土地系统作为陆地表层最核心的部分,是人类社会与自然环境相耦合的复杂系统,其变化深刻影响着物质、能量的循环过程,改变生态系统服务流动及人类福祉,威胁生态安全。随着人类活动的日益增强,土地利用类型、方式都发生了极大的变化,如何构建科学合理的土地系统研究范式已成为土地科学、景观生态学、地理学等多学科领域关注的焦点。本文提出了土地系统研究的“三棱锥”模型,以系统观下的“山、水、林、田、湖、草”人类命运共体思想为指导,以山东省东部典型的低山丘陵地区栖霞市为例,以内在演变逻辑为主线、时空尺度为标尺,研究了土地系统的数量和空间结构变化、人为扰动时空分异、土地系统驱动分析、水文生态效应、生态系统服务、生态安全格局及未来气候情景下土地系统模拟和生态风险预警七大块内容。以期为土地科学研究者以及自然资源规划与管理部门提供一种系统化、科学化研究思路。(1)基于多源遥感影像解译、实地采样、数据共享等多途径构建了研究区土地、生态环境大数据库,空间化了粮食产量及化肥施用量,评估了滑坡、泥石流等山地灾害。研究表明:栖霞市土地利用在2000-2010年变化剧烈,主要为耕地到建设用地的转移,2010-2015年变化减缓;15年间耕地共减少5485.70hm~2,建设用地共减少5232.15hm~2;土壤侵蚀得到有效控制;粮食产量急剧减少,化肥施用量显著增加。基本摸清了栖霞市2000-2015年土地利用类型及结构在数量、空间分布上的变化特征以及气候、土壤、植被等自然生态变化情况,作为土地系统研究体系中的格局探测模块为区域生态系统服务价值评估、生态安全格局构建及未来土地系统空间模拟等土地系统研究的子模块提供了基础数据支持。(2)利用分布指数研究研究区高程、地形起伏度、坡向、坡度变率、地形位指数等地形梯度下2000-2015年土地利用类型分布特征变化情况。研究发现:低地形梯度是栖霞市土地利用类型的分布及变化的主要梯度区域,高地形梯度自然状态保持度较高,但随着低地形梯度区域土地开发强度增加,土地利用类型的转移有向高地形梯度区域蔓延的趋势。该部分研究做为土地系统化研究的格局探测模块的子模块,是对典型区域土地系统研究的有效补充,可以反映区域土地变化特征,同时为区域在低地形梯度下合理化、集约化利用,保护山区脆弱的生态环境提供决策支持。(3)采用面积信息守恒及粒度重采样方法,以景观指数曲线拟合拐点确定研究区景观格局最佳分析粒度尺度为30m,同时,利用移动窗口法及半变异函数分析确定研究区最佳分析幅度尺度为1500m,综合粒度及幅度确定研究区特征尺度。以网格采样构建研究区人为干扰度指数,从全局自相关及局部自相关两个方面探讨了人为干扰的空间聚集和分异特征以及2000-2015年15年间的变化状况。以城镇为中心设定不同缓冲区样带,在特征尺度下分析不同城镇缓冲半径内人为干扰景观的破碎化、型状结构、聚集性以及多样性四个方面的景观格局时空演变过程,结果显示随着城镇中心距离增大,人为干扰逐渐减弱,栖霞市人为干扰下景观破碎化的距离阈值为10000m,聚集性的距离阈值为6000m,多样性的距离阈值为4000m。“人—地”关系耦合在研究区具有自身特点,该部分研究作为土地系统格局探测模块的另一个子模块,基本摸清了研究区人类活动对土地系统的影响程度及范围。(4)以国民生成总值、人口密度、化肥使用量变化等作为经济社会驱动,以高程差、降水、温度、植被净第一性生产力、土壤侵蚀等作为自然驱动因素,以研究区土地综变化动态度、耕地变化动态度、建设用地动态度为因变量,在小流域尺度下对比了“社会-自然”二元驱动下普通最小二乘法和地理加权回归两种驱动分析方法发现:地理加权回归模型优于普通最小二乘法模型,驱动因素中:地形、国民生产总值、人口密度、植被净第一生产力与土地利用综合动态变化相关,耕地、建设用地动态变化与地形、国民生产总值、人口密度密切相关,研究区土地利用综合动态度及耕地变化动态度的驱动因素存在显著的空间分异规律。