论文部分内容阅读
土地利用/土地覆被变化作为全球变化在地球上留下最直接、最重要的遗迹，已成为全球变化研究的核心领域。土地利用变化是人类活动对环境影响最强烈的形式之一。区域土地利用变化一方面会影响到耕地资源的数量与质量从而威胁到粮食安全，另一方面也会影响到土壤有机碳的储量与分布进而影响到陆地生态系统碳循环，造成区域和全球尺度的气候变化。研究区域土地利用变化对耕地质量和土壤有机碳的影响对保障区域的粮食安全与缓和气候变化都具有重要的理论意义与现实意义。
本文以山东省禹城市为研究区域，根据遥感影像、野外采样数据、土壤普查数据和社会经济统计资料等数据，结合“3S”技术，分析了县域土地利用变化对耕地质量和土壤有机碳的影响。取得的主要研究成果为:
(1)2001-2009年，禹城市耕地、林地、建设用地和未利用地面积变化较大，而水域面积基本未变，耕地的流入与转出是区域土地利用变化的主要方向，各乡镇的土地利用变化差异性明显。根据SPOT10m与TM/ETM+30m的融合影像，采用面向对象方法解译获取禹城市土地利用变化的时空信息，在此基础上分析区域土地利用的数量格局变化、变化方向和空间差异，研究结果显示:①禹城市的优势地类耕地呈快速减少趋势，而林地增长快速，增长幅度已经超过耕地的下降幅度。城市建设用地、农村居民点和交通用地面积都在逐年增加，且城市建设用地增加的速度更快;水域面积变化不大;未利用地快速减少。土地利用程度正由粗放向集约利用方向发展。②耕地中的旱地变化剧烈，主要转向林地、菜地和城市建设用地，同时，林地、城市建设用地以大量的旱地和农村居民点转入为主;菜地、农村居民点和交通用地的增加主要来源于旱地;水域流转相当;未利用地主要转出为旱地和林地;土地类型之间的转换主要是以农业用地内部的转换为主，而以建设用地与农业用地之间的转换为次。③不同行政区的土地利用变化率差异较大。整体表现为:经济发展和城镇化速度较快的行政区，土地利用变化程度较大、速度较快。以农业用地为主且受城市化影响较小的行政区，则土地利用变化程度较小、速度较慢。
(2)禹城市耕地流入与转出与社会经济和区位条件密切相关。其中，耕地与林地之间的转换主要受区位因子控制，而耕地与建设用地、未利用地之间的转换主要受社会经济因子的影响。将禹城市土地利用变化的主要类型即耕地变化和筛选后的驱动因子作为二元Logistic模型的输入变量，分别讨论耕地流入与耕地转出过程中可能的驱动因子及其贡献率，并利用ROC值检验模型确定的驱动因子的拟合度。结果发现:①耕地转向林地更多的受到村庄、道路最近距离等的影响，区位因子贡献率累计达到51％;②耕地转向建设用地主要受总人口密度和牧、渔业总产值等社会经济因子的影响，贡献率累计达到50％;③林地转向耕地主要受到河渠最近距离、到城镇最近距离等区位因子影响，贡献率累计达到72％;④未利用地转向耕地主要受到总人口密度、农民人均净收入和种植业总产值等社会经济因子影响，贡献率累计达到59％。⑤拟合方程的ROC值均大于0.7，说明Logistic模型所确定的驱动因素具有较好的解释能力。
(3)根据禹城市耕地质量评价结果，禹城市耕地质量可分为五等。禹城市一、二、三、四等中、高质量耕地最多，总体呈减少趋势，增加的来源主要为荒地开发，减少的原因主要为生态造林和建设占用;五等低质量耕地最少，总体呈增加趋势，增加的低等耕地主要来源于荒地开发，减少的低等耕地主要为造林占用。构建适合研究区的耕地质量评价指标体系并形成单要素评价图层，利用模糊隶属度函数对各评价要素进行标准化处理，再采用主成分分析法确定要素权重，最后根据综合指数模型评价研究区耕地质量，并结合土地利用变化情况，分析研究区土地利用变化对耕地质量的影响。研究结论为:①禹城市耕地资源总体质量以二、三等中等质量耕地最多，五等低等质量耕地最少。