基于生态系统服务能力提升的干旱区生态保护与修复研究——以额尔齐斯河流域生态保护与修复试点工程区为例

科学实施山水林田湖草生态保护与修复工程是我国态文明建设的必经之路,也是解决生态环境问题的重要举措之一。从额尔齐斯河流域山水林田湖草的生态特征与功能出发,对生态系统服务价值、生态系统质量和生态功能稳定性进行了分析。依据研究区的生态特点和地形地貌特征,基于最小阻力模型构建生态网络,结合识别出的退化生态源,构建了整个流域的生态格局。结果显示：（1）流域生态系统服务价值及生态质量的降低主要是人为活动导致的林草植被覆盖度下降造成的。（2）流域内有20.67%的地区生态质量严重恶化,亟需进行生态修复。（3）流域生态源呈现“西北到东南带状延伸,东北向西南交替出现”的空间格局,结合构建的21条各级生态廊道和9个重点生态节点,构成了全流域生态格局。（4）在流域生态保护与修复过程中,应按照以北部山区涵养生态功能、中部区域维护生态安全、南部荒漠保育生态环境的方式施行。（5）生态保护与修复应遵循自然规律,注重“山水林田湖草-人”生命共同体的整体保护与系统修复,坚持科学管理,推动生态系统的良性发展。     

基于生态系统评价的山水林田湖草生态保护与修复体系构建研究——以乌梁素海流域为例

山水林田湖草系统保护与修复工程实施的重要目标是维护和提升区域生态系统服务。从乌梁素海流域山水林田湖草的生态现状与功能出发,对乌梁素海流域水土流失、土地沙化等生态敏感性及土壤保持、水源涵养、生物多样性等生态功能重要性进行系统评价,形成基于生态敏感性和生态功能重要性相结合的空间格局评价结果。以维护和提升人类福祉所需的重要生态系统服务为目标,以乌梁素海流域生态敏感性和生态功能重要性相结合的空间格局评价结果为基础,制定了“一中心、二重点、六要素、七工程”的乌梁素海山水林田湖草生态保护与修复体系,并基于此将乌梁素海流域生态保护修复分为6个主要治理区域,形成“四区、一带、一网”的生态安全格局,通过具体工程实施,流域生态环境质量和生态服务能力将取得明显提升,防风固沙能力有效增强,生物多样性持续改善,水环境质量稳定达标,生态系统的稳定性明显加强。通过乌梁素海流域的分析案例为流域山水林田湖草生态保护与修复关键区域的识别提供了定量分析方法,为流域尺度构建生态安全格局、实现山水林田湖草系统保护和修复提供思路和途径。     

闽江流域生态安全格局及其生态保护修复措施

流域及其生态环境问题受到国内外的广泛关注,我国面临的流域生态环境问题突出亟待解决,体现流域生态系统完整性的山水林田湖草生命共同体理念对我国流域生态保护修复工作具有重要意义。以福建省山水林田湖草生态保护修复试点的工程区——闽江流域为例,在介绍其生态环境特征的基础上,通过梳理分析,根据区域生态功能的重要性构建“一江一带一区一屏”的闽江流域总体生态安全格局,面临的主要生态环境问题包括闽江水环境污染、流域岸带水土流失、矿区生态破坏、森林屏障和生物多样性退化等一系列威胁;分析提出了闽江水环境综合治理、干支流沿岸带水土流失防治、矿区废弃土地修复、武夷山地等重要生态屏障森林和生物多样性保护等主要任务及相应工程措施,体现了流域整体性、系统性的保护修复需求和内在逻辑;讨论了监测、评价等保障措施,为改善闽江流域生态系统和开展山水林田湖草生态保护修复工程提供科学依据和实践经验。     

