土地利用變化的懷柔水庫流域生態(tài)

為了實現(xiàn)土地的可持續(xù)利用和生態(tài)的可持續(xù)維護(hù),以藉河流域5期土地利用數(shù)據(jù)和構(gòu)建生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)評價模型為基礎(chǔ),運用馬爾科夫模型對藉河流域的土地利用及生態(tài)服務(wù)價值變化進(jìn)行評估,結(jié)果表明:研究時段內(nèi)坡耕地、梯田、林地和草地的總面積占流域面積的90%以上,坡耕地面積逐期減少,梯田和林地面積增加;1975—2030年流域總的生態(tài)服務(wù)價值呈增加趨勢,草地和林地占總價值比例達(dá)到70%以上;預(yù)測2020年和2030年流域的生態(tài)服務(wù)價值分別增加到5.499億元和5.633億元,1975—2030年間單項生態(tài)服務(wù)價值中土壤形成與保持、維持生物多樣性、氣候調(diào)節(jié)和氣體調(diào)節(jié)4項占總價值的60%左右。

應(yīng)用l-thia（long-termhydrologicimpactassessment）模型，模擬吉林省石頭口門水庫流域1986年至2000年的非點源污染負(fù)荷，定量評價土地利用／覆被變化對非點源污染負(fù)荷的影響。研究結(jié)果表明：1）1986-2000年期間，研究區(qū)土地利用／覆被變化的主要特點為：水田和旱田增加，草地和裸地減少；土地利用／覆被變化對非點源污染負(fù)荷的影響非常顯著；2）1986年、1995年、2000年三個時段內(nèi)研究區(qū)各非點源污染負(fù)荷呈現(xiàn)先增加后減少的趨勢，泥沙和總氮的變化幅度較大，總磷的變化幅度相對較??；整個研究時段內(nèi)表現(xiàn)為總磷的變化幅度大于泥沙和總氮；3）農(nóng)田、林地、居民地的變化對非點源污染負(fù)荷影響明顯，屬于非點源污染的敏感區(qū)，其面積的較小變化均可引起污染負(fù)荷的較大變動；4）林地和草地轉(zhuǎn)化為農(nóng)田導(dǎo)致各非點源污染物負(fù)荷均增加，其中草地轉(zhuǎn)化為農(nóng)田的區(qū)域較?。?km^2），但導(dǎo)致總磷污染增加了255．52kg；農(nóng)田變?yōu)榫用竦睾土值貙?dǎo)致污染負(fù)荷減少，林地轉(zhuǎn)化為草地使得泥沙、總磷污染增加，總氮污染減少。

基于沙廠水庫流域1990年、1995年、2005年的tm遙感資料和2000年sport遙感數(shù)據(jù),在gis技術(shù)支持下,建立了沙廠水庫流域土地利用數(shù)據(jù)庫;運用馬爾柯夫模型,對研究區(qū)域內(nèi)土地利用動態(tài)變化進(jìn)行分析研究。通過對流域2005年的土地利用變化進(jìn)行驗證,對該流域2010年的土地利用情況進(jìn)行預(yù)測。結(jié)果表明:①闊葉林、針葉林、灌木林和農(nóng)田面積呈上升態(tài)勢,混交林、其他土地和水域面積呈下降趨勢;②3期土地利用流向基本一致,林地之間存在互動變化,其他土地,水域和農(nóng)田向林地方向轉(zhuǎn)移;③闊葉林、針葉林、灌木林、混交林和其他土地是本流域土地利用變化的主導(dǎo)類型和主要方向,整個演變趨勢使林草面積顯著增加,林地類型以闊葉林和針葉林為主。

