三峡库区土地利用与生态环境变化研究进展

三峡工程是人类对地球表面的一次重大改造, 形成了三峡库区这一特殊区域, 探讨三峡库区的土地利用与生态环境变化对维护库区生态、经济、社会可持续具有重要意义。归纳总结了1990-2016 年间三峡库区土地利用与生态环境变化研究的不同发展阶段, 并从土地利用变化及其驱动力、土地利用变化及其生态环境效应(包括水土流失、非点源污染、土壤温室气体排放与重金属污染、自然灾害频发、生物多样性丧失)、生态环境质量评价及生态系统服务这3 方面进行研究综述。提出今后的主要研究趋势是走向综合, 研究的关键挑战为宏观格局变化的环境效应、微观机理与过程研究、尺度效应与尺度推绎以及模型构建与模拟预测。     

基于径流路径的分布式面源污染模型研发与应用进展

精准刻画地表径流的路径及其所携带的面源污染物随径流的输移过程是准确估算面源污染入水体量、污染关键源区辨识和高效防控的关键,在我国以小农户种植为主、景观特征复杂的地理条件下尤为重要。鉴于目前常用的面源污染模型大都起源于国外,往往对径流路径的空间差异性及污染物陆面输移过程进行概化,介绍了一个基于径流路径的分布式面源污染模型(STEM-NPS)及其研发与应用进展。阐述了该模型的研发背景、模型原理和结构,说明了STEM-NPS模型对地表径流汇流及其所携带的污染物输移过程的精细化表达方法;介绍了该模型在不同地理环境及尺度的应用进展,展示了其在地块尺度的面源污染关键源区辨识,关键过程和关键影响因素解析及面源污染监管决策支持等方面的功能;探讨了STEM-NPS模型与其他常用模型的异同,并结合生态学研究和面源污染精准防控的需求,提出模型的应用前景及进一步发展的方向。     

城镇化过程土地利用变化及效应研究进展

城镇化最显著的特征之一是土地利用变化, 并引起了各类生态环境效应。从城市土地利用变化的压力驱动机制与模型, 水环境效应、土壤环境效应、景观格局效应、碳排放效应及生态系统服务效应等方面进行了分析与讨论。发现现有研究对城镇化压力及驱动机制探讨、个案分析较多, 内在机理分析不足。土地利用变化导致的状态效应研究较多, 但尺度单一; 也存在具体案例分析多, 内在机理规律总结少的问题; 长时间序列、多因素、多尺度耦合研究相当缺乏。文章最后提出在“时-空-量-序-构”各层面与城市区域独有特性相结合的以远程耦合(Tele-coupling)方法开展可持续性的城市土地变化科学(URB-LCS)研究。     

区域景观格局与地表水环境质量关系研究进展

摘要：区域景观格局对地表水环境具有重要影响,1970s以来国外学者对区域景观格局与地表水水质之间的关系开展了大量研究。在系统梳理景观格局与水质关系的研究思路和技术方法的基础上,综合国内外文献探讨了水化学离子、常规污染物、营养物、重金属、有机物、水生生物,直至当前的河流健康等各类水环境指标对景观格局的响应程度,以及景观格局影响水环境的尺度效应问题。认为当前研究存在划定流域边界未能严格避免流域嵌套及土地利用空间自相关、选择景观格局变量尚未充分重视空间结构和水文地貌因素、数据分析技术多限于半定量分析等问题,并尝试提出相应的解决方案。试探性地提出国内研究的未来方向,指出在关注研究区域的流域边界是否明确和点源污染是否控制两个理论前提基础上,进一步根据非点源污染物在景观格局中的累积和迁移转化行为特征,进行相应的土地利用景观分类将是十分重要和迫切的基础性工作,提出了将景观格局与过程关系理论应用于城市面源污染调控的关键科学问题,包括非点源与目标水体的空间位置关系、不透水面和透水面的空间格局关系、区域不透垫面比例是否存在阈值,以及设置透水面的最佳空间尺度等。     

