森林生态系统水文调节功能及机制研究进展

本研究从森林生态系统的水文过程出发,介绍了其相关概念及发展史,总结了目前森林生态水文学的研究成果,对森林生态系统不同界面层(林冠层、枯落物层及土壤层)的水文过程、影响因素及生态水文模型等方面的国内外研究进展进行了系统的阐述,同时也对森林生态系统的水土保持、水质净化和物质循环过程进行了归纳和总结。目前的研究还需要从以下几方面加以深入:(1)森林生态系统不同界面层(林冠层、枯落物层及土壤层)功能性状与环境因子对流域水分储蓄、循环、入渗与产流过程的影响及其机理;(2)森林生态系统水土保持、水质净化、元素循环三者之间耦合机制方面的研究;(3)森林生态系统的水文过程与能量流动、物质循环之间的相互关系;(4)在时间尺度和流域尺度上研究森林生态系统生态水文过程的变化情况。因此,今后的研究应加强对森林生态系统多学科、多尺度的综合研究,同时要结合现代高新技术方法来研究不同植被类型的功能性状对水文过程的影响及其机制,为森林生态系统的管理提供科学依据。     

草地生态系统植被变化的自然与人为因素定量区分方法

定量区分导致草地生态系统植被变化的自然和人为因素,是生态系统科学管理和保育的关键。因此,综述当前应用较为广泛的定量区分方法,包括主成分分析法、层次分析法、残差趋势法和模型差值法等,比较不同方法的计算原理、优势及误差来源,进而结合典型区域或典型生态系统,对不同方法进行对比和分析。总体而言,每种方法各有其优势和缺点,当前采用同一方法在不同区域或生态系统类型应用的研究较多,但针对方法本身改进或优化的研究较少。此外,针对同一区域开展的不同区分方法间的结果也存在差异。定量区分的结果除受方法本身算法的局限外,也受数据源的时空连续性及分辨率的影响。未来定量区分方法将强调：(1)在指标的选取上,要兼顾全面、多角度、不冗余等原则;(2)进行多源数据与多时空尺度融合,在更高时空分辨率定量区分自然与人为因素,从单一因子的贡献率区分到更多综合性指标的贡献率区分;(3)对定量区分方法本身的改进,这是当前的重点与难点。以期为生态系统适应性管理与关键生态功能的针对性保育提供科学依据和政策导向。     

河岸植被缓冲带主要生态服务功能研究的现状与展望

河岸植被缓冲带是河流生态系统和陆地生态系统之间的生态交错带,具有独特的生态系统结构和服务功能,也是近年来生态学和环境科学研究的热点之一.本文对河岸带的生态系统结构及其在生物多样性维持、非点源氮素污染防治等主要生态服务功能方面的研究进行了系统总结和分析.由于岸边缓冲带具有结构复杂、系统内外干扰因子多、时空异质性强等特征,要实现对河岸带生态系统的科学有效管理,还需要进行大量的理论和案例研究.从系统生态学和景观生态学的角度,展望了该领域的研究前景:(1)加强人类活动干扰如土地利用的时空变化对河岸区域生物多样性分布特征和生态环境效应的影响研究;(2)加强不同河岸植被缓冲带结构和区域环境特征对非点源氮素污染净化机理和控制过程的研究;(3)在小尺度长期定位观测和机理研究的基础上,综合运用数学方法、遥感(RS)和地理信息系统(GIS)等工具,开发适合我国地域特点和环境特征的生态系统管理模型,定量研究河岸带生态系统结构、过程与功能动态变化及其与人类活动干扰之间的相互关系和影响机制,为区域社会经济的可持续发展提供科学依据和管理对策.     

植被生态系统恢复及其在华南的研究进展

介绍了恢复生态学常用的理论,并指出恢复生态学研究大多涉及植被生态系统恢复。植被恢复的目标就是要恢复植被的合理结构、功能和动态过程,从而为人类提供生态系统服务。植被恢复可以把区域的地带性植被生态系统作为参考生态系统,但目前的植被恢复工作绝大部分只是恢复了植被生态系统的部分组成、结构和功能。植被生态系统恢复研究主要从退化的原因与过程、恢复的过程与机理,以及从生境恢复、种群恢复、群落恢复、生态系统和景观恢复等不同尺度上的恢复开展。在介绍华南地区的植被生态系统现存问题的基础上,对华南地区开展的植被生态系统恢复,尤其是华南植物研究所(园)开展的植被生态系统恢复研究进行了介绍。最后,提出了华南地区植被生态系统恢复的方向及发展趋势。     

