黄河流域水源涵养服务功能动态演变及驱动因素

黄河流域是中国重要的生态屏障,研究其水源涵养服务功能对推动黄河流域生态保护与高质量发展具有重大意义。采用InVEST模型量化黄河流域1980-2020年水源涵养服务功能,使用空间自相关分析黄河流域水源涵养服务功能空间分布模式,并运用地理探测器分析黄河流域水源涵养服务功能的驱动因素。结果表明:(1)1980-2020年黄河流域水源涵养量为174.8639亿m³-378.4538亿m³,多年平均水源涵养量265.0475亿m³,其中草地与林地多年平均水源涵养量分别占黄河全流域水源涵养总量的52.94%和24.27%。全流域水源涵养量呈现上下游地区较高,中游地区较低的分布格局。(2)全局莫兰指数为0.875,表明黄河流域水源涵养服务在空间上呈现聚集分布,以低-低聚集与高-高聚集为主。(3)1980-2020年不同地类平均水源涵养能力排序:灌木林>有林地>高覆盖草地>其他林地>中覆盖草地>低覆盖草地>旱地>建设用地>未利用地>水田>水域。(4)降水量是影响黄河流域水源涵养量变化的主要驱动因子,降水量与土地利用间交互作用对黄河流域水源涵养服务功能空间分异解释力显著增强。研究结果可为黄河流域生态系统管理与高质量发展提供重要参考。     

中国北方草地生态系统服务评估

北方草地是我国天然草地主体部分,其生态功能对提升生态系统稳定性、保障国家生态安全具有重要的作用。在北方草地生态功能分区基础上,开展2011-2015年不同功能区内防风固沙、土壤保持、水源涵养等生态功能评估,探明其现状和空间格局,为北方草地生态功能分区研究提供评估数据,也为推进草地生态系统保护与修复工作提供科技支撑。结果表明：（1）北方草地防风固沙能力为32.44 t hm^-2 a^-1,防风固沙量为89.22亿t/a。半干旱草原区防风固沙能力和固沙量最大,分别为68.76 t hm^-2 a^-1和29.16亿t/a,其固沙量占北方草地固沙总量的32.68%。（2）北方草地土壤保持能力为124.5 t hm^-2 a^-1,土壤保持量为243.59亿t/a。土壤保持功能的空间异质性较大,暖性灌草丛区土壤保持能力最大,为431.52 t hm^-2 a^-1;高寒草甸区土壤保持量最多,为105.36亿t/a,占北方草地土壤保持总量的43.19%。（3）北方草地水源涵养能力为93.03 m³ hm^-2 a^-1,水源涵养量为288.98亿m³/a。高寒草甸区和高寒草原区水源涵养能力较大,分别为211.09 m³ hm^-2 a^-1和118.04 m³ hm^-2 a^-1。两个区域的水源涵养量也较多,分别为125.36亿m³/a和72.13亿m³/a,合占北方草地水源涵养总量的68.34%。整体上,北方半干旱草原区、暖性灌草丛区、高寒草甸区和高寒草原区对发挥我国草地防风固沙、土壤保持、水源涵养等生态多功能效益、提升生态系统服务和稳定性具有极其重要的作用。     

北京市4种城市功能区森林植被涵养水源功能评价及价值估算

本研究对北京市首都功能核心区、城市功能拓展区、城市发展新区和生态涵养发展区进行林分涵养水源功能评价及价值估算,旨在探究提升城市功能区森林水源涵养功能较优林分配置模式。结果表明：（1）北京市森林植被面积2009年为4.00×10⁵ hm²,2014年为4.59×10⁵ hm²,北京市NDVI平均值2009年为0.331,2014年为0.708,北京市森林植被面积总体呈增加趋势。北京市2014年林地绿化调节水量较2009年降低了近1/3,2014年水源涵养功能价值量较2009年分别减少了22.08%和8.24%。（2）生态涵养发展区水源涵养功能年平均能力最强（2.88×10⁸ m³/a）,城市发展新区水源涵养功能年平均能力次之（1.72×10⁸ m³/a）,而首都功能核心区水源涵养功能年平均能力相对最弱,仅1.05×10⁶ m³/a。在针叶林、阔叶林和混交林三种林分类型中,2014年混交林水源涵养功能价值量较2009年增加5.13%,而阔叶林和针叶林分别减少34.93%和55.55%。（3）培育纯林,提高森林覆盖率,对于调节水土资源和保护生态环境具有非常重要的生态意义,而从森林水源涵养功能实物量和价值量考虑,认为混交林比纯林具有更强的水源涵养功能和较优的经济价值。在城市特定的条件下,建立生态与景观相协调的人工植物群落使城市土地资源的利用达到生态、社会、经济三大效益的最佳结合,是提高城市绿地质量的关键所在。     

