基于GIS和元胞自动机的玛纳斯河流域典型绿洲景观格局优化

近几十年来,玛纳斯河流域以耕地面积过度扩张、山区林地与草地退化为代表的一系列不可持续的发展方式已对区域生态安全和土地可持续利用构成了威胁。通过利用遥感影像与GIS方法,以沙湾县和农八师垦区为研究区,定量评价了区域土地利用的空间适宜性,并将其与国家退耕还林还草政策作为主要约束条件,建立元胞自动机模型对研究区景观格局进行了空间优化。结果表明：（1）1976-2012年,研究区耕地面积显著扩张,增加的耕地主要由未利用地、草地和林地转换而来;林地面积净减少幅度达65.90%,转出林地中有58.33%转换为耕地;草地净面积在研究时段内虽略有增加,但仍有6.352×10⁴ hm²的草地转换为耕地,占草地转出总面积的66.03%;（2）耕地、林地和草地适宜性等级处于I级（很适宜）和Ⅱ级（适宜）的面积分别占研究区总面积的79.74%、70.23%和59.82%;（3）优化后,区域内耕地、林地和草地三者的比例由原来的6.04∶0.39∶3.57调整为4.03∶0.99∶4.98。优化结果在一定程度上减缓了耕地的扩张,提高了林地、草地所占比例,有利于该区域绿洲生态系统的稳定性和社会经济可持续发展。     

内蒙古草原NPP时空变化及驱动力

植被净初级生产力（NPP）及驱动力分析是全球变化研究的核心内容。以1982—2015年内蒙古草原为研究对象,基于GIMMS NDVI3g、ERA5气象和草原类型数据,采用CASA模型生成年草原NPP。综合运用趋势分析、偏相关、复相关及残差分析法探讨1982—2015年草原NPP变化趋势,并定量确定气候因子和人类活动对草原动态变化的影响程度。结果表明：（1）内蒙古1982—2015年NPP极显著和显著增加的草原面积占草原总面积的11.76%、18.92%。NPP极显著和显著减少的草原面积占草原总面积的4.26%、8.08%。草原NPP增加的面积大于减少的面积,草原处于恢复状态。（2）内蒙古草原92.87%的区域NPP与气候因子之间表现出很好的相关性,气温驱动、降水驱动和降水、气温复合驱动分别占总面积的2.06%、70.71%和20.11%,气候变化对3种草原影响程度荒漠草原>典型草原>草甸草原。（3）人类活动对草原NPP也产生很大影响。其中起到正向作用通过显著性检验（P<0.1）的区域占草原总面积的41.12%,起到负作用（P<0.1）的占5.34%。综上所述,1982—2015年内蒙古草原总体处于恢复状态,在气候和人类活动共同作用下生态环境得到了极大改善。     

风沙过渡区耕地生态系统净第一性生产力动态变化研究——以陕西榆阳区为例

对榆阳区1984～2003年各乡镇耕地NPP单位面积量及总量进行分区动态测算。研究表明:①1984～2003年,榆阳区耕地净第一性生产力总量在波动中上升;②1984～2001年,榆阳区北部耕地净第一性生产力远高于南部,且呈较快上升趋势,南部黄土丘陵沟壑区耕地净第一性生产力呈较平缓的波动变化,且略有下降;③1984～2001年,榆阳区城区、近郊、远郊的差异性在单位耕地面积净第一性生产力上体现为城区>近郊>远郊;在耕地NPP总量方面,城区、近郊和远郊都表现为在波动中上升,三区变化以远郊波动幅度最大;④榆阳区耕地净第一性生产力总量的大幅增长有农业投入增加的原因,但主要得益于该区生态环境的改善。     

云南省自然植被净初级生产力的时空分布特征

基于气候生产力模型,利用1960～2000年127个气象站气温、降水资料以及植被信息,对云南省自然植被净初级生产力的时空分布特征进行了分析。结果表明:41a云南自然植被年均NPP为4.23×108tDM/a,约占全国自然植被年均NPP总量的11.4%;单位面积的平均NPP为10.64tDM/(hm2·a),是全国平均水平的2.8倍。云南自然植被NPP随着纬度、经度和海拔高度的增加均呈现下降趋势,变化总趋势为北部<中部<南部,东部<中部<西部。云南自然植被NPP在干季(11～4月)和雨季(5～10月)差异显著,6～8月最大;41a来云南大部分地区自然植被NPP呈现上升趋势,20世纪70、80年代比60年代有所下降,90年代有所上升。气温增加,降水增加或不变的情况下,滇西北和滇东北NPP增加幅度大于其他地区,说明这些地区气温是制约自然植被NPP的主要因素;气温增加,降水减少的情况下,几个少雨区和多雨区NPP降低幅度大于其他地区,表明在上述地区限制NPP的主要因素是水分。     

