基于PLUS模型和InVEST模型的新安江流域生态系统碳储量时空变化分析与预测

探析碳储量的时空格局演化规律,对新安江流域生态环境保护、土地利用方式优化具有积极反馈作用。基于2000—2020年土地利用数据,采用InVEST模型对2000—2020年新安江流域土地利用变化及碳储量变化情况进行分析,同时运用PLUS模型预测不同发展情景下2040年新安江流域碳储量分布。结果显示:(1)土地利用变化直接影响研究区的碳储量。2000—2020年,新安江流域建设用地扩张602.707 km^(2),林地、耕地、草地和灌木分别减少615.225 km^(2)、42.640 km^(2)、3.021 km^(2)和0.296 km^(2),碳储量减少4.937×10^(6)t;碳储量与土地利用空间分布一致,碳储量较高区域的建设用地少、生态用地集聚连片且分布较多。(2)2040年多情景模拟显示,整体土地利用格局一致,局部变化明显。城镇发展、自然发展和耕地保护情景碳储量分别下降7.540×10^(6)t、7.544×10^(6)t和11.302×10^(6)t,其中在生态保护情景下,碳储量下降最少(7.130×10^(6)t)。(3)碳储量空间分异受地形、生态和人为因素影响。地理探测器表明,NDVI(0.561)和NPP(0.398)的解释力显著高于其他因子,是新安江流域碳储量空间分异的主要驱动因子。不同影响因子间的交互作用强于单一因子,其中NDVI与坡度的协同影响类型最强(0.652)。研究结果表明,采取城镇发展和生态保护政策可控制碳储量减少,在未来规划中,应保护生态用地,控制建设用地扩张,以提高碳储量水平。

基于InVEST模型的新疆1990—2018年产水服务时空变化及驱动因素分析

产水服务是重要的生态系统服务功能之一,评估产水服务空间分异特征、明确不同自然资源分区的关键驱动因子,是维系新疆生态安全和可持续发展的关键。本研究利用InVEST模型模拟新疆1990—2018年产水服务时空变化,选择气候、土壤、地形、土地利用等因子,采用地理探测器开展产水服务空间异质性归因分析。结果表明:(1)1990—2018年新疆产水总量变化为524.39×10^(8)~683.42×10^(8)m^(3),高值区集中在阿尔泰山、准噶尔盆地西部山地及天山山地等地区。(2)研究区不同地类的产水能力不同,其中荒漠和林地的产水能力最高,草地和水体与湿地其次,耕地和建设用地产水能力最差。(3)在新疆全域,气候类因子的解释能力最强,尤其是年总降水量因子,解释能力达到0.9以上;不同自然资源分区,产水服务空间分异的主要驱动因子存在明显差异,但年总降水量因子仍为第一主导因子。(4)因子的交互作用对产水服务的空间分布解释能力大于单个因子的解释能力,气候因子与地形因子的交互作用解释能力最强,其次是气候因子与土地利用因子的交互。因此,新疆产水服务的维持与保护工作应充分考虑气候、地形、土地利用等因素,制定合理的水资源管理和保护措施。

气候变化下水资源脆弱性的适应性管理新认识

气候变化下的水资源脆弱性和适应性管理研究成为全球和国家应对气候变化和保障水资源安全重点关注的问题,也是中国可持续发展面对的重大战略问题。介绍了水资源脆弱性和适应性管理的国内外最新研究进展;针对国家重大需求和国际科学前沿问题,综述了气候变化下水资源脆弱性和适应性管理存在的问题与挑战。提出了气候变化下水资源脆弱性与适应性管理理论与方法研究以应对气候变化的无悔为准则,与社会经济可持续发展、成本效益分析、利益相关者的多信息源的分析与综合决策相结合为原则,对适应性管理与脆弱性组成的互联互动系统及其风险与不确定性进行分析的新认识。

