Integrating diverse methods to understand climate-land interactions in East Africa

The questions of how land use change affects climate, and how climate change affects land use, require examination of societal and environmental systems across space at multiple scales, from the global climate to regional vegetative dynamics to local decision making by farmers and herders. It also requires an analysis of causal linkages and feedback loops between systems. These questions and the conceptual approach of the research design of the Climate-Land Interaction Project (CLIP) are rooted in the classical human-environment research tradition in Geography.This paper discusses a methodological framework to quantify the two-way interactions between land use and regional climate systems, using ongoing work by a team of multi-disciplinary scientists examining climate-land dynamics at multiple scales in East Africa. East Africa is a region that is undergoing rapid land use change, where changes in climate would have serious consequences for people’s livelihoods, and requiring new coping and land use strategies. The research involves exploration of linkages between two important foci of global change research, namely, land use/land cover (LULC) and climate change. These linkages are examined through modeling agricultural systems, land use driving forces and patterns, the physical properties of land cover, and the regional climate. Both qualitative and quantitative methods are being used to illustrate a diverse pluralism in scientific discovery.     

猫跳河流域土地覆被变化及其驱动力定量研究

应用RS、GIS以及GPS集成技术,以黔中喀斯特地区的猫跳河流域为对象,研究了这一地区从1973—2002年间土地利用／覆被的变化过程,并利用典型相关分析法研究了形成这种变化的驱动因素。研究表明,从1973—1990年,猫跳河流域耕地、建设用地、有林地、水域以及裸岩地呈增长趋势,而灌木林和灌草地趋于减少,流域生态环境质量下降。进入20世纪90年代后,有林地、灌草地、建设用地、水域持续增加,灌草地总量变化不大,耕地总量和裸岩地减少,流域生态环境质量趋于好转。定量分析表明,1990年以前,驱动建设用地变化的因素是总人口的变化,1990年以后则是农业产值;1990年以前驱动耕地变化的是农业人口的增长,1990年以后则和粮食产量的提高有关。      

大通河流域土地利用/覆被变化的水文响应

以大通河流域为研究区域,利用1985年和2005年土地利用数据,结合SWAT分布式水文模型定量评估了流域土地利用/覆被变化的水文效应。结果表明：1985-2005年大通河流域的土地利用变化主要表现为草地向耕地、居工地转变,草地所占比例由46.7%骤降至20.9%,而耕地面积由1985年的1065.8km²增加到2005年的3243km²;相较于1985年的土地利用情景,2005年土地利用情景下的模拟的多年平均径流增加了1.92×10⁸m³,由于上中下游主要的土地利用/覆被变化不同,导致流域径流变化增加程度由西北至东南逐渐增大;大通河流域年径流的增加主要表现为汛期径流增加,讯期月平均径流增幅达到了0.40×10⁸m³·mon^-1;非汛期径流则呈不明显减小趋势,平均降幅为0.024×10⁸m³·mon^-1。合理规划大通河流域土地利用方式,提高水源区涵养能力,对流域水资源可持续发展具有重要意义。     

滦河流域土地利用/覆被变化的水文响应

以滦河流域为研究区,利用1985和2000年土地利用数据,结合SWAT分布式水文模型定量评价了流域土地利用/覆被变化的水文效应,并分析了流域地表径流变化与主要景观类型的响应关系。结果表明:SWAT（Soil and Water Assessment Tool）模型可以较好地模拟滦河流域的月流量过程,在研究区具有较好的适用性;1985—2000年流域林地向草地和耕地的转变导致流域年均地表径流和总径流量分别增加了12.6%和5.1%;并使得流域年均地表径流变化空间差异显著,整体呈增加趋势,且主要受到林地变化的影响,而在三道河子以上集水区地表径流的变化则主要受到耕地景观的影响。合理规划土地利用格局,对于流域水资源可持续利用具有重要意义。     