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。     

亚热带山地丘陵区植被NPP时空变化及其与气候因子的关系————以湖南省为例

以湖南省为研究区,采用250 m×250 m空间分辨率的MODIS-NDVI数据,结合相应时间段的气象数据,使用改进的CASA模型,模拟并分析该区域2000-2013年间的植被NPP的时空变化特征,并借助统计分析方法对不同土地覆盖类型中植被NPP的变化趋势及其显著性,NPP与气候因子的相关性进行量化分析.结果表明:① 该区域的净初级生产量年际变化特征明显,年净初级生产量分布在41.62~125.40 Tg C/yr之间,平均值为86.34 Tg C/yr,总体来看,14年间湖南省植被净初级生产量呈波动减少趋势,年际减少趋势为2.70 Tg C/yr;② NPP空间分布差异较大,基本特点是西高东低,南高北低,从西南向东北呈逐渐递减趋势,其中,各植被分区的NPP有明显差异;③ 2000-2013年,湖南省植被NPP呈极显著增加(slope >0,p < 0.01),显著增加(slope > 0,0.01 ≤ p < 0.05),无明显变化(p ≥ 0.05),极显著减少(slope < 0,p < 0.01)和显著减少(slope < 0,0.01 ≤ p < 0.05)的区域分别占总面积的比例为5.40%,2.02%,61.64%,16.79%和14.15%.植被NPP变化趋势总体上显示为减少的趋势,而不同土地覆盖类型的植被NPP变化趋势及显著性存在较大差异,其中草地的NPP变化趋势最为显著,接着依次是森林,其他土地,建设用地和农田;④ 分析不同土地覆盖类型的植被NPP对气候因子的响应,发现NPP与降水量之间的相关关系强于其与温度的相关关系.     

中国县域耕地与农业劳动力变化的时空耦合关系

利用1996 年、2000 年和2005 年中国县域耕地与农业劳动力数据,基于GIS 技术和模型方法,分析了县域耕地面积与农业劳动力变化态势及其时空耦合特征。研究表明：① 县域耕地面积和农业劳动力变化均呈先增后减态势。1996-2000 年,耕地总量、劳动力数量分别增长2.70%和1.40%;2000-2005 年,耕地总量、劳动力数量分别减少1.51%和8.18%。②“胡焕庸线”是刻画中国耕地和劳动力变化格局的重要分界线。沿此线带状区域内因退耕还林造成耕地快速减少,而农业劳动力转移滞后;其西北部区域耕地快速增加,农业劳动力也在增长;其东南部区域耕地明显减少,而农业劳动力减少速度更快,二者呈现协调态势。③ 耕地非农化进程中县域劳动力转移效率呈下降趋势。1996-2000 年和2000-2005 年,全国分别有447 个和505 个县域的耕地减少和劳动力转移呈良性变化,90%的县域劳耕弹性系数(LFEC) 的中位数分别为4.58 和2.97。④ 基于SOM自组织特征映射神经网络聚类方法,可将1996-2005 年中国县域耕地与劳动力变化的耦合特征划分为9大类型区。多情景模拟分析表明,2005-2015年的LFEC趋势值为2.55。     

青藏高原高寒草地净初级生产力(NPP)时空分异

基于1982-2009 年间的遥感数据和野外台站生态实测数据,利用遥感生产力模型(CASA模型) 估算青藏高原高寒草地植被净初级生产力(NPP),分别从地带属性(自然地带、海拔高程、经纬度)、流域、行政区域(县级) 等方面对其时空变化过程进行分析,阐述了1982 年以来青藏高原高寒草地植被NPP的时空格局与变化特征。结果表明:① 青藏高原高寒草地NPP多年均值的空间分布表现为由东南向西北逐渐递减;1982-2009 年间,青藏高原高寒草地的年均总NPP为177.2×10¹² gC·yr^-1,单位面积年均植被NPP为120.8 gC·m^-2yr^-1;② 研究时段内,青藏高原高寒草地年均NPP 在112.6~129.9 gC·m^-2yr^-1 间,呈波动上升的趋势,增幅为13.3%;NPP 增加的草地占草地总面积的32.56%、减少的占5.55%;③ 青藏高原多数自然地带内的NPP呈增加趋势,仅阿里山地半荒漠、荒漠地带NPP呈轻微减低趋势,其中高寒灌丛草甸地带和草原地带的NPP增长幅度明显大于高寒荒漠地带;年均NPP增加面积比随着海拔升高呈现"升高—稳定—降低"的特点,而降低面积比则呈现"降低—稳定—升高"的特征;④ 各主要流域草地年均植被NPP均呈现增长趋势,其中黄河流域增长趋势显著且增幅最大。植被NPP和盖度及生长季时空变化显示,青藏高原高寒草地生态系统健康状况总体改善局部恶化。     

