基于元胞自动机的城市空间动态模拟

城市空间动态的模拟与预测可以为城市可持续发展规划与管理提供重要的参考依据。SLEUTH元胞自动机模型在城市空间模拟中较强的适用性和可移植性,该模型通过对历史数据的蒙特卡洛迭代自动寻找城市增长误差最小的参数组合,解决了传统元胞自动机模型中转换规则不易确定的问题。以武汉市为研究案例,运用SLEUTH模型进行了城市空间动态模拟与情景预测。2007年至2011年的城市空间模拟结果显示,模拟结果与实际历史数据可以获得良好的空间匹配度,Lee-Sallee形状指数均在0.6以上,显示SLEUTH元胞自动机模型经过本地化校正后具有较强的适用性和满意的模拟精度。进而,设置了现状趋势、基本保护、严格保护等3种情景对武汉2025年城市空间动态进行了预测,结果显示,各情景模式下城市居住用地均明显增长,农业用地、林地、水域等均有所减少;现状趋势情景和基本保护情景下农田、林地、水域减少的幅度较大,会加剧区域的生境破碎、耕地功能下降、水资源匮乏、湖滨湿地萎缩等生态问题,说明这两种情景不能有效满足城市生态系统健康和可持续发展的需要。严格保护情景下,城市居住用地扩张的程度得到了明显的控制,水域和林地得到了有效的保护,对于重要的自然生态系统组分保护及其服务能力维持可以起到显著作用。     

基于多智能体与元胞自动机的上海城市扩展动态模拟

利用元胞自动机模型和多智能体模型相结合的方法,在GIS技术手段的支持下构建了一个能够兼顾两种模型优点的城市扩展动态模型,并以上海市为实证对象,模拟了上海市2005年的城市扩展动态,分别预测了2010年和2020年上海城市扩展的动态演化结果。在元胞自动机模型中定义城市系统中的各种自然、社会和交通等要素,在智能体模型中定义政府和居民智能体的行为。模型将二者结合起来,模拟上海中心城区、城郊区及外围区的城市用地扩展模式。对模型模拟的上海2005年土地利用状态和实际土地利用状态进行验证,Kappa系数的平均值达到0.75以上,说明模型具有较高的可信度。对预测出2010年和2020年上海市土地利用状态分析表明,城镇用地以向东部和南部扩张最为明显。     

基于多模型结合的土地利用结构多情景优化模拟

土地生态服务功能的重要性越来越受到人们的重视,以河北省卢龙县为案例区,以土地生态服务功能和经济功能提升为目标,基于100 m×100 m尺度的遥感解译图像,分别利用CLUE-S及基于MOP和CLUE-S整合模型对研究区土地利用结构进行数量及空间优化模拟。结果表明:到2020年,单模型模拟的土地经济功能有所提升,但生态服务功能却减退;基于MOP和CLUE-S优化整合模型模拟的生态服务功能和经济功能分别比2013年提升8.40%及8.20%。耕地、建设用地、林地面积都有所增加,其它用地减少较多。研究表明,MOP和CLUE-S整合模型与单模型相比,到2020年土地两项功能值之和有所增加,特别是生态功能增加幅度较大,MOP和CLUE-S模型结合的优化方案优于CLUE-S单模型优化方案。     

土地利用模型CLUE-S在辽宁省中部城市群规划中的应用

土地利用模型在分析、模拟和预测景观格局和过程中发挥着重要的作用。本文应用CLUE-S模型以辽宁省中部城市群为例,探讨了该模型在规划中的应用。在分析研究区1988—2004年景观格局和景观变化的驱动力基础上,对CLUE-S模型进行了参数设置。根据研究区的实际情况设置了3个规划预案:历史趋势预案、生态保护预案和城市规划预案,分别从2004年一直模拟到2024年;并将城市规划方案的结果与辽宁中部城市群的规划进行了对比,结果表明,CLUE-S模型模拟结果更符合实际情况,是区域规划有力的技术手段和科学支撑,能够对规划结果进行预测和评价。     

