基于InVEST模型的黄河流域产水量时空变化及其对降水和土地利用变化的响应

黄河流域是重要的水源涵养和生态屏障区,研究其水源供给服务对实现黄河流域高质量发展和生态环境保护具有重要意义。本研究基于InVEST模型和情景分析法,以土地利用覆被、气象及土壤等数据作为输入,分析了1995—2015年黄河流域产水量的时空格局以及降水变化和土地利用变化对流域产水量的影响,并探讨产水量对二者的响应。结果表明:1995—2015年,黄河流域产水深度增加,增量为24.34 mm,产水高值区集中在西部和西南部,低值区集中在西北区域,产水深度空间格局特征变化不明显;黄河流域三级流域中,龙羊峡以上流域产水量最高,约117 亿m³·a^-1,是黄河流域主要产水区,兰州至河口流域产水量最低,约0.44 亿m³·a^-1;整个流域中永久冰川及雪地的平均产水深度最大,草地是全流域产水总量的主要贡献地类,提供了总产水量的62.6%;降水对产水量的影响比较显著,土地利用/覆被变化对产水量的影响较小。     

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%.     

蒲河水质空间异质性特征及其对流域土地利用方式的响应

河流水质空间变化特征是流域生态系统健康评价的关键指标,是地形、地貌、气候、水文等自然环境因素及综合反映人类活动强度的土地利用方式对流域生态环境的复合作用,研究河流水质空间异质性特征及其对流域土地利用方式的响应关系对流域生态管理具有十分重要的指导意义,然而水质空间异质性特征及其对土地利用方式的响应机制研究仍不清楚。本文以辽河流域支流蒲河子流域为研究对象,利用GIS技术和地统计学方法,分析蒲河流域水质指标TN、TP、NH4+-N、CODcr、pH、DO和TDS空间变异特征,探讨流域不同土地利用方式对水质空间变化的影响。结果表明:蒲河流域水质指标NH4+-N、DO和TDS受结构性因素影响显著,表现出较强空间变异性;TP、CODcr和pH的空间异质性较弱,主要由随机性因素引起;TN受到结构性因素和随机性因素共同作用,表现出较弱空间变异特征;TN和NH4+-N含量与林地所占比例呈显著负相关,与耕地和建设用地所占比例呈显著正相关;pH和DO与水域面积和未利用地所占比例呈负相关;表明蒲河流域TN和NH4+-N空间异质性的主导因素为林地、耕地和建设用地等土地利用类型,pH和DO空间异质性的主导因素为水域和未利用地土地利用类型,该研究可为流域水环境管理提供数据支持。     

东南诸河流域1990-2015年土地利用时空变化特征及驱动机制

土地利用/覆被变化作为影响全球环境变化的重要因素,是人类活动最直接的反映,其驱动力分析能够很好地揭示人类活动对土地资源的影响机制。运用ArcGIS空间分析和SPSS主成分分析等方法,从整个东南诸河流域片区的尺度上,研究了包含中国台湾地区在内的1990—2015年间的土地利用时空变化特征,并探究其主要驱动机制。研究结果为:(1)全流域各土地类型面积占比为:林地耕地草地城乡建设用地水域未利用土地,林地与耕地的空间分布特征均为"北聚南散,北多南少",城乡建设用地集中分布在经济较为发达的台湾海峡两岸沿海地区以及流域大陆北部靠近长江三角洲的地区。(2)全流域土地类型的面积变化量为:城乡建设用地耕地草地林地水域未利用土地。流域土地利用综合动态度为0.68%,整体用地类型转化程度先降低再增加,并以城乡建设用地和耕地为主要变化类型。流域南部各市的土地利用变化较北部剧烈,台湾地区主要土地利用变化类型为耕地和城乡建设用地。(3)大陆地区城乡建设用地变化的主要驱动力为人口数量及结构、城市化和社会经济发展,台湾地区在此基础上增加了社会工农产业结构调整因素。大陆耕地变化的主要驱动力为人口数量及结构、城市化水平和社会工农产业结构,社会工农产业结构和农业生产水平是台湾地区耕地变化的主要驱动力。本研究为东南诸河流域土地资源规划管理提供科学依据,为自然流域尺度的土地利用变化及其驱动机制研究提供可靠实例。     