沁河流域植被覆盖时空分异特征

以4期Landsat TM/OLI为遥感数据源,采用像元二分模型估算植被覆盖度,运用转移矩阵、地学信息图谱和重心迁移模型分析1993—2016年沁河流域植被覆盖的时空演变特征;并结合地形数据分析海拔、坡度和坡向上植被覆盖度的空间响应规律。结果表明:沁河流域植被覆盖度呈北高南低的空间分布特征,且高等级覆盖的植被主要由低等级覆盖的植被转化而来; 1993—2016年,沁河流域植被覆盖度呈不显著波动上升趋势,显著改善(55.99%)和轻微改善(10.13%)之和远大于显著退化(7.31%)和轻微退化(4.59%)之和,反映了良好的植被状况;沁河流域植被覆盖度重心整体表现为向南偏东迁移2.05 km,其中较高和高植被覆盖迁移最为明显;沁河流域植被覆盖度与海拔、坡度呈显著正相关,显著改善面积占比随高程、坡度的增加呈先增加后减小趋势,坡向在东北、西北和西南方向为优势地形位。研究结果有助于为该流域水土流失治理和生态环境的恢复提供决策依据。     

山水林田湖草生态问题系统诊断与保护修复综合分区研究——以陕西省为例

山水林田湖草生态保护修复分区的划定,是科学合理的分区域提出生态保护修复方案的基础。但是,目前生态保护修复分区的划定,对于生态系统问题诊断的综合性考虑不足,未能很好的体现山水林田湖草生命共同体的理念。因此,选取了8个指标综合考察了陕西省的山水林田湖草生态系统问题,并以小流域为基本单元,划定了陕西省山水林田湖草生态保护修复综合分区。研究表明：（1）2015年陕西省生态修复指数平均值为0.39（该值越小表明山水林田湖草人的综合问题越严重）,各流域生态修复指数在0.23-0.60之间。总体来看,陕西省生态修复指数的空间分异较为明显,呈现自南向北逐渐递减的格局。（2）划分了8个生态保护修复分区,包括陕南秦岭东部地区、关中平原中部的城镇地区、汉江河谷盆地、陕北黄土高原中南部地区、陕南秦岭山区、陕北黄土高原北部地区、关中平原地区和陕南大巴山地区。在生态系统问题综合诊断方面,水土流失、植被退化、降水资源不足是陕北黄土高原地区主要生态问题;南部秦巴山区的生态系统则易受到极端降水和土壤侵蚀的影响;关中平原主要存在林草植被退化、矿产资源开采强度大和水土流失等生态问题。     

基于生态系统服务视角的山水林田湖草生态保护与修复——以洞庭湖流域为例

山水林田湖草系统保护与修复的重要目标是维护和提升区域生态系统服务。基于山水林田湖草生命共同体理念,以维护和提升人类福祉所需的重要生态系统服务为目标,提出生态系统服务视角下的山水林田湖草系统治理框架,以实现流域生态系统整体保护、质量提升和格局优化。基于该框架,以洞庭湖流域为例,通过流域生态系统格局、生态系统质量状况分析、流域生态系统服务重要性评估和生态问题识别,构建流域生态安全格局,为实现可持续的山水林田湖草生命共同体提出系统保护与修复布局建议。通过洞庭湖流域的分析案例为流域山水林田湖草生态保护与修复重要区域的识别提供了可借鉴的指标和定量分析方法,为流域尺度构建生态安全格局、实现山水林田湖草系统保护和修复提供思路和途径。     

砒砂岩区植被覆盖度环境驱动因子量化分析——基于地理探测器

砒砂岩区地形破碎,生态环境恶劣,降水量少且以暴雨为主,研究该区植被覆盖变化及环境驱动因子作用机制对区域植被建设具有重要的理论意义。基于1999—2018年的NDVI数据分析了砒砂岩区近20年植被覆盖度时空变化特征,利用了地理探测器方法量化分析了不同环境因子对植被覆盖度的影响。结果表明：1)近20年砒砂岩区平均植被覆盖度为42.3%,时间尺度上1999—2018年区域植被覆盖度呈增加趋势,平均上升幅度为0.086/10 a,空间尺度上植被覆盖度呈现从东南向西北递减的空间分布特征;2)近20年区域植被覆盖整体得到改善要比退化的区域面积大,45.5%的区域面积植被覆盖度极显著增加,主要分布在砒砂岩区东部区域,该区植被覆盖度未来变化趋势将以持续性改善为主,但仍有约41.6%的植被将由改善向退化方向变化;3)降水、土壤水分和气温是影响砒砂岩区植被覆盖空间分布的主导环境因子,且降水同其他环境因子的交互作用对植被覆盖影响最大。     