基于CLUE-S和InVEST模型的南四湖流域生态系统产水功能对土地利用变化的响应

土地利用/覆被变化对水文过程与水资源利用具有重要影响,是流域生态系统产水功能的驱动力之一.以山东省南四湖流域为研究对象,分析1990—2013年土地利用变化,运用CLUE-S模型预测未来土地利用变化趋势,并基于土地利用变化格局,采用InVEST模型的产水模块和空间制图探讨了近25年、未来城市化增长情景以及流域生态保护管理情景下土地利用变化对产水功能的影响.结果表明: 近25年来,随着南四湖流域城市化进程的加快,城市建设用地增加3.5%,耕地面积减少2.4%,城市用地的增加主要来源于耕地转换;InVEST模型模拟显示,城市建设用地的增加会促进产水,由此引起产水功能在过去25年中先降低后升高,2013年最高达到232.1 mm;CLUE-S模型模拟预测现状增长情景下土地利用变化,按照城市化快速发展的速度,城市建设用地将增加6.7%,由此导致2030年产水量显著增长,流域洪水风险亦会相应升高;湖区周围300 m缓冲区实施退耕还林情景模拟表明,这一生态措施会明显降低流域产水量,较2013年减少1.2%.     

基于CLUE-S模型的昆明市域土地利用预案模拟

模型方法在分析、模拟和预测土地利用变化中发挥着重要的作用。本文基于遥感方法得到1986、1996和2006年昆明市域土地利用图,在GIS技术的支持下对CLUE-S模型在地形复杂的昆明区域的适用性进行了评价。在考虑不同政策和发展趋势的影响下,设定了3个预案对昆明市域2007—2020年的土地利用进行了模拟。结果表明:CLUE-S模型在20年的时间尺度内能够较好模拟昆明市的土地利用变化。"历史发展趋势预案"下,作为研究区景观基质的林地面积将不断减少,建设用地和草地面积将不断增加,景观破碎化程度不断加剧;"规划预案"下,建设用地上升最快,耕地和林地面积下降,景观格局破碎化的趋势比历史发展趋势下有所放缓;"生态优先预案"下,林地面积不断上升,耕地和草地面积下降,景观格局将向着优化的方向发展。CLUE-S模型模拟结果能够对区域规划和相关土地利用政策制定提供有力的技术手段和科学支撑。     

土地利用模型时间尺度预测能力分析——以CLUE\|S模型为例

模型模拟是生态学中的重要方法,特别是当实验不可进行时.在不同预案下基于模型的土地利用预测对于土地利用规划和政策制定具有十分重要意义.然而,很多研究没有对模型在研究区的时间尺度预测能力加以分析,从而可能导致模拟结果的不可靠.以岷江上游地区为例,采用Kappa指数系列对CLUE-S模型在研究区的时间尺度预测能力进行研究.结果表明CLUE-S模型在岷江上游地区时间尺度上的最大预测能力为22a,超过时间预测能力的预测结果不可靠.研究为土地利用模型模拟时间尺度确定提供了一种有效的方法.     

广义模型及分类回归树在物种分布模拟中的应用与比较

比较3个应用较广的模拟物种地理分布模型:广义线性模型(GLM)、广义加法模型(GAM)与分类回归树(CART)对中国树种地理分布模拟的优劣,以提出更为合适的模拟物种地理分布模型,并用于预测气候变化对物种地理分布的影响。3个模型对中国15种树种地理分布的模拟研究表明:除对油松、辽东栎分布的模拟精度稍差外,对其余树种分布的模拟精度均较高,其中以GAM模型最好。结合地理信息系统(GIS),比较分析了这3个模型对青冈、木荷、红松和油松4种树种的地理分布模拟效果,结果亦表明:这3个模型均能很好模拟青冈和木荷的地理分布,而GLM模型对红松分布的模拟结果不太理想,3个模型对油松分布的模拟结果均不甚理想,其中以GLM模型最差。基于3个模型对未来气候变化下青冈与蒙古栎地理分布的预测表明:GLM模型与GAM模型对青冈分布的预测结果较为接近,青冈在未来气候变化情景下向西和向北扩展,而CART模型预测青冈在未来气候变化情景下除有向西、向北扩展趋势外,广东和广西南部的青冈分布区将消失;3个模型均预测蒙古栎在未来气候变化情景下向西扩展,扩展面积的大小为:模型的模拟面积>模型>模型。     

