1990-2015年中国工矿用地扩张及其对粮食安全的潜在影响

中国城市化和工业化进程所带来的粮食安全问题一直是政府和学术界关注的焦点。中国近25年来快速的城市化与工业化导致耕地资源减少和环境污染加剧,对国家粮食安全和农业可持续发展产生一定影响。本文基于中国土地利用/覆盖变化最新解译结果和中国分县粮食产量数据,重建了中国1 km分辨率的粮食产量空间数据,分析了中国1990-2015年工矿用地扩张及其对粮食产能的影响。结果表明：中国工矿用地面积在1990-2015年间增长了326%,扩张速率从1990-2000年的288 km²/a增加到2000-2010年的1482 km²/a,近5年(2010-2015年)扩张速率最快,达2600 km²/a。过去25年间工矿用地扩张导致耕地面积减少1.7×10⁴ km²,直接导致粮食产能损失约6.49 Mt(10⁶ t),因工矿用地扩张可能会对周边耕地污染等间接影响的粮食产量达83.20 Mt。经评估,国家工矿用地扩张对粮食产能潜在影响总体上是当前粮食总产能的17%。在空间分布特征方面,工矿用地扩张对粮食产能的直接影响呈现由东部沿海地区向西北地区逐渐减小趋势;间接影响在中部和西部地区相对较大。     

基于CASA模型的植被第一性生产力人为影响定量研究——以石羊河流域为例

人类活动是影响植被净第一性生产力（Net Primary Productivity,NPP）变化的主要因子之一,定量计算NPP人为影响值具有重要意义。以石羊河流域为研究区,采用改进CASA模型计算理论NPP和实际NPP,并求得NPP人为影响值,分析了该流域NPP人为影响值的分布和变化规律。结果表明：（1）2001-2014年石羊河流域年均实际NPP为261.70 gC·m^-2·a^-1,总量为10.62 TgC·a^-1,NPP呈略微上升趋势。（2）人类活动对NPP的正向和负向影响都非常强烈,影响值介于-644.15~740.31 gC·m^-2·a^-1之间。在人为作用下,正向影响总量年均为1.93 TgC·a^-1,负向影响总量年均为3.16 TgC·a^-1,整体表现为明显负影响,表明该流域植被在人为作用下一直处于退化状态。（3）研究期间人为作用变化显著,人为正负影响绝对值之和呈减小趋势（年均减少速率为26 592 gC·m^-2·a^-1）,说明人类活动有所减缓;同时人为正负影响值代数和也呈减小趋势（年均减少速率为82 856 gC·m^-2·a^-1）,说明人类对植被的负影响效应正在减弱,表明治理初见成效。（4）研究期间人为负向影响减弱区面积占流域面积的41.04%,主要分布在下游荒漠区,说明下游植被NPP有所增加,生态环境有所改善。     

基于GEE和遥感大数据的1986—2015年全球城镇用地扩张占用水体时空特征

以全球年度城市动态数据（GAUD）和全球地表水动态数据集（GSW）为基础数据,利用Google Earth Engine（GEE）解析了1986—2015年全球城镇用地扩张占用永久性和季节性水体的时空分布特征。研究发现：30 a间全球城镇用地扩张直接占用水体的面积为1 033.2 km²,其中包括季节性水体711.7 km²和永久性水体321.5 km²,呈现先增加后降低的变化趋势。亚洲是城镇用地扩张占用水体面积最多的大洲,其次是北美洲和欧洲,占用水体的面积分别为799.4 km²、122.5 km²和61.1 km²。欧洲是唯一以占用永久性水体为主的大洲。陆地面积排名前十的国家中,中国、美国和印度是城镇用地扩张占用水体面积最多的国家,占用水体的面积分别为573.1 km²、109.6 km²和24 km²。以占用永久性水体为主的国家是俄罗斯和阿尔及利亚。尽管世界各国在水资源保护方面做出了巨大努力,但实现联合国可持续发展目标背景下,需防控更多的水体因城镇用地扩张而消失。     

