黄河流域生态质量时空变化分析

黄河流域在我国社会经济发展和生态安全格局构建方面具有十分重要的地位,流域的生态保护和高质量发展上升为国家重大战略,同时也面临着生态系统退化、水土流失、湿地萎缩等生态问题.为了解黄河流域生态质量状况及其时空变化特征,分析了黄河流域生态格局、植被、生物多样性、生态系统功能和服务价值、县域生态质量等多方面的数据和文献资料.结果表明:①黄河流域大部分县区生态质量状况一般,植被覆盖度由东南向西北递减,上游地区生态系统服务价值高于中游和下游;② 2000—2018年农田生态系统面积占比持续下降,森林、水域面积占比略有增加,聚落面积占比持续上升,20世纪80年代以来整体植被覆盖和生产力状况得到改善,重要生态功能区的生态系统服务价值明显提升;③大部分地区生态状况改善幅度有限,局部仍有退化,流域的生物多样性依然受到严重威胁.因此,建议在恢复植被覆盖的基础上,开展优化生态结构、维护生态过程的相关研究,重点关注生态敏感地区生态保护成效的评估和提升,农耕地区农田生产力对自然生态系统的影响,以及城镇化过程对生态系统服务和生态安全的影响;同时建立黄河流域生态质量综合监测体系,开展监测指标与技术方法的机理和应用研究,这不但是流域生态质量时空变化分析的基础,也是生态保护恢复和管理工作的支撑.      

近17年鄱阳湖区生态系统健康时空变化研究

以遥感影像和社会统计数据为基础,构建基于压力-状态-响应(P-S-R)概念模型的鄱阳湖区生态系统健康评价指标体系,并建立湖区生态系统健康评价模型,通过对生态系统健康指数的计算与分析,揭示鄱阳湖区生态系统健康的时空变化特征.研究结果表明,在人类生产活动的影响下,近17年鄱阳湖区生态系统结构渐趋不合理,生态系统功能有所减弱,虽然湖区生态系统健康总体处于一般水平,但人类活动干扰的不断加强,导致湖区生态系统健康正逐步向着恶化方向发展.湖区生态系统健康在空间分布上呈现出南北分异的特点,南部工业化、城镇化水平较高的地区生态系统健康状况较差,经济发展水平较低的北部地区,生态系统健康状况则相对较好.     

黄河流域生态系统服务价值时空演化及影响因素

探析生态系统服务价值的外部时空演化及内在影响机制,对理解区域生态系统问题和提升人类生态福祉具有重要意义.基于格网数据,利用当量因子法与归一化植被指数（NDVI）对黄河流域的生态系统服务价值进行测度,分析流域沿线城市生态系统服务价值的时空格局演变,并在利用地理探测器确定主要影响因素的基础上,构建地理加权回归（GWR）模型,探讨各影响因素的空间异质性.结果表明：①2000~2020年黄河流域生态系统服务价值先上升再下降最后上升,呈现“南部高于北部”和“下游低、上中游高”的空间分布格局,且调节服务对流域生态系统服务价值的贡献最大.②地理探测结果表明,各因素的影响程度存在差异,社会因素对黄河流域生态系统服务价值的解释作用最强,经济因素次之,自然因素的解释作用最弱,且上游的高值区主要与河流湖泊有关,中游的高值区主要与山地有关.③GWR模型结果表明,人口密度、土地垦殖率与生态系统服务价值呈负相关,年均降水量呈正相关,作用强度均由东向西递增;单位面积GDP与整体生态系统服务价值呈负相关,但在上游区域呈正相关.     

