干旱区内陆河流域土地利用/土地覆被变化及其对蒸散发的影响

摘要

在人类活动和气候变化共同影响的背景下，黑河流域的土地覆被空间格局发生了剧烈的变化。定量刻画和动态监测流域土地覆被格局对未来合理规划干旱区内陆河流域空间土地资源具有重要的参考价值。探讨土地利用/土地覆被变化对蒸散发影响的物理机制，厘清不同土地覆被形式蒸散发的时空差异，不仅对于土地科学等学科具有重要的理论价值，对于合理配置土地资源，控制土地覆被类型的转变等也具有重要的实用意义。
　　本论文以黑河流域为研究区，以土地利用/土地覆被变化对蒸散发影响为总体目标，首先对流域二十六年来土地覆被变化格局以及农田灌溉信息空间分布进行了研究。其次，基于EALCO陆面过程模型，对流域内不同土地覆被的蒸散发进行了模拟。最后，结合土地利用/土地覆被变化与蒸散发模拟，分析该区域农田灌溉以及土地覆被变化对蒸散发的影响，并对流域未来土地资源配置提出建议和对策。主要研究内容、研究结果和结论有:
　　(1)近二十六年间流域土地覆被空间格局发生了巨大变化，主要表现在耕地与不透水地表的不断扩张，这种扩张主要源于农业开荒以及城市的急剧发展。
　　(2)提出了一种利用MODIS和Landsat融合的时序绿度指数提取黑河中游农田供水事件、供水频率和供水时期等信息的新方法。利用十次九折交叉验证得出大满灌区供水事件的监测精度为87％。追加站点在不同年份的供水频率验证精度达67％以上。
　　(3)引入了陆面模式EALCO模型，补充了EALCO模型的灌溉模块，并利用该模型对黑河流域不同下垫面蒸散发过程进行了模拟。结果表明各站点模拟的水热能量与实测水热能量具有很好的一致性，表明该模型具有模拟黑河流域蒸散发过程的能力。模拟结果表明，在年尺度上湿地站蒸散发最高，为796毫米;其次为大满玉米站，为619毫米;巴吉滩戈壁站最低为113毫米。
　　(4)利用EALCO模型模拟了大满玉米站灌溉和无灌溉模式对蒸散发的影响。结果表明灌溉模式中生长季蒸散发以蒸腾作用为主，无灌溉模式中蒸散发主要以蒸发为主。在生长季，灌溉模式的地表蒸发和作物蒸腾都要远远大于无灌溉模式的地表蒸发和作物蒸腾。全年灌溉模式年蒸散发为619毫米，比无灌溉模式高出361毫米。
　　(5)黑河流域年蒸散发和季节蒸散发具有明显的空间异质性，总体呈现出中上游高，下游低的特点，并且与气候条件和土地覆被类型密切相关。引起蒸散发增加的土地覆被转换类型主要有上游的荒漠转换为草地，中游的裸地、荒漠转换为农田以及下游的裸地转换为荒漠。引起蒸散发减少的转换类型主要有上游的草地转换为荒漠以及中游的裸地、荒漠和农田转换为不透水地表以及草地转换为荒漠。裸地到水体增加的年蒸散发最多，平均约为900毫米，其次为荒漠到水体。裸地和荒漠到农田增加的年蒸散发分别在390毫米和350毫米左右，裸地到荒漠增加的年蒸散发在30毫米左右。农田到不透水地表减少的年蒸散发最多，平均达500毫米。
　　(6)2000-2010年间黑河流域所有土地覆被变化类型导致蒸散发耗水增加了9.49亿立方米。其中，荒漠转换为农田增加了近5.6亿立方米，占所有变化类型导致蒸散发耗水增加量的58.57％，为所有变化类型中导致蒸散发变化最大的类型。其次为裸地转换为荒漠，占所有变化类型的26.44％。每平方公里的裸地或荒漠转换为农田增加的蒸散发耗水大约在36万立方米左右，而每平方公里的裸地转换为荒漠草地增加的蒸散发耗水仅为3万立方米左右，前者是后者的12倍。这就意味着中下游开垦每一平方米耕地的耗水可以用于下游约十二平方米荒漠草地的恢复。因此在未来的土地配置中应该在保证粮食安全的前提下严格控制中下游耕地的扩张，这既能保证下游的生态用水，也能防止在缺水年份中下游耕地的撂荒。