生态安全格局研究的主要内容与进展

生态安全格局是我国国土空间开发战略格局的重要组成部分。区域生态安全格局的有效构建及维护不仅有利于生态系统结构与功能的完整、生物多样性保护、生态系统服务的维持,还将提升人类福祉,实现可持续发展,最终保障区域生态安全。生态安全的复杂性及学科交叉性,使已有研究涉及内容多样,但缺少相互联系与比较,导致不同区域、不同方法研究条件下存在多种格局。因此,有必要系统地分析与梳理,以便进行综合分析与集成,实施生态安全格局调控管理与决策。参考国内外生态安全格局的主要研究成果,在此基础上阐述了生态安全格局研究需要重点关注的内容及之间的相互关系,在考虑"格局形成、演变机制-影响-关键区识别-构建优化-调控管理"的关系基础上,论述了具体的研究内容与相关研究方法。通过加强生态安全主要研究内容间相互关系及机理研究,评估与预警方法模型的改进与优化,协调发展的调控技术与保障政策的研发,为生态安全格局管理的决策支持系统提供重要支撑。     

海河流域生态需水核算

从生态系统角度分析了生态需水内涵和生态需水与生态用水概念的差别。探讨了海河流域自然陆地、河流、湿地、城市 4种生态系统类型生态需水核算方法 ,并对其生态需水量进行了核算。大气降水首先被天然植被利用后形成地表径流 ,才能被人类管理利用来满足经济水量和生态水量需求。从水资源管理来说 ,河流、湿地、城市等生态需水来源于径流性水资源可称为狭义生态需水 ,而包括利用降水性水资源的天然植被生态需水在内的全部生态系统生态需水可认为是广义的生态需水。狭义生态需水是水资源管理及生态需水研究和关注的重心。研究结果表明 :海河流域河流生态需水 31.6 4× 10 8m3,占多年平均天然径流量的 12 % ;湿地生态需水为 34.31× 10 8m3,占 13% ;城市生态需水量 10 .83× 10 8m3,占 4 .1% ,3项合计占径流总量的 2 9.1%。生态需水量是一个动态的值 ,随生态保护目标的提高和经济的发展核算结果必然发生变化 ,维护生态环境质量的状况不同 ,也存在最大、最小生态需水量的阈值问题 ,此类问题需今后进一步研究     

生态系统生产总值的内涵、核算框架与实施条件——统计视角下的设计与论证

基于已有研究和中国当前实践,对GEP的内涵和核算框架进行理论论证,以期为GEP的后续应用开发提供基本规范。(1)辨析当前GEP已有定义,提出了经过优化的GEP定义:特定时期内一区域生态系统为经济生产和人类其他活动提供的最终产出价值,具体包括生态供应品、生态调节服务和生态文化服务三个组成部分。(2)确定GEP在以下两个方面的应用价值:辅助GDP评价区域发展业绩;为区域生态补偿提供标准。(3)参照国内生产总值(GDP)核算原理,设计出一套生态系统供应品和服务供给表和使用表,在此基础上生成了规范的GEP核算表和核算方法。(4)将框架设计落实到GEP核算实施层面,提出了后续需要考虑的相关分类体系、关键节点、实物和价值核算方法设计等重要问题及解决思路。     

重点脆弱生态区生态系统服务权衡与协同关系时空特征

目前,有关生态系统服务权衡与协同关系的研究多集中在局地尺度,在宏观尺度上的研究较少。重点脆弱生态区是我国改善生态环境的主要目标区域,在定量评估我国重点脆弱生态区1990—2015年土壤保持、植被净初级生产力(NPP)和产水服务的基础上,利用相关系数法并结合植被分布场数据对生态系统服务权衡与协同关系进行研究。结果表明:(1)26年间,重点脆弱生态区的土壤保持服务、NPP、产水服务呈现出南多北少的分布格局,且3种服务的年际变化较小,但均有上升的趋势;(2)重点脆弱生态区的3种生态系统服务之间是整体上协同,局部权衡的关系,并且协同关系呈减弱的趋势;(3)生态恢复区的生态系统服务的协同程度大于非生态恢复区,权衡关系减弱的动态变化趋势高于非生态恢复区。定量评估生态系统服务权衡与协同关系的时空特征,有利于研究生态系统服务之间相互关系在时间上的非线性和空间上的异质性,对重点脆弱生态区生态系统的可持续发展具有重要意义。     

