生态系统管理的多目标体系和方法

20世纪90年代以来,人们开始采用“生态系统管理”这种基于生态系统原理的综合方法管理自然资源和生态环境,促进人类与自然的和谐发展。然而,生态系统自身的复杂性、动态性及不确定性特点使得“生态系统管理”难以形成明确的定义和方法体系,系统的多重尺度和目标也增加了管理的难度。近20年兴起的系统工程主要针对大规模复杂系统进行研究,实现系统的总体优化。多目标决策和决策支持系统是系统工程的常用技术方法,生态系统管理是“基于目标”的管理模式。本文概述了生态系统管理的概念和要素,从构建管理体系的角度着重阐述了生态系统管理目标体系的结构、构建过程及目标间的相互关系,针对生态系统的复杂特性探讨了多目标决策方法和决策支持系统在生态系统管理中的应用,以期能够对形成具有普遍意义和实际操作性的生态系统管理方法体系起到借鉴作用。     

基于模式识别的景观格局分析与尺度转换研究框架

景观格局分析和尺度转换是生态学和地理学研究的核心问题之一.尽管多年来投入了大量的精力,然而由于尺度效应的复杂性和尺度转换过程的不确定性,仍然没有找到合适的方法.目前关于尺度转换的研究存在两个误区,其一是过分重视空间尺度的转换,忽略了过程尺度的转换;其二是过分强调了对不同尺度间数量关系的外推与转换,忽略了不同尺度间生态规律的外推与转换.在系统分析了景观格局与尺度转换研究现状、存在问题和难点的基础上,提出了借用模式识别的原理和方法,针对特定的生态过程,开展景观格局分析与尺度转换的思路.认为尺度转换的关键在于通过识别不同尺度上影响生态过程的主导因子,找到各个尺度上“格局（环境因子空间组合）-过程”、尺度间“格局-格局”之间的对应关系,通过建立“环境-格局-过程”模式识别数据库,就能够建立不同尺度之间基于模式识别的尺度转换方法.     

生态建设的理论分析

20世纪80年代以来,生态恢复逐渐成为生态学和环境科学研究的热点领域。总结了近年来有关生态恢复的众多研究成果,认为生态建设是人类理性行为参与下积极的生态恢复与重建过程,它具有复杂性、针对性、动态性和不确定性特征,受地理环境地域分异的影响,其类型多种多样。从方案运筹的角度,提出了生态建设的共性原则,包括面向区域的问题导向原则、目标的科学性原则、参与的广泛性原则和科学监测与评价原则。生态建设是一个不断试验、学习和优化的过程。具体包括问题识别、方案设计、决策、实施、监测与评价以及方案调整等重要环节。公众参与对于生态建设是一种很好的知识、信息和资源输入渠道,对活化生态建设的管理运行机制,提高生态建设决策的科学性和有效性能够发挥重要作用。以这些理论分析为依据,对中国生态建设中存在的主要问题展开深入剖析,并提出建立科学评价机制是提高生态建设有效性的核心方略。     

草灌植被转变对草地生态系统及其水碳过程的影响研究进展

气候变暖和过度放牧的共同作用使全球草地出现明显的灌丛化现象,灌木去除是草地灌丛化控制的重要方式,识别这些草灌植被转变对生态系统、生态水文、土壤侵蚀和侵蚀碳流失的影响对草地可持续管理具有重要意义。综述了草地灌木入侵及其控制对植物群落和土壤功能(如土壤有机碳)的影响,以及这些草灌植被变化对生态水文、土壤侵蚀和土壤侵蚀碳流失等水碳耦合过程的影响机制。针对目前草地灌木入侵和去除对植物群落、植被格局、水土过程和功能影响研究的薄弱环节,对未来相关研究提出以下建议：(1)需深化草灌植被转变对碳、氮等生物地球化学循环的影响机制研究,(2)需重视核磁共振光谱、生物标志物、同位素等新技术和植被格局的指数与连通性等新方法在草灌植被转变的水、碳等生态效应研究中的应用,(3)需加强草灌植被格局和生态水文、土壤侵蚀与土壤侵蚀碳等水碳过程的多要素、多过程和多尺度的综合研究。本文旨在为灌丛化草地科学有效的生态恢复与多目标的土地利用管理提供理论支撑。     

