自然未来框架下自然系统及其对人类的贡献模拟方法——以鄱阳湖流域为例
文献类型：学位论文
| 作者 | 李赛博 |
| 答辩日期 | 2025-06 |
| 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 | 岳天祥 ; 范泽孟 |
| 关键词 | 鄱阳湖流域 自然未来框架 自然系统及其对人类的贡献 动态模拟平台 高精度曲面建模 |
| 学位名称 | 博士 |
| 学位专业 | 地图学与地理信息系统 |
| 英文摘要 | 在全球气候变化与生物多样性丧失的双重危机下，自然系统及其对人类的贡献的评估与动态模拟成为实现可持续发展目标的核心议题。生物多样性和生态系统服务政府间科学-政策平台（IPBES）的情景和模型专家组，基于自然的多元价值观，开发了“自然未来框架”（Nature Futures Framework，NFF），用于评估和检验自然系统及其对人类的贡献在不同情景下的变化与影响。鄱阳湖流域作为长江中下游典型亚热带山地系统，是我国“山江湖”生态战略的核心区域，其常绿阔叶林带承载着丰富的生物多样性与碳汇功能，却在气候变化与竹林扩张等人类活动干预下面临生态系统功能退化风险。然而，以往研究多聚焦鄱阳湖流域单一维度的静态评估，缺乏自然未来框架下自然系统模块（如气候、植被动态演变和植物多样性）与自然系统对人类的贡献模块（如植被碳储量）的多情景评估和耦合模拟，且缺乏可交互的动态模拟平台。 因此，本文以鄱阳湖流域为研究区，围绕流域气候、植被生态系统、植物多样性和植被碳储量的多情景评估与动态模拟，系统揭示了流域的自然系统及其对人类的贡献动态演变特征，以实现两者的权衡与协同分析，并依托生态环境曲面建模和“自然未来框架”，构建一个具备数据融合、尺度转换及模型耦合等功能的“多情景评估与动态模拟平台”。这不仅有助于深入理解鄱阳湖流域自然系统对气候变化的响应机制，也为流域多维度可持续发展相关的决策提供了理论依据与技术支撑。论文的主要内容和结论如下： （1）基于高精度曲面建模方法（HASM）对多源数据融合和尺度转换，显著提升了气温、降水等关键气候变量的模拟精度，并利用Holdridge生命地带（HLZ）植被生态系统分类模型，揭示了流域内历史时期及未来情景下的植被生态系统演替特征。历史时期（1990s-2010s），流域内暖温带森林生态系统面积减少，而亚热带森林生态系统显著扩张，表现出向亚热带化演替的趋势。未来气候情景（2050s）预测表明，高排放情景（SSP5-8.5）将加剧这一趋势，导致暖温带森林进一步缩减，亚热带湿润森林与亚热带潮湿森林扩展，流域植被生态系统的稳定性面临更大挑战。 （2）基于高分辨率Sentinel-1和Sentinel-2影像数据，构建了植被物候特征与雷达后向散射系数的竹林识别方法，并结合Maxent模型，模拟了流域内历史时期和未来情景的竹林分布区。相比于历史时期，竹林的适生区在未来情景下均呈现扩张趋势，高排放情景下竹林适宜生境扩张趋势最为显著。进一步采用分类回归树（CART）、随机森林（RF）和梯度提升树（GBT）等机器学习方法，对鄱阳湖流域植物多样性进行模拟预测，结果表明RF模型在测试集上的泛化能力最优，并具备较好的区域迁移适应性。历史时期分析显示，鄱阳湖流域的植物多样性下降区域的占比高于上升区域。未来情景下，随着排放情景的加剧，植物多样性负向变化的区域和幅度逐渐增大，而正向变化的比例逐渐减少，表明气候变暖对植被多样性的影响不可逆，即使在低排放情景下，也难以恢复到历史水平。 （3）基于多过程耦合和改进的植被碳储量模型，揭示了鄱阳湖流域碳储量高值区主要集中在北部和中部森林覆盖区域，而低值区则主要分布在鄱阳湖水域及城市周边。历史时期，流域内植被碳储量整体在增加，但10.09%的区域下降，反映出城市扩张对碳储量的负面影响。未来情景预测表明，碳储量变化受排放水平影响大，低排放情景（SSP1-2.6）下森林生态系统仍能维持较强碳汇能力，而高排放情景（SSP5-8.5）下，碳储量大幅下降，特别是阔叶林和针叶林的碳损失最为明显，表明气候变暖将削弱流域的碳固存能力。流域内森林生态系统是碳储量的主要载体，湿地虽然单位面积碳固存能力最高，但总体贡献受面积限制，而草地和耕地的碳汇能力相对较弱。 （4）通过解析鄱阳湖流域自然系统及其对人类的贡献的权衡与协同关系，为量化“自然未来框架”的“关系价值”提供新的视角和科学依据。研究发现，历史时期气温对碳储量的负面影响逐步减弱，降水的协同效应降低，而植物多样性与碳储量的协同作用显著增强，表明高多样性群落的固碳效应正逐步显现。然而，单一树种（如竹林）对碳储量的贡献存在长期不可持续性。这将推动碳汇功能与植物多样性保护形成良性互动，为提升自然的“关系价值”提供生态基础。未来情景下，气温对碳储量的负面效应在高排放情景中加剧，而降水的协同作用有所恢复，植物多样性仍与碳储量保持正向协同。此外，暖温带湿润森林生态系统碳储量对气候变化的敏感性高，在不同排放情景下呈现出更大的权衡波动，而亚热带生态系统表现出更强的适应能力。 （5）最后，本文构建了模块化和分层架构的多情景评估与动态模拟平台，集成数据融合、尺度转换及模型耦合等功能，实现了“数据输入-参数配置-模拟推演-结果输出”的全链条技术体系，为推进鄱阳湖流域生态保护红线动态优化、“碳中和”路径设计及“人与自然和谐共生”目标实现提供了科学化、定量化的决策支持工具。 |
| 学科主题 | 地图学与地理信息系统 |
| 语种 | 中文 |
| 页码 | 156 |
| 源URL | [http://ir.igsnrr.ac.cn/handle/311030/217345]  |
| 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 | 李赛博. 自然未来框架下自然系统及其对人类的贡献模拟方法——以鄱阳湖流域为例[D]. 中国科学院地理科学与资源研究所. 中国科学院大学. 2025. |
入库方式： OAI收割
来源：地理科学与资源研究所
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