第一章 绪论
1.1 研究背景及意义
1.1.1 研究背景
生物多样性是指所有来源的形形色色的生物体，这些来源包括陆地、海洋、其他水生生态系统和这些系统所构成的生态综合体[1]。生物多样性不仅为自然、半自然和人工生态系统提供重要的生态服务（例如储存碳、生产食物和纤维产品以及营养物质循环等），还为人类社会在精神、信仰、美学等方面提供了具有重大价值的文化服务[2]。生物多样性在向人类提供各项资源的同时，还具有保持水土、改善环境、维持生态系统平衡的功能。近代工业革命以来，随着工业化和城镇化对自然资源的过度开发和不合理利用，导致全球环境污染和气候变化加剧，造成了全球物种的大量灭绝。具体来看，人类对土地的无序开垦和扩张，使未受干扰的自然生境面积急剧缩小和破碎化，导致生物栖息地的丧失和破碎化；且外来物种的侵入造成当地物种的生存环境不断恶化，改变当地生态系统的构成，造成一些当地物种的丧失和灭绝。人类各项改造自然的活动致使物种灭绝速率是自然状态下物种灭绝速率的 1000 多倍[3]。当前，随着生物栖息地的逐渐丧失和生物多样性的不断减少，全球生物多样性保护已迫在眉睫。中国是地球上生物多样性极其丰富的国家，拥有极为丰富的基因资源，生物物种的数量约占全球的十分之一，是全球生物多样性保护的重要地区[4]。在联合国《濒危野生动植物种国际贸易公约》列出的 740 种世界性濒危物种中，我国有 189 种，占总数的 1/4[5]。改革开放以来，我国政策以经济建设为中心，大力发展各级产业，尽管促成国民经济提高，但环境污染也日益严重。同时随着我国人口数量的不断增长，自然资源需求量的不断扩大，水土流失和荒漠化情况逐渐加剧，物种灭绝速率不断加快，生态环境恶化和资源匮竭使生态环境承载力趋于不可恢复的临界点，严重影响了我国经济社会的可持续发展。因此，加强监测和保护生物多样性已刻不容缓[6]。
1.1 研究背景及意义
1.1.1 研究背景
生物多样性是指所有来源的形形色色的生物体，这些来源包括陆地、海洋、其他水生生态系统和这些系统所构成的生态综合体[1]。生物多样性不仅为自然、半自然和人工生态系统提供重要的生态服务（例如储存碳、生产食物和纤维产品以及营养物质循环等），还为人类社会在精神、信仰、美学等方面提供了具有重大价值的文化服务[2]。生物多样性在向人类提供各项资源的同时，还具有保持水土、改善环境、维持生态系统平衡的功能。近代工业革命以来，随着工业化和城镇化对自然资源的过度开发和不合理利用，导致全球环境污染和气候变化加剧，造成了全球物种的大量灭绝。具体来看，人类对土地的无序开垦和扩张，使未受干扰的自然生境面积急剧缩小和破碎化，导致生物栖息地的丧失和破碎化；且外来物种的侵入造成当地物种的生存环境不断恶化，改变当地生态系统的构成，造成一些当地物种的丧失和灭绝。人类各项改造自然的活动致使物种灭绝速率是自然状态下物种灭绝速率的 1000 多倍[3]。当前，随着生物栖息地的逐渐丧失和生物多样性的不断减少，全球生物多样性保护已迫在眉睫。中国是地球上生物多样性极其丰富的国家，拥有极为丰富的基因资源，生物物种的数量约占全球的十分之一，是全球生物多样性保护的重要地区[4]。在联合国《濒危野生动植物种国际贸易公约》列出的 740 种世界性濒危物种中，我国有 189 种，占总数的 1/4[5]。改革开放以来，我国政策以经济建设为中心，大力发展各级产业，尽管促成国民经济提高，但环境污染也日益严重。同时随着我国人口数量的不断增长，自然资源需求量的不断扩大，水土流失和荒漠化情况逐渐加剧，物种灭绝速率不断加快，生态环境恶化和资源匮竭使生态环境承载力趋于不可恢复的临界点，严重影响了我国经济社会的可持续发展。因此，加强监测和保护生物多样性已刻不容缓[6]。
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1.2 国内外研究进展1.2.1 生物多样性研究进展