運用遙感與地理信息系統(tǒng)技術(shù),對半城子水庫流域2000年和2005年的2期遙感影像數(shù)據(jù)進(jìn)行解譯判讀,結(jié)合土地利用動態(tài)度模型和景觀生態(tài)學(xué)數(shù)量方法分析了流域土地利用和景觀格局的變化。結(jié)果表明:①2000-2005年間,流域土地利用類型發(fā)生了一定變化,但林地始終是流域主導(dǎo)土地利用類型;②研究期內(nèi),半城子水庫流域土地利用年變化速度為1.30%,其中闊葉林是最穩(wěn)定的土地利用類型,其他土地是最活躍的土地利用類型;③類型水平上格局指數(shù)顯示針葉林斑塊形狀最復(fù)雜,混交林的異質(zhì)性較高;④景觀水平的格局指數(shù)顯示,區(qū)域景觀破碎化程度加劇,多樣性增加,均勻度增強。

以洮河流域為研究區(qū)，基于swat模型模擬，從多年平均徑流、典型年徑流和徑流波動性等3方面探討土地利用變化對河川徑流過程的影響．結(jié)果表明：1980s-2000s洮河流域土地利用變化背景下，上游甘南片區(qū)徑流量減少、下游黃土片區(qū)徑流量增加；土地利用變化對上游枯水年徑流和下游豐、平水年影響較大；對洮河上游甘南片區(qū)徑流波動有微弱抑制，使洮河下游黃土片區(qū)的徑流波動有一定的增強．

基流是干旱區(qū)最重要的枯季水文特征之一,在維持河川徑流和維護(hù)流域生態(tài)安全等方面具有重要意義。基于寧夏清水河流域上游1980年、1995年、2000年、2013年四期土地利用數(shù)據(jù)及原州水文站1984—2014年日徑流資料,采用枯季徑流分割法進(jìn)行了基流分割,分析了流域基流、基流指數(shù)與景觀格局指數(shù)之間的相關(guān)關(guān)系,研究了流域景觀格局變化對基流的作用。結(jié)果表明:(1)30年中,草地是清水河上游的主導(dǎo)性景觀類型。流域景觀多樣性隨時間的推移逐漸增加,整體向好;(2)1984—2014年,清水河上游徑流量呈顯著減少趨勢(p<0.01),基流量呈極顯著減少趨勢(p<0.001);(3)景觀格局指數(shù)與基流量的關(guān)系較徑流量密切,基流量與面積加權(quán)平均形狀指數(shù)(shapeam)、斑塊結(jié)合度(cohesion)、最大斑塊指數(shù)(lpi)、斑塊豐富度密度(prd)、周長—面積分維數(shù)(pafrac)這5個指標(biāo)的相關(guān)性較高,其中與shape_am,cohesion,lpi呈顯著正相關(guān),與prd,pafrac呈顯著負(fù)相關(guān)。研究結(jié)果可為清水河上游流域生態(tài)建設(shè)提供科學(xué)依據(jù)。

以洮河流域為研究區(qū)，基于swat模型模擬，從多年平均徑流、典型年徑流和徑流波動性等3方面探討土地利用變化對河川徑流過程的影響．結(jié)果表明：1980s-2000s洮河流域土地利用變化背景下，上游甘南片區(qū)徑流量減少、下游黃土片區(qū)徑流量增加；土地利用變化對上游枯水年徑流和下游豐、平水年影響較大；對洮河上游甘南片區(qū)徑流波動有微弱抑制，使洮河下游黃土片區(qū)的徑流波動有一定的增強．

基于土地利用空間分析指標(biāo)和圖譜方法,利用五期土地利用數(shù)據(jù),結(jié)合gis和rs技術(shù),得出南四湖流域1990?2010年土地利用/覆被變化的時空特征:(1)1990?2010年南四湖流域土地利用方式以耕地、城鄉(xiāng)建設(shè)用地和水域為主,流域土地利用類型的分布與流域內(nèi)地形密切相關(guān)。(2)近20年流域綜合土地利用動態(tài)度為0.39%,總體變化速度較緩慢。其中,南四湖流域未利用地的減少速度最快,是該流域土地利用變化最獨特的特征。(3)流域內(nèi)各土地類型存在著不同程度的相互轉(zhuǎn)換,城鄉(xiāng)建設(shè)用地占用耕地是各階段土地利用類型轉(zhuǎn)換的主要特點,集中分布在流域內(nèi)的各個縣域；82.39%的未利用地在1990?1995年轉(zhuǎn)化為人工水域,主要分布在南四湖濕地自然保護(hù)區(qū)；耕地與林地和草地之間的相互轉(zhuǎn)換主要發(fā)生在流域東部的多山地丘陵地帶。

