西南生态安全格局形成机制及演变机理

我国西南地区地形地貌复杂,生态系统多样,生物多样性丰富,是研究地表复杂过程与生态系统演变规律的关键区域,也是我国重要的生态屏障区。但是同时该区域环境复杂、生态脆弱、灾害严重,在全球气候变化背景下,人类活动和经济发展导致该区域的生态环境问题比较突出,同时区域的社会经济发展地域分异大。突出表现在区域生态系统服务功能受损,区域生态安全水平降低。如何维护区域生态安全具有重要意义。针对生态安全问题,我国已开展生态区划、生态功能区划和生态红线等工作,但在生态安全格局的形成机制、与生态系统服务耦合关系、人类活动和气候变化对生态安全格局影响及其适应、区域社会经济可持续发展等方面需要加强深入研究,在我国西南地区的开展研究西南生态安全格局形成机制及演变机理具有典型性、代表性与紧迫性。     

青藏高原生态屏障生态系统时空演变及驱动机制

青藏高原生态屏障是我国生态安全战略格局的重要组成部分,对我国乃至亚洲生态安全具有重要的屏障作用。研究青藏高原生态屏障生态格局的演变规律,探究影响生态系统变化的驱动机制,对青藏高原生态屏障建设和保障国家生态安全具有重要的意义。利用多源遥感数据,分析了2000-2015年国家屏障区生态格局演变规律,选取了自然和社会经济等驱动要素,采用冗余分析等方法解析了青藏高原生态屏障生态系统演变机制。结果表明：（1）2000-2015年间,青藏高原生态屏障生态系统格局发生明显变化,草地生态系统减少了1792 km²,主要转化为荒漠生态系统和河流生态系统,转换面积分别为1088 km²和832 km²;河流生态系统增加了1600 km²,主要由荒漠生态系统和草地生态系统转换而来,分别转换了1152 km²和832 km²。（2）2000-2015年青藏高原生态屏障生态系统格局演变驱动机制中以社会经济因子为主。冗余分析结果显示国内生产总值（83%）和人口数量（72%）贡献率最大;方差分析结果中国内生产总值和人口数量的共同贡献率达到了77%;地理加权回归结果显示生态系统演变受社会经济因子主导的区域面积比例为60.41%。（3）青藏高原生态屏障内人口数量的总贡献率达到了72%,在人口数量作用下生态系统呈正向转换的面积占比达到了86.24%,且人口数量与河流、森林生态系统的相关程度较高,综合说明了青藏高原生态屏障内生态保护政策的实施、生态工程的建设卓有成效。     

基于供需耦合机制的流域水生态系统管理

全面认识和理解流域尺度生态系统服务供给与需求的耦合机制,是协调流域不同尺度利益相关方水资源开发利用和保护之间矛盾,推进生态大保护和生态文明顶层设计的重要手段。本文重点阐述了生态系统服务供给需求内涵及其尺度关系特征、生态系统服务供给与需求耦合途径、生态系统服务供需耦合机制的主要驱动因素及生态系统服务供需耦合研究方法对生态系统管理的启示三个问题。科技支撑、资金机制和监测平台是维护重点流域水生生态系统的完整性和自然性,改善流域水生态系统服务供给,协调流域水生态系统服务供给与需求空间耦合关系,促进流域内社会经济与生态系统和谐发展的重要支撑。今后,应进一步加强一手数据积累,构建生态生产函数,提高生态系统服务供给和需求预测的科学性和合理性,为制定流域水生态补偿等政策管理措施提供科学依据。     

