喀斯特峰丛洼地土地利用演变及其土壤侵蚀效应

人类不合理活动所导致的土地利用演变是引发土壤侵蚀及其负面生态效应的主要机制,因此研究二者的耦合关系具有重要意义。本文以贵州普定县的石人寨峰丛洼地为主要研究区域,从景观生态学的"格局-过程-尺度"、"源、汇景观"原理及其景观空间负荷对比指数(LCI)出发,应用稳定同位素和放射性核素示踪方法,揭示土地利用演变及其土壤侵蚀特征,并进一步分析二者的耦合关系。结果表明,该洼地在土壤剖面约100cm处记录到坡地森林遭受砍伐后变为耕地的事件,随后从坡地侵蚀下来的大量土壤沉积于洼地底部;该事件之后进入垦殖期,在洼地中轮种玉米、油菜、大豆等农作物。本研究为优化当地土地利用结构,改善流域的水土流失状况提供了新的视角。     

典型峰丛洼地耕地、聚落及其与喀斯特石漠化的相互关系——案例研究

喀斯特石漠化,近年来已成为研究热点和引起国家层面重视,但当前研究并没揭示岩溶山地土地为什么会发生石漠化这一现象的本质,没有阐明岩溶山地农户为什么要进行不合理活动。通过典型案例研究从理论上解释岩溶山地农户为什么要进行不合理活动这个问题,以从本质上揭示石漠化发生的机理。为此,在贵州选择了6个典型峰丛洼地,采用2010年的10 m分辨率ALOS影像作为数据源,比较了6种不同的峰丛洼地组合地形中的耕地资源分布、聚落特征和石漠化发育情况。结果表明,6个研究点耕地和聚落数量、分布和石漠化的面积和分布存在一定的相互关系,这些相互关系可阐明土地承载力较低情形、土地承载力中等情形和土地承载力较高情形石漠化发生的过程;发现严重的石漠化只能出现在土地承载力低、人口压力大的区域,并据此进一步总结了峰丛洼地区石漠化形成的理论模型。从理论上揭示了峰丛洼地区土地承载力和人口压力是否协调决定了峰丛洼地区的生态质量状况,有助于从本质上认识石漠化的发生机理和指导石漠化的治理。     

西南地区生态系统服务价值时空演变及模拟预测

生态系统服务价值(ESV)分析对构建生态安全格局和实现区域可持续发展具有决定作用,为揭示西南地区ESV过去-现在-未来时空演变规律,运用ESV计算体系对西南地区2005—2015ESV动态演变进行定量分析,采用Logistic-CA-Markov耦合模型预测2025年ESV格局。结果表明:(1)2005—2015年西南地区总体呈现增长的趋势,其值达到20.85亿元,主要受青海、西藏水域ESV增加所致,青海、西藏ESV增长率占绝对优势。(2)空间上呈现西北和东南部ESV高、北部ESV低的分布格局;不同类型和不同等级的ESV在空间上相互转换,低等级向高等级转化明显,其他生态景观向建设用地亏损流动减少的价值不足以抵消向水域流动增加的价值,盈利大于亏损,生态环境明显好转。(3)Logistic回归分析各生态景观的ROC值均大于0.87,拟合结果能够满足预测要求;CA-Markov模拟ESV空间布局,Kappa系数为0.86,可以在整体上较准确的反映其空间演变格局。(4)2015—2025年ESV空间演化表明西南地区各区域生态环境总体趋于良好,但建设用地增加的生态负效应不可忽视,还需合理进行用地布局。研究揭示了西南地区过去-现在-未来ESV时空演化规律,提供了长时间序列的时空演化图谱,对该地区实施卓有成效的生态规划及可持续发展提供了科技支撑和重要参考。     

