【作者】 刘海
【关键词】 可持续发展 鄱阳湖流域 生态效应 土地利用 、地学信息图谱
【导师姓名】陈晓玲
【学位名称】博士
【学位年度】2011
【授予单位】武汉大学
【分类号】 P208.2
【录入时间】2017-05-14
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【摘要】随着全球气候问题的日益突出，全球气候变化已成为当今世界的热点问题，受到全球社会各界的广泛关注。气候变化的根源之一，在于对自然资源的过度开发利用，土地是重要的自然资源，土地利用是人类活动与自然环境相互作用的集中体现，其变化是影响全球气候变化的重要驱动因子，国际上已开展了多个有关土地利用的研究计划。我国国土面积占世界7.7%，人口占世界的22%，土地利用历史悠久，加强对我国的土地利用变化的研究，更具有突出的现实意义。鄱阳湖流域地处我国长江中下游南岸，是全国最大的淡水湖，是长江的重要调蓄湖泊和具有世界影响的重要湿地。2009年12月12日，国务院正式批准《鄱阳湖生态经济区规划》，其特色是经济发展的同时保证生态环境的良好状态。以鄱阳湖流域为研究区，研究其土地利用变化及其生态效应，对应对全球气候变化，促进区域可持续发展具有重要的意义。 对土地利用变化的生态效应研究，已有的研究主要从静态生态效应角度分别予以分析。湖区与其它区域相比，其水文循环过程更加复杂，受土地利用变化影响而伴生的水资源生态效应尤为明显。水资源生态效应主要体现在两个重要方面：水质与水量，其处于一个动态变化过程中，因此对湖区土地利用变化的生态效应分析，除静态角度分析外，从动态的角度也予以分析将更加合理。 流域可持续发展评价，已有的研究基于多种数据，选择庞杂的指标体系，确定评价模型。众多的指标体系，虽然能获得较为客观的评价结果，但是对于数据缺乏地区，可操作性与可实现性较差，评价较难进行。此外，研究土地利用变化对流域可持续发展的影响，若选择非土地利用的指标过于宽泛，也不利用突出土地利用变化的影响。但当前基于土地利用数据，选择评价指标分析土地利用变化对流域可持续发展影响的研究仍较少。 地学信息图谱作为一种新的地理时空分析方法论，从被提出以来，逐渐成为地球信息科学的重要研究方法和手段，多位学者分别从图谱理论方法与应用等方面做了大量研究，但是在土地利用生态效应方面地学信息图谱应用较少。在鄱阳湖流域，已有研究主要以鄱阳湖经济区为研究区进行分析。鄱阳湖生态经济区位于鄱阳湖流域的下游，而流域的上游对下游有重要影响，但是当前对鄱阳湖全流域的研究却较少。 本研究分别从静态的角度通过生态服务价值、生态足迹、生态脆弱性三个生态效应分析因子分析流域土地利用变化的静态生态效应，从动态的角度考虑水质与水量两个方面，分析流域水资源的土地利用变化的动态生态效应，静态与动态相结合分析，可以使评估更好地反映流域水资源的特征。在流域可持续发展评价中，基于土地利用数据计算得到的各生态效应作为评价指标，构建可持续发展评价模型，既有较强的可操作性与可实现性，又能较为客观的评价流域可持续发展状态。引入地学信息图谱分析方法，使鄱阳湖流域土地利用变化的生态效应谱系化，可以借助地学信息图谱数据挖掘，知识发现的优势，分析出影响流域可持续发展的生态效应因子，从而提出促进流域可持续发展的土地利用调控建议。以鄱阳湖流域为研究区，研究鄱阳湖流域土地利用变化的生态效应，从全流域的角度分析将更科学、全面。 本研究完成的主要工作以及取得的成果主要体现在以下几个方面： （1）鄱阳湖流域土地利用遥感信息提取与时空变化分析 以鄱阳湖流域1990年的TM影像，2000年的ETM+影像，以及2008年的HJ影像为主要数据源，结合DEM数据，通过解译修正，将研究区土地分为6种土地利用类型：农用地、林地、草地、水域、建设用地、未利用土地。