基于InVEST模型的金沙江流域干热河谷区水源涵养功能评估

以金沙江流域干热河谷区1990年、2000年、2010年和2019年4期Landsat遥感影像为基础数据,通过目视解译和最大似然相结合的方法进行土地利用类型分类,定量分析金沙江流域干热河谷区土地利用类型的时间变化与空间转移过程;采用InVEST模型,结合气象、土壤和地形等数据评估了1990-2019年金沙江流域干热河谷区及不同土地利用类型的产水功能和水源涵养功能。结果表明：1）1990-2019年金沙江流域干热河谷区土地利用类型以草地、乔木林地和耕地为主;近30年来,灌木林地、建设用地、交通运输用地和水域的面积不断增加,建设用地面积增幅最大;草地、乔木林地、耕地和裸地面积均减少。2）1990-2019年,建设用地、灌木林地、交通运输用地和水域面积的增加来源于草地、耕地和乔木林地。3）金沙江流域干热河谷区多年平均产水量为26.09×10⁸ m³,水源涵养量为7.26×10⁸ m³,产水量的变化与分布直接影响着区域的水源含养量;平均水源涵养能力68.74 mm,呈现上升-下降-上升的波动变化趋势。4）1990-2019年不同土地利用类型的水源涵养量变化明显,不同地类平均水源涵养量的大小依次为耕地 > 草地 > 建设用地 > 乔木林地 > 交通运输用地 > 灌木林地 > 裸地 > 水域。     

2030年闽三角城市群土地利用变化对生态系统水源涵养服务的影响

生态系统水源涵养服务作为水资源得以持续的基础和保障,正持续遭受着人类活动的干扰和影响,土地利用变化作为主要的方式之一,对水源涵养的影响广泛而且深远。运用InVEST模型模拟了闽三角城市群2015年和2030年的水源涵养情景,发现到2030年闽三角城市群区域内水源涵养量总体会下降0.24×10⁸ m³;对比发现：土地利用变化对水源涵养的影响主要主要表现在变化面积、变化方向、作用强度以及面积补偿作用四个方面。首先面积变化方面,水源涵养量同用地类型的面积大小正相关,但二者的变化量并不正相关;其次变化方向方面,相比变化为城市生态系统和水域生态系统而言,变化为自然生态系统和农业生态系统的土地利用变化更有利于生态系统水源涵养;再次,土地利用变化对水源涵养产生作用的强度由强及弱以此为林地、其他土地、草地、农田、建设用地、水域及滩涂;最后,面积变化后的补偿作用方面,由于不同用地类型水源涵养能力和面积变化量的差异,由农田、林地、草地及其他土地面积下降导致的水源涵养量损失并不能通过建设用地、水域及滩涂用地类型面积的增加得以完全补偿。     

1990-2018年中国生态系统水源涵养功能时空格局与演变

探明生态系统水源涵养服务格局演变对中国生态系统水源涵养保护和管理具有重要意义。采用水量平衡模型,探明1990-2018年中国生态系统水源涵养分布特征,从全国、分区和栅格3个尺度揭示中国水源涵养演变规律。结果表明：（1）中国生态系统水源涵养时空异质性显著,整体南高北低、东高西低。不同植被水源涵养服务差异显著,以常绿阔叶林最高,草地最低。（2）中国水源涵养服务随高程升高呈阶梯式下降,随坡度变化因坡度梯度而不同,平坡区随坡度升高而升高,缓坡-陡坡区随坡度升高而降低。（3）中国多年平均水源涵养量为1.54×10¹² m³/a,以热带-亚热带季风区为主导,约占总量的77.9%。水源涵养服务演变全国尺度显著下降,分区尺度仅温带大陆气候区显著下降。（4）栅格尺度仅16.0%栅格变化显著,主要为极显著降低和显著降低,约占栅格总数的7.61%和5.30%,主要分布于藏东南、云贵高原西部、冀东北、浑善达克沙地、天山东麓和台湾省等地,它们是中国水源涵养保护与建设的重点区域。     

