近期气候波动与LUCC过程对东北农田生产潜力的影响

利用1991~2000年逐日气象资料以及20世纪80年代末和90年代末土地利用数据,估算了东北地区气候波动和LUCC过程对农田生产潜力的影响。结果显示:90年代东北地区由于作物生长季内气候变暖和降水减少,生产潜力普遍降低6.45%,其中降水量变化的区域差异是导致生产潜力变化区域分异的主要原因。在LUCC过程的影响下,东北地区生产潜力总量净增加2 402.79×10⁴t。从气候波动和LUCC过程对生产潜力的影响程度看,气候波动要低于LUCC过程的作用,LUCC过程所导致的生产潜力的增长趋势抵消了气候波动所带来的降低趋势,10年间东北地区农田生产潜力总量净增加992.23×10⁴t。     

气候变化对土地覆被变化的影响及其反馈模型

气候变化对土地覆被变化影响及其反馈模型研究主要内容包括:中国土地覆被季相变化的时空差异性;中国土地覆被特征参数NDVI年际变化与气候变化的关系;中国气候一植被判别模型;气候一土地覆被变化的神经网络建模及土地覆被的气候预测;土地利用/土地覆被变化(LUCC)对气候影响的反馈机制和LUCC对中国土壤碳库的可能影响;土地覆被变化对气候影响的反馈数值实验.     

土地利用变化对土地生产力的影响研究进展

土地利用变化对土地生产力的影响是土地利用/覆被变化(LUCC)效应研究的重要内容之一。本文基于对土地利用变化和土地生产力概念的辨析, 着重从土地利用变化对土地生产潜力、粮食生产能力和土壤质量3 个方面的影响, 总结梳理了当前的主要研究内容和方法, 探讨了研究的影响尺度特征。最后指出今后的研究应加强土地利用结构、方式和强度变化对小尺度范围内耕地生产力的影响, 强化不同尺度的综合以及空间分析和动态评估方法的应用。     

20世纪80年代末以来中国土地利用变化的基本特征与空间格局

土地利用/土地覆被变化（LUCC）是人类活动与自然环境相互作用最直接的表现形式,本文采用相同空间分辨率的卫星遥感信息源和相同的技术方法,对中国1980 年代末到2010 年土地利用变化数据进行定期更新。在此基础上,提出并发展土地利用动态区划的方法,研究土地利用变化的空间格局与时空特征。我们发现：1990-2010 年的20 年间,中国土地利用变化表现出明显的时空差异。“南减北增,总量基本持衡,新增耕地的重心逐步由东北向西北移动”是耕地变化的基本特征;“扩展提速,东部为重心,向中西部蔓延”是城乡建设用地变化的基本特征;“林地前减后增,荒漠前增后减,草地持续减少”是非人工土地利用类型变化的主要特征。20 世纪末与21 世纪初两个10 年相比,中国土地利用变化空间格局出现了一些新特征,原有的13 个土地利用变化区划单元演变为15 个单元,且部分区划单元边界发生变化。主要变化格局特征为黄淮海地区、东南部沿海地区、长江中游地区和四川盆地城镇工矿用地呈现明显的加速扩张态势;北方地区耕地开垦重心由东北地区和内蒙古东部转向西北绿洲农业区;东北地区旱作耕地持续转变为水田;内蒙古农牧交错带南部、黄土高原和西南山地退耕还林还草效果初显。近20 年间,尽管气候变化对北方地区的耕地变化有一定的影响,但政策调控和经济驱动仍然是导致我国土地利用变化及其时空差异的主要原因。2000 年后的第一个10 年,土地利用格局变化的人为驱动因素已由单向国土开发为主,转变为开发与保护并重。在空间格局变化的分析方法方面,应用“动态区划法”开展世纪之交两个10 年中国LUCC空间格局变化的分析,有效揭示了20 年来中国LUCC“格局的变化过程”,即动态区划边界的推移、区划单元内部特征的变化与单元的消长等;以及“变化过程的格局”,即土地利用变化过程与特征的分阶段区域差异,清晰刻画了LUCC动态区划中区划单元的消长,单元边界的变动,以及前后10 年的变化强度特征,揭示了土地利用“格局”与“过程”之间的交替转化规律,以及不同类型和区域的变化原因,证明了该分析方法的有效性。     

