纵向岭谷区生态承载力的时空动态及驱动因子研究

纵向岭谷区(LRGR)是中国生物多样性保护的关键地区,该区资源富集、环境复杂、生态脆弱,区域生态系统的安全水平和生态承载能力差异较大,生态系统受到的扰动和变化显著,分析生态承载力时空动态及其驱动因子对区域生态管理具有重要意义.以纵向岭谷区核心区各县(市)为研究对象,在GIS的支持下,从市级和县域两个尺度上研究区域生态承载力的时空动态变化;进而利用主成分分析法(PCA),辨识区域生态承载力空间分异的驱动因子.结果表明:纵向岭谷区各地州人均生态足迹、人均生态承载力与生态安全水平地区差异显著;区域生态承载力随时间呈下降趋势,空间分布格局由北部、南部向中部递减;驱动力分析表明,人均生态承载力受社会经济发展和人口增长因素影响较大,主要驱动力为国内生产总值、人口等指标,驱动力的空间变异决定了生态承载力时空动态.     

纵向岭谷区土地利用时空变化与岭谷格局及通道效应的关系研究

以中国西南纵向岭谷区整体为研究对象,基于研究区1980和2001年两个时期的遥感影像与土地利用解译数据以及该区1:50000DEM数据,通过GIS地图代数手段,分析土地利用和海拔因子与水系因子之间的相互关系,以及人为干扰的空间格局,将人为干扰与纵向岭谷区通道的空间分布相结合,进行综合分析得出如下结论:(1)在低海拔、水资源丰富的河谷内,各种土地利用类型的空间格局和时间动态具有以河流为中心规律性分布的特点,土地系统的活跃程度具有一定的空间递变性;(2)以海拔因子为基础,从土地利用动态和人为干扰强度变化的角度,将纵向岭谷区分为4个海拔层,不同海拔层内,土地利用和人为干扰作用存在差异;(3)纵向岭谷区人为干扰空间分布不均匀,会对河谷的通道效应产生阻隔作用,形成4个具有阻隔作用的潜在区段．     

纵向岭谷区河流生态水文时空分异及驱动力分析

以纵向岭谷区两条典型高山峡谷河流为例,对河流生态水文的时空异质性及变化驱动力进行相应的分析.通过对河岸带植被物种环境二元数据矩阵进行典型对应分析,识别影响河岸带植被分布的环境因子;借用生物多样性指数的变化来反映研究区生态状况的时空变异性;利用河流水文气象要素的多元相关性分析,界定河流水文情势变迁的主导性因素;对比分析澜沧江干流及元江水系水环境状态的时空变异性规律及影响要素.通过对纵向岭谷区典型河流的生态水文时空分异及驱动力分析,可知:南北纵向上,澜沧江与元江流域的生态水文时空分布呈现规律性变化;东西横向上,纵向岭谷区生态状况时空变异性显著;自然驱动力主要是海拔、坡向以及水分要素,而人为驱动力主要是水电开发、河岸带边坡公路建设以及流域土地利用等.     

纵向岭谷区人口密度的空间分布规律及其影响因素

将GIS手段和统计方法相结合,选择地貌因子和气候因子,研究各类因子对人口分布的影响强度和函数形式,并通过人口分布影响因子法模拟西南纵向岭谷区的人口密度分布状况.研究结果表明:(1)各类自然地理要素对纵向岭谷区人口的空间格局均具有影响,但影响程度、影响形式存在差异.地貌因子和交通网密度对人口分布影响较为强烈,而温度和降水因子对研究区人口分布影响甚微;人口分布与海拔和交通网密度分别呈现负线性和正线性相关趋势,水网密度和坡度对人口分布分别表现为指数和对数的函数关系;(2)受自然条件影响,人口在纵向岭谷区的分布不均匀,具有整体零散,局部集中的特点,在纵向岭谷区中部形成人口高密度分布带,在东南部形成人口高密度片区;(3)西南纵向岭谷区的人口密度与土地利用的人为活动指数(HAI)具有很好的线性回归关系,人口密度可以反映人为活动对区域自然生态系统的干扰强度;(4)人口密度提高导致植被指数NDVI降低.     

