异质景观中水土流失的空间变异与尺度变异

综述了景观格局与水土流失过程的空间变异与尺度变异的理论和方法研究进展,提出了水土流失空间变异与尺度变异的研究方向。景观格局与生态过程的尺度变异一般处于单一尺度变异和多重尺度变异的连续体之中。尺度转换即尺度外推包括尺度上推和尺度下推,其可行性决定于尺度变异特征。水土流失不仅是多因子综合影响的一个复杂的时空变异过程,而且也是一个典型的多重尺度变异过程。传统的水土流失研究一般集中在坡面径流小区和小流域两个单一尺度上,这在很大程度上限制了水土流失的空间尺度外推和过程分析。近年来,尽管国内外很多学者开始关注水土流失的尺度变异及其影响因子．但只是对水土流失在不同大小的样地尺度以及小集水区尺度上的差异及其影响因子进行了初步的比较研究,尤其缺乏水土流失及其相关环境因子的连续尺度变异特征的机制分析。空间变异和尺度变异研究方法包括统计模型模拟法、物理模型与物理过程模拟法以及综合分析与综合预报法三大类。每种方法都有其优缺点和其特定的适宜性,最佳方法组合的选取因研究对象、研究地区和研究时间的不同而异。土壤侵蚀预报模型包括经验统计模型和物理过程模型,就解决水土流失的跨尺度关系而言,基于物理过程的空间分布式的土壤侵蚀预报模型显著优于经验模型。这些模型在关键参数的空间变异性描述和水土流失的尺度变异性分析方面非常薄弱,尤其缺乏模型分辨率和研究范围对输出结果的影响研究。完善水土流失的“尺度一格局一过程”理论,加强多重尺度上水土流失及其相关环境因子的空间变异格局和尺度变异性的实地观测与数学分析,改进土壤侵蚀预报模型这3个方面是将来的研究重点。     

土壤水分时空变异及其与环境因子的关系

土壤水分的时空变异是指在一定的景观内,不同时间、地点和土层的土壤水分特征存在明显的差异性和多样性。土壤水分时空变异是由多重尺度上的土地利用（植被）、气象（降雨）、地形、土壤、人为活动等诸因子综合作用的结果,但就其某一具体地区而言存在着重点尺度和主控因子,土壤水分时空变异的重点尺度与主控因子的时空关系因时间、空间和尺度而异。本文综述了土壤水分（尤其是黄土高原地区）的时空变异与其环境因子时空关系的研究进展,并提出了广眨开展多重时空尺度上土壤水分的时空变异与其诸因素的时空关系,研究土壤水分时空变异性的尺度转换规律,确定重点尺度及其相应的主控因子。     

黄土丘陵小流域土壤侵蚀的时空变异及其影响因子

采用土壤侵蚀模型LISEM(Limburg Soil Erosion Model)模拟黄土丘陵沟壑区大南沟小流域5种土地利用格局下立地尺度上土壤侵蚀量的空间分布,从土壤侵蚀量与环境因子的关系分析入手,研究黄土丘陵小流域立地尺度上土壤侵蚀的时空变异性及其影响因子.研究结果表明,立地尺度上平均土壤侵蚀强度以1975年>1998年>退耕格局,可见优化土地利用格局(陡坡农地退耕)可以有效地降低立地尺度上的土壤侵蚀强度.各种土地利用方案下土壤侵蚀强度的空间变异都很显著,相对来说以1975年<1998年<退耕格局,可见优化土地利用格局可以提高土壤侵蚀的空间变异性,降低土壤侵蚀危险的空间聚集度.土壤侵蚀量与降雨呈现显著正相关性,相关性以LU75>LU98>退耕格局,可见合理的土地利用格局可以有效地削弱降雨对土壤侵蚀强度的影响.土地利用方式对土壤侵蚀空间分布具有显著影响.从1975年、1998年到3种退耕格局,陡坡农地退耕还林还草,植被覆盖度增加,林地/灌木地、果园/经济林地、农地和休闲地的平均土壤侵蚀强度都逐渐降低.相关分析表明,林地/灌木地上土壤侵蚀量最小,荒草地相对最严重;果园、休闲地和农地居中.土壤侵蚀强度还存在显著的地形分异.水平凹凸度和相对海拔对土壤侵蚀空间分布的影响比较显著,而坡向、坡度和垂直凹凸度的影响较小.土壤侵蚀强度以水平凸坡大于水平凹坡、垂直凹坡略大于垂直凸坡、偏南坡大于偏北坡、低海拔大于高海拔.对1975年和1998年土地利用格局来说,土壤侵蚀强度以偏西坡大于偏东坡、陡坡大于缓坡;对3种退耕格局而言则正相反.可见,优化土地利用格局(陡坡农地退耕),可以有效地削弱甚至逆转地形对土壤侵蚀强度的影响.     

