干湿季节下基于遥感和电磁感应技术的塔里木盆地北缘绿洲土壤盐分的空间变异性

土壤盐渍化问题是制约干旱半干旱区植被生长最主要的生态环境地质问题,也是影响绿洲农业生产的障碍性问题.而将遥感与近感技术相结合,是当前评价、监测及预报土壤盐渍化程度的先进方法.以新疆塔里木盆地北缘的渭干河-库车河三角洲绿洲为例,以遥感数据和解译后的电磁感应数据为基础数据源,利用解译后的数据结合GIS和地统计学知识以及野外实测所得到的土壤电导率和盐分资料,分别采用泛克里格(Universal Kriging)、光谱指数回归(Spectral Index Regression)和回归残差泛克里格(Regression-Universal Kriging)3种方法研究了该地区两个关键季节(干季和湿季)土壤盐分的空间变异特征.研究结果表明:研究区的土壤浸提液电导率EC1∶5和土壤盐分呈现显著相关,可以用EC1∶5来代替土壤的全盐量进行分析;电磁感应仪(EM38)所测各季节土壤表观电导率与EC1∶5的相关系数均达到1％显著水平,以表观电导率垂直读数(EMv)和水平读数(EMH)为自变量的多元回归模型拟合效果较好;研究区各季节的表层土壤电导率的空间分布均表现为强相关性,说明土壤采样点间的内部结构性良好,采用能够充分考虑到干旱区表层土壤电导率空间变异的尺度依赖性的球状套合模型,能够更好的拟合土壤表观电导率的空间结构;经过精度比较,回归残差泛克里格法为最优预测方法,这表明将遥感和电磁感应技术相结合,能够有效的提高预测与评估土壤盐分空间分布的精度,为精确地进行土壤盐分预测以及土壤次生盐渍化的防控提供了一定的依据.     

基于电磁感应技术的土壤剖面盐分空间分布建模研究

土壤盐渍化问题是干旱半干旱地区农业发展的主要障碍,也是制约荒漠植物生长状况的关键因素之一,严重影响到绿洲生态环境的稳定与安全。研究土壤剖面盐分的分布情况,能及时探究盐渍化对生态的影响。以渭干河-库车河三角洲绿洲为研究靶区,利用电磁感应仪技术与传统采样方法获取该地区典型地块的土壤电导率,剖析其剖面分布特征,在建立磁感式表观电导率和土壤样本实测电导率之间的线性混合模型的基础上,采用自然邻近插值方法解析和评估研究区土壤剖面盐分的空间分布特征。结果表明:研究区土壤电导率具有较强的表聚性与空间变异强度,土壤主体属于中度盐渍化类型;基于各深度层土壤电导率与磁感表观电导率所构建的3种线性混合模型均能达到0.01的显著性水平,其中磁感表观电导率两种模式相结合解译模型预测精度最高;自然邻近法插值结果直观反映研究区土壤剖面盐分的空间分布状况,与水平模式和垂直模式相结合的土壤盐分解译模型相结合则能够更有效的提高土壤盐分空间分布的预测精度。研究结果表明,借助构建的土壤盐分解译模型可对研究区土壤盐渍化空间分布情况进行快速监测与评估,为该区土壤盐渍化的防治提供了一定的技术支撑。     

基于能值的绿洲种植业系统可持续性及敏感性评价——以新疆渭干河流域为例

利用能值理论与方法对2000～2006年新疆渭干河流域种植业系统的可持续性与敏感性进行分析,研究结果表明:(1)种植业系统的能值总投入逐年上升,不可更新工业辅助能与可更新自然资源能是种植业系统主要的能值投入类型,地均能值投入在上、中、下游呈递增趋势;(2)种植业系统的能值总产出呈现逐年上升趋势,地均能值产出在上、中、下游依次增加,棉花是中游与下游重要的能值产出作物,玉米、小麦是上游主要的能值产出作物;(3)中游种植业系统的可持续发展指数较高,近年来基本处于稳定状态;上游与下游可持续发展能力偏低,并且表现为连续下降的趋势,形成上、下游可持续发展指数偏低的本质原因差别较大;(4)种植业系统对可更新自然资源能的变化响应较弱,对不可更新工业辅助能变化的响应最为明显;下游种植业系统在环境改善或恶化的情景下响应最为敏感,上游种植业系统对环境变化的响应较弱.     