生态环境用水研究现状、问题分析与基本构架探索

生态学与水文学交叉研究是目前国际上前沿研究领域之一,生态环境用水研究则是连接生态过程与水文过程、刻画生态演化与水资源相互关系的核心问题。对生态、环境用水产生与发展的基本过程进行了回顾,并根据对已有成果的综合分析提出了目前研究中存在的5方面主要问题。首先,生态用水尚需理论上的进一步升华,这一点突出体现在生态用水的概念与内涵表述上;其次,在生态用水研究中,缺乏合理的生态保护目标的建立,因而影响到了研究成果的实际应用价值;第三,目前的研究均是针对较大尺度所作的,不能在生态机理与物理机制上揭示生态用水规律,因此,不适于具体问题的深入分析,个别实验在由“点“尺度向生态用水计算的“面“尺度转换时缺乏基础,从而严重影响了研究成果的精度;第四,生态用水机理是生态用水研究中至为关键的工作,以往研究主要依据野外宏观观测资料来探讨,缺乏直接的实验依据;第五,没有涉及生态用水对生态系统稳定性、生态用水满足程度及其波动性对生态系统影响等方面,从而也使得研究成果的科学性受到影响。同时作者认为,中国工程院“中国可持续发展水资源研究报告“中的生态环境用水概念对我国地大物博,地质地貌与气候类型多样的特点给给予了更多的关注,故可以确定为全国性的生态环境用水概念。最后文章认为应当将生态用水与环境用水分别予以考虑,并给出了其新的概念构架。     

微地形改造的生态环境效应研究进展

干旱缺水和生境不良使世界上许多地区的植被恢复和生态改善面临困难。为了提高植被成活率、遏制土壤侵蚀和土地退化态势,国内外许多重点地区都开展了多种微地形改造与下垫面整地措施,使得地表生境和植被状况得到一定改善。但微地形改造对生态环境影响的基础研究仍严重滞后于实践的客观需求,许多关键效应和科学机理不明。本文系统梳理和总结了国内外学者在不同生态系统类型区和自然地理单元上开展的相关研究。认为微地形改造对土壤属性和微生境、降雨入渗和水蚀过程、植被恢复的效果及其生态服务功能发挥等多个方面都有重要影响,并综述了相关研究进展。同时指出当前微地形改造研究中存在的突出问题。包括科学分类标准有待系统化、实地量化技术相对滞后、微地形改造的水文效应有待强化、影响植被恢复的机理不明等若干重要局限。建议应进一步加强微地形改造的分类体系研发、发展微地形改造方式的定量刻画技术;设立野外定位站,跟踪监测其长期效应,并加强不同微地形改造措施的生态环境效应对比,为科学筛选和优化下垫面改造技术、服务区域生态改善和应对气候变化提供科学依据。     

半干旱区生态恢复关键生态系统识别——以内蒙古自治区和林县为例

我国土地退化严重,且大部分发生在干旱半干旱地区.恢复为何种生态系统类型是生态学研究的重要课题.采用生态功能区划,根据各个生态功能区主体生态系统功能,推导发挥此功能的生态系统类型的方法,识别关键生态系统类型.以内蒙古自治区和林县为例,采用文献调研、实地调查、3S技术等方法,在评价该县生态敏感性、生态服务功能重要性的基础上,将该县划分为3个一级生态区,11个二级生态功能区.根据各个生态功能区的主体生态系统服务功能,分析发挥该功能的可能生态系统类型.再根据全国自然植被区划、气候变化趋势模型以及现状植被类型,识别各个生态功能区的关键生态系统类型.     

基于陆地-水生态系统耦合的海河流域水生态功能分区

水生态功能分区是针对水生态系统特征的陆地生态系统划分,是为流域水生态管理提供生态背景和基本单元。陆地-水生态系统的耦合是水生态功能分区的核心,但多停留在个别小流域进行理论探讨,大型流域的实际案例较少。针对海河流域独特的气候、地貌、水文和人类活动特征,提出了水生态功能分区的三级指标体系。一级二级区针对气候、地貌、水文背景进行"自上而下"的分区,三级区针对人类活动对水资源、水环境、生境影响,采用"自下而上"的分区方法。最终,海河流域划分了6个一级区、16个二级区和73个三级区。研究充分体现了"以水定陆、以陆控水"的基本原则,以及"自下而上"和"自上而下"分区方法的优点,结果可为海河流域水生态管理提供科学依据,为水资源空间调配与合理利用、产业结构布局与区域协调等服务。     

