基于InVEST模型的祁连山国家公园碳储量时空分布研究

[目的] 研究祁连山国家公园碳储量及其时空分布,分析土地利用变化对陆地生态系统碳储量的影响,为提升国家公园生态价值、调整生态工程及土地管理政策提供科学依据。[方法] 结合土地利用变化动态指数和土地转移矩阵分析国家公园生态破坏和生态恢复前后的土地利用变化,然后基于InVEST模型Carbon模块,以土地利用遥感影像和碳密度为模型运行数据,计算土地利用变化导致的碳储量变化。[结果] ①祁连山国家公园1980,1990,2000,2010,2018年的碳储量分别为9.07×10⁸,9.07×10⁸,9.07×10⁸,9.16×10⁸,9.17×10⁸ t,呈现“先减后增”的趋势,累计增加9.86×10⁶ t。②碳储量空间分布与土地利用类型有一定联系。碳储量较高的地区主要集中在公园东段和中段东侧,以林地为主;碳储量较低的地区主要集中公园西段和中段西侧,以未利用地为主。③1980—2018年生态正向演变下的土地利用变化（耕地、草地和未利用地转为林地,耕地和未利用地转为草地,未利用地转为水域）是国家公园碳储量增加的主要原因。[结论] 巩固实施生态工程,着重保护草地资源、调整土地管理政策等方式能够有效促进生态系统正向演变,优化土地利用结构,有利于祁连山国家公园陆地生态碳储量的增加。     

1980—2020年汾河流域生态系统服务价值的时空变化

[目的]分析1980—2020年汾河流域生态系统服务价值时空变化特征,为该流域生态环境的科学调控和管理提供理论参考。[方法]利用汾河流域1980—2020年5期Landsat-MSS/TM/ETM遥感影像解译数据研究了流域土地利用变化特征,并估算了生态系统服务价值。[结果] 1980—2020汾河流域土地利用中耕地、林地和草地一直处于主导地位,土地利用整体变化表现为耕地向建设用地转移;土地利用动态度表明2000—2020年土地变化明显高于1980—2000年。1980—2020年汾河流域土地利用总生态服务价值持续减少,空间分布整体上呈上游高,中下游低的趋势。从不同功能价值来看,调节和支持服务减少最多。不同土地利用程度与ESVI双变量LISA聚集图呈现出明显的空间负相关性,主要以汾河上游的低土地利用程度与高ESVI聚集分布为主。[结论] 1980—2020年汾河流域土地利用/覆被变化对生态服务价值有较大影响。可以通过提高土地集约利用水平,促进该区土地利用结构向高生态服务价值发展。     

2000—2020年漓江流域生态服务价值时空分异

[目的] 研究2000—2020年漓江流域生态服务价值(ESV)时空分异格局及变化规律,为优化土地利用结构和实现“双碳”目标提供空间治理方法。[方法] 基于遥感信息挖掘和地理信息分析平台,用价值核算及其动态度、敏感性分析方法评估生态服务价值,用空间自相关方法研究ESV时空格局,用地理探测方法诊断ESV分异的主导因素及驱动机制。[结果] ①漓江流域土地利用/覆盖空间异质性显著;林地、耕地面积最大,但变化平稳,建设用地增长迅速。②漓江流域生态服务价值约合3.75×10⁷元,其中林地、草地的ESV值最高,占总价值的52.44%。其变化呈先迅速增加、后缓慢减少的趋势,其中原材料生产、水土保持价值增强显著,而食物供给、水源涵养价值降低明显。③ESV总体上呈中游低值与上、下游高值的分异格局,表现为正向的空间集聚特征。[结论] 城镇扩张是漓江流域ESV时空分异及其动态变化的核心驱动,人类活动对ESV的扰动趋向增强。     