基于CLUE-S模型的密云县面源污染控制景观安全格局分析

探讨了基于安全格局分析和"源-汇"生态过程理论,利用土地利用变化模型,研究以面源污染控制为目标的土地利用空间模拟情景分析。基于"源-汇"生态过程理论,利用空间数据库计算了密云县水库周围面源污染控制的景观安全格局,分析了低安全格局中的有较大面源污染风险的土地利用变化过程。基于现状社会经济驱动因子和邻域因子,利用CLUE-S模型模拟了2个情景下的土地利用发展:情景1为现状趋势发展,情景2为反规划途径,即限制低安全格局中具有面源污染风险的土地转变过程,其余地区按现状趋势。结果表明:情景1现状趋势发展下,未利用地复垦和农业用地结构调整两种土地利用转变过程有较大面源污染风险。情景2低安全格局中被限制发展的耕地和果园在模型模拟中转移到了中安全格局内,低安全格局中植被恢复能够增强了对上游污染物的截留;虽然面源污染"源"类型土地总量没有发生变化,但是由于土地格局的优化,整体面源污染风险会降低。     

不同空间尺度的景观格局对流溪河水质的影响

为探究不同空间尺度的景观格局对流溪河水质的影响,于2020年6月和2021年1月在流溪河干流15个采样点进行了水样的采集,测定了水温、溶解氧、pH、氨氮、硝态氮、硫酸盐和氯化物等水质指标。结合遥感解译所得的土地利用数据,提取了不同空间尺度(子流域和河岸带缓冲区)的景观格局指数,采用Bioenv分析、Mantle检验、方差分解和层次分割理论等方法揭示了景观格局对水质变化的影响。研究结果表明：氨氮是流溪河的主要污染物。土地利用结构与空间格局特征对水质的影响存在空间尺度效应。在100 m河岸带缓冲区,水域是影响水质的主要贡献源;而在其他空间尺度建设用地是影响水质的主要贡献源。在子流域尺度,林地和建设用地的斑块密度(PD指数)是影响水质变化的核心特征;而在河岸带缓冲区尺度,水域和建设用地的连通性(CONTAG指数)和林地的多样性(SHDI指数)是影响水质变化的关键特征。在各个空间尺度,土地利用与空间格局的交互作用对驱动水质变化起主导作用,尤其在1000 m河岸带缓冲区对水质的贡献率最高。因此,加强1000 m缓冲区尺度土地利用的管理和减少建设用地成片建设规划等对保护流域水质具有重要意义。     

中国农业面源污染最佳管理措施研究进展

最佳管理措施(BMPs)对控制农业面源污染具有重要意义.本文从两方面归纳中国BMPs的研究现状:基于污染物关键源区的位置,分为不同类型的BMPs(源头控制、迁移途径阻截、末端治理);根据措施实施的环境背景,分为不同空间单元(流域、行政区域)上的BMPs组合.对现有的措施分析其控污机理和净化效果,指出当前研究存在着理论研究薄弱、缺乏成本-效益分析、措施优化组合不够、环境效果评价不足等问题.着重指出今后应从以下5个方面加强研究:BMPs管理体系建设,措施研发与技术集成,模型模拟研究,尺度转换模式,BMPs效益评价.本文旨在为提高中国BMPs构建与研究水平,同时为中国农业面源污染防控和水环境改善提供理论借鉴和科学依据.     

