闽江河口湿地秋茄叶绿素含量高光谱遥感估算

叶绿素含量是表征植被胁迫状态的一个重要指示因子,同时也是其它生化参数估算的重要基础,对其进行遥感反演具有重要意义。选取闽江口秋茄(Kandelia candel)作为研究对象,分别于2013年4月和7月采集叶片,室内测定其叶片正面和反面反射光谱,同时测定其叶绿素含量(单位面积含量和单位质量含量)。选取13个常用参数进行敏感性分析,并进一步选取与叶绿素相关系数较高的参数建立估算模型。结果表明,秋茄叶片反面反射率高于正面,尤其在绿光波段和近红外波段部分区域(1450—2450 nm)表现较为明显。对所选取的大部分参数而言,其与单位面积叶绿素含量的相关系数要高于与单位质量叶绿素含量的相关系数;基于正面光谱计算的光谱参数与叶绿素含量的相关系数要高于基于反面光谱计算的光谱参数。估算与验证模型结果进一步表明,TCARI、Vog1、Vog2和Vog3能较好的估算不同生长期秋茄叶片的叶绿素含量。此外,在使用GM、Carter2和PSSRb估算叶片叶绿素含量时,可以适当考虑反面光谱的应用。这些结果也预示着利用高光谱遥感数据估算秋茄叶片叶绿素含量是可行的,并且具有较高的估算精度。     

湿地土壤全氮和全磷含量高光谱模型研究

氮磷是湿地生态系统土壤中的重要营养元素,其对湿地植被生长、湿地生态系统生产力、区域富营养化变化、湿地环境生态净化功能等具有重要的影响作用。研究氮磷营养物质在湿地土壤中的分布变化特征,对湿地生态系统评估、恢复和管理具有重要的意义。以中国高纬度地区面积最大的滨海芦苇湿地——盘锦湿地为研究区,采用不同建模方法(再抽样多元逐步回归模型bootstrap SMLR和再抽样偏最小二乘回归模型bootstrap PLSR)和光谱变换技术(包络线去除CR、光谱一阶微分FD和光谱倒数的对数LR),分别建立了湿地土壤全氮和全磷含量的估算模型。基于湿地土壤实测光谱,模拟高光谱Hyperion数据和多光谱TM数据,在此基础上进行湿地土壤营养元素含量估算。对比所建反演模型的估算精度,探讨高光谱遥感技术对湿地土壤营养元素组分的估算能力和适用性。研究结果表明:bootstrap PLSR相比于bootstrap SMLR建模方法,其对研究区湿地土壤全氮和全磷含量的估算获得了较高精度;对盘锦湿地土壤全氮含量的估算,最高估算精度产生于CR光谱变换技术结合bootstrap PLSR建模;对湿地土壤全磷含量的估算,最高估算精度产生于原光谱数据结合bootstrap PLSR建模;模拟高光谱数据Hyperion对湿地土壤全氮和全磷含量的估算精度均高于模拟多光谱数据TM,模拟Hyperion的估算精度更接近于实测光谱的估算精度。     

闽江河口湿地土壤全磷高光谱遥感估算

磷是湿地生态系统必需和限制性元素,利用高光谱遥感数据对其进行估算对实现湿地土壤磷素快速和准确定量具有重要意义。选取闽江河口湿地作为研究区,于2013年5月,采集16个土壤剖面80个样本作为估算与验证模型样本;基于光谱指数建立土壤全磷(TP)含量估算模型,其中光谱指数包括原始光谱反射率(R)、比值土壤指数(RSI)、归一化土壤指数(NDSI)和有机质诊断指数(OII)。此外进一步分析反射光谱与不同形态磷,TP与有机质之间关系,以期初步揭示河口湿地土壤TP估算的机理。研究结果表明,闽江河口湿地土壤TP含量与R相关系数较高的区域分布在360-560 nm,并在406 nm处达到最大值-0.816;光谱指数RSI(R_(430),R_(830))、RSI(R_(460),R_(810))、RSI(R_(560),R_(580))、NDSI(R_(430),R_(830))、NDSI(R_(460),R_(830))、NDSI(R_(560),R_(580))和OII(R_(446))与土壤TP含量均有较高的相关系数,能较好的用于TP含量的估算;各估算模型决定系数(r~2)和均方根误差(RMSE)分别在0.657-0.805和0.052-0.067之间;验证模型r~2和RMSE分别在0.606-0.893和0.037-0.044之间。分潮滩建立TP含量估算模型是可行的,并且能提高部分光谱指数的估算精度。土壤TP含量的估算精度与磷素的组成有关,其中与铁吸附态磷关系较为密切,钙吸附态和铝吸附态磷关系较弱。土壤TP与有机质和氧化还原环境的存在密切关系可能是湿地土壤TP含量估算的重要机理。     

