东江流域集水区城市化差异及其对景观格局的影响

基于东江流域1991、1998、2006年TM影像,通过分别代表东江流域上游、中游和下游的3个集水区各地物类型面积和景观指数分析了东江流域城市化程度与进程的差异及其对集水区景观格局的影响.结果表明：东江流域从上游到下游的城市化程度和进程依次增加;城市化对水体和植被的影响较大,城镇用地面积与水体面积呈显著正相关,城镇用地面积总体上与森林面积呈显著负相关,但当城市化发展到相对较高水平时可能促进森林恢复;1991—2006年间,上游的a集水区、中游的b集水区的景观格局均呈复杂化趋势;1991—1998年间,下游的c集水区景观格局呈复杂化,而1998—2006年间,则趋于简单,表明随着城市化的进行,景观格局呈“简单-复杂-简单”的变化趋势.研究东江流域景观格局从上游到下游的规律性变化对于整个流域的协调管理与可持续发展具有一定的指导意义.     

封面说明

<正>图片由中国科学院新疆生态与地理研究所朱成刚博士2016年7月拍摄于塔里木河下游阿拉干与依干不及麻间的生态监测断面(39°60'N,88°22'E).拍摄地点距离河道约300 m,照片主要展现塔里木河下游繁殖季节的胡杨(Populus euphratica)种群景观,右侧为结种期的胡杨雌株,左侧为胡杨雄株.伴随塔里木河上游、中游水土开发,下游河道自20世纪70年代断流,造成下游生态系统     

浙江省生态保护修复优先区识别

生态保护修复是维持和提升生态系统稳定性和可持续性的重要举措。识别生态保护修复优先区并进行有规划的生态保护修复能够达到抑制生态环境退化的目的。以浙江省为研究对象,运用生态系统服务价值计算模型、神经网络自组织映射(SOM)聚类分析法、空间统计、Spearman非参数相关性分析等方法,识别生态系统服务簇,分析生态系统服务簇演化和人类活动强度变化特征,识别生态保护修复优先区,探讨不同生态系统服务价值的权衡/协同关系,提出生态保护修复优先区规划策略。结果表明:(1)2000-2021年浙江省生态系统服务空间分布逐渐趋于均衡,生态系统服务价值总量由7279.73亿元降低至6980.28亿元;(2)2000-2021年浙江省人类活动强度显著增加,呈现由西到东、由南到北的递增趋势;(3)2000-2021年浙江省生态系统服务与人类活动强度变化Moran''s I指数呈现显著负相关性,说明人类活动强度与生态服务价值两者空间上处于相互制约状态;(4)2000-2021年浙江省 90 县(区)可划分为4类生态系统服务簇,包括:城市中心簇、农业生产簇、核心生态簇和生态保育簇;(5)基于2021年双变量Moran''s I指数聚类结果将研究区划分的5种类型分区作为生态保护修复一级分区,以区域内主导生态系统服务簇作为生态保护修复二级分区划分依据。浙江省生态保护修复优先区划分为4个类型,即面积占比14.83%的生态预防治理区、面积占比19.94%的生态调控建设区、面积占比50.23%的核心生态保护区和面积占比15.00%的生态综合提升区。据此,提出不同类型优先分区实施生态保护修复的规划策略。     

汉江流域植被净初级生产力时空格局及成因

运用MOD17A3-NPP等数据,分析汉江流域植被NPP的时空格局及其形成演变机理,为区域生态环境管治提供科学理论依据。运用GIS空间分析法、线性拟合法研究流域NPP的时空格局,结合相关系数法、土地利用程度指数等方法探析成因。结果显示:(1)汉江流域植被NPP多年平均值为439 g C m~(-2)a~(-1),整体呈微小的波动上升趋势,年增长幅度为3.11 g C m~(-2)a~(-1)。植被NPP集中分布在300—600 g C m~(-2)a~(-1),占全域面积的83.65%。(2)从流域空间上看,多年平均NPP呈上游中游下游,各子流域内部差异呈上游中游下游。高值区集中分布在汉中,十堰、襄樊和荆门平均NPP呈下降趋势的所占面积最大。(3)垂直景观上植被NPP的空间分布往往受水热综合作用的影响,汉江流域降水是植被NPP累积的主要制约因素。(4)垂直方向上NPP呈规律性变化:高程上表现为"陡升-下降-缓升-陡降,坡向上为阳坡半阳坡半阴坡阴坡。(5)浅山丘陵区NPP变化主要受土地利用方式的影响,高山区NPP变化受气候变化的影响。汉江流域植被NPP稳定,中下游平原区植被NPP略有下降;气候和地形特征决定了植被NPP的空间分布特征,气候变化和人类活动对植被NPP的变化有重要影响。     