高原河谷城镇化对植被覆盖度的影响

以典型的高原河谷城市——西宁市为例，定量分析了2000-2015年研究区景观格局及植被覆盖度的时空演变，揭示了高原河谷地区的城镇建设对植被覆盖度的干扰过程及生态环境质量的影响。结果表明：（1）2000-2015年间，西宁市城镇面积增幅为25.99%，总体城镇化率为4.76%，各区县城镇化水平差异较大；（2）西宁市平均植被覆盖度呈增加趋势但不显著（P < 0.57）。植被覆盖度以中高和高植被覆盖度为主，空间上呈现"东西低-南北高"的分布特征，退耕（牧）还林（草）区的植被覆盖度显著增加（P < 0.01），说明生态恢复工程效果显著；（3）区县尺度上，城镇化速率与中高覆盖植被面积变化呈显著负相关（P < 0.01），区县内生态质量有所下降，城镇发展程度和区位条件的差异是影响中高覆盖度植被变化的主要因素；（4）格网尺度上，建成区及其周边区域的低覆盖植被面积呈显著增加趋势（P < 0.01），表明城镇内部区域生态质量有所改善。研究结果对保护和提高西宁市生态环境质量及合理推进城镇建设等方面具有重要意义。     

陕西省退耕还林植被覆盖度与湿润指数的变化关系

使用MODIS-NDVI数据和气象站点资料,通过GIS遥感技术和数理统计等方法,分析了陕西省退耕还林后(2000—2012年)植被覆盖度与湿润指数的时空变化规律及两者变化的关系。结果表明,陕西省植被覆盖度和湿润指数都呈现由南向北递减的分布规律并且有明显的季节变化特征。2000—2012年,陕西省植被覆盖度在波动中呈现大幅增加的趋势,陕北地区增加最为显著,生态环境得到明显改善,然而部分城市周边地区植被有退化的迹象。2000—2012年湿润指数年际变化波动较大,有上升的趋势,陕南地区增加显著。空间分布上随着植被覆盖度的增加湿润指数呈指数变化趋势,相关性与植被覆盖度面积取值范围有关,范围取值越大相关系数越高。植被覆盖度的年际变化受到气候和人为因素影响,陕南地区植被覆盖度与湿润指数的相关性较显著,而受到人为影响比较明显的陕北、关中地区相关性不显著。     

生态恢复背景下陕北地区植被覆盖的时空变化

基于2000-2008年的MODIS影像,通过归一化植被指数(NDVI)像元二分模型对退耕还林(草)、水土流失综合治理等生态恢复措施驱动下陕北黄土高原生态脆弱区的植被覆盖度进行了动态评估.结果表明:2000-2008年,陕北地区植被覆盖度年内呈波动趋势,3月的植被覆盖度最差,8月最好;植被覆盖度空间分布的总体趋势是从西北向东南逐渐增加;年最大植被覆盖度在研究期间表现为明显增加;植被覆盖度组成中,低等植被覆盖度面积减少,中等植被覆盖度面积增加;植被覆盖度增加地区的面积占全区一半以上,以研究区东北部尤为明显.研究区植被覆盖度的显著增加是气候和人为因素综合作用的结果,一定程度上反映了生态恢复重建措施的有效性.像元二分模型可以准确模拟区域尺度上植被覆盖度的时空变化趋势,在区域植被恢复效果定量监测与评估方面具有适用性.     

