不同土地-气候情景下三江源地区产水和水土流失评价（英文）

探讨三江源地区产水和土壤保持对整个青藏高原地区、黄河流域、长江流域及澜沧江流域的生态稳定和人类社会的可持续发展具有重要意义。以4期(2000年、2005年、2010年、2015年)土地利用现状数据、降水及气温日值数据集、1∶1000000中国土壤数据库为研究的数据源,结合居民点、道路、河流等矢量数据及人口、经济栅格数据集和CCSM4通用气候模式预测成果数据,以三江源地区为案例区,基于FLUS模型和降尺度校正方法设计4种土地利用发展情景和2种气候变化情景,应用InVEST模型对研究区域2030年不同情景下的产水和土壤侵蚀进行定量模拟。结果表明:(1)不同土地利用发展情景下,草地仍然是三江源地区的优势土地利用类型,面积占比始终大于67%。(2)RCP4.5气候情景下,年产水量和土壤侵蚀量增加幅度分别超过7%和3.9%;RCP8.5气候情景下,年产水量和土壤侵蚀量的减少幅度分别超过3.3%和1.3%。(3)气候变化在产水量和土壤侵蚀量变化中起主导作用。气候变化对产水量变化的贡献率高达89.97%–98.00%,对土壤侵蚀模数变化的贡献率在60.49%–95.64%之间;而土地利用类型变化对区域产水量变化的贡献率仅在2.00%–10.03%之间,对土壤侵蚀模数变化的贡献率在4.36%–39.91%之间。因此,三江源地区土地开发策略应综合考虑区域发展、退耕还林还草的投入及产生的生态效益等多方面问题。     

陕北地区退耕还林还草工程土壤保护效应的时空特征

以中国退耕还林生态工程重点区域陕北地区作为研究区,基于耕地遥感监测数据集,分析了陕北地区2000-2013年耕地的时空变化特征;基于梯田空间分布,对RUSLE模型进行改进,模拟生成陕北地区土壤侵蚀模数栅格数据并进行精度验证;最后结合耕地变化数据集对陕北地区退耕还林（草）地及未退耕地的土壤侵蚀变化特征进行对比分析,以明确工程对全区土壤侵蚀变化的影响。结果表明,2000-2010年,陕北退耕农田内部侵蚀模数减少了22.70 t/hm ²,是退耕农田区2000年土壤侵蚀模数的47.08%。同期,陕北地区未退耕农田侵蚀模数减少了10.99 t/hm ²,占未退耕农田区域2000年土壤侵蚀模数的28.60%。从陕北全区的角度看,各种土地利用类型2000-2010年土壤侵蚀模数平均减少了14.51 t/hm ²,占2000年全区土壤侵蚀模数的41.87%。由此可见,退耕还林还草工程可以有效减少土壤侵蚀模数,达到土壤保护的作用。其中,由耕地转为林草所导致的侵蚀减少最为显著,对土壤保护的贡献作用最大。但是,2010年以后（2010-2013年）为退耕还林还草巩固时期,因此该阶段陕北地区土壤侵蚀模数和土壤侵蚀量变化较前10年显著降低。     

太行山淇河流域2000-2015年土壤侵蚀和水源供给变化研究

山地生态系统的土壤侵蚀和水源供给变化对评估区域生态环境质量有重要意义。基于2000-2015年四期土地利用数据,借助InVEST模型对淇河流域近16年间山地生态系统的土壤侵蚀和水源供给变化进行评估。结果表明：① 研究区主要土地利用类型为耕地、草地和林地,共占流域总面积的90%以上。近16年间淇河流域的耕地面积显著减少,草地和水域面积大幅增加,建设用地扩张明显。② 平均土壤侵蚀模数显著降低,2000年土壤侵蚀模数为154.27 t/（hm²·a）,2015年减少到32.09 t/（hm²·a）;强度侵蚀、极强侵蚀和剧烈侵蚀由9.03%、12.19%和25.96%分别减少到7.17%、6.36%和4.21%,微度侵蚀、轻度侵蚀和中度侵蚀由24.31%、16.96%和11.57%增加到41.89%、27.71%和12.68%;退耕还林、还草措施优化了土地利用格局,促进植被恢复,对治理土壤侵蚀起到了显著效果。③ 水源供给量整体呈现先增加后减少的趋势,2005年达到峰值（1.79亿m³）。相邻两期水源供给量增减变化不一,2000-2005年水源供给量增加的面积大于减少的面积,其水源供给的量值也呈增加趋势,水源供给能力整体增强;而2005-2010年、2010-2015年的水源供给能力随之减弱,其中,2010-2015年水源供给减少的较小;林地和草地面积的增加造成水源供给量降低,土壤水源涵养能力增强。土壤侵蚀和水源供给是山地生态脆弱性响应的重要指标,制定合理的水土保持措施对增强山区生态系统的服务能力具有重要意义。     

