黄土高原丘陵区人工灌草系统水源涵养功能评估

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论文字数:33233 论文编号:sb2021120119030840295 日期:2021-12-04 来源:硕博论文网

本文是一篇农业论文,本研究选取甘肃省定西市安定区为研究区,利用 InVEST 模型对该地区人工灌草系统的水源涵养和水质净化功能进行评估,评估结果能为黄土高原丘陵区的生态建设和退化生态系统服务功能的提升起到一定的决策支撑作用。

第 1 章   绪论

1.1  研究背景
黄土高原地区是我国水土流失最严重的地区,由于水土流失严重产生了千沟万壑、光山秃岭的现象,因此是水土保持和生态建设的重点区域。黄土高原地区土地面积约为 6.4×105 km2,而水土流失面积达到 4.54×105 km2,入黄河泥沙量达到了黄河总泥沙量的 90%,水土流失现象严重影响生态系统的多种服务功能(高旺盛,2003)。黄土高原地区严重的水土流失现象使得水源涵养功能成为该地区主要生态系统服务功能。水源涵养具有拦蓄降水、调节径流、影响降水量以及净化水质等功能,分析黄土高原生态系统水源涵养功能对于治理水土流失具有重要意义。
自 20 世纪 50 年代末以来,随着学者们对黄土高原地区研究的不断深入,发现治理水土流失和生态系统恢复的关键点是退耕坡地(Keli et al., 1998;陈利顶和傅伯杰,2001)。1997 年,中央政府针对毁林开荒、土地开垦过度导致的水土流失和生态环境问题提出:“再造一个山川秀美的西北地区”、“加快西部地区开发”还有“发展黄河流域经济”等重要指示(王毅,2012);1998 年因我国水土流失加剧而导致的特大洪灾造成了 2251 亿元人民币巨大损失,中央政府对此在 1999年 8 月提出了“退耕还林(草)、封山绿化、个体承包、以粮代赈”的措施。在黄土高原地区大面积种植人工灌草地,把中央开发西北的思路和黄土高原的生态建设与水土流失治理落到实处(邓景成,2017)。
随着科学技术和社会经济的迅速发展,3S 技术的广泛应用,生态系统服务功能的空间化表达已成为现实,遥感、地理信息系统的应用使区域尺度空间数据的获取更为方便和准确。土地利用/覆被变化是影响生态系统服务的直接因素之一,定量评估两者之间的关系促进了生态系统服务功能评估的发展。在此基础之上,InVEST 模型得到了迅速发展,该模型可以模拟不同环境条件下生态系统服务物质量与价值量的变化情况,实现了生态系统服务功能价值定量评估的空间化(张振明和刘俊国,2011)。
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1.2  研究目的和意义
当前,生态系统服务功能评估是生态经济学与环境经济学领域的研究热点(唐尧等,2015),对于生态系统服务功能的研究可以让我们更直观的认识到生态系统带来的价值。生态系统服务功能的研究可以为不同尺度区域的生态功能区划奠定基础,对于区域生态系统管理和区域可持续发展具有重要作用。 黄土高原地区是典型的生态脆弱性地带,多年平均侵蚀模数为 4100 t(/km2∙a)(阎百兴,2010),黄土高原地区输入至黄河下游泥沙多达 1.6×1012 kg,致使黄河下游河道堆积了很多淤泥(马三保等,2004)。安定区位于黄河上中游地区,属于黄土高原丘陵区和典型的干旱半干旱地区,境内丘陵起伏,沟壑纵横,水土流失面积达 3306.2 km2,占总面积的 90%左右(梁君涛等,2015)。保持水土、优化生态水文环境、减少河道淤积对于安定区的生态环境与社会经济持续发展起着举足轻重的作用,因此,对该区域进行水源涵养功能及水质净化的研究对生态环境与社会经济持续发展具有重要意义。
本研究的研究区为黄土高原丘陵区中的定西市安定区,以人工灌草系统为研究对象,利用 InVEST 模型对 2017 年的水源涵养功能及水质净化功能做定量评估,探讨人工灌草系统对于生态系统水源涵养功能及水质净化功能的作用。评估结果为安定区以及黄土高原丘陵区的土地综合利用规划及人工灌草植被管理提供科学依据和技术支撑,并为其他相关研究提供研究案例和指导参考。
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第 2 章   国内外研究进展