基于SD模型的上海市湿地生态系统服务变化过程与情景研究

湿地是上海市城市生态系统的重要组成部分,但其面积在过去几十年间显著减少,影响了城市生态系统服务的供给。通过构建系统动力学模型模拟上海市湿地生态系统服务变化的过程与未来情景。研究表明:(1)该模型有效且具有实际仿真的可操作性,并可根据政策要求设定参数,对上海市湿地生态系统服务价值的变化进行模拟与预测,结果可为上海市制定湿地保护或生态规划政策提供可行性分析。(2)对4种不同"湿地面积增长率"的情景进行模拟,结果显示了未来经济以不同增速条件发展时湿地生态系统服务价值的变化:无论哪种情景,文化服务价值最高,占总价值的64%以上,且在研究时段内呈增长趋势;调节服务价值次之,呈增长趋势;供给服务价值最低,呈下降趋势。(3)到2025年,按照现行的政策,上海市湿地面积将减少至37.92×10~4hm~2,届时湿地生态系统服务价值为4711.56×10~8元,占上海市国内生产总值的20%,人均1.95×10~4元。     

基于CLUE-S模型的湟水流域土地利用空间分布模拟

基于CLUE-S模型,以青海湟水流域为研究区,分别利用1987年和1996年两期土地利用数据,运用逻辑斯蒂逐步回归方法选择自然和社会经济等18种驱动因子,对湟水流域2007年土地利用空间分布格局进行模拟.在此基础上,构建流域2008-2027年土地利用变化的4种不同情景,并模拟了4种情景下2027年土地利用空间分布格局.研究结果表明:(1)两期模拟总体精度分别达到了88.31％和89.96％,4种Kappa指数均大于0.82,表明CLUE-S模型在湟水流域具有良好的土地利用模拟能力.(2)流域2008-2027年不同情景下,城乡居住建设用地在4种情景下均表现为明显增加,主要沿湟水河谷区域扩展,而3种退耕情景下的坡耕地空间格局模拟结果存在着明显的空间差异,从情景二、情景三到情景四,流域内坡耕地范围逐步减小,林地、草地面积范围增大,退耕部分主要分布在流域东部、西部和北部:东部地区退耕的范围主要是集中在乐都县和民和县;北部地区退耕的范围主要是集中在大通县县城北部;西部地区退耕范围则主要在湟源县县城西北部的湟水河两岸.研究结论可为湟水流域未来土地利用管理、规划及政策的制定等提供参考依据和决策支持.     

恩诺沙星残留对土壤微生物功能的影响

研究了恩诺沙星残留对土壤呼吸作用、纤维分解作用、氨化作用、硝化作用的影响 ,结果表明 ,相对较低浓度恩诺沙星残留(0 .0 1μg/ g土 ,0 .1μg/ g土 )刺激土壤呼吸作用 ,相对较高浓度恩诺沙星残留 (1μg/ g土 )对土壤呼吸作用产生抑制 ,药物作用活性维持期为 6 d;恩诺沙星残留对土壤纤维分解作用影响较不明显 ;较低浓度恩诺沙星残留 (0 .0 1μg/ g土 ,0 .1μg/ g土 )对土壤氨化作用有刺激作用 ,而较高浓度恩诺沙星残留 (1μg/ g土 ,10μg/ g土 )则会对其起抑制作用 ,药物作用活性期为 9d;不同浓度恩诺沙星对土壤硝化作用影响极其显著 ,当恩诺沙星浓度达到 1μg/ ml时 ,在 3～ 9d内 ,对土壤硝化作用有一定抑制作用。当恩诺沙星浓度达到 10μg/ ml时 ,强烈抑制了土壤硝化作用 ,直到本试验结束时 ,其抑制作用未见减弱。结果表明恩诺沙星残留影响了土壤微生物这些功能 ,因而可能影响到土壤特性和土壤中一些生态过程     