利用不同時相的遙感影像解譯成果數(shù)據(jù),在地理信息系統(tǒng)軟件支持下,分析鄱陽湖流域土地利用時空格局、土地利用類型的變化趨勢及其變化速率等。研究結(jié)果表明,自1985-2010年近25年來,鄱陽湖流域的主要土地利用類型為林地和耕地;研究期內(nèi),工礦居民點用地、林地和水域面積增加,而耕地、草地和未利用地面積減少;工礦居民點用地增加來源主要為耕地,林地來源主要為耕地,水域來源主要為未利用地;從土地利用穩(wěn)定性來看,工礦居民點用地相對不穩(wěn)定,從流域分析來看,鄱陽湖區(qū)的土地利用相對最不穩(wěn)定。

以永定河流域為研究對象,對1978～2009年間6期遙感圖像的土地利用情況進(jìn)行解譯,運用景觀格局指標(biāo),分析永定河流域景觀格局動態(tài)變化.結(jié)果表明:32年來永定河流域以農(nóng)、林、草業(yè)景觀為主,耕地面積有下降趨勢,林地面積2000年最低,后緩慢上升,水域面積近10年下降明顯.景觀破碎化程度呈不斷上升的趨勢,多樣性指數(shù)逐步升高,景觀類型均勻度總體有下降趨勢,景觀類型轉(zhuǎn)移概率矩陣表明,林地最為穩(wěn)定,干旱河道的變化最大.

科學(xué)認(rèn)識流域土地利用變化及其特征可以為流域水文變化、水環(huán)境變化、氣候變化等研究提供基礎(chǔ)。以1970—2010年伊洛河流域5期遙感影像數(shù)據(jù)為基礎(chǔ),利用gis信息技術(shù)與空間分析技術(shù),得到不同時期伊洛河流域土地利用/覆被特征,選取土地利用變化率指數(shù)、土地利用綜合指數(shù)和土地利用動態(tài)度模型3個指標(biāo),分析了近40a來研究區(qū)的土地利用/覆被變化特征。結(jié)果表明,伊洛河流域土地利用以耕地為主,其次為林地。研究區(qū)土地利用處于發(fā)展期且土地利用變化處于快速變化水平,隨著城鎮(zhèn)化面積的逐年增加,流域耕地面積從1990年以后逐年減少,城鎮(zhèn)工礦居民用地不斷增加,其他如林地、草地和未利用面積變化基本保持不變。從不同的發(fā)展階段來看,1970—1990年間,土地利用/覆被變化不太顯著;1990—2000年流域土地利用變化以城鎮(zhèn)工礦居民用地增加為主要特征;2000—2005年流域土地利用變化以耕地減少為主要特征;2005—2010年土地利用變化程度較2000—2005年有減緩趨勢,但仍然呈現(xiàn)耕地減少、城鎮(zhèn)工礦居民用地增加的特征。從不同的高程帶來看,洼地和丘陵地帶土地變化較劇烈,變化的主要特征為耕地減少、城鎮(zhèn)工礦居民用地增加,而中山和高山地帶,因為人類活動影響較小,土地利用情況變化很小。

根據(jù)嘉陵江流域2000、2005和2015年3期土地利用遙感影像數(shù)據(jù),將地理數(shù)學(xué)方法與gis相結(jié)合,研究了嘉陵江流域15年各種土地利用類型的面積變化、土地利用動態(tài)度等動態(tài)變化信息,并估算了各種土地利用類型的生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)價值。結(jié)果表明,2000—2015年,嘉陵江流域耕地面積持續(xù)減少,而建設(shè)用地、草地、水域、林地和未利用地面積增加；嘉陵江流域生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)價值由2000年的243109.36百萬元減少到2015年的242805.95百萬元；嘉陵江流域生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)價值對價值系數(shù)缺乏彈性,反映耕地面積的變化對研究區(qū)生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)價值的變化具有較大影響。

