近50a土地利用变化对干旱区典型流域景观格局的影响——以新疆玛纳斯河流域为例

土地利用变化与景观格局间的相互作用机制是全球环境变化的研究焦点。大规模土地开发导致的土地利用变化及其对景观格局影响的定量评估对区域土地资源可持续利用具有重要意义。评价长时间尺度土地利用变化对干旱区典型流域景观格局的影响,以期为经济发展与生态环境保护政策的制定提供有益信息。选择的研究区新疆玛纳斯河流域是中国西北干旱区水土开发的典型代表区域。以1962年地形图,1976、1989、1999和2008年遥感影像为基础数据源,利用数学模型和景观格局指数重建土地利用和景观格局变化过程,并探讨了土地利用变化对流域景观格局的影响。结果表明:(1)近50a玛纳斯河流域土地利用变化剧烈,耕地和建设用地"涨势"显著,未利用地和林地"落势"较明显,草地和水域先"涨"后"落",土地利用变化整体处于不平衡态,单向转换频繁。(2)研究区景观破碎度和多样性增加,优势度减小,各景观类型间差异缩小,异质性程度和景观结构复杂性加大。(3)土地利用变化改变了流域景观格局,导致景观结构趋于多样化、均匀化和破碎化。最后,提出通过发展大规模集约化农业降低土地利用变化引起景观格局负面生态效应的观点。     

土地利用变化对生态系统服务功能的影响——以密云水库流域为例

生态系统服务功能与人类福利息息相关,土地利用变化是生态系统服务功能退化的主要驱动力之一,以人地关系紧张,生态系统服务功能变化剧烈的密云水库流域为对象,分析流域1990-2009年土地利用的变化,采用空间显式的生态系统服务功能评估软件InVEST中的“产水量”、“土壤保持”、“水质净化”模型,研究流域土地利用变化对生态系统服务功能的影响.结果表明1990-2009年密云水库流域土地利用变化剧烈,农田、草地和水体的面积分别减少了30％、48％、61％,林地、建筑用地和裸地的面积增加,增幅分别为30％、230％、282％.随着土地利用变化,生态系统服务功能相应产生着显著变化,研究期内,土壤保持功能和固碳服务分别增加46％和19％,但水资源供给服务和水质净化功能分别减少了3％和25％.农田面积的减少和森林的扩张改善了土壤保持服务,森林面积的增加同时也改善了固碳服务,但会削弱水资源供给服务,建筑用地的扩张会大幅度削弱水质净化功能,为维持和改善流域整体的生态系统服务功能,应加强对森林和建筑用地的控制.其研究为密云水库流域土地利用科学管理决策提供参考.     

量化气候和土地利用变化对生态资产变化的相对贡献——以房山区为例

生态资产与人类福祉密切相关,开展生态资产评估并定量区分气候和人类活动对生态资产变化的相对贡献,对于评估区域生态文明建设成效、生态补偿、干部离任的自然资产审计等均具有重要意义。在单位面积价值当量因子方法的基础上,重新定义了标准生态服务价值当量因子,并构建了一个能够定量区分气候变化和土地利用变化对生态资产变化相对贡献的方法,以北京市房山区为例,分析了2000年至2019年房山区生态资产的变化,以及气候变化和土地利用变化对生态资产变化的相对贡献,结果表明:(1)房山区2019年生态资产总价值177.14亿元。森林、草地、农田和湿地的生态资产分别占生态资产总价值的82.33%、11.76%、5.25%和0.095%。(2)房山在2000-2019年期间,生态资产总价值增加了2.275亿元,气候变化使得房山区的生态资产总价值增加了2.689亿元,而土地利用变化使得生态资产总价值减少了0.414亿元。(3)房山区生态资产西高东低,其中霞云岭乡生态资产总价值最高;琉璃河镇的生态资产增加最多,而拱辰街道下降最显著。过去20年是房山区社会经济快速发展的时期,由于气候变化和生态保护与修复使得生态资产增加,抵消了由于建设用地扩张所带来的生态资产损失。     