目录

声明

致谢

摘要

表索引

图索引

1 绪论

1．1 研究背景

1．1．1 土地科学、水文科学和遥感科学的不断交叉发展

1．1．2 土地利用时空信息遥感提取有待于进一步研究

1．1．3 区域蒸散发已经成为研究水循环与水资源问题的关键

1．1．4 当前LUCC对蒸散发影响的研究匮乏

1．2 研究意义

1．3 研究目标与研究内容

1．3．1 研究目标与内容

1．3．2 论文结构

1．4 研究方法与技术路线

1．4．1 研究方法

1．4．2 技术路线

1．5 研究区概况

1．5．1 地理位置

1．5．2 地形与地貌

1．5．3 植被与土壤

1．5．4 气候与水文状况

2 文献综述

2．1 土地利用／土地覆被变化研究进展

2．1．1 土地利用／土地覆被变化内涵与外延

2．1．2 土地利用／土地覆被变化国内外研究进展

2．1．3 土地利用／土地覆被变化驱动力研究进展

2．1．3 遥感监测土地利用／土地覆被变化方法研究进展

2．2 蒸散发研究进展

2．2．1 蒸散发概念及其内涵与外涵

2．2．2 站点尺度蒸散发研究方法进展

2．2．3 区域尺度蒸散发研究方法进展

2．3 土地利用／土地覆被变化对蒸散发影响的研究进展

2．3．1 土地覆被变化对蒸散发的影响研究进展

2．3．2 土地利用变化对蒸散发的影响研究进展

2．4 本章小结

3 黑河流域土地覆被变化遥感监测研究

3．1 近二十六年土地覆被遥感分类

3．1．1 数据准备与预处理

3．1．2 基于知识的决策树分类

3．1．3 基于多端元光谱分解分类

3．2 土地覆被时空变化分析

3．2．1 基于知识决策树分类的土地覆被变化分析

3．2．2 基于多端元光谱分解的丰度变化分析

3．3 本章小结

4 黑河中游典型土地利用-农田灌溉遥感监测研究

4．1 数据及预处理

4．2 灌溉信息提取方法

4．2．1 构建农作物绿度指数(GI)与其对供水事件的响应关系

4．2．2 供水事件、供水频率和供水时期监测算法

4．3 灌溉信患验证

4．4 灌溉信息提取结果分析

4．4．1 融合前后GI时间序列对比分析

4．4．2 监测精度结果分析

4．4．3 灌溉信息空间格局分析

4．5 本章小结

5 基于站点模拟的流域不同土地覆被蒸散发研究

5．1 EALCO模型简介与蒸散发机理

5．1．1 模型简介

5．1．2 模型蒸散发模拟机理

5．1．3 灌溉模块的构建

5．2 站点介绍与模拟准备

5．2．1 站点介绍

5．2．2 模型数据准备

5．2．3 参数率定及参数化

5．2．4 模拟结果验证指标

5．3 能量闭合分析

5．3．1 能量闭合分析方法

5．3．2 地表热通量模拟

5．3．3 各站点能量闭合状况

5．3．4 湍流通量的修正

5．4 不同土地覆被下垫面水热能量模拟结果分析

5．4．1 波文比校正前后能量验证对比分析

5．4．2 各站点各能量组分模拟结果与验证

5．5 不同土地覆被类型蒸散发特征及比较

5．5．1 日尺度上蒸散发特征及比较

5．5．2 月和年尺度上蒸散发特征及比较

5．6 本章小结

6 黑河流域农田灌溉及土地覆被变化对蒸散发的影响研究

6．1 农田灌溉对蒸散发的影响研究

6．2 土地覆被变化对蒸散发的影响研究

6．2．1 数据准备

6．2．2 研究方法

6．2．3 土地覆被蒸散发分布格局及变化影响

6．3 基于蒸散发耗水量变化的未来土地配置建议

6．4 本章小结

7 总结与展望

7．1 研究结论

7．2 研究特色和创新点

7．3 政策建议

7．4 不足和展望

参考文献

作者简介及发表文章目录