青藏高原土地利用与覆被变化的时空特征

青藏高原土地利用与土地覆被变化(LUCC)研究是区域土地科学与全球变化科学研究的重要内容,也是保障高原生态安全屏障功能稳定与提升的科学基础.本文通过对已有LUCC数据与成果的再分析,研究了高原整体LUCC时空特征、典型区LUCC的时空过程及典型类型的变化过程与机制.结果表明:青藏高原土地利用与土地覆被结构稳定,一级地类变化面积比例低于7%,并以单次变化为主,土地覆被状况总体改善.近年来高寒草地覆被状况整体好转、局部退化,林地恢复良好,耕地基本稳定,建设用地显著扩张,裸地轻微减少.人口较为密集的河湟谷地与"一江两河"地区,建设用地、耕地、人工林地等增加明显;藏北高原和三江源等牧区,超载过牧和生态建设的作用均有体现;珠穆朗玛峰国家级自然保护地区土地覆被类型多样、变化复杂,并表现出对气候变化和人类活动有较强的敏感性.高原土地变化研究中还存在现有数据产品数量不足、精度不高,土地利用变化过程及其环境效应认识不够深入等问题,需要加强野外监测和遥感技术的结合,关注LULC在不同时空尺度下的变化特征,同时注重土地利用与土地覆被类型转化和类内渐变,使高原LUCC研究更好地服务于高原生态安全屏障建设和区域可持续发展.     

纵向岭谷区流域景观变化与现代地表过程的关联分析

针对纵向岭谷区特殊的流域地貌景观构成状况,综合运用观测资料分析与空间信息处理方法,选取相应的可量测形态指标,对比分析纵向岭谷区不同流域景观构成的特征差异,探讨各流域景观不同的河网模式与土地覆盖状况,从空间多角度揭示纵向岭谷区的流域景观格局特性及其分布规律．基于对流域景观构成及格局分析,剖析纵向岭谷区流域景观变化与现代地表过程的交互作用,并从生态水文学角度探索其关联效应．     

纵向岭谷区植被覆盖的空间分异及其对气候的时滞效应

分析了西南纵向岭谷区NDVI时间序列与温度降水两类气象因子的相关性,探讨植被对温度和降水变化响应敏感性的空间格局,通过构造NDVIr指数揭示纵向岭谷区植被覆盖变化与土地利用之间的相互关系,得出如下结论:(1)纵向岭谷区植被对温度和降水变化的响应过程具有"时滞效应",不同地区出现最大相关系数所对应的滞后时间不同;植被对温度和降水变化的反应可以分为"雨热同期、雨先热后和热先雨后"3种时间组合.(2)植被对温度变化反应的敏感程度在空间上形成数个不连续的高相关中心和低相关中心;与温度不同,在研究区北部形成了植被-降水相关关系的两个低敏感区,沿纵向岭谷方向形成了两条高相关带.(3)构造了NDVIr指数,发现NDVIr与气象因子和土地利用状况具有较好的对应关系.     

纵向岭谷区的跨境生态安全与调控体系

在对国内外跨境生态安全研究综合的基础上,系统地判识了纵向岭谷区存在的跨境生态问题类型、分布、特点、驱动力,提出了综合调控体系框架.研究结果表明:除沙尘暴外,中国陆疆地带目前所面临的跨境生态安全问题在纵向岭谷区均有分布,较直接的主要驱动力包括水电梯级开发、公路建设和国际陆路大通道开发、河道整治和国际航运开发、坡地开垦和矿山开发;跨境生态安全问题主要集中在陆地,只能影响地域上有直接关联的区域;在国际水道系统中的跨境生态安全问题,以境内的生态变化对境外产生影响为主;在沿边地带则以境外的生态变化对境内的影响为主,其中尤以境外生物入侵的危害严重、扩散速度快、影响范围广.需要从边境生态防护工程建设、生态安全阈值设定、跨境保护区建设、生物入侵调控、生态安全监控平台构建设、生态补偿机制和法规建设、合作机制以及机构能力建设等多方面,构建跨境生态安全多尺度综合调控体系.目前最为重要的是,在现有多重国际区域合作中,加强跨境生态安全维护的参与式国际合作机制建设、成立区域跨境生态安全风险基金、促进国际跨境生态补偿、建立信息共享平台和预警系统等.研究为维护该区的跨境生态安全、减少跨境冲突等提供了科学依据,对中国其他陆疆沿边地区的跨境生态安全维护具有参考意义.     

