基于复杂网络理论的生态空间优化——以松花江流域为例

【目的】快速的城市化发展导致景观破碎化和生态空间网络的破坏,因此合理构建生态空间网络可以促进生态源地之间能量的流动,有效缓解生态环境的恶化。【方法】以松花江流域为研究对象,基于土地利用数据提取生态源地,运用GIS空间分析技术和MCR模型,筛选生态源地及潜在生态廊道;其次,基于复杂网络方法计算生态源地“度”,运用引力模型计算松花江流域潜在生态廊道“边权”,依据复杂网络中“边权”和“度”得到研究区生态源地“权重”;最后,通过权−度相关性对研究区生态空间网络进行模拟增边优化,分析生态空间网络鲁棒性。【结果】(1)松花江流域生态空间网络由450个生态源地和1019条潜在生态廊道组成。(2)在松花江流域生态空间网络中,齐齐哈尔市、大庆市、松原市生态源地斑块聚集度低,生态廊道结构简单,呼伦贝尔市、牡丹江市斑块聚集度高,生态空间网络错综复杂。研究区生态空间网络出现两极分化,生态环境亟需优化。(3)基于复杂网络理论,对松花江流域进行模拟增边优化。共识别增边节点20个,模拟增边24条,模拟增边优化后,网络连接鲁棒性有了明显的增强,松花江流域生态空间网络连通性以及抗干扰能力有很大提升。【结论】基于MCR模型构建生态空间网络,运用复杂网络理论对松花江流域进行增边优化,提升生态空间网络的鲁棒性,为松花江流域生态空间格局优化奠定了理论基础。

绿色生态空间网络研究进展

绿色生态空间网络是景观生态学的重要研究内容,是耦合景观格局、生态过程与生态功能的重要桥梁,对于提高景观连接性、保护物种多样性、促进生态系统结构与功能的完整性具有重要意义。本文梳理了绿色生态空间网络的研究脉络,从绿色生态空间网络的概念与特征、相关理论与研究方法等方面展开论述,阐述了绿色生态空间网络的相关概念及发展历程,构建、分析与优化中的常见方法与主要特点,以及绿色空间网络研究中的相关理论,列举了绿色生态空间网络的主要应用领域,如城市、水文、防风固沙、水土保持等,并对绿色生态网络的基本改变、研究方法、尺度研究以及和其他空间网络结合等方面进行了展望。

基于物联网的智慧农业害虫识别监控预警系统

我国每年农业病虫害频发,给农业经济造成了不可估量损失。因此,迫切需要采取有效的措施手段。为了进行有效控制,必须对农业害虫进行监测预警。然而,传统的病虫害防治方法不能有效地保护作物的正常生长,因此需要研究更有效、更智能的防治方法来应对。

农用地土壤As元素与叶片光谱特征关系研究

重金属污染是土壤环境污染中亟待解决的问题之一,重金属通过土壤向植物富集,危及人体健康,对生态环境产生巨大隐患。传统的土壤污染监测以化学方法为主,不仅费时费力且监测范围有限,而基于植被高光谱技术的土壤重金属监测方法能够快速准确地获取土壤重金属含量,突破植被屏障,提高土壤重金属监测效率。近年来,国内外许多学者致力于使用盆栽实验定量研究土壤污染物对植物光谱特征影响,而野外环境下的实验研究相对缺少,因此建立合适准确的野外土壤重金属预测模型具有重要意义,为改善耕地土壤质量提供参考。以北京市优势经济果树桃树为研究对象,在研究区均匀设置了50个采样点,利用FieldSpec 4便携式地物波谱仪测量桃树叶片光谱数据,同时采集土壤样本带回实验室检测分析获得土壤重金属含量数据。通过分析不同污染下桃树叶片在重金属胁迫下的叶片光谱特征,计算不同土壤重金属与叶片光谱之间的相关关系,确定土壤As元素与光谱反射率相关性更大,因此选择土壤As元素计算其与不同植被指数之间的相关系数,并用合适的植被指数构建土壤As元素预测模型。结果表明:污染区桃叶光谱反射率总体上比背景区的光谱反射率更高,其中760~1300 nm波长范围内对土壤重金属更加敏感,土壤重金属对叶片红、蓝、黄边位置干扰不明显,对红、蓝、黄边斜率敏感,且均呈正向相关性。光谱反射率与土壤Cr,Cu和Hg元素相关性较弱,与As,Pb和Cd元素在某些波段范围内达到0.1级显著相关,且总体相关曲线趋势相同,相关性大小依次排序为As>Pb>Cd。以相关性更强的土壤As元素与植被指数进行相关分析表明,土壤As元素与PRI1和PRI3均显著相关。使用SPSS数据分析软件以PRI1和PRI3为自变量,土壤As元素为因变量分别进行回归分析,检测结果发现,PRI3的指数预测模型(y=e^(43.644 x-39.386),R 2=0.937,RMSE=0.161)效果最好且具有更好的稳定性。