2005-2015年贵阳市生境退化程度对土地利用变化的响应

基于2005和2015年贵阳市土地利用数据,利用InVEST模型,分析了2005-2015年贵阳市生境退化程度对土地利用变化的响应,结果表明:（1）2005-2015年贵阳市城镇建设用地、农村居民点和有林地大幅增加,水田和旱地大幅下降,其他地类变化相对较小;水田和旱地转化为城镇建设用地、农村居民点和有林地最为突出;（2）10年间,贵阳市生境退化程度以下降为主,生境退化程度增加区主要分布在南部,下降区主要分布在北部、东部和西部;（3）生境退化程度热点变化以低值减少和高值减少为主;生境退化程度热点空间变化主要分布于南部。退耕还林政策及快速城镇化引起的水田和旱地转化为有林地、城镇建设用地和农村居民点是导致该区生境退化程度变化的主要因素。      

黔桂岩溶山区土地利用变化的社会经济因素分析

基于黔桂岩溶山区1990、2015年的土地利用数据和社会经济统计资料,利用典范对应分析方法对1990-2015年25年间的土地利用变化及社会经济驱动因素进行了实证分析。结论如下:（1）黔桂岩溶山区土地利用变化存在明显的时空分异现象;（2）贵州高原区以草地大幅减少和林地增加为主要特征;黔桂峰丛洼地区以水域面积增加和草地减少为主要特征;广西丘陵区的主要特征是耕地减少和建设用地增加。（3）贵州高原区土地利用类型变化以经济和人口因素为主要驱动力;广西丘陵区土地利用类型变化以经济因素和农业结构水平为主要驱动力;农业因素对黔桂峰丛洼地区的土地利用变化驱动作用明显。未来应提高贵州高原和黔桂峰丛洼地区岩溶山区草地生态功能重要性的认识,在加强森林植被恢复的同时加强草地资源保护;城镇化发展背景下黔桂岩溶山区应减少优质耕地占用,开发低丘缓坡土地,建设山地特色城市。      

托木尔峰国家级自然保护区土地利用/覆被变化及驱动力分析

利用保护区的3期Landsat TM遥感影像数据,运用GIS技术并结合区域生态环境质量指数,对托木尔峰自然保护区土地利用/覆被变化及其驱动力进行分析。结果表明:近27 a来,冰川和草地面积持续增长,增幅分别为12.37%和99.36%;水体和荒地面积持续减少,减幅为23.07%和12.15%;林地前阶段(1989-2003年)减少16.77%,后阶段(2003-2016年)增加57.91%。区域土地利用/覆被综合动态度,前阶段为0.39%,后阶段为0.36%;前阶段转化率为21.95%,后阶段转化率为18.91%。水体、草地和林地的转化率较高,冰川和荒地的转化率较低;尽管土地利用/覆被类型内部结构变化较复杂、频繁,但各类型之间相互转换的活跃程度逐渐趋于平缓。研究区生态环境质量指数呈增长趋势,年均增长率为0.31%,生态环境逐年改善。致使研究区生态环境质量改善的主要驱动力为气候的变暖湿和土地利用政策的改变。近27 a来,研究区中高山带降水量的增加,扩大了保护区冰川雪地的面积;晋升为国家级自然保护区后的土地利用政策,有效遏制了人类活动对保护区土地利用/覆被的影响,进而使生态贡献率较低的荒地转化为生态贡献率高的林草地,提高了区域生态环境的质量。     

基于遥感技术的宁东煤炭基地土地利用变化及驱动力分析

研究大型矿业基地土地利用动态变化过程可间接评估矿产开发对区域生态环境的影响。采用2005年、2010年和2015年3期SPOT-5和GF-2卫星影像数据,通过人工目视解译与计算机自动提取相结合的手段,提取宁东煤炭基地土地利用信息,并收集2000年土地利用遥感解译信息,构建土地利用程度综合指数、动态度等,定量研究宁东煤炭开发引起的土地利用变化,结合经济社会发展指标,构建驱动土地利用变化的定量评价体系,分析了宁东煤炭基地土地利用格局变化的驱动因素。结果表明,2000—2015年宁东煤炭基地一直处于土地持续开发利用阶段,主要表现为草地、林地及耕地向工矿用地为主的建设用地转变,但土地利用程度综合指数的增幅有所下降,表明基地建设逐渐进入稳定期,土地利用压力趋于下降;主成分分析表明,人类活动驱动着宁东土地利用格局的变化,主要有封山禁牧政策、产业化和规模化、人口增长、城镇化等因素。该研究结果可为宁东煤炭基地未来生态环境保护提供科学依据。     

