基于PSR-OWA模型的海口市生态风险评价及模拟研究

[目的]评价区域生态风险并揭示其时空演变规律,对于降低区域生态风险、维护生态安全和合理开发与规划国土空间具有重要意义。[方法]基于海口市2000年、2010年、2020年Landsat TM/OLI遥感影像,引入区域累计气旋能量、城市开发利用强度和旅游压力等评价因子,构建基于网格尺度下的PSR(Pressure-State-Response)典型自然环境和社会经济背景下的区域生态风险评估模型,探究20年间区域生态风险空间分布格局、时空分异及其关联特征,基于双变量全局空间自相关揭示海口市城镇化水平对区域生态风险的响应关系,同时耦合GIS-OWA模型模拟不同情景下海口市生态风险时空格局配置及其生态保护对策。[结果](1)2000—2020年期间海口市低和高生态风险区分别增加229.7 km^(2),91.38 km^(2),中生态风险区减少的面积最大,为150.48 km^(2),研究区生态状况总体上有所改善;(2)研究期间区域高等级生态风险区呈持续扩张趋势,海口市中西部生态风险整体优于北部及江东新区等城镇建设区;(3)3期Moran′s I均高于0.6且呈递增趋势,生态风险空间聚集特征明显并呈现显著的空间上正相关,生态风险格局及其空间关联格局整体呈现出“南北高中间低”“东热西冷”的异质性特征,城镇化水平对区域生态风险的影响程度不断加深;(4)低风险(87.5%)、中风险(33.6%)和高风险(70.7%)分别在“生态优先型”“维持现状型”和“开发优先型”3种模拟模型中占据一定优势地位。[结论]海口市生态风险呈现向好发展趋势,存在显著空间异质性,且发展趋势受到决策者影响巨大。研究结果可为海口市生态风险防范、土地利用优化决策和区域生态系统可持续管理提供理论依据和决策支持。

结合地统计学与Landsat 8影像的乔木林地上碳储量估算

【目的】探究Landsat 8多光谱影像结合地统计学方法估算乔木林地上碳储量的可行性和适用性,为应用Landsat 8多光谱影像结合地统计学方法估算区域森林参数提供参考。【方法】以浙江省内的一景Landsat 8多光谱影像覆盖的范围为研究区,以乔木林地上碳储量为研究对象。通过外业调查获取专项调查数据,并采用生物量转换因子和树种含碳率参数,计算得到乔木林地上碳储量数据。基于Landsat 8多光谱影像和DEM数据,提取植被指数、纹理特征、主成分变换因子、缨帽变换因子和地形因子,采用皮尔森相关系数法和方差膨胀因子法对这些因子进行优选,生成用于建模的自变量集。分别采用稳健估计和协同克里格插值法构建乔木林地上碳储量模型,并对所构建的模型精度进行对比分析。【结果】本实验所提取的因子经皮尔森相关系数法筛选后,得到22个自变量因子,经方差膨胀因子法优选后,共有7个自变量因子(比值植被指数、非线性植被指数、海拔、第2波段的平均值纹理、第4波段的相关性纹理、第7波段的平均值纹理、第7波段的方差纹理)用于建模。协同克里格插值法构建模型的决定系数(R2)为0.45、均方根误差(RMSE)为9.88 t·hm-2、平均绝对偏差(MAE)为7.75 t·hm-2、总预报偏差的相对误差(RE)为0.24%,其拟合精度优于稳健估计法(R2=0.42,RMSE=10.15 t·hm-2,MAE=8.03 t·hm-2,RE=0.27%)。本文所采用的皮尔森相关系数法结合方差膨胀因子法可有效地考虑变量间的相关性及共线性问题,可以在一定程度上提高所构建模型的稳定性,所采用的协同克里格插值法考虑了变量的空间分布特征,与传统的统计模型相比具有较好的应用优势。【结论】本研究为应用Landsat 8多光谱影像结合协同克里格插值法快速估算森林碳储量及其他森林参数提供了新的途径。

塞罕坝华北落叶松纯林和混交林土壤肥力质量评价

【目的】基于土壤质量指数(SQI),研究华北落叶松林不同混交方式对土壤肥力质量的影响,为其合理经营和地力恢复提供理论依据。【方法】该研究以河北省塞罕坝林场华北落叶松纯林(落叶松纯林)、华北落叶松白桦混交林(落桦混交林)和华北落叶松樟子松混交林(落樟混交林)为研究对象,采集和分析0~20 cm土层的土壤进行土壤理化性质、生物性质的调查研究,利用SQI法进行土壤肥力质量评价。建立SQI包括3个步骤:采用主成分分析法筛选最小数据集(MDS),利用非线性得分函数计算MDS指标得分,利用加权求和模型计算SQI。【结果】不同混交方式间土壤理化和生物性质存在不同程度的差异。与落叶松纯林相比,落桦混交林的土壤理化和生物性质有了明显改善;落樟混交林的土壤理化状况较差,土壤生物性质与落叶松纯林没有明显差异。在17个土壤肥力质量指标中,MDS由土壤微生物生物量氮、全磷、氨氮3个指标组成。不同混交方式间SQI差异显著,表现为落桦混交林(0.59)>落叶松纯林(0.47)>落樟混交林(0.39)。【结论】土壤肥力质量在不同混交方式下差异显著,塞罕坝机械林场落叶松白桦混交林有利于改善土壤肥力。利用指数法建立SQI进行土壤肥力质量评价,可为其他树种或其他地区的森林土壤质量评价提供借鉴。

