京津冀区域国土空间生态修复关键区域识别研究

为构建京津冀生态安全格局,该文首先确定生态源地的选取,利用生态源地构建生态源点,之后通过MCR模型构建生态阻力面,利用ArcGIS中成本距离与成本路径的分析,以MCR最小累计阻力值为基础实现对生态廊道的提取,并识别出京津冀地区高生境质量的空间结构要素,在此基础上提出生态修复建议,以期促进研究区生态保护工程的科学、高效实施和整体生态环境质量提升,为研究区生态保护修复工程的科学高效实施提供借鉴和参考。

京津风沙源生态系统服务时空分布及冷热点分析

[目的]为明晰京津风沙源区生态系统服务时空格局特征及识别其冷热点,评估京津风沙源区实施生态工程后的生态效益及生态影响。[方法]基于京津风沙源区2000—2017年的遥感、气象、土壤、土地利用等数据,利用CASA(carnegie-ames-stanford approach)模型、InVEST(integrated valuation of ecosystem services and trade offs)模型、RWEQ(revised wind erosion equation)模型和RUSLE(revised universal soil loss equation)模型分别估算产水量、土壤保持、固碳和防风固沙服务,采用Getis-Ord Gi~*统计指数方法,识别京津风沙源区生态系统服务冷热点区域。[结果](1)2000—2017年各项生态系统服务功能均呈现上升趋势,4项生态系统服务功能的高值区集中在研究区的东南部,低值区集中在研究区的西北部。(2)2000—2017年4项生态系统服务均在京津风沙源西南部的鄂尔多斯高原沙化土地治理区出现明显的热点面积增加现象;固碳服务热点区域面积显著增加,其中,浑善达克-科尔沁沙地沙化土地治理区和坝上高原及华北北部丘陵山地水源涵养治理区的冷点区域向热点区域转化;产水服务冷热点面积占比没有明显变化,热点区主要集中在研究区南部坝上高原及华北北部丘陵山地水源涵养治理区,冷点区分布较为零散;防风固沙服务冷点区域面积增加;土壤保持服务冷热点区域面积占比很小且变化不大,区域土壤保持供给能力比较平均。(3)多重生态系统服务结果显示,研究区东南部区域能够提供2项及以上的高值生态系统服务功能,属于重点生态系统服务功能供给区,约占整个研究区15.5%。(4)2000—2017年林地4项生态系统服务热点面积占比较高,草地和林地的固碳服务功能热点面积显著增加,林地可提供较高的综合生态系统服务功能。[结论]京津风沙源治理工程的实施使得区域内总体生态系统服务功能提升。研究结果可为评估京津风沙源治理工程恢复成效提供一定科学数据,最终实现京津地区生态环境的可持续发展。

北京一号,环境星,Landsat TM传感器估算草地覆盖度、叶面积指数、地上生物量比较研究

以京津风沙源区的草地为研究对象,选取中国自主BJ-1、HJ数据及国外应用最为广泛的Landsat TM为数据源,结合地面同步实测草地植被覆盖度、叶面积指数和地上生物量数据,系统比较三个传感器在草地生理参数估算方面的差异与能力。研究结果表明:(1)HJ-1B与Landsat TM的红光波段与草地生理参量有更高相关性,而BJ-1相对较弱,但BJ-1近红外波段在草地生理参量遥感估算上明显优于HJ-1B与Landsat TM;(2)Landsat TM的植被指数在估测草地生理参量时好于HJ-1B与BJ-1数据,HJ-1B植被指数的表现优于BJ-1;(3)相对于植被指数,全波段多元回归模型可以提升草地生理参量估测精度,基于Landsat TM与HJ-1B的提升效果微弱,而基于BJ-1数据的估算精度有明显提高,其中基于BJ-1估算叶面积指数达到了最高精度(R2=0.61,RMSEP=0.15)。总体来说,自主国产遥感数据有其自己特色,可供深入研究及推广应用的潜力很大。

