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。     

基于CA-Markov模型的石羊河流域生态承载力时空格局预测

生态承载力是区域可持续发展的重要物质基础。为了探讨我国干旱区内陆河流域未来生态承载力的时空格局变化,以石羊河流域为研究区,基于该流域1992、2002年和2012年3期Landsat TM遥感影像,选取10个影响生态承载力变化的主要驱动因素,利用元胞自动机-马尔科夫模型(CA-Markov),以土地利用预测为切入点,对该流域2022年的生态承载力时空格局进行了模拟预测。首先基于1992—2002年数据预测了2012年石羊河流域土地利用状况,并与当年实际土地利用状况进行对比和验证,结果显示:Kappa系数为0.7956,说明本文所选用的预测方法预测结果可靠,可以用于该流域土地利用预测;其次,以2012年为起始年,模拟预测了2022年土地利用空间数据,并计算生态承载力时空格局,结果显示:2022年石羊河流域单位面积生态承载力与1992年、2002年和2012年相比整体空间分布格局变化不大,但区域内部变化却呈明显的空间分异特征;1992—2022年流域生态承载力总量以2002年为拐点呈先减少后增加的趋势,其中建设用地的生态承载力增加最为显著;预测可知,较2012年,2022年流域上游山区的林地、中游绿洲的建筑用地生态承载力均增加较快,且呈现较明显的斑块聚集,而中、下游绿洲区耕地、草地生态承载力增、减变化复杂,斑块分布较为离散和破碎;2012—2022年土地利用类型将发生频繁转换,导致流域生态承载力结构组成变化较大,其中未利用地的转出对2022年流域生态承载力的增加贡献突出。研究结果表明自2002年以后,该流域实施的退耕还林还草、关井压田等生态工程已经并将继续对该流域生态效益的提高起到积极的作用。     

山水林田湖草生态保护修复的系统性认知

系统治理是山水林田湖草生态保护修复的核心,然而在工程实施和评估中如何有效落实和考核山水林田湖草生态保护修复的系统性仍是目前一大难题。通过厘清系统性与整体性的逻辑关系,从山水林田湖草生态保护修复的对象、主体及其耦合联系入手,明晰系统治理是山水林田湖草生态保护修复的必然选择,进而提出关键要素控制与全要素耦合相结合的治理思路,并以云南抚仙湖项目区为例阐明系统治理在山水林田湖草生态保护修复中的实践路径。最后,依据结构-功能复杂度、要素关联紧密度及其认知,将山水林田湖草治理系统分为形态系统、级联系统、过程-响应系统、控制系统等四级递进系统,从流域内和流域外的空间视角出发,提出基于“目标-约束-成本”的山水林田湖草生态保护修复系统性评估方法,为山水林田湖草系统治理的实施与考核提供核心科学支撑。     

流域生态系统服务热点与冷点时空格局特征

生态系统服务热冷点的识别及其空间格局特征研究对生态保护规划有着重要的意义。目前有关生态系统服务热冷点的识别多采用直接分类法,缺乏对空间关系特征的综合研究。以延河流域为例,综合集成多源数据来模拟4种生态系统服务(土壤保持、植被碳固定、产水、洪水调节)的热点与冷点时空格局变化特征。主要结论为:(1)2001—2012年,延河流域土壤保持服务在流域下游高于上游,中游地区增长较快。植被碳固定服务和洪水调节服务在流域南部地区较强,且在中下游呈上升趋势。产水服务呈现"南北低、中间高"的分布格局,在流域上游呈下降趋势,在中下游呈上升趋势。(2)生态系统服务热点主要分布在延河中下游南部地区,冷点主要分布在延河上游地区。延河中下游南部地区4种生态系统服务均较强。生态系统服务保护效率最高的是延河上游。(3)延河流域林地的土壤保持服务、植被碳固定服务和洪水调节服务均强于其他土地利用类型,而产水服务较弱,湿地则相反。草地的土壤保持服务和植被碳固定服务相对较强。耕地的4种服务强于裸露地,裸露地的4种服务均较弱。湿地的土壤保持服务、植被碳固定服务和洪水调节服务保护效率最高,林地的产水服务保护效率最高。研究结果以期为流域生态系统服务保护与恢复决策提供理论支撑。     