基于空间距离指数的青藏高原生态敏感性综合评价及时空演变分析

生态敏感性是生态系统对外界压力的适应性及遭受破坏的恢复力,开展生态敏感性评价是识别区域生态环境问题的有效手段之一。根据青藏高原的区域特性和主要生态环境问题,在定量构建土地荒漠化敏感性、水土流失敏感性、滑坡灾害敏感性和冻融侵蚀敏感性的基础上,通过空间距离指数法对青藏高原生态敏感性进行综合评价,并采用空间自相关分析和生态敏感性变化模式分析,探讨其时空演变特征和保护管理区划。结果表明：（1）青藏高原综合生态敏感性由西北向东南递减,极度和重度敏感区主要集中在西北部和高大山脉区,不敏感区主要集中在东南部;（2）2000-2018年间青藏高原综合生态敏感性指数值从1.49上升到1.51,表明该区域生态敏感性逐步下降,生态环境改善明显;（3）青藏高原生态敏感性存在显著的空间正相关,低-低聚集网格数量波动上升,从2000年的7277增至2018年7357,表明青藏高原部分地区的生态环境仍存在着一定恶化的风险;（4）根据区域生态敏感性变化模式分析,将青藏高原划分为严格保护区、生态退化区、潜在治理区、生态改善区和综合发展区五个区域,并提出了相应保护与管理对策。研究结果可以为青藏高原生态保护和可持续发展提供参考,从而有效推动保护管理措施的制定。     

景观格局-土壤侵蚀研究中景观指数的意义解释及局限性

景观格局分析是景观生态学研究的重要组成部分。景观指数是景观格局分析的有力工具。近年来,景观格局与土壤侵蚀关系的相关研究增多,常规景观格局指数得到应用。但针对土壤侵蚀过程的景观指数意义解释不足,景观指数在刻画景观格局-土壤侵蚀过程关系存在局限。选择了连接性、多样性、边界/斑块密度、形状4个方面的12个常用景观指数,对这些指数在景观格局-土壤侵蚀过程关系研究中的意义进行阐述,对指数应用的局限性及其原因进行了分析。景观数据属性、景观指数本身性质和土壤侵蚀过程的复杂性使得常规景观格局指数在景观格局-土壤侵蚀关系研究中存在不足。这3方面的影响使得常规景观格局指数与土壤侵蚀表征变量之间不存在确定的关系,从而难以通过景观指数来表征景观土壤侵蚀特征。缺乏土壤侵蚀过程基础是常规景观指数在土壤侵蚀研究应用中存在局限的主要原因。因此,构建基于土壤侵蚀过程的景观指数是景观格局-土壤侵蚀关系研究的需要和新的发展方向。     

斑块边缘效应的定量评价及其生态学意义

边缘效应是生态系统 (斑块 )边缘和生态过渡区所呈现出的生态效应。但由于景观性质、研究目标和斑块形状的变化 ,边缘效应影响的范围和程度差异较大。核心斑块与周边景观之间的相似性既可以增强边缘效应 ,也可以减弱边缘效应。正确理解和确定边缘效应的影响范围和程度直接关系到对野外环境观测数据的科学使用。许多情况下 ,由于未能正确认识一个生态系统(斑块 )的边缘效应 ,时常会将在边缘效应地区获得的数据与系统内部核心区的观测数据混淆使用 ,得出一些不科学的结论。边缘效应的定量评价对于进行科学的野外环境观测 ,及其在自然保护区功能区设计和生物多样性保护中具有重要意义。但如何定量评价生态系统 (斑块 )的边缘效应目前还缺乏科学有效的方法。从分析边缘效应的概念和影响因子出发 ,结合地理信息系统 ,提出了开展定量评价斑块边缘效应的方法 ,并探讨了定量研究边缘效应的生态学意义。     

