京津风沙源土壤风蚀时空格局及其演化

为了控制土壤风蚀及其产生的沙尘释放对京津地区大气环境的影响,中国政府于21世纪初实施了具有重要战略意义的京津风沙源治理工程.通过植树种草、轮牧禁牧、土地利用优化等措施,丰富了区内生物多样性,提高了区内植被盖度,生态环境得到一定程度的改善.基于野外调查、室内实验、遥感影像反演以及气象数据,本文采用《全国水土流失动态监测规划(2018～2022年)》和《区域水土流失动态监测技术规定(试行)》中指定的土壤风蚀模型,计算了京津风沙源治理以来典型年份、土地利用变化和气候变化共计3种情形下土壤风蚀,揭示了京津风沙源土壤风蚀模数和强度的时空格局及其演化规律,明确了土地利用变化、气候变化对京津风沙源土壤风蚀时空格局的影响,发现气候变化导致风蚀模数和面积的变率,与当年对应的变率相当,大于土地利用变化的影响.此外,土地利用变化情形风蚀面积总体减少,尤其是2010～2015年间减小了4.10%,说明京津风沙源治理工程发挥了重要作用,为京津风沙源治理工程效益评估以及优化布局提供科学依据.     

京津风沙源地表沙尘释放及其区域分异

土壤风蚀引起的地表沙尘释放及其输移过程,是干旱半干旱区最为重要的地表过程之一.准确估算地表沙尘释放是揭示沙尘暴发生机制、阐明地表沙尘释放与陆地生态系统耦合作用的基础,也是制定防沙治沙和大气环境治理规划和决策的依据.基于野外调查、表层土壤采集及其室内实验、遥感影像以及气象站观测资料,估算了4个不同时期4个粒径组地表沙尘释放,揭示了京津风沙源地表沙尘释放的时空分布及其对粒径的响应,明确了京津风沙源不同区域和土地利用地表沙尘释放的贡献.在此基础上,从控制地表沙尘释放及其对区域大气环境中可吸入颗粒物影响的角度,提出京津风沙源治理的重点区域是农牧交错带、燕山丘陵、荒漠草原、晋北山地丘陵,治理的土地利用核心是耕地,而不是沙地,为京津风沙源治理工程的优化布局提供科学依据.     

黄土高原土地利用变化的生态环境效应

黄土高原是典型的生态脆弱区,随着我国退耕还林还草等一系列生态恢复和治理工程的开展,土地利用发生巨大变化.格局-过程-服务综合研究方法为理解土地利用变化的生态环境效应、科学指导生态恢复实践提供了途径.相关研究系统阐明了黄土高原土地利用格局对土壤水分、养分和土壤侵蚀过程的影响;揭示了植被恢复过程中固碳与产水服务的权衡关系及其时空变异规律,发现目前植被恢复已接近区域水资源承载力阈值;研发了区域生态系统服务综合评估与优化模型系统,提出了土地利用优化配置方案.上述成果推动自然地理学从定性结构分析向定量过程研究发展,引领生态系统服务研究深入到过程机制和综合集成,为黄土高原生态恢复提供了关键科学依据.     

2000～2018年京津风沙源沙化土地时空动态与归因分析

沙地土地变化信息是京津风沙源治理工程成效评估核心指标之一.为深入调查京津风沙源沙化土地变化状况及驱动因素,本研究首先利用Landsat系列影像,构建了基于面向对象、决策树与变化检测的沙化土地动态监测体系,实现了京津风沙源2000、2010、2015及2018年4期沙化土地分布制图.在此基础上,开展了京津风沙源沙化土地时空动态变化及驱动因素分析.结果表明,(1)京津风沙源工程区沙化土地持续减少, 2000～2018年间年均减少323.94 km2, 2015年后减少速率明显加快;(2)沙化土地总体向沙化程度降低方向转换,流动沙地减少和沙化耕地增加最为明显,相对变化比例分别为18.52%和47.47%,其中流动沙地变化中有56.89%转换为半固定沙地,固定沙地变化中有27.57%转为沙化耕地,较为突出;(3)人类活动及其与自然因素共同作用是沙化土地变化的主要驱动因素,占比分别为52.49%与29.74%,自然因素主导的变化不到1%,京津风沙源治理工程在沙化土地治理上成效明显;(4)沙化土地明显减少的同时,流动沙地仍有较大面积分布,仍有一定比例的退化发生,也存在大量的沙地开垦现象,未来应予以...     