生态保护工程和气候变化对长江源区植被变化的影响量化

分析长江源区生态保护工程和气候变化对植被变化的影响程度,对于长江源区生态工程的生态效益评估,以及区域植被适应性生态管理政策的制定具有重要意义。因此,本文基于1982-2015年的归一化植被指数数据（Normalized Difference Vegetation Index, NDVI）和气象数据,分析长江源区植被NDVI的时空变化规律,构建预测植被NDVI对气候因子响应的人工神经网络模型,在此基础上,在年和季节尺度上量化气候变化和生态保护工程对长江源区植被变化的影响程度。结果表明：① 在长江源区气候条件变化和生态保护工程影响下,长江源区植被退化得到遏制,植被生长呈好转趋势;② 海拔相对较低的通天河附近植被NDVI增加幅度较大,高海拔的沱沱河和当曲流域的植被NDVI增加幅度相对较小;③ 长江源区植被NDVI对气候因子响应存在1~2月的滞后性。构建的人工神经网络模型的拟合优度参数人工神经网模型具有较高的预测精度,可以用来模拟植被NDVI对气候因子的响应;④ 年尺度的植被NDVI增加受到生态保护工程的影响程度（58.5%）大于气候变化的影响程度（41.5%）。生长季生态保护工程对NDVI的影响程度（63.3%）大于气候变化对NDVI的影响程度（36.7%）,而非生长季气候变化是影响长江源区植被生长的关键要素（52.8%）。研究结果有助于为长江源区植被生态系统恢复、管理和利用战略的科学制定提供决策依据。     

气候变化主导高寒脆弱生态系统净初级生产力年际变化趋势（英文）

三江源,即长江、黄河和澜沧江源头区,其高寒生态系统的脆弱性和敏感性使其成为我国生态安全的重要屏障,在我国生态环境保护和建设方面处于重要地位。了解气候变化的影响对于全球气候变化背景下生态环境保护和恢复措施的实施至关重要。由于生态系统过程的复杂性、研究数据的可靠性以及模型本身的不确定性等,使得对高原植被生产力变化的驱动因素存在多种归因解释。本研究利用遥感-过程耦合模型(GLOPEM-CEVSA)估算三江源区2000–2012年植被净初级生产力,基于像元尺度的气温和降水为自变量的多元线性回归方法,分析在全球气候变化背景下,三江源区植被净初级生产力的时空分布格局,探讨气候水热因素对NPP的影响。研究结果表明:(1)模型模拟NPP与野外采样的地上生物量(AGB)显著线性相关,能够解释AGB空间变异的45%,高于MODIS生产力产品(MOD17A3)的解释能力(21%);(2)1990–2012年间三江源区的气候呈暖湿化趋势,较之1990–2000年,近10年气候呈暖湿化加速趋势;(3)在暖湿化气候变化背景下,三江源全区NPP的年际变化呈增加趋势(每10年增加13.7 g m–2),统计置信度为86%(即显著性水平P=0.14);三大流域对比表明,黄河源头NPP增速最快(17.44g m–2 (10 yr)–1,P=0.158),其次是长江源头,澜沧江增速最低(12.2 g m–2 (10 yr)–1),统计置信度仅为67%;(4)NPP年际变化的气候因素分析发现,气温和降水能够解释全区草地NPP年际变异的83%,可解释全区高、中、低覆盖度草地NPP年际变异的78%、84%和83%。本研究结果表明气候变化在青藏高原高寒生态系统的植被生产年际变化趋势中起主导作用。这对认识全球气候变化对脆弱生态区的影响机制,及因地制宜地实施生态保护与恢复措施具有重要科学和现实指导意义。     

