题目：关中地区土地利用/覆盖变化及其生态效应研究

摘    要
土地利用与土地覆盖变化既是全球环境变化的重要组成部分，也是全球及区域环境变化的主要原因；及时准确地获取区域土地利用/覆盖信息对于政府决策和科学研究均具有重要意义。关中地区（包括五市一区）包括三个地貌差异显著、主体功能迥异的典型亚区，在该区进行土地利用/覆盖变化的生态经济分析不仅是探索土地利用变化生态效应的有益实践，也是开展区域间生态补偿研究和实践的基础性工作，对于缓解经济发展过程中出现的环境问题和实现国家及区域协调、持续发展具有重要意义。
本文依托国家自然科学基金项目“西北河谷平原土地生态安全动态与可持续发展途径（40771019）”，以地理学、遥感科学、地理信息科学、生态学、统计学、数学、生态经济学、可持续发展等为理论框架，以遥感与地理信息系统技术为主要技术支持，以Landsat TM 影像、NDVI数据以及相关资料为主要信息源，基于典型地物的光谱特征分析、地学相关知识分析和模型分析以及分景反复试验，采用基于决策树的分层分类与监督分类相结合的方法，提取了研究区1990年、2000年、2007年的土地覆盖信息。以此为基础，在GIS的支持下，建立关中地区土地利用/覆盖变化数据库，并采用土地覆盖数量变化模型、空间转移模型、程度变化模型等阐释研究区过去17年土地利用/覆盖变化的实际情况。进而采用生态经济学分析方法，在GIS支持下，分别对关中地区不同土地利用/覆盖情景下的生态系统有机质生产、保持土壤、涵养水源、固碳释氧等主要生态服务功能价值及土地生态系统生态服务功能综合价值的空间格局予以测评和构建，进而按照类别、地貌区、县域进行统计分析，阐明在土地利用/覆盖变化过程中，关中地区土地生态系统生态服务功能价值的实际时空动态。研究结果表明：
（1）与其他智能化地物信息提取方法相比，基于决策树的分层分类方法思路清晰、直观明了，便于在各个节点灵活应用决策规则；与监督分类方法相结合既可深入挖掘、利用遥感数据本身丰富的信息识别地物，又可综合应用地学知识进行辅助判别，地物分类特征抽取相对全面；地类指数序列化方法在一定程度上有效地回避了指数阈值确定的难点，对于多景覆盖区可大幅节约解译时间；分景分层提取，便于某些决策规则的阈值设定，较好地实现了提全与提纯的统一。对于总面积超过5万平方公里、地貌类型复杂的关中地区而言，解译工作量巨大，本文利用上述方法获得了较好的解译效果，三期影像总体分类精度均大于80%，且Kappa系数大于0.797。
（2）1990~2007年关中地区耕地、水域面积不断减少，耕地年均减少15498.07 hm2；建设用地面积不断增加，17年增加了1.92倍；自1999年退耕还林还草及相关配套政策全面落实以来，林草植被总面积不断增加；退耕前期（1990~2000），草地面积增加显著，增加了114956.19 hm2；退耕后期（2000~2007），植树造林等举措显现成效，部分草地转向林地，林地面积回升；但直至2007年，林地面积仅恢复到与1990年大体相当的水平（比1990年少8333.82 hm2）。这也进一步表明，森林一旦遭到破坏，恢复和建设的难度较大、周期较长。
（3）1990~2007年关中地区土地利用类型间流转较为复杂，改善生态和致使生态退化的土地利用类型变化在空间上并存，尤以前一阶段（1990~2000）较为普遍。 林草耕之间的转换主要发生在渭北高原和秦岭-关山区；建设占用耕地以关中盆地区最为严重；滩地被开垦为耕地是水域面积减少的主要原因；渭河下游的河道迁移也造成耕地和水域之间的相互转化。
（4）修正的土地利用动态度能够更加客观地反映土地利用类型间流转的剧烈程度；2000年之后，在退耕还林还草、生态建设及系列配套政策的落实和调控下，关中地区人民的土地利用行为更加有序。
（5）研究期间，整个关中地区土地利用程度指数时间变化不大。其中渭北高原区基本处于半自然半农业用地级、秦岭-关山区基本处于偏自然用地级，二者均处于土地利用调整期；而关中盆地区基本处于偏农业用地级和土地利用发展阶段。宏观而言，土地利用开发程度基本符合各亚区的自然基础以及在社会发展中主体功能差别化定位的需求。
（6）单位面积林地生态服务功能综合价值约14867元/ hm2，草地约8625元/ hm2，耕地约8459元/ hm2，建设用地仅约145元/ hm2。就耕林草而言，固碳释氧和有机质生产价值在综合价值构成中所占比例最高；耕地的保土和涵养水源价值远低于林地和草地。建设用地的生态服务价值主要体现在硬化地面保持土壤、减少泥沙淤积上；水域的生态服务价值主要体现在蓄水和调节洪水上。
（7）1990、2000和2007年关中地区生态系统服务功能总价值分别为557.39亿元、507.29亿元和533.77亿元。从1990~1998年，由于林地、草地局部破坏严重，导致区域生态服务功能总价值大幅缩减；1999年之后，随着退耕还林还草及配套政策落实，区域生态有所好转，尤其是2000年之后，生态服务功能总价明显回升，但就现状而言，依然不容乐观。
（8）1990、2000和2007年关中地区的生态经济承载指数分别为0.4369， 2.6784， 6.4302；土地生态压力逐年增大。加强关中盆地的耕地保护，稳定和推进渭北高原和秦岭-关山区的生态恢复和建设成果，是未来关中地区土地利用管理中的重要环节。
本文的主要创新之处：
（1）在借鉴前人地物信息提取研究成果的基础上，采用基于决策树体系的分层分类和监督分类相结合的方法进行土地利用解译，信息提取过程中灵活应用光谱和地学知识信息挖掘的相关成果，地物分类特征抽取较为完善，提高了解译精度。尤其是基于反复试验和理论推导，创新性地提出地物指数序列化的思路和规律，并以此建模实现不同地物识别，既借鉴了相关文献中一些成熟的指数方法，同时又回避了单纯采用指数进行地物信息提取时阈值确定的难点。
（2）针对原有土地利用变化动态度模型的不足，提出了修正动态度的计算方法。该测度方法能够更加客观地反映不同地类土地利用变化的剧烈程度和区域土地利用行为的有序程度。
（3）关中地区土地利用/覆盖解译结果可为客观评估1999~2007年期间退耕还林还草工作的实效、掌握耕地非农化程度、未来土地利用管理和生态建设决策以及相关研究提供最新依据；生态系统服务功能价值测评的空间格局可为区域的主体功能定位、区域间生态补偿的研究与实践提供重要的参考。
关键词：关中地区，地物信息识别，土地利用/覆盖，生态服务功能价值