黄土丘陵沟壑区集水区尺度土地利用格局变化的水土流失效应

以陕北杏河集水区1985和1995年两期土地利用数据为基础,结合水文、DEM数据,定性分析了土地利用格局变化条件下的水土流失效应,其中采用双累积曲线法来界定土地利用格局基本没有变化的时间段,用C值在坡度、距河流距离上的分布来表征土地利用格局,用不同时期降雨量／径流量、降雨侵蚀力／输沙率相对增加的比例来表征水土流失效应。研究结果表明：(1)1981～2000年,土地利用格局变化剧烈的年份为1990～1991年,可以用1985、1995年两期数据分别代表20世纪80年代和90年代的土地利用;(2)从20世纪80年代到90年代,杏河集水区的C值有明显的增加趋势,在较陡坡度和距河流距离较近处,C值增加的幅度相对较大;(3)土地利用格局变化明显改变了降雨量-径流量、降雨侵蚀力-输沙率的关系,出现了从20世纪80年代到90年代,虽然降雨量／降雨侵蚀力在整体上呈现明显下降的趋势,但是水土流失量,却表现出同比增加的现象,而且这种增加在不同月份也有差异。用本文中的方法来表征土地利用格局和水土流失效应,其结果具有较好的比配性,可以用来定性分析土地利用格局与水土流失的关系。但是,由于水土流失效应的表征方法没有考虑降雨的空间变异特征,该方法尚不适于雨量站点比较密集、降雨空间变异较大的区域。此外,在进一步的研究中,还需要注意遥感数据解译的准确性、C值精度、土地条件的变化等问题。     

黄土高原小流域淤地坝泥沙粒度的剖面分布

2006年6月,按照泥沙旋回分层连续取样,分析了黄土高原丘陵沟壑区典型小流域1954年修建的淤地坝泥沙粒径的剖面分布特征.结果表明：该坝地泥沙旋回至少28个,旋回层的厚度范围在2～60 cm;沉积剖面土壤粒径以粉砂（0.05～0.002 mm）为主,占60%以上,其粒径集中分布于0.01～0.05 mm,粗泥沙（粒径>0.05 mm）含量约占23.09%;随淤积深度的增加,泥沙各粒径范围的变异程度增加,2 m土壤深处可作为研究区淤地坝粒径变异突变点的标识,粒径变异是河道比降和水沙动力条件共同作用的结果;研究区淤地坝泥沙沉积剖面存在72 cm厚的累积耕作层,累积耕作层的明确对于淤地坝泥沙侵蚀环境具有指示作用.     

青藏高原东缘半湿润沙地典型生态恢复模式的效果比较研究

草地退化与沙化直接影响草地生态系统的功能与服务,植被恢复是沙地恢复治理的重要方式之一,但是探究沙化草地典型生态恢复模式的恢复效果及模式优化研究不足。以野外调查与室内分析相结合的方法,以重度沙化草地为对照（CK）,比较研究了青藏高原东缘沙地三种典型生态恢复模式（围栏封育（Fencing enclosure,FE）、布设高山柳沙障（Salix cupularis sandy barrier,SCSB）、布设高山柳沙障+种草（Salix cupularis sandy barrier plus planting grasses,SCSBPPG））对草本植物群落和土壤理化性质的影响。结果显示：（1）与CK相比,FE的地上草本盖度、生物量、Margalef丰富度指数和Shannon-Weiner多样性指数分别显著提高了13.54倍、13倍、3.09倍和1.80倍,且SCSBPPG的这些指标分别显著提高了11.24倍、10.50倍、1.05倍和0.83倍（P < 0.05）,而SCSB对以上指标影响均不显著。（2）三种典型生态恢复模式对沙地的土壤容重无显著影响,而三种典型生态恢复模式0-10 cm、10-20 cm和20-30 cm土层土壤含水量变化规律一致（SCSBPPG > FE > SCSB）,且SCSBPPG和FE的0-10 cm土层土壤含水量的增加最明显,分别为244.90%、176.92%（P < 0.05）,而SCSB土壤含水量相较于CK无显著差异。（3）该研究区的pH在5.74-6.21之间,FE和SCSBPPG较CK显著降低了0-30 cm各土层土壤pH（P < 0.05）。此外,三种生态恢复模式0-30 cm各土层土壤有机质、全N、全P、全K含量递减变化规律为FE > SCSBPPG > SCSB,FE和SCSBPPG各土层土壤有机质、全N、全P均高于CK,且都在土层10-20 cm增幅最大,FE的最大增幅分别为243.62%、93.94%、68.97%,SCSBPPG的最大增幅分别为118.46%、45.45%、41.38%,而SCSB显著降低了各土层土壤有机质、全N和全P量（P < 0.05）。因此,在青藏高原高寒轻度沙化草地围栏封育有利于其恢复,而重度沙化草地的生态恢复需采用植灌和种草结合的模式。研究结果可为沙地的恢复治理和可持续管理提供依据。