甘肃省生境质量变化的图谱特征

生境质量是影响地区生态系统服务价值和保护地球生态系统中生物多样性的重要因素。以地处三大自然区交汇带的甘肃省为研究对象,在定量估算地区2000—2018年生境质量水平基础上,基于图谱变化分析理论和InVEST模型,探索地区生境质量时空分异格局及其图谱转移状态和变化强度。结果表明: 2000—2018年,甘肃省生境质量总体维持中等水平并略有提升,在空间上自北向南呈逐级递增的阶梯式变化特征,在数量上则高低并存;从图谱转移视角分析,甘肃省生境质量格局较为稳定,未发生状态转移的图谱单元占主导,而在发生了生境质量状态转移的图谱单元中,“较高较低”、“较高高”、“较高低”这6类状态间的互换转移最显著,空间分布也较为集聚; “北剧南和”是甘肃省生境质量变化强度的主要格局,自北向南依次为“强变区”、“复合区”、“温缓区”和“平和区”4类变化强度区。     

闽江口湿地土壤全氮含量的高光谱遥感估算

氮是湿地生态系统重要生源要素,基于高光谱(350~2500 nm)遥感数据对其进行估算以实现湿地土壤全氮(TN)含量无损、快速和准确定量化具有重要意义。选取闽江河口湿地为研究区,于2013年5月,沿潮滩(高潮滩到中潮滩)采集16个土壤剖面80个样本,室内测定其光谱反射率和TN含量,并基于原始反射率(R)和光谱指数(比值指数RI、归一化指数NDI和差值指数DI)建立土壤TN含量高光谱估算模型,并进一步分析反射光谱与铵态氮(NH_4~+-N)、硝态氮(NO_3~--N)、有机质(SOM)和电导率(EC)之间的关系,以期揭示河口湿地土壤TN含量估算的机理。结果表明:土壤光谱反射率在350~600 nm,表现为高潮滩中潮滩,而在600~2500 nm,表现为高潮滩中潮滩;闽江河口湿地土壤TN含量与R在500 nm附近相关关系较好,并在490 nm有最大相关系数(-0.508);RI、NDI和DI大大提高了反射光谱与土壤TN含量的相关关系,其相关系数较高区域集中在600~1000 nm的波段组合,以RI(590,640)、RI(610,940)、NDI(940,590)、NDI(940,610)、DI(640,920)和DI(640,940)相关关系表现较好,能较好地实现研究区湿地土壤TN含量反演,其估算与检验模型r~2均大于0.610,RMSE均小于0.208,其中以RI(610,940)估算精度最好,估算与检验模型r~2分别为0.832和0.631,RMSE分别为0.178和0.202;闽江口湿地土壤TN含量与SOM含量密切相关是土壤TN含量估算的重要机理,而NH_4~+-N、NO_3~--N和盐分含量对其估算精度影响不大。     

Biodiversity and ecosystem services−A case study for the assessment of multiple species and functional diversity levels in a cultural landscape

The expansion of large-scale plantations has a major impact on landscapes in the Tropics and Subtropics. Crops like soy bean, oil palm and rubber have led to drastic changes in land cover over the past decades, thereby altering ecosystem functions and services (ESS). Associated shifts in ESS such as climate regulation, erosion and water cycles, biodiversity as well as soil fertility or the provisioning of raw materials have been assessed through several models and software solutions (InVEST, ARIES, MIMES). However, suitable methods for the integration of a range of biodiversity assessments in agricultural landscapes are scarce.With this study, we introduce a methodology for incorporating multiple levels of species diversity into models to allow an integrated evaluation of ESS. We collected data sets from both published and unpublished sources on the distribution of vascular plants, selected pollinator groups, ground beetles, ungulates as well as amphibians, mammals, reptiles and birds in rubber-dominated landscapes, with a focus on our study sites in Southwest China and Thailand. Based on this information, we developed a common classification scheme that enables the integration of different facets of biodiversity (species diversity and functional diversity) to complement an interdisciplinary ESS assessment.Species diversity data were normalized against the most divers habitats reported (using habitat scores) to assess the impact of rubber cultivation on multiple levels of biodiversity. This resulted in a comparable matrix of different land use types and their suitability as habitat for the respective species groups allowing the aggregation of very diverse indicators. The findings were applied to two alternative land use scenarios in southern China to highlight the potential effects of land use and management decisions on species and functional diversity. Our results highlighted that the conservation oriented scenario did score higher for habitat suitability in both total species (+5%) as well as IUCN Red List species (+6%) assessments compared to the current state or business as usual scenarios (-2% and −3% compared to current state).The process presented here allows for an application within established ESS software programs, in our case InVEST, using aggregated indices while additionally providing enhanced opportunities for comparable, spatially explicit assessments of the expected impact of the analyzed scenarios on specific species groups.     