2010-2015年中国土地利用变化的时空格局与新特征

土地利用/覆被变化是人类活动对地球表层及全球变化影响研究的重要内容。本文基于Landsat 8 OLI、GF-2等遥感图像和人机交互解译方法,获取的土地利用数据实现了中国2010-2015年土地利用变化遥感动态监测。应用土地利用动态度、年变化率等指标,从全国和分区角度揭示了2010-2015年中国土地利用变化的时空特征。结果表明：2010-2015年中国建设用地面积共增加24.6×10³ km²,耕地面积共减少4.9×10³ km²,林草用地面积共减少16.4×10³ km²。2010-2015年与2000-2010年相比,中国土地利用变化的区域空间格局基本一致,但分区变化呈现新的特征。东部建设用地持续扩张和耕地面积减少,变化速率有所下降;中部建设用地扩张和耕地面积减少速度增加;西部建设用地扩张明显加速,耕地面积增速进一步加快,林草面积减少速率增加;东北地区建设用地扩展持续缓慢,耕地面积稳中有升,水旱田转换突出,林草面积略有下降。从“十二五”期间国家实施的主体功能区布局来看,东部地区的土地利用变化特征与优化和重点开发区的国土空间格局管控要求基本吻合;中部和西部地区则面临对重点生态功能区和农产品主产区相关土地利用类型实现有效保护的严峻挑战,必须进一步加大对国土空间开发格局的有效管控。     

近20年天山地区冰湖变化特征

主要基于Landsat TM/ETM+影像等数据,分析1990-2010 年来天山地区冰湖变化特征及其对冰川融水径流的影响。近20 年来,天山冰湖面积平均以0.689 km²a^-1 或0.8% a^-1的速度扩张,其中一半以上是由东天山(0.352 km² a^-1) 贡献的,其次为北天山,面积年均增率为0.165km² a^-1,西天山和中央天山的面积年均增率最小,分别为0.089 km² a^-1和0.083 km² a^-1。除在相对较低海拔(< 2900 m) 和高海拔(> 4100 m) 范围内冰湖面积出现减少的现象,其他各高度带的冰湖面积均在扩张,其中增率最快的在3500~3900 m之间,平均增速达1.6% a^-1。冰湖扩张是本区气候变暖和冰川普遍退缩共同作用的结果,以中小规模的冰湖(< 0.6 km²) 对冰川退缩响应最为敏感。冰湖扩张能在一定程度上延缓因气候变暖而导致的区域冰川水资源的亏损,每年大约有0.006 Gt 的冰川融水滞留在冰湖中,约占天山冰川年消融量的2‰,但也将加剧本区冰湖溃决洪水/泥石流灾害的频次和强度。     

武汉城市扩张对热场时空演变的影响

深入分析城市扩张对城市热场时空分布及演变的影响机制,对探求城市热岛效应缓解对策、改善城市生态环境质量意义重大。基于1987年、1996年、2007年和2013年的Landsat影像反演武汉主城区地表温度、提取不透水面值,定量研究两者的关系,探讨城市建设对城市热场空间分布的影响;采用不透水面和正规化地表温度差值影像动态定量1987-2013年武汉城市扩张对热场时空演变的影响机制。结果表明：① 1987-2013年,武汉不透水面不断增加,城市建设强度加强,城市扩张明显,但是不同时期表现出不同的扩张方向、范围和模式。② 城市热岛效应主要发生在相应时期的建成区和武钢工业区,而城市大型水体则表现出明显的“冷廊效应”和“冷岛效应”;1987-1996年、1996-2007年和2007-2013年热状况恶化面积分别为382.0 km²、305.1 km²和105.7 km²,热状况总体呈现恶化趋势。③ 不透水面指数能较好地解释热场空间的异质性,两者回归方程的系数为0.751~0.923,不透水面值每增加0.1,正规化地表温度值会增加0.01~0.02。④ 城市热状况变化从改良极显著、改良较显著、无变化、恶化较显著到恶化极显著,对应的不透水面差值由小到大,城市扩张和城市建设强度加大对恶化城市热环境和加剧城市热岛扩展作用明显。     

