陕北黄土高原景观生态质量时空分异及驱动力分析

景观生态质量是衡量生态系统稳定度的重要指标。基于景观稳定性、景观干扰度和恢复与重建力三个层面构建景观生态质量评估模型,探究了陕北黄土高原20 a来景观生态质量及时空变化,并利用地理探测器进行了驱动力分析。结果表明:陕北黄土高原景观生态质量呈现中南部高、西部及北部低的分布特征,空间相关性和异质性显著;景观生态质量等级在中等及以上的区域面积占比由40.0%上升至63.5%,景观生态质量明显改善,并呈现先下降后上升的变化趋势;区域景观生态质量受自然因子和人为因子的共同作用,NDVI和高程是主要驱动因子,且与降水、气温、GDP和人口密度等因素交互后驱动力增强。

陕北黄土区典型植被土壤水分亏缺特征

在陕北地区,土壤水分是限制植被生长的主要因素之一。为了解陕北黄土区不同植被类型土壤水分变化情况,给研究区林业生态工程建设提供科学依据与数据支撑,选取吴起县广泛分布的7种典型退耕还林植被,经单因素方差分析和Duncan多重比较,结果显示:研究区土壤含水量随季节变化总体表现为春季>秋季>夏季;在7种植被类型中,土壤含水量和土壤贮水量均表现为河北杨最高,草地次之,刺槐山杏混交林最低;研究区在2020年秋季至2021年夏季土壤水分处于持续亏缺状态,且各植被类型春季土壤贮水亏缺补偿度明显小于冬季。研究表明:研究区土壤水分受植被类型影响明显,在陕北选择合理的植被配置模式进行退耕还林十分重要。

陕北黄土高原气象要素对植被覆盖的空间分异影响及风险探测

陕北黄土高原地处我国西北生态环境脆弱区,近年来受退耕还林(草)影响,区域植被覆盖变化显著,与气象要素的响应关系也呈现出了复杂的空间分异性和不确定性,亟待厘清。以不同地貌分区为响应单元,探究了陕北黄土高原变绿前后(1982—1992年与2005—2015年)NDVI指数的时空演化特征,分析了植被覆盖变化与气象要素之间的分异性响应关系,并透过最优参数的地理探测器模型(OPGD)探测了气象要素变化对植被覆盖演变的交互影响及风险。研究结果表明:(1)陕北黄土高原及各地貌分区在研究期内NDVI指数均呈显著上升趋势,且阶段化分异明显;各地貌区气温和实际蒸散发量在高原变绿前后趋势变化差异明显,1982—1992年主要呈不显著增加趋势,而2005—2015年则表现为不显著减少趋势;两个时期降水量的空间异质性较为显著,其中北部地区为持续增加趋势,而南部地区则由减少逆转为增加趋势。(2)不同地貌区NDVI指数与气温和蒸散发均呈正相关,且蒸散发与NDVI的相关性强于气温;相对高原变绿前,2005—2015年NDVI指数对各气象要素的响应强度均有所增大。(3)OPGD因子检测结果显示5km空间网格是评价气候变化对陕北黄土高原植被覆盖变化影响的最佳空间尺度,各地貌分区对NDVI指数变化影响最大的气象因子依次为:气温(黄土塬)、降水(盖沙黄土丘陵)、蒸散发(黄土峁状丘陵)、降水(黄土梁状丘陵)、降水(黄土宽谷丘陵)、蒸散发(风沙丘陵)、降水(土石丘陵);交互探测表明气象因子间的交互作用对NDVI指数的空间分异具有协同增强性,但不同时期各地貌区的主导交互因子略有差异。(4)风险探测发现不同实际蒸散发量对NDVI指数的影响有显著空间差异。(5)陕北黄土高原的植被覆盖变化并不能简单归因于退耕还林(草)等生态修复措施,而应是多要素耦合驱动的结果,气象要素在其中扮演了不可忽视的作用。