闽江口潮滩湿地不同植被带土壤及间隙水中硅的分布特征

以闽江口潮滩湿地为研究对象,由岸及海方向对芦苇、短叶茳芏、互花米草(潮沟内)和互花米草(潮沟外)4种湿地土壤生物硅和土壤间隙水氮硅营养盐含量及其随深度变化的特征进行为期1a的季度观测。结果显示:互花米草(外)、短叶茳芏、芦苇和互花米草(内)带湿地土壤生物硅的年均含量依次降低,分别为14.33、10.40、9.98、7.50 mg/g;互花米草(外)、互花米草(内)、短叶茳芏和芦苇带湿地土壤间隙水活性硅酸盐年均含量依次降低,分别为407、359、344、323μmol/L;湿地各植被带土壤及间隙水含硅量均呈现夏秋季节高于冬春季节的趋势。统计分析表明:间隙水活性硅酸盐与土壤生物硅含量、距潮沟的距离之间的正相关性均比较显著(P0.05),温度对土壤中硅含量的影响也有一定的正相关性,说明湿地植被、温度和潮汐作用是影响闽江口湿地硅分布的重要因素。与土著种对比,互花米草入侵在一定程度上改变了闽江口潮滩湿地土壤硅分布的格局。     

闽江口芦苇与短叶茳芏空间扩展对湿地土壤磷赋存形态的影响

选择闽江口鳝鱼滩的芦苇湿地、短叶茳芏湿地以及芦苇与短叶茳芏空间扩展形成的交错带湿地为对象,研究了不同湿地土壤磷赋存形态的分布特征及其主要影响因素。结果表明,不同湿地土壤中各形态磷含量整体表现为HCl-Pi > NaOH-Pi > Residual-P > NaHCO₃-Pi > NaOH-Po > Sonic-Pi > Resin-Pi > NaHCO₃-Po。其中,难分解态磷占TP的比例最高（Resin-Pi、NaHCO₃-Pi、NaHCO₃-Po）,为48.3%-51.1%;中等易分解态磷次之（NaOH-Pi、NaOH-Po、Sonic-Pi、Sonic-Po）,为37.4%-38.8%;而易分解态磷最低（HCl-P、Residual-P）,为11.5%-12.9%。交错带湿地土壤中易分解态磷、中等易分解态磷和难分解态磷含量相对于纯群落湿地均发生了明显改变,其值相比芦苇湿地分别提高了10.6%、19.2%和22.6%,相比短叶茳芏湿地分别提高了1.6%、11.5%和16.6%,原因主要与二者空间扩展过程中交错带湿地土壤的理化性质特别是粒度组成、pH以及Fe、Al含量均较纯群落湿地发生明显改变有关。芦苇与短叶茳芏的空间扩展整体改变了湿地土壤的全磷（TP）含量和储量,相对于芦苇湿地和短叶茳芏湿地,交错带湿地土壤的TP含量分别增加了20.0%和7.1%,而磷储量分别增加了12.0%和18.0%。研究发现,芦苇与短叶茳芏的空间扩展不但改变了湿地土壤中磷的赋存状况,而且亦可能改变不同磷形态之间的转化。交错带湿地土壤磷赋存状况有助于缓解芦苇与短叶茳芏空间扩展过程中对磷养分的竞争压力,从而可能在一定程度上维持交错带湿地系统的相对稳定。     