土地利用变化对海河流域典型区域的径流影响

为研究海河流域径流对土地利用变化的响应,以阜平流域、匡门口流域和界河铺流域为研究区,利用1970—2011年的水文气象资料,分析了不同土地利用的时空转移特征,然后结合SWAT(Soil and Water Assessment Tool)模型,设置4种土地利用情景,评价了土地利用变化对径流的影响。结果表明:模型能够较好地模拟全年及汛期月流量过程;多年径流量呈下降趋势,20世纪80年代到90年代中期呈波动性变化;不同的土地利用类型在时空上的转化呈现可逆性,主要是林地增加,草地减少,耕地略有增加;林地的增加和草地的减少会降低汛期径流量以及最大月径流量;汛期径流系数随着林地面积的增加而减小。合理地规划土地利用格局,对控制流域水文事件具有重要意义。     

长株潭地区耕地压力的时空变化及驱动因素分析

利用1997-2010年长株潭地区的土地利用现状数据和社会经济数据,运用耕地压力指数模型和主成分分析法分析了长株潭地区耕地压力的时空分布及驱动因素。结果表明:（1）长株潭地区耕地总量总体呈阶梯减少趋势;（2）整体看,长株潭地区耕地压力指数小于1,耕地压力不明显,但耕地压力指数呈上升-下降-上升走势,耕地压力呈上升势头。（3）具体看,长株潭地区耕地压力:长沙市>株洲市>湘潭市;并且县域空间差异明显,尤其是城区耕地压力指数远大于1,表明城区耕地压力非常大,其他县市压力相对较小。（4）人口快速增长、经济跨越式快速发展、农业机械化普及与农业投入的增加等4个方面是长株潭地区耕地压力变化的主要驱动因素。研究成果有利于提高人们对长株潭地区的耕地保护意识,为促进区域土地合理利用规划,实现两型发展提供科学依据。      

近30年来西藏那曲湿地变化及驱动力探讨

以RS/GIS为主要手段, 以基于60年代末航片绘制的那曲县1: 10万地形图、1990年TM遥感数据、2000年ETM遥感数据和1∶25万DEM数据为主要数据源, 结合那曲县温度、降水等资料, 对那曲县湿地分布、面积变迁和驱动力进行分析, 结果表明: 那曲县湿地变迁总体趋势自20世纪70年代以来呈萎缩趋势。空间差异表现为: 那曲县西部小型断陷湖盆谷地区域的湿地面积自70年代以来一直呈现萎缩趋势, 东部、南部高山宽谷地区、河源区湿地自经历70～90年代扩张后, 在90年代面积转为萎缩。气候波动和频繁的人类活动是湿地变迁的驱动力, 湿地的地质、水文等背景因素的不同可能是变迁差异的重要原因。     

基于地学信息图谱的龙口市土地利用动态变化研究

阐述了地学信息图谱的内涵及其概念模式,以山东省龙口市为例,在RS和GIS技术支持下,利用1989年和2003年数字遥感图像、土地利用图及自然、社会经济统计数据,建立了龙口市土地利用动态变化信息图谱。根据信息图谱从空间和时间两方面分析了龙口市土地利用动态变化过程,推测出其土地利用变化的主要驱动力。     

The temporal change of driving factors during the course of land desertification in arid region of North China: the case of Minqin County