土壤侵蚀模型研究中的几个问题

土壤侵蚀模型是定量研究土壤侵蚀的有效工具,探讨土壤侵蚀模型研究中的有关问题对于土壤侵蚀模型的发展及相关研究具有重要意义。从模型的过程模拟、模型时空尺度变异、模型验证和不确定性几方面对模型研究现状及局限进行了归纳和分析,认为:不同过程的模拟及其模拟方法的不同导致了各具特色的土壤侵蚀模型的出现;大多水蚀模型是对不同时空尺度上的水流及相应侵蚀过程进行模拟预测,在不同的时空尺度上,不同的侵蚀过程占主导地位;现实过程和现象的复杂性、观测方法和手段的限制以及模型的自身的局限性是导致土壤侵蚀模型预测的不确定性的主要原因;与GIS结合的强预测力、低数据要求的模型是土壤侵蚀模型发展的趋势。     

2000–2015年中国城市化进程中耕地质量及其时空变化研究（英文）

加速的城市化进程导致越来越多的耕地被占用,在耕地资源供给不足情况下高质量的农田受到巨大威胁,进而可能对中国粮食安全构成威胁。尽管已对中国耕地质量的空间格局进行了评估,但其随时间变化的情况未见报导。本研究利用MODIS的净初级生产力产品(MOD17)数据,基于发展的累积概率分布法确定耕地质量标准,以2000–2005年、2005–2010年和2010–2015年三期基于Landsat遥感的土地利用变化(LUCC)数据,得到低、中、高质量农田的空间分布,定量分析城市化占用耕地的数量和质量。结果表明,城市化占用耕地面积占耕地减少总面积的比例由2000–2005年的47.29%增加到2010–2015年的77.46%。2000年,中国耕地质量以中低产田为主,分别占全国耕地面积的40.81%和48.74%,高产田仅占10.44%。随着建设用地规模的扩大,城市化占用高产田面积在全国耕地面积中的比例从2000–2005年的9.71%上升到2010–2015年的15.63%,高产田受到严重威胁。从空间上看,该现象已由华东、华南向中西部地区转移,尤其是西北地区,其2010–2015年建设占用耕地面积中,高产田达到52.97%。本研究不仅提供了一种评价耕地质量的方法,同时揭示了城市化进程占用高质量耕地的趋势。未来占用高质量农田的趋势可能会持续,必须构建以振兴乡村为主的新型发展模式,可能是缓解土地资源紧缺情况下城市化和粮食安全矛盾的可选途径,值得土地利用规划和政府决策给予重视。     

国家重点生态功能区生态系统服务时空格局及其变化特征

基于遥感数据及地理信息系统平台,利用生态模型,定量分析中国国家重点生态功能区在实施转移支付前（2000~2010年）、后（2010~2015年）生态系统宏观格局及关键生态系统服务的时空分布格局及其变化特征。研究结果表明：在气候变化与转移支付政策的共同影响下,中国国家重点生态功能区生态系统宏观结构总体好转,荒漠化得到有效控制,水体与湿地得到有效恢复,但森林及草地生态系统发生退化,农田与聚落生态系统面积进一步扩大;水土流失及土壤风蚀得到有效遏制,水源涵养及土壤保持服务得到大幅提升,但防风固沙服务整体有所下降,同时人类活动对生物多样性维护功能的威胁程度基本持衡。     

北方土石山区石堰梯田的水土保持作用

北方土石山区的石堰梯田土地管理模式被认为能够有效地保持水土、提升土壤地力、增加农田生产力,但是该模式的具体水保效益以及生态学机制尚不清楚。因此,本文以河北涉县旱作石堰梯田为研究区,利用GIS和RS技术,以及修正的通用土壤流失方程(RUSLE)估算了研究区2000—2005年、2006—2011年和2012—2017年三个阶段的石堰梯田土壤侵蚀量和保持量,得到了研究区土壤侵蚀量的空间分布特征,并通过原位观测实验对研究区石堰梯田的水土保持措施因子P进行校正。结果表明:石堰梯田区的水土保持能力良好,相较自然条件(无耕作措施),可减少泥沙流失量91.5%左右。此外,石堰梯田系统的土壤侵蚀量低于林地和草地的土壤侵蚀量。就区域尺度而言,2000—2005年、2006—2011年和2012—2017年三个时期的年均土壤侵蚀模数分别为14 925、9495和82 783 t·km~(-2)·a~(-1)。根据土壤侵蚀的分类分级标准(SL19090),石堰梯田系统基本为微度或轻度侵蚀。由于石堰梯田耦合了花椒树边际种植模式,其土壤保持量也远高于其他土地利用方式。研究成果将为雨养农业生产和山区生态环境保护提供参考。     