伊犁河中下游近40年土地利用与覆被变化

针对跨界流域土地利用/覆被变化(LUCC)信息十分有限,无法满足对环境变化评估需要的现状,本文以跨界流域——哈萨克斯坦境内伊犁河中下游为研究区,利用20世纪70年代的MSS、90年代的TM、2000年和2007年的ETM卫星遥感影像,采用目视解译与决策树相结合的分类方法,可较高精度提取研究区LUCC的时空信息,通过一套数理统计模型,定量分析了区域LUCC的过程和趋势。近40年来,高覆盖度林草地、中覆盖度林草地和耕地始终是伊犁河中下游地区所占比例最大的3种土地利用/覆被类型。整个研究时段内,耕地、水库坑塘和未利用地先增加后减少,其中耕地总体呈现减少的趋势,但减少幅度逐渐减小,水库坑塘和未利用地面积总体趋于增加。高覆盖度林草地和河流呈现出持续减少的态势,而建设用地面积持续增加。中覆盖度林草地、湖泊和沼泽先增加后减少,总体呈现增加趋势。低覆盖度林草地经历了减少—增加—减少的变化过程,总体呈现减少趋势。耕地和林草地相互转换频繁,其中耕地与高覆盖度林草地之间的转换和高、中覆盖度林草地之间的转换为区域内最主要的四种变化类型。1970-2007年间,伊犁河中下游地区土地利用始终处于准平衡状态,但有向不平衡状态发展的趋势。20世纪70年代卡普恰盖水库的建立和90年代初期的政策变化改变了原有变化的随机性和平稳性,使区域内相关土地利用/覆被发生显著变化。     

基于遥感的中国陕北地区近20年耕地变化及其对农田生产力影响的定量评估

本文以中国退耕还林生态工程重点区域陕北地区作为研究区,对比其前后两个10年的耕地资源空间分布格局,并进一步分析耕地变化对农田生产力的影响。论文基于中高分辨率卫星遥感数据,经人机交互目视解译并结合实地验证,生成陕北地区1990、2000和2010年耕地现状以及前后两个10年耕地变化时空监测数据集。进而运用光能利用率遥感模型,结合中分辨率、长时间序列卫星遥感数据估算陕北地区农田净初级生产力,分析耕地变化对农田生产力的影响。结果表明,陕北地区耕地面积及其生产力在研究期前10年小幅增长,后10年明显减少。耕地增加的主要原因是为满足当地人口的粮食需求以及弥补城市建设对耕地的占用,大面积草地和未利用地被开垦。耕地减少的最主要原因是生态退耕,城市化也是耕地减少的原因之一。总体而言,20年来陕北地区耕地资源总面积净减少42.56%;受耕地面积变化的影响,同期农田净初级生产力下降了41.90%。研究对于评估陕北地区耕地安全和粮食安全,指导区域土地利用科学规划具有重要意义。     

干旱对河西走廊植被净初级生产力的影响

干旱对生态系统碳循环具有重要影响,随着气候变暖,全球干旱事件频率不断上升,研究干旱对植被净初级生产力的影响具有重要意义。提高植被净初级生产力（NPP）的时间分辨率是认识干旱对其影响机制的重要途径。基于5天NDVI遥感数据,以河西走廊为研究区,利用CASA模型估算2010—2015年5天步长尺度的NPP,将5天降水为零定义为干旱基本单元,利用标准分数来探究干旱对植被NPP的影响。结果表明：基于高时间分辨率遥感数据能有效探测干旱对NPP的影响机制,研究期间河西走廊年干旱频次6—44次,干旱对该地NPP有负效应,对5天均值的影响为-0.23 g·m^-2,影响幅度为-1.93%,整体影响较小。干旱对林地NPP影响最大,下降3.70%,草地次之,荒漠最小。随着干旱持续时间的增加,NPP变化趋势呈现为先降低,然后降低趋势增加,最后趋于稳定的过程。干旱对夏季的NPP影响最大,冬季最小,秋季干旱对林地影响最大。     