自 1985 年美国国家生物多样性论坛第一次筹备会议提出 “biodiversity”一词至今，生物多样性科学历经 30 余年的学科建设发展和保护实践活动，其维持生态系统功能、提供生态系统服务、延续人类福祉的重要性已为大量研究所证实[20]。2002 年，由联合国环境规划暑召开了《生物多样性公约》第六次缔约方大会，大会制定了“到2010 年大幅度降低全球生物多样性丧失的速度”这一目标[21]。之后各个国际组织和国家都相继出台了有关生物多样性的法律法规和生物多样性战略规划。如 2004 年澳大利亚制定了《国家生物多样性和气候变化行动划》，进一步了解和掌握气候变化对生物多样性的影响，以期能够改善当地生物多样性状况。2006 年欧盟制定了保护生物多样性的新战略，探究了影响生物多样性生存的各类因素，并制定和实施了各项措施，确保生物多样性丧失的速度能够减缓。2008 年世界自然保护联盟（The World Conservation Union,IUCN）在西班牙巴塞罗召开的世界自然保护联盟大会上正式制定了《塑造可持续的未来：IUCN 2009-2012 年计划》[22]，计划中提出了 5 个优先主题领域，其中重点强调了生物多样性保护工作的重要性。在此期间，很多国际基金组织也制定了一些全球性的生物多样性计划，例如“生命之树计划”（Tree of life，TOL）、“国际海洋生物普查计划”（Census of Marine Life，CoML）、“国际生命条码计划”（IBOL）等[23-25]。2010 年 5 月，生物多样性公约秘书处和联合国环境规划署联合编制了《全球生物多样性展望》，公布了全球未能实现到 2010 年减缓生物多样性丧失速度的目标；同时，表明了如若全球不能采取有效的防治措施来遏制生物多样性丧失的速度，全球自然生态系统可能会很快退化或崩溃。
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2.2 研究方法
2.2.1 景观格局指数分析
计算叶尔羌河流域不同时期的景观指数，可以分析流域景观格局变化和演变的趋势。通过分析不同时期流域斑块类型级别和景观级别的景观指数能反映各时期流域景观格局变化的内在机理。本研究利用 Fragstats 4.2 软件，从景观类型级别选取面积加权平均分维数（FRAC_AM）、斑块个数（NP）、蔓延度指数（CONTAG）、景观分割度（DIVISION）、香农多样性指数（SHDI）、香农均匀度指数（SHEI）；从景观级别选取斑块数目（NP）、斑块密度（PD）、最大斑块指数（LPI）景观分割度（DIVISION）、面积加权平均分维数（FRAC_AM）、聚集度指数（AI）。以上指数的计算公式和生态学意义参考文献[84]。
在景观水平上，景观结构和功能多样性程度越高，景观结构状态越稳定，则景观生物多样性程度越大[87]。因此，一定区域范围内，景观结构状态的好坏能间接影响区域景观生物多样性的强弱。本文引用景观损失指数来间接反映景观生物多样性的变化情况，当损失指数越大时，景观破碎化程度越大，景观结构越不稳定，景观生物多样性越低。根据前人已有的研究成果[88]，本文选取区域生境质量、植被净初生产力和景观结构指数 3 个指标来构建区域景观水平的生物多样性综合指数。
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第三章 景观格局时空演变特征分析 ......................................... 16
第二章 研究区概况与研究方法
2.1 研究区概况
2.1.1 自然地理概况
（1）地理位置