中国典型山地土地利用变化与资源生态效应

山区是土地分布最为复杂的区域,同时也是重要的生态屏障。山区土地利用的空间格局及动态变化都将影响山区生态功能的发挥,因此明晰山区土地的空间异质性特征及其相应的资源生态效应是山区可持续发展的关键。基于中国太行山区、横断山区以及黔桂喀斯特山区等三个典型山区,明确了其土地在垂直及水平方向的空间异质性特征,评估了典型山区产水量、土壤保持、碳储量以及生境质量等生态系统服务,并以中国山地为对象,分析了近30年来植被的变化趋势及其影响因子。     

京津风沙源地表释尘到达典型城市沙尘量及其源解析

土壤风蚀引起的地表沙尘释放是大气环境中可吸入颗粒的重要来源.准确估算地表沙尘释放对城市大气环境中可吸入颗粒物的贡献,是国家制定大气环境治理规划和决策的依据.本文结合地面调查、野外观测、遥感影像解译等手段,估算了风力作用下京津风沙源土壤风蚀引起的0～2.5、2.5～5、5～10、10～20μm沙尘输移到北京、张家口、赤峰、大同、呼和浩特、锡林浩特、包头、榆林的量,揭示了到达各城市不同粒径组沙尘量的变化规律,并从区域、土地利用、风向等方面进行了源解析,提出了京津风沙源治理的核心是PM₁₀(尤其是PM_2.5),治理区域需优先考虑农牧交错带、荒漠草原、燕山丘陵,治理的地类依次是耕地、沙地(漠)和草(灌)地,为京津风沙源治理宏观战略部署、总体方案优化与调整提供决策依据.     

干旱区生态资产遥感定量化评估及其动态变化分析

生态资产是生态系统生物资源直接价值及其生态服务功能价值的总和,在3S技术的支持下,利用卫星遥感Landsat TM数据、中巴CBERS数据、NOAA数据和MODIS数据,以及地表覆盖类型和野外测定观测数据等生态参数,在传统生态学生态资产单位面积价值研究的基础上,建立了基干遥感定量测量的生态资产价值评估模型,以天山北坡昌吉地区1990,1995和2003年生态资产评估的时空分析为例,开展了生态资产遥感动态测量,进行了GDP的比较分析,编制了生态资产空间分布图,分析了其空间分布特征．研究结果表明:天山北坡典型干旱区生态资产的分布具有从高山向平原,从绿洲向荒漠逐渐减少的趋势,具有和干旱区植被地带性分布一致的特征,其测量结果可以更加客观地反映干旱区生态资产及其空间分布的现实情况,为今后开展相关研究奠定良好的基础,同时可将生态系统服务功能研究与区域规划相结合,使之成为区域规划的一个重要依据．     

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.     

认识草原蝗害

2003年草原蝗害呈暴发态势,主要发生在内蒙古、新疆、青海、西藏、甘肃等13个省自治区的草原地区,草原蝗灾面积约22650万亩。草原蝗害严重地威胁到天然草原保护与植被恢复工程、退耕还草还牧工程、环北京风沙源治理工程等建设成果,破坏了草原生态系统与环境,制约了西部经济发展,影响到农牧民的生活。     

山地水土要素耦合效应及土地利用的优化配置

针对已有水土要素的耦合研究多强调水土资源的匹配及其对资源开发的影响,而较少关注水分的有效性和土壤养分对生态过程的影响,论文提出了“格局-效应-土地利用优化”的水土耦合研究框架,以水、土要素和其他环境因素的综合作用为基础,在同时考虑经济、社会和生态因素的约束下,对土地利用优化配置过程中的不确定性和风险性进行评估,并考虑土壤、坡度、土壤水、温度等约束因子,协调生态系统服务的权衡关系,对山地垂直带土地利用方式进行优化,提出 水土资源高效利用和生态系统服务提升的途径,为变化环境下的生态功能保育提供科学依据。最后,对水土要素耦合的生态与环境效应及土地利用优化配置的优先研究方向给出建议。     