基于电磁感应成像植被斑块土壤水盐效应研究

土壤水盐过程在植被斑块的形成与演变中起着十分关键的作用,但其与植被斑块间的相互作用关系因研究工具的限制而缺乏深入认识。以青海湖流域芨芨草斑块群落为研究对象,通过采用电磁感应(EMI)产生的表观电导率(ECa)成像解译土壤水分与盐分的时空动态变化,建立芨芨草斑块分布格局与土壤水盐变化过程之间的联系。结果表明:ECa分别与土壤水分、盐分间存在显著相关关系(P0.01),多元回归模型指出,ECa变化的81%可由土壤水分与盐分变化来解释,因此可用ECa变化表征土壤水分与盐分的变化;此外,强降雨事件前后ECa动态变化图指出,芨芨草斑块处土壤水分增加量高于基质区,说明芨芨草斑块能够快速聚集水分;而不论干湿状态或不同季节,芨芨草斑块处土壤水盐含量总是高于基质区,表现出时间稳定性,说明芨芨草斑块是土壤水盐的聚集区。因此,EMI成像可揭示芨芨草斑块土壤水盐空间分布及动态变化过程,为植被斑块的水文过程研究提供快速可靠的方法。     

一种改进的中国水资源空间网格化方法

为揭示中国水资源的时空分布格局,引入降水量、干燥度、蒸散发、坡度、植被覆盖度、集水区等6个因素,结合分区权重赋值法,提出了一种改进的对中国水资源空间分配模型。结果表明:基于二级流域的改进水资源空间分配模型对我国具有较高的适用性,其中在三级流域和省级行政单元上的空间分配总体误差分别为7.89%和7.25%。相比黄河流域、淮河流域和西北诸河流域,长江流域、松花江流域和东南诸河流域的水资源空间分配精度更优,其原因在于该区域的水资源空间分布受自然因素(降水量、蒸散发等)影响更为显著。中国水资源空间分布从西北到东南呈增长趋势,这与降水的空间格局基本吻合。南方诸河流域的水资源量主要来源于降水,而冰川融水则是西北诸河流域及多数内陆河流域的主要水源。水资源与国内生产总值(GDP)密度之间的关系随城市规模和地理位置发生变化。这些可为区域水资源管理提供科学依据和数据依据。     

洞庭湖流域人类活动净磷输入及其空间分布

本研究基于人类活动净磷输入模型(NAPI)估算了1985、1995、2005和2015年洞庭湖流域及其子流域磷元素的输入特征,并分析其时空分布及变化趋势.结果表明:过去30年洞庭湖流域NAPI呈现先升高后降低的趋势,1985、1995、2005、2015年流域NAPI分别为7.00、9.20、10.33、10.01 kg·hm^-2·a^-1.从磷的组成来年,1985年最大的输入源为食品/饲料净输入,1995-2015年NAPI最大输入源为磷肥施用.磷肥输入年均值为6.01 kg·hm^-2·a^-1,占NAPI年均值的65.8%;其次是食品/饲料磷净输入,年均值为2.65 kg·hm^-2·a^-1,占比为29.0%;非食品磷输入年均值为0.47 kg·hm^-2·a^-1,占比为5.2%.从空间分布上,洞庭湖流域的较高的NAPI主要分布在东北部,与该区域农业的相对集中分布有关.从子流域NAPI组成上,洞庭湖子流域的NAPI总体均呈现逐年上升的趋势,各流域年均NAPI强度从高到低依次为:洞庭湖环湖区>湘江下游>资江上游>湘江上游>澧水>沅江上游>沅江下游>资江下游.洞庭湖环湖区是子流域中NAPI最高的区域,1985年NAPI为13.01 kg·hm^-2·a^-1,2015年上升至24.14 kg·hm^-2·a^-1.农业生产和人口增长是导致当前人类活动净磷输入的主要原因,其带来的负面生态效应是不容忽视的.     

