水土流失时空过程及其生态安全效应研究——以浙江省安吉县为例

摘要

严重的水土流失是生态恶化的集中反映，是我国生态环境最突出的问题之一，已成为生态安全的重要威胁因素。尽管水土流失是生态安全的关键因子，但目前鲜见水土流失与生态安全两者之间的系统研究。本文以浙江省安吉县为例，从水土流失的角度出发，基于水土流失动态监测、生态安全动态分析，以及水土流失对生态安全影响研究这条主线对水土流失时空过程及其生态安全效应进行了较为系统深入的研究。
　　 首先，利用修正通用水土流失方程(Revised Universal Soil Loss Equation,RUSLE)，综合遥感（Remote Sensing，RS）和地理信息系统(Geographic InformationSystem，GIS)，构建基于背景因子和动态因子的水土流失的遥感定量化监测技术，对研究区1985-2008年间的水土流失进行时空动态监测，并利用探索性空间数据分析（Explotory Spatial Data Analysis，ESDA）方法对水土流失的时空分异规律进行分析;其次，以突变理论为基础，构建基于景观尺度的生态安全评价模型，并对研究区1985-2008年的生态安全进行了动态监测;第三，基于前两部分的研究结果，运用地理权重回归(Geographically Weighted Regression, GWR)模型对水土流失和生态安全的关系进行了定量的研究。
　　 主要研究结论如下:
　　 1、水土流失的遥感定量化监测:基于修正通用水土流失方程，将方程中相关的因子划分为背景因子和动态因子，对研究区1985、1994、2003、2008年的水土流失进行监测。结果表明，安吉县水土流失恶化与恢复过程并存。但是，由于水土流失的恶化速度大于恢复速度，且水土流失恶化区面积始终大于恢复区面积，总体上呈现恶化趋势。
　　 2、水土流失的时空分异规律:利用全局Moran's I和局部空间关联指数LocalIndicators of Spatial Association(LISA)，从定量的统计学和可视化角度研究水土流失的时空变异规律。结果再次表明，水土流失呈现恶化趋势。水土流失的热点区域，包括严重的水土流失区域和水土流失恶化区不断扩大，且呈现较为集中的态势，研究区受水土流失影响的范围和影响的程度越来越大，水土流失越来越成为制约该区生态环境的主导因素。
　　 3、生态安全的时空分异规律:基于压力-状态-响应的理论框架，构建适合景观尺度的生态安全评价指标体系，并利用突变级数法进行研究区生态安全评价。结果表明，在1985-2008年间研究区生态安全以比较安全为主（占全区的55％以上），生态状况总体上较为良好。然而，随着不安全和很不安全区域比重的上升，生态安全性呈现持续的下降趋势。
　　 4、水土流失的生态安全效应:在500m×500m格网尺度下，利用地理权重回归(GWR)模型进行1985、1994、2003、2008年水土流失对生态安全及2000-2012年水土流失变化对生态安全变化的影响研究。结果表明，研究区水土流失的变化决定着生态环境的变化。随着时间的推移，研究区水土流失的持续恶化使得生态状况变得越来越不安全，水土流失问题已越来越成为该区生态环境最主要的问题。
　　 本研究主要创新点:依据RUSLE以及区分背景因子和动态因子，构建了适合区域长期监测的水土流失遥感定量化监测方法，并将探索性空间分析技术引入到水土流失的时空分异规律研究，兼顾了定量的统计学和可视化方法研究水土流失的时空分异规律;利用突变理论进行生态安全评价，最大可能地克服了以往模型权重确定的主观性，使评价结果更具可比性;将地理权重回归模型引入水土流失与生态安全关系研究，为充分体现两者关系的空间异质性和尽可能消除两者关系的空间自相关性提供了可能。
　　 受数据和能力的限制，仍有一些理论及技术问题需要进一步的探讨。本文所选择的时空尺度较为单一，致使对水土流失演变及水土流失的生态安全效应的时间和空间特征的分析有待进一步深入，水土流失时空过程及生态安全效应研究的尺度问题，也有待在今后的研究中做进一步的探讨;在基于景观尺度的生态安全评价中，受所获数据的限制，评价指标的选取在很大程度上依赖数据的可获取性，而这些指标是否完善、是否合理，如何与行政尺度或流域尺度评价指标体系进行匹配，有待在今后的研究中进一步深入;GWR模型采用的仅是线性拟合，存在一定的局限性，在今后的研究中，需对其模型进行改进。

