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《武汉大学》 2017年
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湖北汉江流域土地利用时空演变与生态安全研究

杨倩  
【摘要】:生态环境的恶化已成为影响国家安全、地区可持续发展的重要因素,开展生态安全研究,提升生态安全水平已成为全世界的共识。汉江湖北段涵盖了汉江的上中下游。流域内资源丰富、经济基础雄厚,是湖北省重要的社会经济区域和全国主要商品粮基地。作为湖北省乃至长江中游经济带的重要生态屏障区域,汉江流域的生态安全关系到长江中下游流域及其相邻地区广大群众的生存和发展。然而,随着上游流量减少,中下游流域人口的快速增长和工农业活动的加剧,对流域内自然资源的需求持续增大,人类活动不断改变流域土地利用模式,进而影响着流域生态系统服务和生态安全。全面准确地了解湖北汉江流域土地利用变化动态和生态系统变化趋势,科学评估汉江流域的生态安全,是维护流域可持续发展的重要举措。本文以流域内的土地利用变化为切入点,利用研究区1980~2010年间的遥感影像和土地利用数据,采用土地利用动态度、土地利用强度、马尔科夫(Markov)模型和景观格局指数等方法对流域土地利用变化的数量和空间变化进行分析;运用生态价值当量法,对土地利用变化所引起的生态服务经济价值效应进行评估,进而通过重心模型、探索性空间分析方法揭示其变化的时空演变规律;运用水量平衡原理、土壤流失方程(Universal Soil Loss Equation,USLE)、土壤碳库平衡原理和区域食物总热量,从物质量角度,分别对流域水资源供给、土壤保持、固碳功能和产品供给四项重要功能的时空变化趋势展开分析。在此基础上,根据改进的流域压力—状态—响应(pressure-state-response,PSR)模型,从生态系统服务变化的角度,构建流域生态安全评价综合指标体系;基于可拓学和熵权理论,对过去二十年流域的生态安全限制因子、生态安全水平和时空演化规律进行测度分析。综合流域土地利用变化下的生态系统服务价值、生态系统服务功能和生态安全变化趋势和规律,提出流域生态安全管理对策。主要研究如下:(1)揭示了 1980~2010年间流域土地利用的时空演变规律。流域内土地利用强度结构正在发生转变,向人为干扰程度高的建设用地类型发展趋势仍在增强。研究期内,耕地和林地是主要用地类型,耕地面积减少最大,转移方向为建设用地和水域。土地利用变化的活跃区域主要集中于流域两侧、平原腹地和低山丘陵区,应作为土地利用变化的重点监控区。耕地斑块连通性最高,为整个研究区内部的优势类型。流域内优势斑块类型连接度变低,景观破碎度越来越高,斑块形状趋于复杂。(2)分析了 1980~2010年间流域土地利用的生态系统服务价值时空演变趋势。流域内土地利用变化的生态效应价值总量整体上呈先增长、后降低的动态性增长模式,生态效应价值30年增加105.25亿元,但气体调节和气候调节功能的生态价值呈明显下降趋势。流域内中等生态系统服务价值区所占的比例最大。生态效应价值质心总体由南向西北移动9.89 km。区域生态服务价值单元在空间上主要呈高—高自相关和低—低自相关的集聚分布,其中,高—高自相关类型主要分布于流域鄂西北和林区、大洪山林区,呈先增加后减少的倒“V”趋势;低一低自相关类型主要沿汉江干流分布,随时间呈明显的增长趋势,并在南漳县、天门市、武汉市境内显现出连片化趋势。鄂西和鄂西北是未来流域生态系统服务价值重点维护区和保护区,沿江两岸是重点提升区。(3)分析了 1980~2010年间流域土地利用的生态系统服务功能时空变化规律。流域内土地利用变化下的水源供给、土壤保持、固碳和产品供给四项生态功能的等级和空间差异巨大。其中,水源供给功能以较低和低等级为主,土壤保持功能、固碳功能和产品供给功能以较高和高等级占主导优势。水源供给功能较低和低等级区位于鄂北岗地和鄂西低山丘陵区、山区,土壤保持量较低和低等级区分布在鄂西低山、中低山丘陵区和山区裸露的农耕区域,固碳能力较低等级区位于鄂北、沿江两岸和流域下游,产品供给能力低和较低等级区分别位于武汉市和神农架林区。鄂北岗地和鄂西低山丘陵区、山区和沿江两岸是需重点保护的生态服务功能脆弱区;同时,鄂西低山、中低山丘陵区是流域土壤流失治理工作的重点区域。(4)完善了流域生态安全评价PSR概念模型,并生态系统服务角度,构建了流域生态安全综合评价指标体系和测度模型,揭示流域生态安全时空演变规律。流域60%县市生态安全水平处于临界安全水平下,生态安全总体状态经历了逐渐提升又逐渐下降的“∧”型发展过程。评价体系中影响最主要的因子为原材料生产、气体调节和水利水电投资;大多数县市的生态安全限制因子主要为原材料生产、气候调节和造林面积。老河口市、沙洋县、汉川市、天门市、潜江市、武汉市主城区和蔡甸区生态安全等级较低,属于急需改善和提高区域。(5)基于流域生态系统服务价值、生态系统服务功能和生态安全变化趋势,从土地政策、财政政策、投资政策、产业政策和人口政策五个方面,提出流域生态管理策略。
【学位授予单位】:武汉大学
【学位级别】:博士
【学位授予年份】:2017
【分类号】:X24;F301.24

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