京津冀地区植被碳源/汇的时空变化特征及影响因素分析

植被净生态系统生产力(Net Ecosystem Productivity,NEP)在碳循环中起着关键作用,是生态系统碳预算的重要指标。基于MOD17A3数据、气象数据,结合土壤呼吸模型,对京津冀地区植被碳源/汇时空分布特征展开研究,并利用趋势分析、相关性分析等方法探究植被NEP与气象要素、植被归一化指数(Normalized Difference Vegetation Index,NDVI)及土地利用变化的关系。结果表明,1)2000-2022年京津冀地区NEP呈波动上升趋势,年增长率5.65g·m^(-2),年均NEP为108g·m^(-2),碳汇区面积也逐步增加,2022年占比达到最大值95.0%;NEP空间格局呈“北高南低”特征,与区域高程一致,并且有明显的空间异质性。2)近20年来,京津冀植被NEP呈上升趋势的面积占98.3%,且显著上升的区域占比为85.9%,在承德、张家口和北京较为集中,NEP为下降趋势的面积仅占1.72%;承德植被NEP呈显著上升的区域占比最多,为98.2%,而邯郸显著下降的区域占比最多,为1.03%。3)京津冀大部分地区植被NEP都与降水、气温呈正相关,与降水、气温的相关性均值分别为0.500、0.160,NEP与降水、气温呈显著正相关的面积占比分别为78.2%、13.9%,降水是影响京津冀地区NEP变化的关键气象因子;NDVI与NEP的平均相关系数为0.430,呈极显著正相关的面积占比为58.1%,其中正相关性较高的区域集中在京津冀西北部山区。土地利用变化结果显示近20年间京津冀林地面积大幅增加,3个研究时段内分别增加了31.4%、24.0%和11.9%,是驱动该地区植被NEP上升的重要因子。研究结果为京津冀地区植被碳源/汇的准确评估及“双碳”目标的实现提供了参考依据。

京津风沙源治理工程区土地利用/覆盖变化对生态系统水源涵养服务的影响

【目的】水源涵养服务是与人类关系最为密切的生态系统服务之一,也是评估区域生态环境效益的重要指标。本研究以水源涵养量为指标,探究京津风沙源治理工程实施的生态效益。【方法】采用区域土地利用/覆盖和气象数据,量化了2000−2018年土地利用/覆盖变化和同期水源涵养量动态,进而评估了土地利用/覆盖变化对水源涵养服务的影响。【结果】(1)京津风沙源治理工程区自西北向东南依次以草地、耕地、林地覆盖为主,水源涵养量自西北向东南递增;(2)2000−2018年,林地总体增加了14.22%,区域水源涵养量总体也呈现增加趋势,晋北山地丘陵区、燕山丘陵山地水源保护区、科尔沁沙地、鄂尔多斯高原和大兴安岭南部区等增幅相对较大;(3)区域生态系统水源涵养服务随不同时期、亚区分布和地类转换而存在差异,林地水源涵养服务量最高,且在各亚区均占主导地位;(4)2000−2010年,全区内草地向林地转移对水源涵养量增加的贡献最大,达49.32×10^(8) m^(3),大面积草地转为林地使大兴安岭南部区水源涵养量增加最为显著,达16.11×10^(8) m^(3);(5)2010−2018年,全区内仍是草地向林地转移对水源涵养量增加的贡献最大,达3.87×10^(8) m^(3),荒地开垦、造林、种草对涵养水源的贡献集中作用于鄂尔多斯高原南部区,增加了1.31×10^(8) m^(3),退耕还林和草地向林地转移对燕山丘陵山地水源保护区贡献最大,达1.84×10^(8) m^(3)。【结论】京津风沙源治理工程实施以来,退耕还林、荒地造林、草地治理等措施使研究区水源涵养服务有效提高,引起水源涵养量增加的土地利用/覆盖转移类型主要为未利用土地向林、草地转移和草、耕地向林地转移,地类转移对水源涵养量增加贡献最大的区域主要为大兴安岭南部区、燕山丘陵山地水源保护区和晋北山地丘陵区等东南部区域。区域土地利用/覆盖格局有待进一步优化,下一阶段的工程实施应当根据各区生态特点分区施策,因地制宜,对耕地水源涵养服务能力较弱区域实施退耕还林还草工程,对有必要保留的耕地改进水土保持耕作栽培措施,未利用土地面积较大区域根据水资源承载能力科学实施封沙育林育草或进行人工造林,并加强管护,使研究区高生态效益区持续稳步发展,低生态效益区重点治理,高效发展。