2.1  生态系统服务功能评估
自 1970 年“生态系统服务”的概念首次被 SCEP(Study of Critical Environment Problems, 1970)在《人类对生态环境的影响》报告中使用后,各国学者在生态系统服务方面作了大量研究。Westman(1977)认为可以用社会价值的形式来表达生态系统提供的效益,并提出“全球生态系统公共服务功能”,后演化为“自然服务功能”。Daily(1997)提出生态系统服务是自然生态系统及其物种所能提供的满足人类生活需要的条件和过程,并在其专著中通过假设列举出生命支持系统必须的 13 项功能。Costanza 等(1997)提出生态系统服务是人类直接或间接从生态系统中得到的利益,并在评估全球生态系统服务功能时,将其分为 17 种类型。之后国内外学者围绕生态系统服务展开大量的研究,直到 2005 年,联合国千年生态系统评估(Millennium Ecosystem Assessment, 2005)将生态系统服务定义为人类从生态系统中获取的各种效益,并将生态系统服务划分为供给、调节、文化以及支持服务 4 种类型,至此学者们对于生态系统的认识基本达成一致(李惠梅和张安录,2011)。
MA 中指出,全球生态系统提供的 2/3 以上的各类服务已经呈现下降趋势,并且这种趋势有可能在未来 50 年内不能有效扭转(张振明和刘俊国,2011)。在这种背景下,全面了解生态系统服务功能并对其进行有效评估成为学者们的研究热点之一(李惠梅等,2009;张安录等,2006)。生态系统服务的观点弥补了常规经济学中的限制性,让人们以一种新的思维方式来看待人与自然之间的关系,还展示了新的认知生态系统的方法等,将常规经济学中无法赋值的自然资源与生态系统进行了量化评估(高旺盛等,2003)。
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2.2  水源涵养和水质净化功能研究
2.2.1  水源涵养功能及评估方法
(1)水源涵养功能
水源涵养服务是指在一定时间和空间范围内,生态系统保持水分的过程和能力,是陆地生态系统提供的水文服务,它在气候、土壤、海拔、地形、以及生态系统类型等多方面因素的共同作用下具有复杂的动态特征(王兵等,2011)。随着经济的高速发展、城市化进程加速的现象以及生态环境退化问题的出现,水资源短缺甚至匮乏的现象越来越严重,水源涵养功能作为水质水量调节和淡水供给的关键因素,对于维持生态环境安全和社会的可持续发展具有重要作用。水源涵养服务是降雨在植被层、枯枝落叶层以及土壤层进行重新分配的过程,水源涵养功能一般表现在拦蓄降水、调节径流、影响降水量以及净化水质等方面(胡克梅,2017)。
1)拦蓄降水
拦蓄降水功能是指生态系统通过自身的林冠层截留降水、枯落物层储蓄降水以及土壤层蓄水的方式,实现对降水的拦截以及储蓄作用,进而有效减少洪灾、滑坡和泥石流等自然灾害的发生概率(刘世荣等,2003)。影响林冠截留率的因素有降雨性质、林分及林冠特性、降雨前林冠层湿润度还有风向、风速、地形、坡向、坡度等,一般情况下我国林冠层可以截留全年降雨量的 15%-30%,热带雨林和川西高山原始林的截留率高达 30%以上(王佑民,2000)。
2)调节径流
调节径流功能是指生态系统通过其植物以及土壤等因素影响流域水文过程进而对河流流量产生的影响,该功能可以在洪水季节时期蓄水防涝,在干旱季节时期可以供水抗旱(胡克梅,2018)。
3)影响降水量
影响降水量功能是指生态系统对区域的气候调节作用,其中水文循环的蒸散发过程是影响降水量的重要因素,影响降水量主要包括增加区域降水与减少区域降水两种情况。