陕北黄土高原人工混交林和纯林对干旱的适应性差异

为揭示渭北黄土高原混交林和纯林径向生长对气候变化的响应及应对极端干旱能力的差异,以黄土高原典型丘陵区延安市安塞县油松、刺槐混交林和纯林为研究对象;依据帕默尔干旱指数(PDSI)选择2005-2009年和2019年两次极端干旱事件,使用156根树轮样芯,分别建立了4个林分的树轮宽度年表并量化了树木的抵抗力和恢复力。结果表明,在极端干旱事件发生年和气候适宜年,油松混交林年轮宽度均显著高于纯林,但刺槐纯林的年轮宽度显著高于刺槐混交林;气候响应方面,PDSI对油松纯林和混交林径向生长的促进作用强于刺槐;刺槐混交林对干旱的抵抗力显著高于刺槐纯林和油松林,四种林分的恢复力没有显著差异。本研究结果表明,混交营林模式显著提高了刺槐对干旱的适应能力,营造刺槐混交林将有助于提高黄土高原地区人工林对日益干旱环境的适应性。

陕北黄土高原沟壑区文物遗产时空分布规律研究

揭示陕北黄土高原沟壑区文物遗产的分布特征,为该地区历史文化时空变迁研究与历史文化空间格局的凝炼提供借鉴。研究将文物遗产按照其所承载的内涵分为聚居型、人文型、防御型与近现代文物遗产四类,运用地理信息技术分析其空间分布特征,结合历史、文化、社会等时空变迁脉络研究陕北黄土高原沟壑区文物遗产的时空分布规律及其影响因素,指出河流道路的位置与走向对聚居型文物遗产的分布具有较大影响,自然山川的形势决定了人文型文物遗产的选址与布局,政治军事活动推动了防御型遗产“由点至带”的发展演变。

陕北黄土沟壑区采煤沉陷对黄土坡面形态的影响及土壤侵蚀效应

如何破解煤炭开采与水土保持之间的矛盾是实现黄河中游生态环境保护与高质量发展的关键科学问题。以陕北黄土沟壑采煤沉陷区为研究对象,针对主采煤层典型地质赋存特征,以地下采厚(9、7、5 m)、地表黄土自然坡面坡形(直线坡、凹形坡、凸形坡、复合坡)及坡度(5°、15°、25°、35°、45°)为变量,共构建了60个数值模型,基于FLAC3D数值模拟软件,研究了黄土自然坡面形态及采厚耦合作用下坡面形态演变过程与规律,基于中国水土流失方程(CSLE模型)和经验模型,计算与分析了沉陷坡面土壤侵蚀效应。研究结果表明:(1)采煤沉陷会导致地表黄土坡面的坡度增大,且采厚越大,坡度增幅越大,大采厚对采煤沉陷导致地表黄土坡面坡度的增大会产生明显的放大效应。凹形坡普遍对沉陷坡面坡度的影响显著,特别是在“采厚5 m、自然坡度>5°”“采厚7 m、任意自然坡度”“采厚9 m、自然坡度≤35°”条件下。无论在何种采厚及自然坡形情况下,≤5°的自然坡度对沉陷坡面坡度增幅的影响均最大。(2)采煤沉陷会导致“年侵蚀降雨”尺度下地表黄土坡面的土壤侵蚀模数M_(1)增大,且采厚越大,M1增幅越大;当采厚从5 m增大到9 m时,M_(1)增幅增大了1倍左右;4种坡形中凹形坡对沉陷坡面M1的增幅影响最大;≤15°自然坡度对沉陷坡面的M1增幅影响较大,在“采厚9 m,凹形坡”条件下超过了20%。(3)采煤沉陷会导致“典型场次侵蚀降雨”尺度下地表黄土坡面的土壤侵蚀模数M_(2)增大,且采厚越大,M_(2)增幅越大;当采厚从5 m增大到9 m时,M2增幅增大了1倍左右;4种坡形中凹形坡对沉陷坡面M2的增幅影响最大;≤15°自然坡度对沉陷坡面的M2增幅影响较大,在“采厚9 m,凹形坡”条件下超过了17%。该结果可为陕北矿区乃至黄河流域中游的水土流失精准防控与高质量发展提供科学依据。