中国典型生态脆弱区生态化学计量学研究进展

在人类活动和自然环境变化的相互作用下,生态脆弱区生态系统随之变迁,荒漠化、盐碱化、水土流失、植被生产力下降等是生态脆弱区面临的重要问题。生态化学计量学作为当前多学科交叉研究的热点领域,强调从生态系统能量与元素平衡角度,揭示元素生物地球化学循环和生态系统对环境变化的调控机制。为了促进对生态脆弱区碳（C）、氮（N）、磷（P）生态化学计量的深入理解,本文重点总结了近年来有关我国典型生态脆弱区植物、凋落物、土壤和土壤微生物量C、N、P生态化学计量及其对环境变化响应的研究成果,并展望未来研究方向,以期促进生态化学计量学的发展和生态脆弱区生态保护与恢复研究。研究表明,植物-凋落物-土壤-土壤微生物系统C、N、P化学计量具有较强相关性,并受土壤因子、气候因子、生物因子和人类活动的显著影响。在生态脆弱区,我国北方荒漠及荒漠化地区由于较高的N∶P比值易受P限制,而青藏高原脆弱区、西南岩溶石漠化地区和黄土高原脆弱区等生态脆弱区更易受N限制;随着植被恢复,养分限制逐渐由N限制向P限制转变。生态脆弱区相对较低的养分含量和C∶N∶P比值或许可在一定程度上解释植被生产力较低的原因,而具有较高N、P化学计量内稳性的植物在贫瘠环境中具有较强竞争力和更高稳定性。今后可加强多尺度、不同生态系统植物-凋落物-土壤-土壤微生物系统生态化学计量和长期、多因子交互控制实验的研究。     

导读

<正>我国是世界上生态脆弱区分布面积最大、脆弱生态类型最多、生态脆弱性表现最明显的国家之一。我国生态脆弱区大多位于生态过渡区和植被交错区,处于农牧、林牧、农林等复合交错带,也是目前生态问题最为突出、经济欠发达和人民生活水平相对落后的地区。生态环境保护与生态安全已然成为当前重要的国家战略。然而,我国脆弱生态系统分布面积大,再加上人口压力大、城镇化快速发展、资源的高强度开发等,生态环境保护压力巨大。因此,加强脆弱生态系统保护与修复,提高生态系统质量,构建国家生态安全保障体系,是实现生态文明建设和高质量发展战略的必然要求。新时代如何做好生态保护与修复已成为全社会共同关注的热点问题。面对面积广大、类型多样的脆弱生态系统,如何做好国家和区域生态安全规划、如何加强对生态本底和生态现状的动态监测、如何提高监测手段和强化多源数据融合、如何提升对我国脆弱生态系统的生态规律和机理过程的进一步认识,仍需要长期深入和系统的研究。     

赤水河流域不同地貌区生态系统健康对比

赤水河流域是长江上游重要的生态屏障,其生态系统健康对长江流域生态安全及可持续发展具有重要作用。本研究利用RUSLE模型、SWAT模型、Fragstats软件及地理探测器等方法,构建赤水河流域生态系统健康评估理论框架,探讨了生态修复下流域2010—2020年生态系统健康时空演变及驱动因子。结果表明：2010—2020年间,赤水河流域生态系统服务呈现先降后升趋势,总体呈下降趋势,丹霞地区生态系统服务总体高于喀斯特地区。流域生态系统健康总体处于亚健康状态,其中,丹霞地区处于很健康和健康状态,喀斯特地区则处于亚健康及不健康状态。影响喀斯特/丹霞地貌区生态系统健康的主导驱动因子存在差异。喀斯特区以植被、降水及基岩裸露率为主导驱动因子,丹霞区则以植被、土地利用和降水为主导因子。交互探测后影响因子解释力增强,不同地貌类型区的主导交互因子组合呈现较大差异。其中,喀斯特区以降水∩归一化植被指数、降水∩数字高程模型和降水∩基岩裸露率为主导交互因子组合,丹霞区以归一化植被指数∩降水、归一化植被指数∩土地利用及归一化植被指数∩数字高程模型为主导交互因子组合。研究结果可为赤水河流域生态系统健康维护、治理提供理论...     