西藏NPP时空格局与气候因子的关系

根据2000-2012年1 km MOD17A3 NPP遥感数据和气温、降水等气象资料,在GIS支撑下,结合多种统计计算方法,对西藏NPP时空格局与气候因子的关系进行研究。结果表明:2000-2012年间西藏陆地植被的NPP为119.3～148.4 g·m^-2·a^-1,平均为135.2 g·m^-2·a^-1;近年来西藏NPP呈不显著上升趋势,NPP总体上由东南向西北逐渐变小。13年来西藏NPP在总体不变(面积占61.11%)的基础上略有增加(面积占10.7%);不同植被类型中阔叶林的NPP最大,为1 185.2～1 430.2 g·m^-2·a^-1,其次是混交林,为535.1～741.2 g·m^-2·a^-1,其后依次是稀树草原、针叶林、农用地、草地和灌丛;西藏NPP与气温、降水因子分别有较好的正、负相关性。所有植被类型都与年均气温呈正相关,其中草地的NPP与年均气温的相关系数达0.88,其次是针叶林为0.76,相关性最差为热带稀树草原0.13;与年降水量的相关性,除了热带稀树草原正相关(0.26),其余都负相关,草地、针叶林的相关系数分别为-0.79、-0.73。     

未来气候情景下中国植被净初级生产力稳定性及气候影响

中国陆地生态系统在全球碳循环中发挥着重要作用,植被净初级生产力(NPP)是重要碳循环分量。但对中国植被NPP未来变化趋势、稳定性及应对气候变化机制的研究尚少见报道。本文应用前期发展的生态系统过程模型CEVSA-RS,分别模拟了RCP4.5和RCP8.5气候情景下2006—2099年中国植被NPP,利用分段线性回归分析NPP年际变化转折点,采用滑动窗口法分析NPP稳定性的变化及气温和降水的影响。结果表明：(1)中国植被NPP在RCP4.5和RCP8.5气候情景下的总量分别为4.41 Pg C a^-1和4.40 Pg C a^-1,季风区分别贡献了总量的72.8%和73.4%。(2)两种情景下NPP年际变化均为先增后减,转折点分别为2062年和2055年;转折年份之前NPP分别以5.3 g C m-210a^-1、6.5 g Cm-210a^-1显著增加,后以前期的4.28倍和2.57倍速率下降。(3)两种气候情景下滑动窗口计算的NPP稳定性分别以-2.9%10a^-1和-4.3%10a<...     

近年来的黄土高原耕地时空变化与口粮安全耕地数量分析

基于遥感调查数据集定量分析了1990—2015年中国黄土高原地区耕地的时空变化特征和口粮绝对安全最小耕地保障面积的数量变化。结果表明：黄土高原耕地面积从1990年的192 529.65 km²至2015年的182 688.50 km²，净减少了9 841.14 km²，幅度达5.11%，其中2000—2010年的减幅最大，净减少8 483.00 km²；较大的耕地动态变化图斑主要分布于中部和西部区域，细碎的变化图斑广泛分布；耕地地类转出面积（31 875.82 km²）大于转入面积（21 815.25 km²），耕地面积的增加主要由草地和林地转化而来，主要分布在灌溉农业区和东南部平原区，减少的耕地主要转化为草地和林地，主要分布在中部沟壑区的雨养农业区。此外，该时期耕地转化为建筑用地和交通用地等人工表面的面积逐渐增加，主要分布在东南部低海拔平原地区；黄土高原口粮绝对安全所需最小耕地保障面积呈明显减少特征（从1990年的70 913.37 km²下降到2015年的33 981.64 km²），占该区耕地总面积比例呈明显缩减态势（从1990年的36.83%缩减到2015年的18.60%），目前耕地总量的净减少未对口粮绝对安全的耕地保障数量造成大的影响。     

1990—2010年黄河宁蒙段所处流域土地利用变化

以Landsat TM和ETM+遥感影像为基础数据源,应用地理信息系统技术,对黄河宁蒙段所处流域1990-2010年土地利用变化进行了监测,并结合气候变化、人类活动和政策因素探讨了土地利用变化的驱动力,初步分析了土地利用/覆被变化对流域水-沙关系的影响。结果表明：（1）20年来研究区建设用地面积增加了1 310.04 km²,耕地面积增加了611.15 km²,水域和草地面积分别减少了1 499.51 km²和474.93 km²;（2）20年来黄河宁蒙段所处流域土地利用变化速度经历了缓慢变化-显著变化-急剧变化的过程。各土地利用类型在后10 年（2000-2010年）的变化速度均比前10年（1990-2000年）大;（3）研究时段内草地和未利用地转化为林地,草地和耕地被开发为建设用地,未利用地和草地被开垦为耕地;（4）人类活动和政策因素是影响20年来土地利用变化的主要驱动因子,但人口数量的增加、经济的发展及环境政策的调整对研究区土地利用变化的影响更为显著;（5）1990-2010年流域耕地和林地面积分别增加了611.15 km²和543.19 km²,植被覆盖度由1990年的34.7%增加到2010年的40.8%。林地和耕地面积的增加均使得流域总蒸发量增加,灌溉用水增加,从而径流量减少,植被覆盖度的增加使得流域径流量和输沙量均降低。     