黄土和风沙土藓结皮土壤呼吸对模拟降雨的响应

生物结皮土壤呼吸是干旱和半干旱生态系统碳循环的重要组成部分,但目前其对降雨的响应规律尚不明确。针对黄土高原黄土和风沙土上发育的藓结皮,分别进行2、4、6、10、20、30、40 mm的模拟降雨,并使用便携式土壤碳通量分析仪测定雨前和雨后藓结皮的呼吸速率,对比分析降雨量对藓结皮呼吸速率的影响;同时,在40 mm降雨后的0—24 h连续测定藓结皮的呼吸速率变化,分析藓结皮呼吸速率随雨后历时的变化规律。结果显示,7种降雨量后两种土壤上藓结皮的呼吸速率均显著升高,黄土上藓结皮呼吸速度的增幅为2.89—6.38倍,风沙土上藓结皮呼吸速率的增幅为0.73—4.38倍。0—6 mm降雨中,两种土壤上藓结皮的呼吸速率均随降雨量增加而迅速升高,二者成显著线性正相关关系;6—40 mm降雨中,黄土上藓结皮的呼吸速率随降雨量增加而缓慢升高,但风沙土上藓结皮的呼吸速率随降雨量增加而快速降低。两种土壤上藓结皮的呼吸速率随雨后历时表现出相似的变化规律,即雨后迅速升高、之后逐渐降低,并在24 h左右回归到雨前水平;但黄土上藓结皮的呼吸速率在雨后即刻达到峰值,而风沙土上藓结皮的呼吸速率在雨后30 min左右方达到峰值。黄土上藓结皮的呼吸速率一致高于风沙土上的藓结皮,前者在不同降雨量和雨后历时中平均比后者高150.0%和59.6%。此外,藓结皮呼吸速率与表层土壤含水量存有显著相关关系,在含水量较低(小于约4%)时二者显著正相关,在含水量较高(大于约4%)时二者对于黄土上藓结皮为正相关、对于风沙土上藓结皮为负相关。研究表明,黄土高原藓结皮土壤呼吸对降雨响应快速而直接,但其响应规律对于黄土和风沙土上的藓结皮是不同的,总体而言黄土上藓结皮对降雨的响应更为持久有效。     

A parametric distribution for the fraction of outdoor soil in indoor dust

For a chemical that does not have a source inside a house, the ratio of its dust concentration indoors to its soil concentration outdoors is equal to the fraction of house dust that is composed of soil. To estimate the fraction of soil in house dust, we compiled ratios of the concentrations of a chemical in dust and soil from the scientific literature. We find that a lognormal distribution fits the data extremely well. This distribution is suitable for use in public health risk assessments for single‐family homes in temperate climates.     

Concept,Components, and Strategies of Soil Health in Agroecosystems

The terms ''''soil health'''' or ''''soil quality'''' as applied to agroecosystems refer to the ability of soil to support and sustain crop growth while maintaining environmental quality. High-quality soils have the following characteristics: (i) a sufficient, but not excess, supply of nutrients; (ii) good structure (tilth); (iii) sufficient depth for rooting and drainage; (iv) good internal drainage; (v) low populations of plant disease and parasitic organisms; (vi) high populations of organisms that promote plant growth; (vii) low weed pressure; (viii) no chemicals that might harm the plant; (ix) resistance to being degraded; and (x) resilience following an episode of degradation. Management intended to improve soil health involves creatively combining a number of practices that enhance the soil''s biological, chemical, and physical suitability for crop production. The most important general strategy is to add plentiful quantities of organic matter—including crop and cover crop residues, manures, and composts. Other important strategies include better crop rotations, reducing tillage and keeping the soil surface covered with living and dead residue, reducing compaction by decreasing heavy equipment traffic, and using best nutrient management practices. Practices that enhance soil quality frequently reduce plant pest pressures.     