2000—2012年京津风沙源治理区植被覆盖时空演变特征

植被是陆地生态系统的主体,分析长时期植被覆盖变化,有助于揭示陆地生态环境的演变规律。研究以京津风沙源重点治理区的MODIS02B产品为数据源,通过数据处理获得2000—2012年的NDVI(Normalized difference vegetation index)时序数据集,采用线性趋势分析、标准差、Hurst指数和相关系数等方法,分析京津风沙源重点治理区植被覆盖的时空变化特征及影响因子。结果显示:(1)近13年来,治理区植被覆盖总体呈上升趋势(R2=0.70),2012年NDVI值达最大值0.324,比2000年增加了135.62%。但增加速率和幅度各异:北部干旱区(Bbghq)增加速度最快,浑善达克区(Hsdkq)次之,农牧交错区(Nmjcq)植被变化相对稳定。(2)工程区地表植被覆盖改善区域的面积明显大于退化区域,其中得到改善且通过显著性检验(P=0.10)的区域约占总面积的94.31%;Hurst指数分析表明,工程区植被变化整体呈中强持续性特征,面积合计约占64.48%;综合分析表明,工程区植被变化以良性发展为主,特别是强持续性的退化区和弱持续性的改善区值得关注,二者合计占35.27%。(3)人类活动是京津风沙地区植被覆盖上升的重要驱动因素;自然因素中,降水是控制工程区植被生长的主要因子,温度的影响相对较弱。

京津冀地区臭氧污染特征与来源分析

2013—2014年京津冀地区13个城市O3日最大8 h平均值第90百分位数平均为155～162μg/m3,京津冀地区已成为全国O3污染最严重的地区之一,京津冀地区O3污染程度有所加重。京津冀地区夏季O3浓度高,冬季浓度低,O3质量浓度较高的月份集中在5—9月,12月—次年1月浓度最低。在O3污染较重的夏季,每日6：00～7：00,O3质量浓度最低,15：00～16：00 O3浓度最高。在空间分布上郊区点位的O3质量浓度往往高于主城区点位。京津冀区域夏季O3小时浓度和NO2浓度呈高度负相关关系,和其他污染物无明显的相关性。O3质量浓度和气温呈显著的正相关关系,和大气相对湿度呈显著的负相关关系。京津冀区域O3的主要来源为NOX和VOC等一次污染物在日光照射下发生光化学反应而产生,控制O3前体物的源排放,尤其是控制好VOC的排放是控制O3污染的有效途径。

京津风沙源区2000—2015年植被覆盖状况的区域差异研究

植被覆盖状况是监测与表征区域生态建设成效的重要指标。以往研究注重区域植被覆盖状况的整体变化分析,对长时期区域内部植被覆盖变化及其差异研究较少。文中基于京津风沙源区遥感影像数据,采用GIS空间分析技术,重点评估了2000—2015年植被覆盖度的年际变化及其区域差异。研究结果表明,2000—2015年京津风沙源区植被覆盖度变化为35%~45%,且随年份变化呈波动增加趋势,年均增速为0.4%(P<0.05),生态治理取得明显植被恢复成效。8个治理分区植被覆盖均有所增加,但区域差异明显,晋北山地丘陵亚区和燕山丘陵山地水源保护亚区植被覆盖度年均增速超过0.6%,浑善达克沙地亚区与荒漠草原亚区植被覆盖度年均增速不及0.2%,这与区域地表组成和气候背景有关。从地市来看,北京、天津和承德植被覆盖度较高,但朔州和张家口植被覆盖度增速明显,而乌兰察布和包头植被覆盖度年均增速低于0.1%。相比2000年,2015年京津风沙源区有51%的区域植被覆盖度增加,49%区域植被覆盖度未变或降低,主要集中在京津风沙源区的中部和西部县市(旗),未来生态治理过程中应加以重点关注。