从景观格局分析人为驱动的绿洲时空变化——以天山北坡三工河流域绿洲为例

根据三工河流域1978、1987年航片和1998年TM影像,利用GIS、RS和景观生态的研究方法,主要从绿洲景观格局分析了人为驱动的绿洲变化,包括景观多样性与人类活动的复杂多样性、景观斑块形状与绿洲扩张、斑块破碎化程度与人类活动的强度等。结果表明:(1)绿洲景观多样性总体呈现下降趋势,区域差异性较为明显。人类活动可以显著地改变绿洲景观的多样性。(2)绿洲景观斑块形状总体趋向不规则性和复杂性,但趋势减弱。人类一方面尽力在扩张绿洲外围,增加外围斑快形状的不规则性和复杂性,增加分维数,另一方面也在尽量规划绿洲内部,又使斑块形状趋向规则,降低其复杂性;但近20a,绿洲总体上以外围扩张为主。(3)人类活动强度和支配程度较大的绿洲区域,其景观的破碎化程度总体较高,绿洲中部人类活动强度最大,其景观破碎化程度总体高于人类活动强度较弱的绿洲下部和上部;绿洲斑块密度和景观破碎化程度随时间总体呈下降的趋势;人为引入斑块的破碎化程度普遍高于环境资源斑块的破碎化程度。     

基于GIS和地统计学的黄泛区土壤磷空间变异——以周口为例

土壤中的磷是衡量土壤肥力的重要指标,其含量的高低对土壤理化性质、植物生长以及微生物的活动等都有重要影响.本文以周口黄泛区土壤为例,通过土样采集和室内试验分析,运用地统计分析及GIS空间模拟等方法,分析土壤全磷和速效磷的空间分布特征.结果表明: 研究区土壤全磷和速效磷含量比较高,且表层(0～20 cm)含量均高于第二层含量(20～40 cm).两层土壤全磷和速效磷均属于中等程度变异,并且速效磷的变异程度高于全磷;两层土壤全磷为中等程度的各向异性,最适模型为高斯模型,表层具有较强的空间相关性,第二层则具有中等的空间相关性. 两层土壤速效磷的各向异性均较弱,最适模型为线性模型,两层均呈现较弱的空间相关性. 两层全磷含量从西南到东北方向呈现缓慢上升的变异趋势,而从西北到东南方向呈逐渐下降的变异趋势. 表层速效磷含量在西南到东北方向先升后降,在东南到西北方向呈先降后升的变异趋势;第二层速效磷含量在西南到东北方向上呈现先降后升的趋势,而在西北到东南方向则呈上升趋势.表层土壤全磷含量较高,第二层含量属于中等水平;表层速效磷含量较高,而第二层含量较低.土地利用方式、耕作制度和施肥等人为因素是影响该区土壤磷分布趋势和空间变异的主要因素.     

基于山地-绿洲-荒漠系统的生态系统服务正负价值测算——以新疆玛纳斯河流域为例

基于不同生态单元分析生态系统服务正负价值有助于全面客观地了解生态系统服务的异质性。选择典型山地-绿洲-荒漠系统(Mountain-Oasis-Desert System,MODS)下的玛纳斯河流域作为研究区,以1990年、1995年、2000年、2005年、2010年及2015年Landsat系列遥感影像为数据源,采用修正后的生态系统服务价值系数对不同生态单元下的生态系统服务正负价值进行估算。结果表明:(1)1990—2015年玛纳斯河流域土地利用/覆被变化较为显著,耕地、水域及建设用地面积呈现增加趋势,林地、草地及未利用地面积呈减少趋势,其中耕地和未利用地面积变化最为剧烈,建设用地增幅最大,林地减幅最大。(2)研究时段内,研究区正向价值远高于负向价值,且净价值小幅度增加。正向价值在经历"增加-减少-减少-增加-增加"的变化过程后呈现增加趋势,并呈现山地区>绿洲区>荒漠区的特征;各负向价值均表现为不同程度的增大趋势,其中温室气体排放、化肥流失及水资源消耗是流域内最为突出的负向生态系统服务,三者价值之和占比在不同时间段上均达90%以上;净价值由研究初期的8947.89×10<...     