2000～2008年内蒙古中部地区土壤风蚀危险度评价

选择内蒙古中部为研究区,以地理信息系统技术与层次分析法为依托,在深入调研风蚀驱动因子的基础上,构建了一个驱动因子相对全面并且实践可行的土壤风蚀危险度模型;基于该模型,综合长时间序列的遥感数据、地面气象台站观测数据,对研究区2000~2008年土壤风蚀危险度的空间分布格局、变化动态及其驱动机制进行了分析。结果表明:在内蒙古中部地区,从东南到西北土壤风蚀危险度呈现逐渐增强的趋势,不同的风蚀危险等级区有着不一样的主导控制因子;在2000~2008年期间,区域土壤风蚀危险程度总体呈现下降趋势;2000年以来风场强度的持续下降及植被NDVI的持续上升是促使区域土壤风蚀危险度下降的控制因子,而气候干燥度在2005年的大幅上升则是当年区域土壤风蚀危险度上升的控制因素。     

三江平原东北部土地利用变化的生态效应分析

土地利用／土地覆被变化对区域生物多样性和重要生态过程影响深刻。以1987～2000年间的Landsat／TM影像作为基本信息源,利用GIS空间分析和地统计分析功能,从景观生态学角度构建生态效应指数来反映三江平原东北部地区土地利用／土地覆被变化所带来的生态效应,并且定量评价了该区生态效应与土地利用、土壤以及土壤侵蚀之间的关系。结果表明,与1987年相比,2000年研究区水田和耕地面积都增加了2000km^2以上,毁林、毁草和将沼泽湿地开垦为耕地等人类活动导致该区生态系统更加脆弱;研究区2000年的全区平均生态效应指数比1987年高0．02;2000年,研究区中同江市的生态风险最高;土壤类型与生态效应指数的对应关系显示,泥炭土区和黑土区存在较大的生态风险;土壤侵蚀等级越大,生态效应指数越高,2000年各等级土壤侵蚀强度的生态效应指数均高于1987年。     

塔里木河源流山区径流模拟及不确定性研究

自然环境恶劣、站点稀少、观测困难是干旱区水文系统研究面临的基本问题。特殊的自然地理条件给水文过程带来了极大的复杂性和不确定性,也阻碍了干旱区水文过程和机理研究的发展。选取塔里木河源区开都河流域为研究区,采用分布式水文模型MIKE SHE模拟大尺度资料稀缺地区水文过程,将流域内气象、水文站点数据与遥感数据相结合,利用气象、土壤类型、土地利用和地表覆盖、数字高程(DEM)和降雨等资料,模拟流域水文过程;在出山口径流数据的基础上对模型进行率定和验证;分析了模型中的不确定性的来源,探讨模型优化方法。结果表明,MIKE SHE模型能在水文、气象站点稀少,土壤及水文地质数据缺乏的条件下,模拟开都河流域的日径流过程,但精度仍有待提高;通过分析识别出了隐含于模型结构、输入及参数等3个方面的8种不确定性来源。     

洪河沼泽湿地水文过程模型构建及水文功能分析

洪河沼泽湿地地势低平、河道多变,洪水季节性泛滥,缺乏水文监测数据,而模拟的水文数据不确定性较大;而且,用地表径流数据验证生态水文模型的模拟结果,效果并不理想。以洪河国家级自然保护区中部的沼泽湿地为研究对象,整合数字河网与高精度数字高程数据,改进分布式生态水文模型SWAT的子流域概化方式,构建湿地水文过程模型;在此基础上,分析研究区沼泽湿地水文功能。对于湿地水文过程模型的构建,除了利用径流观测数据进行验证外,还应用不同深度的多点土壤湿度数据进行验证。研究结果表明,1改进的SWAT模型取得了较高的面向沼泽湿地模型精度,模型决定系数R2达到0.7,相对误差小于21%,表明模拟效果良好;2在研究区内的沼泽湿地中,以草甸黑土—沼泽化草甸、草甸黑土—草本沼泽、沼泽土—沼泽化草甸、沼泽土—草本沼泽4种土壤—植被的组合模式为主,土壤湿度较大,湿地的调蓄水功能较强;3季节性和常年的洪泛水文过程与土壤湿度的梯度特征,控制着研究区的沼泽植物的空间格局;随着土壤湿度梯度的变化,植物群落呈现出明显的条带状梯度分布。     

