东北黑土地关键生态系统服务权衡与协同研究
文献类型：学位论文
| 作者 | 王世豪 |
| 答辩日期 | 2023-06 |
| 文献子类 | 学术型学位 |
| 授予单位 | 中国科学院大学 |
| 授予地点 | 中国科学院地理科学与资源研究所 |
| 导师 | 徐新良 |
| 关键词 | 东北黑土地 生态系统服务 权衡与协同 分区 优化提升路径 |
| 学位名称 | 博士 |
| 学位专业 | 地图学与地理信息系统 |
| 英文摘要 | 黑土是最珍贵的土壤资源，其性状好、肥力高、适耕性强，被誉为耕地中的“大熊猫”，是国家重要的战略资源。中国东北地区作为世界四大黑土区之一，是我国最重要的商品粮基地，在保障国家粮食安全中具有举足轻重的地位。近年来，气候变化和人类对黑土地大规模、高强度开发利用，以及农业生产中农药、化肥的大量投入，导致东北黑土地“变薄、变瘦、变硬”等退化问题日趋严峻，严重影响了东北黑土地农业的可持续发展。 生态系统服务是生态系统所形成和维持的人类赖以生存的自然环境条件与效用，是人类从生态系统中获得的收益，各服务之间表现为此消彼长的权衡和相互增益的协同关系。目前，东北黑土地生态系统服务量化、影响机制以及各服务之间权衡与协同关系的研究还不够深入，缺少东北黑土地大尺度、连续时间序列生态系统服务权衡与协同的研究，而且忽略了耕地变化、气候变化、土地退化等因素的影响。科学合理地估算东北黑土地生态系统服务，定量化描述其时空演化特征，加强人类活动的定量化研究和多种驱动因素组合的深层次机理分析，分析不同典型分区关键生态系统服务之间的权衡与协同特征，进而提出生产—生态功能协同优化路径，可为黑土地管理与决策的制定提供重要依据，对促进东北黑土地生产—生态功能协同高质量发展具有重要意义。 本研究以中国东北黑土地耕地为研究区，基于多源遥感数据、土壤样点剖面数据、气象数据和统计数据等，采用CASA、土壤肥力评价、RUSLE和RWEQ等方法量化了东北黑土地农田生态系统供给、支持、土壤保持和防风固沙等4种关键生态系统服务。采用多元回归残差分析法厘定气候变化与人类活动对生态系统服务的贡献率，识别东北黑土地各地区生态系统服务的主导驱动因素，进而开展东北黑土地耕地变化、气候变化以及土地退化时空特征分析，选取相应的典型区。在此基础上，采用空间统计分析、逐像元相关分析、权衡协同度等方法，开展耕地变化、气候变化以及土地退化影响下的生态系统供给与支持、土壤保持、防风固沙之间的权衡与协同关系。最后针对不同典型分区和不同类型县域，通过权衡与协同关系，提出了相应的生产—生态功能协同优化路径。本研究从宏观层面揭示了东北黑土地大尺度生态系统服务的演变规律，明确不同因素影响下生态系统服务的主要矛盾并提出相应的生产—生态协同优化路径，可为东北黑土地耕地保护和管理政策的制定提供科学依据。主要研究结论如下： （1）近20 a东北黑土地4种关键生态系统服务表现出不同的时空变化特征。从供给服务来看，近20 a东北黑土地NPP整体呈现轻度增加、速度放缓的趋势，平均每年增加3.4 gC·m−2；粮食产量平均每年增加591.43×104 t，约有87.5%的县域粮食产量表现为增加趋势。从支持服务来看，1980s–2010s东北黑土地土壤pH总体下降0.03，土壤有机质含量下降了23.6%，土壤全氮、全磷和全钾含量呈现出不同程度的上升趋势，增幅分别为17.1%、46.8%和4.9%；土壤综合肥力指数呈现下降趋势，综合肥力等级由极高或极低向中间等级转变，约有52.1%的土壤样点综合肥力上升，47.9%的样点肥力下降。从土壤保持服务来看，近20 a先减后增、总体上轻度下降，平均每年减少0.001 t·hm−2，除了辽河平原表现为增加趋势外，其他地区均表现为减少趋势。