对获取的三个时期的土地利用数据，从面积变化与土地利用动态度两个方面分析了鄱阳湖流域土地利用时空动态变化特征。面积变化分析表明，鄱阳湖流域各时期，面积最大的土地利用类型为林地，其面积各时期占总面积比例均超过一半，其次为农用地与草地，各时期占总面积比例超过10%；其余地类占总面积比例面积都在10%以下。在变化趋势方面，林地与建设用地占全流域面积比例各时期均增加；农用地各时期均减少；未利用地先增加后减少，第三个时期面积相比第一个时期降低；草地与水域占全流域面积比例先减少后增加，第三个时期面积相比第一个时期上升。土地利用动态度分析表明，近20年来，鄱阳湖流域土地利用在快速的变化。变化最快的是建设用地，其次为未利用地与农用地，其它类型变化则较慢。 （2）土地利用变化的静态生态效应分析 从自然影响、社会影响、生态系统内部结构影响等几个方面，从静态角度以生态服务价值、生态足迹、生态脆弱性三个生态效应分析因子，分析了鄱阳湖流域静态生态效应对三个时期土地利用变化的响应。分析结果表明，鄱阳湖流域在3个时期，从全流域角度看，流域总的生态服务价值、人均生态赤字逐步增加，生态脆弱性维持在中度脆弱状态。从各区域的角度看，各生态效应随区域的不同存在较大的差异，在生态服务价值方面，赣州市、九江市、抚州市、上饶市生态服务价值是增加的；南昌市、吉安市、新余市、萍乡市生态价值是下降的，其它区域相对比较稳定；在生态足迹方面，新余市、萍乡市的生态赤字各时期均较大，赣州市、上饶市各时期均较小，其它区域生态赤字处在全省的平均水平附近；在生态脆弱性方面，生态脆弱性最高的地区为萍乡市与赣州市，生态脆弱性处于极高脆弱性与高度脆弱性之间，生态脆弱性最低的为景德镇市，生态脆弱性均处于低度脆弱状态，其它区域的生态脆弱性大部分处于中度脆弱状态与高度脆弱状态。 （3）土地利用变化的动态生态效应分析 从土地利用变化引起的面源污染变化与径流系数的变化两个方面，从动态角度分析了水质与水量两个水资源生态效应因子对土地利用变化的响应。面源污染从吸附态污染物与溶解态污染物两个方面，分别采用土壤流失方程与输出系数模型，估算流域各时期污染物负荷，依次评价水质状态。水量采用SCS次降雨径流水文模型，以各时期不同土地利用信息为主要数据源，设置不同的降雨情景，模拟评估各时期不同土地利用方式下流域径流系数变化，依次分析流域截留降雨、涵养水源的能力。分析结果表明，在全流域，在水质方面，土地利用变化引起的面源污染的变化，使流域的水质由清洁状态降低到较清洁状态；在水量方面，流域截留降雨量、涵养水源的能力，受土地利用变化的影响有限，径流系数在三个时期变化较小。从流域内各区域来看，在水质方面，南昌市受污染程度最重，在第三个时期，受污染等级为最高的重污染，其次为萍乡市；受污染程度较小的区域有：赣州市、景德镇市、吉安市、抚州市，三个时期水质均处于清洁状态；其它区域的水质则处于清洁与轻度污染之间。在水量方面，区域截留降雨量最多，涵养水源最强的区域为景德镇市、赣州市、萍乡市、吉安市、抚州市，其各时期平均径流系数均小于0.5；截留降雨量最少，涵养水源能力最弱的区域为南昌市，其三个时期的平均径流系数均在0.6以上，其次为九江市，径流系数均在0.5以上，其它区域则在0.5左右。 （4）基于地学信息图谱的土地利用变化的生态效应综合分析 以各时期各区域静态与动态两个方面的生态效应分析结果为基础数据，引入地学信息图谱分析方法，构建了鄱阳湖流域土地利用变化生态效应图谱。研究生态效应信息图谱分析方法，以各种生态效应因子，构建了流域可持续发展指数模型，计算了全流域与各区域各时期的可持续发展指数，并评价了其可持续发展水平。然后，通过威弗组合指数，分析了流域可持续发展指数组合结构类型，构建了可持续发展指数的组合类型图谱与结构类型图谱。依据可持续发展指数图谱分析结果，结合土地利用变化趋势，提出了促进鄱阳湖流域可持续发展的土地利用变化调控建议。...