Taking the key research area in the arid region of North China—Minqin County—as a case, this paper analyzes the main factors impacting land desertification. Based on factor analysis method and the collection of data in the last 50 years, this paper researches the spatial changes of driving factors during the course of land desertification in Minqin, Gansu Province. The results of factor analysis indicate that the driving force of human factor on land desertification accounted for 56.33% in 1956–2004 and for 66.19% in 1981–2004, the driving force of nature factor on land desertification accounted for 11.29% in 1956–2004 and 8.11% in 1981–2004, and the synthesis of driving forces of human and natural factors accounted for 11.19% in 1956–2004 and for 14.88% in 1981–2004. This indicated that human driving force on land desertification was increasing in Minqin County gradually.     

2000-2013年甘肃敦煌市土地利用变化及其驱动因素分析

将2000、2005、2010和2013年的土地利用类型数据与GIS技术结合,获取了甘肃省敦煌市近年来土地利用类型动态变化特征,并结合该地区的2000年以来社会经济和自然环境的资料,分析土地利用类型变化的驱动因素.结果表明：在2000-2013年期间,敦煌市城市化发展迅速,耕地、建设用地和水域面积明显增加,2000-2013年的14建分别增长了10.0%、42.2%和2.5%;草地和未利用土地面积呈减少趋势,分别减少了2.1%和0.1%;林地、沙地变化程度较小. 7种土地利用类型之间相互转换,主要的转移方向为草地、未利用土地向耕地转移,未利用土地向建设用地和水域转变.对影响土地利用变化的而主要驱动因素进行主成分分析,结果显示经济发展、国家政策等人类活动为主要的影响因素,自然因素为辅.     

民勤绿洲现状土地利用模式影响下地下水位时空变化的预测

用GIS与专业计算地下水运动的FEFLOW软件结合模拟研究了民勤绿洲现状土地利用模式影响下地下水位的时空变化。结果表明,如民勤绿洲现状土地利用模式发展下去,受其影响,绿洲地区的地下水位将持续地以较快的速度下降,到2010年10月,绿洲内将出现以绿洲腹地为中心、范围波及整个绿洲的两个地下水漏斗,漏斗中心地下水埋深将达47～52m,绿洲边缘地下水埋深将增加到17～22m,与1997年10月相比绿洲地下水位将下降9～34m。分析表明,在上游来水不变或减少的情形下,保持现状土地利用模式,将会逐步耗竭地下水资源,加速民勤绿洲的荒漠化过程的发生;如果调整作物种植结构、采用节水灌溉技术,将会减少地下水抽取量,减缓地下水位下降的趋势。     

Formulation of the axisymmetric CPDI with application to pile driving in sand

In foundation engineering practice, pile driving is often used as an efficient method to install piles. While large distortions take place along the pile shaft during the installation, the zone around the pile toe experiences compression. In an attempt to fully understand the build up of resistance when driving piles, it is desirable to model the driving process and the corresponding soil behaviour. The non-linear dynamic analysis of this problem is challenging, given the large deformation that develops together with the associated changes in soil properties. Some numerical methods offer the possibility of handling large material movements by utilising Lagrangian and Eulerian frames of references. However, few of these methods are capable of tracing the material displacement, such as the Material Point Method (MPM). Early implementation of MPM assumes that the mass is concentrated at the material points, which causes noise in the solution. Later implementations assign a spatial domain to the material points to mitigate the grid crossing error. The Convected Particle Domain Interpolation (CPDI) is one such implementation.This paper extends the two-dimensional CPDI formulation for an axisymmetric problem where a pile is driven into sand that is modelled as a hypoplastic model. The extended formulation is tested, validated and compared to that for the case of the two-dimensional plane-strain within the framework of the method of manufactured solution. The hammer blows on the pile are represented by a periodic forcing function. In contrast to earlier studies on pile installation using advanced models, deep penetration is achieved in the present analysis. A non-regular distribution for the particle domains is suggested to avoid unnecessary computation. A frictional contact algorithm is introduced to describe the pile–soil interaction.     