西双版纳土地利用/覆盖格局的热环境效应研究

利用Landsat TM/ETM＋数据的热红外波段,通过单通道算法,反演了中国热带西双版纳地区的地表温度,并对西双版纳地表温度演变的规律进行了分析,结果显示：（1）研究期间,西双版纳土地利用/覆盖发生了剧烈变化,有林地面积不断减少,旱地、灌木林、茶园与橡胶园面积不断增加;（2）旱地、荒草地、茶园、建设用地的地表真实温度的平均值较高,水体和有林地的平均温度较低;（3）旱地、灌木林、有林地、荒草地和橡胶园对区域的热效应贡献较大,水体、水浇地、建设用地、滩涂和水体的热效应贡献较小;有林地的热单元权重有不断减少的趋势,灌木林与旱地的热单元权重有不断增加的趋势;（4）西双版纳土地利用/覆盖的剧烈变化改变了区域地表温度的分布格局,最终可能会导致地方气候变化。需要进一步开展西双版纳地区LUCC—气候—生态系统耦合研究,深入研究区域LUCC特别是橡胶园的时空变化过程及其气候/生态效应、气候变化与LUCC过程的互馈机制,为实现区域可持续发展提供科学依据。     

1990-2010年中国土地覆被变化引起反照率改变的辐射强迫

土地覆被变化通过改变地表反照率而影响地表辐射收支与能量平衡,从而对区域和全球气候产生影响。本文利用高时空分辨率遥感数据分析1990-2010 年中国土地覆被变化改变地表反照率的时空驱动机制,并计算全国50 个生态区地表反照率变化导致的年际尺度辐射强迫,揭示土地覆被变化在生态区尺度上影响气候变化的生物地球物理机制。结果表明:1990-2010 年全国土地覆被变化以耕地开垦、草地沙化、城市化等人类土地利用活动导致的土地覆被变化最为明显,全国草地与林地面积分别减少了0.60%和0.11%;建设用地和耕地面积分别增加了0.60%和0.19%。全国土地覆被变化通过改变地表反照率引起的平均辐射强迫为0.062 W/m²,表现为增温的气候效应,但在生态区尺度辐射强迫空间差异很大。京津唐城镇与农城郊农业生态区主要土地覆被变化为耕地转为建设用地,引起地表反照率降低了0.00456,产生0.863 W/m²的辐射强迫,表现为增温的气候效应;而三江平原温带湿润农业与湿地生态区主要的土地覆被变化为林草地转为耕地,引起地表反照率升高了0.00152,产生-0.184 W/m²的辐射强迫,表现为降温的气候效应。     

气候与土地利用变化对汉江流域径流的影响

作为联结大气圈和地圈的纽带,水文循环同时承受气候变化和土地利用/覆被变化(LUCC)的双重影响,然而大多数的水文响应研究主要关注未来气候变化对径流的影响,忽略了未来LUCC的作用。因此,本文的研究目的是评估未来气候变化和LUCC对径流的共同影响。首先采用2种全球气候模式(BCC-CSM1.1和BNU-ESM)输出,基于DBC降尺度模型得到未来气候变化情景;然后,利用CA-Markov模型预测未来LUCC情景;最后,通过设置不同的气候和LUCC情景组合,采用SWAT模型模拟汉江流域的未来径流过程,定量评估气候变化和LUCC对径流的影响。结果表明:①未来时期汉江流域的年降水量、日最高、最低气温相较于基准期(1966—2005年),在RCP 4.5和RCP 8.5浓度路径下,分别增加4.0%、1.8℃、1.6℃和3.7%、2.5℃、2.3℃;②2010—2050年间,流域内林地和建设用地的面积占比将分别增加2.8%和1.2%,而耕地和草地面积占比将分别减少1.5%和2.5%;③与单一气候变化或LUCC情景相比,气候变化和LUCC共同影响下的径流变化幅度最大,在RCP 4.5和RCP 8.5浓...     