京津风沙源工程区沙漠化防治区划与治理对策研究

对京津风沙源工程区沙漠化影响因素和沙漠化土地分布进行分析,提出制定沙漠化防治区划的原则,并对该地区进行沙漠化防治分区,提出不同区域的沙漠化防治战略对策。根据气候分区、植被和土壤的分布、地貌类型以及沙漠化土地分布情况,将京津风沙源工程区划分为6个治理区,即乌兰察布高原退化草原治理区、锡林郭勒高原北部退化草原治理区、浑善达克沙地沙化治理区、科尔沁沙地西缘沙化治理区、坝上高原-雁北高原风蚀、水蚀治理区和燕山山地水蚀治理区。

京津风沙源治理工程区植被恢复效果调查

"京津风沙源治理工程"区植被恢复效果是研究该区生态环境建设的重点。利用传统生态学方法对整个"京津风沙源治理工程"区的植物多样性进行调查研究,并利用像元二分法对工程第1阶段实施前后的植被盖度进行对比。结果显示:整个京津风沙源区植被平均覆盖度上升,植被盖度低的土地面积逐渐减少,盖度高的土地面积逐渐增加,区内土地具有良好的植被恢复潜力与趋势。证明经过5年的努力,京津风沙源治理工程植被恢复已取得一定治理效果。调查结果可为"京津风沙源治理工程"第2阶段提供基础数据及有益参考。

针阔树种人工林地表凋落物对土壤呼吸的贡献

了解地表凋落物呼吸对陆地生态系统碳循环研究具有重要意义。为了研究针阔树种地表凋落物对土壤呼吸的贡献,本文在京津风沙源地区选择林龄为10年的油松、杨树人工林,设置去除凋落物（no litter,NL）、覆盖凋落物（cover litter,CL）和自然状态（control,C）3种处理,利用Li-6400-09土壤呼吸测定系统对土壤呼吸速率以及地表5 cm土壤温度、土壤湿度进行观测。结果表明：1）凋落物的去除与覆盖显著改变土壤呼吸速率（P〈0.05）,油松、杨树人工林3种处理土壤呼吸速率年均值（μmol？m？2？s？1）分别为2.28、2.81、2.55和2.13、2.62、2.32,均为CL〉C〉NL（P〈0.05）;2）土壤呼吸对环境因子的响应产生地表凋落物贡献的季节性差异,土壤呼吸速率与地表5 cm土壤温度呈显著指数正相关关系（R2=0.54-0.88,P〈0.05）,但与地表5 cm土壤湿度不存在相关关系,油松和杨树CL、NL、C 3种处理土壤呼吸的温度敏感性指数Q10值分别为1.97、1.90、2.25和2.79、2.61、2.93,大小趋势均为NL。

京津风沙源治理区植被变化的可持续性分析

利用京津风沙源治理区1982—2011年的GIMMS/NDVI3g数据集,对治理区植被变化的可持续性进行定量分析.结果表明:(1)归一化植被指数(NDVI)时间变化方面,2001—2011年间研究区植被整体上呈增加趋势,4大分区植被增速存在区域差异;(2)NDVI变化的可持续性方面,2001—2011年间整个研究区植被变化呈现出显著的长期持续性特征,且存在明显的时空差异,自2000年治理工程实施以来,治理区植被明显恢复,一期工程成效显著,但局部地区植被仍在持续减少,因此有必要进行二期工程以巩固和提高一期工程的成果,进一步改善环境;(3)NDVI变化趋势的未来持续时间方面,整个治理区植被的未来变化状况不容乐观,4大分区中农牧交错带沙化土地治理区植被的未来发展趋势优于其他3个治理区,工程治理效果也相对较好.