东北天然林资源保护工程成效评估及热点区域识别

东北地区天然林资源保护工程的实施,改善了生态环境,提高了生态系统服务能力,对东北地区生态系统服务也起到了积极促进作用。为了更直观的反映东北地区天保工程的实施成效,研究基于长时间序列的遥感监测数据集-土地利用数据,采用InVEST模型和RUSLE模型对1990-2020年天保工程实施前后东北地区和天保工程区生态系统服务变化进行定量评估分析并采用Getis-Ord Gi^*指数识别热点区域。结果表明:(1)东北地区1990-2020年城乡/工矿居民用地和耕地面积分别增加25.37%,12.15%,水域减少21.42%,草地减少14.02%,未利用土地和林地分别减少8.41%,5.34%。(2)1990-2020年东北地区和天保工程区土壤保持量分别增加了95.81×10⁶ t、24.05×10⁶ t,碳储量分别减少了7.49×10⁸ tC、3.92×10⁸ tC,水源涵养量分别增加了177.51×10⁹ m³、58.65×10⁹ m³。(3)东北地区的极显著热点区域主要分布内蒙古地区东北部、黑龙江省北部、吉林省东部和辽宁省东部。随着天保工程的实施,极显著热点区域显著增加,且范围与天保工程高度重合。研究拟为后续东北地区林业政策和生态工程的实施提供科学的参考依据。     

变化环境影响下张承地区水源涵养和土壤保持服务及其权衡与协同关系研究

张家口-承德地区是京津冀环境优化的战略要地,开展水源涵养和土壤保持服务的定量评估对维护生态系统的安全运行意义重大。综合运用InVEST模型、空间偏相关统计制图及情景模拟等手段,分析了张承地区近20年水源涵养和土壤保持服务的时空变化特征及其复杂空间关系,定量评估二者对气候和土地利用变化的响应。结果表明:2000-2019年张承地区水源涵养量、土壤保持强度分别以0.97mm/a的速率增加和-0.50t hm^-2 a^-1的速率减少,空间上二者均呈西低(坝上高原)东高(冀北及燕山山地)的分布格局。冀北及燕山山地落叶阔叶林生态区水源涵养和土壤保持能力强,二者空间关系以协同为主;坝上高原草原与农业生态区则权衡关系更占优势。水源涵养和土壤保持服务关系复杂,空间上与区域土地利用类型、植被覆盖度和坡度关系密切。情景模拟结果表明,降水(r=0.90,P<0.01)对水源涵养服务的影响远大于潜在蒸散(r=-0.37,P>0.1),且降水变幅越大对水源涵养量的作用越强;而降水变化与土壤保持服务呈线性正相关关系,降水每增加(减少)10%引起土壤保持强度增加(减少)74.7t/hm²。预计2030年张承地区水源涵养能力将明显提升,土壤保持能力变化不大,届时人为干扰(如生态保护、规划控制)将对提升水源涵养服务产生重要影响。为改善张承地区水源涵养和土壤保持服务,需同时考虑多种因素的综合影响,以制定更合理的政策措施。建议继续加大国家重点生态工程建设,尽可能限制建设用地扩张,提高植被覆盖度,尤其加强保护关键坡度带是今后生态管理工作应关注的重点。     

基于InVEST模型的黄土高原丘陵区水源涵养功能空间特征分析

水源涵养功能是黄土高原丘陵区生态服务的主导功能,对保障该区域生态与社会经济的可持续发展具有重要作用。以定西市安定区为例,基于InVEST模型评估了2017年的水源涵养功能及其空间分布特征,并利用空间统计方法计算了水源涵养功能的冷热点和重要性分布格局。结果表明,该区2017年在栅格单元的水源涵养量介于0-364.541 mm之间,流域单位面积平均年水源涵养量36.37 m³/hm²,水源涵养总量为11900×10⁴ m³。其中,西河流域单位面积平均年水源涵养量最高,达54.64 m³/hm²,整个区域的水源涵养功能在空间分布上呈由西南向东北逐渐减少的特征。水源涵养功能的热点区域主要集中在南部地区,热点分布呈由西南至东北逐渐降低的分布格局;冷点区面积要高于热点区面积,非显著点面积占总面积的50%以上。水源涵养功能的高度重要区和极重要区面积占总面积的34.39%,主要分布在关川河流域;一般重要区和较重要区面积占总面积的40.59%,主要分布在海拔较低的称钩河和西河流域。通过对定西市安定区水源涵养功能及冷热点和重要性的空间分布特征分析,明确了生态保护与建设的重点区域,为黄土高原丘陵区的生态与社会经济发展提供决策依据。     