作物生产潜力变化的区域差异——以陕西省为例

作物生产潜力变化具有明显的区域差异性,亟需针对不同地理单元实施有效应对措施和调控策略。选择陕西省三大地理单元（陕北高原、关中盆地和秦巴山区）为研究对象,运用全球生态区模型（GAEZ）分析了陕西省不同地理单元作物生产潜力变化趋势,探讨了不同作物生产潜力变化的区域差异,辨识出影响不同作物生产潜力变化的主要因素,结果显示：（1） 1980—2015年间,陕西省玉米生产潜力总量增加了150.55×10⁴ t,小麦生产潜力总量则下降了402.69×10⁴ t。（2） 关中盆地的玉米和小麦生产潜力皆最大,陕北高原次之,秦巴山区的玉米和小麦生产潜力皆最小;陕北高原和秦巴山区的玉米生产潜力皆表现出先增加后减小再增加的变化趋势,关中盆地的玉米生产潜力则先减小后增加再减小;关中盆地和秦巴山区的小麦生产潜力都呈下降趋势,陕北高原的小麦生产潜力则有所提高。（3） 土地利用变化呈现减产效应,这一效应在关中盆地尤为显著,其次为陕北高原;气候变化导致玉米生产潜力增加,使小麦生产潜力下降;气候变化对不同地理单元的影响也不相同,在陕北高原表现为增产效应,在关中盆地和秦巴山区则为减产效应。（4） 在陕北高原,气候变化的增产效应是玉米和小麦生产潜力提高的主要原因,气候变化对玉米生产潜力的影响大于对小麦的影响,耕地向草地、林地和建设用地的转化是降低作物生产潜力最主要的土地利用变化因素;在关中盆地,作物生产潜力的变化主要是受气候变化的影响,小麦受气候变化的影响较玉米为大,以建设用地占用耕地为特征的土地利用变化对玉米生产潜力的影响大于对小麦的影响;在秦巴山区,土地利用变化是玉米生产潜力变化的主要原因,而小麦生产潜力的变化主要受气候变化影响。     

面向空间规划的土地适宜性评价——以汨罗市为例

为满足空间规划的需求,从自然地理条件、生态环境、制度政策3个要素方面构建了建设用地、耕地适宜性评价的禁止性指标和限制性指标。禁止性指标对建设用地、耕地适宜性"一票否决",限制性指标以分值(0～100,分数越高,表示越适宜)和权重对适宜性进行限制。以湖南省汨罗市为例进行了实证研究,结果显示汨罗市适宜进行建设开发的土地面积占汨罗市总面积的20. 8%,适宜进行耕作的土地面积占汨罗市总面积的42. 67%。适宜建设开发的土地极限剩余潜力为13 327. 28 hm~2,可供耕地开发的储备土地资源为1 060. 44 hm~2。     

额尔齐斯河-斋桑湖流域近20年来土地利用/土地覆被时空演变

土地利用/土地覆被变化(LUCC)是影响生态环境和气候变化的主要驱动力之一,同时又是受其影响的结果。LUCC研究对于开展生态环境变化及气候变化的研究均具有重要的意义。针对目前境外LUCC研究中土地利用/覆被分类效率低的问题,探索一种适用于大数据量而又精度较高的分类方法。以额尔齐斯河国外部分-斋桑湖流域为研究区域,以1990年及2007年的Landsat TM/ETM+夏秋季影像以及DEM作为数据源,综合利用影像光谱、纹理信息参与到决策树构造中,进而利用决策树分类方法分别提取这两个时期的土地利用/覆被空间分布信息,最后分析两个时期的土地利用时空变化状况。实验结果表明:(1)光谱与空间纹理信息参与的决策树分类方法具有较高的分类精度;(2)两个时期的土地利用变化分析发现,近20年来该区域土地利用发生了较大的变化,耕地和灌木林地大面积减少,而低覆盖度草地和未利用地却显著增加。     

广西森林转型与森林扰动遥感监测研究

近20年来由于封山育林政策的实施和人工乔木林的大面积种植,广西森林面积大幅增加,正在经历深刻的森林转型,森林转型过程中农林交错带和森林内部的结构重组都给生态系统带来了不容忽视的扰动。本文基于2000—2016年MODIS-EVI影像数据、1∶100万地貌图和4期土地利用数据,采用变化矢量法和Sen+Mann-Kendall对广西进行森林转型背景下的森林转型路径和森林内部扰动特征分析。研究表明:自2000年以来广西森林的EVI变化强度以无变化和低变化类型为主,总体EVI上升趋势略大于下降趋势,EVI显著下降主要分布于十万大山、大瑶山、海洋山和越城岭等山地区域和桂西北的百色水利枢纽和龙滩水利枢纽周围,显著上升部分主要集中于桂中南的左江-邕江-郁江流域平原丘陵区、桂西南喀斯特区和桂东北山地区地势低平的河谷地带。广西森林面积增加的土地来源于耕地和草地,森林转型路径表现为"经济增长型"和"森林短缺型"两种路径并存,或者存在更为复杂的复合型路径。广西森林内部扰动的减少型和扰动型分布于桂西北喀斯特和桂东北山地起伏度较大的陡坡区域,增加型分布于桂中南的平原丘陵地区。由于山地陡坡区域和喀斯特地区的生态敏感性,应更多关注扰动型和减少型在桂西北和桂东北地区的集中分布问题。     