根据区域特点重点研究变化剧烈土地利用类型的驱动因素,为区域土地系统可持续利用的全要素合理配置提供一定的依据。(5)通过分布式水文模型SWAT模型对栖霞市不同时期不同尺度的径流量、进入主河道的泥沙含量、有机氮、有机磷、硝酸盐含量等水文物质循环状况进行了模拟,使用SWAT-CUP工具利用决定系数及纳什系数将实地监测数据与模拟数据拟合结果进行校验,对模型参数合理率定,率定结果显示模拟精度基本符合研究要求。以非约束的主成分分析方法分析了SWAT模型自动划分的不同小流域景观格局及水文物质分布特征,利用Pearson相关研究了全流域尺度下,降水与径流量、进入主河道的泥沙及营养物的相关性、土地利用变化与径流量、泥沙含量以及营养物的相关性,发现林地为水质污染的“汇”类型,耕地及建设用地为水质污染的“源”类型。借鉴生态学中对应典范分析(CCA)及路径分析研究了小流域尺度下景观格局指数与水质相关性,景观水平下斑块密度和斑块形状在两个尺度下均对各类水质污染具有截留作用,不同尺度下斑块蔓延度的作用不同,而景观多样性在小流域尺度作用不明显。本部分研究通过模型加定量的方法深入探讨研究区“格局与过程”的关系,为从土地视角下为鲁东低山丘陵地区的生态环境保护提供了有效解决路径。(6)在土地系统格局变化探测及生态效应研究基础上,借鉴谢高地提出的生态系统服务评估价值法及修正方法,利用植被净第一生产力、降水量以及土壤保持量对生态系统服务价值当量因子进行修正,同时考虑通货膨胀等因素加入贴现率修正系数,对研究区格网尺度下生态系统服务价值进行了定量化和空间化的评估,对生态系统服务价值敏感分析,单项服务中,气候调节、水文调节及土壤保持三类生态系统价值在2000年和2015年分别占到了总价值的60.70%和61.54%,是栖霞市关键生态系统服务类型。15年间生态系统服务总价值上升1.74%,但其中粮食供给价值下降最大,达到4.51%,水资源供给价值上升最大,达7.54%。基于全局空间自相关、局部空间自相关以及利用简单克里金插值等探索性空间分析方法对2000-2015年栖霞市15年间生态系统价值时空分异特征进行研究,发现生态系统服务价值的空间尺度依赖性减弱,冷点区域增加。该部分研究是对土地系统研究中生态效应模块的延申,同时也是区域生态安全格局,再到基于生态安全格局的未来土地系统空间模拟研究的基础。(7)基于不同生态系统服务价值空间分布特征,根据各服务功能的聚集性划分不同等级生态系统服务重要度区域,构建研究区综合生态安全格局。利用人工神经网络算法,以自然和社会驱动因子数据为训练数据,获取研究区土地利用变化适应性概率。以生态安全格局最低等级区域设定为限制发展区域,构建多智能体决策单元。基于轮盘赌选择机制的元胞自动机模型模拟2010年土地利用空间分布,对模拟结果进行验证,验证结果表明该模型对水域及建设用地模拟精度较高,Kappa系数均达到90%以上。使用该模型对研究区2030、2050、2070、2100四年土地利用空间变化进行模拟,在生态安全格局约束下未来80年水域及建设用地变化不大,耕地面积显著增加,园地等其他用地显著减少。以模拟的未来土地系统空间变化为基础,分析未来水文生态环境风险,结果显示研究区水质明显改善,土壤流失量显著降低。作为土地系统性研究的最终模块,既是从生态保护角度的土地优化布局,也是检验“格局—过程”优化效应的有效途径,为研究区土地可持续利用决策具有一定的借鉴作用。本研究从系统观、可持续发展观出发,深化和完善了典型低山丘陵地区土地系统利用与保护理论方法与技术体系,有效解决了低山丘陵地区经济发展与生态保护瓶颈问题,突破了区域历史数据缺失所带来的难题,土地空间配置及生态环境风险科学合理的预测为研究区“天-地-人”和谐发展提供了可靠的技术支持。