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。     

鄱阳湖地区生态系统服务权衡与协同关系的时空格局

鄱阳湖地区是中国最大淡水湖影响的区域,定量分析其生态系统服务权衡与协同关系对实现区域可持续发展具有重要意义.本研究首先基于遥感、土壤、气象、数字高程模型(DEM)等多源数据,定量测算2005—2015年鄱阳湖地区食物供给服务、土壤保持服务和产水服务,分析服务的时空格局及演变特征;然后运用相关分析、冷热点分析、空间制图方法探析1 km×1 km尺度上服务间权衡与协同关系的时空特征,并研究土地利用视角下生态系统服务及其相互关系的差异.结果表明: 研究期间,鄱阳湖地区食物供给服务增加,土壤保持服务减少,产水服务先增后减.空间分布上,食物供给服务在西北-东南方向上呈现“低-高-低-高”的分布格局,土壤保持服务呈现高低值集聚分布的空间格局,产水服务表现为南高北低的空间分布.鄱阳湖地区食物供给与土壤保持、食物供给与产水量是权衡关系,土壤保持与产水量是协同关系.食物供给与土壤保持呈现北部协同、南部权衡的空间格局,食物供给与产水量之间在空间上呈现出明显的权衡关系,土壤保持与产水量之间从北至南呈现协同-权衡-协同的“夹心式”分异规律.不同土地利用类型间,耕地与食物供给、园林地与土壤保持、水域与产水量之间均存在极显著协同关系,建设用地与3种服务皆是权衡关系.食物供给服务与土壤保持服务和产水服务之间在不同土地利用类型中皆以权衡为主,土壤保持与产水服务在耕地、园林地、草地及建设用地中以协同关系为主、在水域和未利用地中则以权衡关系为主.鄱阳湖地区多重生态系统服务热点区主要在东部和南部平原区,呈减少趋势.     

基于分形理论的山美水库流域土地利用结构变化研究

基于山美水库流域1985 与2006 年两期土地利用TM 遥感解译数据, 在GIS 技术的支持下, 构建土地利用结构变化的周长-面积分形模型, 计算得出了1985-2006 年山美水库流域各种用地类型分形维数与稳定性指数的变化量, 并分析了土地利用空间格局的变化。结果表明, 山美水库流域整体的土地利用分形维数从1985 年的1.292 增加到2006 年的1.381, 整体上的土地利用空间结构变得更复杂、更不规整; 耕地与园地的分形维数减小, 其余用地类型均增加。山美水库流域整体的土地利用稳定性指数从1985 年的0.208 减少到2006 年的0.119, 整体的土地利用空间结构趋于不稳定; 耕地、园地、水域的空间结构变得更稳定, 其余用地类型均趋于不稳定。1985-2006 年由于人类活动对建设用地的干扰较为强烈等原因, 流域建设用地与水域的分形维数增加量最大, 土地使用的无序性增强最突出, 今后应重点加强对山美水库流域建设用地与水域的有序利用规划管理。     

滦河流域景观格局变化对水沙过程的影响

以滦河流域为研究区域,基于SWAT模型模拟1976—2012年滦河流域的水沙过程,分析2000年京津风沙源治理项目实施前后流域产水产沙时空格局变化;研究1980—2010年流域景观格局变化特征,揭示景观格局变化的水沙响应;应用Spearman相关分析法分析流域景观格局变化对水沙过程的影响。结果表明:与20世纪80年代相比,2010年流域林地和建设用地增加,其他用地类型减小;流域景观集中程度提高、连通性变优、优势斑块显著、形状趋于规则、多样性减少、破碎化程度降低、景观类型向非均衡方向发展;流域年均地表径流减少9mm,产水量增加5.44mm,产沙减小1.59t/hm~2;地表径流减少区域占全流域89.32%,产水量增加区域占76.71%,产沙量减少区域占93.89%;地表径流、产水、产沙与林地面积呈负相关,产水与草地面积呈正相关,地表径流、产沙与农业用地面积呈正相关;地表径流、产水、产沙与景观形状、Shannon′s均匀度、景观分离度呈正相关,与蔓延度、最大斑块指数呈负相关;产水、产沙与斑块密度和Shannon′s多样性指数呈正相关;工程治理后,流域年均径流量与产沙量显著下降,产水产沙高值区显著缩小,产沙关键区域仍需治理。     