基于MODIS NDVI的京津风沙源工程治理区荒漠化动态监测

以MODIS植被指数产品为数据源,利用归一化植被指数(NDVI)进行京津风沙源工程治理区荒漠化程度划分,得出2000年、2004年、2008年荒漠化等级分布图,在此基础上对研究区不同等级荒漠化进行对比分析。结果表明:京津风沙源工程治理区荒漠化程度总体上呈现减少趋势;荒漠化转移方向主要为严重荒漠化→重度荒漠化→中度荒漠化→轻度荒漠化→非荒漠化。

京津风沙源治理工程区水源涵养功能时空变化分析

水分是干旱、半干旱地区植物生长的主要限制因子,也是权衡生态修复工程措施的重要依据。基于区域水量平衡方程与GIS空间分析技术,评估了京津风沙源治理工程区水源涵养功能的时空变化,并分析了气象、地形、植被等因素对水源涵养功能的影响。结果表明:2000—2015年工程区的水源涵养量与涵养能力均有所增加,多年平均值分别为16.79亿m^(3)和3.66mm。工程区水源涵养能力由西向东递增,高值区与较高区的面积占到工程区的32.45%;相比2000年,2015年有41.65%的地区水源涵养能力增大,其中22.01%的地区显著升高。但2000—2015年荒漠草原亚区水源涵养能力明显下降,农牧交错带草原亚区相对稳定,整体来看,典型草原亚区的水源涵养量最大,燕山丘陵山地水源保护亚区的涵养能力最高。主要原因在于工程区水源涵养能力易受降雨、气温以及植被覆盖度等因子影响,浑善达克沙地亚区与科尔沁沙地亚区的植被覆盖状况改善显著提升了其水源涵养能力,农牧交错带草原亚区和晋北山地丘陵亚区的水源涵养能力下降主要归因于降雨量减少,而荒漠草原亚区的涵养能力明显受到气候与植被的双重制约。

基于多源数据的京津风沙源区防风固沙功能变化

防风固沙功能是评估区域生态安全程度的重要指标,研究其时空变化和内部差异可为改善生态环境和促进生态系统可持续发展提供重要参考。基于京津风沙源区多源遥感数据,利用修正风蚀方程(RWEQ)和GIS空间统计技术,评估分析了2000—2017年京津风沙源区防风固沙功能时空变化及其区域内部差异。结果表明:(1)区域防风固沙功能明显提升,年均防风固沙量为40.06亿t,防风固沙能力为56.38 t/hm^(2),且均随年份变化波动增加,年均增速分别为0.41亿t,0.58 t/hm^(2)。其中,二期新增区域防风固沙能力高于一期工程区域。(2)在亚区尺度上,5个亚区整体防风固沙能力均呈增加趋势,其中鄂尔多斯高原沙化土地治理区增加最为明显,为1611.35万t/a。其中,鄂尔多斯高原沙化土地治理区和坝上草原及华北北部丘陵山地水源涵养治理区是防风固沙功能的主要供给区,占比达57.96%。(3)在像元尺度上,区域自西向东大致呈现出高—低—高的变化趋势,评估期内有54.11%的地区防风固沙能力呈现增加趋势,变动值介于0.10~12.22 t/(hm^(2)·a)。此外,46.83%的地区防风固沙能力高于45.00 t/hm^(2),防风固沙功能较强。