生态恢复对流域水沙演变趋势的影响——以北洛河上游为例

黄土高原生态环境恶劣,水土流失严重。选择退耕还林(草)程度非常显著的陕北吴旗县所在北洛河上游为研究区,探讨黄土高原丘陵沟壑区水土流失治理及大幅度退耕背景下流域水、沙等生态要素的演变规律,分析人类活动的影响贡献程度,为黄土高原生态治理及环境效应分析提供理论依据。结果表明:在1963—2009年期间年降雨量没有显著变化背景下,同时期流域年径流量和年输沙量均呈现极显著减少趋势,年均减少率分别为0.28 mm/a和180 t km-2a-1,其突变时间均发生在1979和2002年,具有很好的同步性。与1979年前相比,20世纪70—80年代水土流失综合治理以及1999年后退耕还林(草)的事件背景,使汛期和平水期径流量逐时段减少,而枯水期径流量反而持续增加。输沙量呈持续性大幅度减少态势,且其减少程度远大于径流量的变化程度。水土流失综合治理和退耕还林(草)工程实施等人类活动,对流域径流量减少的影响贡献程度分别为38.2%和51.4%,对输沙量减少的影响程度分别为74.7%和86.7%。研究结果提示,黄土高原生态环境的大幅度改善在区域尺度上已经表现出一定程度上削洪补枯的水文效应特征,以及林草措施减水更减沙的良好生物治理效果。     

土地利用变化对鸟类栖息地连通性的影响——以鄂州市为例

土地利用变化是造成栖息地破碎、缺失与退化的重要原因。生态网络能保护重要栖息地,促进栖息地之间的物质与能量流动,对区域土地利用规划和生物多样性保护具有重要意义。以鄂州市为研究区,基于CLUE-S模型预测现状延续、生态保护和城市扩张3种土地利用情景,将生境质量作为遴选生境斑块的依据之一,以鸟类最大迁徙距离为阈值构建生态网络,从连通概率指数PC和斑块重要性指数dPC两方面,探讨土地利用变化对鸟类栖息地连通性的影响。结果表明：(1)不同情景的地类数量和空间结构均有差异,与生态保护相比,城市扩张情景的建设用地增加11603.52 hm~2,林地、耕地和水体减少5041.8 hm~2、2540.16 hm~2、3385.8 hm~2,新城区、山地风景区与水体周边是主要变化区域;(2)现状延续和城市扩张情景的生境斑块降至235块和216块,网络出现破碎化,生态保护情景增至367块,网络结构完整但空间位置改变;(3)2004—2024年PC表现为先上升后下降再上升的趋势,生态保护的PC高于现状延续和城市扩张,且利于保护短距离迁徙鸟类;(4)生态保护情景边缘型和关键小型斑块得到保护,第一等级斑块增加,城...     

西北干旱区玉米对气候变暖的响应

摘要: 利用地面观测资料,就西北干旱区河西走廊绿洲作物玉米(Zea mays L.)对变暖的响应进行了初步的探讨。结果表明:近二十多年来,西北干旱区作物玉米对变暖的响应以生长季提前和生长期缩短为主要方式。但是,存在一个临界温度,当玉米生长期间平均气温小于临界温度时,增温使玉米生长期缩短;当玉米生长期间平均温度大于临界温度时,增温使玉米生长期有不再减小的趋势。未来的持续增温可能导致玉米生长期平均气温超过临界温度,从而可能使西北干旱区玉米生长期延长。西北干旱区作物玉米对变暖的响应还表现出一定的阶段差异,增温使玉米拔节期以前的营养生长阶段缩短,抽雄-槭乳熟期的生殖生长阶段延长, 乳熟-成熟期的生殖生长阶段缩短。西北干旱区作物玉米对变暖响应的这种特点可能与绿洲的气候特点、作物的生理特性及增温的季节差异有关,而其响应的生物学机制可能与变暖使自然植被秋季生长季延长的生物学机制不同。     

石羊河流域河川径流对气候与土地利用变化的响应

应用流域气象和水文过程长期观测数据及四期TM影像数据,在建立基于气候及土地利用两种因素变化的径流过程模拟模型的基础上,分析河川径流对气候与土地利用变化的响应特征,并对其未来可能的变化趋势做出预测。结果表明,(1)1956—2009年,到达石羊河流域下游标志站蔡旗断面的河川径流量,由20世纪50年代的年平均5.392×108m3减少到目前的年平均1.096×108m3;1968年之前蔡旗断面径流量的波动主要是气候变化的结果,而1968之后,蔡旗断面径流量的变化是气候与土地利用变化共同作用的结果;(2)近30年来,气候变化对下游河川径流变化的贡献率平均为4.1%,而土地利用变化,尤其是耕地面积变化的贡献率平均为88.8%;中游灌溉定额平均分别减少5%、10%、15%和20%的情景下,下游河川径流量模拟值分别为1.591×108m3、2.427×108m3、3.262×108m3和4.098×108m3左右。     