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。     

The simulation of LUCC based on Logistic-CA-Markov model in Qilian Mountain area,China

The Qilian mountain area was examined for using the Logistic-CA-Markov coupling model combined with GIS spatial analyst technology to research the transformation of LUCC, driving force system and simulate future tendency of variation. Results show that:(1) Woodland area decreased by 12.55%, while grassland, cultivated land, and settlement areas increased by 0.22%, 7.92%, and 0.03%, respectively, from 1986 to 2014. During the period of 1986 to 2000, forest degradation in the middle section of the mountain area decreased by 1,501.69 km~2. Vegetation cover area improved, with a net increase of grassland area of 38.12 km~2 from 2000 to 2014.(2) For constructing the system driving force, the best simulation scale was 210m×210m. Based on logistic regression analysis, the contribution(weight) of composite driving forces to land use and cover change was obtained, and the weight value was more objectively compared with AHP and MCE method.(3) In the natural scenarios, it is predicted that land use and cover distribution maps of Qilian mountain area in 2028 and 2042, and the Lee-Sallee index test was adopted. Over the next 27 years(2015–2042), farmland, woodland, grassland, settlement areas show an increasing trend, especially settlements with an obvious change of 0.56%. The area of bare land will decrease by 0.89%. Without environmental degradation, tremendous structural change of LUCC will not occur, and typical characteristic of the vertical zone of the mountain would remain. Farmland and settlement areas will increase, but only in the vicinity of Qilian and Sunan counties.     

耕地生产力与粮食安全耦合关系与趋势分析——以河南省为例

粮食是社会经济发展的重要保障。运用耕地、粮食安全测度模型对2005~2014年河南省粮食安全状况进行评估。结果表明：① 2005~2014年,农民种粮积极性上升10%,耕地压力指数下降71%,农民经济收益上升 13%,耕地重心向西南移动。 ② 不同指标对耕地生产力的贡献率具有差异性。2005~2009年粮种比对耕地生产力的贡献率最大,2010~2014年贡献率发生转移,粮食播种面积单位产量对耕地生产力的贡献率最大;10 a间,粮种比的贡献（69.77%）相对粮食单产的贡献（39.28%）更能促进河南省耕地生产力的提高。 ③ 耕地压力受到自然、社会等多方面因素影响。各指标间相关关系较强,种粮积极性与农民耕地保护能力的二者呈现负相关关系。     

Effect of Land Use and Land Cover Change on the Changes in Net Primary Productivity in Karst Areas of Southwest China: A Case Study of Huanjiang Maonan Autonomous County

Karst areas in southwest China have experienced significant land cover and land use change (LUCC) due to utilization for human activity and a comprehensive rocky desertification control project (RDCP) since 2008. It is important to quantify the effect of LUCC on ecosystem productivity in this region for assessing the overall benefit of this ecological restoration project. In this study, we used using MODIS land cover and NPP products to investigate the relative contribution of LUCC to the change in net primary productivity (NPP) during 2008-2013 in Huanjiang County, one of first one hundred pilot counties to implement RDCP. Our results show that NPP increased in 95.53% of the county, and the average growth of NPP in non-rocky desertification area was higher than in rocky desertification or potential rocky desertification areas. LUCC has an important contribution (25.23%) to the NPP increase in the county, especially in the LUCC area (70.97%), which increased the average NPP by 3.9% and 10.5%, respectively. Across the six RDCP regions in the county, the average increase in NPP for the vegetation restoration measure of governed karst area is significantly greater than in the ungoverned karst area, and the positive change in NPP increased with the increasing implementation area of the vegetation restoration measure.     

基于土地利用变化的中国省域碳排放时空差异及碳补偿研究

选择中国30个省级行政区为研究单元,基于土地利用和能源消耗等数据,采用碳排放系数法,对2003~2016年中国土地利用碳源/汇进行计算,探究中国省域土地利用碳排放和碳吸收时空演变,并以碳盈亏时空分析为基础,通过生态补偿系数和经济贡献系数分析碳排放的差异性,以净碳排放量作为基准值进行碳补偿价值的研究。结果表明:① 研究期间碳排放总量和净碳排放量除在2015年出现小幅度下降现象,其余年度均呈现不断增加趋势;碳吸收总量呈现稳中有升的趋势。②土地利用碳吸收的主要载体是耕地和林地,碳汇资源空间差异明显,基本呈现西高东低的分布特征,多数省份在研究期内基本保持一致的碳吸收类型。③ 碳排放总量分布空间差异显著,且主要来自建设用地。④ 依据净碳排放量的区域差异,将其划分为高碳排放区、一般碳排放区、低碳排放区、碳汇区4种类型。⑤ 由于各省域碳补偿标准和净碳排放量的差异导致碳补偿价值区域差异明显。     

