赤水河地跨云南、贵州、四川3省，是长江上游唯一一条干流没有修建水坝、水库的一级支流，是重要的生物多样性优先保护区域。该地区既是长江上游、三峡库区重要的生态屏障，也是我国重要的水源涵养地区，对长江流域社会经济发展有着至关重要的作用。但是近年来随着赤水河流域工业和城市化进程的加快，赤水河流域植被破坏、水土流失日益加剧，土地石漠化面积不断扩大，生态功能严重退化，流域的生态系统安全和生态系统服务能力受到严重的影响，并且潜在着巨大的生态危机。土地利用和土地覆被的破坏所引起的生态水文效应问题，显著的改变了流域的生态环境以及流域生态系统的服务功能和生态系统的稳定性，严重的制约了西南喀斯特地区社会经济的可持续以及快速发展。　　本文在对赤水河流域研究区范围界定的基础上，以划定的赤水河流域及其典型区为研究对象，在土地资源学、景观生态学、生态经济学、气象学与气候学以及生态水文学等学科理论的指导下，首先以研究区植被、气象、水文以及土壤类型等多源数据为支撑，采用遥感与地理信息系统集成方法、空间统计分析方法揭示了陆表植被以及水文的时空演变特征，同时以生态系统固碳释氧、水土保持以及水源涵养三项生态系统服务为基础对流域生态效应进行了评估，采用市场代替法、防护费用法、恢复费用法、影子工程法等方法将这些服务进行了货币化。其次以赤水河流域近60年的气象数据及35年的遥感影像解译结果为基础，在不同的时空尺度上分析了流域气候变化特征及其土地利用的时空差异性特征，并甄别了气候变化和人类活动对流域的生态水文过程的贡献率;再次，该研究通过改进SWAT模型的地表植被模块和增加岩性模块，建立了喀斯特流域的生态水文过程模型，通过设置不同情境预估气候变化和人类活动对生态水文过程的影响;最后，该研究以生态系统服务价值的估算结果和社会经济数据为基础，采用生态补偿核算方法及SOFM自组织神经网络算法建立了赤水河流域的生态补偿标准和生态安全分区方案，取得的主要研究结果如下:　　(1)植被覆盖时空变化特征　　研究区地表覆盖变化趋势sen值介于-0.0244～0.0239之间，整体上呈现出改善趋势，其中喀斯特地区的植被增长的趋势大于非喀斯特地区。NDVI的Hurst指数变幅较大，其值介于0.35～1.00之间，平均值为0.67，标准差为0.075，Hurst指数的反持续序列比重为10.45％，持续性序列比重为89.55％，Hurst指数空间分布形态呈现单峰右偏分布，即NDVI均值持续性改善的趋势远远大于反持续性退化的趋势，说明研究区NDVI总体的变化趋势处于持续性改善的态势。　　(2)生态效应时空变化特征　　采用CASA模型估算出的流域单位面积NPP平均值由2000年的798.429g C/m2a增加到2015年的822.752g C/m2a;通过改进的RULSE模型校验后，不同年份土壤侵蚀模数大幅度降低，平均值均低于10t/hm2a。通过InVEST模型对不同年份水源涵养进行估算可知，流域水源涵养总量的大小顺序为2010(94.91×108m3)＞1980(80.33×108m3)＞2000(64.49×108m3)＞2015(54.33×108m3)＞1990(48.62×108m3)。　　(3)水文过程及其变化特征　　在年际尺度上，不同空间尺度上流域的多年径流量都呈现出不显著下降趋势，其中下游赤水河站多年平均径流量的减速最大，其值为0.18亿m3/a，其次为上游的赤水河站（0.0501亿m3/a），而流域的中游茅台站多年平均径流量减速最慢;在季节尺度上，干流赤水河站、茅台站以及赤水站多年季节径流量除秋季之外，其他季节的径流量都呈现出下降趋势，支流上多年季节径流量在不同季节中都呈现出下降趋势;在突变年份上，干流赤水河站、茅台站以及赤水站多年径流量的突变年份分别为1986，2001以及2000年，支流二郎坝多年径流的突变年份为2003年;在周期尺度上，干流赤水河站、茅台站以及赤水站多年径流量的主周期为28年，支流二郎坝多年径流量的主周期为22年。　　