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致谢

摘要

表目录

图目录

第一章 绪论

1．1 选题背景

1．2 国内外研究进展

1．2．1 水土流失研究进展

1．2．2 生态安全研究进展

1．2．3 水土流失的生态安全效应研究进展

1．3 研究意义

1．4 研究思路与技术路线

1．4．1 研究内容

1．4．2 研究技术路线

1．5 拟解决的关键问题

第二章 研究区概况与数据资料

2．1 研究区概况

2．1．1 地理位置与气候

2．1．2 地形地貌

2．1．3 土壤

2．1．4 植被和土地利用类型

2．1．5 社会经济

2．1．6 生态环境

2．2 研究数据来源及预处理

2．2．1 遥感数据及预处理

2．2．2 土壤数据

2．2．3 其它数据

2．3 土地利用分类

2．3．1 土地利用类型的确定

2．3．2 土地利用信息提取

第三章 基于RUSLE的水土流失遥感动态监测技术

3．1 水土流失估算模型

3．2 土壤侵蚀因子计算

3．2．1 背景因子计算

3．2．2 动态因子计算

3．3 水土流失量计算

3．4 模型检验

3．5 安吉县水土流失遥感动态监测

3．5．1 安吉县水土流失风险评估

3．5．2 安吉县水土流失的演变规律

3．6 结论

第四章 基于探索性空间数据分析的水土流失时空变异规律

4．1 探索性数据空间分析方法

4．1．1 全局空间自相关分析

4．1．2 局部空间自相关分析

4．2 水土流失时空过程研究尺度的选择

4．3 安吉县水土流失时空过程

4．3．1 安吉县水土流失的时空特征

4．3．2 安吉县水土流失全局自相关分析

4．3．3 安吉县水土流失局部自相关分析

4．4 讨论与结论

第五章 基于突变级数法的生态安全评价

5．1 突变理论与突变级数法

5．2 基于突变级数法的生态安全评价模型构楚

5．2．1 指标体系的构建

5．2．2 数据源和标准化

5．2．3 指标重要性排序

5．2．4 评价模型构建

5．2．5 生态安全等级划分

5．3 评价结果与分析

5．3．1 安吉县生态安全状况

5．3．2 安吉县生态安全时空动态规律

5．4 结论

第六章 安吉县水土流失的生态安全效应

6．1 研究数据及处理

6．1．1 研究数据

6．1．2 Mann-Kendall检验方法

6．1．3 数据处理

6．2 地理权重回归(Geographically Weighted Regression)

6．3 GW模型构建

6．3．1 数据空间非平稳性检验

6．3．2 空间权重函数的选择

6．4 结果与分析

6．4．1 生态安全对水土流失的响应

6．4．2 生态压力、生态状态、生态响应对水土流失的响应

6．4．3 生态安全对生态压力、生态状态、生态响应的响应机制

6．4．4 GWR和OLS对比

6．5 讨论与结论

第七章 结论与展望

7．1 结论

7．1．1 水土流失的遥感定量化监测

7．1．2 水土流失的时空分异规律

7．1．3 生态安全的时空分异规律

7．1．4 水土流失的生态安全效应

7．1．5 水土流失与生态安全研究的尺度问题

7．2 研究进展

7．3 展望

参考文献

攻读博士期间完成的论文