以1991年、1998年和2006年3期遙感影像數(shù)據(jù)為基礎(chǔ),采用土地利用轉(zhuǎn)移矩陣、動態(tài)度、利用度和生態(tài)環(huán)境效益指數(shù)模型,研究了漓江流域1991年以來的土地利用變化及其對生態(tài)環(huán)境效益的影響。結(jié)果表明,漓江流域土地利用/覆被于1991～2006年間發(fā)生了較大變化,變化的總體趨勢為林地、耕地、草地和水域面積減少,并轉(zhuǎn)化為園地、未利用地和建設(shè)用地;1991年以來,漓江流域未利用地、建設(shè)用地和園地的正向變化速度較大,而林地和草地的負(fù)向變化速度較大。漓江流域土地利用綜合變化速率呈現(xiàn)增加趨勢;土地利用度變化呈現(xiàn)波動特征;漓江流域土地利用/覆被變化的主要人文驅(qū)動力為經(jīng)濟因素、政策因素等方面;1991～2006年間土地利用變化降低了漓江流域的生態(tài)環(huán)境效益,林地向園地的轉(zhuǎn)化及耕地向建設(shè)用地的轉(zhuǎn)化是區(qū)域生態(tài)環(huán)境效益下降的主要原因。

為探析高原湖泊所集成的小尺度自然流域景觀空間變化及其對景觀生態(tài)風(fēng)險的影響,以云南洱海流域3期(1995年、2005年和2015年)landsat遙感影像解譯數(shù)據(jù)為基礎(chǔ),利用gis空間分析技術(shù)和fragstats軟件計算景觀格局指數(shù),并在此基礎(chǔ)上構(gòu)建了景觀生態(tài)風(fēng)險指數(shù),對洱海流域生態(tài)風(fēng)險時空變化及其演化機制進(jìn)行了分析.結(jié)果表明:1995-2015年,流域土地景觀類型面積變化表現(xiàn)為林、草地和水體面積減少,耕地和濕地面積先減少后增加,建設(shè)用地面積顯著增加的變化特點;景觀指數(shù)定量分析表明,流域景觀空間異質(zhì)性下降,景觀類型分布趨于從集中向分散轉(zhuǎn)變,林地對流域景觀的控制作用減弱;20年來,流域生態(tài)趨于惡化,生態(tài)風(fēng)險指數(shù)均值由1995年的0.4998上升到2015年的0.5896,高生態(tài)風(fēng)險面積所占的比重由1995年的34.0％上升到2015年的47.8％,生態(tài)風(fēng)險空間分布由主要沿流域外沿分布轉(zhuǎn)變?yōu)橐原h(huán)洱海地帶為重心的多極分布;流域生態(tài)風(fēng)險時空變化與土地利用類型的演變及人類活動關(guān)系密切,大規(guī)模旅游開發(fā)和城鄉(xiāng)發(fā)展機制上的差異是導(dǎo)致該區(qū)域高生態(tài)風(fēng)險等級區(qū)域增多和轉(zhuǎn)移的重要原因.

生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)的價值評估研究是可持續(xù)發(fā)展評估研究的關(guān)鍵內(nèi)容和焦點。在遙感和gis技術(shù)支持下,本文分析了2000-2008年石羊河流域各市縣土地利用及其變化。在此基礎(chǔ)上,參考costanza生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)價值計算方法和中國陸地生態(tài)系統(tǒng)單位面積服務(wù)價值表,分析近10年來研究區(qū)土地利用變化對生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)價值的影響及其變化情況。結(jié)果表明:在2000-2008年間,石羊河流域土地利用變化以耕地、未利用地和草地為主,主要體現(xiàn)在流域中下游地區(qū)?？傏厔轂榱值?、草地和未利用地的面積減少,耕地和建筑用地的面積顯著增加。這一變化直接影響到生態(tài)服務(wù)價值的變化。就單位面積的生態(tài)服務(wù)價值而言,各市縣差異非常明顯,整個流域存在明顯的自上而下的空間梯度分異。近10年間,流域中下游地區(qū)生態(tài)服務(wù)價值均呈現(xiàn)增加趨勢,而上游山區(qū)呈較少趨勢。這表明中下游地區(qū)受到強烈的外界干預(yù),區(qū)內(nèi)環(huán)境正朝著有利于生態(tài)環(huán)境恢復(fù)的方向轉(zhuǎn)變,而上游山區(qū)生態(tài)環(huán)境則呈現(xiàn)有所惡化的趨勢。