基于周丛藻类的雅鲁藏布江流域水生态系统健康评价

为评估雅鲁藏布江流域水生态系统的健康状态, 研究于2013年10月、2014年4月和2014年7月, 在雅鲁藏布江流域干流及其4大支流上设置了26个采样点, 先对河流每个点位的海拔、坐标、河道底质类型及构成比例、河岸植被类型、水电工程等环境数据进行收集, 随后采集周丛藻类群落数据, 并在此基础上构建了周丛藻类生物完整性指数(P-IBI)评价指标体系, 结果显示: 调查期间, 雅鲁藏布江流域干支流共观察到周丛藻类7门10纲23目34科70属(种), 硅藻门(35.71%)、绿藻门(32.86%)和蓝藻门(20.00%)为前3个优势门类, 周丛藻类的优势种均属于硅藻门, 该水域属硅藻-绿藻-蓝藻型水体。周丛藻类Shannon-Wiener多样性指数的变幅为4.84—9.41, Pielou均匀度指数的变幅为2.41—4.80, 则表明雅鲁藏布江流域整体为轻污型-清洁型水体。周丛藻类的Shannon-Wiener多样性指数、Pielou均匀度指数与P-IBI评价指标体系共同说明: 雅鲁藏布江流域干流上下游及其4大支流水生态系统的健康状态优于雅鲁藏布江流域干流中游的健康状态。研究雅鲁藏布江流域水生态系统周丛藻类的群落特征和水环境的健康状态, 一方面能为西藏土著鱼类食性、摄食机制等的研究提供饵料数据基础, 另一方面能对河流水生态系统的健康状况进行科学评价, 从而保障西藏水生态安全。     

1989—2020年长江口九段沙湿地格局演变及影响因素

河口湿地受流域和海洋环境变化及人类活动的共同影响,脆弱而敏感,演变机制复杂。九段沙湿地是长江河口面积最大的河口沙洲湿地,受流域来沙减少和外来物种互花米草入侵的影响,其湿地格局正在经历快速演变。本研究通过遥感解译、野外调查、地形资料分析等方法,分析了1989—2020年九段沙湿地格局演变过程,结合大通水文站的水文数据和九段沙互花米草入侵历史,重点分析了流域减沙和互花米草入侵对九段沙湿地的影响。结果表明: 1991年以来,九段沙湿地总面积(-5 m以上)先增后减,在2005年湿地总面积最大(421.16 km²);1989—2020年,九段沙0 m以上潮滩湿地和湿地植被面积呈持续增长趋势,分别增加了1.5和47.1倍;流域来沙减少导致九段沙0 m以上潮滩湿地面积和植被面积的增速下降,而-5 m以上湿地总面积呈减少趋势;1997年以来引种外来物种互花米草的快速扩张已严重侵占了本地物种的生存空间,成为九段沙湿地中面积最大的优势植物。流域减沙和互花米草入侵正导致九段沙湿地结构发生快速演变,为避免其生态服务功能退化,应积极采取湿地保护和修复措施,维持九段沙湿地生态系统的稳定与健康发展。     

流域水文模型在面源污染模拟与管控中的应用研究进展

面源污染是影响流域水环境和水安全的重要污染来源,对其进行有效防控需要对其负荷以及防控措施效果进行科学高效精准的预测。流域水文模型(Hydrological Simulation Program-FORTRAN,HSPF)具有突出的综合性和灵活性,是面源污染模型的典范。近年来,HSPF模型应用于我国流域面源污染相关的研究和实践有了飞速发展,但同样也面临着模型机理和参数本地化、模型构建精细化、模型结构不确定性较大等方面的挑战。围绕该模型在面源污染模拟与管控中的研究进展,对其在变化环境下的模拟方法和成果,以及应对参数识别、不确定性分析、措施效果评估和总量控制的思路和方法等方面进行了总结,并分析了现代化环境模拟形势下HSPF模型的延伸发展。结合模型相关研究的总结,强调了面向我国流域特色的本地化模型改进、服务河长制精细监管的大尺度精细化模拟、以及模型与大数据统计及人工智能耦合的互馈集合模拟等后续研究是需要重点关注的发展动向。