Various Applications of Soil Contaminant Database Developed for the Central Artery/Tunnel Project

One of the largest environmental assessment programs in the United States was initiated in the early 1990s to determine the chemical characteristics of soil located within the planned alignment for the Central Artery (I-93) / Tunnel (I-90) (CA/T) Project in Boston, Massachusetts. The primary purpose of the program was to support management of the handling and disposal of over 17 million cubic yards of soil to be excavated during construction of the CA/T Project. As part of this work, more than 8,000 soil samples were collected from more than 2,600 soil borings and analyzed for a range of chemical contaminants, including volatile organic compounds, acid/base neutral compounds, total petroleum hydrocarbons, polychlorinated biphenyls, and heavy metals. The soils encountered during the investigations exhibited properties influenced by numerous anthropogenic activities. These activities, such as vehicular emissions, historic industrial/manufacturing operations, and waterfront filling with both building rubble and dredge spoils from Boston Harbor, resulted in soils primarily contaminated with petroleum hydrocarbons and metals. As a result of this program, an extensive database of the chemical constituents present in urban soils in downtown Boston was developed. These results were primarily used to delineate the limits of contaminated areas affecting the planned construction. In addition, the database has been used by the Project to support various soil management activities, as well as by the regulatory community in developing guidelines and criteria governing the management of contaminated soils in Massachusetts. This paper focuses on the various applications of this database throughout the course of the Project, and with the additional aim of stimulating potential future applications by both the regulatory and scientific communities.     

土壤微生物资源管理、应用技术与学科展望

土壤中蕴藏着高度的微生物多样性,在陆地生态系统中发挥着非常重要的功能,加强对土壤微生物资源的综合管理与开发应用是提升生态系统稳定性与生产力及农产品质量的重要途径。首先,土壤微生物多样性具有全球性的重大意义,有待完善对土壤微生物的检测与监测技术研究,进而实现土壤微生物多样性与土壤功能的耦合以及对土壤质量的评定;其次,土壤微生物作为一种宝贵的生产资料和可持续资源,要加强其在土壤肥力强化与保育、土壤障碍消减与调节、土壤污染控制与修复等3个领域的应用研究。最后,未来土壤微生物学发展将会形成土壤微生物系统学、土壤微生物过程学与土壤微生物功能学3个子学科,要建立土壤微生物种质资源库与遗传信息库,推进土壤微生物生理代谢过程、生物化学过程及生态行为过程的研究,联结土壤微生物与土壤功能的关系,并从土壤中的功能微生物出发对环境变化作出积极响应和主动调控。此外,原创性方法的建立与应用是限制土壤微生物学发展的技术瓶颈,联合生物地理学与生物信息学破译重要基因的特定生态功能,并将其应用到生态模型以及生态系统未知领域的研究中去,是土壤微生物学面临的挑战。     

A rapid,cost-effective procedure for the extraction of microbial DNA from soil

Here we describe a DNA extraction method that is based on a simple, rapid polyvinylpolypyrrolidone–calcium chloride precipitation to release microorganisms from the soil combined with lysozyme–proteinase–SDS lysis of the microbial community. The extracted DNA is of high quality and allows direct detection of specific genes by the polymerase chain reaction (PCR) as well as cloning of indigenous microbial DNA. This method facilitates the extraction of 36 500-mg soil samples simultaneously in a 2-h period by one person. The procedure is safe, inexpensive, and does not require specialized equipment or generate hazardous wastes.     