纵向岭谷区土地利用变化及其驱动力分析

从区域和县域两个尺度,对西南纵向岭谷区土地利用程度、变化速度以及各种土地利用类型的地域性差异进行探讨,并从社会经济的角度分析了研究区土地利用变化的驱动机制和各种驱动力作用的空间范围.研究结果表明在区域尺度上,耕地、林地和草地是纵向岭谷区土地利用的主体,土地利用结构变化表现为草地锐减、耕地增加、林地稳定.在县域尺度上主要表现为研究区土地利用水平总体较低,土地利用程度、综合变化速度以及各土地利用类型的相对变化速度地域差异较大.人力物力投入强度、社会经济产出水平、自然灾害干扰强度以及劳动者素质是区域土地利用变化的重要驱动因子,各种驱动力类型的影响范围存在地域性.     

本期专题简介

正我国是一个多山的国家,山地面积约占陆域国土的70%,目前仍有40%多的人口生活在山区。山地是集水源涵养、气候调节、生物多样性维持、生态产品供给等多种功能,关乎区域乃至国家的生态安全,既是重要的国土空间,也是国家可持续发展的保障基础。本期专题刊登的7篇文章,解读了我国山地科学研究进展。以山地水土要素时空变化及其耦合过程与资源效应为关键,探究和阐释变化环境下水土时空过程、效应与影响,科学分析资源环境承载能力的动态特征及阈值,阐明生态空间占用与生态系统服务权衡关系,建立多目标协同的国土空间功能优化的指标体系,探索和建立其理论与方法体系,定量分析变化环境下水土失调、失衡作用与可能风险及其应对策略。     

纵向岭谷区道路网络特征和生态系统变异统计规律

作为景观干扰因子,道路网络对区域生态系统变化和格局特征具有重要的作用,定量分析几者之间的规律性对区域生态系统管理具有重要意义.借助GIS软件,在分析了纵向岭谷区道路廊道、网络特征和生态系统分异的基础上,探讨了道路网络对生态系统格局变化的影响;进一步分析了区域生态干扰和网络特征之间的规律性.结果表明:研究区道路廊道密度和地形、海拔、村落数及其区域生态系统破碎化程度相关显著,显著性在不同道路类型之间也存在差异.随着道路网络的形成和道路密度的增加,道路网络的环度(α指数)、线点率(β指数)和连接度(γ指数)的特征指数增加;区域生态系统总斑块数、斑块密度增加,景观格局指数均匀度、分维数等增加,而最小和平均斑块面积、蔓延度等降低,低等级道路对区域景观具有较大的影响.道路网络的α,β,γ特征指数和区域综合的生态干扰水平(Hd)存在正相关,相关系数在不同时期(1980年,2000年)都达到了显著性水平,说明随着道路网络的发展,生态干扰也随之增加.     

西藏地区草地承载力及其时空变化

在不适合和不能放牧区域划定、满足生态保护需要的牧草生物量估算、草地生产能力修正等的基础上,开展西藏地区县域草地承载力及其时空变化研究,分析农业、林业等补饲对草地承载力的影响机制,以及草地承载力与草地生态状况变化的相互关系.结果表明:(1)西藏地区县域草地载畜量和补饲载畜量呈显著的地域差异,主要影响因素分别为水分条件和热量因素;(2)2011年藏东南、藏西北部分县域草地资源仍有盈余,但是全区及其多数县域草地生态系统处于超载状态且自2000年以来不断加剧,草地承载状况及其动态变化的空间自相关性下降、空间异质性增强;(3)牲畜存栏量增长过快、草地资源供需空间匹配不协调是造成草地超载且不断加剧的主要原因;(4)通过缓解草地资源供需的不平衡性和不协调性,农业、林业等补饲可以改善全区尤其是农业县、半农半牧县草地承载状况,但对草地承载状况变化趋势的影响有限;(5)县域草地生态状况的下降趋势与其草地超载、草地承载率下降具有较强的相关性.因此,适合放牧区域划定、牲畜存栏量控制和畜牧业布局优化是改善西藏地区草地承载状况、减缓其草地生态状况下降趋势的主要途径.     