基于特征分区的陕北黄土高原植被覆盖变化及其驱动因素

陕北黄土高原是退耕还林(草)工程的重要实施区域,深入分析退耕以来不同时段的植被覆盖变化和驱动因素特征,对推进区域生态环境建设具有重要指导意义。基于2000—2019年中分辨率成像光谱仪(MODIS)获取的归一化植被指数(NDVI)数据,在地理分区的基础上,根据气候和植被覆盖类型等自然地理要素对陕北黄土高原进行特征区域划分,采用趋势分析、相关分析和残差分析等方法,研究全域及各分区在两轮退耕还林(草)工程实施期间(2000—2013年、2014—2019年)植被覆盖的时空变化及其驱动因素,探究不同时期植被变化及驱动因素的差异性。结果表明:(1)2000—2019年,各分区年均NDVI值为土石丘陵林区(Ⅵ区)>黄土塬区(Ⅶ区)>黄土梁状丘陵区(Ⅴ区)>黄土峁状丘陵区(Ⅳ区)>盖沙黄土丘陵区(Ⅱ区)>黄土宽谷丘陵区(Ⅲ区)>风沙丘陵区(Ⅰ区),均呈增加趋势。(2)20年间,研究区植被显著改善面积占比约为93.6%。在第二轮工程实施期间,研究区植被改善速度较第一轮降低(0.0136/a、0.0125/a),Ⅳ、Ⅴ、Ⅵ、Ⅶ区部分植被发生退化。(3)陕北地区植被变化是气候和人类活动共同作用的结果。人类活动是引起研究区植被变化的主导因素,但气候因素在植被变化中的影响程度逐渐加深。气候因素在第二轮工程实施期间对各分区植被变化的贡献率较第一轮增大。(4)在长时间尺度上,植被的生长和分布受水分等自然条件的制约。因此,在进行植被恢复时,要充分考虑自然环境条件,以达到区域生态恢复的可持续性。

基于BP神经网络的陕北黄土高原沟壑密度空间插值研究

沟壑密度是反映地表破碎度的重要因子,也是进行水土保持综合调查、制定流域综合治理规划的重要指标依据。因缺乏高精度的大尺度DEM数据,故选择合适的插值方法实现沟壑密度在区域尺度上的空间插值是迫切需要解决的科学问题。BP神经网络插值在区域尺度地理要素空间变异研究中,特别是小样本情况下,具有更高的精度。基于陕北黄土高原80个试验样区5 m分辨率DEM和将30 m分辨率DEM计算得到的研究区平均坡度作为辅助变量,利用BP神经网络插值方法进行陕北黄土高原沟壑密度插值,并与不同插值方法结果进行精度对比,结果表明:当处理目标变量与辅助变量之间存在相关关系却不存在一个准确关系式时,BP神经网络插值具有优越性,插值结果精度更高。此外,还对比了基于不同辅助变量的BP神经网络插值精度,结果表明:对于样本点稀疏、地形起伏较大的区域尺度空间插值,采用辅助变量的BP神经网络插值精度明显高于不采用辅助变量,且选取的辅助变量必须与目标变量有较强的相关性,增加相关系数低的辅助变量反而会导致插值精度降低。