科尔沁沙地不同土地利用类型土壤入渗特征比较研究

[目的] 探究科尔沁沙地不同土地利用类型土壤入渗特征的差异,为干旱—半干旱区包气带水分与物质运移等相关研究提供科学参考。[方法] 利用双环入渗仪野外实测和室内土壤物理性质分析相结合的方法,研究了科尔沁沙地具有代表性的8种土地利用类型(樟子松林地、小叶锦鸡儿林地、白柠条林地、撂荒草地、草甸草地、疏林草地、玉米农田以及裸沙地)土壤入渗特征及其影响因素,同时采用Kastiakov模型、Horton模型、Philip模型和G-P综合模型对其水分入渗过程进行了拟合,比较其拟合优度。[结果] ①不同土地利用类型土壤入渗特征存在显著差异,初始入渗率变化范围为1.595～12.020 mm/min,由大到小依次为：裸沙地>白柠条林地>玉米农田>樟子松林地>小叶锦鸡儿林地>草甸草地>撂荒草地>疏林草地;15 min入渗率变化范围为0.617～3.690 mm/min,由大到小依次为：裸沙地>白柠条林地>樟子松林地>小叶锦鸡儿林地>玉米农田>撂荒草地>草甸草地>疏林草地;土壤稳定入渗率变化范围为0.576～3.495 mm/min,由大到小依次为：裸沙地>白柠条林地>玉米农田>小叶锦鸡儿林地>樟子松林地>撂荒草地>草甸草地>疏林草地; ②不同土地利用类型入渗率与土壤容重、细砂含量呈极显著负相关,与中砂含量呈极显著正相关;稳定入渗率与非毛管孔隙度呈显著正相关; ③各模型对科尔沁沙地土壤入渗过程的拟合优度依次为：Horton模型>G-P综合模型>Kastiakov模型>Philip模型,其中Horton模型决定系数最高且相对误差最小,能更准确地模拟科尔沁沙地土壤入渗的实际情况。[结论] 科尔沁沙地不同土地利用类型土壤入渗特征存在差异,土壤性质对其入渗特征影响显著;Horton模型在科尔沁沙地拟合度较高,可应用此模型来估算水分入渗过程。     

基于功能分区与多聚类算法集成的耕地细碎化评价及整治

基于图斑尺度的耕地细碎化评价及整治有利于耕地布局优化,促进农业规模化与集约化发展。该研究以耕地图斑为基本评价单元,引入聚合分析来量化图斑间空间位置关系,围绕耕地细碎化内涵选取评价指标;运用热点分析和二步聚类算法来对研究区功能分区,在功能分区基础上,基于带轮廓系数的k-means聚类算法,评价耕地图斑的细碎化程度。结果表明：1）根据功能分区的聚类结果,新北区被划分为不显著区、连片规整区、离散复杂区;2）评价结果将新北区耕地图斑分为3类：类别一,离散破碎类,包含图斑17 332块,平均图斑面积过小,连片度低,图斑面积集中在0～10 000 m2,面积占比21.98%,连片度集中在1～4,主要分布在新北区中心区域;类别二,形状复杂类,包含图斑4 535 块,图斑形状复杂不规整,面积占比9.65%,形状指数集中在1.5～2.5,均匀分布在全区;类别三,连片规整类,包含图斑4 091 块,图斑集中连片、形态规整,面积占比68.37%,连片度集中在5～10,形状指数集中在1～1.5,主要分布在外围区域;并基于各类别耕地细碎化属性差异,提出相应的优化模式和整治意见。研究结果可以为耕地细碎化整治提供一定参考。     

基于两级选择性聚类集成的农用地整治时空配置分区

针对传统聚类算法易陷入局部最优、不兼顾地理空间的问题,该研究以湖南省怀化市为例,从生态敏感性、用地适宜性与整治迫切性3个维度建立分区评价指标体系,应用一种基于混合距离,同时具有聚类方案质量识别功能的两级选择性聚类集成方法对怀化市农用地整治进行时空配置。通过聚类运算,将怀化市300个聚类单元划分为：近期重点整治区、近期适度整治区、中期重点整治区、中期适度整治区和远期限制整治区5个类型,面积比例分别为9.05%、30.48%、22.58%、7.33%、30.56%,符合怀化现状条件;相较于传统聚类方法,两级选择性聚类集成方法具有聚类质量识别与兼顾地理空间的优势,且更适用聚类单元较多、属性空间复杂的情况。研究结果在客观上为未来土地整治工作与聚类方法的创新提供了可供借鉴的思路。     

基于CLUE-S模型县域土地利用情景模拟与碳排放效应分析

土地利用与变化产生的碳排放是国家温室气体排放清单核算中的重要组成部分。该研究以辽宁省沈阳市法库县为研究区域,基于2013年土地利用现状数据,运用CLUE-S模型对法库县2019年土地利用变化格局进行模拟与验证。在此基础上,通过设置基线情景、农业发展、建设发展、生态保护、土地利用结构优化5种模拟情景预测2030年法库县土地利用分布空间格局及各情景下土地利用碳收支状况。结果表明：1）CLUE-S模型对法库县土地利用格局变化具有良好的模拟能力,Kappa系数为0.989 6,模拟总体精度达到99.14%;2）在5种模拟情景中,土地利用结构优化情景下2030年法库县土地资源利用效果最优,是法库县中长期发展阶段较为适宜的土地利用模式;3）法库县2013-2019年碳排放量增长5.53%。5种模拟情景同2019年相比,除生态保护和农业发展情景外,其余模拟情景下法库县碳排放量均呈现增长趋势,其中土地利用结构优化情景增幅最小,为2.29%。研究结果可为法库县土地利用优化布局、国土空间规划编制及碳减排相关政策制订提供参考依据和决策支持,研究方法也可为其他区域土地利用格局预测及碳收支变化提供借鉴。     