含植被覆盖影响的石羊河流域土壤水分遥感估算及空间格局分析

土壤水分是地表和大气循环的纽带,对植被生长和高效农业灌溉起着关键作用。以石羊河流域为研究区,采用植被覆盖度/表面反照率梯形特征空间散点图计算裸土反照率,减少植被对遥感获取土壤水分误差,以提高遥感土壤水分估算精度。同时通过稳定性、空间自相关和地理探测器等分析了SM的空间格局及其影响因素。结果表明：（1）裸土反照率模型在石羊河流域的SM反演精度较高,为流域尺度的SM计算提供了新的方法思考。（2） SM具有明显的空间自相关性,Moran''s值为0.88（Z-score=1852.94,P<0.01）,上游林地高-高聚集,下游荒漠低-低聚集,且SM与FVC显著相关（P<0.01）。（3）石羊河流域年内SM稳定性整体良好,其中稳定性好和较好区域占研究区88.34%。（4） SM空间分布受多因子影响,各因子解释能力存在显著差异,其中植被覆盖度 > 土壤类型 > 高程 > 土地利用,且因子间交互作用增强了对SM空间分异的解释力。（5）不同土地利用类型的SM差异较大,其中未利用地大部分SM小于7%;草地和耕地SM居于中等水平,SM值为7%-15%;林地水平最高,SM值大于25%。     

东江流域景观格局演变分析及变化预测

以东江流域土地利用解译结果为基础,采用转移矩阵、移动窗口法和景观格局指数对1990—2016年对东江流域的景观格局时空变化进行分析,并结合地形因子、交通通达度因子和限制转化因子采用FLUS(Future Land Use Simulation)模型对流域未来景观格局进行预测。结果表明:(1)自1990年以来,研究区的7种土地利用类型皆发生了变化,其中建设用地由于林地和耕地的大量转入增加最明显。(2)1990—2016年,流域景观破碎化呈现以河道为中心向东西两侧减小的趋势,景观多样性呈现流域上游小,下游大的趋势,且高值区在经济较发达的城镇地区。园地的景观破碎程度最高、林地的优势度减弱,城镇建设用地的集聚度增加。(3)2016—2042年,流域各用地类型变化率不大,景观破碎化和多样性程度虽有增加但增长速度相对放缓。     

黔中喀斯特山地城市景观稳定性评价与特征分析

城市景观稳定性是对城市生态环境进行分析和评价的基础,对城市景观生态安全格局和景观可持续性具有十分重要的意义。以典型喀斯特山地城市贵阳市为研究对象,以2008年、2013年和2017年景观类型为主要数据。运用蔓延度指数、斑块密度和总边缘对比度构建景观稳定性评价模型,在分析2008-2017年景观格局变化状况的基础上评价景观稳定性时空特征。并运用探索性空间数据分析方法揭示贵阳市景观稳定性时空演变规律和冷热点特征。结果表明:(1)2008-2017年贵阳市景观格局发生剧烈变化,耕地面积大幅减少,林地和建设用地面积持续增加,景观破碎化程度加剧,但破碎化趋势有所减缓。(2)10年间,贵阳市景观稳定性水平整体较低,以不稳定和较不稳定为主,表现出"先降低、后提高,总体略有降低"的趋势。(3)贵阳市景观稳定性的空间分布与演变具有明显空间聚集效应,全局Moran''s I指数介于0.2008-0.4005之间,但聚集趋势呈"总体减弱,小幅提高"的特征;此外,景观稳定性热点区主要集中在城镇建设用地或林地斑块相对集中连片、完整的区域。研究结果可为喀斯特山地城市景观空间格局优化、生态安全网络格局构建和生态文明城市建设提供重要的科学依据。     