基于贝叶斯网络的生态系统服务权衡协同关系及其驱动因子分析——以陕北黄土高原为例

了解生态系统服务的权衡协同关系及其驱动因子效应是实现生态系统有效管理和改善人类福祉的基础。以陕北黄土高原为例,定量评估其2018年土壤保持、产水服务、粮食供给和固碳服务,在构建贝叶斯网络生态系统服务模型的基础上,通过节点的重要性分析识别影响生态系统服务的关键节点,利用联合概率分布、概率推理和情景模拟探讨生态系统服务权衡协同关系及其驱动因子效应。结果表明:(1)陕北黄土高原各类生态系统服务空间异质性较强。其中,土壤保持、产水服务和固碳服务的空间分布情况较为一致,高值区集中在东南部,低值区在西北部,呈“南高北低”的分布特征;粮食供给呈“中部高、南北低”的分布特征。(2)土壤保持、产水服务和固碳服务之间互为协同关系,粮食供给分别与土壤保持、产水服务、固碳服务为权衡关系。其中,产水服务与固碳服务的协同关系、产水服务与粮食供给的权衡关系较强。(3)土地利用、降水和NPP(Net primary production)是影响生态系统服务权衡协同关系的主要驱动因子,其中土地利用主要影响生态系统服务的协同关系,而降水和NPP在影响协同关系的同时对权衡关系也有一定的制约作用。研究发现:不同驱动因子在不同状态下产生相同的协同(或权衡)方式,相同驱动因子在不同状态则会造成协同(或权衡)方式的差异。研究对于认识多种生态系统服务间的复杂关系及其驱动因子差异,为后续提出改善生态系统管理和提高人类福祉的对策与措施,具有重要的理论和实践价值。

陕北黄土高原生态脆弱性时空变异及驱动因素分析

在多源数据的支撑下,基于敏感性-恢复力-压力模型构建评估指标体系,分析生态恢复工程实施前后(1997年和2021年)陕北黄土高原不同行政区、不同生态功能区和不同坡度的生态脆弱性时空分异规律及驱动机制。结果表明:(1)陕北黄土高原生态脆弱性明显改善,生态脆弱性指数均值从41.74下降至32.96,减幅21.0%;生态脆弱性等级也整体下降,已由中脆弱和低脆弱性占主导转化为低脆弱性占主导的格局。生态脆弱性存在明显地带性分布特征,从南到北生态脆弱性等级逐步提高。(2)1997—2021年,51.2%的区域生态脆弱性有所改善,以中脆弱改善到低脆弱为主;4.6%的区域生态脆弱性有所增加,以一般脆弱增加至低脆弱、低脆弱增加至中脆弱为主。铜川市、延安市和榆林市辖区内生态脆弱性指数和等级均在下降,其中铜川市生态脆弱性最低,榆林市最高。3个生态功能区生态脆弱性指数和等级均在显著下降,降幅表现为:退耕还林区>风沙区>黄桥林区。(3)符合退耕条件的区域,高等级脆弱性大幅转化为低等级脆弱性,生态脆弱性得到明显改善,工程取得了较为显著的成效。(4)剖析驱动机制可以发现,人为因素和自然因素的驱动力各占83.1%和16.9%,说明生态恢复工程是区域生态脆弱性显著改善的主要驱动力。研究结果可为该区域生态恢复工程成效评估和生态可持续性修复提供科学的参考数据。

陕北黄土高原景观格局对生态系统服务权衡关系的影响

揭示景观格局对生态系统服务权衡关系的作用机理对于开展多种ES的可持续管理具有重要意义。在评估陕北黄土高原2000—2020年粮食供给、水源涵养、土壤保持、生境质量和景观美学等5种生态系统服务的基础上,利用相关系数和均方根误差测度其权衡强度,结合R指数模型、变异划分法定量表达景观组分和景观配置对生态系统服务权衡关系的影响差异。结果表明:1)2000—2020年陕北黄土高原5种生态系统服务整体呈上升趋势,空间上粮食供给北高南低,水源涵养、土壤保持、生境质量和景观美学则为南高北低的分布格局;2)粮食供给与其他4种服务为权衡关系,而水源涵养、土壤保持、生境质量和景观美学之间呈协同关系;3)斑块丰富度对各组权衡关系具有正向影响,而斑块面积和景观百分比则具有负向影响;4)景观组分对各组权衡关系的单独贡献度高于景观配置,多数情况下,权衡关系更多由组分和配置的联合作用主导。研究从景观管理角度为改善陕北黄土高原生态系统服务间的权衡关系、提升ES的潜在供给能力提供了科学依据。