陕北黄土高原植被恢复与生态系统服务的时空关系

陕北黄土高原作为退耕还林还草核心区域,是地表格局及植被显著变化的区域之一。评估植被恢复成果及其对生态系统服务的影响,对促进区域生态环境提升具有重要作用。本研究选择植被覆盖度作为指标评估区域植被恢复状况,以碳固定服务、土壤保持服务、生境质量及产水服务作为指标表征区域生态系统服务,分析权衡协同关系及不同尺度的时空变化,同时运用双变量空间自相关分析植被恢复对生态系统服务的影响。结果表明: 2000—2020年,陕北黄土高原植被覆盖度呈波动上升趋势,年均值由31.7%升至47.1%,植被改善显著;研究区碳固定服务、土壤保持服务呈明显上升趋势,生境质量几乎保持不变,产水服务先升后下降总体呈上升趋势,各生态系统服务时空变化存在明显的尺度效应;4种生态系统服务间的关系主要为协同;植被覆盖与生态系统服务之间存在显著的空间依赖性,相关程度存在一定差异,植被覆盖度对土壤保持服务影响最明显,其次为碳固定服务,而植被覆盖增强条件下林草耗水增多则导致区域产水量下降,造成一定的负效应。总的来说,陕北黄土高原地区植被建设已取得显著成效,生态环境得到明显改善。     

基于无人机影像的草方格生态恢复区植被空间格局演化研究

理解植物群落组成结构的演化对于阐明荒漠化的过程与驱动机制、制定有效的干旱区生态系统恢复措施具有重要价值。研究干旱区植物群落的空间格局的演化过程有助于深入理解荒漠化和生态恢复的过程与机理。目前大量研究关注于植被退化过程中的群落组成结构变化,而对于生态恢复过程中的植物群落空间格局演化的研究尚不多见。干旱区生态系统中植物通常较为稀疏且个体较小,准确提取植物的分布往往需要分辨率极高的遥感数据。近年来,低空无人机遥感技术的快速发展为精细尺度上植被空间格局的研究提供重要技术支持。利用2 cm空间分辨率的低空无人机遥感数据结合地面群落调查,在精细尺度上研究了宁夏沙坡头草方格生态恢复区内植物群落的空间格局变化。研究结果表明,沙坡头地区草方格生态恢复工程实验区域,相对于未实施生态恢复工程的裸露沙丘区域,植物物种多样性和植被盖度显著提高。恢复工程实施4年后,平均植被盖度增加3倍,物种丰富度增加1倍。在植被恢复过程中,随着植被盖度的增加,植被斑块表现出规模上升、破碎化程度下降、形状复杂化、空间自相关减弱等格局特征变化。这些空间格局特征的变化表明大型植被斑块趋于恢复,整体微环境的改善有利于单独生长的植物个体存活,整体上生态系统退化为裸地的风险降低。利用低空无人机遥感手段,对草方格生态恢复工程的植被恢复过程进行了详细、高分辨率的空间格局调查及分析,结合地面群落调查,从多个方面证明了草方格生态恢复措施的有效性。基于无人机的系统格局连续长期监测有助于深入理解干旱区生态恢复机理,对于科学开展荒漠化生态恢复措施也具有重要价值。     

基于生境质量的绿洲城镇空间扩展模拟研究——以黑河中游地区为例

绿洲是生态环境极为脆弱的区域。实现绿洲城镇化与生态安全的双赢,是干旱区面临的重大问题。传统城镇空间扩展模拟研究,只是单向考虑了城镇发展趋势,而较少兼顾区域生境质量的约束。利用1992、2000、2008、2015年四期Landsat TM、ETM+、OLI遥感影像数据,以黑河中游地区为例。从城镇空间扩展与生态环境协调发展的角度出发,通过InVEST模型与SLEUTH模型的结合,将生境质量的评估结果融入到城镇扩展模型中,对研究区2015—2030年城镇扩展的土地利用变化格局进行模拟。研究表明:①生境质量整体较低,质量阶序和退化程度分异明显。高、中等级生境质量区域主要分布在黑河干流沿线和绿洲核心区,分别占5.69%、32.77%,生境退化程度高;低等级生境质量区域主要分布在戈壁荒漠区和城镇建设区,占61.54%,生境退化程度低。②生境质量对城镇空间扩展的约束作用显著。相比较无生境质量约束,2030年城镇建设用地面积和占用生态用地面积分别减少了27.08%、63.61%,并且,城镇斑块间连接性较好、集聚程度高,以"填充式"扩展为主。③城镇空间扩展总体体现了生境质量的要求。2030年新增城镇建设用地主要占用中、低等级生境质量区域,分别为34.88%、63.36%。绿洲平原区和山前洪积扇区生境质量约束较强,较2015年仅增长了51.53%、48.31%;绿洲边缘区生境质量约束性低,较2015年增长了110.18%,是未来城镇发展的潜力区。研究结果为绿洲城镇与生态环境协调发展提供科学依据。     