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第 3 章   研究区概况 .......................... 16
3.1  自然概况 ............................................... 16
3.1.1  地理位置 ....................................... 16
3.1.2  地质地貌 ....................................... 16
第 4 章   数据分析与方法 ............................. 20
4.1 InVEST 模型简介 ............................................ 20
4.1.1  水源涵养评估模块 .......................... 20
4.1.2  水质净化评估模块 .................................. 23
第 5 章   安定区生态系统服务功能评估 ....................... 28
5.1  水源涵养功能模型评估 ....................................... 28
5.1.1  产水量模块评估结果 ................................ 28
5.1.2  水源涵养量评估结果 .................................. 30

第 6 章   安定区水源涵养功能等级划分及空间分布

6.1  水源涵养与水质净化功能冷热点分析
生态系统服务热冷点的识别及其空间格局特征研究对生态保护规划有着重要的意义,为了更好的识别区域生态系统服务的情况,国内外学者开始把热点和冷点的评估方法应用到生态系统服务功能评估中。热点是指一种生态系统服务或者生态系统服务簇的高值区域,而冷点则与之相反(Gos et al., 2017;Spano et al., 2017)。常用到的冷热点的制图方法有核密度估计(Kernel  Density  Estimation)、莫兰指数(Moran´s I)和 Gi *  统计等,经研究证明,Gi *  统计方法在识别热点和冷点时与其他方法相比较是更准确的(YingjieLi, 2017)。

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因此本研究采用 Gi *  统计方法对安定区生态系统服务中水源涵养和水质净化功能的冷热点进行分析,以此来显示空间数据的聚集情况。运用 ArcGIS 中的Creat Fishnet 工具,创建 1200 m×1200 m 大小的格网,之后用安定区的边界裁剪格网,再运用 ZonalStatistics as Table 工具和 join 工具将研究区的水源涵养和水质净化数据添加到格网文件里,最后用 Hot Spot Analysis with Rendering 工具计算分析安定区生态系统服务功能的冷热点空间分布图(图 6-1)。
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第 7 章   结论与展望

7.1  研究结论
本研究选取甘肃省定西市安定区为研究区,利用 InVEST 模型对该地区人工灌草系统的水源涵养和水质净化功能进行评估,评估结果能为黄土高原丘陵区的生态建设和退化生态系统服务功能的提升起到一定的决策支撑作用。研究取得以下 4 个方面的研究结果。
(1)安定区的年产水量总体积为 3.41×108 m3,单位面积产水量为 292.67 m3/hm2,栅格单元平均产水量为 0-460.825 mm。水源涵养量的总体积为 1.19×108 m3,单位面积水源涵养量为 102.13 m3/hm2,栅格单元水源涵养量介于 0-364.541 mm 之间。安定区的产水量与水源涵养量空间分布大致呈现西南高东北低的情况,这种分布格局与安定区的地理和气候条件密切相关。西南部的地势相较其他地区比较平坦,气候湿润,植被生长良好,年降雨量高,地下储水丰富,所以产水量与水源涵养量丰富,而中部偏东地区地表植被稀疏,水资源紧缺,年降雨量低,所以产水量与水源涵养量低。
(2)2017 年安定区 P 输出总量和保持总量分别为 172.7 t 和 564.6 t,单位面积输出量和保持量分别为 0.51 kg/hm2 和 1.59 kg/hm2。N 输出总量和保持总量分别为 838.87 t 和 2586.92 t,N 单位面积输出量和保持量分别为 2.44 kg/hm2 和7.22  kg/hm2。N、P 输出量在西河、称钩河分布比较多,在东部地区分布较低,西河、称钩河流域地势平坦,有较多的耕地分布,会使用含 N、P 元素的化肥,因此造成 N、P 输出量高。
(3)在七种土地利用类型中,人工灌草系统单位面积涵养水源的能力为369.25  m3/hm2,排名第二,水源涵养总量为 3970.99 hm2,排名第三。在水质净化分析中,人工灌草系统氮、磷的净化率分别是(72.21%)和(71.07%),从高至低排序都是第三名。人工灌草单位面积的水源涵养量是耕地的 1.1 倍,N、P 输出量分别是耕地的 21.6%和 4.3%。人工灌草系统在水源涵养和水质净化功能中表现良好是因为人工灌草生态系统的植被利用其冠层以及植被的覆盖效应,可以缓和地表径流,增强土壤水分入渗率,提高对 N、P 等营养物质的吸收等,对生态系统的水源涵养和水质净化功能具有非常重要的作用。
参考文献(略)