基于高空間分辨率航拍遙感數(shù)據(jù),通過人工目視交互解譯的方式,獲得沙河水庫流域1∶5000比例尺的土地利用數(shù)據(jù)。土地利用類型劃分為18類,詳細(xì)識別出了人為活動影響較大的建設(shè)用地類型(包括村鎮(zhèn)居民用地、道路、工礦用地等)、耕地、茶園(進(jìn)一步劃分為高、中、低覆蓋度茶園)等,并分析了沙河水庫流域土地利用方面存在的問題,可用以指導(dǎo)今后庫區(qū)流域管理工作。

基于landsat遙感影像提取大凌河流域1986~2014年7期土地利用/覆被變化信息,并結(jié)合1986~2014年流域氣候變化情況,發(fā)現(xiàn)大凌河流域土地利用變化對流域氣候變化具有負(fù)面影響。研究表明:(1)近30a大凌河流域土地利用/覆被變化情況表現(xiàn)為:建設(shè)用地和農(nóng)林用地的大幅度擴張,面積分別增加了322.30km2和1504.94km2,并伴隨著水域和旱地及其他未利用地面積的顯著減少,面積分別減少了102.42km2和1724.61km2;(2)大凌河流域近30a來土地利用變化導(dǎo)致流域平均年降水量、平均相對濕度及平均風(fēng)速小幅度下降,分別減少了14.94mm、0.2%和0.04m/s,平均氣溫緩慢上升,增長了0.1℃;(3)退耕還林還草及成立凌河保護(hù)區(qū)等工作能提高流域植被覆蓋面積、使流域水域面積得以回升,從而可以緩解城市熱島效應(yīng)帶來的溫度升高,提高流域生態(tài)環(huán)境質(zhì)量。

土地利用/覆被變化是導(dǎo)致流域水資源發(fā)生變化的重要原因.以中國西北地區(qū)的洮河流域為研究區(qū),構(gòu)建適宜于洮河流域的分布式水文模型(swat),在綜合考慮流域1985-2000年間土地利用/覆被變化特征的基礎(chǔ)上建立多種土地利用/覆被情景,并對不同情景下的水文過程進(jìn)行模擬,得到以下結(jié)論:(1)經(jīng)校準(zhǔn)后的swat模型,其驗證期的相關(guān)系數(shù)r~2、相對誤差r_e和效率系數(shù)e_(ns)分別為0.83、-8%和0.68,說明swat模型在洮河流域徑流量模擬中具有較高的適用性.(2)草地、林地和耕地是洮河流域的主要土地利用類型.林地的壤中流、土壤濕度和產(chǎn)水量最大,耕地的地表徑流和蒸散量最大.與1985年相比,2000年土地利用/覆被情景下地表徑流增加了1.72%,地下徑流和產(chǎn)水量降低了0.8%和0.4%;耕地擴張和城鎮(zhèn)建設(shè)用地情景下流域地表徑流明顯增加,生態(tài)恢復(fù)情景下流域地表徑流和產(chǎn)水量均有所降低.(3)從月徑流量來看,林草地可以減小最大與最小流量的變幅,而耕地的作用正好相反.與1985年相比,2000年土地利用/覆被情景下汛期地表徑流增加1.67%,地下徑流減少0.83%,產(chǎn)水量減少0.36%;非汛期地表徑流增加1.86%,地下徑流減少0.63%,產(chǎn)水量減少0.46%.說明林草地減少對非汛期的影響更大.