海口市海岸带生态系统服务及其时空变异

海岸带位于陆地、海洋交汇地带,有着重要的生态价值,但也是生态环境较为脆弱的地区。以海口市为研究区,研究海口市海岸带生态系统服务及其时空变异。基于1990、1995、2004和2012年4期Landsat TM影像得到土地利用覆盖数据;采用基于当量因子的生态系统服务价值评价方法,结合海口市实际情况,构建了海口市海岸带生态系统服务价值动态评估模型;借助GIS空间分析技术,应用局部空间自相关模型,定量研究了生态系统服务价值(ESV)的时空变异特征。研究结果表明:(1)在生态系统服务的总值方面,过去20多年的ESV整体变化不大,但近年来ESV有所降低,生态环境出现退化趋势。(2)在生态系统服务的时空变异方面,海口市海岸带ESV的空间正相关性显著,空间集聚程度较高,高值区主要集中于中心城区西部和东寨港周围,低值区主要集中于中心城区;近来,在发展城市经济和保护生态环境的双重作用下,位于中心城区的低值区和位于东寨港红树林自然保护区的高值区都有所辐射扩张。     

东北虎豹国家公园生态环境质量动态评价及其气候响应

人类活动及气候变化对东北虎豹国家公园生态环境产生深刻的影响,探究该地区生态环境质量的时空演变规律对园区可持续发展具有重要意义。在原有遥感生态指数基础上,选用增强型植被指数代替原绿度指标中的归一化植被指数,构建2001—2020年植被生长季遥感生态指数,探讨园区内核心保护区、虎豹潜在栖息地及主要人口聚集区三大管控区生态环境质量时空变化特征,并基于像元尺度分析其对气候因素的响应。结果表明：(1)近20年虎豹公园生态环境质量呈波动微弱下降趋势,2015年后生态环境质量逐步提升,2020年达到良好水平;(2)园区内各管控区生态环境质量具有明显的空间分异性,东部核心保护区中部及虎豹潜在栖息地中部以南地区生态环境质量较好,主要人口聚集区相对较差。(3)近20年虎豹公园生态环境质量稳定性较差。未来生态环境质量变化趋势为上升的面积占60.86%,表明未来生态环境趋势总体向好,但局部地区仍存在持续恶化态势。(4)虎豹公园生态环境质量主要受降水的影响,与降水呈显著正相关关系,与气温及日照的相关性较弱。     

贵州喀斯特山区不同植被下土壤C、N、P含量和空间异质性

西南喀斯特地区是中国四大生态脆弱地区之一,为了解喀斯特生态环境下植被演替对土壤养分循环的影响,选取贵州中部喀斯特地区由乔木林、灌木林和灌草丛等不同植被类型下的土壤为研究对象,采用样块法采集了表层土壤样品,测定C、N、P全量及有效态含量,分析了这些元素的空间异质性特点.结果表明,各养分元素无论全量和有效态含量均在乔木林下最高,灌木林下有机碳及N、P全量的下降并不显著,但养分有效态含量显著下降,而灌草丛下土壤养分无论是全量还是有效态含量均较灌木林下显著降低下降;土壤养分空间异质性在灌木林下最高,土壤全磷素特别是速效磷的空间异质性高于有机碳和N.这显示,不仅是土壤养分含量,而且土壤养分的空间异质性都随植被演替而改变.这种变化中,土壤养分有效态较全量更为剧烈.植物类型和结构变化下凋落物返还及土壤生物化学转化环节的变化可能是引起喀斯特生态系统退化下土壤养分库降低而空间异质化提高的主要原因,这最终也会影响土壤养分在生态系统内的循环和分布.     