闽江口芦苇与短叶茳芏湿地土壤无机硫形态分布特征及其影响因素

选择闽江口鳝鱼滩的芦苇湿地、短叶茳芏湿地以及二者交错带湿地为对象,研究了不同类型湿地土壤无机硫赋存形态的分布特征及其主要影响因素。结果表明,芦苇与短叶茳芏在空间扩展过程中形成的交错带湿地土壤的水溶性硫(H_2O-S)、吸附性硫(Adsorbed-S)和盐酸可溶性硫(HCl-Soluble-S)含量在0—40 cm土层上整体要高于芦苇湿地和短叶茳芏湿地,而盐酸挥发性硫(HCl-Volatile-S)含量则与之相反。在垂直方向上,不同类型湿地土壤的H_2O-S、Adsorbed-S和HCl-Soluble-S含量整体均自表层向下呈先降低而后增加的变化,而盐酸挥发性硫(HCl-Volatile-S)含量则与之相反。3种类型湿地土壤中不同形态无机硫平均含量整体均表现为HCl-Soluble-S H_2O-S Adsorbed-S HCl-Volatile-S,且其总无机硫(TIS)平均含量分别占全硫(TS)含量的22.29%—39.99%(芦苇湿地)、32.39%—33.33%(交错带湿地)和30.20%—30.86%(短叶茳芏湿地)。与芦苇湿地和短叶茳芏湿地相比,交错带湿地土壤的H_2O-S、Adsorbed-S、HCl-Soluble-S和TIS平均含量整体均呈增加趋势,增幅分别为36.94%和54.31%、34.84%和13.03%、73.25%和67.59%以及45.72%和45.28%;与之不同,HCl-Volatile-S平均含量则呈降低趋势,降幅分别为2.78%和22.24%。不同类型湿地土壤中H_2O-S、Adsorbed-S和TIS含量的变化主要受有机质含量和细颗粒组成的控制,而HCl-Soluble-S和HCl-Volatile-S含量主要受土壤氧化还原环境和金属元素分布的影响。研究发现,芦苇与短叶茳芏的空间扩展明显增加了交错带湿地土壤的H_2O-S、Adsorbed-S、HCl-Soluble-S和TIS含量,但降低了HCl-Volatile-S含量,说明二者的空间扩展在整体提高交错带湿地土壤有效硫供给能力的同时,亦降低了挥发性硫化物可能对二者生长产生的不利影响,这对于保持二者在交错带湿地中的竞争力具有重要生态意义。     

基于相关分析和偏最小二乘回归的黄绵土土壤全氮和碱解氮含量的高光谱预测

以采取植被恢复措施的陕西省吴起县为研究区,实地采集24个土壤剖面不同层次的黄绵土土样100个,在进行土壤样本全氮（TN）和碱解氮（AHN）含量及实验室反射光谱数据测量和分析的基础上,用相关分析（CA）结合偏最小二乘回归（PLS）方法建立黄绵土土壤TN和AHN含量的校正模型,并用独立样本对校正模型进行验证.结果表明： 利用6种光谱变换方式建立的校正模型中,微分光谱建立的校正模型是预测研究区土壤TN含量的最佳模型,校正和验证R²分别为0.929和0.935,均方根误差（RMSE）分别为0.045和0.047 g·kg^-1,相对预测偏差（RPD）为3.12;而归一化变换建立的校正模型是预测土壤AHN含量的最佳模型,校正和验证R²分别为0.873和0.773,RMSE分别为9.946和16.204 mg·kg^-1,RPD为1.538.所建立的全氮预测模型可以对0～40 cm土层的TN进行有效预测,而碱解氮的预测模型对同一深度只能进行粗略预测.本研究为采取植被恢复措施的退化生态系统区黄绵土土壤全氮的快速预测提供了一种较好的方法,但是对于碱解氮的准确、快速预测,需要进一步研究.     

