基于InVEST模型的甘肃白龙江流域生态系统服务时空变化研究

发布时间：2020-10-14 10:14

　　 甘肃白龙江流域地处青藏高原向黄土高原和西秦岭山区过渡的生态脆弱交错带,是中国泥石流和滑坡等地质灾害四大高发区之一。近年来,随着工农业生产的发展、矿山开采,人类活动不断增强、自然灾害频发,深刻地影响着流域内生态系统服务与生态安全。如何准确地分析和评价生态系统服务及其时空变化特征,以及如何结合研究区特征和不同利益相关者的需求,最大限度地发挥生态系统服务并维护其服务的可持续性,已成为当前可持续发展科学、生态学和地理学研究的热点和难点。本文在分析研究区土地利用变化特征、辨识主要生态风险源基础上,对土地利用变化的生态系统服务价值评估方法(Costanza模型)和生态系统服务综合评估模型(In VEST模型)进行改进或模型参数“本地化”处理,量化和可视化了白龙江流域生态系统服务时空变化特征;同时,初步探讨生态系统服务的权衡与管理建议,旨在为流域生态安全维护、可持续发展和生态环境管理与规划提供科学依据。初步结论如下:(1)1990～2010年间白龙江流域土地利用格局发生了较大变化。耕地面积先增加后减少,剧变区主要分布在坡度在35°以下的山地、缓丘、谷地、河漫滩等区域。林地面积最大(约占40%以上),主要分布在中高山地区域,且呈现先减后增的趋势。草地和未利用地持续减少,居民工矿建设用地不断增加。水域面积变化微弱。总体来看,土地利用合理程度总体呈现先微弱下降后上升的趋势。(2)白龙江流域内的滑坡、泥石流、地震、土壤侵蚀和干旱等综合生态风险源的空间分布具有明显的空间差异性,整体沿着白龙江中段呈条带状分布。其中,生态风险源极度和高度危险区集中分布在舟曲—武都—文县段白龙江河谷沿岸地带,约占流域面积的33.31%;而危险度较低的区域主要是林地,约占43.66%。从主导风险源组成来看,流域内约60%以上的地区是以滑坡、泥石流和土壤侵蚀为主导生态风险源,且集中在人类活动相对频繁的土石山区河谷地带。(3)研究期间,流域内农产品生产服务经济价值不断升高,而土壤保持、碳储存、产水量和生物多样性等生态服务总体呈现先减弱后增加的趋势,但在不同区域,其空间分布格局与数值略有差异。农产品生产服务经济价值空间分布格局与生态风险源分布格局相似,并深受自然灾害和人文社会要素的影响,与其他服务呈现负相关关系。土壤保持、碳储存、产水量和生物多样性等服务彼此间呈现正相关关系,且空间分布格局相似;高值区多集中在自然保护区和林业管护区。(4)将某一项生态系统服务能力超过其平均值的地区,视为该项服务的重要区(或核心区),以农产品生产服务价值、土壤保持、碳储存、产水量和生物多样性等生态系统服务为对象,开展流域综合生态系统服务(多重服务)重要区辨识与区划。结果表明,综合生态系统服务趋向于两极分化,即生态系统极重要和高重要区域提供的多重服务越来越多;而一般重要以下区域,各项生态系统服务都比较低或偏向于提供某一单项生态系统服务。在空间上,高重要和极度重要区主要分布在地表扰动较少的山林区(如白水江自然保护区、达拉—阿夏—多尔自然保护区、迭山林场等),约占流域面积的40.85%以上。(5)采用情景分析法,设计了自然发展优先、城乡扩张优先和退耕保护优先3种土地变化情景,并模拟不同情景下生态系统服务的变化。研究表明,自然发展优先情景下,各项生态系统服务变化程度微弱;城乡扩张优先情景对生物多样性影响最大;退耕保护优先情景下,农产品生产服务价值下降明显,但土壤保持、碳储存、水源供给和生物多样性等服务呈现增长的趋势。因此,如果以减少流域内灾害发生、可持续地提供生态系统服务为主要目标,退耕保护优先情景更为适合研究区发展的需求。同时,建议研究区未来继续加强自然灾害监测和防治工作,重视森林和草地的恢复,积极实施扶贫计划,控制人口增长和城乡扩张,弱化GDP政绩考核。
【学位单位】：兰州大学
【学位级别】：博士
【学位年份】：2015
【中图分类】：X171
【文章目录】：
中文摘要
Abstract
第一章 绪论
    1.1 研究背景与意义
        1.1.1 研究背景
        1.1.2 研究意义
    1.2 国内外研究现状