叶尔羌河流域地处新疆维吾尔自治区的西南部，塔里木盆地西部边缘，流域发源于喀喇昆仑山脉南段北侧，经纬度位置介于 74°28'—80°54'E，34°50'—40°31'N之间（图 2-1）。流域地势南高北低，流域东接中国最大的塔克拉玛干沙漠，西临喀什境内的托格拉克和布古里沙漠，南以喀喇昆仑山为屏障，北以天山南麓余脉相毗邻[69]。叶尔羌河流域总面积 87300 万平方千米，其中山区面积 58400 平方千米，平原区面积 28900 平方千米，山区与平原面积比为 2：1。叶尔羌河流域范围包括新疆喀什地区的塔什库尔干塔吉克自治县、叶城县、泽普县、莎车县、麦盖提县、巴楚县和岳普湖县的两个乡，克孜勒苏州的阿克陶县和阿克苏地区的部分地域[70]。
2.1 研究区概况
2.1.1 自然地理概况
（1）地理位置
叶尔羌河流域地处新疆维吾尔自治区的西南部，塔里木盆地西部边缘，流域发源于喀喇昆仑山脉南段北侧，经纬度位置介于 74°28'—80°54'E，34°50'—40°31'N之间（图 2-1）。流域地势南高北低，流域东接中国最大的塔克拉玛干沙漠，西临喀什境内的托格拉克和布古里沙漠，南以喀喇昆仑山为屏障，北以天山南麓余脉相毗邻[69]。叶尔羌河流域总面积 87300 万平方千米，其中山区面积 58400 平方千米，平原区面积 28900 平方千米，山区与平原面积比为 2：1。叶尔羌河流域范围包括新疆喀什地区的塔什库尔干塔吉克自治县、叶城县、泽普县、莎车县、麦盖提县、巴楚县和岳普湖县的两个乡，克孜勒苏州的阿克陶县和阿克苏地区的部分地域[70]。
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2.2 研究方法
2.2.1 景观格局指数分析
计算叶尔羌河流域不同时期的景观指数，可以分析流域景观格局变化和演变的趋势。通过分析不同时期流域斑块类型级别和景观级别的景观指数能反映各时期流域景观格局变化的内在机理。本研究利用 Fragstats 4.2 软件，从景观类型级别选取面积加权平均分维数（FRAC_AM）、斑块个数（NP）、蔓延度指数（CONTAG）、景观分割度（DIVISION）、香农多样性指数（SHDI）、香农均匀度指数（SHEI）；从景观级别选取斑块数目（NP）、斑块密度（PD）、最大斑块指数（LPI）景观分割度（DIVISION）、面积加权平均分维数（FRAC_AM）、聚集度指数（AI）。以上指数的计算公式和生态学意义参考文献[84]。
在景观水平上，景观结构和功能多样性程度越高，景观结构状态越稳定，则景观生物多样性程度越大[87]。因此，一定区域范围内，景观结构状态的好坏能间接影响区域景观生物多样性的强弱。本文引用景观损失指数来间接反映景观生物多样性的变化情况，当损失指数越大时，景观破碎化程度越大，景观结构越不稳定，景观生物多样性越低。根据前人已有的研究成果[88]，本文选取区域生境质量、植被净初生产力和景观结构指数 3 个指标来构建区域景观水平的生物多样性综合指数。
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3.1 景观面积及动态度变化特征分析 ....................... 20
3.2 景观格局变化分析 .................................. 20
第四章 基于 InVEST 模型的叶尔羌河流域生境质量估算 .................................... 25
4.1 InVEST 模型介绍 .............................. 25
4.2 InVEST 模型生境质量模块数据准备 ..................................... 26
第五章 基于 CASA 模型的叶尔羌河流域 NPP 估算 ................................... 31
5.1 CASA 模型介绍 ................................... 31
5.1.1 光合有效辐射（APAR） ................................ 31
5.1.2 光能利用率（ε） ................................ 32