湿地小叶章叶绿素含量的高光谱遥感估算模型

通过实测不同覆盖度和水深状况下小叶章(Calamagroestis angustifolia)的冠层高光谱反射率与叶绿素a(Chl-a)浓度,采用高光谱可见光-近红外波段及其微分光谱波段(350～1050 nm)逐波段构建FNDVI、FRVI、FDVI、FDNDVI、FDRVI和FDDVI植被指数,分别找出与Chl-a具有最佳相关性波段组合的植被指数,建立小叶章Chl-a含量的最佳估算模型,并对比分析了最佳模型与线性模型的预测精度.结果显示:微分光谱植被指数与Chl-a的最佳预测模型(FDNDVI、FDRVI和FDDVI)比反射率植被指数最佳模型(FNDVI、FRVI和FDVI)的预测精度分别提高了6.86%、4.82%和10.10%;植被指数(FNDVI、FD-VI、FDNDVI和FDRVI)与Chl-a含量具有较好的线性关系,而最佳模型比线性模型预测精度仅仅提高了0.60%、1.40%、1.02%和0.93%,可以用简单的线性模型反演湿地小叶章的Chl-a含量.     

人工恢复黄河三角洲湿地土壤碳氮含量变化特征

为阐明湿地恢复对土壤碳氮含量的影响,本文以黄河三角洲芦苇湿地为研究对象,比较了退化区与连续淡水恢复区土壤pH值、盐分、有机碳、全氮、氨态氮、硝态氮的含量变化,研究结果表明,（1）随着恢复年限的增加,各样地各层土壤pH值总体上降低,电导率显著降低（P < 0.05）,表明退化湿地的人工恢复可明显降低其盐度;恢复区上层（0—20cm）土壤盐分均低于下层（20—40cm）,未恢复区则相反;（2）随着恢复年限的增加,0—20cm土壤有机碳、全氮含量增加,分别由恢复前的（7.710?0.756）g/kg、（0.66?0.021）g/kg增加到恢复7a后的（16.96?0.213）g/kg、（1.277?0.027）g/kg,恢复区有机碳、全氮含量在空间上的变化表现为上层大于下层;（3）各样地硝态氮含量均低于氨态氮含量,碳氮比值介于4—8之间;（4）相关分析表明,湿地恢复后土壤各因子间有显著的相关性,有机碳与全氮两者显著正相关,氨态氮与pH、盐分、有机碳、全氮均达到极显著正相关关系（P < 0.01）。该研究结果对于评估湿地恢复效应,指导湿地恢复的实践具有重要作用。     

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InVEST模型的生态系统服务功能应用研究进展

生态系统服务功能的模拟、评估、预测及其权衡关系的研究成为生态系统服务研究领域的热点。InVEST模型包含近20项生态服务模块,不仅涵盖了生态系统服务的众多方面,能满足不同功能的评价、模拟和预测需求;而且具有很强的空间化、动态化、可视化等特点。系统分析了该模型中应用最为广泛的生境质量、水土保持、产水模型和生态系统服务综合功能等四个方面的应用情况,介绍了生境风险评价模块的应用原理,探讨InVEST模型在生态系统服务功能评估中存在的问题以及未来的发展趋势。以期更准确、更全面地评估生态系统服务功能,更好地保护生态,也可为管理者和决策者提供参考。     

闽江河口湿地土壤速效磷时空分布与来源

选取闽江河口潮滩湿地作为研究区,于2013年5、8和11月沿水文梯度采集不同深度土壤,测定其速效磷含量,研究闽江河口潮滩湿地土壤速效磷沿水文梯度的时空分布特征;并进一步测定土壤全磷(TP)、有机磷(Org-P)和无机磷(IP)分级,利用通径分析揭示土壤速效磷来源。结果表明:5月和8月土壤平均速效磷含量分别为3.53±1.15和3.23±1.15 mg·kg-1,显著高于11月(1.96±1.07 mg·kg-1)(P0.05);5、8和11月土壤速效磷空间分布格局相似,从高潮滩到中潮滩,其含量呈波动降低,并且表现为芦苇群落土壤速效磷含量显著高于短叶茳芏群落(P0.05);在垂直方向上,高潮滩土壤速效磷含量大都随深度增加而降低,中潮滩其垂直变化不显著;在植物生长初期(5月),土壤Org-P和闭蓄态磷(O-P)是速效磷的主要来源;在植物生长旺盛期(8月)和生长末期(11月),土壤Org-P和铁磷(Fe-P)是速效磷的主要来源。     