基于生境质量的绿洲城镇空间扩展模拟研究——以黑河中游地区为例

绿洲是生态环境极为脆弱的区域。实现绿洲城镇化与生态安全的双赢,是干旱区面临的重大问题。传统城镇空间扩展模拟研究,只是单向考虑了城镇发展趋势,而较少兼顾区域生境质量的约束。利用1992、2000、2008、2015年四期Landsat TM、ETM+、OLI遥感影像数据,以黑河中游地区为例。从城镇空间扩展与生态环境协调发展的角度出发,通过InVEST模型与SLEUTH模型的结合,将生境质量的评估结果融入到城镇扩展模型中,对研究区2015—2030年城镇扩展的土地利用变化格局进行模拟。研究表明:①生境质量整体较低,质量阶序和退化程度分异明显。高、中等级生境质量区域主要分布在黑河干流沿线和绿洲核心区,分别占5.69%、32.77%,生境退化程度高;低等级生境质量区域主要分布在戈壁荒漠区和城镇建设区,占61.54%,生境退化程度低。②生境质量对城镇空间扩展的约束作用显著。相比较无生境质量约束,2030年城镇建设用地面积和占用生态用地面积分别减少了27.08%、63.61%,并且,城镇斑块间连接性较好、集聚程度高,以"填充式"扩展为主。③城镇空间扩展总体体现了生境质量的要求。2030年新增城镇建...     

流域视野下梯田聚落的人居环境空间特征——以元江流域为例

针对村落人居环境研究过于注重村落本体的现状,以GIS的技术方法结合实地调研,选取梯田聚落所处的元江流域及典型样本大瓦遮河子流域为研究范围,探讨流域视野下人居环境空间的宏观与微观特征。结论如下：1）哀牢山区的崎岖山脉与密集水系造就了元江流域的格局,以水平、垂直特征奠定子流域尺度中梯田聚落的人居环境基础;2）大瓦遮河子流域的人居环境以“典型山地本底、帚状水系关联”为共性,在中低山区形成“面状森林核心、村落散布周边、旱地梯田混合”的彝族聚落区,在中山区形成“面状梯田核心、村落环绕周边、带状森林围合”的哈尼族聚落区,二者差异源自不同民族适应垂直分异效应的差异化农作策略;3）流域是人居环境研究的基本单元,超越村落本体之外的流域视野对复杂地理环境中的人居环境研究具有重要价值与普遍意义。     

基于风险-质量的高原湖泊流域生态分区构建——以滇池流域为例

随着人类足迹不断延伸,高原湖泊流域人地系统三生空间冲突显著。以滇池流域为例,顾及流域三生空间冲突风险,基于三生空间景观格局和生态环境质量的变化,尝试引入四象限模型,结合热点分析,划分风险-质量综合生态环境分区。结果表明:(1)滇池流域三生空间冲突风险类型以较强为主,冲突曲线指数呈现倒"U"型,较强冲突比重不断下降。三生空间类型转换明显,生活空间共增长了312.23km²,主要是由于高原湖泊流域的快速城镇化使得生活空间大量挤占了生产和生态空间。(2)滇池流域生态环境质量总体呈现下降趋势,空间上以滇池为中心呈现高-低-高的分布特征。较高质量和高质量区面积减少了136.66km²;低质量区和较低质量区由699.65km²上升到930.51km²,约占流域总面积的1/3。(3)基于三生空间冲突风险和生态环境质量两个维度将生态分区分为综合生态环境优质、良好、一般、劣质四类,四类区的空间分布连续性相对较好,尤以劣质区面积连续扩展的态势最为典型。针对不同生态分区提出差异化管理措施,为流域人地协调发展提供实践指导。     

基于GIS和地统计学的土壤养分空间变异特征研究——以河北省遵化市为例

基于地理信息系统(GIS)和地统计学研究了河北省遵化市土壤表层(0～20cm)碱解氮、全氮、速效钾、速效磷和有机质等5种养分要素的空间变异规律.应用GIS能够将系统变量的属性数据同地理数据相结合,使大区域范围内进行地统计学分析变得较为方便.研究表明,全氮、碱解氮、速效磷、有机质变异函数曲线的理论模型符合球状模型,速效钾的理论模型表现为指数模型和有基台值的线性模型的套合结构;碱解氮、全氮、速效磷、有机质的空间变异主要是由随机性因素引起的,但程度有所差异,全氮和有机质由随机性因素引起的空间异质性程度较高,碱解氮和速效磷较低;速效钾的空间变异则主要是由结构性因素引起;5种养分要素的空间自相关程度都属于中等的空间自相关,但空间变异的尺度范围不同,碱解氮和速效磷变异尺度基本相近,为5和5.5km;全氮较大,为14.5km;有机质为8.5km;速效钾的变异尺度有两个,0～3.5km主要以指数模型为主,3.5～25.5km范围内以有基台值的线性模型为主.5种养分要素的各向同性的范围不同,碱解氮和速效磷在整个范围(0～28km)都表现出各向同性,全氮和有机质的其次,为0～10km;速效钾的较小,为0～8km.     