第六章 基于综合指数法的叶尔羌河流域景观生物多样性估算
2000-2010 年叶尔羌河流域景观生物多样性综合指数总体增长较大，其平均值由0.251 增至 0.452。其中，低值区间（区间 1-2）和中值区间（区间 3-4）均呈现出减少的趋势，低值区和中值区分别从 2000 年的 83.38%和 10.07%下降至 2010 年的78.96%和 8.34%；而高值区间（区间 5-6）则呈现出明显的增长趋势，从 2000 年的6.55%上升至 2010 年的 12.7%；且其最大值趋向增长（图 6-1），表明该时段内流域景观生物多样性增长较大，且局部地区（原本景观生物多样性就高的地区）景观生物多样性在增长。2010-2017 年间流域景观生物多样性综合指数的低值区间和中值区间则表现出一定的上升趋势，2017 年流域综合指数低值区间和中值区间分别增长至79.63%和 11.65%；而高值区间面积比重相应的下降至 8.72%，且其最大值趋向减少，表明该时段内流域景观生物多样性开始减少，且局部地区（原本景观生物多样性就高的地区）景观生物多样性出现减少。在整个研究区间，叶尔羌河流域景观生物多样性呈现先升后降的波动趋势，但流域景观生物多样性程度总体呈上升趋势，高值区间和中值区间面积比例增加，低值区间面积比例减少，但各时期低值面积比例均在 78%以上，说明流域景观生物多样性保护工作依然很严峻。
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第七章 结论与讨论
7.1 结论
本文以叶尔羌河流域为研究区，从景观面积及动态度变化特征、景观格局变化、景观结构指数变化等角度分析了流域景观格局时空演变特征及规律。在此基础之上，引入了 InVEST 模型和 CASA 模型，探究了叶尔羌河流域生境质量和植被净初生产力的时空变化特征，通过选取景观结构指数、流域生境质量和植被净初生产力构建了流域景观生物多样性综合指数，进一步分析了叶尔羌河流域景观生物多样性的时空变化特征。主要研究结论如下：
7.1 结论
本文以叶尔羌河流域为研究区，从景观面积及动态度变化特征、景观格局变化、景观结构指数变化等角度分析了流域景观格局时空演变特征及规律。在此基础之上，引入了 InVEST 模型和 CASA 模型，探究了叶尔羌河流域生境质量和植被净初生产力的时空变化特征，通过选取景观结构指数、流域生境质量和植被净初生产力构建了流域景观生物多样性综合指数，进一步分析了叶尔羌河流域景观生物多样性的时空变化特征。主要研究结论如下：
（1）1990-2017 年间，叶尔羌河流域景观面积及动态度变化特征情况如下：除草地和林地外，其余景观类型面积都有不同程度的增长，其中耕地和裸地面积增加量最大，分别为 4496km2 和 4156km2，草地面积减少量最多，达到 13628km2。从变化幅度来看，建设用地和水体的增加幅度远大于其余景观类型，分别达到 1477%和 163%。从各景观类型动态度的变化特征来分析，建设用地的单一景观动态度远大于其它景观类型，达到每年 54.56%，其次为水体、湿地和耕地，1990-2000 年流域综合景观动态度最大。从景观类型间转移变化上看，各景观类型间均有不同面积数量的转化，其中草地和裸地间面积转化最为剧烈，1990-2000 年为转化速率和转化强度的最大时期。
（2）叶尔羌河流域整体景观斑块数量逐年增加，斑块聚集程度下降，斑块形状趋于复杂，流域破碎化程度不断增大。流域优势景观类型所占面积比例变化不明显，单一组分对流域景观的控制作用并未减少，流域景观类型的异质性有一定下降，流域景观整体聚集度有所下降。在类别水平上，各景观类型的斑块形状趋于复杂，且聚集程度有所下降；各景观类型的斑块数量和密度均有不同程度的增加。其中草地和裸地斑块数增量最多，破碎化程度最大；耕地、水体和建设用地的最大斑块指数皆有所增加，反映了半人工和人工景观的空间扩张特征。
参考文献（略）