜合實施,能夠較大幅度地減少泥沙和營養(yǎng)物負荷及濃度,改善流域水質(zhì)條件,從而提高了CM情景在各子流域的FWP提升效率;NT和CC情景在以農(nóng)耕為主的子流域,FWP提升效率相對較高;FS和GW情景在以非農(nóng)耕為主的子流域中的FWP提升效率相對較高,而在其它以農(nóng)耕為主的子流域中的FWP提升效率相對低于NT和CC情景,這主要是受農(nóng)耕區(qū)地下瓦管排水的影響,田間部分氮以硝酸鹽形式隨地下瓦管水流直接排放到河道中,降低了FS和GW情景對氮的削減作用,使得FWP提升效率相對較低。(6)兩種氣候模型RCP4.5和RCP8.5排放情景的未來氣候條件下,UMRB 6個子流域各BMPs情景的FWP提升效率相對于基準氣候期均有所提高,表明這些子流域未來氣候條件的變化將有利于各BMPs措施提升淡水供給服務(wù)效率;然而,CCCmaCan ESM2 RCA4模型兩種排放情景的未來氣候條件下,Turkey、Peruque-Piasa和Lower Illinois子流域不同BMPs情景的FWP提升效率均有所降低,其主要原因是受未來降水量增加和氣溫上升的綜合影響,過量的污染物負荷由田間運移至河道,使得未來氣候期TN、TP和TSS濃度較大幅度增加,降低了水體水質(zhì)條件,引起未來氣候條件下的年平均FWP有所減少,從而可能降低了未來氣候條件下各BMPs情景措施提升FWP的效率。本文在學(xué)習(xí)國外較前沿的生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)量化理論與研究方法,以及BMPs措施改善流域水質(zhì)條件的基礎(chǔ)上,系統(tǒng)研究了大尺度流域淡水供給生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)量化及變化環(huán)境響應(yīng),期望相關(guān)研究結(jié)果對改進我國流域水土資源利用綜合管理方法、提升生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)效率具有借鑒作用。
[Abstract]:The effects of different drought types on freshwater and food supply were studied by using SWAT model and two regional climate models RCP4.5 and RCP8.5 . ( 3 ) The correlation between the annual FWP of the majority of the sub - basin and the measured sequence was significantly higher than that of the 12 - month time scale SPI ( SPI3 ) . ( 6 ) The efficiency of FWP is higher than that of single BMPs .

【學(xué)位授予單位】：西北農(nóng)林科技大學(xué)
【學(xué)位級別】：博士
【學(xué)位授予年份】：2017
【分類號】：X143;X171.1
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本文編號：1374958