基于FLUS和InVEST模型的云贵高原土地利用与生态系统服务时空变化多情景模拟研究

[目的]探讨云贵高原不同情景下的土地利用与生态系统服务时空变化,为云贵高原土地利用空间格局优化、生态系统服务功能提升和可持续发展策略制定提供科学依据。[方法]以云贵高原为研究对象,以2001年、2010年和2020年3期MCD12Q1土地覆被数据为基础数据,辅以自然和社会经济数据,基于ArcGIS,FLUS模型和InVEST模型,模拟2030年、2040年和2050年自然发展情景、生态保护情景和耕地保护情景下的土地利用以及碳储量、产水量和土壤保持量3项生态系统服务功能时空分布格局。[结果](1)不同情景下云贵高原的土地利用变化以林地持续增加和草地持续减少为主要趋势;耕地保护情景下,耕地面积最高可占总面积的10.38%;生态保护情景下,林草面积在2050年可达总面积的90%。(2) 3种情景下,云贵高原2020—2050年碳储量和土壤保持量均呈上升趋势,而产水量呈下降趋势。生态保护情景下,2050年碳储量预测值最高,为8.13×10^(9) t;产水量减少速率显著低于另外两种情景,降幅为0.46%。(3)宜昌市、普洱市和常德市等市州的生态系统服务供给能力较高;而贵阳市、毕节市和安顺市等市州的生态系统服务供给能力较低。[结论]云贵高原2020—2050年整体生态系统服务供给能力较好,各项服务功能在不同情景下表现出较强的空间聚集性和异质性。云贵高原今后的生态系统服务管理和可持续发展中,应考虑不同生态系统服务功能的空间异质性以及林地面积持续增加可能带来的水资源失衡问题。

湄潭茶园土壤养分特征及肥力质量评价

为探明湄潭茶园土壤养分特征及肥力质量现状,选用pH、有机质、全氮、碱解氮、有效磷和速效钾6个指标,应用主成分分析法对湄潭6种类型茶园土壤养分特征及肥力质量状况进行评价。结果表明:1)湄潭茶园土壤pH为3.73~7.26,均值为5.01,61.11%的茶园土壤达到优质茶园的标准,湄潭茶园土壤pH整体适宜,16.67%的茶园土壤有酸化趋势。2)湄潭茶园土壤有机质、全氮、碱解氮、有效磷和速效钾含量整体丰富,均值分别为22.84 g·kg-1、1.43 g·kg-1、124.50 mg·kg-1、44.16 mg·kg-1和135.61 mg·kg-1,分别有61.11%、70.37%、61.11%、55.56%和59.26%的茶园土壤达到优质茶园的标准,但各养分指标之间存在着明显的空间差异。3)湄潭茶园土壤肥力综合指标值(IFI)为0.179~0.989,均值为0.683,分别有51.85%和31.48%的茶园土壤处于Ⅰ和Ⅱ级水平,土壤养分状况整体良好;各类型茶园IFI之间存在明显的空间差异,其由大到小分别为:中山黄壤>丘陵黄壤>丘陵石灰土>低山黄壤>中山石灰土>低山石灰土。4)pH与有机质、全氮、有效磷之间呈极显著负相关关系,与碱解氮呈显著负相关关系;各养分指标之间存在着显著(P<0.05)和极显著(P<0.01)的正相关关系,各养分之间关系比较密切且具有同源性。pH与IFI呈极显著(P<0.01)负相关关系,其他养分指标均与IFI呈极显著(P<0.01)正相关关系。