区域气候模式(RegCM3)中积云对流参数化方案在纵向岭谷区的适用性研究

为了检验RegCM3中积云对流参数化方案在纵向岭谷地区5月和夏季降水模拟能力,选取不同积云对流参数化方案,运用区域气候模式模拟了纵向岭谷地区1982~2001年共20年5月份和夏季的降水,并对模拟降水场与实测降水场的关系进行了定量的对比分析.结果表明,从RegCM3对纵向岭谷区20年模拟的总降水量来看,Fritsch-Chappell对流参数化方案对纵向岭谷区5月降水的模拟能力最好,Anthes-Kuo积云对流参数化方案次之;Anthes-Kuo积云对流参数化方案对纵向岭谷夏季降水的模拟能力最好,Fritsch-Chappell积云对流参数化方案次之,但模拟获得的总降水量比实际值稍微偏小.对纵向岭谷地区5月和夏季降水年际变化的模拟结果与对纵向岭谷区20年总降水量的模拟结果相一致.Anthes-Kuo和Fritsch-Chappell积云对流参数化方案比较适合描写纵向岭谷区5月和夏季的模拟积云对流物理过程.     

纵向岭谷区沿边地带的生态环境变化及其空间扩散研究

选取纵向岭谷区沿边地带为研究区域,基于LUCC遥感监测数据及相关资料的收集处理,利用空间分析技术与方法,对该特殊地区的生态环境变化及其空间扩散效应进行分析探讨,目的在于揭示自然与人为双重作用下的边境地带地表覆盖景观模式、环境时空变化规律,为边境地带的生态安全调控提供基础依据.研究得出:纵向岭谷区沿边地带地表覆盖总体以林地为基质,以其他斑块为镶嵌体的景观模式;在自然与人为双重作用下,该格局各类型之间存在着必然的动态变化与转换关系;边境25个县市,随其内部自然环境、社会经济发展与管理调控水平不同,表现为其环境变化空间扩散所受阻力差异而呈现出空间片区集聚效应.     

纵向岭谷作用下的干湿季气候差异及其对跨境河川径流量的影响

以纵向岭谷区跨境河川的径流量观测数据和云南的雨量和气温场观测数据为基础,应用统计分析和小波变换的分析方法,研究了纵向岭谷作用下的干湿季气候变化差异及其对河川跨境径流量的影响．结论为:由于纵向岭谷区的独特下垫面作用,其降水量场变化与相应的跨境河川径流量变化的高相关区中心的纬度差异不显著,但经度差异却十分显著;在干季,东部的降水量明显大于西部,其降水量的相对偏差则稍小于西部,东部的平均气温则明显低于西部,其气温的偏差则明显大于西部;在湿季,西部的降水量明显大于东部,其降水量的相对偏差则明显小于东部,东部的平均气温也低于西部,但其气温的偏差则与西部差别不大;无论在干季还是在湿季,东部径流量的相对偏差都明显大于西部;纵向岭谷区对西南季风的阻隔作用较大,而对东北季风的阻隔作用相对较小,在其作用下的降水量变化的东西向差异主要表现在较小的时间尺度上,随着时间尺度的增大差异变小,而气温变化的东西向差异则比降水要小得多．近几年来,纵向岭谷区在湿季的降水量变化的主要特征是偏多趋势,受其影响,跨境河川的径流量变化也主要表现为偏大趋势．近十几年来,纵向岭谷区气温变化的主要特征是显著地偏高．     

重大工程建设与生态系统变化交互作用

以重大工程建设与生态系统变化间的交互作用为主要科学问题,基于DPSIR框架模式,从驱动、压力、状态、影响、响应等层面分析了工程建设与生态系统变化间交换作用的内部链接,构建了重大工程建设与生态系统变化交互作用模型,并提出了交互作用指数II(驱动响应指数IIDR、驱动影响指数IIDI、影响响应指数IIIR、影响作用指数IIII)以及相应的计算模型、情景分析模式和交互作用指标体系.通过采用不同的交互作用指数来反映重大工程建设驱动对生态系统的影响以及产生的响应;以西南纵向岭谷区澜沧江干流漫湾水电站建设以及纵向岭谷区公路交通网络建设为例进行了重大工程建设与生态系统变化交互作用模型验证分析.经过分析,漫湾电站建设中的驱动响应指数为3.67,驱动影响指数IIDI为3.92,影响响应指数IIIR为14.35,影响作用指数IIII为0.35;漫湾电站建设与生态系统变化交互作用体内部要素变异性不大,电站建设对生态环境影响有利于整体区域环境与经济的可持续发展,但此结果是基于不考虑漫湾电站建设中的环境成本、影响的扩散效应以及潜在负面影响和潜在响应的前提;由案例应用研究可知,本文构建的交互作用模型在交互作用体构建以及量化方面具有很好的实际应用价值.     