1979—2019年大汶河流域湿地时空演变与分异研究

选取1979—2019年Landsat遥感影像数据,提取黄河下游大汶河流域自然湿地与人工湿地,利用标准差椭圆、空间自相关等方法分析了大汶河流域湿地时空演变、分异特征及其驱动因素。结果表明:1979—2019年大汶河流域湿地面积具有增加的趋势,标准椭圆重心大幅向西北迁移;流域湿地具有显著空间自相关聚集特性,全局平均莫兰指数为0.67;湖泊、河流等自然湿地局部莫兰指数呈现“高-高”型空间聚集分布特点,在空间上更易聚集,而库塘人工湿地局部莫兰指数呈现“高-低”和“低-高”型空间聚集分布特点,具有空间分散规律,空间异质性较强;大汶河流域湿地在未受到强烈自然或人为因素干扰的状态下,湿地空间分布聚集程度越高,相关性越显著;1989年大汶河流域干旱事件、2019年东平湖南水北调工程启动等极端灾害与人类活动均导致流域湿地面积、标准椭圆重心、空间聚集性与异质性发生极大波动;东平湖湖泊湿地生态功能的保护与修复对保障南水北调工程水质起着重要作用,是大汶河流域湿地生态功能保障的关键所在。

2000—2030年云贵高原碳储量和生境质量时空格局演变

云贵高原岩溶地质条件导致当地的石漠化严重、生态环境脆弱,对该地区的生态系统服务功能进行评价有助于改善生态环境问题。基于InVEST模型和PLUS模型定量评估了云贵高原2000—2030年的碳储量和生境质量,结合自然资源区划,分析该地区2000—2030年碳储量和生境质量的时空变化特征及驱动因子。结果表明:2000—2030年云贵高原碳储量均值为7.323×10~9t,多年呈现下降趋势,共减少0.471×10~9 t,空间上呈西部高、东部低的特征,最高的四级区划是丽江市东部楚雄北部小区;碳储量贡献率最高的地类是林地(>60%),其次是耕地(>28%);碳储量空间分异解释力最强的因子是高程,交互作用最强的因子是土地利用和坡向。2000—2030年云贵高原生境质量均值为0.755,多年呈下降趋势,共减少0.016,空间上呈现西部高、中部和东部低的特征,最高的四级区划是丽江市西部—怒江傈僳族自治州东南部小区;林地的生境质量最高,指数为0.83。研究结果揭示了云贵高原碳储量与生境质量演变规律及分布格局,可为该区生态环境建设提供科学依据。

2000—2040年黄河流域(河南段)生境质量时空格局演变及驱动力分析

实现经济发展与生态保护的共赢是一个世界性难题。随着经济社会的发展,人类活动强度对区域生境质量产生不同程度的影响,在欠发达地区这种影响往往是负面的,因此实现人口稠密的欠发达地区经济发展与生境保护相结合具有重要意义。以黄河流域(河南段)为例,基于InVEST模型生境质量模块与PLUS模型对该区域2000—2021年(历史时期)生境质量时空演变特征进行分析,并以5年为步长对2025年、2030年、2035年和2040年的生境质量进行模拟。研究结果表明:(1)历史时期研究区生境质量均值下降了0.05,呈下降趋势,生境质量高值区集中分布在研究区西南和西北部的山地,呈西高东低的分布格局。(2)历史时期研究区44.74%区域生境质量显著下降,下降区域分布在城乡建设和道路扩张用地区域,西部山区此趋势最为突出。33.81%区域生境质量显著上升,上升区域分布在东部耕地区域和西部林地。研究区生境破碎化趋势加强,海拔与植被等自然要素对区域生境质量水平影响显著,与生境质量水平正相关。(3)2025—2040年不同土地利用情景下的未来生境质量格局差异明显,生态保护情境下生境质量水平呈上升趋势,耕地保护情景下生境质量均值稳定中呈现小幅度提升,城市发展情景下生境质量均值呈现明显下降趋势,不同发展情景下人类活动对区域生境质量影响显著。本研究有助于进一步了解区域生境质量的发展趋势与对土地利用变化的响应。