西北干旱区玉米对气候变暖的响应

利用地面观测资料,就西北干旱区河西走廊绿洲作物玉米(Zea mays L.)对变暖的响应进行了初步的探讨.结果表明:近二十多年来,西北干旱区作物玉米对变暖的响应以生长季提前和生长期缩短为主要方式.但是,存在一个临界温度,当玉米生长期间平均气温小于临界温度时,增温使玉米生长期缩短;当玉米生长期间平均温度大于临界温度时,增温使玉米生长期有不再减小的趋势.未来的持续增温可能导致玉米生长期平均气温超过临界温度,从而可能使西北干旱区玉米生长期延长.西北干旱区作物玉米对变暖的响应还表现出一定的阶段差异,增温使玉米拔节期以前的营养生长阶段缩短,抽雄-槭乳熟期的生殖生长阶段延长,乳熟-成熟期的生殖生长阶段缩短.西北干旱区作物玉米对变暖响应的这种特点可能与绿洲的气候特点、作物的生理特性及增温的季节差异有关,而其响应的生物学机制可能与变暖使自然植被秋季生长季延长的生物学机制不同.     

干旱区内陆河流域三维生态足迹时空变化分析——以玛纳斯河流域为例

干旱区生态资本独特但生态承载有限,其生态足迹供求关系及均衡机理倍受关注。以干旱区典型内陆河流域-玛纳斯河流域为靶区,根据干旱区土地利用/覆盖类型特征及变化趋势,基于绿洲生产消耗所产生的生态系统服务流动规律建立三维生态足迹评价模型,并利用干旱区本土参数对流域2000-2018年的生态足迹时空分异进行分析。结果表明：（1）受自然承载有限和社会经济发展交互影响,玛纳斯河流域生态赤字不断扩大。时间上,18年间流域生态赤字增长了4.36倍,人均生态赤字增长了3.12倍,其中能源用地和耕地占比高、增速快,对生态赤字的贡献远远超过其他类型;空间上,石河子市对流域生态足迹的贡献率明显大于沙湾县和玛纳斯县;（2）同期,玛纳斯河流域生态足迹广度增加了0.59倍,足迹深度增加了0.44,广深比达到3343876：1.63,流量资本占用不断增加,存量资本日趋消损,生态压力不断增大;（3）流域资源利用效率显著提高,18年内增加了4.73倍,增长速度为5778.3万元hm^-2 a^-1;（4）流域虽面临较大的生态挑战和人口压力,但在全疆范围来看并不突出。本土参数与省域参数和国家参数相比可较好反映流域自然资本利用现状,最后提出干旱区生态承载力的优化展望和流域可持续发展建议。     

土地利用变化对生态系统服务的影响——以张家口-承德地区为例

生态系统服务与人类福祉密切相关,人类活动引起的土地利用变化是生态系统服务变化的主要驱动力之一。运用InVEST模型估算张家口-承德地区产水量和土壤保持量,并分析不同海拔和坡度条件下,2011—2015年土地利用以及产水和土壤保持服务的变化,研究结果表明:建设用地和乔木林地分别为面积增加量和减少量最多的用地类型,陡坡地段建设用地增加的同时水体减少;灌木林地是产水和土壤保持能力均最高的生态用地类型;5年间产水量和土壤保持量分别增加了32.16×10~6 m~3和17.69×10~6 t;产水量在海拔900 m地段,海拔越高增加量越少,土壤保持量在较低海拔有所增加;坡度越陡产水增加量越少,土壤保持量在各坡度均有增加。基于此研究结果,有助于选择优先建设的用地类型,使当地在保护源头水系和维持生态功能的同时发展冰雪运动。     