黑河流域生态系统服务空间协同与权衡变化

黑河流域是西北地区重要的生态功能区,流域内生态系统服务变化对当地社会经济发展和流域生态安全具有重要影响,其社会-生态-环境问题一直受到高度关注,因此开展黑河流域生态系统服务评估及协同/权衡关系研究对该区域的可持续发展具有重要意义.本文采用基于时间序列的双变量逐像元相关分析,对黑河流域1990-2015年的各项关键生态系...     

2010年来黄土高原景观生态研究进展

严重的水土流失以及不合理的土地利用加剧了黄土高原土地资源的退化,导致该地区生态环境脆弱、生态系统服务不断下降。针对黄土高原地区存在的问题,我国学者基于景观生态学原理和方法,围绕"景观格局演变-驱动机制-水土流失过程-生态系统服务"的框架开展了大量研究,取得了一系列研究成果。通过梳理和总结2010年以来黄土高原地区景观生态学研究的现状和特点,指出了目前研究中存在的问题和不足,突出表现在区域比较研究、景观格局与生态过程耦合研究、生态服务权衡方法和模型构建等方面比较缺乏。建议未来黄土高原的景观生态学研究应加强区域尺度上的综合研究和不同地区之间的比较研究,深化景观格局演变的形成机理;进一步开展景观格局与过程的定量识别方法学研究,开发格局-过程耦合模型;加强生态系统过程与服务研究,同时开展相应的实证性研究,研发适宜的生态服务权衡模型,进而深入探讨区域生态系统服务的权衡机制。     

基于暴露-敏感-适应性模型的生态脆弱性时空变化评价及相关分析——以中国大运河苏州段为例

为了及时掌握运河流域生态系统脆弱性的真实状况,以中国大运河苏州段区域为例,基于VSD模型建立生态脆弱评价指标体系,结合层次分析法-熵权法以及遥感-地理信息系统技术,以栅格为基础评价单元,运用空间叠置分析计算生态脆弱度,揭示其生态脆弱性时空分布格局及演变趋势。通过生态环境脆弱性综合评价及相关分析,其结果表明：(1)2008—2018十年间研究区生态脆弱度以潜在脆弱和轻微脆弱为主,合计占比从62.63%增长到68.79%,非常脆弱区与极度脆弱区占比较小,合计占比从22.45%下降到15.61%;(2)研究区生态恢复情况良好,根据时空演变趋势将研究区划分为生态修复区、生态持平区和生态退化区,生态修复率为37.09%,生态持平率为37.93%,生态退化率为24.89%;(3)对生态修复区与生态退化区进行划分,各包含四种等级区,其中生态修复区以Ⅰ级修复区为主,占比为13.31%;生态退化区以Ⅰ级和Ⅱ级退化区为主,合计占比为18.80%,Ⅳ级退化区占比仅有1.50%。     

生态恢复工程对陕北地区生态系统格局的影响

以生态环境脆弱的陕北地区为研究对象,利用TM遥感影像解译陆表生态系统的分布特征,从生态系统转移矩阵、单一生态系统动态度和综合生态系统动态度等方面探索了生态恢复工程实施20年来研究区生态系统的时空演变规律。同时,利用最小二乘趋势分析法和人类扰动指数分析气候条件和生态恢复工程的驱动机制。研究结果表明：（1）1997-2018年陕北地区生态系统格局发生显著变化,主要表现为林木、草地的面积占比分别增加19.34%和6.91%;耕地面积占比减少22.15%;未利用地面积占比减少5.01%;陕北地区生态系统格局已由生态恢复工程实施前的耕地占主导转化为林木占主导。（2）受退耕还林工程的影响,黄土高原丘陵沟壑区生态系统流转方向主要表现为耕地转化为林木和草地;防风固沙工程促使毛乌素沙漠区域未利用地转化为草地。（3）研究时间段内陕北地区年均气温基本无变化,年降水量显著呈增加趋势,整体向湿润化发展,适合地表植被生长和恢复。在这样的气候背景下,榆林和延安两市生态系统变化速度明显高于铜川市,说明生态恢复工程是研究区生态系统格局演变的主要驱动力,气候背景变化是辅助驱动力。     