城市扩张与耕地保护耦合对陆地生态系统碳储量的影响——以湖北省为例

城市扩张对生态系统的影响可以分为城市扩张对生态用地的直接挤占以及为补充城市扩张占用的耕地对生态用地二次挤占两个连锁的过程。以往的研究大多只关注城市扩张对生态系统的直接影响,忽略了城市扩张与耕地保护耦合的间接影响。针对这一问题,采用GIS空间分析方法和InVEST模型定量评估了2000年至2015年湖北省城市扩张与耕地保护耦合对陆地生态系统碳储量的影响。结果显示:(1)城市扩张与耕地保护耦合导致湖北省陆地生态系统碳储量减少40.90 Tg;(2)由城市扩张与耕地保护耦合导致的陆地生态系统碳储量的减少量中,耕地保护传导作用间接导致的占比31%。结果表明,城市扩张与耕地保护的耦合是导致生态系统碳储量减少的主要原因之一。忽视城市扩张通过耕地保护的传导作用对生态系统碳储量的间接影响,会导致城市扩张对陆地生态系统碳储量的影响被严重低估。     

黄土丘陵沟壑区典型小流域生态系统服务权衡与协同关系研究

黄土高原植被恢复状况制约生态系统服务的提升,本研究依托中国科学院水利部水土保持研究所安塞国家科学野外观测站的基础土壤、植被、气象和水文等数据,在黄土丘陵沟壑区选取纸坊沟和坊塌2个典型小流域,通过购买1998、2008和2018年遥感影像,采用InVEST(Integrated Valuation of Ecosystem Services and Tradeoffs)模型对生态服务(碳储量、土壤保持量、生境质量和产水量)进行评估,探究植被恢复过程中生态系统服务的协同效应和权衡关系。通过对比得知：随着植被的恢复,坊塌和纸坊沟各生态服务(碳储量、土壤保持量、生境质量和产水量)均得到了大幅度的提升,其中2008—2018年增加幅度较小,而1998—2008年增加幅度较大,主要原因在于该阶段(1998—2008年)是退耕还林还草的初始10年,林地及草地面积增长较多,而后10年为退耕的延续阶段,退耕面积增长减缓。从1998—2018年,受自然因素和人为因素的影响,坊塌和纸坊沟流域生态系统服务表现出协同和权衡关系。对于坊塌流域,2008年生态系统服务主要表现为协同关系,1998、2018年以权衡关...     

黄土高原典型退耕区生态系统服务权衡与协同关系研究——以延安市为例

在退耕还林的背景下,从多尺度分析黄土高原生态系统服务的时空变化及权衡协同关系对促进该区经济发展和生态效益多赢具有重要意义。以黄土高原退耕还林典型区延安市为例,运用InVEST模型评估1988-2018年农作物生产、碳储量、生境质量、土壤保持、产水量5种关键生态系统服务物质量,采用偏相关分析法探讨生态系统服务间的权衡与协同关系及其时空变化特征。研究结果表明：（1）受土地利用变化影响,延安市农作物生产水平、土壤保持年际变化趋势波动较大,农作物生产水平呈波动增加的趋势,土壤保持退耕还林前呈减少,退耕还林后呈波动增加的趋势,碳储量和生境质量呈逐渐增加的趋势,产水量呈逐渐减弱的趋势。（2）生态系统服务与土地利用格局联系紧密。碳储量、生境质量的高值区域以及产水量的低值区域随林地分布格局变化而变化。（3）协同关系是延安市生态系统服务间相关关系的主体,主要发生在碳储量、生境质量、土壤保持、农作物生产之间,权衡关系主要存在于产水量和其他生态系统服务之间。（4）市、县域生态系统服务间关系的差异主要发生在生境质量和土壤保持之间。     

基于土地利用及植被覆盖变化的黄河源区生境质量时空变化特征

位于青藏高原腹地的黄河源地区生态环境脆弱,面临生物多样性锐减、生态系统退化等问题,黄河源区生态系统保护及其高质量发展已成为国家的重点战略之一。土地利用与植被覆盖是影响生境质量的重要因素,定量化土地利用方式、强度及格局和植被覆盖格局对生态质量影响的研究越来越受到关注,但其对黄河源区生态质量的耦合效应尚不明确。基于2000年和2015年黄河源区土地利用类型及生长季归一化植被指数（NDVI）,采用InVEST模型探究了不同时期黄河源区生境质量时空变化,并采用地理加权回归（GWR）模型揭示了生境质量对土地利用和植被覆盖变化的空间响应特征。结果表明,2000年与2015年土地利用类型变化主要为未利用土地向草地的转移。植被覆盖变化方面,源区生长季NDVI整体上升。从生境质量的空间分布来看,黄河源区生境质量总体呈现南高北低的空间格局,高值分布在南部及中部地区,低值分布在北部布青山、东北部高海拔区及黄河乡的黄河沿岸。相较于2000年,2015年黄河源区生境质量平均提高11.47%。草地面积和NDVI与生境质量均呈显著正相关关系,其中NDVI是提高黄河源区生境质量的重要驱动因子。研究结果突出了NDVI对提高黄河源区生境质量的主导作用,可为未来源区生态保护提供借鉴。     