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。     

基于地理探测器的云南省生态系统产水服务的空间异质性及驱动因素

产水服务作为重要的生态系统服务功能,准确把握其空间分异特征、明确不同地域的关键驱动因子是维系生态安全和可持续发展的关键。以地理空间异质性显著的云南省为研究区,借助InVEST模型模拟1992—2019年云南省产水量时空分布,通过地理探测器探析气候、植被、土壤、地形、土地利用等因子对产水服务的空间驱动特征。结果表明: 1992—2019年,云南省产水量呈先增大后减小的波动变化趋势,各年产水量空间分布格局相似,总体趋势是自西北、西部、西南部向中部和东部逐渐递减。气候类因子(降水量和实际蒸散量)是导致产水服务空间分异的主要驱动因子。在不同的流域分区,各驱动因素对产水量的影响具有明显的空间异质性:云岭-元江一线以西,伊洛瓦底江、怒江上游、怒江下游、澜沧江上游、金沙江上游、元江、李仙江一带,降水量是主要的控制因子;云岭-元江一线以东,喀斯特地貌区(南广河、赤水河、乌江、右江、盘龙河)以及人口密度大、耕地资源短缺的金沙江下游地区,实际蒸散量和土地利用类型是主要的控制因子。本研究结果可为云南省水资源管理政策和生态文明建设工作提供参考依据,对促进高原山地复杂区生态系统服务优化和可持续发展具有一定的指导意义。     

基于改进三维生态足迹模型的洞庭湖区生态可持续时空演化研究

洞庭湖是长江流域重要的调蓄湖泊,也是中国重要的农产品主产区。科学评估洞庭湖区生态可持续状态,揭示其时空演化特征,对探究其生态可持续影响因素与作用机理,降低生态赤字具有重要意义。基于碳足迹与生态足迹理论构建了改进的三维生态足迹模型,填补了化石能源无法核算生态承载力的问题,同时调整了不同土地利用类型的参数因子。在对洞庭湖区25个区县进行可持续发展的动态评价分析中,计算了2000—2019年生态赤字、足迹广度与深度的时空分布特征。研究结果表明：(1)近20年来洞庭湖区的人均生态足迹增长速度远高于人均生态承载力,致使人均生态赤字在时间维度上不断增大,空间维度上呈湖滨向周边地区扩散的趋势;(2)洞庭湖区除林地之外的土地利用类型均存在自然资本存量的消耗,且表现为高生态赤字;(3)三次产业结构的分配、土地利用的变化、居民对生活质量的提高以及生态保护政策的有效实施等均会对洞庭湖区的可持续发展产生较大影响;(4)改进后的化石能源账户相较于传统账户的计算方法更能反映真实的碳排量与碳吸收量。研究以期为洞庭湖区土地利用、生态保护以及促进社会经济可持续发展提供科学参考。     

长江流域生态系统格局演变及驱动力

长江流域生态系统格局复杂,多种社会经济、政策和自然因素对土地利用变化的影响使得生态环境发生变化。分析了2000年至2015年长江流域生态系统格局和演变特征,及主要驱动力对生态系统变化的贡献。15年间,共有约6.4万km~2的生态系统类型发生变化,城镇增长67.5%,农田缩减7.5%,森林增加2.1%,剧烈的生态系统变化集中于下游,以及中上游的大城市,城镇聚集区以及退耕还林区。生态系统景观破碎化程度和景观多样性提高。上、中、下游生态系统格局、构成差异较大,15年间,上游和下游森林显著增加,下游城镇显著扩张、农田和湿地显著缩减,上游湿地增加最为显著。城镇化是生态系统格局演变的首要驱动力,对生态系统变化的贡献率达48.0%,长江下游城镇化的贡献率高达64.5%。生态保护与恢复工程是第二驱动力,对生态系统变化的贡献率为32.8%,在上游高达47.8%。水资源开发和农业开发贡献率分别为8.5%和9.9%,此外,气候变化促使高原湖泊面积增大。为保护长江流域生态系统的可持续发展,需划定生态保护红线,合理规划城市化进程中的土地利用,保护优质耕地,禁止重要湿地的开发。     