Neighbourhood-scale urban riparian ecosystem classification

Urban riparian ecosystems are now recognized as essential components in determining the vulnerability of nature and human systems to climate change, but still remains uncertainty concerning how to stratify and classify urban riparian landscapes into units of ecological significance at spatial scales appropriate for management. Ecosystem classification presents a tool that allows for quantifying the social and ecological processes of ecosystems so as to shape them into relatively homogeneous management objectives, and provides the potential of offering decision support to urban planners based on urban ecological principles. The purpose of this study is to explore and develop a framework for urban riparian ecosystem classification. The classification framework integrates 9 ecosystem components and 29 spatially-explicit variables that characterized by the biophysical landscape, built environment and human population. Then this framework is applied at the neighbourhood scale in Huangpu River basin, Shanghai city, China, employing hierarchical cluster analysis. The results of the ecosystem classification show that the riparian ecosystems in the Huangpu River could be grouped into three principal categories and these ecosystems are aligned along a gradient of increasing urbanization. We highlight the conservation and payment for riparian ecosystem services delivered in the upstream of Huangpu River, and revegetation and enhancement of riparian ecosystems in the more urbanized downstream area. We also find that riparian vegetation connectivity and coverage were negatively related to land use mix, built environment density, and economic wealth. In terms of riparian vegetation ecology, neighbourhood scale land use mix and built environment density are more influential than socioeconomic background (such as average family income and immigrant status).     

中国森林生态系统地表径流调节特征

径流调节是森林生态系统重要生态服务功能之一,包含着大气、水分、植被和土壤等生物物理过程,其变化将直接影响区域气候水文、植被和土壤等状况,是区域生态系统状况的重要指示器。在区域尺度上评估森林生态系统地表径流特征,对于科学认识和合理保护森林生态系统水源涵养功能具有重要意义。以森林生态系统定位监测数据为基础,探讨地表径流与降水,径流系数与植被的关系,建立径流系数与植被的回归方程,分析全国森林生态系统地表径流调节特征。结果表明:(1)各森林类型地表径流与降水相关性显著,其对地表径流的影响为37%—76%。此外,径流系数与植被也显著相关,其对径流系数的解释能力为27%—47%。(2)基于植被覆盖数据,通过植被与径流系数回归方程估算全国森林生态系统的地表径流调节特征。全国各森林生态系统径流调节能力存在差异,强弱顺序为:落叶针叶林落叶阔叶林针阔混交林常绿针叶林常绿阔叶林。     

基于水源涵养参照系的中国生态系统水源涵养功能优劣评估

为解决水源涵养优劣评估结果空间可比性差的问题,在拟合1990-2018年中国生态系统水源涵养动态数据基础上,构建基于参照系的水源涵养功能优劣等级评估方法体系,从全国和分区尺度揭示中国生态系统水源涵养功能优劣格局与演变规律,阐明该方法的优越性。结果表明：（1）2015年中国全国生态系统水源涵养功能以差级别占主导,约占总面积的44.8%,主要分布于西北、青藏高原、华北平原和东北平原。1990-2018年中国生态系统水源涵养功能中等级面积极显著降低,差等级面积显著增加,其余类型呈波动变化。（2）各气候区生态系统水源涵养优劣等级构成因气候、生态系统构成等差异而不同,一般为气候区愈湿润,其优良等级比重愈高。1990-2018年,共有10个气候区的优、良、中、低或差等级面积发生了显著变化,主要为优、良、中等级以显著降低为主,差等级全显著增加。（3）与其他方法相比,基于参照系的生态系统水源涵养功能优劣评估法因引入分区分类评估思想,评估结果更科学,空间可比性显著提高。     

基于时空分析的生态保护与修复试点工程实施效果评估——以赣州市为例

以“山水林田湖草生命共同体”为中心思想,从生态系统的格局和质量两个方面,对赣州市山水林田湖生态保护与修复试点工程实施效果进行了综合评估。结果如下：（1）从生态系统格局来看,2015到2018年,赣州市森林、农田和城镇生态系统面积明显增加,超过40%的草地生态系统转变为森林生态系统,且近45%的城镇生态系统面积增量由草地生态系统贡献。此外,多数自然生态系统的斑块破碎化加剧,森林生态系统破碎化现象最为明显,最大斑块指数从54.36降低到37.41,而半自然生态系统最大斑块指数增大。（2）从生态系统质量来看,赣州市归一化植被指数稳定在0.7以上并呈增长趋势,水土流失综合治理面积从16543.8 km²增长到18550.4 km²,重点流域水质基本稳定在Ⅱ、Ⅲ级,城镇生态系统受土壤重金属污染的风险较小,但部分县区农田生态系统受一种或多种土壤重金属污染的风险较大。整体而言,赣州市山水林田湖生态保护与修复试点工程取得了显著成效,较好的完成了实施方案中的规划目标。在进一步的生态保护与修复工作中,应重视赣州市自然生态系统斑块破碎化严重地区、水质出现波动较大的河流断面以及农田生态系统受土壤重金属污染威胁较大的县区。     