土地利用變化對流域產(chǎn)水能力的影響是變化環(huán)境下水循環(huán)演變研究的重要內(nèi)容。文章選取淮河上游息縣流域為研究對象,采用改進(jìn)的分布式新安江模型從徑流模數(shù)角度分析土地利用變化對不同典型年不同時間尺度的產(chǎn)水能力空間分布的影響。結(jié)果表明：在相同降雨條件下,主要土地利用類型的徑流模數(shù)大小為旱地〉水田〉林地;土地利用變化使得流域絕大部分發(fā)生徑流模數(shù)變化的區(qū)域均呈現(xiàn)產(chǎn)水能力增大的趨勢,且流域產(chǎn)水能力年內(nèi)變幅增大。論文研究成果對水土地資源的可持續(xù)利用具有一定的參考價值。

以大通河流域為研究區(qū)域,利用1985年和2005年土地利用數(shù)據(jù),結(jié)合swat分布式水文模型定量評估了流域土地利用/覆被變化的水文效應(yīng).結(jié)果表明:1985-2005年大通河流域的土地利用變化主要表現(xiàn)為草地向耕地、居工地轉(zhuǎn)變,草地所占比例由46.7％驟降至20.9％,而耕地面積由1985年的1065.8km2增加到2005年的3243km2;相較于1985年的土地利用情景,2005年土地利用情景下的模擬的多年平均徑流增加了1.92×108m3,由于上中下游主要的土地利用/覆被變化不同,導(dǎo)致流域徑流變化增加程度由西北至東南逐漸增大;大通河流域年徑流的增加主要表現(xiàn)為汛期徑流增加,訊期月平均徑流增幅達(dá)到了0.40×108m3·mon-1;非汛期徑流則呈不明顯減小趨勢,平均降幅為0.024×108m3·mon-1.合理規(guī)劃大通河流域土地利用方式,提高水源區(qū)涵養(yǎng)能力,對流域水資源可持續(xù)發(fā)展具有重要意義.

為研究海河流域徑流對土地利用變化的響應(yīng),以阜平流域、匡門口流域和界河鋪流域為研究區(qū),利用1970—2011年的水文氣象資料,分析了不同土地利用的時空轉(zhuǎn)移特征,然后結(jié)合swat(soilandwaterassessmenttool)模型,設(shè)置4種土地利用情景,評價了土地利用變化對徑流的影響。結(jié)果表明:模型能夠較好地模擬全年及汛期月流量過程;多年徑流量呈下降趨勢,20世紀(jì)80年代到90年代中期呈波動性變化;不同的土地利用類型在時空上的轉(zhuǎn)化呈現(xiàn)可逆性,主要是林地增加,草地減少,耕地略有增加;林地的增加和草地的減少會降低汛期徑流量以及最大月徑流量;汛期徑流系數(shù)隨著林地面積的增加而減小。合理地規(guī)劃土地利用格局,對控制流域水文事件具有重要意義。

以欽江流域為研究對象,在gis軟件的支持下,構(gòu)建研究區(qū)swat分布式水文模型,以徑流和泥沙實測數(shù)據(jù)對模型進(jìn)行校準(zhǔn)和驗證,結(jié)果顯示相關(guān)系數(shù)r2高于0.9,nash-sutcliffe系數(shù)高于0.8,模型模擬精度較高。在固定天氣因子等不變的情況下,基于1990、2008年兩期土地利用數(shù)據(jù),模擬研究區(qū)1968—2008年徑流產(chǎn)沙過程,并分析土地利用/覆被變化對水文效應(yīng)的影響,結(jié)果表明:1990—2008年土地利用變化主要表現(xiàn)為林地、水田面積減少,旱地、草地、水域和建設(shè)用地面積增加;與1990年土地利用情景相比,2008年土地利用情景下徑流和輸沙總量均增加,土地利用變化對產(chǎn)流影響較小,對產(chǎn)沙影響較顯著;由土地利用變化引起的月均徑流產(chǎn)沙變化量為汛期增幅大于非汛期;土地利用變化對枯水年徑流產(chǎn)沙過程影響最大,平水年次之,豐水年影響最小。