陕北能源富集区工业化过程与生态风险格局

能源开采对地表生境的破坏、地下作业导致的采空沉降、能源化工企业三废污染等是导致能源地区环境恶化的主要因素.但在更大尺度上,矿区工业化与区域生态格局相互作用关系驱动机理比较复杂,时空节律与尺度同步性难以判定.以处于生态恢复背景下的陕北能源富集地区为例,基于夜间灯光和NDVI数据分析工业化过程与植被生态风险的时空变化特征,并采用土地利用类型空间变异、降水量与径流量减少趋势、地震发生频次等进行不同尺度的综合分析,探讨工业化过程对生态风险的影响.结果表明:能源区工业化直接增加区域生态压力的假设能否成立与实证角度和尺度放缩有关,在植被恢复背景下,工业化对植被格局的影响不能在较大尺度分析中显现;陕北能源富集区生态环境呈现整体好转、局部恶化的格局,植被格局与工业化过程交互机理存在单向性,并且具有时空不同步性,小尺度与大尺度的观测结果并不一致;工业化过程在较小区域内仍强烈影响局地生态安全,区域生态环境建设的政策导向应整体与局部并重.     

荒漠人工固沙植被区土壤水分的时空变异性

表层土壤水分具有高度的时间和空间变异性.研究的目的:(1)揭示沙坡头人工固沙植被区浅层土壤水分的时空变异性特征;(2)确定驱动土壤水分变异的主要环境因子.在人工固沙植被区内一个4500m2的网格样地上每隔10m设置取样点,在连续7个月的时间内 (2005年4～10月),每隔15d用时域反射仪测量各样点表层以下15cm和30cm深度的土壤容积含水量.结果表明,该区网格尺度上浅层土壤水分的分布具有明显的空间变异性,其变异性随着土壤水分含量的降低而减小;相对海拔是驱动土壤水分空间变异的主要环境因子,其作用在降雨后尤为显著,且其对土壤下层的影响比上层更明显;植被和土壤水分含量的相关性时间序列与相对海拔一致--降雨使其相关性增加;土壤质地(土壤粒径分布)和土壤水分含量的相关性时间序列特征与植被和相对海拔相反,且其对土壤上层的影响比下层更明显.因此,在沙坡头荒漠人工固沙植被区,降雨后的短暂湿润期,地形和植被是驱动浅层土壤水分变异的主要影响因子,而随着降雨之后土壤逐渐变干,土壤质地的影响变得更加明显.     

陕北黄土区生态修复过程中植物群落物种多样性变化

根据18块典型样地的植被调查数据,采用时空互代和对比分析法,从演替时间、生态修复模式和坡向3个方面研究了陕西省吴起县生态修复过程中植物群落物种多样性特征.结果表明：在25年自然演替序列中,退耕封育群落依次经历了猪毛菜、猪毛蒿、达乌里胡枝子、铁杆蒿和白羊草5种类型,建群种表现为1年生向多年生、低级向高级的演替趋势.其间,物种种类、Margalef指数、Simpson指数、Shannon-Wiener指数和Pielou指数均呈二次函数变化,说明黄土区退化生态系统在消除外界压力后,通过自然恢复可达到高级、稳定状态,但速度缓慢.地形条件和恢复年限一致时,4种主要修复模式形成的群落中,草本层的Margalef指数、Shannon-Wiener指数和Pielou指数表现为退耕封育＞退耕还草＞退耕还林＞荒山造林,Simpson指数则相反.与退耕封育模式相比,退耕还草和退耕还林模式在相同恢复期内形成的草本群落,虽然多样性指数较低,但更接近自然演替后期阶段,说明人工修复模式能加快演替进程.在相同恢复年限内,阴坡退耕封育群落的Margalef指数、Shannon-Wiener指数和Pielou指数明显大于阳坡,且群落类型更接近演替后期阶段,说明阳坡生态修复的本底条件更差,植被自然演替速率更缓慢.     

