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土地利用/覆被变化(Land Use/Cover Change,LUCC)作为全球环境变化研究的核心内容,在近年来取得了很大进展。国际地圈生物圈计划(IGBPⅡ)的土地研究指出,LUCC影响了全球能量平衡、改变了区域水量平衡和水分循环过程,对全球生态系统产生重要影响。土地利用变化引起的水问题已经成为限制区域可持续发展的关键性因子。因此,定量描述LUCC水文效应的研究是目前乃至未来几十年的一个热点问题。
海河流域地处高强度人类活动影响地区,是中国水资源最为匮乏、生态环境严重恶化的地区之一。大规模的人类活动改变了地表下垫面的性质与结构,改变了水文循环的自然过程与速率,并影响流域水资源量以及区域生态系统的稳定。因此,量化人类活动影响下的土地利用变化对地表蒸散量的影响以及水汽和能量的交换量的大小是认识流域在变化环境下水循环过程的重要内容。
本文基于1990年和2000年海河流域土地利用/覆被分类图,探讨了流域景观格局变化,同时应用本研究提出的反映人类活动强度的指数量化了人类活动对区域景观格局和结构的干扰强度,揭示了人类活动强度在流域上的空间分异特征与规律。研究结果显示:1990年至2000年海河流域最明显的土地利用/覆被变化类型为耕地转为建设用地,转移量为331.1×103ha,占耕地变化总量的97.0%,反映了流域人口的快速增长和经济的迅速发展引起的快速城市化。景观格局变化显示出由于人类活动的影响景观更加破碎化和多样化,各景观类型之间的关系更加复杂多样。本文提出用于定量描述景观结构变化空间分异的“景观破碎化指数”和“景观多样化指数”,在海河流域空间分辨率为5公里的网格尺度上,2个指数能够很好的揭示流域景观结构变化的空间分异特征,可以作为评价人类活动强度的理想指标。两个指数的计算结果显示海河流域人类活动强度呈现出明显的空间分异特征,由山区向平原区人类活动强度明显增强,平原区由于平坦的地势和便利的交通,经济发展迅速,人类活动强度变化明显。京广铁路沿线由于交通道路的建设城市化进程加快,导致大量耕地转为建设用地,山区植被建设以及平原区农业种植结构的调整和快速城镇化是引起人类活动强度空间分异的主要驱动因素。
为了评价土地利用变化对地表蒸散量的影响,构建了以Penman-Monteith模型为基础的区域陆面蒸散和水量平衡模型,该模型耦合了气象数据与遥感反演的地表特征参数,对海河流域人类活动影响下土地利用变化引起的蒸散量的变化进行了模拟。结果显示:2000年与1990年相比,流域蒸散量明显减少,但部分地区有所增加,北部山区由于退耕还林工程增加了地表植被覆盖度从而增加了蒸散量;中部平原区由于灌溉率的提高和灌溉面积的扩大蒸散量明显增加;南部平原地区由于农业种植结构的调整以及快速的城镇化导致蒸散量明显减少。总体上,土地利用变化引起的蒸散量的变化与人类活动强度变化在空间上有很好的一致性。