长江流域陆地植被总初级生产力时空变化特征及其气候驱动因子

长江流域是我国重要的工农业生产区和生态安全屏障。深入开展长江流域陆地植被总初级生产力（GPP）时空变化特征和驱动因子研究,对了解变化环境下区域植被生长状况和生物固碳能力、掌握生态环境质量具有重要意义。基于MODIS GPP遥感数据产品、土地利用和气象观测数据,采用趋势分析和偏相关分析法,系统研究了2000-2015年间长江流域陆地植被GPP时空变化特征,探讨了不同二级水资源区内气候因子对GPP变化影响的空间差异,揭示了不同土地利用类型GPP变化特征以及气候因子作用。结果表明：1）长江流域陆地植被覆盖区GPP在0.3-2765 gC m^-2 a^-1之间,均值约990.46 gC m^-2 a^-1,多年平均GPP总量为1.735 P gC;2）近年来,长江流域GPP呈不显著上升趋势,趋势率为2.39 gC m^-2 a^-1。空间上,GPP上升区和下降区分别占总流域面积的68%和32%。各二级水资源区内,除了洞庭湖流域和太湖流域GPP呈下降趋势外,其他区GPP均呈上升趋势;3）不同土地利用类型GPP均值在198.50-1276.90 gC m^-2 a^-1之间。各土地利用类型中除水田GPP呈微弱下降外,其他均呈上升趋势,尤其是高、中、低覆盖度草地GPP上升趋势较为显著;4）不同气候因子对植被GPP变化的影响程度在不同二级水资源区、不同土地利用类型间均存在一定差异,但就长江流域整体而言,GPP年际变化受温度影响显著,其次是蒸发,而降水等其他气候因子的影响不大。     

流域生态系统服务簇变化及影响因素——以大清河流域为例

生态系统服务簇是多种生态系统服务的组合,是生态系统多功能性中的主导功能表征。识别生态系统服务簇的空间和功能变化及影响因素,可为基于主导功能实施分区管理策略、统筹土地多功能性,进而为整体提升区域生态系统服务提供参考。本研究以大清河流域为例,选取6种生态系统服务（水资源供给服务、粮食供给服务、水源涵养服务、水质净化服务、土壤保持服务、固碳服务）,在乡镇尺度上探讨了生态系统服务簇的变化特征,研究了影响其变化的主要因素。结果表明：（1）依据主导的生态系统服务类型,大清流域可以分为3个生态系统服务簇,生态调节服务簇（B1）,农产品供给服务簇（B2）和人居环境簇（B3）;（2）2000-2015年,生态调节服务簇的空间格局变幅最大,乡镇变化率为19.6%,而农产品供给服务簇和人居环境簇的空间稳定性较强,变化率小于5.0%;生态系统服务簇类型发生转化的区域主要位于服务簇交界处;（3）尽管服务簇在空间上有变化,但生态调节服务簇、农产品供给服务簇和人居环境簇的生态系统服务呈增长趋势,平均增幅高达8.62%;（4）自然本底条件和生态保护政策是驱动生态调节服务簇变化的主要因素,农产品供给和建设用地面积的变化分别是驱动农产品供给服务簇和人居环境簇时空变化的主要因素。该案例研究结果为管理土地多功能属性、整体提升国土空间功能提供了有效的途径。     