草海流域土壤重金属污染及其生态风险评价

草海流域是中国特有的黑颈鹤(Grus nigricollis)等珍稀鸟类的主要栖息地之一,近年来草海周边强烈的人类活动导致土壤环境污染日趋严重,生态环境急剧恶化,生态风险加剧。为全面揭示草海流域土壤重金属污染特征和空间分布格局,本研究以贵州省草海流域为研究对象,采集并测定75个土壤样品中Cd、Hg、As、Cu、Pb、Cr、Zn和Ni等重金属含量,采用内梅罗指数法(P)和潜在生态风险指数(RI)法,对草海流域土壤重金属污染及潜在生态风险进行评估,采用生态风险预警指数(IER)法,分析生态风险预警趋势。结果表明,(1)草海流域土壤重金属除As和Cr,其他各元素均高于贵州省土壤元素背景值,存在一定程度的重金属积累;各重金属元素含量超过背景值的程度为:Cd>Zn>Pb>Cu>Hg>Ni,其中Cd和Zn的超标程度明显高于其他元素,Cd污染范围最广。(2)草海流域土壤元素中Cd属于重度污染,Zn属于中度污染,其余重金属属于轻度污染或轻微污染。土壤P平均值为3.79,总体呈现重度污染。各重金属元素单项生态风险程度为:Cd>Hg>As>Pb>Cu>Ni>Zn>Cr,其中Cd处于较强风险水平,Hg处于中等分风险水平,其他重金属元素均处于轻微风险水平。土壤RI平均值为205.25,总体呈现中等风险。土壤IER平均值为5.94,总体呈现重警状态。(3)草海流域土壤各重金属元素含量之间具有明显的正相关关系,其来源主要分为3类,Cd、Cu、Pb、Zn和Ni的来源主要受矿产开采和工业污染影响,As和Cr的来源主要受农业生产和工业活动影响,Hg的来源主要受土壤地球化学作用的影响。

南水北调中线汉中市水源地景观生态风险评价与特征

汉中市是国家级重点生态功能区、生物多样性保护关键区、南水北调中线工程核心水源涵养区和主要水源地,生态地位显著,对该区进行生态环境及风险研究意义重大。选取汉中市2007年、2011年和2017年3期遥感影像数据,综合运用景观生态学和地统计学基本原理与方法,利用RS和GIS空间信息技术,通过构建汉中市景观生态风险指数,对汉中市近十年景观生态风险时空变化特征进行了系统分析。结果表明:(1)研究区以林地和建设用地面积持续增加,耕地稳定减少为主要变化特征;林地和建设用地分别增加426.71,215.48 km^2,耕地减少539.33 km^2;(2)研究区林地优势度最为明显,研究期末达0.73;建设用地优势度增幅最快,10年增加了0.10;全区景观格局破碎化趋势明显;(3)研究区生态风险呈明显的倒'r'型分布。10年间,中高山区原有的集中连片低风险格局被打破;低山丘陵区生态修复工作成效显著,生态风险显著降低;(4)汉中市景观生态风险存在较强的空间正相关关系,但'高—高'和'低—低'风险聚集区分布范围逐渐缩小。

喀斯特高原山地贵阳市2008-2018年土壤侵蚀时空特征与侵蚀热点变化分析

土壤侵蚀/石漠化是喀斯特地区的首要生态问题,是生态文明建设的最大障碍和威胁。研究以典型喀斯特高原山地贵阳市为对象,运用RUSLE模型,采用探索性空间数据分析(ESDA-GIS)的空间自相关和Getis-Ord G i^*冷热点分析方法,评价了贵阳市2008年、2013年和2018年土壤侵蚀状况,揭示了10年间贵阳市土壤侵蚀空间演变规律和侵蚀热点的分布特征,探析了植被覆盖因子和降雨因子对土壤侵蚀变化的影响。结果表明:(1)2008-2018年贵阳市土壤侵蚀状况得到有效控制,平均土壤侵蚀模数从2008年的819.11 t/(km^2·a)降至2018年的70.14 t/(km^2·a),现阶段土壤侵蚀强度以微度侵蚀为主,但2013^-2018年土壤侵蚀有恶化趋势;(2)贵阳市土壤侵蚀的空间分布与演化具有明显的空间聚集效应,全局Moran’s I指数介于0.125~0.280,但聚集趋势呈“总体减弱、小幅扩散”的特征;侵蚀热点区主要集中分布在清镇市、花溪区、开阳县和修文县等县区,以及海拔1200~1300 m或坡度8°~15°的区域。(3)植被覆盖因子对贵阳市近10年土壤侵蚀面积变化的贡献约74%~92%,是土壤侵蚀变化的主导和控制因子;而降雨侵蚀力因子的贡献仅约为7.5%~26.0%。研究结果可为新时期贵阳市土壤侵蚀/石漠化综合治理、国土空间优化和生态文明城市建设提供重要的科学依据。