从防风固沙服务来看，近20 a总体上表现为先增后减、整体上轻度增加的趋势，平均每年增加0.144 t·hm−2，辽河平原增加趋势最明显，三江平原和长白山地区则表现为减少趋势。 （2）东北黑土地人类活动对生态系统服务变化的贡献率高于气候变化，具体来看，耕地变化、气候变化以及土地退化驱动生态系统服务变化的县域数量占比分别为51.7%、9.0%和39.3%。东北黑土地耕地变化分区包括退耕区、开垦区、旱地转水田区以及城镇扩张区，黑龙江以旱地转水田为主，吉林和内蒙古以开垦为主，辽宁以退耕为主；气候变化分区包括暖干区和暖湿区，其中暖湿区主要分布在吉林省中部、黑龙江西部以及内蒙古东四盟中部，暖干区分布在内蒙古东四盟北部和南部；土地退化分区包括盐碱化区、沙化区、水蚀区以及风蚀区，吉林省的盐碱化土地占比相对较多，内蒙古东四盟的沙化土地面积相对较大，黑龙江和辽宁水蚀严重，而吉林和内蒙古东四盟风蚀严重。 （3）从耕地变化不同分区的生态系统服务权衡与协同关系来看，供给与支持、供给与防风固沙以协同关系为主导，而供给与土壤保持以权衡关系为主导；退耕减少了供给与土壤保持的权衡，开垦提升了供给与防风固沙的协同，旱地转水田区供给与支持、供给与防风固沙服务的协同关系均较弱，而城镇扩张促进了供给与支持服务的协同，同时增加了供给与土壤保持的权衡。不同耕地变化分区生态系统服务的侧重点不同，退耕区要注重土壤保持服务，开垦区和旱地转水田区要重点考虑供给服务，城镇扩张区要适当弱化供给服务、加强土壤保持服务。 （4）从气候变化不同分区的生态系统服务权衡与协同关系来看，供给与支持、供给与土壤保持以权衡关系为主导，供给与防风固沙以协同关系为主导；气候暖湿化加剧了供给与土壤保持、供给与支持服务的权衡关系，而气候暖干化显著促进了供给与防风固沙之间的协同关系。不同气候变化分区的关键生态系统服务存在差异，在暖湿区要重视土壤保持服务，暖干区表现为显著协同的区域可以适当提升黑土地的供给服务，而在显著权衡的区域需要重视防风固沙服务。 （5）从土地退化各典型区生态系统服务权衡与协同的空间分异特征来看，供给与支持服务、供给与土壤保持服务之间以权衡关系为主导，而供给与防风固沙服务之间以协同关系为主导。土地盐碱化削弱了供给与防风固沙服务之间的权衡，但加剧了供给与土壤保持、支持服务之间的权衡；土地沙化加剧了供给与支持服务之间权衡；水蚀加剧了供给与防风固沙的权衡，但对供给与土壤保持服务间的权衡有抑制作用；风蚀区供给与土壤保持服务的显著权衡关系较为强烈。在盐碱化严重地区要适当提升黑土地的支持服务和土壤保持服务，在水蚀严重的区域重点关注防风固沙服务，风蚀区需要采取植树造林等措施以增强土壤保持服务。 （6）基于生态系统服务驱动因素和权衡与协同特征，东北黑土地县域可分为耕地变化、气候变化、土地退化驱动下的协同稳定区、轻度优化区以及权衡限制区3大类，分别占东北县域总数的20.6%、56.7%和22.7%。协同稳定区县域应提升供给服务和粮食产能，保护优质耕地资源，提高农业生产效率；轻度优化区需要保护基本农田的同时，采取相应措施减弱供给与其他服务的权衡关系；权衡限制区的县域应在保证产能的前提下，更多地关注生态功能，加强农业水利基础设施建设，开展保护性耕作措施，同时加强生态保护和修复，减少土地退化。 |
| 语种 | 中文 |
| 页码 | 138 |
| 源URL | [http://ir.igsnrr.ac.cn/handle/311030/199853]  |
| 专题 | 地理科学与资源研究所_研究生部 |
| 推荐引用方式 GB/T 7714 | 王世豪. 东北黑土地关键生态系统服务权衡与协同研究[D]. 中国科学院地理科学与资源研究所. 中国科学院大学. 2023. |
入库方式： OAI收割
来源：地理科学与资源研究所
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