陇东耕地净第一性生产力与生态服务价值分析

通过定量分析耕地净第一性生产力与生态服务功能价值,为陇东生态脆弱区耕地生态系统的健康发展提供科学决策依据。利用农田县域统计资料,运用生态系统服务功能评估的相关理论、方法和GIS等工具对陇东地区耕地净第一性生产力和生态服务价值进行评价。结果表明,耕地净第一性生产力在平均值5.04 t·hm-2·a-1上下波动;单位面积的生态服务价值在平均值9.25万元·hm-2·a-1上下波动。陇东耕地生产力低下,生态服务功能不高。耕地净第一性生产力是生态服务价值的决定因素,因此,通过提高耕地净第一性生产力来提高生态服务功能价值,对区域耕地的健康发展有重要作用。     

基于PSO-PNN模型的喀什噶尔绿洲耕地盐渍化分析

盐渍化是构成绿洲农业低产的主要原因之一,也是农业开发和可持续发展的重要限制因素。为提高盐渍化耕地生产力,促进绿洲农业的可持续发展,以喀什噶尔绿洲耕地为研究对象,利用Landsat 8 OLI遥感影像数据提取遥感指数20个,利用土地利用数据计算研究区耕地开垦年限,用线性拟合的方法将用植被光合作用模型（VPM）模拟的植被净初级生产力（NPP）数据进行降尺度,将遥感指数同土壤采样及实测数据进行相关分析,得到优选的遥感特征变量,再用粒子群优化算法（PSO）优化的概率神经网络（PNN）模型进行盐渍化程度分类,得到研究区耕地盐渍化等级分布情况,后与研究区耕地开垦年限和NPP进行叠加分析。结果表明：（1） 选取增强型植被指数（EVI）、盐分指数2（SI₂）、湿度指数（WI）、MSAVI-WI-SI特征空间（MWSI）、波段6（B6,2.11~2.29 μm）5个遥感参量通过PSO-PNN模型进行盐渍化程度反演准确率约为80%。（2） 耕地开垦年限越大的区域盐渍化程度越低。新开垦的耕地主要分布在研究区东部,而研究区西部大都为开垦年限在45 a以上的老绿洲农业区。（3） 耕地盐渍化严重降低了耕地农作物生产力。研究区耕地NPP较高的区域大都分布在西部,较低的区域大都分布在东部,与盐渍化程度等级分布大致相反。上述研究方法与结果可为后续使用遥感参量进行盐渍化反演的研究提供参考,对干旱半干旱区的盐渍化耕地改良具有一定的参考意义。     

1990-2010年中国耕地变化对粮食生产潜力的影响

1990年以来,在国家生态环境保护工程实施、经济快速增长等因素的影响下,中国耕地数量与空间格局发生了巨大变化,对粮食生产潜力造成了巨大影响。本文采用GAEZ模型,结合中国气象、地形、土壤等因素,定量分析了中国耕地粮食生产潜力空间特征以及1990-2010年中国耕地变化对粮食生产潜力的影响。主要结论如下：① 2010年全国耕地粮食生产潜力总量为10.55亿t,全国耕地平均粮食生产潜力为7614 kg/hm²。中国耕地粮食生产潜力存在显著的空间差异,总体表现为东部高而西北部较低的趋势,并且高值区主要分布在长江中下游地区和华南区。② 1990-2010年的20年间,中国耕地粮食生产潜力变化表现出明显的时空差异,总体呈现南减北增、总量减少的基本特征。新增耕地粮食生产潜力的重心逐步由东北向西北转移。耕地粮食生产潜力总量净减少297万t,占2010年全国实际粮食总产量的0.29%。③ 在1990-2000年与2000-2010年两个时期,耕地变化对耕地粮食生产潜力影响差异明显。前10年,耕地粮食生产潜力总量净增加1011万t,主要集中在东北平原区和北方干旱半干旱区;后10年,耕地粮食生产潜力总量净减少1308万t,主要集中在长江中下游地区和黄淮海平原区。从总体看,近20年来耕地粮食生产潜力总量增加主要是由林、草地和未利用土地开垦所导致,而耕地粮食生产潜力总量减少主要是由城市扩展和退耕还林还草所导致。