退耕还林还草工程生态效应的地域分异特征

退耕还林还草工程作为我国投资最大、涉及面最广的一项重大生态工程,其生态经济社会效应是行业部门及学术界关注的焦点。选择退耕还林还草面积、植被覆盖度、土壤侵蚀量作为指标,依据遥感反演和模型模拟得到的结果,分析了2000—2015年县域退耕还林还草时空差异,退耕还林还草区域植被覆盖度与土壤侵蚀变化及其对县域生态状况变化的贡献,并基于规划目标评估了退耕还林还草工程的宏观生态效应及其地域分异特征。结果表明:(1)近15年,工程区耕地转林地面积12.75万km~2,耕地转林地区域植被覆盖度年增加0.32%、土壤水蚀和风蚀模数分别年减少0.43 t/hm~2和0.21 t/hm~2。(2)耕地转草地面积9.43万km~2,耕地转草地区域植被覆盖度年增加0.43%,土壤水蚀和风蚀模数分别年减少0.55 t/hm~2和0.94 t/hm~2。(3)工程区全县域植被覆盖度年增加0.17%,平均土壤水蚀和风蚀模数分别年减少0.13 t/hm~2和0.68 t/hm~2。(4)遥感估算结果与工程规划目标相比,退耕还林的面积完成率达到87%,工程区林草覆盖率增加4.8%—6.5%,工程区平均土壤水蚀和风蚀模数逐年减少,大部分县域15度及以上坡耕地退耕比例超过50%。工程在黄土丘陵沟壑、东北山地及沙地、云贵高原等区域凸显了提高植被覆盖度与土壤抗蚀效应的正面作用。     

退耕还林对宁南黄土丘陵区景观格局的影响——以中庄村典型小流域为例

"退耕还林"工程是关系到西部乃至中国生态恢复的重要工程。以黄土丘陵区"退耕还林"工程实施最早的典型小流域——中庄村小流域为研究区,应用景观生态学的原理与方法,选择斑块多样性、景观异质性和土地利用相对合理性等指数,对其退耕还林前(1993-2000年)后(2000-2005年)的变化情况进行分析,目的在于揭示"退耕还林"政策的实施对景观格局向良性演化的巨大推动作用。结果显示,退耕前(1993-2000年)研究区景观格局演变幅度很小,相应的,斑块多样性、景观异质性和土地利用相对合理性指数等景观指数的变化均较小。退耕后(2000-2005年),研究区发生了剧烈的景观格局演化,主要的景观变化过程是耕地转化为林地。此阶段研究区25°以上坡耕地基本退耕完毕,15-25°坡度范围是退耕还林的主要区域,其次为8-15°。相应的,2000-2005年小流域景观斑块总数减小,平均斑块面积增加,景观形状趋于复杂,斑块边界复杂性有所增加,景观斑块呈现团聚化的趋势。其中,耕地斑块总面积显著减小,斑块数下降,平均斑块面积略有增大;林地斑块总面积显著增加,斑块数保持稳定,景观优势度显著增加。土地利用相对合理性指数因此从1993年和2000年的0.668、0.664,显著上升至2005年的0.712。采用3期土地利用现状图对"退耕还林"实施前后两个阶段的景观格局演变过程进行分析,结果表明"退耕还林"是研究区景观格局良性演化的主要驱动力。     