一、二、三等高、中等质量耕地主要分布在中部和南部以北区域，四、五等低等质量耕地主要分布在中部西北和南部以南区。②2001-2009年禹城各种质量耕地资源主要呈减少趋势，且减少最多的均为一、二、三等高质量耕地，多分布在耕地集约利用和城市化水平较高的中部区;增加的四、五等质量耕地主要集中在副业较为发达的南部区，其次为中部区。③2001-2009年禹城市一等高质量耕地的减少主要是由于生态造林和建设用地增长，二、三、四、五等中、低质量耕地减少则主要是由于造林占用;而不同等级质量的耕地增加主要来源于荒地开发，其次为毁林开地。④2001-2009年禹城市减少的一、二、三、四等中、高综合质量耕地集中在中部区，主要为生态造林和建设占用。五等低质量耕地的减少集中在北部和南部区，主要以造林占用为主;增加主要来源为荒地开发的一、二、三等中、高质量耕地集中在中部区，四、五等低质量耕地则集中在南部区。
(4)DNDC模型模拟的禹城市2010年农田土壤有机碳库(0-50cm)总量为2908.03×106kgC，土壤有机碳年变化总量（年盈余量）为119.04×106kgC，表现为区域“碳汇”，情景模拟显示:经济发展和气候变化情景下，SOC储量和变化量相对于现状发展情景分别呈显著和微弱下降趋势，但通过优化管理措施可能促进SOC的有效积累，增加SOC储量，最大程度提升固碳潜力。在建立完整的DNDC模型所需数据库的基础上，利用点位实测数据对DNDC模型进行了参数校正，根据校正后的模型分析了禹城市农田生态系统SOC库现状格局、平衡状态、影响因素和变化趋势、固碳潜力，主要结论为:①点位模式的空间多样点对比验证发现:经过校正的DNDC模型能够很好的模拟禹城生态试验站4个冬小麦和夏玉米轮作地的SOC储量情况，模型能较好的捕获不同试验田块作物品种和不同作物管理措施之间的差异。②2010年禹城地区农田土壤有机碳库(0-50cm)总量为2908.03×106kgC，单位耕地面积SOC储量为42.24×103kgC/ha，土壤有机碳变化总量为119.04×106kgC，单位耕地面积SOC变化量为1.73×103kgC/ha。SOC储量主要分布在禹城中北部和中南部地区，而SOC年变化量在禹城北部、中东部和南部较高，这种分布格局主要与各种土壤类型初始SOC含量和各乡镇化肥和有机肥投入有关。③区域尺度模拟精度分析表明，229个模拟单元的实测SOC含量与DNDC模型模拟结果有较好的一致性，其中，最敏感土壤因子处于平均值状况时，模型拟合度最高（达到84％以上）。④2010年禹城市农田SOC年盈余119.04×106kgC，属于区域“碳汇”，主要表现为每年土壤以释放CO2的形式支出126.95×106kgC，以淋溶方式损失的碳为0.06×106kgC，而从秸秆还田中净得到169.48×106kgC，从人蓄粪便等有机肥中得到76.53×106kgC，禹城市农田生态系统表现出对大气CH4具有弱吸收“汇”的作用。⑤区域尺度上的影响因素分析显示，气温降低、提高有机肥、化肥用量和秸秆还田率、土壤N调整施肥和精准施肥、少免耕等因素对SOC储量和年变化量影响较大。情景分析表明:优化管理情景可显著促进SOC的积累，增加SOC储量，但经济发展情景和气候变化情景下，SOC储量和变化量相对于参考情景分别呈显著和微弱下降趋势，说明经济发展情景下，研究区当前SOC储量和累积量增长趋势减弱，而气候变化情景下，研究区SOC的储量和变化量较小。⑥固碳潜力分析表明:固碳潜力和平均固碳潜力均呈现“优化管理＞参考现状＞气候变化＞经济发展”的变化规律。相对于参考现状，优化管理固碳潜力提升了78.45％，而气候变化和经济发展固碳潜力分别下降2.66％和28.63％，这说明通过优化管理，禹城地区仍有较大的固碳潜力及提升空间。