草海流域景观结构与土壤保持功能时空动态特征

为全面探明草海流域景观结构变化对其土壤侵蚀/土壤保持功能的影响,基于InVEST模型对草海流域2009年和2017年景观结构和土壤保持功能时空特征进行了定量分析和动态评估。结果表明:(1)草海流域2009-2017年景观类型均以耕地和水域为主,但景观结构发生明显变化,表现为耕地、水域、灌草地的减少和林地、沼泽地、建筑用地的增加。(2)2009-2017年草海流域实际土壤侵蚀强度呈加剧趋势,2009年和2017年单位面积潜在土壤侵蚀和实际土壤侵蚀分别为2665.14,125.55 t/(hm^2·a)和11451.19,523.24 t/(hm^2·a)。(3)2009-2017年草海流域及各景观类型的土壤保持量呈增加趋势,总体呈现“总体好转、局部恶化”的特征,2009年和2017年单位面积土壤保持量分别为2539.60,10927.94 t/(hm^2·a),其中,灌草地土壤保持量增速最快,沼泽地增速最慢。因此,优化流域景观结构、降低人类活动干扰、增加植被覆盖有利于提升流域土壤保持服务功能。研究可为草海流域生态恢复与建设、流域空间规划提供理论基础和科学依据。

汉中盆地及周边低山丘陵区土地利用变化研究

目的探究汉中盆地及周边低山丘陵区土地利用变化的时空特点及其规律。方法基于2000年、2005年、2010年和2016年四期TM影像,利用ENVI和GIS技术提取汉中盆地及其周边低山丘陵区各期土地利用现状图,分析研究区各期土地利用的时空变化及地形梯度变化特征。结果与结论1)2000—2016年汉中盆地内部土地利用类型变化明显,其中建设用地明显增加,耕地、草地、未利用地明显减少,而低山丘陵区以耕地的减少和林地的增加为主要特征。2)2000—2016年盆地区建设用地主要以城区为中心面呈环状增加和以高速公路为中轴呈条带状增加。而低山丘陵区林地主要在坡度较大和高程较高的区域增加。3)汉中盆地土地利用图谱变化类型以"耕-耕-耕-耕"为主的稳定型图谱分布面积最多,占整个汉中盆地面积的51.67%。低山丘陵区的土地利用图谱变化类型以"林-林-林-林"为主的稳定型图谱分布面积最多,占整个低山丘陵区面积的41.44%。4)汉中盆地前期变化型和稳定型的分布指数较高,土地利用类型仅局限于耕地与建设用地之间的转换,而低山丘陵区前期变化型和稳定型的分布指数较高,土地利用类型仅局限于耕地与林地之间的转换。

