过去千年黄河流域土地覆被变化及其环境效应量化研究
文献类型：学位论文
| 作者 | 王亚非 |
| 答辩日期 | 2024-06 |
| 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 | 何凡能 |
| 关键词 | 土地利用/覆被变化 环境效应 时空分析 黄河流域 过去千年 |
| 学位名称 | 博士 |
| 学位专业 | 自然地理学 |
| 英文摘要 | 探究土地利用/覆被变化（LUCC）引起的生态环境效应对于系统地理解人地关系这一科学命题，具有重要意义。目前，受高信度历史LUCC 数据可得性的限制，现有研究对历史时期土地覆被动态变化的定量揭示不足，进而导致量化历史LUCC 环境效应的工作也尚处于起步阶段。鉴于此，本文以黄河流域为研究区域，以每百年为时间尺度，基于重建的过去千年（1000－2000AD）耕地垦殖率和森林、草地覆被率网格数据，定量分析了历史时期黄河流域土地覆被动态变化过程；通过构建“压力（Pressure）－状态（State）－响应（Response）”环境效应评价模型（EPSR），量化了黄河流域历史LUCC 引起的环境效应，实现了LUCC 环境效应值及其相对变化幅度随时间演变的空间表达，并进一步分析了该典型流域内土地覆被变化环境效应的作用机理。研究主要取得了如下进展及结论： （1）定量揭示了过去千年黄河流域耕地、森林、草地时序变化特征。通过系统梳理和挖掘过去千年黄河流域历史地理资料，基于重建的过去千年耕地、森林、草地10 km×10 km 网格数据，计算出各历史时期耕地、森林、草地变化量，结合核密度方法对土地覆盖动态变化进行了长时序、定量的分析，并生成土地覆盖重心迁移轨迹图，描绘了各种土地覆盖类型的空间分布重心变化。结果表明：过去千年，黄河流域耕地垦殖率整体呈现波动上升趋势；森林覆被率呈现先逐渐下降（1000－1900 AD）后短暂恢复（1900－2000 AD）的变化趋势；草地覆被率轻微下降，总体上保持稳定。研究时期内，黄河流域的主要土地覆盖类型转变是森林向耕地的转化。耕地垦殖率从最初的11.65%增加到29.97%，净增加面积为1.99×105 km2；相应地，森林比例从最初的21.67%减少到8.64%，净减少面积为1.42×105 km2；草地面积的净减少为0.61×105 km2。从空间分布来看，大约有55%～65%的耕地，43%～51%的森林，以及65%～70%的草地分别分布在流域下游、中游和上游地区，这种分布特征与三种土地覆盖类型的空间重心保持一致。在1000－2000 AD 间，三种土地覆被类型的空间重心都呈现出向西迁移的变化趋势。 （2）明晰了耕地、森林、草地的空间演变规律，并分析其覆被率变化背后的驱动因素。耕地的空间分布以黄土高原的东南部和华北平原的西南部为中心不断向外扩展。值得注意的是，过去千年坡耕地和平耕地面积之比由1000 AD 的1:2.28 变化到2000 AD 的1:1.68，坡耕地比重显著增大。中游地区对缓坡耕地和坡耕地的开垦面积由1000 AD 时的28905.22 km2 增加到2000 AD 的90558.12km2，增幅高达213%；对陡坡耕地和很陡坡耕地的开垦面积由9428.82 km2 增加到30792.60 km2，增幅226%。中游地区大面积的坡地开垦活动给水土保持和生态环境造成巨大压力，加剧了中游地区的水土流失和土壤侵蚀，进而对下游地区生态环境带来负面影响。耕地覆被率的变化是多种因素作用的综合结果，农业技术的进步、人口增长、水利工程的发展、军事屯垦、战争引起的政权更迭以及不同时期的土地利用政策对耕地的盈缩起到了重要作用。森林的全面毁坏出现在明清时期，主要原因有三：人口的高速增长，官府鼓励山区开垦的政策不当以及美洲作物的引进和传播。研究期初和期末，草地在空间分布上的差异主要体现在六盘山、河湟谷地和河套平原地区。次生草地面积增加的原因有二：战争导致的抛荒以及明清时期山区耕地地力耗尽后被弃耕，撂荒的土地会逐步演替恢复成为草地。 （3）研究选择海拔作为影响人口分布的主导因子，采用单一环境要素建模的方法重建了过去千年黄河流域人口空间分布格局。黄河流域人口主要分布在平原地区，数量变化呈现出明显的阶段性特征。其中，1000－1200 AD 为缓慢增长期，1200－1400 AD 为下降期，1400－1700 AD 人口数量恢复并呈现增长态势，1700－2000 AD 则进入快速增长时期，到1850 AD 时黄河流域人口数量突破一亿，达到封建王朝的顶峰；清末民国初（1900 AD），人口总数为9.82 千万，是研究初期人口数量的7 倍之多。人口数量的稳步上升主要是由于社会环境稳定和农业生产技术的发展，而人口数量的下降则主要与朝代更迭、战乱频仍和自然灾害等因素密切相关。 （4）构建了历史LUCC 环境效应量化模型（EPSR 模型）。通过综合考虑当环境处于某一状态时、人类活动及土地覆被变化对其产生的压力以及环境自身应对这种压力的响应能力三者之间的协同影响，充分辨析指标内涵与分目标层概念的一致性，基于科学性、合理性和数据可获得性原则，选择历史人口数据和耕地垦殖率作为压力层指标，植被覆被率和香农多样性指数作为响应层指标，土壤可蚀性K 因子、地形起伏度和环境条件对生产潜力影响因子作为状态层指标，在进行指标归一化处理后，合成LUCC 环境效应指数（EPSR 值），实现过去千年黄河流域LUCC 对环境影响的量化测度。通过对比黄河流域环境变迁的历史记载，研究基本验证了历史文献记录与模型计算结果在时间序列上的一致性。 （5）阐明了LUCC 环境效应的绝对高值区域与相对变化幅度高值区域在空间分布上存在明显的分离特征。EPSR 高值区域主要集中在黄河下游的华北平原地区，但相对 .化幅度高值区域却分布在中上游地区的黄土高原。自北宋以来，黄河流域土地覆被变化环境效应总体呈现上升趋势，高值区域空间分布范围从下游向上游地区逐渐推进。流域内EPSR 均值由最初的2.7683 增长至2000 AD 的9.9076，增幅达到258%。上升趋势主要分为两个阶段：1000－1400 AD 的缓慢上升期和1400－2000 AD 的快速上升期。前期环境的自我调节和恢复能力尚处于弹性范围内，能够适应并缓解人类活动所带来的影响。明清以后，这种弹性范围受到压缩，虽然变化幅度时有起伏，但整体上EPSR 值持续上升，表明环境抵抗人类活动干扰的响应能力减弱。EPSR 指数均值变化幅度的三个高峰分别出现在北宋、明中叶以及清中叶三个时期，三个时期EPSR 均值每百年相对变化幅度均超过20%以上。根据空间分析结果来看，EPSR 值具有显著的空间自相关性，冷热点格局的盈缩趋势表明流域内部LUCC 环境效应的空间异质性正在逐渐降低。 （6）揭示了黄河流域人类活动对环境影响的作用机理。人口数量的增长和频繁的军事屯田引发了广泛而持续的土地开垦；宫室大规模构筑及日常燃料和建设用材消耗了大量的木材；山区坡耕地的不合理利用，显著加速了流域内部，特别是中游地区自然植被的退化。黄土高原地区由于其特有的黄土层结构，本身更容易发生水土流失，植被减少对这一地理单元产生了尤为显著的负面影响，加速了环境的恶化。此外，黄河流域特殊的军事和政治地位干扰了农牧交错带的自然变迁，明清时期美洲作物的广泛传播拓展了耕地边界，此二者在特定地理范围和历史背景下，都对流域内环境变迁起到了推波助澜的作用。 |
| 学科主题 | 自然地理学 |
| 语种 | 中文 |
| 页码 | 174 |
| 源URL | [http://ir.igsnrr.ac.cn/handle/311030/209322]  |
| 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 | 王亚非. 过去千年黄河流域土地覆被变化及其环境效应量化研究[D]. 中国科学院地理科学与资源研究所. 中国科学院大学. 2024. |
入库方式： OAI收割
来源：地理科学与资源研究所
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