近20年兰西城市群生态系统服务价值对土地利用转型的时空响应

快速城市化和人类活动加剧了对现代城市群中各种生态系统服务退化的威胁,探索城市群尺度下的生态安全状况具有重要意义.以兰西城市群为研究区,选择2000、2005、2010、2015和2020年土地利用数据,引入景观生态风险指数,运用土地利用转移矩阵、单位面积价值当量因子法和双变量空间自相关分析法,分析兰西城市群土地利用变化特征,阐明土地利用转型引起的生态风险变化对生态系统服务价值的影响.结果表明:①2000~2020年间兰西城市群土地利用类型主要以草地、耕地和林地为主.建设用地面积扩张明显,主要来源于耕地和草地;6种土地利用类型交叉转化较强,土地利用变化总面积为6646.05 km²;②从空间变化上来看,兰西城市群生态系统服务价值空间格局未发生明显转变,但区域差异性显著,总体呈现西北高、东南低的分布特征;③从时间变化上来看,兰西城市群生态系统服务价值呈逐年增长的趋势,总价值流向从1864.59亿元增长为1921.56亿元,总增值56.97亿元;④兰西城市群近20年生态风险指数整体呈上升的趋势,生态风险区以低生态风险区和较低生态风险区占主导地位;生态系统服务价值与生态风险指数有显著的正向空间相关性.本文旨在揭示土地利用方式对生态系统服务价值和生态风险影响的认识,为区域生态风险管理和土地利用政策制定提供重要参考,进而促进黄河流域生态环境高质量发展.     

近30年黄河流域降水量的时空演变特征

利用中国气象局和黄河水利委员会近30年269个观测站的降水资料,采用光滑薄面样条插值法对黄河流域各月及年降水量进行插值,在ArcMap/ArcInfo中进行图象处理和分类,完成了1km×1km栅格降水的空间化,在此基础上分析了降水的空间分布。利用GIS软件编程实现了Mann-Kendall非参数统计法与空间化技术的结合,生成了各月及年降水在空间上随时间的变化趋势图。结果表明:27年来,流域总降水量呈下降趋势,空间上表现为北半部以增加为主,南半部以减少为主。各月间差异很大,在秋冬季节,以下降趋势为主,部分地区达到显著;春夏季节除少数月份外,大部分地区降水量有不显著的增加趋势。全年降水呈下降趋势的月份占多数,但主要集中在降水较少的秋冬季节,呈增加趋势的月份集中在雨水充沛的春夏,这种变化趋势使得降水的分布更加不平衡,表现为秋冬季的降水减少,而雨水较多的5～7月降水有微弱的增加趋势。     

基于生态系统健康的生态承载力评价

针对自然生态系统和传统生态承载力研究中评价标准相对单一、评价结果简化、不利于实际应用等问题，提出了基于生态系统健康的生态承载力概念，探讨了其内涵和基本特征；建立了水电梯级开发对生态承载力影响和基于生态系统健康的生态承载力计量模型；给出了基于生态系统健康的生态承载力评价指标体系和标准的确定方法，初步构建了基于生态系统健康的生态承载力理论框架．以黄河流域青海片为研究区域，建立了适合该区域的基于生态系统健康的生态承载力评价指标体系、权重和评价标准，并对青海片内水电梯级建设对生态承载力的影响进行了深入分析．结果表明，黄河流域青海片水电梯级开发规划实施的不同阶段对共和县生态承载力指数均为正面影响．但对青海片和沿黄其它县均为负面影响；梯级开发规划全面实施后，将使青海片的生态承载力指数下降9．9％，生态系统健康等级也将由亚健康状态降至不健康状态。     

基于土地利用变化的广西近20年生态系统服务价值研究

为探究广西土地利用变化对生态系统服务价值（ecosystem service value,ESV）的影响,采用随机森林算法对2000—2020年5期Landsat系列遥感影像进行土地利用分类,运用土地利用动态度、土地利用转移矩阵方法揭示土地利用变化规律,运用当量因子法计算ESV,探究其时空变化特征,并分析各土地利用类型与ESV变化之间的内在联系。结果表明：林地和耕地是广西主体土地利用类型;建设用地面积逐年增加,主要是侵占耕地;单一土地利用类型动态度表现为未利用地>草地>建设用地>耕地>水域>林地。广西生态系统服务价值总体呈波动下降趋势;单向生态系统服务价值以水文调节和气候调节为主;在空间分布上,ESV呈中部低、四周高的特征;广西近20年的ESV变化,草地、林地和耕地是主要贡献因子和敏感因子。

     