关中-天水经济区土地利用变化对净第一性生产力影响测评

净第一性生产力是表现陆地生态过程的关键参数,土地利用变化深刻影响区域的净第一性生产力。选取关中-天水经济区为研究区域,尝试对30 m精度的1980-2011年4期9月份左右Landsat 7的遥感影像以及CASA模型来估算关中-天水经济区的净第一性生产力,并用2011年遥感图像解译获得该年的土地利用数据,以及土地利用变化情况。在此基础上分析土地利用变化对净第一性生产力的影响,并且对关天经济区各县市净初级生产力进行了对比和分析。结果表明：1980-2011年,关中-天水经济区土地利用耕地、林地、居民建筑用地变化明显,南部秦岭山区多为林地与草地,净第一性生产力高达625.37 g C·m-2·a-1,而关中平原与天水地区人口居住区与开垦区净第一性生产力明显下降,最低达47.78 g C·m-2·a-1,人为的开发与利用土地降低了区域的净第一性生产力。所以,要继续施行落实退耕还林政策,控制城镇用地较大速度的扩增,以保持好区域的生态服务功能。     

2000-2012年青海湖流域NPP时空分布特征

利用青海湖流域及周边地区气象资料和MODIS遥感影像等数据,结合地理信息系统技术和植被净初级生产力(NPP)估算模型(CASA模型),确定了2000-2012年青海湖流域NPP值,并评价了其时空分布特征。结果表明:2000-2012年青海湖流域年均NPP为4.77×10¹² g,空间分布以青海湖为中心,由低到高呈环带状,并呈由东南向西北递减趋势,在青海湖北侧河流中游地区年均NPP达到最高,为374.19 g·m^-2。2000-2012年NPP呈波动中逐渐增长趋势,年均增加4.81×10¹⁰ g;NPP年内变化显著,7月NPP达到全年最高值,占全年的28.77%。13年间流域内大部分地区NPP呈增长趋势,显著增长区主要分布在共和县江西沟乡、石乃亥乡和天峻县周围;青海湖北侧哈尔盖河上游、沙柳河中游地区则是主要减少区。多元回归分析表明归一化植被指数(NDVI)和降水是青海湖流域NPP的主要影响因素。     

Modelling the impacts of cropland displacement on potential cereal production with four levels of China’s administrative boundaries

Cropland displacement, as an important characteristic of cropland change, places more emphasis on changes in spatial location than on quantity. The effects of cropland displacement on global and regional food production are of general concern in the context of urban expansion. Few studies have explored scale-effects, however, where cropland is displaced not only within, but also outside, the administrative boundary of a certain region. This study used a spatially explicit model (LANDSCAPE) to simulate the potential cropland displacement caused by urban land expansion from 2020 to 2040 at four scales of the Chinese administration system (national, provincial, municipal, and county levels). The corresponding changes in potential cereal production were then assessed by combining cereal productivity data. The results show that 4700 km² of cropland will be occupied by urban expansion by 2040, and the same amount of cropland will be supplemented by forest, grassland, wetland, and unused land. The potential loss of cropland will result in the loss of 3.838×10⁶ tons of cereal production, and the additional cropland will bring 3.546×10⁶ tons, 3.831×10⁶ tons, 3.836×10⁶ tons, and 3.528×10⁶ tons of potential cereal production in SN (national scale), SP (provincial scale), SM (municipal scale), and SC (county scale), respectively. Both SN and SC are observed to make a huge difference in cereal productivity between the lost and the supplemented cropland. We suggest that China should focus on the spatial allocation of cropland during large-scale displacement, especially at the national level.     