大理河沉积物微生物碳源利用特征及其影响因素

沉积物是河流生态系统中氮磷等物质循环的重要场所,而微生物是河流生态系统的重要组成部分,探究沉积物中微生物群落碳源利用特征和功能多样性对于河流生态环境保护具有重要意义。利用Biolog Eco微平板法、基于主成分分析、冗余分析阐明了大理河流域沉积物中微生物群落碳源利用强度和功能多样性变化特征及其影响因素。结果表明：（1）从流域上游到流域下游,沉积物中微生物碳源利用强度逐渐降低,与上游相比,支流、中游、下游沉积物中微生物碳源利用强度分别降低了13.4%、30.5%、30.7%。（2）沉积物中微生物群落功能多样性存在差异,沉积物中微生物群落功能多样性（Shannon-Wiener多样性指数）表现为上游 > 支流 > 中游 > 下游,常见物种优势度（Simpson多样性指数）则表现为下游 > 支流 > 中游 > 上游。（3）与微生物代谢活动相关性较高碳源为糖类,其次是氨基酸类,聚合物类、羧酸类、胺类、酚酸类与微生物代谢活动相关性较低。（4）沉积物中全氮、氨氮、硝氮、有机碳含量是影响微生物群落功能多样性和碳源利用特征差异的主要因素。流域沉积物中合适的碳、氮水平对维持河流水生态健康具有重要的意义。     

湘江流域中上游景观格局及其变化

以湘江流域中上游地区1980和2000年景观图为基础,运用ArcGIS9.0与Fragstats,对湘江流域中上游20年间的景观格局及其变化进行了分析。结果表明:20年间,受人类活动影响,水田与林地景观面积减少,斑块数目增加,破碎度增大,旱地和草地的斑块数减少,破碎度下降,研究区景观整体破碎度降低;优势斑块的连通性下降,景观优势类别对景观整体的控制作用减弱;分析研究区不同高程分带的景观格局变化发现,在上游山地区,有较大面积的林地被开垦为旱地,从而加大了该区水土流失的风险。     

青藏高原南部拉萨半干旱河谷表土花粉与区域植被的关系研究

对拉萨半干旱河谷表土花粉和冲积物样品进行对比分析,结果表明,拉萨半干旱河谷的表土花粉组合能较好反映样方植被群落特征,而河流冲积物表层花粉样中,拉萨河中游样品花粉组合能较好地反映其中上游流域植被的总体面貌,下游段河流冲积物花粉组合主要反映河道周围湿地植被群落特征。主成分分析(PCA)结果说明,前两个因子轴的累计贡献率为41.9%,较好地解释了该区域花粉种属的分布与两个轴之间的关系。同时,研究区表土花粉莎草科/(禾本科+蒿属)Cy/(G+A)值由拉萨河中游至下游逐渐减小,反映该流域的湿度从东到西逐渐降低。     

长江中下游地区暴雨特征及洪涝淹没风险分析

利用1961—2012年长江中下游区域73个气象站日降水量数据,分析了长江中下游暴雨强度和最大连续降水的特征、空间分布和年际变化趋势,获取了不同暴雨重现期的暴雨强度。在此基础上,利用改进的Wet Spa Extension模型,模拟了长江中下游不同潜在暴雨发生频率和连续强降水情景下的长江干流和出口断面的产汇流和洪水演进过程,分析了不同暴雨重现期的暴雨强度和连续性强降水对长江中下游干支流、湖泊、沼泽地和农田的洪涝潜在淹没范围、深度空间分布。结果表明:沿长江的湖北、安徽、江西和江苏是长江中下游地区暴雨多发区;近50多年来,暴雨日数和最大日暴雨量表现为不显著性增加趋势;研究区"百年一遇"、"五十年一遇"和"十年一遇"等暴雨重现期的暴雨强度分别为220、190和120 mm·d~(-1);最大连续强降雨量超过400 mm;"百年一遇"暴雨形成的洪涝对研究区低洼区淹没深度1.0±0.5 m的面积可达4.3×10~4km~2,其中农田淹没面积占83.7%;"五十年一遇"的暴雨形成的洪涝对研究区淹没深度1.0±0.5 m的面积可达2.6×10~4km~2,其中农田的淹没面积占74.1%;"十年一遇"暴雨形成的洪涝对研究区淹没深度1.0±0.5 m的面积可达1.6×10~4km~2,其中,农田淹没面积占65.1%;大于400 mm连续性强降水形成的洪涝对研究区农田、湿地等低洼区平均淹没深度1.0±0.5 m的区域面积可达到6.7×10~4km~2,其中,农田的受淹面积占88.1%。暴雨洪涝淹没空间分布结果有助于长江中下游地区不同暴雨强度下暴雨洪涝的防控、风险分析和灾后评估。     