不同间伐强度对华北落叶松人工林土壤养分-微生物生物量-胞外酶化学计量的影响

【目的】探究间伐强度对土壤养分-微生物生物量-胞外酶化学计量特征的影响。【方法】以河北省塞罕坝机械林场华北落叶松人工林为研究对象,设置不同间伐强度(对照、轻度间伐、中度间伐和重度间伐)标准地,采集0~10、10~20和20~30 cm土壤样品,测定土壤养分含量、微生物生物量含量和胞外酶活性,分析土壤养分-微生物生物量-胞外酶化学计量比。【结果】1)随间伐强度增大,土壤碳(C)、氮(N)、磷(P)含量先增后降,在中度间伐中观测到最大值;间伐降低了土壤C∶N、C∶P和N∶P。2)间伐提高了土壤微生物生物量碳、氮和磷(MBC,MBN和MBP)含量,尤其是中度间伐;间伐提高了土壤MBC∶MBN而降低了MBN∶MBP,土壤MBC∶MBP在不同间伐强度间无显著差异(P>0.05)。3)土壤β-1,4-葡萄糖苷酶(BG)活性在不同间伐强度间未表现出显著差异(P>0.05),土壤β-1,4-N-乙酰氨基葡萄糖苷酶+亮氨酸氨肽酶(NAG+LAP)活性、酸性磷酸酶(AP)活性和(NAG+LAP)∶AP在中度间伐和重度间伐中显著高于对照和轻度间伐(P<0.05),中度间伐和重度间伐的BG∶(NAG+LAP)显著低于对照和轻度间伐(P<0.05),中度间伐的土壤BG∶AP显著低于对照(P<0.05)。【结论】间伐能够促进养分循环,尤其是中度间伐。研究结果可为不同间伐强度人工林中养分循环、资源限制和生态过程研究提供理论支撑,为该区域华北落叶松人工林的合理经营提供理论依据。

海南岛海岸带土地利用变化及其对碳储量时空演变的影响

[目的]预测未来土地利用/覆盖变化(land use and land cover change,LULCC)及其对生态系统碳储量的影响,为区域土地利用决策和碳管理提供科学依据。[方法]基于30 m分辨率的海南岛1990,2000,2010,2020年土地利用遥感解译数据,运用ArcGIS与InVEST模型,探究土地利用时空演变及碳储量响应状况,并引入GeoSOS-FLUS模型预测研究区2030年土地利用多情景变化特征及其对未来不同情景下生态系统碳储量的影响机制。[结果]①1990-2020年研究区耕地、林地、草地和未利用地面积减少,水域和建设用地面积增加。未利用地和耕地面积持续减少,建设用地面积持续增加。②30 a间LULCC导致区域碳储量持续减少,达到1.50×10^(6)t且年变化率为5.00×10^(4)t/a。建设用地的大肆扩张及林地退化是导致碳储量下降的重要原因,“未利用地→草地”为碳储量增加中最明显的图谱变化,“草地→林地(人工林地)”是碳储量减少中最显著的图谱变化。③2020-2030年的3种预测情景中,林地仅在生态优先情景下得到了有效保护,且面积增加了11.91 km^(2)。建设用地在3种预测情景中均呈现不同程度扩张态势,且发展优先情景涨幅最大。[结论]海南岛大面积高碳密度的天然草地转换为低碳密度的人工林地,高碳区转变为低碳区,区域固碳能力削弱。应采取提高林地、草地等地类比重等一系列的土地利用调控政策,加大区域碳源向碳汇转换的优化发展。

北京延庆区不同林龄油松人工林土壤理化性质

为探讨林龄对北京地区油松（Pinus tabulaeformis）人工林土壤理化性质的影响，选择延庆区4个林龄（14、28、36、51年）油松人工林，研究土壤理化指标在从幼龄到成熟间随林龄增加的变化规律，阐明其在0-30 cm三个土层间的变化趋势. 结果显示，随土层加深，含水率、持水量、孔隙度总体上逐渐减小，土壤容重的差异不显著，有机质、氮磷钾具有明显的表聚效应，pH总体上呈增加趋势，而电导率的变化规律不一. 随林龄增加，同层土壤含水率、持水量、孔隙度则总体上逐渐增加，容重的差异不显著，有机质、氮磷总体呈增加趋势，钾素在14年和28年林分中显著高于36年与51年林分，pH呈逐渐减小，而电导率最大值出现在51年林分中. 相关分析表明，土壤容重与水分特征、孔隙度均呈显著负相关；有机质与氮素、磷素呈极显著正相关，与pH呈极显著负相关，与土壤容重、全钾含量呈显著负相关，与速效钾呈负相关但不显著. 本研究表明林龄的增加改善了油松人工林的土壤理化性质，结果可为北京地区油松人工林的抚育间伐、施肥管理、混交林营造等提供理论依据. （图3 表5 参45）