Tracking evolution of urban biogeochemical cycles: past,present, and future

This overview and synthesis paper focuses on the evolution of urban biogeochemical cycles across time. We synthesize empirical data and review existing literature, including papers in this special issue, and we propose the concept of “urban evolution.” The built environment often changes quickly in response to human activities, thus contributing to an urban evolution that affects structure, function, and ecosystem services of human settlements over time. Depending upon management, these changes can result in rapid losses of ecosystem functions/services or progress towards restoration. We explore urban evolution through empirical examples such as: (1) land development and nitrogen inputs within a metropolitan region over half a century; (2) watershed drainage by different forms of stormwater management over decades; (3) human-accelerated weathering in urbanized watersheds over decades; and (4) global salinization of freshwater across urbanizing landscapes over a century. We also synthesize concepts relevant to studying urban evolution of infrastructure and ecosystems including: (1) urban watersheds have challenged our whole notion of the “watershed approach” due to complex hydrologic boundaries and flow paths over time; (2) the urban hydrologic cycle evolves due to changing infrastructure and human water use over time; (3) the importance of extending research beyond individual sites using an urban watershed approach over space and time; (4) salinization as a universal tracer of watershed urbanization over time; (5) human-accelerated weathering of concrete and construction materials contributing to an “urban karst” over time; (6) human alteration of the carbon cycle in urban watersheds over time; and (7) detecting distinct biogeochemical signatures across cities globally over time. Our synthesis and this special issue suggest that urban biogeochemical cycles have exerted a major influence on the elemental composition of the Earth’s surface from local to global scales. A new global research agenda is needed to track the evolution of urban biogeochemical cycles as land development proceeds and infrastructure/management changes so we can better evaluate potential losses in ecosystem services, set realistic watershed and river restoration goals, and formulate effective environmental policy for Earth’s growing urban population.     

恢复力视角下的乡村空间演变与重构

乡村生产、生活、生态空间重构是中国乡村发展转型的重要途径。恢复力是指系统吸收干扰、经历变化和重组后,仍然保持原有功能、结构、特性和反馈的能力。梳理社会-生态系统恢复力、乡村社区恢复力、空间恢复力相应概念,借助宏观生态学领域中的恢复力相关概念阐释乡村空间演变过程,可以在深化乡村空间演变与重构理论内涵的同时更有效的理解乡村空间的演变过程和重构目标。乡村空间重构并不只是国土或规划层面的景观空间优化,而需要站在强化社会-生态系统恢复力的角度,从乡村空间演化机制入手,提升乡村空间演化动力从而驱动空间重构。将乡村空间的演变阶段嵌入社会-生态系统适应性循环过程中,将作为当前国际研究热点的社会-生态系统恢复力研究引入乡村地理学研究领域,从而进一步扩展了学科研究视角,完成乡村空间演变与重构的理论抽象。     

太湖流域生态风险评价

随着城镇的急剧扩张和经济的快速增长,流域生态环境遭到极大冲击和破坏,致使生态系统出现资源退化、环境恶化与灾害风险加剧的趋势,生态环境面临前所未有的挑战.从复合生态系统入手,深入分析流域内各生态系统要素之间的相互作用与影响机制,综合考虑多风险源、多风险受体和生态终点共存情况下的风险大小,从风险源危险度、生境脆弱度及受体损失度三方面构建了流域生态风险评价技术体系,并选取太湖流域为实证区域,对太湖流域2000年、2008年两个时期生态风险的时空演化特征进行评价与分析.结果表明:太湖流域生态风险指数介于0.015-0.253之间,以中等和较低生态风险为主.至2008年,高、较高生态风险所占面积逐渐扩大,已由2000年的5.66％、13.42％增加至6.05％、18.42％,主要集中在流域北部的常州市区、江阴市大部分地区以及无锡市区.     

