摘要: 我国西南喀斯特地区是典型的生态脆弱区，落后的经济和逐渐膨胀的人口对土地构成了巨大的压力，由此导致人地关系愈发紧张，使这一地区进入“生态脆弱-贫困-掠夺式土地利用-资源环境退化-进一步贫困”的正反馈循环过程。在这一过程中，掠夺式土地利用是... 展开 我国西南喀斯特地区是典型的生态脆弱区，落后的经济和逐渐膨胀的人口对土地构成了巨大的压力，由此导致人地关系愈发紧张，使这一地区进入“生态脆弱-贫困-掠夺式土地利用-资源环境退化-进一步贫困”的正反馈循环过程。在这一过程中，掠夺式土地利用是起着加速和放大作用的关键因子，因此对于喀斯特地区的生态重建来说，迫切需要认识由土地利用变化引起的生态系统动态变化过程，认识退化土地的受损过程和受损机理。本文以黔中喀斯特地区鹅项小流域和克酬小流域作为案例区，采用基于过程的纵向研究、基于比较的横向研究、因果关系研究(压力-状态)三种研究范式，对2个流域30年土地利用/覆被变化状况及其对流域生态系统的影响进行综合研究。具体研究内容及结论如下： (1)流域土地利用/覆被变化 以1973年MSS(57m)和1989年、1995年、2000年TM(30m)遥感影像数据作为基本数据源，并辅助DEM数据，利用RS和GIS技术得到两个流域1973-2000年间的土地利用/覆被变化情况。鹅项流域和克酬流域农田比例都呈现持续增长的趋势，但前者农田增长率不及后者的一半，且逐渐变缓，后者农田增长率加速。两个流域林地与灌草、灌草与农田之间的双向转移较为明显，鹅项流域灌草大幅减少的同时，林地有较大增长，到2000年农田、林地、灌草三者之间的比例相对接近(26.2％：33.5％：38.7％)；克酬流域林地和灌草均有较大程度的减少，至2000年形成了以灌草和农田两种土地利用/覆被类型为主导的结构特征(38.7％：48.9％，林地只占流域总面积的6.7％)。根据研究期内农田、林地、灌草平均分布高程和平均分布坡度变化情况，总体来看鹅项流域土地利用强度基本保持不变，克酬流域土地利用强度增加明显。 (2)LUCC影响下的小流域景观格局变化 采用两种不同的方法对鹅项流域和克酬流域景观格局变化进行研究，即分别基于空间离散数据(FRAGSTATS方法)和空间连续数据(LMI方法)的景观格局分析方法。两种方法得到的结果均表明总体上鹅项流域景观格局破碎化程度要大于克酬流域，两个流域景观格局破碎化程度在1973-1989年间增加，1989年以后又有一定程度的减少。LMI方法表明鹅项流域景观格局破碎化减少的区域主要集中在流域西侧和中下游地势平坦地区，林地恢复和农田的集中分布是主要原因；克酬流域景观格局破碎化减少的区域主要集中在流域中下游地势平坦地区，其原因是由于农业生产集约化规模提高使农田趋向子集中连片分布，另外，两个流域中、下游地势平坦地区景观格局破碎化的发展变化过程要比流域上游显著得多。两个流域不同的景观格局变化过程表明地形只是决定景观格局特征的“先天条件”，而人类的土地利用行为是导致景观格局变化的决定因素。 (3)LUCC影响下的小流域土壤侵蚀和沉积变化 利用遥感影像解译得到了流域土地利用/覆被数据并辅以地形、降雨和土壤数据，基于RUSLE模型模拟两个流域土壤侵蚀的发展变化过程，利用137Cs的沉积物计年实验方法得到流域沉积速率的变化过程，每一流域土壤侵蚀变化过程和沉积变化过程的一致性表明RUSLE模型总体上的有效性。两个流域灌草和中坡、陡坡均是发生土壤侵蚀最为显著的覆被类型和区域。鹅项流域土壤侵蚀和沉积的变化过程(逐渐减小)、降雨侵蚀力变化过程(逐渐增加)与土地利用变化(强度基本不变)之间的关系表明合理的土地利用能够“屏蔽”掉气候因素和地形因素对土壤侵蚀的不利影响。克酬流域研究期内的土壤侵蚀程度增加是由土地利用变化(强度增加)和降雨因素(降雨侵蚀力增加)共同作用的结果，1975年前后两时段土壤侵蚀程度显著差异主要来自于土地利用变化的“贡献”，对于1997年前后时段的土壤侵蚀变化，RUSLE模型模拟结果与水库沉积速率的实验分析结果之间的差异表明喀斯特地区存在特殊的土壤侵蚀规律，即石漠化的出现和扩展将使对应位置处的土壤侵蚀模数不升反降，进而使整个流域土壤侵蚀模数变小或增幅变小。 (4)LUCC影响下的小流域生态系统生产力的变化 利用流域的土壤数据、气温和降水数据，以及其他学者相关工作得到的植被方面的数据，基于CENTURY模型模拟两种情景(是否存在土地利用变化的影响，以植被破坏和土壤侵蚀程度变化来体现)下的林地、灌草和农田NPP和土壤有机碳(土壤有机质)变化。每一流域林地、灌草的NPP和土壤有机碳对于植被破坏和土壤侵蚀的响应过程大体相似，NPP首先迅速下降，随后开始恢复，但是林地恢复期显著短于灌草；土壤有机碳先是短暂增加，随后经历长时间的下降过程，最终能否在某一水平稳定则要视林地和灌草缓冲外部压力的能力和各自土壤侵蚀程度如何，在这点上，林地要强于灌草，鹅项流域要好于克酬流域，这也说明林地较灌草具有更好的抵抗外部干扰的能力。两个流域农田地上NPP和土壤有机碳的变化过程均表明土壤侵蚀的存在部分抵消了施肥的正向积极效应。CENTURY模型模拟的结果表明，在有无土地利用变化影响的情况下，生态系统生产力和土壤有机碳的变化显著不同，这说明在流域尺度上，土地利用变化是影响生态系统生产力动态变化的决定因素。 两个流域不同的土地利用/覆被变化过程引起流域生态系统在景观格局、土壤侵蚀和沉积、生态系统生产力三个方面不同的响应过程。总体来看，鹅项流域自然生态系统由于逐步恢复，因而生态环境的可持续能力得到增强；克酬流域自然生态系统承受来自人类土地利用的压力越来越大，生态环境状况日益严峻，生态环境的可持续能力逐渐下降。 本文在以下方面取得一些有意义的进展：①综合过程研究、比较研究和因果关系研究探讨土地利用/覆被变化的生态环境效应，提出了完整而开放的研究框架，为开展后续工作奠定基础；②通过在小流域尺度上将侵蚀和沉积结合起来，辅助降雨和沉积物粒度信息，探讨土地利用变化与土壤侵蚀之间的联系，结果表明这是一个非常好的研究思路；③利用空间明确的景观格局研究方法(LMI方法)找到景观格局变化的热点地区和破碎化空间分布的变化情况，进而将其与土地利用变化联系起来，结果表明该方法可以成为基于空间离散数据景观格局研究方法(FRAGSTATS)很好的补充；④将多种不同方面的模型应用到论文研究中并注重模型检验工作，如景观格局变化研究采用FRAGSTATS方法和LMI方法进行对照，由实验方法得到的沉积变化证明了RUSLE模型模拟土壤侵蚀变化总体上的有效性，利用其他学者相关研究结论和土壤样品分析结果验证了CENTURY模型模拟植被生产力和土壤有机碳的正确性，从而保证了本文研究结论的正确性以及逻辑思维的严密性。 收起