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平原河网地区景观格局变化与多尺度环境响应研究

赵军  
【摘要】:景观格局与生态过程之间的关系是当前土地利用变化研究领域的热点问题和前沿领域。从区域景观格局变化及其地表水环境响应的视角来审视土地利用变化所产生的生态环境问题和现象,对于区域景观格局优化和水环境保护具有重要的理论和现实意义。平原河网地区河道纵横交错,流域边界模糊,对该区域进行景观格局的水环境响应研究面临许多挑战。论文依据景观格局与生态过程关系的基本规律,尝试从景观生态学、生态水文学、环境管理学等多学科综合研究角度,以上海地区为案例区域,对平原河网地区快速城市化过程中土地利用和景观格局变化的过程和特征进行了详细论述和探讨。针对平原河网地区所具有的特殊区域水文地貌特征,论文着手于该区域景观格局对地表水环境质量空间分异的控制作用,对平原河网地区景观格局环境响应研究的理论和方法进行了较为系统地探析,提出平原河网地区在快速城市化过程中的景观格局优化方案。论文主要工作和研究结论可归纳为以下几个方面。 (1)采用土地利用转移矩阵、景观格局指数等方法,对上海中心城区自1947年以来的土地利用和景观格局变化过程和特征进行较为深入地分析和探讨,研究结果表明,①上海中心城区在近60a时期内经历了快速城市化过程,突出表现为农业用地和村镇用地的大量消失,以及居住用地、公共建筑用地的不断增加。②农业用地对城市用地类型贡献大小依次为:居住用地、公共建筑用地、工业用地、道路用地,其中居住和公共用地约占农业用地转出面积的60%。研究时期内土地利用的主导变化类型具有阶段性特征,1947~1979年时期内主要表现为农业用地向城市用地转变,而1989~2006年时期内则表现为工业用地转变为其他城市用地。⑧上海中心城区景观格局变化研究中发现,常用景观格局指数在描述区域景观格局变化过程中往往存在相互矛盾、对景观格局变化的响应敏感性较低、受遥感数据分辨率影响十分明显等问题,论文认为斑块数、最大斑块指数、平均斑块面积、边界密度、散置与并列指数等5个指数可作为探讨城市化区域景观格局变化的最简景观格局指数体系。 (2)对上海中心城区自1950s以来八个时期的河网水系数据进行解译和空间拓扑结构的重新建立,以廊道曲度和连通性为表征指标,探讨了近60年来区域土地利用变化对平原河网地区的地域性景观即水系廊道景观结构的变化规律,结果认为,①近60a以来上海中心城区在快速城市化过程中河流水域急剧消亡,区域河道数量由465条锐减为63条,河网密度下降了67%,河道数量上的消失速度快于长度上的消失速度。河道消亡速度具有阶段性,1990s后河道消亡速度达到最快为11.28 km/a,消亡河道主要集中于200~1000m的中小河道,占总消亡河道数60%。②上海中心城区河流迅速消失对区域河网廊道景观连通性产生显著影响,1950~1994年期间河网水系廊道连接率大于1,水系为网状结构,而1994年之后河网连接率开始小于1,即水系逐渐转为树枝状结构,当前上海中心城区河网已不具有平原感潮河网的水系结构表现。同时,河道廊道曲度也有从低曲度河道向高曲度河道转变的趋势。 (3)采用GIS划分水质断面的不同半径缓冲区作为平原河网地区水质响应单元(集水区),探讨了区域景观格局对地表水水质空间分异规律的控制作用,初步研究显示,①景观格局变量与水质参数的RDA分析结果表明,景观格局是控制平原河网地区水质空间分异规律的主导因素,各个半径缓冲区空间单元景观格局变量对水质空间分异现象的解释比例均大于50%。土地利用强度差异、水文联系、点源污染等非景观格局因素对研究区域水质空间分异亦有贡献。②影响水质空间分异的景观格局变量随研究空间尺度增加而趋向多元化,在较小尺度上唯有少数景观格局数量指标对水质分异具有显著解释能力,而较大尺度上景观格局的数量指标、结构指标以及区域水文特征都有显著影响。③景观格局的环境响应规律具有明显的尺度依赖性,景观格局变量对水质分异规律的解释能力随研究尺度增大而增加,但这种解释能力的增加率随尺度增加趋于平缓,景观格局对水环境控制作用在空间尺度上表现为非线性关系。④区域总不透水面TIA与水环境质量之间关系存在明显的阈值效应,临界TIA=60%。区域总不透水面积比例小于60%时,水环境质量基本保持稳定而与TIA指标无显著关系;当大于60%时,区域水环境质量随TIA增加发生跃变。这一现象适合于COD等诸多水质指标,唯DO不存在阈值效应,而是基本表现为随TIA增加而单调递减。总不透水面TIA与区域水环境质量之间的阈值效应不存在明显的尺度效应。 (4)以上海浦东新区为例,探讨了快速城市化区域面临的景观格局问题,基于生态空间理论和“集中与分散相结合”的景观格局优化原则,采用空间分析的累积最小阻力数学模型提出平原河网地区的景观格局优化方案。尝试以生态系统服务功能来表征区域水平生态流,对研究区域现状生态系统服务进行GIS网格化评价并作为景观单元阻力面,依据最小费用距离概念的系列技术方法,构建基于源斑块、生态廊道、生态节点的区域景观格局优化方案体系。按累积最小阻力MCR模型所构建的生态廊道大多沿已存在的河流廊道排列分布,该结论可为平原河网地区的水系保护工作提供来自景观生态学方面的理论支持。


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