典型红壤区自然生态修复的适用性

自然修复主要通过封山育林、禁止农作、禁牧禁伐措施,减少人类对环境的扰动,利用自然生态环境的自我演替能力,恢复生态环境,实现生态平衡。自然修复作为一种成本低、无污染的生态修复手段很早就受到人们重视,但关于自然修复适用范围的研究较少。为了正确认识自然修复的适用性,选择了我国南方红壤地区长期遭受严重土壤侵蚀危害的福建省长汀县为研究对象,通过对长期自然修复样地的监测资料分析,发现在坡度条件为20%—30%下,当植被覆盖度低于20%的退化阈值时,严重的土壤侵蚀引发的土壤肥力损失将导致生态系统自我退化,自然修复不仅无法改善当地的生态系统,反而会引起生态系统的进一步恶化。由此可见,自然修复并不适合所有的生态系统,当生态系统退化到一定程度时,退化生态系统必须通过人工干预来修复。因此,必须探索适合当地的生态修复模式,在生态系统退化突破阈值时,红壤丘陵区应通过恢复土壤肥力、促进自然植被覆盖度增加、综合提高生态系统健康水平。     

喀斯特脆弱生态系统复合退化控制与重建模式

以西南喀斯特地区为例,通过总结前人的研究成就和采集中国科学院亚热带农业生态研究所喀斯特生态实验站部分收集整理和试验数据,系统分析了喀斯特脆弱生态系统及其退化的机理,从"人-自然-经济复合生态系统"的观点出发,以干扰程度、群落类型、服务功能、土地退化和贫困状况为指标,创新性地提出了喀斯特脆弱生态系统的复合退化模式(含4个阶段),运用现代生态恢复学原理、方法和现代管理学创新理论,建立了喀斯特脆弱生态系统复合退化的控制模型.以此为基础,在喀斯特石山区、半石山区和土山丘陵区3个区域环境尺度范围内,针对性地建立了生态保护型、外向经济型和双三重螺旋3种生态恢复与重建模式,以促进喀斯特区域生态、经济、社会的全面协调与可持续发展.     

基于遥感总初级生产力的天山-塔里木绿洲地区生态系统脆弱性研究

生态系统的脆弱性是全球气候变化与可持续发展研究的核心问题，测定与评价脆弱性对认识生态系统的结构与功能至关重要。天山-塔里木绿洲地区包含着山地、荒漠和绿洲等多种类型的生态系统，存在着多个不同生态类型的交界过渡区。为定量评价该地区生态脆弱性，以植被总初级生产力这一生态系统重要的功能性指标为基础，对该地区生态系统脆弱性进行了计算和分级（不脆弱、轻度脆弱、中度脆弱、重度脆弱和极度脆弱），并对研究区生态系统脆弱性的空间分布特征及其与环境因子的关系进行了分析与讨论。结果表明：（1）研究区生态系统脆弱性总体上表现出明显的空间分化格局，以中度和重度脆弱为主，极度脆弱的地区主要分布在南部的塔里木绿洲。（2）生态系统脆弱等级大体上随着区域内多年平均温度的升高而升高。受地表水灌溉的影响，生态系统脆弱性与降水量间并无明显趋势性规律。（3）研究区的生态系统脆弱等级随着区域内的平均海拔以及平均坡度的升高都呈现下降的趋势。受自然条件恶劣、过度放牧以及农田过度开垦的影响，目前该地区总体呈现脆弱性严重的状态。研究表明该地区应积极开展生态治理工作，合理规划生态功能关键区，保护好现有草原和湿地等易开垦地区，划定绿洲开发范围的"红线"，限制农田的开垦，协调好塔里木河流域的水资源分配。研究为使用卫星遥感数据研究生态系统脆弱性提供了方法上的参考，为可持续发展和生态治理提供了科学依据。