20世纪80年代以来全球耕地变化的基本特征及空间格局

本文基于全球1982-2011年土地利用/覆被的矢量数据,分析了20世纪80年代以来全球耕地变化的基本特征及空间格局。结果表明：① 20世纪80年代以来,全球耕地面积增加了528.768×10⁴ km²,增加速率为7.920×10⁴ km²/a,呈不显著增加趋势,全球耕地面积以20世纪80年代增速最快。20世纪80年代以来,北美洲、南美洲、大洋洲耕地面积呈显著增加趋势,分别增加了170.854×10⁴ km²、107.890×10⁴ km²、186.492×10⁴ km²,增加速率分别为7.236×10⁴ km²/a、2.780×10⁴ km²/a、3.758×10⁴ km²/a;亚洲、欧洲、非洲耕地面积为减少趋势,分别减少了23.769×10⁴ km²、4.035×10⁴ km²、86.76×10⁴ km²,减少速率分别为-5.641×10⁴ km²/a、-0.813×10⁴ km²/a、 -0.595×10⁴ km²/a。② 20世纪80年代以来,全球增加的耕地主要由草地、林地转化,分别占53.536%、26.148%。新增耕地面积主要分布在非洲南部及中部、澳大利亚东部和北部、南美洲东南部、美国的中部及阿拉斯加、加拿大中部、俄罗斯西部及芬兰北部、蒙古北部等区域。非洲南部的博茨瓦纳为全球耕地增加比例最高区域,增加了80%~90%。③ 20世纪80年代以来,全球耕地换化为其他用地共计1071.946×10⁴ km²,全球减少的耕地主要转化为了草地、林地,分别占比为57.482%、36.000%;全球减少耕地主要分布在非洲中部的苏丹南部、美国中南部、俄罗斯南部及欧洲南部的保加利亚、罗马尼亚、塞尔维亚和匈牙利等国,减少最大的区域为非洲南部,减少了60%。④ 各大洲耕地均表现出向高纬扩张的趋势,全球多数国家表现出新增耕地扩张而原有耕地减少的特点。     

城市空间扩展的生态环境效应研究——以内蒙古呼和浩特市为例

城市空间扩展对生态环境的影响及其响应研究备受关注。以内蒙古呼和浩特市为例,借助1977—2014年遥感影像,基于城市用地扩展定量分析及相关评估方法,从资源、环境、景观、生态服务价值及生态环境质量与生态风险变化等角度,对其空间扩展所致生态环境效应进行分析。结果表明：研究期内,呼和浩特市建成区面积扩大5.65倍,生态用地减少18.18%,城市排污总量增加1.62倍,热岛比例指数升高0.40倍,斑块数量增加1.12倍,生态系统服务价值降低8.30%,生态环境质量指数下降8.37%,生态压力指数升高6.11倍。可见,呼和浩特城市空间扩展已对生态环境造成影响,是导致生态用地减少、环境污染加重、热岛效应显著、景观格局破碎、生态功能减退、环境质量降低、生态风险加剧的原因之一。研究结论可为有效遏制城市用地扩张对生态环境的负面影响提供理论依据。     

中国北方沙漠化土地时空演变分析

对2000年中国北方256×10⁴ km²区域内沙漠化土地的遥感监测结果表明:沙漠化土地总面积现已达到38.57×10⁴ km²,其中轻度和潜在沙漠化土地13.93×10⁴ km²,占沙漠化土地面积的36.1%;中度沙漠化土地9.977×10⁴ km²,占25.9%;重度沙漠化土地7.909×10⁴ km²,占20.5%;严重沙漠化土地面积6.756×10⁴ km²,占17.5%。与20世纪50年代后期到70年代中期和80年代后期的沙漠化土地发展状况相比,目前我国沙漠化土地演变趋势具以下特征:(1)沙漠化土地仍在蔓延,面积已由1987年的33.895×10⁴ km²增加到了2000年的38.569×10⁴ km²,13a中净增4.674×10⁴ km²;(2)沙漠化土地继续呈加速发展的趋势,年平均发展速率从20世纪50年代后期到70年代中期的1560 km²、70年代中期到80年代后期的2100 km²发展到90年代的3600 km²;(3)部分旱农区以及农牧交错地区沙漠化土地出现明显逆转,但荒漠草原地区沙漠化土地面积继续扩大,并且程度有所加剧。