流域生态学——新学科、新思想、新途径

在评述流域生态学定义、来源及有关认识的基础上,论述了流域生态学作为一门学科的意义和主要研究内容。文章认为流域生态学的研究与应用是流域社会、经济可持续发展的有效途径,有必要尽快地系统开展相关研究     

流域生态学——新学科,新思想,新途径

在评述流域生态学定义、来源及有关认识的基础上,论述了流域生态学作为一门学科的意义和主要研究内容．文章认为流域生态学的研究与应用是流域社会、经济可持续发展的有效途径,有必要尽快地系统开展相关研究     

流域风化层雨洪调蓄生态机理

风化层是陆地表面经各种风化作用而形成的疏松堆积层,是雨洪调蓄的天然场所,对流域水资源管理有着重要意义。从复杂开放系统论的观点出发,结合近年来国内外对风化层雨洪调蓄特征的研究,分析了风化层在流域雨洪调蓄中的生态机理。主要研究了风化层的概念、风化层雨洪调蓄的组成与时空结构;解释了风化层集水、蓄水、净水、养水、供水功能等方面的雨洪调蓄功能;分析了风化层与地形地貌、生境、地质、土壤、大气、能量以及人类活动等流域环境要素的生态关系。研究表明:(1)流域风化层具有重要的雨洪调蓄特征,是由其特有的物质组成与时空结构特征决定的,正常发挥风化层的雨洪调蓄功能,流域中的水为健康的"活水",不同流域风化层的物质组成和结构的时空变化极大,其雨洪调蓄功能的发挥机制也极其复杂,采用常规定量研究方法几乎不可能掌握其机理,应采用复杂开放系统理论和方法开展研究;(2)风化层是流域系统的一个子系统,与其它流域环境要素之间是相互联系和相互作用的,过去我们通常采用的"排水范式"解决局部问题以期改善整个流域系统问题的治理思路是行不通的,已不适应今后的风化层雨洪调蓄生态学研究,还极可能衍生新的系统问题;(3)将流域视为一个复杂开放系统,国外流域生态学家提出了生态结构(Ecostructures)的概念,强调流域系统自身生态能力的发挥,将土壤-植被-大气连续体(SVA)研究扩展到风化层-生境-能量连续体(RHE)的生态耦合研究。因此建议,采取"边学边做"(Learning by Doing)的流域适应性管理,应当是今后流域风化层雨洪调蓄管理的重要方向。     

湖泊-流域生态系统管理的内容与方法

在流域生态系统管理研究综述的基础上,对湖泊一流域生态系统管理的概念进行了界定,对水环境管理、综合流域管理与流域生态系统管理之间的差异进行了对比分析。确定了生态系统生态学、流域生态学、生态系统健康和流域方法为湖泊．流域生态系统管理的理论基础,生态系统方法和流域分析为其方法学基础。在上述分析的基础上,提出了湖泊．流域生态系统管理的6个主要步骤：研究范围界定、基础信息收集与基本生态学问题的分析和评价、管理目标设定、系统综合、生态系统综合评价、适应性管理;识别出湖泊-流域生态系统管理中的3个关键问题：①生态系统管理中的不确定性和障碍分析;②流域土地利用变化对湖泊水质和生态系统的影响;③流域生态子系统与社会子系统的关联。     

Auditing reforested watersheds on the loess plateau: Fangshan Shanxi

Mapping watershed ecosystems, evaluating their ecological status and modelling land use futures are the aims of a project undertaken by an interdisciplinary team from Shanxi Forestry Academy and Watershed Systems Living Water Foundation. The project introduces geospatial methodologies and iGiS technologies for (a) mapping and modelling watersheds and (b) monitoring and evaluating rangeland restoration after reassigning collective forest lands to local farmers in accordance with land reform policies.Two contemporary geospatial technologies were instrumental in the Fangshan project. These technologies are driving a paradigm shift in the way primary industries like mining, farming and forestry utilize GIS, engage in land evaluations, resource mapping, environmental assessments and product certification.

