气候变化和人类活动影响下的生态系统健康时空演变特征及分区管控——以黄河流域为例

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维持生态系统健康是流域可持续发展的根本保障,掌握流域生态系统健康水平对流域生态保护政策制定具有重要的实践意义。黄河流域在中国社会经济发展和生态保护工作中占有重要地位。作为中国典型的生态脆弱区和气候敏感区,黄河流域的生态系统健康水平关乎着中国生态系统安全格局构建。在经济全球化和全球气候变化的背景下分析黄河流域生态系统健康水平具有重要意义。结合黄河流域高质量发展战略需求,如何实现黄河流域社会经济发展与生态保护的“双赢”是一个亟待解决的问题。因此,本研究将黄河干、支流所流经的县域(涉及86个地市、726个县区)作为研究区,首先从土地利用、经济发展、人口聚集、污染排放、政策管理5个角度量化了黄河流域人类活动强度,并且利用降雨量、相对湿度、温度和日照时数作为典型气候因子分析了黄河流域气候变化趋势,其次基于传统的活力-组织力-恢复力(VOR)模型,建立了以生态系统“组织结构-功能服务-环境质量”为框架的生态系统健康评估体系,最终揭示了黄河流域气候变化和人类活动对生态系统健康的驱动机制,并且进一步划分了黄河流域生态健康分区,提出了不同生态健康区的生态保护策略。主要研究结论有以下几点:(1)从气候变化特征来看,2000-2020年黄河上游和下游地区的气候变化呈暖干化趋势,而黄河中游地区的气候变化整体呈暖湿化趋势。黄河流域的年均温度、降雨量、相对湿度和日照时数具有显著的空间差异性,降水量和相对湿度从北到南逐渐增加,而日照时数从北到南呈阶梯状递减,温度在空间上表现为“东高西低”的分布态势,气候条件的区域差异对生态系统健康的空间异质性具有一定影响。(2)2000-2020年黄河流域的人类活动强度提高了77.78%,在空间上整体呈“东高西低”的分布态势,人类活动强度呈增长趋势的地区占比为93.05%;人类活动强度增长率整体表现为上游地区>中游地区>下游地区,黄河中下游地区为人类活动强度的热点区,中游地区人类活动强度冷热点变化最为频繁;过去20年,黄河流域人类活动重心从山西省临汾市转移到了陕西省延安市,整体向西北方向移动了152.58km。(3)2000-2020年黄河流域生态系统健康水平整体向好发展,黄河流域50%以上的地区生态系统结构健康、综合功能服务和生态环境质量均有了全面改善,黄河流域生态系统健康水平以“良”和“一般”为主。生态系统健康以及各组份的时空演变特征在黄河上中下游地区差异显著,2000-2020年黄河下游地区生态系统健康水平普遍高于中游和上游地区,过去20年,黄河中游和上游地区的生态系统健康水平呈增长趋势,而下游地区的生态系统健康水平呈降低趋势。(4)气候变化和人类活动与生态系统健康之间的关系具有尺度效应,研究尺度的增加会弱化大部分人类活动的影响程度而增强气候因素的影响程度;降雨量、日照时数以及相对湿度是导致黄河流域生态系统健康空间异质性的主要因素;气候变化和人类活动对生态系统健康的影响具有显著的时空非平稳性;黄河流域72.95%的地区生态系统健康受到气候变化和人类活动双重驱动,其中表现为积极影响的地区占比为49.30%,表现为消极影响的地区占比为23.65%;生态系统健康对气候变化和人类活动因子的响应阈值不同。(5)黄河流域主要包括4个生态系统服务功能区,4个生态系统健康区,8个生态系统健康类和18个生态系统健康亚类。基于黄河流域生态系统服务特征,利用SOM模型识别了4种主要的生态服务簇,其中固碳释氧是黄河流域主要的生态服务簇,占黄河流域面积的46.32%;采用RDA模型筛选了能够表征黄河流域生态系统健康的气候因子和人类活动因子,基于K均值聚类方法划分4种典型的生态健康区,根据不同生态功能区中生态健康类别特征进一步划分了8种生态系统健康亚类,进一步结合区域地形地貌特征形成了18种生态健康亚类,依据每种亚类中生态系统服务以及生态健康特征提出该区域生态系统健康水平提升的关键措施。
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