干旱区绿洲地下水水位时空变异性对土地覆被变化的响应

应用遥感、地理信息系统和地统计学方法, 分析三工河流域绿洲土地利用/土地覆被变化对地下水位时空变异性的影响. 通过半变异函数模型、克里格插值拟合三工河流域1978, 1987和1998年地下水位时空变异性特征, 结合遥感解译生成的1978, 1987和1998年三期土地利用/土地覆被类型分类图, 叠加分析不同地下水埋深等值线区域土地利用/土地覆被类型转移关系. 结果表明1978~1998年20年间无论是平水期还是丰水期, 整个绿洲地下水补给量变幅并不显著, 而地下水位和土地利用/土地覆被均发生了显著的时空变化, 并且两者之间具有密切的相关性. 流域地下水水位整体具有中等的空间相关性(33.4%), 空间自相关距离为17.78 km. 地下水位急剧变化的区域均是土地资源开发加剧的区域, 主要表现为耕地、林地、建设及工矿用地土地资源的开发. 研究反映出干旱区绿洲土地利用/土地覆被变化对地下水资源时空变异性产生了深远的影响, 这对于合理利用浅层地下水资源, 维护绿洲的稳定性具有直接的现实意义.     

纵向岭谷区典型公路沿线的土壤侵蚀风险

以云南纵向岭谷区的思茅-景洪公路沿线20 km缓冲区作为典型研究对象,选择地形、气候、地表覆被等3个方面的5个因素,采用GIS空间分析和人工神经网络中的BP神经网络方法,对典型公路沿线的土壤侵蚀风险进行研究．结果反映出区域内较易发生侵蚀(风险值在2．5-3．5之间)的土地面积比重较大,公路沿线一定范围内的土壤侵蚀风险要高于远离公路的区域,说明公路对于其沿线区域的土壤侵蚀具有影响,这种影响有公路修建的直接影响,也有因公路修建所产生的间接影响,总体上表现在公路修建所引起的地表覆被(土地利用及植被状况)的变化方面．     

纵向岭谷区植被特征参数的空间变异

采用GPP(总初级生产力)、NPP(净初级生产力)、NDVI(归一化植被指数)、EVI(增强型植被指数)四项表征植被特征的参数,对中国西南纵向岭谷区植被特征参数的空间变异性进行分析．采用Moran系数(MC)对植被特征参数的空间自相关程度进行度量,采用半变异函数进行西南纵向岭谷区植被特征参数的空间分异及其结构特征研究．研究结果表明:(1)植被特征参数在全局范围内呈现负的空间自相关,各向异性自相关程度均表现在南-北方向自相关程度较大,其次为东南-西北方向;(2)植被特征参数的空间变异尺度较大;(3)植被特征参数在南-北方向上空间自相关距离较大,其次为东北-西南方向．西南纵向岭谷区植被特征参数的空间分异特征与本区地形走向吻合,表现出南-北方向的自相关程度较大,东西方向自相关程度最小．     

纵向岭谷区降水量时空变化及其地域分异规律

利用纵向岭谷区内36个气象观测站1960~2001年逐日观测降水量,根据纵向岭谷区典型南北走向山系河谷特点,选取区内7个典型剖面,通过系统分析区内降水量纬向、经向的时空变化特征及其地域分异规律,探讨降水变化与纵向岭谷特殊环境格局中"通道-阻隔"作用的关联.分析结果表明:由于受到纵向岭谷特殊地形的影响,研究区水热条件的分布格局及其变化具有独特的"通道-阻隔"多重效应,区内北部(>26°N)大部分地区降水量的年内分配状况出现具备"桃花汛"小雨期的"多峰型";至26°N,"桃花汛"小雨期渐趋消失,降水量年内分配由"多峰型"逐渐过渡为"单峰型";24°~25°N地区,降水量年内分配均为单峰型、且峰型相似,至纵向岭谷区南部,年内分配出现了具备"后雨期"的"准双峰型",且随着经度增加,这种双峰型特点更突出.由于干季该区大气环流较为单一,纵向岭谷"阻隔"作用对干季降水年际变化的空间影响并不明显,区内干季降水变化趋势较为一致;湿季降水量年际变化趋势的空间分布则更复杂,空间分异也较大.     