黄河流域县域尺度生态系统服务供给和需求核算及时空变异

在核算黄河流域生态系统服务供给、需求及供需均衡度的基础上,分析国土空间格局演变与供需均衡度时空变化的共变趋势,采用相关分析和分位数回归方法测度各类国土空间对均衡度的影响及区域异质性。结果表明：（1）黄河流域国土空间格局及生态系统服务供需时空差异明显。下游和中上游沿河县域生活生产用地密集分布且2000—2015年增幅明显,生态系统服务供给增加与耕地和林地的分布一致,需求增加与人口密度和建设用地分布一致。（2）均衡度的时空变异受到国土空间格局演变的影响。不同均衡度水平下国土空间对均衡度的影响程度不同,且区域差异显著。（3）根据对均衡度产生影响的国土空间不同,不同区域应合理布局用地和发展政策以促进生态系统有效管理。     

2000年来中国生态状况时空变化格局

21世纪以来,我国在经济快速发展的同时高度重视生态环境保护,一系列生态修复工程和空间管控措施使生态状况发生了巨大变化;然而目前对于全国生态状况宏观格局的认识仍十分有限。借助 Google Earth Engine（GEE）遥感云计算平台,采用主成分分析方法和MODIS数据构建的绿度NDVI、热度LST、湿度WET和干度NDSI四个指标,生成长时间序列的遥感生态指数RSEI数据集,完整刻画了中国2000年来生态状况的时空连续变化格局。研究发现:在空间格局上,东南沿海地区生态状况优于西北地区;变化趋势上,全国生态状况除上海、西藏和澳门之外均显著改善,RSEI增长最多的三个省份为山西、陕西和河北。进一步采用遥感云计算定量评价了2000年来生态状况变化的宏观格局,以期为国土空间管控和生态保护提供科学支持。     

异龙湖近20年来营养盐与水生生态系统变化

根据历史资料和观测数据对异龙湖近20年来的营养盐和水生生态系统变化进行了分析。近20年来异龙湖营养盐含量始终处于较高的水平,营养盐含量波动较大并可明显分为三个时期,导致异龙湖营养盐波动的主要原因是水生生态系统的结构变化。异龙湖的水生生态系统呈现明显的退化趋势,自1950年代以来,藻类的优势种由硅藻转变为蓝藻,浮游动物种类由近170种减少为4种,底栖动物由13种减少为2种,水生植物由种类繁多转变为基本消失殆尽。     

长江流域2000—2015年生态系统质量及服务变化特征

分析生态系统质量与服务现状及变化特征,有助于准确了解流域生态系统状况与趋势,为流域生态保护与修复的高效管理提供参考依据.采用相对生物量密度与相对植被覆盖度指数以及生态系统服务（土壤保持、防风固沙、洪水调蓄、粮食生产）评估模型,评估2000—2015年长江流域生态系统质量及服务变化特征.结果表明:①2000—2015年,长江流域森林、灌丛以及草地生态系统质量提升显著,56.56%的森林、45.65%的灌丛以及19.26%的草地生态系统质量得到不同程度的提高.②研究期间,长江流域粮食生产、洪水调蓄、土壤保持、防风固沙均呈显著上升趋势,其中粮食生产能力增加13.7%,洪水调蓄功能提升10.1%,土壤保持服务提高19.5%,防风固沙总量增加30.0%.③长江流域生态系统质量不高,处于低与差质量等级的生态系统面积比例在25%~35%之间;受不同类型的自然和人类活动影响,长江流域生态系统质量与服务均存在局部退化现象.研究显示,在生态质量与服务评估的基础上,分区域、分类型实施不同的生态系统保护与恢复途径,是今后长江流域加强生态系统管理的重要途径.      