闽江流域生境质量时空演变特征与预测研究

流域生境是生物生存和可持续发展的物质基础与环境保障,土地利用变化是影响生境质量的重要因素,分析土地利用与区域生境质量时空演变特征,对区域生物多样性保护与土地可持续利用具有重要意义。以闽江流域为研究区,基于2000-2015年的土地利用空间数据,构建CA-Markov模型模拟2025-2040年现有发展与生态保护情景下土地利用空间数据,利用InVEST模型分析2000-2040年生境质量空间格局。结果表明：（1）闽江流域森林覆盖率较高,现状条件下水田、旱地、针阔混交林、灌木林、草地与湿地面积呈下降趋势,其中草地减幅最大,达44.64%,针叶林、阔叶林、水域、建设用地、交通用地、采矿场与裸地面积呈上升趋势,其中交通用地涨幅最大,达到227.27%;模拟的土地利用Kappa系数达89.09%,模拟结果较好,生态保护情景在未来土地利用格局优化上优势明显。（2）研究期内闽江流域总体呈现较高的生境质量,基本维持在0.82的水平,城乡建设用地区域是生境质量低值的主要分布区,福州与长乐分布有最大的生境质量低值聚集区;生境质量分布与地形条件存在一定相关性,低值区多为海拔较低的区域。（3）2000-2015年闽江流域生境质量总体呈现衰退趋势,且降幅逐期升高,最高达0.24%;现有发展情景下降的趋势未得到有效缓解,生态保护情景下降趋势逐步有效缓解,同时生境质量为优等的栅格数量占比最大,最高达87.42%。（4）闽江流域上中游区域生境水平较下游高,现有发展情景下这种差距出现扩张趋势,生态保护情景下各区域则基本维持住2015年的生境质量水平。研究结果可为闽江流域土地资源可持续利用与生物多样性保护提供科学依据和决策参考,促进区域可持续发展。     

拉萨河流域生态系统类型和质量变化及其对生态系统服务的影响

在气候变化和人类活动干扰驱动下,地表生态系统的类型和质量都在发生复杂的变化,进而对生态系统服务和人类福祉产生深远影响。青藏高原的生态重要性和生态敏感性显著,其生态系统和生态服务的变化对区域和我国的生态安全具有重要的影响和指示意义。为了揭示拉萨河流域近年来的生态系统变化导致的生态系统服务变化,尤其是生态系统质量变化及其对生态系统服务的影响,选择NDVI作为生态系统质量变化的指示因子,通过对In VEST模型中与植被相关的各参数进行计算和修正,结合生态系统类型变化,评估了1990—2015年间拉萨河流域土壤保持、水源涵养和固碳三项生态系统服务的变化,进而分析了生态系统类型和质量变化对其的影响。研究结果表明,1990—2015年拉萨河流域生态系统类型变化整体相对较小,但是人工表面和湿地面积变化速率较快; 1990—2000年生态系统质量整体有显著上升,2000年以后略有下降,其中2000—2015年草甸和草原NDVI分别下降了7.48%和5.44%,呈现明显退化趋势; 1990—2015年拉萨河流域土壤保持和固碳服务分别增加了3.98%和9.12%,而水源涵养服务降低了23.05%,各项生态系统服务变化主要发生在1990—2000年;总体来看,生态系统类型变化引起的生态系统服务变化相对较小,而生态系统质量变化对流域生态系统服务的影响显著,尤其是1990—2000年间;但2000年以后生态系统类型变化对生态系统服务变化的贡献有所加大。     

