蒙古高原荒漠化格局与演变及其对生态系统服务的影响
文献类型：学位论文
| 作者 | 徐书兴 |
| 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 | 王卷乐 |
| 关键词 | 蒙古高原 荒漠化监测 生态系统服务 荒漠化演变 权衡协同 |
| 学位名称 | 博士 |
| 学位专业 | 地图学与地理信息系统 |
| 英文摘要 | 蒙古高原是对全球变化响应敏感、脆弱的典型干旱和半干旱地区，在中国北方和东北亚生态安全屏障建设中扮演关键角色。荒漠化是本区域最严重的生态环境问题之一。在气候变化及过度放牧等不合理人类活动的共同影响下，区域内草地退化、土地荒漠化问题愈发严峻，严重制约本区域绿色可持续发展，威胁人民健康福祉。全面挖掘掌握蒙古高原荒漠化程度和生态系统服务功能的时空分布和变化规律及两者之间的关系，对本区域荒漠化防治、生态安全、跨境合作和保障社会经济绿色可持续发展具有十分重要的科学价值和现实意义。针对这一需求，本文提出了基于潜在发生范围和对象分割的荒漠化特征-模型动态匹配分级方法。使用Google Earth Engine （GEE）上提供的1990-2020年的18655 景Landsat 影像，获得了蒙古高原高精细荒漠化空间分布。基于重心迁移模型、土地利用转移矩阵和地理探测器模型，结合遥感观测、气象再分析、野外调查等多源数据分析，阐明了近30 年本区域荒漠化时空格局、演变过程和驱动机制。基于RWEQ、RUSLE、CASA、InVEST 和水量平衡方程等生态系统 服务定量评估模型，量化评估了蒙古高原5 种关键生态系统服务功能，揭示了生态系统服务功能的空间分异规律和内在的权衡协同关系，并进一步探讨了荒漠化演变对生态系统服务能力和权衡协同关系的影响。主要结论如下： （1）蒙古高原荒漠化精细遥感信息提取方法.现有大区域荒漠化监测存在荒漠化潜在发生范围界定缺失、特征体系与监测模型区域适应性差、“椒盐现象”和光谱混淆严重等问题。本研究提出了基于潜在发生范围和对象分割的荒漠化特征-模型动态匹配分级方法框架，构建了蒙古高原荒漠化精细遥感信息提取与分级方法。结果表明：蒙古高原荒漠化潜在发生范围面积为230.63 万平方公里，占研究区总土地面积的83.88%，其中半干旱区面积最大。蒙古高原荒漠化程度可被划分为潜在、轻度、中度、重度和极重度荒漠化共5 个等级。针对30 米空间分辨率的Landsat 影像，基于简单非迭代聚类超像素图像分割方法实现大区域同质荒漠化景观生成，采用目视判读和经验知识方式进行不同分割尺度对比，发现最佳分割阈值（Size=15），从而避免出现最小均一斑块过分割现象。基于混淆矩阵和十折交叉验证法，综合分析了不同特征指标体系和机器学习模型匹配方式的荒漠化精细分级效果，确定了以NDVI、MSAVI、FVC、LST、BSI、DEM、Albedo 构成的指标体系与GBDT模型的匹配方式同时兼具了高稳定性和高准确性优势，荒漠化精细分级结果具有一定的可靠性。NMF+ABDL-GBDT 匹配平均总体准确率和Kappa 系数均最高，分别为86.39%和0.82，且总体精度标准差最小，为2.93%，Kappa 系数标准差最小为0.04。该匹配方式能更敏感的捕捉到中度荒漠化和重度荒漠化的微小差异，在各荒漠化程度识别中表现最佳。 （2）蒙古高原荒漠化时空格局与驱动机制.1990-2020 年，蒙古高原荒漠化程度总体呈轻微下降趋势，但中蒙趋势差异明显，呈现从东向西、从南北向中间荒漠化程度不断加剧的整体空间分布格局。全域潜在和中度荒漠化比例分别增加了2.95%和1.86%，轻度和极重度荒漠化比例分别减少了1.34%和2.99%。2010 年是蒙古高原总体荒漠化以恶化为主向恢复为主演变的关键转折期，中国内蒙古恢复尤为明显。在2010-2015 年，蒙古国出现短暂恢复期后，荒漠化恶化现象更加严重。整体而言，近30 年中国内蒙古荒漠化程度有所改善，而蒙古国荒漠化程度加深。