中国历史耕地变化及其对自然环境的影响*

农业开发已经直接或间接地影响并正在影响自然环境的许多方面,中国农业开发历史悠久,对自然环境造成的影响广泛而强烈,对认识人类活动导致的全球与区域环境变化具有代表性。文中总结了近年来基于考古和历史文献记录的中国历史耕地变化定量重建和耕地开发环境影响的研究成果。主要结论包括: (1)中国在历史耕地变化重建方面具有独特的优势,主要数据源包括田亩、税赋、人口等与耕地数量相关的数值记录,考古遗址点、聚落、路网、行政建制等与农业活动相关的信息,有关土地开发和农业生产的描述性记录等三大类。 (2)对全国尺度的耕地面积推断始于春秋战国时期,过去1000年以来已重建了省(路)域的垦殖率,过去300年基于历史记录重建的东北、华北等区域垦殖率的分辨率已到县,在重建基础上利用分配模型获得的过去300年格网化垦殖率的分辨率可达10 km×10 km甚至1 km×1 km。相比于当前广泛使用的国际数据集,这些区域定量重建结果更为准确。(3)历史时期中国耕地的3次大规模扩张分别主要出现在西汉、两宋和清中叶,与此相对应,植被破坏和水土流失从北方地区扩展到南方地区,从平原低地扩展到低山丘陵、深山地区;过去300年耕地变化导致了碳排放的增加和可辨识的区域气候变化。未来中国的历史耕地变化重建及其对环境影响研究,应与国际过去土地利用/覆盖研究衔接,研究重点为延长历史耕地重建时限、提高重建单元的空间分辨率和改进耕地格网化分配模型。     

A multi-scale study on land use and land cover quality change: The case of the Yellow River Delta in China

This paper presents a case study of the Yellow River Delta in China, to trace land use and land cover changes during the past 20 years, with an emphasis on land quality changes. Three sets of data are used in this case study: remote sensing data derived from satellite images; crop yield data from statistics; and soil data collected by the researchers in the field. Our study reveals that at the regional scale, LUCC has taken place in a positive direction: vegetation cover has been expanding and crop yields per hectare have been on rise. However, while the overall eco-environment has improved, the improvement is uneven across the Delta region. At local levels, some areas show signs of increased salinization and declining organic content. Both natural forces and human activities are responsible for the LUCC, but human activities play a more important role. While some impacts of human activities are positive, the damages are often long-lasting and irreversible. We also conclude that it is necessary to use both macro data (such as remote sensing data) and micro data (data collected in the field) to study land quality change. The former are efficient in examining land quality changes at the regional scale, the latter can serve to verify ground patterns revealed from macro data and help to identify local variations, so as to get a comprehensive understanding of LUCC and promote sustainable land use and land management. This revised version was published online in July 2006 with corrections to the Cover Date.     

黔西北裸露岩溶地区水文地球化学特征对土地利用方式的响应研究

为了探讨不同土地利用方式下的水文地球化学特征与地下水循环演化的关系,文章选取贵州省毕节市典型农业区的农田、林地、草地灌木和建筑用地等四类土地利用方式,通过区域地质调查、遥感解译、水化学分析和图解方法,研究裸露岩溶地区其对地下水水化学组分的影响。结果表明:这四类土地利用区域地下水主要组分的浓度和主要矿物的饱和指数都呈差异性。此外,土壤易溶盐组分也随土地利用类型发生改变。并且发现,绝大多数样品中,土壤易溶盐组分浓度高于地下水中相同的组分。因此,降雨入渗补给条件下淋滤作用可导致土壤中易溶盐组分进入地下水中,进而影响地下水化学组分浓度的演化趋势。研究区域地下水均以HCO3-Ca型,HCO3-Ca-Mg型和HCO3-SO4-Ca型水为主,但是,受自然地理因素和人类活动的影响,地下水组分和水化学类型在不同土地利用类型区域中存在差异性。基于本研究建立了地下水演化的两种概念模型。