不同岩性背景下土壤侵蚀与石漠化关联性分析

喀斯特地区土壤侵蚀与石漠化问题备受关注,为了定量分析不同岩性下土壤侵蚀与石漠化的关联性,为研究区优化生态环境提供决策依据,以贵州省沿河县为例,以Landsat遥感影像、1∶5000地形图、岩性和石漠化为基础数据,采用监督分类方法、表面分析和栅格计算,提取出土壤侵蚀的各项指标因子。对不同岩性背景下土壤侵蚀与石漠化关联性分析,结果显示:(1)沿河县石漠化面积为284.44 km2,占全县国土面积的11.52%。已发生石漠化等级以轻度、中度、强度较显著;土壤侵蚀面积为1838.97 km2,占全县总面积的74.48%,已经发生土壤侵蚀等级以轻度、中度、强度侵蚀为主。(2)灰岩与碎屑岩互层和连续性白云中,石漠化与土壤侵蚀发生面积较显著,分别占石漠化与土壤侵蚀面积的57.99%和50.45%。(3)非碳酸盐岩、灰岩夹碎屑岩、灰岩与白云岩混合、灰岩与碎屑岩互层、连续性白云岩和石灰岩上,石漠化等级与土壤侵蚀程度在潜在和轻度呈负相关、轻度和中度石漠化内呈正相关、中度和极重度石漠化内呈负相关,土壤侵蚀等级与石漠化在微度和轻度侵蚀内呈正相关,在轻度和剧烈侵蚀内呈负相关,其中灰岩与白云岩混合和连续性白云岩上,石漠化等级与土壤侵蚀存在单一的负相关。     

近百年中国西南降雨侵蚀力反演计算与时空格局演变

降雨侵蚀力(R)是评价降雨对土壤剥离、搬运侵蚀的重要指标,反映了降雨对土壤侵蚀的潜在能力,分析降雨侵蚀力百年尺度的演变过程对于探究区域生态安全格局具有十分重要的意义。基于CRU_TS4.01数据集中的逐月降雨数据,计算中国西南地区1901—2016年的降雨侵蚀力,分析其时空格局演变过程并基于像元进行了趋势分析。结果表明:(1)西南地区百年以来降雨侵蚀力空间分布与降雨量的分布基本一致,呈现出自西北向东南逐渐增加的空间分布格局;(2)中国西南有34.11%的地区百年平均降雨侵蚀力在4500—5500 MJ mm hm-2h-1a-1之间;(3)西南地区降雨侵蚀力在年内的集中度较高,各个地区在夏季(6—8月)和秋季(9—11月)的累计降雨侵蚀力占到了全年的75.84%—96.09%,其中季节最大降雨侵蚀力出现在西藏林芝地区的夏季,其贡献率达到了74.2%;(4)西南地区降雨侵蚀力在百年尺度上的年均值为4092.84 MJ mm hm-2h-1a-1,最高值(1915年)为4667.75 MJ mm hm-2h-1a-1,最低值(1992年)仅3639.63 MJ mm hm-2h-1a-1;(5)西南地区降雨侵蚀力年际变化存在明显的空间差异性,有47.59%的区域降雨侵蚀力呈现不同程度的减少趋势,32.91%的区域则呈现不同程度的增加趋势。为中国西南地区土壤侵蚀的防治、生态安全格局的形成及演化机制提供了理论和数据方面的参考。     

喀斯特槽谷区土壤侵蚀时空演变及未来情景模拟

以中国南方喀斯特槽谷区为研究对象,基于改进的喀斯特地区土壤侵蚀算法,定量分析了槽谷区土壤侵蚀时空演变特征,并利用CA-Markov模型对土壤侵蚀状况的未来情景进行预测。结果表明:(1)喀斯特槽谷区2000—2015年土壤侵蚀总量由61.86×10~7 t/a减少至2.97×10~7 t/a,区域年平均侵蚀模数由21.61 t hm~(-2) a~(-1)降低至1.04 t hm~(-2) a~(-1),轻度及轻度以下侵蚀等级的面积增加了76.13×10~5 hm~2,重度及重度以上侵蚀面积减少了46.90×10~5 hm~2,侵蚀状况明显减轻;(2)不同地貌类型之间的土壤侵蚀状况存在一定差异,平原地区侵蚀模数最小,盆地地区侵蚀模数最大,达到平原地区侵蚀模数的近4倍;(3) 2000—2015年间,槽谷区轻度及轻度以上侵蚀等级都逐渐向微度侵蚀等级转移,土壤侵蚀等级由高等级向低等级转移率达到了98%以上,总体呈现出好转的趋势;(4)基于CA-Markov模型模拟槽谷区2020年土壤侵蚀等级的未来演变趋势,其总体Kappa系数达到了0.9788,一致性最佳;(5)到2020年,槽谷区土壤侵蚀等级基本为微度和轻度侵蚀,土壤侵蚀状况将进一步改善。本研究的结果可为喀斯特槽谷区当前土壤侵蚀治理成效的评价以及未来的防治提供理论和数据方面的参考。     