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。     

流域径流泥沙对多尺度植被变化响应研究进展

植被变化与流域水文过程构成一个反馈调节系统,是目前生态水文学研究的重点对象.由于植被自身的生长发育以及受自然因素和人为干扰的作用,植被变化具有多尺度性;由于受流域水文环境的异质性和水文通量的变化性的影响,流域水文过程也同样具有多尺度性.因此,只有通过对不同尺度生态水文过程分析,才能揭示流域径流泥沙对植被变化的响应机理.从不同时空尺度回顾了植被生长、植被演替、植被分布格局变化、造林以及森林经营措施等对流域径流泥沙影响的主要研究成果;概括了目前研究采用的3种主要方法,即植被变化对坡面水流动力学影响的实验室模拟、坡面尺度和流域尺度野外对比观测实验以及水文生态模型模拟方法;分析了植被变化与径流泥沙响应研究要考虑的尺度问题,从小区尺度上推至流域尺度或区域尺度时应考虑不同的生物物理控制过程.研究认为,要确切理解植被与径流泥沙在不同时空尺度的相互作用,必须以等级生态系统的观点为基础,有效结合生态水文与景观生态的理论,从地质-生态-水文构成的反馈调节入手,系统地理解植被变化与径流泥沙等水分养分之间的联系及反馈机制,建立尺度转换的基础.同时,作为有效的研究工具,今后水文模型的发展应更加注重耦合植被生理生态过程以及景观生态过程,从流域径流泥沙对多尺度植被变化水文响应的过程与机制入手,为植被恢复与重建、改善流域水资源状况和流域生态环境奠定基础.     

农村多水塘系统水环境过程研究进展

农村多水塘系统由于其不可替代的水资源蓄积和营养物去除功能,广泛分布于我国东部和南部地区。在分析多水塘系统水环境过程研究进展的基础上,指出了目前多水塘系统水环境过程研究中的不足及未来发展趋势。关于多水塘系统的研究主要从两个尺度展开,分别是生态系统尺度和景观尺度。(1)基于生态系统尺度的多水塘系统水环境过程研究主要表现在两方面。首先,多水塘系统在改变区域水文情势上发挥着重大作用。多水塘系统能有效降低流速,且增加地表径流的滞留时间;其次是对多水塘系统水质的研究,主要包括水塘对污染物截留降解能力的研究、水塘底泥和水体之间营养物形态转化和输移机制的研究。(2)基于景观尺度的多水塘系统水环境过程模型研究主要包括构建经验模型和机制模型两方面。经验模型主要是利用统计分析方法分析景观格局与水环境之间关系;适用于农村多水塘系统的水环境机制模型主要包括国外的SWAT、HSPF、DRAINWAT和TOPMODEL模型。农村多水塘系统的研究可以为建设生态新农村提供科学依据。     

海河流域面源污染风险格局识别与模拟优化

面源污染是海河流域面临的主要水生态环境问题,如何通过流域景观格局优化实现对面源污染的控制一直是研究的热点问题。通过最小累积阻力模型,以海河流域为研究对象,将流域景观要素及影响流域景观过程的外部因子相结合,对海河流域面源污染风险格局进行了识别,并将阻力格局与海河流域实测水环境指标进行相关性分析及验证,在此基础上对流域污染风险进行识别与优化模拟。结果表明海河流域有40%以上(130380 km2)区域面临高污染风险,集中分布在中南部平原地区以及山区河谷地带;对此设置河流植被缓冲带进行格局优化模拟分析,通过比较不同措施格局优化阻力值变化趋势表明,对于二级河流水系,加强河流两岸600—1600 m范围的人类活动管控,可以有效降低污染物输出,显著降低流域面源污染发生的风险。在面源污染风险等级较高的平原地区,设置300—400 m植被缓冲带,可将风险等级降低50%,设置700—800 m岸边植被缓冲带即可达到最佳效果;而在山区地区因风险较低,设置400—500 m的植被缓冲带即可达到最佳效果,能够将污染风险在现有基础上降低30%—40%。这一研究结果对海河流域景观格局优化和面源污染风险控制提供科学参考。     