植被恢复对洪雅县近15年景观格局的影响

退耕还林和天然林保护等重大林业生态工程的实施对我国西部地区生态环境建设起到了积极的推动作用。植被的重建、恢复和保护,不仅改变了景观的类型组成,也强烈地影响着景观的空间构造。以四川盆地山地丘陵区边缘的四川省洪雅县为研究对象,采用景观生态学原理和方法,对工程实施前后15年来（1994—2009）洪雅县景观格局的变化进行分析,探讨了植被恢复对景观格局的影响。结果显示,林地增加、耕地和草地减少,是15年间洪雅县景观变化的主要特点。耕地的减少和林地的增加主要集中于人为活动影响更为强烈的海拔1000 m以下区域,反映了退耕还林对景观类型组成改变的巨大推动作用;海拔1500 m以上区域,更多地受到天然林保护和自然因素影响,面积变化相对稳定,景观格局空间构造方面的变化更为显著;海拔1000—1500 m区域,两种工程实施的影响交错,过程相对复杂。坡度≤5 ?的平缓地中,人为活动影响强烈,林地增加明显;而在坡度25 ?附近的坡地中,耕地较多,退耕还林潜力较大,耕地—林地转换相对其他坡度区段更为明显。总体上,林地向低海拔、缓坡度区域扩张,斑块间空隙还林面积较多,有连片发展趋势;而耕地在面积减少的同时,向低海拔、缓坡度区域收缩,斑块规模更小,格局更加破碎。     

生态安全条件下土地利用格局优化——以皇甫川流域为例

在人类活动导致的生态环境问题中,土地利用格局变化对区域生态安全起着决定性作用。选择我国乃至在世界上都罕见的多沙、粗沙、强烈水土流失的黄河皇甫川流域作为研究区域,针对土壤侵蚀和生态用水这两大影响流域生态安全的关键问题,开展土地利用变化模拟、土壤侵蚀3S监测、适宜植被盖度估算、土壤侵蚀情景模拟、土地利用格局优化等方面的综合研究。结果表明:(1)土地利用格局变化是导致土壤侵蚀变化的重要因素。从1987年到2015年,建筑用地、林地和灌丛面积增加,水域、沙地和裸砒砂岩面积减少,导致流域年平均土壤侵蚀模数由16160.72 t km-2a-1降至9710.72 t km-2a-1。(2)土地利用类型与土壤侵蚀模数密切相关并存在一定规律。6种不同土地利用类型多年平均土壤侵蚀模数的大小顺序为:裸砒砂岩沙地耕地草地林地灌丛,表明灌、林措施是流域植被恢复和土壤侵蚀减少的首选。(3)土地利用结构和空间格局优化有助于提升区域生态安全水平。在优化格局下,2007年和2015年土壤侵蚀模数比优化前分别减少5469.57 t km-2a-1和5432.77 t km-2a-1,优化后2015年土壤侵蚀模数仅为4277.95 t km-2a-1,低于流域自然侵蚀临界值或允许土壤侵蚀模数5300 t km-2a-1,优化土地利用格局成为加强流域生态环境建设的重要途径。     

皇甫川流域土地利用变化与土壤侵蚀评价

基于“3S”技术,揭示了皇甫川流域近十多年来的土地利用变化情况,并采用通用土壤侵蚀方程（Universal Soil Loss Equation,USLE）定量研究了不同土地利用背景下的土壤侵蚀分布规律。结果表明,近十几年来流域土地利用变化剧烈,其总体趋势是城镇用地、林地、耕地和灌丛的面积逐渐增加（速率依次减小）,水体、草地、沙地和棵砒砂岩面积逐渐减小（其中水体缩减的幅度最大）,土地利用格局持续承受着来自当地快速城市化进程及社会经济发展和生态环境保护及建设两方面相互矛盾的巨大压力;与此同时,流域土壤侵蚀模数由1987年的16160．72t／km^2减少到2000年的13943．32t／km^2,其中6种不同土地利用类型在同一年份内土壤侵蚀模数的大小顺序为棵砒砂岩〉沙地〉耕地〉草地〉林地〉灌丛,表明林、灌措施是流域植被恢复和减少土壤侵蚀的首选,草地限制土壤侵蚀的效果也较为明显,而沙地尤其是分布面积较广的棵砒砂岩则是土壤侵蚀综合治理的难题和关键;虽然十几年来水土流式综合治理效果显著,但由于棵砒砂岩和沙地的面积仍在整个流域占有相当的比例以及耕地剧增等因素,土壤侵蚀模数仍明显高于流域土壤允许侵蚀的临界值,流域生态环境仍然处于不安全状态,有必要对未来土地利用格局进行优化以确保生态安全。最后,在讨论中阐明了流域土地利用格局调整和优化的方向。     