陕西子午岭生态因素对植物群落的影响

为探讨生境对植被格局分布的影响,对黄土高原马栏林区60块样地进行植被学调查的基础上,采用17个环境指标刻画植物群落的空间位置、地形和土壤特征;利用双向指示种分析(TWINSPAN)划分了该区不同演替阶段的植物群落类型;利用前向选择法(forward selection)及Monte Carlo检验对不同演替阶段植物群落物种组成影响显著(p＜0.05)的环境因子进行筛选;利用去势典范对应分析(DCCA)排序方法分析不同演替阶段植物群落分布格局与环境的关系;利用偏典范对应分析(partial CCA)定量分离环境、空间及其交互作用对植被格局总体变异的影响.结果表明:(1)马栏林区的植物群落可划分为13个类型,分别属于4个不同的演替阶段;(2)对演替初期阶段群落影响显著的环境因子是土壤含盐量和碱解氮,对演替过渡阶段群落影响显著的环境因子是海拔和腐殖质厚度,对演替亚顶级阶段群落影响显著的因子是海拔、坡向、枯落物厚度、腐殖质厚度和pH值,而对演替顶级阶段群落分异影响显著的因子是海拔、坡向、pH值和速效磷;(3)不同演替阶段群落的生态学特性和分布规律与环境空间的生态梯度格局吻合较好;(4)随着演替的进行,环境因子单独对植物群落的影响越来越大,而样地位置单独作用和样地位置与环境因子的交互作用之和越来越小.     

流域径流泥沙对多尺度植被变化响应研究进展

植被变化与流域水文过程构成一个反馈调节系统,是目前生态水文学研究的重点对象.由于植被自身的生长发育以及受自然因素和人为干扰的作用,植被变化具有多尺度性;由于受流域水文环境的异质性和水文通量的变化性的影响,流域水文过程也同样具有多尺度性.因此,只有通过对不同尺度生态水文过程分析,才能揭示流域径流泥沙对植被变化的响应机理.从不同时空尺度回顾了植被生长、植被演替、植被分布格局变化、造林以及森林经营措施等对流域径流泥沙影响的主要研究成果;概括了目前研究采用的3种主要方法,即植被变化对坡面水流动力学影响的实验室模拟、坡面尺度和流域尺度野外对比观测实验以及水文生态模型模拟方法;分析了植被变化与径流泥沙响应研究要考虑的尺度问题,从小区尺度上推至流域尺度或区域尺度时应考虑不同的生物物理控制过程.研究认为,要确切理解植被与径流泥沙在不同时空尺度的相互作用,必须以等级生态系统的观点为基础,有效结合生态水文与景观生态的理论,从地质-生态-水文构成的反馈调节入手,系统地理解植被变化与径流泥沙等水分养分之间的联系及反馈机制,建立尺度转换的基础.同时,作为有效的研究工具,今后水文模型的发展应更加注重耦合植被生理生态过程以及景观生态过程,从流域径流泥沙对多尺度植被变化水文响应的过程与机制入手,为植被恢复与重建、改善流域水资源状况和流域生态环境奠定基础.     

森林凋落物养分空间变异及其影响因素

凋落物是衡量森林质量的关键特征之一,具有养分归还、水土保持、过滤有毒物质、提供动物和微生物的食物、影响种子萌发和维持地表温湿度等生态功能。凋落物养分空间变异是指在一定的区域内,因空间位置不同凋落物养分特征存在的差异性和多样性,其影响群落分布格局,是森林生态系统中普遍存在但极为重要的特性。本文综述了国内外森林凋落物养分空间变异及其与自然和人为因素关系的研究进展。目前,凋落物养分空间变异研究以经典统计学和地统计学两种定量描述方法为主,涉及森林群落、景观和区域及全球尺度,受到植物、土壤、地形、气候、森林结构和干扰等诸多因子的影响,因研究的方法、对象、目的、区域或尺度不同而存在差异。因此,需进一步加强定量描述凋落物空间变异方法的综合应用和标准化,针对性地选择适宜的方法来描述森林凋落物养分空间变异,广泛开展多重尺度上凋落物养分的空间变异及其与多因素的关系,确定研究尺度及相应的主控因子。     