中国北方土地利用/覆盖变化的情景模拟与预测

以北方13省(市)为研究区, 借助系统动力学(SD: System Dynamics)、人工神经网络(ANN: Artificial Neural Network)和元胞自动机(CA: Cellular Automata)模型建立了 “自上而下“和“自下而上”相结合, 数量变化与空间分布相结合的不同情景下土地利用/覆盖变化时空演变规律的动态模拟模型, 并对研究区多种土地利用/覆盖类型变化的时空特征进行模拟. 模型充分发挥了各子模型的特点和优势, 综合了土地利用/覆盖变化的宏观驱动因素与微观格局演化特征, 较全面地考虑了多种土地利用/覆盖变化驱动因子, 并引入CA模型中, 利用BP神经网络简化了CA模型模拟过程中参量权重确定问题, 提高了参量权值确定的精度和模拟结果的可靠性, 模拟精度约74%, 在一定程度上反映了大区域土地利用/覆盖变化的空间格局演变特征, 对脆弱生态区土地利用/覆盖变化的复杂性和生态环境响应研究具有一定参考价值. 模拟结果表明, 未来30 a中城建用地、林地、水体将明显增加, 耕地和未利用地将不断减少, 草地的数量则在波动变化中相对保持稳定; 空间上, 农牧交错带和东-南部地区变化最为显著.     

不同土地利用下的岩溶作用强度及其碳汇效应

不同土地利用下的岩溶作用研究不仅关系到区域岩溶碳汇估算, 也关系到岩溶区陆地碳源/汇的准确评估. 利用标准溶蚀试片法研究了2 个典型岩溶动力系统内3 个岩溶泉小流域不同土地利用下的土下溶蚀速率. 结果表明, 不同土地利用下的土下溶蚀速率差异较明显, 耕地、灌丛、次生林、草地、原始林平均值分别为4.02, 7.0, 40.0, 20.0 和63.5 t km^-2 a^-1. 因此, 在进行区域尺度岩溶作用碳汇估算时, 除了考虑气候、水文、地质等条件外, 还必须考虑土地利用类型的差异. 植被的正向演替对岩溶碳汇有显著的促进作用, 原始林地土下岩溶作用碳汇量是次生林地的3 倍, 灌丛的9 倍, 也就是说, 从耕地或灌丛演化到次生林地, 由岩溶作用产生的碳汇可提高5.71~7.02 t km^-2 a^-1, 若演化到原始林地则达24.86~26.17 t km^-2 a^-1. 岩溶区地表森林系统的增汇过程发生的同时, 地下也同步发生着类似的增汇过程.     

纵向岭谷作用下的怒江跨境径流量变化及其与夏季风的关系

以怒江跨境径流量观测数据、NCEP/NCAR的U场、V场和NOAA的OLR场资料为基础,应用统计分析方法研究了纵向岭谷作用下的怒江跨境径流量变化及其与夏季风的关系.研究表明:怒江跨境径流量主要集中在纵向岭谷区的湿季或雨季(5~10月),其中又以夏季或汛期(6~8月)为最多.怒江的跨境径流量变化从20世纪70年代以来表现出了一种显著增多的时间演变趋势,特别是在20世纪80年代以来的这种增加趋势是十分显著的.夏季怒江跨境径流量与较低层东西风分量的相关性不显著,与较高层东西风分量的相关性显著,与较低层和较高层南北风分量的相关性都是显著的,与OLR场的负相关性也是显著的.同时考虑动力学因子和热力学因子而建立的夏季风指数MI2的年际变化,能在一定程度上较好地反映出纵向岭谷区怒江流域西南季风环流系统的活动和变化,即指数MI2越大,则对应的夏季风环流系统的活动就越强,这时有利于夏季怒江跨境径流量的增加;反之,指数MI2越小,则对应的夏季风环流系统的活动就越弱,这时则不利于夏季怒江跨境径流量的增加.     

纵向岭谷区地表径流对气候变化的敏感性分析:以长江上游龙川江流域为例

由于受印度洋强势季风系统及当地复杂地形的影响,中国西南纵向岭谷区过去50年的气候变化显现出与中国南方其他地区不同步的变化趋势．为研究西南纵向岭谷区地表径流对气候变化的响应,以龙川江流域为例和研究区1960-2001年气候因子-径流关系为背景,在综合考虑全球环流模型(GCMs)预测结果及区域气候变化历史趋势的基础上,通过建立人工神经网络模型对气温变化-1,0,1,2和3℃以及降水变化0％, 10％和 20％共25个气候情景下的气候变化-地表径流响应关系进行了分析．结果表明,尽管总体上降水与径流呈非线性正相关关系,气温与径流呈负相关关系,但径流的年和季节的具体变化却取决于气温和降水变化的组合．冬春季的地表径流的趋势更多的受气温变化的影响,夏秋季则基本与降水变化的趋势一致(径流响应高于降水变化)．若如GCMs所预测,暖冬和湿润夏季为今后气候变化的趋势的话,岭谷区将面临更加严重的干旱和洪涝灾害．