(4)气候变化过程及其特征　　研究区多年平均降水呈现出不显著下降趋势(Z=1.93)，下降的速率为15.22mm/10a;多年平均气温呈现出显著增加趋势(Z=2.95)，增长的速率为0.13℃/10a，而多年平均蒸发量呈现出下降趋势，存在“蒸发悖论”现象，减少的速率为-30.37mm/10a，Z值为4.49，表明研究区多年平均蒸发量达到了显著性水平为0.01的检验(Z=2.58)。　　(5)土地利用变化及其模拟　　赤水河流域不同土地利用类型中变化最大的是灌木林地，其次为耕地和草地。而有林地、建设用地和水体变化较少，三者变化贡献率不超过7％。以上结果反映出在赤水河流域35年土地利用结构变化中，灌木林地的变化起到主导的作用，耕地和草地变化次之。在喀斯特地区气温因子是地表林灌植被的限制性因子。通过对土地利用多尺度模拟分析发现不同空间尺度上ROC曲线在不同地类之间表现出的特征呈现出一定的规律性，即随着尺度的增加ROC曲线的曲线值表现出了先增加后减少的趋势，而不同的研究区ROC曲线所表现出的尺度效应也不一致。　　(6)植被覆盖对气候和人类活动的响应　　研究区多年植被旬NDVI与多年旬降水的时滞效应显著大于旬NDVI与多年旬气温的时滞效应，且植被与气温的时滞偏相关系数显著大于植被与降水的相关系数，说明在赤水河流域气温对植被NDVI的敏感程度大于降水对植被NDVI的敏感程度。流域植被对降水和气温的响应存在144.80mm和23.33℃的明显阈值，当降水和气温达到这一阈值时，降水和气温的增加或降低均使NDVI呈现减少趋势。通过残差分析发现在赤水河流域气候变化和人类活动对植被的贡献率分别为43.70％和56.30％。　　(7)水文过程对气候和人类活动的响应　　降水和径流之间存在着正相位关系，1960年代到1970年代两者之间呈现出同步变化过程，1990到2005年之间降水量P和径流量Q之间的相位大体为60度左右，表明降水对径流具有滞后约2年的时间。如果不考虑蒸发量，降水量和人类活动对流域径流量的贡献分别达到26.50％和73.50％;如果考虑蒸发量，则人类活动对赤水河流域径流量变化的贡献率将会增加到88.13％。　　(8)喀斯特典型流域生态水文过程模型模拟　　将典型流域1997-2010年实测的径流资料分为三部分，第一部分用于模型预热(1990-1995)，第二部分用于模型率定(1996-2005)，而第三部分用于模型的验证(2006-2015)。通过对模型的校准和验证，校准期R2=0.85，NS=0.74，验证R2=0.78，NS=0.69，说明该模型在喀斯特地区具有较好的适用性。　　(9)生态补偿标准和生态安全时空变化特征　　赤水河流域年均生态补偿标准为76.24亿元，2000～2010年生态补偿价值量呈现出上升趋势，其值由2000年的70.40亿元增加到2010年的97.66亿元，2010～2015年呈现下降趋势，其值由2010年的97.66亿元减少到2015年的60.67亿元。赤水河流域生态安全、较安全、临界安全、较不安全以及不安全的区域所占的比例分别为18.90％、20.05％、18.86％、20.43％以及21.76％，上游的喀斯特地区大多处于较不安全和临界安全的阈值状态，而中游的仁怀市、支流的桐梓县以及下游的习水县县城及其周边地区则处于不安全状态。