基于InVEST模型和PLUS模型的云贵高原产水量时空变化特征分析

对云贵高原产水量进行定量评估与研究,有利于探究该地区水资源的动态变化、维护该地区的生态安全以及构建该地区的生态平衡,对维持城市水源涵养具有重要的现实意义。本研究利用PLUS模型预测该地区2025与2030年土地利用类型,利用InVEST模型定量估算2000—2030年(以5年为一期)产水量,并对其进行时空分析;剖析了不同土地利用类型及不同坡度等级下的产水量变化情况;利用地理探测器对产水量进行驱动力分析。结果表明:(1)2000—2030年该地区产水总量呈现“下降-升高-下降-升高”的趋势,其产水总量分别是:7.818×10^(7)m^(3)、5.750×10^(7)m^(3)、4.700×10^(7)m^(3)、9.162×10^(7)m^(3)、7.498×10^(7)m^(3)、7.820×10^(7)m^(3)、8.999×10^(7)m^(3);产水量空间分布呈现东南和北部高、中部低特征;(2)未利用地是该地区产水量最高的地类;(3)气象因子的变化是引起云贵高原年产水量变化的主要因素。地理探测器的分析表明降水量、蒸散发量对产水量的解释力较强,降水量和土地利用的交互作用对产水量变化的解释力最强。产水量集中在坡度为0°~5°的区域,占总产水量的43.80%。研究结果可为云贵高原水资源的动态评估、有效管理和可持续发展提供科学参考。

基于MaxEnt模型预测未来气候变化情境下东北耕地潜在适宜区的变化

东北是中国重要的商品粮基地,其耕地主要分布于东北平原林耕资源大区。研究该区域耕地的未来潜在适宜区,对于提升其在未来气候变化背景下的适应性具有重大意义。基于2000—2020年耕地分布数据与31个气候、地形、水文、土壤等多类环境变量,通过最大熵模型(MaxEnt)和空间统计分析,构建未来近期(2021—2040年)和未来中期(2041—2060年)4种共享经济路径(SSP126、SSP245、SSP370和SSP585)情景下的耕地预测模型,揭示东北平原林耕资源大区耕地潜在适宜区空间分布规律和未来演变趋势。结果显示:(1)旱地面积为29.21×10~4 km^(2),其高适生区、中适生区、低适生区和不适生区面积分别为5.39×10~4 km^(2)、48.71×10~4 km^(2)、19.82×10~4 km^(2)和30.18×10~4 km^(2)。高适生面积区占旱地面积的15.27%,主要分布在海拔较低的辽河平原和松嫩平原。影响旱地适宜性的主要环境因素是最湿季度平均温度、坡度、最干季度降水量和气温季节变化标准差。旱地最优分布环境条件为:平均温度为18.58~24.8℃、坡度为-1.25°~8.03°、降水量为0~16.3 mm、气温季节变化标准差为930~1400。(2)水田面积为6.07×10~4 km^(2),其高适生区、中适生区、低适生区和不适生区面积分别为4.06×10~4 km^(2)、13.67×10~4 km^(2)、20.22×10~4 km^(2)和66.17×10~4 km^(2)。高适生区面积占水田面积的66.89%,主要集中在三江平原,零散分布于松嫩平原和辽河平原。影响水田适宜性的主要环境因素是海拔、年平均气温、坡度和等温性。水田最优分布环境条件为:海拔低于225.9 m、年平均气温为1.69~6.03℃、坡度低于2.28°、等温性低于25.53。(3)在未来气候情境下,旱地和水田适宜区分布与历史气候情景相似,但适生区面积有所变化。在未来近期,旱地高适生区面积在SSP245-30模式下增量最高,为0.4×10~4 km^(2);水田高适生区面积在SSP126-30模式下面积增量最高,为0.03×10~4 km^(2)。在未来中期,旱地和水田高适生区在4种模式下均降低,旱地在SSP126-50模式下降低最多,水田在SSP585-50模式下降低最多。研究结果可为东北平原林耕资源大区土地国土空间规划提供科学支撑,为耕地的开发与利用提供参考。