天津于桥水库流域典型景观类型时空演变分析

流域典型景观类型变化影响着流域生态水文过程,从而也关乎流域水环境安全。本研究以天津于桥水库流域为例,基于5期不同的卫星影像,利用轨迹分析及景观格局指数等方法,研究流域土地利用变化轨迹模型以及研究时间段内典型景观类型的空间分布格局及近30年的演变过程。结果表明:1984—2013年于桥水库流域景观格局变化显著,城镇、园地和草地增加明显,林地、耕地减少显著,林地面积减幅达50%;30年来流域土地利用变化面积占整个流域面积的63.11%,其中,人为因素引起的变化轨迹占所有变化轨迹的96.65%,变化类型主要包括耕地-城镇、林地-耕地/园地、林地-草地等的转化,变化轨迹主要分布于北部丘陵与北部平原等地区;典型景观类型的变化趋势与整个流域变化趋势基本一致,各景观类型破碎化程度总体呈上升趋势,连通性降低,景观多样性缓慢上升,景观格局异质性变高。     

三江平原桦南县景观格局时序变化与驱动因素研究

基于RS和GIS技术,集成地形图与遥感影像(MSS、TM)数据,对1954～2005年三江平原桦南县景观格局动态变化特征与驱动力进行分析。结果表明,过去50年间,桦南县景观格局发生了剧烈变化,耕地和林地是研究区面积最大的2种景观类型,1986年以后,耕地成为研究区面积最大的景观类型。1954～1976年期间耕地面积增加速率较大,主要是草地、湿地大面积被开垦为耕地;1976～1986年期间,有大面积湿地、林地转化为耕地;1986年以后,各景观类型面积变化趋势变缓。景观指数在过去几十年期间都发生了重大变化,农业的大规模开发与以上景观指数的变化规律存在密切关系。气候变暖和人类活动的增强共同作用于区域景观格局。     

秦岭地区土壤侵蚀时空变化及景观格局

土壤侵蚀是制约秦岭地区可持续发展的重要因素,为了解秦岭地区的土壤侵蚀状况及景观格局的变化,基于2005年、2010年和2015年遥感解译结果,采用通用土壤侵蚀方程RUSLE计算各年的土壤侵蚀量,分析研究区土壤侵蚀的时空变化特征,量化秦岭地区5个流域的土壤侵蚀状况,探讨土壤侵蚀与土地利用及地形因子之间的关系,并对研究区土壤侵蚀景观格局变化进行分析。结果表明:2005—2015年秦岭地区土壤侵蚀强度及面积均有明显改善,2005年和2015年总侵蚀量分别为0.90×10~8和0.33×10~8t,减少了63.33%;研究区内土壤侵蚀在空间上呈现由西向东、由南至北减弱的特征;位于研究区西部的嘉陵江流域土壤侵蚀最为严重,其2005年、2010年和2015年土壤侵蚀模数分别为3872. 80、1454.31和1461.91 t·km~(-2)·a~(-1);土壤侵蚀模数与坡度、高程等地形因子呈正相关,具有明显的时空变化特征;区内不同土地利用类型的土壤侵蚀均有减弱的趋势,其中未利用土地土壤侵蚀的降低最为明显;秦岭地区的整体侵蚀景观破碎化程度有所降低,斑块总数减少,破碎度指数变小,景观异质性降低,人类活动对秦岭地区景观的干扰随时间而减弱,生态环境向良性方向发展。     

生态保护政策对岷江上游地区土地利用/覆被的影响

采用CLUE-S模型模拟方法,对基于历史发展趋势以及“天然林保护工程”和“退耕还林还草工程”政策下2000-2020年间岷江上游地区土地利用/覆被变化进行了预案分析.结果表明：2000-2020年间,按历史发展趋势,作为研究区景观基质的林地面积将不断减少,而灌木林地和草地面积将不断增加,景观破碎化程度将不断加剧;“天然林保护工程”和“退耕还林还草工程”能够有效增加研究区林地面积,并使草地面积不断下降,同时能够扭转景观破碎化趋势,使景观格局向着更加优化的方向发展.     