三峡库区典型流域“源”“汇”景观格局时空变化对侵蚀产沙的影响

以三峡库区王家桥流域为研究对象,基于五期遥感影像(1995、2000、2005、2010和2015)提取流域景观格局,采用马尔科夫模型研究"源""汇"景观格局时空变化,并结合野外多年实测数据建立景观格局指数与产沙量之间的关系,分析景观格局对流域侵蚀产沙的影响。结果表明:1995—2015年,王家桥流域景观格局时空变化明显,呈破碎化发展趋势。"源"景观面积持续下降,"汇"景观面积持续增长。在降雨量时序曲线相似的条件下,斑块类型尺度的景观指数对侵蚀产沙量的解释能力高于景观尺度。斑块类型尺度,"源""汇"景观指数与径流输沙量的复相关系数分别为0.946和0.903,均显著相关。对于"源"景观而言,相似邻近百分比(PLADJ)与斑块结合度(COHESION)是影响流域侵蚀产沙的重要指标。径流输沙量与PLADJ和COHESION指数呈正相关关系,输沙量随指数的增大而增大。对于"汇"景观而言,斑块密度(PD)、边界密度(ED)、景观形状指数(LSI)是影响流域侵蚀产沙的重要指标,径流输沙量与PD和LSI呈负相关关系,输沙量随着指数的增大而减小。斑块类型尺度上,流域景观格局时空变化对泥沙输出影响显著。研究结果可为建立其他流域景观格局变化与土壤侵蚀响应关系提供参考。     

长江三峡库区土地利用/覆盖的长期变化

了解土地利用/覆盖的时空变化有助于揭示气候变化和人类活动对生态系统的影响,是开展生态系统管理的重要前提.长江三峡库区是我国重要的生态脆弱区,环境变化影响的复杂性显著,但目前对此仍缺乏系统了解.本文通过解译Landsat时序遥感影像,获取三峡库区土地利用/覆盖数据,研究土地利用/覆盖构成结构及其分布的长期时空变化特征,以揭示三峡库区土地利用/覆盖的演变规律,为深入了解生态脆弱区生态系统变化复杂性和区域生态系统管理提供科学依据.结果表明: 1990—2015年间,三峡库区土地利用/覆盖结构的空间异质性和变化显著,农田面积比例由66.2%降至40.4%,林地面积比例由31.3%增至53.5%,库区由农业景观转变为以森林、灌木林等为主的林地景观,建设用地和水体逐渐增加;林地逐渐向库区中部扩张,建设用地点状扩张;海拔500～1000 m和坡度15°～25°区域林地面积比例增长最明显,针叶林、针阔混交林和灌木林等植被类型增长最快.研究期间,三峡水库建设和各类生态恢复工程的实施促使区域土地利用/覆盖结构呈阶段性变化,总体表现为生态恢复趋势.积极的生态恢复措施有助于消减工程建设对区域生态环境的负面影响.     

尺度整合视角下伊犁河谷地区生态安全格局构建——以昭苏县为例

构建生态安全格局是一种协调区域生态保护与经济发展关系的有效途径。由于生态系统服务供需差异,不同等级的行政区在生态安全格局构建中出现了空间结构错位脱节的问题。从整合视角出发,尝试整合伊犁河谷地区州级和县级两级尺度构建昭苏县生态安全格局。首先基于生态系统服务评价确定生态源地,再构建综合阻力面并采用电路理论模型识别生态廊道。研究结果显示,整合州级和县级两级尺度昭苏县共确定了24个生态源地,面积2504.47km²,主要分布于昭苏中部盆地以及北部、南部山区,土地利用类型主要为耕地、草地和林地;识别生态廊道50条,总长度200.17km。与单一尺度下生态安全格局构建相比,整合不同尺度构建生态安全格局能显著改善区域生境破碎化的问题,提高区域景观连通性。本研究提供了一种整合不同尺度下生态安全格局构建的技术框架,研究结果可为伊犁河谷地区国土空间格局优化提供有效参考。     

汶川县生态系统服务对景观格局及其变化的响应

景观格局及其变化是影响生态系统服务供应与维持的主要原因之一,也是生态系统服务管理与景观空间配置优化的基础。基于30 m分辨率土地利用数据,统计汶川县2000—2015年多种景观格局指数和碳固定、水源涵养、土壤保持3种生态系统服务的变化,划分等级探究生态系统服务对景观格局及其变化的响应。研究结果表明:1)汶川县整体景观趋于破碎化、斑块形状复杂化,斑块异质性增加,且主要是在林地、草地和耕地之间转换;2)对于生态系统服务,碳固定在全域内有所减少,而大部分区域水源涵养和土壤保持呈增长趋势;3)不同生态系统服务对景观格局的响应存在差异,不仅表现在指标上,也体现在程度上,如碳固定对斑块形状指数(Landscape Shape Index,LSI)响应较为明显,而对蔓延度指数(Contagion Index,CONTAG)敏感性较差;4)并非所有景观格局变化均会引起生态系统服务变化,尺度也会对结果造成影响。本研究通过生态系统服务对景观格局的响应分析,可为区域景观管理的相关评估提供借鉴。     