分形理论及其在土壤空间变异研究中的应用

土壤具有不同程度的空间变异性,土壤空间变异研究对于土壤管理有重要意义.本文简要综述了分形理论及其在土壤空间变异研究中的应用,重点讨论了利用矩方法计算土壤属性分形维,多重分形分析土壤空间变异性及基于多重分形谱参数的土壤属性尺度转换.早期研究验证了分形理论在分析土壤空间变异中的有效性和应用潜力,国内外近期研究则报道了利用分形及多重分形理论分析土壤空间变异的最新进展.分形理论可以成为量化土壤属性空间变异性及尺度转换的重要工具.     

山东省生态空间占用的初步研究

根据生态空间占用理论与方法,判定了山东省目前的生态空间占用和生态容量,进行了生态空间核算并计算了生态赤字。研究表明,山东省2001年的人均生态空间占用为1．37720hm^2。人均生态容量为0．58755hm^2,生态赤字达0．78965hm^2,表明该省对生态生产性土地的需求己严重超出其供给能力,其经济发展过程中的生态状况不容乐观。山东人均生态占用虽明显高于本省人均生态容量,但仍低于全球人均生态容量,属于“地方不可持续-全球可持续”的地区。文末指出重化工业在工业结构中的突出地位及以煤炭为主的能源消费结构是导致该省生态占用偏高的主要原因,另外,人口众多使本省人均生态容量偏小,从而导致生态赤字偏大。为使山东社会经济持续健康发展,优化工业结构和能源消费结构,控制人口数量,建立资源节约型的社会生产和消费体系势在必行。     

Identifying ecologically valuable and sensitive areas: a case study analysis from China

The expansion of artificial constructs with the rapid economic development in China has led to ecological and environmental emergencies. The extent of the decline in natural resources and environmental conditions has recently been recognized. Identifying “ecological protection redlines”, i.e. ecological limits, to guarantee ecological baselines for natural resources and ecosystem service functions would therefore help to coordinate economic development and to protect ecological resources in the coming years. We used remotely sensed and climatic data to delimit the ecological protection redlines for Zibo, a typical and important city in Shandong province, as an example to illustrate the principles and methodology of ecological protection redlines. The area of the ecological protection redlines for Zibo encompassed 1132.26 km², accounting for 18.98% of the total area of Zibo, were mainly distributed in the southern regions of the municipality, and consisted of extremely important areas of ecosystem service functions, including water conservation, both soil and water conservation, windbreaks and sand fixation, and the conservation of biodiversity. This area is extremely sensitive, and development is forbidden. Strict measures of management and control should be implemented to protect the long-term effectiveness of ecological protection redlines.     

The National Centre for School Biotechnology

Giving land an ecological value is a problem in many student projects. This paper suggests a method which is suitable for a range of abilities

Any methods used by students for evaluating the ecological or conservation value of an area under study need to be relatively simple, as it is unlikely that they will have a specialist knowledge of ecology. The most frequently used criteria in site evaluation are difficult to apply at secondary education level, and a method has been developed which relies only on recognition of major habitat types and landscape features. The example used is a comparison of two possible sites for location of a sewage treatment works, and a ‘total ecological score’ is obtained for each site. This can then be used to calculate possible ‘units of ecological damage’ in the event of a development on the land. Damage can also be categorized as reversible or irreversible to allow for reinstatement and mitigation work. Students can then incorporate these estimates as part of a wider impact analysis and decision-making process and the methods can be applied to any development.     

生态土地分类研究进展

土地分类是土地评价,替代和管理的基础,对林业资源可持续利用具有重要的意义。生态土地分类是目前土地分类的主要方向和趋势。国际上早已开展此项研究。随着景观生态学和3S技术的发展,生态分类系统的研制已成为生态土地分类的重点。本文对生态土地分类的定义,特点,发展历史,生态分类系统理论,以及国际生态分类系统的发展趋势进行了系统的综述,并指出以资源（森林,土地,水域等）多目标管理为基础,定量与定性相结合的多因子多层次综合是未来生态土地研究发展的总趋势,有必要在我国大力开展相关研究。     