城镇化进程中洞庭湖区“三生空间”格局演变与驱动机制

城镇化快速发展背景下,城市自然资源国土空间格局转型引发了流域水生态环境的恶化。基于洞庭湖区岳阳、常德、益阳、荆州4个典型城市及其32个县域数据样本,借助遥感影像交互解译、GIS叠加融合、驱动指标分类提取等数据处理技术,通过土地利用动态度及转移矩阵计算分析城镇化进程中洞庭湖区"三生空间"格局演变的典型特征,并运用灰色关联度模型揭示国土空间格局演变的潜在驱动机制。研究表明：(1)1980-2020年洞庭湖区"三生空间"格局总体分布具有明显的水平地域分异和垂直梯度差异特征,生态空间主要集中在区域中部洞庭湖水域部分及东部、南部、西部的外围林地丘陵区,生产空间主要位于河网冲刷形成的湖滨平原区,生活空间呈点状零散穿插分布于生产、生态空间之中。(2)洞庭湖区各城市"三生空间"时空格局演变随城镇化发展逐渐剧烈,结构变化以城镇建设用地的增加和农业生产用地的缩减最为突出,功能转型体现为城镇生活空间侵蚀农业生产空间,农业生产空间挤占水域生态空间,以及农业生产空间向水域生态空间的回归;各类用地结构与功能转型在县域层面上的阶段差异性与地理协同性亦较为显著。(3)城镇化、工业化及农业现代化作为洞庭湖区"三生空间"格局演变的三大关键驱动力,加速了域内各城市的国土空间格局变化进程,是未来区域战略性生态环境治理及国土空间规划应重视的关键要素。研究内容可为洞庭湖区水网土地资源合理规划提供参考,引导大湖流域生态治理目标下的城镇化高质量发展。     

BIODIVERSITY PATTERN AND CONSERVATION OF AQUATIC VASCULAR PLANTS IN THE YANGTZE RIVER BASIN,CHINA北大核心CSCD

The Yangtze River is the largest river in China. It is a priority conservation area for biodiversity of the world, with its main river, branches and wetlands. As an essential part of freshwater ecosystem, aquatic vegetation has been well studied by Chinese researchers since 1950s, but large-scaled analysis on the biodiversity pattern is lacked. Based on published studies, we analyzed spatial and temporal pattern of aquatic plant diversity in the Yangtze River Basin, and calculated the suitable habitat area and underlying influence of environmental factors using MaxEnt software. A total of 298 species are recognized, belonging to 121 genera in 52 families, which is 57.6% of the total aquatic vascular plants in China. The Yangtze River Basin is the key area for aquatic plant diversity of China, especially the subregions of middle reaches. The elevation and land use are the key environmental variables to the spatial pattern of aquatic plants. The separation among water systems have weak influence on the spatial pattern of diversity in aquatic vascular plants, but potamo-lacustrine habitats facilitated the species homogenization of the flora in a sub-basin scale. The network consists of Poyang Lake, Dongting Lake, Tai Lake, and the middle and lower mainstream is the suitable area for the aquatic plants based on the MaxEnt model. In the past half century, the decline or loss of aquatic vegetation occurred in plenty of lakes in the Yangtze River Basin. We suggested that the protection of aquatic vegetation should be incorporated into the integrated conservation of the middle and lower Yangtze River. © 2019, Institute of Hydrobiology, Chinese Academy of Sciences. All rights reserved.     

2000-2019年长江流域植被覆盖时空演化及其驱动因素

长江流域作为中国重要的生态屏障,科学认识长江流域植被覆盖时空变化及其驱动因素,对有效开展长江流域生态工程建设具有重要的指导意义与应用价值。基于2000—2019年间MODIS-NDVI与相关气象等数据,采用Theil-Sen median趋势分析、Mann-Kendall检验、变异系数、偏相关分析、残差分析等方法,研究了近20年来长江流域植被覆盖的时空分布与变化特征,并探究了研究区植被覆盖的驱动因素。结果表明：(1)时间变化上,长江流域生长季NDVI呈现波动增长趋势,显著改善面积大于退化面积;(2)空间分布上,流域植被覆盖空间分布格局大致呈现为“中部高,东西低”,生长季NDVI多年均值为0.6164,呈较高植被覆盖状态;(3)变化趋势上,植被增长区域大于减少区域,具体表现为“中部强于东部、东部强于西部”;(4)变化稳定性上,流域植被变异系数介于0.0104—1.3199之间,呈现出“中间低,东西高,东西部局部区域高低波动并存,地域性差异明显”的空间变化稳定性特征;(5)影响因素上,流域植被覆盖变化受气温和降水的共同影响,大部分区域生长季NDVI变化以气候驱动为主,局部区域表现自然因素叠...