近30年来三峡库区土地利用与生态环境效应研究热点演变及展望——基于Citespace的文献可视化分析

三峡库区作为三峡工程建设后形成的独特地理单元,梳理探讨其土地利用与生态环境效应已有研究成果,对于库区土地利用、生态可持续发展具有重要意义。基于Citespace软件及传统文献归纳方法对文献总体特征、热点演变、主要内容、存在问题与不足等分析发现:(1)土地利用与生态环境效应相关的中英文发文量持续增长,领域影响力增强,研究具有多学科、交叉性等特点;(2)研究经历了1990-2005、2006-2014、2015-2022年三个时段的演变:一阶段重点关注土地整理、土地生态保护等问题;二阶段重点关注消落带、土地利用变化的地形梯度效应等问题;三阶段重点关注景观格局变化的社会-经济生态耦合、生态系统服务等问题,与库区发展及区域政策相吻合;(3)库首、库腹、库尾关注的主要内容有所差异:库首研究以生态风险评价及生态系统服务为主;库腹侧重对坡耕地变化的社会生态经济耦合研究;库尾因建设用地较多,在土地整治及区域规划背景下进行研究;(4)土地利用变化从注重单一要素转向多要素、多功能研究,驱动因子研究从定性分析转向定性与定量相结合分析;退耕还林等生态政策实施以来区域生态系统服务总体呈上升趋势、生态风险指数明显下降;土地利用的生态环境效应研究内容更加多元化;(5)当下的研究面临着数据、方法、指标体系构建等问题,未来需要从理论构建、方法创新、实践应用等多方面进行探索。     

草原区矿产开发对景观格局和初级生产力的影响——以黑岱沟露天煤矿为例

煤炭是我国的主要能源,大型露天煤矿的开发推动了地区经济与社会的发展,但同时也引发了区域生态环境问题。因此,探讨矿产开发对区域景观格局的影响,并阐明景观格局动态与生态系统初级生产力的关系,对生态环境的保护具有重要意义。以内蒙古草原区的黑岱沟露天煤矿为例,利用3S(RS、GIS和GPS)技术,在野外实地调查的基础上,分析了1987年以来矿产开发导致的土地利用/覆盖变化、景观格局动态及其与生态系统初级生产力之间的关系,主要结果如下:(1)提出了界定最适研究区范围的方法,认为沿矿区边界向外建立10 km的缓冲区是该研究最适研究区域的大小;(2)草地和耕地是研究区主要的土地利用/覆盖类型,但是在过去20多年间其面积在逐渐减少,而工矿仓储用地及住宅用地面积在急剧增加;(3)矿产开发导致景观格局发生变化,并且在两种不同的空间尺度(研究区和矿区)上表现出总体变化趋势的一致性,但在后期有较大差异;(4)初级生产力变化呈现下降趋势,并且矿区的降低更为突出;(5)以生长季降水量为控制因子的偏相关分析表明,景观配置(平均斑块周长面积比、景观形状指数)与初级生产力呈正相关关系,在研究区尺度上尤其显著,但在矿区尺度上,景观结构组成(斑块密度、均匀度指数和多样性指数)更为重要,与初级生产力呈显著负相关;(6)受复垦规模和演替进程的影响,局限在矿区排土场上的植被重建尚不能改变研究区尺度景观-生态系统初级生产力之间的关系。可见,景观格局的变化以及景观格局与生态系统初级生产力之间的关系均存在尺度依赖性。     