贵州草海流域不同土地利用方式土壤重金属潜在生态风险评价

为揭示草海流域不同土地利用方式下土壤重金属的污染特征及分布规律,采集了草海流域耕地、林地、灌草地和城镇用地4种土地利用类型的75个表层土壤样品,测定了Hg、Cd、As、Cu、Pb、Ni、Cr和Zn共8种重金属的全量,利用潜在生态风险指数(RI)评价了重金属的污染水平,运用反距离权重插值法(IDW)分析了重金属的全量和潜在生态风险的空间分布特征。结果表明:(1) Hg、Cd、As、Cu、Pb、Ni、Cr和Zn的含量平均值分别为0.13、2.71、19.39、39.87、62.71、45.16、91.67和169.23 mg·kg-1。其中,Cd在4种土地利用类型土壤中均呈重度污染,Pb在城镇用地和林地中呈中度污染,Zn在城镇用地中呈中度污染,其余情况均属于轻度污染或无污染。(2) 4种不同土地利用方式仅对Cd和Zn含量有显著影响(P <0.05),而对Hg、As、Cu、Pb、Ni和Cr含量无显著影响(P>0.05)。与耕地、林地和灌草地相比,城镇用地可显著提高Cd和Zn的含量。(3)流域土壤重金属的RI平均值为204.59,属于中度风险水平。4种不同土地利用类型土壤重金属的RI平均值有所差异,由大到小依次为城镇用地(243.66)、耕地(209.71)、林地(192.50)和灌草地(153.53)最低。(4) Pb、Ni、Cr、Zn、Cd和RI的高值主要分布在流域西南部和流域东部中段区域,与研究区"土法炼锌"遗址吻合。Cu的高值积聚在东北部的城镇用地和灌草地。Hg和As在流域内均匀分布,其高值呈零星分布模式。上述研究结果能为草海流域土壤重金属污染防治提供参考依据。

基于包络线去除法的贵州省常见树种高光谱特征分析

为区别喀斯特高原森林植被类型,利用高光谱技术对森林植被开展光谱特征分析,为喀斯特高原贵州省森林植被的遥感探测与精准识别提供理论与技术支持。本研究采用ASDFieldSpec4便携式地物光谱仪对贵州省常见的华山松(Pinus armandiiFranch)、麻栎(Quercus acutissimaCarruth)、马尾松(Pinus massonianaLamb)、杉木(Cunninghamia lanceolata)、水杉(Metasequoia glyptostroboides)、香樟(Cinnamomum camphora)、云南松(Pinus yunnanensis)、柏木(Cupressus funebris Endl.)8种树种的光谱数据进行采集。在对原始光谱数据进行异常值处理的基础上,进行包络线去除,比较原始光谱和包络线去除图,选择差异较大的波段用于识别不同树种。结果表明:原始光谱中11个特征波段差异都较为明显,去包络线中1439~1448 nm、1779~1788 nm、1958~1967 nm和2307~2316 nm波段范围内差异较为明显,说明包络线去除法能有效缩小树种特征波段范围,达到运用较少波段识别树种的目的。用欧氏距离法对选取的特征波段进行验证,发现运用原始光谱曲线与包络线去除法选取的特征波段皆能有效区分树种,且包络线去除法的效果更好。

基于InVEST模型的贵阳市主要交通干线景观带生境质量特征分析

本研究基于InVEST模型对贵阳市主要交通干线景观带生境质量进行了评估,并结合ArcGIS软件叠加分析了不同交通干线景观带在不同坡度与土地利用类型上的特征,探明了贵阳市主要交通干线景观带生境质量特征。结果表明:(1)贵阳市交通干线景观带生境质量指数位于0~0.90之间,平均生境质量指数为0.28,整体生境质量较差。(2)各交通干线景观带中,铁路干线景观带生境质量最好,高速公路次之,县级快速通道较差,城市快速通道最差;具体来看,中心铁路、成贵铁路和贵开铁路的生境质量最高,贵新高速、都织高速和花溪大道的生境质量最低。(3)各交通干线景观带生境质量较高的区域主要分布在乔木林地、灌木林地等植被覆盖度高、坡度大、生态系统干扰因素较小、人为活动较弱的生境适宜度较高的区域。反之,建设用地、未利用地和迹地等植被覆盖度低、坡度小,生态系统干扰因素较大、人为活动较强的生境适宜度较低的区域的生境质量较差。