中国陆地生态系统服务功能的时空变化分析

自Westman(1977年)和Ehrlich(1982年)分别提出"自然的服务"和"生态系统服务功能"概念以来,如何对其进行科学的价值核算和应用就成为该领域研究的热点.在对相关研究成果进行综述的基础上,我们提出了3点科学假设:陆地生态系统既提供正向的服务功能,也提供负向的服务功能;陆地生态系统服务功能的变化不仅体现在生态系统类型的数量或面积上,还应反映出其质量或品质的变化;陆地生态系统服务功能的价值应该从存量和增量两个方面来衡量.因此,本文在收集了中国1999～2008年土地利用和基于GIMMS遥感影像的NDVI数据基础上,计算和分析了近10年内中国陆地生态系统服务功能价值的时空变化,并得出了一些有意义的结论.首先从时间变化来看,中国陆地生态系统服务功能总价值存量从1999年的6.82万亿元减少到2008年的6.57万亿元;其中正价值减少了2401.7亿元,负价值增加了88.5亿元;减少的价值主要体现在水分调节、土壤形成和废物循环功能上;从其总价值的增量来看,2000年中国陆地生态系统服务功能价值净增43.1亿元,2008年则变为负增长,为?1.3亿元.其次从空间角度来看,中国陆地生态系统服务功能的供给主要集中在东北部和南部地区,且近10年空间变化并不显著;人类活动影响下山西和甘肃生态服务功能价值的亏损较为严重,陕西盈利较为明显;而单位面积陆地生态系统所提供的服务功能强度则是中、东部地区较高,西部地区较低,且近10年空间变化较为显著.最后讨论了导致中国陆地生态系统服务功能时空变化的原因,希望对未来中国陆地生态系统的管理提供一些建议.     

青藏高原生态系统对气候变化的响应及其反馈

近几十年来,青藏高原正经历快速的气候变化,高原生态系统因此发生了深刻变化,并对周边地区产生了深远影响.本文围绕青藏高原生态系统结构和功能对气候变化的响应与反馈这一主线,系统总结了气候变化对物候、高山树线、生物多样性、植被生产力和生态系统碳汇功能的影响,阐述了青藏高原植被变化对区域气候的反馈及对亚洲季风的远程影响的研究进展.主要结论如下:气候变暖导致植被返青期总体提前,高原树线位置上升,高寒草原植物物种丰富度和多样性下降;气候变暖总体促进了高原植被生产力、增强了生态系统碳汇功能,但受限于土壤极大的空间异质性和对深层土壤碳动态理解的匮乏,目前对高原土壤碳库及土壤碳汇功能大小的估算仍具有较大不确定性.同时,青藏高原植被变化对近地表气温产生"负反馈"作用;植被活动增强还对东亚季风产生远程影响,导致我国东部夏季降水变化呈现"华南增加-长江黄河中间区域减少"的空间分异格局.未来的研究需要在完善观测体系基础上,加强对高寒生态系统对气候变暖的适应机理及生物地球物理反馈等过程的认知,为优化生态系统管理和保障青藏高原的生态安全提供理论基础.     

基于可持续发展的太行山区生态系统服务垂直分类管理*

生态系统服务优化调控管理是实现山区可持续发展的根本措施。太行山区虽然没有明显的垂直带谱特征,但仍呈现较明显的生态特征垂直分异规律。本文选取生态要素指标,确定了太行山区生态系统的2个垂直分异关键线带和3个生态类型区。根据单位面积垂直梯度生态系统服务特征,确定生态系统服务调控管理的可持续发展模式和目标为：亚高山区为非供给服务为主的生态系统服务外溢区与调控区;中山区为4种服务均衡发展的生态系统服务外溢廓道和供给服务人工调控提升区;低山丘陵区为以供给服务为主导兼顾协调其他功能的生态系统服务过程控制与调整区。     