陕北黄土区不同林地土壤有机碳含量研究

为探究黄土高原植被恢复对深层土壤碳库的影响,选取退耕还林第一县陕北吴起县金佛坪流域5种植被恢复类型(山杏林(Armeniaca sibrica),油松林(Pinus tabulaeformis)、沙棘林(Hippophae rhamnoides)、刺槐林(Robinia pseudoacacia)、小叶杨林(Populus simonii))和以自然恢复为主的荒草地为研究对象,通过调查0~1000 cm土层土壤有机碳含量,并计算土壤有机碳储量,分析不同植被类型的土壤有机碳剖面分布和差异。结果表明:在总体上,土壤有机碳在0~60 cm出现快速下降,60~1000 cm出现不明显的波动变化,其中40~260 cm土层,小叶杨林地土壤有机碳含量明显最高。不同植被恢复都具有固碳效益,且不同植被土壤有机碳含量差异显著(P<0.05)。不同植被土壤有机碳储量:小叶杨(18年)(301.51 t·hm^(-2))>刺槐(19年)(249.86 t·hm^(-2))>沙棘(18年)(242.14 t·hm^(-2))>山杏(8年)(226.08 t·hm^(-2))>油松(5年)(182.91 t·hm^(-2))>荒草地(160.45 t·hm^(-2)),这可能是由于不同树龄和植被类型导致的结果。深层(100~1000 cm)土壤有机碳储量占0~1000 cm剖面有机碳储量的73%~84%。深层土壤有机碳含量颇丰,在今后碳汇评估中不容忽视。

退耕还林还草前后植被净初级生产力动态及其对环境变化的响应评估:以陕北黄土高原为例

【目的】为揭示陕北黄土高原退耕还林还草前后的植被净初级生产力(NPP)时空演变规律及其对环境变化的响应状态,【方法】基于土地利用模型分析陕北黄土高原1980—2020年的土地利用变化特征,采用改进的CASA模型揭示NPP时空动态,并结合情景分析法探讨了环境变化对NPP的影响。【结果】(1)1980—2020年陕北黄土高原耕地、水体和未利用地减少,林地、草地和建设用地增加;退耕还林还草前的综合土地利用动态度为2.24%,9086.25 km^(2)的土地参与转移,以未利用地转出为草地为主;退耕还林还草后的综合土地利用动态度为22.15%,12340.88 km^(2)的土地参与转移,以耕地转出为林地、草地和建设用地为主。(2)以2000年(退耕还林还草)为界,研究区40 a间NPP先减后增,整体增加了271.66 gC·m^(-2)·a^(-1);空间上呈现南高北低的分布特征,整个研究期内98.54%的区域出现了NPP增加的现象;不同土地利用类型多年NPP均值大小排列为:林地>草地>耕地>建设用地>水体>未利用地。(3)退耕还林还草实施前,土地利用、NDVI、降雨和气温变化对陕北黄土高原NPP变化的贡献率分别为0.14%、47.22%、42.07%和10.57%;退耕还林还草实施后,NDVI变化对该地区NPP的变化贡献率高达85.42%,土地利用、降雨和气温变化的贡献率较低,分别为0.33%、9.67%和4.58%。【结论】随着退耕还林还草的实施,陕北黄土高原土地利用整体变化速率加快;NPP年均值增加、高值区范围扩大,生态状况得到明显改善;NDVI变化成为该地区NPP变化的主导因素。

陕北黄土区地质灾害风险评估及综合防治策略

由于黄土地区,是我国目前生态环境较为脆弱区域,其自然地质,较为特殊,所出现了地质灾害多。尤其是陕北黄土区,沟壑比较纵横,水土流失情况严重,地下水源较为匮乏,经常出现滑坡、崩塌等情况,这些地质灾害,会造成财产损失,影响当地经济的发展。基于此,本文分析了陕北黄土区地质灾害风险评估内容,实现了综合性的防治。

陕北黄土丘陵沟壑区乡村聚落分布及其用地特征

在实地调查的基础上,将陕北黄土丘陵沟壑区乡村聚落划分为河谷平原型、坡麓台地型、支毛沟型及墚峁坡型等4种类型.论述了乡村聚落具有规模小、密度小、分布不均匀,沿树枝状水系递减,大多有向阳、向路、向沟等特点.分析了聚落用地情况,其中院落用地较大,占聚落总用地的41 8%～58.6%,人口密度大的绥德、米脂地区,户均聚落占地较少(391m2),而人口密度小的榆阳区户均聚落占地较多(498m2);乡村聚落实际占地比一般统计数字大47.8%,同时聚落用地数量在不断增大,并向条件好的地方迁移.