基于CA-Markov模型的多时间跨度土地利用变化模拟

土地利用/覆被变化（Land Use and Cover Change， LUCC）模拟是LUCC研究的主要内容和重要手段。时间间隔是模拟过程中的重要参数，对模拟结果精度有何影响，有待深入研究。以新疆玛纳斯河流域典型绿洲区四道河子镇为例，基于遥感影像提取1975、1985、1995、2000、2005、2010年和2015年的土地利用数据，分别以20 a、15 a、10 a和5 a为时间间隔构建CA-Markov模型，模拟2015年土地利用结构，定量探讨时间间隔对CA-Markov模型精度的影响。结果表明：1975—2015年，四道河子镇LUCC以耕地和草地为主，期间耕地、建设用地迅速扩张，林地、草地和未利用地大幅减少，水域在1985—2000年呈现小幅增长。耕地的增加和草地及林地的减少是研究区近40 a LUCC最显著的特征。对比模拟结果与实际结果，时间间隔为20 a、15 a、10 a、5 a的TFOM分别为70.35%，69.18%，76.32%和88.00%。基于2005—2010年转移概率的模拟结果更接近于2015年实际结果，适合模拟四道河子镇未来的土地利用变化。土地利用模拟应依据区域LUCC特征确定最佳的时间间隔，提高模拟精度。     

权衡生态安全与城市扩展模拟的山地城市增长边界划定

进行城市空间增长边界模拟研究,对区域有序开发土地资源和有效保护生态效益具有重要意义。传统方法未考虑到现实约束下生态需求对城市扩展的影响,缺乏一定的客观评价。本文以2005年和2015年两期城镇建设用地数据为基础,从协调城市扩展与生态安全的视角出发,借助ArcGIS平台构建改进CA模型,模拟了2025年万州城区的城镇用地扩展情况,并划定了城市增长边界。首先,通过计算生态敏感性、生态服务价值和禁止开发区划定生态保护红线,结合水域用地得到生态安全格局;其次,合理选取城市扩展潜力因子建立Logistic驱动评价体系,并纳入可控的邻域作用和随机作用构建CA模型模拟城市扩展的空间形态;最后,综合评价划定出2025年城市增长边界。结果表明:(1)以2005年为基期模拟2015年研究区的城镇用地情况,模拟总精度为96.80%,Kappa系数为0.86,模型效果好;(2)2025年模拟的城市增长边界内面积为166.79 km~2,占研究区面积的15.32%。模拟结果可为城市空间规划提供定量支撑,保障了城市扩展的可持续性,对生态环境敏感、城市用地紧张的山地型城市的增长边界划定具有参考价值。     

黄河源区气候—植被—水文协同演变及成因辨析

全球变化下黄河源区水文过程的演变影响流域生态系统的水源涵养功能,流域植被改变也影响水循环。本文基于气候、植被信息和VIP分布式生态水文模型,开展黄河源区水碳循环要素变化的集成模拟,分析了气候—植被—水文要素的协同演变机制。结果表明,2000年以来黄河源区气候呈暖湿化趋势;植被绿度明显提高,2010—2019年比2000—2009年平均增加了4.5%;生长季延长了至少10 d;植被生产力（GPP）显著上升,倾向率为4.57 gC m^-2 a^-1;植被恢复措施对GPP变化的贡献约为23%,气候变化和大气CO₂升高的施肥效应的贡献为77%。源区植被蒸散量（ET）呈增加趋势,倾向率为2.54 mm a^-1,水分利用效率（WUE）亦提高,平均相对上升率为5.1% a^-1。GPP、ET和WUE年总量及其变化率在海拔4200 m以下随高度上升而减小,之后变化趋缓。源区植被绿度和径流系数与当年和前一年降水呈显著正相关,反映降水蓄存于植物根层土壤的遗留效应。蒸散增强在一定程度上有利于源区地表—大气之间的水分再循环,帮助缓解生态恢复引起的产水能力下降,促进降水—植被—径流之间的良性互馈关系的形成。揭示水文对气候变化和植被恢复的响应和互馈机制,可为生态恢复措施对源区水源涵养功能的影响及效应的定量评估提供科学依据。     