基于遥感指数的中国南亚热带常绿林光合作用季节动态变化研究（英文）

准确监测中国南亚热带常绿林生态系统光合作用动态变化对全球陆地生态系统碳吸收估计及其对气候变化的响应至关重要。涡动协方差技术一直被认为是评估生态系统碳通量最直接的方法,虽然具有较高的时间分辨率,但在空间上有其自身的局限性。近10年,光谱观测和卫星遥感技术在植被生产力监测方面的应用大大提高了对碳通量的时空评估能力。本研究基于长时间序列光谱观测数据,提取叶绿素荧光指数(FRI)和光化学植被指数(PRI),进而评价两个生理遥感指数跟踪亚热带常绿林光合作用季节动态变化的能力。结果表明,传统NDVI指数受光照条件影响较大(R^2=0.88,p<0.001),并呈现出饱和现象,而FRI和PRI指数则能较好地跟踪植物光和功能季节性变化,且在季节尺度上两者受光照条件的影响相对较弱(FRI指数R^2=0.13;PRI指数R^2=0.51);相比PRI指数与光能利用效率(LUE)在午间具有较强的相关性,FRI指数与GPP的相关性则在早上优于午间时段;而这两种相关关系均在植被衰退季优于植被生长季。另外,通过考虑光合有效辐射因子,基于FRI指数监测GPP的能力得到显著提高,R 2从0.22提高到0.69,呈显著正相关关系(p<0.001);同时,在植被衰退季也呈现出更强的相关性(R^2=0.79,p<0.001)。研究成果表明,FRI和PRI两个生理遥感指数能够准确地监测亚热带常绿林光合作用季节动态变化,建议把其引入碳循环模型中以改进区域碳收支估计。     

山区聚落与耕地空间耦合关系研究——以北川县为例

探究山区聚落与耕地间的耦合关系,对山区聚落重构与农业发展具有重要意义。本文采用核密度法、局部空间自相关、Ripley k函数和聚耕比指数等方法定量分析了北川县山区聚落与耕地在数量与质量上的空间特征。结果表明:1)北川县聚落属于典型的山区农业聚落,且多为离散型或小规模群体性聚落,加之受地形因素影响,多属于平行于等高线的台阶式聚落。2)由多距离空间聚集指数可看出,小尺度下的聚落聚集特性并不明显,多数聚落呈离散性。3)北川县域聚落与耕地空间分布关系密切,聚落分布呈显著的“耕地指向性”,聚耕比指数差异明显,呈由西北向东南逐渐增大的分布趋势。4)北川县域耕地质量等级较低,但耕地分布空间同质性较好,“高高”质量耕地,与“低低”质量耕地具有明显的聚集特性。本文在传统的以分析聚落与耕地数量关系为中心的基础上,加入耕地质量分析,较全面地反映聚落与耕地的空间耦合关系,为聚落与耕地关系的整体认知提供了新的思路。     

基于模型模拟的中国秸秆还田固碳潜力空间格局分析（英文）

农作物秸秆还田作为农田土壤和养分管理的推荐做法之一,对于土壤有机碳(SOC)固定和CO_2减排具有重要意义。本研究利用环境政策综合气候模型(EPIC)模拟了4种作物秸秆还田情形下2001年至2010年中国农田表层土壤有机碳变化及其空间格局。模拟结果显示,秸秆完全移除(CR0%)下的土壤有机碳损失为28.89 Tg yr^–1,当前30%的秸秆还田(CR30%)能够减缓22.38 Tg C yr^–1的碳损失。若秸秆还田率从30%提高至50%(CR50%)乃至75%(CR75%),中国农田表层土壤将变为净碳汇。中国农田表层土壤固碳潜力在CR50%和CR75%情形下分别可达25.53 Tg C yr^–1和52.85 Tg C yr^–1,且在不同农业区存在空间异质性。单位面积土壤固碳潜力在西北和华北地区最高,而华东最低。华北地区具有最高的区域固碳潜力。在这十年间,CR50%和CR75%情形下增加的土壤表层有机碳相当于减少了1.4%和2.9%的中国CO_2排放总量。总之,我们建议鼓励我国农民将原本直接焚烧或用作家用燃料的秸秆返还田间以改善土壤性质和减缓大气CO_2增加,尤其是华北地区更应推行这一举措。     