东北黑土区小流域农业景观结构与土壤侵蚀的关系

以黑土侵蚀区的拜泉县双阳河流域为案例,提取地形和土壤类型相对接近的30个上游子流域作为分析样本。以遥感、GIS和FRAGSTATS软件为平台获得景观格局指数,运用基于GIS的RUSLE模拟土壤侵蚀,通过相关性分析和多元回归研究景观指数与侵蚀模数的呼应关系。从而探讨土地利用调整和流域综合治理下的景观结构特征对土壤侵蚀的影响,为当地或同类地区土地利用规划和侵蚀治理提供科学参考。结果表明：顺坡垄农田面积百分比、景观聚集度与土壤侵蚀模数显著正相关,灌木林地、草地面积百分比、香农多样性指数与土壤侵蚀模数显著负相关。9个结构因子与土壤侵蚀模数的复相关系数（R=0．931）大于单因子相关系数,多个景观结构因子综合地影响了土壤侵蚀,且达到高度相关。研究区侵蚀强度较轻,但大于东北黑土区土壤容许流失量标准。农田是土壤水蚀的主要景观要素,同时也是水土保持的主战场。增加灌草地斑块、实施农田保护性耕作等将是该流域继续控制土壤侵蚀的有效办法之一。     

汉江流域景观格局变化对土壤侵蚀的影响

在流域尺度上,景观格局变化是决定土壤侵蚀程度的重要因素。以汉江流域为研究区域,基于2000—2015年四期土地利用类型数据及环境气象数据,运用中国土壤流失方程和逐步回归法,探究景观格局变化对土壤侵蚀的影响。结果表明:(1)在2000—2015年间,汉江流域土壤侵蚀量下降,高值区分布在流域中部草地区,低值区分布在流域东西两侧的林地和耕地区。不同坡度下各等级土壤侵蚀量不同,侵蚀量最大值出现在10—30°的坡度范围内。(2)研究期间,汉江流域的景观破碎化程度加强,斑块形状趋于简单,各斑块自身连通性增强,景观类型空间分布均匀。(3)汉江流域土壤侵蚀量与斑块密度和平均邻接度指数呈正相关,与蔓延度指数和香农均匀度指数呈负相关,即景观破碎度越高、连通性越差,土壤越容易遭受侵蚀,反之则不易受到侵蚀;研究表明景观格局变化对土壤侵蚀有显著影响,结果可为流域尺度景观管理与水土保持研究提供参考。     

黄土丘陵沟壑区景观格局对流域侵蚀产沙过程的影响——斑块类型水平

在黄土丘陵沟壑区,景观格局对侵蚀产沙过程有着复杂的影响,且与尺度密切相关。选取河口-龙门区间内42个水文站控制流域为研究对象,以侵蚀模数、输沙模数和泥沙输移比作为表征各流域单元内土壤侵蚀、产沙及泥沙输移过程的特征指标,运用景观指数和CCA排序,系统分析了斑块类型水平上景观格局对流域侵蚀产沙过程的影响。结果表明:流域侵蚀产沙及泥沙输移过程中,空间分异特征随景观类型不同而异;对于不同用地类型,影响"过程"空间分异的景观格局指标不同,显著影响流域侵蚀产沙及泥沙输移过程的景观指数有草地平均斑块面积(AREA_MN3)、居民建设用地景观面积百分比(PLAND5)、居民建设用地和其它类型用地景观的斑块密度(PD5和PD6),其中斑块密度(PD)是影响流域侵蚀产沙及泥沙输移过程的共性指标;草地、居民建设用地、其它类型用地的景观格局特征对"过程"变化的解释程度要高于其它景观类型。开展景观格局与生态过程关系研究时,不仅需要考虑景观格局的整体效应,更应关注单一景观类型及其格局特征对一些生态过程的指示意义。     