        1.2.1 生态系统服务的概念及分类
        1.2.2 生态系统服务评估方法
        1.2.3 区域生态系统服务权衡与管理
        1.2.4 流域生态系统服务研究进展
    1.3 研究目的、内容和论文框架
        1.3.1 研究目的
        1.3.2 研究内容
        1.3.3 论文框架
        1.3.4 技术路线
第二章 研究区概况
    2.1 地形地貌
    2.2 气象水文
    2.3 土壤特征
    2.4 植被特征
    2.5 灾害与生态环境
    2.6 社会经济概况
第三章 基础数据与InVEST模型介绍
    3.1 基础数据与处理
        3.1.1 DEM数据
        3.1.2 土地利用与植被类型数据库
        3.1.3 气象数据
        3.1.4 土壤数据
        3.1.5 其他地理数据
        3.1.6 社会经济数据
        3.1.7 野外调研与访谈
    3.2 InVEST模型介绍
第四章 白龙江流域LUCC与生态风险源危险度分析
    4.1 白龙江流域LUCC时空变化分析
        4.1.1 土地利用变化分析
        4.1.2 土地利用变化过程与结果分析
        4.1.3 讨论
    4.2 白龙江流域生态风险源危险性评估
        4.2.1 生态风险源辨识及其危险度评估方法
        4.2.2 单一要素风险源危险度
        4.2.3 综合生态风险源危险度评估方法与结果分析
        4.2.4 讨论
    4.3 土地利用与生态风险源—生态系统服务的关联框架
    4.4 本章小结
第五章 白龙江流域生态系统服务时空变化
    5.1 生态系统生产服务经济价值
        5.1.1 研究方法
        5.1.2 生态系统生产服务价值的影响因子
        5.1.3 生态系统生产服务价值的时空变化
        5.1.4 讨论
    5.2 土壤保持服务
        5.2.1 InVEST模型土壤保持原理
        5.2.2 数据处理与参数设置
        5.2.3 结果与分析
        5.2.4 讨论
    5.3 碳储存服务
        5.3.1 研究方法
        5.3.2 白龙江流域碳储量变化总体特征
        5.3.3 白龙江流域主要植被类型碳储存特征
        5.3.4 白龙江流域碳储量在不同地形因子上的分布特征
        5.3.5 讨论
    5.4 产水服务
        5.4.1 研究方法与数据处理
        5.4.2 白龙江流域产水量空间分布格局
        5.4.3 白龙江流域主要植被类型产水能力
        5.4.4 地形因子对流域产水量的影响
        5.4.5 讨论
    5.5 生物多样性
        5.5.1 研究方法
        5.5.2 结果与分析
        5.5.3 讨论
    5.6 本章小结
第六章 白龙江流域生态系统服务时空权衡与管理建议
    6.1 白龙江流域生态系统服务空间权衡
        6.1.1 生态系统服务空间相关分析
        6.1.2 生态系统多重服务重要区识别
    6.2 白龙江流域生态系统服务的时间权衡
        6.2.1 情景分析设定
        6.2.2 不同情景下白龙江流域生态系统服务模拟
    6.3 白龙江流域生态系统服务管理建议
    6.4 本章小结
第七章 结论与展望
    7.1 主要结论
    7.2 创新点
    7.3 研究不足与展望
参考文献
在学期间的研究成果
致谢

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本文编号：2840537