广东省2004-2016年植被冠层降雨截留模拟及时空变化特征

评价植被冠层降雨截留能力,是生态系统水循环的重要研究内容。以广东省中小流域为例,结合地面监测站点的降雨量数据和MODIS叶面积指数遥感数据,利用植被冠层降雨截留模型,定量模拟和分析了广东省流域尺度2004-2016年的地表植被冠层降雨截留能力及其时空变化特征。结果表明：（1）2004-2012年广东省年均植被冠层降雨截留率持续下降,2016年略有上升,并且随着时间的推移,流域之间的植被冠层降雨截留率差异越来越小。（2）广东省植被冠层降雨截留能力呈现山区东西两翼高,山区中部以及沿海地区低的显著空间差异格局,这种空间格局与植被覆盖LAI主要呈现由珠三角向外围递增的圈层空间格局特征密切相关,而与由南向北逐渐递减的降雨空间格局特征相关性不大。（3）森林覆盖对流域植被冠层降雨截留能力有着一定的影响,其中流域内阔叶林占森林面积的比例对这种影响的程度起着最为关键的作用。     

成渝城市群城镇化与生态环境耦合协调及交互影响

以成都-重庆(简称成渝)城市群为研究对象,从经济、社会、生态和城乡协调4个子系统构建城镇化综合评价指标体系,将生态环境承载力和生态弹性结合构建生态环境综合评价指标体系,应用耦合协调度模型测度2005—2018年成渝城市群各地级市城镇化与生态环境的耦合协调度,借助GIS空间分析法、象限分析法和Tapio模型,分析成渝城市群各地级市城镇化与生态环境交互作用的类型、演化路径及其解耦路径。结果表明: 研究期间,成渝城市群的城镇化质量呈现波动上升趋势,以成都、重庆为高值区呈“双核”向四周辐射;生态环境质量缓慢提升,呈四周高、中部低,开口向北的“U”型空间格局。城镇化系统和生态环境系统耦合协调水平较高,总体呈上升的趋势,协调类型由以濒临失调和勉强协调为主逐渐向以中度协调为主演变,呈现中部低、东西高的空间格局。城镇化与生态环境交互作用的演化路径呈现稳定型和变化型2个大类。稳定型包括5个亚类20个城市,成都、德阳、绵阳等城市始终是良好协调型;变化型包括9个亚类16个城市,重庆主城区、铜梁等多数城市的协调度提升,呈“上升式”发展;合川、自贡等少数城市呈“下沉式”发展。生态环境增长率和城镇化增长率均为正,城镇化与生态环境的解耦路径以弱脱钩和扩张连接为主。     

基于时序突变检测的植被空间变化特征识别方法——以海河北部山区为例

长时序植被变化趋势分析是分析植被生长与退化状况的主要手段之一,但难以精细揭示分析时段内植被变化动态的时空特征。将归一化植被指数（NDVI）时序突变检测与趋势分析结合起来,建立了精细识别植被空间变化特征的方法,并以海河北部山区为案例,开展了实证研究。案例分析结果表明：2000-2018年间,海河北部山区有78.1%的区域NDVI发生了突变,其中1.7%的面积发生退化。应用基于时序突变检测的植被变化识别方法进一步发现：植被变化在2011年出现突变拐点,突变前（2000-2011年）在西北草原区和东南林农区存在1.6%的显著退化,突变后（2011-2018年）在东部林农区存在1.2%的显著退化。分析表明,海河北部山区植被整体改善与气象因子的关系不大,局部恶化则是气象因子与人类活动共同作用的结果。与常规长时序植被变化趋势分析相比,基于时序突变检测的植被空间变化特征识别方法揭示了评估时段内植被空间变化的动态趋势,可为明确区域植被的变化以及差异化的植被恢复策略提供决策信息。