黄河流域土地利用变化下生态系统服务价值时空演变及其响应——以陕甘宁地区为例

黄河流域中上游的陕甘宁地区是西北生态脆弱区,在区域生态安全格局上具有重要作用,其生态经济问题值得重点关注。本研究基于陕甘宁地区1995—2020年土地利用和自然社会经济数据,利用空间分析和地理探测器等方法,研究陕甘宁地区土地利用及生态系统服务价值的时空变化特征以及生态系统服务价值空间分异的驱动机制。结果表明: 1995—2020年,陕甘宁地区耕地、未利用地呈减少趋势,建设用地、林地呈增长趋势。1995—2020年陕甘宁地区生态系统服务价值总量呈下降-上升的变化,1995—2000年减幅约1.2%,2000—2020年增幅约1.0%。草地提供的生态系统服务价值最大,调节功能价值贡献突出。地理探测器结果表明,归一化植被指数(NDVI)是生态系统服务价值空间分异的主导因子,气温和农民人均纯收入是次要影响因子;生态系统服务价值空间分异影响因素探测力(q值)达30%以上的交互组合有32种,其中,NDVI与土壤类型的q值近46%,自然、社会经济、政策因子的交互协同增强效应共同影响了陕甘宁地区生态系统服务价值在空间上的分异效果。     

Impacts of land use patterns on river water quality: the case of Dongjiang Lake Basin,China

Landscape pattern can regulate water quality, but determining the thresholds at which landscape metrics impact water quality remains a key issue. Thus, in this study, we investigated landscape metrics that affect the water quality of the rivers flowing into Dongjiang Lake, China, and their spatial and seasonal differences, were investigated using redundancy and partial redundancy analyses. Further, a raw water quality parameter-landscape metric data set was constructed. Threshold values of landscape metrics that induced sudden changes in water quality were analyzed using the bootstrap method applied to 1000 random samples extracted from data set. Finally, mechanisms of landscape patterns that affected river water quality were quantitively explored. The following results were obtained: (1) The key area of landscape that impacted water quality in the Dongjiang Lake Basin was the 400 m buffer zone; (2) Seasonal differences were observed in water quality changes, which better explained by landscape metrics in the dry season than in the wet season. Moreover, water quality was most influenced by landscape configuration metrics. The influence of landscape topographic metrics was greater than that of composition metrics in the dry season, whereas the opposite was true in the wet season; and (3) In this watershed, the largest patch index of grassland and landscape shape index of built-up land were the key metrics at the sub-basin and 400 m buffer zone, respectively. If the largest patch index of grassland was below 8.5% or the landscape shape index of built-up land exceeded 1.5, the water quality of the rivers flowing into the lake was prone to a risk of significant decline, which has an important guiding significance to the optimization of land use pattern.     

银川盆地土地利用变化对景观格局脆弱性的影响

景观格局脆弱性能反映生态系统的不稳定性和对外界干扰的敏感性,有助于了解生态环境的状态和变化趋势.以银川盆地为研究对象,结合景观敏感性和景观适应性2个维度获取2001和2013年研究区景观格局脆弱度的分布情况,并探讨土地利用程度综合指数、综合土地利用动态度、土地利用变化重要性指数和多种土地转移类型对景观格局脆弱度的影响.结果表明： 土地利用程度综合指数的增加主要由耕地、林地、建设用地引起,耕地、林地的比例越高脆弱度越低,建设用地作用相反;随着综合土地利用类型动态度的增加,建设用地显著提高景观格局脆弱度,其次是草地,林地显著降低景观格局脆弱度,其次是耕地;随着土地利用变化重要性指数的增加,耕地显著降低景观格局脆弱度,其次是林地,草地有较弱趋势,规律不明显,建设用地显著提高景观格局脆弱度;耕地、林地、草地为主要转移类型时,建设用地的增加会提高景观格局脆弱度,建设用地为主要转移类型时,林地和草地会提高景观格局脆弱度,耕地作用相反.土地利用类型数量的变化在一定程度上可以影响土地空间结构变化,为合理开发利用土地资源提供参考依据.三元图能有效地反映多种土地利用变化类型对景观格局脆弱度的影响,丰富了土地利用变化研究的内容.     