基于“重要性—敏感性—景观特征”的黄土高原生态屏障带生态空间网络构建

[目的]分析生态空间网络结构与土壤保持量的关系,为提升黄土高原屏障区生态系统服务提供对策与建议。[方法]本研究从生态系统服务重要性、生态敏感性、景观稳定性三方面,识别生态源地,构建生态空间网络,并分析生态空间网络拓扑结构与土壤保持量的关系。[结果](1)西南秦岭一带水源涵养量高,吕梁山脉西侧—黄龙山东侧及子午岭西侧的区县土壤保持量低,秦岭及子午岭主脊东侧生物多样性高。西部地区生态环境较敏感,区域整体景观格局较稳定。(2)生态源地总面积为46 245 km^(2),占全区的38.8%;生态廊道共125条,共长9 071.40 km。(3)生态节点共142个,源地节点的度与土壤保持量呈正相关。[结论]基于“重要性—敏感性—景观特征”构建的生态空间网络准确可行,应重点加强对薄弱节点及度值较低的源地节点的建设,使生态用地的土壤保持服务发挥更大的生态效益。

甘肃省土地沙化敏感性及生态空间网络优化

[目的]从宏观视角探究甘肃省沙化土地的生态修复策略,为区域的生态空间网络构建及优化提供基础。[方法]将土地沙化敏感性指标与生态网络相结合,通过度中心性和介数中心性分析,筛选敏感性较高地区的节点并对其增边优化,最后通过增边前后鲁棒性的对比,验证优化结果。[结果]①甘肃省土地沙化敏感性呈现由西北逐渐向东南依次降低的空间格局,西北地区土地沙化情况严重。②甘肃省东南地区生态源地与廊道密集而西北地区的源地和廊道稀少,表明西北地区生态网络连通性差,生态本底有待加强。③增边优化后的生态网络节点鲁棒性和连接鲁棒性有明显的提升,网络边的鲁棒性略有提升但不明显。[结论]通过增边优化策略可以提高甘肃省生态空间网络的稳定性,并提高生态自我恢复能力,但模拟出的生态修复路径可能由于地理条件限制,无法进行适宜的改造或建设廊道的实际成本很大,应结合实际情况具体考虑。

北京市平谷区桃林土壤重金属元素含量反演估测

矿产资源开采中产生的废渣废液长期堆存后产生的渗滤液向土壤中扩散易造成周围土壤的重金属污染,影响作物生长;人类通过食物链食用含重金属元素的果实后,会引起神经系统的神经衰弱、手足麻木,消化系统的消化不良,血液中毒和肾损伤等症状;这种对生态环境和人身安全的污染和损害是十分严重的。因此如何快速有效摸清矿区周围农作物土壤污染情况尤为重要。多光谱遥感由于具备光谱分辨率高、实时无损、大面积监测等优势,在突破植被屏障监测土壤重金属上具有巨大的潜力。以平谷区主要的农作物桃树为研究对象,利用桃叶的高光谱数据、土壤采样数据,分析桃叶光谱曲线的响应特性,对桃叶反射光谱进行一阶/二阶微分、标准正态、连续去统等四种变换,结合相关分析及多元线性回归模型确定光谱特征变量,构建植被指数HMSVI;结果表明HMSVI与土壤中Cd,AS和Pb含量的相关性较常用植被指数高。运用线型回归方法进行元素含量与植被指数HMSVI建模后,选取拟合较好的模型,实现了叶片高光谱与土壤重金属含量的统计建模,最后利用Sentinel-2遥感影像反演三种重金属含量空间分布,并对结果进行精度验证。结果表明:受重金属胁迫叶片的平均光谱反射率高于正常叶片且红边位置发生了“蓝移”现象。780,945和1375 nm三个波段对三种重金属污染都较为敏感,利用三个波段构建的植被指数建立的反演模型能较好的用于桃林土壤重金属元素含量预测,其预测模型分别为Y=0.44X+0.193,Y=7.436lnX+13.161,Y=-15.359X+13.583X~2+23.541,且具有较好稳定性和适宜性。空间反演结果表示,三种重金属高值区均大面积的分布在平谷区刘家店尾矿库、万庄尾矿库、金海湖尾矿库附近,西部相比东部矿区重金属污染更为严重。研究结果可以为北京平谷区桃林重金属污染的预防与治理提供基础数据支持。