不同施肥处理对红壤性水稻土微团聚体有机碳汇的影响

在田间定位试验区 ,研究了不同施肥处理对表层红壤性水稻土微团聚体组成以及土壤有机碳在各级微团聚体中分布和赋存的影响。结果表明 ,红壤性水稻土中 0 .0 2～ 0 .0 5 mm微团聚体所占比例最大 ,达 4 0 % ;其次是 0 .0 0 2～ 0 .0 2 mm和 0 .0 5～0 .1mm的微团聚体 ;>0 .2 mm微团聚体占的比例最小。长期施用无机肥 (NPK)、有机肥 (猪粪 紫云英绿肥 ) (OM)、无机肥与有机肥配施 (NPKM) ,能显著增加 0 .0 0 2～ 0 .0 2 mm微团聚体的含量而降低 <0 .0 0 2 m m微团聚体的含量。土壤有机碳含量与0 .0 0 2～ 0 .0 2 mm微团聚体含量之间呈显著正相关关系 ;而与 <0 .0 0 2 mm微团聚体含量呈显著负相关关系。各级微团聚体有机碳含量从高到低顺序为 :>0 .2 mm,0 .1～ 0 .2 mm,<0 .0 0 2 m m,0 .0 5～ 0 .1m m,0 .0 0 2～ 0 .0 2 mm,0 .0 2～ 0 .0 5 m m。 OM、NPKM处理能显著增加 >0 .0 0 2 mm各级微团聚体有机碳的赋存量 ,新增加的有机碳主要向微团聚体 0 .1～ 0 .0 5 m m,0 .0 5～ 0 .0 2 mm和 0 .0 2～ 0 .0 0 2 mm富集 ,它们是土壤有机碳的主要载体。 3种施肥处理对提高土壤有机碳赋存效果高低顺序为 :NPKM>OM>NPK。     

渭北旱塬苹果园土壤紧实化现状及成因

本研究通过分析渭北旱塬苹果园土壤的紧实化现状及其诱导因素,找出影响当地苹果园健康发展的土壤退化隐性因素,为果园科学管理提供理论依据。分别选取种植年限＜10年(4～6年)、10～20年(14～16年)和＞20年(24～26年)的苹果园各4个,分析0～60 cm土层土壤容重和紧实度随土层深度的变化规律,探明果园土壤内部紧实化发生的部位和退化程度,同时,通过分析土壤团聚体数量及其稳定性、土壤黏粒和有机质含量,揭示引起渭北果园土壤内部紧实化的原因。结果表明: 渭北果园0～60 cm土层土壤容重和紧实度均随植果年限和土层深度的增加而显著增大。以20 cm土层为界,渭北各园龄段苹果园土壤具有明显的“上松下实”变异特征,20 cm以上土层上述各指标基本满足苹果树的正常生长需求,20 cm以下土层土壤则已超出了苹果树健康生长的阈值。造成渭北苹果园亚表层以下土壤紧实化的原因主要是土壤团聚作用差、有机质含量低,加之植果期间人为扰动少,土壤中分散的黏粒会向下层移动。此外,随着植果年限的增加,土壤紧实化过程更加明显。     

不同地表覆盖方式对苹果园土壤性状及果树生长和产量的影响

以黄土高原9年生红富士果园生态系统为对象,研究不同地表覆盖模式（清耕、生草覆盖、地膜覆盖、秸秆覆盖和砂石覆盖）对果园土壤性状及果树生长和产量的影响.结果表明：生草覆盖土壤水分剖面分异最低,砂石覆盖土壤水分剖面分异最高;砂石覆盖提高了根层水分含量,有利于果树对水分的利用.不同地表覆盖模式土壤热量状况变化显著,处理间差异明显,极端最高温度下降,但地膜覆盖处理夏季地温超过果树根系生长的上限温度,对果树根系生长和生理功能发挥不利.除地膜覆盖外,其他地表覆盖模式均能提高土壤CO₂释放速率,其中生草覆盖的效果最为显著.不同地表覆盖模式对果树枝条类型比例及产量影响较大,砂石覆盖处理的中短枝比例和果实产量最高;生草覆盖处理的果实产量最低.因子分析结果表明,对于黄土高原沟壑区盛果期果园,砂石覆盖处理是较为适宜的地表覆盖模式.