西南地区土壤湿度与气候之间的互馈效应

土壤湿度控制着陆气之间的水热交换,与气候具有互馈效应。为了揭示中国西南地区土壤湿度与气候之间的关系,基于39年GLDAS数据,采用线性倾向估计、偏相关等方法探究了该区域土壤湿度与降水、气温的时空规律及相关性,分析了土壤湿度记忆性(Soil Moisture Memory,SMM)的空间分布及季节特征。主要结论如下:(1) 1979—2017年,西南地区仅表层(0—10cm)年平均土壤湿度呈显著减少趋势(P 0.001),气候倾向率为0.7 kg/m2/10 a,年降水量呈不显著增加趋势,而年平均气温呈显著的增加趋势(P 0.001)。(2)多年平均状态下,表层与更深层(10—40、40—100、100—200 cm)的土壤湿度呈相反的空间格局,中层(10—40、40—100 cm)土壤湿度最高。(3)基于像元的偏相关系数表明研究区土壤湿度总体上与降水关系更密切,二者呈正相关,但在0—10 cm,部分地区相关性不显著。(4)西南地区SMM总体上以60—90 d为主,且SMM均值以夏季最长,其次为冬季和春季,秋季最短;同时,对比各深度的SMM,发现0—10 cm的土壤湿度对整个西南地区长期的气候预测具有更好的代表性。研究结果可为研究西南地区陆-气相互作用以及气候预测与模式评估等提供参考依据。     

西南近50年实际蒸散发反演及其时空演变

利用CRU 4.0及GLDAS Noah 2.1数据集,采用随机森林算法对1966年至2016年中国西南陆面月尺度实际蒸散发(ETa)进行逐像元反演,结合袋外误差均方值(MSEOOB)、解释方差百分数(PVE)和均方根误差(RMSE)评价模型以及与其他典型数据集对比的方法对模型和反演结果进行精度评价,在对中国西南ETa的空间格局及时空演变特征进行分析的基础上,利用因子置换重要性评价模型(PIM)对特征因子进行重要性评价。结果表明:(1) MSEOOB均值为4.14,标准偏差仅为3.73,PVE均值为99.36%,标准偏差仅为0.33,模型基于2000年至2016年月尺度拟合结果的RMSE均值仅为1.04 mm/月,标准偏差为0.52,反演结果与GLDAS 2.1、2.0及MOD16数据的R2分别为0.99、0.89、0.95,总体而言模型及拟合结果可信度和精度较高;(2)西南地区ETa整体上表现出随着纬度的降低而增加的特征,从西北高原地区向东南沿海区域逐步增加,不同季节上西南的ETa空间分布差异较为明显,从春季到夏季先呈现出由东南向西北逐步增加的态势,夏季到冬季则呈现出从西北向东南减弱的特征,在每年的7、8月份左右各区域的ETa达到最大值,在1、2月份左右为最低值,并呈现起伏的周期特征;(3)以横断山脉为分界,横断山脉以南的丰水区的ETa主要受云覆盖百分数、月均气温日较差与月均日最高温共同驱动,而横断山脉以北的少水区域主要受云覆盖百分数、月霜日频率与月均水汽压共同驱动,而无论是在丰水区还是少水区,云覆盖百分数都是所有因素中最主要的驱动因子。     

近60年来印江河流域极端气候演变及其对净初级生产力和归一化植被指数的影响

极端气候事件的发生改变了区域水热条件，并影响着生态环境变化。然而，目前长时间尺度上极端气候的演变规律及其对生态环境的影响尚不明晰。采用Mann-Kendall趋势及突变检验法、连续小波变换和Hurst指数法揭示了喀斯特槽谷印江河流域极端气候的变化趋势、突变时间、周期性特征和未来演变规律，并利用Lindeman-Merenda-Gold模型定量评估了极端气候溶变对生态环境变化的影响。结果表明：(1)印江河流域极端气温显著上升，降雨量增多，呈现湿热多雨的气候特征。未来极端气温事件持续等级将更高，持续强度也更强。(2)同类型极端气候具有潜在的关联性，但不同类型极端气候间的影响较小，且多呈负相关。(3)印江河流域平均净初级生产力(NPP)和归一化植被指数(NDVI)在2000—2015年间呈现相反的变化趋势，NPP平均值为598.53 g C m^-2 a^-1,平均减少速率为-3.32 g C m^-2 a^-1。NDVI平均值为0.59,平均增长速率为0.0013/a。(4)冷持续指数(CSDI)、平均温差(D...