夏季绿洲生态环境对荒漠背景地表能量过程的扰动

利用观测试验资料,对比分析了夏季典型晴天敦煌绿洲与周围荒漠戈壁背景地表过程的差异,揭示了绿洲生态系统对干旱区荒漠背景地表过程的扰动特征。结果表明:绿洲地表净辐射日平均要高出周围荒漠戈壁背景60 W/m2以上,约占绿洲净辐射的1/4以上。对绿洲高出的净辐射贡献最大的是绿洲相对低的地表长波辐射,其次是较高的太阳总辐射。而绿洲相对较低的大气长波辐射对高出的净辐射有较大的负贡献,特别是地表反射辐射也有很小的负贡献。绿洲高出的地表净辐射主要贡献于加强潜热和地热流量,还有一部分被绿洲地表能量不平衡差额所占,它实际上可能由一般地表热量平衡所不考虑的垂直热量平流来输送。而绿洲明显低于荒漠背景的感热通量则节省了一部分净辐射能量。     

渭干河-库车河三角洲绿洲土地利用/覆被时空变化遥感研究

土地利用/覆被变化(LUCC)是全球变化研究的重要核心问题之一,选择干旱区典型绿洲新疆渭干河—库车河三角洲绿洲为研究靶区,利用1989年、2001年、2006年和2010年的同期遥感影像数据,借助RS和GIS技术,对绿洲土地覆盖变化信息进行定量提取和分析。结果表明:①1989—2001年,各类地物面积呈现五增二减的趋势:耕地、林地、中度盐渍地、水体和其他均有所增加;而轻度盐渍地和重度盐渍地有所减少;2001—2006年,呈现四增三减的趋势:耕地,轻度盐渍地,中度盐渍地和重度盐渍地均有所增加;林地、水体和其他均有所减少;2006—2010年,呈现四增三减的趋势:中度盐渍地,重度盐渍地、水体和其他均有所增加;耕地、林地、轻度盐渍地均有所减少。②随着时间的推移,各类地物的重心均有所偏移。其中水体的重心于1989—2001年间向北迁移的距离最远,为23.12 km;同期重度盐渍地重心迁移距离次之,为22.04 km。林地的重心于1989—2001年间逐年向西南方向迁移,并且迁移的距离逐年增大,中度盐渍地重心总体向西北方向偏移。③21年间,Shannon多样性指数、Shannon均匀度指数均呈稳步增加的趋势,景观的异质性程度呈现上升趋势;聚集度差异不大,集中在78到85之间,说明斑块类型连接程度较高。1989—2006年,分维数增加,研究区的土地利用景观格局愈来愈复杂,人类干扰程度在不断增强;2006—2010年,分维数略有所下降,景观格局略有所改善。总之,21年间渭-库地区各类型土地利用情况变化显著,不仅各土地覆盖类型间面积转换频繁,而且土地利用景观格局发生了很大的变化。该研究确定了土地利用/土地覆被的时空变化规律,分析驱动因子,提出改良建议,研究结果对西部干旱区绿洲的环境演变和可持续发展研究具有现实意义,也是对全球变化研究的重要补充。     

河湖生态系统生态用水优化研究——以滇池流域为例

生态需水是河流与湖泊生态系统健康的重要基础。湖泊流域的河流与湖泊生态系统之间存在密切的水量联系,目前对流域内生态用水的研究多为单一生态系统生态需水简单相加,忽略了河流和湖泊之间复杂的水量联系。基于河湖复合生态系统之间的水量联系构建了河湖生态系统生态用水优化模型,并以滇池为例分析了河湖生态系统生态用水规律。结果表明：湖泊流域中单一河流或湖泊生态需水计算结果不能满足复合生态系统的生态用水要求,需要综合考虑河流和湖泊之间的水量联系;在当前水质状况下,牛栏江每年的调水量不能满足滇池流域的生态用水要求;滇池流域水体污染对流域内生态用水影响较大,随着水体污染程度的下降,流域生态用水量和调水量呈指数下降,河流生态用水呈线性下降。     