1990—2050年黄河中游伊洛河流域不同土地利用类型碳储量时空分异特征

土地利用类型变化是区域碳储量变化的主要影响因素,对整个陆地生态系统有着重要的影响。以黄河中段伊洛河流域为例,基于生态系统服务功能与权衡交易综合评价模型(InVEST)碳储量模块评估了1990—2020年碳储量时空分异特征及影响因素,利用耦合PLUS模型预测了2025—2050年土地利用类型及碳储量时空分异特征,使用地理探测器探索区域碳储量驱动力因素。结果表明:(1)伊洛河流域土地利用类型转移为耕地和草地转出,林地、水体和建设用地转入。区域碳储量在1990—2020年间增长1.0×10^(7)t,东部碳储量持续减少,中西部碳储量持续增加。(2)2025—2050年区域整体固碳能力下降。相对于历史时期,东部固碳能力仍旧持续下降,中西部固碳能力由持续上升变总体上升,生态修复情景最有利于区域固碳,耕地保护情景最不利于区域固碳。(3)使用地理探测器可以得出,单因子分析NDVI(归一化植被指数)的q值(解释力)为0.561,解释力最强,交互分析中DEM(数字高程模型)与NDVI交互q值为0.592,两个因子交互解释力最强。建议经济较好、地形平坦的IV12-1区域经济和农业发展应注重自然保护,生态较好、海拔较高的VI22-1和VI22-3区域施行生态修复政策。

黄绵土N_2O排放的温度效应及其动力学特征

以室内试验为手段,以黄绵土为供试土壤,研究了不同水热条件下农田土壤中N2O的排放特征,并借助于化学反应动力学理论对N2O排放的热效应机理进行了探讨。结果表明:在适宜的温度范围内,表现为土壤N2O排放量随温度升高而增大。14.50%水分时,20～25℃温区N2O排放呈现"跃增"现象,即温度效应较强,而18.70%和22%水分时,N2O排放的"跃增区"分别出现在15～20℃温区和25～30℃温区,即水分条件影响着N2O排放的温度效应。土壤N2O累积排放量随时间t的变化均符合修正的Elovich方程y=a+blnt,并应用表观排放速率b从动力学角度验证了N2O排放"跃增"现象的存在。在一定的水分条件下,随着温度的增加,土壤N2O排放出现最大值(此时温度为T0),在T1～T0温区内,随温度升高土壤N2O排放量增加,在T0～T2温区内,随温度升高土壤N2O排放量降低,对于黄土性土壤而言,这一转折点(T0)在30℃左右。7.86%水分时干燥土壤存在吸收NO的现象。

中国东部季风区水资源脆弱性评价

以中国东部季风区的八大流域为例,从水资源供需安全的角度,对2000年水资源状况和未来气候变化情景下的水资源脆弱性进行了评价。结果表明:海河流域是中国水资源的严重脆弱区,黄河和淮河均处于高度脆弱状态,辽河流域、松花江流域、长江流域、东南诸河和珠江流域绝大部分地区处于中度脆弱状态;未来气候变化使得中国东部季风区八大流域的水资源脆弱性均明显加重,黄淮海流域均上升到严重脆弱状态,对气候变化极度敏感,必须采取相应措施来积极应对气候变化对流域水资源的不利影响。

2000～2008年黑河流域潜在蒸散量的时空变化

[目的]研究2000~2008年黑河流域潜在蒸散量的时空变化。[方法]利用2000~2008年黑河流域21个气象站的逐日气候资料,结合FAO Penman-Monteith模型,分析了黑河流域9年来潜在蒸散量（ET0）的时空变化特征,并对其主要气候影响因子进行了探讨。[结果]黑河流域春、夏、秋、冬四季和年的ET0序列变化呈现缓慢上升趋势,但并未达到显著性水平;多年平均ET0空间分异特征明显,表现为从东北荒漠向西南山区逐渐减少,且多年季节变化依照夏、春、秋、冬季的顺序递减,逐月变化呈单峰变化趋势,峰值出现在7月。相对湿度、平均风速和水汽压是影响研究区内ET0变化的主要气候因子,而平均气温对ET0的影响作用不显著。[结论]该研究为制定流域规划、地区水利规划及排灌工程提供理论依据。