中国西北干旱区降水时空分布特征

利用中国西北干旱区122个气象站点1961—2011年月降水量资料,运用线性趋势、Mann-Kendall非参数趋势和突变检验法、Morlet小波分析等方法研究了西北干旱区降水量空间分布及多时间尺度下的变化规律和趋势。结果表明:近50年来西北干旱区降水量呈增加趋势,95.9%的站点有增湿特征,全区增湿趋势为9.31mm/10a(P0.01),但增湿幅度存在区域差异性,其中祁连山亚区(38.67mm/10a)增湿最明显;从季节来看,冬季增湿具有全区普遍性,但夏季增湿的区域差异性特征明显。全区及各亚区降水量在20世纪80年代至90年代初有明显的突变特征,除内蒙西部亚区外均通过了0.01的显著性水平检验,降水量序列存在4、8、12a和22a振荡周期,其中22a尺度振荡周期最强,其次是12a尺度。全区32%的年份降水量属正常范围,偏干年份为24%,异常偏干年份为12%,异常偏湿和偏湿年份均为16%。20世纪70年代之前降水量略低于标准降水均值,80年代开始有区域性增湿趋势,90年代之后全区增湿均较明显,正距平年数比例由70年代的10%上升至21世纪初的80%,西北干旱区整体处于相对湿润时段,且增湿趋势明显。     

Impacts of climate change on forest growth in saline-alkali land of Yellow River Delta,North China

Climate change is an important factor affecting forest growth. Therefore, approaching the impacts of climate change on forest growth is of great significance to ameliorate this degraded land and push up forestry development. This paper initially probes the impacts of climate change on tree growth in Yellow River Delta region and responds of different tree species on the change. In this study, five species of 22-year-old trees were selected, and the tree biomass was measured by standard site methods and tree ring sampling to pursue the impacts of climate change on forest growth. Besides, growth models of the different tree species were established and verified using Robinia pseudoacacia as an example. The results showed: (1) In the Yellow River Delta, the most adapted tree species are Fraxinus chinensis and R. pseudoacacia. (2) Precipitation is the main meteorological factor affecting tree growth, while temperature and air pressure are also significantly correlated with tree growth. (3) Linear and power function models can simulate tree growth well. From the verification results, the modified R. pseudoacacia biomass is 294.54 t/ha, and the simulated biomass of the linear function model is close to the value. It is expected that the research not only provides a theoretical basis for forestry development in saline lands, but also helps to rehabilitate saline-alkali lands and cope with climate change.     

LUCC及气候变化对澜沧江流域径流的影响

运用SWAT模型,通过设置不同情景,定量分析了澜沧江流域土地利用与土地覆被变化(Land Use and Land Cover Change,LUCC)和气候变化对径流的影响,并结合RCP4.5、RCP8.5两种排放情景对流域未来径流的变化进行预估。结果表明:SWAT模型在澜沧江流域径流模拟中具有很好的适用性,率定期和验证期的模型参数R~2分别达到0.80、0.74,Ens分别达到0.80、0.73;从土地利用变化方面考虑,流域内的农业用地转化为林地或草地,均会导致径流量的减少,而林地转化为草地则会引起径流量的增加,农业用地、林地、草地三者对径流增加贡献顺序为农业用地草地林地,从气候变化方面考虑,流域内的径流量与降雨量成正比,与气温成反比;2006—2015年间澜沧江流域气候变化引起的月均径流减少幅度强于LUCC引起的月均径流增加幅度,径流变化由气候变化主导;在RCP4.5和RCP8.5两种排放情景下,2021—2050年间澜沧江流域的径流均呈增加趋势,这与1971—2015年间流域实测径流的变化趋势相反。     

Impacts of land use and water quality on macroinvertebrate communities in the Pearl River drainage basin,China