山东黄河下游流域土壤碳储量及时空变化研究

全球气候变暖及其影响是当前人类面临的重大环境问题之一,大气CO2浓度的剧增为人类生活带来的诸多环境问题越来越严重。土壤有机碳是陆地生态系统碳库的重要组成部分,它的微小变化直接影响大气温室气体的浓度。本文利用2003~2010年多目标区域地球化学调查及20世纪80年代全省第二次土壤普查碳数据,对山东省黄河下游流域土壤碳密度、碳储量及时空变化规律和固碳潜力与机制进行了研究,结果表明,1.0 m土层有机碳库约占我国SOCP的3.28%;表现出"碳汇";水稻土碳密度最高、砂姜黑土次之,滨海盐土最低;研究区0~1.0 m土层固碳潜力为1.02×109t,相当于可减少大气中0.081%CO2浓度。通过相关性分析表明,在土壤中增施有机肥和N、P、K肥,以及施用Zn等矿质肥料可有效提高土壤中的有机碳量,提升土壤固碳能力,而含Cl量过高是滨海土壤固碳的破坏性因素。本研究为缓解大气CO2浓度的剧增的环境压力,发挥和提高我国土壤生态系统的固碳潜力提供了科学依据。     

黄河流域水分亏缺时空格局变化研究

针对黄河流域水资源匮乏日益严重的状况,根据国家气象局整编的1957~2001年(45a)黄河流域93个气象站点气象资料,应用1998年FAO最新推荐的Penman-Monteith法计算潜在蒸散量,研究黄河流域水分变化特点,尤其是水分亏缺时空格局。 同时,应用克里格(Kriging)插值法生成黄河流域区域的水分亏缺分布图。研究结果显示黄河流域水分亏缺的空间分布格局变化十分复杂,受气候、地形和地貌等多种因素影响,具有明显的地域特点。总体上,水分亏缺由北向南逐步递减,流域北部水分亏缺由西北向东南依次递减;流域水分亏缺在年际间的变幅具有增大趋势,在年内也表现出明显的季节变化特点,春季、夏季的亏缺量比较大,而冬季和秋季的亏缺量比较小,且在不同区域之间存在明显差别。     

黄河流域城市绿地生态需水时空特征分析

界定了城市绿地生态需水和生态灌溉需水的内涵与特征,构建了城市绿地生态需水和生态灌溉需水的计算模型,对黄河流域45个地级以上城市的绿地生态需水与生态灌溉需水进行计算与分析.研究结果表明:①黄河流域城市绿地年生态需水量为44 749.7×104m3,年生态灌溉需水量为22 783.5×104m3.约占2000年黄河流域城市市区供水总量的4.85%.其中90.2%的生态灌溉需水集中在绿地植物的生长期(4～10月份);②植物需水和生态灌溉需水表现出不同的月变化趋势和空间分异规律.月生态灌溉需水的计算结果为黄河流域城市绿地生态用水的合理配置提供了科学依据.     

1965—2013年渭河流域降水时空变化分析

利用1965—2013年渭河流域及其周边22个气象站点的降水数据,采用线性回归、经验正交函数(EOF)分解和Mann-Kendall突变性检验等方法,分析了渭河流域近50 a降水的时空分布特征。结果表明:1)从时间变化来看,在0.05显著性水平上,除春季降水呈现明显减小趋势外(-6.23 mm/10 a),其他季节和全年降水量的变化均不明显。同时,突变分析表明春季降水存在明显的突变,1991年为其突变点,其他季节和年降水均不存在显著的突变。2)渭河流域降水空间分布不均,总体呈现由东南向西北减小的趋势,从变化趋势空间分布来看,上游的减少趋势大于中游地区。3)EOF分解结果表明,渭河流域全年和四季降水的空间分布存在总体一致型和东南—西北区域反位相型的分布类型。     

无定河及延河流域不同时空尺度下土地利用对水质的影响

为探究不同土地利用格局的流域在不同时空尺度下土地利用与水质之间的关系,以无定河和延河两流域为研究对象,基于2020年土地利用数据和两个时期的水质监测数据,采用冗余分析方法定量探讨多个尺度上土地利用对水质的影响.结果表明：①两流域内主要土地利用类型均为耕地和草地,差异主要在裸地和林地面积占比上;②两流域内部分水质指标存在明显时空差异,春季水质优于秋季且中下游水质相对较差;③两流域河岸尺度上的土地利用对总体水质的解释率最大;④无定河流域土地利用在秋季对水质影响比春季更显著,延河流域呈相反趋势;⑤不同的土地利用对水质有不同的影响,无定河流域内裸地、耕地和香农多样性指数（SHDI）对水质影响较为显著,延河流域则为草地、耕地、人造地表、斑块密度（PD）和SHDI.无定河流域内耕地和人造地表对水质有负面影响,草地和裸地与大部分化学指标呈现负相关性;延河流域人造地表和草地对水质有负面影响,林地对水质有明显净化效果.研究结果为可持续土地利用和多尺度景观规划提供了重要信息,可用于改善水质.     