三峡库区典型流域水质时空特征及污染防控策略

为了解三峡库区典型小流域不同土地利用类型下水质的变化特征,于2015-2020年对三峡库区长坪小流域开展水质监测,对不同土地利用类型下水体中的总氮（Total Nitrogen,TN）、硝态氮（NO3--N）、氨氮（NH4+-N）、总磷（Total Phosphorus,TP）、可溶态总磷（Dissolved Total Phosphorus,DTP）和颗粒态总磷（Particulate Phosphorus,PP）浓度的时空变化规律进行研究,识别流域内主要氮磷污染源,从而提出针对性的污染防控策略。结果表明：1）不同土地利用类型氮磷输出浓度从大到小依次为村庄、坡耕地、林地和水库,其TN平均浓度分别为8.29、2.88、1.57和1.43 mg/L,TP平均浓度分别为0.25、0.13、0.09和0.07 mg/L。2）不同土地利用类型的水质在汛期和非汛期存在差异,村庄氮磷输出浓度为非汛期高于汛期,坡耕地、林地和水库则表现为汛期高于非汛期。3）内梅罗综合污染指数评价结果表明林地和水库的污染程度均为清洁水平,坡耕地污染程度为轻污染水平,村庄受散养生猪数量的影响,污染程度从污染水平转变为重污染水平。4）长坪小流域TN和TP年输出负荷总量分别为4 278.59和364.93 kg/a。畜禽养殖源是小流域氮磷最主要的污染源,其TN和TP的输出负荷分别占流域总负荷的45.69%和71.77%。坡耕地的TN和TP单位面积污染负荷分别是村庄的7.58%和1.79%,与村庄相比,坡耕地具有显著的低污染特征,因此,以坡耕地消纳村庄污水和畜禽粪便,可促进流域内粪污的就地消纳,达到多源共治的效果。基于小流域不同土地利用类型的水质特征和生态系统服务功能,将流域划分为林草水源涵养区、村庄污染控制区和坡耕地水土保持区,并进行分区协同防控,促进流域农业面源污染系统高效治理。     

晋西北黄土丘陵区小流域土壤团聚体稳定性及其分异特征

土壤团聚体是土壤结构的基本组成部分,在影响水分入渗和转移、土壤肥力方面起到重要作用。分析土壤团聚体结构特征及其稳定性影响机制,对揭示黄土高原退耕还林还草生态环境效应具有重要意义。研究以晋西北朱家川流域内7个坝控小流域不同土地利用方式(林地、草地、农地)下土壤团聚体为研究对象,利用GIS平台空间分析模块提取样点地形因子,用湿筛法分析水稳性团聚体粒径组成,借助通径分析法分析各理化因子对于分形维数的影响。结果表明:晋西北朱家川流域不同土地利用方式下,土壤团聚体稳定性存在显著差异,团聚体稳定性从高到低顺序为:林地>草地>农地。分形维数和小粒径团聚体含量呈显著正相关,而与大粒径团聚体含量呈显著负相关。处于流域下游的后会沟流域土壤团聚体稳定性最低,中游柳树咀沟流域土壤团聚体结构稳定性最优。对土壤团聚体分形维数影响最大的因子是有机质含量,其次是海拔高度,直接通径系数分别为-0.427和-0.229,决策系数分别为0.168 0,0.085 6。研究结果可为黄土高原生态恢复和土地合理利用提供科学依据。     

昆嵛山国家级自然保护区生态系统服务价值演变

昆嵛山国家级自然保护区位于山东省东部沿海,是胶东半岛重要的生态屏障区,研究该区土地利用类型和生态系统服务价值的动态变化,为进一步明确该区域主体服务功能,完善昆嵛山自然保护地体系构建提供科学依据。通过解译2008—2018年的遥感影像数据,分析不同土地利用类型动态变化,运用当量因子法估算昆嵛山国家级自然保护区生态系统服务价值。结果表明2008—2018年昆嵛山国家级自然保护区土地利用类型变化主要是裸地及其他、耕地和林地之间的转移,面积增加最多的土地利用类型是林地,面积减少较大的土地利用类型是耕地、裸地及其他。2008—2018年,昆嵛山国家级自然保护区生态系统服务价值由3.36亿元增长至3.68亿元,食物生产功能价值呈减少趋势,原料生产、水资源供给、气体调节、气候调节、净化环境、水文调节、土壤保持、维持养分循环、生物多样性、美学景观功能价值均呈不同程度的增长趋势,其中气候调节和水文调节功能价值增长显著。生态功能是昆嵛山的主要服务功能,其中调节服务是昆嵛山的主要生态功能。不同土地利用类型中,林地的生态服务能力较高,也是维持昆嵛山生态系统服务的主体,昆嵛山自然保护区土地利用结构向着增强其生态功能的方向发展。