石林县域洼地特征与资源环境效应

地貌类型的结构多样性和生态系统各要素耦合的复杂性,使得喀斯特人地关系地域系统中出现水土流失、石漠化、贫困等各种特殊的生态环境和社会问题。洼地是喀斯特地形分化的元地形,对其研究有助于从地貌动力学视角深化对喀斯特地区资源环境要素的认识。本文将基于ASTER-GDEM地形数据的GIS、RS空间分析与野外地质地貌调查成果相融合,研究石林县域洼地形态特征与空间格局,揭示洼地发育的资源环境效应。结果表明:(1)石林县域洼地8597个,总面积269.45km^2,占县域面积的15.16%,洼地平均面积3.13±6.83hm^2,深度15.8±11.2m,坡度7.42±2.68°,长轴长度237±227m,圆度指数1.26±0.28,频率分布呈左偏特征,洼地点蚀指数为6.14,显示区域地貌发育处于不成熟的初始分化状态。(2)石林县域洼地为显著聚集分布模式,按密度范围可分为高密度(>6个/km^2)、中密度(5~6个/km^2)和低密度(<5个/km^2)三个区域。(3)洼地高低密度的差异性空间分布与泉眼、暗河、地下水系统流向等具有高度空间相关性,表现为地下水往往从高密度区向低密度区流动,暗河的源头区分布于高密度区,泉眼等地下水排泄通道位于低密度区;植被覆盖度和石漠化强度等资源环境指标的分布在不同密度洼地区具有显著差异性,表现为随着洼地密度的增加,区域内低植被覆盖度和高等级石漠化强度的面积逐渐增加。洼地作为降雨汇聚成地表径流转入地下暗河的有利地形,其空间格局是区域水土资源流失/漏失的关键性空间格局,高密度洼地区是水土保持与石漠化治理的重要区域,这种认识为喀斯特地区资源环境规划及管理提供了地貌学理论与技术基础。     

贵州省生态移民经济可持续发展研究

贵州实现全面小康的难点在于生态移民。本文以贵州省为研究区域,采用现场调查、统计分析的手段,探讨影响生态移民经济可持续发展的因素。研究表明,生态移民搬迁以后的家庭收入水平、家庭债务负担、就业状况、培训状况、子女就学状况及医疗卫生状况等与其实现经济可持续发展有着极为密切的关系,其中收入水平是反映移民经济可持续发展最重要的方面,家庭劳动力数量、从事的职业及是否参加过技术技能培训等因素对收入都产生了显著的影响。因此,获得持续稳定的收入来源是移民实现经济可持续发展的前提和保障,从政策上帮助移民就业,让移民参与有利于就业的技术技能培训,是实现移民可持续发展的重要途径。具体而言,一是政府、企业和移民三方联动,采取自主创业、区域劳务合作、增加城镇公益性岗位等措施有效促进移民实现就业;二是通过开展现代农业实用技术培训、针对性的岗位技能培训、文化知识道德素养提升培训等内容帮助移民提升生产方式和生活方式的转型能力。本研究为实现生态移民可持续发展提供重要的参考与借鉴。     

国家重点研发项目:中国陆地生态系统生态质量综合监测技术与规范研究（英文）

生态质量是指一定时空范围内生态系统要素、结构和功能的综合特征,具体表现为生态系统的状况、生产能力、结构和功能的稳定性、抗干扰和恢复能力。生态系统的质量是我国生态文明建设和生态环境监测的重要内容,多时空尺度观测技术的发展为生态系统质量监测与评价提供了新机遇,但同时也对国家尺度生态要素、生物多样性和生态功能的观测标准与技术规范提出了新的要求。本国家重点研发项目自2017年7月立项以来,围绕国家尺度生态质量监测技术与规范,开展了生态系统网络观测技术规范、台站生态要素监测、区域生物多样性和区域生态功能监测技术与规范的研究,在典型农林草湿地生态系统开展应用示范。项目在生态质量综合监测指标体系构建、生态系统研究网络观测技术、区域生物多样性和区域生态功能监测、基于无人机和机器学习的荒漠植被监测等方面取得了重要进展,促进了生态质量监测技术的发展。我们组织本专辑从不同视野集中系统介绍本项目已取得的生态质量监测技术和评价方法,以期促进生态学及其观测技术的发展。