流溪河流域景观空间特征与河流水质的关联分析

人类活动影响或改变流域景观空间结构,并有可能对河流水质产生不同程度的影响,以流溪河流域为研究区,分析流域景观空间格局特征与水质指数之间的相关关系。将流域划分为27个子流域,采集水样分析水质状况,所选用的水质指标有氨氮(NH3-N)、硝态氮-亚硝态氮(NO3-N+NO2-N)、总磷(TP)、化学需氧量(CODCr)。结果表明:1)该流域土地利用结构与水质具有显著相关性,其中居住用地对水质的影响作用最强,林地对河流水质具有净化功能,与水质指标之间的关系表现为负相关,园地与水质指标关系具有不确定性;2)流域景观特征从上游到下游之间表现为城市化增强的梯度,水质状况响应这个梯度变化表现为上游优于下游,人类活动及城市化发展引起的土地利用变化及土地管理方式对水质变化有显著影响;(3)景观破碎度与水质呈现显著正相关性,是影响水质的重要指标,景观聚集程度和斑块形状复杂程度与水质有负相关关系;子流域尺度和河岸带尺度景观空间特征对水质的影响差异不明显。     

岷江上游杂谷脑流域景观可视化初探

在空间数据(包括数字高程模型和景观类型图)的支持下,采用景观可视化软件VisualNatureStudio(VNS)2.0对岷江上游杂谷脑流域的景观进行了可视化研究,研究结果比较直观地再现了该流域主要的景观类型,包括林地、灌木、果园、草地和耕地,为流域的管理提供了一种全新的管理工具;并阐明了景观可视化研究未来的发展趋势,对我国开展这方面的研究具有一定的指导意义。     

太湖流域河流水质状况对景观背景的响应

为探索流域水质对景观背景的响应,以太湖流域为研究对象,在0.5—24 km共9个尺度上运用冗余分析研究了土地利用、河网密度、降水量、地形等景观背景因子与河流水化学指标的关系。结果表明:2006—2010年太湖流域河流水质状况总体较差,但整体有逐渐改善的趋势,超标水质指标主要包括总磷(TP)、氨氮(AN)、生化需氧量(BOD)、化学需氧量(COD)和溶解氧(DO),上游地区主要表现为林区和平原水网区的差异,下游地区主要表现为河段上下游间的差异。河流水质受到多种景观背景因子的综合影响,并表现出尺度依赖性和区位差异性。AN、TP、DO在流域上游与聚落用地正相关,在下游则与耕地、河网密度正相关。COD、BOD在流域上游主要与自然湿地负相关,与人工湿地正相关,在下游则与坡度负相关,与河网密度正相关。总方差贡献率在上下游表现出一致的尺度依赖特征,均在较小(0.5—1 km)和较大(16 km)两个尺度上具有较高的解释能力。自然湿地和坡度,河网密度和耕地分别为上游、下游地区在较小和较大尺度上解释能力最高的景观因子。     