气候变化背景下中国小麦需水量的敏感性研究

利用CROPWAT作物模型模拟分析了过去50年(1961—2010年)及IPCC RCPs情景下未来2020年代(2020—2029年)中国小麦需水量的变化情况。在此基础上,以小麦需水量的变化率作为敏感性因子,对RCP4.5和RCP8.5排放情景下中国小麦需水量的敏感性进行了探讨。结果表明:中国小麦多年平均需水量约为1056.4亿m3,最高值位于黄淮海地区。小麦需水量对气候变化的敏感性存在空间差异,华北和西北地区是小麦需水量的重度和极度敏感区,东北地区以及云贵高原地带是小麦需水量的轻度敏感区,而中国中部及南方部分地区的小麦需水量对气候变化不敏感。不同RCP排放情景下小麦需水量的敏感性分布不同,RCP8.5高排放情景下的小麦需水量敏感性区域比RCP4.5中排放情景下明显扩大,轻度和中度敏感区域扩大尤为明显。

气候变化对黄河水资源的影响及其适应性管理

气候变化将直接影响降水、蒸散发和径流等水文要素,并在一定程度上改变水资源量及其时空分布,进一步影响水资源利用格局及水安全形势。气候变化对水资源安全的影响是国际上普遍关心的全球性问题,也是我国可持续发展面临的重大战略问题。黄河作为中华民族的母亲河,在全球气候变化的条件下,水资源的供需矛盾日益尖锐。结合黄河的水资源特点,研究和评价了气候变化情景下黄河水资源的脆弱性,并从配置、利用、调度、管理方面系统地提出了适应性对策:探讨有序适应的黄河流域水资源优化配置方案;完善水沙调控体系,探讨高效输沙模式;合理开发非常规水资源;优化调整梯级水库运用方式;实施最严格的水资源管理制度;积极实施外流域调水。

中国典型农作物需水量及生产水足迹区域差异

基于CROPWAT模型探讨了中国典型农作物需水的区域差异规律,分析了各自作物的生产水足迹。结果表明:中国小麦、玉米和棉花多年平均(1961-2010年)需水量分别约为1056.4、1045.23和217.7亿m^3,且3种作物的绿水利用比例均高于蓝水,多年平均绿水需用量分别约为608.5、755.7和149.6亿m^3。从各作物的生产水足迹空间格局上分析,中国小麦、玉米和棉花的平均生产水足迹约为1.37、1.10和2.02 m^3/kg。小麦和玉米生产水足迹高的地区主要分布在中国南方以及陕西、甘肃、青海等省,生产水足迹多在2.0 m^3/kg以上;棉花生产水足迹高的地区主要分布在北京、天津以及甘肃等西部地区,多在2.5 m^3/kg以上。研究结果可为中国粮食主产区灌溉制度的制定以及农作物产业结构优化调整提供科学依据。

气候变化对中国东部季风区水资源脆弱性的影响评价

将耦合暴露度、灾害风险、敏感性与抗压性的脆弱性评估模型应用于中国东部季风区水资源脆弱性评价,从水资源供需平衡角度分析了气候变化对东部季风区水资源脆弱性的影响。结果表明,2000年气候条件下,我国东部季风区接近90%的区域水资源处于中度脆弱及以上状态。其中水资源中度和高度脆弱区域约占全区的75%,极端脆弱区域接近15%。中国北方海河、黄河、淮河和辽河流域的水资源脆弱性最高。未来气候变化影响将加剧水资源脆弱性的风险,不同RCP排放情景下2030年代我国东部季风区水资源中度脆弱及以上区域面积有明显的扩大,极端脆弱区域将达到20%-25%。由于未来需水的进一步增加,中国北方水资源脆弱性的格局并未发生根本变化,而南方东南诸河等区域将面临可能发生的水危机。