遥感反演土壤蒸发/植被蒸腾二层模型在华北地区的应用

利用一种可操作的地表蒸散遥感反演二层模型,以我国华北平原为研究区,选择2004年的3月至6月华北地区主要农作物冬小麦的生长季节作为研究时段,利用MODIS遥感卫星数据,结合地面130多个气象台站的空气温湿度实测数据,实现了土壤蒸发和植被蒸腾的反演。采用国家生态网络禹城综合试验站利用涡度相关系统观测的地表总蒸散半小时平均的数据进行了模型验证,结果表明模型估算的地表可利用能量与地面实测数据的相关系数可以达到0.92,均方差为30.4w.m^-2;模型估算的地表总蒸散值与地面实测数据的相关系数为0.85,均方差为21.3 w.m^-2,由此证明了模型的可用性。     

气候变化和工程活动对青藏铁路沿线植被指数时空变化的影响

基于1982—2015年的GIMMS NDVI3g+及同期气候数据,利用最大值合成法获得青藏铁路沿线直接影响区和生态背景区的年内NDVI最大值、年际NDVI平均值,对其进行了趋势分析、变异分析、气候相关分析和残差分析,部分结果用MODIS NDVI（2001—2018年）进行了验证。研究表明：① 青藏铁路年际NDVI高度响应气候变化和工程活动,即施工前主要响应气候变化,年际NDVI呈缓慢上升趋势;施工中主要响应工程活动,年际NDVI呈显著下降趋势;运营中响应气候变化和工程活动的综合影响,年际NDVI呈缓慢上升趋势。② 青藏铁路的工程活动对沿线植被有显著影响。即施工前直接影响区和生态背景区年际NDVI增长率相近;施工中直接影响区年际NDVI增长率低于生态背景区;运营中直接影响区年际NDVI增长率高于生态背景区。③ 研究利用时空不变量,剔除了植被覆盖的空间异质性分量、周期性绿度分量,甄别出了气候变化与工程活动的贡献量。     

基于SWAT模型的乌鲁木齐河流域径流模拟

为了更好地研究西北干旱区高山河流对气候变化的响应,在新疆乌鲁木齐河上游汇水区构建SWAT分布式水文模型,结合Sufi-2算法对模型进行参数率定、敏感性分析以及不确定性分析,对乌鲁木齐河英雄桥水文站以上2000-2011年日径流进行模拟。结果表明:(1)河岸调蓄的基流α因子、土壤饱和导水率、地下水的时间延迟、气温降水垂直变率以及相关融雪参数比较敏感。(2)模型模拟结果与观测流量过程线拟合程度较好,日值模拟结果Ens>0.75,PBIAS介于±25%,R²达到0.8以上。(3)较高的P-factor及较低的R-factor显示模型不确定性较小。总体来说,SWAT模型在乌鲁木齐河上游区的适用性比较理想。     

不同植物篱坡面的土壤侵蚀过程CA模拟

在一般元胞自动机(CA)模拟方法的基础上,将土壤侵蚀的水力学原理引进CA模型,改进其系统演化的规则,从而建立了可以模拟不同植物篱影响下的坡面土壤侵蚀过程模型,植物篱对于土壤侵蚀的影响使用产流和产沙因子来描述。结合在4个栽有不同植物篱的试验小区和一个对照小区进行的人工降雨侵蚀试验,利用该模型分别对5个小区的水土流失情况进行了模拟,并对模拟结果以及引起模拟误差的原因进行了分析。通过试验观测结果与模拟数据的对比分析发现,该模型可以很好地模拟不同植物篱影响下的坡面累积产流和产沙强度。观测和模拟的结果分别表明植物篱可以显著地减少坡面土壤的流失量,并且不同的植物篱的作用不同,其中,香根草植物篱具有最好的水土保持作用。