【全文】随着全球气候问题的日益突出，全球气候变化已成为当今世界的热点问题，受到全球社会各界的广泛关注。气候变化的根源之一，在于对自然资源的过度开发利用，土地是重要的自然资源，土地利用是人类活动与自然环境相互作用的集中体现，其变化是影响全球气候变化的重要驱动因子，国际上已开展了多个有关土地利用的研究计划。我国国土面积占世界7.7%，人口占世界的22%，土地利用历史悠久，加强对我国的土地利用变化的研究，更具有突出的现实意义。鄱阳湖流域地处我国长江中下游南岸，是全国最大的淡水湖，是长江的重要调蓄湖泊和具有世界影响的重要湿地。2009年12月12日，国务院正式批准《鄱阳湖生态经济区规划》，其特色是经济发展的同时保证生态环境的良好状态。以鄱阳湖流域为研究区，研究其土地利用变化及其生态效应，对应对全球气候变化，促进区域可持续发展具有重要的意义。 对土地利用变化的生态效应研究，已有的研究主要从静态生态效应角度分别予以分析。湖区与其它区域相比，其水文循环过程更加复杂，受土地利用变化影响而伴生的水资源生态效应尤为明显。水资源生态效应主要体现在两个重要方面：水质与水量，其处于一个动态变化过程中，因此对湖区土地利用变化的生态效应分析，除静态角度分析外，从动态的角度也予以分析将更加合理。 流域可持续发展评价，已有的研究基于多种数据，选择庞杂的指标体系，确定评价模型。众多的指标体系，虽然能获得较为客观的评价结果，但是对于数据缺乏地区，可操作性与可实现性较差，评价较难进行。此外，研究土地利用变化对流域可持续发展的影响，若选择非土地利用的指标过于宽泛，也不利用突出土地利用变化的影响。但当前基于土地利用数据，选择评价指标分析土地利用变化对流域可持续发展影响的研究仍较少。 地学信息图谱作为一种新的地理时空分析方法论，从被提出以来，逐渐成为地球信息科学的重要研究方法和手段，多位学者分别从图谱理论方法与应用等方面做了大量研究，但是在土地利用生态效应方面地学信息图谱应用较少。在鄱阳湖流域，已有研究主要以鄱阳湖经济区为研究区进行分析。鄱阳湖生态经济区位于鄱阳湖流域的下游，而流域的上游对下游有重要影响，但是当前对鄱阳湖全流域的研究却较少。 本研究分别从静态的角度通过生态服务价值、生态足迹、生态脆弱性三个生态效应分析因子分析流域土地利用变化的静态生态效应，从动态的角度考虑水质与水量两个方面，分析流域水资源的土地利用变化的动态生态效应，静态与动态相结合分析，可以使评估更好地反映流域水资源的特征。在流域可持续发展评价中，基于土地利用数据计算得到的各生态效应作为评价指标，构建可持续发展评价模型，既有较强的可操作性与可实现性，又能较为客观的评价流域可持续发展状态。引入地学信息图谱分析方法，使鄱阳湖流域土地利用变化的生态效应谱系化，可以借助地学信息图谱数据挖掘，知识发现的优势，分析出影响流域可持续发展的生态效应因子，从而提出促进流域可持续发展的土地利用调控建议。以鄱阳湖流域为研究区，研究鄱阳湖流域土地利用变化的生态效应，从全流域的角度分析将更科学、全面。 本研究完成的主要工作以及取得的成果主要体现在以下几个方面： （1）鄱阳湖流域土地利用遥感信息提取与时空变化分析 以鄱阳湖流域1990年的TM影像，2000年的ETM+影像，以及2008年的HJ影像为主要数据源，结合DEM数据，通过解译修正，将研究区土地分为6种土地利用类型：农用地、林地、草地、水域、建设用地、未利用土地。对获取的三个时期的土地利用数据，从面积变化与土地利用动态度两个方面分析了鄱阳湖流域土地利用时空动态变化特征。