• •Firstly, high resolution, true image 3D orthophoto mapping was produced as the iGiS map platform for the Fangshan project. The true colour orthophoto maps produced by the team proved very suitable, with the high resolution imagery achieving cartographic standards allowing draft mapping at 1:2000. Because unique x,y,z geocentroid coordinates are generated for each and every pixel in the orthophoto mapping process, detailed iGiS data bases with multiple attributes ranked parametrically were readily captured and recorded for every habitat and regolith.
• •Secondly, the Shanxi Forest Academy team were trained in geospatial methodologies for mapping watershed ecosystems and modelling their habitat/regolith/energy relationships. Using GiS imaging technologies, these cartographic simulation methodologies enable ecological modelling of watersheds and their subterranean water systems, while providing a framework for monitoring and evaluating the environmental health of watersheds using permanent benchmarks and ecological indicators.

Habitat mapping and modelling of Fangshan watersheds revealed how ecological restoration is gradually occurring through strategic combinations of planned reforestation, traditional terrace farming systems and natural regeneration. These ecological strategies are shown to be beneficial land use partners in restoring the mountain rangelands, riparian ecostructures and ecosystem functions of degraded loess plateau watersheds.     

城市化流域生态系统服务价值时空分异特征及其对土地利用程度的响应

以南京市九乡河流域为研究区域,以2003与2009年2景QuickBird影像数据为基本信息源,应用空间自相关模型,结合GIS空间分析技术,定量探讨了城市化流域生态系统服务价值时空分异特征,以及土地利用程度对生态服务价值空间分异的影响.结果表明:2003-2009年,九乡河流域生态系统服务总价值减少了2.59％,而流域生态系统服务价值的空间聚集性增强;生态服务价值的高-高区域主要集中在流域上游,低-低区域主要集中在流域下游的仙林大学城一带;九乡河流域生态系统服务价值空间分异发生了明显变化,下游仙林大学城一带低-低分布区快速扩张,而高-高分布区仅在九乡河源头及下游的局部区域有所增加;流域生态服务价值空间自相关表现出明显的尺度效应,随着研究尺度增大,生态服务价值的空间自相关性逐渐增强;九乡河流域生态服务价值的空间分异及其变化主要是由土地开发利用引起,流域土地利用程度对生态服务价值存在明显的负效应.     

Exploring resilience with agent-based models: State of the art,knowledge gaps and recommendations for coping with multidimensionality

Anthropogenic pressures increasingly alter natural systems. Therefore, understanding the resilience of agent-based complex systems such as ecosystems, i.e. their ability to absorb these pressures and sustain their functioning and services, is a major challenge. However, the mechanisms underlying resilience are still poorly understood. A main reason for this is the multidimensionality of both resilience, embracing the three fundamental stability properties recovery, resistance and persistence, and of the specific situations for which stability properties can be assessed. Agent-based models (ABM) complement empirical research which is, for logistic reasons, limited in coping with these multiple dimensions. Besides their ability to integrate multidimensionality through extensive manipulation in a fully controlled system, ABMs can capture the emergence of system resilience from individual interactions and feedbacks across different levels of organization. To assess the extent to which this potential of ABMs has already been exploited, we reviewed the state of the art in exploring resilience and its multidimensionality in ecological and socio-ecological systems with ABMs. We found that the potential of ABMs is not utilized in most models, as they typically focus on a single dimension of resilience by using variability as a proxy for persistence, and are limited to one reference state, disturbance type and scale. Moreover, only few studies explicitly test the ability of different mechanisms to support resilience. To overcome these limitations, we recommend to simultaneously assess multiple stability properties for different situations and under consideration of the mechanisms that are hypothesised to render a system resilient. This will help us to better exploit the potential of ABMs to understand and quantify resilience mechanisms, and hence support solving real-world problems related to the resilience of agent-based complex systems.