The East River (Dong Jiang), a major tributary of the Pearl River (Zhu Jiang, the second largest river in China by discharge), is situated in southern China, which has the highest rates of urbanization and development on Earth. The East River also provides 80% of Hong Kong’s water supply. However, there have been no ecological studies to examine the combined impacts of changes in land use and water quality degradation on this river ecosystem. We tested the hypothesis that land-use disturbance and water quality degradation would significantly reduce benthic biodiversity in the East River by investigating macroinvertebrate community composition and relating it to data on water quality and catchment condition. The percentage of total impervious area within each catchment (%TIA—an indicator of land-use disturbance) was negatively related to a composite water quality index—the ERWQI—we developed for the East River. Modeling by partial least squares projection to latent structures (PLS) showed that family richness and relative abundance index (RAI) of macroinvertebrates were strongly influenced by both %TIA and ERWQI. Multi-response permutation procedure (MRPP) tests showed highly significant differences in family richness composition and RAI of macroinvertebrates among sites in the upper, middle, and lower course of the East River. MRPP also revealed differences in the family richness composition of nighttime drift samples between upper and middle site groups. Abundance (individuals m⁻³) and total family richness of drifting macroinvertebrates at each site were positively related to %TIA (range: 1.0–8.5%), while drift biomass was negatively related to dissolved oxygen and positively related to total suspended solids. Thus, human disturbances associated with land-use changes (increasing %TIA) and nutrient inputs severely degraded ecosystem integrity and the water quality of the East River and thereby reduced aquatic biodiversity.     

A multi-modeling approach to evaluating climate and land use change impacts in a Great Lakes River Basin

River ecosystems are driven by linked physical, chemical, and biological subsystems, which operate over different temporal and spatial domains. This complexity increases uncertainty in ecological forecasts, and impedes preparation for the ecological consequences of climate change. We describe a recently developed “multi-modeling” system for ecological forecasting in a 7600 km² watershed in the North American Great Lakes Basin. Using a series of linked land cover, climate, hydrologic, hydraulic, thermal, loading, and biological response models, we examined how changes in both land cover and climate may interact to shape the habitat suitability of river segments for common sport fishes and alter patterns of biological integrity. In scenario-based modeling, both climate and land use change altered multiple ecosystem properties. Because water temperature has a controlling influence on species distributions, sport fishes were overall more sensitive to climate change than to land cover change. However, community-based biological integrity metrics were more sensitive to land use change than climate change; as were nutrient export rates. We discuss the implications of this result for regional preparations for climate change adaptation, and the extent to which the result may be constrained by our modeling methodology.     

1975—2015年玛纳斯河流域土地利用变化的地学信息图谱分析

地学信息图谱分析可利用图形语言将复杂的地理现象进行简洁的表达,对开展多时空尺度土地利用变化空间格局与时间过程的集成研究具有重要意义.本研究以新疆玛纳斯河流域为例,基于7期遥感数据(1975、1990、1995、2000、2005、2010和2015年)构建土地利用/覆被变化(LUCC)图谱体系,定量分析流域LUCC过程及趋势.结果表明:1975—2015年,流域土地利用变化幅度逐渐减弱,土地利用结构由复杂趋向单一,后期趋于稳定.1975—1990年,流域内草地涨势最强,主要来源于未利用土地的转入.1990—2015年,耕地增幅最大,主要由未利用土地、林草地转换而来.土地利用变化模式图谱显示,前期变化型、后期变化型及持续变化型仅占流域面积的1.3%,图谱单元总体变化以未利用土地转向耕地、草地和水域占主导,土地利用变化过程较为稳定.土地利用变化频率图谱的稳定不变区域覆盖流域面积的61.2%,土地利用空间格局相对稳定.土地利用转变最频繁的方式为耕地的持续扩张,以沙湾县柳毛湾镇和玛纳斯县六户地镇为左右中心,呈“摊饼式”向两侧扩张,延伸至古尔班通古特沙漠.通过构建土地利用时空变化图谱,丰富了LUCC时空分析方法体系,为今后开展多时空尺度下的LUCC研究提供了有效手段.     

新疆伊犁河流域生态服务价值对土地利用变化的响应

以伊犁河流域为研究对象,运用GIS手段和生态经济学方法,采用Costanza生态系统服务价值计算公式,参照谢高地等人的中国陆地生态系统服务单位面积价值,结合敏感度分析,探讨了伊犁河流域1985-2005年土地利用和生态系统服务价值的变化特征。研究结果表明:1985-2005年间伊犁河流域土地利用处于发展阶段,土地利用程度呈增大趋势。研究期内生态系统服务价值总体有所上升,从482.83×108元上升到506.44×108元,增加了23.61×108元:水域和耕地对研究区总体服务功能变化的贡献率最大,而牧草地生态服务功能的下降对研究区总体生态服务功能的增加具有较大负贡献。研究区生态经济的发展已处于协调水平的边缘,需要加强对生态环境的保护力度。