华北落叶松不同林型土壤理化性质差异

在河北塞罕坝机械林场的华北落叶松3个不同类型人工林设立典型样地,研究落叶松白桦混交林、落叶松樟子松混交林、落叶松纯林的土壤理化性质和林地凋落物现存量等17项指标,分析这些指标在0-50 cm共5个土层间的差异情况.结果表明：（1）在土壤剖面上随土层加深,3种林型土壤容重均逐渐增加;土壤水分、有机质、全氮、全磷、碱解氮、有效磷、速效钾、电导率呈减小的趋势;孔隙度和全钾变化不显著.（2）在同一土层,土壤容重和p H总体表现为落叶松白桦混交林最低,落叶松纯林最高;林地凋落物现存量、土壤水分、有机质、氮、磷、钾、电导率均表现为落叶松白桦混交林最高,落叶松纯林和落叶松樟子松混交林无显著差异.（3）相关性分析表明容重与土壤水分、孔隙度、全钾、速效钾呈极显著负相关,与非毛管孔隙度、有机质、有效磷呈显著负相关;有机质、氮、磷、钾元素之间均有显著正相关关系,全氮、全磷、全钾与凋落物未分解层现存量都呈显著正相关.因此认为在3种林型中,落叶松白桦针阔混交林土壤理化性质明显优于落叶松樟子松混交林、落叶松纯林;结果可为合理利用森林土壤、科学营造华北落叶松人工林提供依据.

基于高分二号遥感影像树种分类的时相及方法选择

掌握森林内树木种类及其分布情况对研究森林生态系统具有重要意义.为推广国产高分数据在森林树种分类方面的应用,同时探究不同时相、分类特征及分类器的组合对树种分类结果的影响,本研究利用3景高分二号影像构建了3种单时相和4种多时相,通过多尺度分割、C5.0特征优选及支持向量机(SVM)和随机森林(RF)两种分类器分别实现了不同时相及特征维度下面向对象的8个树种的分类,最终取得了总体精度在63.5~83.5%、Kappa系数在0.57~0.81的良好结果.结果表明:时相的选择会对分类结果产生较大的影响,其中,基于多时相的结果往往优于单时相,多时相下不同影像组合间以及单时相间亦存在明显的精度差异;特征优选会对分类精度的提升起到积极作用,应予以足够重视;SVM在不同时相及特征维度下的表现均较为稳定,在单时相及分类特征难以直接区分树种的情况下应优先使用SVM,但使用SVM时应注意其易发生过拟合;RF不易发生明显的过拟合,但其对分类特征的质量依赖较大,并倾向于在良好的影像组合下取得较为优异的结果.

间伐对塞罕坝华北落叶松人工林土壤酶活性的影响

土壤酶在推动土壤物质能量转化和营养循环的过程中起着十分关键的作用,是土壤质量的重要指标.在河北省塞罕坝机械林场19年生华北落叶松人工林中进行不同间伐强度处理(对照,0%间伐;轻度,14%间伐;中度,28%间伐;重度,42%间伐),间伐9年后,在4个季节采集土壤样品,研究土壤酶活性及其影响因素.结果表明:(1)随间伐强度增大,土壤酶活性呈先增加后降低的变化趋势,除多酚氧化酶(PPO)外,土壤蔗糖酶(INV,59.54 mg g^(-1) h^(-1))、β-葡萄糖苷酶(BG,273.77 nmol g^(-1) h^(-1))、脲酶(NRE,0.28 mg g^(-1) h^(-1))、N-乙酰-β-葡萄糖苷酶+亮氨酸氨基肽酶(NAG+LAP,492.64 nmol g^(-1) h^(-1))和酸性磷酸酶(ACP,745.19 nmol g^(-1) h^(-1))均在中度间伐处理活性最高.土壤酶活性表现出明显的季节动态变化,在夏季和秋季明显高于春季和冬季.(2)间伐后,林下植被盖度、地上生物量和多样性增加,凋落物生物量增大,土壤温度、质量含水率提高,pH和土壤C:N降低,土壤C、N、P含量和微生物生物量增加.(3)土壤酶活性与林下植被特征、凋落物生物量、土壤理化性质及微生物生物量有一定的相关性.因此,合理的间伐能改变林下植被和凋落物状况,改善林分环境,促进养分循环,提高土壤酶活性;结果可为华北落叶松人工林的经营管理提供理论依据.(图1表5参65)