海河流域景观空间梯度格局及其与环境因子的关系

基于GIS技术,以海河流域为对象,首先,分别采用Fragstats3.3的标准法和移动视窗法先后分析了流域整体景观格局及其空间分异特征;然后,针对流域本身自然地理梯度特点,分别沿流域纵向(河流流向)梯度和横向(垂直与河流流向)梯度设置了两条样带,应用移动视窗法计算了景观层次下的斑块面积(AREA_MN)、蔓延度指数(CONTAG)、边界密度(ED)、形状指数(LSI)、斑块密度(PD)、多样性指数(SHDI),获得了景观沿两个样带方向的梯度格局;最后,以高程、降水、气温、人口和GDP为环境因子,以上述6个指数值为目标物种,利用去趋势典范对应分析(DCCA)方法研究了景观梯度格局与环境因子的关系。结果表明:2000年海河流域内景观基质为农田,面积占55.9%,流域内景观结构以块状结构为主,并零散分布有圈层和带状(廊道)结构;景观梯度格局在两条样带上均表现为类似的特征,即随景观类型变化呈现不同幅度的波动,两条样带上均存在较为明显的过渡带;DCCA分析表明:景观梯度格局与环境因子关系密切,区域高程、降水量、温度对流域尺度的景观格局起决定性作用,人口数量、GDP则在局部地区对景观格局有着重要影响。     

纵向岭谷区澜沧江流域景观生态安全时空分异特征

以1985年、1995年和2000年纵向岭谷区的核心区-澜沧江流域的土地利用数据为基础,在GIS软件的支持下,以破碎度、分离度、优势度等景观格局指数和景观类型的脆弱度为评价指标研究澜沧江流域景观生态安全的时空分异特征.研究表明,在这16a期间,景观结构变化导致景观生态安全指数在时空分异性较强,生态安全程度呈下降趋势,由于研究区特殊的地形、地貌特征,澜沧江流域的上、中、下游的生态安全指数分布形态及其下降幅度存在较大的差异,较低的生态安全指数(ES≤0.5)主要分布于该流域的下游呈东北-西南近"Y"形并沿江扩展,而较高的生态安全指数(ES≥0.6)主要分布于流域的中游呈东南-西北方向并沿江萎缩.人类的经济开发活动主要是在景观层次上进行,景观也是区域生态环境管理的基础单元之一,应用景观方法研究生态安全,揭示不同景观类型间的迁移转化特征并进一步识别区域生态环境的变化趋势及其内在因素,对区域生态建设和资源开发具有指导意义.     

厦门后溪水质与流域景观特征沿城乡梯度的变化分析

基于河流水质观测数据和Landsat 8影像数据,分析厦门后溪2013至2017年干季和湿季的水质时空变化特征,研究沿城乡梯度河流水质变化与流域景观特征的关系。结果表明:后溪上游(饮用水水源地水体)和下游(景观水体)溶解氧(DO)分别符合《地表水环境质量标准(GB3838—2002)》Ⅱ类标准和Ⅴ类标准,但是总氮(TN)和总磷(TP)有不同程度的超标,其中TN的超标比例较高。后溪上游土地利用类型中70%以上为林地,具有涵养水源、保护水质的作用;下游建设用地和耕地比重增加,TN、TP和叶绿素a (Chl a)显著高于上游。耕地和建设用地是提高TN、TP和Chl a等水质参数的主要土地利用类型,斑块密度、香农多样性指数和源汇景观指数与各水质指标也显著相关。冗余分析表明,流域景观特征可解释70%以上水质变化,对TN和TP的影响在湿季更大,而对Chl a的影响在干季较大。土地利用组成、配置、距离、高程和坡度对流域水质均有较大影响,其中土地利用组成对Chl a的影响较大,而景观指数则对TN和TP的影响较大。因此,在流域尺度加强土地利用的规划与综合管理,通过减少和控制地表径流面源污染的途径在一定程度上可降低人类活动对水质的不良影响。     