基于源汇景观单元的流域土壤侵蚀风险格局识别

人类活动影响下的土地利用及其景观格局会在一定程度上影响流域土壤侵蚀的发生发展。选取位于三峡库区的綦江流域作为研究区,利用2015年航空影像数据、数字高程模型和土壤数据库,进行水文响应单元的划分,以此作为研究区的源汇景观单元。综合景观类型、土壤和坡度对土壤侵蚀影响的贡献,构建源汇景观单元权重,在此基础上,对景观空间负荷对比指数进行修正并进行土壤侵蚀风险格局识别,最后利用修正的通用土壤侵蚀方程进行土壤侵蚀的模拟,以此验证风险格局的合理性,并综合分析了源汇景观空间特征:源汇景观单元组成结构、权重和土壤侵蚀风险。结果表明:(1)源汇景观单元权重大的地区主要分布在中低山区向低丘缓坡区过渡的地带,坡度较大、土壤可蚀性较高,以及水田、旱地和居民点的源汇景观单元也较为集中分布。(2)各子流域的景观空间负荷对比指数与平均土壤侵蚀模数具有显著正相关关系,因此基于源汇景观单元并赋予其权重的景观空间负荷对比指数能较好地反映流域内部土壤侵蚀规律,可作为流域土壤侵蚀风险评价的有效方法之一。(3)依据各子流域的景观空间负荷对比指数特征可将库区綦江流域划分为五大土壤侵蚀景观风险区:北部沿江地区各子流域耕地分布较为集中且相对水流路径较短,以及林草地较少,土壤侵蚀风险大;中部丘陵地区源景观单元分布较为分散,景观空间分布不均衡,存在一定的土壤侵蚀风险;南部中低山区以林地汇景观分布为主,源景观分布相对较小,土壤侵蚀风险较低。     

云南省红河流域景观生态风险及驱动力分析

以云南省红河流域为研究区域,利用GIS和RS技术,建立基于景观格局和土壤侵蚀过程的景观生态风险指数,分析研究区域内景观生态风险分布规律。研究结果表明:重度和极重度格局风险区域、土壤侵蚀区域及综合景观生态风险区域主要沿红河主干道分布;综合景观生态风险指数在空间上呈现正的自相关性,高风险聚集区主要沿河流分布;不同景观类型中,建设用地、未利用地和水域的景观格局风险大于耕地、草地和林地,未利用地的土壤侵蚀风险最高,综合景观生态风险度依次为建设用地水域未利用土地耕地林地草地;坡度在一定程度上影响着景观格局、土壤侵蚀以及综合景观生态风险。     

长江中上游地区退耕还林成效监测与评价

将长江中上游地区84个地市级区域作为一个整体,利用GIS综合解译分析归一化植被指数(NDVI)、土地利用类型和数字高程模型(DEM),揭示该区域退耕还林工程所取得的成效.结果表明: 2000-2015年,研究区域NDVI持续增长;与2000年相比,2015年长江中上游地区有2.1%的耕地不再耕种,坡度>35°坡耕地的25%实现了退耕,25°~35°坡耕地的2.7%实现了退耕,中坡度耕地绝大部分实现退耕;耕地主要转变为林地和草地.研究期间,林草覆盖度增加显著,增幅达21.9%;低植被覆盖度的土地面积大幅减少,植被覆盖度小于10%的面积减少95.3%,高植被覆盖度的土地面积显著增加;土壤侵蚀强度总体降低,轻度、强度、极强度等级土壤侵蚀的土地面积均减少10%以上,但剧烈土壤侵蚀状况未得到缓解.研究区森林覆盖率达到60%,但不同时段覆盖度的变化比例存在差异,空间分布不均匀,呈现东部高、西部低的特征,需要继续加强治理.     