青藏高原高寒草地生态系统变化的归因分析

高寒草地生态系统是青藏高原主要生态系统类型之一,其结构和功能对全球变化敏感.过去几十年,随着气候变化与人类活动加剧,高寒草地生态系统结构和功能发生了巨大变化,然而其变化的自然及人为相对贡献率存在较大争议.本研究基于优化的模型差值法评估了1990～2013年青藏高原高寒草地变化的人为相对贡献率.研究结果表明,这一时期青藏高原高寒草地生产力显著增加,人类活动主导了草地生态系统净初级生产力的变化,人为相对贡献率达到74.0%,人类活动主导草地生产力增加的面积占比大于主导草地生产力减少的面积占比,青藏高原草地可能已由过度利用转变为适度保护,但其特征呈现复杂性. 2000年后人类活动影响急剧增强,表明同期实施的大型生态恢复工程可能增加了高寒草地生产力.空间结果表明,两个时期相比有36.7%的草地生产力变化由气候变化主导转为人类活动主导,其中主导草地生产力减少是增加的两倍以上.随着我国生态文明建设的不断推进,青藏高原高寒草地生态功能总体上开始呈恢复趋势,但人类活动主导草地生产力减少的区域也在增加,该区域可能已趋于人地关系发生转变的临界点.因此,退化草地的恢复与治理仍是青藏高原生态安全屏障建设的重要支点,青藏高原草地适应性管理已刻不容缓.     

中国陆地生态系统增汇潜力研究展望

碳达峰与碳中和已经成为全球气候治理和生态文明建设的重大需求.厘清陆地生态系统增汇潜力不仅对准确预估未来气候变化对陆地生态系统的影响至关重要,更是人类制定气候变化应对方案的基本前提.本文从陆地生态系统碳储量和碳汇视角,综述了中国森林、灌丛、草原、农田和湿地等主要陆地生态系统碳储量、中国陆地生态系统碳汇及其对不同气候变化情景和人类活动的响应,发现中国陆地生态系统碳储量和碳汇的评价结果因不同的研究方法和资料差异较大,需要不断完善陆地生态系统碳储量和碳汇的评估方法并基于最新资料不断更新评估结果.文章进一步指出,现有研究对未来不同时期、不同排放情景下中国陆地生态系统的碳汇功能,尤其是同一区域不同国家重大生态工程增汇潜力的整合研究仍不足,对氮沉降及其与气候变化、大气CO₂浓度变化协同作用的影响,特别是对国家重大生态工程增汇潜力影响的研究仍不够,还没有开展中国陆地生态系统增汇的气候变化风险研究.据此,本文指出,未来中国陆地生态系统增汇研究需要重视国家重大生态工程增汇潜力及其风险评价,重点关注高度空间异质性的区域陆地生态系统碳收支模拟技术和不同气候变化情景下气象资料获取技术的发展...     

青藏高原生态变化

青藏高原是全球平均海拔最高的自然地理单元.近几十年乃至上百年来,在气候变化和人类活动双重影响下,青藏高原生态系统的结构和功能以及重要物种的种群数量和结构均发生了深刻的变化.近几十年的研究表明:青藏高原植被返青期提前,生长期延长,覆盖度和生产力增加,碳汇功能增强,青藏高原植被总体趋于向好,局部变差.气候变化是高原生态系统变化的主控因子,气候变暖对青藏高原生态系统的影响是正面的,但这种影响仍存在时间和空间上的不平衡性,尤其是降水在时间和空间上的变化对干旱和半干旱地区植被产生较大影响,在干旱的年份叠加人类放牧活动等会导致这些区域,尤其是青藏高原西部地区植被产生严重的退化,但随着青藏高原生态安全屏障保护与建设工程的实施,高原生态系统退化的态势得到了进一步遏制,人类对高原特有珍稀植物资源,如虫草、雪莲和胡黄连的过度采收以及对野牦牛、藏羚羊和藏野驴的盗猎等现象得到近一步缓解,近期高原的野牦牛、藏羚羊和藏野驴的种群数量得到恢复.青藏高原的隆起不仅对本区而且对其毗邻地区的气候与环境都产生着深刻的影响,其生态系统对全球变化的响应与影响研究具有特殊重要的地位,今后迫切需要加强生态系统结构和功能变化的地面监测和遥感技术的应用,加大大型生态保护工程建设的实施力度,整体提高高原地区应对全球变化的能力.