重度和极重度荒漠化主要分布在蒙古高原西南部，即蒙古国中部和南部的南戈壁省、东戈壁省、中戈壁省、前杭爱省以及中国内蒙古北部的巴彦淖尔盟、阿拉善盟、包头市、乌兰察布市。中度荒漠化主要位于轻度荒漠化和重度荒漠化过渡带内。蒙古国东北部的肯特省、苏赫巴托尔省、东方省以及中国内蒙古的锡林郭勒盟、通辽市是荒漠化转换相对活跃的区域。降水量和人类活动强度是蒙古高原全域和蒙古国荒漠化空间分异的主要驱动因素，而潜在蒸散发和降水量是内蒙古的主要影响因素。风速、土壤湿度和人类活动强度变化是蒙古高原和蒙古国荒漠化演变的重要驱动因素，中国内蒙古荒漠化演变主要受载畜量、月最大温度、月最小温度和人类活动强度的相互作用影响。 （3）蒙古高原生态系统服务格局与权衡协同关系.2000-2020 年，蒙古高原5 种关键生态系统服务能力存在不同程度的提升，总体均呈现从西南到东北呈环状辐射增加的分布格局。全域固碳总量从66954.22 万吨增至75332.18 万吨，增幅达12.51%。防风固沙总量在467.16 亿吨~507 亿吨之间变化，防风固沙保有率在77%左右。土壤保持总量在60.41 亿吨~108.98 亿吨之间，土壤保持保有率变在79%左右。5 种生态系统服务的高值区主要分布在蒙古高原北部和东部的森林地带，中值区集中分布在东部和中部的农田和草原，低值区分布在蒙古高原西南部的戈壁裸地及其周边区域。中国内蒙古固碳服务总量和能力呈提升趋势，在年际间远高于蒙古国的同时，差距在不断增大。蒙古国防风固沙和土壤保持服务量在年际间要略高于中国内蒙古。但防风固沙和土壤保持保有率表现相反，中国内蒙古年际间土壤保持保有率高出蒙古国6%~9%左右。中国内蒙古水源涵养能力呈提升趋势，蒙古国年际波动相对明显。2010 年开始中国内蒙古水源涵养能力超过蒙古国，且差距在不断增大。蒙古国和中国内蒙古生境质量服务能力呈小幅提升，其中中国内蒙古在年际间略高于蒙古国。2000-2020 年，蒙古高原全域5 种生态系统服务之间总体上均呈现相互增益的高度协同关系。防风固沙、植被固碳与土壤保持服务相互间具有明显的以协同关系为主导的空间分异格局。水源涵养和固碳服务在空间上存在大面积的权衡关系区域，主要分布在蒙古国的肯特省、苏赫巴托尔省、东方省，以及中国内蒙古的呼伦贝尔市。 （4）蒙古高原荒漠化演变对生态系统服务的影响.随着荒漠化程度的加剧，5 种关键生态系统服务能力均呈下降趋势。在年际间，荒漠化演变对植被固碳、防风固沙、土壤保持和生境质量的影响具有相对明显的波动性。在同一年度，荒漠化显著恢复对各生态系统服务能力的提升均高于恢复，显著恶化对各生态系统服务能力的降低均大于恶化。蒙古高原不同荒漠化程度对各生态系统服务功能之间权衡协同关系强度的影响具有明显的差异。土壤保持和防风固沙协同关系强度随潜在荒漠化向重度荒漠化加剧不断增强。当重度荒漠化进一步向极重度荒漠化发展时，协同关系强度开始减弱，但仍高于中度荒漠化区域。水源涵养和生境质量服务协同关系强度随荒漠化程度加剧不断减弱。荒漠化显著恢复对土壤保持与碳固定、防风固沙、生境质量之间的权衡协同关系影响强度最大，相关系数变化幅度明显，其他荒漠化演变类型影响较小。其他生态系统服务之间的权衡协同关系受荒漠化演变过程的影响较小，但在年际间呈现明显的波动变化特征。 |
| 学科主题 | 地图学与地理信息系统 |
| 语种 | 中文 |
| 页码 | 149 |
| 源URL | [http://ir.igsnrr.ac.cn/handle/311030/217353]  |
| 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 | 徐书兴. 蒙古高原荒漠化格局与演变及其对生态系统服务的影响[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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