青藏高原草地地上生物量估算

及时准确评估草地产草量对草地资源的科学管理和可持续发展具有重要意义。青藏高原自然环境特殊,气候差异显著,地形复杂,仅依靠遥感信息准确监测草地地上生物量(Aboveground Biomass,AGB)变化有较大限制。基于青藏高原草地AGB野外实测数据与Landsat遥感影像,探索了植被指数表征草地AGB信息的有效性,评估了气象和地形信息对准确估算草地AGB的影响,综合利用气象、地形和遥感信息,在新一代地球科学数据和分析应用平台(Google Earth Engine)上构建了梯度增强回归树草地AGB估算模型,绘制了青藏高原多年草地AGB空间分布图。结果表明:(1)基于单因素遥感因子的线性回归模型仅能解释8%-40%的草地AGB变化情况,其中绿色归一化植被指数(Green Normalized Difference Vegetation Index, GNDVI)对草地AGB解释能力较强(40%)。(2)基于遥感因子构建的梯度增强回归树模型测试集R²为0.57。分别添加气象、地形信息,模型对草地AGB的估测准确性有所提升,测试R²为0.62和0.63。(3)基于气象、地形和遥感因子的多因素估测模型能够提高草地AGB估测精度,经递归特征消除法优选后,基于13个特征变量的梯度增强回归树模型拟合效果最好(训练数据集R²=0.79,RMSE=43.42 g/m²,P<0.01;测试数据集R²=0.66,RMSE=53.64 g/m²,P<0.01),可以解释66%草地AGB变化情况。(4)2010年青藏高原平均AGB为94.58 g/m²,2015年93.63 g/m²,2020年100.78 g/m²。青藏高原西北部草地AGB较低,东南部草地AGB较高,整体呈现自西北向东南逐渐增加的分布格局。研究结果为准确估算青藏高原草地产草量和碳储量等研究提供重要参考。     

基于地理空间角度的黑龙江省水源涵养功能变化的驱动因素分析

生态系统服务功能评估关乎人类福祉,是全球关注的热点问题,而水源涵养功能已成为最重要的服务功能之一,是保障区域生态安全和可持续发展的关键因素。基于InVEST模型对黑龙江省2000—2020年水源涵养功能进行定量评估,通过地理探测器分析近二十年黑龙江省水源涵养功能变化空间分异特征的主导影响因素,并结合地理加权回归来捕捉驱动因素的空间分异。结果表明：(1)2000—2020年,全省平均水源涵养量从13.81 mm/m²增加到20.29 mm/m²,水源涵养总量提升46.92%。(2)气候变化是影响水源涵养变化的主要驱动因素,土地利用变化是间接驱动因素;气候和土地利用之间的交互作用对水源涵养变化空间分异性的影响明显大于任何单一因素。(3)驱动因素与水源涵养变化的相关性及强度存在明显的空间分异特征。全省水源涵养变化与降水和林草覆盖率正相关。大小兴安岭和三江平原地区水源涵养变化同时与耕地和城乡工矿用地覆盖率负相关。本研究可为管理部门制定生态环境保护决策和优化生态系统管理提供科学依据。     