黑河流域气候平均降水的精细化分布及总量计算

利用黑河流域气象观测站降水资料和DEM资料,分析了气候平均年和月降水量与地理地形参数的关系.结果显示,黑河流域气候平均降水量与测站的海拔、纬度、坡度显著相关,据此建立了降水量与地理地形参数的关系模型;拟合分析表明,年降水量拟合值与实测值的相关系数达0.94,二者在大部分地区分布特征基本一致,拟合值稍大;逐月降水量拟合相对误差在上游和中游都很小.基于降水量与地理地形参数的关系模型,利用高分辨率DEM资料,扩展得到了黑河流域上中游100m×100m精细化分布的气候平均年降水量和各月降水量.结果表明,精细化分布的降水量场能够表现出更多与地形和地势有关的细节,这是只利用气象测站资料的分析结果所不能反映的.在黑河流域气候平均降水量空间精细化分布基础上,按照黑河流域上中游面积5.08×104 km2计算,其气候平均年降水总量约为150.6×108 m3,降水主要集中在5-9月.

黄土地区冬小麦田土壤理化性状、磷酸酶活性与氧化亚氮的排放

通过大田试验研究了黄土地区种植作物对旱作农田土壤理化性状、磷酸酶活性以及土壤N2O排放的影响。结果表明:无论是否施氮肥,是否覆膜,种植冬小麦对黄土地区土壤N2O的排放均具有促进作用;管理措施不同,作物对土壤N2O排放通量的影响效应亦不同,麦田小区土壤N2O排放通量高于休耕小区N2O,且覆膜处理>常规处理>单施磷肥处理;在常规施氮和覆膜施氮条件下,小麦田的水分含量均低于休耕地的含水量,但其NH4+-N含量却高于休耕地。多重回归分析表明:麦田小区与休耕小区土壤N2O排放通量差值仅与土壤有机质增量呈显著负相关,能量物质的丰缺是决定土壤N2O变化的主要因素;磷酸酶活性与N2O排放通量之间呈极显著负线性相关,即在磷素相对缺乏的黄土地区,如何提高磷酸酶活性对于土壤N2O的减排有重要意义。

黑河流域上游降水精细化分布与总量年际变化

利用黑河流域100m×100m地理地形资料及气象测站多年降水和风向资料,依据坡度、盛行风向与迎风坡对地形抬升速度影响的数学模式,对主导风向效应指数进行了扩展,构建了新的耦合坡度、坡向和主导风向的局地地形因子.通过回归分析,建立了逐年6—9月降水量与地理和局地地形因子的回归方程,通过GIS空间分析技术扩展得到了黑河流域上游1967—2008年逐年6—9月降水量的空间精细化分布,基于此计算了降水总量并分析其年际变化.结果表明:构建的局地地形因子与黑河流域逐年6—9月降水量均有很好的相关关系.逐年6—9月降水量与地理和局地地形因子的回归方程能够很好地拟合上游降水量,尤其在70年代末期以后拟合值与实测值基本吻合,多年平均相对误差在10%以内.在降水量空间精细化分布基础上计算的黑河流域上游多年平均6—9月降水总量为98.2×108 m3,降水总量具有明显的年际变化,1982年之前降水总量呈上升趋势,1982—2000年间波动幅度较大,2000年以来具有明显的上升趋势,整体趋势呈微弱上升.

利用地面大气电场监测实现雷电预警

地面平均大气电场仪通过监测地面附近一定范围内的大气电场,间接实现了对云层中,特别是雷暴云中的带电状况实时监测。以2008年的5月发生在西安泾河的三次雷电天气过程为例,结合闪电定位实时监测资料和雷达回波产品进行分析。结果表明:大气电场监测资料与地闪定位监测实况、雷达回波产品结合,能够有效监测发生在探测点周围局地对流的发生、发展、成熟、减弱不同阶段特征,实现对雷电灾害的短时预警。