岩溶地区景观格局演变及其生态安全的时空分异——以贵州省东北部槽谷为例

景观生态安全能反映区域生态保护与经济发展之间的关系,有助于了解生态环境压力和缓解人地关系矛盾具有重要意义。基于2005、2010、2014和2017年LandSat影像为数据源,借助ArcGIS和景观格局指数法构建景观生态安全指数,对槽谷区景观格局演变及其对生态安全的时空分异规律研究,从而提出环境友好型的土地利用组合模式。结果表明：（1）2005—2017年,槽谷区景观内部整体呈现破碎化,景观斑块数量增多,景观格局由单一规则化、简单化向复杂混合型转变,多样性增加且空间异质性增强。随着时间变化,岩溶槽谷区景观生态安全整体呈现上升趋势,西、东部槽谷景观生态安全指数（Ecological Security Index,ESI）由槽坝向山坡两侧逐渐增加,而中部槽谷则由山坡向槽坝增加。（2）在200 m尺度下,西部槽谷ESI的全局正相关性最显著,其Moran''s I值呈先增加后减小的趋势,而中部和东部槽谷则相反。岩溶槽谷区ESI的空间集聚形式主要表现为高高和低低值集聚区,空间集聚程度较高,而高低和低高集聚区分布较少且变化不明显。（3）景观集聚分布格局受低地形起伏和坡度较缓区域影响较高且呈现倒"U"型共性趋势,而海拔则相反。（4）岩溶槽谷区景观格局以扩充"林地-灌木林地-草地"的土地利用组合模式能增加景观生态安全。（5）景观格局及其生态安全的时空分异是受当地自然环境、社会经济和政策导向共同作用的结果,通过分析多重因素对槽谷区景观格局及其生态安全演变趋势的驱动机制可为地区科学决策提供科学参考。     

流域生态系统服务热点与冷点时空格局特征

生态系统服务热冷点的识别及其空间格局特征研究对生态保护规划有着重要的意义。目前有关生态系统服务热冷点的识别多采用直接分类法,缺乏对空间关系特征的综合研究。以延河流域为例,综合集成多源数据来模拟4种生态系统服务(土壤保持、植被碳固定、产水、洪水调节)的热点与冷点时空格局变化特征。主要结论为:(1)2001—2012年,延河流域土壤保持服务在流域下游高于上游,中游地区增长较快。植被碳固定服务和洪水调节服务在流域南部地区较强,且在中下游呈上升趋势。产水服务呈现"南北低、中间高"的分布格局,在流域上游呈下降趋势,在中下游呈上升趋势。(2)生态系统服务热点主要分布在延河中下游南部地区,冷点主要分布在延河上游地区。延河中下游南部地区4种生态系统服务均较强。生态系统服务保护效率最高的是延河上游。(3)延河流域林地的土壤保持服务、植被碳固定服务和洪水调节服务均强于其他土地利用类型,而产水服务较弱,湿地则相反。草地的土壤保持服务和植被碳固定服务相对较强。耕地的4种服务强于裸露地,裸露地的4种服务均较弱。湿地的土壤保持服务、植被碳固定服务和洪水调节服务保护效率最高,林地的产水服务保护效率最高。研究结果以期为流域生态系统服务保护与恢复决策提供理论支撑。     

东北黑土区小流域农业景观结构与土壤侵蚀的关系

以黑土侵蚀区的拜泉县双阳河流域为案例,提取地形和土壤类型相对接近的30个上游子流域作为分析样本。以遥感、GIS和FRAGSTATS软件为平台获得景观格局指数,运用基于GIS的RUSLE模拟土壤侵蚀,通过相关性分析和多元回归研究景观指数与侵蚀模数的呼应关系。从而探讨土地利用调整和流域综合治理下的景观结构特征对土壤侵蚀的影响,为当地或同类地区土地利用规划和侵蚀治理提供科学参考。结果表明：顺坡垄农田面积百分比、景观聚集度与土壤侵蚀模数显著正相关,灌木林地、草地面积百分比、香农多样性指数与土壤侵蚀模数显著负相关。9个结构因子与土壤侵蚀模数的复相关系数（R=0．931）大于单因子相关系数,多个景观结构因子综合地影响了土壤侵蚀,且达到高度相关。研究区侵蚀强度较轻,但大于东北黑土区土壤容许流失量标准。农田是土壤水蚀的主要景观要素,同时也是水土保持的主战场。增加灌草地斑块、实施农田保护性耕作等将是该流域继续控制土壤侵蚀的有效办法之一。