基于土地利用变化的祁连山地区生态系统服务价值演化分析

祁连山生态环境保护是建设我国西部生态安全屏障的关键环节,而核算祁连山生态系统服务价值是制定合理有效的生态环境保护措施的有力依据。然而受气候变化和人类活动的共同影响,祁连山地区生态环境问题依旧突出,亟需对该地区生态系统服务价值开展研究以服务后期生态环境建设。基于此目的,使用1990-2020年祁连山地区土地利用数据,运用土地利用动态度、土地利用转移矩阵揭示该地区土地利用变化规律。并使用生态系统服务价值评估模型测算了祁连山地区生态系统服务价值,探究了其动态变化过程,并明确了各土地利用类型与生态系统服务价值变化之间的内在联系。结果表明:(1)1990-2020年,草地和荒漠是祁连山地区最主要的土地利用类型,单一土地利用动态度分别为水域 > 湿地 > 耕地 > 荒漠 > 草地 > 林地。草地和耕地以及草地和荒漠相互转化成为该地区最主要的土地利用变化特征;(2)祁连山地区生态系统服务价值呈持续增加趋势,由1990年的7231.36亿元增加至2020年的7836.07亿元,在空间上呈现出东高西低的变化趋势。生态系统服务价值构成主体主要为水域、草地和林地,单项生态系统服务价值以水文调节和气候调节为主,反映了调节服务是祁连山地区生态系统的主要功能;(3)水域、草地和湿地这3种土地利用类型是近30年祁连山地区生态系统服务价值变化的主要贡献因子。1990-2020年,祁连山地区生态系统服务价值对土地利用的敏感性总体呈增加态势(1.48%-7.91%),土地利用变化对该地区生态系统服务价值的影响逐步增强。系统揭示了过去30年祁连山地区生态系统服务价值的演变及其与土地利用变化的内在联系,重点阐释了水域、草地、林地和湿地对该地区生态系统服务价值和生态环境保护的重要性,可为祁连山地区生态产品价值实现及生态保护管理等提供基础科技支撑。     

基于最小数据方法的甘南藏族自治州生态补偿标准

生态补偿标准的确定是生态补偿机制建立的难点和重点.根据1987-2007年甘南州气象站和2007年甘南藏族自治州的社会调查资料,采用最小数据方法、社会调查法、降水储水量法对草地生态系统服务的供给曲线进行模拟.结果表明：2007年,甘南藏族自治州年实施生态补偿的机会成本为503.6 yuan·hm^-2,草地生态系统提供的单位水源涵养量为1110.7 m³·hm^-2,补偿标准为788.6 yuan·hm^-2,草地生态系统提供的总水源涵养量为2.56×10.9 m³.     

典型气候条件下东北地区生态系统水源涵养功能特征

东北地区是我国重要的生态功能区,其包含的典型生态系统具有独特的水源涵养功能,在防洪减灾,保障生态安全和人居安全中发挥着关键作用。以往有关水源涵养功能的研究主要是依托不同水文模型方法,从单一年份或多个年份的角度进行研究,较少考虑不同气候条件下水源涵养功能的空间分异特征。采用标准化降水蒸散发指数(Standardized Precipitation Evapotranspiration Index,SPEI)划分研究区的典型气候年份(干旱、正常和湿润);基于水量平衡法,结合SCS-CN模型以及Penman-Monteith方程对东北地区典型气候条件下生长季内的水源涵养功能进行研究。结果表明:(1)研究区水源涵养功能在不同气候条件下差异明显,三个典型气候年份生长季内的水源涵养总量分别为:干旱年(SPEI=-1.26)为2214.64亿m~3、正常年(SPEI=-0.22)为3231.49亿m~3和湿润年(SPEI=1.05)为3969.33亿m~3。(2)水源涵养功能空间变异突出,但在三种典型气候条件下呈现出一致变化,均表现为长白山地区水源涵养量最大,大小兴安岭地区次之,水源涵养量最低的地方主要出现在呼伦贝尔以西的草原地区,在东北平原的部分地区也有低值的出现,如白城、通辽、鸡西等地区,水源涵养量较一般的地方出现在东北平原大部分以农田为主的地区。(3)水源涵养功能除受气候因素的影响外,还取决于土地利用类型的变化,对于整个东北地区来讲,水源涵养总量表现为林地农田草地湿地,单位面积水源涵养量在干旱年和正常年表现为林地农田湿地草地,在湿润年份表现为林地湿地农田草地。研究结果揭示了东北地区三种典型气候条件下重要生态系统的水源涵养功能大小、空间分布特征及其主要驱动因素,可为区域生态空间规划和生态系统管理提供科学指导。     

三江源区基于生态系统服务价值的生态补偿额度

以青海三江源区为例,探讨了基于生态系统服务价值的生态补偿额度测算方法。以分析和筛选生态补偿需求下的生态系统服务价值评估指标为前提,估算了生态保护和建设活动实施前(2005年)三江源区草地生态系统服务价值,并采用专家咨询法提出的不同退化程度草地的生态功能系数对其进行修正,得到未退化、轻度退化、中度退化和重度及重度以上退化草地的单位面积生态价值分别为74.70×104、59.76×104、37.35×104元/km2和14.94×104元/km2。根据三江源区草地退化现状和生态恢复的目标,确定该区基于退化草地完全恢复的生态补偿总量为911.62×108元。