面积变化分析表明，鄱阳湖流域各时期，面积最大的土地利用类型为林地，其面积各时期占总面积比例均超过一半，其次为农用地与草地，各时期占总面积比例超过10%；其余地类占总面积比例面积都在10%以下。在变化趋势方面，林地与建设用地占全流域面积比例各时期均增加；农用地各时期均减少；未利用地先增加后减少，第三个时期面积相比第一个时期降低；草地与水域占全流域面积比例先减少后增加，第三个时期面积相比第一个时期上升。土地利用动态度分析表明，近20年来，鄱阳湖流域土地利用在快速的变化。变化最快的是建设用地，其次为未利用地与农用地，其它类型变化则较慢。 （2）土地利用变化的静态生态效应分析 从自然影响、社会影响、生态系统内部结构影响等几个方面，从静态角度以生态服务价值、生态足迹、生态脆弱性三个生态效应分析因子，分析了鄱阳湖流域静态生态效应对三个时期土地利用变化的响应。分析结果表明，鄱阳湖流域在3个时期，从全流域角度看，流域总的生态服务价值、人均生态赤字逐步增加，生态脆弱性维持在中度脆弱状态。从各区域的角度看，各生态效应随区域的不同存在较大的差异，在生态服务价值方面，赣州市、九江市、抚州市、上饶市生态服务价值是增加的；南昌市、吉安市、新余市、萍乡市生态价值是下降的，其它区域相对比较稳定；在生态足迹方面，新余市、萍乡市的生态赤字各时期均较大，赣州市、上饶市各时期均较小，其它区域生态赤字处在全省的平均水平附近；在生态脆弱性方面，生态脆弱性最高的地区为萍乡市与赣州市，生态脆弱性处于极高脆弱性与高度脆弱性之间，生态脆弱性最低的为景德镇市，生态脆弱性均处于低度脆弱状态，其它区域的生态脆弱性大部分处于中度脆弱状态与高度脆弱状态。 （3）土地利用变化的动态生态效应分析 从土地利用变化引起的面源污染变化与径流系数的变化两个方面，从动态角度分析了水质与水量两个水资源生态效应因子对土地利用变化的响应。面源污染从吸附态污染物与溶解态污染物两个方面，分别采用土壤流失方程与输出系数模型，估算流域各时期污染物负荷，依次评价水质状态。水量采用SCS次降雨径流水文模型，以各时期不同土地利用信息为主要数据源，设置不同的降雨情景，模拟评估各时期不同土地利用方式下流域径流系数变化，依次分析流域截留降雨、涵养水源的能力。分析结果表明，在全流域，在水质方面，土地利用变化引起的面源污染的变化，使流域的水质由清洁状态降低到较清洁状态；在水量方面，流域截留降雨量、涵养水源的能力，受土地利用变化的影响有限，径流系数在三个时期变化较小。从流域内各区域来看，在水质方面，南昌市受污染程度最重，在第三个时期，受污染等级为最高的重污染，其次为萍乡市；受污染程度较小的区域有：赣州市、景德镇市、吉安市、抚州市，三个时期水质均处于清洁状态；其它区域的水质则处于清洁与轻度污染之间。在水量方面，区域截留降雨量最多，涵养水源最强的区域为景德镇市、赣州市、萍乡市、吉安市、抚州市，其各时期平均径流系数均小于0.5；截留降雨量最少，涵养水源能力最弱的区域为南昌市，其三个时期的平均径流系数均在0.6以上，其次为九江市，径流系数均在0.5以上，其它区域则在0.5左右。 （4）基于地学信息图谱的土地利用变化的生态效应综合分析 以各时期各区域静态与动态两个方面的生态效应分析结果为基础数据，引入地学信息图谱分析方法，构建了鄱阳湖流域土地利用变化生态效应图谱。研究生态效应信息图谱分析方法，以各种生态效应因子，构建了流域可持续发展指数模型，计算了全流域与各区域各时期的可持续发展指数，并评价了其可持续发展水平。然后，通过威弗组合指数，分析了流域可持续发展指数组合结构类型，构建了可持续发展指数的组合类型图谱与结构类型图谱。依据可持续发展指数图谱分析结果，结合土地利用变化趋势，提出了促进鄱阳湖流域可持续发展的土地利用变化调控建议。