基于规划目标的京津风沙源治理区生态保护与修复效应

为改善和优化京津及周边地区生态环境状况,减轻风沙危害,2003年启动实施了京津风沙源治理工程。基于工程规划目标评估了京津风沙源治理区生态保护与修复效应,结果表明:(1)草地和林地作为京津风沙源治理区绿色生态屏障的主要组成,分别占治理区面积的57.3%和9.7%,而风沙策源地的耕地和沙地分别占17.2%和6.4%。(2)2003—2017年,京津风沙源治理区草地、耕地、沙地面积减少,而林地和其他类型面积增加。治理区植被覆盖度平均提高了2.3%,其中林地提高了4.3%,草地提高了2.4%。(3)沙尘天气发生的春季,治理区土壤风蚀量减少了54%。在防风固沙服务总量的贡献中,草地和沙地贡献了71%。因此,草地和沙地生态系统的植被恢复,对治理区生态系统防风固沙服务的提高发挥了最为重要的作用。(4)除治理区植被有所恢复外,由于气候整体变暖,近15年风场强度有所减弱,特别是沙尘天气易发生的春季风场强度减弱近45%,也是影响京津风沙源治理区风蚀量下降的一个重要原因。

京津风沙源治理工程不同恢复措施对草地恢复过程的差异性影响

中国北方草原区域作为我国北方重要的防沙治沙生态屏障,长期以来大规模投入实施了系列生态恢复工程。为了解不同恢复措施对草地恢复的影响异同,以京津风沙源治理工程的草原治理区域为研究对象,采用工程区内外对比法探索4种典型工程恢复措施及措施组合(围封禁牧、补播草种、小流域治理和基本草牧场建设)对草地群落物种组成、生产力构成和物种多样性的差异性影响。结果显示:1)各工程恢复措施均趋向增加群落的高度和盖度,其中围封禁牧草地的恢复最为明显;群落中禾本科、莎草科物种重要值增加,杂类草下降,群落建群种由克氏针茅、糙隐子草、百里香等较低矮物种转变为大针茅、羊草、羽茅等较高大的多年生禾草;2)各恢复措施均显著增加群落的地上生物量(P<0.05),但种植人工饲草的基本草牧场地下生物量显著下降,使得群落总生物量也显著减少(49%);只有围封禁牧措施使群落总生物量、地下生物量和地上生物量均显著增加;群落内C3植物、多年生植物生物量比例趋向增加;3)各工程恢复措施均未显著增加群落内物种丰富度,却均趋向减少群落物种均匀度,补播草种和基本草牧场建设区域Shannon-Wiener多样性指数下降达到显著水平。以上结果表明长期的恢复措施实施能明显恢复草地的植被覆盖和地上生产力水平,提高草地的饲草品质,有助于区域沙源固定、碳汇增加和饲草供应恢复,但长期的工程干预有可能对区域的植物群落物种多样性水平存在负面影响。

内蒙古牧区草地生态补偿实践评析

内蒙古草原位居我国五大牧区之首,是我国重要的畜牧业生产基地和生态安全屏障。受气候变化和人为因素的影响,草原生态系统破坏严重。为恢复和改善草原生态环境,国家对内蒙古草原实施了生态补偿项目。本文以内蒙古牧区33个旗县实施的京津风沙源和退牧还草工程为研究对象,通过内蒙古统计年鉴数据及相关资料分析,发现工程实施后生态效益和经济社会效益有了明显改善,但是工程在实施过程中存在补偿标准偏低、补偿范围偏小、投入力度偏弱、补偿主体过于单一、监督管理不完善等诸多问题。为解决这些问题,本文提出七方面的对策和建议,旨为后期草原生态工程顺利实施提供有力保障。

山西省京津风沙源治理工程草地建设项目实施进展

在京津风沙源治理工程的推动下,山西省所辖13个县(区)的草地建设项目取得了预期的成效。基本草场、人工种草、草种基地、飞播牧草4项工程,为13个县(区)增加3.21%的植被覆盖率。

京津风沙源治理工程生态影响及评估研究进展和展望

控制水土流失、防止沙漠化、改善生态环境是我国京津风沙源治理工程的核心目标,因此,工程的生态影响和治理效果备受关注,对工程进行全面、客观的生态影响评估尤为重要。讨论了京津风沙源治理工程的生态影响及识别问题,总结了已有研究中评估工程生态影响的角度、定性与定量方法,并在评述国外相关研究进展的基础上,对未来的研究方向进行了展望。