基于BP神经网络的流域生态恢复度计算——以福建长汀朱溪小流域为例

以福建省长汀县朱溪小流域为研究对象,通过野外调查、室内分析以及遥感影像提取相结合的方法获取数据。利用Matlab7.0软件建立BP神经网络生态恢复模型,定量评价退化生态系统的恢复程度。选择土壤理化性质(有机质、全N、全P、全K、容重和p H)、植被结构(植被盖度)、物种多样性指数(Shannon-Wiener指数)和热环境(地表温度)等4个方面的9个指标建立退化生态系统评价体系,并作为生态恢复模型的输入层数据,生态恢复度作为输出层数据。使用Matlab7.0进行数据预处理、样本训练、样本检验并建立生态恢复模型。利用建立的生态恢复模型对整个朱溪小流域生态恢复度进行定量评价。结果表明,生态恢复模型预测结果与流域生态恢复的实际情况基本吻合,利用BP神经网络模型定量评价退化生态系统的恢复程度具有可行性。朱溪小流域内生态恢复程度极低的区域面积仅占0.94%,95.48%区域为中等恢复程度,说明生态保护措施已初见成效;生态恢复程度高的区域面积仅占3.62%,意味着未来仍需加强治理和保护工作。     

长三角县域国土空间开发适宜性评价方法研究——以长兴县为例

长三角一体化已上升为国家战略,该地区的自然社会经济要素相互关联极为密切,地区间相互影响显著。而作为长三角行政区划的基本单元,县域的可持续发展对于该地区的一体化协调发展具有重要的基础支撑作用。本文以浙江省长兴县为例,基于用地发展潜力和生态约束研究,构建了一套通用、快速的国土空间开发适宜性评价方法体系,基于空间可达性分析评价县域土地开发潜力,基于最小累积阻力模型评价土地生态约束。利用潜力—约束模型评价长兴县土地开发潜力和生态约束,得出长兴县土地适宜开发建设区域的面积约358 km2,占全域总面积的24.6%,呈中部聚集、四周分散的格局。基于研究结果,提出未来发展建议,建立健全相关制度保护耕地,强化国土空间管制保护生态空间,开展生态修复保障生态系统健康,多手段预防自然灾害,以期优化长兴县未来国土空间开发布局,指导县域国土空间规划。     

基于空间优先级的快速城市化地区绿色基础设施网络构建——以南京市浦口区为例

绿色基础设施是一个由自然区域和其他开放空间相互联系的网络。在城市空间极为有限的情况下,如何有效构建城市绿色基础设施网络并识别那些具关键性景观生态功能的网络要素显得极为重要。为了给城市绿色基础设施网络的建设和管理提供新的建模与分析理念,以快速城市化的南京市浦口区为例,采用MSPA方法并结合景观连通性指数,遴选出了对维持景观连通性贡献最大的生境斑块作为绿色基础设施网络的网络中心,进而采用最小路径方法构建了研究区潜在的绿色基础设施网络,并尝试利用空间句法分析,基于结构优化视角对绿色基础设施网络进行优先级的识别,从而使绿色基础设施网络的构建更科学。研究结果可为快速城市化地区绿色基础设施网络的构建提供一种研究思路与方法,对绿色基础设施网络要素的优先级评价也具有一定的借鉴意义。     

基于空间距离指数的中国西北干旱内陆河流域生态敏感性时空演变特征——以石羊河流域为例

生态敏感性是生态系统对自然环境变化和人类活动干扰的反映程度及生态环境问题发生难易程度和可能性大小的重要因素之一。以中国西北地区典型的干旱内陆河流域-石羊河流域为例,通过借鉴前人研究成果及实地调查研究,将石羊河流域生态敏感性分为生态风险敏感性、水土流失敏感性和生物多样性敏感性三个方面,并系统构建生态风险敏感性指数、水土流失敏感性指数和生物多样性敏感性指数三个定量评价指标,对石羊河流域综合生态敏感性进行研究。并通过格网编码、圈层分析,探讨近30年石羊河流域生态敏感性的时空变化。研究结果表明:(1)1987—2016年间石羊河流域生态敏感性总体上逐年降低,综合生态敏感性指数(Comprehensive ecological sensitivity index,CESI)值从1987年的1.143上升到2016年的1.287,反映出流域生态环境当前还是向着可持续发展的方向发展;(2)流域生态敏感性整体偏高,常年极度敏感区和常年重度敏感区占流域总面积的42.26%。此外,敏感性空间分异明显,流域上游及下游荒漠区敏感性相对稳定,中下游绿洲区敏感性波动变化较为频繁,且波动变化区占总面积的51.24%,这表明流域生态敏感性与人类活动及工农业生产有较为密切的关系;(3)目前流域生态敏感性整体趋于好转,但局部地区有恶化的趋势,敏感性波动降低的区域面积为11693.57km~2,占流域总面积的28.82%,敏感性波动升高的区域面积为9099.66km~2,占流域总面积的22.43%,这表明一方面在国家宏观政策的引导下,当地在生态环境保护方面做了大量工作,另一方面也表现出在全球生态环境逐渐恶化的大背景下,当地的生态环境治理工作仍然任重道远。