生态植被建设对黄土高原农林复合流域景观格局的影响

自1999年以来,黄土高原大规模地实施了退耕还林工程,生态环境呈显著恢复态势。采用2002年和2008年两期Spot5遥感影像,评估了退耕还林工程实施前后黄土高原典型农林复合流域土地利用与景观格局的动态变化。结果表明:在退耕还林工程实施的驱动下,流域土地利用变化剧烈,总变化率高达36.77%,主要变化的土地利用类型包括耕地、果园、幼林地、林地等。28.95%的耕地转为其他土地利用类型,其中48.83%转为果园,44.69%转为幼林地。景观格局变化呈明显的空间分布规律,山腰缓坡区以转化为果园为主,中、高海拔多转化为幼林地。退耕后流域生态景观得以优化,呈现良好发展态势。     

基于“源”“汇”景观指数的定西关川河流域土壤水蚀研究

基于“源-汇”理论,利用“源”“汇”景观指数分析方法,计算甘肃定西关川河流域1995年、2000年、2005年和2010年的“源”“汇”景观指数(LWLI,Location-weighted landscape index),对比分析“源”“汇”景观空间格局变化与土壤水蚀的关系.结果表明:(1)关川河流域从1995年到2010年的LWLIelevation、LWLIdistance和LWLIslope指数呈降低的趋势.在高海拔和距流域出水口较远的区域,“源”景观的贡献逐渐小于“汇”景观的贡献.林地主要分布在坡度较小的地区,而草地主要分布在坡度较大地区.(2)“源”“汇”景观综合指数LWLI从1995年到2005年持续下降,但2010年的LWLI值比2005年又有所提高,说明由于地区人口的扩大和自然资源的限制,某些地区农地扩张的压力依然很大.(3)20年间流域大气降水没有发生显著变化,但河川径流量、径流系数和土壤侵蚀模数逐年减少.LWLI与土壤侵蚀模数(P＜0.05)具有显著正相关关系.LWLI能够较好地反映流域土壤水蚀规律,可作为流域水土流失评价的有效方法.对深入探讨黄土高原“退耕还林还草”工程与流域水文过程的关系,有效控制水土流失,优化黄土高原的治理,具有重要的理论和实践意义.     

黄土丘陵沟壑区集水区尺度土地利用格局变化的水土流失效应

以陕北杏河集水区1985和1995年两期土地利用数据为基础,结合水文、DEM数据,定性分析了土地利用格局变化条件下的水土流失效应,其中采用双累积曲线法来界定土地利用格局基本没有变化的时间段,用C值在坡度、距河流距离上的分布来表征土地利用格局,用不同时期降雨量／径流量、降雨侵蚀力／输沙率相对增加的比例来表征水土流失效应。研究结果表明：(1)1981～2000年,土地利用格局变化剧烈的年份为1990～1991年,可以用1985、1995年两期数据分别代表20世纪80年代和90年代的土地利用;(2)从20世纪80年代到90年代,杏河集水区的C值有明显的增加趋势,在较陡坡度和距河流距离较近处,C值增加的幅度相对较大;(3)土地利用格局变化明显改变了降雨量-径流量、降雨侵蚀力-输沙率的关系,出现了从20世纪80年代到90年代,虽然降雨量／降雨侵蚀力在整体上呈现明显下降的趋势,但是水土流失量,却表现出同比增加的现象,而且这种增加在不同月份也有差异。用本文中的方法来表征土地利用格局和水土流失效应,其结果具有较好的比配性,可以用来定性分析土地利用格局与水土流失的关系。但是,由于水土流失效应的表征方法没有考虑降雨的空间变异特征,该方法尚不适于雨量站点比较密集、降雨空间变异较大的区域。此外,在进一步的研究中,还需要注意遥感数据解译的准确性、C值精度、土地条件的变化等问题。