基于地表水与地下水分割校正的漓江流域水供给服务时空格局研究

喀斯特区域水循环过程与其他地区存在显著区别,其水供给服务也具有独特的空间分布特征。然而,目前针对喀斯特地区产水量的时空变化研究较少考虑喀斯特生态系统的特殊性,导致产水量的空间模拟结果存在一定偏差。根据喀斯特地貌形态和地下水补径排泄特征提出了一种产水量分割方法,并基于水量平衡原理建立了地表水与地下水分割校正概念模型。选取喀斯特山区典型区域漓江流域为研究区,通过上述方法校正了InVEST模型产水量模拟结果,从栅格、地貌分区和子流域3个尺度分析了漓江流域2000—2020年产水量校正前与校正后时空分布格局。研究结果表明：(1)漓江流域2000—2020年InVEST模型产水量呈现先减后增再减的趋势,水供给服务空间分布格局为北高南低。产水深度在岩溶区和非岩溶区几乎没有差异,但在岩溶区内部差异明显：裸露型岩溶区产水深度高于覆盖型和埋藏型,峰林平原产水深度高于峰丛洼地。子流域分区平均产水深度排序为漓江上游区>漓江中游区>恭城河区>荔浦河区>漓江下游区。(2)利用地表与地下水分割校正后,水供给服务空间分布格局为四周高于中部,西北部高于东南部。非岩溶区产水深度明显高于岩溶区,埋...     

耕地占补面积时空变化对碳储量的影响测度——以湖北省为例

基于InVEST模型定量评估湖北省2000-2020年耕地占补面积时空变化对陆地生态系统碳储量的影响,在县级行政单元尺度探究由耕地占补导致的碳储量变化量在空间上的集聚程度,并运用PLUS模型模拟区域未来四种发展情景下的土地利用格局及碳储量变化趋势。结果表明：（1）2000年至2020年,湖北省耕地面积净变化率为-3.89%,耕地面积略微下降,基本实现耕地占补数量平衡。（2）2000-2005年、2005-2010年、2010-2015年、2015-2020年耕地占用和补偿导致的碳储量变化值占该时段碳储量变化值的比例分别为68.45%、59.45%、57.86%、55.46%,二十年整体占比为61.38%。耕地碳储量的变化对陆地生态系统碳储量的影响巨大。碳固持的地块面积为1.29×10⁵ hm²,碳损失的地块面积为3.88×10⁵ hm²。（3）2000-2020年,湖北省耕地占补导致的碳储量变化值具有明显的空间集聚性,"高高聚集"区主要分布在西部和西南部山区,"低低聚集"区分布在中南部的江汉平原。（4）2020-2030年,湖北省陆地生态系统碳储量在自然发展情景下减少5.50×10⁶ t,在耕地保护情景下减少1.22×10⁶ t,在城镇开发情景下减少8.89×10⁶ t,在生态保护情景下增加2.43×10⁶ t。与其他三种情景相比,生态保护情景是未来发展的最优情景。研究通过定量评估耕地占补平衡背景下湖北省耕地面积时空变化对区域碳储量的影响为未来的国土空间规划以及增汇政策的制定提供决策依据和科学参考,对于实现土地资源的可持续利用和生态环境保护具有重要意义。     

基于分布式水文模型的水源涵养不同功能评估方法——以渭河涵养区为例

为了实现水源涵养量计算和不同功能的综合评估,基于分布式水文模型(WEP-L)提出了一种新方法,即利用WEP-L模型计算次降水过程中降水量和地表产流、冠层截留量的差值作为水源涵养量,并分别评估削洪(地表径流量)、补枯(地下径流量)、维持植被生态系统用水(植被蒸腾量)等不同水源涵养功能的评估方法。为了验证该方法的合理性,以渭河流域咸阳站以上区域为例,对比了该方法和InVEST模型方法的计算结果,由于两种方法在评估内容和使用模型上都存在差异,为了保证计算结果的可比性,先对比了基于相同评价内容的WEP-L模型法I和InVEST模型方法,再对比了基于不同评价内容的WEP-L模型法I和WEP-L模型法II,结论如下:基于相同评价内容的WEP模型法I和InVEST模型法计算结果数值接近,研究区2000-2018年水源涵养量年均值分别为12.43 mm(5.76亿m³)和12.08 mm(5.6亿m³),两种方法所得结果空间分布特征相似,稍有差异之处与InVEST模型的参数没有经过本地化处理有关;基于不同评价内容的WEP-L模型法Ⅰ和WEP-L模型法II计算结果数值相差较大,研究区2000-2018年水源涵养量均值分别为12.43 mm和432.57 mm,空间分布特征上有差异的地方分布于研究区的北部、东部及东北部,主要与两种方法评价时是否考虑蒸散发有关。WEP-L模型法II评估结果中削洪、补枯、维持植被生态系统用水等功能多年变化趋势分别为:2006-2010年期间增加、2012年以后下降以及增加。2012年后补枯功能和维持植被生态系统用水功能之间可能存在权衡关系。通过不同方法计算结果差异原因分析,证明了基于WEP-L模型的不同涵养功能评估方法的合理性,其结果也可为渭河涵养区水资源和生态保护策略的制定提供更多依据。