耦合过程和景观格局的土壤侵蚀水环境影响评价

将景观格局的作用纳入到土壤侵蚀的生态环境影响评估中,具有方法上的实用意义,可为水体泥沙源区识别、评价立地侵蚀对目标水体的泥沙输出风险和流域景观格局对土壤流失抑制潜力提供一种途径.本文将RUSLE模型作为模拟立地土壤侵蚀强度的工具,考虑植被覆盖和地形对泥沙输送的阻滞作用,从点(栅格)和子流域两个尺度,采用景观格局表征方法定量评估南水北调中线水源区土壤侵蚀对河流、水库的影响.在点(栅格)尺度提出土壤侵蚀影响强度(I)指标表征土壤侵蚀对水体的泥沙输出风险;在流域尺度利用反映流域景观格局留滞泥沙能力的渗透指数(LI)指示泥沙进入水体的风险.结果表明： 耦合景观格局信息和侵蚀过程的指标能空间分布式地有效反映立地土壤侵蚀对水体泥沙输入的影响强度;LI与流域平均景观阻滞、平均植被覆盖度呈显著的指数关系, 子流域输沙模数与LI呈显著的指数回归关系.说明基于土壤侵蚀过程表征景观格局、将景观格局信息与景观土壤保持功能结合起来的评价方法,可为土壤侵蚀风险评价提供新途径.     

基于“源-汇”生态过程的景观格局识别方法——景观空间负荷对比指数

正确理解景观格局与生态过程的关系是进一步深化景观生态学研究的关键,但是由于景观格局和生态过程涉及到不同的研究尺度,并且随着尺度的变化而变化,加上面状生态过程监测数据无法直接获得,导致很难定量描述景观格局与生态过程之间的关系。本文以非点源污染作为研究的典型生态过程,通过分析不同景观类型及其空间分布格局在非点源污染形成过程中的地位和作用,借用洛伦兹曲线的理论,从距离、相对高度和坡度三个方面建立了不受尺度限制的景观格局评价模型——景观空间负荷对比指数。该指数可以较好地将具有面状特性的景观格局与点状监测数据有机地结合在一起,使定量研究流域景观格局与生态过程的关系成为可能。该评价模型的特点有以下几个：①不受空间尺度的限制,具有跨尺度的功能;②适宜于环境背景(降雨和土壤等)相似的地区;③景观空间负荷对比指数具有相对比较意义,其值越大,表示该类景观空间格局对流域出口监测点的贡献越大,反之越小;④景观空间负荷对比指数不能用来预测流域出口监测点非点源污染或水土流失的值,但是可以通过比较计算不同流域景观空间负荷对比指数,来判断流域发生养分(水土)流失的危险性。     

不同空间尺度景观特征对南流江水质的影响差异

流域景观特征决定了非点源污染物来源与地表景观削减消纳能力,但尚缺乏全流域不同空间尺度对二者关联性的认识。以广西北部湾南流江为例,分别在子流域、河岸缓冲带以及监测点圆形缓冲区三种尺度上,基于2020年Landsat 8 OLI遥感影像解译的土地利用类型特征,结合水质监测数据,运用数理统计和GIS空间分析方法,探讨了流域景观特征在不同空间尺度上对河流水质的影响。结果表明：(1)在子流域尺度,土地利用类型以林地为主,而在河岸缓冲带与监测点圆形缓冲区均以耕地为主;(2)水质指标高锰酸盐指数、生化需氧量与景观特征相关性最为显著,耕地、建设用地、其他用地和园地与其呈正相关,是南流江水质污染负荷的重要来源区;景观格局指数中,斑块密度、蔓延度指数、多样性指数、均匀度指数是引起河流水质指标变化的主要景观因子;(3)受流域内或不同子流域间景观特征差异,景观组成面积占比和景观格局指数均在河岸缓冲带尺度对水质状况影响最大,分别可解释57.0%和64.7%的水质指标变化;子流域尺度次之,圆形缓冲区尺度最小,且景观格局指数对水质状况的影响大于景观组成面积占比。建议在河岸带50 m范围内严格控制耕地面积,建设河岸缓...