基于生态系统服务的山西黄河流域保护优先区识别

山西黄河流域当前面临生态环境快速退化问题,从生态系统服务视角进行保护优先区识别是自然保护和可持续发展的关键步骤。为给研究区生态平衡的维护及生态保护规划和决策提供信息来源和理论依据,基于2010—2020年多源数据,通过GIS空间分析和InVEST(Integrated Valuation of Ecosystem Services and Trade offs)模型等方法模拟主要生态系统服务(生境质量、土壤保持、防风固沙、产水、碳固定、粮食供给)时空格局并采用热点分析和OWA(Ordered Weighted Averaged)多属性决策方法构建保护情景,评估保护效率筛选出最佳保护优先区。结果表明：(1)2010—2020年,土壤保持、防风固沙、产水、碳固定和粮食供给服务整体呈现出上升趋势,仅生境质量小幅度下降。空间上,研究区西部和东南部生境质量、土壤保持、产水和碳固定服务突出,防风固沙服务分布较破碎,中部及西南部平原地区粮食供给服务显著。(2)保护情景中,单项生态系统服务保护优先区主要位于三川河流域、昕水河流域和沁河流域,由单一服务主导呈现空间异质性。综合生态系统服务构建了11种保护...     

基于土地利用变化情景的生态系统服务价值评估: 以钱江源国家公园体制试点区为例

土地利用变化是生物多样性与生态系统服务变化的主要原因之一。评估土地利用变化对生物多样与生态系统服务影响对于政府决策具有重要作用。钱江源国家公园体制试点区是钱塘江的源头, 也是国家的重点生态功能区。本研究以钱江源国家公园体制试点区为研究区, 首先设计自然发展情景、规划情景、生态保护情景和开发利用情景等4种2025年不同土地利用变化情景, 随后采用InVEST模型和CLUE-S模型分析不同情景下钱江源国家公园水资源供给、涵养水源、固碳释氧、土壤保持、环境净化和生境质量等生态系统服务及其价值变化。结果表明: (1)核心保护区和生态保育区的生态系统服务价值占钱江源国家公园总价值的88.30%。(2)生态保护情景下钱江源国家公园生态系统服务价值最高, 有129.17亿元; 规划情景下生态系统服务价值次之, 有126.92亿元。(3)规划情景下钱江源国家公园水资源供给服务优于生态保护情景, 其他生态系统服务则次于生态保护情景。考虑到钱江源国家公园为下游提供重要的水资源这一功能, 将规划情景作为试点区2025年最优的土地利用变化情景。     

Adaptive management of estuarine resource utilization and wetland conservation based on multi-temporal remote sensing: A case study of Minjiang Estuary,China

Adaptive management of estuarine resource utilization and wetland conservation (ERU&WC) have both socioeconomic and ecological implications because estuaries involve plentiful navigation, aquaculture, wetland, and land-reclamation resources but are featured with complexity and vulnerability of hydrodynamics, morphodynamics, and ecological processes. To achieve positive synergistic effects and prevent disasters by optimizing the allocation of estuarine space to various activities and biological habitats, there is a need to track the estuarine evolutionary trajectories and demarcate the spatial function subareas. However, estuarine field data acquisition is time-consuming, spatially limited, expensive, and there are some areas not accessible due to shallowness or moving sand bars. This paper presents an exact estuarine morphodynamics acquisition and evolution analysis based on multi-temporal remote sensing images, with Minjiang Estuary, China as a case study. The imageries with high tide level (1995, 2017) and low tide level (1995, 2002, 2010, and 2017) were chosen to track the changes of coastline, tidal flat, channel, sand bar, sand island, wetland vegetation, and the spatial heterogeneity of Minjiang Estuary, and the results show visually the section of shoreline change, the pattern of TCSS change and the part of tidal flat vegetation change, which are the fundamental data for demarcating the spatial function subareas. Also, the adaptive management rule was explored, and the schematic diagram of the estuarine morphodynamic evolution process and the framework of ERU&WC adaptive management were outlined. The research result will provide technical support and theoretical guidance for the management of other estuarine environments.