陕北黄土丘陵区威胁窑洞民居的地质灾害问题--以陕西延安地区为例

窑洞是陕北黄土丘陵区民居的一种主要形式。在介绍区内窑洞的类型和分布的基础上,阐述了滑坡、崩塌、塌窑、窑洞透水等主要窑洞民居地质灾害的发育特征。从沟谷发育期、斜坡结构类型、地形特征等方面分析了窑洞灾害形成的主要原因,认为黄土的工程地质特性是灾害发育的物质基础,人类工程活动和降雨是灾害形成的主要诱发因素。最后从窑洞的选址、斜坡的设计、窑洞的防水等几个方面提出了灾害的防治措施。

陕北黄土丘陵沟壑区植被恢复与重建技术对策

对黄土丘陵沟壑区植被性质、土壤基质旱化、植被恢复和重建途径等理论及实践问题进行了详细论述 ,提出应采用集雨造林和径流林业技术 ,利用地带性林草种类 ,仿拟自然演替规律恢复和重建森林植被群落 ,构建“乔灌草”

陕北黄土丘陵沟壑区地形因子与水土流失的相关性分析

针对陕北黄土丘陵沟壑区11个水文站点的6,7,8,9月平均径流量、含沙量和侵蚀模数的数据,选择沟壑密度、地形起伏度、粗糙度等12个地形因子,进行了地形因子与水土流失的相关性分析,结果表明不同地形因子与水土流失的相关性不同,而且不同月份之间相关程度也不一致。基于地形因子与水土流失的关系所拟合的曲线模型中,径流量、7月含沙量和7月侵蚀模数的模型拟合效果较好,6,8,9月侵蚀模数和8,9月含沙量的模型拟合效果一般,6月含沙量的模型拟合效果相对较差。

近30年来陕北黄土高原土地利用动态变化分析

基于1975年的LandsatMSS影像,1986年、1997年和2006年的Landsat TM影像,利用遥感影像的计算机自动分类和目视解译,得到这4a的土地利用信息。利用ERDAS中的GIS分析模块和统计方法对这4a的土地利用图进行统计分析,得到1975-1986年、1986-1997年和1997-2006年这3个时间段的土地利用变化的数量、速度、幅度、空间格局特征。结果表明:耕地经历了一个先增加后减少的过程,草地、林地先减少后增加,居民地一直处于增加状态,未利用地从整体上来说处于减少状态,只不过在中期有一定数量的波动;在前期和中期土地利用类型间的相互转化基本一致,后期土地利用类型间的相互转化有所增强;耕地、草地、林地和未利用地是该地区土地利用变化的主导类型,主要是耕地、草地与其它土地利用类型间的相互转化。

陕北黄土高原地区土地利用/覆被分类及验证

陕北地区自退耕还林工程实施以来,区域土地覆被发生巨大变化,退耕后土地利用/覆被分类有利于实现退耕前后土地利用/覆被动态监测,评价退耕还林工程进展程度。该文在前人分类系统的基础上,通过对研究区不同土地覆被类型分布特征的实地调查,首先构建了适合陕北地区的土地覆被分类系统;其次依照上述分类系统,以MODIS/NDVI数据、DEM数据和陆面温度数据为依据,采用决策树分类方法对2008年陕北地区土地覆被进行分类;最后采用野外调查数据和Google Earth高分辨率遥感数据,利用误差矩阵的方法对分类结果的整体精度和典型区域不同土地覆被类型的区分精度进行验证。结果表明,基于上述方法的土地覆被分类不仅反映了土地覆被分布的整体情况,而且不同的土地覆被类型之间也得到较好的区分。