综合多重现期的长江流域洪涝调节服务及其对土地利用变化的响应

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生态系统洪涝调节服务是减缓洪涝灾害风险的重要措施,越来越受到国际社会的关注。生态系统洪涝调节服务及其供需关系不仅受制于土地利用变化,而且还可能随洪水重现期的变化而改变。然而,目前对生态系统洪涝调节服务的相关研究仅基于单一重现期,缺乏综合评估不同重现期下生态系统洪涝调节服务及其供需关系的方法,更缺少对非工程性措施(如土地利用方式)和工程性措施(如水库建设)在不同重现期下影响生态系统洪涝调节服务的系统认识。为此,本文建立了多重现期下流域尺度生态系统洪涝调节服务供给和需求的综合评估框架,基于降雨数据、土地利用/覆盖数据、土壤数据、水库数据、防洪水平数据和不同重现期下的洪水淹没深度数据等基础数据,构建了以雨水蓄滞和洪水调节能力为表征的生态系统洪涝调节服务供给计算模型和以洪水量为表征的生态系统洪涝调节服务需求估算模型,并在研究不同重现期下生态系统洪涝调节供给(需求)变化规律的基础上提出了年期望洪涝调节供给(需求)的概念和评估方法。该框架还考虑了生态系统洪涝调节服务供给由上游至下游的传递,并评估了以土地利用方式为代表的非工程性措施和以水库建设为代表的工程性措施对年期望生态系统洪涝调节服务供给和供需关系的影响。本文以长江流域为例开展实证研究,主要研究内容和结论如下:(1)研究了不同重现期下生态系统洪涝调节服务供给和需求的变化规律。首先,在不同的重现期下生态系统洪涝调节服务本地供给相对稳定,从25年一遇至200年一遇重现期仅略微增长了4.15%。其次,生态系统洪涝调节服务需求随着重现期的增加急剧增长,从25年一遇重现期下的3.18×1011m3增加到200年一遇重现期下的7.86×1011m3,增幅高达146.98%,并且高需求子流域(>60%分位数)(19–64个)由下游向中游逐渐扩散。最后,随着重现期的增加,供不应求的子流域显著增加(43–81个)且分布范围逐渐扩大,在200年一遇重现期下,占据了长江流域的下游、中游和上游东部。以上结果揭示了生态系统洪涝调节服务需求和供需关系会随重现期的变化而改变。(2)提出了年期望生态系统洪涝调节服务的概念和评估方法。综合不同重现期的评估结果提出了年期望生态系统洪涝调节服务的概念,即生态系统洪涝调节服务在不同重现期下(概率)的积分,并分别针对年期望生态系统洪涝调节服务供给和需求构建评估模型。结果显示,2015年长江流域年期望生态系统洪涝调节服务本地供给为1.78×1010 m3,高供给子流域(>60%分位数)有43个;年期望生态系统洪涝调节服务需求为1.71×1010 m3,高需求子流域(>60%分位数)有43个,主要分布在长江流域中游和下游。年期望生态系统洪涝调节服务本地供给小于需求的子流域有47个(43.12%)。因此,年期望生态系统洪涝调节服务供给、需求和供需关系较单一重现期下的结果更具有代表性,其数量和空间格局均介于较高和较低重现期下的结果。(3)量化了长江流域生态系统洪涝调节服务供给在子流域间的潜在传递。基于生态系统洪涝调节服务本地供给,根据中国地表水环境水体代码编码规则及水流方向,对长江流域子流域进行上下游建模,将位于上游子流域的供给叠加至其下游子流域,进而得到生态系统洪涝调节服务的上游供给。首先,生态系统洪涝调节服务上游供给显著高于本地供给密度。相较于本地供给,25年一遇重现期下的高供给子流域(>60%分位数)由40个增长至77个;200年一遇重现期下,由49个增加至81个;年期望生态系统洪涝调节服务上游供给下的高供给子流域由年期望本地供给下的43个增加至79个。此外,上游供给可以大幅减少供不应求的子流域,25年一遇重现期下,供不应求的子流域由43个减少到16个;200年一遇重现期下,供不应求的子流域由81个减少到34个。如果在比较年期望生态系统洪涝调节服务供需关系时考虑上游供给,则供不应求的子流域数量由47个下降至17个。以上结果揭示上游供给对于调节洪涝风险具有重要意义,但同时上游供给并不能完全缓解洪涝风险,尤其是在小概率洪水治理中具有局限性。(4)对比分析了非工程性措施(土地利用方式)和工程性措施(水库建设)在综合治理洪水灾害中的作用。在非工程措施方面,通过建立1980–2015年长江流域土地利用和年期望生态系统洪涝调节服务转移矩阵,量化了不同土地利用之间的相互转化对供给净损失/净增加的贡献,并在此基础上,评估了土地利用转化时面积的增加或减少对供给的相对贡献。1980–2015年,水田、旱地、有林地、灌木林、疏林地、其他林地、水体(河流和湖泊)面积的增加或减少对供给的相对贡献为正,而草地(主要由水体转化)、城市用地和未利用地面积的增加或减少对供给的相对贡献为负。1980年的耕地大幅转为2015年的林地和水体时,转化面积分别达4125.87 km2和5578.29 km2,对供给净增加的贡献分别为1.42×107m3和4.73×108 m3,这表明中国实施的土地利用政策如“退耕还林”和“退田还湖”等能够有效地提高洪涝调节服务供给。在工程性措施方面,水库供给在年期望生态系统洪涝调节服务供给(含水库)中的占比随时间的推移而增加,由1980年的7.86%增长至2015年的15.31%。虽然水库供给的占比小于部分土地利用供给的占比,但是水库变化对年期望生态系统洪涝调节服务供给(含水库)变化的相对贡献大于土地利用变化,其相对贡献高达94.85%,而土地利用变化对供给变化的相对贡献仅为5.15%。因此,需要合理地调控水库,且不能仅依靠水库建设来缓解洪涝风险,也需要考虑绿色基础设施和自然减缓措施,以可持续地保护生态系统服务和生态环境。本文建立了一个多重现期的研究框架,以评估不同重现期下的生态系统洪涝调节服务供给和需求,并综合不同重现期,进一步估算了年期望生态系统洪涝调节服务供给和需求。本文还在此基础上,分析了以土地利用方式为代表的非工程性措施和以水库建设为代表的工程性措施对年期望生态系统洪涝调节服务供给和供需关系的影响,具有一定的创新性和实际意义。相关结论可以为长江流域的洪涝灾害风险综合管理提供一定的科学依据,并且本文所提出的多重现期下的生态系统洪涝调节供给和需求框架不仅丰富了生态系统洪涝调节服务的研究方法,也可以应用于其他流域,并为对生态系统洪涝调节服务的综合理解和管理提供参考。
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