2000~2018年我国大气重金属沉降通量时空变化特征

大气沉降物中的重金属对土壤环境的影响不容忽视.为研究我国大气重金属（As、Cd、Cr、Cu、Hg、Ni、Pb和Zn）沉降通量现状及时空变化特征,基于中国知网和Web of Science数据库收集了2001~2021年公开发表的大气重金属沉降通量文献99篇,各重金属元素监测点718~1672个.采用Meta-analysis方法计算中国大气重金属沉降通量加权均值,运用亚组分析法研究了2000~2018年不同时期大气沉降通量时空变化,对比分析了农业农村区、城市区和工业区等不同类型区的组间差异.结果表明,我国大气重金属年沉降通量［mg·（m²·a）^-1］为：Zn （96.75）>Pb （23.37）>Cu （12.77）>Cr （11.04）>Ni （6.61）>As （2.97）>Cd （0.48）>Hg （0.05）,2000~2018年沉降通量总体估计值高于1995~1998年英国乡村地区;工业区和城市区的沉降通量显著高于农业农村区,工业区大气重金属污染较为严重;长株潭地区As和Cd的沉降通量较高,东北地区、珠三角和华北平原大气重金属沉降通量较其它区域严重;近20年来Cd的年沉降通量均值在总体均值附近波动,无明显下降趋势;其中,城市区和农业农村区的Cd沉降通量呈增加趋势.本文建议结合区域产业结构特征建立分级分类分区的大气排放精准治理和风险管控措施,针对当前大气Cd沉降通量较大的问题实行更加严格的限制性措施.     

基于InVEST模型的伏牛山地区生态系统碳储量时空变化模拟

在生态文明建设高质量的发展环境下,探究国土空间规划视角下土地利用合理规划与碳减排关系有重大现实意义.山地生态系统作为自然、社会和经济的综合生态系统,对区域生态环境质量提高和可持续发展具有重要影响.以河南省伏牛山区为研究对象,采用InVEST与CA-Markov模型预测2000～2030年多情景下伏牛山生态系统碳储量的时空分布差异.结果表明：(1) 2000～2020年,伏牛山地耕地和林地大面积减少,水域和建设用地增加.自然增长情景下耕地持续减少;耕地保护情境下耕地面积减少速度得到有效缓解;生态保护情景下,林地草地面积得到了有效保护.(2) 2000～2020年,伏牛山地生态系统碳储量减少2.62×106 t;自然增长情景下,生态系统碳储量持续减少;耕地保护情景稍有缓解;生态保护措施有效缓解了碳损失.(3)碳储量随海拔升高呈驼峰状变化,随着坡度升高而呈现增加的趋势.因此,在未来伏牛山地区国土空间规划中,可综合考虑生态保护与耕地保护情景,在增加碳储量的同时也保证了粮食生产.     

黄河流域(青海段)氮时空分布特征及其来源解析

青海省作为黄河发源区,其境内干支流水质对整个黄河流域和北方地区具有十分重要的战略意义.为深入了解黄河流域(青海段)氮污染特征,采集黄河干流流域、湟水河流域、大通河流域共30个断面不同水期的水样进行监测,系统分析氮时空分布特征,并采用氮氧稳定同位素技术解析了水体中氮的主要来源.结果表明：(1)该区域水体TN浓度在0.33～13.50 mg/L之间,平均值为3.40 mg/L,表现为湟水河流域>大通河流域>黄河干流流域,各形态氮浓度表现为NO₃^--N>TON>NH₄⁺-N>NO₂^--N.(2)各流域TN浓度最高均为丰水期,但枯水期和平水期各不相同,氮形态分布也不同,说明氮污染来源可能存在差异.(3)相关性分析显示,TN与TON、NO₃^--N具有较好的同源性;SIAR模型分析显示,各污染源对NO₃^--N的贡献率表现为土壤源>凋落物源>...