木本能源植物文冠果的生态特征及区划

利用文冠果(Xanthoceras sorbifolia Bunge)160个分布点和19个生态因子数据,采用BIOCLIM、DOMAIN、MAXENT和GARP四种模型预测文冠果的生态适宜区,分析其生态特征并以受试者工作特征曲线ROC对各模型进行评价。结果显示,文冠果最适宜生态区主要分布于西北黄土高原一带,如陕西、山西、宁夏、河北、内蒙古等省区。模型评估结果显示上述4个模型的AUC值均达到0.75以上,表明预测精度良好,均可用来预测文冠果的生态适宜区。文冠果的生态特征为:年平均温度1.9~16℃,昼夜温差月平均8.3~16℃,昼夜温差与年温差比值为22~33,温度变化方差值为7523~14198;最热月份最高温度为20.1~33.5℃;年平均降水量37~952 mm,最湿月份降水量11~219 mm,最干月份降水量0~29 mm,雨量变化方差值为40~137。研究结果表明文冠果适宜生态区包括我国西部的黄土高原地区和北方土石山区以及新疆北部地区。     

不同种群密度羊草生态场梯度及其变化特征

通过对植物个体与种群生态场定位实验研究,提出了生态场梯度的概念,并给出了植物与羊草个体生态场梯度的模型,植物生态场的场梯度是,生态场中生态势沿任意方向的变化率。羊草个体生态场梯度同羊草种群密度相关。     

经济开发区生态规划与建设研究

生态规划和建设是协调经济发展和生态环境关系,创造和谐的人工化环境的调控对策。木文研究了沈阳开发区生态规划和建设的理论、方法,着重探讨了开发区经济、环境协调发展的途径:1)选择理想的协调发展优化方案,2)控制发展热电生产,发展集中供热和低能耗高技术产业,3)节约水资源,提高水循环利用率,4)在生态学原理指导下进行生态管理。     

The studies of ecological environmental quality assessment in Anhui Province based on ecological footprint

Under the dual pressures of the socio-economic development and the increase in population density, the ecological environmental quality issues in Anhui Province have become increasingly prominent, which seriously handicap the sustainable development of regional economy, and it is more important to evaluate ecological environmental quality. By using the data of ecological environment, society, economy and population in Anhui Province, this paper measures ecological footprint, ecological environmental carrying capacity and ecological deficit and surplus in Anhui Province based on ecological footprint. The results show that ecological environmental quality in Anhui Province is not in the best state of the coordinated development, and the relationship between the supply and the demand of per ecological footprint almost is not in balance.     

关于生态场的几点评述

依据植物生态场的系统研究资料,对生态场的概念、场的特征函数、生态场的图形以及生态场对植物相互作用的解释进行了评述.阐明了生态场的最基本属性是物质性,目前的研究水平尚不能确定生态场是否是有别于一般物理场的特殊形式的场.对生态场的基本特征函数-生态势模型给予了形式与模型参数估测方面的评述,表明两种生态势模型各有一定的特点与优越性.作者强调,生态场更具生态学的方法论意义,应用生态场对植物相互作用形式与过程的分析描述,具有定量化、综合性与直观化特点.生态场的绘图为生态学研究开辟了新的途径,特别是应用生态场理论分析群体植物的动态变化过程(由互利共存到干涉竞争)会有合理的定量解释.     

Analysis of over-consumption of natural resources and the ecological trade deficit in China based on ecological footprints

China has experienced unprecedented economic development in recent years and is now facing severe challenges caused by the over-consumption of resources and by ecological and environmental degradation. To assess the influence of resource exploitation and ecological trade, we have developed an index of excessive resource consumption based on the concepts of ecological deficit and ecological over-shoot, and we have used the ecological trade deficit to assess the pressure created by the export and import of resources and products. Our analysis indicated that China's consumption footprint surpassed its biocapacity in 1983, leading to an ecological deficit, and the production footprint surpassed its biocapacity in 1986, leading to an ecological over-shoot, as the over-consumption of natural resources grew. By 2010, 3.6 times the current area of bioproductive land was needed to provide sufficient resources to meet the consumption. China has been encouraging the development of exporting enterprises by implementing a series of financial and tax incentives, which have stimulated the economy in the short-term but have gradually increased the ecological trade deficit since 2000.